JP5099961B2 - Laser equipment - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ装置に関し、更に詳しくは、複数の波長選択機能を有するレーザを有するレーザアレイのうち少なくとも1つの波長選択機能を有するレーザを駆動して出力する型式の波長選択型のレーザ装置(以下、単に波長選択型のレーザ装置と呼ぶ)に関する。 The present invention relates to a laser device, and more specifically, a wavelength selective laser device of a type that drives and outputs a laser having at least one wavelength selection function among laser arrays having lasers having a plurality of wavelength selection functions ( Hereinafter, it is simply referred to as a wavelength selective laser device).
WDM(波長分割多重)光通信用のデバイスとして、出力レーザ光の波長を可変とする波長可変レーザ装置が知られている。従来の波長可変レーザ装置のなかでも、図11に示す構造を有する波長選択型のレーザ装置は、波長安定性に優れていること、動作温度を変化させることにより広帯域の波長可変特性が得られること等から、特に注目を集めている。この型式の波長可変レーザ装置30は、複数の分布帰還型(DFB)レーザ31がアレイ状に配設されたレーザアレイと、複数のDFBレーザ31の出力光を、各導波路32を介して入力し、これを合流する光合流器(MMIカプラ)33と、光合流器33の出力光を増幅する半導体光増幅器(SOA)34とを備え、複数のDFBレーザ31の出力波長の内からその1つを選択して出力する。
As a device for WDM (wavelength division multiplexing) optical communication, a wavelength tunable laser device that makes the wavelength of output laser light variable is known. Among conventional wavelength tunable laser devices, the wavelength selective laser device having the structure shown in FIG. 11 is excellent in wavelength stability and can obtain a wide wavelength tunable characteristic by changing the operating temperature. It attracts particular attention from such as. In this type of
現在実用化されている波長選択型のレーザ装置として、図11に示した8個のDFBレーザ31を有するものが挙げられる。DFBレーザ31の共振器長は400μm程度、SOAの活性層の長さとして600〜800μm程度が採用される。このレーザ装置30の光出力強度は常温で40mW程度である。DFBレーザの信頼性等の観点から、一般に、波長選択素子におけるDFBレーザの駆動電流として50〜100mA程度の値が採用される。
As a wavelength selection type laser apparatus currently in practical use, one having eight DFB
実用化されている波長選択型のレーザ装置の別の例では、16個のDFBレーザをレーザアレイとして有するものも知られており、このレーザ装置では、光ファイバへの光出力強度が10mWと報告されている。DFBレーザの駆動電流は50mAである。 Another example of a wavelength selective laser device that has been put to practical use is known to have 16 DFB lasers as a laser array. In this laser device, the light output intensity to an optical fiber is reported to be 10 mW. Has been. The driving current of the DFB laser is 50 mA.
波長選択型のレーザ装置では、選択できる波長の増加による広帯域化と、レーザ装置の光出力強度の増大とが特に望まれている。例えば、波長選択型のレーザ装置をWDM光通信システムのC−band(波長1.53〜1.56μm)、L−band(波長1.57〜1.60μm)等をカバーする予備光源として利用するためには、その装置構成として、レーザアレイ中のDFBレーザの個数が10以上であることが望まれ、また、その出力特性として、光出力強度が20mW以上であること、出力波長のスペクトル線幅が10MHz以下であること等が望まれている。 In a wavelength selection type laser device, it is particularly desired to increase the bandwidth by increasing the selectable wavelength and increase the light output intensity of the laser device. For example, a wavelength selection type laser device is used as a spare light source that covers C-band (wavelength 1.53 to 1.56 μm), L-band (wavelength 1.57 to 1.60 μm), etc. of a WDM optical communication system. Therefore, it is desirable that the number of DFB lasers in the laser array is 10 or more as the device configuration, and that the output characteristics are that the optical output intensity is 20 mW or more, the spectral line width of the output wavelength Is desired to be 10 MHz or less.
ところで、上記型式のレーザ装置では、レーザアレイに含まれるDFBレーザの個数を増やし光合流器の入力ポート数を増加させるにつれて、光合流器における結合損失が増大し、SOAの光入力強度が減少するという問題がある。この問題は、DBRレーザについても同様である。このため、光合流器の入力ポート数が10を越えるような広帯域のレーザ装置では、SOAの信号利得を大きくすることが、充分な光出力強度を得るために不可欠となる。ところが、SOAの信号利得を大きくすると、SOAにおける雑音特性やスペクトル線幅への影響が特に懸念される。しかし、従来は、波長選択型のレーザ装置におけるこのような問題については、詳しい報告が成されておらず、また、前述の装置構成を持ち且つ前述の出力特性を満足するレーザ装置についての報告もない。 By the way, in the laser apparatus of the above type, as the number of DFB lasers included in the laser array is increased and the number of input ports of the optical combiner is increased, the coupling loss in the optical combiner increases and the optical input intensity of the SOA decreases. There is a problem. This problem is the same for the DBR laser. For this reason, in a wide-band laser device in which the number of input ports of the optical combiner exceeds 10, it is essential to increase the signal gain of the SOA in order to obtain sufficient light output intensity. However, when the signal gain of the SOA is increased, there is a particular concern about the influence on noise characteristics and spectrum line width in the SOA. Conventionally, however, no detailed report has been made on such a problem in the wavelength selective laser device, and there is also a report on a laser device having the above-described device configuration and satisfying the above-mentioned output characteristics. Absent.
そこで、発明者らは、種々の特性を有する波長選択型のレーザ装置を試作し、上記の観点からそのスペクトル線幅を調べた。試作したレーザ装置の各DFBレーザは、従来のDFBレーザの標準的なものであり、共振器長Lが400μm、回折格子の結合係数κと共振器長Lとの積κLが1.3、DFBレーザの個数Nが12、SOAのレーザ出射面の光反射率が5×10-4であった。 Therefore, the inventors made prototypes of wavelength selective laser devices having various characteristics, and examined the spectral line width from the above viewpoint. Each DFB laser of the prototype laser apparatus is a standard one of conventional DFB lasers, the resonator length L is 400 μm, the product κL of the coupling coefficient κ of the diffraction grating and the resonator length L is 1.3, DFB The number N of lasers was 12, and the light reflectance of the SOA laser emission surface was 5 × 10 −4 .
測定されたスペクトル線幅特性を図12に示す。同図では、選択したDFBレーザの駆動電流と、SOAの出力におけるスペクトル線幅との関係を、SOAの駆動電流が100mAの場合(実線)と300mAの場合(点線)の双方について示している。SOAの駆動電流は、その信号利得に大きく関係するものである。同図の結果から、従来の波長選択型のレーザ装置では、DFBレーザの駆動電流の大きさに依存して、スペクトル線幅に大きな振動が生じていることが判明した。また、レーザ装置の出力として20mW以上の光出力強度を得るために、SOAの駆動電流を300mAに上げてその信号利得を大きくすると、出力光のスペクトル線幅が大きく拡がることも判明した。 The measured spectral line width characteristics are shown in FIG. In the figure, the relationship between the drive current of the selected DFB laser and the spectral line width at the output of the SOA is shown for both the case where the SOA drive current is 100 mA (solid line) and the case where the SOA drive current is 300 mA (dotted line). The drive current of the SOA is largely related to its signal gain. From the results shown in FIG. 6, it has been found that in the conventional wavelength selective laser apparatus, a large vibration occurs in the spectral line width depending on the magnitude of the driving current of the DFB laser. It was also found that when the SOA drive current is increased to 300 mA and the signal gain is increased to obtain an optical output intensity of 20 mW or more as the output of the laser device, the spectral line width of the output light is greatly expanded.
従来の波長選択素子におけるDFBレーザは、一般に駆動電流が100mA以下で使用されるものであるが、この条件下では、上記のように、SOAの駆動電流を100mA以下としても、スペクトル線幅が10MHzを越えることがあった。ここで、SOAの駆動電流の増加は、SOAにおけるノイズの増加につながり、スペクトル線幅の絶対値を増大させるものである。また、SOAの出射端面から反射する戻り光がSOA内で増幅され、DFBレーザ内での安定な発振に影響を及ぼすことによって、DFBレーザの駆動電流とスペクトル線幅との関係に振動を与えることも判明した。 A DFB laser in a conventional wavelength selection element is generally used with a drive current of 100 mA or less. Under these conditions, the spectral line width is 10 MHz even when the SOA drive current is 100 mA or less as described above. Sometimes exceeded. Here, an increase in the SOA drive current leads to an increase in noise in the SOA, which increases the absolute value of the spectral line width. In addition, the return light reflected from the exit end face of the SOA is amplified in the SOA and affects stable oscillation in the DFB laser, thereby giving vibration to the relationship between the drive current of the DFB laser and the spectral line width. Also turned out.
上記に鑑み、本発明は、従来の波長選択型のレーザ装置について、そのレーザアレイ内のDFBレーザの個数を増大させても、所望の光出力強度及びスペクトル線幅が得られるように出力特性を改善し、もって、WDM光通信の分野で利用可能な広帯域波長可変レーザ装置を提供することを目的とする。 In view of the above, the present invention provides output characteristics of a conventional wavelength selective laser device so that a desired light output intensity and spectral line width can be obtained even when the number of DFB lasers in the laser array is increased. Accordingly, an object of the present invention is to provide a broadband wavelength tunable laser device that can be used in the field of WDM optical communication.
上記目的を達成するために、本発明者らは、DFBレーザの個数が12の波長選択型のレーザ装置を試作し、その出力光の強度を20mW以上にし、且つ、出力光のスペクトル線幅を所望の狭線幅に抑えるために必要なレーザ装置の構造について鋭意研究を重ねた結果、本発明を完成するに至った。本発明の波長選択型のレーザ装置は以下の構成を有する。 In order to achieve the above object, the inventors of the present invention prototyped a wavelength selective laser device having 12 DFB lasers, set the output light intensity to 20 mW or more, and set the spectral line width of the output light. As a result of intensive studies on the structure of the laser device necessary for suppressing the desired narrow line width, the present invention has been completed. The wavelength selective laser device of the present invention has the following configuration.
本発明の第1の視点に係るレーザ装置は、複数の波長選択機能を有するレーザと、該複数の波長選択機能を有するレーザの出力光を合流する光合流器と、該光合流器の出力光を増幅する半導体光増幅器(SOA)とを備え、前記波長選択機能を有するレーザの少なくとも1つを駆動して出力する型式のレーザ装置において、
前記光合流器と前記DFBレーザとを結合する結合ポート数Nが10以上12以下であり、
前記波長選択機能を有するレーザの回折格子が、共振器の軸方向中心に関して非対称な構造を持ち、前記波長選択機能を有するレーザの軸方向前方の光出力が軸方向後方の光出力よりも大きく、
前記波長選択機能を有するレーザの回折格子が、共振器の光軸方向前方部分で周期的に間引かれた構造を有し、
前記波長選択機能を有するレーザの回折格子の結合係数(κ)と共振器長(L)との積(κL)が1.5以上であり、
前記SOAの光出力強度が20mW以上で、前記SOAの信号利得が16dB以下で、且つ光出射端部における光反射率が10-4以下であることを特徴とする。
A laser apparatus according to a first aspect of the present invention includes a laser having a plurality of wavelength selection functions, an optical combiner for combining the output lights of the lasers having the plurality of wavelength selection functions, and an output light of the optical combiner A semiconductor optical amplifier (SOA) for amplifying the laser, and driving and outputting at least one of the lasers having the wavelength selection function.
The number N of coupling ports for coupling the optical combiner and the DFB laser is 10 or more and 12 or less,
The diffraction grating of the laser having the wavelength selection function has an asymmetric structure with respect to the axial center of the resonator, and the light output in the axial direction of the laser having the wavelength selection function is larger than the light output in the axial direction,
The diffraction grating of the laser having the wavelength selection function has a structure that is periodically thinned out at a front portion in the optical axis direction of the resonator,
The product (κL) of the coupling coefficient (κ) of the laser diffraction grating having the wavelength selection function and the resonator length (L) is 1.5 or more,
The SOA has a light output intensity of 20 mW or more, a SOA signal gain of 16 dB or less, and a light reflectance at a light exit end of 10 −4 or less.
本発明の第1の視点に係るレーザ装置では、光合流器と波長選択機能を有するレーザの結合ポート数が10以上の広帯域のレーザ装置についても、SOAの光出射端部における光反射率を10-4以下と低くした構成により、出力光が波長選択機能を有するレーザに戻る戻り光の強度が低く抑えられ、光出力強度が20mW以上と充分に高いレーザ装置についても、WDM光通信に使用する際に良好な狭線幅のスペクトルが得られる。
また、本発明の第1の視点に係るレーザ装置では、光合流器と波長選択機能を有するレーザの結合ポート数が10以上の広帯域のレーザ装置についても、SOAの信号利得を16dB以下に選定することにより、光出力強度が20mW以上と充分に高いレーザ装置についても、WDM光通信の分野に使用する際に良好な狭線幅のスペクトルが得られる。
また、本発明の第1の視点に係るレーザ装置では、光合流器と波長選択機能を有するレーザの結合ポート数が10以上の広帯域のレーザ装置についても、波長選択機能を有するレーザの回折格子における結合係数κと共振器長Lとの積κLを1.5以上とした構成により、スペクトル線幅の増大が抑えられ、光出力強度が20mW以上と充分に高いレーザ装置についても、WDM光通信に使用する際に良好な狭線幅のスペクトルが得られる。
In the laser device according to the first aspect of the present invention, the light reflectivity at the light emitting end of the SOA is 10 even for a broadband laser device having 10 or more coupling ports of the optical combiner and the laser having a wavelength selection function. -4 or less, the output light returns to the laser having the wavelength selection function, the intensity of the return light is kept low , and a laser device having a sufficiently high light output intensity of 20 mW or more is also used for WDM optical communication. In particular, a good narrow linewidth spectrum is obtained.
In the laser apparatus according to the first aspect of the present invention, the SOA signal gain is selected to be 16 dB or less even for a broadband laser apparatus having 10 or more coupling ports between the optical combiner and the laser having a wavelength selection function. As a result, even for a laser device having a sufficiently high optical output intensity of 20 mW or more, a good narrow linewidth spectrum can be obtained when used in the field of WDM optical communication.
In the laser apparatus according to the first aspect of the present invention, a wideband laser apparatus having a coupling port number of 10 or more for the optical combiner and the laser having the wavelength selection function is also used in the diffraction grating of the laser having the wavelength selection function. With a configuration in which the product κL of the coupling coefficient κ and the resonator length L is 1.5 or more, an increase in the spectral line width is suppressed, and a laser device having a sufficiently high optical output intensity of 20 mW or more can be used for WDM optical communication. When used, a good narrow linewidth spectrum is obtained.
本発明の第3の視点のレーザ装置での好ましい態様では、前記光出射端部に窓構造及び曲げ構造を有し、前記窓構造の窓長Lwindowが50μm以下であり、
前記窓長Lwindowと、前記曲げ構造と光出射端面との成す角度θとが、以下の関係
Lwindow>0.4464×θ2−13.161θ+87.464
を満たし、且つ
前記光出射端部の等価的な反射率が3×10-5以下である。
In a preferred aspect of the laser device according to the third aspect of the present invention, the light emitting end portion has a window structure and a bending structure, and the window length Lwindow of the window structure is 50 μm or less,
The window length Lwindow and the angle θ formed by the bent structure and the light emitting end face have the following relationship: Lwindow> 0.4464 × θ 2 −13.161θ + 87.464
And the equivalent reflectivity at the light exit end is 3 × 10 −5 or less.
上記本発明のレーザ装置について、上記作用効果は、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくすることによって、特に効果的に得られる。所望の狭線幅は、例えば、10MHz以下のスペクトル線幅である。 In the laser apparatus of the present invention, the above-described effects can be obtained particularly effectively by increasing the light output intensity of a laser having a wavelength selection function. The desired narrow line width is, for example, a spectral line width of 10 MHz or less.
本発明のレーザ装置が上記作用効果を奏するように、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくするには、
(1)波長選択機能を有するレーザの共振器長を500μm以上とすること、
(2)波長選択機能を有するレーザの回折格子構造が非対称な構造をもち光軸方向前方の光出力が光軸方向後方の光出力より大きい構造とすること、
(3)波長選択機能を有するレーザの後端面に反射率が50%以上の反射構造を設けること、
(4)波長選択機能を有するレーザの活性層幅を1.5μm以上とすること、
などが挙げられる。
In order to increase the light output intensity of a laser having a wavelength selection function so that the laser device of the present invention has the above-described effects,
(1) The cavity length of a laser having a wavelength selection function is 500 μm or more,
(2) The laser diffraction grating structure having a wavelength selection function has an asymmetric structure, and the light output in the front of the optical axis direction is larger than the light output in the rear of the optical axis direction.
(3) providing a reflection structure having a reflectance of 50% or more on the rear end face of the laser having a wavelength selection function;
(4) The width of the active layer of the laser having a wavelength selection function is 1.5 μm or more,
Etc.
本発明のレーザ装置は、広い帯域幅、高い波長安定性、高い光出力、及び、狭いスペクトル線幅を持つ優れた出力特性を有し、特にWDM光通信の分野で好適に使用できる。 The laser device of the present invention has excellent output characteristics with a wide bandwidth, high wavelength stability, high optical output, and narrow spectral line width, and can be suitably used particularly in the field of WDM optical communication.
本発明の実施形態例の説明に先立って、本発明の理解を容易にするために本発明の原理を説明する。図10は、試作した種々のレーザ装置について、SOAの信号利得(光出力Poutと光入力Pinの比のデシベル値)と、出力光のスペクトル線幅との関係を調べた結果を示すグラフである。なお、信号利得を示すPout/Pin(dB)は、Pout及びPinのそれぞれを種々に変えてその比(dB)をとったものである。 Prior to the description of the embodiments of the present invention, the principle of the present invention will be described in order to facilitate understanding of the present invention. FIG. 10 is a graph showing the results of examining the relationship between the SOA signal gain (decibel value of the ratio of the optical output Pout and the optical input Pin) and the spectral line width of the output light for various prototype laser devices. . Note that Pout / Pin (dB) indicating the signal gain is obtained by changing the ratio of Pout and Pin in various ways (dB).
図10から理解できるように、レーザ装置の出力光のスペクトル線幅は、増幅器利得の大きさにほぼ依存しており、増幅器利得が16dB以上では、スペクトル狭線幅化、ここでは、10MHz以下を達成できなかった。そこで、本発明では、波長選択機能を有するレーザの個数Nが10以上のレーザアレイを有する波長選択型のレーザ装置について、SOAの信号利得として16dB以下を採用することによって、出力光スペクトルの狭線幅化を達成するものである。好ましくは、信号光源の増幅器利得は13dB以下であり、スペクトル線幅は5MHz以下である。 As can be understood from FIG. 10, the spectral line width of the output light of the laser device substantially depends on the magnitude of the amplifier gain. When the amplifier gain is 16 dB or more, the spectral line width is narrowed. Could not be achieved. Therefore, in the present invention, a narrow line of the output light spectrum is obtained by adopting 16 dB or less as the SOA signal gain for a wavelength selective laser device having a laser array having a laser array N having a wavelength selection function of 10 or more. Achieving widening. Preferably, the signal light source has an amplifier gain of 13 dB or less and a spectral line width of 5 MHz or less.
本発明では、上記のように、信号利得を16dB以下に抑えるために、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくする。例えば、
(1)波長選択機能を有するレーザの共振器長を500μm以上とすること、
(2)波長選択機能を有するレーザの回折格子が光軸方向中心に関して非対称な構造をもち、光軸方向前方の光出力が光軸方向前方の光出力が光軸方向後方の光出力より大きい構造とすること、
(3)波長選択機能を有するレーザの光出射端面と逆側の後端面に、反射率が50%以上の反射構造を設けること、
(4)波長選択機能を有するレーザの活性層幅を1.5μm以上とすること、
などを採用し、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくする。これによって、レーザ装置の光出力として20mW以上、信号利得16dB以下を達成する波長選択型のレーザ装置を提供する。
In the present invention, as described above, in order to suppress the signal gain to 16 dB or less, the light output intensity of the laser having the wavelength selection function is increased. For example,
(1) The cavity length of a laser having a wavelength selection function is 500 μm or more,
(2) A structure in which the diffraction grating of a laser having a wavelength selection function has an asymmetric structure with respect to the center in the optical axis direction, and the light output in the front of the optical axis direction is greater than the light output in the rear of the optical axis direction. And
(3) providing a reflecting structure having a reflectance of 50% or more on the rear end surface opposite to the light emitting end surface of the laser having a wavelength selection function;
(4) The width of the active layer of the laser having a wavelength selection function is 1.5 μm or more,
To increase the light output intensity of a laser having a wavelength selection function. This provides a wavelength selective laser device that achieves an optical output of the laser device of 20 mW or more and a signal gain of 16 dB or less.
また、本発明では、好ましくは、信号利得を13dB以下に抑えるために、波長選択機能を有するレーザの出力強度を大きくする。例えば、
(1)波長選択機能を有するレーザの共振器長を600μm以上とすること、
(2)波長選択機能を有するレーザの回折格子が光軸方向中心に関して非対称な構造をもち、光軸方向前方の光出力が光軸方向後方の光出力より30%程度大きい構造とすること、
(3)波長選択機能を有するレーザの光出射端面と逆側の後端面に、反射率が80%以上の反射構造を設けること、
(4)波長選択機能を有するレーザの活性層幅を1.8μm以上とすること、
などを採用し、波長選択機能を有するレーザの光出力強度を大きくする。これによって、レーザ装置の光出力として20mW以上、信号利得13dB以下を達成する波長選択型のレーザ装置を提供する。
In the present invention, preferably, the output intensity of the laser having the wavelength selection function is increased in order to suppress the signal gain to 13 dB or less. For example,
(1) The cavity length of a laser having a wavelength selection function is 600 μm or more,
(2) The diffraction grating of the laser having a wavelength selection function has a structure that is asymmetric with respect to the center in the optical axis direction, and the light output in the front of the optical axis direction is about 30% larger than the light output in the rear of the optical axis direction.
(3) providing a reflecting structure having a reflectance of 80% or more on the rear end surface opposite to the light emitting end surface of the laser having a wavelength selection function;
(4) The width of the active layer of the laser having a wavelength selection function is set to 1.8 μm or more,
To increase the light output intensity of a laser having a wavelength selection function. This provides a wavelength selective laser device that achieves an optical output of the laser device of 20 mW or more and a signal gain of 13 dB or less.
以下、図面を参照し、本発明の実施形態例に基づいて本発明を更に詳細に説明する。図1は、本発明の第1の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置を構成する半導体光集積装置を示している。レーザ装置10は、12個のDFBレーザ11を光軸と直交方向に並べて集積したレーザアレイと、これらDFBレーザ11の出力光を導く光導波路12と、この光導波路12を介してDFBレーザ11の出力光を受光し、これを合流する光合流器(MMIカプラ)13と、MMIカプラ13の出力を増幅する半導体光増幅器(SOA)14とから構成され、これらは1つのチップ上に集積形成される。
Hereinafter, with reference to the drawings, the present invention will be described in more detail based on exemplary embodiments of the present invention. FIG. 1 shows a semiconductor optical integrated device constituting a wavelength selective laser device according to a first embodiment of the present invention. The
各DFBレーザ11は、λ/4の位相シフト領域を回折格子の中央に有しており、レーザ発振のしきい値電流Ithが20mAである。MMIカプラ13は、入力数(結合数)が12で出力数が1のカプラであり、導波路12を介して受光する12個のDFBレーザ11の出力光を合流してSOA13に与える。MMIカプラ13における合流により、選択されるDFBレーザ11によるレーザ装置の光強度は、SOA14の入力値で約1/12に低下する。
Each
SOA14は、800μm長さの活性層を有しており、MMIカプラ13の光出力を増幅して、レーザ装置10の光出射端部から外部に向けて出力光を出射する。
The
図2は、本実施形態例の波長選択型のレーザ装置における出力特性を、DFBレーザの駆動電流(mA)との関係で示している。測定した出力特性は、スペクトル線幅(MHz)を実線で、光出力強度(mW)を破線で、SOAの信号利得(Pout/Pin(dB))を点線でそれぞれ示している。図2において、DFBレーザの駆動電流を0から上昇させていき、SOAの駆動電流は一定の150mAとした。DFBレーザの駆動電流Idfbがしきい値を越えるとDFBレーザの発振が始まり、その駆動電流の増加と共にレーザ装置の出射端の光出力強度が増加する。DFBレーザの駆動電流がある程度大きくなると、光出力強度の飽和が始まり、その結果、SOAの信号利得が小さくなる。 FIG. 2 shows the output characteristics of the wavelength selective laser apparatus according to this embodiment in relation to the drive current (mA) of the DFB laser. In the measured output characteristics, the spectral line width (MHz) is indicated by a solid line, the optical output intensity (mW) is indicated by a broken line, and the signal gain (Pout / Pin (dB)) of the SOA is indicated by a dotted line. In FIG. 2, the driving current of the DFB laser was increased from 0, and the driving current of the SOA was set to a constant 150 mA. When the drive current Iffb of the DFB laser exceeds the threshold value, the DFB laser starts to oscillate, and the light output intensity at the emission end of the laser device increases as the drive current increases. When the driving current of the DFB laser increases to some extent, the saturation of the optical output intensity starts, and as a result, the signal gain of the SOA decreases.
図2から、点線で示したSOAの信号利得が16dB以下となる、DFBレーザの駆動電流Idfbが140mA以上では、実線で示した出力光のスペクトル線幅は10MHz以下であり、スペクトル線幅の振動が特に抑制されていることが示されている。また、破線で示すように、このとき20mW以上の大きな光出力が得られることが示されている。 From FIG. 2, when the SOA signal gain indicated by the dotted line is 16 dB or less and the driving current Iffb of the DFB laser is 140 mA or more, the spectral line width of the output light indicated by the solid line is 10 MHz or less, and the oscillation of the spectral line width Is shown to be particularly suppressed. Further, as indicated by a broken line, it is shown that a large light output of 20 mW or more can be obtained at this time.
図3は、本発明の第2の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置の構成を示している。本実施形態例のレーザ装置10Aは、DFBレーザ11Aの共振器長が400μmであること、DFBレーザ11Aの回折格子が、共振器の光軸方向前方部分で周期的に間引かれた構造を有することにおいて、第1の実施形態例と異なり、その他の構成は第1の実施形態例と同様である。
FIG. 3 shows the configuration of a wavelength selective laser apparatus according to the second embodiment of the present invention. The
図4は、本実施形態例におけるDFBレーザ11Aの断面構造を示している。DFBレーザ11Aは、n−InP基板21上に順次に形成されたn−InPバッファ層22、n−InPクラッド層23、MQW活性層24、p−InPクラッド層25、及び、InGaAsコンタクト層26を有し、p−InPクラッド層25中に埋め込まれた回折格子27を有する。n−InP基板21の底面及びInGaAsコンタクト層の上面には、それぞれn型電極28及びp型電極29が形成されている。
FIG. 4 shows a cross-sectional structure of the
回折格子27の中央部には、λ/4の位相シフト領域27Aが設けてある。その位相シフト領域27Aよりも光軸方向前方側の回折格子27が、周期的に間引かれた構造を有している。掛かる構造を採用することによって、回折格子27の光軸方向前方側のフィードバック量が低下し、光軸方向前方の光出力が光軸方向後方の光出力よりも大きくなり、その結果、第1の実施形態例で使用した通常の位相シフトDFBレーザよりも大きな光出力が得られる。
In the center of the
図5は、本実施形態例のレーザ装置の出力特性を図2と同様に示している。SOAの駆動電流は、図2と同様に150mAに設定した。点線で示したSOAの信号利得が16dB以下となる、DFBレーザの駆動電流Idfbが100mA以上の領域では、実線で示したスペクトル線幅は10MHz以下であり、その振動が良好に抑制されていることが判る。また、破線で示したレーザ装置の光出力Poutとして、20mW以上の大きな値が得られている。 FIG. 5 shows the output characteristics of the laser apparatus of this embodiment as in FIG. The SOA drive current was set to 150 mA as in FIG. In the region where the SOA signal gain indicated by the dotted line is 16 dB or less and the drive current Iffb of the DFB laser is 100 mA or more, the spectral line width indicated by the solid line is 10 MHz or less, and the vibration is well suppressed. I understand. Further, a large value of 20 mW or more is obtained as the optical output Pout of the laser device indicated by the broken line.
図6は、本発明の第3の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置を示している。本実施形態例に係るレーザ装置10Bは、DFBレーザ11Bの共振器長が400μmであること、回折格子の結合係数κと共振器長Lとの積κLが1.4であること、及び、SOA14Bの光出射側の端面の反射率が10-4以下であることにおいて、第1の実施形態例と異なり、その他の構成は第1の実施形態例と同様である。
FIG. 6 shows a wavelength selective laser apparatus according to the third embodiment of the present invention. In the laser apparatus 10B according to this embodiment, the resonator length of the DFB laser 11B is 400 μm, the product κL of the coupling coefficient κ of the diffraction grating and the resonator length L is 1.4, and the
本実施形態例では、SOA14Bの光出射側の端面には、低屈折率の半導体層からなる窓構造をSOAの活性層の延長上に形成してあり、その窓構造に2層のコーティング膜を形成することで、60nmの帯域で10-4以下の低光反射率を実現している。窓構造は、例えば、特許文献1及び非特許文献1に記載されている。本実施形態例における好ましい窓構造の長さは、50μm以下、更に好ましくは、30μm以下である。
In the present embodiment, a window structure made of a low refractive index semiconductor layer is formed on the end surface of the
図7は、上記レーザ装置におけるDFBレーザの駆動電流と出力光のスペクトル線幅との関係を、SOA14Bの出射側端面の反射率が10-4(実施例)と10-3(比較例)の双方の場合について示している。SOAの駆動電流は150mAとした。本実施形態例では、SOAの出射側端面の光反射率を10-4以下と低く抑えることにより、スペクトル線幅の振動が低く抑えられることが理解できる。出射側端面の光反射率は、好ましくは3×10-5である。
FIG. 7 shows the relationship between the driving current of the DFB laser and the spectral line width of the output light in the laser apparatus, where the reflectance of the exit end face of the
上記実施形態例のレーザ装置におけるSOA14Bの窓構造に代えて、曲げ構造を採用し、その窓構造に無反射コーティングを塗布した場合にも同様な効果が得られた。また、これに、3層及び4層の無反射コーティングを塗布した場合にも同様な効果が得られた。曲げ構造は、例えば非特許文献1に記載されているように、SOAの出射側端面近傍の導波路構造をなだらかに曲げることにより、出射側端面への光の入射に角度を付けた構造である。本実施形態例における好ましい曲げ構造の曲げ角度は15度以下、更に好ましくは10度以下である。
The same effect was obtained when a bending structure was adopted instead of the
SOAの出射側端面に窓構造及び曲げ構造を採用する場合について、DFBレーザを例として説明する。図1のレーザ装置において、DFBレーザ11の素子温度を変えることにより、1素子あたり3〜4nm程度の波長可変が可能である。素子数を12個とすれば、36〜48nmの範囲で波長可変が可能となり、WDM通信システムにおけるC−bandを一つの素子でカバーでき、次世代のシステムである波長プロビジョニングなどの応用が考えられる。この素子において、チップ端面の光出力が30mW(ファイバへの結合係数を2/3とすると、ファイバ端出力で20mW)のときの、線幅の振幅率と端面反射率の関係を、非特許文献1の理論に基づいて計算した結果を図13に示す。
A case where a window structure and a bending structure are adopted for the emission side end face of the SOA will be described by taking a DFB laser as an example. In the laser apparatus of FIG. 1, by changing the element temperature of the
非特許文献3では、DFBレーザとSOAが一つずつ直接に接続されているモデルに対して計算が行われているが、図1のような素子においては、MMIカプラ13による損失、導波損失を考慮した解析が必要となる。解析に際して、DFBレーザ11からの光出力を15mW、アレイ素子数を12個、MMIカプラ13での損失を1/12、導波損失を1dBとし、SOA14を通過したチップ端面からの光出力が30mWとなる利得をSOAが持っているとした。ここでいう線幅の振動率とは、DFBレーザの発振波長が変化した際に起きるスペクトル線幅の振動の振幅と本来のDFBレーザが持つスペクトル線幅の比である。例えばDFBレーザ本来のスペクトル線幅が8MHZの時、振幅が8MHZであれば、振動率は100%である。一般的にWDM通信システムのLonghaul系において必要とされるスペクトル線幅は10MHZ以下といわれている。DFBレーザ単体のスペクトル線幅が5〜10MHZであり、駆動条件によりばらつきがあることを考えると、振幅の振動率は50%以下がよい。この場合、図13から理解できるように、端面の反射率を3×10-5程度以下にする必要がある。
In
AR膜を端面に形成することにより、出射側端面の反射率を低減することができる。この場合、10-5オーダーの極低反射率を実現するには、膜の屈折率及び膜厚を高精度に制御する必要がある。しかし、膜形成中のin−situモニタ等を用いて能動的な制御を行ったとしても、PCVD装置やスパッタ装置等の成膜装置の面内バラツキや、超低反射膜の波長帯域を考慮すると、そのようなAR膜の形成は現実的ではなく、実際のAR膜は3×10-3程度の反射率である。 By forming the AR film on the end face, the reflectance of the emission side end face can be reduced. In this case, in order to realize an extremely low reflectivity of the order of 10 −5 , it is necessary to control the refractive index and film thickness of the film with high accuracy. However, even if active control is performed using an in-situ monitor during film formation, in-plane variations of film forming apparatuses such as PCVD apparatuses and sputtering apparatuses, and the wavelength band of ultra-low reflection films are considered. The formation of such an AR film is not realistic, and the actual AR film has a reflectance of about 3 × 10 −3 .
そこで、端面付近の導波構造をなくす窓構造(非特許文献4)や、端面への導波路の入射角を傾ける曲がり導波構造(非特許文献5)、或いは、それらを組み合わせた構造が知られている。 Therefore, a window structure that eliminates the waveguide structure in the vicinity of the end face (Non-patent Document 4), a curved waveguide structure that tilts the incident angle of the waveguide to the end face (Non-Patent Document 5), or a structure that combines them is known. It has been.
図14に、曲がり導波路+窓構造による反射率低減の効果と、スポットサイズの関係の計算結果を示す。計算に際して、低減効果だけを見積もるために、端面の反射率を1とした。図14から理解できるように、スポットサイズを大きくすればするほど、反射率の低減効果は大きくなる。しかし、ファイバへの結合とSOAの効率から、導波路を単一横モードとする必要があるので、光通信用の光半導体素子において、SOAの活性層幅は2.3μm程度が上限である。また、また素子の電気抵抗や、光出力の観点から、活性層幅を1.2μm以下にすることは実用的でない。この活性層幅の範囲は、スポットサイズに換算すると、おおよそ1.0〜1.3μmに対応する。 FIG. 14 shows the calculation result of the relationship between the effect of reducing the reflectance by the bent waveguide + window structure and the spot size. In the calculation, the reflectance of the end face was set to 1 in order to estimate only the reduction effect. As can be understood from FIG. 14, the effect of reducing the reflectance increases as the spot size is increased. However, because of the coupling to the fiber and the efficiency of the SOA, it is necessary to make the waveguide a single transverse mode. Therefore, in the optical semiconductor element for optical communication, the upper limit of the active layer width of the SOA is about 2.3 μm. Moreover, it is not practical to set the active layer width to 1.2 μm or less from the viewpoint of the electrical resistance of the device and the light output. The range of the active layer width corresponds to approximately 1.0 to 1.3 μm in terms of spot size.
図15に、曲がり導波路+窓構造による反射率の低減効果と窓長Lwindowとの関係を、曲げ角度が4度から12度の範囲である場合について示す。ここで、この構造による低減効果のみを見積もるために、チップ端面での反射率を1とする。また、図14に示すように、スポットサイズが小さいときに反射率が高くなるので、実用的なスポットサイズの範囲において、最も高い反射率が得られるスポットサイズである1.0μmを選定した。 FIG. 15 shows the relationship between the effect of reducing the reflectance by the bent waveguide + window structure and the window length Lwindow when the bending angle is in the range of 4 degrees to 12 degrees. Here, in order to estimate only the reduction effect by this structure, the reflectance at the chip end face is set to 1. Further, as shown in FIG. 14, since the reflectance increases when the spot size is small, 1.0 μm, which is the spot size at which the highest reflectance can be obtained within the practical spot size range, was selected.
図示した曲げ角度の範囲において、必要な極低反射率3×10-5以下を得るためには、ARの反射率が3×10-3程度であるので、10-2以下の反射率低減効果が必要である。図15から、10-2以下の反射率低減効果を得るための曲げ角度と反射率の関係を導くことができ、その関係を図16に示す。図16から、必要な反射率を得るための条件は、窓長をLwindow、曲げ角度をθとして、
Lwindow>0.4464×θ2−13.161θ+87.464
となる。
In order to obtain the required extremely low reflectivity of 3 × 10 −5 or less in the range of the bending angle shown in the figure, the reflectivity of AR is about 3 × 10 −3 , and thus the reflectivity reduction effect of 10 −2 or less is required. From FIG. 15, the relationship between the bending angle and the reflectance for obtaining the reflectance reduction effect of 10 −2 or less can be derived, and the relationship is shown in FIG. From FIG. 16, the conditions for obtaining the required reflectance are as follows: the window length is Lwindow and the bending angle is θ.
Lwindow> 0.4464 × θ 2 -13.161θ + 87.464
It becomes.
窓長Lwindowを長くすればするほど反射率低減効果が得られるが、窓が長すぎると、窓の近傍を伝播する際に光が広がり、チップ上部に当たりFFPが乱れるという現象が起こり、ファイバへの結合係数を下げる要因となる(特許文献1)。したがって、窓長は50μm以下が良い。 The longer the window length Lwindow, the more the reflectance reduction effect can be obtained. However, if the window is too long, the light spreads when propagating in the vicinity of the window, and the phenomenon that the FFP is disturbed by hitting the top of the chip occurs. It becomes a factor which reduces a coupling coefficient (patent document 1). Therefore, the window length is preferably 50 μm or less.
7度曲がり波路構造+窓構造の反射率低減効果を計算した。図17に、7度曲げ+窓構造の模式図を示す。反射率を低減するために、図17(b)に示すように、導波路の延長線上をクラッドと同じ屈折率の材料で埋め込んでいる。この構造によって、窓部で光が回析してモードが広がるため、端面からの反射光と導波路との結合係数を小さくすることができる。端面に対して導波路を傾けておくことにより、図17(a)に示すように、反射光の進行方向が導波路の軸方向とずれるため、窓構造のみに比べ更に反射率の低減を図ることができる。 The reflectance reduction effect of the 7-degree bent waveguide structure + window structure was calculated. FIG. 17 shows a schematic diagram of a 7-degree bending + window structure. In order to reduce the reflectivity, as shown in FIG. 17B, the extension of the waveguide is embedded with a material having the same refractive index as that of the clad. With this structure, light is diffracted at the window and the mode is expanded, so that the coupling coefficient between the reflected light from the end face and the waveguide can be reduced. By inclining the waveguide with respect to the end face, the traveling direction of the reflected light deviates from the axial direction of the waveguide as shown in FIG. 17A, so that the reflectance is further reduced as compared with the window structure alone. be able to.
計算を簡単にするため、伝播光をガウシアンビームとし、その結合効率を求めることにより計算を行う。この計算モデルを図8に示す。素子の水平方向をx、垂直(紙面に垂直)方向をy、端面に垂直な方向をzとする。図18は水平断面を表している。SOAの導波路がチップ端面に対して角度θ曲がっており、端面に光が斜めに入射する構造である。端面からの反射光のSOA導波路への結合係数を求めることでηxを求め、これから反射率の低減効果を見積もる。 In order to simplify the calculation, the propagation light is a Gaussian beam, and the calculation is performed by obtaining the coupling efficiency. This calculation model is shown in FIG. The horizontal direction of the element is x, the vertical (perpendicular to the paper surface) direction is y, and the direction perpendicular to the end face is z. FIG. 18 shows a horizontal section. The SOA waveguide is bent at an angle θ with respect to the end face of the chip, and light is incident obliquely on the end face. Η x is obtained by obtaining the coupling coefficient of the reflected light from the end face to the SOA waveguide, and the effect of reducing the reflectance is estimated from this.
結合係数を求めるには、端面で折り返した位置から出射する仮想的なガウシアンビームE2を考え、E2とSOA導波路の結合係数を求めればよい。実際には、出射光E1と仮想的なビームE2の結合を求めることになる。二つのビームの結合を考える場合には、ビーム間の任意の面で積分を行うことで求めることができる。図18に示すように、それぞれのビーム出射点を原点として、進行方向をzi=1,2軸、水平方向をxi=1,2軸と座標系を考える。このときビームの電解分布は以下のように表現される。
図8からx1,z1,x2,z2をx,zで表すと以下のようになる。
x1=cosθ (6)
z1=Lwindow+x・sinθ (7)
x2=x・cos(-θ) (8)
z2=−Lwindow+x・sin(−θ) (9)
チップ端面での水平方向の結合効率は式(1)−(8)を式(5)に代入してηxを求めることができる。また垂直方向の結合効率ηyは通常の窓構造と同様に求めることができる。これより等価的な端面の反射率RfはARコーティング膜の反射率をRARとすると
Rf=ηx・ηy・RAR (10)
となり、これにより七度曲げ+窓構造の効果を見積もることができる。
From FIG. 8, x 1 , z 1 , x 2 and z 2 are expressed as x and z as follows.
x 1 = cos θ (6)
z 1 = Lwindow + x · sin θ (7)
x 2 = x · cos (−θ) (8)
z 2 = −Lwindow + x · sin (−θ) (9)
Coupling efficiency in the horizontal direction at the tip end faces the formula (1) - can be obtained eta x is substituted into (8) Equation (5). Further, the coupling efficiency η y in the vertical direction can be obtained in the same manner as a normal window structure. The equivalent end face reflectivity R f is R f = η x · η y · R AR (10) where the AR coating film reflectivity is R AR.
Thus, the effect of the seven-degree bending + window structure can be estimated.
上記において、曲げ角度の上限を特に設けなかったが、組立や、小型化の観点からは、曲げ角度を12度以下とすることが好ましい。この12度以下は、必要な角度に曲げる際の曲がり導波路部における放射損失の観点からも好ましい角度である。 In the above, the upper limit of the bending angle is not particularly provided, but it is preferable that the bending angle is 12 degrees or less from the viewpoint of assembly and miniaturization. The angle of 12 degrees or less is a preferable angle from the viewpoint of radiation loss in the bent waveguide portion when bent to a necessary angle.
効果の検証は以下のように行われる。まず、出力光の遠視野像(FFP)の半値全幅からスポットサイズが求められる。窓長Lwindowは、FIB加工し、電子望遠鏡にて撮影することにより求められる。また、端面への入射角は容易に求められる。 The effect is verified as follows. First, the spot size is obtained from the full width at half maximum of the far field image (FFP) of the output light. The window length Lwindow is obtained by performing FIB processing and photographing with an electronic telescope. Further, the incident angle to the end face can be easily obtained.
図8は、本発明の第4の実施形態例に係る波長選択型のレーザ装置を示す。本実施形態例に係るレーザ装置10Cは、DFBレーザ11Cの共振器長が400μmであること、及び、回折格子の結合係数κと共振器長Lとの積κLが3であることにおいて第1の実施形態例と異なり、その他の構成は第1の実施形態例と同様である。
FIG. 8 shows a wavelength selective laser apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. The laser device 10C according to the present embodiment has the first feature in that the resonator length of the
図9は、上記レーザ装置におけるDFBの駆動電流と出力光のスペクトル線幅との関係を、κLが3.0(実施例)と1.0(比較例)の双方の場合について示している。本実施形態例では、κLを3.0に選定したことにより、出力光のスペクトル線幅の平均値及び振動が大幅に改善されている。 FIG. 9 shows the relationship between the drive current of the DFB and the spectral line width of the output light in the laser apparatus when κL is both 3.0 (Example) and 1.0 (Comparative Example). In this embodiment, by selecting κL as 3.0, the average value and vibration of the spectral line width of the output light are greatly improved.
以上、本発明をその好適な実施形態例に基づいて説明したが、本発明のレーザ装置は、上記実施形態例の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態例の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。上記実施形態例では、DFBレーザを用いているが、本発明は、波長選択機能を有するレーザ、例えば分布反射型(DBR)レーザ等であっても同様な効果が得られる。 Although the present invention has been described based on the preferred embodiment, the laser apparatus of the present invention is not limited to the configuration of the above embodiment, and various modifications can be made from the configuration of the above embodiment. Further, modifications and changes are also included in the scope of the present invention. Although the DFB laser is used in the above embodiment, the present invention can provide the same effect even if it is a laser having a wavelength selection function, such as a distributed reflection (DBR) laser.
10、10A、10B、10C:波長選択型のレーザ装置
11、11A、11B、11C:DFBレーザ
12:導波路
13:光合流器(MMIカプラ)
14、14B:半導体光増幅器(SOA)
10, 10A, 10B, 10C: Wavelength
14, 14B: Semiconductor optical amplifier (SOA)
Claims (5)
前記光合流器と前記波長選択機能を有するレーザとを結合する結合ポート数Nが10以上12以下であり、
前記波長選択機能を有するレーザの回折格子が、共振器の軸方向中心に関して非対称な構造を持ち、前記波長選択機能を有するレーザの軸方向前方の光出力が軸方向後方の光出力よりも大きく、
前記波長選択機能を有するレーザの回折格子が、共振器の光軸方向前方部分で周期的に間引かれた構造を有し、
前記波長選択機能を有するレーザの回折格子の結合係数(κ)と共振器長(L)との積(κL)が1.5以上であり、
前記SOAの光出力強度が20mW以上で、前記SOAの信号利得が16dB以下で、且つ光出射端部における光反射率が10−4以下であることを特徴とするレーザ装置。 A laser having a plurality of wavelength selection functions, an optical combiner for combining the output lights of the lasers having the plurality of wavelength selection functions, and a semiconductor optical amplifier (SOA) for amplifying the output light of the optical combiner, In a laser device of a type that drives and outputs at least one of the lasers having the wavelength selection function,
The coupling port number N for coupling the optical combiner and the laser having the wavelength selection function is 10 or more and 12 or less,
The diffraction grating of the laser having the wavelength selection function has an asymmetric structure with respect to the axial center of the resonator, and the light output in the axial direction of the laser having the wavelength selection function is larger than the light output in the axial direction,
The diffraction grating of the laser having the wavelength selection function has a structure that is periodically thinned out at a front portion in the optical axis direction of the resonator,
The product (κL) of the coupling coefficient (κ) of the laser diffraction grating having the wavelength selection function and the resonator length (L) is 1.5 or more,
A laser apparatus, wherein the SOA has a light output intensity of 20 mW or more, a signal gain of the SOA of 16 dB or less, and a light reflectance at a light emission end of 10 −4 or less.
前記窓長Lwindowと、前記曲げ構造と光出射端面との成す角度θとが、以下の関係
Lwindow>0.4464×θ2−13.161θ+87.464
を満たし、且つ
前記光出射端部の等価的な反射率が3×10−5以下であることを特徴とする、請求項1又は2に記載のレーザ装置。
The light emitting end has a window structure and a bending structure, and the window length Lwindow of the window structure is 50 μm or less,
The window length Lwindow and the angle θ formed by the bent structure and the light emitting end face have the following relationship: Lwindow> 0.4464 × θ 2 -13.161θ + 87.464
The laser device according to claim 1, wherein an equivalent reflectance of the light emitting end portion is 3 × 10 −5 or less.
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