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JP7524973B2 - Optical Devices - Google Patents
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Description

本発明は、半導体レーザによる光デバイスに関する。 The present invention relates to optical devices using semiconductor lasers.

近年データセンタにおけるデータトラフィックは、スマートフォンやクラウドサービスの普及とともに年々増大している。このデータトラフィックを支えるためには、光送信器の小型化、低消費電力化、低コスト化が重要となる。代表的な光送信器である半導体レーザは、大容量の信号を長距離に渡って伝送可能である。情報通信システムに用いられる半導体レーザには、まず、半導体レーザの外部に設けた変調器により信号を変調する外部変調レーザがある。また、情報通信システムに用いられる半導体レーザには、活性領域に注入する電流を変調させることで、直接的に出力光を変調する直接変調レーザがある。In recent years, data traffic in data centers has been increasing year by year with the spread of smartphones and cloud services. In order to support this data traffic, it is important to make optical transmitters more compact, less power-consuming, and less costly. Semiconductor lasers, a typical optical transmitter, are capable of transmitting large-capacity signals over long distances. Semiconductor lasers used in information and communication systems include externally modulated lasers, which modulate signals using a modulator installed outside the semiconductor laser. Semiconductor lasers used in information and communication systems also include directly modulated lasers, which directly modulate the output light by modulating the current injected into the active region.

直接変調レーザは、外部変調レーザに比べて、小型、低消費電力、低コストなどの特長がある。このため、直接変調レーザは、データセンタ内、データセンタ間における比較的短距離向けの情報通信システムの送信器として広く用いられている。しかしながら、直接変調レーザは、外部変調レーザと比較して変調帯域が狭いため、変調速度が遅いという問題があった。これは、高速動作のために電流注入を大きくした場合、半導体レーザ活性層の発熱によって、発光効率が低下し、また、変調帯域の増加が制限されるからである。一般的なレーザでは、内因的な帯域は、緩和振動周波数によって律速される。 Directly modulated lasers have advantages over externally modulated lasers, such as small size, low power consumption, and low cost. For this reason, directly modulated lasers are widely used as transmitters in information and communication systems for relatively short distances within and between data centers. However, directly modulated lasers have a narrower modulation band than externally modulated lasers, which means that their modulation speed is slow. This is because when the current injection is increased for high-speed operation, the heat generated in the semiconductor laser active layer reduces the light emission efficiency and limits the increase in the modulation band. In general lasers, the intrinsic band is limited by the relaxation oscillation frequency.

このような帯域制限の問題を解決するため、光子と光子の共鳴現象である光子-光子共鳴(Photon-Photon Resonance;PPR)を用いたレーザ構造が提案されている。PPRを利用した直接変調レーザにおいては、従来、応答が低下していた、緩和振動周波数よりも高い周波数領域に、新たな共鳴ピークを発現させることで、変調帯域の拡大を可能としている(非特許文献1、非特許文献2、非特許文献3)。To solve this problem of band limitation, a laser structure using photon-photon resonance (PPR), a phenomenon of photon-photon resonance, has been proposed. In a directly modulated laser using PPR, a new resonance peak is generated in a frequency region higher than the relaxation oscillation frequency, where the response has traditionally been reduced, making it possible to expand the modulation band (Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, Non-Patent Document 3).

PPRを利用した直接変調レーザでは、分布帰還型(Distributed Feedback;DFB)レーザ活性領域と、光の帰還機構を担うパッシブ導波路とが、隣接して接続された構造を有する。パッシブ導波路の一端に、レーザ活性領域が光学的に接続されている。また、パッシブ導波路の両端が反射点となる(非特許文献2,非特許文献3)。レーザ活性領域で生じるレーザ光は、パッシブ導波路による光帰還領域で形成されるファブリペロー型の共振モードと相互作用し、位相整合条件が満たされる場合にPPRが生じる。パッシブ導波路では、例えば、注入される電流による屈折率変化によって、位相を調整することで、PPRの状態を制御する。PPR周波数は、およそレーザ発振モードとファブリペロー型の共振ピークの周波数差で定義される。In a directly modulated laser using PPR, a distributed feedback (DFB) laser active region and a passive waveguide that serves as the optical feedback mechanism are connected adjacent to each other. The laser active region is optically connected to one end of the passive waveguide. Both ends of the passive waveguide are reflection points (Non-Patent Documents 2 and 3). The laser light generated in the laser active region interacts with the Fabry-Perot type resonance mode formed in the optical feedback region of the passive waveguide, and PPR occurs when the phase matching condition is satisfied. In the passive waveguide, the state of PPR is controlled by adjusting the phase, for example, by changing the refractive index due to the injected current. The PPR frequency is roughly defined as the frequency difference between the laser oscillation mode and the Fabry-Perot type resonance peak.

従って、PPRによる応答の増強が生じる周波数は、パッシブ導波路による光帰還領域の長さで規定される自由スペクトル範囲(Free Spectral Range:FSR)内に定義される。例えば、非特許文献1においては、約43GHzにおいてPPRを生じるために光帰還領域の長さは、300μmに限定されている。この比較的長い光帰還領域の位相制御には、大きな消費電力を要する。Therefore, the frequency at which the response enhancement due to PPR occurs is defined within the free spectral range (FSR) defined by the length of the optical feedback region of the passive waveguide. For example, in Non-Patent Document 1, the length of the optical feedback region is limited to 300 μm to generate PPR at approximately 43 GHz. Phase control of this relatively long optical feedback region requires a large amount of power consumption.

ここで、例えば非特許文献2においては、導波路長を135μmとし、非特許文献3においては、導波路長を120μmとしており、非特許文献1と比較して、より大きなFSRが定義されている。このような構成とすることによって、レーザ発振モードとファブリペロー型の共振ピークの周波数差で決定するPPR周波数を、より大きく定義できる。さらに、上述した構成では、FSRが大きいために波長変化に対する位相変化が緩やかになるため、注入電流変化や温度変化に対して、比較的安定した動作が実現できる。Here, for example, in Non-Patent Document 2, the waveguide length is 135 μm, and in Non-Patent Document 3, the waveguide length is 120 μm, and a larger FSR is defined compared to Non-Patent Document 1. By using such a configuration, the PPR frequency determined by the frequency difference between the laser oscillation mode and the Fabry-Perot type resonance peak can be defined larger. Furthermore, in the above-mentioned configuration, since the FSR is large, the phase change with respect to the wavelength change is gentle, and therefore, relatively stable operation can be realized with respect to the change in injection current and the change in temperature.

M. Radziunas et al., "Improving the Modulation Bandwidth in Semiconductor Lasers by Passive Feedback", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 13, no. 1, pp. 136-142, 2007.M. Radziunas et al., "Improving the Modulation Bandwidth in Semiconductor Lasers by Passive Feedback", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 13, no. 1, pp. 136-142, 2007. S. Yamaoka, et al., "239.3-Gbit/s Net Rate PAM-4 Transmission Using Directly Modulated Membrane Lasers on High-Thermal-Conductivity SiC", in Proc. ECOC’19, paper PD.2.1. ,2020.S. Yamaoka, et al., “239.3-Gbit/s Net Rate PAM-4 Transmission Using Directly Modulated Membrane Lasers on High-Thermal-Conductivity SiC”, in Proc. ECOC’19, paper PD.2.1. ,2020. Y. Matsui, et al., "Isolator-free> 67-GHz bandwidth DFB+ R laser with suppressed chirp", in Proc. OFC’20, paper Th4C. 4. , 2020.Y. Matsui, et al., “Isolator-free> 67-GHz bandwidth DFB+ R laser with suppressed chirp”, in Proc. OFC’20, paper Th4C. 4. , 2020.

しかしながら、上記の技術では、位相制御によるPPR周波数の制御は可能であるものの、PPR周波数の制御と、PPR周波数における、レーザの電気─光応答(レーザS21)応答とを同時に制御することが困難である。また、比較的短共振器で構成されるPPRを用いたレーザ(非特許文献2)においては、光出力強度を補うために、例えば、利得媒質を用いた半導体光増幅器(Semiconductor Optical Amplifier;SOA)を用いて、出力光強度を補うことが必要になるものと考えられる。However, although the above technology allows the PPR frequency to be controlled by phase control, it is difficult to simultaneously control the PPR frequency and the laser's electro-optic response (laser S21) response at the PPR frequency. Also, in a laser using PPR that is configured with a relatively short resonator (Non-Patent Document 2), it is considered necessary to compensate for the optical output intensity by using, for example, a semiconductor optical amplifier (SOA) that uses a gain medium.

これらのように、従来技術においては、PPR周波数と、この応答を決定するフィードバックされる反射光の強さおよび出力光の強さとを、独立に制御できないという問題があった。As described above, the conventional technology had the problem that it was not possible to independently control the PPR frequency and the intensity of the fed-back reflected light and the intensity of the output light, which determine this response.

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、PPR周波数と、この応答を決定するフィードバックされる反射光の強さおよび出力光の強さとが、独立に制御できるようにすることを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems, and aims to make it possible to independently control the PPR frequency and the intensity of the fed-back reflected light and output light that determine this response.

本発明に係る光デバイスは、基板の上に形成された分布帰還型のレーザ活性領域と、基板の上に形成され、レーザ活性領域の導波方向の一端に光学的に接続され、導波方向の両端に反射点が形成された、光導波路構造によるファブリペロー型の共振器構造とされたパッシブ導波路と、基板の上に形成され、パッシブ導波路の一端に光学的に接続された反射領域と、基板の上に形成され、反射領域の一端に光学的に接続された増幅領域と、基板の上に形成され、レーザ活性領域の導波方向の他端に光学的に接続されたDBR領域とを備え、パッシブ導波路のレーザ活性領域の側の幅と、パッシブ導波路のレーザ活性領域とは反対側の反射点の幅とが異なり、レーザ活性領域で生成される光の周波数と、パッシブ導波路のファブリペローモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子-光子共鳴を用いてレーザ発振させる。 The optical device according to the present invention comprises: a distributed feedback type laser active region formed on a substrate; a passive waveguide formed on the substrate and optically connected to one end of the laser active region in a waveguiding direction, with reflection points formed at both ends in the waveguiding direction, as a Fabry-Perot type resonator structure using an optical waveguide structure; a reflection region formed on the substrate and optically connected to one end of the passive waveguide; an amplification region formed on the substrate and optically connected to one end of the reflection region ; and a DBR region formed on the substrate and optically connected to the other end in the waveguiding direction of the laser active region , wherein the width of the passive waveguide on the laser active region side is different from the width of the reflection point on the passive waveguide opposite to the laser active region, and laser oscillation is caused by photon-photon resonance occurring in response to the frequency difference between the frequency of light generated in the laser active region and the frequency of the Fabry-Perot mode of the passive waveguide.

以上説明したように、本発明によれば、レーザ活性領域、パッシブ導波路に続き、反射領域および増幅領域を設けるので、PPR周波数と、この応答を決定するフィードバックされる反射光の強さおよび出力光の強さとが、独立に制御できる。As described above, according to the present invention, a reflection region and an amplification region are provided following the laser active region and passive waveguide, so that the PPR frequency and the intensity of the fed-back reflected light and the intensity of the output light, which determine this response, can be controlled independently.

図1は、本発明の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す構成図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical device according to an embodiment of the present invention. 図2は、本発明の実施の形態に係る光デバイスの構成を示す断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical device according to an embodiment of the present invention. 図3は、PPRの発生について説明する説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the occurrence of PPR. 図4は、反射領域103の長さと反射率との関係を示す特性図である。FIG. 4 is a characteristic diagram showing the relationship between the length of the reflective area 103 and the reflectance. 図5は、反射領域103の反射率を変更した場合の、各領域における光スペクトルを示す特性図である。FIG. 5 is a characteristic diagram showing the optical spectrum in each region when the reflectance of the reflective region 103 is changed. 図6は、増幅領域104で増幅された後の光スペクトルの変化を説明する説明図である。FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining the change in the optical spectrum after amplification in the amplification region 104. In FIG. 図7は、増幅領域104による増幅でPPRに関するS21応答が増大する状態を説明する説明図である。FIG. 7 is an explanatory diagram illustrating a state in which the S21 response related to PPR increases due to amplification by the amplification region 104. 図8は、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスの一部構成を示す断面図である。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a partial configuration of another optical device according to an embodiment of the present invention. 図9Aは、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスの一部構成を示す斜視図である。FIG. 9A is a perspective view showing a partial configuration of another optical device according to an embodiment of the present invention. 図9Bは、本発明の実施の形態に係る他の光デバイスの一部構成を示す斜視図である。FIG. 9B is a perspective view showing a partial configuration of another optical device according to an embodiment of the present invention.

以下、本発明の実施の形態に係る光デバイスについて図1を参照して説明する。この光デバイスは、分布帰還型のレーザ活性領域101と、レーザ活性領域101の導波方向の一端に光学的に接続されたパッシブ導波路102と、パッシブ導波路102の導波方向の一端に光学的に接続された反射領域103と、反射領域103の導波方向の一端に光学的に接続された増幅領域104とを備える。Hereinafter, an optical device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 1. This optical device includes a distributed feedback laser active region 101, a passive waveguide 102 optically connected to one end of the laser active region 101 in the waveguiding direction, a reflection region 103 optically connected to one end of the passive waveguide 102 in the waveguiding direction, and an amplification region 104 optically connected to one end of the reflection region 103 in the waveguiding direction.

パッシブ導波路102は、導波方向の両端に、反射が発生する箇所である反射点105,反射点106が形成されている。また、パッシブ導波路102は、光導波路構造を備え、ファブリペロー型の共振器構造とされ、ファブリペロー(Fabry-Perot;FP)モードが形成可能とされている。また、パッシブ導波路102は、レーザ活性領域101との複合モードが形成可能とされている。The passive waveguide 102 has reflection points 105 and 106 at both ends in the waveguiding direction, where reflection occurs. The passive waveguide 102 has an optical waveguide structure and a Fabry-Perot type resonator structure, and is capable of forming a Fabry-Perot (FP) mode. The passive waveguide 102 is also capable of forming a composite mode with the laser active region 101.

この光デバイスは、例えば、図2に示すように、基板111と、基板111の上に形成された下部クラッド層112とを備える。なお、図2は、導波方向に平行で、基板111の面に垂直な断面を示している。基板111は、例えば、Siをドープすることでn型とされたInPから構成することができる。また、基板111は、例えば、GaAs,SiO2,Si,SiCから構成することもできる。下部クラッド層112は、例えば、n型とされたInPから構成することができる。また、下部クラッド層112は、SiO2から構成することもできる。 This optical device includes, for example, a substrate 111 and a lower cladding layer 112 formed on the substrate 111, as shown in Fig. 2. Note that Fig. 2 shows a cross section parallel to the waveguiding direction and perpendicular to the surface of the substrate 111. The substrate 111 can be made of, for example, InP that is made n-type by doping with Si. The substrate 111 can also be made of, for example, GaAs, SiO2 , Si, or SiC. The lower cladding layer 112 can be made of, for example, InP that is made n-type. The lower cladding layer 112 can also be made of SiO2 .

レーザ活性領域101において、下部クラッド層112の上に活性層113が形成され、活性層113の上には、回折格子114が形成されている。活性層113は、例えば、InGaAsPあるいはInGaAlAsからなる多重量子井戸構造とすることができる。また、活性層113は、上記材料によるバルク構造とすることもできる。回折格子114は、凹部および凹部に隣接する凸部から構成され、これらは導波方向に配列されている。なお、回折格子114には、導波方向の一部(中央部)に、位相がπ反転する部分(1/4シフト部)を形成することができる。この部分1/4シフト部の位相シフトにより、ブラッグ波長における単一モード発光が可能となる。In the laser active region 101, an active layer 113 is formed on the lower cladding layer 112, and a diffraction grating 114 is formed on the active layer 113. The active layer 113 can be a multiple quantum well structure made of, for example, InGaAsP or InGaAlAs. The active layer 113 can also be a bulk structure made of the above materials. The diffraction grating 114 is composed of recesses and protrusions adjacent to the recesses, which are arranged in the waveguiding direction. In addition, the diffraction grating 114 can be formed with a portion (1/4 shift portion) in which the phase is inverted by π in a part (center portion) of the waveguiding direction. The phase shift of this 1/4 shift portion enables single mode emission at the Bragg wavelength.

また、パッシブ導波路102においては、コア115が形成されている。コア115は、例えば、基板111の平面方向の格子定数が、InPに格子整合するInGaAlAsから構成することができる。In addition, a core 115 is formed in the passive waveguide 102. The core 115 can be made of, for example, InGaAlAs, whose lattice constant in the planar direction of the substrate 111 is lattice-matched to InP.

また、反射領域103においては、コア116が形成され、コア116の上には、回折格子117を形成することができる。コア115は、例えば、基板111の平面方向の格子定数が、InPに格子整合するInGaAlAsから構成することができる。回折格子117は、凹部および凹部に隣接する凸部から構成され、これらは導波方向に配列されている。このように、反射領域103は、DBRミラー構造とすることができるが、これに限るものではなく、反射領域103は、単なる空気のギャップやリング共振器などから構成することもできる。In addition, in the reflection region 103, a core 116 is formed, and a diffraction grating 117 can be formed on the core 116. The core 115 can be made of, for example, InGaAlAs, whose lattice constant in the planar direction of the substrate 111 is lattice-matched to InP. The diffraction grating 117 is made of recesses and protrusions adjacent to the recesses, which are arranged in the waveguiding direction. In this way, the reflection region 103 can have a DBR mirror structure, but is not limited to this, and the reflection region 103 can also be made of a simple air gap, a ring resonator, etc.

また、増幅領域104には、下部クラッド層112の上に活性層118が形成されている。活性層118は、例えば、InGaAsPあるいはInGaAlAsからなる多重量子井戸構造とすることができる。In addition, in the amplification region 104, an active layer 118 is formed on the lower cladding layer 112. The active layer 118 may be, for example, a multiple quantum well structure made of InGaAsP or InGaAlAs.

活性層113、コア115、コア116、活性層118の上には、上部クラッド層119が形成されている。例えば、活性層113は、導波方向に延在し、導波方向に垂直な断面の形状が、コア115と同一とされている。同様に、コア115およびコア116も、導波方向に延在している。また、活性層118も、導波方向に延在し、導波方向に垂直な断面の形状が、コア116と同一とされている。また、上部クラッド層119は、活性層113、コア115、コア116、活性層118を覆って、下部クラッド層112の上に形成されている。上部クラッド層119は、例えば、InPから構成することができる。なお、活性層113の上部の上部クラッド層119の一部は、例えばp型とされている。また、コア115の上部を含めて他の領域の上部クラッド層119は、i型(ノンドープ)とされている。An upper cladding layer 119 is formed on the active layer 113, the core 115, the core 116, and the active layer 118. For example, the active layer 113 extends in the waveguiding direction, and the cross-sectional shape perpendicular to the waveguiding direction is the same as that of the core 115. Similarly, the core 115 and the core 116 also extend in the waveguiding direction. The active layer 118 also extends in the waveguiding direction, and the cross-sectional shape perpendicular to the waveguiding direction is the same as that of the core 116. The upper cladding layer 119 is formed on the lower cladding layer 112, covering the active layer 113, the core 115, the core 116, and the active layer 118. The upper cladding layer 119 can be made of, for example, InP. Note that a part of the upper cladding layer 119 above the active layer 113 is, for example, p-type. Note that the upper cladding layer 119 in other regions, including the upper part of the core 115, is i-type (non-doped).

レーザ活性領域101においては、厚さ方向(基板111の平面の法線方向)に、n型の下部クラッド層112、i型の活性層113、上部クラッド層119のp型とされている領域が積層され、いわゆる縦型のn-i-p構造とすることができる。この場合、下部クラッド層112および上部クラッド層119のp型とされている領域により、いわゆる縦方向電流注入型の電流注入構造を構成することができる。また、レーザ活性領域101において、電流注入機構として、活性層113を挟んで配置されたn型層およびp型層を備える構成とすることもできる。例えば、n型層の上には、n電極が形成され、p型層の上には、p電極が形成された構成することができる。これは、いわゆる、横方向電流注入型の電流注入構造である。In the laser active region 101, the n-type lower cladding layer 112, the i-type active layer 113, and the p-type region of the upper cladding layer 119 are stacked in the thickness direction (normal direction of the plane of the substrate 111), forming a so-called vertical n-i-p structure. In this case, the p-type region of the lower cladding layer 112 and the upper cladding layer 119 can form a so-called vertical current injection type current injection structure. In addition, the laser active region 101 can be configured to include an n-type layer and a p-type layer arranged on either side of the active layer 113 as a current injection mechanism. For example, an n-electrode can be formed on the n-type layer, and a p-electrode can be formed on the p-type layer. This is a so-called lateral current injection type current injection structure.

ここで、例えば、活性層113をコアとした光導波路構造のレーザ活性領域101と、コア115による光導波路構造のパッシブ導波路102とは、直接接合する形で形成することができる。この構成とすることで、レーザ活性領域101の回折格子114による反射部での反射により、パッシブ導波路102からレーザ活性領域101へ進行する光に対し、実効的に反射点105が形成される。このように構成される反射点105の位置は、光の侵入長分だけ、レーザ活性領域101とパッシブ導波路102との境界からずれる。Here, for example, the laser active region 101 having an optical waveguide structure with the active layer 113 as the core and the passive waveguide 102 having an optical waveguide structure with the core 115 can be formed by directly bonding. With this configuration, a reflection point 105 is effectively formed for the light traveling from the passive waveguide 102 to the laser active region 101 due to reflection at the reflection portion of the diffraction grating 114 of the laser active region 101. The position of the reflection point 105 configured in this manner is shifted from the boundary between the laser active region 101 and the passive waveguide 102 by the penetration length of the light.

また、コア115による光導波路構造のパッシブ導波路102と、コア116による光導波路構造の反射領域103とは、直接接合する形で形成することができる。この構成とすることで、反射領域103の回折格子117による反射部での反射により、パッシブ導波路102から反射領域103へ進行する光に対し、実効的に反射点106が形成される。なお、他の構造により、反射点105,反射点106を形成することもできる。 In addition, the passive waveguide 102 of the optical waveguide structure using the core 115 and the reflection region 103 of the optical waveguide structure using the core 116 can be formed by directly bonding them together. With this configuration, reflection point 106 is effectively formed for the light traveling from the passive waveguide 102 to the reflection region 103 due to reflection at the reflection portion of the diffraction grating 117 of the reflection region 103. Note that reflection points 105 and 106 can also be formed by other structures.

上述した化合物半導体による各層構成は、例えば、公知の有機金属気相成長法などによるエピタキシャル成長で形成することができる。また、公知のリソグラフィ技術およびエッチング技術により加工(パターニング)することで、各コアや、各回折格子などが形成できる。Each layer structure using the compound semiconductors described above can be formed, for example, by epitaxial growth using known metalorganic vapor phase epitaxy. Also, each core, each diffraction grating, etc. can be formed by processing (patterning) using known lithography and etching techniques.

なお光デバイスの光出射部に、光ファイバや外部の光導波路との光学的な結合損失を低減するためのスポットサイズ変換構造を設けることもできる。スポットサイズ変換構造は、接続する箇所より離れるほど先細りとされた変換コアから、断熱的にスポットサイズ変換用コア領域にモードを遷移させることが可能である。 A spot size conversion structure can be provided at the light output section of the optical device to reduce optical coupling loss with an optical fiber or an external optical waveguide. The spot size conversion structure can adiabatically transfer the mode from a conversion core that tapers away from the connection point to a spot size conversion core region.

また、この光デバイスは、レーザ活性領域101で生成(発振)される光の周波数と、パッシブ導波路102のFPモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子-光子共鳴(PPR)を用いてレーザ発振させる。PPRは、図3に示すように、レーザ活性領域101における透過スペクトル201のピーク波長(発振波長におけるピーク波長)と、パッシブ導波路102における透過スペクトル202のピーク波長(FPモードのピーク波長)との周波数差に応じて発生する。 This optical device also oscillates using photon-photon resonance (PPR) that occurs in response to the frequency difference between the frequency of light generated (oscillated) in the laser active region 101 and the frequency of the FP mode of the passive waveguide 102. As shown in Figure 3, PPR occurs in response to the frequency difference between the peak wavelength of the transmission spectrum 201 in the laser active region 101 (peak wavelength at the oscillation wavelength) and the peak wavelength of the transmission spectrum 202 in the passive waveguide 102 (peak wavelength of the FP mode).

従って、PPR周波数は、パッシブ導波路102の長さで決定されるFSR内に定義される。用途に応じて、パッシブ導波路102の長さを変化させて、FSRを調整することで、所望のPPR周波数の動作範囲が得られる。なおPPR周波数におけるS21応答強度は、図3に示すそれぞれのスペクトルの重なり領域203の面積が大きいほど、大きくなる。なお、この光デバイスでは、パッシブ導波路102の導波方向の長さにかかわらず、PPRを発現させることができる。実施の形態に係る光デバイスによれば、高速直接変調が可能なPPRによる広い変調帯域を短い素子長で実現可能であり、PPRの効果を安定的に発現させることが可能となり、制御性の高い高速光デバイスが実現可能である。Therefore, the PPR frequency is defined within the FSR determined by the length of the passive waveguide 102. The operating range of the desired PPR frequency can be obtained by adjusting the FSR by changing the length of the passive waveguide 102 according to the application. The S21 response intensity at the PPR frequency increases as the area of the overlapping region 203 of each spectrum shown in FIG. 3 increases. In this optical device, PPR can be expressed regardless of the length of the passive waveguide 102 in the waveguiding direction. According to the optical device of the embodiment, a wide modulation band by PPR that enables high-speed direct modulation can be realized with a short element length, and the effect of PPR can be stably expressed, making it possible to realize a high-speed optical device with high controllability.

ここで、パッシブ導波路102の後段に光接続された反射領域103によって、前段のレーザ活性領域101への光フィードバック光強度調節することが可能となる。例えば、反射領域103がDBRミラーの場合、図4に示すように、反射領域103の長さ(導波方向長さ)を変更することで、反射率を調整できる。Here, the reflective region 103 optically connected to the rear stage of the passive waveguide 102 makes it possible to adjust the optical feedback light intensity to the laser active region 101 in the front stage. For example, when the reflective region 103 is a DBR mirror, the reflectance can be adjusted by changing the length (length in the waveguiding direction) of the reflective region 103 as shown in Figure 4.

図5に、反射領域103の反射率を変更した場合の光スペクトルを示す。反射領域103の反射率を上昇させると、透過スペクトル202が透過スペクトル202aに拡大し、フィードバックされるサイドモードの光強度が増大し、図5に示した重なり領域204だけ、スペクトルの重なり面積が増大する。 Figure 5 shows the optical spectrum when the reflectance of the reflective region 103 is changed. When the reflectance of the reflective region 103 is increased, the transmission spectrum 202 expands to the transmission spectrum 202a, the optical intensity of the feedback side mode increases, and the overlap area of the spectra increases by the overlap region 204 shown in Figure 5.

また、反射領域103の後段には、利得媒質である活性層118で構成される増幅領域104が設けられており、光強度を調節できる。図6は、増幅領域104で増幅された後の光スペクトルを示している。図6から明らかなように、光を増幅すると、透過スペクトル201が透過スペクトル201aに拡大し、透過スペクトル202が透過スペクトル202bに拡大し、実効的な光スペクトルの重なり領域205が増大する。 In addition, an amplification region 104 consisting of an active layer 118, which is a gain medium, is provided downstream of the reflection region 103, and the light intensity can be adjusted. Figure 6 shows the light spectrum after being amplified in the amplification region 104. As is clear from Figure 6, when light is amplified, the transmission spectrum 201 expands to the transmission spectrum 201a, and the transmission spectrum 202 expands to the transmission spectrum 202b, and the overlap region 205 of the effective light spectra increases.

図7は、PPRを用いたレーザのS21小信号応答を示している。反射領域103の反射率を上げて実効的な光スペクトルの重なり領域205が増大した結果、PPR周波数におけるS21応答が増加する。 Figure 7 shows the S21 small signal response of a laser using PPR. Increasing the reflectivity of the reflective region 103 increases the effective optical spectral overlap region 205, resulting in an increase in the S21 response at the PPR frequency.

ところで、この光デバイスは、例えば、周波数調整機構を用いることで、パッシブ導波路102のファブリペローモードの周波数が調整可能である。周波数調整機構は、パッシブ導波路102に電流を注入する、温度を制御する、電界を印加するのいずれかから構成でき、ファブリペローモードの周波数を調整する。例えば、タンタルなどの金属から構成された抵抗加熱型のヒータを温度制御機構として設けることで、周波数制御が実現できる。さらに、フィードバック光強度の調整は、反射領域103の反射率を変更する。例えば、反射領域103の導波方向の長さを変更する、または反射領域103の上にヒータを設けて、ブラッグ波長を調整することで所望の反射率へと制御ができる。 By the way, this optical device can adjust the frequency of the Fabry-Perot mode of the passive waveguide 102, for example, by using a frequency adjustment mechanism. The frequency adjustment mechanism can be configured to inject a current into the passive waveguide 102, control the temperature, or apply an electric field, and adjust the frequency of the Fabry-Perot mode. For example, frequency control can be achieved by providing a resistance heating type heater made of a metal such as tantalum as a temperature control mechanism. Furthermore, the adjustment of the feedback light intensity changes the reflectivity of the reflection region 103. For example, the reflectivity can be controlled to a desired value by changing the length of the reflection region 103 in the waveguiding direction, or by providing a heater on the reflection region 103 to adjust the Bragg wavelength.

また、反射領域103は、単なる空気のギャップや、リング共振器とすることもできる。このような光デバイスの光出力が足りない場合は、増幅領域104に例えば電流注入するなどして、光出力を増幅可能である。これらの構成は、例えば、短い素子長で光出力が不足する場合に有効となる。The reflection region 103 can also be a simple air gap or a ring resonator. If the optical output of such an optical device is insufficient, the optical output can be amplified, for example, by injecting a current into the amplification region 104. These configurations are effective, for example, when the optical output is insufficient due to a short element length.

これらの結果、この光デバイスによれば、PPRによる広い変調帯域と高い光出力を、さまざまな素子長で実現可能であり、また、PPRの効果を安定的に発現させることが可能となり、制御性の高い高速光デバイスが実現可能となる。As a result, this optical device makes it possible to achieve a wide modulation bandwidth and high optical output power through PPR with a variety of element lengths, and also makes it possible to stably express the PPR effect, enabling the realization of a highly controllable, high-speed optical device.

ところで、図8に示すように、レーザ活性領域101の導波方向の他端に光学的に接続されたDBR領域121をさらに備える構成とすることもできる。なお、図8は、導波方向に平行で、基板111の面に垂直な断面を示している。また、図8では、反射領域103、増幅領域104を省略している。DBR領域121は、下部クラッド層112の上に、コア122が形成され、コア122の上に回折格子123が形成されている。コア122は、例えば、InGaAlAsから構成することができる。As shown in Fig. 8, the laser active region 101 may further include a DBR region 121 optically connected to the other end of the laser active region 101 in the waveguiding direction. Fig. 8 shows a cross section parallel to the waveguiding direction and perpendicular to the surface of the substrate 111. Fig. 8 also omits the reflection region 103 and the amplification region 104. In the DBR region 121, a core 122 is formed on the lower cladding layer 112, and a diffraction grating 123 is formed on the core 122. The core 122 may be made of, for example, InGaAlAs.

このようにDBR領域121を設けることで、位相シフトを用いることなく、以下に示すように、シングルモード化が実現できる。DBR領域121において、例えば、レーザ活性領域101の短波側の透過ピークを選択し、レーザ動作およびPPRによる帯域増大を行うことができる。この場合、レーザ活性領域101における透過スペクトルのストップバンド内に、DBR領域121の反射スペクトルのピーク波長より長波長側のフリンジピークやFPモードのピークが集中する。この結果、PPR発現に重要な透過スペクトルのピークよりもわずかに長波長側の領域のモードの多くが減衰され、安定的なシングルモード動作とPPR発現が可能となる。By providing the DBR region 121 in this way, single mode can be achieved without using phase shift, as shown below. In the DBR region 121, for example, a transmission peak on the short wavelength side of the laser active region 101 can be selected, and the band can be increased by laser operation and PPR. In this case, fringe peaks and FP mode peaks on the longer wavelength side than the peak wavelength of the reflection spectrum of the DBR region 121 are concentrated within the stop band of the transmission spectrum in the laser active region 101. As a result, many of the modes in the region slightly longer wavelength than the transmission spectrum peak, which is important for PPR expression, are attenuated, enabling stable single mode operation and PPR expression.

ところで、パッシブ導波路102(コア115)のレーザ活性領域101の側の幅(活性層113との接続部におけるコア115の幅)と、パッシブ導波路102(コア115)のレーザ活性領域101とは反対側の反射点106の幅とを異なる寸法とすることにより、反射点105と106の反射率を調節でき、図5に示したPPR応用の増強と同じ原理で、PPR周波数におけるS21応答、及び、PPR周波数を調節することが可能である。By making the width of the passive waveguide 102 (core 115) on the laser active region 101 side (the width of the core 115 at the connection with the active layer 113) and the width of the reflection point 106 on the opposite side of the passive waveguide 102 (core 115) from the laser active region 101 different dimensions, the reflectivity of the reflection points 105 and 106 can be adjusted, and it is possible to adjust the S21 response at the PPR frequency and the PPR frequency using the same principle as the enhancement of the PPR application shown in Figure 5.

次に、反射点105,反射点106の他の構成について説明する。例えば、パッシブ導波路102のコア115を、レーザ活性領域101の活性層113(コア)とは、厚さおよび幅の少なくとも1つが異なる構造として両者をバットカップルすることで、これらの接続箇所を反射点105とすることができる。Next, other configurations of the reflection points 105 and 106 will be described. For example, the core 115 of the passive waveguide 102 and the active layer 113 (core) of the laser active region 101 are butt-coupled with each other by having a structure in which at least one of the thickness and width is different, and the connection point between them can be used as the reflection point 105.

また、活性層113とコア115とを、各々異なる屈折率の材料から構成することでも、レーザ活性領域101とパッシブ導波路102との接続箇所を反射点105とすることができる。例えば、活性層113をInGaAlAsによる多重量子構造とし、コア115をInGaAlAsまたはInGaAsPから構成することで、反射点105が形成できる。In addition, the connection point between the laser active region 101 and the passive waveguide 102 can be made into a reflection point 105 by constructing the active layer 113 and the core 115 from materials with different refractive indices. For example, the reflection point 105 can be formed by making the active layer 113 a multiple quantum structure using InGaAlAs and constructing the core 115 from InGaAlAs or InGaAsP.

また、レーザ活性領域101とパッシブ導波路102との接続箇所の上部クラッド層119に、導波方向に交差する方向に延在する溝を形成することでも、反射点105が形成できる。このような溝を形成することで、この箇所に屈折率の変曲点が形成され、反射点105とすることができる。In addition, the reflection point 105 can also be formed by forming a groove extending in a direction intersecting the waveguiding direction in the upper cladding layer 119 at the connection point between the laser active region 101 and the passive waveguide 102. By forming such a groove, an inflection point of the refractive index is formed at this point, and this can be used as the reflection point 105.

上述した横方向電流注入型のレーザ活性領域101では、下部クラッド層112,上部クラッド層119aと、活性層113(コア115)との間の屈折率差を大きくすることが可能であり、活性層113へ、より強く光を閉じ込めることができるようになる。この、より強い光閉じ込めにより、パッシブ導波路102から帰還される光と、レーザ活性領域101での光との相互作用を、より大きくすることができる。これらのことにより、レーザ活性領域101からの反射戻り成分を大きくすること無く、PPRによる帯域増大を起こせる。In the above-mentioned lateral current injection type laser active region 101, it is possible to increase the refractive index difference between the lower cladding layer 112, the upper cladding layer 119a, and the active layer 113 (core 115), and it becomes possible to confine light more strongly in the active layer 113. This stronger light confinement can increase the interaction between the light returned from the passive waveguide 102 and the light in the laser active region 101. As a result, it is possible to increase the bandwidth by PPR without increasing the reflected back component from the laser active region 101.

また、上述したように、強い光閉じ込めによりパッシブ導波路102の反射率を大きく取る必要がないため、パッシブ導波路102の端面に高反射率(HR)コートが不要となり、構造形成が容易となる。また、上述したように光閉じ込めが大きく、レーザ発振モードとサイドモードの相互作用が大きいと、レーザ活性領域101における透過スペクトル201と、パッシブ導波路102における透過スペクトル202との間の周波数差が大きい場合でもPPRが生じるため、高周波数領域での帯域増大を起こす設計が可能となる。 As described above, the strong optical confinement eliminates the need for a large reflectance of the passive waveguide 102, making it unnecessary to provide a high reflectance (HR) coating on the end face of the passive waveguide 102, and facilitating the formation of the structure. As described above, when the optical confinement is large and the interaction between the laser oscillation mode and the side mode is large, PPR occurs even when the frequency difference between the transmission spectrum 201 in the laser active region 101 and the transmission spectrum 202 in the passive waveguide 102 is large, making it possible to design a band that increases in the high frequency range.

さらに、基板垂直(厚さ)方向への光閉じ込めをIII-V族半導体/絶縁体(空気やSiO2など)や屈折率の低い半導体(SiCやAlNなど)の屈折率差で実現する構造においては、レーザ活性領域101において、屈折率変調の度合いが大きい回折格子114が形成できるため、大きな結合係数を有する回折格子114によるレーザ活性領域101が実現できる。 Furthermore, in a structure in which light confinement in the direction perpendicular to the substrate (thickness) is achieved by the refractive index difference between a III-V group semiconductor/insulator (air, SiO2 , etc.) or a semiconductor with a low refractive index (SiC, AlN, etc.), a diffraction grating 114 with a large degree of refractive index modulation can be formed in the laser active region 101, so that a laser active region 101 with a diffraction grating 114 having a large coupling coefficient can be achieved.

回折格子114の結合係数が大きい場合、レーザ活性領域101のストップバンドの幅が大きくなるため、パッシブ導波路102の透過スペクトルの極大ピークの多くが、ストップバンドの中に収まる。この結果、レーザ活性領域101の発振光のピークとパッシブ導波路102におけるFPモードのピークの干渉によるレーザ動作の不安定化が生じにくい。When the coupling coefficient of the diffraction grating 114 is large, the width of the stop band of the laser active region 101 becomes large, so that many of the maximum peaks of the transmission spectrum of the passive waveguide 102 fall within the stop band. As a result, the laser operation is less likely to become unstable due to interference between the peak of the oscillation light of the laser active region 101 and the peak of the FP mode in the passive waveguide 102.

一般的な回折格子の結合係数が小さいDFBレーザでは、DFBレーザのストップバンドの中にFPモードがほとんど入らないため、FPモードとDFBモードの干渉による動作不安定が生じやすい。In typical DFB lasers with a small coupling coefficient for the diffraction grating, the FP mode hardly falls within the stop band of the DFB laser, making it prone to operational instability due to interference between the FP mode and the DFB mode.

また、活性層113を構成する材料の利得(ゲイン)スペクトルを調整することでも動作に影響を与えることができるが、結合係数が小さい場合に比べて少ないDFBおよびFPモードピークのみを選択することができるため、シングルモード動作や安定的な(モードホップやPPRの発現容易性)動作が可能となる。 Operation can also be affected by adjusting the gain spectrum of the material constituting the active layer 113, but since only a smaller number of DFB and FP mode peaks can be selected compared to when the coupling coefficient is small, single-mode operation or stable operation (ease of occurrence of mode hopping and PPR) becomes possible.

ところで、活性層113と、活性層113を上下に挟む層との間の屈折率差が大きく、回折格子114の結合係数が大きい場合、回折格子114による反射部での反射により形成される反射点105の反射率が高くなる。このため、この構成では、パッシブ導波路102による光帰還の強度を強くすることが可能となる。この結果、レーザ活性領域101の透過スペクトルと、パッシブ導波路102の透過スペクトルとの周波数差が大きい(応答を増強する周波数が高い)状態でもPPRが発現し、帯域増大が実現できる。 When the refractive index difference between the active layer 113 and the layers sandwiching the active layer 113 above and below is large and the coupling coefficient of the diffraction grating 114 is large, the reflectance of the reflection point 105 formed by reflection at the reflection part of the diffraction grating 114 becomes high. Therefore, in this configuration, it is possible to increase the strength of the optical feedback by the passive waveguide 102. As a result, even when the frequency difference between the transmission spectrum of the laser active region 101 and the transmission spectrum of the passive waveguide 102 is large (the frequency that enhances the response is high), PPR is generated and the bandwidth can be increased.

ところで、レーザ活性領域101で発振されるレーザ光と、パッシブ導波路102からの戻り光との結合を制御する上では、パッシブ導波路102からの戻り光強度(端面反射率)を、構造により規定する構成と、動作時に適宜戻り光を増幅または減衰させることで規定する構成とがある。端面反射率を構造により規定する構成としては、前述したように、パッシブ導波路102のコア115の形状(断面形状)を変化させる構成がある。例えば、コア115の断面視の形状について、活性層113の断面視の形状に対し、幅を狭めるまたは広げる、厚くするまたは薄くするなどがある。また、コア115の径を、活性層113から離れるほど小さくする、または大きくする構成とすることもできる。By the way, in controlling the coupling between the laser light oscillated in the laser active region 101 and the return light from the passive waveguide 102, there are a configuration in which the return light intensity (end face reflectance) from the passive waveguide 102 is specified by the structure, and a configuration in which the return light is appropriately amplified or attenuated during operation. As a configuration in which the end face reflectance is specified by the structure, as described above, there is a configuration in which the shape (cross-sectional shape) of the core 115 of the passive waveguide 102 is changed. For example, the cross-sectional shape of the core 115 may be narrowed or widened, thickened or thinned, etc., relative to the cross-sectional shape of the active layer 113. In addition, the diameter of the core 115 may be made smaller or larger as it moves away from the active layer 113.

また、図9Aに示すように、導波方向に垂直な断面の形状が、厚さ方向に多段とされているコア115aとすることもできる。また、図9Bに示すように、導波方向に垂直な断面の形状を厚さ方向に多段とし、上段と下段とを各々異なる材料から構成したコア115bとすることもできる。 As shown in Fig. 9A, the shape of the cross section perpendicular to the waveguiding direction may be multi-staged in the thickness direction of core 115a. As shown in Fig. 9B, the shape of the cross section perpendicular to the waveguiding direction may be multi-staged in the thickness direction of core 115b, with the upper and lower stages being made of different materials.

以上に説明したように、本発明によれば、レーザ活性領域、パッシブ導波路に続き、反射領域および増幅領域を設けるので、PPR周波数と、この応答を決定するフィードバックされる反射光の強さおよび出力光の強さとが、独立に制御できるようになる。As described above, according to the present invention, a reflection region and an amplification region are provided following the laser active region and passive waveguide, so that the PPR frequency and the intensity of the fed-back reflected light and the intensity of the output light, which determine this response, can be controlled independently.

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。It is to be understood that the present invention is not limited to the embodiments described above, and that many modifications and combinations can be implemented by a person having ordinary knowledge in the art within the technical concept of the present invention.

101…レーザ活性領域、102…パッシブ導波路、103…反射領域、104…増幅領域、105…反射点、106…反射点。 101...laser active region, 102...passive waveguide, 103...reflection region, 104...amplification region, 105...reflection point, 106...reflection point.

Claims (6)

基板の上に形成された分布帰還型のレーザ活性領域と、
前記基板の上に形成され、前記レーザ活性領域の導波方向の一端に光学的に接続され、導波方向の両端に反射点が形成された、光導波路構造によるファブリペロー型の共振器構造とされたパッシブ導波路と、
前記基板の上に形成され、前記パッシブ導波路の一端に光学的に接続された反射領域と、
前記基板の上に形成され、前記反射領域の一端に光学的に接続された増幅領域と
前記基板の上に形成され、前記レーザ活性領域の導波方向の他端に光学的に接続されたDBR領域と
を備え、
前記パッシブ導波路の前記レーザ活性領域の側の幅と、前記パッシブ導波路の前記レーザ活性領域とは反対側の反射点の幅とが異なり、
前記レーザ活性領域で生成される光の周波数と、前記パッシブ導波路のファブリペローモードの周波数との周波数差に応じて発生する光子-光子共鳴を用いてレーザ発振させる
ことを特徴とする光デバイス。
a distributed feedback laser active region formed on a substrate;
a passive waveguide formed on the substrate, optically connected to one end of the laser active region in a waveguiding direction, and having a Fabry-Perot type resonator structure with an optical waveguide structure in which reflection points are formed at both ends in the waveguiding direction;
a reflective region formed on the substrate and optically connected to one end of the passive waveguide;
an amplification region formed on the substrate and optically connected to one end of the reflection region ;
a DBR region formed on the substrate and optically connected to the other end of the laser active region in the waveguiding direction;
Equipped with
a width of the passive waveguide on the side of the laser active region is different from a width of a reflection point on the opposite side of the passive waveguide from the laser active region;
An optical device, characterized in that laser oscillation is achieved by utilizing photon-photon resonance that occurs in response to a frequency difference between the frequency of light generated in the laser active region and the frequency of a Fabry-Perot mode of the passive waveguide.
請求項1記載の光デバイスにおいて、
前記パッシブ導波路に電流を注入する、前記パッシブ導波路の温度を制御する、前記パッシブ導波路に電界を印加するのいずれかにより、前記パッシブ導波路のファブリペローモードの周波数を調整する周波数調整機構をさらに備えることを特徴とする光デバイス。
2. The optical device according to claim 1,
1. An optical device comprising: a first insulating layer that electrically connects a first conductive layer to a first insulating film; a second insulating layer that electrically connects a first conductive layer to a first insulating film;
請求項1または2記載の光デバイスにおいて、
前記レーザ活性領域は、
前記基板の平面方向に電流を注入する電流注入機構を備えることを特徴とする光デバイス。
3. The optical device according to claim 1,
The laser active region comprises:
An optical device comprising: a current injection mechanism for injecting a current in a planar direction of the substrate.
請求項1~のいずれか1項に記載の光デバイスにおいて、
前記反射領域は、DBRミラー構造とされていることを特徴とする光デバイス。
The optical device according to any one of claims 1 to 3 ,
An optical device, wherein the reflection region has a DBR mirror structure.
請求項1~のいずれか1項に記載の光デバイスにおいて、
前記パッシブ導波路のコアは、前記レーザ活性領域のコアとは、厚さおよび幅の少なくとも1つが異なることを特徴とする光デバイス。
The optical device according to any one of claims 1 to 4 ,
An optical device comprising: a core of said passive waveguide that is different from a core of said laser active region in at least one of thickness and width.
請求項1~のいずれか1項に記載の光デバイスにおいて、
前記パッシブ導波路のコアは、導波方向に垂直な断面の形状が、厚さ方向に多段とされていることを特徴とする光デバイス。
The optical device according to any one of claims 1 to 4 ,
An optical device, wherein a core of the passive waveguide has a cross-sectional shape perpendicular to a waveguiding direction, the cross-sectional shape having multiple steps in a thickness direction.
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