JP4912719B2 - Semiconductor optical device, optical switching system, and wavelength tunable laser - Google Patents

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Description

本発明は半導体光素子に係り、特に、光の出射角度を変化させることができる半導体光素子に関する。   The present invention relates to a semiconductor optical device, and more particularly to a semiconductor optical device capable of changing a light emission angle.

従来、外部共振器型の半導体レーザ(以下、EC−LDという)は、モノリシックタイプの分布帰還型半導体レーザに比べ、製造時の歩留まりが非常に高く、スペクトル線幅が狭いレーザ光を得られる半導体レーザとして有用である。   Conventionally, an external cavity type semiconductor laser (hereinafter referred to as EC-LD) is a semiconductor that has a much higher yield in manufacturing and can obtain a laser beam with a narrow spectral line width than a monolithic type distributed feedback semiconductor laser. Useful as a laser.

EC−LDは、例えば、半導体光素子と、ファイバグレーティングなどの回折格子とによって構成されている。ここで、回折格子と、半導体光素子とは、共振器として機能するよう高い精度の光軸合わせが要求される。   EC-LD is comprised by the semiconductor optical element and diffraction gratings, such as a fiber grating, for example. Here, the diffraction grating and the semiconductor optical element are required to align the optical axis with high accuracy so as to function as a resonator.

さらに、EC−LD等の半導体光素子は、少なくとも一方の光導波路端面を低反射率端面にする必要があり、半導体光素子の少なくとも一方の導波路の終端部となる端面を斜め端面とする方法が用いられる。このような、斜め端面を有する半導体光素子においては、製造過程において、劈開面の法線方向と、導波路とが成す角度のばらつきが生じることがある。この場合、個々の半導体光素子ごとに光の出射角度のばらつきが生じるため、半導体光素子と外部共振器との間の光軸の位置ずれが補正されるよう、個々の半導体光素子の出射特性に合わせた光軸合わせが必要となる。   Further, in a semiconductor optical device such as an EC-LD, at least one optical waveguide end face needs to be a low reflectivity end face, and an end face serving as a terminal end of at least one waveguide of the semiconductor optical element is an oblique end face. Is used. In such a semiconductor optical device having an oblique end face, there may be a variation in angle formed between the normal direction of the cleavage plane and the waveguide during the manufacturing process. In this case, since the light emission angle varies for each semiconductor optical element, the emission characteristics of the individual semiconductor optical elements are corrected so that the positional deviation of the optical axis between the semiconductor optical element and the external resonator is corrected. It is necessary to align the optical axis according to.

光軸合わせにおいては、半導体光素子を機械的に移動させる方法や、半導体光素子から出射される光の出射角度を変化させる方法があるが、後者の方法であれば、半導体光素子を移動させるための可動部を必要とせず、小型で高性能なEC−LDを構成することができるため望ましい。   In the optical axis alignment, there are a method of mechanically moving the semiconductor optical device and a method of changing the emission angle of light emitted from the semiconductor optical device. If the latter method is used, the semiconductor optical device is moved. This is desirable because a small and high performance EC-LD can be configured without the need for a movable part.

半導体光素子から出射される光の出射角度を変化させる方法としては、活性層に注入される電流を、活性層の断面内における水平方向の位置によって変化させる方法などがある(例えば、特許文献1参照)。   As a method of changing the emission angle of light emitted from the semiconductor optical device, there is a method of changing the current injected into the active layer according to the position in the horizontal direction within the cross section of the active layer (for example, Patent Document 1). reference).

特許文献1の半導体レーザ50は、図10に示すように、活性層52およびクラッド層53が積層された半導体基板51において、クラッド層53の上部に絶縁部54を形成することにより、第1および第2の電極55、56から活性層52までの電流の流路としての、第1および第2のチャンネル53a、53bを形成している。   As shown in FIG. 10, the semiconductor laser 50 of Patent Document 1 includes a semiconductor substrate 51 in which an active layer 52 and a cladding layer 53 are stacked. First and second channels 53 a and 53 b are formed as current flow paths from the second electrodes 55 and 56 to the active layer 52.

第1のチャンネル53aに供給される電流注入量を増加させた場合、第1のチャンネル53a近傍の活性層52におけるキャリア密度が増加する。ここで、キャリア密度が大きいほど、活性層52の等価屈折率は低くなる。したがって、活性層52内の光は、活性層52の内部において、等価屈折率の低い方向に引っ張られるように伝搬する。その結果、半導体レーザ50から出射される光の出射角度も変化していた。
特開平1−293683号公報
When the amount of current injection supplied to the first channel 53a is increased, the carrier density in the active layer 52 in the vicinity of the first channel 53a increases. Here, the greater the carrier density, the lower the equivalent refractive index of the active layer 52. Therefore, the light in the active layer 52 propagates inside the active layer 52 so as to be pulled in a direction with a low equivalent refractive index. As a result, the emission angle of light emitted from the semiconductor laser 50 has also changed.
JP-A-1-293683

しかしながら、特許文献1に示す半導体レーザ50においては、出射される光の出射角度を調節するために、2チャンネルの電流制御を必要としていた。したがって、制御回路が複雑になるという問題があった。また、絶縁部54をプロトンあるいはイオン注入で製作する必要があり、製作が困難であるという問題も有している。   However, the semiconductor laser 50 disclosed in Patent Document 1 requires two-channel current control in order to adjust the emission angle of the emitted light. Therefore, there is a problem that the control circuit becomes complicated. In addition, it is necessary to manufacture the insulating portion 54 by proton or ion implantation, which makes it difficult to manufacture.

本発明は、従来の問題を解決するためになされたもので、1チャンネルの電流制御によって光の出射角度を調節することのでき、製作が容易な半導体光素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the conventional problems, and it is an object of the present invention to provide a semiconductor optical device that can adjust the light emission angle by one-channel current control and can be easily manufactured.

上記課題を解決するために、本発明の請求項1の半導体光素子は、半導体基板と、前記半導体基板上に積層され、導波路の一部を形成する下部クラッド層、活性層および上部クラッド層と、前記導波路からの光が出射される、劈開によって形成された出射端面とを有し、前記導波路が、前記半導体基板の基板面と平行な面内にて、前記出射端面において前記出射端面の法線と第1の角度を成して交わり、前記導波路から出射された光の光軸が、前記半導体基板の基板面と平行な面内にて、前記出射端面において前記出射端面の法線と第2の角度を成して交わる半導体光素子において、前記上部クラッド層の上方にして前記出射端面の近傍に部分加熱手段を備え、前記部分加熱手段で前記導波路を加熱して当該導波路の等価屈折率を変化させることにより、前記第2の角度を変化させることを特徴とする。   In order to solve the above problems, a semiconductor optical device according to claim 1 of the present invention includes a semiconductor substrate, a lower clad layer, an active layer and an upper clad layer which are stacked on the semiconductor substrate and form a part of a waveguide. And an emission end face formed by cleavage from which light from the waveguide is emitted, and the waveguide is in the emission end face within a plane parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate. The optical axis of light emitted from the waveguide intersects with the normal of the end surface at a first angle, and the optical axis of the light exits from the output end surface within the plane parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate. In the semiconductor optical device that intersects with the normal line at a second angle, the semiconductor optical device includes a partial heating means above the upper cladding layer and in the vicinity of the emission end face, and the waveguide is heated by the partial heating means. Changing the equivalent refractive index of the waveguide And by and characterized by changing the second angle.

この構成により、本発明の半導体光素子は、部分加熱手段に供給される電流の調整のみにより光の出射角度を調整することができるので、1チャンネルのみの電流制御で光の出射方向を変化させることができる。また、部分加熱手段が、出射端面近傍のみを加熱するので、信頼性を向上することができる。さらに、絶縁部を設ける必要がないので、製作が容易になる。   With this configuration, the semiconductor optical device of the present invention can adjust the light emission angle only by adjusting the current supplied to the partial heating means, so that the light emission direction is changed by current control of only one channel. be able to. Further, since the partial heating means heats only the vicinity of the emission end face, the reliability can be improved. Furthermore, since it is not necessary to provide an insulating part, manufacture becomes easy.

本発明の請求項2の半導体光素子は、前記部分加熱手段が、絶縁膜と、該絶縁膜上に形成された薄膜抵抗と、該薄膜抵抗に電力を供給するための少なくとも2つの端子とを有することを特徴とする。   According to another aspect of the semiconductor optical device of the present invention, the partial heating means includes an insulating film, a thin film resistor formed on the insulating film, and at least two terminals for supplying power to the thin film resistor. It is characterized by having.

この構成により、本発明の半導体光素子は、部分加熱手段に供給された電力が、上部クラッド層、下部クラッド層および活性層に流入することを確実に防ぐことができるため、出射される光のパワーを比較的安定した状態で、信頼性を保ちながら出射角度を変化させることができる。   With this configuration, the semiconductor optical device according to the present invention can reliably prevent the power supplied to the partial heating means from flowing into the upper cladding layer, the lower cladding layer, and the active layer. The emission angle can be changed while maintaining reliability while the power is relatively stable.

本発明の請求項3の半導体光素子は、前記半導体基板の下方に温度制御素子が設けられていることを特徴とする。   A semiconductor optical device according to a third aspect of the present invention is characterized in that a temperature control element is provided below the semiconductor substrate.

この構成により、本発明の半導体光素子は、温度制御素子が、部分加熱手段によって加熱された上部クラッド層、下部クラッド層および活性層を冷却するので、加熱から冷却までの時間が短縮され、結果として出射角度の変化にかかる時間を短縮することができる。さらに、半導体光素子全体の温度上昇を抑え、出力向上、および信頼性向上が実現される。   With this configuration, in the semiconductor optical device of the present invention, the temperature control element cools the upper clad layer, the lower clad layer, and the active layer heated by the partial heating means, so that the time from heating to cooling is shortened. As a result, it is possible to shorten the time required for the change of the emission angle. Further, the temperature rise of the entire semiconductor optical device is suppressed, and the output and the reliability are improved.

本発明の光スイッチングシステムは、少なくとも2つの光導波路と、請求項1乃至請求項3の何れかに記載の半導体光素子とを備え、前記等価屈折率の変化に応じて、前記半導体光素子から出射される光と結合する光導波路が切り替わることを特徴とする。   An optical switching system according to the present invention includes at least two optical waveguides and the semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 3, wherein the optical switching system includes the semiconductor optical device according to a change in the equivalent refractive index. The optical waveguide coupled with the emitted light is switched.

この構成により、本発明の光スイッチングシステムは、半導体光素子が、1チャンネルのみの電流制御によって光の出射角度を調整できるので、簡単な制御回路による光のスイッチングを行うことができる。   With this configuration, in the optical switching system of the present invention, the semiconductor optical device can adjust the light emission angle by controlling the current of only one channel, so that light can be switched by a simple control circuit.

本発明の波長可変レーザは、回折格子と、請求項1乃至請求項3の何れかに記載の半導体光素子とを備え、前記回折格子により回折される光の波長が、前記回折格子に入射される光の角度に応じて変化することを特徴とする。   A wavelength tunable laser according to the present invention includes a diffraction grating and the semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 3, and a wavelength of light diffracted by the diffraction grating is incident on the diffraction grating. It is characterized by changing according to the angle of light.

この構成により、本発明の波長可変レーザは、1チャンネルのみの電流制御によって光の出射角度を調整できるので、簡単な制御回路によって波長を変えることができる。   With this configuration, the wavelength tunable laser according to the present invention can adjust the light emission angle by controlling the current of only one channel, and therefore the wavelength can be changed by a simple control circuit.

本発明に係る半導体光素子は、部分加熱手段に供給された電力のみが、出射端面近傍の導波路の等価屈折率を変化させることにより、1チャンネルのみの電流制御で出射角度を調節することができ、製作が容易な半導体光素子を提供することができるものである。   In the semiconductor optical device according to the present invention, only the power supplied to the partial heating means can adjust the emission angle by controlling the current of only one channel by changing the equivalent refractive index of the waveguide near the emission end face. It is possible to provide a semiconductor optical device that can be manufactured easily.

以下、本発明の実施の形態の半導体光素子、光スイッチングシステムおよび波長可変レーザについて、図面を用いて説明する。   Hereinafter, a semiconductor optical device, an optical switching system, and a wavelength tunable laser according to embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施の形態)
本発明の第1の実施の形態の半導体光素子を図1乃至図6を用いて説明する。
(First embodiment)
A semiconductor optical device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

半導体光素子1は、図1に示すように、半導体基板2と、活性層4と、上部クラッド層5と、下部クラッド層6と、コンタクト層7とにより構成されている。また、活性層4、上部クラッド層5、下部クラッド層6の一部は、光が導波される導波路を形成している。   As shown in FIG. 1, the semiconductor optical device 1 includes a semiconductor substrate 2, an active layer 4, an upper cladding layer 5, a lower cladding layer 6, and a contact layer 7. A part of the active layer 4, the upper cladding layer 5, and the lower cladding layer 6 forms a waveguide through which light is guided.

ここで、活性層4と、上部クラッド層5と、下部クラッド層6と、コンタクト層7は、半導体層3を形成している。半導体基板2および半導体層3は、劈開により形成され、導波路の終端部となる光の出射端面8を有している。   Here, the active layer 4, the upper cladding layer 5, the lower cladding layer 6, and the contact layer 7 form the semiconductor layer 3. The semiconductor substrate 2 and the semiconductor layer 3 are formed by cleavage, and have a light emission end face 8 which becomes a terminal end of the waveguide.

半導体光素子1は、さらに、活性層4に電流を注入するための上部電極11と、出射端面8近傍の活性層4、上部クラッド層5および下部クラッド層6を加熱するための部分加熱手段14と、下部電極17とを備えている。   The semiconductor optical device 1 further includes an upper electrode 11 for injecting current into the active layer 4 and a partial heating means 14 for heating the active layer 4, the upper cladding layer 5 and the lower cladding layer 6 in the vicinity of the emission end face 8. And a lower electrode 17.

出射端面8は、半導体基板2の基板面と平行な面内にて、出射端面8の法線と、導波路が有する光軸とが第1の角度θを成して交わるように形成される。第1の角度θは、出射端面8近傍における導波路の光軸と、出射端面8の法線とが平行とならないよう、かつ、導波路を伝搬する光が、出射端面8で全反射されないよう、0°<θ<18°の値をとればよい。本実施の形態においては、第1の角度θが6°となるよう形成されている。 The emission end face 8 is formed so that the normal line of the emission end face 8 and the optical axis of the waveguide intersect at a first angle θ 1 in a plane parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate 2. The The first angle θ 1 is such that the optical axis of the waveguide in the vicinity of the exit end face 8 and the normal line of the exit end face 8 are not parallel, and light propagating through the waveguide is not totally reflected by the exit end face 8. Thus, a value of 0 ° <θ 1 <18 ° may be taken. In the present embodiment, the first angle θ 1 is 6 °.

本実施の形態においては、図1に示すように、導波路を、出射端面8の近傍において曲線部を有する曲り導波路により形成し、曲り導波路の出射端面8における光軸と導波路の直線部における光軸との成す角が6°となるようにしているが、導波路を直線部のみで形成し、第1の角度θが6°となるよう出射端面8を劈開してもよい。つまり、出射端面8が、導波路に対して斜め端面として機能するよう形成されていればよい。 In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the waveguide is formed by a curved waveguide having a curved portion in the vicinity of the emission end face 8, and the optical axis and the straight line of the waveguide at the emission end face 8 of the curved waveguide. The angle between the optical axis and the optical axis is 6 °, but the waveguide may be formed only by the straight portion, and the emission end face 8 may be cleaved so that the first angle θ 1 is 6 °. . That is, it is only necessary that the emission end face 8 is formed so as to function as an oblique end face with respect to the waveguide.

部分加熱手段14は、薄膜抵抗12、絶縁膜13および端子15、16により構成されている。絶縁膜13は、薄膜抵抗12に供給される電力が活性層4に流入することを防ぐようになっている。薄膜抵抗12は、絶縁膜13を介して上部電極11の上方に設置されていて、曲り導波路上で出射端面8と平行方向に所定長さを、垂直方向に所定幅を有して形成されている。薄膜抵抗12の両端に接続して形成された端子15、16は、不図示の電源から送られてきた電力を薄膜抵抗12に供給するようになっている。薄膜抵抗12の材質としては、AuやPtなど、蒸着により形成可能であり、安定した金属膜を形成できる材質であることが好ましい。特に、Ptを用いた場合には、抵抗値が高く発熱量が大きくなるため、より好ましい。なお、図1(c)に示すように、薄膜抵抗12を曲り導波路に沿って所定長さ、所定幅を有して形成してもよい。   The partial heating means 14 includes a thin film resistor 12, an insulating film 13, and terminals 15 and 16. The insulating film 13 prevents power supplied to the thin film resistor 12 from flowing into the active layer 4. The thin film resistor 12 is disposed above the upper electrode 11 with the insulating film 13 interposed therebetween, and is formed on the curved waveguide with a predetermined length in the direction parallel to the emission end face 8 and a predetermined width in the vertical direction. ing. Terminals 15 and 16 formed to be connected to both ends of the thin film resistor 12 supply power sent from a power source (not shown) to the thin film resistor 12. The material of the thin film resistor 12 is preferably a material that can be formed by vapor deposition, such as Au or Pt, and can form a stable metal film. In particular, the use of Pt is more preferable because the resistance value is high and the heat generation amount is large. As shown in FIG. 1C, the thin film resistor 12 may be formed to have a predetermined length and a predetermined width along a curved waveguide.

部分加熱手段14に供給される電力は、絶縁膜13によって活性層4に流入されることを阻止された状態で薄膜抵抗12を発熱させるようになっている。したがって、部分加熱手段14に供給される電力は、活性層4におけるキャリア密度に影響を与えることがなく、半導体光素子1から出射される光のパワーを比較的安定にした状態で、出射端面8近傍の半導体層3を加熱することができる。   The electric power supplied to the partial heating means 14 causes the thin film resistor 12 to generate heat while being prevented from flowing into the active layer 4 by the insulating film 13. Therefore, the power supplied to the partial heating means 14 does not affect the carrier density in the active layer 4, and the output end face 8 is in a state where the power of the light emitted from the semiconductor optical device 1 is relatively stable. The nearby semiconductor layer 3 can be heated.

部分加熱手段14が発熱されると、出射端面8の近傍における活性層4、上部クラッド層5および下部クラッド層6が絶縁膜13を介して加熱され、出射端面8近傍の導波路の等価屈折率nが変化する。 When the partial heating means 14 generates heat, the active layer 4, the upper cladding layer 5 and the lower cladding layer 6 in the vicinity of the emission end face 8 are heated through the insulating film 13, and the equivalent refractive index of the waveguide in the vicinity of the emission end face 8 is reached. n 1 changes.

導波路を伝搬する光は、斜め端面において、スネルの法則
sinθ=nsinθ ……(1)
に従った出射方向に出射される。ここで、nは、空気中の屈折率であり、略1.0である。したがって、半導体光素子1から出射される光の光軸と、出射端面8の法線方向とが成す第2の角度(以下、出射角度という)θは、導波路の出射端面8近傍の等価屈折率nに依存する。結果として、本発明の半導体光素子1においては、半導体光素子1から出射される光の出射角度θは、出射端面8近傍の導波路の温度に依存する。
The light propagating through the waveguide has Snell's law n 1 sin θ 1 = n 2 sin θ 2 (1) at the oblique end face.
Is emitted in the emission direction. Here, n 2 is a refractive index in the air and is approximately 1.0. Therefore, the second angle (hereinafter referred to as the emission angle) θ 2 formed by the optical axis of the light emitted from the semiconductor optical device 1 and the normal direction of the emission end face 8 is equivalent to the vicinity of the emission end face 8 of the waveguide. It depends on the refractive index n 1. As a result, in the semiconductor optical device 1 of the present invention, the emission angle θ 2 of the light emitted from the semiconductor optical device 1 depends on the temperature of the waveguide near the emission end face 8.

以上のように、本発明の半導体光素子1は、部分加熱手段14に供給された電力が活性層4に流入しない構成を有している。したがって、1チャンネルのみの電流制御で、出射される光のパワーを比較的安定に保ちながら、導波路の等価屈折率nを変化させることができる。また、出射角度θを変化させるためには、導波路の出射端面8近傍の等価屈折率nを変化させればよいのであるから、部分加熱手段14は、上部クラッド層5上の端面近傍のみに設ければよい。したがって、信頼性を向上することができる。 As described above, the semiconductor optical device 1 of the present invention has a configuration in which the power supplied to the partial heating means 14 does not flow into the active layer 4. Therefore, a current control only one channel, while maintaining the power of the emitted light relatively stable, it is possible to change the equivalent refractive index n 1 of the waveguide. Further, in order to change the emission angle θ 2 , it is only necessary to change the equivalent refractive index n 1 in the vicinity of the emission end face 8 of the waveguide. Need only be provided. Therefore, reliability can be improved.

また、本発明の半導体光素子1は、半導体基板2の下方に不図示の温度制御素子(ペルチェ素子)が設けられるようにしてもよい。この場合、部分加熱手段14によって加熱された半導体層3が、温度制御素子により即座に冷却されるので、半導体層3の加熱および冷却のサイクル時間を大幅に短縮できる。さらに、半導体光素子全体の温度上昇を抑え、出力向上、および信頼性向上が実現される。   The semiconductor optical device 1 of the present invention may be provided with a temperature control element (Peltier element) (not shown) below the semiconductor substrate 2. In this case, since the semiconductor layer 3 heated by the partial heating means 14 is immediately cooled by the temperature control element, the cycle time for heating and cooling the semiconductor layer 3 can be greatly shortened. Further, the temperature rise of the entire semiconductor optical device is suppressed, and the output and the reliability are improved.

以下、本発明の半導体光素子1を、EC−LDに適用した場合について説明する。   Hereinafter, the case where the semiconductor optical device 1 of the present invention is applied to EC-LD will be described.

図2は、本発明の半導体光素子1を用いて構成されるEC−LDの光学系を示す模式図である。半導体光素子1と、ファイバ20とはレンズ21を介して結合されており、ファイバ20の内部には、不図示のグレーティングが形成されている。   FIG. 2 is a schematic view showing an optical system of EC-LD configured using the semiconductor optical device 1 of the present invention. The semiconductor optical device 1 and the fiber 20 are coupled via a lens 21, and a grating (not shown) is formed inside the fiber 20.

半導体光素子1とファイバ20内のグレーティングとによって共振器を構成することにより、半導体光素子1は、波長1550nmの光を出射する。   By forming a resonator by the semiconductor optical device 1 and the grating in the fiber 20, the semiconductor optical device 1 emits light having a wavelength of 1550 nm.

半導体光素子1の導波路は、波長1550nmの光に対し、常温において等価屈折率nが3.23となる。ここで、部分加熱手段14により半導体層3を加熱すると、導波路の等価屈折率nが変化する。 The waveguide of the semiconductor optical device 1 has an equivalent refractive index n 1 of 3.23 at room temperature for light having a wavelength of 1550 nm. Here, when heating the semiconductor layer 3 by the partial heating means 14, the equivalent refractive index n 1 of the waveguide is changed.

図3は、出射端面8近傍の導波路の温度と、導波路の等価屈折率nとの関係を示すグラフである。導波路が常温に対して50℃加熱されると、等価屈折率nが3.24に変化する。 FIG. 3 is a graph showing the relationship between the temperature of the waveguide near the exit end face 8 and the equivalent refractive index n 1 of the waveguide. When the waveguide is heated to room temperature by 50 ° C., the equivalent refractive index n 1 changes to 3.24.

導波路の等価屈折率nの変化に応じて、半導体光素子1の出射端面8から出射される光の出射角度θが変化する。図4は、出射端面8近傍における導波路の温度と、出射角度θとの関係を示すグラフである。常温の状態において、出射角度θは約19.73°である。一方、導波路の温度を50℃まで上昇させると、出射角度θは、約19.8°に変化する。 The emission angle θ 2 of light emitted from the emission end face 8 of the semiconductor optical device 1 changes according to the change in the equivalent refractive index n 1 of the waveguide. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the temperature of the waveguide near the exit end face 8 and the exit angle θ 2 . In the normal temperature state, the emission angle θ 2 is about 19.73 °. On the other hand, when the temperature of the waveguide is increased to 50 ° C., the emission angle θ 2 changes to about 19.8 °.

上記のような出射角度の変化Δθを有する半導体光素子1と、ファイバ20との結合効率を計算する。 The coupling efficiency between the semiconductor optical device 1 having the emission angle change Δθ 2 as described above and the fiber 20 is calculated.

本実施の形態においては、半導体光素子1と、レンズ21との距離zは400μmである。また、この光学系の像倍率mは4である。   In the present embodiment, the distance z between the semiconductor optical device 1 and the lens 21 is 400 μm. The image magnification m of this optical system is 4.

例えば、半導体光素子1の出射光が、半導体光素子1とファイバ20とを結ぶ光軸に対して角度Δθずれて出射されるとする。Δθは、十分小さい値を取るため、半導体光素子1が
=z・tanΔθ ……(2)
位置ずれしたものとみなすことができる。このとき、ファイバ20に入射される光は、ファイバ20の中心から
=(m+1)x ……(3)
ずれた位置に入射されることになる。
For example, it is assumed that the light emitted from the semiconductor optical device 1 is emitted with an angle Δθ 2 shifted from the optical axis connecting the semiconductor optical device 1 and the fiber 20. Since Δθ 2 takes a sufficiently small value, the semiconductor optical device 1 has x 1 = z · tan Δθ 2 (2)
It can be considered that the position has shifted. At this time, the light incident on the fiber 20 is x 2 = (m + 1) x 1 (3) from the center of the fiber 20.
Incident light is incident on a shifted position.

以上のような光学系において、半導体光素子1と、ファイバ20との結合効率は、以下の式で表わされる。

Figure 0004912719
In the optical system as described above, the coupling efficiency between the semiconductor optical device 1 and the fiber 20 is expressed by the following equation.
Figure 0004912719

ここで、wは出射光の出射端面8におけるスポット半径、wはファイバのスポット半径であり、w=w=5μmである。また、理想的な光学系であるとみなし、結合定数κ=1とする。 Here, w 1 is the spot radius of the exit end face 8 of the emitted light, w 2 is the spot radius of the fiber, and w 1 = w 2 = 5 μm. Further, it is regarded as an ideal optical system, and the coupling constant κ = 1 is set.

このときの、半導体光素子1の位置ずれxに対する、規格化結合効率を図5に示す。 In this case, for the positional deviation x 1 of the semiconductor optical device 1, showing the normalized coupling efficiency in FIG.

例えば、EC−LDの光学系が構築されたときに、半導体光素子1から出射される光が、理想の出射角度に対してΔθ=0.07°ずれていたとする。このとき、Δθが十分小さいため、半導体光素子1が0.43μm位置ずれしているとみなすことができる。この状態における規格化結合効率は、図5より、理想の状態における結合効率と比較して−0.9dBとなる。 For example, it is assumed that when an EC-LD optical system is constructed, the light emitted from the semiconductor optical device 1 is shifted by Δθ 2 = 0.07 ° from the ideal emission angle. At this time, since Δθ 2 is sufficiently small, it can be considered that the semiconductor optical device 1 is displaced by 0.43 μm. The normalized coupling efficiency in this state is −0.9 dB compared to the coupling efficiency in the ideal state from FIG.

また、出射端面8近傍の導波路の温度変化と規格化結合効率との関係を示すグラフを図6に示す。   FIG. 6 is a graph showing the relationship between the temperature change of the waveguide near the emission end face 8 and the normalized coupling efficiency.

図6より、規格化結合効率が−0.9dBとなるのは、出射端面8近傍の導波路の温度が50℃変化した場合に対応することがわかる。   From FIG. 6, it can be seen that the normalized coupling efficiency of −0.9 dB corresponds to the case where the temperature of the waveguide near the emission end face 8 changes by 50 ° C.

ここで、本実施の形態においては、例えば、出射端面8の導波路に対する角度の製作誤差を補正することを目的としている。つまり、出射される光の出射方向は、半導体基板2の基板面と平行で、かつ、ファイバ20のコアの中心を通る同一平面内にあるものとする。   Here, in the present embodiment, for example, an object is to correct a manufacturing error of an angle of the emission end face 8 with respect to the waveguide. That is, the emission direction of the emitted light is assumed to be parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate 2 and in the same plane passing through the center of the core of the fiber 20.

したがって、導波路の温度変化に対する規格化結合効率には可逆性が成立ち、ファイバ20に入射される光のパワーをモニターした結果、期待された値よりも0.9dB低い値である場合においては、出射端面8近傍の導波路を常温よりも50℃高くすることにより、半導体光素子1から出射される光の角度を0.07°変化させ、結合効率を0.9dB補正することができる。   Therefore, when the normalized coupling efficiency with respect to the temperature change of the waveguide is reversible and the power of the light incident on the fiber 20 is monitored, the value is 0.9 dB lower than the expected value. By making the waveguide near the emission end face 8 50 ° C. higher than room temperature, the angle of the light emitted from the semiconductor optical device 1 can be changed by 0.07 °, and the coupling efficiency can be corrected by 0.9 dB.

このような本実施の形態の半導体光素子1によれば、部分加熱手段14が、出射端面8近傍の導波路の等価屈折率を変化させることにより、光の出射角度を調整できるので、斜め端面の製作誤差により出射角度に誤差が生じ、半導体光素子1から出射される光のファイバに対する結合効率が低下する場合においても、部分加熱手段14によって光の出射角度を調整し、ファイバに対する結合効率を最適にすることができる。   According to the semiconductor optical device 1 of this embodiment as described above, the partial heating means 14 can adjust the light emission angle by changing the equivalent refractive index of the waveguide in the vicinity of the emission end face 8, so that the oblique end face Even when the output angle causes an error in the output angle and the coupling efficiency of the light emitted from the semiconductor optical device 1 to the fiber decreases, the partial heating means 14 adjusts the output angle of the light to increase the coupling efficiency to the fiber. Can be optimized.

また、本実施の形態の半導体光素子1によれば、一般には基板面に対して垂直方向の光軸の角度ずれは生じにくいため、EC−LDを構築する際の光軸のずれは、半導体基板2の基板面に対して平行となる同一水平面内で起こる。したがって、EC−LDを構築した際の半導体光素子1の位置ずれに起因する結合効率の低下に対しても、部分加熱手段14を用いて半導体光素子1から出射される光の出射角度を変化させることにより、結合効率を補正することができる。   Further, according to the semiconductor optical device 1 of the present embodiment, since the optical axis is not likely to be angularly shifted in the direction perpendicular to the substrate surface, the optical axis is not shifted when the EC-LD is constructed. It occurs in the same horizontal plane that is parallel to the substrate surface of the substrate 2. Therefore, the emission angle of the light emitted from the semiconductor optical device 1 is changed using the partial heating means 14 even when the coupling efficiency is reduced due to the positional deviation of the semiconductor optical device 1 when the EC-LD is constructed. By doing so, the coupling efficiency can be corrected.

また、半導体光素子1を長時間使用すると、発振に対する閾値が上がることによって電流に対する光の出力が減少し、活性層4にキャリアが蓄積される結果、プラズマ効果により導波路の等価屈折率が下がることになる。しかしながら、このような場合においても、本実施の形態に係る半導体光素子1によれば、部分加熱手段14が出射端面8近傍の活性層4、上部クラッド層5および下部クラッド層6を加熱するので、出射端面8近傍における導波路の等価屈折率を補正できる。したがって、半導体光素子1を長時間使用する場合においても、半導体光素子1に対する光の出射角度を常に一定に保つことが可能となる。なお、出射端面8に至るまでの導波路を加熱しなければならない。従って、上部クラッド層5の厚さを1〜3μmとした際には、出射端面8と薄膜抵抗12との距離dは50μm以下とするのが好適である。   In addition, when the semiconductor optical device 1 is used for a long time, the light output with respect to the current decreases due to an increase in the threshold value for oscillation, and carriers are accumulated in the active layer 4. It will be. However, even in such a case, according to the semiconductor optical device 1 according to the present embodiment, the partial heating means 14 heats the active layer 4, the upper cladding layer 5 and the lower cladding layer 6 in the vicinity of the emission end face 8. The equivalent refractive index of the waveguide in the vicinity of the emission end face 8 can be corrected. Therefore, even when the semiconductor optical device 1 is used for a long time, it is possible to always keep the light emission angle to the semiconductor optical device 1 constant. Note that the waveguide up to the emission end face 8 must be heated. Therefore, when the thickness of the upper clad layer 5 is 1 to 3 μm, the distance d between the emission end face 8 and the thin film resistor 12 is preferably 50 μm or less.

(第2の実施の形態)
本発明の第2の実施の形態に係る光スイッチングシステムを図7乃至図8を用いて説明する。
(Second Embodiment)
An optical switching system according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施の形態の光スイッチングシステムは、図7に示すように、半導体光素子31と、第1および第2のファイバ32、33とによって構成されている。ここで、第1および第2のファイバ32、33は、光導波路を構成している。   As shown in FIG. 7, the optical switching system according to the present embodiment includes a semiconductor optical device 31 and first and second fibers 32 and 33. Here, the first and second fibers 32 and 33 constitute an optical waveguide.

半導体光素子31を構成する不図示の半導体基板、半導体層、上部電極、下部電極、部分加熱手段および絶縁膜は、本発明の第1の実施の形態の半導体光素子1を構成する半導体基板2、半導体層3、上部電極11、下部電極17、部分加熱手段14および絶縁膜13とそれぞれ同一の構成であり、その説明を省略する。   A semiconductor substrate, semiconductor layer, upper electrode, lower electrode, partial heating means and insulating film (not shown) constituting the semiconductor optical device 31 are the semiconductor substrate 2 constituting the semiconductor optical device 1 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor layer 3, the upper electrode 11, the lower electrode 17, the partial heating means 14, and the insulating film 13 have the same configuration, and a description thereof is omitted.

本実施の形態において、半導体光素子31は、第1の角度θが17.9°になるよう出射端面が形成されている。 In the present embodiment, the semiconductor optical device 31 has an emission end face so that the first angle θ 1 is 17.9 °.

第1および第2のファイバ32、33は、例えば先球ファイバを用いる。また、半導体光素子31の出射端面と第1および第2のファイバ32、33との距離Lは2mmである。   As the first and second fibers 32 and 33, for example, tip-spherical fibers are used. The distance L between the emission end face of the semiconductor optical device 31 and the first and second fibers 32 and 33 is 2 mm.

このときの、出射端面近傍の導波路の温度変化と、半導体光素子31から距離Lの位置における光の位置ずれとの関係を表わすグラフを図8に示す。   FIG. 8 is a graph showing the relationship between the temperature change of the waveguide near the emission end face and the positional deviation of the light at a distance L from the semiconductor optical element 31 at this time.

例えば、出射端面近傍の導波路の温度変化が50℃であるとき、半導体光素子31から距離Lの位置では、光の位置が約60μmずれる。   For example, when the temperature change of the waveguide near the emission end face is 50 ° C., the position of the light is shifted by about 60 μm at the position of the distance L from the semiconductor optical device 31.

したがって、第1のファイバ32および第2のファイバ33のコアの中心間の距離が60μmとなるよう光学系を設置し、部分加熱手段によって出射端面近傍の導波路を50℃加熱することにより、光スイッチングシステムを構成することができる。   Therefore, the optical system is installed so that the distance between the centers of the cores of the first fiber 32 and the second fiber 33 is 60 μm, and the waveguide near the emission end face is heated by 50 ° C. by the partial heating means. A switching system can be configured.

ここで、半導体光素子31の半導体基板の下方に温度制御素子(ペルチェ素子)を設ける場合、部分加熱手段によって加熱された半導体層が、温度制御素子(ペルチェ素子)により即座に冷却されるので、半導体層の加熱および冷却のサイクル時間を大幅に短縮できる。この場合、本実施の形態に係る光スイッチングシステムは、数msのスイッチング速度を有することができる。   Here, when the temperature control element (Peltier element) is provided below the semiconductor substrate of the semiconductor optical element 31, the semiconductor layer heated by the partial heating means is immediately cooled by the temperature control element (Peltier element). The cycle time for heating and cooling the semiconductor layer can be greatly reduced. In this case, the optical switching system according to the present embodiment can have a switching speed of several ms.

また、第1および第2のファイバ32、33の代わりに、石英系プレーナ光波回路(PLC)を用いてもよい。この場合、石英基板に1組の光導波路を、光の入射端面において互いに60μm離れるよう形成する。   Further, instead of the first and second fibers 32 and 33, a quartz-based planar lightwave circuit (PLC) may be used. In this case, a pair of optical waveguides are formed on the quartz substrate so as to be 60 μm apart from each other at the light incident end face.

このような本実施の形態の光スイッチングシステムによれば、半導体光素子31から出射される光の出力を安定させた状態でスイッチングが可能となる。また、数msのスイッチング速度を実現できるため、光バーストスイッチングネットワークを構成する光スイッチングシステムなどとして有用である。   According to such an optical switching system of the present embodiment, switching can be performed while the output of light emitted from the semiconductor optical device 31 is stabilized. Further, since a switching speed of several ms can be realized, it is useful as an optical switching system constituting an optical burst switching network.

(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る波長可変レーザを図9を用いて説明する。
(Third embodiment)
A wavelength tunable laser according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

本実施の形態の波長可変レーザ40は、図9に示すように、半導体光素子41と、回折格子42と、ミラー43とによって構成されている。   As shown in FIG. 9, the wavelength tunable laser 40 according to the present embodiment includes a semiconductor optical element 41, a diffraction grating 42, and a mirror 43.

半導体光素子41を構成する不図示の半導体基板、半導体層、上部電極、部分加熱手段、絶縁膜および下部電極は、本発明の第1の実施の形態の半導体光素子1を構成する半導体基板2、半導体層3、上部電極11、部分加熱手段14、絶縁膜13および下部電極17とそれぞれ同一の構成であり、その説明を省略する。   A semiconductor substrate (not shown) constituting the semiconductor optical device 41, a semiconductor layer, an upper electrode, a partial heating means, an insulating film, and a lower electrode are the semiconductor substrate 2 constituting the semiconductor optical device 1 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor layer 3, the upper electrode 11, the partial heating means 14, the insulating film 13, and the lower electrode 17 have the same configuration, and a description thereof is omitted.

回折格子42は、回折格子周期pを有している。半導体光素子41から出射された光は、回折格子42により回折され、ミラー43により反射され、半導体光素子41に戻り、半導体光素子41とミラー43との間で共振し、半導体光素子41の回折格子と逆側の端面41aから波長可変レーザ40の外部に出射される。なお、ミラー43を透過ミラーで構成し、ミラー43を透過させて、波長可変レーザ40の外部に出射されてもよい。   The diffraction grating 42 has a diffraction grating period p. The light emitted from the semiconductor optical element 41 is diffracted by the diffraction grating 42, reflected by the mirror 43, returns to the semiconductor optical element 41, resonates between the semiconductor optical element 41 and the mirror 43, and The light is emitted from the end face 41 a opposite to the diffraction grating to the outside of the wavelength tunable laser 40. In addition, the mirror 43 may be configured by a transmission mirror, and may be transmitted to the outside of the wavelength tunable laser 40 through the mirror 43.

このとき、波長可変レーザ40から出射される光の波長λは、
λ=p(sin(α)+sin(β)) ……(5)
と表わされる。ここで、αは、半導体光素子41から出射される光の回折格子法線に対する角度、βは、回折格子42によって回折された光の回折格子法線に対する角度である。
At this time, the wavelength λ of the light emitted from the wavelength tunable laser 40 is
λ = p (sin (α) + sin (β)) (5)
It is expressed as Here, α is an angle with respect to the diffraction grating normal of the light emitted from the semiconductor optical element 41, and β is an angle with respect to the diffraction grating normal of the light diffracted by the diffraction grating 42.

角度αは、半導体光素子41から出射される光の出射角度θに応じて変化する。したがって、部分加熱手段によって導波路の出射端面近傍の等価屈折率nを変化させることにより、波長可変レーザ40から出射される光の波長を変化させることができる。 The angle α changes according to the emission angle θ 2 of the light emitted from the semiconductor optical device 41. Therefore, the wavelength of the light emitted from the wavelength tunable laser 40 can be changed by changing the equivalent refractive index n 1 in the vicinity of the emission end face of the waveguide by the partial heating means.

このような本実施の形態の波長可変レーザ40によれば、半導体光素子41の1チャンネルの電流制御によって光の出射角度を調整できるので、簡単な制御回路で回折格子42に入射される光の入射角度を変化させることができる。したがって、簡単な制御回路で波長可変レーザ40を構成することができる。   According to the wavelength tunable laser 40 of this embodiment as described above, the light emission angle can be adjusted by controlling the current of one channel of the semiconductor optical device 41, so that the light incident on the diffraction grating 42 can be controlled by a simple control circuit. The incident angle can be changed. Therefore, the tunable laser 40 can be configured with a simple control circuit.

また、半導体光素子や回折格子を機械的に移動させて波長を変化させる波長可変レーザに比べて、可動部を必要としないため、小型で高性能な波長可変レーザを構成することができる。   In addition, as compared with a wavelength tunable laser that changes the wavelength by mechanically moving a semiconductor optical element or a diffraction grating, a movable part is not required, so that a small and high-performance wavelength tunable laser can be configured.

以上のように、本発明に係る半導体光素子は、加熱によって導波路の等価屈折率を変化させ、出射光の出射角度を制御できるので、EC−LDの構築時および長時間使用による光軸の位置ずれに対する補正を容易に行うことができるという効果を有し、光通信等において有効である。   As described above, the semiconductor optical device according to the present invention changes the equivalent refractive index of the waveguide by heating and can control the emission angle of the emitted light. This has the effect that correction for misalignment can be easily performed, and is effective in optical communication and the like.

(a)本発明の第1の実施の形態に係る半導体光素子を模式的に示す上面図 (b)図1(a)におけるA−A断面図(A) Top view schematically showing the semiconductor optical device according to the first embodiment of the present invention (b) AA sectional view in FIG. 半導体光素子を用いて構成されるEC−LDの光学系を示す模式図Schematic diagram showing an optical system of EC-LD configured using a semiconductor optical device 出射端面近傍の導波路の温度変化と、導波路の等価屈折率nとの関係を示すグラフGraph showing the temperature change of the waveguide exit end face neighborhood, the relationship between the effective refractive index n 1 of the waveguide 出射端面近傍の導波路の温度変化と、出射角度θとの関係を示すグラフA graph showing the relationship between the temperature change of the waveguide near the exit end face and the exit angle θ 2 半導体光素子の位置ずれxに対する規格化結合効率を示すグラフGraph showing the normalized coupling efficiency with respect to the position deviation x 1 in the semiconductor optical device 出射端面近傍の導波路の温度変化と、規格化結合効率との関係を示すグラフGraph showing the relationship between the temperature change of the waveguide near the exit end face and the normalized coupling efficiency 本発明の第2の実施の形態に係る光スイッチングシステムの模式図Schematic diagram of an optical switching system according to a second embodiment of the present invention 出射端面近傍の導波路の温度変化と、出射端面からLの距離における光軸の位置ずれ量との関係を示すグラフA graph showing the relationship between the temperature change of the waveguide near the exit end face and the amount of positional deviation of the optical axis at a distance L from the exit end face 本発明の第3の実施の形態に係る波長可変レーザの模式図Schematic diagram of a wavelength tunable laser according to a third embodiment of the present invention 従来の半導体光素子の模式図Schematic diagram of conventional semiconductor optical device

符号の説明Explanation of symbols

1 半導体光素子
2 半導体基板
3 半導体層
4 活性層
5 上部クラッド層
6 下部クラッド層
7 コンタクト層
8 出射端面
11 上部電極
12 薄膜抵抗
13 絶縁膜
14 部分加熱手段
15、16 端子
17 下部電極
20 ファイバ
21 レンズ
31 半導体光素子
32 第1のファイバ
33 第2のファイバ
40 波長可変レーザ
41 半導体光素子
42 回折格子
43 ミラー
50 半導体レーザ
51 半導体基板
52 活性層
53 クラッド層
53a 第1のチャンネル
53b 第2のチャンネル
54 絶縁部
55 第1の電極
56 第2の電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Semiconductor optical device 2 Semiconductor substrate 3 Semiconductor layer 4 Active layer 5 Upper clad layer 6 Lower clad layer 7 Contact layer 8 Outgoing end surface 11 Upper electrode 12 Thin film resistor 13 Insulating film 14 Partial heating means 15, 16 Terminal 17 Lower electrode 20 Fiber 21 Lens 31 Semiconductor optical device 32 First fiber 33 Second fiber 40 Tunable laser 41 Semiconductor optical device 42 Diffraction grating 43 Mirror 50 Semiconductor laser 51 Semiconductor substrate 52 Active layer 53 Clad layer 53a First channel 53b Second channel 54 Insulating portion 55 First electrode 56 Second electrode

Claims (5)

半導体基板(2)と、
前記半導体基板上に積層され、導波路の一部を形成する下部クラッド層(6)、活性層(4)および上部クラッド層(5)と、
前記導波路からの光が出射される、劈開によって形成された出射端面(8)とを有し、
前記導波路が、前記半導体基板の基板面と平行な面内にて、前記出射端面において前記出射端面の法線と第1の角度(θ)を成して交わり、
前記導波路から出射された光の光軸が、前記半導体基板の基板面と平行な面内にて、前記出射端面において前記出射端面の法線と第2の角度(θ)を成して交わる半導体光素子において、
前記上部クラッド層の上方にして前記出射端面の近傍に部分加熱手段(14)を備え、
前記部分加熱手段で前記導波路を加熱して当該導波路の等価屈折率を変化させることにより、前記第2の角度を変化させることを特徴とする半導体光素子。
A semiconductor substrate (2);
A lower clad layer (6), an active layer (4) and an upper clad layer (5) stacked on the semiconductor substrate and forming a part of the waveguide;
An emission end face (8) formed by cleavage, from which light from the waveguide is emitted;
The waveguide intersects with the normal of the emission end face at a first angle (θ 1 ) at the emission end face in a plane parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate,
The optical axis of the light emitted from the waveguide forms a second angle (θ 2 ) with the normal of the emission end face at the emission end face in a plane parallel to the substrate surface of the semiconductor substrate. In the intersecting semiconductor optical device,
A partial heating means (14) is provided above the upper cladding layer and in the vicinity of the emission end face,
A semiconductor optical device characterized in that the second angle is changed by heating the waveguide by the partial heating means to change the equivalent refractive index of the waveguide.
前記部分加熱手段が、絶縁膜(13)と、該絶縁膜上に形成された薄膜抵抗(12)と、該薄膜抵抗に電力を供給するための少なくとも2つの端子(15、16)とを有することを特徴とする請求項1に記載の半導体光素子。   The partial heating means includes an insulating film (13), a thin film resistor (12) formed on the insulating film, and at least two terminals (15, 16) for supplying power to the thin film resistor. The semiconductor optical device according to claim 1. 前記半導体基板の下方に温度制御素子が設けられていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の半導体光素子。   The semiconductor optical device according to claim 1, wherein a temperature control element is provided below the semiconductor substrate. 少なくとも2つの光導波路(32、33)と、
請求項1乃至請求項3の何れかに記載の半導体光素子とを備え、
前記等価屈折率の変化に応じて、前記半導体光素子から出射される光と結合する光導波路が切り替わることを特徴とする光スイッチングシステム。
At least two optical waveguides (32, 33);
A semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 3,
An optical switching system, wherein an optical waveguide coupled with light emitted from the semiconductor optical device is switched in accordance with a change in the equivalent refractive index.
回折格子(42)と、
請求項1乃至請求項3の何れかに記載の半導体光素子とを備え、
前記回折格子により回折される光の波長が、前記回折格子に入射される光の角度に応じて変化することを特徴とする波長可変レーザ。
A diffraction grating (42);
A semiconductor optical device according to any one of claims 1 to 3,
A wavelength tunable laser, wherein a wavelength of light diffracted by the diffraction grating changes according to an angle of light incident on the diffraction grating.
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