【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体パルス光源に関し、例えば、時分割多重光ファイバ通信方式におけるクロックパルス光源や、無線信号を重畳した光信号を光ファイバにより伝送する光ファイバ無線リンクの光源として用いられるものである。
【０００２】
本明細書において、参照信号（電気信号や光信号）の繰り返し周波数が自励繰り返し周波数に近いあるいはそれの１／ｎ（ｎは２以上の整数）に近いという場合の「近い」とは、半導体モード同期レーザの繰り返し周波数を参照信号の繰り返し周波数あるいはそれのｎ倍の繰り返し周波数に引き込むことが可能な範囲で近いことを意味する。
【０００３】
【従来の技術】
半導体モード同期レーザは、ファイバベースのモード同期レーザに比べて共振器長が小さいため、１０ＧＨｚを超える高い繰り返し周波数の光パルス列の発生に適している。
【０００４】
通常、半導体モード同期レーザは自励的に或る繰り返し周波数で発振し光パルス列を発生する（パッシブモード同期）が、外部から自励発振での繰り返し周波数（自励繰り返し周波数または基本繰り返し周波数）に近い繰り返し周波数を持つ電気信号、あるいは、自励繰り返し周波数の１／ｎ（ｎは２以上の整数）に近い繰り返し周波数を持つ電気信号を参照信号（基準信号）として光透過率変調部（例えば、可飽和吸収領域）に印加すると、前者の場合は自励繰り返し周波数が電気信号の繰り返し周波数自体に引き込まれ、後者の場合は、電気信号のｎ倍の繰り返し周波数に引き込まれるという特性を有している（電気信号によるモード同期）。また、外部から光信号を参照信号として光透過率変調部の光透過率を変調することでも同様の効果が得られる（光注入モード同期）。つまり、外部から、自励発振での繰り返し周波数の１／ｎ（ｎは２以上の整数）に近い繰り返し周波数を持つ光信号で光透過率変調部の光透過率を変調すると、自励繰り返し周波数が光信号のｎ倍の繰り返し周波数に引き込まれる。電気信号によるモード同期、光注入モード同期いずれの場合も、自励繰り返し周波数の１／ｎ（ｎは２以上の整数）の周波数で同期する方法は、サブハーモニックモード同期といわれる。
【０００５】
電気信号によって半導体モード同期レーザを同期させる方法は、簡便に参照信号と同じ繰り返し周波数で低ジッタの光パルス列を発生できるため、実用上重要であり、現在のところ、繰り返し周波数１０２ＧＨｚ（５１ＧＨｚの電気信号により同期）までの光パルス列発生が報告されている（非特許文献１）。しかし、この方法では、自励繰り返し周波数の１／２より低い繰り返し周波数の電気信号による同期が難しいことと、光透過率変調部の変調速度の上限が現状では５０ＧＨｚ程度であることから、繰り返し周波数が１００ＧＨｚを大きく上回る光パルス列を実現するのは困難である。
【０００６】
繰り返し周波数が１００ＧＨｚを超える領域では、外部の参照信号に同期させるために、パッシブな半導体モード同期レーザを自励繰り返し周波数の１／ｎ（ｎは２以上の整数）に近い繰り返し周波数を持つ光パルス列で光注入同期したり（非特許文献２）、位相比較器とフェーズロックループを使ってパッシブな半導体モード同期レーザの繰り返し周波数が参照信号と同期するようにチューニングする（非特許文献３）などの必要があるので、装置の構成が複雑で大掛かりになるという問題点があった。また、複数の要素素子を使用するため、注入光の偏波面を調整するなど調整箇所が多く、動作が不安定になるという問題もあった。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｋ． Ｓａｔｏ， Ｉ． Ｋｏｔａｋａ， Ａ． Ｈｉｒａｎｏ， Ｍ． Ａｓｏｂｅ， Ｙ． Ｍｉｙａｍｏｔｏ， Ｎ． Ｓｈｉｍｉｚｕ ａｎｄ Ｋ． ｈａｇｉｍｏｔｏ， ”Ｈｉｇｈ−ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒａｔｕｉｎ ａｔ １０２ＧＨｚ ｕｓｉｎｇ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｅｌｅｃｔｒｏａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ”， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｅｔｔ．， ３４， ｐｐ．７９０−７９２， １９９８．
【非特許文献２】
Ｓ． Ａｒａｈｉｒａ， ａｎｄ Ｙ． Ｏｇａｗａ， ”４８０−ＧＨｚ ｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｄｅ ｌｏｃｋｉｎｇ ｉｎ ａ ｓｈｏｒｔ−ｃａｖｉｔｙ ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ−ｐｕｌｓｅ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ”， Ｐｈｔｏｎ．， Ｌｅｔｔ．， １４， ｐｐ．５３７−５３９， ２００２．
【非特許文献３】
Ｅ． Ｈａｓｈｉｍｏｔｏ， Ａ． Ｔａｋａｄａ， ａｎｄ Ｙ． Ｋａｔａｇｉｒｉ， ”Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｂｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ ｆｒｏｍ ＰＬＬ−ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ，” Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ３４， ｐｐ．５８０−５８２， １９９８．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、超高速な光時分割多重システムにおけるクロックパルス光源等として、参照信号に同期した１００ＧＨｚ以上のパルス光源が盛んに研究されているが、半導体モード同期レーザを電気信号によって同期させる方法では、自励繰り返し周波数の１／２よりも小さい繰り返し周波数の参照信号による同期が難しいことと、光透過率変調部の変調速度の上限が現状では５０ＧＨｚ程度であることから、１００ＧＨＺを大きく上回る繰り返し周波数を実現することは困難であった。一方、パッシブな半導体モード同期レーザを自励繰り返し周波数の１／ｎ（ｎは２以上の整数）の繰り返し周波数を持つ光パルス列で光注入モード同期したり、フェーズロックループによって安定化する方法によって、参照信号に同期した１００ＧＨｚ以上の光パルス列発生が報告されているが、これらの構成では装置が複雑で大掛かりになっていしまうという問題点があった。また、調整箇所が多く素子の動作が不安定になることも大きな問題である。
【０００９】
本発明は係る事情に基づいてなされたものであり、その課題は、１００ＧＨｚ以上の繰り返し周波数を有し、コンパクトで調整箇所が少なく、なおかつ、安定に動作できる半導体パルス光源を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
第１発明の半導体パルス光源は、電気信号によるモード同期が可能な第１半導体モード同期レーザと、光注入モード同期が可能で、かつ、第１半導体モード同期レーザの繰り返し周波数の２倍以上の整数倍に近い繰り返し周波数を有する第２半導体モード同期レーザと、第１半導体モード同期レーザを第２半導体モード同期レーザに光学的に結合し、第１半導体モード同期レーザの出力光を第２半導体モード同期レーザに注入する導波路とが同一基板上に集積化されていることを特徴としている。第１半導体モード同期レーザには、例えば、多重量子井戸電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザや可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザがあり、第２半導体モード同期レーザには、例えば、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザがある。第１半導体モード同期レーザや第２半導体モード同期レーザの共振器には、例えば、ブラッグ反射鏡や、リング型共振器および合分波器で構成されたものがある。
【００１１】
第２発明は、第１発明の半導体パルス光源において、前記導波路が光強度を調節する機能を有することを特徴としている。光強度調節機能を有する導波路としては、例えば、多重量子井戸電界吸収型変調器や半導体光増幅器がある。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。
【００１３】
［発明の基本的な説明］
まず、本発明の半導体パルス光源の基本的な構成および作用効果を説明する。本発明の半導体パルス光源は、第１半導体モード同期レーザと、第２半導体モード同期レーザと、これらを光学的に結合する導波路とを同一基板上に集積化した構造を有している。
【００１４】
ここで、第１半導体モード同期レーザは電気信号によって直接同期が可能な半導体モード同期レーザである。言い換えれば、第１半導体モード同期レーザは、ｍを１以上の整数とするとき、自励繰り返し周波数の１／ｍに近い繰り返し周波数を持つ電気信号によって同期が可能である。第１半導体モード同期レーザとしては、比較的低い自励繰り返し周波数を有する半導体モード同期レーザを使用することにより、電気信号によるモード同期が容易である。
【００１５】
第２半導体モード同期レーザは光注入によって同期が可能で、かつ、ｎを２以上の整数とするとき、第１半導体モード同期レーザの自励繰り返し周波数のｎ倍の自励繰り返し周波数を有するものである。第２半導体モード同期レーザには、第１の半導体モード同期レーザよりも長波長で発振する半導体モード同期レーザを使用しても、あるいは、第１の半導体モード同期レーザよりも短波長で発振する半導体モード同期レーザを使用しても良い。
【００１６】
導波路は第１半導体モード同期レーザの出力光を光注入モード同期のために第２半導体モード同期レーザに注入する導波路であり、例えば、第１半導体モード同期レーザの光出力端を第２半導体モード同期レーザの光入力端に光学的に結合する。
【００１７】
一例として、第１半導体モード同期レーザの自励繰り返し周波数に近い繰り返し周波数（ｍ＝１）を持つ電気信号を、外部から、第１半導体モード同期レーザの光透過率変調部に印加すると、第１半導体モード同期レーザは外部の電気信号にモード同期して発振し、当該電気信号の繰り返し周波数と同じ繰り返し周波数で光パルス列を出力する。
【００１８】
この第１半導体モード同期レーザの出力光は導波路を介して、偏波面を保持したまま、第２半導体モード同期レーザに与えられ光注入される。このとき、第１半導体モード同期レーザの出力光の繰り返し周波数は第２半導体モード同期レーザの自励繰り返し周波数の１／ｎに近いので、第２半導体モード同期レーザは第１半導体モード同期レーザの出力光の注入によって光注入モード同期され、第１半導体モード同期レーザのちょうどｎ倍の繰り返し周波数で発振する。つまり、第２半導体モード同期レーザは、第１半導体モード同期レーザの出力光のｎ倍の繰り返し周波数を持つ光パルス列を出力する。
【００１９】
上記の結果として、本発明の半導体パルス光源は、第１半導体モード同期レーザ、第２半導体モード同期レーザおよび導波路を集積化した一つの半導体チップであるから、従来の光注入同期やフェーズロックループを用いる構成よりもはるかにコンパクトである。つまり、半導体パルス光源のチップサイズは、第１半導体モード同期レーザ、第２半導体モード同期レーザおよび導波路を含むために単一の半導体モード同期レーザの２〜３倍となるが、従来の半導体モード同期レーザと同一寸法のパッケージに実装可能であるので、従来の光注入同期やフェーズロックループを用いる構成よりもはるかにコンパクトである。
【００２０】
また、本発明の半導体パルス光源は、１／２次よりも低い次数のサブハーモニック信号によって安定した高い繰り返し周波数の光パルス列を発生することがきでる。詳しくは、第１半導体モード同期レーザに印加する外部の電気信号の繰り返し周波数を第１半導体モード同期レーザの自励繰り返し周波数の１／ｍに近くすると、印加した電気信号の繰り返し周波数の整数ｍｎ倍の繰り返し周波数を有する光パルス列を発生することができる。つまり、第２半導体モード同期レーザで光注入モード同期を利用しているため自励繰り返し周波数の１／２よりも小さい繰り返し周波数によるサブハーモニックモード同期が可能であり、仮に、第１半導体モード同期レーザを電気的に同期する際の信号速度（変調速度）の限界が５０ＧＨｚ程度であるとしても、１００ＧＨｚをはるかに超える繰り返し周波数が実現可能である。
【００２１】
さらに、本発明の半導体パルス光源では、同一基板上に作製した導波路を介して、第１半導体モード同期レーザから第２半導体モード同期レーザに光注入がなされるため、注入光の偏波面を調整する必要がなく、その分調整箇所が少ないため、素子の動作が非常に安定である。
【００２２】
本発明の半導体パルス光源では、好ましくは、導波路に光強度を調節する機能を持たせる。その理由を以下（１）（２）に示す。
【００２３】
（１） 第１半導体モード同期レーザの活性領域に注入する電流量を変化させることで、第１半導体モード同期レーザから第２半導体モード同期レーザへの光注入量を調節することができる。しかし、活性領域への電流注入量を変化させると、第２半導体モード同期レーザに注入される光パルスの幅など、第１半導体モード同期レーザの発振状態が変化する。これに対し、導波路に光強度を調節する機能を持たせることにより、第１半導体モード同期レーザの活性領域への電流注入量を変化させる必要がなくなり、第１半導体モード同期レーザの発振状態を変えずに、第１半導体モード同期レーザから第２半導体モード同期レーザへの光注入量を調節することができる。
【００２４】
（２） 第２半導体モード同期レーザの出力光の強度が比較的大きくなる場合には、第２半導体モード同期レーザの出力光が逆に第１半導体モード同期レーザに注入されて吸収され、第１半導体モード同期レーザのモード同期状態あるいは発振状態を乱す可能性がある。これに対し、導波路に光強度を調節する機能を持たせることにより、第２半導体モード同期レーザから逆に第１半導体モード同期レーザに注入される光の量を減らすことができる。従って、第２半導体モード同期レーザの出力光が逆に第１半導体モード同期レーザに注入されて第１半導体モード同期レーザのモード同期状態あるいは発振状態が乱されることを防止することができる。
【００２５】
［第１実施例］
次に、本発明の第１実施例として、図１に例示される半導体パルス光源の構成を説明する。
【００２６】
図１において、基板１０は半導体基板であり、本例では、ｎ型ＩｎＰ基板が使用されている。
【００２７】
２つの活性領域１、２と、多重量子井戸電界吸収型変調器（光透過率変調部）３と、２つのブラッグ反射鏡４、５と、導波路６と、可飽和吸収領域７とを同一のＩｎＰ基板１０上にモノリシック集積することで、半導体パルス光源を構成している。
【００２８】
このうち、多重量子井戸電界吸収型変調器３と、活性領域１と、ブラッグ反射鏡４はこの順に連なっていて、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ（第１半導体モード同期レーザ）８を構成している。また、ブラッグ反射鏡５と、活性領域２と、可飽和吸収領域７はこの順に連なっていて、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ（第２半導体モード同期レーザ）９を構成している。
【００２９】
導波路６は、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の光出力端と可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９の光入力端との間に連なって介在し、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８と可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９を光学的に結合している。従って、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の出力光は、偏波面を保持したまま、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９に注入される。本例では、導波路６は透明である。
【００３０】
電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８は電気信号によって直接、モード同期が可能であり、本例では、その自励繰り返し周波数を４０ＧＨｚと比較的低く設定し、中心波長は１．５５μｍと設定している。可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９は光注入モード同期が可能であり、本例では、その自励繰り返し周波数を１６０ＧＨｚと設定し、中心波長は１．５６μｍと電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８より長波長に設定している。
【００３１】
また、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ９における活性領域１とブラッグ反射鏡４の長さの和は１０００μｍ、多重量子井戸電界吸収型変調器３の長さは８０μｍと設定している。可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９におけるブラッグ反射鏡５と活性領域２の長さの和は２３０μｍ、可飽和吸収領域７の長さは５０μｍと設定している。
【００３２】
次に、図１に示される半導体パルス光源の各部の構造を説明する。
【００３３】
まず、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の活性領域１の図１におけるＩＩ−ＩＩ 線方向の断面構造を図２に示す。
【００３４】
図２において、活性領域１では、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１とノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層１２との間に挟まれるように、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ（前者とは組成比率が異なる）多重量子井戸層１３が形成されている。さらに、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層１２の下には、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１４が配置され、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１の上には、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１５が配置されている。ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１４はｎ型Ｉｎｐ基板１０の上に配置されている。
【００３５】
ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層１３は電流注入によって光学利得を発生する。また、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１４およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１５は、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層１２より屈折率が小さく、そのため、光をノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層１２よりも内側に閉じ込める働きをする。
【００３６】
また、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１５、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層１３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層１２およびｎ−ＩｎＰ下部クラッド層１４の一部を、導波路となる領域を除いて反応性イオンエッチングによってエッチングした後、両側をＦｅドープＩｎＰ層１６、１７によって埋め込み再成長している。ＦｅドープＩｎＰ層１６、１７は、その屈折率がノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層１２より小さく、そのため、図２上で横方向の光閉じ込めを実現している。さらに、ＦｅドープＩｎＰ層１６、１７の電気抵抗はノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層１２より高抵抗であり、そのため、レーザ駆動時に電圧を印加しても電流は流れず、効果的に電流狭窄がなされる。
【００３７】
さらに、ｎ型ＩｎＰ基板１０の背面にはｎ型オーミック電極１８が形成され、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１５の上にはｐ型オーミック電極１９が形成されている。
【００３８】
可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９の活性領域２は、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の図２に示した活性領域１と同じ積層構造である。
【００３９】
次に、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の多重量子井戸電界吸収型変調器３の図１におけるＩＩＩ−ＩＩＩ 線方向の断面構造を図３に示す。
【００４０】
図３において、多重量子井戸電界吸収型変調器３では、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層２１とノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層２２との間に挟まれるように、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層２３が形成されている。さらに、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層２２の下には、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２４が配置され、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層２１の上には、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２５が配置されている。ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２４は、活性領域１、２と同様、ｎ型ＩｎＰ基板１０上に配置されている。
【００４１】
ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層２３は電界が印加されることによって吸収係数が変化するので、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層２３に加えられた電気信号に応じて透過光の強度が変調される。さらに、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層２３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層２１およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層２２は、ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２４およびｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２５よりも屈折率が大きくなっており、そのため、光はノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層２１およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層２２よりも内側に閉じ込められ、多重量子井戸電界吸収型変調器３内を長手方向に伝搬しながら効果的に変調を受ける。
【００４２】
また、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２５、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層２１、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層２３、ノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層２２およびｎ−ＩｎＰ下部クラッド層２４の一部を、導波路となる領域を除いて反応性イオンエッチングによってエッチングした後、両側をＦｅドープＩｎＰ層２６、２７によって埋め込み再成長している。ＦｅドープＩｎＰ層２６、２７は、その屈折率がノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層２１およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層２２より小さく、そのため、図３上で横方向の光閉じ込めを実現している。さらに、ＦｅドープＩｎＰ層２６、２７の電気抵抗はノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層２１およびノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層２２より高抵抗であり、そのため、多重量子井戸電界吸収型変調器３に逆バイアスを与えたとき、ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層２３に効果的に電界が印加される。
【００４３】
さらに、ｎ型ＩｎＰ基板１０の背面にはｎ型オーミック電極２８が形成され、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層２５の上にはｐ型オーミック電極２９が形成されている。レーザ駆動時にこの多重量子井戸電界吸収型変調器３に適当な逆バイアスとともに外部の電気信号源が発生する電気信号を基準信号として印加することによって、電気信号に同調した繰り返し周波数のモード同期が実現する。
【００４４】
可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９の可飽和吸収領域７は、活性領域２と全く同じ積層構造をしている。ただし、この可飽和吸収領域７には電流が注入されないので、通常は吸収係数が大きいが、強い光が入射したときだけキャリアの発生によって吸収係数が小さくなる。
【００４５】
ブラッグ反射鏡４、５は活性領域１、２とほぼ同じ積層構造を有するが、電子線リソグラフィーとウェットエッチングを用いて共振器長手方向に対してノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１の厚さが周期的に変化するようにノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層１１をグレーティング状に加工した後、ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層１５を再成長することにより、分布帰還型の反射鏡を形成している。
【００４６】
ブラッグ反射鏡４、５ではグレーティングの周期の２倍の波長（ブラッグ波長）を中心とした特定の波長領域の反射率だけが大きくなるので、同じ積層構造を使用していても、グレーティングの周期を変えるだけで反射の中心波長に変化をつけることができる。本例では、このグレーティングの周期を変える方法によって、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８と可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９の発振波長を変えている。
【００４７】
導波路６は、多重量子井戸電界吸収型変調器３と全く同じ積層構造をしている。ただし、ｐ型オーミック電極２９をオープンにしてＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層２３に電界を印加せずに使用することによって、光が透過するようにし、損失の少ない透明な導波路として使用している。
【００４８】
電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８を外部から、例えば繰り返し周波数４０ＧＨｚの電気信号で同期して発振させると、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の出力パルス列は導波路６を介して、偏波面を保持したまま、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９に注入される。前述したように、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の自励繰り返し周波数は４０ＧＨｚ、中心波長は１．５５μｍとなるように設定し、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９の自励繰り返し周波数は１６０ＧＨｚ、中心波長は１．５６μｍとなるように設定しているので、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９は電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の出力光の注入によって光注入モード同期され、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８のちょうど４倍の繰り返し周波数で発振する。
【００４９】
図４に、本例の半導体パルス光源を４０ＧＨｚの外部電気信号で駆動したときの出力パルス列の自己相関波形を示す。波形測定時の活性領域１への注入電流は７０ｍＡ、活性領域２への注入電流は２８ｍＡ、多重量子井戸電界吸収型変調器３に印加した逆バイアスは−１．５Ｖ、外部電気信号のＲＦ（高周波）パワーは１５ｄＢｍ、可飽和吸収領域７に印加した逆バイアスは−０．５Ｖであった。
【００５０】
図４に示すように、入力した外部電気信号のちょうど４倍の１６０ＧＨｚに相当する６．２５ｐｓの繰り返し周期の光パルス列が観測された。また、観測波形から、このときの１６０ＧＨｚにおける光変調度を見積もると１２０％となった。
【００５１】
このように、本例の半導体パルス光源では、光注入モード同期を利用しているため自励繰り返し周波数の１／２より小さい繰り返し周波数の電気信号によるサブハーモニックモード同期が可能であり、外部から印加した４０ＧＨｚの電気信号の４倍にあたる１６０ＧＨｚの繰り返し周波数を有する光パルス列を発生することができる。
【００５２】
また、半導体パルス光源のチップサイズは、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ（第１半導体モード同期レーザ）８と可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ（第２半導体モード同期レーザ）９と導波路６からなるので、単一の半導体モード同期レーザの２〜３倍となるが、従来の半導体モード同期レーザと同一寸法のパッケージに実装可能であるので、従来の光注入同期やフェーズロックループを用いる構成よりもはるかにコンパクトである。
【００５３】
さらに、導波路６により、偏波面を保持したまま、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の出力光が可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９に注入されるので、注入光の偏波面を調節する必要がない。
【００５４】
ここで、本例では、ブラッグ反射鏡４、５を用いて同一のＩｎＰ基板１０に２つの半導体モード同期レーザ８、９の共振器を構成する手法を示したが、リング型の共振器と合分波器とを利用して半導体モード同期レーザ８、９の共振器を構成しても同様の集積化は可能である。ただし、この場合、高周波化に対応するために共振器長を短くしようとすると、リング導波路（リング型の共振器）の曲げ半径が小さくなり、導波路損失が増える。一方の半導体モード同期レーザの共振器にブラッグ反射鏡を使用し、一方の半導体モード同期レーザにリング型の共振器と合分波器で構成される共振器を使用しても良い。
【００５５】
また、本例では、電気信号によって同期する側の第１半導体モード同期レーザを電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８としたが、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザは電気信号によるモード同期が可能なので、第１半導体モード同期レーザに可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザを使用することも可能である。この場合、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ（第１半導体モード同期レーザ）の可飽和吸収領域が光透過率変調部となり、ここに外部電気信号を印加すれば良い。
【００５６】
さらに、本例では、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザをその自励繰り返し周波数４０ＧＨｚに近い電気信号で同期しているが、２０ＧＨｚなど、より低い繰り返し周波数の電気信号で１／２次等のサブハーモニック同期をしても同様の効果が得られる。
【００５７】
また、本例では、多重量子井戸電界吸収型変調器３の導波路構造には、ＦｅドープＩｎＰ層２６、２７による埋め込みヘテロ構造を採用したが、多重量子井戸の上までのエッチングによって導波路を形成するリブ導波路構造や、下部クラッド層２４までエッチングして導波路を形成するハイメサ導波路を使用しても良い。
【００５８】
［第２実施例］
次に、本発明の第２実施例として、図５に例示される半導体パルス光源の構成を説明する。
【００５９】
本第２実施例では、図５と図１を比較すると判るように、図１の第１実施例における導波路６を多重量子井戸電界吸収型変調器３６に置き換えることで、第１半導体モード同期レーザと第２半導体モード同期レーザとを光学的に結合する導波路に光強度を調節する機能を持たせた構成としている。つまり、図５に示す本第２実施例の半導体パルス光源は、多重量子井戸電界吸収型変調器３６以外の構成は図１に示した第１実施例の半導体パルス光源の構成と同じである。従って、図５中で図１と同じ機能部分には同じ符号を付して、説明の重複を省く。また、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の活性領域１の図５におけるＩＩ−ＩＩ 線方向の断面構造は図２に示され、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の多重量子井戸電界吸収型変調器３の図５におけるＩＩＩ−ＩＩＩ 線方向の断面構造は図３に示されている。
【００６０】
多重量子井戸電界吸収型変調器３６は、図１に示した電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の多重量子井戸電界吸収型変調器３と全く同じ積層構造であり、印加するバイアスにより透過光の強度が変化し、かつ、第１半導体モード同期レーザ（電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８）と第２半導体モード同期レーザ（可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９）を光学的に結合する導波路として機能する。
【００６１】
第１実施例では光注入量を調節するには、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の活性領域１への注入電流量を変化させる必要があり、これにより可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９に注入される光パルスの幅などが変化する。
【００６２】
これに対して、本第２実施例では、多重量子井戸電界吸収型変調器３６のバイアスを変化させることによって、電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８の発振状態を変えずに可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９への光注入量を調節することができる。
【００６３】
また、ブラッグ反射鏡４、５を用いて２つの半導体モード同期レーザ（電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８と可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９）を集積化する場合、第２半導体モード同期レーザ（可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９）の光出力が比較的大きい場合には第２半導体モード同期レーザの光が逆に第１半導体モード同期レーザ（電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８）に注入されて吸収され、第１半導体モード同期レーザのモード同期状態あるいは発振状態を乱す可能性がある。特に、第１実施例のように２つの半導体モード同期レーザの活性領域１、２の組成が同じである場合は、第１半導体モード同期レーザのモード同期状態あるいは発振状態が乱される可能性が大きい。
【００６４】
このような場合でも、本第２実施例のように２つの半導体モード同期レーザ（電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８、可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９）を接続する導波路が光強度を調節する機能（多重量子井戸電界吸収型変調器３６）を有することにより、第２半導体モード同期レーザから逆に第１半導体モード同期レーザに注入される光の量を減らすことができる。
【００６５】
本例では、光強度を調節するために多重量子井戸電界吸収型変調器３６を使用したが、活性領域１、２と同じ積層構造を有する半導体増幅器を多重量子井戸電界吸収型変調器３６に代えて使用し、半導体増幅器の注入電流量を制御することによっても、第２半導体モード同期レーザ（可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９）に注入される光の強度調節が可能であり、かつ、第１半導体モード同期レーザ（電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ８）と第２半導体モード同期レーザ（可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ９）を光学的に結合する導波路として機能する。半導体増幅器は、注入電流が大きい場合は利得があって光増幅器として働くが、注入電流を減らして行くと透明が状態を経て吸収へと変化し、無バイアスから逆バイアスでは非常に大きな吸収係数を呈する。
【００６６】
【発明の効果】
以上の説明したように、第１発明の半導体パルス光源では、第２半導体モード同期レーザをそれと同一の基板上に集積化した第１半導体モード同期レーザの出力光でよって光注入モード同期するので、１／２次よりも低い次数のサブハーモニック信号によって安定した高い繰り返し周波数（例えば、１００ＧＨｚ以上）の光パルス列を発生させることができるという効果がある。さらに、第１半導体モード同期レーザと第２半導体モード同期レーザとこれらを光学的に結合する導波路を同一基板上に集積化しているので、単一の半導体モード同期レーザと同様にコンパクトで、注入光の偏波面などの調整が必要なく、なおかつ、安定に動作できるという効果がある。
【００６７】
また、第２発明の半導体パルス光源では、第１半導体モード同期レーザと第２半導体モード同期レーザとを光学的に結合する導波路が光強度を調節する機能を持っているので、第１半導体モード同期レーザの発振状態を変えずに第２半導体モード同期レーザに対する光注入量を調節することができる。さらに、第２半導体モード同期レーザから逆に第１半導体モード同期レーザに注入される光の量をへらすことができるので、第２半導体モード同期レーザの出力光が逆に第１半導体モード同期レーザに注入されて、第１半導体モード同期レーザのモード同期状態あるいは発振状態が乱されることを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る半導体パルス光源の概略図。
【図２】活性領域の図１または図５におけるＩＩ−ＩＩ 線断面図。
【図３】多重量子井戸電界吸収型変調器の図１または図５におけるＩＩＩ−ＩＩＩ 線断面図。
【図４】本発明の第１実施例に係る半導体パルス光源を４０ＧＨｚの外部電気信号で同期したときの出力光の自己相関波形を示す図。
【図５】本発明の第２実施例に係る半導体パルス光源の概略図。
【符号の説明】
１、２ 活性領域
３ 多重量子井戸電界吸収型変調器
４、５ ブラッグ反射鏡
６ 透明導波路
７ 可飽和吸収領域
８ 電界吸収型変調器内蔵モード同期レーザ（第１半導体モード同期レーザ）
９ 可飽和吸収領域内蔵モード同期レーザ（第２半導体モード同期レーザ）
１０ ｎ型ＩｎＰ基板（基板）
１１ ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層
１２ ノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層
１３ ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸層
１４ ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
１５ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
１６、１７ ＦｅドープＩｎＰ層
１８ ｎ型オーミック電極
１９ ｐ型オーミック電極
２１ ノンドープＩｎＧａＡｓＰ上部ガイド層
２２ ノンドープＩｎＧａＡｓＰ下部ガイド層
２３ ＩｎＧａＡｌＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ多重量子井戸層
２４ ｎ−ＩｎＰ下部クラッド層
２５ ｐ−ＩｎＰ上部クラッド層
２６、２７ ＦｅドープＩｎＰ層
２８ ｎ型オーミック電極
２９ ｐ型オーミック電極
３６ 多重量子井戸電界吸収型変調器（光強度調節機能を有する導波路）[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor pulse light source, which is used, for example, as a clock pulse light source in a time division multiplexed optical fiber communication system or as a light source for an optical fiber wireless link for transmitting an optical signal on which a wireless signal is superimposed by an optical fiber.
[0002]
In this specification, “close” means that the repetition frequency of a reference signal (electric signal or optical signal) is close to the self-excited repetition frequency or 1 / n thereof (n is an integer of 2 or more). This means that the repetition frequency of the mode-locked laser is as close as possible to the repetition frequency of the reference signal or a repetition frequency n times that of the reference signal.
[0003]
[Prior art]
Semiconductor mode-locked lasers have a shorter cavity length than fiber-based mode-locked lasers, and are therefore suitable for generating optical pulse trains with a high repetition frequency exceeding 10 GHz.
[0004]
Normally, a semiconductor mode-locked laser self-excitedly oscillates at a certain repetition frequency to generate an optical pulse train (passive mode synchronization). However, the repetition frequency of self-excited oscillation (self-excited repetition frequency or basic repetition frequency) is externally set. An electric signal having a close repetition frequency or an electric signal having a repetition frequency close to 1 / n (n is an integer of 2 or more) of the self-excited repetition frequency is used as a reference signal (reference signal) as a light transmittance modulator (for example, When applied to the saturable absorption region, in the former case, the self-excited repetition frequency is drawn into the repetition frequency itself of the electric signal, and in the latter case, it is drawn into the repetition frequency n times the electric signal. (Mode synchronization by electric signal). The same effect can also be obtained by modulating the light transmittance of the light transmittance modulator using an external optical signal as a reference signal (light injection mode locking). That is, when the light transmittance of the light transmittance modulation unit is modulated from the outside by an optical signal having a repetition frequency close to 1 / n (n is an integer of 2 or more) of the repetition frequency in self-excited oscillation, the self-excitation repetition frequency Is drawn to a repetition frequency n times the optical signal. In either case of mode locking by electric signals or light injection mode locking, a method of synchronizing at a frequency of 1 / n (n is an integer of 2 or more) of the self-excited repetition frequency is called subharmonic mode locking.
[0005]
The method of synchronizing a semiconductor mode-locked laser with an electric signal is practically important because an optical pulse train with low jitter can be easily generated at the same repetition frequency as that of a reference signal. At present, a repetition frequency of 102 GHz (51 GHz electric signal) is important. (Synchronization) is reported (Non-Patent Document 1). However, in this method, it is difficult to synchronize with an electric signal having a repetition frequency lower than 1/2 of the self-excited repetition frequency, and the upper limit of the modulation speed of the light transmittance modulator is currently about 50 GHz. However, it is difficult to realize an optical pulse train that greatly exceeds 100 GHz.
[0006]
In a region where the repetition frequency exceeds 100 GHz, an optical pulse train having a repetition frequency close to 1 / n (n is an integer of 2 or more) of a self-excited repetition frequency of a passive semiconductor mode-locked laser to synchronize with an external reference signal. (See Non-Patent Document 2), or tuning using a phase comparator and a phase-locked loop so that the repetition frequency of a passive semiconductor mode-locked laser is synchronized with a reference signal (Non-Patent Document 3). This necessitates a problem that the configuration of the apparatus is complicated and large-scale. Further, since a plurality of element elements are used, there are many adjustment points such as adjustment of the plane of polarization of the injected light, and there is a problem that the operation becomes unstable.
[0007]
[Non-patent document 1]
K. Sato, I .; Kotaka, A .; Hirano, M .; Asobe, Y .; Miyamoto, N.M. Shimizu and K.S. Hagimoto, "High-repetition frequency pulse generator at 102 GHz using modelocked laser integrated with electroabsorption modulars", Electron. Leett. , 34, pp. 790-792, 1998.
[Non-patent document 2]
S. Arahira, and Y. Ogawa, "480-GHz subharmonic synchronous mode locking in a short-cavity colliding-pulse mode-locked laser diode", Photon. , Lett. , 14, pp. 537-539, 2002.
[Non-Patent Document 3]
E. FIG. Hashimoto, A .; Takada, and Y. Katagiri, "Synchronization of subterahertz optical pulse train from PLL-controlled rolling mode-locked semiconductor laser," Electron. Lett. , 34, pp. 580-582, 1998.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, as a clock pulse light source or the like in an ultra-high-speed optical time-division multiplexing system, a pulse light source of 100 GHz or more synchronized with a reference signal has been actively studied, but a method of synchronizing a semiconductor mode-locked laser with an electric signal. In this case, it is difficult to synchronize with a reference signal having a repetition frequency smaller than 自 of the self-excited repetition frequency, and the upper limit of the modulation speed of the light transmittance modulator is currently about 50 GHz. Realizing the frequency was difficult. On the other hand, a passive semiconductor mode-locked laser is light-injection-mode-locked with an optical pulse train having a repetition frequency of 1 / n (n is an integer of 2 or more) of the self-excited repetition frequency, or is stabilized by a phase-locked loop. Although generation of an optical pulse train of 100 GHz or more synchronized with a reference signal has been reported, there has been a problem that these configurations require a complicated and large-scale device. Another major problem is that the number of adjustment points is large and the operation of the element becomes unstable.
[0009]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a semiconductor pulse light source which has a repetition frequency of 100 GHz or more, is compact, has few adjustment points, and can operate stably.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
A semiconductor pulse light source according to a first aspect of the present invention includes a first semiconductor mode-locked laser capable of mode-locking by an electric signal and an integer equal to or more than twice the repetition frequency of the first semiconductor mode-locked laser capable of light injection mode-locking. A second semiconductor mode-locked laser having a repetition frequency close to twice and a first semiconductor mode-locked laser are optically coupled to a second semiconductor mode-locked laser, and output light of the first semiconductor mode-locked laser is converted into a second semiconductor mode-locked laser. It is characterized in that a waveguide to be injected into a laser is integrated on the same substrate. The first semiconductor mode-locked laser includes, for example, a mode-locked laser with a built-in multiple quantum well electroabsorption modulator and a mode-locked laser with a saturable absorption region. The second semiconductor mode-locked laser includes, for example, a saturable absorption region. There is a built-in mode-locked laser. The resonator of the first semiconductor mode-locked laser or the second semiconductor mode-locked laser includes, for example, a resonator configured by a Bragg reflector, a ring resonator, and a multiplexer / demultiplexer.
[0011]
According to a second invention, in the semiconductor pulse light source according to the first invention, the waveguide has a function of adjusting light intensity. Examples of the waveguide having the light intensity adjusting function include a multiple quantum well electroabsorption modulator and a semiconductor optical amplifier.
[0012]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0013]
[Basic description of the invention]
First, the basic configuration and operation and effect of the semiconductor pulse light source of the present invention will be described. The semiconductor pulse light source according to the present invention has a structure in which a first semiconductor mode-locked laser, a second semiconductor mode-locked laser, and a waveguide for optically coupling these are integrated on the same substrate.
[0014]
Here, the first semiconductor mode-locked laser is a semiconductor mode-locked laser that can be directly locked by an electric signal. In other words, the first semiconductor mode-locked laser can be synchronized by an electric signal having a repetition frequency close to 1 / m of the self-excited repetition frequency, where m is an integer of 1 or more. By using a semiconductor mode-locked laser having a relatively low self-excited repetition frequency as the first semiconductor mode-locked laser, mode locking by an electric signal is easy.
[0015]
The second semiconductor mode-locked laser can be locked by light injection, and has a self-excited repetition frequency n times the self-excited repetition frequency of the first semiconductor mode-locked laser when n is an integer of 2 or more. is there. The second semiconductor mode-locked laser may be a semiconductor mode-locked laser that oscillates at a longer wavelength than the first semiconductor mode-locked laser, or a semiconductor that oscillates at a shorter wavelength than the first semiconductor mode-locked laser. A mode-locked laser may be used.
[0016]
The waveguide is a waveguide for injecting the output light of the first semiconductor mode-locked laser into the second semiconductor mode-locked laser for light injection mode locking. For example, the optical output end of the first semiconductor mode-locked laser is connected to the second semiconductor mode-locked laser. Optically coupled to the light input end of the mode-locked laser.
[0017]
As an example, when an electric signal having a repetition frequency (m = 1) close to the self-excited repetition frequency of the first semiconductor mode-locked laser is externally applied to the light transmittance modulator of the first semiconductor mode-locked laser, the first The semiconductor mode-locked laser oscillates in mode-lock with an external electric signal, and outputs an optical pulse train at the same repetition frequency as that of the electric signal.
[0018]
The output light of the first semiconductor mode-locked laser is supplied to the second semiconductor mode-locked laser via the waveguide while maintaining the polarization plane, and is injected. At this time, since the repetition frequency of the output light of the first semiconductor mode-locked laser is close to 1 / n of the self-excited repetition frequency of the second semiconductor mode-locked laser, the second semiconductor mode-locked laser outputs the output of the first semiconductor mode-locked laser. The light is injected and mode-locked by injection, and oscillates at a repetition frequency exactly n times that of the first semiconductor mode-locked laser. That is, the second semiconductor mode-locked laser outputs an optical pulse train having a repetition frequency n times the output light of the first semiconductor mode-locked laser.
[0019]
As a result, the semiconductor pulse light source of the present invention is a single semiconductor chip in which the first semiconductor mode-locked laser, the second semiconductor mode-locked laser, and the waveguide are integrated. It is much more compact than the configuration using. In other words, the chip size of the semiconductor pulse light source is two to three times larger than that of a single semiconductor mode-locked laser because of including the first semiconductor mode-locked laser, the second semiconductor mode-locked laser, and the waveguide. Since it can be mounted in a package having the same dimensions as a synchronous laser, it is much more compact than a conventional configuration using light injection locking or a phase locked loop.
[0020]
Further, the semiconductor pulse light source of the present invention can generate a stable optical pulse train having a high repetition frequency by using a subharmonic signal having an order lower than 1/2. More specifically, when the repetition frequency of an external electric signal applied to the first semiconductor mode-locked laser is close to 1 / m of the self-excited repetition frequency of the first semiconductor mode-locked laser, the repetition frequency of the applied electric signal is an integer mn times. Can be generated. That is, since the second semiconductor mode-locked laser uses the light injection mode-locking, subharmonic mode-locking with a repetition frequency smaller than 1/2 of the self-excited repetition frequency is possible. Even if the limit of the signal speed (modulation speed) when electrically synchronizing is approximately 50 GHz, a repetition frequency far exceeding 100 GHz can be realized.
[0021]
Further, in the semiconductor pulse light source of the present invention, since the light is injected from the first semiconductor mode-locked laser to the second semiconductor mode-locked laser via the waveguide formed on the same substrate, the polarization plane of the injected light is adjusted. The operation of the element is very stable because there is no need to perform this operation and the number of adjustment points is small.
[0022]
In the semiconductor pulse light source of the present invention, preferably, the waveguide has a function of adjusting light intensity. The reasons are shown in (1) and (2) below.
[0023]
(1) The amount of light injected from the first semiconductor mode-locked laser into the second semiconductor mode-locked laser can be adjusted by changing the amount of current injected into the active region of the first semiconductor mode-locked laser. However, when the amount of current injection into the active region is changed, the oscillation state of the first semiconductor mode-locked laser, such as the width of an optical pulse injected into the second semiconductor mode-locked laser, changes. On the other hand, by providing the waveguide with the function of adjusting the light intensity, it is not necessary to change the amount of current injected into the active region of the first semiconductor mode-locked laser, and the oscillation state of the first semiconductor mode-locked laser can be changed. Without changing, the amount of light injected from the first semiconductor mode-locked laser to the second semiconductor mode-locked laser can be adjusted.
[0024]
(2) When the intensity of the output light of the second semiconductor mode-locked laser is relatively high, the output light of the second semiconductor mode-locked laser is injected into the first semiconductor mode-locked laser and absorbed, and There is a possibility that the mode-locked state or oscillation state of the semiconductor mode-locked laser is disturbed. On the other hand, by providing the waveguide with a function of adjusting the light intensity, the amount of light injected from the second semiconductor mode-locked laser into the first semiconductor mode-locked laser can be reduced. Therefore, it is possible to prevent the output light of the second semiconductor mode-locked laser from being injected into the first semiconductor mode-locked laser and disturbing the mode-locked state or the oscillation state of the first semiconductor mode-locked laser.
[0025]
[First embodiment]
Next, as a first embodiment of the present invention, the configuration of the semiconductor pulse light source illustrated in FIG. 1 will be described.
[0026]
In FIG. 1, a substrate 10 is a semiconductor substrate, and in this example, an n-type InP substrate is used.
[0027]
The two active regions 1 and 2, the multiple quantum well electroabsorption modulator (light transmittance modulator) 3, the two Bragg reflectors 4 and 5, the waveguide 6, and the saturable absorption region 7 are the same. The semiconductor pulse light source is configured by monolithically integrating on the InP substrate 10 described above.
[0028]
Among them, the multiple quantum well electroabsorption modulator 3, the active region 1, and the Bragg reflector 4 are connected in this order to form a mode-locked laser (first semiconductor mode-locked laser) 8 with a built-in electroabsorption modulator. are doing. The Bragg reflector 5, the active region 2, and the saturable absorption region 7 are connected in this order, and constitute a saturable absorption region built-in mode-locked laser (second semiconductor mode-locked laser) 9.
[0029]
The waveguide 6 is interposed between the optical output end of the mode-locked laser 8 with a built-in electro-absorption modulator and the optical input end of the mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region, and is provided with a mode-locked mode-locked modulator. The laser 8 and the mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region are optically coupled. Therefore, the output light of the mode-locked laser 8 with a built-in electro-absorption modulator is injected into the mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region while maintaining the polarization plane. In this example, the waveguide 6 is transparent.
[0030]
The mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator can be directly mode-locked by an electric signal. In this example, the self-excited repetition frequency is set relatively low at 40 GHz and the center wavelength is set at 1.55 μm. ing. The mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region can perform light injection mode locking. In this example, the self-excited repetition frequency is set to 160 GHz, the center wavelength is 1.56 μm, and the mode-locked laser with a built-in electroabsorption modulator. 8 is set to a longer wavelength.
[0031]
The sum of the lengths of the active region 1 and the Bragg reflector 4 in the mode-locked laser 9 with a built-in electroabsorption modulator is set to 1000 μm, and the length of the multi-quantum well electroabsorption modulator 3 is set to 80 μm. The sum of the lengths of the Bragg reflector 5 and the active region 2 in the saturable absorption region built-in mode-locked laser 9 is set to 230 μm, and the length of the saturable absorption region 7 is set to 50 μm.
[0032]
Next, the structure of each part of the semiconductor pulse light source shown in FIG. 1 will be described.
[0033]
First, FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the active region 1 of the mode-locked laser 8 with a built-in electro-absorption modulator, taken along the line II-II in FIG.
[0034]
In FIG. 2, in the active region 1, an InGaAsP / InGaAsP (having a different composition ratio from the former) multiple quantum well layer 13 is formed so as to be sandwiched between the non-doped InGaAsP upper guide layer 11 and the non-doped InGaAsP lower guide layer 12. Have been. Further, below the non-doped InGaAsP lower guide layer 12, an n-InP lower clad layer 14 is disposed, and above the non-doped InGaAsP upper guide layer 11, a p-InP upper clad layer 15 is disposed. The n-InP lower cladding layer 14 is disposed on the n-type Inp substrate 10.
[0035]
The InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well layer 13 generates an optical gain by current injection. Further, the n-InP lower cladding layer 14 and the p-InP upper cladding layer 15 have a smaller refractive index than the non-doped InGaAsP upper guide layer 11 and the non-doped InGaAsP lower guide layer 12, so that light can be transmitted to the non-doped InGaAsP upper guide layer 11 and the non-doped It functions to confine the inside of the lower guide layer 12 of InGaAsP.
[0036]
In addition, a part of the p-InP upper cladding layer 15, the non-doped InGaAsP upper guide layer 11, the InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well layer 13, the non-doped InGaAsP lower guide layer 12, and the n-InP lower clad layer 14 are formed into a region to be a waveguide. After etching by reactive ion etching except for, both sides are buried and regrown with Fe-doped InP layers 16 and 17. The Fe-doped InP layers 16 and 17 have a smaller refractive index than the non-doped InGaAsP upper guide layer 11 and the non-doped InGaAsP lower guide layer 12, so that the light confinement in the lateral direction is realized in FIG. Furthermore, the electric resistance of the Fe-doped InP layers 16 and 17 is higher than that of the non-doped InGaAsP upper guide layer 11 and the non-doped InGaAsP lower guide layer 12, so that even when a voltage is applied during laser driving, no current flows and the current is effectively prevented. Current is constricted.
[0037]
Further, an n-type ohmic electrode 18 is formed on the back surface of the n-type InP substrate 10, and a p-type ohmic electrode 19 is formed on the p-InP upper cladding layer 15.
[0038]
The active region 2 of the mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region has the same laminated structure as the active region 1 of the mode-locked laser 8 with a built-in electro-absorption modulator 8 shown in FIG.
[0039]
Next, FIG. 3 shows a cross-sectional structure of the multiple quantum well electroabsorption modulator 3 of the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator taken along the line III-III in FIG.
[0040]
In FIG. 3, in the multiple quantum well electroabsorption modulator 3, an InGaAlAs / InAlAs multiple quantum well layer 23 is formed so as to be sandwiched between a non-doped InGaAsP upper guide layer 21 and a non-doped InGaAsP lower guide layer 22. . Further, below the non-doped InGaAsP lower guide layer 22, an n-InP lower clad layer 24 is disposed, and above the non-doped InGaAsP upper guide layer 21, a p-InP upper clad layer 25 is disposed. The n-InP lower cladding layer 24 is disposed on the n-type InP substrate 10 like the active regions 1 and 2.
[0041]
Since the absorption coefficient of the InGaAlAs / InAlAs multiple quantum well layer 23 changes when an electric field is applied, the intensity of transmitted light is modulated according to the electric signal applied to the InGaAlAs / InAlAs multiple quantum well layer 23. Further, the refractive indexes of the InGaAlAs / InAlAs multiple quantum well layer 23, the non-doped InGaAsP upper guide layer 21, and the non-doped InGaAsP lower guide layer 22 are higher than the refractive indexes of the n-InP lower clad layer 24 and the p-InP upper clad layer 25. Therefore, light is confined inside the non-doped InGaAsP upper guide layer 21 and the non-doped InGaAsP lower guide layer 22, and is effectively modulated while propagating in the multiple quantum well electroabsorption modulator 3 in the longitudinal direction.
[0042]
A part of the p-InP upper cladding layer 25, the non-doped InGaAsP upper guide layer 21, the InGaAlAs / InAlAs multiple quantum well layer 23, the non-doped InGaAsP lower guide layer 22, and the n-InP lower clad layer 24 is formed into a region to be a waveguide. After etching by reactive ion etching except for, both sides are buried and regrown with Fe-doped InP layers 26 and 27. The Fe-doped InP layers 26 and 27 have a smaller refractive index than the non-doped InGaAsP upper guide layer 21 and the non-doped InGaAsP lower guide layer 22, and thus realize lateral light confinement in FIG. Further, the electric resistance of the Fe-doped InP layers 26 and 27 is higher than that of the non-doped InGaAsP upper guide layer 21 and the non-doped InGaAsP lower guide layer 22. Therefore, when a reverse bias is applied to the multiple quantum well electroabsorption modulator 3, An electric field is effectively applied to the InGaAlAs / InAlAs multiple quantum well layer 23.
[0043]
Further, an n-type ohmic electrode 28 is formed on the back surface of the n-type InP substrate 10, and a p-type ohmic electrode 29 is formed on the p-InP upper cladding layer 25. By applying an electric signal generated by an external electric signal source as a reference signal together with an appropriate reverse bias to the multiple quantum well electroabsorption modulator 3 at the time of driving the laser, mode locking of a repetition frequency synchronized with the electric signal is realized. I do.
[0044]
The saturable absorption region 7 of the saturable absorption region built-in mode-locked laser 9 has the same laminated structure as the active region 2. However, since no current is injected into the saturable absorption region 7, the absorption coefficient is normally large, but only when strong light is incident, the absorption coefficient is reduced due to the generation of carriers.
[0045]
Although the Bragg reflectors 4 and 5 have substantially the same laminated structure as the active regions 1 and 2, the thickness of the non-doped InGaAsP upper guide layer 11 is periodically increased in the longitudinal direction of the resonator by using electron beam lithography and wet etching. The non-doped InGaAsP upper guide layer 11 is processed into a grating shape so as to change, and then the p-InP upper cladding layer 15 is regrown to form a distributed feedback mirror.
[0046]
In the Bragg reflectors 4 and 5, only the reflectance in a specific wavelength region centered on a wavelength (Bragg wavelength) twice as long as the grating period increases, so that the grating period can be reduced even if the same laminated structure is used. The center wavelength of reflection can be changed by simply changing it. In this example, the oscillation wavelength of the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator and the mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region is changed by changing the period of the grating.
[0047]
The waveguide 6 has the same laminated structure as the multiple quantum well electroabsorption modulator 3. However, by using the p-type ohmic electrode 29 open and using the InGaAlAs / InAlAs multiple quantum well layer 23 without applying an electric field, light is transmitted, and the waveguide is used as a transparent waveguide with less loss. .
[0048]
When the mode-locked laser 8 with a built-in electro-absorption modulator is oscillated from the outside in synchronization with an electric signal having a repetition frequency of 40 GHz, for example, the output pulse train of the mode-locked laser 8 with a built-in electro-absorption modulator is transmitted through the waveguide 6. The laser beam is injected into the saturable absorption region built-in mode-locked laser 9 while maintaining the polarization plane. As described above, the self-excited repetition frequency of the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator is set to 40 GHz and the center wavelength is set to 1.55 μm. Is set to 160 GHz and the center wavelength is set to 1.56 μm, so that the mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region is light-injection-mode-locked by injection of output light from the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator. It oscillates at a repetition frequency exactly four times that of the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator.
[0049]
FIG. 4 shows an autocorrelation waveform of an output pulse train when the semiconductor pulse light source of this example is driven by an external electric signal of 40 GHz. During the waveform measurement, the injection current into the active region 1 was 70 mA, the injection current into the active region 2 was 28 mA, the reverse bias applied to the multiple quantum well electroabsorption modulator 3 was -1.5 V, and the RF of the external electric signal ( (High frequency) power was 15 dBm, and reverse bias applied to the saturable absorption region 7 was -0.5 V.
[0050]
As shown in FIG. 4, an optical pulse train having a repetition period of 6.25 ps corresponding to 160 GHz, which is exactly four times the input external electric signal, was observed. Further, the optical modulation factor at 160 GHz at this time was estimated from the observed waveform to be 120%.
[0051]
As described above, in the semiconductor pulse light source of this example, since the light injection mode locking is used, sub-harmonic mode locking can be performed by an electric signal having a repetition frequency smaller than 自 of the self-excited repetition frequency. An optical pulse train having a repetition frequency of 160 GHz, which is four times the electric signal of 40 GHz, can be generated.
[0052]
The chip size of the semiconductor pulse light source is such that the mode-locked laser (first semiconductor mode-locked laser) 8 with a built-in electroabsorption modulator, the mode-locked laser (second semiconductor mode-locked laser) 9 with a built-in saturable absorption region, and the waveguide 6 , Which is two to three times as large as a single semiconductor mode-locked laser, but can be mounted in a package having the same dimensions as a conventional semiconductor mode-locked laser. It is much more compact than.
[0053]
Furthermore, the output light of the mode-locked laser 8 with a built-in electro-absorption modulator is injected into the mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region while maintaining the polarization plane by the waveguide 6, so that the polarization plane of the injected light is adjusted. No need to do.
[0054]
Here, in the present embodiment, a method of forming the resonators of the two semiconductor mode-locked lasers 8 and 9 on the same InP substrate 10 using the Bragg reflectors 4 and 5 has been described. The same integration is possible even if the resonators of the semiconductor mode-locked lasers 8 and 9 are configured using a duplexer. However, in this case, if an attempt is made to shorten the resonator length in order to cope with a higher frequency, the bending radius of the ring waveguide (ring-type resonator) becomes smaller, and the waveguide loss increases. A Bragg reflector may be used for the resonator of one semiconductor mode-locked laser, and a resonator composed of a ring-type resonator and a multiplexer / demultiplexer may be used for one semiconductor mode-locked laser.
[0055]
Further, in this example, the first semiconductor mode-locked laser synchronized with the electric signal is the mode-locked laser 8 with a built-in electro-absorption modulator. Therefore, it is possible to use a mode-locked laser with a built-in saturable absorption region as the first semiconductor mode-locked laser. In this case, the saturable absorption region of the mode-locked laser (the first semiconductor mode-locked laser) with a built-in saturable absorption region serves as a light transmittance modulator, and an external electric signal may be applied thereto.
[0056]
Further, in this example, the mode-locked laser with a built-in electro-absorption modulator is synchronized with an electric signal close to its self-excited repetition frequency of 40 GHz. A similar effect can be obtained by sub-harmonic synchronization.
[0057]
Further, in this example, the waveguide structure of the multiple quantum well electroabsorption modulator 3 employs a buried heterostructure including the Fe-doped InP layers 26 and 27. A rib waveguide structure to be formed or a high-mesa waveguide in which a waveguide is formed by etching up to the lower cladding layer 24 may be used.
[0058]
[Second embodiment]
Next, as a second embodiment of the present invention, the configuration of the semiconductor pulse light source illustrated in FIG. 5 will be described.
[0059]
In the second embodiment, as can be seen by comparing FIGS. 5 and 1, the waveguide 6 in the first embodiment of FIG. A waveguide that optically couples the laser and the second semiconductor mode-locked laser has a function of adjusting light intensity. In other words, the configuration of the semiconductor pulse light source of the second embodiment shown in FIG. 5 is the same as the configuration of the semiconductor pulse light source of the first embodiment shown in FIG. 1 except for the multiple quantum well electroabsorption modulator 36. Therefore, in FIG. 5, the same functional portions as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. FIG. 2 shows a cross-sectional structure of the active region 1 of the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator taken along the line II-II in FIG. FIG. 3 shows a cross-sectional structure of the absorption modulator 3 along the line III-III in FIG.
[0060]
The multi-quantum well electroabsorption modulator 36 has the same laminated structure as the multi-quantum well electroabsorption modulator 3 of the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator shown in FIG. And the first semiconductor mode-locked laser (mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator) and the second semiconductor mode-locked laser (mode-locked laser 9 with a saturable absorption region) are optically coupled. Functions as a waveguide.
[0061]
In the first embodiment, in order to adjust the amount of light injection, it is necessary to change the amount of current injected into the active region 1 of the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator. For example, the width of the light pulse injected into 9 changes.
[0062]
On the other hand, in the second embodiment, by changing the bias of the multiple quantum well electroabsorption modulator 36, the oscillation state of the mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator can be changed without changing the oscillation state. The amount of light injected into the built-in mode-locked laser 9 can be adjusted.
[0063]
When two semiconductor mode-locked lasers (mode-locked laser 8 with built-in electroabsorption modulator and mode-locked laser 9 with built-in saturable absorption region) are integrated using Bragg reflectors 4 and 5, the second semiconductor mode-locked mode is used. When the light output of the laser (mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region) is relatively large, the light of the second semiconductor mode-locked laser is reversed to the first semiconductor mode-locked laser (mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator). ) May be absorbed and disturb the mode-locked state or oscillation state of the first semiconductor mode-locked laser. In particular, when the active regions 1 and 2 of the two semiconductor mode-locked lasers have the same composition as in the first embodiment, the mode-locked state or oscillation state of the first semiconductor mode-locked laser may be disturbed. large.
[0064]
Even in such a case, as in the second embodiment, the waveguide connecting the two semiconductor mode-locked lasers (mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator and mode-locked laser 9 with a saturable absorption region) has a light intensity. (Multiple quantum well electroabsorption modulator 36) can reduce the amount of light injected from the second semiconductor mode-locked laser into the first semiconductor mode-locked laser.
[0065]
In this example, the multiple quantum well electroabsorption modulator 36 was used to adjust the light intensity. However, the semiconductor amplifier having the same stacked structure as the active regions 1 and 2 was replaced with the multiple quantum well electroabsorption modulator 36. And controlling the amount of injection current of the semiconductor amplifier, the intensity of light injected into the second semiconductor mode-locked laser (mode-locked laser 9 with a built-in saturable absorption region) can be adjusted. It functions as a waveguide that optically couples one semiconductor mode-locked laser (mode-locked laser 8 with a built-in electroabsorption modulator) and a second semiconductor mode-locked laser (mode-locked laser 9 with a saturable absorption region). A semiconductor amplifier has a gain when the injection current is large and works as an optical amplifier.However, as the injection current is reduced, the transparency changes to absorption through a state, and a very large absorption coefficient is obtained from no bias to reverse bias. Present.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, in the semiconductor pulse light source of the first invention, the second semiconductor mode-locked laser is light-injection-mode-locked by the output light of the first semiconductor mode-locked laser integrated on the same substrate. There is an effect that an optical pulse train having a stable high repetition frequency (for example, 100 GHz or more) can be generated by a subharmonic signal of an order lower than 1/2 order. Further, since the first semiconductor mode-locked laser, the second semiconductor mode-locked laser, and the waveguide for optically coupling them are integrated on the same substrate, they are as compact as a single semiconductor mode-locked laser. There is an effect that there is no need to adjust the polarization plane of the light, and it is possible to operate stably.
[0067]
In the semiconductor pulse light source according to the second aspect of the present invention, the waveguide for optically coupling the first semiconductor mode-locked laser and the second semiconductor mode-locked laser has a function of adjusting the light intensity. The amount of light injected into the second semiconductor mode-locked laser can be adjusted without changing the oscillation state of the synchronous laser. Further, since the amount of light injected from the second semiconductor mode-locked laser to the first semiconductor mode-locked laser can be reduced, the output light of the second semiconductor mode-locked laser can be inverted to the first semiconductor mode-locked laser. It is possible to prevent the mode-locked state or oscillation state of the first semiconductor mode-locked laser from being disturbed by being injected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of a semiconductor pulse light source according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view of the active region taken along line II-II in FIG. 1 or FIG. 5;
FIG. 3 is a sectional view of the multiple quantum well electroabsorption modulator taken along the line III-III in FIG. 1 or FIG. 5;
FIG. 4 is a diagram showing an autocorrelation waveform of output light when the semiconductor pulse light source according to the first embodiment of the present invention is synchronized with an external electric signal of 40 GHz.
FIG. 5 is a schematic view of a semiconductor pulse light source according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1, 2 Active area
3 Multiple quantum well electroabsorption modulator
4,5 Bragg reflector
6 Transparent waveguide
7 Saturable absorption region
8 Mode-locked laser with built-in electroabsorption modulator (first semiconductor mode-locked laser)
9 Mode-locked laser with built-in saturable absorption region (second semiconductor mode-locked laser)
10 n-type InP substrate (substrate)
11 Non-doped InGaAsP upper guide layer
12 Lower guide layer for undoped InGaAsP
13 InGaAsP / InGaAsP multiple quantum well layer
14 n-InP lower cladding layer
15 p-InP upper cladding layer
16, 17 Fe-doped InP layer
18 n-type ohmic electrode
19 p-type ohmic electrode
21 Non-doped InGaAsP upper guide layer
22 Non-doped InGaAsP lower guide layer
23 InGaAlAs / InAlAs multiple quantum well layer
24 n-InP lower cladding layer
25 p-InP upper cladding layer
26, 27 Fe-doped InP layer
28 n-type ohmic electrode
29 p-type ohmic electrode
36 Multiple quantum well electroabsorption modulator (waveguide with light intensity control function)
