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JP3595677B2 - Optical isolator, distributed feedback laser and optical integrated device - Google Patents

Optical isolator, distributed feedback laser and optical integrated device Download PDF

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JP3595677B2 JP11488998A JP11488998A JP3595677B2 JP 3595677 B2 JP3595677 B2 JP 3595677B2 JP 11488998 A JP11488998 A JP 11488998A JP 11488998 A JP11488998 A JP 11488998A JP 3595677 B2 JP3595677 B2 JP 3595677B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光アイソレータ、分布帰還型レーザ及び光集積素子に関する。さらに具体的には、本発明は、コンパクトで高い方向性を有し光の結合も良好な導波路型光アイソレータ、分布帰還型レーザ及びそれらをモノリシックに集積した光集積素子に関する。
【0002】
【従来技術とその問題点】
分布帰還型レーザ(DFBレーザ:Distributed FeedBack laser)は、導波路に沿って回折格子を設け、この回折格子からのブラッグ(Bragg )回折光を光帰還(optical feedback)に利用してレーザ発振を生じさせることを特徴とする。発振縦モードが、この回折格子の周期により選択されるため、単一縦モード(single longitudinal mode)発振が可能であるという利点を有する。DFBレーザは、このような利点を生かして、光ファイバを介した高速光通信や計測用の光源として利用されている。
【0003】
ところが、DFBレーザは戻り光に弱いという欠点がある。すなわち、せっかく発振していた単一縦モードの発振条件が、外部からの戻り光により乱されという問題がある。そのため、発振波長が変動したり(波長チャープ(chirp )という)、最悪の場合は縦モードのジャンプ等の不安定性が生ずる。
【0004】
したがって、DFBレーザには光アイソレータが必要である。一般に用いられている光アイソレータは、ファラデー(Faraday )素子を用いるものが多い。光アイソレータを開示した文献としては、例えば、伊藤良一、中村道治著、“半導体レーザ”、培風館、ISBN4−563−03437−1,C3055,P6386E、p.276−277を挙げることができる。しかし、このような従来の光アイソレータは、材料的にDFBレーザとは異なるために、DFBレーザ素子とモノリシックに集積することが困難であった。従って、DFBレーザとは別の部品として製造され、これらの光軸が合うように調節して組み立てる必要があった。また、これらの光アイソレータは、磁界を必要とするためサイズも大きく、価格も高価であり、DFBレーザを搭載したモジュールのコストも高いという問題があった。
【0005】
このような問題に対して、半導体基板に集積できる全く別のタイプの光アイソレータが提案されている。このタイプの光アイソレータを開示した文献としては、例えば、特開平8−179142号公報を挙げることができる。
【0006】
図8は、この光アイソレータの概略構成を例示した概念斜視図である。同図に表した光アイソレータは、半導体基板Sの上において回折格子111を導波方向に対して斜めに配置し、かつ導波構造の片側の屈折率nを低くして非対称化し、戻り光はn側に放射モードとして散逸させるようにしている。
しかし、この構成においては、次のような欠点がある。つまり、導波構造が左右非対称であるため、出力ビームも左右非対称の分布を有し、光ファイバとの結合性が劣化する。また、屈折率の異なるnの層を別個に結晶成長しなければならず、製造工程が複雑になる。さらに、斜めに形成した回折格子を利用するとDFBレーザとしての結合が劣化する。
【0007】
本発明は、かかる課題の認識に基づいてなされたものである。すなわち、その目的は、高い方向性を有し、小型で、光ファイバやDFBレーザとの結合も良好で、製造も容易な光アイソレータ、分布帰還型レーザおよびこれらを集積した光集積素子を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の光アイソレータは、断面形状が鋸歯状の2次以上の回折格子を有する導波路と、前記導波路の上または下のいずれか一方側に設けられ、前記導波路から放出される放射モード光を前記導波路に戻すようにした反射構造と、前記導波路の上または下の他方側に設けられ、前記導波路から放出される放射モード光を前記導波路に戻さないようにした非反射構造と、を備えたことを特徴とする。
【0009】
また、本発明の分布帰還型レーザは、活性層と、断面形状が鋸歯状の2次以上の回折格子を有する導波路と、前記導波路の上または下のいずれか一方側に設けられ、前記導波路から放出される放射モード光を前記導波路に戻すようにした反射構造と、前記導波路の上または下の他方側に設けられ、前記導波路から放出される放射モード光を前記導波路に戻さないようにした非反射構造と、を備えたことを特徴とする。
【0010】
ここで、前記反射構造は、前記導波路からしみ出して伝搬する導波モード光に影響を与えないように前記導波路から離れて設けられ、前記非反射構造は、前記導波路からしみ出して伝搬する導波モード光に影響を与えないように前記導波路から離れて設けられたことを特徴とする。
【0011】
また、前記非反射構造は、前記導波路を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料により構成されたことを特徴とする。
【0012】
または、前記非反射構造は、前記放射モード光に対する無反射コートであることを特徴とする。
【0013】
また、前記反射構造は、前記放射モード光に対するブラッグ多層反射膜であることを特徴とする。
【0014】
また、前記回折格子は、複数の異なる周期を有することを特徴とする。
【0015】
また、前記導波路の実効屈折率が一定でないものとして構成されていることを特徴とする。
【0016】
また、前記回折格子は、少なくとも1つ以上の位相シフトを有することを特徴とする。
【0017】
一方、本発明の光集積素子は、前述したいずれかの光アイソレータと、前述したいずれかの分布帰還型レーザとがモノリシックに集積されてなることを特徴とする。
【0018】
また、外部変調器がさらに集積されてなることを特徴とする。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明は、鋸歯状の断面形状を有する2次以上の回折格子と、その上または下のいずれかの側に配置した反射構造とにより、高い方向性を有する光アイソレータを提供するものである。すなわち、一般に、2次以上の回折格子を有する導波構造においては、導波光は放射モードとして散逸する。しかし、それを反射して導波路に戻すと散逸による損失が減る。ブレーズ回折格子、すなわち、非対称の断面形状を有する回折格子を用いた場合には、導波光の進行方向にいずれかについて、放射モードが極端に強くなる。従って、この方向に反射構造を設けると損失は減る。この反対側においては、反射構造を設けずに放射モードを散逸させても、もともと放射モードが少ないので損失は少ない。
【0020】
一方、導波光が逆方向に進行した場合は、反射構造を設けない散逸側の放射モードが増え、反射構造側の放射モードが少なくなる。したがって、逆方向の進行波に対しての損失が大きくなる。このようにして導波光の進行方向に依存して損失が異なる光アイソレータを実現することができる。
この光アイソレータは、DFBレーザの回折格子の延長として形成できるので、DFBレーザや外部変調器とモノリシックに集積しやすいという利点も有する。
【0021】
以下に図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる光アイソレータの概略構成を例示する概念図である。すなわち、同図は、光アイソレータの導波路に沿った断面構造を表す。本実施形態の光アイソレータは、n型InP基板1の上に、InGaAs吸収層30、n型InPクラッド層2、InGaAsP層4、p型InPクラッド層5、p型InGaAsP層6、反射構造20が順に積層された構成を有する。
【0022】
吸収層30は、放射モード光に対する吸収係数が高い材料であれば良く、例えば、導波路層4よりもバンドギャップが小さい半導体材料を用いることにより形成することができる。
【0023】
導波層4の表面には、図示したような方向に鋸歯状の非対称な断面形状を有する2次の回折格子10が形成されている。ここで、回折格子の「次数」は、回折格子の周期とブラッグ反射により回折を生じさせる光の波長との関係で決定される。例えば、1次の回折格子は、光の波長に対応した1次の周期を有する。2次の回折格子は、1次の回折格子の2倍の周期を有する。たとえば、波長1.3μm帯のInGaAsP/InP系の光素子では、1次の回折格子の周期は約0.2μmである。その形成に要求される加工精度は、0.1μmに匹敵し、その深さの制御も難しい。これに対し、2次の回折格子の周期は0.4μmであり、製作がはるかに容易であるという特徴も有する。
一方、反射構造20は、例えば、屈折率が異なる2種類の誘導体膜を交互に積層させたブラッグ多層反射膜により形成することができる。このようなブラッグ多層反射膜の各層の屈折率と膜厚とを適宜選択することにより、放射モード光に対して高い反射率を有する反射構造を得ることができる。
【0024】
図1の光アイソレータの製造工程の概略は以下の如くである。まず、n型InP基板1の上に、放射モード光に対するInGaAs吸収層30を2.5μmの厚さに成長する。続いて、n型InPクラッド層2を約1μmの厚さに成長する。これは、導波モードに影響を与えない厚さである。つまり、導波モード光のクラッド層へのしみ出しに対して影響を与えない距離に吸収層30を設けている。
【0025】
次にInGaAsP層4を約0.3μm成長する。ここまでの結晶成長は連続して行う。導波層4の表面には、図示したような方向にブレーズ角(blaze angle )を有する鋸歯状の非対称な2次の回折格子10が形成され導波路を構成している。このような回折格子の形成方法としては、例えば、導波路層4の表面にレジストを塗布してEB(電子ビーム)露光を行った後、基板を傾斜させてイオンミリング法によりその表面を加工し、最後に適当な溶液(エッチャント)で表面を仕上げる方法がある。このようにして得られる回折格子の深さは約0.1μmである。
【0026】
次に、この上にp型InPクラッド層5を約1μm以上の厚さに成長する。さらに、表面保護のためp型InGaAsP層6を成長する。これらの層は、DFBレーザとの集積などを考慮してp型としてあるが、光アイソレータ単体としてのみ用いる場合にはn型でも良い。
【0027】
最後に、例えば誘導体多層膜よりなる反射構造20を堆積させて形成する。反射構造20の反射率は、例えば約95%とすることができる。この反射構造20は吸収層30と同様に、導波モードのしみ出し範囲の殆ど外側にあり、導波モード光に影響を与えないようにする。このようにして図1の光アイソレータが完成する。
【0028】
次に、本発明の光アイソレータの動作メカニズムについて説明する。
図1の光アイソレータは、2次以上の回折格子を有する。特に、2次の回折格子をもつ導波構造は、導波方向に垂直に基板側(substrate side)とその反対の方向(superstrate side)の両方向に放射モード(radiation mode)光を放出する。さらに、図1の光アイソレータは、2次の回折格子の断面形状が進行方向で非対称、つまりブレーズ角(blaze angle )を有する。すると、左右いずれか一方への光波の進行方向に対して、ブレーズ角によって基板側の放射モードが強くなったり、その反対側の放射モードが強くなったりする。光波の進行方向が逆転すると、基板側とその反対側への分配比も逆転する。
【0029】
具体的には、図1において、導波光が向かって右から左に進む場合は、矢印Cで表したように放射モード光の殆んどが基板1側に放射される。この光は吸収層30に吸収されるので導波路には戻らず、そのまま導波損失となる。
【0030】
一方、導波光が向かって左から右に進む場合は、矢印Aで表したように放射モード光の殆んどが基板と反対側の上向きに放射される。この光は反射構造20によって反射され矢印Bで示したように導波構造に戻る。したがって、左から右方向の場合は、導波路の損失は小さい。この構造は、一次元のスラブ(slab)構造によって簡単に原理を理解できる。
図2は、非対称な回折格子における導波特性の参考例を表すグラフ図である。すなわち、同図は、Strefer らにより”Analysis of Grating−Coupled Radiation in GaAs:GaAlAs lasers and Waveguides−II:Blazing Effects” なる題名で IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.QE−12,pp.4494−4499,1976 に掲載されたグラフ図である。同図の横軸は回折格子の形状パラメータδ、縦軸は回折格子から放出される光の出力をそれぞれ表す。ここで、図中の横軸の形状パラメータδは、回折格子の断面形状の非対称性(blaze )を表し、挿入図から理解できるようにδ=△/Λ=0.5が対称な断面形状の回折格子に対応する。挿入図に示されるように、左から右に導波光が進み、δ=△/Λ=1.0とすると、基板側への放射モード(▲3▼)が強くなり、その反対側への放射モード(▲1▼)は極めて小さくなることを定量的に理解することができる。
【0031】
本発明においては、このような非対称の回折格子の片側のみに反射構造を設ける。反射構造があると放射モードが導波構造に戻るため、導波構造の損失が小さくなる。つまり、この方向に進む導波光の損失が小さくなる。
【0032】
逆方向に進む導波光は、△/Λ=1の場合と等価となるため、基板の反対方向への放射モード(▲1▼)が極めて大きくなる。この方向には反射構造がないので、導波構造の損失が大きくなる。
【0033】
本発明によれば、以上説明したような導波光の方向の非相反性により、一方向の導波光(この場合、左から右方向)のみを損失少なく導波する構造が実現でき、高い方向選択性を有し極めてコンパクトな導波路型光アイソレータを実現できる。
【0034】
図8に例示したような従来の光アイソレータでは、紙面に対して垂直な方向の導波路側面を埋め込む半導体層を両側面でそれぞれ別の組成(別の屈折率)とする必要があった。本発明によれば、このような必要もない。すなわち、従来と全く同様にストライプ構造を形成できる。従って、この後の工程が増えることもない。また、導波路モードのNFP(近視野像:near field pattern)も対称であり、ファイバなどに対する光結合も極めて容易であるという利点も有する。
【0035】
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
図3は、本発明の第2の実施の形態にかかる光アイソレータの要部構成を表す断面概念図である。本実施形態においても、2次以上の回折格子10が設けられ、その上下に反射構造と吸収構造がそれぞれ設けられている。
【0036】
前述した第1実施形態の光アイソレータとの相違点は、
1)回折格子10の下側には、吸収層30の代わりに反射構造20が設けられていること、
2)回折格子の上側には、反射構造20の代わりに無反射コート(AR:Anti−reflection coat)40が設けられていること、
の2点である。ここで、反射構造20は、例えば、半導体結晶層の多層構造からなる高反射DBR(Distributed Bragg Reflector :分布反射鏡)とすることができる。また、無反射コート40としては、例えば、1/4波長膜、すなわち放射モード光の波長をλ、屈折率をnとしたときに、λ/4nなる膜厚を有する誘電体薄膜を用いることができる。これら以外の各要素は、図1に関して前述した第1実施形態と同様とすることができるので、同一の符合を付して詳細な説明は省略する。
【0037】
本実施形態においては、反射と吸収の機能が回折格子10の上下で逆になっているだけであり、動作の原理は第1実施形態と同一である。すなわち、同図において右から左に向かって進む導波光は、矢印Aで示したように、回折格子10によって下側に放射される。そして、反射構造20により反射され、矢印Bで示したように回折格子10に戻り、左側に進行する。
【0038】
一方、図中の左から右に向かって進む導波光は、矢印Cによって示したように回折格子10によって上方に放射される。回折格子10の上側に設けられた無反射コート40は反射率が極めて低いので、回折格子10から放出された光は反射されずに外部に放出され、回折格子10に戻る成分は極めて少ない。
【0039】
結局、図3の光アイソレータにおいては、図中の左から右に向かって進む導波光成分に対する導波損失が高く、右から左に向かって進む導波光成分に対する導波光成分に対する導波損失が低くなる。このようにして方向性が得られ、光アイソレータとして動作することができる。本実施形態においても、図1に関して前述した種々の効果を同様に得ることができる。
【0040】
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
図4は、本発明の第3の実施の形態にかかる光アイソレータの要部構成を表す断面概念図である。本実施形態においても、回折格子10’が設けられ、その上側に吸収構造40、下側に反射構造20がそれぞれ設けられている。基本的な構成とその動作については、図3に関して前述した第2実施形態と同様であるので、各要素には同一の符合を付して詳細な説明は省略する。
【0041】
本実施形態の特徴的な点は、回折格子10’が周期Λと周期Λの2種類の周期を有する点である。このようにすれば、これらの周期に対応する2種類の異なる波長の導波光に対して光アイソレータとして対応できる。すなわち、光アイソレータの対応波長のダイナミックレンジを広げることができる。
【0042】
さらに、導波路の軸方向に沿って回折格子の周期が異なる場所に設けると、実効的に位相シフトを設けた場合と同様の効果も得られる。従って、位相シフト効果により、導波光および放射モード光の共振器軸方向のプロファイルを制御することが可能となる。
【0043】
また、図示しないが、3以上の異なる周期を回折格子に導入するすることにより、3以上の異なる波長の導波光に対して、同様に光アイソレータとして対応することができる。さらに、回折格子の周期を連続的に変化させれば、連続的な波長範囲の導波光に対して光アイソレータとして機能するようにできる。
【0044】
なお、回折格子の周期を変化させるのではなく、導波路の実効屈折率を軸方向に沿って変化させても同様の効果を得ることができる。
【0045】
次に、本発明の第4の実施の形態について説明する。
図5は、本発明の第4の実施の形態にかかる光アイソレータの要部構成を表す断面概念図である。本実施形態の光アイソレータは、図3に関して前述した第2実施形態のものと類似した構成を有するので、同様の要素には同一の符合を付して詳細な説明は省略する。
【0046】
本実施形態においては、回折格子10”の中に格子の周期を不連続にずらした部分、つまり位相シフト11が設けられている点が異なる。この位相シフト11のずれ量は、例えば導波している管内波長λに対して、λ/4とすることができる。位相シフト11を設けることにより、導波光および放射モード光の共振器の軸方向のプロファイルを制御することが可能となる。
【0047】
図5は、右行きの導波光に対して透過性が良く、逆向きに対して減衰も大きいアイソレータ導波路である。位相シフトを通過すると、光波と回析格子10の位相のズレにより減衰率が大きくなる。位相シフト11を図5のアイソレータ導波路の出口(右)寄りに設ける。すると、右行きの導波光は減衰が小さいが、左行き導波光は、位相シフト11を超えてからの距離が長いため、減衰が大きくなる。これを図中の矢印の光強度変化で示す。つまり、位相シフト11により、アイソレーションの効果をさらに効果的にできる。
【0048】
なお、本実施形態において導入したような位相シフトは、前述した第1、第3実施形態の光アイソレータについても同様に導入して同様の効果を得ることができる。
【0049】
次に、本発明の第5の実施の形態について説明する。
図6は、本発明の実施の形態にかかるDFBレーザの要部構成を表す断面概念図である。すなわち、本実施形態のDFBレーザは、前述した各実施形態の光アイソレータの構造と動作原理をDFBレーザに応用した具体例である。
【0050】
図6に例示したレーザは、一例として図1に表した第1実施形態の光アイソレータと同様の構成を有するものである。従って、図1と同様の要素には、同一の符合を付して詳細な説明は省略する。但し、図6のDFBレーザは、活性層3を有する。活性層3は、発光と導波機能の役割を有する。ここで、活性層3は、単一の半導体層でも良く、または、MQW構造(Multiple Quantum Well :多重量子井戸)のような多層の高効率な構造であっても良い。
【0051】
反射構造20は、p型の半導体層で構成する。また、p型InGaAsP層6は電極とのコンタクトを改善する役割を有する。半導体結晶層の上下には通電のための、p側電極100、n側電極200が設けられている。
【0052】
DFBレーザにおいては、左右両方向へそれぞれ進行する導波光が回折格子10を介して互いにフィードバック(feedback)し合って共振することにより発振する。本実施形態の場合は、第1実施形態の光アイソレータと同様のメカニズムにより、図中の右方向に進む導波光の放射モード損が少なく、右側の端面からの光出力が強くなる。逆に、左方向に進む導波光は放射モード損が大きいので、左側の端面であまり出力強度が大きくならない。
【0053】
つまり、本実施形態によれば、出力面でのスロープ効率を改善することができる。しかも、レーザ自体にアイソレータ機能が含まれるので、戻り光に対する耐性も強化される。DFBレーザは、特に戻り光により発振条件が不安定化しやすうという特質を有するので、本実施形態は、この点で特に効果的である。
さらに、本実施形態によれば、縦モード間のしきい値のゲイン差が大きくなるので、単一縦モード性能が向上するという効果も得られる。
【0054】
ここで、本発明によれば、図示した具体例以外にも、前述した第2〜第4実施形態の光アイソレータの構成に対応したDFBレーザも同様に提供することができる。すなわち、吸収構造と反射構造の位置関係を逆転したり、回折格子の周期を変化させたり、または、回折格子に位相シフトを導入することにより、それぞれ前述したような種々の効果に対応した効果を有するDFBレーザが得られる。
【0055】
さらに、これらのDFBレーザを面発光型レーザとして用いることも可能である。すなわち、回折格子のいずれかの側に設けられた反射構造20または吸収構造を透過して外部に放出される光を出力として用いると、光出力は高くないが、しきい値やその他の発振特性が極めて優れた面発光型のDFBレーザを実現することができる。このような面発光型のDFBレーザは、前述した各実施形態の光アイソレータと容易に集積化が可能で、極めてコンパクトかつ高性能の光アイソレータ/面発光型レーザの光集積素子を実現できる。
【0056】
次に、本発明の第6の実施の形態について説明する。
図7は、本発明の実施の形態にかかる光集積素子の要部構成を表す断面概念図である。本実施形態の光集積素子は、モノリシック、すなわち、同一基板上に複数の素子が集積されてなる。図7においては、一例として前述した第5実施形態のDFBレーザと、第1実施形態の光アイソレータと、導波路型の電界吸収型外部変調器(EAM:Electro−Absorption Modulator)とをモノリシックに集積した具体例に対応する。
【0057】
DFBレーザは、p側電極101を通じてDC駆動させる。吸収層7のある領域がEAMである。EAMは、p側電極102に負の電圧を印加することにより吸収係数を変調することができる。DFBレーザの活性層3で発生した導波光は、この吸収係数の変化に対応して変調され、図中の右側に出力される。
【0058】
DFBレーザとEAMの間には、第1の光アイソレータOI1が設けられている。第1の光アイソレータOI1は、プロトン(H)照射領域300を有し、DFBとEAMとを電気的に絶縁(アイソレート)している。導波光についても、DFBレーザとEAMとがアイソレートされないと、DFBレーザに戻り光が入力され光出力や波長が変動するため好ましくない。本実施形態によれば、DFBレーザとEAMとの間の活性層を除去するだけで、容易に光アイソレータを集積することができる。さらに、EAMの出力側にも同様の簡略なプロセスで第2の光アイソレータOI2を集積することができ、外部からの戻り光を抑制することができる。
【0059】
本実施形態によれば、DFBレーザと第1の光アイソレータと電界吸収型外衣部変調器と第2の光アイソレータとを極めてコンパクトに集積することができる。また、これらの各素子は導波路を共有しているので、素子間の光結合も十分に確保することができる。さらに、本実施形態によれば、光集積素子の吸収層30、回折格子10、反射構造20も共通の工程で形成できるので、簡単な工程により高性能の光集積素子を製造することができる。
【0060】
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲において種々の応用が可能であり、これらの具体例に限定されるものではない。
【0061】
例えば、本発明は、前述した具体例以外にも、GaAlAs/GaAs系、GaInAlP/GaAs系、GaN系などの種々の材料系にも同様に適用して同様の効果を得ることができる。
【0062】
また、回折格子や反射構造、吸収・無反射構造などの配置関係についても、前述した基板の上下方向には限定されない。たとえば、導波路の側面、すなわち基板に対して垂直方向の面に回折格子を形成し、その両側に反射構造と吸収構造とを配置しても良い。すなわち、この場合には、反射構造と回折格子と吸収構造とは、基板の面内方向に配置されることとなる。
【0063】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したような形態で実施され、以下に説明する効果を奏する。
【0064】
まず、本発明によれば、導波路の基本構造に手を加えることなく、回折格子の形状を工夫し、導波構造の外側に高反射、無反射構造を形成することで、半導体導波路型光アイソレータを構成できる。すなわち、2次以上の非対称である鋸歯状回折格子とその上下側にそれぞれ配置した反射構造と吸収構造とにより、極めてコンパクト且つ高い効率を有する光アイソレータを実現することができる。従って、導波路のNFP(近視野像)や出射されるビームのFFP(遠視野像)を大きく変形することがなく、光ファイバや種々の光素子と極めて高い効率で光結合することができる。
【0065】
また、本発明によれば、回折格子の周期を変化させることにより、波長のダイナミックレンジを容易に拡大し、種々の波長に対して作用する光アイソレータを実現することができる。
【0066】
さらに、本発明によれば、回折格子に位相シフトを設けることにより、導波光や放出光の分布を制御して光の方向性や発光特性などを最適化することができる。
【0067】
また、本発明によれば、戻り光に強く、出力側の効率が高く、縦モードが安定したDFBレーザを実現できる。
【0068】
さらに、本発明によれば、DFBレーザや導波路型変調器と光アイソレータとのモノリシックな集積が極めて容易となる。すなわち、回折格子、反射構造、無反射構造を共通に構成することができ、製作が容易である。これにより、別個の光アイソレータが不要となるため、光モジュールのコストを大きく低減できる。また、各素子は導波路を共有しているので、素子間の光結合も十分に確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態の光アイソレータを示す断面図である。
【図2】非対称な回折格子からの放射モードの基板側とその反対側へのパワー分配比の例を示すグラフ(公知文献より)である。
【図3】本発明の第2の実施形態の光アイソレータを示す断面図である。
【図4】本発明の第3の実施形態の光アイソレータを示す断面図である。
【図5】本発明の第4の実施形態の光アイソレータを示す断面図である。
【図6】本発明の第5の実施形態のDFBレーザを示す断面図である。
【図7】本発明の第6の実施形態の光アイソレータ、DFBレーザおよび導波路型変調器のモノリシック集積素子を示す断面図である。
【図8】従来の導波路型光アイソレータの例を示す斜視図である。
【符号の説明】
1 n型InP基板
2 n型InPクラッド層
3 InGaAsPレーザ活性層(含むNQW構造)
4 InGaAsP導波層
5 p型InPクラッド層
6 p型InGaAsP層(DFBレーザ、変調器の場合はp電極とのコンタクト層)
10 2次の回折格子(鋸歯状断面)
11 位相シフト
20 反射構造
21 端面
30 放射モード吸収層
40 ARコート(対放射モード)
41 端面ARコート
100 p側電極(DFBレーザ)
101 p側電極(集積DFBレーザ)
102 p側電極(集積変調器)
200 n側電極
300 プロトン(H)照射絶縁領域
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical isolator, a distributed feedback laser, and an optical integrated device. More specifically, the present invention relates to a waveguide type optical isolator, a distributed feedback type laser, and a monolithically integrated optical integrated device, which are compact, have high directivity, and have good light coupling.
[0002]
[Prior art and its problems]
In a distributed feedback laser (DFB laser), a diffraction grating is provided along a waveguide, and laser oscillation is generated by using Bragg diffracted light from the diffraction grating for optical feedback (optical feedback). It is characterized by making it. Since the oscillation longitudinal mode is selected by the period of the diffraction grating, there is an advantage that a single longitudinal mode (single longitudinal mode) oscillation is possible. The DFB laser is utilized as a light source for high-speed optical communication and measurement via an optical fiber, taking advantage of such advantages.
[0003]
However, the DFB laser has a disadvantage that it is weak to return light. In other words, there is a problem that the oscillation condition of the single longitudinal mode, which has been oscillating, is disturbed by external returning light. Therefore, the oscillation wavelength fluctuates (referred to as a wavelength chirp), and in the worst case, instability such as a jump in a longitudinal mode occurs.
[0004]
Therefore, the DFB laser requires an optical isolator. Many commonly used optical isolators use a Faraday element. Documents disclosing the optical isolator include, for example, Ryoichi Ito and Michiharu Nakamura, “Semiconductor Laser”, Baifukan, ISBN4-563-03437-1, C3055, P6386E, p. 276-277. However, such a conventional optical isolator is difficult to monolithically integrate with a DFB laser device because the material is different from a DFB laser. Therefore, it was manufactured as a separate component from the DFB laser, and it was necessary to adjust and assemble these optical axes so as to be assembled. Further, these optical isolators have a problem that they require a magnetic field, are large in size, are expensive, and have a high cost of a module equipped with a DFB laser.
[0005]
In order to solve such a problem, a completely different type of optical isolator that can be integrated on a semiconductor substrate has been proposed. As a document which discloses this type of optical isolator, for example, JP-A-8-179142 can be cited.
[0006]
FIG. 8 is a conceptual perspective view illustrating a schematic configuration of the optical isolator. In the optical isolator shown in the figure, a diffraction grating 111 is arranged on a semiconductor substrate S obliquely to a waveguide direction, and a refractive index n on one side of a waveguide structure. 2 And the asymmetry is reduced, and the return light is n 2 Dissipated to the side as a radiation mode.
However, this configuration has the following disadvantages. That is, since the waveguide structure is left-right asymmetric, the output beam also has a left-right asymmetric distribution, and the coupling with the optical fiber is deteriorated. In addition, n having different refractive indices 2 Must be separately crystal-grown, which complicates the manufacturing process. Furthermore, when a diagonally formed diffraction grating is used, the coupling as a DFB laser deteriorates.
[0007]
The present invention has been made based on the recognition of such a problem. That is, an object of the present invention is to provide an optical isolator, a distributed feedback laser, and an optical integrated device in which these have high directivity, are compact, have good coupling with an optical fiber or a DFB laser, are easy to manufacture, and are integrated with each other. It is in.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
That is, the optical isolator of the present invention has a cross-sectional shape. Serrated A waveguide having a second or higher order diffraction grating; Either on the top or bottom A reflecting structure provided to return radiation mode light emitted from the waveguide to the waveguide; On the other side above or below A non-reflection structure that prevents radiation mode light emitted from the waveguide from returning to the waveguide.
[0009]
The distributed feedback laser of the present invention has an active layer and a cross-sectional shape. Serrated A waveguide having a second-order or higher diffraction grating; Either on the top or bottom A reflecting structure provided to return radiation mode light emitted from the waveguide to the waveguide; On the other side above or below A non-reflection structure that prevents radiation mode light emitted from the waveguide from returning to the waveguide.
[0010]
Here, the reflection structure is provided apart from the waveguide so as not to affect the guided mode light that exudes and propagates from the waveguide, and the non-reflection structure exudes from the waveguide. It is characterized by being provided apart from the waveguide so as not to affect the propagating waveguide mode light.
[0011]
Further, the non-reflection structure is made of a semiconductor material having a band gap smaller than that of the semiconductor material forming the waveguide.
[0012]
Alternatively, the non-reflection structure is a non-reflection coat for the radiation mode light.
[0013]
The reflection structure is a Bragg multilayer reflection film for the radiation mode light.
[0014]
Further, the diffraction grating has a plurality of different periods.
[0015]
Further, the waveguide is characterized in that the effective refractive index is not constant.
[0016]
Further, the diffraction grating has at least one phase shift.
[0017]
On the other hand, an optical integrated device of the present invention is characterized in that any one of the above-described optical isolators and any one of the above-described distributed feedback lasers are monolithically integrated.
[0018]
Further, the present invention is characterized in that an external modulator is further integrated.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides an optical isolator having high directivity by using a second or higher order diffraction grating having a sawtooth cross-sectional shape and a reflection structure disposed on either the upper or lower side. That is, generally, in a waveguide structure having a second-order or higher diffraction grating, guided light is dissipated as a radiation mode. However, if it is reflected back to the waveguide, the loss due to dissipation is reduced. When a blazed diffraction grating, that is, a diffraction grating having an asymmetric cross-sectional shape, is used, the radiation mode becomes extremely strong in any of the traveling directions of the guided light. Therefore, providing a reflection structure in this direction reduces the loss. On the opposite side, even if the radiation mode is dissipated without providing the reflection structure, the loss is small because the radiation mode is originally small.
[0020]
On the other hand, when the guided light travels in the opposite direction, the number of radiation modes on the dissipation side where no reflection structure is provided increases, and the number of radiation modes on the reflection structure side decreases. Therefore, the loss for the traveling wave in the opposite direction increases. In this manner, an optical isolator having a different loss depending on the traveling direction of the guided light can be realized.
Since this optical isolator can be formed as an extension of the diffraction grating of a DFB laser, it also has an advantage that it can be easily monolithically integrated with a DFB laser or an external modulator.
[0021]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a schematic configuration of the optical isolator according to the first embodiment of the present invention. That is, the drawing shows a cross-sectional structure along the waveguide of the optical isolator. In the optical isolator of the present embodiment, an InGaAs absorption layer 30, an n-type InP clad layer 2, an InGaAsP layer 4, a p-type InP clad layer 5, a p-type InGaAsP layer 6, and a reflection structure 20 are formed on an n-type InP substrate 1. It has a configuration in which the layers are sequentially stacked.
[0022]
The absorption layer 30 only needs to be a material having a high absorption coefficient for radiation mode light, and can be formed by using, for example, a semiconductor material having a smaller band gap than the waveguide layer 4.
[0023]
On the surface of the waveguide layer 4, a secondary diffraction grating 10 having a sawtooth asymmetric cross-sectional shape in the illustrated direction is formed. Here, the “order” of the diffraction grating is determined by the relationship between the period of the diffraction grating and the wavelength of light that causes diffraction by Bragg reflection. For example, a first-order diffraction grating has a first-order period corresponding to the wavelength of light. The second-order diffraction grating has twice the period of the first-order diffraction grating. For example, in an InGaAsP / InP-based optical element having a wavelength band of 1.3 μm, the period of the primary diffraction grating is about 0.2 μm. The processing accuracy required for the formation is equivalent to 0.1 μm, and it is difficult to control the depth. On the other hand, the period of the second-order diffraction grating is 0.4 μm, which also has a feature that the fabrication is much easier.
On the other hand, the reflection structure 20 can be formed by, for example, a Bragg multilayer reflection film in which two types of derivative films having different refractive indexes are alternately stacked. By appropriately selecting the refractive index and the thickness of each layer of such a Bragg multilayer reflective film, it is possible to obtain a reflective structure having a high reflectance for radiation mode light.
[0024]
The outline of the manufacturing process of the optical isolator of FIG. 1 is as follows. First, an InGaAs absorption layer 30 for radiation mode light is grown to a thickness of 2.5 μm on the n-type InP substrate 1. Subsequently, the n-type InP cladding layer 2 is grown to a thickness of about 1 μm. This is a thickness that does not affect the guided mode. That is, the absorption layer 30 is provided at a distance that does not affect the seepage of the guided mode light into the cladding layer.
[0025]
Next, an InGaAsP layer 4 is grown to about 0.3 μm. The crystal growth so far is performed continuously. On the surface of the waveguide layer 4, a saw-tooth asymmetric second-order diffraction grating 10 having a blaze angle in the illustrated direction is formed to constitute a waveguide. As a method of forming such a diffraction grating, for example, after applying a resist to the surface of the waveguide layer 4 and performing EB (electron beam) exposure, the substrate is inclined and the surface is processed by an ion milling method. Finally, there is a method of finishing the surface with an appropriate solution (etchant). The depth of the diffraction grating thus obtained is about 0.1 μm.
[0026]
Next, a p-type InP cladding layer 5 is grown thereon to a thickness of about 1 μm or more. Further, a p-type InGaAsP layer 6 is grown for surface protection. These layers are p-type in consideration of integration with a DFB laser, but may be n-type when used only as an optical isolator alone.
[0027]
Finally, a reflective structure 20 made of, for example, a derivative multilayer film is deposited and formed. The reflectivity of the reflective structure 20 can be, for example, about 95%. Like the absorption layer 30, the reflection structure 20 is almost outside the exudation range of the guided mode, and does not affect the guided mode light. Thus, the optical isolator of FIG. 1 is completed.
[0028]
Next, the operation mechanism of the optical isolator of the present invention will be described.
The optical isolator of FIG. 1 has a second-order or higher diffraction grating. In particular, a waveguide structure having a second-order diffraction grating emits radiation mode light in both directions perpendicular to the waveguide direction, that is, in a substrate side and in a direction opposite to the substrate side. Further, in the optical isolator of FIG. 1, the cross-sectional shape of the secondary diffraction grating is asymmetric in the traveling direction, that is, it has a blaze angle. Then, the radiation mode on the substrate side becomes stronger or the radiation mode on the opposite side becomes stronger depending on the blaze angle with respect to the traveling direction of the light wave to one of the right and left. When the traveling direction of the light wave is reversed, the distribution ratio between the substrate side and the opposite side is also reversed.
[0029]
Specifically, in FIG. 1, when the guided light travels from right to left, most of the radiation mode light is emitted to the substrate 1 side as indicated by an arrow C. Since this light is absorbed by the absorption layer 30, it does not return to the waveguide, and becomes a waveguide loss as it is.
[0030]
On the other hand, when the guided light travels from left to right, most of the radiation mode light is emitted upward on the side opposite to the substrate as indicated by arrow A. This light is reflected by the reflection structure 20 and returns to the waveguide structure as shown by the arrow B. Therefore, the loss of the waveguide is small from left to right. The principle of this structure can be easily understood by a one-dimensional slab structure.
FIG. 2 is a graph showing a reference example of a waveguide characteristic in an asymmetrical diffraction grating. In other words, FIG. 1 is a diagram by Steffer et al. Entitled "Analysis of Grating-Coupled Radiation in GaAs: GaAlAs lasers and Waveguides-II: Blazing Effects Automotive." QE-12, pp. 4494-4499, 1976. In the figure, the horizontal axis represents the shape parameter δ of the diffraction grating, and the vertical axis represents the output of light emitted from the diffraction grating. Here, the shape parameter δ on the horizontal axis in the drawing represents the asymmetry (blaze) of the cross-sectional shape of the diffraction grating, and as can be understood from the inset, δ = △ / Λ = 0.5 is a symmetrical cross-sectional shape. Corresponds to a diffraction grating. As shown in the inset, when the guided light travels from left to right and δ = △ / Λ = 1.0, the radiation mode (3) to the substrate side becomes stronger and the radiation to the opposite side It can be quantitatively understood that the mode (1) becomes extremely small.
[0031]
In the present invention, a reflection structure is provided only on one side of such an asymmetrical diffraction grating. When the reflection structure is provided, the radiation mode returns to the waveguide structure, so that the loss of the waveguide structure is reduced. That is, the loss of the guided light traveling in this direction is reduced.
[0032]
Since the guided light traveling in the opposite direction is equivalent to the case where △ / Λ = 1, the radiation mode ((1)) in the opposite direction of the substrate becomes extremely large. Since there is no reflective structure in this direction, the loss of the waveguide structure increases.
[0033]
According to the present invention, due to the non-reciprocity of the direction of the guided light as described above, it is possible to realize a structure in which only one-way guided light (in this case, from left to right) is guided with less loss, and high direction selection An extremely compact waveguide-type optical isolator having the property can be realized.
[0034]
In a conventional optical isolator as illustrated in FIG. 8, the semiconductor layers for embedding the side surfaces of the waveguide in a direction perpendicular to the paper surface need to have different compositions (different refractive indexes) on both side surfaces. According to the present invention, there is no such need. That is, a stripe structure can be formed in exactly the same manner as in the related art. Therefore, the number of subsequent steps does not increase. Further, NFP (near field pattern) of the waveguide mode is also symmetrical, and has an advantage that optical coupling to a fiber or the like is extremely easy.
[0035]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view illustrating a configuration of a main part of an optical isolator according to a second embodiment of the present invention. Also in the present embodiment, a second-order or higher diffraction grating 10 is provided, and a reflection structure and an absorption structure are provided above and below it.
[0036]
The difference from the optical isolator of the first embodiment described above is that
1) a reflection structure 20 is provided below the diffraction grating 10 instead of the absorption layer 30;
2) an anti-reflection coat (AR) 40 is provided on the upper side of the diffraction grating instead of the reflection structure 20;
2 points. Here, the reflection structure 20 can be, for example, a high reflection DBR (Distributed Bragg Reflector) having a multilayer structure of semiconductor crystal layers. As the non-reflection coating 40, for example, a quarter-wave film, that is, a dielectric thin film having a thickness of λ / 4n when a wavelength of the radiation mode light is λ and a refractive index is n is used. it can. Elements other than these can be the same as those in the first embodiment described above with reference to FIG. 1, and thus the same reference numerals are given and detailed description is omitted.
[0037]
In the present embodiment, the reflection and absorption functions are only reversed up and down the diffraction grating 10, and the principle of operation is the same as in the first embodiment. That is, the guided light traveling from the right to the left in the drawing is radiated downward by the diffraction grating 10 as shown by the arrow A. Then, the light is reflected by the reflection structure 20, returns to the diffraction grating 10 as shown by the arrow B, and proceeds to the left.
[0038]
On the other hand, the guided light traveling from left to right in the figure is emitted upward by the diffraction grating 10 as shown by the arrow C. Since the non-reflection coating 40 provided on the upper side of the diffraction grating 10 has an extremely low reflectance, the light emitted from the diffraction grating 10 is emitted to the outside without being reflected, and the component returning to the diffraction grating 10 is extremely small.
[0039]
Eventually, in the optical isolator of FIG. 3, the waveguide loss for the guided light component traveling from left to right in the figure is high, and the waveguide loss for the guided light component traveling from right to left is low. Become. In this way, directionality is obtained and the device can operate as an optical isolator. Also in the present embodiment, the various effects described above with reference to FIG. 1 can be obtained similarly.
[0040]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 4 is a conceptual sectional view illustrating a main configuration of an optical isolator according to a third embodiment of the present invention. Also in the present embodiment, a diffraction grating 10 'is provided, and an absorption structure 40 is provided above the diffraction grating 10' and a reflection structure 20 is provided below the diffraction grating 10 '. Since the basic configuration and the operation are the same as those of the second embodiment described above with reference to FIG. 3, each component is denoted by the same reference numeral and detailed description is omitted.
[0041]
A feature of the present embodiment is that the diffraction grating 10 ′ has a period Λ. 1 And period Λ 2 This is a point having two types of periods. In this manner, two types of guided light having different wavelengths corresponding to these periods can be handled as an optical isolator. That is, the dynamic range of the corresponding wavelength of the optical isolator can be expanded.
[0042]
Further, when the diffraction grating is provided at a place where the period of the diffraction grating is different along the axial direction of the waveguide, the same effect as when the phase shift is effectively provided can be obtained. Therefore, it is possible to control the profile of the guided light and the radiation mode light in the resonator axis direction by the phase shift effect.
[0043]
Although not shown, by introducing three or more different periods into the diffraction grating, it is possible to cope with the guided light having three or more different wavelengths as an optical isolator. Further, by continuously changing the period of the diffraction grating, it is possible to function as an optical isolator for guided light in a continuous wavelength range.
[0044]
Note that the same effect can be obtained by changing the effective refractive index of the waveguide along the axial direction instead of changing the period of the diffraction grating.
[0045]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 5 is a conceptual sectional view illustrating a configuration of a main part of an optical isolator according to a fourth embodiment of the present invention. Since the optical isolator of the present embodiment has a configuration similar to that of the second embodiment described above with reference to FIG. 3, the same components are denoted by the same reference numerals and detailed description is omitted.
[0046]
The present embodiment is different from the diffraction grating 10 ″ in that a portion where the period of the grating is discontinuously shifted in the diffraction grating 10 ″, that is, a phase shift 11 is provided. The phase shift 11 can control the axial profile of the waveguide light and the radiation mode light in the resonator.
[0047]
FIG. 5 shows an isolator waveguide that has good transmittance for right-going guided light and large attenuation in the opposite direction. After passing through the phase shift, the attenuation factor increases due to the phase difference between the light wave and the diffraction grating 10. The phase shift 11 is provided near the exit (right) of the isolator waveguide in FIG. Then, while the attenuation of the right-going guided light is small, the attenuation of the left-going guided light is large because the distance after passing the phase shift 11 is long. This is shown by the light intensity change indicated by the arrow in the figure. That is, the phase shift 11 can further enhance the effect of the isolation.
[0048]
It should be noted that the phase shift as introduced in the present embodiment can be similarly introduced into the optical isolators of the first and third embodiments to obtain the same effect.
[0049]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a conceptual sectional view illustrating a main part configuration of the DFB laser according to the embodiment of the present invention. That is, the DFB laser of the present embodiment is a specific example in which the structure and operation principle of the optical isolator of each of the above-described embodiments are applied to a DFB laser.
[0050]
The laser illustrated in FIG. 6 has the same configuration as the optical isolator of the first embodiment illustrated in FIG. 1 as an example. Therefore, the same components as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the detailed description is omitted. However, the DFB laser of FIG. The active layer 3 has a role of light emission and a waveguide function. Here, the active layer 3 may be a single semiconductor layer, or may be a multilayer high-efficiency structure such as an MQW structure (Multiple Quantum Well: multiple quantum well).
[0051]
The reflection structure 20 is composed of a p-type semiconductor layer. Further, the p-type InGaAsP layer 6 has a role of improving contact with the electrode. Above and below the semiconductor crystal layer, a p-side electrode 100 and an n-side electrode 200 are provided for conducting electricity.
[0052]
In the DFB laser, guided lights traveling in both the left and right directions oscillate by feedback (feedback) to each other via the diffraction grating 10 and resonate. In the case of the present embodiment, the radiation mode loss of the guided light traveling rightward in the drawing is small and the light output from the right end face is increased by the same mechanism as the optical isolator of the first embodiment. Conversely, since the guided light traveling to the left has a large radiation mode loss, the output intensity does not increase so much at the left end face.
[0053]
That is, according to the present embodiment, the slope efficiency on the output side can be improved. In addition, since the laser itself includes an isolator function, the resistance to return light is also enhanced. The present embodiment is particularly effective in this regard, since the DFB laser has a characteristic that the oscillation condition is likely to be unstable due to the return light.
Furthermore, according to the present embodiment, since the gain difference of the threshold value between the longitudinal modes becomes large, the effect of improving the performance of the single longitudinal mode can be obtained.
[0054]
Here, according to the present invention, in addition to the illustrated specific examples, a DFB laser corresponding to the configuration of the optical isolator according to the above-described second to fourth embodiments can be similarly provided. In other words, by inverting the positional relationship between the absorption structure and the reflection structure, changing the period of the diffraction grating, or introducing a phase shift to the diffraction grating, effects corresponding to the various effects described above are obtained. A DFB laser having the above is obtained.
[0055]
Further, these DFB lasers can be used as surface emitting lasers. That is, when light that is transmitted through the reflection structure 20 or the absorption structure provided on either side of the diffraction grating and emitted to the outside is used as an output, the light output is not high, but the threshold and other oscillation characteristics Can realize a very excellent surface emitting DFB laser. Such a surface emitting DFB laser can be easily integrated with the optical isolator of each of the above-described embodiments, and an extremely compact and high performance optical integrated device of an optical isolator / surface emitting laser can be realized.
[0056]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a conceptual sectional view illustrating a main part configuration of the optical integrated device according to the embodiment of the present invention. The optical integrated device of the present embodiment is monolithic, that is, a plurality of devices are integrated on the same substrate. In FIG. 7, the DFB laser according to the fifth embodiment described above as an example, the optical isolator according to the first embodiment, and a waveguide type electro-absorption external modulator (EAM) are monolithically integrated. Corresponding to the specific example described above.
[0057]
The DFB laser is DC-driven through the p-side electrode 101. A certain area of the absorption layer 7 is EAM. The EAM can modulate the absorption coefficient by applying a negative voltage to the p-side electrode 102. The guided light generated in the active layer 3 of the DFB laser is modulated according to the change in the absorption coefficient, and is output to the right in the drawing.
[0058]
A first optical isolator OI1 is provided between the DFB laser and the EAM. The first optical isolator OI1 has a proton (H + ) The irradiation area 300 is provided, and the DFB and the EAM are electrically insulated (isolated). As for the guided light, if the DFB laser and the EAM are not isolated, the return light is input to the DFB laser, and the light output and the wavelength are not preferable. According to this embodiment, an optical isolator can be easily integrated simply by removing the active layer between the DFB laser and the EAM. Further, the second optical isolator OI2 can be integrated on the output side of the EAM by a similar simple process, and external return light can be suppressed.
[0059]
According to this embodiment, the DFB laser, the first optical isolator, the electro-absorption type outer jacket modulator, and the second optical isolator can be integrated extremely compactly. Further, since these elements share a waveguide, optical coupling between the elements can be sufficiently ensured. Furthermore, according to the present embodiment, since the absorption layer 30, the diffraction grating 10, and the reflection structure 20 of the optical integrated device can be formed in a common process, a high-performance optical integrated device can be manufactured by a simple process.
[0060]
The embodiment of the invention has been described with reference to the examples. However, the present invention can be variously applied without departing from the gist of the present invention, and is not limited to these specific examples.
[0061]
For example, the present invention can be applied to various material systems such as a GaAlAs / GaAs system, a GaInAlP / GaAs system, and a GaN system in addition to the specific examples described above to obtain the same effect.
[0062]
Further, the positional relationship between the diffraction grating, the reflection structure, the absorption / non-reflection structure, and the like is not limited to the above-described vertical direction of the substrate. For example, a diffraction grating may be formed on a side surface of the waveguide, that is, a surface perpendicular to the substrate, and a reflection structure and an absorption structure may be arranged on both sides thereof. That is, in this case, the reflection structure, the diffraction grating, and the absorption structure are arranged in the in-plane direction of the substrate.
[0063]
【The invention's effect】
The present invention is embodied in the form described above, and has the effects described below.
[0064]
First, according to the present invention, without modifying the basic structure of the waveguide, the shape of the diffraction grating is devised, and a high-reflection, non-reflection structure is formed outside the waveguide structure, thereby providing a semiconductor waveguide type. An optical isolator can be configured. That is, an extremely compact and highly efficient optical isolator can be realized by the second-order or higher-order asymmetrical saw-tooth diffraction grating and the reflection structure and the absorption structure respectively arranged on the upper and lower sides thereof. Therefore, it is possible to optically couple with an optical fiber and various optical elements with extremely high efficiency without significantly changing the NFP (near-field image) of the waveguide and the FFP (far-field image) of the emitted beam.
[0065]
Further, according to the present invention, by changing the period of the diffraction grating, it is possible to easily expand the dynamic range of the wavelength and realize an optical isolator that operates on various wavelengths.
[0066]
Furthermore, according to the present invention, by providing a phase shift to the diffraction grating, it is possible to control the distribution of the guided light and the emitted light, and to optimize the directionality and the light emission characteristics of the light.
[0067]
Further, according to the present invention, it is possible to realize a DFB laser that is resistant to return light, has high efficiency on the output side, and has a stable longitudinal mode.
[0068]
Further, according to the present invention, monolithic integration of a DFB laser or a waveguide type modulator with an optical isolator becomes extremely easy. That is, the diffraction grating, the reflection structure, and the non-reflection structure can be configured in common, and the fabrication is easy. This eliminates the need for a separate optical isolator, thereby greatly reducing the cost of the optical module. In addition, since the elements share a waveguide, optical coupling between the elements can be sufficiently ensured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view showing an optical isolator according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph (from a known document) showing an example of a power distribution ratio of a radiation mode from an asymmetrical diffraction grating to a substrate side and an opposite side thereof.
FIG. 3 is a sectional view showing an optical isolator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a sectional view showing an optical isolator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a sectional view showing an optical isolator according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a sectional view showing a DFB laser according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a sectional view showing a monolithic integrated device of an optical isolator, a DFB laser, and a waveguide modulator according to a sixth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing an example of a conventional waveguide type optical isolator.
[Explanation of symbols]
1 n-type InP substrate
2 n-type InP cladding layer
3 InGaAsP laser active layer (including NQW structure)
4 InGaAsP waveguide layer
5 p-type InP cladding layer
6 p-type InGaAsP layer (contact layer with p-electrode for DFB laser and modulator)
10 Second order diffraction grating (sawtooth cross section)
11 Phase shift
20 Reflection structure
21 End face
30 radiation mode absorption layer
40 AR coating (radiation mode)
41 Edge AR Coating
100 p-side electrode (DFB laser)
101 p-side electrode (integrated DFB laser)
102 p-side electrode (integrated modulator)
200 n-side electrode
300 protons (H + ) Irradiation insulation area

Claims (18)

断面形状が鋸歯状の2次以上の回折格子を有する導波路と、
前記導波路の上または下のいずれか一方側に設けられ、前記導波路から放出される放射モード光を前記導波路に戻すようにした反射構造と、
前記導波路の上または下の他方側に設けられ、前記導波路から放出される放射モード光を前記導波路に戻さないようにした非反射構造と、
を備えたことを特徴とする光アイソレータ。
A waveguide having a second or higher order diffraction grating having a sawtooth cross section;
A reflection structure provided on one of the upper side and the lower side of the waveguide and returning radiation mode light emitted from the waveguide to the waveguide,
A non-reflection structure provided on the other side above or below the waveguide to prevent radiation mode light emitted from the waveguide from returning to the waveguide,
An optical isolator comprising:
前記反射構造は、前記導波路からしみ出して伝搬する導波モード光に影響を与えないように前記導波路から離れて設けられ、
前記非反射構造は、前記導波路からしみ出して伝搬する導波モード光に影響を与えないように前記導波路から離れて設けられたことを特徴とする請求項1に記載の光アイソレータ。
The reflection structure is provided apart from the waveguide so as not to affect the waveguide mode light that exudes and propagates from the waveguide,
2. The optical isolator according to claim 1, wherein the non-reflection structure is provided apart from the waveguide so as not to affect waveguide mode light that exudes from the waveguide and propagates. 3.
前記非反射構造は、前記導波路を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料により構成されたことを特徴とする請求項1または2に記載の光アイソレータ。 3. The optical isolator according to claim 1, wherein the non-reflection structure is made of a semiconductor material having a band gap smaller than a semiconductor material forming the waveguide. 4. 前記非反射構造は、前記放射モード光に対する無反射コートであることを特徴とする請求項1または2に記載の光アイソレータ。The non-reflective structure, the optical isolator according to claim 1 or 2, wherein the non-reflective coating for the radiation mode light. 前記反射構造は、前記放射モード光に対するブラッグ多層反射膜であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載の光アイソレータ。The optical isolator according to any one of claims 1 to 4, wherein the reflection structure is a Bragg multilayer reflection film for the radiation mode light. 前記回折格子は、複数の異なる周期を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載の光アイソレータ。The diffraction grating, the optical isolator according to any one of claims 1 to 5, wherein a plurality of different periods. 前記導波路の実効屈折率が一定でないものとして構成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の光アイソレータ。The optical isolator according to any one of claims 1 to 6, wherein an effective refractive index of the waveguide is not constant. 前記回折格子は、少なくとも1つ以上の位相シフトを有することを特徴とする請求項1〜7のいずれか1つに記載の光アイソレータ。The diffraction grating, the optical isolator according to any one of claims 1 to 7, characterized in that it comprises at least one or more phase shift. 活性層と、
断面形状が鋸歯状の2次以上の回折格子を有する導波路と、
前記導波路の上または下のいずれか一方側に設けられ、前記導波路から放出される放射モード光を前記導波路に戻すようにした反射構造と、
前記導波路の上または下の他方側に設けられ、前記導波路から放出される放射モード光を前記導波路に戻さないようにした非反射構造と、
を備えたことを特徴とする分布帰還型レーザ。
An active layer;
A waveguide having a second or higher order diffraction grating having a sawtooth cross section;
A reflection structure provided on one of the upper side and the lower side of the waveguide and returning radiation mode light emitted from the waveguide to the waveguide,
A non-reflection structure provided on the other side above or below the waveguide to prevent radiation mode light emitted from the waveguide from returning to the waveguide,
A distributed feedback laser characterized by comprising:
前記反射構造は、前記導波路からしみ出して伝搬する導波モード光に影響を与えないように前記導波路から離れて設けられ、
前記非反射構造は、前記導波路からしみ出して伝搬する導波モード光に影響を与えないように前記導波路から離れて設けられたことを特徴とする請求項9に記載の分布帰還型レーザ。
The reflection structure is provided apart from the waveguide so as not to affect the waveguide mode light that exudes and propagates from the waveguide,
10. The distributed feedback laser according to claim 9, wherein the non-reflection structure is provided away from the waveguide so as not to affect the waveguide mode light that permeates and propagates from the waveguide. .
前記非反射構造は、前記導波路を構成する半導体材料よりも小さいバンドギャップを有する半導体材料により構成されたことを特徴とする請求項9または10に記載の分布帰還型レーザ。The distributed feedback laser according to claim 9 , wherein the non-reflection structure is made of a semiconductor material having a smaller band gap than a semiconductor material forming the waveguide. 前記非反射構造は、前記放射モード光に対する無反射コートであることを特徴とする請求項9または10に記載の分布帰還型レーザ。The distributed feedback laser according to claim 9 , wherein the non-reflection structure is a non-reflection coat for the radiation mode light. 前記反射構造は、前記放射モード光に対するブラッグ多層反射膜であることを特徴とする請求項9〜12のいずれか1つに記載の分布帰還型レーザ。The distributed feedback laser according to any one of claims 9 to 12, wherein the reflection structure is a Bragg multilayer reflection film for the radiation mode light. 前記回折格子は、複数の異なる周期を有することを特徴とする請求項9〜13のいずれか1つに記載の分布帰還型レーザ。The distributed feedback laser according to any one of claims 9 to 13, wherein the diffraction grating has a plurality of different periods. 前記導波路の実効屈折率が一定でないものとして構成されていることを特徴とする請求項9〜14のいずれか1つに記載の分布帰還型レーザ。The distributed feedback laser according to any one of claims 9 to 14, wherein an effective refractive index of the waveguide is not constant. 前記回折格子は、少なくとも1つ以上の位相シフトを有することを特徴とする請求項9〜15のいずれか1つに記載の分布帰還型レーザ。 16. The distributed feedback laser according to claim 9, wherein the diffraction grating has at least one phase shift. 請求項1〜8のいずれか1つに記載の光アイソレータと、
請求項9〜16のいずれか1つに記載の分布帰還型レーザと、がモノリシックに集積されてなることを特徴とする光集積素子。
An optical isolator according to any one of claims 1 to 8 ,
An optical integrated device, wherein the distributed feedback laser according to any one of claims 9 to 16 is monolithically integrated.
外部変調器がさらに集積されてなることを特徴とする請求項17に記載の光集積素子。18. The optical integrated device according to claim 17, wherein an external modulator is further integrated.
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