JP2001189524A

JP2001189524A - 半導体レーザ及びモードロック発振方法

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Publication number: JP2001189524A
Application number: JP2000005249A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Ishii; 啓之石井; Masaki Kamitoku; 正樹神徳; Yuzo Yoshikuni; 裕三吉國
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2000-01-05
Filing date: 2000-01-05
Publication date: 2001-07-10
Anticipated expiration: 2020-01-05
Also published as: JP3623905B2

Abstract

(57)【要約】【課題】モード同期がかかる光周波数（波長）の波長
範囲を広くし、ｐｓ以下の短いパルス光を発生できる半
導体モードロックレーザを得る。【解決手段】一本の入力側導波路に入射した光を少な
くとも二本以上の出力側導波路に異なる光周波数ごとに
分波する作用を持つ光フィルタの前記入力側導波路及び
二本以上の出力側導波路にそれぞれ光に対して利得を持
つ活性導波路が接続され、かつ活性導波路に電流を注入
するための電極が設けられた、光フィルタをレーザ共振
器に内蔵した半導体レーザにおいて、前記出力側導波路
の光学的距離とそれに接続される前記活性導波路の光学
的距離との和が、互いに等しいものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体レーザ及び
モードロック発振方法に関し、特に、光通信、光交換、
光情報処理、光計測等に用いられる半導体レーザ光源に
適用して有効な技術に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】短パルス光を発生することができるモー
ドロックレーザは、大容量時分割多重光通信や光ソリト
ン通信用の光源として適用できる他、短パルス光を用い
る光計測分野への応用が可能である。また、モードロッ
クレーザの光スペクトルには、等周波数間隔のモードが
生じるので、光周波数コム発生器として応用することも
できる。例えば、高密度波長多重通信システムにおいて
は、発振周波数が精密に定まった光を用いることが重要
となるが、モードロックレーザを周波数基準器として用
いることで、光源の周波数を精密に制御することが可能
となる。モードロックレーザのなかでも、半導体レーザ
を用いたモードロックレーザは、極めて小型で低消費電
力なので、これらのシステムを実現する上で、極めて重
要である。

【０００３】ここで、一般的なファブリ・ペロー共振器
型の半導体モードロックレーザの構造を図面を用いて説
明する。図６に示すように、半導体モードロックレーザ
は、基板１上に設けられた活性導波路１０に透明導波路
１１が接続された構造のもので、両端の劈開面により光
は反射されるファブリ・ペロー共振型のものである。レ
ーザの縦モード周波数の間隔△ｆは数１の式で表され
る。

【０００４】

【数１】 △ｆ＝ｃ／（２ｎＬ）ここで、ｃは光速、ｎは導波路の実効屈折率、Ｌは共振
器長である。なお、簡単のため、活性導波路１０と透明
導波路１１の実効屈折率は等しいものと仮定した。活性
導波路１０の上部に形成される電極を用いて、この縦モ
ード周波数△ｆに等しい周波数の高周波電流を活性導波
路１０に注入すると、各モードの光の位相が揃い、いわ
ゆるモードロック動作が生じて、短パルス光が生じる。
一般的な半導体レーザの共振器長は数１００ミクロン
（μｍ）で、これに対応するモード周波数間隔は１００
ＧＨｚを越えてしまい、そのような高周波電流を生成さ
せることは困難となる。そこで、図６の例では透明導波
路を接続することによって共振器を長くし、実用的な繰
り返し周波数になるように設計されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、前記従来技
術においては、得られるパルス光の幅がある程度以上短
くならないといった問題があった。この点について、以
下に説明する。半導体レーザの活性層の利得波長帯域
は、通常数十ｎｍ（周波数で数ＴＨｚ〜１０ＴＨｚ）と
広く、この波長（周波数）範囲のすべてのモードが同期
して発振すれば、フーリエ変換の関係より、光パルス幅
ｐｓ以下の短パルスが期待される。しかしながら、図７
(ａ),(ｂ)に示すように、モード同期発振するモードは
利得ピーク付近の１ＴＨｚ程度（波長では８ｎｍ程度）
の範囲内に限られてしまう。この結果、得られるパルス
光の幅も数ｐｓ程度のものとなる。

【０００６】この理由としては以下の２点が考えられ
る。１つは、利得がスペクトル上で完全に平坦ではない
ため、活性層に注入されたキャリアが、利得ピーク付近
の発振モードを増幅するのに消費されてしまい、利得ピ
ークから離れたモードを増幅することができないためで
あり、もう一つは、半導体導波路では、屈折率が光の周
波数（波長）によって変化する、いわゆる波長分散があ
るため、モード周波数間隔が周波数（波長）によって異
なってくるので、広い波長域でモード同期がかからなく
なるためであると考えられている。

【０００７】本発明の目的は、モード同期がかかる光周
波数（波長）の波長範囲を広くし、ｐｓ以下の短いパル
ス光を発生できる半導体モードロックレーザを提供する
ことにある。本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、
下記のとおりである。（１）一本の入力側導波路に入射した光を少なくとも二
本以上の出力側導波路に異なる光周波数ごとに分波する
作用を持つ光フィルタの、前記入力側導波路及び二本以
上の出力側導波路にそれぞれ光に対して利得を持つ活性
導波路が接続され、かつ前記活性導波路に電流を注入す
るための電極が設けられた、光フィルタをレーザ共振器
に内蔵した半導体レーザにおいて、前記出力側導波路の
光学的距離とそれに接続される前記活性導波路の光学的
距離との和が、互いに等しいものである。（２）前記手段（１）の半導体レーザにおいて、前記光
フィルタがアレイ導波路格子フィルタである。（３）前記手段（１）または（２）の半導体レーザにお
いて、前記出力側導波路の一部の領域に、光の位相を調
整するための電極が設けられている。（４）前記手段（１）乃至（３）のいずれか１つの半導
体レーザにおいて、前記出力側導波路に接続された前記
活性導波路には一定電流を流し、前記入力側導波路に接
続されている活性層には、レーザ共振器の長さにより定
まる縦モード間隔に等しい周波数の高周波電流を流すも
のである。

【０００９】本発明においては、一本の導波路に入射し
た光を少なくとも二本以上の導波路に異なる光周波数ご
とに分波する作用を持つ光フィルタをレーザ共振器内に
持つ半導体レーザを基本としている。このような作用を
持つ光フィルタとしては、アレイ導波路格子フィルタが
ある。アレイ導波路格子フィルタを内蔵したレーザはす
でに実施されており（例えば、M.Zirgibl他、ＩＥＥエ
レクトロニクス・レターVo1.30,pp.701〜702,1994年、
参照）、異なる波長の光を同時に発振したり、あるい
は、波長を切り替えたりすることができるレーザであ
る。このアレイ導波路格子内蔵レーザの構造の一例を図
２に示す。アレイ導波路格子フィルタの両端の導波路に
活性導波路が接続された構造となっており、活性導波路
に電流を注入することによって、光を増幅し、レーザ発
振を得る。この例では、片側に１本の導波路ａ１、他方
に８本の導波路ｂ１，ｂ２，・・・ｂ８がある。アレイ導
波路格子フィルタは、これら入出力導波路とアレイ導波
路４を１対のスラブ導波路５で結合した構成となってお
り、アレイ導波路中の隣り合う導波路の長さには、ある
一定の長さだけ差が設けられている。

【００１０】１本の導波路ａ１から入射された光は、ア
レイ導波路格子フィルタを通過すると、その波長ごとに
異なる導波路へと出力される。図３は、各々の出力側導
波路に通過する光の透過特性を重ね書きしたものであ
る。各導波路への透過周波数のピーク間の間隔や、透過
帯域幅、隣の導波路との透過特性の重なり具合は、アレ
イ導波路中の隣り合う導波路の長さの差や、アレイ導波
路格子内のスラブ導波路と導波路の位置関係、入出力導
波路の幅等を設計することにより、適宜変更が可能であ
る。入力側の一本の導波路に接続された活性導波路に電
流を流し、出力側の複数の導波路のうち、ある特定の１
つに接続された活性導波路に電流を流した場合、その導
波路に対応する透過特性のピーク付近の周波数でレーザ
発振が生じる。

【００１１】ここで、異なる出力側導波路に接続された
活性導波路に電流を流せば、その導波路に対応する周波
数でレーザ発振が生じる。したがって、複数の導波路に
接続された活性導波路のうち、どの導波路に電流を流す
かによって波長を切り替えることができる。また、すべ
ての活性層に同時に電流を流せば、複数の波長で同時に
発振させることも可能となる。

【００１２】さて、このアレイ導波路格子内蔵レーザに
モード同期をかけることを考えてみることにする。出力
側のうち特定の１本の導波路に接続された活性導波路に
直流電流を流し、入力側の活性導波路に高周波電流を加
えた場合、ファブリ・ペロー型レーザと同様にモード同
期が生じる。但し、この場合、発振するモードは利得ピ
ーク付近のモードではなく、アレイ導波路格子フィルタ
の透過特性によって定まり、図４に示すようなものとな
る。

【００１３】ここで、他の出力側の活性導波路に電流を
注入した場合、その導波路に対応する波長域でもモード
同期が起これば、モード同期周波数幅が広がることにな
るが、この場合、モード同期は生じない。一般に、特別
な設計をしていないアレイ導波路格子フィルタやその他
の光フィルタ（例えば、多段マッハ・ツェンダ・フィル
タ等）では、出力導波路側の導波路の長さは各々大きく
異なっている。このことは、前記数１の式より、モード
同期周波数も異なることを意味している。したがって、
ある出力導波路でモード同期動作を生じさせた場合、他
の導波路を通過する光に対しては、モード同期の周波数
が異なるため、モード同期が起こらないのである。

【００１４】本発明によるレーザでは、光フィルタの出
力側の導波路、及びそれらに接続される活性導波路の光
学的距離（導波路の物理長と実効屈折率との積）を各々
の導波路間で互いに等しくしている点に大きな特徴があ
る。この結果、どの導波路を通る光に対しても前記数１
の式で定まるモード間隔が等しくなるため、すべての波
長域で同時にモード同期が生じ得るのである。前述の従
来のファブリ・ペロー型レーザで問題となっていた、増
幅可能な利得幅の問題に関しては、光フィルタにより、
広い光周波数がいくつかの導波路に振り分けられ、各々
の周波数領域を複数の活性領域が分担して増幅すること
により解決される。また、屈折率の分散の問題に関して
は、光フィルタで切り分けられた周波数範囲ごとに、光
学的距離が等しくなるようになっているため、モード間
隔のずれを補正したものとなっている。

【００１５】よって、本発明による特定事項を用いるこ
とによって、広い周波数範囲でのモードロック動作が初
めて可能となるのである。以下に、本発明について、本
発明による実施形態（実施例）とともに図面を参照して
詳細に説明する。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１は、本発明による一実施形態
の半導体モードロックレーザの概略構成を示す模式図で
あり、１はＩｎＰ基板、２はアレイ導波路格子フィル
タ、３は光路長調整領域、ａ１は入力側透明導波路、ｂ
１，ｂ２，・・・ｂ８は出力側透明導波路、ａａ１は活性
導波路及び電極、ａｂ１，ａｂ２，・・・ａｂ８は活性導
波路及び電極、ｐｂ１，ｐｂ２，・・・ｐｂ８は位相調整
領域及び電極、４はアレイ導波路、５はスラブ導波路で
ある。

【００１７】本実施形態の半導体モードロックレーザ
は、図１に示すように、１入力８出力構成のアレイ導波
路格子フィルタの各入出力導波路に活性導波路が接続さ
れた構成となっている。導波路はＩｎＰ基板１上に形成
され、透明導波路領域の導波路層は禁制帯幅組成１.３
ミクロン(μｍ）のＩｎＧａＡｓＰで、活性導波路層は
禁制帯幅組成１.５５ミクロンのＩｎＧａＡｓＰであ
る。導波路は、幅約１.５ミクロン、厚さ０.３ミクロン
で、周囲が導波路層よりも低屈折率のＩｎＰで埋め込ま
れた、いわゆる埋め込み型の構造である。ＩｎＰ基板１
はｎ型の導電型で、活性導波路の上部クラッド層はｐ型
の伝導型のＩｎＰとなっており、ｐ-ｉ-ｎ型のダイオー
ド構造となっている。活性導波路の上部には、それぞれ
独立に電極が形成されており、これらの電極ａｂ１，ａ
ｂ２，・・・ａｂ８とＩｎＰ基板１の裏面に形成されてい
る電極との間に電流を流すことにより、活性導波路にキ
ャリアが蓄積され、その結果、光に対して利得が得られ
る。図１中で符号３で示した領域に形成される曲線状の
導波路は、アレイ導波路格子フィルタから基板劈開端面
までの導波路の光学的長さを各導波路ｂ１，ｂ２，・・・
ｂ８について等しくするためのものであり、本発明の主
要な部分であるｐｂ１，ｐｂ２，・・・ｐｂ８で示される
位相調整領域には、電極が形成されており、電極から透
明導波路に電流を流すことにより、導波路の等価屈折率
を変化させる働きをもっている。各導波路ｂ１，ｂ２，
・・・ｂ８の光学的距離は、導波路作製時の作製誤差等に
より、厳密に等しくすることは困難である。そのため、
この位相調整領域の屈折率を調整することにより、各導
波路の光学的距離を厳密に等しくするのである。なお、
この位相調整領域がない場合でも、活性導波路への電流
を制御することで、屈折率制御が可能であるので、各導
波路の光学的距離を厳密に等しくすることは可能であ
る。

【００１８】活性導波路ａｂ１，ａｂ２，・・・ａｂ８、
及び位相調整電極ｐｂ１，ｐｂ２，・・・ｐｂ８に直流電
流を流し、活性導波路ａａ１に高周波電流を加えて、モ
ードロック発振動作をさせた場合の発振スペクトルを図
５に示す。全導波路長は１.５ｃｍで、それに対応する
繰り返し周波数３.１２５ＧＨｚで高周波電流を加えて
いる。このアレイ導波路格子フィルタの周波数分波特性
は、導波路ａ１から入射した光が１ＴＨｚごとに各導波
路ｂ１，ｂ２，・・・ｂ８に振り分けられる特性となって
いる。よって、各導波路に振り分けられた光パルスは、
各周波数帯ごとに活性導波路により増幅され、劈開端面
で反射されたのち、同じタイミングでアレイ導波路格子
フィルタに戻ってきて、活性導波路ａ１に加えられる高
周波電流に同調する。この結果、図１に示すように、約
７ＴＨｚの広い周波数範囲でモード同期動作する半導体
モードロツクレーザが得られている。

【００１９】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論で
ある。

【００２０】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、下
記のとおりである。本発明によれば、モード同期できる
光周波数（波長）範囲を著しく広げた半導体モードロッ
クレーザを実現することができ、広帯域の光周波数基準
器や短パルス光源としての応用が可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による一実施形態の半導体モードロツク
レーザの概略構成を示す模式図である。

【図２】アレイ導波路格子内蔵レーザの従来例の概略構
成を示す模式図である。

【図３】アレイ導波路格子フィルタの分波特性を示す図
である。

【図４】従来のアレイ導波路格子内蔵レーザによるモー
ドロック発振スペクトルを示す図である。

【図５】本発明による一実施形態の半導体モードロック
レーザによる発振スペクトルを示す図である。

【図６】従来のファブリ・ペロー型半導体モードロック
レーザの概略構成を示す模式図である。

【図７】従来のファブリ・ペロー型半導体モードロック
レーザによる発振スペクトル及び利得特性を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…ＩｎＰ基板、２…アレイ導波路格子フィルタ、３…
光路長調整領域、ａ１…入力側透明導波路、ｂ１，ｂ
２，・・・ｂ８…出力側透明導波路、ａａ１、ａｂ１、ａ
ｂ２、ａｂ８…活性導波路及び電極、ｐｂ１，ｐｂ２，
・・・ｐｂ８…位相調整領域及び電極、４…アレイ導波
路、５…スラブ導波路、１０…活性導波路及び電極、１
１…透明導波路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者吉國裕三東京都千代田区大手町二丁目３番１号日本電信電話株式会社内Ｆターム(参考） 5F073 AA21 AA63 AB21 CA12 EA04 EA07 EA29

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一本の入力側導波路に入射した光を少な
くとも二本以上の出力側導波路に異なる光周波数ごとに
分波する作用を持つ光フィルタの前記入力側導波路及び
二本以上の出力側導波路にそれぞれ光に対して利得を持
つ活性導波路が接続され、かつ活性導波路に電流を注入
するための電極が設けられた、光フィルタをレーザ共振
器に内蔵した半導体レーザにおいて、前記出力側導波路
の光学的距離とそれに接続される前記活性導波路の光学
的距離との和が、互いに等しいことを特徴とする半導体
レーザ。
【請求項２】前記光フィルタがアレイ導波路格子フィ
ルタであることを特徴とする請求項１に記載の半導体レ
ーザ。
【請求項３】前記出力側導波路の一部の領域に、光の
位相を調整するための電極が設けられていることを特徴
とする請求項１または２に記載の半導体レーザ。
【請求項４】前記請求項１乃至３のうちいずれか１項
に記載の半導体レーザにおいて、前記出力側導波路に接
続された前記活性導波路には一定電流を流し、前記入力
側導波路に接続されている活性層には、レーザ共振器の
長さにより定まる縦モード間隔に等しい周波数の高周波
電流を流すことを特徴とするモードロック発振方法。