JP2000340881A - 半導体レーザ装置、半導体レーザ装置を用いた変調信号発生装置、および半導体レーザ装置を用いた測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 モードロックされた光パルスを発生するには
過飽和吸収領域が必要であること。 【解決手段】 その内部に設けられた複数の量子井戸を
有する利得領域と、前記利得領域に電子及びホールを供
給するための電極と、前記利得領域で発生する光を反射
させる反射部を有し、複数の光学的発振モードを保持す
るように構成したファブリペロー型の半導体レーザ装置
において、モードロックされた光パルスを取り出すよう
に構成したものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ装置
およびこの半導体レーザ装置を用いた変調信号発生装
置、計測装置に関するものであり、具体的には繰り返し
周期が高速で一定の光パルスを発光できるモードロック
半導体レーザ装置、このモードロック半導体レーザ装置
を用いて構成した変調信号発生装置、計測装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のモードロック半導体レーザ装置
は、共振器の中に利得領域ばかりでなく可飽和吸収領域
を設ける必要があった。モードロック半導体レーザ装置
は、例えばS. Arahira, Y. Matsui and Y. Ogawa, “Mo
de-Locking at Very High Repetition Rates More Than
Terahertz inPassively Mode-Locked Distributed-Bra
gg-Reflector Laser Diodes”, IEEE J. Quantum Elect
ron.,32,1211 (1996)等に記載されている。

【０００３】図１１は、従来のモードロック半導体レー
ザ装置の構成を説明するためのものである。図におい
て、ｎ型のInP基板1000上に有機金属気相成長法によりI
nGaAs量子井戸層とInGaAsP障壁層とを交互に積層してな
る多重量子井戸構造の活性領域（多重量子井戸活性層）
31とInGaAsP光導波領域（光導波層）30とがレーザ共振
器方向に直列に並ぶように形成されている。双方の領域
上にはp型InPクラッド層600とp型InGaAsPコンタクト層7
00が積層され、 共振器端面側のInGaAsP光導波層30とp
型InPクラッド層600との界面には回折格子50が形成され
ている。また、

【０００４】この半導体レーザ素子は、光導波領域30側
の端面から共振器方向に沿って光導波領域30とクラッド
層600との界面に回折格子50が形成されたＤＢＲ（分布
ブラッグ反射鏡）領域、回折格子が形成されない位相調
整領域、活性領域31を有する利得領域、吸収領域の４領
域に分けられる。利得領域と吸収領域は半導体層の積層
構造では大差ないものの、素子動作時の電圧印加方向が
異なる。

【０００５】即ち、利得領域をはじめ、ＤＢＲ領域や位
相調整領域ではp型コンタクト層700からｎ型InP基板100
0に至るp-i-n接合方向に対して夫々順バイアス電圧が印
加された状態で電流が注入されるのに対し、吸収領域で
は逆バイアス電圧が印加される。このような動作上の要
請から、n側電極800が各領域に共通に設けられるのに対
して、p側電極はＤＢＲ領域用91、位相調整領域用94、
利得領域用92、及び吸収領域用93に別れている。吸収領
域側の共振器端面には、高反射膜100が形成され、レー
ザ光はＤＢＲ領域側の共振器端面から発振される。

【０００６】このモードロック半導体レーザ装置は、発
光現象を利得領域への利得電流注入により行い、複数の
縦モードのレーザ光のパルスを安定且つ連続的に発振さ
せるためにＤＢＲ領域並びに位相調整領域への注入電流
が調節される。また、吸収領域に印加される逆バイアス
電圧は、閾値電流の上昇と閾値電流注入時における出力
増大を促す。利得電流を閾値電流値付近に設定すると基
本モードでのレーザ発振が、閾値電流より更に大きくし
ていくと多重縦モードのレーザ発振が夫々生じ、多重縦
モードパルスの時間軸幅は基本モードに比べて狭まる
（時間軸方向に並ぶパルス列の間隔が短くなる）。

【０００７】このレーザは基本的にはいくつかのモード
が同時に発振し得る多モードレーザである。利得領域に
は順方向に電流を流して利得を得る。可飽和吸収領域に
は逆方向に電圧を印加して光を吸収させる。可飽和吸収
領域では吸収する光の強度が強くなると吸収率が飽和し
一部光が透過するようになる。このためここから出力さ
れる光はこの領域で光の強度が強くなるように、いくつ
かのモードの位相が揃っている。つまりモードロックパ
ルスが得られる。

【０００８】

【発明が解決しようとしている課題】従来のモードロッ
ク半導体レーザ装置はこのように基本的に共振器の内部
に複数の異なる機能を持つ領域を設けなければならない
ので、製作プロセスの工程が多く、かつ製作費用が高価
になる。更に、可飽和吸収領域があるために利得領域に
流す電流が高いものになり、レーザの寿命にとって好ま
しくないばかりでなく、レーザ光を得るために、二つの
電源を必要とする。

【０００９】また、モードロックパルスの基本繰り返し
周期は，共振器長が長くなるにつれて長くなる。可飽和
吸収領域と利得領域が必要な従来のモードロックパルス
レーザでは共振器長を短くする上で限界があるので基本
モードでのモードロック動作時に高速繰り返しを得るこ
とが困難である。従来のモードロック半導体レーザは光
強度によって吸収飽和が生じる領域を含むので、光パル
スが共振器を周回伝搬している間に共振器のノーマルモ
ードが変化しそのために大きな位相雑音を生じやすい。

【００１０】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、可飽和領域を必要とせずにモー
ドロックパルスレーザを発生するモードロック半導体レ
ーザを得ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る半導体レ
ーザ装置は、その内部に設けられた複数の量子井戸を有
する利得領域と、前記利得領域に電子及びホールを供給
するための電極と、前記利得領域で発生する光を反射さ
せる反射部を有し、複数の光学的発振モードを保持する
ように構成したファブリペロー型の半導体レーザ装置に
おいて、 ｜ｄ／ｌ｜＜１ ｌ＜０

【００１２】

【数２】

【００１３】但し、 ｌ：モードロック係数 Ｅ_m（ｍ＝１、２、３）：複数の光学的発振モードのう
ち隣り合った三つのモードの振幅 ν_n（ｎ＝１、２、３）：複数の光学的発振モードのう
ち隣り合った三つのモードの振動角周波数 ε₀：真空の誘電率 ｋ：自由キャリアの波数ベクトル ω_k：波数ベクトルｋにおける伝導帯と価電子帯準位間
のエネルギー差 ω_ck：伝導帯のエネルギー準位 ω_vk：価電子帯のエネルギー準位 Ｎ_k：エネルギー準位ω_ckとエネルギー準位ω_vkとの間
の反転分布の確率 ｄ_cvk：ωｋに対応する双極子モーメント γ：位相緩和定数 γ_c：自由電子の非発光緩和定数 γ_v：自由ホールの非発光緩和定数 δ：クロネッカーのデルタ とし、モードロックされた光パルスを取り出すように構
成したことを特徴とするものである。

【００１４】この発明に係る半導体レーザ装置は、その
内部に設けられた複数の量子井戸を有する利得領域と、
前記利得領域に電子及びホールを供給するための電極
と、前記利得領域で発生する光を反射させる反射部を有
し、複数の光学的発振モードを保持するように構成した
ファブリペロー型の半導体レーザ装置において、 Δ≒Ｃ／（２ｎ^*Ｌ）、 γ²／２＞Δ²＞２γγ_c 但し、Δ：モード間隔 Ｃ：光の速さ ｎ^*：利得領域の屈折率 Ｌ：前記利得領域の長さ γ：位相緩和定数 γ_c：自由電子の非発光緩和定数 とし、モードロックされた光パルスを取り出すように構
成したものである。

【００１５】この発明に係る半導体レーザ装置は、利得
領域は、予め設定された所望の発振光強度において利得
飽和が生じるような量子井戸の数あるいは量子井戸の第
一準位と障壁高さとのエネルギー差を有するように構成
したものである。

【００１６】この発明に係る半導体レーザ装置は、モー
ドロックされた光パルスのスペクトルが予め設定された
幅となるようにスペクトルバンドパスフィルタを設けた
ものである。

【００１７】この発明に係る半導体レーザ装置は、出力
パルスの中心波長が予め定められた所望の波長となるよ
うに利得領域の量子井戸構造と材料を設定したものあ
る。

【００１８】この発明に係る変調信号発生装置は、請求
項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装置と、前
記レーザ装置からの光パルスを変調する光変調器とを備
えたものである。

【００１９】この発明に係る測定装置は、請求項１から
５のいずれかに記載の半導体レーザ装置と、前記半導体
レーザ装置の出力光を照射された被測定電流源からの反
射光より光の偏光方向を検出する検光子とを備えたもの
である。

【００２０】

【発明の実施の形態】実施の形態１．図１は、本実施の
形態の半導体レーザ装置を説明するための図であり、具
体的には本実施の形態の半導体レーザ装置の鳥瞰断面図
を示す図である。この半導体レーザ装置は、一般にファ
ブリぺーロー型の半導体レーザ装置と呼ばれるものであ
る。図において、１は正電極、２はＳｉＯ₂膜、３はｐ
型ＩｎＰ層、４は電流ブロック層である。Ｆｅをドープ
したＩｎＰ層、５はｎ型ＩｎＰ層、６は負電極、７は利
得領域である活性層である。電流ブロック層５として、
例えばＦｅをドープしたＩｎＰ層を用いればよい。ｐ型
ＩｎＰ層３は活性層７にホール（または自由ホール）を
供給する層、ｎ型ＩｎＰ層５は活性層７に電子（または
自由電子）を供給する層である。また、励起状態である
自由電子、自由ホールの非発光緩和定数をそれぞれ
γ_c、γ_vとする。

【００２１】活性層７は量子井戸構造を有するものであ
り、例えば無歪みのInGaAsを有する量子井戸層を所定の
厚さを有する障壁層（InGaAsP等）で隔てたものであ
る。活性層７の紙面横方向の長さ（つまり利得領域の長
さ、または共振器長ともいう）をＬとし、この半導体レ
ーザ装置により発生するレーザのモード間隔をΔ、光の
速さをｃとし、利得領域である活性層７の屈折率をｎ^*
すると、

【００２２】 Δ≒Ｃ／（２ｎ^*Ｌ） （１ａ）

【００２３】なる関係が成立するようにＬの大きさを調
節している。また、位相緩和定数をγ、γ_cを自由電子
の非発光緩和定数とすると、

【００２４】 γ²／２＞Δ²＞２γγ_c （１ｂ）

【００２５】となるようにモード間隔の値（またはΔの
値）を設定している。また、図に示した半導体レーザ装
置の劈開面は内部で発生するレーザ光を反射する反射部
を形成する。Δの値を上述の式を満足するように設定す
るとモードロックされた光パルスが半導体レーザ装置よ
り発生する。従って可飽和吸収領域を必要としないモー
ドロック半導体レーザ装置を得ることができる。上述の
条件により可飽和吸収領域を必要としない半導体レーザ
装置であってもモードロックされた光パルスが発生する
理論的な根拠を以下に示す。

【００２６】まずこの現象が安定に発生し得る条件を示
す。そして後において、実験的にこの現象が実現するこ
とを示す。均一に分布する２準位原子をレーザ媒質とし
たときのモードロックの発生／安定条件についてはLamb
等によって明らかにされている(M. Sargent III, M. O.
Scully, W. E. Lamb, Jr., Laser Physics, US: Addis
on-Wesley Publishing Company.)。

【００２７】本発明が対象にしている可飽和吸収領域を
有しない半導体レーザ装置は、互いに相互作用のない2
準位系のアンサンブルとみなすことができるのでこの点
での修正を行えば、Lamb等の議論を半導体レーザに適用
することができる。そこで、先ず半導体レーザの電子状
態と双極子モーメントの表式を以下に纏める。

【００２８】（ａ） 活性層７の量子井戸構造における
双極子モーメント,ｄ_cvkの表式 図３は半導体レーザを互いに相互作用のない2準位原子
のアンサンブルと見たときの電子状態と発光エネルギの
関係を説明するための図である。ここではさらに量子井
戸を構成した場合を想定している。活性層７が量子井戸
構造を有するものだからである。バンド間エネルギーＥ
_Gを隔てて伝導帯(c)と価電子帯(v)があり、それぞれに
量子準位

【００２９】

【数３】

【００３０】（またはＥ_i ^cとも示す）と

【００３１】

【数４】

【００３２】（またはＥ_j ^vと示す）が形成されている。
ここで、ｉ、jは量子井戸構造によって伝導帯と価電子
帯に生じた準位をあらわしている。この系にキャリア
（自由電子、自由ホール）がｐ型ＩｎＰ層３、ｎ型Ｉｎ
Ｐ層５、より注入されて反転分布が生じると、それぞれ
のバンドに擬フェルミ準位μ _c、μ_vが定義できる。運動
量ｋを持つ自由電子(エネルギ準位はｈω_ck／２π)と自
由ホール(ｈω_vk／２π)の再結合によってエネルギーｈ
ω_k／２πの光子が発生する。従って，これらの量は次
のような関係を持つ：

【００３３】

【数５】

【００３４】ここで、ｍ_cは自由電子の有効質量、ｍ_vは
自由ホールの有効質量である。また、便宜上以下の式を
定義する。

【００３５】

【数６】

【００３６】（５）式の左辺はＱ_ij ^vとも示す。擬フェ
ルミエネルギは電子密度であるn_eあるいはホール密度で
あるn_vと次のような関係を持つ：

【００３７】

【数７】

【００３８】ここに、Vは考えている系の体積であり，T
は系の温度，ｅｘｐ関数の括弧内のkはボルツマン定数
である。このように表される電子系において準位ｈω_ck
／２πとｈω_vk／２πとが関わる双極子モーメントは次
のように表される。

【００３９】

【数８】

【００４０】ここに、|< s | p_z| z >|は上記遷移に関
わるマトリクス要素であり、スプリット-オフ-バンドΔ
_s電子の静止質量m₀ならびに有効質量m_cを用いて次のよ
うに表される。

【００４１】

【数９】

【００４２】さらに式(８)において、

【００４３】

【数１０】

【００４４】であり、Ψ_ci,Ψ_vjは量子井戸のなかでの
電子とホールのWannier関数である。またA_ij ^vは，TE モ
ードについては、

【００４５】

【数１１】

【００４６】であり、TM モードについては，

【００４７】

【数１２】

【００４８】である。ここで、

【００４９】

【数１３】

【００５０】である。

【００５１】（ｂ） 振幅と位相の運動方程式 次にファブリペロー半導体レーザ内部で上記の電子系と
自己無撞着に相互作用している電場のモードの振幅と位
相の運動方程式を示す。半導体レーザが発振していると
き共振器内の光の電場をファブリペロー共振器のノーマ
ルモードで展開することができる。モードロックが生
じ、さらに安定にその状態が継続する条件を見いだすた
めには最小限、隣接する3本のモードを考える必要があ
る。なぜなら、モードロックはモード間の位相関係が一
定または一定とみなせる状態になる現象だからである。

【００５２】いま、この3本のモードに周波数が低い方
から順に番号を1,2,3とつける。そしてそれぞれのモー
ドの振幅をE_n, ;(n=1,2または3)，振動角周波数をν_n,
;(n=1,2または3)，位相をφ_n;(n=1,2または3)としたと
き，各モードの振幅と位相の時間変化を決定する方程式
は次のようになる。

【００５３】

【数１４】

【００５４】式(１３)から(１５)において、

【００５５】

【数１５】

【００５６】ここに、

【００５７】

【数１６】

【００５８】である。そして、式(１７)において、γは
位相緩和（後述する式(２０)に対する表記注参照)，Q_n
は共振器のモードｎに対するＱ値、νはモード周波数で
あるがここではν≒ν₂と見なすことができる。またε₀
は真空の誘電率、

【００５９】

【数１７】

【００６０】はプランク定数ｈを２πで割ったものであ
る。また式(１３)から(１５)において、

【００６１】

【数１８】

【００６２】であり、ここに、

【００６３】

【数１９】

【００６４】である。ここで、γ_c，γ_vは、それぞれ自
由電子と自由ホールの非発光緩和定数であり、γは位相
緩和定数γ_phと次のような関係にある。

【００６５】

【数２０】

【００６６】これらはｋに依存しないと仮定している。
また後に示すようにγ_ph ≫γ_c、γ_vなので以降では、
γとγ_phは区別しない（等しいものとみなす）。さらに
δ_σρはクロネッカーのデルタである。

【００６７】また、式(１６)において

【００６８】

【数２１】

【００６９】である。モードロックによる光パルス発現
の条件と安定化の条件をもとめる。モードロックによる
光パルスは、

【００７０】

【数２２】

【００７１】となったときに出現する。即ち，Ψの定義
式である式（２３）と式（３１）より，

【００７２】

【数２３】

【００７３】となり、位相φ₁、φ₂、φ₃の間に一定の
関係が定まる。今，E_nが時間に依存しないとすると式
(１６)を式(１３),(１４),(１５)とは独立に考えること
ができる。式(１６)が定常解を持つためには，

【００７４】

【数２４】

【００７５】が必要である。これがモードロック発現の
条件である。次に、Ψの一次微分が０となる状態の安定
性の条件を調べる。今、式(３１)の解をΨ^(s)とし，ε
を安定状態からのΨの微小な変動であると仮定する。

【００７６】

【数２５】

【００７７】を式(１６)に入れて，εの2次以上の高次
の項を無視すると

【００７８】

【数２６】

【００７９】となる。これを積分して，

【００８０】

【数２７】

【００８１】従って

【００８２】

【数２８】

【００８３】ならば t → ∞のときε→０となることが
わかる。これがモードロック安定化の条件である。モー
ドロック発現の条件は後に述べるように、半導体レーザ
の場合も比較的容易に満たされる。そこで安定化の条件
(３７)について詳細に調べる。まず安定化の条件(３７)
を満たす状態は２種類ある。式(３１)が成り立つとき，
式(１６)は次のような解を持つ。

【００８４】

【数２９】

【００８５】式(３８)が成り立つとき、時間軸を

【００８６】

【数３０】

【００８７】となるようにとり、Ψ₀は十分小さいので
無視すると

【００８８】

【数３１】

【００８９】となり、

【００９０】

【数３２】

【００９１】即ち、

【００９２】

【数３３】

【００９３】ならば、3本のモードの位相が同一になる
ので、重ね合わせによってすべてのモードが強めあうモ
ードロックが得られる。この場合、

【００９４】

【数３４】

【００９５】なので、条件(３７)は

【００９６】

【数３５】

【００９７】である。また同じことだが、

【００９８】

【数３６】

【００９９】である。他方、条件(３９)が成り立つと
き、位相関係は

【０１００】

【数３７】

【０１０１】となる。この場合たとえ(４２)式が成り立
っていても、モード1とモード2が強めあうのに対してモ
ード3がそれを打ち消す方向に重なるためモードロック
パルスの信号強度が小さくなる。この場合，ｃｏｓ（Ψ
^(s)−Ψ⁽⁰⁾） < 0なので、条件(３７)は

【０１０２】

【数３８】

【０１０３】である。逆にl_s<0ならば、（４１）式より
強め合うモードロックが生じ、l_s>0ならば、（４６）式
より弱め合うモードロックが生じる。そこで次に条件
(４５)はどのような場合に満たされるかを調べる。

【０１０４】先ず半導体の場合l_sに含まれる量の典型的
な数値を示す。発振ピークのエネルギーは後に示す実施
の形態1では，ｈν₂=0.8025 eVとなるように材料と利得
領域の構造を設定している。位相緩和は通常キャリア-
キャリア散乱によって生じるので、ｈγ／２π=41.36 m
eVの程度であることが例えば文献(G. P. Agrawal and
N. K. Dutta, ”Long-Wavelength Semiconductor Laser
s”, New York: Van Nostrand Reinhold, 1986.：以後
文献１と称す)に示されている。モード間隔は共振器の
長さと屈折率できまる。本実施の形態では共振器長Ｌが
300(μｍ)の場合を示しており，ｈΔ／２π=0.571 （me
V）である。励起状態のダンピングについては，その値
はこのダンピングが生じる原因により異なる。実施の形
態1で示すような1.5μｍあるいは1.3μｍの波長で発光
する半導体レーザの場合はAuger過程による緩和が大き
いことが知られている。そしてその大きさはキャリア密
度の3乗に逆比例することが知られている(例えば文献１
など) 即ちｈγ_c／２π∝ 1/ n³、キャリア密度が10¹⁸ cm^-3の
場合、ｈγ_c／２π=4.136（μeV）である。この場合

【０１０５】

【数３９】

【０１０６】なる大小関係が成り立つ。しかし共振器の
長さが長くなったり、閾キャリア密度が大きくなるとΔ
とγ_cの値が近くなることは起こり得る。

【０１０７】この条件の下で安定化の条件(４５)が成り
立つ条件を調べる。式(２８)でE₂の項は、

【０１０８】

【数４０】

【０１０９】となる。但し、

【０１１０】 E₁ ≒ E₃ （５０）

【０１１１】と仮定している。（今系が対称である場合
を考えているので、この仮定は自然な仮定である）。θ
₁₂₃₂とθ₃₂₁₂の具体的な表式を書くと、

【０１１２】

【数４１】

【０１１３】ここで、式(３２)を用いた。また、

【０１１４】

【数４２】

【０１１５】

【数４３】

【０１１６】とおいた。このQは、θ_{n μρσ}の中の総和
をとるためのパラメータである。θ_{n μρσ}の中の総和
については，量子井戸の中では

【０１１７】

【数４４】

【０１１８】とかける。ここにL_zは量子井戸の厚さであ
る。積分の範囲は，3本のモードを考えているので発光
の中心エネルギーｈν₂／２πの近傍、

【０１１９】 -ｈΔ／２π < Q < ｈΔ／２π （５５）

【０１２０】の範囲と考えておけばよい。

【０１２１】このような状況の下では(４９)は、Ｑに関
して偶関数とみなしてよく、最低限（５５）を満足し、
かつ(４９)が負であるためには，

【０１２２】

【数４５】

【０１２３】であればよい。このことを示そう。-ｈΔ
／２π < Q < ｈΔ／２πの範囲では、Ｎ_kはほとんど一
定とみて積分の外に出してもよい。双極子モーメント
(８)の中の左辺の項であるA_ij ^vはQに関して偶関数であ
る。そして、同じ双極子モーメント(８)の中の(1/ω_k)⁴
は，式(４８)を考慮して

【０１２４】

【数４６】

【０１２５】とかける。右辺括弧内の第二項は第一項に
比べて小さい。そこで、式(４９)において式(５７)の最
初の項だけを残して考えると次の関係が成り立つことが
分かる。

【０１２６】

【数４７】

【０１２７】よって、式(４９)はQに関する偶関数であ
る。従って、また式(５７)の８Ｑπ／（ｈν₂）の項はQ
に関する積分を実行すると消える。その結果、積分範囲
-ｈΔ／２π < Q < ｈΔ／２πで式(４９)が負であるこ
とを要請すると、条件(５６)が得られる。

【０１２８】ロッキング係数(２８)の２Ｅ₁Ｅ₃について
同様の議論を行うと

【０１２９】

【数４８】

【０１３０】が得られる。この条件は、条件(５６)を含
んでいるので結局式（６０）が、安定化条件(４５)を保
証するものである。

【０１３１】モードロック発現の条件(３３)について
は、式(２４)の各項２σ₂−σ₁−σ₃と２τ_2m−τ_1m−
τ_3mについて同様な解析を行うと、式(５７)の一次を残
す近似ではそれぞれの項はＱに関して奇関数である。従
って，これらの項はl_sに比べて、Δ/ν₂程度の大きであ
るので条件(３３)は十分なパワーが得られた場合には成
り立つ。これについては、実施の形態６で再び考察す
る。

【０１３２】次にこれまで前提にした3本のモードが同
時に発振する条件について考える。利得のスペクトル分
布はほぼ対称になる。式(１３)、(１４)、(１５)のうち
モード2に対する利得飽和の項

【０１３３】

【数４９】

【０１３４】が他のモードに比べて大きいことは不等式
(４８)の条件を使って容易に示すことができる。光強度
が十分強くなると3本のモードがほぼ同じ程度の強度で
発振する状況は自然に出現しうる。

【０１３５】しかし、次のような場合を考えておく必要
がある。光強度を強くすることはキャリア密度も高くし
なければならない場合があるのでAugerによる非発光緩
和が大きくなる可能性がある。その結果条件(６０)が成
り立たない状態が生じ得る。その場合、閾キャリア密度
を低く保ちながら共振器内部の光強度を強くするために
はファブリペロー共振器のミラーの反射率を高くすれば
よい。

【０１３６】さらに低い電場強度で利得飽和を生じさせ
るためには、量子井戸の第一準位と量子井戸の障壁との
高さの差を小さくすることと量子井戸の数を多くするこ
とが効果がある。これは次のような理由による。例えば
本実施の形態で示すInGaAs/InPを用いた系の場合ヘテロ
接合界面における価電子帯のバンド不連続量が大きいた
めに、量子井戸の数が多いとホールがp-InPからn-InPに
最も近い量子井戸に輸送されるまでに無視できない時間
を要する。従って電場強度が強くなるにつれn-InPに近
い量子井戸の利得が飽和する傾向が生じる。他方、量子
井戸の深さ(第一量子準位と障壁の高さの差)が小さいと
一つの量子井戸当たり蓄積し得るキャリア密度が少なく
なるのでやはり利得が飽和する傾向が生じる。

【０１３７】以下に、実際に設計した半導体レーザ装置
に関する説明をする。以下のような設計を行い、図１に
示した半導体レーザ装置を得た。活性層７を成す量子井
戸構造は、厚さが6（nm）で無歪みのInGaAs量子井戸構
造を有する層をその厚さが10（nm）の障壁層(発光波長
が1.325 μｍのInGaAsP層)で隔てたものとした。電流ブ
ロック層４として、Fe-ドープのInP層を用いた。さらに
本実施形態のモードロック半導体レーザは劈開面（コー
トはしていない）を共振器ミラーとするファブリペロー
共振器構造で共振器長（活性層の長さL）は300（μｍ）
ある。

【０１３８】上述のように設計した得た半導体レーザ装
置の基礎特性を以下に示す。上述の設計により得た半導
体レーザ装置の室温(25℃)での閾値電流は7.8 （mA）、
出力3 （mW）での注入電流は31（mA）である。

【０１３９】本実施の形態のモードロック半導体レーザ
装置の動作を示すために、図３に示す測定系（自己相関
測定系）を用いて出力光の自己相関波形を測定した。図
において、201は本実施の形態のモードロック半導体レ
ーザ装置、202はモードロック半導体レーザ装置201を駆
動するための半導体レーザ駆動装置、203はモードロッ
ク半導体レーザ装置201より発生する光パルスを増幅す
る光ファイバ増幅器、204は自己相関測定器である。ま
た、スペクトルアナライザを用いて同じ駆動条件でのス
ペクトルを測定した。

【０１４０】図３において被測定体であるモードロック
半導体レーザ装置201を 8 （ns）の幅、2 （μｓ）の繰
り返し周期の電流パルスで駆動する。出力光を光ファイ
バで受けて光ファイバ増幅器203に入力して増幅(15dB)
する。この出力をやはり光ファイバで自己相関測定器20
4に導く。

【０１４１】自己相関測定器204に入った光は二つの光
路に分けられる。一方の光路を辿る光は回転する平行ミ
ラーによって周期的に光路長変化を受けた後同じ光路を
戻ってくる。この光ともう一方の光路を辿った光は非線
形光学結晶上で重なり二倍高調波を発生する。これを光
電子増倍管で受光して平行ミラーの回転周期に同期した
オシロスコープで観測する。非線形光学結晶はLiIO₃で
ある。この測定系での時間分解能は0.1 （ps）の程度で
ある。時間軸は、コーナーミラの位置変化とパルス位置
の変化を比較することによって更正した。

【０１４２】図３に示す測定装置を用い本実施の形態の
半導体レーザ装置の特性を測定した測定結果を図４、図
５に示す。図４は半導体レーザからの発光の自己相関波
形を示す図である。図に示すように周期的なパルスが観
測されているのが理解できる。パルス間隔は、7.5 （p
s）、パルス幅は、0.6 （ps）である。駆動パルス条件
は駆動パルス周期が2（μｓ）、パルス幅が8（ns）、電
流が60（mA）である。図においてパルス間隔が左へ行く
に従ってわずかに広がっているように見えるのは自己相
関測定器の回転ミラーによる光路長の変化が時間軸上で
非線形であるためである。

【０１４３】図５には半導体レーザの発光スペクトルの
注入電流依存性を示す。注入電流は(a) 28 （mA）と(b)
60 （mA）である。いずれの場合もファブリペローモー
ドのピークが観測されている。モード間隔は，1.1 （n
m）であり、時間軸上で7.2（ps）に相当し、観測された
自己相関波形に見られるパルス間隔とほぼ一致するので
このパルスがモードロックに基づくものであることが分
かる。

【０１４４】注入電流が低い(a) では、特に強い強度の
モードが一つある。それに対し、注入電流が高い(b)の
場合、ピーク付近で3本のモードの強度がほぼ同じ程度
に強くなっている。(a) ではモード間のビートによるパ
ルスはほとんど見えない程度に小さいが、(b) では図５
のようにモードロックパルスが観測される。少なくとも
3本のモードピークが同程度の強度を持つことは、先に
しめしたようにモードロックが半導体レーザで観測され
るために必要な条件である。

【０１４５】本実施の形態では、共振器を構成するミラ
ーを劈開面としたが、反射率を変化させるために劈開面
に一層または多層の薄膜をコートしてもよい。

【０１４６】実施の形態２．実施の形態１では劈開面あ
るいはそれに多層膜コートした面を共振器ミラーとした
が本実施の形態では、すくなくとも一方のミラーを分布
帰還構造とすることによってスペクトルの広がりを制限
する。この様にすることによって光ファイバによって伝
送させるときに分散によるパルスの時間軸上での広がり
を最小に抑えることができる。あるいは、共振器を構成
するミラーは劈開面あるいはそれに多層膜コートした面
であるが共振器の内部にバンドパスフィルタを回折格子
によって構成してもよい。

【０１４７】実施の形態３．実施の形態１では、1.55
（μｍ）帯で発光する材料と量子井戸構造の場合につい
て述べたが、異なる発光波長1.3 （μｍ）帯あるいは他
の発光波長でも上に述べた条件を満たすように材料と量
子井戸構造を設定することによってモードロック半導体
レーザ装置を構成することができる。材料のバンド間エ
ネルギと量子井戸の厚さを適切に設定することによって
所望の発光波長を得る方法はよく知られているのでここ
では改めて説明を要しない。

【０１４８】実施の形態４．図６は本実施の形態のモー
ドロック半導体装置を用いた変調信号発生装置を示す図
である。図において、400は上述の実施の形態で説明し
たモードロック半導体装置、401は、繰り返し周期抽出
回路、402は光変調器、403は光増幅器、404は変調器駆
動回路である。

【０１４９】繰り返し周期抽出回路401は、モードロッ
ク半導体レーザ装置からの光パルスを光検出器（図示せ
ず）で受けてその繰返し周期を抽出する。これをクロッ
クとして、変調器駆動回路404を介して光変調器402を駆
動する。変調器駆動回路404にはこれとは別に電気信号
が入力する。従って光変調器402は、モードロック半導
体レーザ装置からの出力光を変調器駆動回路404に入力
される電気信号に従って変調することになる。光増幅器
403は、光変調器402の出力を増幅する。

【０１５０】このように構成することによりモードロッ
ク半導体装置により発生する光パルスを用いて変調され
た信号を発生する変調信号発生装置を得ることができ
る。また光増幅器403はモードロック半導体レーザ装置
からの出力を増幅し増幅した出力を光変調器403に入力
するように構成してもよい。

【０１５１】実施の形態５．図７は本実施の形態のモー
ドロック半導体レーザ装置を用いた検出装置の構成を説
明するための図である。図において500は上述の実施の
形態で説明したモードロック半導体レーザ装置、501は
複屈折結晶、502は被測定電流源、503はSi基板、504は
検出子、505は検出回路である。

【０１５２】図に示した検出装置では上記モードロック
半導体レーザの出力光を複屈折結晶501を通して被測定
電流源502に照射し、その反射光を光の偏光方向を検出
する検光子504を通した後検出することによってパルス
の繰り返し周期を時間分解能として電流の時間変化を検
出できる。

【０１５３】実施の形態６．図８は、実施の形態１にお
いて、モードパワー（ｍＷ）、モード間隔（ｐｓ^-1）、
｜ｄ／ｌ｜の関係を示すグラフ図である。モードパワー
は、各モードの電場が半導体レーザ装置の内部で、共振
器の軸に垂直方向に１．３（μｍ）〜２．０（μｍ）の
範囲で均一に拡がっていると仮定してモード振幅から換
算して求めた。ｄは（２４）式により、ｌは（２７）式
〜（３０）式を用いて表現される。ただし、（２４）式
において２σ₂-σ₁-σ₃の項は、モードの振幅Ｅ_m（ｍ＝
１、２、３）を含まないのに対してｌはモードの振幅を
含むので、半導体レーザへの注入電流が小さくモード振
幅が小さい間は、｜ｄ/ｌ｜＜１が満たされない場合が
ある。

【０１５４】その点を調べるために，モード振幅をパワ
ーで表して，モード間隔のある範囲について｜ｄ/ｌ｜
＜１が満たされる範囲を計算し，示したものが図８であ
る。この範囲の計算において、γ＝６２．８（ｐｓ^-1）
とγ_c=０をそれぞれ一定としている。また、モードパワ
ーは３つのモードで等しいと仮定した。図８からまず分
かることは、モード間隔が小さいほど低いモードパワー
でモードロックが発生するということである。これは、
モード間の相互の利得飽和がモード間隔が小さいほど生
じ易いことによるものである。

【０１５５】さらに図８から分かることは、モード間隔
の大小によらずモードのパワーを増加させることによっ
て|d|/|l|を減少させることができる。その結果三つの
モードの位相の不一致部分である、-sin^-1（d/l）が減
少し、モードロックパルスの消光比を改善させることが
できる。以上は、理論的側面からの説明であるが、実験
的にも出力光の強度に依存して消光比が変化する事実が
確かめられている。

【０１５６】図９は、共振器長が300μｍ、400μｍ、60
0μｍのレーザのモードロックパルスの自己相関波形か
ら消光比をもとめ、注入電流密度に対してプロットした
ものである。

【０１５７】図１０は図９において示す（ａ）点におけ
る自己相関波形を実測し撮影した図（図１０（ａ））、
（ｂ）点における自己相関波形を実測し撮影した図であ
る。図１０において共振器長は300０μｍである。図１
０から共振器長に依らず電流密度の上昇につれて消光比
が増大していることがわかる。これは、図１でモード振
幅の増大につれてモード間の位相の不一致 -sin^-1（d/
l）、が減少することと整合している。なおこの実験で
得られた最大の消光比は、300μｍの共振器の場合に得
られ、その値は10以上である。

【０１５８】このように、｜ｄ／ｌ｜＜１、ｌ＜０とな
るようにすれば、実施の形態１の半導体レーザ装置と同
様の効果を得ることができる。

【０１５９】

【発明の効果】この発明にかかる半導体レーザー装置に
よれば、その内部に設けられた複数の量子井戸を有する
利得領域と、前記利得領域に電子及びホールを供給する
ための電極と、前記利得領域で発生する光を反射させる
反射部を有し、複数の光学的発振モードを保持するよう
に構成したファブリペロー型の半導体レーザ装置におい
て、 ｜ｄ／ｌ｜＜１ ｌ＜０

【０１６０】

【数５０】

【０１６１】但し、 ｌ：モードロック係数 Ｅ_m（ｍ＝１、２、３）：複数の光学的発振モードのう
ち隣り合った三つのモードの振幅 ν_n（ｎ＝１、２、３）：複数の光学的発振モードのう
ち隣り合った三つのモードの振動角周波数 ε₀：真空の誘電率 ｋ：自由キャリアの波数ベクトル ω_k：波数ベクトルｋにおける伝導帯と価電子帯準位間
のエネルギー差 ω_ck：伝導帯のエネルギー準位 ω_vk：価電子帯のエネルギー準位 Ｎ_k：エネルギー準位ω_ckとエネルギー準位ω_vkとの間
の反転分布の確率 ｄ_cvk：ωｋに対応する双極子モーメント γ：位相緩和定数 γ_c：自由電子の非発光緩和定数 γ_v：自由ホールの非発光緩和定数 δ：クロネッカーのデルタ とし、モードロックされた光パルスを取り出すように構
成したので、可飽和吸収領域を必要とすることなくモー
ドロックされた光パルスを発生することができるため、
製作プロセスの工程が従来の装置に比べて少なく製作費
用が安価である。更に可飽和吸収領域を必要としないの
で、光パルスが装置内部を周回伝搬している間にノーマ
ルモードが変化せず、位相雑音を生じない。更に、動作
時には利得領域に電流を流せばよくこのための電流電源
があればよく、低電流動作が可能でレーザを長寿命で動
作させられる。更に可飽和吸収領域を必要としない分、
装置の長さを短くできるので基本モードでのモードロッ
ク動作時の高速繰り返しが得られる。

【０１６２】この発明に係る半導体レーザ装置によれ
ば、その内部に設けられた複数の量子井戸を有する利得
領域と、 前記利得領域に電子及びホールを供給するた
めの電極と、前記利得領域で発生する光を反射させる反
射部を有し、複数の光学的発振モードを保持するように
構成したファブリペロー型の半導体レーザ装置におい
て、 Δ≒Ｃ／（２ｎ^*Ｌ）、 γ²／２＞Δ²＞２γγ_c 但し、Δ：モード間隔 Ｃ：光の速さ ｎ^*：利得領域の屈折率 Ｌ：前記利得領域の長さ γ：位相緩和定数 γ_c：自由電子の非発光緩和定数 とし、モードロックされた光パルスを取り出すように構
成したので、可飽和吸収領域を必要とすることなくモー
ドロックされた光パルスを発生することができるため、
製作プロセスの工程が従来の装置に比べて少なく製作費
用が安価である。更に可飽和吸収領域を必要としないの
で、光パルスが装置内部を周回伝搬している間にノーマ
ルモードが変化せず、位相雑音を生じない。更に、動作
時には利得領域に電流を流せばよくこのための電流電源
があればよく、低電流動作が可能でレーザを長寿命で動
作させられる。更に可飽和吸収領域を必要としない分、
装置の長さを短くできるので基本モードでのモードロッ
ク動作時の高速繰り返しが得られる。

【０１６３】この発明に係る半導体レーザ装置によれ
ば、利得領域は、予め設定された所望の発振光強度にお
いて利得飽和が生じるような量子井戸の数あるいは量子
井戸の第一準位と障壁高さとのエネルギー差を有するよ
うに構成したもので、低電流動作でモードロックされた
光パルスを得ることができる。

【０１６４】この発明に係る半導体レーザ装置によれ
ば、モードロックされた光パルスのスペクトルが予め設
定された幅となるようにスペクトルバンドパスフィルタ
を設けたので、光ファイバによって伝送したときにパル
ス波形の劣化を最小にできる。

【０１６５】この発明に係る半導体レーザ装置によれ
ば、出力パルスの中心波長が予め定められた所望の波長
となるように利得領域の量子井戸構造と材料を設定した
ので、所望する発光波長を有する光パルスを得ることが
できる。

【０１６６】この発明に係る変調信号発生装置によれ
ば、請求項１から５のいずれかに記載の半導体レーザ装
置と、前記レーザ装置からの光パルスを変調する光変調
器とを備えたので、光通信用としてトランスフォームリ
ミットで高速の光信号パルスを発信する装置を提供でき
る。

【０１６７】この発明に係る測定装置は、請求項１から
５のいずれかに記載の半導体レーザ装置と、前記半導体
レーザ装置の出力光を照射された被測定電流源からの反
射光より光の偏光方向を検出する検光子とを備えたの
で、半導体レーザ装置により発生する光パルスの繰り返
し周期を時間分解能として電流の時間変化を検出するこ
とができるため、短い時間分解能で電気的現象を計測す
る測定装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本実施の形態の半導体レーザ装置の構成を説
明するための図である。

【図２】 半導体レーザのバンドダイヤグラムとエネル
ギーの定義を説明するための図である。

【図３】 本実施の形態の半導体レーザ装置の特性を測
定する測定装置の構成を説明するための図である。

【図４】 本実施の形態の半導体レーザ装置の特性を示
す図である。

【図５】 本実施の形態の半導体レーザ装置の特性を示
す図である。

【図６】 本実施の形態の半導体レーザ装置を用いた装
置の構成を説明するための図である。

【図７】 本実施の形態の半導体レーザ装置を用いた装
置の構成を説明するための図である。

【図８】 本実施の半導体レーザ装置において、モード
間隔と、モードパワーと｜ｄ／ｌ｜との関係を示す図で
ある。

【図９】 本実施の半導体レーザ装置において、電流密
度と消光比との関係を示す図である。

【図１０】 本実施の半導体レーザ装置において、自己
相関波形を実測し撮影した図である。

【図１１】 従来のモードロック半導体レーザ装置の構
成を説明するための図である。

【符号の説明】

１：正電極 ２：ＳｉＯ₂膜 ３：Ｐ型ＩｎＰ層 ４：電流ブロック層 ５：ｎ型ＩｎＰ層 ６：負電極 ７：利得領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 冨田 信之 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 井須 俊郎 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 瀧口 透 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 (72)発明者 樋口 英世 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 5F073 AA22 AA65 AA74 CA12 EA01 EA27 HA08

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 その内部に設けられた複数の量子井戸を
   有する利得領域と、 前記利得領域に電子及びホールを供給するための電極
   と、 前記利得領域で発生する光を反射させる反射部を有し、 複数の光学的発振モードを保持するように構成したファ
   ブリペロー型の半導体レーザ装置において、 ｜ｄ／ｌ｜＜１ ｌ＜０ 【数１】 但し、 ｌ：モードロック係数 Ｅ_m（ｍ＝１、２、３）：複数の光学的発振モードのう
   ち隣り合った三つのモードの振幅 ν_n（ｎ＝１、２、３）：複数の光学的発振モードのう
   ち隣り合った三つのモードの振動角周波数 ε₀：真空の誘電率 ｋ：自由キャリアの波数ベクトル ω_k：波数ベクトルｋにおける伝導帯と価電子帯準位間
   のエネルギー差 ω_ck：伝導帯のエネルギー準位 ω_vk：価電子帯のエネルギー準位 Ｎ_k：エネルギー準位ω_ckとエネルギー準位ω_vkとの間
   の反転分布の確率 ｄ_cvk：ωｋに対応する双極子モーメント γ：位相緩和定数 γ_c：自由電子の非発光緩和定数 γ_v：自由ホールの非発光緩和定数 δ：クロネッカーのデルタ とし、モードロックされた光パルスを取り出すように構
   成したことを特徴とする半導体レーザ装置。
2. 【請求項２】 その内部に設けられた複数の量子井戸を
   有する利得領域と、 前記利得領域に電子及びホールを供給するための電極
   と、 前記利得領域で発生する光を反射させる反射部を有し、 複数の光学的発振モードを保持するように構成したファ
   ブリペロー型の半導体レーザ装置において、 Δ≒Ｃ／（２ｎ^*Ｌ）、 γ²／２＞Δ²＞２γγ_c 但し、Δ：モード間隔 Ｃ：光の速さ ｎ^*：利得領域の屈折率 Ｌ：前記利得領域の長さ γ：位相緩和定数 γ_c：自由電子の非発光緩和定数 とし、モードロックされた光パルスを取り出すように構
   成したことを特徴とする半導体レーザ装置。
3. 【請求項３】 利得領域は、予め設定された所望の発振
   光強度において利得飽和が生じるような量子井戸の数あ
   るいは量子井戸の第一準位と障壁高さとのエネルギー差
   を有するように構成したことを特徴とする請求項１また
   は２のいずれかに記載の半導体レーザ装置。
4. 【請求項４】 モードロックされた光パルスのスペクト
   ルが予め設定された幅となるようにスペクトルバンドパ
   スフィルタを設けたことを特徴とする請求項１から３の
   いずれか１項に記載の半導体レーザ装置。
5. 【請求項５】 出力パルスの中心波長が予め定められた
   所望の波長となるように利得領域の量子井戸構造と材料
   を設定したことを特徴とする請求項１から４のいずれか
   １項に記載の半導体レーザ装置。
6. 【請求項６】 請求項１から５のいずれかに記載の半導
   体レーザ装置と、 前記レーザ装置からの光パルスを変調する光変調器とを
   備えた変調信号発生装置。
7. 【請求項７】 請求項１から５のいずれかに記載の半
   導体レーザ装置と、 前記半導体レーザ装置の出力光を照射された被測定電流
   源からの反射光より光の偏光方向を検出する検光子とを
   備えたことを特徴とする測定装置。