JP7485304B2 - Narrow Linewidth Laser - Google Patents

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Description

本発明は、半導体レーザのスペクトル線幅を低減する狭線幅レーザに関する。 The present invention relates to a narrow linewidth laser that reduces the spectral linewidth of a semiconductor laser.

狭線幅レーザは、光の位相情報を信号として取り扱い、光通信の伝送容量増大を実現するデジタル光コヒーレントシステムや、飛躍的に精度を向上した光計測システムを実現する上で必要不可欠な装置である。 Narrow-linewidth lasers are essential devices for realizing digital optical coherent systems that handle the phase information of light as a signal and increase the transmission capacity of optical communications, as well as optical measurement systems with dramatically improved accuracy.

半導体レーザのスペクトル線幅はレーザ共振器の共振特性に大きく依存するために、共振器構造を工夫することでその発振スペクトル線幅を低減する試みがなされてきた。レーザ共振器の長尺化により共振特性を改善して、スペクトル線幅を低減する試みが開示されている(非特許文献1)。しかしながら、共振器が長くなるとレーザを実装する際に素子に歪みが導入されスペクトル線幅が広がる等の問題があった。 Since the spectral linewidth of a semiconductor laser depends heavily on the resonance characteristics of the laser resonator, attempts have been made to reduce the oscillation spectral linewidth by modifying the resonator structure. Attempts to reduce the spectral linewidth by improving the resonance characteristics through elongation of the laser resonator have been disclosed (Non-Patent Document 1). However, when the resonator is long, problems arise such as distortion being introduced into the element when the laser is mounted, widening the spectral linewidth.

また、半導体レーザの外部に反射ミラー、回折格子、光ファイバ等を配置して外部共振器を付与した半導体レーザにより共振器長を長尺化し、自身の光に発振光を引き込むことで発振スペクトル線幅を低減する試みが開示されている(例えば、非特許文献2、3)。しかしながら、本手法ではスペクトル線幅の低減はできる一方、共振器内の光の往復時間に関連した周波数領域に周波数雑音が発生するので、システムへの応用において問題となっていた。 Also, attempts have been disclosed to reduce the lasing spectral linewidth by increasing the cavity length and drawing the oscillating light into its own light, using a semiconductor laser with an external resonator provided by arranging a reflecting mirror, diffraction grating, optical fiber, etc. outside the semiconductor laser (e.g., Non-Patent Documents 2 and 3). However, while this method can reduce the spectral linewidth, it generates frequency noise in a frequency region related to the round-trip time of the light inside the resonator, which has been a problem in application to systems.

さらに、半導体光増幅媒体として半導体光増幅器を用いて、共振器として外部に光フィルタを結合することで狭線幅半導体レーザを実現する試みが開示されている(例えば、非特許文献4)。しかしながら、本手法ではレーザの共振器長を長尺化するので、光源(レーザ)が大きくなり小型化が困難であった。このように、半導体レーザの発振スペクトル線幅と光源サイズにはトレードオフの関係があった。 Furthermore, attempts have been disclosed to realize a narrow-linewidth semiconductor laser by using a semiconductor optical amplifier as the semiconductor optical amplification medium and coupling an external optical filter as a resonator (for example, Non-Patent Document 4). However, this method lengthens the length of the laser resonator, which makes the light source (laser) larger and makes it difficult to miniaturize it. Thus, there is a trade-off between the oscillation spectral linewidth of a semiconductor laser and the size of the light source.

狭線幅半導体レーザの小型化を実現する技術として、光負帰還法が開発されその有効性が実証されてきた(非特許文献5、6)。本技術では、単一モード半導体レーザと光フィルタのみで狭線幅半導体レーザを構成することができるので、狭線幅化と光源の小型化とを実現できる。基本原理は、光フィルタで半導体レーザの周波数揺らぎを光電界振幅変動に変換して、その光を半導体レーザへ帰還することで周波数変調を誘起し、逆方向へ発振周波数を変調して負帰還動作を実現するものである。 The optical negative feedback method has been developed as a technology for miniaturizing narrow-linewidth semiconductor lasers, and its effectiveness has been demonstrated (Non-Patent Documents 5, 6). With this technology, a narrow-linewidth semiconductor laser can be constructed using only a single-mode semiconductor laser and an optical filter, making it possible to achieve both a narrow linewidth and a compact light source. The basic principle is that the optical filter converts the frequency fluctuation of the semiconductor laser into optical field amplitude fluctuations, and the light is fed back to the semiconductor laser to induce frequency modulation, which then modulates the oscillation frequency in the opposite direction to achieve negative feedback operation.

H. Ishii, K. Kasaya, and H. Oohashi, "Narrow spectral linewidth operation (<160 kHz) in widely tunable distributed feedback laser array," Electron. Lett. 46(10), 714-715 (2010).H. Ishii, K. Kasaya, and H. Oohashi, "Narrow spectral linewidth operation (<160 kHz) in widely tunable distributed feedback laser array," Electron. Lett. 46(10), 714-715 (2010). S. Saito, O. Nilsson and Y. Yamamoto, "Oscillation center frequency tuning, quantum FM noise, and direct frequency modulation characteristics in external grating loaded semiconductor lasers," IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-18, no. 6, pp. 961-970, June 1982.S. Saito, O. Nilsson and Y. Yamamoto, "Oscillation center frequency tuning, quantum FM noise, and direct frequency modulation characteristics in external grating loaded semiconductor lasers," IEEE J. Quantum Electronics, vol. QE-18, no. 6, pp. 961-970, June 1982. M. F. Ferreira, J. F. Rocha, and J. L. Pinto, "Noise and modulation performance of Fabry-Perot and DFB semiconductor lasers with arbitrary external optical feedback, " IEE Proceedings, vol.137, Pt. J, No. 6, pp. 361-369, 1990.M. F. Ferreira, J. F. Rocha, and J. L. Pinto, "Noise and modulation performance of Fabry-Perot and DFB semiconductor lasers with arbitrary external optical feedback," IEE Proceedings, vol.137, Pt. J, No. 6, pp. 361-369, 1990. T. Kita, R. Tang, and H. Yamada, "Narrow Spectral Linewidth Silicon Photonic Wavelength Tunable Laser Diode for Digital Coherent Communication System, " IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 22, No. 6, 1500612, 2016.T. Kita, R. Tang, and H. Yamada, "Narrow Spectral Linewidth Silicon Photonic Wavelength Tunable Laser Diode for Digital Coherent Communication System," IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron., vol. 22, No. 6, 1500612, 2016. K. Aoyama, N. Yokota, and H. Yasaka, "3-kHz Spectral Linewidth Laser Assembly with Coherent Optical Negative Feedback, "IEEE Photonics Technology Letters, vol. 30, No. 3, pp. 277-280, 2018. (Feb.) / DOI 10.1109/LPT.2017.2783365K. Aoyama, N. Yokota, and H. Yasaka, "3-kHz Spectral Linewidth Laser Assembly with Coherent Optical Negative Feedback," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 30, No. 3, pp. 277-280, 2018. (Feb.) / DOI 10.1109/LPT.2017.2783365 S. Sato, G. Aizawa, N. Yokota, and H. Yasaka, "Performance Improvement of Optical Negative Feedback Laser by Reducing Feedback Loop Length, " IEICE Electronics Express, vol. 17, No. 4, 20190750, 2020. (Feb.) / DOI 10.1587/elex.17.20190750S. Sato, G. Aizawa, N. Yokota, and H. Yasaka, "Performance Improvement of Optical Negative Feedback Laser by Reducing Feedback Loop Length," IEICE Electronics Express, vol. 17, No. 4, 20190750, 2020. (Feb.) / DOI 10.1587/elex.17.20190750

しかしながら、発振スペクトル線幅を最大限に狭窄化するには、単一モード半導体レーザと光フィルタの結合効率を向上する必要がある。 However, to maximize the narrowing of the oscillation spectral linewidth, it is necessary to improve the coupling efficiency between the single-mode semiconductor laser and the optical filter.

また、光フィルタでの発振光周波数変動から帰還光電界振幅変動への変換において、周波数弁別効率を向上するために多重干渉効果を導入するが、光フィルタを形成する材料の伝搬損失により周波数弁別効率が低下する。そこで、光フィルタの周波数弁別機能を向上することが必要である。 In addition, in the conversion from the oscillation light frequency fluctuation in the optical filter to the feedback light electric field amplitude fluctuation, a multiple interference effect is introduced to improve the frequency discrimination efficiency, but the frequency discrimination efficiency decreases due to the propagation loss of the material that forms the optical filter. Therefore, it is necessary to improve the frequency discrimination function of the optical filter.

上述したような課題を解決するために、本発明に係る狭線幅レーザは、半導体レーザと、半導体光増幅器と、光フィルタとを備え、前記半導体レーザの出力光が、前記半導体光増幅器と前記光フィルタとを介して、当該半導体レーザに帰還光として入力し、前記半導体レーザの光発振周波数が変動するときに、前記フィルタが、前記光発振周波数の変動に伴い、前記帰還光の強度を変動させ、前記帰還光が、前記光発振周波数の変動と逆方向に前記光発振周波数を変化させ、前記半導体光増幅器が、前記半導体レーザの出力光と前記帰還光とを増幅することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problems, the narrow linewidth laser according to the present invention comprises a semiconductor laser, a semiconductor optical amplifier, and an optical filter, and the output light of the semiconductor laser is input to the semiconductor laser as feedback light via the semiconductor optical amplifier and the optical filter, and when the optical oscillation frequency of the semiconductor laser fluctuates, the filter fluctuates the intensity of the feedback light in accordance with the fluctuation of the optical oscillation frequency, the feedback light changes the optical oscillation frequency in the opposite direction to the fluctuation of the optical oscillation frequency, and the semiconductor optical amplifier amplifies the output light of the semiconductor laser and the feedback light.

本発明によれば、半導体レーザのスペクトル線幅を低減する小型の狭線幅レーザを提供できる。 The present invention provides a small, narrow-linewidth laser that reduces the spectral linewidth of a semiconductor laser.

図1は、本発明の第1の実施の形態に係る狭線幅レーザの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a narrow linewidth laser according to a first embodiment of the present invention. 図2は、本発明の第1の実施の形態に係る狭線幅レーザの効果を説明するための図である。FIG. 2 is a diagram for explaining the effect of the narrow linewidth laser according to the first embodiment of the present invention. 図3は、本発明の第2の実施の形態に係る狭線幅レーザの構成を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the configuration of a narrow linewidth laser according to a second embodiment of the present invention. 図4は、本発明の第2の実施の形態に係る狭線幅レーザの効果を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the effect of the narrow linewidth laser according to the second embodiment of the present invention. 図5は、本発明の第3の実施の形態に係る狭線幅レーザの構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing the configuration of a narrow linewidth laser according to a third embodiment of the present invention. 図6は、本発明の第3の実施の形態に係る狭線幅レーザの効果を説明するための図である。FIG. 6 is a diagram for explaining the effect of the narrow linewidth laser according to the third embodiment of the present invention. 図7は、本発明の第4の実施の形態に係る狭線幅レーザの構成を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the configuration of a narrow linewidth laser according to a fourth embodiment of the present invention.

<第1の実施の形態>
本発明の第1の実施の形態に係る狭線幅レーザについて、図1、図2を参照して説明する。
First Embodiment
A narrow linewidth laser according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<狭線幅レーザの構成>
本実施の形態に係る狭線幅レーザ10は、図1に示すように、半導体レーザ1と、第1のレンズ2_1と、第2のレンズ2_2と、光フィルタ3と、半導体光増幅器4とを備える。
<Configuration of narrow linewidth laser>
As shown in FIG. 1, a narrow linewidth laser 10 according to this embodiment includes a semiconductor laser 1, a first lens 2_1, a second lens 2_2, an optical filter 3, and a semiconductor optical amplifier 4.

狭線幅レーザ10において、半導体レーザ1と、第2のレンズ2_2と、半導体光増幅器4と、第1のレンズ2_1と、光フィルタ3とが、順に配置される。 In the narrow linewidth laser 10, a semiconductor laser 1, a second lens 2_2, a semiconductor optical amplifier 4, a first lens 2_1, and an optical filter 3 are arranged in this order.

半導体レーザ1の出力光が、第2のレンズ2_2を介して、半導体光増幅器4で増幅され、第1のレンズ2_1を介して、光フィルタ3に入力する。光フィルタ3の出力光(反射光)は、第1のレンズ2_1を介して、半導体光増幅器4で増幅され、第2のレンズ2_2を介して、半導体レーザ1に帰還する(入力する)。 The output light of the semiconductor laser 1 is amplified by the semiconductor optical amplifier 4 via the second lens 2_2, and input to the optical filter 3 via the first lens 2_1. The output light (reflected light) of the optical filter 3 is amplified by the semiconductor optical amplifier 4 via the first lens 2_1, and is fed back (input) to the semiconductor laser 1 via the second lens 2_2.

半導体レーザ1は、共振器長が350μmの分布帰還型(Distributed Feedback、DFB)単一モード半導体レーザである。 The semiconductor laser 1 is a distributed feedback (DFB) single-mode semiconductor laser with a resonator length of 350 μm.

光フィルタ3は、厚さ4mmの光学ガラス製ファブリペロエタロンである。光フィルタ3は、対向する端面に反射膜を有し、反射膜の間隔と光の波長で決まる光周波数間隔に応じて、透過光強度や反射光強度を周期的に変化させる。 The optical filter 3 is a Fabry-Perot etalon made of optical glass with a thickness of 4 mm. The optical filter 3 has reflective films on the opposing end faces, and periodically changes the transmitted light intensity and reflected light intensity according to the optical frequency interval determined by the spacing of the reflective films and the wavelength of the light.

半導体光増幅器4は、素子長150μmの半導体光増幅器である。 The semiconductor optical amplifier 4 is a semiconductor optical amplifier with an element length of 150 μm.

<狭線幅レーザの動作>
本実施の形態に係る狭線幅レーザ10の動作を説明する。
<Operation of Narrow Linewidth Laser>
The operation of the narrow linewidth laser 10 according to the present embodiment will be described.

まず、狭線幅レーザ10の動作における負帰還作用を説明する。例えば、狭線幅レーザ10における光フィルタ3の動作点が、半導体レーザ1の光発振周波数が増加に伴い、反射光の強度が増加するように設定される。この設定において、半導体レーザ1の光発振周波数が増加し、光フィルタ3に入力する光の光発振周波数が増加すると、反射光の強度が増加する。 First, the negative feedback effect in the operation of the narrow linewidth laser 10 will be described. For example, the operating point of the optical filter 3 in the narrow linewidth laser 10 is set so that the intensity of the reflected light increases as the optical oscillation frequency of the semiconductor laser 1 increases. In this setting, when the optical oscillation frequency of the semiconductor laser 1 increases and the optical oscillation frequency of the light input to the optical filter 3 increases, the intensity of the reflected light increases.

このように、半導体レーザ1に帰還する光(反射光)の強度が増加し、半導体利得媒質中の光が誘導放出により増幅される。このとき、半導体レーザ1の半導体利得媒質中のキャリア(電子、正孔)が消費され、キャリア密度が減少する。 In this way, the intensity of the light (reflected light) returning to the semiconductor laser 1 increases, and the light in the semiconductor gain medium is amplified by stimulated emission. At this time, the carriers (electrons, holes) in the semiconductor gain medium of the semiconductor laser 1 are consumed, and the carrier density decreases.

その結果、キャリア・プラズマ効果により、半導体利得媒質の屈折率が増加し、半導体レーザ1の光共振器の光学的実効長が増加するので、発振波長が増加し、光発振周波数は減少する。このように、半導体レーザ1の光発振周波数の変動(増加)に対して、逆の変化(減少)が生じる。すなわち、光発振周波数の変動(増加)が抑制される。 As a result, the carrier plasma effect increases the refractive index of the semiconductor gain medium and increases the optical effective length of the optical resonator of the semiconductor laser 1, so that the oscillation wavelength increases and the optical oscillation frequency decreases. In this way, an inverse change (decrease) occurs in response to a fluctuation (increase) in the optical oscillation frequency of the semiconductor laser 1. In other words, the fluctuation (increase) in the optical oscillation frequency is suppressed.

ここで、半導体レーザ1の出力光は、半導体光増幅器4で増幅され光フィルタ3に入力する。そこで、入力光の強度の増加により、光フィルタ3の反射光の強度は増加する。 Here, the output light of the semiconductor laser 1 is amplified by the semiconductor optical amplifier 4 and input to the optical filter 3. As the intensity of the input light increases, the intensity of the reflected light of the optical filter 3 also increases.

また、光フィルタ3から半導体レーザ1に帰還する光(帰還光)は半導体光増幅器4により増幅される。 In addition, the light returning from the optical filter 3 to the semiconductor laser 1 (feedback light) is amplified by the semiconductor optical amplifier 4.

このように、半導体光増幅器4により、半導体レーザ1と光フィルタ3との間の結合損失は補償され、結合効率は向上する。 In this way, the semiconductor optical amplifier 4 compensates for the coupling loss between the semiconductor laser 1 and the optical filter 3, improving the coupling efficiency.

その結果、従来の狭線幅レーザに比べて、キャリア・プラズマ効果により半導体レーザ1の光発振周波数の変動(例えば、増加)に対して生じる逆の変化(例えば、減少)が増加する。したがって、従来の狭線幅レーザより効果的に光発振周波数の変動(増加)を抑制できる。 As a result, compared to conventional narrow-linewidth lasers, the carrier-plasma effect increases the opposite change (e.g., decrease) that occurs in response to a fluctuation (e.g., increase) in the optical oscillation frequency of the semiconductor laser 1. Therefore, the fluctuation (increase) in the optical oscillation frequency can be suppressed more effectively than in conventional narrow-linewidth lasers.

一方、半導体レーザ1の光発振周波数が減少する場合には、上述と逆の作用により、光発振周波数が増加し、従来の狭線幅レーザより効果的に光発振周波数の変動(減少)が抑制される。 On the other hand, when the optical oscillation frequency of the semiconductor laser 1 decreases, the optical oscillation frequency increases due to the opposite effect to that described above, and fluctuations (decrease) in the optical oscillation frequency are suppressed more effectively than in conventional narrow linewidth lasers.

このように、光フィルタから半導体光増幅器を介して帰還する光が、半導体レーザにおける光発振周波数の変動と逆方向にこの光発振周波数を変化させる。 In this way, the light returning from the optical filter through the semiconductor optical amplifier changes the optical oscillation frequency in the semiconductor laser in the opposite direction to the fluctuation of the optical oscillation frequency.

以上のように、半導体レーザ1の光発振周波数が変動する場合に、光フィルタ3からの反射光による光の負帰還作用が生じ、光発振周波数の変動がより効果的に抑制される。したがって、半導体レーザ1のスペクトルをより効果的に狭線幅化できる。 As described above, when the optical oscillation frequency of the semiconductor laser 1 fluctuates, a negative optical feedback effect occurs due to the reflected light from the optical filter 3, and the fluctuation of the optical oscillation frequency is more effectively suppressed. Therefore, the spectrum of the semiconductor laser 1 can be more effectively narrowed in linewidth.

<狭線幅レーザの効果>
図2に、狭線幅レーザ10の発振スペクトル線幅の半導体光増幅器4へのバイアス電流依存性を示す。
<Effects of narrow linewidth laser>
FIG. 2 shows the dependence of the oscillation spectral linewidth of the narrow linewidth laser 10 on the bias current to the semiconductor optical amplifier 4. As shown in FIG.

比較として、半導体レーザ1の単体での発振スペクトル線幅は10MHzである。また、半導体レーザとレンズと光フィルタからなる従来構造(半導体増幅器を有さない構造)における発振スペクトル線幅は3kHzである。 For comparison, the oscillation spectrum linewidth of the semiconductor laser 1 alone is 10 MHz. In addition, the oscillation spectrum linewidth of a conventional structure consisting of a semiconductor laser, a lens, and an optical filter (a structure without a semiconductor amplifier) is 3 kHz.

図2より、狭線幅レーザ10において、バイアス電流が0mAのとき、発振スペクトル線幅は10MHzである。このとき、光が半導体光増幅器4を透過しないので、半導体レーザ1の単体での発振スペクトル線幅に相当する。 As can be seen from FIG. 2, in the narrow linewidth laser 10, when the bias current is 0 mA, the oscillation spectral linewidth is 10 MHz. At this time, since the light does not pass through the semiconductor optical amplifier 4, this corresponds to the oscillation spectral linewidth of the semiconductor laser 1 alone.

バイアス電流を6mA以上に増加するとスペクトル線幅が減少し、バイアス電流を13mAとしたときに500Hz以下に低減できる。 Increasing the bias current to 6mA or more reduces the spectral linewidth, and at a bias current of 13mA it can be reduced to below 500Hz.

ここで、半導体レーザ1とファブリペロエタロン3との光学的な結合効率は、従来構造において0.4程度であり、狭線幅レーザ10において1以上に増加される。 Here, the optical coupling efficiency between the semiconductor laser 1 and the Fabry-Perot etalon 3 is about 0.4 in the conventional structure, but is increased to 1 or more in the narrow linewidth laser 10.

このように、本実施の形態に係る狭線幅レーザによれば、半導体レーザと光フィルタとの光学的な結合を向上でき、半導体レーザのスペクトルをより効果的に狭線幅化できる。 In this way, the narrow linewidth laser according to this embodiment can improve the optical coupling between the semiconductor laser and the optical filter, and can more effectively narrow the linewidth of the semiconductor laser spectrum.

<第2の実施の形態>
本発明の第2の実施の形態に係る狭線幅レーザについて、図3、図4を参照して説明する。
Second Embodiment
A narrow linewidth laser according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<狭線幅レーザの構成>
本実施の形態に係る狭線幅レーザ20は、図3に示すように、半導体レーザ1と、第1のレンズ2_1と、光フィルタ3と、半導体光増幅器4とを備える。
<Configuration of narrow linewidth laser>
As shown in FIG. 3, the narrow linewidth laser 20 according to this embodiment includes a semiconductor laser 1, a first lens 2_1, an optical filter 3, and a semiconductor optical amplifier 4.

狭線幅レーザ20において、半導体レーザ1と半導体光増幅器4とがモノリシック集積され、第1のレンズ2_1と、光フィルタ3とが、順に配置される。 In the narrow linewidth laser 20, the semiconductor laser 1 and the semiconductor optical amplifier 4 are monolithically integrated, and the first lens 2_1 and the optical filter 3 are arranged in that order.

このように、狭線幅レーザ20は、第1の実施の形態と、半導体レーザ1と半導体光増幅器4とがモノリシック集積され、第2のレンズ2_2を備えない点で異なり、他の点で略同様である。 Thus, the narrow linewidth laser 20 differs from the first embodiment in that the semiconductor laser 1 and the semiconductor optical amplifier 4 are monolithically integrated and do not include the second lens 2_2, but is otherwise substantially similar.

また、本実施の形態に係る狭線幅レーザ20は、第1の実施の形態と同様に動作する。 In addition, the narrow linewidth laser 20 according to this embodiment operates in the same manner as the first embodiment.

<狭線幅レーザの効果>
図4に、狭線幅レーザ20の発振スペクトル線幅の半導体光増幅器4へのバイアス電流依存性を示す。
<Effects of narrow linewidth laser>
FIG. 4 shows the dependence of the oscillation spectral linewidth of the narrow linewidth laser 20 on the bias current to the semiconductor optical amplifier 4. As shown in FIG.

バイアス電流が0mAのときのスペクトル線幅は10MHzである。バイアス電流を2mA以上に増加するとスペクトル線幅が減少し、バイアス電流を9mAとしたときに500Hz程度に低減できる。 The spectral linewidth is 10 MHz when the bias current is 0 mA. Increasing the bias current to 2 mA or more reduces the spectral linewidth, and can be reduced to around 500 Hz when the bias current is 9 mA.

このように、本実施の形態に係る狭線幅レーザによれば、半導体レーザと光フィルタとの光学的な結合を向上でき、半導体レーザのスペクトルをより効果的に狭線幅化できる。 In this way, the narrow linewidth laser according to this embodiment can improve the optical coupling between the semiconductor laser and the optical filter, and can more effectively narrow the linewidth of the semiconductor laser spectrum.

<第3の実施の形態>
本発明の第3の実施の形態に係る狭線幅レーザについて、図5、図6を参照して説明する。
Third Embodiment
A narrow linewidth laser according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

<狭線幅レーザの構成>
本実施の形態に係る狭線幅レーザ30は、図5に示すように、半導体レーザ1と光フィルタ31とを備える。半導体レーザ1と光フィルタ31とが、ハイブリッド集積される。
<Configuration of narrow linewidth laser>
5, a narrow linewidth laser 30 according to the present embodiment includes a semiconductor laser 1 and an optical filter 31. The semiconductor laser 1 and the optical filter 31 are hybrid-integrated.

半導体レーザ1は、共振器長350μmの分布帰還型(Distributed Feedback, DFB)単一モード半導体レーザである。 The semiconductor laser 1 is a distributed feedback (DFB) single-mode semiconductor laser with a resonator length of 350 μm.

光フィルタ31は、入出力光導波路32と、ループ導波路33と、ループ導波路33と結合するリング共振器34と、第1の半導体光増幅器4_1と、第2の半導体光増幅器4_2とを備える。 The optical filter 31 includes an input/output optical waveguide 32, a loop waveguide 33, a ring resonator 34 coupled to the loop waveguide 33, a first semiconductor optical amplifier 4_1, and a second semiconductor optical amplifier 4_2.

光フィルタ31には、例えばSiコアとSiO2クラッドからなるSi導波路を用いる。Si導波路はコアとクラッドの屈折率差が大きいため急峻な曲げを可能とし、小型、高集積に適している。光フィルタ31に用いる導波路構造の幅は400nmであり、導波路コアの層厚は220nmである。 The optical filter 31 uses, for example, a Si waveguide consisting of a Si core and SiO2 cladding. The Si waveguide allows for sharp bending due to the large difference in refractive index between the core and cladding, making it suitable for small size and high integration. The width of the waveguide structure used in the optical filter 31 is 400 nm, and the layer thickness of the waveguide core is 220 nm.

光フィルタ31におけるループ導波路33は、半導体レーザ1から入射した光が、リング共振器34と結合して、半導体レーザ1に帰還する構成であればよく、その構成の上面形状が角が湾曲する多角形でもよい。または、上面形状は円や楕円でもよい。ループ導波路33は、上面形状が円形であれば、半径が20μm程度の大きさである。 The loop waveguide 33 in the optical filter 31 may have a configuration in which the light incident from the semiconductor laser 1 is coupled with the ring resonator 34 and fed back to the semiconductor laser 1, and the top surface shape of the configuration may be a polygon with curved corners. Alternatively, the top surface shape may be a circle or an ellipse. If the top surface shape of the loop waveguide 33 is circular, the radius is about 20 μm.

光フィルタ31におけるリング共振器34は、ループ導波路33から結合して入射した光が周回する構造であればよく、図5に示すように、上面形状が円形でもよい。または、上面形状は楕円や多角形でもよい。リング共振器34は、上面形状が円形であれば、半径が210μm程度の大きさである。 The ring resonator 34 in the optical filter 31 may have any structure in which the light coupled from the loop waveguide 33 circulates, and may have a circular top surface shape as shown in FIG. 5. Alternatively, the top surface shape may be an ellipse or a polygon. If the top surface shape of the ring resonator 34 is circular, the radius of the ring resonator 34 is about 210 μm.

ループ導波路33とリング共振器34との間の空隙は、50μmであり、光結合できる長さであればよい。 The gap between the loop waveguide 33 and the ring resonator 34 is 50 μm, and the length is sufficient to allow optical coupling.

半導体レーザ1と光フィルタ31はバットカップリング(突合結合)される。 The semiconductor laser 1 and the optical filter 31 are butt-coupled.

第1の半導体光増幅器4_1が、光フィルタ31の特性を向上させるために、リング共振器34に集積される(後述)。第1の半導体光増幅器4_1の素子長は100μmである。 The first semiconductor optical amplifier 4_1 is integrated into the ring resonator 34 to improve the characteristics of the optical filter 31 (described later). The element length of the first semiconductor optical amplifier 4_1 is 100 μm.

また、第2の半導体光増幅器4_2は、このバットカップリングによる結合損失を補償するために、入出力光導波路32に集積される。第2の半導体光増幅器4_2の素子長は100μmである。 The second semiconductor optical amplifier 4_2 is integrated into the input/output optical waveguide 32 to compensate for the coupling loss caused by this butt coupling. The element length of the second semiconductor optical amplifier 4_2 is 100 μm.

半導体レーザ1から光フィルタ31に入力した光は、Siリング光導波路11へ結合し、多重干渉した後に再度Si入出力光導波路12へ結合して単一モード半導体レーザ1へ帰還される。 The light input from the semiconductor laser 1 to the optical filter 31 is coupled to the Si ring optical waveguide 11, undergoes multiple interference, and then is coupled again to the Si input/output optical waveguide 12 and fed back to the single mode semiconductor laser 1.

本実施の形態に係る狭線幅レーザ30の動作原理は、第1の実施の形態と同様である。 The operating principle of the narrow linewidth laser 30 in this embodiment is the same as in the first embodiment.

例えば、半導体レーザ1の発振周波数が増加する場合は、リング共振器34によって振幅の増加に変化し、帰還光(反射光)の振幅を増加させる。帰還光(反射光)が増加すると、半導体レーザ1のキャリア密度が減少するので、キャリア・プラズマ効果により、光発振周波数は減少し、光発振周波数の変動(増加)が抑制される。 For example, when the oscillation frequency of the semiconductor laser 1 increases, the ring resonator 34 changes the amplitude to an increase, increasing the amplitude of the feedback light (reflected light). When the feedback light (reflected light) increases, the carrier density of the semiconductor laser 1 decreases, and the optical oscillation frequency decreases due to the carrier plasma effect, suppressing fluctuations (increases) in the optical oscillation frequency.

ここで、第1の半導体光増幅器4_1により、リング共振器34における伝搬損失を低減して光フィルタ31の特性を向上させて、帰還光の電界振幅を増加できる。 Here, the first semiconductor optical amplifier 4_1 reduces the propagation loss in the ring resonator 34, improving the characteristics of the optical filter 31 and increasing the electric field amplitude of the feedback light.

また、第2の半導体光増幅器4_2により、半導体レーザ1と光フィルタ31との結合効率が向上する。その結果、半導体レーザ1への帰還光が増幅される。 In addition, the second semiconductor optical amplifier 4_2 improves the coupling efficiency between the semiconductor laser 1 and the optical filter 31. As a result, the feedback light to the semiconductor laser 1 is amplified.

このように、半導体レーザ1の光発振周波数が変動する場合に、光フィルタ31からの反射光による光の負帰還作用が生じ、光発振周波数の変動がより効果的に抑制される。したがって、半導体レーザ1のスペクトルをより効果的に狭線幅化できる。 In this way, when the optical oscillation frequency of the semiconductor laser 1 fluctuates, a negative optical feedback effect occurs due to the reflected light from the optical filter 31, and the fluctuation of the optical oscillation frequency is more effectively suppressed. Therefore, the spectrum of the semiconductor laser 1 can be more effectively narrowed in linewidth.

<狭線幅レーザの効果>
図6に、狭線幅レーザ30における光フィルタ31の周波数弁別特性の伝搬損失量依存性を示す。ここで、周波数弁別特性は、光周波数変化によって電界反射係数(帰還光電界振幅)が変化する特性である。また、フリースペクトルレンジ(free spectral range:FSR)は50GHzである。
<Effects of narrow linewidth laser>
6 shows the propagation loss dependence of the frequency discrimination characteristic of the optical filter 31 in the narrow linewidth laser 30. Here, the frequency discrimination characteristic is a characteristic in which the electric field reflection coefficient (the amplitude of the feedback optical field) changes with the change in optical frequency. The free spectral range (FSR) is 50 GHz.

周波数弁別効率は、伝搬損失量の増加に伴い減少する。したがって、リング光導波路11の伝搬損失を低減することにより、周波数弁別効率を増加でき、すなわち帰還光の電界振幅を増加できるので、発振スペクトル線幅を低減できる。 The frequency discrimination efficiency decreases as the amount of propagation loss increases. Therefore, by reducing the propagation loss of the ring optical waveguide 11, the frequency discrimination efficiency can be increased, i.e., the electric field amplitude of the feedback light can be increased, thereby reducing the oscillation spectral linewidth.

第1の半導体光増幅器4_1をリング共振器34内に配置することにより、この伝搬損失を補償できる。ここで、半導体光増幅器を有さないリング共振器34に結合した光は、Siリング光導波路内で多重干渉するが、導波路伝搬損失により減衰し、フィルタ特性が劣化する。ここで、光導波路の伝搬損失は0.83[1/cm]程度である。一方、第1の半導体光増幅器4_1を有するリング共振器34の伝搬損失は、0.05[1/cm]である。 By placing the first semiconductor optical amplifier 4_1 in the ring resonator 34, this propagation loss can be compensated for. Here, the light coupled to the ring resonator 34 without the semiconductor optical amplifier undergoes multiple interference in the Si ring optical waveguide, but is attenuated due to the waveguide propagation loss, and the filter characteristics deteriorate. Here, the propagation loss of the optical waveguide is about 0.83 [1/cm]. On the other hand, the propagation loss of the ring resonator 34 with the first semiconductor optical amplifier 4_1 is 0.05 [1/cm].

図6より、第1の半導体光増幅器4_1により伝搬損失を0.83[1/cm]から0.05[1/cm]に低減することにより、周波数弁別効率が0.2[1/GHz]から3.8[1/GHz]まで16倍程度に増加できる。 As can be seen from FIG. 6, by using the first semiconductor optical amplifier 4_1 to reduce the propagation loss from 0.83 [1/cm] to 0.05 [1/cm], the frequency discrimination efficiency can be increased by about 16 times, from 0.2 [1/GHz] to 3.8 [1/GHz].

このように、第1の半導体光増幅器4_1により、リング共振器34における伝搬損失を低減して光フィルタ31の特性を向上できる。 In this way, the first semiconductor optical amplifier 4_1 can reduce the propagation loss in the ring resonator 34 and improve the characteristics of the optical filter 31.

その結果、この第1の半導体光増幅器4_1による光フィルタ31の特性の向上に加えて、第2の半導体光増幅器4_2による半導体レーザ1と光フィルタ31との結合効率の向上により、半導体レーザ1の発振スペクトル線幅を低減できる。従来の構成の半導体レーザ(単一モード半導体レーザ1単体)の発振スペクトル線幅10MHzである。一方、狭線幅レーザ30によれば、発振スペクトル線幅を1kHzに低減できる。 As a result, in addition to the improvement in the characteristics of the optical filter 31 by the first semiconductor optical amplifier 4_1, the coupling efficiency between the semiconductor laser 1 and the optical filter 31 by the second semiconductor optical amplifier 4_2 is improved, so that the oscillation spectral linewidth of the semiconductor laser 1 can be reduced. The oscillation spectral linewidth of a conventional semiconductor laser (single mode semiconductor laser 1 alone) is 10 MHz. On the other hand, the narrow linewidth laser 30 can reduce the oscillation spectral linewidth to 1 kHz.

本実施の形態に係る狭線幅レーザによれば、半導体レーザのスペクトルをより効果的に狭線幅化できるとともに、第1の実施の形態および第2の実施の形態による狭線幅レーザに比べて素子を小型化できる。 The narrow linewidth laser according to this embodiment can more effectively narrow the spectrum of the semiconductor laser, and the element can be made smaller than the narrow linewidth lasers according to the first and second embodiments.

本実施の形態では、第2の半導体光増幅器を入出力光導波路に配置する例を示したが、第2の半導体光増幅器をループ導波路に配置してもよい。 In this embodiment, an example is shown in which the second semiconductor optical amplifier is disposed in the input/output optical waveguide, but the second semiconductor optical amplifier may also be disposed in the loop waveguide.

<第4の実施の形態>
本発明の第4の実施の形態に係る狭線幅レーザについて、図7を参照して説明する。
<Fourth embodiment>
A narrow linewidth laser according to a fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

<狭線幅レーザの構成>
本実施の形態に係る狭線幅レーザ40は、図7に示すように、半導体レーザ1と半導体光増幅器4と光フィルタ41とを備える。半導体レーザ1と半導体光増幅器4と光フィルタ41とが、ハイブリッド集積される。
<Configuration of narrow linewidth laser>
7, a narrow linewidth laser 40 according to this embodiment includes a semiconductor laser 1, a semiconductor optical amplifier 4, and an optical filter 41. The semiconductor laser 1, the semiconductor optical amplifier 4, and the optical filter 41 are hybrid-integrated.

半導体レーザ1は、共振器長350μmの分布帰還型(Distributed Feedback, DFB)単一モード半導体レーザである。 The semiconductor laser 1 is a distributed feedback (DFB) single-mode semiconductor laser with a resonator length of 350 μm.

光フィルタ41は、入出力光導波路32と、ループ導波路33と、ループ導波路33と結合するリング共振器34と、第1の半導体光増幅器4_1とを備える。光フィルタ41は、第3の実施の形態と、第2の半導体光増幅器4_2を備えない点が異なり、他の構成は同様である。 The optical filter 41 includes an input/output optical waveguide 32, a loop waveguide 33, a ring resonator 34 coupled to the loop waveguide 33, and a first semiconductor optical amplifier 4_1. The optical filter 41 differs from the third embodiment in that it does not include a second semiconductor optical amplifier 4_2, but is otherwise similar in configuration.

本実施の形態に係る狭線幅レーザ40の動作原理は、第3の実施の形態と略同様である。 The operating principle of the narrow linewidth laser 40 in this embodiment is substantially the same as that in the third embodiment.

また、狭線幅レーザ40において、第3の実施の形態における第2の半導体光増幅器4_2に代えて、半導体光増幅器4を配置することにより、第3の実施の形態と同様の効果を奏する。 In addition, in the narrow linewidth laser 40, by placing a semiconductor optical amplifier 4 instead of the second semiconductor optical amplifier 4_2 in the third embodiment, the same effect as in the third embodiment is achieved.

本実施の形態に係る狭線幅レーザによれば、半導体レーザのスペクトルをより効果的に狭線幅化できるとともに、第1の実施の形態および第2の実施の形態による狭線幅レーザに比べて素子を小型化できる。 The narrow linewidth laser according to this embodiment can more effectively narrow the linewidth of the semiconductor laser spectrum, and the element can be made smaller than the narrow linewidth lasers according to the first and second embodiments.

第3および第4の実施の形態では、第1の半導体光増幅器と、第2の半導体光増幅器とを用いる例を示したが、第1の半導体光増幅器と第2の半導体光増幅器とのいずれか一方を用いても半導体レーザの光発振周波数の変動を抑制でき、半導体レーザのスペクトルを効果的に狭線幅化できる。 In the third and fourth embodiments, examples using a first semiconductor optical amplifier and a second semiconductor optical amplifier are shown, but even if either the first or second semiconductor optical amplifier is used, the fluctuation of the optical oscillation frequency of the semiconductor laser can be suppressed and the linewidth of the spectrum of the semiconductor laser can be effectively narrowed.

また、複数の半導体光増幅器を、光フィルタにおける入出力光導波路と、ループ導波路と、リング共振器との少なくともいずれかに配置してもよい。 In addition, multiple semiconductor optical amplifiers may be arranged in at least one of the input/output optical waveguide, the loop waveguide, and the ring resonator in the optical filter.

第3および第4の実施の形態では光導波路を構成する材料をSiとしたが、SiN、あるいはInPやGaAs等の半導体材料を用いることで構成できることは自明である。また、光導波路を構成する材料としてInPを用い、InP系化合物半導体を材料とする単一モード半導体レーザとモノリシック集積した光源構成でも本光源が実現できることも自明である。 In the third and fourth embodiments, the material constituting the optical waveguide is Si, but it is self-evident that it can be constructed using semiconductor materials such as SiN, InP, and GaAs. It is also self-evident that this light source can be realized by using InP as the material constituting the optical waveguide and monolithically integrating it with a single-mode semiconductor laser made of an InP-based compound semiconductor.

第3および第4の実施の形態では、光フィルタにおける入出力光導波路と、ループ導波路と、リング共振器と、半導体光増幅器がSiを基板として同一基板上に集積される例を示したが、基板はSiに限らず、InPやGaAs等の半導体基板やガラス基板でもよい。InP基板を用いれば、上述の光フィルタの構成を同一基板上にモノリシック集積でき、半導体レーザもモノリシック集積できる。 In the third and fourth embodiments, an example was shown in which the input/output optical waveguide, loop waveguide, ring resonator, and semiconductor optical amplifier in the optical filter are integrated on the same substrate using Si as the substrate, but the substrate is not limited to Si and may be a semiconductor substrate such as InP or GaAs, or a glass substrate. If an InP substrate is used, the configuration of the optical filter described above can be monolithically integrated on the same substrate, and a semiconductor laser can also be monolithically integrated.

本発明の実施の形態では、半導体レーザに分布帰還型(Distributed Feedback, DFB)レーザを用いる例を示したが、これに限らず、分布反射型(Distributed Bragg Reflector: DBR )レーザなどを用いてもよく、単一モード半導体レーザであればよい。また、材料にはInP系化合物半導体を用いることができ、発振波長に応じて、InP系、GaN系化合物半導体などの他の材料を用いてもよい。 In the embodiment of the present invention, an example is shown in which a distributed feedback (DFB) laser is used as the semiconductor laser, but this is not limiting, and a distributed bragg reflector (DBR) laser or the like may also be used, as long as it is a single mode semiconductor laser. InP-based compound semiconductors can be used as the material, and other materials such as InP-based and GaN-based compound semiconductors may also be used depending on the oscillation wavelength.

本発明の実施の形態では、半導体光増幅器の材料にInP系化合物半導体を用いることができ、発振波長に応じて、InP系、GaN系化合物半導体などの他の材料を用いてもよい。また、希土類ドープされたSiを用いることもできる。 In an embodiment of the present invention, an InP-based compound semiconductor can be used as the material for the semiconductor optical amplifier, and other materials such as InP-based and GaN-based compound semiconductors may also be used depending on the oscillation wavelength. Rare earth-doped Si can also be used.

本発明の実施の形態では、狭線幅レーザの構成などにおいて、各構成部の構造、寸法、材料等の一例を示したが、これに限らない。狭線幅レーザの機能を発揮し効果を奏するものであればよい。 In the embodiment of the present invention, examples of the structure, dimensions, materials, etc. of each component in the configuration of the narrow linewidth laser are shown, but the present invention is not limited to these. Anything that can exert the function and effect of the narrow linewidth laser can be used.

本発明は、光通信システム、デジタル光コヒーレントシステムや、光計測システムに適用することができる。 The present invention can be applied to optical communication systems, digital optical coherent systems, and optical measurement systems.

1 半導体レーザ
2_1、2_2 レンズ
3 光フィルタ
4 半導体光増幅器
10 狭線幅レーザ
1 Semiconductor laser 2_1, 2_2 Lens 3 Optical filter 4 Semiconductor optical amplifier 10 Narrow linewidth laser

Claims (7)

半導体レーザと、
半導体光増幅器と、
光フィルタと
を備え、
前記半導体レーザの出力光が、前記半導体光増幅器と前記光フィルタとを介して、当該半導体レーザに帰還光として入力し、
前記半導体レーザの光発振周波数が変動するときに、前記光フィルタが、前記光発振周波数の変動に伴い、前記帰還光の強度を変動させ、
前記帰還光が、前記光発振周波数の変動と逆方向に前記光発振周波数を変化させ、
前記半導体光増幅器が、前記半導体レーザの出力光と前記帰還光とを増幅する
ことを特徴とする狭線幅レーザ。
A semiconductor laser;
A semiconductor optical amplifier;
An optical filter;
output light of the semiconductor laser is input to the semiconductor laser as feedback light via the semiconductor optical amplifier and the optical filter;
when the optical oscillation frequency of the semiconductor laser fluctuates, the optical filter fluctuates the intensity of the feedback light in accordance with the fluctuation of the optical oscillation frequency;
the feedback light changes the optical oscillation frequency in a direction opposite to the fluctuation of the optical oscillation frequency;
a semiconductor optical amplifier for amplifying an output light of the semiconductor laser and a feedback light,
レンズを、前記半導体光増幅器と前記光フィルタとの間に備え、
前記光フィルタが、ファブリペロエタロンである
ことを特徴とする請求項1に記載の狭線幅レーザ。
a lens is provided between the semiconductor optical amplifier and the optical filter;
2. The narrow linewidth laser of claim 1, wherein the optical filter is a Fabry-Perot etalon.
前記光フィルタが、入出力光導波路と、前記入出力光導波路に接続するループ導波路と、前記ループ導波路と結合するリング共振器と
を備える請求項1に記載の狭線幅レーザ。
2. The narrow linewidth laser according to claim 1, wherein the optical filter comprises: an input/output optical waveguide; a loop waveguide connected to the input/output optical waveguide; and a ring resonator coupled to the loop waveguide.
前記光フィルタにおける前記入出力光導波路と、前記ループ導波路と、前記リング共振器との少なくともいずれかに、前記半導体光増幅器
を備える請求項3に記載の狭線幅レーザ。
4. The narrow linewidth laser according to claim 3, wherein the semiconductor optical amplifier is provided in at least one of the input/output optical waveguide, the loop waveguide, and the ring resonator in the optical filter.
前記光フィルタにおける前記入出力光導波路と、前記ループ導波路との少なくともいずれかに配置される前記半導体光増幅器と、
前記光フィルタにおける前記リング共振器に配置される他の半導体光増幅器と
を備える請求項3に記載の狭線幅レーザ。
the semiconductor optical amplifier disposed in at least one of the input/output optical waveguide and the loop waveguide in the optical filter;
and another semiconductor optical amplifier disposed in the ring resonator in the optical filter.
前記半導体レーザと、前記光フィルタとの間に配置される前記半導体光増幅器と、
前記光フィルタにおける前記リング共振器に配置される他の半導体光増幅器と
を備える請求項3に記載の狭線幅レーザ。
the semiconductor optical amplifier disposed between the semiconductor laser and the optical filter;
and another semiconductor optical amplifier disposed in the ring resonator in the optical filter.
前記光フィルタが、同一基板上に形成される
ことを特徴とする請求項3から請求項6のいずれか一項に記載の狭線幅レーザ。
7. The narrow linewidth laser according to claim 3, wherein the optical filter is formed on the same substrate.
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