JP5702262B2 - Tunable semiconductor laser - Google Patents

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Description

本発明は、光ファイバ通信用光源および光計測用光源として用いられる波長可変半導体レーザに関し、特に光通信における光波長(周波数)多重システム用光源、および広帯域波長帯をカバーする光計測用光源の特性向上に関する。   The present invention relates to a wavelength tunable semiconductor laser used as a light source for optical fiber communication and a light source for optical measurement, and in particular, characteristics of a light source for optical wavelength (frequency) multiplexing system in optical communication and a light source for optical measurement that covers a wide wavelength band. Regarding improvement.

光ファイバ通信における波長多重通信方式では、異なる周波数(波長)の複数のレーザ光を規格で定められた間隔で一つの光ファイバを用いて伝送する。一つ一つの周波数をチャンネルと呼び、高速なチャンネル切り替えのために高速に発振周波数の切り替えが可能な波長可変レーザが求められている。   In the wavelength division multiplexing communication system in optical fiber communication, a plurality of laser beams having different frequencies (wavelengths) are transmitted using a single optical fiber at intervals determined by the standard. Each frequency is called a channel, and a wavelength tunable laser capable of switching the oscillation frequency at high speed is required for high-speed channel switching.

通信用の波長可変半導体レーザでは、単一モードレーザと呼ばれる一つの波長で発振するレーザが用いられており、単一モードを得るために、例えば導波路に周期的に凹凸を設けた回折格子が用いられている。回折格子が形成された半導体光導波路は、回折格子周期Λと光導波路の等価屈折率nとから得られるブラッグ波長λBで選択的に反射する分布反射器(DBR:Distributed Bragg Reflector)となる。ここで、ブラッグ波長λBと回折格子周期Λ及び光導波路の等価屈折率nとの関係式は、
λB=2nΛ (1)
となる。また、分布反射器に利得を持たせて作成した波長可変半導体レーザのことを分布帰還型(DFB:Distributed Feedback)レーザと呼ぶ。
In a wavelength tunable semiconductor laser for communication, a laser that oscillates at a single wavelength called a single mode laser is used. In order to obtain a single mode, for example, a diffraction grating having periodic irregularities in a waveguide is used. It is used. The semiconductor optical waveguide in which the diffraction grating is formed serves as a distributed reflector (DBR) that selectively reflects at the Bragg wavelength λ B obtained from the diffraction grating period Λ and the equivalent refractive index n of the optical waveguide. Here, the relational expression between the Bragg wavelength λ B , the diffraction grating period Λ, and the equivalent refractive index n of the optical waveguide is
λ B = 2nΛ (1)
It becomes. A tunable semiconductor laser produced by giving a gain to a distributed reflector is called a distributed feedback (DFB) laser.

式(1)から、分布反射器の等価屈折率nを変化させることで、ブラッグ波長λBを変化させることができることがわかる。すなわち選択的に反射する波長を変化させることができ、分布反射器を用いた共振器を構成すれば、等価屈折率nの変化により発振波長を変化させることのできる波長可変半導体レーザを構成することが可能となる。回折格子を利用した波長可変半導体レーザとしては、均一な回折格子の分布反射器を用いた分布反射型レーザ(DBRレーザ)や、周期的に回折格子を設けるなどの方法で複数の反射ピークをもつ分布反射器を用いたSG(Sampled Grating)-DBRレーザ、SSG(Super Structure Grating)-DBRレーザなどが知られている。 From formula (1), it can be seen that the Bragg wavelength λ B can be changed by changing the equivalent refractive index n of the distributed reflector. In other words, a wavelength tunable semiconductor laser capable of changing the oscillation wavelength by changing the equivalent refractive index n can be configured by configuring a resonator using a distributed reflector that can selectively change the wavelength of reflection. Is possible. As a wavelength tunable semiconductor laser using a diffraction grating, it has a plurality of reflection peaks by a distributed reflection type laser (DBR laser) using a uniform diffraction grating distributed reflector, or by periodically providing a diffraction grating. SG (Sampled Grating) -DBR laser, SSG (Super Structure Grating) -DBR laser, etc. using a distributed reflector are known.

また、連続的に波長を変化させることのできる波長可変半導体レーザとしては、分布活性DFBレーザ(TDA-DFBレーザ)がある。図8は従来の分布活性DFBレーザの基本的な構造を示す断面図である。この分布活性DFBレーザは、図8に示すように、下部クラッド層1上に、長さLaの活性導波路層2と、活性導波路層2とは組成の異なる長さLtの非活性導波路層(波長制御層)3が交互に周期的に接続されている。これら活性導波路層2及び非活性導波路層3の上と、上部クラッド層4との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子5が形成されている。上部クラッド4の上には、それぞれ活性導波路層2、非活性導波路層3に対応するように電極7,8が形成されている。基板下部に共通の電極9を形成する一方、基板上部に形成される電極7,8は、活性導波路層2の領域と非活性導波路層3の領域とで分離されている。なお、活性導波路層2の電極7同士、非活性導波路層3の電極8同士は素子上で短絡されている。 As a wavelength tunable semiconductor laser capable of continuously changing the wavelength, there is a distributed active DFB laser (TDA-DFB laser). FIG. 8 is a sectional view showing the basic structure of a conventional distributed active DFB laser. This distribution activity DFB laser, as shown in FIG. 8, on the lower cladding layer 1, an active waveguide layer 2 of a length L a, inactive length L t of different composition from the active waveguide layer 2 Waveguide layers (wavelength control layers) 3 are alternately connected periodically. A diffraction grating 5 in which periodic irregularities are formed between the active waveguide layer 2 and the inactive waveguide layer 3 and between the upper cladding layer 4 and the equivalent refractive index of the waveguide is periodically modulated is formed. Has been. Electrodes 7 and 8 are formed on the upper cladding 4 so as to correspond to the active waveguide layer 2 and the inactive waveguide layer 3, respectively. While the common electrode 9 is formed at the lower part of the substrate, the electrodes 7 and 8 formed at the upper part of the substrate are separated by the region of the active waveguide layer 2 and the region of the inactive waveguide layer 3. The electrodes 7 of the active waveguide layer 2 and the electrodes 8 of the inactive waveguide layer 3 are short-circuited on the element.

このように、分布活性DFBレーザは光の伝播方向に沿って活性導波路層2と非活性導波路層3が交互に周期的に縦続接続された構造となっている。活性導波路層2への電流Iaの注入により発光するとともに利得が生じるが、それぞれの導波路層2,3には回折格子5が形成されており、回折格子5の周期に応じた波長のみ選択的に反射されレーザ発振が起こる。一方、非活性導波路層3への電流Itの注入によりキャリア密度に応じてプラズマ効果により屈折率が変化するため、非活性導波路層3の回折格子5の光学的な周期は変化する。非活性導波路層3の等価屈折率が変化し、1周期の長さに対する波長制御領域の長さの割合分だけ共振縦モード波長が短波長側にシフトする。活性導波路層2の光の伝播方向に沿った活性領域長をLa、非活性導波路層3の光の伝播方向に沿った波長制御領域長をLtとすれば、繰り返し構造の1周期の長さLはLt+Laとなり、共振縦モード波長λrの変化の割合Δλr/λrは、
Δλr /λr =(Lt /(Lt+La))・(Δn/n) (2)
となる(例えば、非特許文献1参照)。
As described above, the distributed active DFB laser has a structure in which the active waveguide layer 2 and the inactive waveguide layer 3 are alternately and periodically connected in the light propagation direction. Although light is emitted and gain is generated by injecting the current I a into the active waveguide layer 2, a diffraction grating 5 is formed in each of the waveguide layers 2 and 3, and only a wavelength corresponding to the period of the diffraction grating 5 is formed. Selective reflection causes laser oscillation. On the other hand, by injection of current I t to the inactive waveguide layer 3 the refractive index by the plasma effect in accordance with the carrier density changes, the optical period of the diffraction grating 5 of the non-active waveguide layer 3 changes. The equivalent refractive index of the inactive waveguide layer 3 changes, and the resonant longitudinal mode wavelength is shifted to the short wavelength side by the ratio of the length of the wavelength control region to the length of one period. If the active waveguide layer 2 of the optical active region length along the propagation direction L a of the wavelength control region length in the direction of propagation of light in the non-active waveguide layer 3 and L t, 1 cycle of repeating structural is the length L L t + L a, and the ratio [Delta] [lambda] r / lambda r of change in the resonance longitudinal mode wavelength lambda r,
Δλ r / λ r = (L t / (L t + L a )) · (Δn / n) (2)
(For example, see Non-Patent Document 1).

一方、複数の反射ピークの各波長も、電流注入による等価屈折率の変化の結果、短波長側にシフトする。反射ピーク波長は繰り返し構造1周期内の平均等価屈折率変化に比例するので、反射ピーク波長λsの変化の割合Δλs /λs は、
Δλs /λs =(Lt /(Lt+La))・(Δn/n) (3)
となる。式(2),式(3)より、反射ピーク波長λsと共振縦モード波長λrとは同じ量だけシフトする。したがって、このレーザでは、最初に発振したモードを保ったまま連続的に波長が変化する。ただし、図8の構造の場合、連続的に同一周期で回折格子5が形成されているため、もともと発振の位相条件を満たす波長が反射ピーク波長とはずれており、単一モード性が悪い。単一モード特性を高めるためには、共振器の中央部付近に、共振器の位相条件を満たすための位相シフト(λ/4)を入れるなどする必要がある。
On the other hand, each wavelength of the plurality of reflection peaks is also shifted to the short wavelength side as a result of a change in equivalent refractive index due to current injection. The reflection peak wavelength is proportional to the average equivalent refractive index change of the repeating structural one cycle, the ratio [Delta] [lambda] s / lambda s of the change in the reflection peak wavelength lambda s is
Δλ s / λ s = (L t / (L t + L a )) · (Δn / n) (3)
It becomes. From equations (2) and (3), the reflection peak wavelength λ s and the resonance longitudinal mode wavelength λ r are shifted by the same amount. Therefore, in this laser, the wavelength continuously changes while maintaining the first oscillation mode. However, in the case of the structure shown in FIG. 8, since the diffraction grating 5 is continuously formed at the same period, the wavelength that originally satisfies the oscillation phase condition deviates from the reflection peak wavelength, and the single mode property is poor. In order to improve the single mode characteristic, it is necessary to insert a phase shift (λ / 4) for satisfying the phase condition of the resonator near the center of the resonator.

特許文献1に開示されている分布活性DFBレーザも、下部クラッド上に、活性導波路層と非活性導波路層が交互に周期的に縦続接続されたものであり、それらの上に上部クラッドが形成されて、その上部クラッド上に、活性導波路層、非活性導波路層に対応する電極が形成されると共に、下部クラッドの下部に共通の電極が形成された構造である。この分布活性DFBレーザでは、回折格子を一部のみに形成しているが、図8に示し上述した分布活性DFBレーザと同じように連続的に波長変化する。ただし、回折格子を共振器内に周期的に形成している(サンプル回折格子という)ことから複数の反射ピークができるため、単一モード性を向上させる必要がある。   In the distributed active DFB laser disclosed in Patent Document 1, active waveguide layers and inactive waveguide layers are alternately and periodically connected on the lower clad, and the upper clad is formed thereon. In this structure, electrodes corresponding to the active waveguide layer and the inactive waveguide layer are formed on the upper clad, and a common electrode is formed below the lower clad. In this distributed active DFB laser, the diffraction grating is formed only in a part, but the wavelength continuously changes in the same manner as the distributed active DFB laser shown in FIG. However, since the diffraction grating is periodically formed in the resonator (referred to as a sample diffraction grating), a plurality of reflection peaks can be formed, and thus it is necessary to improve the single mode property.

そこで、特許文献1においては、分布活性DFBレーザの構造として、繰り返し周期の異なる二つのレーザを同一基板上に直列に集積するとともに、各々の活性導波路層に回折格子を形成した構造も開示されている。複数の反射ピークの間隔は、回折格子のサンプル周期によるので、この周期を共振器の左右で変えることにより、反射メインピーク以外の反射ピークが共振器の左右で重ならないようにし、単一モード性を向上させている。   Therefore, Patent Document 1 discloses a structure of a distributed active DFB laser in which two lasers having different repetition periods are integrated in series on the same substrate, and a diffraction grating is formed in each active waveguide layer. ing. The interval between the multiple reflection peaks depends on the sample period of the diffraction grating. By changing this period on the left and right sides of the resonator, the reflection peaks other than the reflection main peak do not overlap on the left and right sides of the resonator. Has improved.

更に、特許文献2では、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期を変えた2つのレーザを縦続接続するとともに共振器全体にわたり回折格子を形成した構造や、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期の異なる複数個のレーザ部を縦続接続した構造、および、空間的ホールバーニングを抑えるために、活性導波路層と非活性導波路層の繰り返し周期の異なる複数個のレーザ部を縦続接続し、接続した各レーザ部の間に位相シフトを入れた構造などが開示されている。   Furthermore, in Patent Document 2, a structure in which two lasers having different repetition periods of an active waveguide layer and an inactive waveguide layer are connected in cascade and a diffraction grating is formed over the entire resonator, or the active waveguide layer and the inactive waveguide layer are inactive. A structure in which a plurality of laser parts having different repetition periods of the waveguide layer are connected in cascade, and a plurality of laser parts having different repetition periods of the active waveguide layer and the inactive waveguide layer in order to suppress spatial hole burning. A structure in which a phase shift is inserted between the connected laser units is disclosed.

特許3237733号公報Japanese Patent No. 3237733 特開2008−103466号公報JP 2008-103466 A

Ishii et al, "A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode (TDA-DFB-LD)," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 1, Jan 1998.Ishii et al, "A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode (TDA-DFB-LD)," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 10, no. 1, Jan 1998.

例えば、上述した繰り返し周期L1、L2の異なる二つのレーザ(以下、第一のレーザ部、第二のレーザ部という)を同一基板上に直列に集積した分布活性DFBレーザの場合、回折格子の第一のレーザ部と第二のレーザ部との間に1/4波長位相シフトを入れ、共振器の位相条件を満たすようにしている。 For example, in the case of a distributed active DFB laser in which two lasers having different repetition periods L 1 and L 2 (hereinafter referred to as a first laser unit and a second laser unit) are integrated in series on the same substrate, a diffraction grating A quarter wavelength phase shift is inserted between the first laser part and the second laser part so as to satisfy the phase condition of the resonator.

波長変化は、非活性導波路層に電流を流し、キャリアを注入することによって引き起こされている。半導体の屈折率はキャリアが注入されるに従って低下し、発振波長は短波長化する。   The wavelength change is caused by passing a current through the inactive waveguide layer and injecting carriers. The refractive index of the semiconductor decreases as carriers are injected, and the oscillation wavelength is shortened.

また、このような共振器構造の場合、非活性導波路層の光学的ロスを無視して考えると、もっとも発振しやすい、すなわち閾値利得が低くなるのは、活性導波路層と非活性導波路層との屈折率が一致しているときである。このとき、活性導波路と非活性導波路の回折格子の周期が同じであれば、ブラッグ波長が一致するため、最も反射率が高くなる。   Also, in the case of such a resonator structure, when ignoring the optical loss of the inactive waveguide layer, the oscillation is most likely to occur, that is, the threshold gain is low because the active waveguide layer and the inactive waveguide layer are low. This is when the refractive index of the layer matches. At this time, if the periods of the diffraction gratings of the active waveguide and the inactive waveguide are the same, the Bragg wavelengths coincide with each other, so that the reflectance becomes the highest.

図3は、上述した第一のレーザ部、第二のレーザ部を有する分布活性DFBレーザについて、活性導波路層と非活性導波路層の屈折率の差(非活性導波路層の屈折率−活性導波路層の屈折率)をパラメータとして、第一共振モードと第二共振モードの閾値利得差Δgthを第一共振モードの閾値利得gth1で割った規格化閾値利得差Δgth/gth1(図中、黒丸及び実線で示す値。左軸に対応)と、第一共振モードの閾値利得gth1(図中、白丸及び破線で示す値。右軸に対応)を計算した一例である。規格化閾値利得差Δgth/gth1は単一モード特性を考える上で重要なパラメータであり、この数字が大きいほど単一モード性が良い。すなわち、第一モードと第二モードとの強度比(SMSR)が最も大きくなる。従って、上述した第一のレーザ部、第二のレーザ部を有する分布活性DFBレーザの構造の場合、屈折率差が無いときに、閾値利得gthが最も低く、単一モード性が最も良いことになる。 FIG. 3 shows the difference in refractive index between the active waveguide layer and the inactive waveguide layer (the refractive index of the inactive waveguide layer−) for the distributed active DFB laser having the first laser portion and the second laser portion described above. the refractive index) of the active waveguide layer as a parameter, the normalized threshold gain difference divided by the threshold gain g th1 of the threshold gain difference Delta] g th first resonance mode and a second resonance mode first resonant mode Δg th / g th1 (Values indicated by black circles and solid lines in the figure; corresponding to the left axis) and threshold gain g th1 of the first resonance mode (values indicated by white circles and broken lines in the figure; corresponding to the right axis). The normalized threshold gain difference Δg th / g th1 is an important parameter in considering single mode characteristics, and the larger this number, the better the single mode property. That is, the intensity ratio (SMSR) between the first mode and the second mode is the largest. Therefore, in the case of the structure of the distributed active DFB laser having the first laser portion and the second laser portion described above, the threshold gain g th is the lowest and the single mode property is the best when there is no difference in refractive index. become.

分布活性DFBレーザの場合、活性導波路層の屈折率は変化せず、非活性導波路層に電流注入することによって屈折率が変化すると考える。例えば、非活性導波路層の屈折率変化が0.03程度起こるとすると、屈折率差0を中心として、屈折率差が0.015から−0.015の範囲で使うようにすると、平均的な閾値利得gthが最も低く、規格化閾値利得gthが最も大きくなる。すなわち、非活性導波路層にキャリアを注入しない状態で屈折率差が0.015となるようにしておく。 In the case of a distributed active DFB laser, it is considered that the refractive index of the active waveguide layer does not change and the refractive index changes by injecting current into the inactive waveguide layer. For example, assuming that the refractive index change of the inactive waveguide layer is about 0.03, if the refractive index difference is used in the range of 0.015 to −0.015 centering on the refractive index difference 0, the average will be averaged. The lowest threshold gain g th is the lowest, and the normalized threshold gain g th is the largest. That is, the refractive index difference is set to 0.015 in a state where carriers are not injected into the inactive waveguide layer.

しかしながら、実際の場合、キャリア密度の増加に伴い、自由電子吸収などの吸収損失が増加するため、閾値利得gthが上昇する。従って、実際のデバイスでは、屈折率差0を中心として屈折率変化範囲を均等に割り当てることにより、屈折率の変化が大きくなって屈折率差が0を超えて負の値になると、もともと閾値利得gthが上昇するのに加え、損失増加による閾値利得gthが加わり特性が悪化する恐れがある。 However, in actual cases, as the carrier density increases, absorption loss such as free electron absorption increases, so that the threshold gain g th increases. Therefore, in an actual device, by assigning the refractive index change range uniformly around the refractive index difference 0, when the refractive index change becomes large and the refractive index difference exceeds 0 and becomes a negative value, the threshold gain is originally set. in addition to g th is increased, the threshold gain g th is exerted properties due to the loss increase may be deteriorated.

このようなことから本発明は、大きな特性劣化を抑制しつつ、発振を継続させることが可能な波長可変半導体レーザを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a wavelength tunable semiconductor laser capable of continuing oscillation while suppressing a large characteristic deterioration.

上記の課題を解決するための第1の発明に係る波長可変半導体レーザは、半導体基板上に、利得を有する活性導波路層と波長を制御するための非活性導波路層とを交互に周期的に繰り返し形成してなる構造を有する波長可変半導体レーザであって、前記活性導波路層及び前記非活性導波路層の全長にわたって回折格子が形成され、前記活性導波路層及び前記非活性導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトΩCを共振器中に少なくとも一つ以上有し、電流を注入する前の前記非活性導波路層と前記活性導波路層との初期屈折率差ΔNsを、電流を注入することにより前記非活性導波路層の屈折率を波長可変動作を行う波長可変領域の最短波長に対応する値に変化させたときの前記非活性導波路層の屈折率変化量をΔNtとして、下式(4)を満足するように設定することを特徴とする。 A wavelength tunable semiconductor laser according to a first aspect of the present invention for solving the above-described problems is obtained by alternately and periodically forming an active waveguide layer having gain and an inactive waveguide layer for controlling the wavelength on a semiconductor substrate. A tunable semiconductor laser having a structure formed repeatedly in which a diffraction grating is formed over the entire length of the active waveguide layer and the inactive waveguide layer, and the active waveguide layer and the inactive waveguide layer wherein prior to the refractive index of having at least one phase shift Omega C is set to satisfy the phase condition so co oscillator if it is uniform along the resonance direction in the resonator, a current is injected The initial refractive index difference ΔNs between the inactive waveguide layer and the active waveguide layer is made to correspond to the shortest wavelength of the wavelength tunable region in which the wavelength variable operation is performed by injecting current into the refractive index of the inactive waveguide layer. When the value is changed Serial as ΔNt the refractive index variation of the non-active waveguide layer, and sets so as to satisfy the following equation (4).

Figure 0005702262
Figure 0005702262

上記の課題を解決するための第の発明に係る波長可変半導体レーザは、第1の発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが少なくとも二以上の異なる繰り返し周期を有することを特徴とする。 A wavelength tunable semiconductor laser according to a second invention for solving the above-described problem is the wavelength tunable semiconductor laser according to the first invention, wherein the active waveguide layer and the inactive waveguide layer have at least two or more. It has a different repetition period.

上記の課題を解決するための第の発明に係る波長可変半導体レーザは、第1又は第2の発明に係る波長可変半導体レーザにおいて、前記位相シフトΩCが、下式(5)を満足することを特徴とする。 A wavelength tunable semiconductor laser according to a third aspect of the present invention for solving the above problem is the wavelength tunable semiconductor laser according to the first or second aspect of the invention, wherein the phase shift Ω C satisfies the following expression (5): It is characterized by that.

Figure 0005702262
Figure 0005702262

本発明に係る波長可変半導体レーザによれば、波長変化時に共振条件を徐々に一致させることにより、非活性導波路層への電流注入による屈折率変化を生じさせた際に生じる損失の増大を打消すことが可能となり、大きな特性劣化を抑制しつつ、発振を継続させることが可能となる。   According to the wavelength tunable semiconductor laser of the present invention, by gradually matching the resonance conditions when changing the wavelength, an increase in loss caused when a refractive index change is caused by current injection into the inactive waveguide layer is overcome. It is possible to cancel the oscillation, and it is possible to continue oscillation while suppressing a large characteristic deterioration.

本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの断面構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the cross-section of the wavelength tunable semiconductor laser which concerns on 1st embodiment of this invention. 本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの上面図である。1 is a top view of a wavelength tunable semiconductor laser according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態の特性を説明する図である。It is a figure explaining the characteristic of a first embodiment of the present invention. 本発明の第一の実施形態の効果を説明する図である。It is a figure explaining the effect of 1st embodiment of this invention. 位相シフトを説明する図である。It is a figure explaining a phase shift. 一般的な分布活性DFBレーザの基本構造を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the basic structure of a general distributed active DFB laser.

以下、図面を参照しつつ本発明に係る波長可変半導体レーザの詳細を説明する。
(第一の実施形態)
以下、図1乃至図4に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第一の実施形態について説明する。
図1は本発明の第一の実施形態に係る波長可変半導体レーザの導波方向に沿った断面を示す模式図である。
The details of the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(First embodiment)
A first embodiment of a wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a cross section along the waveguide direction of the wavelength tunable semiconductor laser according to the first embodiment of the present invention.

図1に示すように、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、n型InP下部クラッド層11上に、第一のレーザ部A1においては長さLa1のGaInAsP活性導波路層12a1と、活性導波路層12a1とは組成の異なる長さLt1のGaInAsP非活性導波路層(波長制御層)13t1とが交互に周期的に接続されている。また、第二のレーザ部A2においては長さLa2のGaInAsP活性導波路層12a2と、活性導波路層12a2とは組成の異なる長さLt2のGaInAsP非活性導波路層13t2とが交互に周期的に接続されている。以下、GaInAsP活性導波路層12a1,12a2を総称する場合はGaInAsP活性導波路層12、GaInAsP非活性導波路層13t1,13t2を総称する場合はGaInAsP非活性導波路層13と呼称する。 As shown in FIG. 1, in the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiments, n-type on the InP lower cladding layer 11, GaInAsP active waveguide layer 12 a1 of the first length in the laser unit A 1 L a1 The active waveguide layer 12 a1 is alternately and periodically connected to a GaInAsP inactive waveguide layer (wavelength control layer) 13 t1 having a length L t1 having a different composition. Further, in the second laser portion A 2 , the GaInAsP active waveguide layer 12 a2 having a length L a2, and a GaInAsP inactive waveguide layer 13 t2 having a length L t2 having a different composition from the active waveguide layer 12 a2 , Are alternately connected periodically. Hereinafter, the GaInAsP active waveguide layers 12 a1 and 12 a2 are collectively referred to as GaInAsP active waveguide layers 12 and the GaInAsP inactive waveguide layers 13 t1 and 13 t2 are collectively referred to as GaInAsP inactive waveguide layers 13. .

これらGaInAsP活性導波路層12及びGaInAsP非活性導波路層13の上と、p型InP上部クラッド層14との間には周期的な凹凸を形成して導波路の等価屈折率を周期変調させた回折格子15が形成されている。InP上部クラッド14の上には、オーミックコンタクトのために高ドープのp型InGaAsコンタクト層16を設け、その上にそれぞれ活性導波路層12、非活性導波路層13に対応するように電極17,18を形成している。基板下部に形成した電極19は共通としているが、基板上部に形成する電極は、活性導波路層12の領域と非活性導波路層13の領域とで分離している。具体的には、活性導波路層12の領域と非活性導波路層13の領域とでコンタクト層16および電極17,18を分離し、さらに、図2に示すように、活性導波路層12の電極17同士、非活性導波路層13の電極18同士を素子上で短絡している。   Periodic irregularities were formed between the GaInAsP active waveguide layer 12 and the GaInAsP inactive waveguide layer 13 and the p-type InP upper cladding layer 14 to periodically modulate the equivalent refractive index of the waveguide. A diffraction grating 15 is formed. A highly doped p-type InGaAs contact layer 16 is provided on the InP upper clad 14 for ohmic contact, and electrodes 17, 17 corresponding to the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13, respectively, are provided thereon. 18 is formed. The electrode 19 formed in the lower part of the substrate is common, but the electrode formed in the upper part of the substrate is separated into the active waveguide layer 12 region and the inactive waveguide layer 13 region. Specifically, the contact layer 16 and the electrodes 17 and 18 are separated by the region of the active waveguide layer 12 and the region of the inactive waveguide layer 13, and further, as shown in FIG. The electrodes 17 and the electrodes 18 of the inactive waveguide layer 13 are short-circuited on the element.

さらに、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2とで活性導波路層12と非活性導波路層13の繰り返し周期をL1,L2変えて直列に接続した構造となっている。さらに、第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2の間に1/4波長の位相シフト20を入れている。 Further, in the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment, the repetition period of the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is set to L 1 , in the first laser part A 1 and the second laser part A 2 . It has a structure in which L 2 is changed and connected in series. Further, a quarter wavelength phase shift 20 is inserted between the first laser part A 1 and the second laser part A 2 .

ここで、活性導波路層12にバンドギャップ波長1.55μmのGaInAsPを用いた場合、非活性導波路13はそれより短波のバンドギャップ波長、たとえば、1.4μmのバンドギャップ波長のGaInAsPを用いることにより、レーザ発振の利得に寄与しないために、キャリア密度が一定にならない。これにより、電流注入により大きく屈折率を変化させることができる。   Here, when GaInAsP having a band gap wavelength of 1.55 μm is used for the active waveguide layer 12, the non-active waveguide 13 uses a shorter band gap wavelength, for example, GaInAsP having a band gap wavelength of 1.4 μm. Thus, the carrier density does not become constant because it does not contribute to the laser oscillation gain. Thereby, the refractive index can be changed greatly by current injection.

また、活性導波路層12および非活性導波路層13はバルク材料でなくともよく、たとえば、量子井戸構造、もしくは、量子井戸をバリア層を挟んで重ねた多層量子井戸構造や、さらに量子ドットや量子細線などの低次元の量子井戸構造を備えたものであっても良い。また、活性層への光閉じ込めやキャリア閉じ込めを高めるなどのために、活性層とクラッド層の間に中間の屈折率を持つ層を導入する分離閉じ込めへテロ構造などを導入しても良い。   Further, the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 do not have to be a bulk material. For example, a quantum well structure, a multilayer quantum well structure in which quantum wells are stacked with a barrier layer interposed therebetween, a quantum dot, It may have a low-dimensional quantum well structure such as a quantum wire. Further, in order to enhance light confinement and carrier confinement in the active layer, a separate confinement heterostructure in which a layer having an intermediate refractive index is introduced between the active layer and the cladding layer may be introduced.

回折格子15は屈折率が周期的に変動していることが重要であるため、回折格子15を形成する位置は、活性導波路層12や非活性導波路層13と上部クラッド14との間では無くともよく、例えば、各導波路層12,13と下部クラッド11との間や、各層から離れた位置に形成しても良い。   Since it is important that the refractive index of the diffraction grating 15 fluctuates periodically, the position where the diffraction grating 15 is formed is between the active waveguide layer 12 or the inactive waveguide layer 13 and the upper cladding 14. For example, it may be formed between the waveguide layers 12 and 13 and the lower cladding 11 or at a position away from each layer.

本素子に用いる半導体は、InPとGaInAsPの組み合わせに限定することなく、GaAs、GaInNAs、AlGaInAsなど、その他の半導体を用いても良いし、活性導波路層12と非活性導波路層13のバンドギャップ波長の組み合わせも上記に限定するものではない。   The semiconductor used in this element is not limited to the combination of InP and GaInAsP, and other semiconductors such as GaAs, GaInNAs, and AlGaInAs may be used. The band gap between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 The combination of wavelengths is not limited to the above.

本発明では、活性導波路層と非活性導波路層の屈折率差が重要であるので、これについては詳細に後述する。   In the present invention, the difference in refractive index between the active waveguide layer and the inactive waveguide layer is important, and this will be described in detail later.

本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、図示はしないが、電流Iaが活性導波路層12に効率よく注入されるように、導波路の両脇に半絶縁性材料であるFeをドープしたInPを埋め込み再成長した埋め込みヘテロ構造(BH)としている。FeドープInPの代わりに、p型n型の半導体を交互に重ねることにより電流ブロック層としてもよい。また、Feの代わりにRuをドーピングして高抵抗としたInP層としてもよい。 In the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment, although not shown in the drawing, Fe that is a semi-insulating material is doped on both sides of the waveguide so that the current Ia is efficiently injected into the active waveguide layer 12. A buried heterostructure (BH) in which InP is buried and regrown is formed. Instead of Fe-doped InP, p-type and n-type semiconductors may be alternately stacked to form a current blocking layer. Moreover, it is good also as an InP layer made into high resistance by doping Ru instead of Fe.

また、導波路構造は、本実施形態では埋め込みヘテロ構造を採用しているが、一般的なリッジ構造やハイメサ構造などでも本発明の原理を用いることができる。   The waveguide structure employs a buried heterostructure in this embodiment, but the principle of the present invention can also be used in a general ridge structure or high mesa structure.

第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2とでは、活性導波路層12と非活性導波路層13の繰り返し周期は、それぞれL1,L2と異なるが、活性導波路層12と非活性導波路層13の割合(La1/Lt1、および、La2/Lt2)は同じである。本実施形態では、この割合を1/2とした。また、第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2の間に位相シフト20を入れて、回折格子15の位相を1/4波長変化させている。これにより、第一のレーザ部A1での反射波と第二のレーザ部A2での反射波の位相を発振条件を満たすように整合させている。 In the first laser part A 1 and the second laser part A 2 , the repetition periods of the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 are different from L 1 and L 2 , respectively, but the active waveguide layer 12 And the ratio of the inactive waveguide layer 13 (L a1 / L t1 and L a2 / L t2 ) are the same. In this embodiment, this ratio is 1/2. In addition, a phase shift 20 is inserted between the first laser part A 1 and the second laser part A 2 to change the phase of the diffraction grating 15 by ¼ wavelength. As a result, the phases of the reflected wave at the first laser part A 1 and the reflected wave at the second laser part A 2 are matched so as to satisfy the oscillation condition.

また、上述したように、活性導波路層12、および波長制御用非活性導波路層13の上部に設けられる電極17,18は互いに分離されており、図2に示すように、活性導波路層12上の電極17同士、および非活性導波路層13上の電極18同士は素子上で接続されている。このように素子上で各々の領域の電極17,18同士を短絡しておくことにより、金属製のボンディング・ワイヤをどこか一か所ずつ接着させるだけで、各領域に電流Ia又は波長制御電流Itを注入することができる。   Further, as described above, the electrodes 17 and 18 provided on the active waveguide layer 12 and the wavelength control non-active waveguide layer 13 are separated from each other. As shown in FIG. The electrodes 17 on 12 and the electrodes 18 on the inactive waveguide layer 13 are connected on the element. In this way, by short-circuiting the electrodes 17 and 18 in each region on the element, the current Ia or the wavelength control current can be applied to each region only by bonding a metal bonding wire one by one. It can be injected.

続いて、本実施形態に係る波長可変半導体レーザの作製方法を簡単に説明する。最初に有機金属気相エピタキシャル成長(MOCVD)法と、これによる選択成長法を用いて、n型InP下部クラッド層11上に活性導波路層12と非活性導波路層13とを作製する。具体的には、活性導波路層12が形成された基板上にSiO2などのエッチングマスク22を形成し、エッチングマスク22を用いて活性導波路層12を島状に加工し、エッチングマスク22をそのままにして非活性導波路層13を再成長することにより、活性導波路層12と非活性導波路層13が接続される。   Next, a method for manufacturing a wavelength tunable semiconductor laser according to this embodiment will be briefly described. First, the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 are formed on the n-type InP lower clad layer 11 by using a metal organic vapor phase epitaxial growth (MOCVD) method and a selective growth method based thereon. Specifically, an etching mask 22 such as SiO2 is formed on the substrate on which the active waveguide layer 12 is formed, the active waveguide layer 12 is processed into an island shape using the etching mask 22, and the etching mask 22 is left as it is. Thus, the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 are connected by re-growing the inactive waveguide layer 13.

その後、塗布したレジストに、電子ビーム露光法を用いて回折格子のパターンを転写し、転写パターンをマスクとしてエッチングを行い回折格子を形成する。回折格子には、第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2の間にλ/4の位相シフトを入れる。 Thereafter, the diffraction grating pattern is transferred to the applied resist using an electron beam exposure method, and etching is performed using the transfer pattern as a mask to form the diffraction grating. The diffraction grating is provided with a phase shift of λ / 4 between the first laser part A 1 and the second laser part A 2 .

ここで、本実施形態では、回折格子15は活性導波路層12、非活性導波路層13の両者ともに同一周期としている。   Here, in the present embodiment, the diffraction grating 15 has the same period for both the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13.

p型InP上部クラッド層14およびp型InGaAsコンタクト層16を成長した後、横モードを制御するために、幅1.2μmのストライプ状に導波路を加工し、その両側にFeをドープしたInP電流ブロック層を成長する。そして、各電極17,18を形成した後、活性層駆動電極17と波長制御電極18とを電気的に分離するために、それらの電極17,18間のp型InGaAsコンタクト層16を除去する。さらに各導波路層12,13を分離する場合は、分離溝を形成するなどしてもよい。   After the p-type InP upper cladding layer 14 and the p-type InGaAs contact layer 16 are grown, in order to control the transverse mode, the waveguide is processed into a stripe shape having a width of 1.2 μm and FeP doped on both sides thereof. Growing block layer. After the electrodes 17 and 18 are formed, the p-type InGaAs contact layer 16 between the electrodes 17 and 18 is removed in order to electrically isolate the active layer drive electrode 17 and the wavelength control electrode 18. Further, when the waveguide layers 12 and 13 are separated, a separation groove may be formed.

なお、半導体の成長法としては、有機金属気相エピタキシャル成長法に限らず、分子線エピタキシャル成長法やその他の手段を用いてもよい。回折格子15の形成方法も電子線露光法に限らず、二束干渉露光法やそのほかの手段を用いてもよい。   The semiconductor growth method is not limited to the metal organic vapor phase epitaxial growth method, and a molecular beam epitaxial growth method or other means may be used. The method of forming the diffraction grating 15 is not limited to the electron beam exposure method, and a two-bundle interference exposure method or other means may be used.

本実施形態では、第一のレーザ部A1および第二のレーザ部A2の活性導波路層12と非活性導波路層13の繰り返しの数をそれぞれ6としている。第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2では同じ結合係数の回折格子15を用いているので、活性導波路層12と非活性導波路層13の繰り返し周期の長い第二のレーザ部A2の方が結合係数と長さの積が大きくなるため反射率は高くなる。したがって、繰り返し数を同数とした場合、自然に出力は非対称となり、反射率の低い第一のレーザ部A1からの出力が反射率の高い第二のレーザ部A2からの出力に比べて大きくとれるため、第一のレーザ部A1側から出力を効率よく取り出すことができる。なお、活性導波路層12と非活性導波路層13の繰り返しの数は6に限らず、また繰り返し数が第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2で同じである必要もないため、必要な反射率に応じて繰り返し周期や繰り返し数を設計すればよい。 In this embodiment, the number of repetitions of the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 in the first laser part A 1 and the second laser part A 2 is set to 6, respectively. Since the first laser part A 1 and the second laser part A 2 use the diffraction grating 15 having the same coupling coefficient, the second laser having a long repetition period of the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is used. reflectivity for better parts a 2 becomes larger the coupling coefficient and the product of length increases. Therefore, when the number of repetitions is the same, the output is naturally asymmetric, and the output from the first laser unit A 1 having a low reflectivity is larger than the output from the second laser unit A 2 having a high reflectivity. Therefore, the output can be efficiently extracted from the first laser part A 1 side. Note that the number of repetitions of the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is not limited to 6, and the number of repetitions does not have to be the same in the first laser part A 1 and the second laser part A 2. Therefore, the repetition period and the number of repetitions may be designed according to the required reflectance.

本実施形態では、第一のレーザ部A1の繰り返し周期を57μmとし、第二のレーザ部A2の繰り返し周期を72μmとしている。また回折格子15の結合係数は25cm-1である。 In this embodiment, the repetition period of the first laser part A 1 is 57 μm, and the repetition period of the second laser part A 2 is 72 μm. The coupling coefficient of the diffraction grating 15 is 25 cm −1 .

上述したように、本実施形態では、第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2の回折格子15の間に、1/4波長の位相シフト20を入れている。1/4波長シフトは通常、理想的な状態、すなわち、活性導波路層12及び非活性導波路層13の屈折率が共振方向に沿って均一である場合でも、回折格子15中に共振器の位相条件を満たすために挿入される。これにより最も位相整合がとれる条件となるが、必ずしも1/4波長シフトでなくともよく、例えば1/8波長シフトや3/8波長シフトとすることで、位相条件はずれることになるが、その分、位相シフト領域への光の集中を抑制することが可能となる。位相シフト領域への光の集中は、キャリア密度の低下を招き屈折率を上昇させる。これは、ホールバーニングと呼ばれ、高出力時にモードが安定しないなどの問題を生じさせるおそれがある。つまり、1/4波長シフトからずらした波長シフトとすれば、ホールバーニングを抑制し、モードを安定化させることが可能となる。 As described above, in the present embodiment, a quarter wavelength phase shift 20 is inserted between the diffraction gratings 15 of the first laser part A 1 and the second laser part A 2 . The quarter wavelength shift is usually in the ideal state, i.e., even when the refractive indices of the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 are uniform along the resonance direction, Inserted to satisfy the phase condition. As a result, the most phase matching condition is obtained. However, it is not always necessary to use a ¼ wavelength shift. For example, the phase condition may be shifted by using a 波長 wavelength shift or a 3/8 wavelength shift. It is possible to suppress the concentration of light in the phase shift region. Concentration of light in the phase shift region causes a decrease in carrier density and increases a refractive index. This is called hole burning and may cause problems such as mode instability at high output. That is, if the wavelength shift is shifted from the quarter wavelength shift, hole burning can be suppressed and the mode can be stabilized.

また、理想的な状態でも回折格子15に挿入される、共振器の位相条件を満たすための位相シフト(本実施形態では1/4波長シフト)の位置は、必ずしも第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2の間である必要はなく、共振器中央の全共振器長の約1/3程度の範囲内に位相シフトがあれば、位相条件を満たすことができる。 In addition, even in an ideal state, the position of the phase shift (1/4 wavelength shift in this embodiment) that is inserted into the diffraction grating 15 to satisfy the phase condition of the resonator is not necessarily the same as that of the first laser part A 1 . There is no need to be between the second laser parts A 2 , and the phase condition can be satisfied if there is a phase shift within a range of about 1/3 of the total resonator length at the center of the resonator.

上述したように、本実施形態では、第一のレーザ部A1および第二のレーザ部A2の活性導波路層12と非活性導波路層13の割合を1:2としている。非活性導波路13の割合を大きくすることで、平均の等価屈折率変化を大きくすることができるので、波長変化量を大きくすることができる。しかしながら、非活性導波路層13の割合を大きくすると必然的に活性導波路層12の割合が小さくなってしまい、レーザ発振に必要な利得を得ることが困難になるおそれがある。したがって、活性層の層数などの設計や導波路の損失に応じて割合を調整することが必要であるが、分布活性DFBレーザの原理は、第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2で活性導波路層12と非活性導波路層13の割合を同一とすることであるため、その割合は要求に応じて変更可能である。 As described above, in the present embodiment, the ratio between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 of the first laser part A 1 and the second laser part A 2 is 1: 2. Since the average equivalent refractive index change can be increased by increasing the proportion of the inactive waveguide 13, the amount of wavelength change can be increased. However, when the ratio of the inactive waveguide layer 13 is increased, the ratio of the active waveguide layer 12 is inevitably decreased, and it may be difficult to obtain a gain necessary for laser oscillation. Therefore, it is necessary to adjust the ratio according to the design of the number of active layers and the like, and the loss of the waveguide. The principle of the distributed active DFB laser is that the first laser part A 1 and the second laser part for the proportion between the active waveguide layer 12 by a 2 inactive waveguide layer 13 is to the same, the ratio can be changed on demand.

ここで、本実施形態に係る波長可変半導体レーザにおいては、活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差が重要となっている。非活性導波路層13の屈折率は、層構造や波長にもよるが、電流注入により0.025〜0.03程度変化する。本実施形態の非活性導波路層13は、1.4μmのバンドギャップ波長を持つGaInAsP層300nm厚をコア層としてInPクラッド層で挟んだ構造としている。この場合、約0.027の屈折率変化を引き起こすことができる。従って、非活性導波路層13への電流注入前に活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差を0.022に設定した。   Here, in the wavelength tunable semiconductor laser according to the present embodiment, the refractive index difference between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is important. Although the refractive index of the inactive waveguide layer 13 depends on the layer structure and wavelength, it changes by about 0.025 to 0.03 by current injection. The inactive waveguide layer 13 of this embodiment has a structure in which a 300 nm thick GaInAsP layer having a band gap wavelength of 1.4 μm is sandwiched between InP clad layers as a core layer. In this case, a refractive index change of about 0.027 can be caused. Therefore, the refractive index difference between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is set to 0.022 before current injection into the inactive waveguide layer 13.

つまり、活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差−0.005から0.022の範囲で波長変化を起こすことになる。このようにすることにより、非活性導波路層13への電流注入により損失が増加して閾値利得gthが上昇したとしても、共振器としては、活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差が無くなり、両者のブラッグ波長が一致するので高い反射率が得られるようになり、共振器の特性が向上して閾値利得gthを下げる効果が働くため、大きな閾値利得gthの増加を防ぐことが可能となる。 That is, the wavelength change occurs in the range of the refractive index difference between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 of −0.005 to 0.022. In this way, even if the loss increases due to current injection into the inactive waveguide layer 13 and the threshold gain g th increases, the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 are used as resonators. refractive index difference is eliminated with, since the Bragg wavelength of the two match now high reflectance can be obtained, to work the effect of lowering the threshold gain g th improved characteristics of the resonator, a large threshold gain g th It is possible to prevent an increase in

すなわち、非活性導波路層13の屈折率の変化量のうち、半分以上の領域が、図3の横軸の活性導波路層12と非活性導波路層13の屈折率差(非活性導波路層13の屈折率−活性導波路層12の屈折率)の正の領域で動くように、初期の活性導波路層12と非活性導波路層13の屈折率差を設定すれば、上記の効果を得ることが可能となる。   That is, more than half of the amount of change in the refractive index of the inactive waveguide layer 13 is the difference in refractive index between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 on the horizontal axis in FIG. If the refractive index difference between the initial active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is set so as to move in a positive region of the refractive index of the layer 13 minus the refractive index of the active waveguide layer 12, the above effect is obtained. Can be obtained.

より効果的には、非活性導波路層13の屈折率を最大に変化させたときに、活性導波路層12の屈折率が変化しないとした場合に、活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差が0から−0.01となっていることが望ましい。これは、実際には、非活性導波路層13への電流注入により損失が増大して閾値利得gthが増大する分だけ、活性層のキャリア密度が増大することにより、活性導波路層12の屈折率が若干低下するためである。 More effectively, when the refractive index of the active waveguide layer 12 does not change when the refractive index of the inactive waveguide layer 13 is changed to the maximum, the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide are not changed. It is desirable that the refractive index difference with the layer 13 is 0 to −0.01. In practice, this is because the carrier density of the active layer is increased by the amount of increase in the loss due to current injection into the inactive waveguide layer 13 and the increase in the threshold gain g th . This is because the refractive index slightly decreases.

屈折率が低下する量は、導波路損失や回折格子の結合係数など、その他のパラメータなどにもよるので、一般化するのは困難である。しかしながら、本発明の重要な点は、屈折率変化をさせていった結果、共振器としての特性が上がるように初期屈折率差を設定しておくという点である。   The amount by which the refractive index decreases depends on other parameters such as the waveguide loss and the coupling coefficient of the diffraction grating, and is difficult to generalize. However, the important point of the present invention is that the initial refractive index difference is set so that the characteristics as a resonator are improved as a result of changing the refractive index.

従って、図3上で非活性導波路層13の屈折率を最大に変化させたときに活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差が0から−0.01となるように設定しておくと、実際には活性導波路層12の屈折率が下がる効果も考えると屈折率差が0近辺の状態になり、共振器としては最も閾値利得gthが下がる状態となる。 Accordingly, the refractive index difference between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is changed from 0 to −0.01 when the refractive index of the inactive waveguide layer 13 is changed to the maximum in FIG. In fact, considering the effect that the refractive index of the active waveguide layer 12 is lowered, the difference in refractive index is in the vicinity of 0, and the threshold gain g th is the lowest for the resonator.

この範囲に設定しておくと、仮に活性導波路層12の屈折率変化が0.01以上起きたとしても、最終的な活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差は正の値となって、初期状態から考えると閾値利得gthは単調減少しているので、損失増大による閾値利得gthの上昇を打ち消す方向に働いていると言え、本発明の効果が得られていると言える。 If this range is set, even if the refractive index change of the active waveguide layer 12 occurs 0.01 or more, the final refractive index difference between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is Since the threshold gain g th is monotonously decreasing from the initial state when considered from the initial state, it can be said that the threshold gain g th works in a direction to cancel the increase of the threshold gain g th due to the increase in loss, and the effect of the present invention is obtained. It can be said that.

逆に、仮に活性導波路層12の屈折率変化がほとんど起こらなかったとすると、最終的な活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差は−0.01となる。図3から屈折率差0のときの閾値利得gthと屈折率差−0.01の時の閾値利得gthは5%程度の違いでしかない。従って、ここでの閾値利得gthの上昇はわずかだと言えるので許容範囲である。このような理由から、非活性導波路層13の屈折率変化を最大としたときの活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差を0から−0.01となるように設定すると良いと言える。 On the contrary, if almost no change in the refractive index of the active waveguide layer 12 occurs, the refractive index difference between the final active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is -0.01. Threshold gain g th when the threshold gain g th and the refractive index difference -0.01 when the refractive index difference 0 3 is only a difference of about 5%. Therefore, it can be said that the increase in the threshold gain g th is slight, which is an allowable range. For this reason, the refractive index difference between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 when the refractive index change of the inactive waveguide layer 13 is maximized is set to 0 to −0.01. It can be said that setting is good.

以下に、上述した点を数式化して説明する。
非活性導波路層13の屈折率変化量をΔNtとする。活性導波路層12と非活性導波路層13の初期(非活性導波路層13への電流注入前)の屈折率差(非活性導波路層13の屈折率−活性導波路層12の屈折率)をΔNsとする。活性導波路層12の屈折率変化が無いと仮定した場合に、非活性導波路層13の最大の屈折率変化を得た際の活性導波路層12との屈折率差をΔNeとする。これらの関係は、下式(6)となる。
ΔNs−ΔNt=ΔNe (6)
In the following, the above-described points will be described as mathematical formulas.
Let ΔNt be the amount of change in the refractive index of the inactive waveguide layer 13. Difference in refractive index between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 at an initial stage (before current injection into the inactive waveguide layer 13) (refractive index of the inactive waveguide layer 13−refractive index of the active waveguide layer 12) ) Is ΔNs. When it is assumed that there is no change in the refractive index of the active waveguide layer 12, the difference in refractive index from the active waveguide layer 12 when the maximum change in refractive index of the inactive waveguide layer 13 is obtained is ΔNe. These relationships are expressed by the following formula (6).
ΔNs−ΔNt = ΔNe (6)

ここで、上述したように屈折率差ΔNeを下式(7)のように設定する。   Here, as described above, the refractive index difference ΔNe is set as in the following equation (7).

Figure 0005702262
Figure 0005702262

(6)式及び(7)式から、初期屈折率差ΔNsは、下式(8)で表される。   From the equations (6) and (7), the initial refractive index difference ΔNs is expressed by the following equation (8).

Figure 0005702262
Figure 0005702262

本実施形態の設定条件を当てはめると、非活性導波路層13の屈折率変化が可能な量は、ΔNt=0.027、また、活性導波路層12と非活性導波路層13との初期屈折率差は、ΔNs=0.022であるから、初期屈折率差ΔNsが、0.017〜0.027の範囲に入っているので(8)式を満たしていることがわかる。   When the setting conditions of this embodiment are applied, the amount of change in the refractive index of the inactive waveguide layer 13 is ΔNt = 0.027, and the initial refraction between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is as follows. Since the rate difference is ΔNs = 0.022, the initial refractive index difference ΔNs is in the range of 0.017 to 0.027, so it can be seen that the formula (8) is satisfied.

初期屈折率差ΔNsは、層構造を変化させることで制御可能である。例えば、活性導波路層13は多層量子井戸構造となっているが、量子井戸数を増やすと等価屈折率が上昇する。また、バリア組成を、より長波長のバンドギャップ波長の組成にすることによっても等価屈折率が上昇する。その他、導波路コアを形成する層の厚さや組成を変更することで等価屈折率を設計可能である。   The initial refractive index difference ΔNs can be controlled by changing the layer structure. For example, although the active waveguide layer 13 has a multilayer quantum well structure, the equivalent refractive index increases as the number of quantum wells increases. The equivalent refractive index can also be increased by making the barrier composition a composition having a longer bandgap wavelength. In addition, the equivalent refractive index can be designed by changing the thickness and composition of the layer forming the waveguide core.

ところで、活性導波路層12と非活性導波路層13の繰り返し構造よりなる分布活性DFBレーザでは、活性導波路層12と非活性導波路層13との屈折率差が大きくなると、主反射ピークの他に繰り返し周期に反比例する間隔で副反射ピークが生じてくる。図1に示した繰り返し周期の異なる二つのレーザ部A1,A2を直列に接続した構造では、主反射ピークと副反射ピークの間隔が、第一のレーザ部A1と第二のレーザ部A2で異なるために、副反射ピークでは共振が生じず、屈折率差が大きくなっても主反射ピークで発振し続ける。 By the way, in the distributed active DFB laser having the repeated structure of the active waveguide layer 12 and the non-active waveguide layer 13, when the refractive index difference between the active waveguide layer 12 and the non-active waveguide layer 13 increases, In addition, secondary reflection peaks occur at intervals inversely proportional to the repetition period. In the structure in which two laser parts A 1 and A 2 having different repetition periods shown in FIG. 1 are connected in series, the interval between the main reflection peak and the sub-reflection peak is the first laser part A 1 and the second laser part. Because of the difference in A 2 , resonance does not occur at the secondary reflection peak, and oscillation continues at the main reflection peak even if the refractive index difference increases.

本発明では、初期屈折率差ΔNsを比較的大きくする必要があるが、単一の繰り返し周期のみを持つような分布活性DFBレーザの場合は、初期屈折率差ΔNsが大きいために単一モード性が悪くなることがあり得る。したがって、本発明を適用するには、活性導波路層12と非活性導波路層13の繰り返し周期を2つ以上持つ分布活性DFBレーザの方が望ましい。   In the present invention, the initial refractive index difference ΔNs needs to be relatively large. However, in the case of a distributed active DFB laser having only a single repetition period, the initial refractive index difference ΔNs is large, so that it has a single mode property. Can get worse. Therefore, in order to apply the present invention, a distributed active DFB laser having two or more repetition periods of the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 is desirable.

(第二の実施形態)
以下、図4及び図5に基づいて本発明に係る波長可変半導体レーザの第二の実施形態について説明する。
(Second embodiment)
Hereinafter, a second embodiment of the wavelength tunable semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to FIGS.

本実施形態は、第一の実施形態において説明した位相シフト20を、λ/4に代えて、λ/4よりも小さい位相シフトとするものである。具体的には、本実施形態では、位相シフトをλ/5とした。その他の構造は第一の実施形態と同様であり、以下、同一の部材には同一の符号を付して重複する説明は省略し、異なる点を中心に説明する。活性導波路層12と非活性導波路層13の初期屈折率差ΔNsは0.02とした。   In this embodiment, the phase shift 20 described in the first embodiment is changed to a phase shift smaller than λ / 4 instead of λ / 4. Specifically, in this embodiment, the phase shift is λ / 5. Other structures are the same as those of the first embodiment, and hereinafter, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted, and different points will be mainly described. The initial refractive index difference ΔNs between the active waveguide layer 12 and the inactive waveguide layer 13 was set to 0.02.

図4は、位相シフト20として、3種類(λ/4、λ/6、λ/8)の位相シフトを適用した場合の規格化閾値利得差Δgth/gth1(左軸)と閾値利得gth(右軸)である。位相シフトの量を変えることによって、規格化閾値利得差Δgth/gth1に大きな違いが現れることがわかる。一方、第一モードの閾値利得gthには、それほど大きな違いは見られない。本実施形態の位相シフトはλ/5なので、図4中のλ/4とλ/6の間の特性となることは容易に類推できる。 4 shows a normalized threshold gain difference Δg th / g th1 (left axis) and threshold gain g when three types of phase shifts (λ / 4, λ / 6, λ / 8) are applied as the phase shift 20. th (right axis). It can be seen that a large difference appears in the normalized threshold gain difference Δg th / g th1 by changing the amount of phase shift. On the other hand, there is no significant difference in the threshold gain g th in the first mode. Since the phase shift of this embodiment is λ / 5, it can be easily analogized that the characteristic is between λ / 4 and λ / 6 in FIG.

ここで、位相シフトは、図5で定義する関係になっている。図5は横軸を位置で縦軸を屈折率とした場合の回折格子の屈折率変動の模式図であり、図5(a)は位相シフト20をゼロとした場合、図5(b)は位相シフト20をλ/8とした場合、図5(c)は位相シフト20をλ/4とした場合を示している。   Here, the phase shift has a relationship defined in FIG. FIG. 5 is a schematic diagram of the refractive index fluctuation of the diffraction grating when the horizontal axis is the position and the vertical axis is the refractive index. FIG. 5A shows a case where the phase shift 20 is zero, and FIG. When the phase shift 20 is λ / 8, FIG. 5C shows the case where the phase shift 20 is λ / 4.

本発明では、第一の実施形態で説明したように、初期屈折率差ΔNsを最大の屈折率変化を鑑みて設定し、特に屈折率差がほぼ正の領域となるように屈折率を変化させる。図4よりわかるように、位相シフト20をλ/4とすると、屈折率差0において最も規格化閾値利得差Δgth/gth1が大きくなり、屈折率差が大きくなるにしたがって小さくなる。屈折率差0を中心として、屈折率差の正負で対称な形をしている。一方、位相シフト20をλ/4よりも小さくすることによって、規格化閾値利得差Δgth/gth1のピーク位置を屈折率差が正の領域にすることが可能となる。 In the present invention, as described in the first embodiment, the initial refractive index difference ΔNs is set in consideration of the maximum refractive index change, and in particular, the refractive index is changed so that the refractive index difference becomes a substantially positive region. . As can be seen from FIG. 4, when the phase shift 20 is λ / 4, the normalized threshold gain difference Δg th / g th1 is the largest at the refractive index difference 0, and it is smaller as the refractive index difference is larger. Centering on a refractive index difference of 0, it has a symmetrical shape with positive and negative refractive index differences. On the other hand, by making the phase shift 20 smaller than λ / 4, the peak position of the normalized threshold gain difference Δg th / g th1 can be made a region where the refractive index difference is positive.

本実施形態では、初期屈折率差が0.02から−0.005程度まで動くので、この範囲で平均的に大きな規格化閾値利得差Δgth/gth1が得られるように、位相シフト20をλ/5としている。ここで、位相シフト20が小さい方が、ピーク位置での規格化閾値利得差Δgth/gth1は小さくなってしまっている。しかし、波長可変レーザとして考えると、波長変化させている範囲で平均した副モード抑圧比(SMSR)が得られる方が良い。 In this embodiment, since the initial refractive index difference moves from about 0.02 to about −0.005, the phase shift 20 is set so that an average large normalized threshold gain difference Δg th / g th1 is obtained in this range. λ / 5. Here, the smaller the phase shift 20, the smaller the normalized threshold gain difference Δg th / g th1 at the peak position. However, when considered as a wavelength tunable laser, it is better to obtain a submode suppression ratio (SMSR) averaged over a range in which the wavelength is changed.

以上のように、屈折率差が正の領域を中心に波長を変化させるのであれば、位相シフト量を小さくすることによって、波長変化幅全域にわたって平均的な単一モード特性が得られるようになる。   As described above, if the wavelength is changed around a region where the refractive index difference is positive, an average single mode characteristic can be obtained over the entire wavelength change range by reducing the phase shift amount. .

ただし、位相シフト20をあまり小さくしすぎると、単一モード特性が悪くなってしまう。図4で示されるように位相シフト20をλ/8とした場合には、屈折率差0.02から0.025近辺がピークとなっている。屈折率差0.03ではλ/6の位相シフト、λ/8の位相シフトともに急激に規格化閾値利得差Δgth/gth1が減少する。従って、位相シフト20をλ/8よりも小さくすると、波長変化幅全域にわたって平均的な単一モード特性が得られるようにするという効果は得られない。従って、位相シフト20のシフト量ΩCは下式(9)の範囲とすると良い。 However, if the phase shift 20 is too small, the single mode characteristics will be deteriorated. As shown in FIG. 4, when the phase shift 20 is λ / 8, the peak is in the vicinity of the refractive index difference of 0.02 to 0.025. When the refractive index difference is 0.03, both the phase shift of λ / 6 and the phase shift of λ / 8 abruptly decrease the normalized threshold gain difference Δg th / g th1 . Therefore, if the phase shift 20 is smaller than λ / 8, the effect of obtaining an average single mode characteristic over the entire wavelength change width cannot be obtained. Therefore, the shift amount Ω C of the phase shift 20 is preferably in the range of the following equation (9).

Figure 0005702262
Figure 0005702262

従って、第一の実施形態と合わせて考えると、位相シフト20のシフト量ΩCの範囲は、下式(10)となる。 Accordingly, when considered together with the first embodiment, the range of the shift amount Ω C of the phase shift 20 is expressed by the following expression (10).

Figure 0005702262
Figure 0005702262

なお、もし、屈折率差が負の領域を使うときには、位相シフト20をλ/4よりも大きくすればよいことは容易に類推できる。   It should be noted that if the region where the refractive index difference is negative is used, it can be easily inferred that the phase shift 20 should be larger than λ / 4.

本発明は、波長可変半導体レーザに適用して好適なものである。   The present invention is suitable for application to a wavelength tunable semiconductor laser.

11 n型InP下部クラッド層
12 GaInAsP活性導波路層
13 GaInAsP非活性導波路層(波長制御層)
14 p型InP上部クラッド層
15 回折格子
16 p型InGaAsコンタクト層
17 活性層電極
18 波長制御電極
19 電極
20 レーザ部間位相シフト
11 n-type InP lower cladding layer 12 GaInAsP active waveguide layer 13 GaInAsP inactive waveguide layer (wavelength control layer)
14 p-type InP upper cladding layer 15 diffraction grating 16 p-type InGaAs contact layer 17 active layer electrode 18 wavelength control electrode 19 electrode 20 phase shift between laser parts

Claims (3)

半導体基板上に、利得を有する活性導波路層と波長を制御するための非活性導波路層とを交互に周期的に繰り返し形成してなる構造を有する波長可変半導体レーザであって、
前記活性導波路層及び前記非活性導波路層の全長にわたって回折格子が形成され、
前記活性導波路層及び前記非活性導波路層の屈折率が共振方向に沿って均一である場合に共振器の位相条件を満たすように設定される位相シフトΩCを共振器中に少なくとも一つ以上有し、
電流を注入する前の前記非活性導波路層と前記活性導波路層との初期屈折率差ΔNsを、電流を注入することにより前記非活性導波路層の屈折率を波長可変動作を行う波長可変領域の最短波長に対応する値に変化させたときの前記非活性導波路層の屈折率変化量をΔNtとして、下式(1)を満足するように設定する
ことを特徴とする波長可変半導体レーザ。
Figure 0005702262
A wavelength tunable semiconductor laser having a structure in which an active waveguide layer having gain and an inactive waveguide layer for controlling wavelength are alternately and repeatedly formed on a semiconductor substrate,
A diffraction grating is formed over the entire length of the active waveguide layer and the inactive waveguide layer,
At least a phase shift Omega C the refractive index of the active waveguide layer and the inactive waveguide layer is set to satisfy the phase condition so co oscillator if it is uniform along the resonance direction in the resonator Have more than one,
The wavelength tunable operation for performing the wavelength tunable operation for the refractive index of the inactive waveguide layer by injecting the current into the initial refractive index difference ΔNs between the inactive waveguide layer and the active waveguide layer before the current is injected. The refractive index change amount of the inactive waveguide layer when changed to a value corresponding to the shortest wavelength of the region is set to satisfy ΔNt so as to satisfy the following expression (1): Tunable semiconductor laser.
Figure 0005702262
前記活性導波路層と前記非活性導波路層とが少なくとも二以上の異なる繰り返し周期を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の波長可変半導体レーザ。
The wavelength tunable semiconductor laser according to claim 1, wherein the active waveguide layer and the inactive waveguide layer have at least two or more different repetition periods.
前記位相シフトΩCが、下式(2)を満足する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の波長可変半導体レーザ。
Figure 0005702262
3. The wavelength tunable semiconductor laser according to claim 1, wherein the phase shift Ω C satisfies the following expression (2).
Figure 0005702262
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