JP2003133638A - 分布帰還型半導体レーザ素子及びレーザモジュール - Google Patents

分布帰還型半導体レーザ素子及びレーザモジュール

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JP2003133638A
JP2003133638A JP2002020507A JP2002020507A JP2003133638A JP 2003133638 A JP2003133638 A JP 2003133638A JP 2002020507 A JP2002020507 A JP 2002020507A JP 2002020507 A JP2002020507 A JP 2002020507A JP 2003133638 A JP2003133638 A JP 2003133638A
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dfb laser
diffraction grating
gain
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inp
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Ryosuke Tanitsu
亮介 谷津
Masaki Funahashi
政樹 舟橋
Akihiko Kasukawa
秋彦 粕川
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Furukawa Electric Co Ltd
Original Assignee
Furukawa Electric Co Ltd
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    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光アイソレータを使用することなく、広温度
範囲における安定した単一モード動作を行うことが可能
なDFBレーザ素子及びレーザモジュールを提供するこ
とを目的とする。 【解決手段】 n−InP基板12上に、n−InPバ
ッファ層14、MQW−SCH活性層16、p−InP
クラッド層18、p−InGaAsコンタクト層20が
順に積層され、MQW−SCH活性層16との界面近傍
のp−InPクラッド層18内に、InGaAs吸収部
22が周期的に配列されてなる吸収性回折格子24が形
成されている。このような吸収性回折格子型の利得結合
型DFBレーザ素子10における各種の半導体材料から
なる積層構造の劈開面において、その一方の前端面に、
反射率10〜20%の反射膜36がコーティングされ、
他方の後端面に、反射膜36の反射率よりも高い反射率
の高反射膜38がコーティングされている。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は分布帰還型半導体レ
ーザ素子及びレーザモジュールに係り、更に詳しくは、
利得結合型又は複素結合型の分布帰還型半導体レーザ素
子及びその分布帰還型半導体レーザ素子を用いたレーザ
モジュールに関する。
【0002】
【従来の技術】分布帰還型半導体レーザ素子(Distribu
ted Feedback Laser Diode;以下、単に「DFBレーザ
素子」と略する)は、所定の半導体材料の積層構造と所
定の共振器長からなる共振器の内部に、屈折率の実部又
は虚部を周期的に変化させるための回折格子が形成され
ていて、特定波長のレーザ光のみに帰還がかかるように
して波長選択性をもたせたレーザ素子である。
【0003】そして、このDFBレーザ素子において、
(1)屈折率の実部のみ、即ち屈折率のみが周期的に変
化している構造のものを屈折率結合型といい、(2)屈
折率の虚部のみ、即ち利得のみが周期的に変化している
構造のものを利得結合型といい、(3)屈折率の実部も
虚部も共に周期的に変化している構造のものを複素結合
型という。
【0004】そして、屈折率結合型は、一般にブラッグ
波長を挟んだ2つのモード間における閾値利得差が小さ
いことから、2モードで発振し易いため、単一モードで
の発振動作が起こり難く、単一モードでの歩留まりが低
くなると共に、微少な反射戻り光に対しても動作が不安
定になるという問題を有している。これに対し、利得結
合型は、ブラッグ波長で発振して、単一モードでの歩留
まりが高くなると共に、反射戻り光に対して相対的に高
い耐性を有している。また、複素結合型は、ブラッグ波
長を挟んだ2つのモードのうち、一方が選択されて発振
する特性を有している。
【0005】このようなDFBレーザ素子は、その優れ
た特性から光通信用途に広く使用されている。但し、D
FBレーザ素子は、一般に外部からの反射戻り光に対し
てそれ程高い耐性を有していないため、安定した動作が
要求される幹線系においては、DFBレーザ素子が組み
込まれたDFBレーザモジュールに光アイソレータを内
蔵するようになっている。また、加入者系においても、
高速用のDFBレーザモジュールの場合には、光アイソ
レータを内蔵することが不可欠である。
【0006】しかし、加入者系において使用されるDF
Bレーザモジュールは、低コストであることが強く要求
されるため、少なくとも比較的低速用の場合には、光ア
イソレータを内蔵しなくてもよいDFBレーザモジュー
ルが要請されている。このような光アイソレータを内蔵
しないDFBレーザモジュールを作製する場合には、外
部からの反射戻り光がDFBレーザ素子になるべく入射
しないようにすることが非常に重要である。このため、
通常は、例えば反射戻り光を低減する目的でDFBレー
ザ素子と光ファイバとを光学的に結合するレンズの表面
にAR(Anti Reflection;無反射)コーティングを施
したり、光ファイバの端面に斜め研磨及びARコーティ
ングを施したりすることが行われる。
【0007】なお、DFBレーザ素子自体に関しても、
その光出力を増大するために、また安定した単一モード
発振を実現して高い単一モード歩留まりを得るために、
通常、DFBレーザ素子のレーザ光を出射する側の端面
(以下、この出射側端面を「前端面」、その反対側の端
面を「後端面」という)にARコーティングが施されて
いる。しかし、この前端面へのARコーティングは、他
方において微少の反射戻り光に対する耐性を低下させる
ことになり、動作が不安定になるという問題を招くこと
にもなっている。
【0008】即ち、DFBレーザ素子の前端面の反射率
を低くすると、単一モード歩留まり及びスロープ効率
(発振状態における電流−光出力特性の微分効率)は向
上するものの、反射戻り光に対する耐性は弱くなり、逆
に、前端面の反射率を高くすると、反射戻り光に対する
耐性は強くなるものの、単一モード歩留まり及びスロー
プ効率は悪化するというトレードオフの関係になり、こ
れらの両立を達成することは困難であった。
【0009】ところで、このようなDFBレーザ素子の
問題を解決するものとして、特開昭61−156894
号公報に係るDFBレーザ素子が提案されている。即
ち、ここでは、前端面にARコーティングが施され、後
端面が高反射端面となっている従来のDFBレーザ素子
が、前端面から有効に大きな光出力を取り出すことがで
きる一方で、外部からの光が内部の電界に結合し易く、
反射雑音に弱いという問題を有していることに対して、
DFBレーザ素子の前端面の反射率を10%以上にし、
後端面の反射率を劈開面の反射率よりも高くすることが
提案されている。そして、このことによって反射雑音耐
性を大きくし、高温動作特性を向上させることができる
とされている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記特開昭6
1−156894号公報に開示されたDFBレーザ素子
は、その記載内容から明らかなように、屈折率結合型の
DFBレーザ素子である。このため、その効果は、30
dB程度の通常のアイソレータを用いることにより反射
光に対し大きな雑音を生ずることなしに使用することが
できるという程度に止まるため、このDFBレーザ素子
を使用する場合は依然として光アイソレータを使用する
ことが必要である。
【0011】従って、上記公報に係るDFBレーザ素子
は、光アイソレータを不要とする程に反射戻り光に対す
る耐性を高め、光アイソレータを内蔵しないDFBレー
ザモジュールを実現しようとする課題に応えることはで
きないといわざるを得ない。また、上記公報に係るDF
Bレーザ素子においては、利得ピーク波長とDFB発振
波長との関係が適当な範囲内にあれば、へきかい面程度
の反射率でも充分に高出力が可能であり、ファブリ・ペ
ローモードも抑えられるとし、結合係数及びデチューニ
ング量(活性層の利得ピーク波長とDFB発振波長との
差)を最適にすることにより単一モード性を保持できる
としているが、本発明者らの実験によれば、例えば−4
0℃〜+85℃の広温度範囲における安定動作を実現す
ることはできなかった。これは、屈折率結合型のDFB
レーザ素子の場合、利得ピーク波長とDFB発振波長の
温度変化率が異なり、広温度範囲に亘って良好なチュー
ニングを行うことは困難であることから、たとえその前
端面の反射率を10%以上にしても、広温度範囲におけ
る安定動作を実現するには至らなかったためであると考
えられる。
【0012】従って、上記特開昭61−156894号
公報に係るDFBレーザ素子は、加入者系において使用
されるDFBレーザ素子に対する要求、即ち広温度範囲
(例えば−40℃〜+85℃)における安定した単一モ
ード動作という要求に応えることはできないといわざる
を得ない。本発明は上記先行技術に係るDFBレーザ素
子における前記した問題点を解決し、光アイソレータを
使用することなく、広温度範囲における安定した単一モ
ード動作を行うことが可能なDFBレーザ素子及びレー
ザモジュールを提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】本発明者は、上記課題を
解決するため、上記特開昭61−156894号公報に
おいて提案されているDFBレーザ素子の問題点につい
て鋭意検討を重ねた結果、上記公報に係るDFBレーザ
素子は屈折率結合型であるため、単一モードでの歩留ま
りが低く、反射戻り光に対する耐性も低い点に注目し
た。そして、一方、利得結合型又は複素結合型のDFB
レーザ素子は、単一モードでの歩留まりが相対的に高
く、反射戻り光に対する耐性も相対的に高いという事実
に着目し、上記先行技術に係る屈折率結合型のDFBレ
ーザ素子に代えて、利得結合型又は複素結合型のDFB
レーザ素子を用いることにより、前記した課題の解決を
実現することが可能ではないかとの着想を抱いた。
【0014】そして、本発明者は、この利得結合型又は
複素結合型のDFBレーザ素子において、その反射戻り
光に対する高い耐性と高い単一モード歩留まり及びスロ
ープ効率とを両立することが可能になる前端面の反射率
の条件について種々の実験を重ね、その結果、前記した
課題を解決することができる本発明のDFBレーザ素子
及びレーザモジュールを開発するに至った。
【0015】即ち、本発明のDFBレーザ素子は、利得
結合型又は複素結合型のDFBレーザ素子において、一
方の端面(前端面)の反射率が他方の端面(後端面)の
反射率よりも小さく、且つその値が10%以上であるこ
とを特徴とする(請求項1)。なお、上記請求項1に係
るDFBレーザ素子において、一方の端面(前端面)の
反射率が20%以下であることが好適である(請求項
2)。
【0016】また、上記請求項1に係る利得結合型のD
FBレーザ素子が、吸収性回折格子型のDFBレーザ素
子であることが好適である(請求項3)。また、本発明
のレーザモジュールは、上記請求項1乃至3のいずれか
に係るDFBレーザ素子と、光ファイバと、これらDF
Bレーザ素子と光ファイバとを光学的に結合するレンズ
とを有することを特徴とする(請求項4)。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て添付図面を用いて説明する。 (第1の実施形態)図1は本発明の第1の実施形態に係
る吸収性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子の一
例を示す概略断面図、図2は図1の吸収性回折格子型の
利得結合型DFBレーザ素子(但し、両端面の反射膜を
除く)の部分切欠斜視図、図3は図1及び図2の吸収性
回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子を組み込んだ
同軸型のDFBレーザモジュールを示す概略断面図であ
る。
【0018】本実施形態に係る吸収性回折格子型の利得
結合型DFBレーザ素子は、発振波長として約1550
nmを目標とした吸収性回折格子型の利得結合型DFB
レーザ素子である。即ち、図1及び図2に示されるよう
に、本実施形態に係る吸収性回折格子型の利得結合型D
FBレーザ素子10においては、n−InP基板12上
に、n−InPバッファ層14、InGaAsPウェル
層とInGaAsPバリア層とが交互に積層されたMQ
W−SCH(Multi Quantum Well-Separate Confinemen
t Heterostructure)活性層16、p−InPクラッド
層18、及び高濃度に不純物ドープされたp−InGa
Asコンタクト層20が順に積層されている。
【0019】そして、MQW−SCH活性層16との界
面近傍のp−InPクラッド層18内には、複数個のI
nGaAs吸収部22が所定の周期をもって配列されて
なる吸収性回折格子24が形成されている。なお、この
吸収性回折格子24とMQW−SCH活性層16との間
のp−InPクラッド層18は、通常p−InPスペー
サ層18aと呼ばれている。こうして、吸収性回折格子
構造となっている。
【0020】また、MQW−SCH活性層16や吸収性
回折格子24を含む半導体積層領域は、長手方向に延び
るメサストライプ形状に加工され、そのメサストライプ
の両側に、p−InP層26及びn−InP層28が順
に積層されてなるキャリアブロック層30が埋め込まれ
ている。こうして、埋め込みヘテロ構造となっている。
【0021】また、p−InGaAsコンタクト層20
表面上には、Ti/Pt/Au上部電極32が形成さ
れ、n−InP基板12裏面上には、AuGeNi下部
電極34が形成されている。そして、このような各種の
半導体材料からなる積層構造の劈開面において、その一
方の前端面に、反射率10〜20%の反射膜36がコー
ティングされ、他方の後端面に、反射膜36の反射率よ
りも高い反射率の高反射膜38がコーティングされてい
る点に本実施形態の特徴がある。
【0022】ここで、反射膜36の反射率が10%未満
であると、反射戻り光に対する耐性が低下して、例えば
−40℃〜+85℃の広温度範囲における安定動作を確
保することが困難になる。このため、この吸収性回折格
子型の利得結合型DFBレーザ素子を組み込んでDFB
レーザモジュールを作製する場合には、従来の場合と同
様に光アイソレータを内蔵しなければならなくなり、本
発明の目的を達成することができない。また、反射膜3
6の反射率が20%を超えると、光出力が低下すると共
に、安定した単一モード発振が損なわれて単一モード歩
留まりが低下する。このため、この場合にも、本発明の
目的を達成することができない。
【0023】なお、反射膜36及び高反射膜38の材料
としては、例えばSiNX膜を用い、その組成又は膜厚
を変えることにより、10〜20%の範囲内における所
望の反射率を得るようにしている。また、高反射膜38
をコーティングする代わりに、劈開面(反射率31%)
をそのまま用いてもよい。次に、図1及び図2の吸収性
回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10を組み込
んだ同軸型のDFBレーザモジュールについて、図3を
用いて説明する。
【0024】即ち、図3に示されるように、DFBレー
ザモジュール50においては、ステム52の一方側に略
円筒形状のキャップ54が被さっており、そのキャップ
54内のステム52上に、台座56を介して、本実施形
態に係る吸収性回折格子型のDFBレーザ素子10がボ
ンディングされている。また、ステム52の他方側に
は、吸収性回折格子型のDFBレーザ素子10に電気的
に接続している複数のリードピン58a,58b,58
cがキャップ54と反対方向に突設されている。
【0025】また、キャップ54の頭部には円形の窓6
0が設けられ、この窓60には円柱形状のフェルール6
2が嵌合されている。そして、このフェルール62の中
心貫通孔に、光ファイバ64が挿着されている。また、
キャップ54内には、ホルダ(図示せず)によって支持
されたレンズ66が配置され、このレンズ66を介し
て、吸収性回折格子型のDFBレーザ素子10とフェル
ール62に挿着された光ファイバ64とが光学的に結合
されている。即ち、吸収性回折格子型のDFBレーザ素
子10から出射されたレーザ光がレンズ66によって集
光され、光ファイバ64に入射するようになっている。
【0026】以上のように、本実施形態に係る吸収性回
折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10によれば、
その前端面に反射率10〜20%の反射膜36をコーテ
ィングすることにより、屈折率結合型のDFBレーザ素
子を用いる場合よりも単一モードでの歩留まりを高く
し、反射戻り光に対する耐性を高くすると共に、例えば
−40℃〜+85℃の広温度範囲における安定した単一
モード動作を実現することが可能になるため、反射戻り
光に対する高い耐性と高い単一モード歩留まり及びスロ
ープ効率との両立を実現することができる。
【0027】また、このような吸収性回折格子型の利得
結合型DFBレーザ素子10を組み込んだDFBレーザ
モジュール50によれば、この吸収性回折格子型の利得
結合型DFBレーザ素子10の奏する作用・効果によ
り、光アイソレータの内蔵を不要とすることが可能にな
るため、例えば加入者系において使用される光アイソレ
ータを内蔵しない低コストのDFBレーザモジュールを
提供することができる。
【0028】(第2の実施形態)図4は本発明の第2の
実施形態に係る活性層エッチング型利得性回折格子型の
利得結合型DFBレーザ素子の一例を示す概略断面図で
ある。本実施形態に係る活性層エッチング型利得性回折
格子型の利得結合型DFBレーザ素子は、上記第1の実
施形態に係る吸収性回折格子型の利得結合型DFBレー
ザ素子10の吸収性回折格子構造の代わりに、活性層エ
ッチング型利得性回折格子構造を用いているものであ
る。このため、上記第1の実施形態の図1に示す吸収性
回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10の構成要
素と同一の要素には同一符号を付して説明を省略する。
【0029】図4に示されるように、本実施形態に係る
活性層エッチング型利得性回折格子型の利得結合型DF
Bレーザ素子10aにおいては、n−InP基板12上
に、n−InPバッファ層14、InGaAsPウェル
層とInGaAsPバリア層とが交互に積層されたMQ
W−SCH活性層16、p−InPクラッド層18、及
びp−InGaAsコンタクト層20が順に積層されて
いる。
【0030】そして、MQW−SCH活性層16は、p
−InPクラッド層18との界面において、所定の周期
をもった凹凸形状に加工されており、この周期的な凹凸
形状のMQW−SCH活性層16からなる活性層エッチ
ング型利得性回折格子24aが形成されている。こうし
て、活性層エッチング型利得性回折格子構造となってい
る。
【0031】また、活性層エッチング型利得性回折格子
24aを含む半導体積層領域は、上記第1の実施形態の
場合と同様に、長手方向に延びるメサストライプ形状に
加工され、そのメサストライプの両側に、p−InP層
及びn−InP層が順に積層されてなるキャリアブロッ
ク層が埋め込まれている。こうして、埋め込みヘテロ構
造となっている。また、p−InGaAsコンタクト層
20表面上には、Ti/Pt/Au上部電極32が形成
され、n−InP基板12裏面上には、AuGeNi下
部電極34が形成されている。
【0032】そして、このような各種の半導体材料から
なる積層構造の劈開面において、その一方の前端面に、
反射率10〜20%の反射膜36がコーティングされ、
他方の後端面に、反射膜36の反射率よりも高い反射率
の高反射膜38がコーティングされている点も、上記第
1の実施形態の場合と同様である。また、図4の活性層
エッチング型利得性回折格子型の利得結合型DFBレー
ザ素子10aを組み込んだ同軸型のDFBレーザモジュ
ールは、上記第1の実施形態の図3における吸収性回折
格子型の利得結合型DFBレーザ素子10を活性層エッ
チング型利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素
子10aに置換したものであり、その他の構成要素は同
一である。このため、その図示及び説明も省略する。
【0033】以上のように、本実施形態に係る活性層エ
ッチング型利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ
素子10aによれば、その前端面に反射率10〜20%
の反射膜36をコーティングすることにより、上記第1
の実施形態の場合と略同様の効果を奏し、反射戻り光に
対する高い耐性と高い単一モード歩留まり及びスロープ
効率との両立を実現することができる。
【0034】また、このような活性層エッチング型利得
性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10aを組
み込んだDFBレーザモジュールによれば、この活性層
エッチング型利得性回折格子型の利得結合型DFBレー
ザ素子10aの奏する作用・効果により、上記第1の実
施形態の場合と略同様に、例えば加入者系において使用
される光アイソレータを内蔵しない低コストのDFBレ
ーザモジュールを提供することができる。
【0035】(第3の実施形態)図5は本発明の第3の
実施形態に係る電流ブロック型利得性回折格子型の利得
結合型DFBレーザ素子の一例を示す概略断面図であ
る。本実施形態に係る電流ブロック型利得性回折格子型
の利得結合型DFBレーザ素子は、上記第1の実施形態
に係る吸収性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子
10の吸収性回折格子構造の代わりに、電流ブロック型
利得性回折格子構造を用いているものである。このた
め、上記第1の実施形態の図1の吸収性回折格子型の利
得結合型DFBレーザ素子10の構成要素と同一の要素
には同一符号を付して説明を省略する。
【0036】図5に示されるように、本実施形態に係る
電流ブロック型利得性回折格子型の利得結合型DFBレ
ーザ素子10bにおいては、上記第1の実施形態の図1
の吸収性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10
におけるInGaAs吸収部22が所定の周期をもって
配列されてなる吸収性回折格子24の代わりに、n−I
nP電流ブロック部22aが所定の周期をもって配列さ
れてなる電流ブロック型利得性回折格子24bが形成さ
れている。こうして、電流ブロック型利得性回折格子構
造となっている。
【0037】但し、その他の構成要素は上記第1の実施
形態の場合と同一であるため、電流ブロック型利得性回
折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10bの構成に
ついてのこれ以上の説明は省略する。また、図5の電流
ブロック型利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ
素子10bを組み込んだ同軸型のDFBレーザモジュー
ルは、上記第1の実施形態の図3における吸収性回折格
子型の利得結合型DFBレーザ素子10を電流ブロック
型利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10
bに置換したものであり、その他の構成要素は同一であ
る。このため、その図示及び説明は省略する。
【0038】以上のように、本実施形態に係る電流ブロ
ック型利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子
10bによれば、その前端面に反射率10〜20%の反
射膜36をコーティングすることにより、上記第1の実
施形態の場合と略同様の効果を奏し、反射戻り光に対す
る高い耐性と高い単一モード歩留まり及びスロープ効率
との両立を実現することができる。
【0039】また、このような電流ブロック型利得性回
折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10bを組み込
んだDFBレーザモジュールによれば、この電流ブロッ
ク型利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子1
0bの奏する作用・効果により、上記第1の実施形態の
場合と略同様に、例えば加入者系において使用される光
アイソレータを内蔵しない低コストのDFBレーザモジ
ュールを提供することができる。
【0040】なお、上記第1〜第3の実施形態において
は、複数個のInGaAs吸収部22が周期的に配列さ
れてなる吸収性回折格子24を有する吸収性回折格子型
の利得結合型DFBレーザ素子10、周期的な凹凸形状
のMQW−SCH活性層16からなる活性層エッチング
型利得性回折格子24aを有する活性層エッチング型利
得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10a、
複数個のn−InP電流ブロック部22bが周期的に配
列されてなる電流ブロック型利得性回折格子24bを有
する電流ブロック型利得性回折格子型の利得結合型DF
Bレーザ素子10bについて説明しているが、本発明に
係るDFBレーザ素子は、これらに限定される必要はな
く、他の構造の利得結合型DFBレーザ素子であっても
よい。また、利得結合型DFBレーザ素子の代わりに、
複素結合型DFBレーザ素子であってもよい。
【0041】また、n−InP基板12上にMQW−S
CH活性層16が設けられているが、その活性層の構造
はMQW−SCH構造に限定されるものではなく、例え
ば単一QW(Quantum Well)構造、GRIN(Graded I
ndex)構造、歪QW構造、又はこれらを組み合わた構
造、更にはQW構造でないものまで他の種々の構造をと
ることが可能である。
【0042】また、n−InP基板12をp−InP基
板に代え、その上に形成される各種の半導体層の導電型
を逆にしたものであってもよい。更には、InP基板の
代わりにGaAs基板を用いると共に、活性層としてG
aAlAs系やInGaP系を用い、発振波長として約
700〜900nmや約660〜690nmを目標とし
た利得結合型又は複素結合型のDFBレーザ素子であっ
てもよい。
【0043】また、上記第1〜第3の実施形態において
は、同軸型のDFBレーザモジュールについて説明して
いるが、本発明に係るDFBレーザモジュールは同軸型
に限定されるものではなく、例えばDIL(Dual Inlin
e)型やバタフライ型など、他のモジュール形態を採用
する場合においても、同様の効果を得ることができる。
【0044】
【実施例】(実施例1〜3)実施例1〜3は、上記第1
の実施形態に対応するものである。即ち、図1及び図2
に示す吸収性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子
10並びにこれを組み込んだ図3に示すDFBレーザモ
ジュール50を作製し、その特性測定を行ったものであ
る。
【0045】先ず、例えばMOCVD(Metal Organic
Chemical Vapor Deposition;有機金属気相成長)装置
を用い、成長温度600℃の条件において、n−InP
基板12上に、厚さ500nmのn−InPバッファ層
14を積層成長し、このn−InPバッファ層14上に
厚さ5nmのInGaAsPウェル層と厚さ10nmの
InGaAsPバリア層とを交互に積層成長して厚さ1
50nmのMQW−SCH活性層16を形成し、このM
QW−SCH活性層16上に、p−InPクラッド層1
8の一部をなす厚さ100nmのp−InPスペーサ層
18a及び厚さ20nmのInGaAs吸収層を順に積
層成長する。
【0046】次いで、このInGaAs吸収層上に、フ
ォトレジストを約100nmの厚さに塗布した後、EB
(Electron Beam)描画装置を用いて、周期が約240
nmのレジスト回折格子パターンを形成する。このEB
レジスト回折格子のデューティ(duty)比は、0.5
(50%)程度とする。続いて、このレジスト回折格子
をエッチングマスクとして、InGaAs吸収層を選択
的にエッチングする。このエッチングにおいては、In
GaAs吸収層とp−InPスペーサ層18aとでエッ
チング選択性のない臭素系のエッチャントを用いて、I
nGaAs吸収層を貫通し、更に下地のp−InPスペ
ーサ層18a表面層を10nm程度エッチング除去する
まで行う。こうして複数個のInGaAs吸収部22が
約240nmの周期をもって配列されてなる吸収性回折
格子24を形成する。なお、このとき形成された吸収性
回折格子24のデューティ比は、0.3(30%)とな
るようにする。
【0047】次いで、レジスト回折格子パターンを除去
した後、例えばMOCVD装置を用いて、p−InPス
ペーサ層18a及びInGaAs吸収部22上に、p−
InP回折格子埋め込み層を成長し、吸収性回折格子2
4の凹凸を埋め込んでその表面を平坦化する。このとき
のp−InP回折格子埋め込み層の成長は、吸収性回折
格子24の形状が変形しないように、例えば520℃程
度の比較的低温で行う。なお、このp−InP回折格子
埋め込み層はp−InPクラッド層18の一部をなすも
のであるため、図1及び図2においてはp−InPクラ
ッド層18に含められている。
【0048】次いで、例えばプラズマCVD(Chemical
Vapor Deposition)装置を用いて、基体全面にSiNX
膜を成膜した後、フォトリソグラフィ技術及びRIE
(Reactive Ion Etching;反応性イオンエッチング)装
置を用いて、このSiNX膜をストライプ形状に加工す
る。続いて、このストライプ形状のSiNX膜をエッチ
ングマスクとし、p−InP回折格子埋め込み層からn
−InP基板12に達するまでエッチングして、MQW
−SCH活性層16や吸収性回折格子24を含む半導体
積層領域をメサストライプ形状に加工する。なお、この
メサストライプにおいて、MQW−SCH活性層16の
幅が約1.5μm程度となるように調節する。続いて、
このSiNX膜を選択成長用マスクとして、メサストラ
イプの両側にp−InP層26及びn−InP層28を
埋め込み成長して、キャリアブロック層30を形成す
る。こうして、埋め込みヘテロ構造とする。
【0049】次いで、SiNX膜を除去した後、基体全
面に、厚さ2μm程度のp−InPクラッド層18及び
高濃度に不純物ドープされた厚さ30nmのp−InG
aAsコンタクト層20を順に積層成長する。続いて、
n−InP基板12裏面を研磨して、その厚さが120
μm程度になるように調整する。次いで、p−InGa
Asコンタクト層20表面上に、Ti/Pt/Au上部
電極32を形成し、またn−InP基板12裏面上に、
AuGeNi下部電極34を形成する。
【0050】次いで、ウェーハ形状の基体を所定の方向
に劈開してバー化した後、例えばプラズマCVD装置を
用いて、その劈開面の一方の前端面に、SiNX膜から
なる反射膜36をコーティングすると共に、他方の後端
面に、この反射膜の反射率よりも高い反射率のSiNX
膜からなる高反射膜38をコーティングする。そして、
このとき、SiNX膜の組成又は膜厚を変えることによ
り、前端面にコーティングする反射膜36の反射率がそ
れぞれ1%、5%、10%、20%となるようにした。
具体的には、例えば反射膜の反射率が1%の場合に、S
iNX膜(屈折率n=1.97)の膜厚を200nmと
し、5%の場合に、SiNX膜(n=2.25)の膜厚
を170nmとし、10%の場合に、SiNX膜(n=
2.45)の膜厚を150nmとし、20%の場合に、
SiNX膜(n=2.90)の膜厚を130nmとした
(比較例1、2;実施例1、2)。
【0051】また、反射膜36をコーティングする代わ
りに前端面を劈開状態にして、その反射率が31%とな
るようにした(実施例3)。更に、他方の後端面には、
反射膜36の反射率又は劈開状態にした場合の反射率3
1%よりも高い反射率の高反射膜38をコーティングす
る。そして、その後、チップ化して、吸収性回折格子型
の利得結合型DFBレーザ素子10及びそれと同様の構
造のDFBレーザ素子を作製した。
【0052】次いで、この吸収性回折格子型の利得結合
型DFBレーザ素子10等を組み込んで図3に示すDF
Bレーザモジュール50等を作製するが、その製造方法
は公知であり、その説明は省略する。そして、これら各
々の吸収性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子1
0等を用いて組み立てた上記図3に示すDFBレーザモ
ジュール50等について、そのスロープ効率、伝送波
形、単一モード歩留まりについて調べた。
【0053】なお、伝送波形の良否についての判定は、
吸収性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10に
対する反射戻り光を−14dBとした場合の伝送信号の
アイパターン(Eye Pattern)を観察し、図6(a)に
表されるようにその信号波形に殆ど劣化がない場合を○
(良品)、図6(b)に表されるようにその劣化がひど
い場合を×(不良品)とした。次の表1に、特性測定の
結果をまとめて記載する。
【0054】
【表1】
【0055】(実施例4〜6)実施例4〜6は、上記第
2の実施形態に対応するものである。即ち、図4に示す
活性層エッチング型利得性回折格子型の利得結合型DF
Bレーザ素子10a及びこれを組み込んだDFBレーザ
モジュールを作製し、その特性測定を行った。
【0056】先ず、上記実施例1〜3の場合と同様の条
件により、n−InP基板12上に、n−InPバッフ
ァ層14、InGaAsPウェル層とInGaAsPバ
リア層とが交互に積層されたMQW−SCH活性層16
を形成する。次いで、このMQW−SCH活性層16上
に、フォトレジストを約100nmの厚さに塗布した
後、EB描画装置を用いて、周期が約240nmのレジ
スト回折格子パターンを形成する。このEBレジスト回
折格子のデューティ比は、0.5(50%)程度とす
る。
【0057】続いて、このレジスト回折格子をエッチン
グマスクとして、MQW−SCH活性層16を選択的に
エッチングする。こうしてMQW−SCH活性層16表
面を約240nmの周期をもった凹凸形状に加工し、こ
の周期的な凹凸形状のMQW−SCH活性層16からな
る活性層エッチング型利得性回折格子24aを形成す
る。
【0058】次いで、レジスト回折格子パターンを除去
した後、表面が凹凸形状をなすMQW−SCH活性層1
6上に、上記実施例1〜3の場合と同様のプロセスによ
り、p−InP回折格子埋め込み層を成長し、活性層エ
ッチング型利得性回折格子24aの凹凸を埋め込んでそ
の表面を平坦化する。なお、このp−InP回折格子埋
め込み層はp−InPクラッド層18の一部をなすもの
であるため、図4においてはp−InPクラッド層18
に含められている。
【0059】次いで、上記実施例1〜3の場合と同様の
プロセスにより、MQW−SCH活性層16や活性層エ
ッチング型利得性回折格子24aを含む半導体積層領域
をメサストライプ形状に加工した後、このメサストライ
プの両側にp−InP層及びn−InP層を埋め込み成
長して、キャリアブロック層を形成する。こうして、埋
め込みヘテロ構造とする。更に、基体全面に、p−In
Pクラッド層18及びp−InGaAsコンタクト層2
0を順に積層成長する。
【0060】続いて、このp−InGaAsコンタクト
層20表面上に、Ti/Pt/Au上部電極32を形成
し、また裏面研磨によって厚さを調整したn−InP基
板12の裏面上に、AuGeNi下部電極34を形成す
る。続いて、ウェーハ形状の基体を所定の方向に劈開し
てバー化した後、その劈開面の一方の前端面に反射膜3
6をコーティングする。このとき、前端面にコーティン
グする反射膜36の反射率がそれぞれ1%、5%、10
%、20%となるようにした(比較例3、4;実施例
4、5)。また、反射膜36をコーティングする代わり
に前端面を劈開状態にして、その反射率が31%となる
ようにした(実施例6)。
【0061】更に、劈開面の他方の後端面に、反射膜3
6の反射率又は劈開状態にした場合の反射率31%より
も高い反射率の高反射膜38をコーティングする。そし
て、その後、チップ化して、活性層エッチング型利得性
回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10a及びそ
れと同様の構造のDFBレーザ素子を作製した。次い
で、この活性層エッチング型利得性回折格子型の利得結
合型DFBレーザ素子10a等を組み込んでDFBレー
ザモジュールを作製する。そして、これらのDFBレー
ザモジュールについて、そのスロープ効率、伝送波形、
単一モード歩留まりについて調べた。
【0062】なお、伝送波形の良否についての判定方法
は、上記第1の実施形態の場合と同様とした。次の表2
に、特性測定の結果をまとめて記載する。
【0063】
【表2】
【0064】(実施例7〜9)実施例7〜9は、上記第
3の実施形態に対応するものである。即ち、図5に示す
電流ブロック型利得性回折格子型の利得結合型DFBレ
ーザ素子10b及びこれを組み込んだDFBレーザモジ
ュールを作製し、その特性測定を行ったものである。
【0065】なお、上記実施例1〜3の場合と比較する
と、p−InPスペーサ層18a上に積層成長したIn
GaAs吸収層を選択的にエッチングして、複数個のI
nGaAs吸収部22が約240nmの周期をもって配
列されてなる吸収性回折格子24を形成する工程の代わ
りに、p−InPスペーサ層18a上に積層成長したn
−InP電流ブロック層を選択的にエッチングして、複
数個のn−InP電流ブロック部22aが約240nm
の周期をもって配列されてなる電流ブロック性性回折格
子24bを形成する工程を用いている。そして、それ以
外の工程は同一である。
【0066】このため、実施例7〜9については、n−
InP基板12上へのn−InPバッファ層14等の形
成から、埋め込みヘテロ構造を形成したウェーハ形状の
基体を所定の方向に劈開してバー化するに到るまでのプ
ロセスの説明は省略する。次いで、劈開面の一方の前端
面に反射膜36をコーティングする。このとき、前端面
にコーティングする反射膜36の反射率がそれぞれ1
%、5%、10%、20%となるようにした(比較例
5、6;実施例7、8)。また、反射膜36をコーティ
ングする代わりに前端面を劈開状態にして、その反射率
が31%となるようにした(実施例9)。
【0067】更に、劈開面の他方の後端面に、反射膜3
6の反射率又は劈開状態にした場合の反射率31%より
も高い反射率の高反射膜38をコーティングする。そし
て、その後、チップ化して、電流ブロック型利得性回折
格子型の利得結合型DFBレーザ素子10b及びそれと
同様の構造のDFBレーザ素子を作製した。次いで、こ
の電流ブロック型利得性回折格子型の利得結合型DFB
レーザ素子10b等を組み込んでDFBレーザモジュー
ルを作製する。そして、これらのDFBレーザモジュー
ルについて、そのスロープ効率、伝送波形、単一モード
歩留まりについて調べた。なお、伝送波形の良否につい
ての判定方法は、上記第1の実施形態の場合と同様とし
た。次の表3に、特性測定の結果をまとめて記載する。
【0068】
【表3】
【0069】これらの表1〜3から次のことが明らかに
なる。 (1)スロープ効率は、吸収性回折格子型、活性層エッ
チング型利得性回折格子型、及び電流ブロック型利得性
回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10、10
a、10bにおいて、その前端面の反射率が大きくなる
に連れて低下する傾向にある。吸収性回折格子型及び電
流ブロック型利得性回折格子型の利得結合型DFBレー
ザ素子10、10bの場合、反射率1〜20%の範囲
(比較例1、2、実施例1、2;比較例5、6、実施例
7、8)においては、0.4W/Aのオーダが確保され
るものの、反射率31%(実施例3;9)になると、
0.3W/Aのオーダに低下した。活性層エッチング型
利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子10a
の場合は、他の構造の吸収性回折格子型及び電流ブロッ
ク型利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子1
0、10bの利得結合型DFBレーザ素子と比較して若
干スロープ効率が低く、反射率1〜20%の範囲(比較
例3、4、実施例4、5)においては、0.3W/Aの
オーダが確保されるものの、反射率31%(実施例6)
になると、0.2W/Aのオーダに低下した。
【0070】(2)反射戻り光による伝送信号波形の劣
化は、前端面の反射率が1〜5%の範囲(比較例1、
2;3、4;5、6)で見られるものの、10%以上
(実施例1〜3;4〜6;7〜9)になると、殆ど劣化
は観察されず、良好な伝送特性が得られた。 (3)単一モード歩留まりは、前端面の反射率が大きく
なるに連れて僅かに低下する傾向にある。吸収性回折格
子型及び活性層エッチング型利得性回折格子型の利得結
合型DFBレーザ素子10、10aにおいては、何れの
場合(比較例1、2、実施例1〜3;比較例3、4、実
施例4〜6)も、90%以上の高い歩留まりが得られ
た。電流ブロック型利得性回折格子型の利得結合型DF
Bレーザ素子10bにおいては、他の構造の吸収性回折
格子型及び活性層エッチング型利得性回折格子型の利得
結合型DFBレーザ素子10、10aと比較すると若干
低いものの、何れの場合(比較例5、6、実施例7〜
9)も、80%以上の高い歩留まりが得られた。
【0071】以上の結果から、反射戻り光に対する高い
耐性と高いスロープ効率及び単一モード歩留まりとを両
立させる観点からは、吸収性回折格子型の利得結合型D
FBレーザ素子10の前端面の反射率が10〜20%の
範囲(実施例1、2)であることが望ましいと確認され
た。次いで、前端面の反射率が10%、20%の吸収性
回折格子型、活性層エッチング型利得性回折格子型、及
び電流ブロック型利得性回折格子型の利得結合型DFB
レーザ素子10、10a、10bについて、−40℃〜
+85℃の広温度範囲における動作試験を行った。具体
的には、−40℃、−20℃、+25℃、+75℃、+
85℃の各温度において、伝送波形及び光スペクトルの
測定を行った。その結果、何れの温度においても、単一
モードで且つ良好な伝送波形が観測された。
【0072】また、吸収性回折格子型の利得結合型DF
Bレーザ素子10と同様の構造を有する従来の屈折率結
合型DFBレーザ素子を作製し、その前端面の反射率を
1%、5%、10%、20%、31%とした場合につい
て、そのスロープ効率、伝送波形、単一モード歩留まり
について調べた(比較例7〜11)。その結果を次の表
4に示す。
【0073】
【表4】
【0074】この表4の結果を上記の表1〜3の結果と
比較すると、単一モード歩留まりが大幅に低下している
ことが明らかである。このことから、前端面の反射率を
後端面の反射率よりも小さくし、且つその値を10%以
上にすることは、利得結合型DFBレーザ素子(又は複
素結合型DFBレーザ素子)に適用してこそ、高いスロ
ープ効率及び単一モード歩留まりを共に実現するという
効果を発揮することができるのであって、屈折率結合型
DFBレーザ素子に適用した場合、必ずしも同様の効果
を期待することができる訳ではないといえる。
【0075】
【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明に
係るDFBレーザ素子及びレーザモジュールによれば、
次のような効果を奏することができる。即ち、請求項1
に係るDFBレーザ素子によれば、利得結合型又は複素
結合型の分布帰還型半導体レーザ素子において、一方の
端面の反射率を他方の端面の反射率よりも小さく且つ1
0%以上にすることにより、広温度範囲における安定し
た単一モード動作を実現し、反射戻り光に対する高い耐
性と高い単一モード歩留まり及びスロープ効率との両立
を実現することができる。
【0076】また、請求項3に係るレーザモジュールに
よれば、上記請求項1に係るDFBレーザ素子を組み込
むことにより、光アイソレータの内蔵を不要とすること
が可能になり、例えば加入者系において使用される低コ
ストのレーザモジュールを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る吸収性回折格子
型の利得結合型DFBレーザ素子を示す概略断面図であ
る。
【図2】図1のDFBレーザ素子(但し、両端面の反射
膜を除く)の部分切欠斜視図である。
【図3】図1及び図2の吸収性回折格子型の利得結合型
DFBレーザ素子を組み込んだ同軸型のDFBレーザモ
ジュールを示す概略断面図である。
【図4】本発明の第2の実施形態に係る活性層エッチン
グ型利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子を
示す概略断面図である。
【図5】本発明の第3の実施形態に係る電流ブロック型
利得性回折格子型の利得結合型DFBレーザ素子を示す
概略断面図である。
【図6】伝送特性を調べるための反射戻り光に対する伝
送信号のアイパターンを示す図である。
【符号の説明】
10 吸収性回折格子型の利得結合型DFBレーザ
素子 10a 活性層エッチング型利得性回折格子型の利得
結合型DFBレーザ素子 10b 電流ブロック型利得性回折格子型の利得結合
型DFBレーザ素子 12 n−InP基板 14 n−InPバッファ層 16 MQW−SCH活性層 18 p−InPクラッド層 18a p−InPスペーサ層 20 p−InGaAsコンタクト層 22 InGaAs吸収部 22a n−InP電流ブロック部 24 吸収性回折格子 24a 活性層エッチング型利得性回折格子 24b 電流ブロック型利得性回折格子 26 p−InP層 28 n−InP層 30 キャリアブロック層 32 Ti/Pt/Au上部電極 34 AuGeNi下部電極 36 反射膜 38 高反射膜 50 レーザモジュール 52 ステム 54 キャップ 56 台座 58a,58b,58c リードピン 60 窓 62 フェルール 64 光ファイバ 66 レンズ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 粕川 秋彦 東京都千代田区丸の内2丁目6番1号 古 河電気工業株式会社内 Fターム(参考) 2H037 AA01 BA03 CA13 5F073 AA22 AA45 AA64 AA74 AA76 AA83 AB27 AB28 BA02 CA12 CB02 CB20 DA05 DA32 EA03 EA17 EA29 HA08

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 利得結合型又は複素結合型の分布帰還型
    半導体レーザ素子であって、一方の端面の反射率が他方
    の端面の反射率よりも小さく、且つその値が10%以上
    であることを特徴とする分布帰還型半導体レーザ素子。
  2. 【請求項2】 前記一方の端面の反射率が、20%以下
    である、請求項1記載の分布帰還型半導体レーザ素子。
  3. 【請求項3】 前記利得結合型の分布帰還型半導体レー
    ザ素子が、吸収性回折格子型の分布帰還型半導体レーザ
    素子である、請求項1記載の分布帰還型半導体レーザ素
    子。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかに記載の分布
    帰還型半導体レーザ素子と、光ファイバと、前記分布帰
    還型半導体レーザ素子と前記光ファイバとを光学的に結
    合するレンズとを有することを特徴とするレーザモジュ
    ール。
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