JP2681274B2 - Semiconductor light emitting device and method of operating the same - Google Patents

Semiconductor light emitting device and method of operating the same

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JP2681274B2
JP2681274B2 JP62325571A JP32557187A JP2681274B2 JP 2681274 B2 JP2681274 B2 JP 2681274B2 JP 62325571 A JP62325571 A JP 62325571A JP 32557187 A JP32557187 A JP 32557187A JP 2681274 B2 JP2681274 B2 JP 2681274B2
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/06Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
    • H01S5/062Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
    • H01S5/0625Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in multi-section lasers

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Description

【発明の詳細な説明】 〔概要〕 高速で光強度変調を行うのに好適な構造をもった半導
体発光装置及びその動作方法に関し、 変調周波数に於ける従来の上限を取り除いて高速化
し、また、大きな光出力を取り出しても高速性に影響を
与えないように、更にまた、光出力に振動が発生するの
を抑止できるようにすることを目的とし、 (1) 対向して対をなしレーザ発振を起こさせる光反射器
と、該光反射器で反射される光を導波してレーザ発振を
起こさせる増幅機能を有する増幅部と、前記対をなす光
反射器の間に形成され且つ該光反射器間に在る発光層の
光に対する利得或いは吸収を該光が該光反射器間を一往
復するに要する時間周期と同程度以下の周期で変化させ
得る第一の利得変調部と、前記増幅部と連続すると共に
前記対をなす光反射器の外側に延在して形成され、且
つ、その部分に於ける利得或いは吸収を光が該光反射器
間を一往復するに要する時間周期と同程度以下の周期で
変化させ得る第二の利得変調部とを備え、前記第一の利
得変調部及び増幅部及び第二の利得変調部は半導体基板
上に積層形成された光ガイド層及び発光層及びクラッド
層で構成されて全長に亙って連続する光導波路をなし、
且つ、前記対をなす光反射器のうち前記第二の利得変調
部に近い側の光反射器は前記半導体基板と光ガイド層と
の界面に形成された周期的凹凸であることを特徴とする
か、或いは、 (2) 対向して対をなしレーザ発振を起こさせる光反射器
と、該光反射器で反射される光を導波してレーザ発振を
起こさせる増幅機能を有する増幅部と、前記対をなす光
反射器の間に形成され且つ該光反射器間に在る発光層の
光に対する利得或いは吸収を該光が該光反射器間を一往
復するに要する時間周期と同程度以下の周期で変化させ
得る第一の利得変調部と、前記増幅部と連続すると共に
前記対をなす光反射器の外側に延在して形成され、且
つ、その部分に於ける利得或いは吸収を光が該光反射器
間を一往復するに要する時間周期と同程度以下の周期で
変化させ得る第二の利得変調部とを備え、前記第一の利
得変調部及び増幅部及び第二の利得変調部は半導体基板
上に積層形成された光ガイド層及び発光層及びクラッド
層で構成されて全長に亙って連続する光導波路をなし、
且つ、前記対をなす光反射器のうち前記第二の利得変調
部に近い側の光反射器は前記半導体基板と光ガイド層と
の界面に形成された周期的凹凸であることを特徴とする
半導体発光装置の動作方法に於いて、光が前記光反射器
間を一往復するに要する時間周期と同じ周期で前記第一
の利得変調部に於ける利得或いは吸収を変化させること
に依ってモード同期発振を行わせ、その利得或いは吸収
を変化させる周期に同期した信号で前記第二の利得変調
部に於ける利得或いは吸収を変化させることに依って送
信したい信号パターンに対応する光の制御を行い目的と
する信号で光強度変調されたのと等価な信号パターンを
出力させることを特徴とする。 〔産業上の利用分野〕 本発明は、高速で光強度変調を行うのに好適な構造を
もった半導体発光装置及びその動作方法に関する。 〔従来の技術〕 従来、光通信に利用している光強度変調方法として
は、半導体レーザ或いは発光ダイオード(light emitt
ing diode:LED)自体で光強度変調を行う直接変調、或
いは、発光装置から連続的に出力される光を外部の変調
装置を利用して光強度変調する外部変調などが知られて
いる。 第7図は直接変調を行う場合について説明する為の要
部回路図を、また、第8図は外部変調を行う場合につい
て説明する為の要部回路図をそれぞれ表している。 各図に於いて、61はpn接合をもった半導体レーザ、62
は変調用信号発生器、63は直流バイアス用電源、64は外
部変調器をそれぞれ示している。 第7図及び第8図に見られるような回路に依って変調
を行う場合、何れの場合に於いても、パルスが印加され
た時間に一致して発光或いは消光が行われ、出力される
光パルスの形状、即ち、時間幅は印加されるパルスのそ
れと略同じであるとされている。 〔発明が解決しようとする問題点〕 第7図及び第8図に見られる回路に於いて、入力され
るパルスと出力されるパルスの形状が一致している旨の
点は、実際には、浮遊している誘導容量、或いは、素子
がもっている寄生容量の影響に依って遅れや波形歪を生
じ、その為、変調周波数の上限が制限される旨の欠点が
ある。 第9図並びに第10図は前記欠点を更に詳細に説明する
為の図であり、何れの図に於いても(A)は入力である
電流或いは電圧の波形を、そして、(B)は光出力の波
形をそれぞれ表し、横軸に時間を、そして、縦軸に電流
或いは電圧か光出力を採ってある。 第9図に依れば、立ち上がり或いは立ち下がりに要す
る時間が完全に零であるようなパルス、即ち、理想的な
パルスが印加されたと想定した場合のレーザの応答が説
明される。 図に於いて、65は入力である電流或いは電圧の波形、
66はレーザの応答である光出力の波形、t1及びt2は光出
力の波形66に見られる立ち上がり遅れ及び立ち下がり遅
れをそれぞれ示している。 このように、遅れt1及びt2が存在する場合には、光出
力のパルス幅はt1+t2より狭くすることはできず、従っ
て、変調周波数の上限は、t1+t2の二倍の周期をもつ周
波数に制限される旨の欠点があり、これは直接変調であ
ると外部変調であるとを問わず共通するものである。 また、第9図に見られるように、応答の遅延が直線的
である場合には、周波数の上限は駆動に必要な信号の振
幅にも依存するが、特に、半導体レーザを直接変調する
場合には比較的大振幅の電流を必要とすることから、遅
れt1及びt2は大きくなり、変調周波数の上限が低下する
旨の欠点がある。 更にまた、伝送距離を長くする目的で光強度を大にし
た場合、大振幅且つ大電力で変調する必要が生じるが、
第9図に見られるように、応答の遅延が直線的である場
合には、振幅が大きくなるほど遅れt1及びt2は大にな
り、直接変調の場合、光出力を上昇させるにつれて高速
性が低下する旨の欠点がある。 第10図に依れば、直接変調を行う場合の他の欠点が説
明される。 図に於いて、67は入力である電流或いは電圧の波形、
68はレーザの応答である光出力の波形をそれぞれ示して
いる。尚、入力である電流或いは電圧の波形67は遅延を
考慮して示してある。 半導体レーザを直接変調すると、立ち上がり時にキャ
リヤの励起密度の振動に依る光出力の振動が発生する。
この振動はナノ秒程度続くことがあり、この為、波形が
歪み、良好なパターンの光出力は得られない旨の欠点が
ある。 前記したようなことを踏まえ、本発明では、変調周波
数に於ける従来の上限を取り除いて高速化し、また、大
きな光出力を取り出しても高速性に影響を与えないよう
に、更にまた、光出力に振動が発生するのを抑止できる
ようにする。 〔問題点を解決するための手段〕 第1図は本発明の原理を説明する為の半導体発光装置
の要部説明図を表している。 図に於いて、1は半導体基板、2は光導波路層、3は
増幅部を成す半導体層、4はモード同期の為の利得変調
部を成す半導体層、5は増幅部から出力される光を遮断
或いは透過することで変調する利得変調部を成す半導体
層、6及び7は光を帰還する為の反射器或いはそれに相
当するものであって第一鏡面及び第二鏡面、8は増幅
部、9はモード同期用利得変調部、10は光強度変調用利
得変調部、11は光出力部をそれぞれ示している。 第2図は第1図に見られる半導体発光装置の主要部分
の於ける信号波形を表す線図である。 図に於いて、12は利得変調部9に印加される利得変調
信号、13は利得変調部9の直下に於ける光信号、14は利
得変調部10の直下に於ける光信号、15は利得変調信号12
を基にして形成された同期信号(クロック・パルス)、
16は光を変調する為の目的とする信号パターン、17は信
号パターン16に於ける“1"の信号並びに同期信号15で生
成されたトリガ信号、18は信号パターン16に於ける“0"
の信号並びに同期信号15とで生成されたトリガ信号、19
はトリガ信号17でセットされ且つトリガ信号18でリセッ
トされる利得変調部10に印加されるゲート信号、20は利
得変調部10のシャッタ作用、即ち、ゲート信号19が“1"
の時に光を透過し、“0"の時に光を遮断する作用で変調
された光信号、Lは第一鏡面6及び第二鏡面7間の距
離、Tは利得変調信号12の周期をそれぞれ示している。 ここで、信号パターン16に於いて破線で示した信号は
“0"を、また、出力信号である光信号20に於いて破線で
示した信号は利得変調部10で遮断されて外部に取り出さ
れない光を表すものとし、さらにまた、光導波路層2に
於ける光の屈折率をn、真空中に於ける光速をc、周期
Tを光が第一鏡面6と第二鏡面7との間を一往復するの
に要する時間と同じ時間(T=2nL/c)であるとする。 さて、利得変調部9に周期Tが2nL/cであるような利
得変調信号12を印加して利得変調を行うと、いくつかの
飛び飛びの周波数をもった光の全ての位相が一致するよ
うになり、非常に短い時間幅をもったパルス状の発振が
起きるようになる。これはモード同期発振状態と呼ば
れ、そして、前記したような方法のモード同期をアクテ
ィブ・モード同期と呼んでいる。モード同期時に於ける
パルス幅は、光スペクトルの半値全幅がdfであるとき、
1/df程度となる。例えば1.3〔μm〕の光で、スペクト
ルの幅が1〔nm〕のときには、 df=(3*10^8/1.3*10<−6>) *(1*10^<−9>/1.3*10^<−6> =1.77*10^11 ここで、<−6>等は巾乗を示すものとする(以下同
じ) 従って、モード同期時のパルス幅wは、 w=1/df =1/(1.77*10^11) =5.6*10^<−12> =5.6〔psec) 程度となる。 次に、周期Tは2nL/cで与えられるから、L=2〔m
m〕、n=3.6、c=3*10^8を用いると、T=48〔pse
c〕となり、これは周波数換算で、約20〔GHz〕である。
尚、この周期Tは距離Lに依って変化する。 前記したところから理解できるように、モード同期に
依って非常に高速の光パルスをを得ることができ、ま
た、それを実施すると連続発振時の周期Tの間のエネル
ギに相当する全エネルギが幅wの光パルス中に集約され
るので、パルス・ピーク・パワーはT/w倍となり、非常
に高い出力の光パルスが得られると共に従来の直接変調
或いは外部変調に比較して高効率でエネルギを採り出す
ことができる。 このようにして発生させた光のパルス列が記号13及び
14で指示されている光信号であって、光信号13は正弦波
である利得変調信号12の振幅が最も高くなった瞬間に発
生するものであり、また、光信号14は、光が光導波路層
2中を利得変調部9から10まで走行するのに要する時間
だけ遅延している。 前記のような利得変調信号12に依る変調は、例えば電
流で利得変化させたり、或いは、pn接合に逆バイアス電
圧信号を印加して吸収率を変化させるなど電気的に行う
ことができるので、この電気信号を基にして同期信号15
を生成し、そして、同期信号15と伝送したい信号パター
ン16とを用い論理回路などに依る操作で、トリガ信号17
及び18を採り出すようにする。更に、論理回路に依り、
トリガ信号17に依るセット及びトリガ信号18に依るリセ
ットを行って、ゲート信号19を生成させ、これを利得変
調部10に印加して光パルス列である光信号14との論理積
を採ることで、変調された目的とする光パルス列である
光信号20を得るのである。 前記した動作に於いて、利得変調部10は一種のシャッ
タの如き作用をするので、切り取られた光パルスの波形
は、光信号13及び14と相似の形状をしていて、従来の直
接変調で見られるような光パルスの立ち上がり時の振動
は全く発生しない。また、従来技術に依って、光信号20
のような光パルス列を得る為には、光信号20に相当する
利得変調信号の立ち上がりと立ち下がりの遅延時間の
和、即ち、第9図に見られるt1+t2がT/2以下でなくて
はならないが、第1図及び第2図について説明した手段
を採れば、光信号20の立ち上がり時間及び立ち下がり時
間の和は周期T以下で充分であり、従来と同じ変調器駆
動装置を用いた場合に二倍の高速化が達成される。更に
また、前記したように利得変調信号12は正弦波であるこ
と、そして、光強度変調を行う場合に比較して低いエネ
ルギに依る変調で充分であることなどから簡単に高周波
化が可能であり、これに加えて、同期信号15、信号パタ
ーン16、トリガ信号17及び18は全て論理回路で用いるの
であるから、光強度変調に用いる電力に比較して低いも
ので済み、この面からも、高速化が容易になっている。
尚、ここで最も高速化するのが困難であるのは、利得変
調部10に印加されるゲート信号19であるが、前記したよ
うに、本発明に依ると従来の二倍の高速化が可能であ
る。 前記したようなことから、本発明に依る半導体発光装
置及びその動作方法に於いては、 (1) 対向して対をなしレーザ発振を起こさせる光反射器
(例えば第一鏡面6並びに第二鏡面7:第1図参照)と、
該光反射器で反射される光を導波してレーザ発振を起こ
させる増幅機能を有する増幅部(例えば増幅部8:第1図
参照)と、前記対をなす光反射器の間に形成され且つ該
光反射器間に在る発光層の光に対する利得或いは吸収を
該光が該光反射器間を一往復するに要する時間周期と同
程度以下の周期で変化させ得る第一の利得変調部(例え
ばモード同期用利得変調部9:第1図参照)と、前記増幅
部と連続すると共に前記対をなす光反射器の外側に延在
して形成され、且つ、その部分に於ける利得或いは吸収
を光が該光反射器間を一往復するに要する時間周期と同
程度以下の周期で変化させ得る第二の利得変調部(例え
ば光強度変調用利得変調部10:第1図参照)とを備え、
前記第一の利得変調部及び増幅部及び第二の利得変調部
は半導体基板(例えば基板21:第5図参照)上に積層形
成された光ガイド層(例えば光ガイド層22:第5図参
照)及び発光層(例えば発光層23:第5図参照)及びク
ラッド層(例えばクラッド層24:第5図参照)で構成さ
れて全長に亙って連続する光導波路(例えば光導波路層
2:第1図参照)をなし、且つ、前記対をなす光反射器の
うち前記第二の利得変調部に近い側の光反射器は前記半
導体基板と光ガイド層との界面に形成された周期的凹凸
(例えば一方の光反射器を成す凹凸32:第5図参照)で
あることを特徴とするか、或いは、 (2) 対向して対をなしレーザ発振を起こさせる光反射器
と、該光反射器で反射される光を導波してレーザ発振を
起こさせる増幅機能を有する増幅部と、前記対をなす光
反射器の間に形成され且つ該光反射器間に在る発光層の
光に対する利得或いは吸収を該光が該光反射器間を一往
復するに要する時間周期と同程度以下の周期で変化させ
得る第一の利得変調部と、前記増幅部と連続すると共に
前記対をなす光反射器の外側に延在して形成され、且
つ、その部分に於ける利得或いは吸収を光が該光反射器
間を一往復するに要する時間周期と同程度以下の周期で
変化させ得る第二の利得変調部とを備え、前記第一の利
得変調部及び増幅部及び第二の利得変調部は半導体基板
上に積層形成された光ガイド層及び発光層及びクラッド
層で構成されて全長に亙って連続する光導波路をなし、
且つ、前記対をなす光反射器のうち前記第二の利得変調
部に近い側の光反射器は前記半導体基板と光ガイド層と
の界面に形成された周期的凹凸であることを特徴とする
半導体発光装置の動作方法に於いて、光が前記光反射器
間を一往復するに要する時間周期と同じ周期で前記第一
の利得変調部に於ける利得或いは吸収を変化させること
に依ってモード同期発振を行わせ、その利得或いは吸収
を変化させる周期に同期した信号で前記第二の利得変調
部に於ける利得或いは吸収を変化させることに依って送
信したい信号パターンに対応する光の制御を行い目的と
する信号で光強度変調されたのと等価な信号パターンを
出力させることを特徴とする。 〔作用〕 前記手段を採ることに依り、半導体発光装置はモード
同期発振して、発光時間幅が極めて短く、且つ、繰り返
し周波数が高い光パルスが得られ、また、モード同期発
振した半導体発光装置の発光周期に同期させ、送信した
い信号パターンで第二制御機構で変調を行い、このシャ
ッタ作用で光の透過を制御し、所要の光パルス列からな
る信号パターンを出力させているので、高速の光変調が
可能である。 〔実施例〕 第3図(A)及び(B)は本発明一実施例の要部斜面
図及び要部切断側面図をそれぞれ表し、第1図及び第2
図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示すか或いは
同じ意味を持つものとする。 図に於いて、21はn型InP基板、22はn型InGaAsP光ガ
イド層、23はInGaAsP発光層(活性層)、24はp型InPク
ラッド層、25,26,27はp型InGaAsPコンタクト層、28は
増幅部の電極、29はモード同期用利得変調部の電極、30
は光強度変調用利得変調部の電極、31は共通電極、33並
びに34は高光反射膜を構成する為の膜(図示されていな
い)、35は光反射防止膜(図示されていない)、46並び
に47は増幅部8と利得変調部9を、そして、増幅部8と
利得変調部10をそれぞれ電気的に分離する為の分離溝、
51はp型InP電流ブロック層、52はn型InP電流ブロック
層、53は二酸化シリコン膜或いは窒化シリコン膜からな
る誘電体膜、54,55,56,57は利得変調部9及び10に於け
る導波路領域の静電容量を低減する為の分離溝、58は光
導波路を含む部分、59及び60は光導波路を含まない部分
をそれぞれ示している。 本実施例に於いて、基板21、光ガイド層22、発光層2
3、クラッド層24は光導波路を構成し、この光導波路は
利得変調部9、増幅部8、利得変調部10まで連続してい
る。また、溝46並びに47は光導波路を含まない部分59及
び60に於いては基板21にまで達しているが、光導波路を
含む部分58に於いては電流ブロック層52で留まってい
る。更にまた、電極29及び30はリードのボンディングに
必要な最小限の面積にするべきであり、図(A)に明ら
かであるように、向かって左側の部分が切除されてい
る。 第4図(A)及び(B)は本発明に於ける他の実施例
の要部斜面図及び要部切断側面図をそれぞれ表し、第1
図乃至第3図に於いて用いた記号と同記号は同部分を示
すか或いは同じ意味を持つものとする。 本実施例が第3図について説明した実施例と相違する
点は、利得変調部9及び10に於ける光導波路を含まない
部分59並びに60を除去したところが相違しているのみで
あり、その他は全く変わりない。 第5図は第3図及び第4図について説明された半導体
発光装置及び必要な装置を含む要部説明図を表し、第1
図乃至第4図に於いて用いた記号と同記号は同部分を表
すか或いは同じ意味を持つものとする。尚、図示の半導
体発光装置は第3図及び第4図に見られる実施例の動作
を説明する為のものである。 図に於いて、32は一方の光反射器を成す凹凸(コルゲ
ーション)、33及び34は他方の光反射器である高光反射
膜を成す誘電体膜及び金属膜、35は光反射防止膜、36は
増幅部8に直流電流を流し増幅作用をさせる為の直流電
源、37は信号発生器、38は同期信号であるクロック・パ
ルスを形成する装置、39は遅延装置、40は伝送したい信
号である信号パターン、41は直列−並列変換装置、42は
セット信号、43はリセット信号、44はセット・リセット
・フリップ・フロップ回路、45は光強度変調用利得変調
部10を駆動するのに充分な電力となる電流或いは電圧を
発生する駆動回路、48は直流バイアス用電源をそれぞれ
示している。 この構成に於いて、誘電体膜33としては二酸化シリコ
ン膜或いは窒化シリコン膜などを、そして、金属膜34と
しては金属膜などを用いることができる。 本実施例に於いては、直流電源36並びに直流バイアス
用電源48から電流を供給することに依り、通常の半導体
レーザと同様なレーザ発振を行う。この場合、金属膜34
と凹凸32が一対の光反射器となって共振器を構成し、そ
の共振器長Lは金属膜34と誘電体膜33の界面と凹凸32の
中央との間の長さとなる。光学的には、この長さと光導
波路の屈折率nとの積、即ち、nLが共振器長になる。ま
た、利得変調部9は、順方向バイアス電圧を印加し、こ
れに高周波を重畳して正の利得を高周波的に変化させる
利得変調器として動作させるか、或いは、逆方向バイア
ス電圧を印加し、これに高周波を重畳してフランツ・ケ
ルディッシュ(Franz−Keldish)効果を利用し、負の利
得(吸収)を高周波的に変化させる利得変調器として動
作させても良い。更にまた、利得変調部10については、
光に対して高い消光比が得られること、そして、高速応
答性を有することなどが要求されるので、逆方向バイア
ス電圧を印加し、フランツ・ケルディッシュ効果を利用
した吸収に依る利得変調器として動作させる方が良い。
尚、前記説明に於いては、共振器長Lは金属膜34と誘電
体膜33の表面と凹凸32の中央との間の長さ、としてあ
り、ここで、「凹凸32の中央」、を採ったのは、凹凸32
が全領域に亙ってミラーの役目を果たすことから、その
平均的な長さを代表させる意味があることに由来してい
る。 第6図は第5図に見られる半導体発光装置の主要部分
に於ける信号波形を表す線図であり、第2図に於いて用
いた記号と同記号は同部分を示すか或いは同じ意味を持
つものとする。 図に於いて、12は信号発生器37の出力であって、利得
変調部9の電極29に印加される電気信号である利得変調
信号を示している。13は利得変調部9に於ける光信号で
あって、発光層23中の光強度の時間変化を示している。
14は利得変調部10に於ける光信号であって、発光層23中
の光強度を示している。15は信号発生器37の出力である
利得変調信号12を基にしてクロック・パルス形成装置38
に於いて形成された同期信号を示している。15Bは同期
信号15を遅延装置39に依って遅延させた信号を示してい
る。16は光を変調する為の目的とする信号パターンの一
例を示している。17は直列−並列変換装置41に於ける論
理操作で信号パターン16に於ける“1"の信号及び遅延さ
れた同期信号15Bで生成されセット・リセット・フリッ
プ・フロップ回路44のセット信号となるトリガ信号を示
している。18は同じく直列−並列変換装置41に於ける論
理操作で信号パターン16に於ける“0"の信号及び遅延さ
れた同期信号15Bとで生成され同じくセット・リセット
・フリップ・フロップ回路44のリセット信号となるトリ
ガ信号を示している。19はトリガ信号17の立ち上がりの
エッジでセットされ、且つ、トリガ信号18の立ち上がり
のエッジでリセットされるセット・リセット・フリップ
・フロップ回路44から得られ利得変調部10に印加される
ゲート信号を示している。20はゲート信号19を印加する
ことで駆動回路45を介して駆動される利得変調部10のシ
ャッタ作用、即ち、ゲート信号19が“1"の時に光信号14
を透過し、“0"の時に光信号14を遮断する作用で変調さ
れ、信号パターン16に対応した出力である光信号を示し
ている。 前記した利得変調部10に於ける変調作用、即ち、吸収
作用は、ゲート信号19が高いレベルにある場合に小さ
く、反対に低いレべルにある場合に大きくなるようにし
てある。従って、第5図に記号49で指示してある出力、
即ち、第6図に見られる光信号20は、光信号14及びゲー
ト信号19の論理積に等しくなり、それに依って得られる
ものである。尚、図に於いて、破線で示した波形は、そ
れぞれ“0"であるか、或いは、吸収されて外部に出力さ
れないことを表している。 第5図に見られる主要各部分の寸法を例示すると、第
一鏡面である金属膜34と第二鏡面である凹凸32の中央と
の間の距離Lは2〔mm〕、利得変調部9の長さは50〔μ
m〕、利得変調部10の長さは200〔μm〕、分離溝46,4
7,54,55,56,57の幅は10〔μm〕、分離溝54と55の間、
及び、分離溝56と57の間それぞれの幅は5〔μm〕、凹
凸32のピッチは400〔nm〕、深さは100〔nm〕、光ガイド
層22及び発光層23を構成するInGaAsPのエネルギ・バン
ド・ギャップの大きさは光波長換算でそれぞれ1.15〔μ
m〕及び1.3〔μm〕、また、それらの厚さは0.1〔μ
m〕及び0.2〔μm〕、その幅は両者とも1〔μm〕で
ある。また、各信号の時間周期及び周波数は、利得変調
信号12、光信号13、光信号14、変調された光信号20等の
繰り返し周期が56〔psec〕、即ち、周波数換算で約18
〔GHz〕、ゲート信号19の最小幅が56〔psec〕である。
既述したように、前記のような構成及び駆動条件のもと
では、金属膜34と凹凸32の間の発光層32内を往復する光
は、第6図に記号13で指示したあるようなパルス状の時
間的光強度分布をもっている。また、第6図に記号12で
指示した変調信号が18〔GHz〕のとき、発光層23内の光
のスペクトル拡がりは最低でも5〔Å〕より大きくなる
ので、このときの発光層23内のパルス状の光のパルス時
間幅は12〔psec〕よりも小さくなる。 〔発明の効果〕 本発明に依る半導体発光装置及びその動作方法に於い
ては、半導体発光装置がモード同期発振して、発光時間
幅が極めて短く、且つ、繰り返し周波数が高い光パルス
を発生し、そして、モード同期発振している半導体発光
装置の発光周期に同期させて送信したい信号パターンで
利得変調器の変調動作を行い、そのシャッタ作用で光の
透過を制御し、所要の光パルス列からなる信号パターン
を出力させるようにしている。 前記構成を採ることに依り、本発明に依ると、従来技
術に比較し、常に二倍の高速で光変調を行うことが可能
であり、例えば、56〔psec〕のパルスを用いた場合、従
来技術では、RZ(return to zero)信号で約9〔GH
z〕程度が変調の限界であったが、本発明に依れば、約1
8〔GHz〕まで変調が可能である。また、従来技術では、
例えば10〔mW〕相当の光出力が得られるレベルまで変調
し、5〔GHz〕、デューティ比50〔%〕のRZ信号でパル
ス変調した場合、一つの“1"の信号で出力されるエネル
ギは、パルス幅(100〔psec〕)と出力(10〔mW〕)の
積で1〔pJ〕となるが、本発明に依れば、モード同期さ
せるようにしていることから、1周期(200〔psec〕)
間のエネルギが一つのパルスに集中するので、二倍のエ
ネルギ(2〔ピコジュール〕)を伝送することが可能で
ある。更にまた、従来技術では、直接変調を行った場
合、出力である光信号の振動が問題になったが、本発明
に依れば、そのような振動は発生しない。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Outline] A semiconductor having a structure suitable for high-speed light intensity modulation.
Regarding body light emitting device and its operating method, speed up by removing the conventional upper limit of modulation frequency
In addition, even if a large optical output is taken out, the high speed is affected.
Furthermore, there is a vibration in the light output so that
(1) Optical reflectors that make a pair and face each other to cause laser oscillation.
And guide the light reflected by the light reflector to generate laser oscillation.
An amplification section having an amplification function to cause the paired light
Of the light emitting layer formed between the reflectors and between the light reflectors.
Gain or absorption of light is passed between the light reflectors.
Change it at a cycle less than or equal to the time required to recover
To obtain the first gain modulation section and the amplification section, and
Is formed to extend outside the pair of light reflectors, and
The gain or absorption in that part of the light
At a cycle that is less than or equal to the time cycle required to make one round trip
A second gain modulator that can be changed,
The gain modulator, the amplifier, and the second gain modulator are semiconductor substrates.
Light guide layer and light emitting layer and clad formed on top
An optical waveguide composed of layers and continuous over the entire length,
And the second gain modulation of the pair of light reflectors.
The light reflector on the side close to the part includes the semiconductor substrate and the light guide layer.
It is characterized by the periodic unevenness formed at the interface of
Or, (2) Optical reflectors that face each other and generate laser oscillation.
And guide the light reflected by the light reflector to generate laser oscillation.
An amplification section having an amplification function to cause the paired light
Of the light emitting layer formed between the reflectors and between the light reflectors.
Gain or absorption of light is passed between the light reflectors.
Change it at a cycle less than or equal to the time required to recover
To obtain the first gain modulation section and the amplification section, and
Is formed to extend outside the pair of light reflectors, and
The gain or absorption in that part of the light
At a cycle that is less than or equal to the time cycle required to make one round trip
A second gain modulator that can be changed,
The gain modulator, the amplifier, and the second gain modulator are semiconductor substrates.
Light guide layer and light emitting layer and clad formed on top
An optical waveguide composed of layers and continuous over the entire length,
And the second gain modulation of the pair of light reflectors.
The light reflector on the side close to the part includes the semiconductor substrate and the light guide layer.
It is characterized by the periodic unevenness formed at the interface of
In a method of operating a semiconductor light emitting device, the light is the light reflector.
The first cycle is the same as the time cycle required to make one round trip between
The gain or absorption in the gain modulator of the
Mode-locked oscillation depending on the gain and absorption
The second gain modulation with a signal synchronized with the period
By changing the gain or absorption in the department
The purpose is to control the light corresponding to the signal pattern you want to receive.
Signal pattern equivalent to that of light intensity modulation
It is characterized by outputting. [Field of Industrial Application] The present invention provides a structure suitable for high-speed light intensity modulation.
The present invention relates to a semiconductor light emitting device and a method of operating the same. [Prior Art] As a light intensity modulation method conventionally used for optical communication
Is a semiconductor laser or a light emitting diode
ing diode (LED) itself, which directly modulates the light intensity, or
The light output from the light emitting device is externally modulated.
It is known that external modulation is used to modulate light intensity using a device.
I have. FIG. 7 is a diagram for explaining the case of performing direct modulation.
Fig. 8 shows the circuit diagram of the part and Fig. 8 shows the case of performing external modulation.
The respective main circuit diagrams for the explanation are shown. In each figure, 61 is a semiconductor laser having a pn junction, 62
Is a signal generator for modulation, 63 is a power supply for DC bias, and 64 is an external
The partial modulators are shown respectively. Modulated by a circuit as seen in FIGS. 7 and 8.
In either case, the pulse is applied.
Light is emitted or extinguished according to the time
The shape of the light pulse, i.e. the time width, is the
It is said to be almost the same. [Problems to be Solved by the Invention] In the circuit shown in FIG. 7 and FIG.
That the shape of the output pulse and that of the output pulse match
The point is actually a floating inductive capacitance or element
Delay or waveform distortion due to the effect of parasitic capacitance
However, there is a drawback that the upper limit of the modulation frequency is limited.
is there. 9 and 10 illustrate the above drawback in more detail.
(A) is an input in all figures.
Waveform of current or voltage, and (B) Wave of optical output
Representing each shape, the horizontal axis is time and the vertical axis is current
Alternatively, it takes voltage or light output. According to Fig. 9, it takes time to rise or fall.
Pulse whose time is completely zero, that is, ideal
The response of the laser assuming a pulse is applied is explained.
Will be revealed. In the figure, 65 is the waveform of the input current or voltage,
66 is the optical output waveform that is the response of the laser, and t1 and t2 are the optical output.
Rise and fall delays seen in force waveform 66
These are shown respectively. Thus, when the delays t1 and t2 are present, the light output is
The pulse width of force cannot be narrower than t1 + t2,
Therefore, the upper limit of the modulation frequency is the frequency with a period twice as long as t1 + t2.
It has the drawback of being limited to wavenumber, which is a direct modulation.
Then, it is common regardless of external modulation. Also, as seen in Fig. 9, the response delay is linear.
, The upper limit of the frequency is the signal swing required for driving.
In particular, it directly modulates the semiconductor laser, depending on the width
In some cases, it requires a relatively large current,
T1 and t2 increase, and the upper limit of the modulation frequency decreases.
There is a drawback to that effect. Furthermore, the light intensity is increased to increase the transmission distance.
If it is necessary to modulate with large amplitude and high power,
As seen in Fig. 9, when the response delay is linear.
In this case, the larger the amplitude, the larger the delays t1 and t2.
In the case of direct modulation, the speed increases as the light output increases.
There is a drawback that the property is lowered. According to Fig. 10, another drawback of direct modulation is explained.
Will be revealed. In the figure, 67 is the waveform of the input current or voltage,
68 shows the waveform of the optical output which is the response of the laser.
I have. The input current or voltage waveform 67 has no delay.
It is shown in consideration. If the laser diode is directly modulated, it will be
Vibration of the optical output occurs due to the vibration of the excitation density of the rear.
This vibration may last for nanoseconds, which causes the waveform to
Distortion, the disadvantage that the light output of a good pattern is not obtained
is there. Based on the above, the present invention provides a modulation frequency.
Speed up by removing the conventional upper limit in number,
Do not affect the high speed even if you take out the appropriate optical output
In addition, it is possible to suppress the vibration of the light output.
To do. [Means for Solving Problems] FIG. 1 shows a semiconductor light emitting device for explaining the principle of the present invention.
FIG. In the figure, 1 is a semiconductor substrate, 2 is an optical waveguide layer, and 3 is
The semiconductor layers forming the amplification section, 4 are gain modulations for mode locking.
The semiconductor layers 5 and 5 block the light output from the amplifier.
Alternatively, a semiconductor that forms a gain modulator that is modulated by transmitting light.
Layers 6, 6 and 7 are reflectors or phases for returning light
The first mirror surface and the second mirror surface, and 8 is amplification
Section, 9 is a gain modulator for mode locking, and 10 is a gain modulator for light intensity modulation.
An optical modulator and an optical modulator 11 are shown respectively. FIG. 2 is a main part of the semiconductor light emitting device shown in FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a signal waveform in FIG. In the figure, 12 is a gain modulation applied to the gain modulator 9.
Signal, 13 is an optical signal immediately below the gain modulator 9, and 14 is an optical signal.
An optical signal directly below the modulator 10 and a gain-modulated signal 12
Synchronization signal (clock pulse) formed based on
16 is a target signal pattern for modulating light, and 17 is a signal pattern.
It is generated by the signal of "1" in the pattern 16 and the synchronizing signal 15.
Generated trigger signal, 18 is "0" in signal pattern 16
Trigger signal generated by the signal and sync signal 15
Is set by trigger signal 17 and reset by trigger signal 18.
The gate signal applied to the gain modulation unit 10 is
The shutter function of the modulator 10 is obtained, that is, the gate signal 19 is "1".
Modulates by transmitting light at the time of and blocking light at the time of "0"
L is the distance between the first mirror surface 6 and the second mirror surface 7.
Distance T is the period of the gain modulation signal 12, respectively. Here, the signal indicated by the broken line in the signal pattern 16 is
“0” is also indicated by the broken line in the optical signal 20 which is the output signal.
The signal shown is blocked by the gain modulator 10 and output to the outside.
Light that does not exist in the optical waveguide layer 2
Refractive index of light in n, speed of light in vacuum is c, period
In T, the light makes one round trip between the first mirror surface 6 and the second mirror surface 7.
The same time (T = 2nL / c) as the time required for By the way, the gain modulator 9 has a cycle T of 2nL / c.
Applying modulation signal 12 to gain modulation,
All the phases of light with different frequencies match
And a pulsed oscillation with a very short time width
I will get up. This is called the mode-locked oscillation state
And activate mode synchronization in the manner described above.
Live mode synchronization. In mode synchronization
The pulse width is, when the full width at half maximum of the optical spectrum is df,
It will be about 1 / df. For example, with 1.3 [μm] light,
When the width of the rule is 1 [nm], df = (3 * 10 ^ 8 / 1.3 * 10 <-6>) * (1 * 10 ^ <-9> /1.3*10 ^ <-6> = 1.77 * 10 ^ 11 Here, <-6> etc. shall indicate the power of square (the same applies below.
Therefore, the pulse width w during mode synchronization is about w = 1 / df = 1 / (1.77 * 10 ^ 11) = 5.6 * 10 ^ <-12> = 5.6 [psec]. Next, since the period T is given by 2nL / c, L = 2 [m
m], n = 3.6, c = 3 * 10 ^ 8, T = 48 [pse
c], which is about 20 GHz in frequency conversion.
The period T changes depending on the distance L. As you can see from the above, mode synchronization
Therefore, a very fast light pulse can be obtained,
Moreover, when it is carried out, the energy during the period T during continuous oscillation is
The total energy equivalent to gi is collected in a light pulse of width w
Therefore, the pulse peak power is T / w times,
High output light pulse and conventional direct modulation
Alternatively, it extracts energy with higher efficiency than external modulation.
be able to. The pulse train of the light generated in this way is represented by symbol 13 and
The optical signal indicated by 14, the optical signal 13 is a sine wave.
Is generated at the moment when the amplitude of the gain modulation signal 12
In addition, the optical signal 14 is
Time required to travel through the gain modulators 9 to 10 in 2
Just delayed. The modulation by the gain modulation signal 12 as described above is performed by, for example, an electric signal.
Current or change the reverse bias current to the pn junction.
Electrically, such as applying a pressure signal to change the absorption rate
Therefore, the synchronization signal 15
The signal pattern that you want to generate and
The trigger signal 17
And pick up 18 Furthermore, depending on the logic circuit,
Set by trigger signal 17 and reset by trigger signal 18.
To generate a gate signal 19, which is then
ANDed with the optical signal 14 which is an optical pulse train applied to the modulator 10.
Is the modulated optical pulse train of interest.
The optical signal 20 is obtained. In the operation described above, the gain modulator 10 is a kind of shutter.
Since it acts like a filter, the waveform of the cut optical pulse is
Has a shape similar to the optical signals 13 and 14, and
Oscillation at the rising edge of an optical pulse as seen by contact modulation
Does not occur at all. Also, according to the prior art, the optical signal 20
To obtain an optical pulse train such as
Of the rising and falling delay time of the gain modulation signal
Sum, that is, t1 + t2 shown in Fig. 9 is not less than T / 2
The means described with reference to FIGS. 1 and 2
If the rise time and the fall time of the optical signal 20
The sum of the intervals is equal to or less than the period T.
A double speedup is achieved with a dynamic device. Further
Further, as described above, the gain modulation signal 12 is a sine wave.
And, as compared with the case of performing light intensity modulation, low energy
Modulation based on Rugi is sufficient, so high frequency is easy
In addition to this, synchronization signal 15, signal pattern
16 and trigger signals 17 and 18 are all used in logic circuits.
Therefore, it is lower than the power used for light intensity modulation.
It is easy to speed up from this aspect as well.
The most difficult thing to speed up here is the gain variation.
The gate signal 19 applied to the adjustment unit 10 is as described above.
As described above, according to the present invention, the speed can be doubled as compared with the conventional one.
You. From the above, the semiconductor light emitting device according to the present invention is
(1) Optical reflectors that face each other and generate laser oscillation.
(For example, the first mirror surface 6 and the second mirror surface 7: see FIG. 1),
The light reflected by the light reflector is guided to cause laser oscillation.
An amplifying section having an amplifying function (for example, amplifying section 8: FIG. 1)
And a light reflector formed between said pair of light reflectors and
The gain or absorption of light in the light emitting layer between the light reflectors
Same as the time period required for the light to make one round trip between the light reflectors.
A first gain modulator that can be changed with a period of less than about
For example, the mode-locking gain modulator 9: see FIG. 1) and the amplification
And extend outside the pair of light reflectors.
Formed in the same way, and gain or absorption in that part
Is the same as the time period required for light to make one round trip between the light reflectors.
A second gain modulator that can be changed with a cycle of less than about
For example, the light intensity modulation gain modulator 10: see FIG. 1),
The first gain modulator, the amplifier, and the second gain modulator
Is a stacked type on a semiconductor substrate (eg substrate 21: see Fig. 5)
The formed light guide layer (for example, light guide layer 22: see FIG. 5)
Light) and the light emitting layer (for example, light emitting layer 23: see FIG. 5) and black.
Consists of a rud layer (eg clad layer 24: see FIG. 5)
Optical waveguide that is continuous over the entire length (for example, optical waveguide layer
2: See FIG. 1) and of the pair of light reflectors
Of these, the light reflector on the side close to the second gain modulator is the half
Periodic irregularities formed at the interface between the conductor substrate and the light guide layer
(For example, the unevenness 32 forming one light reflector: see FIG. 5)
Or (2) a pair of optical reflectors facing each other to cause laser oscillation.
And guide the light reflected by the light reflector to generate laser oscillation.
An amplification section having an amplification function to cause the paired light
Of the light emitting layer formed between the reflectors and between the light reflectors.
Gain or absorption of light is passed between the light reflectors.
Change it at a cycle less than or equal to the time required to recover
To obtain the first gain modulation section and the amplification section, and
Is formed to extend outside the pair of light reflectors, and
The gain or absorption in that part of the light
At a cycle that is less than or equal to the time cycle required to make one round trip
A second gain modulator that can be changed,
The gain modulator, the amplifier, and the second gain modulator are semiconductor substrates.
Light guide layer and light emitting layer and clad formed on top
An optical waveguide composed of layers and continuous over the entire length,
And the second gain modulation of the pair of light reflectors.
The light reflector on the side close to the part includes the semiconductor substrate and the light guide layer.
It is characterized by the periodic unevenness formed at the interface of
In a method of operating a semiconductor light emitting device, the light is the light reflector.
The first cycle is the same as the time cycle required to make one round trip between
The gain or absorption in the gain modulator of the
Mode-locked oscillation depending on the gain and absorption
The second gain modulation with a signal synchronized with the period
By changing the gain or absorption in the department
The purpose is to control the light corresponding to the signal pattern you want to receive.
Signal pattern equivalent to that of light intensity modulation
It is characterized by outputting. [Operation] By adopting the above means, the semiconductor light emitting device is
Synchronous oscillation, extremely short emission time width and repeated
A high-frequency optical pulse can be obtained and mode-locked
Transmitted in synchronization with the light emission cycle of the shaken semiconductor light emitting device
The second control mechanism modulates the signal pattern with
The transmission of light is controlled by the shutter action, and the required optical pulse train is not formed.
Since it outputs a signal pattern that
It is possible. [Embodiment] FIGS. 3 (A) and 3 (B) are main part slopes of one embodiment of the present invention.
FIG. 1 and FIG.
The same symbols used in the figures indicate the same parts or
They have the same meaning. In the figure, 21 is an n-type InP substrate and 22 is an n-type InGaAsP optical module.
Id layer, 23 is an InGaAsP light emitting layer (active layer), and 24 is a p-type InP layer.
Rad layer, 25, 26, 27 are p-type InGaAsP contact layers, 28 is
The electrode of the amplification section, 29 is the electrode of the gain modulation section for mode locking, and 30
Is an electrode of the gain modulator for light intensity modulation, 31 is a common electrode, 33
The reference numerals 34 and 34 are films (not shown) for forming a high light reflection film.
35) is an anti-reflection film (not shown), 46 lines
Reference numeral 47 designates the amplifier 8 and the gain modulator 9, and the amplifier 8 and
Separation grooves for electrically separating the gain modulator 10 respectively,
51 is a p-type InP current block layer, 52 is an n-type InP current block
Layer 53 is made of a silicon dioxide film or a silicon nitride film.
The dielectric films 54, 55, 56 and 57 are provided in the gain modulators 9 and 10.
Isolation groove to reduce the capacitance of the waveguide area
The part including the waveguide, 59 and 60 are the parts not including the optical waveguide
Are shown respectively. In the present embodiment, the substrate 21, the light guide layer 22, the light emitting layer 2
3, the clad layer 24 constitutes an optical waveguide, and this optical waveguide
The gain modulator 9, the amplifier 8, and the gain modulator 10 are continuous.
You. In addition, the grooves 46 and 47 are the portion 59 and the portion not including the optical waveguide.
In 60 and 60, it reaches the substrate 21, but the optical waveguide
In the containing portion 58, the current blocking layer 52 remains.
You. Furthermore, the electrodes 29 and 30 are used for lead bonding.
It should be the minimum required area, as shown in Figure (A).
As you can see, the part on the left side is cut off
You. FIGS. 4A and 4B show another embodiment of the present invention.
It shows a perspective view and a side view of the essential part of the
The same symbols as those used in FIGS. 3 to 3 indicate the same parts.
Or have the same meaning. This embodiment is different from the embodiment described with reference to FIG.
The points do not include the optical waveguides in the gain modulators 9 and 10.
The only difference is that parts 59 and 60 have been removed.
Yes, everything else remains the same. FIG. 5 shows the semiconductor described with reference to FIGS. 3 and 4.
FIG. 1 is an explanatory view of a main part including a light emitting device and necessary devices.
The symbols used in Figures 4 to 4 represent the same parts.
Or have the same meaning. In addition, the semi-conductor shown
The body light emitting device operates according to the embodiment shown in FIGS. 3 and 4.
Is for explaining. In the figure, reference numeral 32 denotes an unevenness (corrugation) which constitutes one of the light reflectors.
33) and 33 and 34 are light reflectors of the other, high light reflection
Dielectric film and metal film forming the film, 35 is a light antireflection film, 36 is
A DC power supply for applying a DC current to the amplification section 8 for amplification.
Source, 37 is a signal generator, and 38 is a clock signal that is a synchronization signal.
Device for forming a rule, 39 is a delay device, and 40 is a signal to be transmitted.
No. signal pattern, 41 is a serial-parallel converter, 42 is
Set signal, 43 is reset signal, 44 is set / reset
・ Flip-flop circuit, 45 is gain modulation for light intensity modulation
Apply a current or voltage that provides sufficient power to drive part 10.
Generated drive circuit, 48 is a DC bias power supply
Is shown. In this structure, the dielectric film 33 is made of silicon dioxide.
Film or silicon nitride film, and the metal film 34
Then, a metal film or the like can be used. In this embodiment, the DC power supply 36 and the DC bias are used.
Power is supplied from the power supply 48 for normal semiconductors.
Laser oscillation similar to laser is performed. In this case, the metal film 34
And the unevenness 32 become a pair of light reflectors to form a resonator.
The cavity length L of the metal film 34 and the dielectric film 33
It becomes the length between the center. Optically, this length and light
The product of the refractive index n of the waveguide, that is, nL is the resonator length. Ma
The gain modulator 9 applies a forward bias voltage to
High frequency is superposed on this to change the positive gain in high frequency.
Operates as a gain modulator, or reverse bias
Voltage is applied, and a high frequency is superimposed on it, and Franz Ke
Use the Franz-Keldish effect and
Operates as a gain modulator that changes gain (absorption) at high frequencies
You can let me make it. Furthermore, regarding the gain modulator 10,
High extinction ratio to light and high speed response
Since it is required to have responsiveness, the backward via
Voltage is applied and the Franz-Keldysh effect is used
It is better to operate as a gain modulator that depends on the absorption.
In the above description, the resonator length L is defined by the metal film 34 and the dielectric.
As the length between the surface of the body membrane 33 and the center of the unevenness 32,
Here, the "center of the unevenness 32" is taken as the unevenness 32
Acts as a mirror over all areas,
Because it has the meaning to represent the average length
You. FIG. 6 is a main part of the semiconductor light emitting device shown in FIG.
2 is a diagram showing a signal waveform in FIG.
The same symbols as those used to indicate the same parts or have the same meaning.
Let's do it. In the figure, 12 is the output of the signal generator 37,
Gain modulation, which is an electrical signal applied to the electrode 29 of the modulator 9
The signal is shown. 13 is an optical signal in the gain modulator 9.
Therefore, it shows the change over time of the light intensity in the light emitting layer 23.
Reference numeral 14 denotes an optical signal in the gain modulator 10 in the light emitting layer 23.
Shows the light intensity of. 15 is the output of the signal generator 37
Clock pulse generator 38 based on gain modulated signal 12
2 shows the sync signal formed in FIG. 15B is synchronous
A signal obtained by delaying the signal 15 by the delay device 39 is shown.
You. 16 is one of the target signal patterns for modulating light
An example is shown. 17 is the theory of the serial-parallel converter 41
Signal and delay of "1" in signal pattern 16
Generated by the synchronized sync signal 15B.
Shows the trigger signal that becomes the set signal for the flip-flop circuit 44.
doing. 18 is also the theory in the serial-parallel converter 41
Signal and delay of "0" in signal pattern 16
Also generated and set with the sync signal 15B
・ Trip that becomes the reset signal of the flip-flop circuit 44
A moth signal is shown. 19 is the rising edge of trigger signal 17
It is set at the edge and the trigger signal 18 rises.
Set-reset flips reset on the edge of
· Obtained from flop circuit 44 and applied to gain modulator 10
The gate signal is shown. 20 applies the gate signal 19
The gain modulator 10 driven via the drive circuit 45.
The optical signal 14 when the gate signal 19 is "1"
Modulated by blocking the optical signal 14 when it is “0”.
Shows the optical signal which is the output corresponding to the signal pattern 16.
ing. The modulation action, that is, absorption, in the gain modulator 10 described above.
The effect is small when the gate signal 19 is at a high level.
On the contrary, increase it when it is at a low level
It is. Therefore, the output designated by the symbol 49 in FIG.
That is, the optical signal 20 seen in FIG.
Equal to the AND of the output signals 19 and is obtained accordingly
Things. In the figure, the waveform shown by the broken line is
Either “0” or absorbed and output to the outside.
It means that it is not possible. Illustrating the dimensions of the main parts shown in FIG. 5,
The metal film 34 that is one mirror surface and the center of the unevenness 32 that is the second mirror surface
The distance L between them is 2 [mm], and the length of the gain modulator 9 is 50 [μ
m], the length of the gain modulator 10 is 200 [μm], and the separation grooves 46, 4
The width of 7,54,55,56,57 is 10 [μm], between the separation grooves 54 and 55,
The width between the separation grooves 56 and 57 is 5 [μm], and
Pitch of convex 32 is 400 [nm], depth is 100 [nm], light guide
Energy band of InGaAsP forming the layers 22 and 23
The size of the gap is 1.15 (μ
m] and 1.3 [μm], and their thickness is 0.1 [μm]
m] and 0.2 [μm], and their widths are both 1 [μm]
is there. In addition, the time period and frequency of each signal are
Signal 12, optical signal 13, optical signal 14, modulated optical signal 20, etc.
The repetition cycle is 56 [psec], that is, about 18 in frequency conversion.
[GHz], the minimum width of the gate signal 19 is 56 [psec].
As already mentioned, under the above configuration and driving conditions
Then, the light that reciprocates in the light emitting layer 32 between the metal film 34 and the unevenness 32
Is a pulsed state as indicated by symbol 13 in FIG.
It has a light intensity distribution. Also, in FIG.
When the indicated modulation signal is 18 GHz, the light in the light emitting layer 23
Spread of at least greater than 5 [Å]
Therefore, when the pulsed light in the light emitting layer 23 is pulsed at this time,
The space is smaller than 12 [psec]. [Effects of the Invention] In the semiconductor light emitting device and its operating method according to the present invention,
The semiconductor light emitting device is
Optical pulse with extremely short width and high repetition frequency
Emitting semiconductor light that is oscillating and is mode-locked
With the signal pattern that you want to transmit in synchronization with the light emission cycle of the device
The gain modulator performs the modulation operation, and its shutter action
A signal pattern that controls the transmission and consists of the required optical pulse train
Is output. According to the present invention, by adopting the above-mentioned configuration,
Compared to surgery, it is possible to perform optical modulation at twice the high speed.
If, for example, a pulse of 56 [psec] is used,
With conventional technology, the RZ (return to zero) signal is approximately 9 [GH
z) was the limit of modulation, but according to the present invention, about 1
Modulation is possible up to 8 [GHz]. In the prior art,
For example, modulation to a level that gives an optical output equivalent to 10 [mW]
However, the pulse width is 5 [GHz] and the duty ratio is 50 [%].
Energy output by a single "1" signal
G is the pulse width (100 [psec]) and output (10 [mW])
The product is 1 [pJ], but according to the present invention, mode synchronization is performed.
1 cycle (200 [psec])
Since the energy between them is concentrated in one pulse, double the energy
It is possible to transmit nergie (2 [picojoules])
is there. Furthermore, in the prior art, when direct modulation is performed,
In this case, the vibration of the output optical signal was a problem, but the present invention
According to, such vibration does not occur.

【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の原理を説明する為の半導体発光装置の
要部切断側面図、第2図は第1図に見られる半導体発光
装置の主要部分に於ける信号波形を示す線図、第3図
(A)及び(B)は本発明一実施例の要部斜面図及び要
部切断側面図、第4図(A)及び(B)は本発明に於け
る他の実施例の要部斜面図及び要部切断側面図、第5図
は第3図及び第4図に見られる実施例の動作を説明する
為の半導体発光装置及び必要な装置の要部説明図、第6
図は第5図に見られる半導体発光装置の主要部分に於け
る信号波形を示す線図、第7図及び第8図は従来技術を
説明する為の要部回路図、第9図(A)及び(B)と第
10図(A)及び(B)は入出力の波形を示す線図をそれ
ぞれ表している。 図に於いて、1は半導体基板、2は光導波路層、為の利
得変調部を成す半導体層、5は増幅部から出力される光
を遮断或いは透過することで変調する利得変調部を成す
半導体層、6及び7は光を帰還する為の反射器或いはそ
れに相当するものであって第一鏡面及び第二鏡面、8は
増幅部、9はモード同期用利得変調部、10は光強度変調
用利得変調部、11は光出力部、12は利得変調部9に印加
される利得変調信号、13は利得変調部9の直下に於ける
光信号、14は利得変調部10の直下に於ける光信号、15は
利得変調信号12を基にして形成された同期信号(クロッ
ク・パルス)、16は光を変調する為の目的とする信号パ
ターン、17は信号パターン16に於ける“1"の信号並びに
同期信号15で生成されたトリガ信号、18は信号パターン
16に於ける“0"の信号並びに同期信号15とで生成された
トリガ信号、19はトリガ信号17でセットされ且つトリガ
信号18でリセットされる利得変調部10に印加されるゲー
ト信号、20は利得変調部10のシャッタ作用、即ち、ゲー
ト信号19が“1"の時に光を透過し、“0"の時に光を遮断
する作用で変調された光信号、Lは第一鏡面6及び第二
鏡面7間の距離、Tは利得変調信号12の周期をそれぞれ
示している。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a sectional side view of a main part of a semiconductor light emitting device for explaining the principle of the present invention, and FIG. 2 is a signal in a main part of the semiconductor light emitting device shown in FIG. Waveform diagrams, FIGS. 3 (A) and 3 (B) are a perspective view and a sectional side view of a main part of one embodiment of the present invention, and FIGS. 4 (A) and 4 (B) are the present invention. FIG. 5 is a perspective view of a main part of another embodiment and a side view of the main part cut off. FIG. 5 is a semiconductor light-emitting device for explaining the operation of the embodiment shown in FIG. 3 and FIG. Figure, 6th
5 is a diagram showing signal waveforms in the main part of the semiconductor light emitting device shown in FIG. 5, FIGS. 7 and 8 are circuit diagrams of main parts for explaining the prior art, and FIG. 9 (A). And (B) and
FIGS. 10A and 10B are diagrams showing input / output waveforms, respectively. In the figure, 1 is a semiconductor substrate, 2 is an optical waveguide layer, a semiconductor layer that constitutes a gain modulation section, and 5 is a semiconductor that constitutes a gain modulation section that modulates light output from the amplification section by blocking or transmitting it. Layers 6 and 7 are reflectors for returning light or equivalents thereof, and a first mirror surface and a second mirror surface, 8 is an amplifying section, 9 is a mode-locking gain modulating section, and 10 is a light intensity modulating section. A gain modulation section, 11 is an optical output section, 12 is a gain modulation signal applied to the gain modulation section 9, 13 is an optical signal directly below the gain modulation section 9, and 14 is an optical signal directly below the gain modulation section 10. Signal, 15 is a synchronization signal (clock pulse) formed based on the gain modulation signal 12, 16 is a target signal pattern for modulating light, and 17 is a signal of "1" in the signal pattern 16. And the trigger signal generated by the sync signal 15, and 18 is the signal pattern
The trigger signal generated by the signal of "0" in 16 and the synchronization signal 15, 19 is the gate signal applied to the gain modulator 10 which is set by the trigger signal 17 and reset by the trigger signal 18, and 20 is The optical signal modulated by the shutter action of the gain modulator 10, that is, the action of transmitting light when the gate signal 19 is "1" and blocking the light when the gate signal 19 is "0", L is the first mirror surface 6 and the second The distance between the mirror surfaces 7 and T indicate the period of the gain modulation signal 12, respectively.

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 1.対向して対をなしレーザ発振を起こさせる光反射器
と、 該光反射器で反射される光を導波してレーザ発振を起こ
させる増幅機能を有する増幅部と、 前記対をなす光反射器の間に形成され且つ該光反射器間
に在る発光層の光に対する利得或いは吸収を該光が該光
反射器間を一往復するに要する時間周期と同程度以下の
周期で変化させ得る第一の利得変調部と、 前記増幅部と連続すると共に前記対をなす光反射器の外
側に延在して形成され、且つ、その部分に於ける利得或
いは吸収を光が該光反射器間を一往復するに要する時間
周期と同程度以下の周期で変化させ得る第二の利得変調
部とを備え、 前記第一の利得変調部及び増幅部及び第二の利得変調部
は半導体基板上に積層形成された光ガイド層及び発光層
及びクラッド層で構成されて全長に亙って連続する光導
波路をなし、且つ、前記対をなす光反射器のうち前記第
二の利得変調部に近い側の光反射器は前記半導体基板と
光ガイド層との界面に形成された周期的凹凸であること を特徴とする半導体発光装置。 2.対向して対をなしレーザ発振を起こさせる光反射器
と、該光反射器で反射される光を導波してレーザ発振を
起こさせる増幅機能を有する増幅部と、前記対をなす光
反射器の間に形成され且つ該光反射器間に在る発光層の
光に対する利得或いは吸収を該光が該光反射器間を一往
復するに要する時間周期と同程度以下の周期で変化させ
得る第一の利得変調部と、前記増幅部と連続すると共に
前記対をなす光反射器の外側に延在して形成され、且
つ、その部分に於ける利得或いは吸収を光が該光反射器
間を一往復するに要する時間周期と同程度以下の周期で
変化させ得る第二の利得変調部とを備え、前記第一の利
得変調部及び増幅部及び第二の利得変調部は半導体基板
上に積層形成された光ガイド層及び発光層及びクラッド
層で構成されて全長に亙って連続する光導波路をなし、
且つ、前記対をなす光反射器のうち前記第二の利得変調
部に近い側の光反射器は前記半導体基板と光ガイド層と
の界面に形成された周期的凹凸であることを特徴とする
半導体発光装置の動作方法に於いて、 光が前記光反射器間を一往復するに要する時間周期と同
じ周期で前記第一の利得変調部に於ける利得或いは吸収
を変化させることに依ってモード同期発振を行わせ、 その利得或いは吸収を変化させる周期に同期した信号で
前記第二の利得変調部に於ける利得或いは吸収を変化さ
せることに依って送信したい信号パターンに対応する光
の制御を行い目的とする信号で光強度変調されたのと等
価な信号パターンを出力させること を特徴とする半導体発光装置の動作方法。
(57) [Claims] A pair of light reflectors facing each other to generate laser oscillation, an amplification section having an amplification function of guiding light reflected by the light reflector to cause laser oscillation, and the pair of light reflectors Between the light reflectors formed between the light reflectors and changing the gain or absorption of the light in a period equal to or less than the time period required for the light to make one round trip between the light reflectors. One gain modulator and the amplifier are formed to extend outside the pair of light reflectors that are continuous with the amplification unit, and the light gains or absorbs light in that portion between the light reflectors. A second gain modulator that can be changed at a period equal to or less than the time period required for one round trip, wherein the first gain modulator, the amplifier, and the second gain modulator are laminated on a semiconductor substrate. Comprised of the formed light guide layer, light emitting layer and clad layer The optical reflector that forms a continuous optical waveguide and that is closer to the second gain modulation portion of the pair of optical reflectors is formed at the interface between the semiconductor substrate and the optical guide layer. A semiconductor light-emitting device having periodical irregularities. 2. A pair of light reflectors facing each other to generate laser oscillation, an amplification section having an amplifying function to guide light reflected by the light reflector to cause laser oscillation, and the pair of light reflectors Between the light reflectors formed between the light reflectors and changing the gain or absorption of the light in a period equal to or less than the time period required for the light to make one round trip between the light reflectors. One gain modulation section and the amplification section are formed to extend outside the pair of light reflectors that are continuous with each other, and the gain or absorption at that portion causes light to pass between the light reflectors. A second gain modulator that can be changed at a period equal to or less than the time period required to make one round trip, and the first gain modulator, the amplifier, and the second gain modulator are laminated on a semiconductor substrate. It is composed of the formed light guide layer, light emitting layer and clad layer, Without an optical waveguide consecutive Te,
The light reflector on the side closer to the second gain modulator of the pair of light reflectors is a periodic unevenness formed at the interface between the semiconductor substrate and the light guide layer. In the method of operating a semiconductor light emitting device, a mode is obtained by changing the gain or absorption in the first gain modulator at the same period as the time required for light to make one round trip between the light reflectors. By controlling the gain or absorption in the second gain modulation section with a signal synchronized with the period in which synchronous oscillation is performed and the gain or absorption is changed, the control of light corresponding to the signal pattern to be transmitted is performed. A method for operating a semiconductor light-emitting device, which is characterized in that a signal pattern equivalent to that obtained by light intensity modulation with a target signal is output.
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