JP2007525012A - 低ジッタのパルス型量子ドットレーザシステム - Google Patents

低ジッタのパルス型量子ドットレーザシステム Download PDF

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Abstract

クロック又はサンプリング信号を発生する回路は、量子ドットの領域を含む半導体量子ドットレーザ素子であって、量子ドットの領域が、少なくとも約１０ｍｅＶの半幅を有する放出分布で特徴付けられるような量子ドットレーザ素子と、周期的な、均一離間された一連のパルスを出力するモードロックレーザとして量子ドットレーザ素子を動作するために量子ドットレーザ素子に接続された駆動回路であって、クロック又はサンプリング信号が上記一連のパルスから導出されるような駆動回路と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

[0001]本発明は、量子ドットレーザ及びその応用に関する。
発明の背景
[0002]量子ドットは、電子及びホールを三次元的に閉じ込めてエネルギー量子化を生じさせる三次元半導体構造である。量子ドットは、量子の機械的作用がそれらの振舞いを制御する役割を果たすほど小さなものである。「ドット」は、近づいてみると、実際には、よりピラミッドの形状に見え、約２００Å程度の基部寸法と、約８０Åの高さ寸法を有する。
[0003]何年か前に、科学的社会は、活性層に量子ドットを使用することにより新規形式の半導体レーザを形成できることを実現した。これらの新規レーザは、量子ドットレーザと称されるもので、多大な利益を約束するものであった。例えば、量子ドットレーザは、ほとんど温度に依存しない性能、低いスレッシュホールド電流、及び既存の半導体レーザより効率的な動作を示すことが期待された。
[0004]量子ドットレーザは、他の半導体レーザのように作用する。半導体レーザと同様に、量子ドットレーザの目標は、材料を高エネルギー状態へと励起し、次いで、それを低エネルギー状態へと戻すよう誘導して、エネルギーを正味解放させ、光子として出現させることである。
[0005]量子ドットレーザを製造する１つの技術は、ストランスキー−クラスタノフプロセスとして知られた自己アッセンブル方法による分子ビームエピタキシー（ＭＢＥ）成長の間に量子ドットの層を形成することを含む。最初の層は、基板材料に格子整合して（又はコヒレントに歪んで）成長される。活性領域の堆積に続いて、量子ドット層が堆積され、量子ドット（例えば、ＩｎＡｓ）が形成される。レーザ構造を完成するには、基板に格子整合した更に別の材料層を堆積することが含まれる。量子ドット層以外の、先行及び後続材料層は、実際上、既存の半導体構造と全く異ならない。しかしながら、半導体レーザ性能の新たなレベルを約束するのは量子ドットの薄い層である。
[0006]量子ドットレーザの研究者団体の中のある人々にとって、量子ドットレーザに予想される利益を得るには、高密度及び高均一性の量子ドットを確立できることが重要であるという見解であった。従って、研究者団体の一部分は、量子ドット層の均一性の改善に努力を払った。
発明の概要
[0007]一般に、１つの態様において、本発明は、低ジッタとなるような低位相ノイズのパルスレーザ又はレーザシステムを特徴とする。このレーザは、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓに成長されたＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓで作られた量子ドットの領域（例えば、利得区分）を備えている。この領域内の量子ドットは、この領域全体にわたりランダムに配列されるサイズ、形状、組成物及び／又は環境の連続的分布を生じるように成長される。量子ドットのこのランダムで且つ比較的広い分布は、空洞共振との自動的な整合を達成する。これは、位相又は波長制御及び増幅のためにレーザ内に付加的な手段を取り入れ及び／又は付加的な区分を任意に含ませることと組み合せて、非常に低いジッタを生じさせる。量子ドット（ＱＤ）レーザダイオードのこの特定のカテゴリーは、位相ノイズ減少ループを必要とせずに、減少された即ち低いジッタを発生できるという効果を有する。従って、この場合に、レーザ又はレーザシステムは、低ジッタが重要な要件である光学的クロック又はサンプリング信号の発生に特に適用するのに適している。
[0008]広いサイズ分布を有する量子ドットを含むパルスレーザダイオードは、非常に正確な光学的クロック信号、即ち短いパルス、高い繰り返し（クロック）率、及び低いジッタ（パルス間の時間間隔及び振幅の変化）を特徴とする光学的クロック信号を発生できるようにする。
[0009]ここに述べる形式のＱＤレーザダイオードの幾つかは、バルクシリコンの透過範囲の波長（即ち、１１００ｎｍより長い）で動作するようにＧａＡｓ（砒化ガリウム）基板に成長される。これに比して、この波長範囲内で放出するように設計された従来の（例えば、バルク及び量子井戸）レーザダイオードは、ＩｎＰ（燐化インジウム）基板に格子整合されたＩｎＧａＡｓＰ（燐化インジウム砒化ガリウム）又は他の４基の合金を必要とする。ＧａＡｓをベースとする成長及び製造プロセスは、ＩｎＰをベースとする成長及び製造プロセスより非常に多く開発され、生産収率が高く且つコストが安いので、これは、著しい効果をもたらす。
[0010]更に、ＩｎＰをベースとするレーザに比して、ここに述べる形式のＱＤレーザダイオードは、周囲温度への依存性を低くし、従って、レーザダイオードシステムに使用される慣習的な温度制御を簡単化又は排除できるようにする。それらは、光学的なフィードバック反射にあまり敏感でないようにされ、従って、レーザダイオードシステムに使用される慣習的な光学的分離を簡単化又は排除できるようにする。特に新規であるのは、低い温度敏感さ、低いフィードバック不安定さ、低いジッタ、シリコン透過波長範囲、及び砒化ガリウム技術に基づく低コスト大量生産の重要性が与えられたときに、単一又は結合量子ドットレーザを光学的クロック又はデータサンプリングに適用することである。
[0011]ここに述べる概念は、光学的クロック発生及びサンプリングに特に適用して説明され、更に、低ジッタのために位相又は波長を制御し且つ増幅する付加的な手段又は区分を組み込んでもよい。レーザシステムとして、２つ以上の結合レーザ及び増幅器を含んでもよい。
[0012]一般的に、１つの態様において、本発明は、クロック又はサンプリング信号を発生する回路を特徴とする。この回路は、量子ドットの領域を含む半導体量子ドットレーザ素子であって、量子ドットの領域が、少なくとも約１０ｍｅＶの半幅を有する放出分布で特徴付けられるような量子ドットレーザ素子と、周期的な均一離間された一連のパルスを出力するモードロックレーザとして上記量子ドットレーザ素子を動作するために上記量子ドットレーザ素子に接続された駆動回路であって、その一連のパルスからクロック又はサンプリング信号が導出されるような駆動回路とを備えている。
[0013]この実施形態は、次の特徴の１つ以上を含む。上記回路は、クロック動作又はサンプリングの目的でクロック又はサンプリング信号が供給される他の回路も備えている。放出分布の半幅は、３０ｍｅＶ又は５０ｍｅＶより大きい。量子ドットレーザは、利得区分を備え、また、量子ドットの領域は、利得区分の一部分である。量子ドットレーザは、利得区分と、吸収器区分又は光学的導波器区分のいずれかである第２区分とを備え、量子ドットの領域は第２区分にある。また、量子ドットレーザは、利得区分と、吸収器区分と、光学的導波器区分とを備え、量子ドットの領域は、利得、吸収器又は導波器区分の１つにある。光学的導波器区分は、光学的導波器同調区分である。量子ドットレーザは、ある波長を選択又は拒絶するための格子を含む。また、量子ドットレーザは、空洞同調のための位相同調区分を備えている。量子ドットレーザは、周波数シフトのための位相変調器区分を備えている。駆動回路は、量子ドットレーザ素子を能動的モードロックレーザとして動作するように構成される。或いは又、駆動回路は、量子ドットレーザ素子を受動的モードロックレーザとして動作するように構成される。
[0014]一般的に、別の態様において、本発明は、量子ドットの領域を含む半導体量子ドットレーザ素子であって、量子ドットの領域が、少なくとも約１０ｍｅＶの半幅を有する放出分布で特徴付けられるような量子ドットレーザ素子と、約１ピコ秒未満のジッタで特徴付けられる周期的な均一離間された一連のパルスを出力するモードロックレーザとして上記量子ドットレーザ素子を動作するために上記量子ドットレーザ素子に接続された駆動回路とを備えた回路を特徴とする。
[0015]一般的に、更に別の態様において、本発明は、量子ドットの領域を含む半導体量子ドットレーザ素子であって、量子ドットの領域が、少なくとも約１０ｍｅＶの半幅を有する放出分布で特徴付けられるような量子ドットレーザ素子と、この量子ドットレーザ素子を利得切り換えレーザとして動作するためにこの量子ドットレーザ素子に接続された駆動回路とを備えた回路を特徴とする。
[0016]本発明の１つ以上の実施形態は、添付図面を参照して以下に詳細に説明する。本発明の他の特徴、目的及び効果は、以下の説明及び添付図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなろう。
詳細な説明
[0023]図１を参照すれば、１つの実施形態は、異なるサイズ、形状、組成及び／又は環境の量子ドットの広いランダム統計学的分布を有する少なくとも１つの領域をその構造に組み込んだレーザダイオード１０である。以下に詳細に述べるように、量子ドットのこの広い分布は、レーザダイオードの構造において、放出波長の対応的に広い分布を発生し、これは、次いで、レーザダイオード内の空洞モードへの整合を著しく容易にする。
[0024]レーザダイオード１０は、デバイスの両側に置かれた２つの部分反射面又はミラー１４ａ及び１４ｂにより形成された空洞内に利得素子即ち利得区分１２を形成する光学的増幅媒体を備えている。ミラー１４ａ及び１４ｂは、空気に接触して約３０％の反射率を生じさせる表面を形成するように、デバイスの両端を劈開することにより形成できる。ミラー１４ａ及び１４ｂは、増幅された光の一部分を、利得区分を経て反射して戻すところの光学的フィードバックを与える。また、レーザダイオード１０は、利得領域より吸収性となるように通常バイアスされる吸収器区分１６も備えている。吸収器区分１６は、飽和性の領域で、これは、光を吸収すると、吸収係数が低下することを意味する。
[0025]量子ドット材料の製造を除いて、利得区分１２及び吸収器区分１６は、両方とも、量子ドットレーザダイオードを製造するために当業者により現在使用されているのと同様の方法で製造することができる。（例えば、「背景」で取り上げた文献を参照されたい。）例えば、層の組成、層厚み、及び層の枚数は、量子ドットレーザを製造するために他の者が使用しているものと同様でよい。一般的に、利得区分１２は、通常、互いに逆の導電率形式（例えば、一方がＮ型で、他方がＰ型）である上部クラッド層２６と下部クラッド層２８との間にサンドイッチされた利得媒体２４を含む。吸収器区分１６の構造も同様であり、吸収材料３０が上部クラッド層２６と下部クラッド層２８との間にサンドイッチされる。利得区分１２及び吸収器区分１６の両方において、上部クラッド層２６と下部クラッド層２８との間の領域は、導波チャンネルを形成し、このチャンネル内に光を閉じ込める傾向となる。
[0026]ポンプソース１８は、エネルギー（例えば、注入電流）を利得区分１２に供給し、光学利得を発生するに充分な数の励起された種子（例えば、電子又はホール）を発生する。また、バイアスソース２０が適当なバイアス（例えば、電圧）を吸収器区分１６に供給する。光学利得が、散乱、吸収及び放出による光の減衰からのロスを含む全光学的ロスを越えると、レーザが自己充分に発振するためのレーザ作用スレッシュホールドに達する。
[0027]一般的に、レーザダイオード内では、動作中に、デバイスの利得スペクトル及び空洞フィードバック状態の両方に一致した自己一貫性電磁界パターン及びその関連周波数がある。これらは、優勢な光伝播の方向における種々の電磁界パターン変化である縦方向モードと、優勢な光伝播の方向に垂直な種々の電磁界パターン変化である横方向モードとに特定の条件が適用された状態でレーザ発振モードを定義する。一般的に、レーザモードは、空洞における光の往復時間の逆数の整数倍に等しい周波数において発生する。本質的に、空洞内の全てのモードが揃うと、強度が、吸収器を通して「燃焼」して、デバイスからレーザビームを発生するに充分な大きさになる。
[0028]ここに述べる実施形態では、利得区分だけが量子ドットをその利得媒体に組み込んでいるが、それらは、他の区分又は複数の区分に置くことができる。
量子ドットの分布
[0029]上記説明で取り上げた量子ドットは、当業者に良く知られたように、電子及びホールをエネルギー量子化に適した寸法に閉じ込めるための三次元構造である。量子ドットに関連したバンドギャップ又は遷移エネルギーは、それらのサイズ、形状、組成、及びそれらが形成される環境を含む多数のファクタに依存する。
[0030]量子ドットは、密接離間された量子ドットの放出波長の広い分布を発生するように製造される。これは、量子ドットを、それらが特性（例えば、サイズ、形状、組成及び／又は環境のある組み合せ）の統計学的にランダムな分布をもつように成長させることにより達成される。このような分布は、放出エネルギーも、あるエネルギー範囲にわたって分布させる。それにより生じるエネルギー分布は、中心波長を中心とするもので、その波長の各側で次第に減少し、また、分布を作り上げる個々の放出線は、その範囲にわたって連続的に分布される。しかしながら、この分布を何と考えるかは正確に分からず、図６に示すように、ピーク波長に対して非対称的であるが、ガウス状に見える。（図６は、約１３８０ｎｍにピーク放出を有する量子ドット領域に対する代表的な放出スペクトルを示している。）
[0031]量子ドットの母集団に対して得られる遷移エネルギーの分布は、ドットからの光学的放出強度がピーク放出の半分に減少した２つの（高及び低）エネルギーポイント間で測定される特性幅を有する。約１０ｍｅＶより広く、おそらくは、１０ｍｅＶの数倍（例えば、３０又は５０ｍｅＶ或いはそれ以上）であるエネルギー分布を発生するのが望ましい。全ての希望周波数、例えば、空洞モード周波数を発生するに充分な数の異なるサイズの量子ドットを発生しながら、レーザ発振のための希望の周波数又は波長で放出する充分な数のドットを低いスレッシュホールド及び高い効率で発生させるように、成長技術を制御することが望まれる。
[0032]量子ドットは、最も一般的には、特性有効バンドギャップエネルギー半幅が〜３０から５０ｍｅＶの状態で量子ドットサイズ及び形状の広い分布を自然に発生できる自己編成型のストランスキー−クラスタノフ（Ｓ−Ｋ）技術により成長される。このＳ−Ｋ技術は、科学文献に充分に説明されており、更なる情報についてはこれを参照されたい。Ｓ−Ｋ技術に関して公的に入手できる情報の代表である２つの論文は、次のものを含む。
１．ショージＨ、ナカタＹ、ムカイＫ、スギヤマＹ、スガワラＭ、ヨコヤマＮ、イシカワＨの「Lasing characteristics of self-formed quantum-dot lasers withmultistacked dot layer」、IEEE J Selected Topics in Quantum Electronics、第３巻、第１８８−１９５ページ（１９９７年）、
２．レイスマイヤＪ．Ｐ、フォーチェルＡの「Single-modedistributed feedback and microlasers based on quantum-dot gain material」、IEEE JSelected Topics in Quantum Electronics、第８巻、第１０３５−４４ページ（２００２年）。
[0033]また、自己編成量子ドットの熱力学、成長運動学及び特性についての文献には多数の詳細な参照論文がある。量子ドットの第１の首尾良いＳ−Ｋ成長を論じたこのような参照論文の３つの例は、次の通りである。
１．Ｄ．レオナード、Ｍ．クリシュナムティ、ＣＭリーブズ、Ｓ．Ｐ．デンバール、Ｐ．Ｍ．ペトロフのＡｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．第６３巻、第３２０２ページ（１９９３年）、
２．Ｊ．Ｍ．モイゾン、Ｆ．ハウゼイ、Ｆ．バース、Ｌ．レプリンス、Ｅ．アンドレ、Ｏ．バテルのｉｂｉｄ、第６４巻、第１９６ページ（１９９４年）、及び
３．Ａ．マドフカー、Ｑ．ゼクシー、Ｐ．チェン、Ａ．コンカーのｉｂｉｄ、第６４巻、第２７２７ページ（１９９４年）。
[0034]ある状態では、バンドギャップエネルギー半幅が〜１０ｍｅＶ又はそれ以下の状態で狭いサイズ又は形状の分布を発生するのが効果的であるが、ここに述べる実施形態では、エネルギーバンドギャップの広がりで数十ｍｅＶ、通常、５０ｍｅＶ、に対応する広いサイズの分布が効果的である。これは、高分散性のレーザ空洞を伴うことや、厳密な空洞共振が動作パラメータやエージングと共に変化し且つ製造材料及びプロセスの変動により変化する傾向があるためである。量子ドットサイズの広い分布は、空洞に対する量子ドット放出のスペクトル整合を保証し、利得又は吸収線は、放出波長及び製造変動の関数として低い屈折率変動を有し、これは、ほとんどのレーザ又は結合レーザシステムに対して頑丈で再現性のある低スレッシュホールド低ジッタ解決策を保証する。
受動的モードロック
[0035]図１のバイアス及び制御回路は、レーザダイオード１０を、それがモードロックレーザとして動作するようにバイアスする。一般的に知られているように、モードロックレーザとは、多数のモード（通常、縦方向モード）が位相ロックされ、即ち互いに固定の位相関係をもつよう束縛されたレーザである。このようなロックの結果、レーザ光出力は、充分定義された時間間隔で分離された一連の迅速なパルスとなる。これらのパルスは、レーザ空洞を何回も通過して確立される。
[0036]ロックモードは、一般に、それらの間でのエネルギーの結合を必要とする。これは、少なくとも２つの別々の方法、即ち能動的モードロック又は受動的モードロックにより行うことができる。能動的モードロックでは、システム利得又はロスが１つ以上のモード間隔に釣り合った周波数で変調され、その結果、各モードは、他のモードと重畳するサイドモードを発生する。受動的モードロックでは、このようなサイドバンドは、例えば、飽和性吸収器又は他の非直線的光学媒体において異なるモード間の和及び差の周波数発生のような非直線的相互作用により発生される。能動的及び受動的モードロックの組み合せ、即ち利得又はロス変調及び非直線的モード結合の組み合せを使用するレーザは、ハイブリッドモードロックを受けると言える。
[0037]図１に示す実施形態は、受動的モードロック形態で動作される。従って、固定の順方向バイアスがポンプソース１８により利得区分１２に印加され、また、逆方向バイアスがバイアスソース２０により吸収器区分１６に印加される。利得及び吸収器区分の両方が定常値にバイアスされると（利得は順方向電流で、吸収器は逆方向電圧で）、レーザは、受動的にモードロックされて、レーザ設計及び動作パラメータのある選択に対して必要な特性をもつパルスを放出する。
[0038]量子ドット放出波長の分布が広いので、特に、量子ドット幅、形状又は遷移エネルギーのランダムな統計学的分布において、利得又はロススペクトルピークをレーザ空洞モードに整合することが著しく簡単になる。これは、モードロック（又は以下に述べる利得切り換え）が容易に達成され、希望の動作ポイントが動作パラメータに対して健全であり、且つ高い生産収率で大量の製造が可能になるはずであることを意味する。対照的に、ナンブ氏の米国特許第６，０３１，８５９号に開示されたような、量子ドット利得媒体に狭いサイズ分布を使用する構成は、サイズと空洞分散との間に入念な整合を必要とし、それ故、モードロックに対して入念な同調を必要とし、これらは、全て、大量製造中の生産収率を著しく低下させる結果となる。
[0039]パラメータ（例えば、利得、吸収、変調、位相同調）の値のある範囲では、レーザは、低ジッタの極短パルスの列を放出する。一般に、これらのパラメータは、効果的に対称的な利得線形状から生じる線幅改善ファクタの低い値に対応してもよい。低ジッタ性能は、レーザ駆動電流、組成及び形状、量子ドットのバリア材料、並びに利得ピーク波長からの空洞モードの離調、の調整を組み合せることで達成できる。別の潜在的に有用なパラメータは、空洞分散であり、これは、モードロック状態において吸収及び利得の差動飽和を生じさせて、実際に、利得の飽和の開始より低い強度及び早い時間に吸収を飽和又は漂白させるように、調整することができる。空洞利得、ロス及び分散の調整は、レーザ性能を最適化するためのパルスレーザ設計の当業者に知られた技術である。
[0040]モードロック動作の確立は、最初に吸収器区分１６に逆方向バイアスを印加することにより達成されてもよい。バイアスの厳密な初期値は、利得区分１２に比して吸収器区分１６の長さ及びその垂直方向厚みに依存するが、通常は、１−１０Ｖの範囲である。次いで、利得区分１２が、レーザスレッシュホールドを越えて希望の平均光学電力が得られるまで、順方向バイアスされる。これに続いて、高速サンプリングオシロスコープ又は電子スペクトル分析器に結合されたホトダイオードのような高速光学信号検出器を使用して見たときに強度の脈動を生じるように吸収器バイアスが調整される。次いで、利得電流及び吸収器バイアスの更なる微調整を行って、希望範囲のパルス幅を得ることができる。
[0041]ジッタは、３０ｋＨｚ−１０ＭＨｚのような特に定義された範囲にわたるオフセット周波数において残留位相ノイズスペクトルを記録し積分することにより測定される。測定されたジッタを希望値、例えば、〜１ｐｓ又はそれ以下に減少するためには、利得電流及び吸収器バイアスの更なる調整が必要になることがある。レーザダイオードが、位相同調区分のような他の区分を含む場合には、該他の区分に印加される電流又は電圧を変化させて、希望の性能を得るようにパルス幅及び／又はタイミングジッタを調整することもできる。
[0042]このようなレーザの典型的な性能の指示として、５−１０ＧＨｚの繰り返し周波数において時間−帯域幅の積が〜１の状態で〜１０ｐｓのパルス幅と、０．３−０．４ピコ秒程度に低いタイミングジッタとを達成できると共に、受動的モードロックによりサブピコ秒の性能を日常達成することができる。このようなパルス幅は、強度自己相関又は他の良く知られた手段を使用して測定できる。タイミングジッタは、通常３０ｋＨｚ−１０ＭＨｚのオフセット周波数範囲にわたり残留位相ノイズスペクトルを積分することにより測定される。
クロック発生回路
[0043]図２は、ここに述べるようなＱＤレーザ５０を使用して、他の回路５４のための光学的クロック信号５２を発生するシステムをブロック図形態で示す。このシステムは、クロック発生モジュール５６を備え、該モジュール内にはＱＤレーザ５０が光学的信号５６のソースとして含まれ、そこから、光学的クロック信号５２が導出される。また、ＱＤレーザ５０を希望のモードで且つ例えば低ジッタ等の希望の信号特性で動作させるための適当な制御及び駆動回路５８もある。この実施形態では、ＱＤレーザ５０は、能動的なモードロックモードで動作され、従って、制御及び駆動回路５８は、適当なバイアス信号を吸収器区分に供給すると共に、変調された駆動信号を利得区分に供給する。モードロックされたＱＤダイオードレーザからの周期的な信号をクロック信号として使用するためには、パルス間の時間間隔の変化が数パーセント未満でなければならない。即ち、クロック繰り返し率は、数パーセント以内で一定であることが必要で、即ち低ジッタであることを必要とする。
[0044]他の回路５４は、光学クロック信号を必要とする任意のシステムを表している。クロック発生回路５６の特に有用な用途は、参考としてここに援用する２００２年１０月２５日に出願された「OpticalReady Substrates」と題する米国特許出願第１０／２８０，５０５号、及び２００２年１０月２５日に出願された「Optical ReadyWafers」と題する米国特許出願第１０／２８０，４９２号に説明されたような光学的準備基板に製造される回路に関連したものであると考えられる。一般に、光学的準備基板とは、他の従来の半導体基板と同様に、ＣＭＯＳプロセスのような従来の製造プロセスを使用して、マイクロエレクトロニック回路をそこに製造する準備ができた基板である。しかしながら、従来の基板とは異なり、光学的準備基板は、通常、マイクロエレクトロニック回路を受け入れるべき層より下の層に、光学的信号分配回路が既に製造されている。
[0045]また、クロック発生回路５６は、他の回路５４の一体的部分でもよいし、又はそれとは完全に個別でもよいことが考えられる。例えば、他の回路５４が個々のチップに製造される場合に、クロック発生回路５６もその同じチップに製造することができる。或いは又、クロック発生回路５４を個別のチップに製造して、光ファイバ又は他の適当な手段を経て光学的クロック信号を他のチップに配送することもできる。
[0046]量子ドットの本来の物理学は、パルスレーザダイオードにおいてタイミング及び振幅ジッタ並びにパルスチャープ（即ち変調による動的スペクトルの広がり及び／又はシフト）を減少する上で著しい効果を発揮する。この作用の利用は、例えば、ストランスキー−クラスタノフ構成を使用して成長されたときに得られる広い統計学的サイズ分布を量子ドットが有するような分散型空洞において増大される。
[0047]タイミングジッタが低いことは、空洞共振、外部変調又は光結合に対して有効に整合できるか、或いは別のパルス列への、又はパルスを発生し又は安定化するよう意図された他の手段への結合により同期できる鮮明で且つ明確な特性周波数をもつ良好に振舞うモードを意味する。これに対して、大きなジッタを伴うパルス列は、あまり容易に又は有効にロック、同期又は安定化されずに、動作パラメータと共により敏感に変化すると予想され得る広くておそらく不安定なピークをもつ周波数スペクトルを有する。おおよその推定として、これらの効果は、ジッタがパルス間周期の１０％未満であるときに顕著になるはずである。
[0048]振幅及び位相ノイズ、ひいては、パルス振幅ジッタ及びタイミングジッタを決定する上で重要なファクタは、レーザ又は吸収波長におけるキャリア誘起インデックス変化である。レーザにおいて、この作用は、線幅向上ファクタ（反誘導パラメータ又はアルファパラメータとも称される）により特徴付けられる。このパラメータは、レーザダイオードの多数の動的な作用、例えば、線幅の拡幅、変調誘起チャープ、自己焦点合わせ及びビームフリッカ、温度敏感性、及び光学的フィードバックにおいて助けとなるものである。
[0049]キャリア誘起インデックス変化を減少することは、より狭く且つより安定なスペクトルを発生し、外部変調器を伴わずに高速直接変調を可能にし、且つレーザダイオード用途において慣習的なヒートシンク、熱制御及び光学的分離システムを簡単化又は排除する上で、多大な効果を奏する。これらの利益は、全て実際的で且つ顕著なものであるが、光学的クロック動作、サンプリング及び信号送信又は処理を含む用途に対してその全ての中で最も顕著なものは、インデックス変化を減少することで、パルスジッタ又はパルス間時間間隔の変化に直接関係したパルス間位相シフトを少なくしなければならないことである。これは、上述した低ジッタの利益へと通じる。
[0050]量子ドットを組み込んだレーザは、従来のバルク及び量子井戸レーザに勝る低い線幅向上ファクタを発生することができる。これは、飽和が始まる前に量子ドットにより発生されるより対称的な原子状利得線によるものである。線非対称性は、線幅向上ファクタに大きく貢献するので、それを減少することは、材料及び空洞パラメータの特定の特殊な組み合せに対してこのパラメータのゼロ又は負の値をも許す量子ドットの本来の物理学である。
[0051]量子ドットを組み込んだ吸収器は、同様の理由で低いインデックス変化も示さねばならない。吸収についてアルファパラメータと同等のものはないが、同一の作用が保たれる。低いインデックス変化の結果、レーザ空洞における位相ノイズが低くなり、ひいては、パルスジッタが下がる。量子ドットを含む導波器区分については、光学的散乱及び自由キャリア吸収を減少して、利得区分（１つ又は複数）に低いキャリア密度を使用し、ひいては、スレッシュホールド電流を下げるのを許さねばならない。モードロック又は切り換えパルス構成では、これは、吸収又は変調深さ及びジッタが少ないことを意味する。
能動的モードロック
[0052]能動的モードロックを具現化する回路が図３に示されている。この回路では、ＱＤダイオードレーザ６０は、３つの区分、即ち能動的利得区分６２と、その一部分を使用した利得変調器領域（変調器区分）６４と、光学的飽和性吸収区分６６とを有する。制御及び駆動回路は、変調器区分６４を変調する変調回路６６と、利得区分６４にエネルギーを供給する（例えば、直流を注入する）ポンプ回路６８と、吸収区分６６を逆バイアスするバイアス回路７０とを備えている。空洞の固有モードを駆動するために、変調回路６６は、往復時間の逆数のある整数倍である周波数において、希望の性能を得るように調整された変調深さで、デバイスを変調する。
[0053]もちろん、ＱＤレーザダイオードの設計に一部分基づいて使用できる能動的モードロックレーザ回路は、多数の他の構成もある。例えば、吸収区分を変調することもできる。
ＱＤレーザダイオード構造の別の実施形態
[0054]レーザダイオード構造、より詳細には、レーザダイオード構造により画成された光学路に含ませることのできる他の任意の光学的素子もある。例えば、任意の導波器区分を追加することができる。伝播光の回折を阻止するために光学的導波器を使用することは慣例である。これは、厳密には必要でないが、ロスを減少し、効率を高める上で助けとなる。光学的導波器が利得区分と吸収器区分との間及びそれに加えて使用される場合には、光学的導波器同調区分を形成することにより、それを使用して、これらの場所の間の光学的フィールドの相対的位相を変更することができる。また、ある波長又は波長帯域を選択し又は拒絶する目的で、分布型ブラッグ格子のような任意の格子、或いはエタロン又は波長選択性ロス素子のような他の分散性素子を設けることもできる。また、必ずしも利得及び／又は吸収器又は変調器区分を延長せずに全空洞長さの延長を許すために、任意の受動的区分を含ませてもよい。レーザチップ長さを減少するために空洞を折り返してもよいし、又は空洞をチップから外部空洞へ結合してもよいし、或いはチップ及び外部空洞の何らかの組み合せを行ってもよい。上記素子は、全て、全キャビティ分散を制御することにより、同調、波長安定化、或いはパルス幅又はジッタの制御に使用することができる。
[0055]位相又はスペクトル制御のため、或いは光の更なる増幅のために、他の任意の付加的な区分を組み込んでもよい。例えば、空洞同調又は周波数シフトのために、位相同調区分又は位相変調器を含んでもよい。透過物の上に圧送される材料の区分より成る増幅器区分を追加して、パルス列に対する光学的利得を与えてもよい。パルスの切り換え、変調又はゲート動作を許すために、電気−光学、電気−吸収、或いは他の切り換え又は変調区分を含ませてもよい。
[0056]更に、量子ドットは、利得区分だけに存在する必要はない。パルスレーザダイオード又は結合レーザダイオードシステムは、利得、導波器、変調器及び／又は吸収器区分の１つ以上に量子ドットを組み込むことができる。
[0057]パルスレーザダイオードの他の用途とは対照的に、ここに述べるＱＤレーザダイオードは、最小のジッタに対して同調され、或いは、広い範囲の温度、駆動電流／電圧、又は他の動作パラメータにわたってほぼ一貫したパルス幅及び／又はジッタに対して同調され、ひいては、特に、低コストの大量製造において光学的クロック又はサンプリングパルスの最も有効な発生に対して同調される。レーザは、任意の同調区分を介して、その動作パラメータ（吸収器区分が使用される場合には駆動電流及び吸収器電圧）、温度、及びおそらく、電流又は電圧のような付加的な制御入力により同調される。また、レーザは、実験テストにより最小又は最も健全なジッタに対して同調される。
[0058]ここに述べるＱＤレーザダイオードについては、切り換え（例えば、利得及び／又はロスの強力な変調）、モードロック（例えば、縦方向モード間の強制的結合）、注入種子又はロック（例えば、あるレーザから別のレーザへ注入される光学的信号）、混合（例えば、レーザ間の相互結合）、同期ポンピング（例えば、１つのパルスレーザを使用して別のレーザをポンピングする）、同期発振（例えば、１つのパルスレーザを使用して別のレーザからパルスをトリガーし又は同期させる）、及びオプトエレクトロニック発振（例えば、外部の光学的及び／又は電子的制御ループがパルス発生に加わる）を含む多数のパルス化機構が考えられる。
[0059]これらは、互いに、及び／又は増幅器、及び／又はマイクロ空洞を含む光学的空洞、及び／又は格子区分又はフォトニック結晶を含む導波器に結合される１つ以上のレーザを含んでもよい。多数のパルスレーザを組み合せて、波長、時間、偏光、空間的位置又は方向、或いは他の手段により区別される多重化チャンネルを形成してもよい。
[0060]各利得区分は、レーザ作用を発生し、次いで、吸収が飽和し得る（即ちより多くの光が吸収されるにつれて吸収が減少する）吸収器区分へ、ある飽和又は透過ポイントに達するまで、光を結合することができ、及び／又は外部の電気的又は光学的信号により特性が変化される変調器区分へ光を結合することができる。これら区分の機能を結合し、例えば、利得又は吸収器区分を変調して変調器区分を形成するか、或いは透過形態で導波器区分として動作してもよい。
[0061]図４Ａ−Ｃは、これら種々の区分の幾つか又は全部を特徴とする他の考えられる多区分レーザ設計を示す。図４Ａのデバイスは、導波器区分により分離された利得区分及び吸収器区分を含む。図４Ｂのデバイスは、導波器区分により分離された利得区分及び変調器区分を含む。また、図４Ｃのデバイスは、変調器又は吸収器区分により分離された２つの利得区分を含む。これら実施例は、これで全部ではなく、製造できる種々の組み合せの単なる例示に過ぎない。
[0062]図５Ａ−Ｃは、２つの単一方向性結合レーザを、いわゆる注入ロック構成（図５Ａ）及び同期−ポンピング構成（図５Ｂ）で含むと共に、共通の外部空洞を伴ってもよい２つの両方向性（相互）結合レーザ（図５Ｃ）を含むシステムを示している。これらの概念は、３つ以上のレーザへと容易に拡張できる。
利得切り換え
[0063]利得切り換えレーザとは、光学的利得を迅速にオン及びオフに切り換え、即ち、大きな変調深さにおいて、通常、単一の短い光パルス又はそのようなパルスの列のみを励起することに対応するタイミングで変調するものである。レーザは、次いで、オフに切り換えられ、最小の回復時間の経過後に適用される光学的利得の変調の別のバーストにより再び励起することができる。
[0064]この切り換え形態では、パルス周期が変調ソースの周期であり、これは、周期がレーザ空洞における単一光学的往復の時間遅延の整数倍又は約数であるモードロック形態とは対照的である。空洞は、レーザチップ長さを減少するために折り返され又は角度付けされてもよいし、又はチップから外部空洞へ結合されてもよいし、或いはチップと外部空洞のある組み合せでもよい。
[0065]また、ＱＤレーザダイオードを利得切り換え構成で使用して、低いジッタ及び他の改善された性能を得ることもできるが、低ジッタのエリアで達成される利益がモードロック構成で達成されるものと同程度になることはほとんどない。
[0066]特許請求の範囲内で他の実施形態も考えられる。例えば、他の基板材料を使用してもよく、また、前記機構の有用性は、放出のために量子ドットを成長できるいかなる波長にも適用できる。更に、ＩｎＧａＡｓＰ以外の材料、例えば、ＧａＡｓ、ＡｌＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓに成長されるＩｎＡｓ又はＩｎＧａＡｓの量子ドットを使用することもできる。また、量子ドット成長プロセスにより達成される広い利得スペクトルを、大きな波長同調性に対しても使用できるし、或いはそれとは別にも使用できる。
受動的モードロック回路における量子ドットレーザダイオードを示す図である。 量子ドットレーザダイオードを使用して別の回路のためのクロック信号を発生するシステムを示すブロック図である。 能動的モードロック回路における量子ドットレーザダイオードを示す図である。 本発明による量子ドットレーザダイオードの別の構成を示す図である。 本発明による量子ドットレーザダイオードの別の構成を示す図である。 本発明による量子ドットレーザダイオードの別の構成を示す図である。 １つ以上の量子ドットレーザダイオードの別の配列を示す図である。 １つ以上の量子ドットレーザダイオードの別の配列を示す図である。 １つ以上の量子ドットレーザダイオードの別の配列を示す図である。 約１３８０ｎｍにピーク放出を示す量子ドット領域の代表的な放出スペクトルである。
符号の説明
１０…レーザダイオード、１２…利得区分、１４ａ、１４ｂ…ミラー、１６…吸収器区分、１８…ポンプソース、２０…バイアスソース、２４…利得媒体、２６…上部クラッド層、２８…下部クラッド層、３０…吸収器材料、５０…ＱＤレーザ、５２…光学的クロック信号、５４…他の回路、５６…クロック発生モジュール、５６…光学的信号、５８…制御及び駆動回路、６０…ＱＤダイオードレーザ、６２…能動的な利得区分、６４…利得変調器領域、６６…飽和性吸収区分、６６…変調回路、６８…ポンプ回路、７０…バイアス回路

Claims (21)

  1. クロック又はサンプリング信号を発生するための回路において、
    量子ドットの領域を含む半導体量子ドットレーザ素子であって、上記量子ドットの領域が、少なくとも約１０ｍｅＶの半幅を有する放出分布で特徴付けられるような量子ドットレーザ素子と、
    周期的な、均一離間された一連のパルスを出力するモードロックレーザとして上記量子ドットレーザ素子を動作するために上記量子ドットレーザ素子に接続された駆動回路であって、上記クロック又はサンプリング信号が上記一連のパルスから導出されるような駆動回路と、
    を備えた回路。
  2. クロック動作又はサンプリングのために上記クロック又はサンプリング信号が供給される他の回路を更に備えた、請求項１に記載の回路。
  3. 上記放出分布の半幅は約３０ｍｅＶより大きい、請求項１に記載の回路。
  4. 上記放出分布の半幅は約５０ｍｅＶより大きい、請求項１に記載の回路。
  5. 上記量子ドットレーザは利得区分を備え、上記量子ドットの領域は該利得区分の一部分である、請求項１に記載の回路。
  6. 上記量子ドットレーザは、利得区分と、吸収器区分又は光学的導波器区分のいずれかである第２区分とを備え、上記量子ドットの領域は該第２区分にある、請求項１に記載の回路。
  7. 上記量子ドットレーザは、利得区分と、吸収器区分と、光学的導波器区分とを備え、上記量子ドットの領域は、これら利得、吸収器又は導波器区分の１つにある、請求項１に記載の回路。
  8. 上記光学的導波器区分は光学的導波器同調区分である、請求項７に記載の回路。
  9. 上記量子ドットレーザは、ある波長を選択又は拒絶するための格子を備えた、請求項１に記載の回路。
  10. 上記量子ドットレーザは、空洞同調のための位相同調区分を備えた、請求項１に記載の回路。
  11. 上記量子ドットレーザは、周波数シフトのための位相変調器区分を備えた、請求項１に記載の回路。
  12. 上記駆動回路は、上記量子ドットレーザ素子を能動的モードロックレーザとして動作するように構成された、請求項１に記載の回路。
  13. 上記駆動回路は、上記量子ドットレーザ素子を受動的モードロックレーザとして動作するように構成された、請求項１に記載の回路。
  14. 量子ドットの領域を含む半導体量子ドットレーザ素子であって、上記量子ドットの領域が、少なくとも約１０ｍｅＶの半幅を有する放出分布で特徴付けられるような量子ドットレーザ素子と、
    約１ピコ秒未満のジッタで特徴付けられる周期的な均一離間された一連のパルスを出力するモードロックレーザとして上記量子ドットレーザ素子を動作するために上記量子ドットレーザ素子に接続された駆動回路と、
    を備えた回路。
  15. 上記放出分布の半幅は約３０ｍｅＶより大きい、請求項１４に記載の回路。
  16. 上記放出分布の半幅は約５０ｍｅＶより大きい、請求項１４に記載の回路。
  17. 上記量子ドットレーザは利得区分を備え、上記量子ドットの領域は該利得区分の一部分である、請求項１４に記載の回路。
  18. 上記量子ドットレーザは、利得区分と、吸収器区分又は光学的導波器区分のいずれかである第２区分とを備え、上記量子ドットの領域は該第２区分にある、請求項１４に記載の回路。
  19. 上記駆動回路は、上記量子ドットレーザ素子を能動的モードロックレーザとして動作するように構成された、請求項１４に記載の回路。
  20. 上記駆動回路は、上記量子ドットレーザ素子を受動的モードロックレーザとして動作するように構成された、請求項１４に記載の回路。
  21. 量子ドットの領域を含む半導体量子ドットレーザ素子であって、上記量子ドットの領域が、少なくとも約１０ｍｅＶの半幅を有する放出分布で特徴付けられるような量子ドットレーザ素子と、
    上記量子ドットレーザ素子を利得切り換えレーザとして動作するために上記量子ドットレーザ素子に接続された駆動回路と、
    を備えた回路。
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