JP2007134490A - 非線形半導体モジュールおよび非線形半導体光素子駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力信号から所望の出力信号を得られるように非線形半導体光素子の入出力特性を最適化することが可能な非線形半導体モジュールおよびそれを駆動する非線形半導体光素子駆動装置を提供する。
【解決手段】入力光Ｐｉｎが双安定半導体レーザ２を励起すると、双安定半導体レーザ２の端面６から出射する出力光Ｐｏｕｔが半透過鏡３に照射される。半透過鏡３を透過した透過光Ｐｔは、光電変換素子５に照射される。光電変換素子５は、双安定半導体レーザ２の透過光Ｐｔを検出し、電気的な受信信号Ｓｒを出力する。半透過鏡３で反射した反射光Ｐｒは、帰還されて双安定半導体レーザ２へ注入される。反射光Ｐｒを双安定半導体レーザ２へ注入することで発振状態が変化し、双安定半導体レーザ２の入出力特性のヒステリシス幅を変化させることができる。
【選択図】図２

Description

この発明は、非線形半導体モジュールおよび非線形半導体光素子駆動装置に関し、より特定的には、外部からの光信号を制御する非線形半導体モジュールおよびそれを駆動する非線形半導体光素子駆動装置に関する。

一般に、光通信の伝送信号にはレーザ光が用いられる。光通信分野において、半導体レーザ構造は、主に光源や受光器として使用されてきた。

近年、来るべき大容量通信化に向けて、光信号を電気に変換せず光のまま高速に処理する全光処理が推進されるようになってきている。これにより、半導体レーザは、単なる光源や受光器として用いられるだけではなく、波形整形、増幅、波長変換、ビットレート変換などの様々な機能を持つ素子として利用されるようになってきている。

特に最近では、コスト削減のため、単一の機器を上記のような様々な機能が付加された多機能装置として使用しようとする傾向が強い。多機能な素子として用いられる半導体レーザには様々な構造が採用されており、双安定半導体レーザもその１つである。

図１４は、一般的な双安定半導体レーザ１１２の構造を示した断面図である。
図１４を参照して、双安定半導体レーザ１１２は、光増幅領域１２１と可飽和吸収領域１２２とを含む活性層１２０と、ｐ型電極１２３，１２４と、クラッド層１２５，１２６と、ｎ型電極１２７とを備える。

光増幅領域１２１は、外部から入力光ＰＩＮを受ける。可飽和吸収領域１２２は、入力光ＰＩＮなどに応じて、外部に出力光ＰＯＵＴを出射する。可飽和吸収領域１２２は、可飽和の吸収効果を有しており、ある一定強度の光を吸収すると光吸収効果が飽和してそれ以上の光を吸収できず透明状態となる性質を有する。

ｐ型電極１２３は、光増幅領域１２１に対応するようにクラッド層１２５上に形成されている。ｐ型電極１２４は、可飽和吸収領域１２２に対応するようにクラッド層１２５上に形成されている。ｎ型電極１２７は、光増幅領域１２１および可飽和吸収領域１２２の２つの領域に共通するように、クラッド層１２６に対して設けられている。ｎ型電極１２７は、接地ノードに接続されている。

分割されたｐ型電極１２３，１２４への注入電流と活性層１２０への入力光ＰＩＮの強度とを制御することにより、双安定半導体レーザ１１２の入力光ＰＩＮ対出力光ＰＯＵＴの特性にヒステリシス、すなわち光の双安定性が生じる。このヒステリシス特性について次に説明する。

図１５は、双安定半導体レーザ１１２の入力光ＰＩＮと出力光ＰＯＵＴとの入出力特性曲線を示した図である。

図１５に示すように、入力光ＰＩＮの強度が増加していくと、しきい値Ｐｔｈ１で可飽和吸収領域１２２が飽和して光を吸収しなくなる。これにより、双安定半導体レーザ１１２が発振して出力光ＰＯＵＴの強度が急激に増大する。この結果、図１５の特性曲線上には不連続な変化が現れる。

可飽和吸収領域１２２は、いったん飽和すると光吸収効果が飽和して透明状態となり安定する。このため、図１５の特性曲線の傾きが再び連続的になり、入力光ＰＩＮの強度が増加するにつれて光出力ＰＯＵＴの強度は単調に増加していく。入力光ＰＩＮがしきい値Ｐｔｈ１を超え、発振が維持されている状態をオン状態とする。

図１６は、可飽和吸収領域を備えていない通常の半導体レーザの入力光Ｐ０と出力光Ｐ１との入出力特性を示した図である。

図１６に示すように、通常の半導体レーザでは、しきい値Ｐｔｈ０で発振する際に入出力特性が変化するものの、図１５の出力光ＰＯＵＴのようにしきい値Ｐｔｈ１で強度が急激に増大して不連続な変化が現れることはない。

図１５に戻って、可飽和吸収領域１２２は、しきい値Ｐｔｈ１を超えていったん発振した後は透明状態となっていて光を吸収しないので、入力光ＰＩＮの強度を低下させていってもしきい値Ｐｔｈ１ではまだ発振状態が維持されている。しかし、さらに入力光ＰＩＮの強度を低下させると、しきい値Ｐｔｈ２において光吸収効果が回復して光出力ＰＯＵＴの強度が急激に減少する。この結果、双安定半導体レーザ１１２は、オフ状態となる。

以上、図１５で説明したように、双安定半導体レーザ１１２は、入出力特性においてヒステリシスを示す。ヒステリシスは、非線形性の一つである。

ここで、双安定半導体レーザ１１２に、オン状態とオフ状態とが切り替わるような信号、たとえば「０」と「１」とを有する２値信号を入力し、双安定半導体レーザ１１２が「０」においてオフ状態、「１」においてオン状態となるようにする。このとき、出力光ＰＯＵＴの急峻な立上がりと立下がりとによる不連続な変化を反映して、双安定半導体レーザ１１２は、オン状態とオフ状態とでの光出力ＰＯＵＴの強度の差が大きくなる。

上記のヒステリシスの結果、双安定半導体レーザ１１２は出力信号の振幅が大きくなり、入力信号の増幅、Ｓ／Ｎ（Signal to Noise）比の向上、波形整形などの効果が得られる。双安定半導体レーザ１１２のｐ型電極１２３，１２４への注入電流または印加電圧を制御することで、さらに入出力特性を安定化させたり、出力を変調して信号の波形整形をしたり、双安定半導体レーザ１１２をパルス発生器として用いることもできる。

特許文献１は、双安定半導体レーザを用いる多機能装置の例として、入力信号の波形整形および増幅を行なう確率共鳴装置について開示している。確率共鳴装置は、非線形な入出力特性を必要とするので、たとえば図１４で示した双安定半導体レーザ１１２の利用が有効である。この確率共鳴装置を用いた信号処理について以下に説明する。

特許文献１の確率共鳴装置は、伝送路を経由するうちに劣化して双安定半導体レーザのヒステリシスのしきい値を超えられないほど弱まった信号に雑音を付加した信号を、双安定半導体レーザに入力する。このとき、入力信号のピークに応じて出力信号がヒステリシスを上下するので、入力信号の周期を強調するように強度が増幅され波形も整形された出力信号が得られる。

上記の確率共鳴効果により、通常の機能素子が検出できないような微弱な信号を検知、増幅または波形整形することができる。この確率共鳴効果においても、非線形性が利用されている。

以上のような光信号処理機能は、半導体レーザの入力信号と出力信号との関係を表わす入出力特性に大きく左右される。したがって、半導体レーザを光信号処理装置として用いた場合、装置の機能、用途、または受信信号の状態によって、半導体レーザの入出力特性を制御する必要がある。ここで、半導体レーザの入力信号とは注入光、注入電流または印加電圧を指し、半導体レーザの出力信号とは出射光を指す。

半導体レーザの入出力特性を制御する簡便な方法として、注入電流または印加電圧を変化させる方法がある。しかし、半導体レーザに入力する光信号が多様かつ高速になると、このような制御では対応しきれなくなってしまう。

よって、光信号を入力する半導体レーザの入出力特性を制御するために、従来技術では光注入によって入出力特性を制御する方法が用いられている。特許文献２は、光出射端面からの光を反射鏡で反射して光素子に注入し、もう一方の端面からの光出力の縦モードを安定に保つ従来技術を開示している。この縦モードを安定に保つ従来技術について、次に図面を用いて説明する。

図１７は、従来の半導体レーザ装置１３０の概略的な構成を示した断面図である。
図１７を参照して、半導体レーザ装置１３０は、半導体レーザ素子１３１と、マウント１３２と、反射鏡１３４とを備える。マウント１３２は、半導体レーザ素子１３１および反射鏡１３４を支持する。反射鏡１３４は、半導体レーザ素子１３１の一方のレーザ出射端面１３３に対向するように設置されている。

半導体レーザ素子１３１から出射されるレーザ光Ｐｏｕｔ１は、反射鏡１３４で反射され、その一部が再びレーザ出射端面１３３を通って半導体レーザ素子１３１の共振器中に帰還する。これにより、図１７の半導体レーザ装置１３０では、レーザ出射端面１３３と反射鏡１３４とが作る第１の共振器モードと、半導体レーザ素子１３１の内部構造による第２の共振器モードとが重なり合う特定の単一縦モードのみが安定に発振する。この結果、半導体レーザ素子１３１のもう一方のレーザ出射端面から出射されるレーザ光Ｐｏｕｔ２の発振波長が安定化する。

特許文献３は、双安定半導体レーザ素子と同一基板上に近接して集積される発光ダイオードからの光を双安定半導体レーザ素子に注入する従来技術を開示している。この双安定半導体レーザ素子では、発光ダイオードの出力光が可飽和吸収領域への光バイアスとなり、高速光信号に対する応答速度が改善される。

他の従来技術としては、半導体レーザ素子として多モード発振素子を用い、一方の端面の出射光のうちから特定の波長の光を、回折格子を用いて波長選択的に素子へ帰還させる技術がある。この技術を用いると、安定な単一波長発振を得ることができる。
特開２００４−２１４４０７号公報 特開昭５８−１１１３９１号公報 特開昭６１−１１８７３２号公報

入出力特性のヒステリシスを利用する双安定半導体レーザや確率共鳴装置では、ヒステリシス形状を入力信号に応じて好適に決定し制御することが重要である。

上述したように、特許文献２は、半導体レーザ素子から出射されるレーザ光を反射鏡で反射してその一部を再び半導体レーザ素子の共振器中に帰還することで、レーザ光の縦モードを安定に保つ技術を開示している。この従来技術は、一般的な半導体レーザ素子の縦モード制御のみを目的としており、たとえば双安定半導体レーザの入出力特性を制御する目的は考慮されていない。すなわち、双安定半導体レーザに特有のヒステリシス特性の制御には対応していない。

また、特許文献３は、双安定半導体レーザ素子と発光ダイオードとを同一基板上に近接して集積し、発光ダイオードの光を双安定半導体レーザ素子に光バイアスとして照射する技術を開示している。この従来技術では、発光ダイオードの拡散光のうち双安定半導体レーザの活性層に照射される光量はごくわずかであるため、双安定半導体レーザ素子の入出力特性を制御するのは困難である。また、発光ダイオードを駆動するのに電力が必要であるため、消費電力が大きくなってしまう。

また、他の従来技術のように、半導体レーザ素子として多モード発振素子を用い、一方の端面の出射光のうちから特定の波長の光を、回折格子を用いて波長選択的に素子へ帰還させる場合には、回折格子等を新たに設ける必要がある。このため、素子の作製や光軸合わせの手順に労力を要し、装置も大きくなってしまう。

この発明は、上記の諸問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、入力信号から所望の出力信号を得られるように非線形半導体光素子の入出力特性を最適化することが可能な非線形半導体モジュールおよびそれを駆動する非線形半導体光素子駆動装置を提供することである。

この発明による非線形半導体モジュールは、入力光を受けて出力光を出射する非線形半導体光素子と、出力光の一部を非線形半導体光素子に帰還させる光学素子とを備える。非線形半導体光素子は、光学素子からの帰還光に応じて入出力特性が制御される。

好ましくは、非線形半導体光素子は、入力光に対して出力光が不連続に変化する。
好ましくは、非線形半導体光素子は、入力光と出力光との関係がヒステリシスを有する。

好ましくは、非線形半導体光素子は、双安定半導体レーザである。
好ましくは、双安定半導体レーザは、光増幅領域と可飽和吸領域とを含む活性層と、活性層に電流を注入するための第１の極性の電極と、第１の極性の電極に対応して設けられる第２の極性の電極とを含む。第１および第２の極性の電極の少なくとも一方は、光増幅領域と可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割されている。

好ましくは、非線形半導体光素子に帰還する反射光は、出力光の１％以上である。
好ましくは、光学素子は、出力光の一部を透過させ、出力光の他の一部を非線形半導体光素子に帰還するように反射させる半透過鏡を含む。また、半透過鏡の透過光を検出し、透過光を電気的な受信信号に変換する光電変換素子をさらに備える。

好ましくは、光学素子は、出力光の一部を透過させ他の一部を反射させるビームスプリッタと、ビームスプリッタによって反射された出力光を、ビームスプリッタを介して非線形半導体光素子に帰還するように反射させるマイクロミラーとを含む。また、ビームスプリッタの透過光を検出し、透過光を電気的な受信信号に変換する光電変換素子をさらに備える。

好ましくは、光学素子は、出力光の一部を非線形半導体光素子に帰還するように反射させる反射膜を含む。また、出力光の他の一部を検出して電気的な受信信号に変換する光電変換素子をさらに備える。

好ましくは、反射膜および光電変換素子は、ともに非線形半導体光素子の端面に対向するように設けられる。非線形半導体光素子は、出力光が反射膜および光電変換素子の両方に入射するような出射口の構造を有する。

好ましくは、非線形半導体光素子は、注入される電流値に応じて入出力特性が制御される。

好ましくは、非線形半導体光素子は、印加される電圧値に応じて入出力特性が制御される。

好ましくは、非線形半導体光素子に接続される可変抵抗をさらに備える。非線形半導体光素子は、可変抵抗を介して電圧が印加され、可変抵抗の抵抗値に応じて入出力特性が制御される。

好ましくは、非線形半導体光素子は、非線形半導体光素子の温度に応じて入出力特性が制御される。

好ましくは、非線形半導体光素子は、確率共鳴効果によって入出力特性が制御される。
この発明の他の局面による非線形半導体光素子駆動装置は、入力光を受けて内部で処理して受信信号を出力する非線形半導体モジュールと、非線形半導体モジュールに電流を供給する電流供給部と、電流供給部の出力電流を制御するための制御信号を出力する制御装置とを備える。非線形半導体モジュールは、入力光を受けて出力光を出射する非線形半導体光素子と、出力光の一部を非線形半導体光素子に帰還させる光学素子とを含む。非線形半導体光素子は、光学素子からの帰還光に応じて入出力特性が制御される。

好ましくは、制御装置は、非線形半導体光素子が確率共鳴効果を有するように電流供給部の出力電流を制御する確率共鳴制御回路を含む。電流供給部は、非線形半導体光素子に確率共鳴効果をもたせるための雑音付加電流を非線形半導体光素子に供給する。

好ましくは、可変抵抗を介してまたは直接に非線形半導体光素子に電圧を与える電圧供給部と、電圧供給部の出力電圧を制御するための制御信号を出力する電圧制御回路と、非線形半導体光素子からの出力信号を受けて電圧制御回路を制御するフィードバック制御回路とをさらに備える。

好ましくは、非線形半導体光素子に接続される可変抵抗と、可変抵抗の抵抗値を制御するための制御信号を出力する可変抵抗制御部と、非線形半導体光素子からの出力信号を受けて可変抵抗制御部を制御するフィードバック制御回路とをさらに備える。

好ましくは、非線形半導体光素子の温度を制御する温度制御機構と、温度制御機構に温度情報を出力する温度制御回路と、非線形半導体光素子からの出力信号を受けて可変抵抗制御部を制御するフィードバック制御回路とをさらに備える。

この発明によれば、入力信号から所望の出力信号を得られるように非線形半導体光素子の入出力特性を最適化することができる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による非線形半導体光素子駆動装置１Ａの概略的な構成を示したブロック図である。

図１を参照して、実施の形態１の非線形半導体光素子駆動装置１Ａは、半導体レーザモジュール１０Ａと、制御装置７と、電流供給部１７とを備える。半導体レーザモジュール１０Ａは、入射される入力光Ｐｉｎを受けて内部で処理し、受信信号Ｓｒを出力する。制御装置７は、電流供給部１７に制御信号を出力する。電流供給部１７は、制御装置７からの制御信号に従って、半導体レーザモジュール１０Ａ内に電流を供給する。半導体レーザモジュール１０Ａの具体的な構成について次に説明する。

図２は、図１の半導体レーザモジュール（非線形半導体モジュール）１０Ａの具体的な構成を示した模式図である。

図２を参照して、半導体レーザモジュール１０Ａは、双安定半導体レーザ２と、半透過鏡（ハーフミラー）３と、ベース４，８と、光電変換素子５とを含む。ベース１上には、双安定半導体レーザ２と、半透過鏡３と、ベース４とが設置されている。双安定半導体レーザ２と光電変換素子５とは、光軸を合わせて設けられている。

半透過鏡３および光電変換素子５は、双安定半導体レーザ２の後段に配置されている。光電変換素子５は、ベース４に備え付けられている。光電変換素子５には、たとえばフォトダイオード（ＰＤ）が用いられる。双安定半導体レーザ２の端面６と半透過鏡３とは、互いに平行になるように対向して設けられている。

双安定半導体レーザ２は、たとえばＩｎＧａＡｓＰ系化合物半導体で作製されている。双安定半導体レーザ２は、光増幅領域と可飽和吸収領域とを含む活性層を有し、各々の領域に対して独立した電極が設けられている。電極にはｐ型電極とそれに対応するｎ型電極とがあり、各電極ごとに端子が接続されている（図１４も参照）。双安定半導体レーザ２の入出力特性は、図１５に示されている特性と基本的には同じである。双安定半導体レーザ２におけるｐ型電極およびｎ型電極の少なくとも一方は、上記の光増幅領域と可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割されている。

次に、半導体レーザモジュール１０Ａの動作および駆動方法について説明する。
入力光Ｐｉｎが双安定半導体レーザ２を励起すると、双安定半導体レーザ２の端面６から出射する出力光Ｐｏｕｔが半透過鏡３に照射される。半透過鏡３は、端面６からの出力光Ｐｏｕｔのうち、たとえば１％が反射されて双安定半導体レーザ２へ帰還するように透過率が調整されている。

半透過鏡３を透過した透過光Ｐｔは、光電変換素子５に照射される。光電変換素子５は、双安定半導体レーザ２の透過光Ｐｔを検出し、電気的な受信信号Ｓｒを出力する。半透過鏡３で反射した反射光Ｐｒは、帰還されて双安定半導体レーザ２へ注入される。反射光Ｐｒを双安定半導体レーザ２へ注入することで発振状態が変化し、双安定半導体レーザ２の入出力特性のヒステリシス幅を変化させることができる。

図３は、双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｏｕｔに対する反射光Ｐｒの比率が変化したときの入出力特性の変化を示した図である。

図３を参照して、出力光Ｐ０．５は、出力光Ｐｏｕｔに対する反射光Ｐｒの比率が０．５％の場合を示している。出力光Ｐ５は、出力光Ｐｏｕｔに対する反射光Ｐｒの比率が５％の場合を示している。出力光Ｐ６０は、出力光Ｐｏｕｔに対する反射光Ｐｒの比率が６０％の場合を示している。

図３に示すように、出力光Ｐｏｕｔに対する反射光Ｐｒの比率が増大するにつれてヒステリシスの幅が広がり、反射光Ｐｒの比率が所定値を超えるとヒステリシスが消失する。この所定値は、双安定半導体レーザ２の使用方法（光増幅か波形整形か等）、通信路の状態、または外部ネットワークの構成によって細かく変わってくるので一概には設定できないが、おおむね５０％程度である。

なぜなら、反射光Ｐｒの比率が５０％以上になると、入力光Ｐｉｎよりも反射光Ｐｒの影響の方が強くなってしまうからである。ヒステリシスを効果的に制御するために必要な反射光Ｐｒの比率は、１％かそれ以上であって、上記の所定値未満が望ましい。双安定半導体レーザ２の入出力特性の制御方法の原理は、以下のとおりである（図１５も参照）。

入力光Ｐｉｎが立上がりしきい値Ｐｔｈ１以下のとき、双安定半導体レーザ２は発振していないオフ状態であるので出射光Ｐｏｕｔがほとんど得られず、反射光Ｐｒは実質的に注入されない状態である。入力光Ｐｉｎが立上がりしきい値Ｐｔｈ１を超えると、双安定半導体レーザ２の可飽和吸収領域における光吸収効果が飽和する。これにより、双安定半導体レーザ２がオン状態となって発振し、出力光Ｐｏｕｔが得られる。

出力光Ｐｏｕｔの一部が帰還して双安定半導体レーザ２に注入されると、可飽和吸収領域内の光子が増えるとともに、その光子によって誘導放出された新たな光子が発生する。よって、入力光Ｐｉｎが減少しても、反射光Ｐｒが双安定半導体レーザ２に注入される間は、可飽和吸収領域内の光子の減少を抑えることができる。これにより、光吸収効果が回復しにくくなり、立下がりしきい値Ｐｔｈ２が低下する。さらに入力光Ｐｉｎが低下して可飽和吸収領域の光吸収効果が回復すると、双安定半導体レーザ２はオフ状態となって出力光Ｐｏｕｔが得られない。この結果、反射光Ｐｒは、双安定半導体レーザ２に注入されなくなる。すなわち、双安定半導体レーザ２がオン状態のときのみ反射光Ｐｒが注入されることになるので、立上がりしきい値Ｐｔｈ１は変わらずに、立下がりしきい値Ｐｔｈ２のみが低下する。

ゆえに、出力光Ｐｏｕｔに対する反射光Ｐｒの比率が増大するにつれて、双安定半導体レーザ２のヒステリシスの幅が広がるのである。ただし、反射光Ｐｒの比率が５０％を超えるとヒステリシスが消失する。

上記のようにして、双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｏｕｔの一部である反射光Ｐｒを帰還させることで、ヒステリシスの形状を制御することができる。出力光Ｐｏｕｔの特性は、双安定半導体レーザ２の入出力特性によって決まる。よって、入出力特性のヒステリシス形状によって出力光Ｐｏｕｔの振幅、周期、波形などを制御することで、所望の出力光Ｐｏｕｔを得ることができる。

双安定半導体レーザ２において、出力光Ｐｏｕｔの一部を反射光Ｐｒとして注入することで入出力特性のヒステリシス幅を変化させることができる効果は、本発明者が初めて見出したものである。

このように、実施の形態１の非線形半導体光素子駆動装置１Ａは、双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｏｕｔの一部を半透過鏡３により反射光Ｐｒとして帰還させることで、双安定半導体レーザ２の入出力特性を制御している。これにより、入出力特性のヒステリシス形状を好適に調整することができる。

したがって、実施の形態１の非線形半導体光素子駆動装置１Ａは、入力光Ｐｉｎの状態変化や装置の機能切替に対しても、入出力特性のヒステリシス形状を最適に制御することができ、光の双安定性や確率共鳴効果の利用に対しても柔軟に対応することができる。すなわち、非線形半導体光素子駆動装置１Ａは、双安定半導体レーザ２の特性を生かした多機能な光受信装置として用いることができる。

また、実施の形態１の非線形半導体光素子駆動装置１Ａは、双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｉｎの一部である反射光Ｐｒを利用しているので、新たな光源を設置する必要がなく、コンパクトな構成で消費電力も低くすることができる。さらに、双安定半導体レーザ２は、工業応用が困難な素子ではなく広く使用されている素子であるため、駆動装置の作製が容易になるという利点もある。

実施の形態１の非線形半導体光素子駆動装置１Ａにおいて、半透過鏡３は、双安定半導体レーザ２からの出力光Ｐｏｕｔの１％が反射光Ｐｒとして双安定半導体レーザ２へ帰還するように透過率が調整されている。透過率が１％以下でもヒステリシス幅を広げる効果は得られるが、１％以上である方が出力光Ｐｏｕｔを制御するために有効な幅までヒステリシスを広げることができる。

また、半導体レーザモジュール１０Ａの出力光Ｐｏｕｔを電気的な受信信号Ｓｒに変換せずにそのまま光信号として出力してもよい。この場合は、非線形半導体光素子駆動装置１Ａを、受信装置のみならず、中継器または送受信装置として用いることもでき、全光処理装置としての利用も可能となる。

また、実施の形態１では、双安定半導体レーザ２の端面６と半透過鏡３とが互いに平行になるように対向して設けられている。しかし、この配置は必ずしも互いに平行でなくてもよく、双安定半導体レーザ２の端面６からの出力光Ｐｏｕｔのたとえば１％が反射光Ｐｒとして帰還するように配置が調整されていれば、同様の効果が得られる。

以上のように、実施の形態１によれば、双安定半導体レーザの出力光の一部を反射光として帰還させて双安定半導体レーザに注入することで、双安定半導体レーザの入出力特性のヒステリシス幅を制御することができる。これにより、非線形半導体光素子駆動装置の入出力特性を最適な状態に精度良く調整することができる。

上記の入出力特性の調整機能は、光の双安定性を利用した機能素子や確率共鳴素子において重要である。これにより、実施の形態１の非線形半導体光素子駆動装置は、様々な状況での光信号の劣化を補償することができ、さらに、光増幅、波形整形、波長変換のような複数の機能を備えることができる。

（実施の形態１の変形例）
図４は、この発明の実施の形態１の変形例による半導体レーザモジュール１０Ａａの構成を示した模式図である。

図４を参照して、実施の形態１の変形例の半導体レーザモジュール１０Ａａは、双安定半導体レーザ２が非線形半導体光素子２ａに置き換えられた点において、図２の半導体レーザモジュール１０Ａと異なる。したがって、図２と重複する部分の説明は、ここでは繰り返さない。

図５は、非線形半導体光素子２ａの入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとの入出力特性の一例を示した図である。

図５に示すように、非線形半導体光素子２ａは、一例として、不連続性を有する入出力特性を示す。非線形半導体光素子２ａに電流または光を注入していくと、しきい値Ｐｔｈで出力光強度が急峻に立ち上がる。このような不連続性を有する非線形半導体光素子２ａは、光増幅領域に対する可飽和吸収領域の体積比を図２の双安定半導体レーザ２よりも小さくするか、一般的な双安定半導体レーザの可飽和吸収領域に電流を注入することによって得られる。

以上のように、実施の形態１の変形例によれば、ヒステリシスを持たず不連続な特性を有する非線形半導体光素子において出力光の一部である反射光を帰還させることにより、ヒステリシスを生じさせ、さらにそのヒステリシスの形状を制御することができる。

これにより、双安定半導体レーザを用いた実施の形態１の半導体レーザモジュールと同様の機能を持たせることができ、非線形半導体光素子駆動装置において入力信号の増幅や、Ｓ／Ｎ比の向上、波形整形などの効果が得られる。なお、実施の形態１の変形例は、実施の形態２〜４にも適用することができる。

［実施の形態２］
図６は、この発明の実施の形態２による非線形半導体光素子駆動装置１Ｂの概略的な構成を示したブロック図である。

図６を参照して、実施の形態２の非線形半導体光素子駆動装置１Ｂは、温度制御機構２０を有する半導体レーザモジュール１０Ｂと、フィードバック制御回路１２と、温度制御回路１３と、可変抵抗制御部１４と、可変抵抗１５と、確率共鳴制御回路１６と、電流供給部１７と、電圧制御回路１８と、電圧供給部１９とを備える。可変抵抗１５は、位相を含めて制御可能な可変インピーダンス素子であってもよい。

半導体レーザモジュール１０Ｂは、入射する入力光Ｐｉｎを受けて内部で処理し、受信信号Ｓｒ、受信電流Ｉｒ１，Ｉｒ２などを出力する。フィードバック制御回路１２は、半導体レーザモジュール１０Ｂから出力される受信電流Ｉｒ１を受けて、温度制御回路１３および可変抵抗制御部１４に制御信号を出力する。温度制御回路１３は、フィードバック制御回路１２からの制御信号を受けて、温度制御機構２０に温度情報を出力する。温度制御機構２０は、温度制御回路１３からの温度情報に基づいて、半導体レーザモジュール１０Ｂ内の温度を制御する。

可変抵抗制御部１４は、フィードバック制御回路１２からの制御信号に従って、半導体レーザモジュール１０Ｂの内部に向けて接続されている可変抵抗１５の抵抗値を調整する。確率共鳴制御回路１６は、半導体レーザモジュール１０Ｂから出力される受信電流Ｉｒ２を受けて、電流供給部１７に制御信号を出力する。電流供給部１７は、確率共鳴制御回路１６からの制御信号に従って、雑音を含む電流を半導体レーザモジュール１０Ｂ内に供給する。電圧制御回路１８は、フィードバック制御回路１２からの制御信号に基づいて、電圧供給部１９に制御信号を出力する。電圧供給部１９は、電圧制御回路１８からの制御信号に従って、可変抵抗１５を介してまたは直接に半導体レーザモジュール１０Ｂ内に電圧を供給する。

次に、半導体レーザモジュール１０Ｂの具体的構成を含めた非線形半導体光素子駆動装置１Ｂの構成について説明する。

図７は、この発明の実施の形態２による非線形半導体光素子駆動装置１Ｂのより具体的な構成を示した図である。

図７を参照して、半導体レーザモジュール１０Ｂは、双安定半導体レーザ２と、半透過鏡３と、ベース４，８，２３と、光電変換素子５と、温度制御機構２０とを含む。双安定半導体レーザ２は、光増幅領域３２と可飽和吸収領域３３とを含む活性層３１と、ｐ型電極３４，３５と、クラッド層３６，３７と、ｎ型電極３８とを含む。双安定半導体レーザ２は、非線形半導体光素子の一つである。

ｐ型電極３４は、光増幅領域３２に対応するようにクラッド層３６の上に形成されている。ｐ型電極３４は、電流供給部１７から出力される雑音付加電流を受ける。ｐ型電極３５は、可飽和吸収領域３３に対応するようにクラッド層３６の上に形成されている。ｐ型電極３５は、電流供給部１７から出力される雑音付加電流を受けるとともに、可変抵抗１５に接続されている。ｎ型電極３８は、クラッド層３７とベース２３との間に設けられている。ｎ型電極３８は、電圧供給部１９から電圧が印加されるとともに、接地ノードに接続されている。

温度制御回路１３は、温度制御機構２０に接続されている。温度制御機構２０は、半導体レーザモジュール１０Ｂに備え付けられており、たとえばペルチェクーラーおよびサーミスタから構成されている。ペルチェクーラーを用いると、昇温および冷却の両方が行なえるので、外部の環境温度に関わらず双安定半導体レーザ２の温度を安定的に調整することができる。温度制御機構２０の上に、ベース８が設けられている。ベース４，２３は、ベース８の上に設けられている。双安定半導体レーザ２は、ベース２３の上に搭載されている。光電変換素子５は、ベース４に取り付けられている。

次に、非線形半導体光素子駆動装置１Ｂの動作および駆動方法について説明する。
双安定半導体レーザ２は、光増幅領域３２において入力光Ｐｉｎを受け、ｐ型電極３４，３５からの制御に応じて、可飽和吸収領域３３から出力光Ｐｏｕｔを出射する。入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値からなり、伝送路等に起因する雑音によって一般に劣化している。

半透過鏡３は、実施の形態１の図２で説明したのと同様に、出力光Ｐｏｕｔの半分以上を透過させ、残りを活性層３１へ帰還するように反射させる。光電変換素子５は、半透過鏡３を透過した出力光Ｐｏｕｔを検出し、電気的な受信信号Ｓｒを出力する。受信信号Ｓｒの一部は、受信電流Ｉｒ１，Ｉｒ２として、フィードバック制御回路１２と確率共鳴制御回路１６とにそれぞれ出力される。

フィードバック制御回路１２は、光電変換素子５を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。フィードバック制御回路１２は、双安定半導体レーザ２の入出力特性を調整するための制御信号を、温度制御回路１３、可変抵抗制御部１４および電圧制御回路１８にそれぞれ出力する。なお、双安定半導体レーザ２の入出力特性は、図１５に示されている特性と基本的には同じである。

フィードバック制御回路１２には、可変抵抗１５の抵抗値および温度制御機構２０の検出温度などの駆動条件に応じた双安定半導体レーザ２の入出力特性のデータが予め入力されている。フィードバック制御回路１２は、当該入力値に基づいて、双安定半導体レーザ２の入出力特性のヒステリシスが所望の形状となるように、温度制御回路１３での温度および可変抵抗制御部１４での抵抗値を算出する。

温度制御回路１３は、フィードバック制御回路２からの制御信号に従って、温度制御機構２０の温度を制御する。温度制御機構２０は、温度制御回路１３からの制御信号に基づいて双安定半導体レーザ２の温度を上下させる。

双安定半導体レーザ２を含む半導体レーザは、入出力特性が一般に温度に敏感であるため、温度制御によって入出力特性のヒステリシス形状を制御することができる。このように、非線形半導体光素子駆動装置１Ｂは、小さい温度変化でもヒステリシス形状を変化させることができるので、制御に時間がかからず消費電力も少なくて済む。

可変抵抗制御部１４は、フィードバック制御回路１２からの制御信号に従って、双安定半導体レーザ２の所望の入出力特性が得られるように可変抵抗１５の抵抗値を調整する。可変抵抗１５は、ｐ型電極３５とｎ型電極３８との間に接続されている。双安定半導体レーザ２は、可変抵抗１５の抵抗値の増減によって可飽和吸収領域３３からの電流値が増減し、可飽和吸収領域３３内のキャリア量が変化するので、光吸収効果を制御できる。よって、非線形半導体光素子駆動装置１Ｂは、可変抵抗１５の値によっても双安定半導体レーザ２の入出力特性のヒステリシス形状を制御することができる。

電圧制御回路１８は、フィードバック制御回路１２からの制御信号に従って、電圧供給部１９を制御する。電圧供給部１９は、電圧制御回路１８からの制御信号に基づいて、双安定半導体レーザ２に与えるバイアス値を上下させる。電圧制御回路１８および電圧供給部１９を用いて双安定半導体レーザ２にバイアスをかけることで、双安定半導体データ２の立上がりしきい値および／または立下がりしきい値を上下させられる。これにより、入力光Ｐｉｎの平均光強度が大きく変化した場合にも対応できる。

上記のように、実施の形態２の非線形半導体光素子駆動装置１Ｂは、電流制御に加えて温度制御、可変抵抗値制御および電圧制御によって双安定半導体レーザ２のヒステリシス形状を調整している。こうして、非線形半導体光素子駆動装置１Ｂは、確率共鳴効果を得るために、双安定半導体レーザ２の入出力特性を最適化する。

確率共鳴制御回路１６は、光電変換素子５を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。確率共鳴制御回路１６は、双安定半導体レーザ２の入出力特性を調整するための制御信号を電流供給部１７に出力する。

電流供給部１７は、確率共鳴制御回路１６からの制御信号に従って、雑音を含む電流をｐ型電極３４，３５を介して双安定半導体レーザ２に注入する。この雑音付加電流は、確率共鳴効果によって振幅が増幅されビットエラーレートが低減された出力光Ｐｏｕｔが得られるように雑音が調整された電流である。

よって、実施の形態２の非線形半導体光素子駆動装置１Ｂは、確率共鳴による入力光Ｐｉｎの光増幅および波形整形を行なうのに最適なヒステリシス形状の入出力特性で双安定半導体レーザ２を作動させることが可能となる。双安定半導体レーザ２によって光増幅および波形整形された光信号は、光電変換素子５で検出される。これにより、双安定半導体レーザモジュール１０Ｂは、通常の受信器では検出できないような微弱な信号を検知できる受信器としても機能する。

また、半導体レーザモジュール１０Ｂは、光増幅および波形整形だけでなく波長変換も可能である。一般に、半導体レーザは、動作温度が高くなると発振波長が長くなる。また、発振波長は、注入電流または印加電圧によっても制御可能である。よって、双安定半導体レーザ２の出力波長を温度または電流で変化させ、ヒステリシス形状を抵抗値、電圧または帰還光で調整することによって、非線形半導体光素子駆動装置１Ｂに波長変換機能を持たせることができる。

なお、図７のようなｐ型電極３４，３５およびｎ型電極３８の構成は一例であって、光増幅領域３２と可飽和吸収領域３３とに対して独立に電流を注入できるのであれば、ｐ型電極３４，３５およびｎ型電極３８はどのように分割されていても構わない。また、ｐ型電極３４，３５からの制御および入力光Ｐｉｎに応じて出力光Ｐｏｕｔを出射できるのであれば、出力光Ｐｏｕｔが光増幅領域３２から出射されても構わない。

さらに、可飽和吸収領域３３の体積比が活性層３１全体の５０％以上になると双安定半導体レーザ２の消費電力が増大するので、可飽和吸収領域３３の活性層３１に対する体積比は、できれば５０％以下が望ましい。

上記のように、実施の形態２の非線形半導体光素子駆動装置は、帰還光の注入、温度、電圧および電流の制御、および可飽和吸収領域に対して設けられたｐ型電極に接続された可変抵抗の制御によって、非線形半導体光素子の入出力特性を調整している。これにより、帰還光の注入によって入出力特性のヒステリシスの幅を広げることができるとともに、温度制御回路、電圧制御回路および可変抵抗制御部などからヒステリシス形状を迅速に精度よく制御することによって非線形半導体光素子の動作条件を精密に調整することができる。したがって、確率共鳴効果を得るために最適化された非線形半導体光素子およびこれを用いた受信装置を駆動することができる。

実施の形態２では、光電変換素子５からの受信信号Ｓｒの一部をフィードバック制御回路１２に出力しているので、双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしながら双安定半導体レーザ２の入出力特性を変化させたり安定化させたりすることが可能である。よって、実施の形態２の非線形半導体光素子駆動装置１Ｂは、双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｏｕｔが確率共鳴効果を得られる最適なヒステリシス形状を有するように出力光Ｐｏｕｔを調整できる。

なお、実施の形態２では、確率共鳴効果を得るために双安定半導体レーザ２に雑音電流を注入しているが、雑音電流の代わりに雑音光を注入しても構わない。この場合、双安定半導体レーザ２の入力光強度とヒステリシスのしきい値との関係を制御しやすくなる。

また、フィードバック制御回路１２、温度制御回路１３、確率共鳴制御回路１６、電圧制御回路１８などの制御回路を、半導体レーザモジュール１０Ｂの外側に接続するのではなく内部に集積してモジュールとして一体化してもよい。この場合、利用者が制御回路の調整をせずに済むので非線形半導体光素子駆動装置１Ｂの利用が簡単になる。

また、実施の形態２の非線形半導体光素子駆動装置は、微弱な信号を受信して増幅・波形整形を行なっているが、電流注入によって光信号を発生させる装置として利用しても構わない。この場合、低い注入電流値で、大きな振幅を持つ周期信号を発生させることができる。

また、双安定半導体レーザ２からの出力光Ｐｏｕｔを電気的な受信信号Ｓｒに変換せずにそのまま光信号として半導体レーザモジュール１０Ｂから出力して利用してもよい。この場合、非線形半導体光素子駆動装置１Ｂを、受信装置のみならず、中継器または送受信装置として用いることもでき、全光処理装置としての利用も可能となる。

また、実施の形態２では、半導体レーザモジュール１０Ｂの全体を温度制御機構２０で温度調整しているが、双安定半導体レーザ２のみを温度調整するようにしても構わない。しかし、モジュール全体の温度を制御した方が、一体構成となってコンパクトであり、温度制御も一括して行なえるという利点がある。

また、実施の形態２では、温度、抵抗値、電圧および雑音電流の強度を調整することにより、最適なパラメータの算出がやや複雑にはなるものの、入出力特性のヒステリシスをより最適な形状に精度よく制御できるという利点がある。また、ヒステリシスの立上がりしきい値を上下させて低電流で駆動したり、出力光の振幅を調整したりすることができるという利点もある。

以上のように、実施の形態２によれば、双安定半導体レーザの出力光の一部を反射光として帰還させて双安定半導体レーザに注入し、さらに温度、抵抗値、電圧値などを介して入出力特性のヒステリシスの形状を精度よく制御することにより、確率共鳴効果を利用した光信号の劣化の補償や光増幅および波形整形を行なうために最適な双安定半導体レーザの入出力特性を得ることができる。

（実施の形態２の変形例）
図８は、この発明の実施の形態２の変形例による非線形半導体光素子駆動装置１Ｂａの構成を示した模式図である。

図８を参照して、実施の形態２の変形例の非線形半導体光素子駆動装置１Ｂａは、確率共鳴制御回路１６が電流制御回路２６に置き換えられた点において、図６の非線形半導体光素子駆動装置１Ｂと異なる。したがって、図６と重複する部分の説明は、ここでは繰り返さない。

電流制御回路２６は、図６の確率共鳴制御回路１６と同様に、図７の光電変換素子５を介して出力光Ｐｏｕｔの状態をモニターしている。電流制御回路２６は、図７の双安定半導体レーザ２の入出力特性を調整するための制御信号を電流供給部１７に出力する。

電流供給部１７は、電流制御回路２６からの制御信号に従って、双安定半導体レーザモジュール１０Ｂ内に電流を注入する。この注入電流は、入力光Ｐｉｎが双安定半導体レーザ２の入出力特性の立上がりしきい値Ｐｔｈ１および立下がりしきい値Ｐｔｈ２を上下するように、入出力特性のヒステリシス形状を調整するための電流である。

たとえば図１５を参照して、入力光Ｐｉｎが立上がりしきい値Ｐｔｈ１を上下すると、双安定半導体レーザ２の入出力特性の不連続な変化による出力光強度の急峻な立上がりを反映して、ヒステリシスのオン状態とオフ状態とで光強度の差が大きくなる。この結果、出力光Ｐｏｕｔの振幅が大きくなる。

さらに、入力光Ｐｉｎが立下がりしきい値Ｐｔｈ２より低い値と立上がりしきい値Ｐｔｈ１より高い値との間を上下するように調整すると、出力光強度の急峻な立下がりを反映してオン／オフ状態での光強度の差がより大きくなる。この結果、出力光Ｐｏｕｔの消光比を向上させることができる。

上記により、非線形半導体光素子駆動装置１Ｂａは、光信号の増幅・波形整形を行なうために最適な入出力特性で双安定半導体レーザ２を作動させることができる。実施の形態２の変形例では、確率共鳴効果を用いないので微弱な光信号を検出しにくくなるが、雑音強度の制御が不要となるので制御が簡単になるという利点がある。なお、実施の形態２の変形例は、実施の形態１，３〜４にも適用することができる。

［実施の形態３］
図９は、この発明の実施の形態３による非線形半導体光素子駆動装置１Ｃの概略的な構成を示したブロック図である。

図９を参照して、実施の形態３の非線形半導体光素子駆動装置１Ｃは、半導体レーザモジュール１０Ｂが半導体レーザモジュール１０Ｃに置き換えられた点において、実施の形態２の非線形半導体光素子駆動装置１Ｂと異なる。したがって、実施の形態２と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。半導体レーザモジュール１０Ｃは、入力光Ｐｉｎを受けて内部で処理し、受信信号Ｓｒ、受信電流Ｉｒ１，Ｉｒ２などを出力する。

図１０は、図９の半導体レーザモジュール１０Ｃにおける具体的な配置を示した斜視図である。

図１０を参照して、半導体レーザモジュール１０Ｃは、双安定半導体レーザ２と、ベース４，８，２３，４３と、レンズ４５と、ビームスプリッタ４６と、マイクロミラー４８と、光電変換素子５とを含む。

ベース８の上に、ベース４，２３，４３、レンズ４５、およびビームスプリッタ４６が設置されている。ベース２３の上に、双安定半導体レーザ２が搭載されている。ベース４に対し、光電変換素子５が取り付けられている。ベース４３には、マイクロミラー４８が備え付けられている。

レンズ４５、双安定半導体レーザ２、マイクロミラー４８、および光電変換素子５は、ビームスプリッタ４６を介して、双安定半導体レーザ２の入力光Ｐｉｎおよび出力光Ｐｏｕｔに対して光軸が合うように設置されている。双安定半導体レーザ２の前段にはレンズ４５が設置されており、後段にはビームスプリッタ４６などが配置されている。

次に、半導体レーザモジュール１０Ｃの動作および駆動方法について説明する。
双安定半導体レーザ２は、レンズ４５を介して入力光Ｐｉｎを受け、出力光Ｐｏｕｔを出力する。入力光Ｐｉｎは、「１」または「０」の２値からなり、外部の伝送路等に起因する雑音によって一般に劣化している。入力信号Ｐｉｎの２値信号の方式は、ＲＺ（Return to Zero）符合方式、ＮＲＺ（Non-Return to Zero）符合方式など、どのような方式であってもよい。

ビームスプリッタ４６は、双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｏｕｔの一部をマイクロミラー４８へ分岐し、残りを光電変換素子５に分岐する。マイクロミラー４８は、出力光Ｐｏｕｔの１％が双安定半導体レーザ２へ帰還するように調整されている。

マイクロミラー４８は、ビームスプリッタ４６からの光を反射し、当該反射光は再びビームスプリッタ４６を介して双安定半導体レーザ２に帰還光として注入される。光電変換素子５は、ビームスプリッタ４６からの光を検出し、当該検出光に基づく電気的な受信信号を出力する。

実施の形態３では、ビームスプリッタ４６を用いて、双安定半導体レーザ２による共振構造の外部へと出力光Ｐｏｕｔを分岐させている。したがって、ビームスプリッタ４６での反射角度を調整したりミラーを併用したりすることで、双安定半導体レーザ２の上面、側面または前面からも帰還光を注入でき、光路を調整しやすくなるという利点がある。

また、実施の形態３において、マイクロミラー４８は、出力光Ｐｏｕｔの１％が双安定半導体レーザ２へ帰還するように反射率が調整されている。当該反射率は、たとえば１％以下であってもヒステリシス幅を広げる効果は得られるが、１％以上である方が出力信号を制御するために有効な幅までヒステリシスを広げることができる。

なお、半導体レーザモジュール１０Ｃは、双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｏｕｔを電気的な受信信号Ｓｒに変換せずにそのまま光信号として出力して利用してもよい。この場合、非線形半導体光素子駆動装置１Ｃを、受信装置のみならず、中継器または送受信装置として用いることもでき、全光処理装置としての利用も可能となる。

以上のように、実施の形態３の半導体レーザモジュール１０Ｃは、双安定半導体レーザ２からの出力光Ｐｏｕｔをビームスプリッタ４６で分岐し、その一部をマイクロミラー４８で反射させて双安定半導体レーザ２に帰還光として注入する。これにより、双安定半導体レーザ２の入出力特性のヒステリシス幅を制御することができる。

よって、半導体レーザモジュール１０Ｃは、光の双安定性を利用した機能素子や確率共鳴素子において重要である双安定半導体レーザ２の入出力特性を最適な状態に精度よく調整することができる。ゆえに、光信号の劣化を補償することができ、また光増幅・波形整形・波長変換のような複数の機能を持たせることができる。

［実施の形態４］
図１１は、この発明の実施の形態４による非線形半導体光素子駆動装置１Ｄの概略的な構成を示したブロック図である。

図１１を参照して、実施の形態４の非線形半導体光素子駆動装置１Ｄは、半導体レーザモジュール１０Ｂが半導体レーザモジュール１０Ｄに置き換えられた点において、実施の形態２の非線形半導体光素子駆動装置１Ｂと異なる。したがって、実施の形態２と重複する部分の説明はここでは繰り返さない。半導体レーザモジュール１０Ｄは、入力光Ｐｉｎを受けて内部で処理し、受信信号Ｓｒ、受信電流Ｉｒ１，Ｉｒ２などを出力する。

図１２は、図１１の半導体レーザモジュール１０Ｄの具体的な構成を示した図である。
図１２を参照して、半導体レーザモジュール１０Ｄは、双安定半導体レーザ２Ｄと、光電変換素子５と、ベース５１と、反射膜５３とを含む。光電変換素子５には、たとえばフォトダイオード（ＰＤ）が用いられる。反射膜５３には、たとえばＡｌ（アルミニウム）蒸着膜が用いられるが、出力光Ｐｏｕｔを反射させて双安定半導体レーザ２Ｄに帰還させる働きをもつものであれば、Ａｕ（金）蒸着膜などの他の反射膜、または反射鏡を用いても構わない。ベース５１には、たとえば図１２に示すようなＰＤ蒸着部分付きステムが用いられる。

ベース５１上には、双安定半導体レーザ２Ｄが設けられている。図１３でも説明するように、双安定半導体レーザ２Ｄは、光増幅領域と可飽和吸収領域とを含む活性層を備えており、各々の領域に対して独立した電極が設けられ、さらに電極ごとに端子が接続されている。双安定半導体レーザ２Ｄの入出力特性は、図１５に示されている特性と基本的には同じである。

双安定半導体レーザ２Ｄの出射端面のうち、ベース５１の外側に沿う前方の端面から入力光Ｐｉｎが注入される。ベース５１には、双安定半導体レーザ２Ｄの後段に、後方の出射端面と対向するように壁面が設けられており、壁面には光電変換素子５を設置するためのくぼみが設けられている。反射膜５３は、光電変換素子５の下側に、双安定半導体レーザ２Ｄと対向するように備え付けられている。

次に、半導体レーザモジュール１０Ｄの動作および駆動方法について説明する。
双安定半導体レーザ２Ｄは、前段から入力光Ｐｉｎを受けて、後段から出力光Ｐｏｕｔを出力する。出力光Ｐｏｕｔは、一部が反射膜５３に照射され、他の一部が光電変換素子５に照射される。光電変換素子５は、入力する出力光Ｐｏｕｔを電気的な受信信号Ｓｒに変換する。なお、反射膜５３は、出力光Ｐｏｕｔのたとえば１％が双安定半導体レーザ２Ｄへ帰還するように調整されている。

双安定半導体レーザ２Ｄには、反射膜５３によって帰還する反射光Ｐｒが注入される。これにより、双安定半導体レーザ２Ｄの発振状態が変化し、入出力特性のヒステリシス幅を変化させることができる。実施の形態４でも、実施の形態１〜３と同様に、双安定半導体レーザの出力光の一部を帰還光として注入することで、双安定半導体レーザの入出力特性のヒステリシス幅を制御することができる。

実施の形態４の半導体レーザモジュール１０Ｄは、図１３でも説明するように、双安定半導体レーザ２Ｄの出力光Ｐｏｕｔが縦に広がることを利用して、ビームスプリッタ等の新たな部品を用いずに、反射膜５３と光電変換素子５との両方に対して出力光Ｐｏｕｔを照射している。

一般に、半導体レーザ素子の出射端面において光は活性層の中心部に閉じ込められているが、端面から放射されると、出射口での回折効果により、閉じ込めの幅が狭ければせまいほど出射光は広がっていく。このように、半導体レーザ素子の出射光は、出射口の大きさに応じて広がる性質を持っている。実施の形態４の双安定半導体レーザ２Ｄは、一般的なリッジストライプ構造を有する双安定半導体レーザを用いており、その出射光が広がる様子を図１３で説明する。

図１３は、図１２の双安定半導体レーザ２Ｄの具体的な構造を示した斜視図である。
図１３を参照して、双安定半導体レーザ２Ｄは、ｐ型電極６１，６２と、絶縁層６３と、クラッド層６４と、クラッド層およびｎ型電極からなるｎ型領域６７と、光増幅領域と可飽和吸収領域とを有する活性層６５とを含む。図１３には、双安定半導体レーザ２Ｄの端面付近における出力光Ｐｏｕｔのスポット形状Ｐｎｅａｒと、放射された出力光Ｐｏｕｔのスポット形状Ｐｆａｒとが示されている。

一般に、半導体レーザ素子の活性層中では、発光効率を向上させるためおよび横モードを整形するために、光は共振器の断面方向の中央に閉じ込められながら共振器方向ＲＤに導波される。

双安定半導体レーザ２Ｄでは、クラッド層６４に作りつけられたリッジの幅Ｗ１に従ってｐ型電極６１，６２からの電流が活性層６５に注入される。したがって、活性層６５では、クラッド層６４のリッジの下にある部分に選択的にキャリアが注入されて光を生じる活性領域になるとともに、リッジの形状を反映した屈折率差による光閉じ込めが起こる。すなわち、活性層６５中での横方向の光閉じ込めは、リッジの幅Ｗ１に依存する。一方、活性層６５中の高さ方向の光閉じ込めは、活性層６５の厚さＷ２に依存する。

上記のように、双安定半導体レーザ２Ｄの出射端面における出力光Ｐｏｕｔのスポット形状Ｐｎｅａｒの大きさは、リッジの幅Ｗ１と活性層の厚さＷ２とで決められる。双安定半導体レーザ２Ｄを光受信装置として用いる場合、入力信号光を注入するために活性領域の形状がＷ１＞Ｗ２となるようにリッジ幅を広く作製する必要がある。このため、ニアフィールドパターン（近視野像）は横長の形状となる。この結果、ファーフィールドパターン（遠視野像）は、リッジ幅Ｗ１を狭くして光注入を行なわない場合よりも縦方向に広がる。

さらに、双安定半導体レーザ２Ｄのように双安定性を有する場合、リッジ幅を広げると発振しきい値が高くなる。これにより、入出力特性のヒステリシスの立上がりしきい値Ｐｔｈ１が高くなる一方、電流注入面積が広くなることで立下がりしきい値Ｐｔｈ２は低くなる。ゆえに、双安定半導体レーザ２Ｄは、リッジ幅を広げることで、入出力特性のヒステリシス幅が広がる効果を有する。

一般に、光通信向けの双安定半導体レーザでは、通常の半導体レーザよりもニアフィールドパターンが横長の形状となり、出射光が縦方向に広がることになる。実施の形態４の半導体レーザモジュール１０Ｄにおいても、双安定半導体レーザ２Ｄの出力光Ｐｏｕｔを縦方向に広げることで、図１２の反射膜５３と光電変換素子５とを縦に並べて配置することが容易になり、装置の作製条件も広くなって歩留まりも高くできる。

双安定半導体レーザ２Ｄは、たとえばＩｎＧａＡｓＰ（インジウムガリウム砒素リン）系化合物半導体で作製される。しかし、これは一例であって、たとえば、ＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウム砒素）系、ＩｎＰ（インジウムリン）系、ＧａＩｎＮＡｓ（ガリウム窒化インジウム砒素）系、ＧａＮ（窒化ガリウム）系、またはＩＩ−ＶＩ系の半導体など、他の材料を用いた半導体レーザであってもよい。

実施の形態４において、反射膜５３は、双安定半導体レーザ２Ｄの後段からの出力光Ｐｏｕｔの１％が反射光Ｐｒとして双安定半導体レーザ２Ｄに帰還するように反射率が調整されている。出力光Ｐｏｕｔの１％以下でもヒステリシス幅を広げる効果は得られるが、１％以上である方が出力光Ｐｏｕｔを制御するために有効な幅までヒステリシスを広げることができる。

また、半導体レーザモジュール１０Ｄにおいて、双安定半導体レーザ２Ｄを設置するためにサブマウントを用いても良い。この場合、サブマウントを設ける分だけ半導体レーザモジュール１０Ｄの作製手順が増えるが、双安定半導体レーザ２Ｄと光電変換素子５および反射膜５３との高さ方向の位置合わせが容易になる。

以上のように、実施の形態４によれば、双安定半導体レーザの出力光を縦方向に広げて一部を光電変換素子に入射させるとともに他の一部を反射膜を介して双安定半導体レーザに帰還することで、双安定半導体レーザの入出力特性のヒステリシス幅を制御することができる。これにより、非線形半導体光素子駆動装置の入出力特性を最適な状態に精度良く調整することができる。

よって、半導体レーザモジュール１０Ｄは、双安定半導体レーザ２Ｄの入出力特性を最適な状態に精度よく調整することができる。ゆえに、光信号Ｐｉｎの劣化を補償することができるとともに、光増幅・波形整形・波長変換のような複数の機能を持たせることができる。なお、これまで説明してきた実施の形態１〜４（変形例も含む）は、適宜組み合わせて実施することも可能である。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１による非線形半導体光素子駆動装置１Ａの概略的な構成を示したブロック図である。 図１の半導体レーザモジュール１０Ａの具体的な構成を示した模式図である。 双安定半導体レーザ２の出力光Ｐｏｕｔに対する反射光Ｐｒの比率が変化したときの入出力特性の変化を示した図である。 この発明の実施の形態１の変形例による半導体レーザモジュール１０Ａａの構成を示した模式図である。 非線形半導体光素子２ａの入力光Ｐｉｎと出力光Ｐｏｕｔとの入出力特性の一例を示した図である。 この発明の実施の形態２による非線形半導体光素子駆動装置１Ｂの概略的な構成を示したブロック図である。 この発明の実施の形態２による非線形半導体光素子駆動装置１Ｂのより具体的な構成を示した図である。 この発明の実施の形態２の変形例による非線形半導体光素子駆動装置１Ｂａの構成を示した模式図である。 この発明の実施の形態３による非線形半導体光素子駆動装置１Ｃの概略的な構成を示したブロック図である。 図９の半導体レーザモジュール１０Ｃにおける具体的な配置を示した斜視図である。 この発明の実施の形態４による非線形半導体光素子駆動装置１Ｄの概略的な構成を示したブロック図である。 図１１の半導体レーザモジュール１０Ｄの具体的な構成を示した図である。 図１２の双安定半導体レーザ２Ｄの具体的な構造を示した斜視図である。 一般的な双安定半導体レーザ１１２の構造を示した断面図である。 双安定半導体レーザ１１２の入力光ＰＩＮと出力光ＰＯＵＴとの入出力特性曲線を示した図である。 可飽和吸収領域を備えていない通常の半導体レーザの入力光Ｐ０と出力光Ｐ１との入出力特性を示した図である。 従来の半導体レーザ装置１３０の概略的な構成を示した断面図である。

符号の説明

１Ａ〜１Ｄ，１Ｂａ 非線形半導体光素子駆動装置、２，２Ｄ 双安定半導体レーザ、２ａ 非線形半導体光素子、３ 半透過鏡、４，８，２３，４３，５１ ベース、５ 光電変換素子、７ 制御装置、１０Ａ〜１０Ｄ，１０Ａａ 半導体レーザモジュール、１２ フィードバック制御回路、１３ 温度制御回路、１４ 可変抵抗制御部、１５ 可変抵抗、１６ 確率共鳴制御回路、１７ 電流供給部、１８ 電圧制御回路、１９ 電圧供給部、２０ 温度制御機構、２６ 電流制御回路、３１，６５，１２０ 活性層、３２，１２１ 光増幅領域、３３，１２２ 可飽和吸収領域、３４，３５，６１，６２，１２３，１２４ ｐ型電極、３６，３７，６４，１２５，１２６ クラッド層、３８，１２７ ｎ型電極、４５ レンズ、４６ ビームスプリッタ、４８ マイクロミラー、５３ 反射膜、６３ 絶縁層、６７ ｎ型領域、１１２ 双安定半導体レーザ、１３０ 半導体レーザ装置、１３１ 半導体レーザ素子、１３２ マウント、１３４ 反射鏡。

Claims (20)

1. 入力光を受けて出力光を出射する非線形半導体光素子と、
   前記出力光の一部を前記非線形半導体光素子に帰還させる光学素子とを備え、
   前記非線形半導体光素子は、前記光学素子からの帰還光に応じて入出力特性が制御される、非線形半導体モジュール。
2. 前記非線形半導体光素子は、前記入力光に対して前記出力光が不連続に変化する、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
3. 前記非線形半導体光素子は、前記入力光と前記出力光との関係がヒステリシスを有する、請求項２に記載の非線形半導体モジュール。
4. 前記非線形半導体光素子は、双安定半導体レーザである、請求項１〜３のいずれかに記載の非線形半導体モジュール。
5. 前記双安定半導体レーザは、
   光増幅領域と可飽和吸領域とを含む活性層と、
   前記活性層に電流を注入するための第１の極性の電極と、
   前記第１の極性の電極に対応して設けられる第２の極性の電極とを含み、
   前記第１および前記第２の極性の電極の少なくとも一方は、前記光増幅領域と前記可飽和吸収領域とに対して独立に電流を注入できるように分割されている、請求項４に記載の非線形半導体モジュール。
6. 前記非線形半導体光素子に帰還する前記反射光は、前記出力光の１％以上である、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
7. 前記光学素子は、前記出力光の一部を透過させ、前記出力光の他の一部を前記非線形半導体光素子に帰還するように反射させる半透過鏡を含み、
   前記半透過鏡の透過光を検出し、前記透過光を電気的な受信信号に変換する光電変換素子をさらに備える、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
8. 前記光学素子は、
   前記出力光の一部を透過させ他の一部を反射させるビームスプリッタと、
   前記ビームスプリッタによって反射された前記出力光を、前記ビームスプリッタを介して前記非線形半導体光素子に帰還するように反射させるマイクロミラーとを含み、
   前記ビームスプリッタの透過光を検出し、前記透過光を電気的な受信信号に変換する光電変換素子をさらに備える、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
9. 前記光学素子は、前記出力光の一部を前記非線形半導体光素子に帰還するように反射させる反射膜を含み、
   前記出力光の他の一部を検出して電気的な受信信号に変換する光電変換素子をさらに備える、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
10. 前記反射膜および前記光電変換素子は、ともに前記非線形半導体光素子の端面に対向するように設けられ、
    前記非線形半導体光素子は、前記出力光が前記反射膜および前記光電変換素子の両方に入射するような出射口の構造を有する、請求項９に記載の非線形半導体モジュール。
11. 前記非線形半導体光素子は、注入される電流値に応じて入出力特性が制御される、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
12. 前記非線形半導体光素子は、印加される電圧値に応じて入出力特性が制御される、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
13. 前記非線形半導体光素子に接続される可変抵抗をさらに備え、
    前記非線形半導体光素子は、前記可変抵抗を介して電圧が印加され、前記可変抵抗の抵抗値に応じて入出力特性が制御される、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
14. 前記非線形半導体光素子は、前記非線形半導体光素子の温度に応じて入出力特性が制御される、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
15. 前記非線形半導体光素子は、確率共鳴効果によって入出力特性が制御される、請求項１に記載の非線形半導体モジュール。
16. 入力光を受けて内部で処理して受信信号を出力する請求項１〜１５のいずれかに記載の非線形半導体モジュールと、
    前記非線形半導体モジュールに電流を供給する電流供給部と、
    前記電流供給部の出力電流を制御するための制御信号を出力する制御装置とを備える、非線形半導体光素子駆動装置。
17. 前記制御装置は、前記非線形半導体光素子が確率共鳴効果を有するように前記電流供給部の出力電流を制御する確率共鳴制御回路を含み、
    前記電流供給部は、前記非線形半導体光素子に確率共鳴効果をもたせるための雑音付加電流を前記非線形半導体光素子に供給する、請求項１６に記載の非線形半導体光素子駆動装置。
18. 可変抵抗を介してまたは直接に前記非線形半導体光素子に電圧を与える電圧供給部と、
    前記電圧供給部の出力電圧を制御するための制御信号を出力する電圧制御回路と、
    前記非線形半導体光素子からの出力信号を受けて前記電圧制御回路を制御するフィードバック制御回路とをさらに備える、請求項１６に記載の非線形半導体光素子駆動装置。
19. 前記非線形半導体光素子に接続される可変抵抗と、
    前記可変抵抗の抵抗値を制御するための制御信号を出力する可変抵抗制御部と、
    前記非線形半導体光素子からの出力信号を受けて前記可変抵抗制御部を制御するフィードバック制御回路とをさらに備える、請求項１６に記載の非線形半導体光素子駆動装置。
20. 前記非線形半導体光素子の温度を制御する温度制御機構と、
    前記温度制御機構に温度情報を出力する温度制御回路と、
    前記非線形半導体光素子からの出力信号を受けて前記可変抵抗制御部を制御するフィードバック制御回路とをさらに備える、請求項１６に記載の非線形半導体光素子駆動装置。

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