JP2007271925A

JP2007271925A - 光集積素子

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Publication number: JP2007271925A
Application number: JP2006097399A
Authority: JP
Inventors: Koji Otsubo; 孝二大坪
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2006-03-31
Filing date: 2006-03-31
Publication date: 2007-10-18

Abstract

【課題】光集積素子に関し、ＣＷ光を入力として、低消費電力、且つ、低雑音でパルス幅が狭い光パルス列を生成することが可能な小型の光集積素子を実現しようとする。
【解決手段】波長可変レーザ１及び波長固定レーザ２からなる光源と、２つの半導体レーザ１及び２からの光を非線形効果に依る四光波混合を行って周波数コムを生成する半導体光増幅器５と、２つの半導体レーザ１及び２からの光が入力される半導体光検出器６とが集積化されてなることが基本になっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、全光信号処理に依る光通信システム、マイクロ波／ミリ波通信、光プローブに依る高速現象の測定などに用いる光短パルス列を発生させるのに好適な光集積素子に関する。

従来、光パルス列を発生する方法としては、（１）変調に依る方法、（２）モードロックに依る方法、（３）周波数ビートに依る方法に大別される（例えば、非特許文献１を参照）。

図１０は光パルス列の発生方法を説明する為の説明図であり、（Ａ）は上記（１）変調に依る方法に、（Ｂ）は上記（２）モードロックに依る方法に、（Ｃ）は上記（３）周波数ビートに依る方法にそれぞれ対応している。

図１０の（Ａ）に於いて、９０はパルス列を作る為の信号源、９１はレーザダイオードに電流を注入する為の電流源、９２はレーザダイオード、９３はＣＷ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｗａｖｅ）レーザ光をオンオフする変調器である。図１０の（Ａ）に於ける上側図では、信号源９０で発生した電気信号をレーザダイオード９２に注入して電気信号を光信号に変換することで光パルス列を作成している。また、図１０の（Ａ）に於ける下側図では、直流電流を注入されたレーザダイオード９２で発生したＣＷ光を信号源９０で駆動される変調器９３に依ってオンオフすることでパルス列を作成している。

図１０の（Ｂ）に於ける上側図で、９４は変調信号源、９５は直流電流源、９６はモードロックレーザであり、モードロックレーザ９６中に在る９７は変調器部、９８は利得発生部である。モードロックレーザ９６の利得発生部９８に電流を注入してレーザ光を発生させ、変調器部９７をレーザの共振器構造で決まる共振周波数の整数倍で駆動してモードロックすることでパルス列を作成する。また、図１０の（Ｂ）に於ける下側図で、９９はバイアス電源、１００は直流電流源、１０１はモードロックレーザであり、モードロックレーザ１０１中に在る１０２は過飽和吸収部、１０３は利得発生部である。モードロックレーザ１０１の利得発生部１０３に電流を注入してレーザ光を発生させ、過飽和吸収部１０２には逆バイアスを印加してモードロック動作をさせる。

図１０の（Ｃ）に於いて、１０４は直流電流源、１０５と１０６はそれぞれ発振波長を異にするレーザダイオード、１０７は光結合器である。ＣＷ駆動したレーザダイオード１０５及び１０６の周波数ビートをとる為、各々から出力したレーザ光を光結合器１０７で結合する。

図１０に見られる（１）変調に依る方法に依れば、ＣＷ信号を直接、或いは、外部変調器を用いて光をオンオフすることで光パルス列を生成させる方法である。

図１０に見られる（２）モードロックに依る方法に依れば、レーザ光の複数のモードの位相を或時間で一致させることに依って光パルス列を生成させる方法であり、半導体レーザに過飽和吸収領域を加えることで、コンパクトな素子で高速の光短パルス列を発生させることが可能である。

図１０に見られる（３）周波数ビートに依る方法に依れば、周波数の異なる複数の光源を同じ周波数間隔で並べ、そのビートを採って光パルス列を発生させる方法である。

上記（２）と（３）の方法は、１つのレーザ光源に於ける複数のモード、或いは、複数の異なる波の単一モード光源から光パルス列を発生させる方法であり、このような光が作る電場Ｅ（ｔ）は下記の式であらわされる。

式１に於いて、Ｅ_nは振幅、ω₀は角周波数、Δωは２つのレーザ光の周波数差、ｔは時間、φ_n（ｔ）は時間ｔに於ける位相、ｎは正負の整数をそれぞれ示している。

出力されるパルス列Ｉ（ｔ）は下記の式で表される。

式２に於いて、Ｅ＊（ｔ）はＥ（ｔ）の複素共役を示している。

図１１並びに図１２は振幅Ｅ_nが異なる２波〜５波の光を混合した場合に得られるパルス列Ｉ（ｔ）の計算結果を表す線図である。尚、パルス列の周期は１ＴＨｚとしてある。

図１１の（Ａ）では縦軸には光強度を、横軸には角周波数ωをそれぞれ採ってあり、周波数コムを表している。図１１の（Ｂ）、図１２の（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）に於いて、横軸には時間を、縦軸には規格化された光強度をそれぞれ採ってあり、図１１の（Ｂ）は２波混合の場合、図１２の（Ａ）は３波混合の場合、図１２の（Ｂ）は４波混合の場合、図１２の（Ｃ）は５波混合の場合をそれぞれ表している。

図からすると、合成する光波の数が増加するほど光パルスに於けるパルス幅は狭くなることが看取される。

さて、光パルス列を発生させるに際し、前記説明した「（１）変調に依る方法」を採った場合、光パルス列と同じ周波数の信号発生源が必要となってシステムは複雑になる。また、「（２）モードロックに依る方法」を採った場合、位相整合条件が厳しく、また光パルス列の波長領域や繰り返し周波数を自由に変えることは難しい。更に、「（３）周波数ビートに依る方法」を採った場合、パルス幅をより狭くした光パルス列を生成させるには複数の光源が必要であり、そして、光源が増えるほど各々の光源の波長間隔や位相の調整が煩雑になり、システムの複雑化、消費電力及び雑音の増大に結び付いてしまう。尚、光ファイバの非線形効果を用いて２つの光源を用いて周波数コムを形成して短パルス列を生成する方法も知られているが、小型化の面からすると不利である。

従来、前記「（３）周波数ビートに依る方法」の分野に入る光パルス列の生成方法として、四光波混合（ｆｏｕｒｗａｖｅｍｉｘｉｎｇ：ＦＷＭ）効果と呼ばれる効果を利用することが知られている。即ち、非線形媒質（例えば半導体光増幅器）中に制御光（角周波数ω_p）と信号光（角周波数ω_s）を入射させた場合に位相共役光（角周波数２ω_p−ω_s）が発生する効果を利用する方法である。

この四光波混合効果を用いた場合、制御光、信号光、位相共役光は同じ周波数間隔で並んでいるので、独立した光源を用いる場合に比較して、狭い幅のパルスを容易に実現することができる。そして、四光波混合効果を利用して生成される周波数コムの周波数間隔は制御光と信号光の周波数差で決まるので、各々独立した光で周波数コムを生成させる場合よりも周波数差の制御が容易、即ち、パルス列の周期制御が容易である。

そこで、現在、四光波混合効果を利用することについて、様々な研究開発が行なわれ、その結果である発明も知られていて、例えば、第１の光パルス列と第２の光パルス列とを非線形光学媒質（例えば半導体光増幅器）に入射して四光波混合を行い、新たな位相を有する光パルス列に変換する発明が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、四光波混合を行う非線形媒質に半導体レーザ増幅器を用いることに依って光パルス列を形成し、出力光の一部をＯ／Ｅ変換して元の光源にフィードバックする発明が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。

更に、四光波混合素子として半導体光増幅器を用い、位相共役光を発生させて光パルス列を生成させる発明が知られている（例えば、特許文献３を参照。）。

前記四光波混合効果を利用する各発明に於いては、光パルス列を形成する為、非線形光学媒質に光パルスを入力しなければならない為、所要の光パルス列を実現する為、別途、光パルス列を生成する装置を必要としている。そして、前記説明した各発明に於いては、四光波混合効果をパルス列の波長や位相の変換手段として用いているのみであるから、そのもてる力を充分有効に活用しているとは到底思われない。因に、本発明者の知見に依れば、四光波混合効果を利用すれば、光パルス列を直接生成させることが可能である。
特許第３０８９４２０号明細書特許第３４１２７７６号明細書特開２００１−２７７６９号公報ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓｖｏｌ．４７，１２０６（１９９９）Ｈ．Ｉｓｈｉｉｅｔａｌ．"ＡＴｕｎａｂｌｅＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＡｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎＤＦＢＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ（ＴＤＡ−ＤＦＢ−ＬＤ）"，ＩＥＥＥＰｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．，ＶＯＬ．１０，ＮＯ．１，ｐｐ３０−３２（１９９８）

本発明では、ＣＷ光を入力として、低消費電力、且つ、低雑音でパルス幅が狭い光パルス列を生成することが可能な小型の光集積素子を実現しようとする。

本発明に依る光集積素子に於いては、少なくとも１つが波長可変レーザである２つの半導体レーザからなる光源と、２つの半導体レーザからの光を非線形効果に依る四光波混合を行って周波数コムを生成する半導体光増幅器と、２つの半導体レーザからの光が入力される半導体光検出器とが集積化されてなることを基本とする。

前記手段を採ることに依り、低消費電力で雑音が少なく、そして、ＣＷ光を入力して幅が狭い光パルスを直接生成することが可能であり、しかも、従来の技術に依るものと比較して、構成が簡単で小型の素子を実現することができる。

図１は本発明による光集積素子を表す要部ブロック図であり、図に於いて、１は波長可変レーザ、２は波長固定レーザ、３は位相調整器、４は多モード干渉（ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ：ＭＭＩ）カプラ、５は３次の非線形感受率が大きい半導体光増幅器（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｏｐｔｉｃａｌａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＳＯＡ）、６は半導体光検出器（ｐｈｏｔｏ−ｄｅｔｅｃｔｏｒ：ＰＤ）、７はマッハ・ツエンダー干渉計型フィルター、８はフィルタ７内の一方の導波路内に介挿されたヒーター電極で構成されている位相調整器、９は位相比較器、１０は信号発生器をそれぞれ示している。

この光集積素子に於いては、波長可変レーザ１及び波長固定レーザ２に電流を供給して発振させ、発生した２つのレーザ光は、それぞれ位相調整器３を介して多モード干渉カプラ４に入射され、多モード干渉カプラ４からの周波数間隔Δωである２つのレーザ光は各々各々分岐されてＳＯＡ５と光検出器６に入射される。

ＳＯＡ５からは、波長可変レーザ１の光と波長固定レーザ２の光の他に四光波混合効果に依る位相共役光が発生して、それ等の光で周波数コムが形成される。

元のレーザ光と位相共役光とは同じ周波数間隔で並んでいるので、そのビートによってパルス列が発生する。それと同時に２つの半導体レーザ１及び２で発生したレーザ光のビート信号（周波数Δω）を検出し、信号発生器１０から出力される周波数ω₀の信号との差を取った周波数｜ω₀−Ｄω｜の信号を半導体レーザの１つにフィードバックして位相同期回路（ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ：ＰＬＬ）を形成する。

位相調整器３には電流が注入され、四光波混合効果に依る位相共役光が最大になるように位相調整を行う。

光検出器６では波長可変レーザ１の光と波長固定レーザ２の光を受光し、それ等の周波数差に対応する正弦波の電気信号が出力される。で、信号発生器１０で発生される正弦波信号と光検出器６からの正弦波信号とから位相比較器９に入力し、そこで周波数差を採った信号を波長固定レーザ２に入力することに依り、波長可変レーザ１の光と波長固定レーザ２の光に於ける周波数差の安定化、即ち、パルスの周期を安定化している。

四光波混合効果に依って発生した光は元の信号の位相共役光であるため、１つ１つ独立した光のビートを取る方法に比較して位相調整が容易である。また、光パルスの繰り返し周波数は、元の光、即ち、半導体レーザ１及び２のいずれか１つの波長を変えることによって簡単に変化させることができる。更に、一緒に集積されている光検出器６で２つのレーザ光のビート信号を検出し、ＰＬＬを組んで半導体レーザ２にフィードバックをかけることによって光パルス列の安定化とノイズ低減を実現できる。

本発明に依る光集積素子に於いては、前記したように、２つの半導体レーザ、半導体光増幅器、半導体光検出器をモノリシック集積化してあり、これに加え、マッハ・ツエンダー干渉計型型フィルターを組み込むことで、ＳＯＡ５に現れる不要なＡＳＥ（ａｍｐｌｉｆｉｅｄｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓｅｍｉｓｓｉｏｎ）をカットすることができる。

本発明では、２つの光源を用い、光源の数以上の光で構成される周波数コムを生成すること依って光パルス列を発生させている為、従来例に比較し、より簡単且つ小型な構成を用い、また、低い消費電力で狭いパルス幅の光パルス列を作ることができる。

図２乃至図９は図１について説明した光集積素子に含まれる各デバイスをＩｎＰ基板上に作製した場合について詳細に説明する為の図であり、以下、各図について説明する。尚、各図に於いて、図１に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

図２は波長可変レーザ及び波長固定レーザを表す要部横断側面図であり、１１はｎ側電極、１２はｎ−ＩｎＰ基板、１３はｐ−ＩｎＰ層、１４はｎ−ＩｎＰ層、１５はｐ−ＩｎＰ層、１６は電極コンタクト層、１７はｐ側電極、１８はＳＣＨ（ｓｅｐａｒａｔｅｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）層を含む活性層、１９は回折格子を含むガイド層、２０はＳｉＯ₂からなる絶縁層をそれぞれ示している。

上記波長可変レーザはＴＤＡ（ｔｕｎａｂｌｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ）−ＤＦＢ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザ（例えば、非特許文献２を参照。）であって、図２に回折格子を含むガイド層１９として表された部分に於いて、λ／４位相シフト入り回折格子が形成された部分に無ドープＩｎＧａＡｓＰガイド層、１．５５μｍ帯歪みＭＱＷ（ｍｕｌｔｉｑｕａｎｔｕｍｗｅｌｌ）層＋ＳＣＨ層（活性層導波路）、バルクＩｎＧａＡｓＰ層、ｐ−ＩｎＰクラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層が積層された構造になっている。

上記波長固定レーザは、ｎ−ＩｎＰ基板１２上にλ／４位相シフト入り回折格子が形成された部分に無ドープＩｎＧａＡｓＰガイド層、1.５５μｍ帯歪ＭＱＷ層＋ＳＣＨ層（活性層導波路）、ｐ−ＩｎＰクラッド層、ｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層が積層された構造を取っている。

図２に見られる構造では、ｐ側電極１７及びｎ側電極１１間に矢印のように電流を流すと活性層１８の部分で発光する。

図３は波長固定レーザの要部縦断側面図、図４及び図５は波長可変レーザの要部縦断側面図及び要部上面図をそれぞれ示している。

図３に於いて、２１は活性層、２２はコンタクト層、２３はλ／４シフト、２４はガイド層、２５はｐ−ＩｎＰ層、２６はｎ−ＩｎＰ層、２７は回折格子をそれぞれ示し、レーザ光は活性層２１で発生する。

図４及び図５に於いて、２８はコンタクト層、２９はチューニング層、３０はＳＣＨ層を含む活性層、３１はｐ−ＩｎＰ層、３２はｎ−ＩｎＰ層、３３はレーザ光発生電極、３４はコンタクト層、３５は波長チューニング電極をそれぞれ示し、レーザ光は活性層３０で発生し、チューニング層２９に電流を注入することで活性層３０で発生するレーザ光の波長を変化させることができる。

図６は図１で説明した位相調整器の要部横断側面図であり、図に於いて、４１はｎ側電極、４２はｎ−ＩｎＰ基板、４３はｐ−ＩｎＰ層、４４はｎ−ＩｎＰ層、４５はｐ−ＩｎＰ層、４６は電極コンタクト層、４７はｐ側電極、４８はＳＣＨ層を含む導波路層、４９は回折格子を含むガイド層、５０はＳｉＯ₂からなる絶縁層をそれぞれ示している。

この位相調整器に於いては、ｐ側電極４７及びｎ側電極４１間に矢印で示したように電流を流すようになっていて、その電流を流すことで導波路層４８を通過する光の位相を変化させることができる。

図７は図１で説明した多モード干渉カプラの要部横断側面図であり、図に於いて、５１はｎ−ＩｎＰ基板、５２はＳＣＨ層を含む導波路層、５３はｐ−ＩｎＰ層、５４はｐ−ＩｎＰ層、５５はｎ−ＩｎＰ層、５６はｎ−ＩｎＰ層をそれぞれ示している。

多モード干渉カプラでは、電流注入を行わないため、図６に見られる位相調整器の層構造からｐ−ＩｎＧａＡｓコンタクト層を除去した構造になっていて、導波路層５２の部分を光が通過する。

図８は図１で説明したＳＯＡ及び光検出器の要部横断側面図であり、図に於いて、６１はｎ側電極、６２はｎ−ＩｎＰ基板、６３はｐ−ＩｎＰ層、６４はｎ−ＩｎＰ層、６５はｐ−ＩｎＰクラッド層、６６はｐ−ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層、６７はｐ側電極、６８はＳＣＨ層を含む量子ドット活性層、６９は回折格子を含むガイド層、７０はＳｉＯ₂からなる絶縁層、７１はＳＣＨ層を含むＩｎＧａＡｓ光吸収層をそれぞれ示している。

四光波混合光を発生して周波数コムを生成するＳＯＡ５の長さは、四光波混合光が２波以上出力されるように長く採ると良い。

半導体光検出器６に於ける層構造は、ｎ−ＩｎＰ基板６２上にＳＣＨ層を含むＩｎＧａＡｓ光吸収層７１、ｐ−ＩｎＰクラッド層６５、ｐ−ＩｎＧａＡｓ電極コンタクト層６６で構成されている。

ＳＯＡ５に於いては、ｐ側電極６７及びｎ側電極６１を用いて矢印方向に電流を注入すると、活性層６８の部分で四光波混合光が生成され、波長可変レーザ１（図１参照）及び波長固定レーザ２（図１参照）の発生光と共に出力される。

半導体光検出器６に於いては、ｐ側電極６７及びｎ側電極６１の間に逆バイアス電圧を印加し、光吸収層７１で光を吸収し、電気信号に変換した後、ｐ側電極６７から信号を取り出すようになっている。

ｐ側電極６７から出力される信号は２つの半導体レーザの周波数差Δωに起因するビート信号であって、信号発生器１０から出力される周波数ω₀の信号との差を取った周波数｜ω₀−Δω｜の信号が半導体レーザの１つにフィードバックされる。このようなＰＬＬ（ｐｈａｓｅｌｏｃｋｅｄｌｏｏｐ）の作用で出力光パルス列に於ける雑音は低減される。

図９は図１で説明したマッハ・ツエンダー干渉計型フィルターの要部横断側面図であり、図に於いて、８１はｎ−ＩｎＰ基板、８２はｐ−ＩｎＰ層、８３はｎ−ＩｎＰ層、８４はｐ−ＩｎＰクラッド層、８５は導波路、８６はＳｉＯ₂からなる絶縁層、８７はｎ側電極、８８はｐ側電極、８９は電極コンタクト層をそれぞれ示している。

マッハ・ツエンダー干渉計型フィルターに於いては、ｐ側電極８８及びｎ側電極８７を用いて矢印方向に電流を注入する。光が通過する導波路８４の一方の側にはヒータ電極が挿入されて位相を調節することが可能であり、そして、マッハ・ツエンダー干渉計型フィルターに依ってＡＳＥを除去した光が短パルス光となる。

マッハ・ツェンダー干渉計型フィルターや前記説明した種々な要素を結ぶ光導波路の層構造は、多モード干渉カプラと同様の構造になっている。

光集積素子を表す要部ブロック図である。波長可変レーザ及び波長固定レーザを表す要部横断側面図である。波長固定レーザの要部縦断側面図である。波長可変レーザの要部縦断側面図である。波長可変レーザの要部上面図である。位相調整器の要部横断側面図である。多モード干渉カプラの要部横断側面図である。半導体光増幅器及び光検出器の要部横断側面図である。マッハ・ツエンダー干渉計型フィルターの要部横断側面図である。光パルス列の発生方法を説明する為の説明図である。光を混合した場合に得られるパルス列の計算結果を表す線図である。光を混合した場合に得られるパルス列の計算結果を表す線図である。

符号の説明

１波長可変レーザ
２波長固定レーザ
３位相調整器
４多モード干渉カプラ
５３次の非線形感受率が大きい半導体光増幅器
６半導体光検出器
７マッハ・ツエンダー干渉計型フィルター
８位相調整器
９位相比較器
１０信号発生器

Claims

少なくとも１つが波長可変レーザである２つの半導体レーザからなる光源と、
２つの半導体レーザからの光を非線形効果に依る四光波混合を行って周波数コムを生成する半導体光増幅器と、
２つの半導体レーザからの光が入力される半導体光検出器とが集積化されてなること
を特徴とする光集積素子。
半導体光増幅器のＡＳＥを除去するためのフィルタが集積化されてなること
を特徴とする請求項１記載の光集積素子。
半導体光検出器と半導体レーザとが位相同期ループで結ばれてなること
を特徴とする請求項１或いは請求項２記載の光集積素子。