JP2900529B2 - 半導体レーザの高周波応答特性測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は半導体レーザの強度変調または周波数変調に
おける高周波応答特性を測定する装置に関する。

〔従来の技術〕

光ファイバ通信の高速化にともなって、光源となる半
導体レーザの高周波変調の応答特性を正確に評価するこ
とがますます重要となってきている。強度変調や周波数
変調を行ったときの数GHz以上の高周波領域での応答特
性を測定するに当たって問題となるのは、半導体レーザ
素子やマウントの浮遊容量である。すなわち、通常半導
体レーザの高周波応答特性は、被測定半導体レーザの駆
動電流を直接変調する方法で測定されているために、浮
遊容量による影響がさけられない。このためにより高周
波になるほど本来の応答特性を正確に測定することが難
しくなる。そこでこの浮遊容量の影響を受けない高周波
応答特性の測定する方法として、被測定半導体レーザを
電流で変調する代わりに、外部からの変調されたレーザ
光で変調する方法が開発された。

第６図にこの従来例を示す。この測定方法について
は、C.H.LANGEらの論文（C.H.Lange et.al.,Electron.L
ett.24 pp1131−1132,1988）に詳しく説明されているの
で、ここでは簡単に説明しておく。まず被測定半導体レ
ーザ10には、ポンプ用の半導体レーザ20からの変調され
たレーザ光（以下ポンプ光）が被測定半導体レーザ10の
端面から注入される。ポンプ光はネットワークアナライ
ザ80のポート１から出力される変調電流によって直接変
調される。この注入されたポンプ光による誘導放出によ
って被測定半導体レーザ10の活性領域内のキャリア密度
が変調され、そこから出射される被測定光が変調され
る。ポンプ光の偏波面をTM偏波にして被測定光の偏波面
と直交させるために1/2波長板95を用いている。被測定
半導体レーザ10から反射されるポンプ光は偏光ビームス
プリッタ40で反射するため、受光器70には被測定光だけ
が入射する。受光器70から発生する電気信号はネットワ
ークアナライザ80のポート２に入り、高周波応答特性が
測定される。ネットワークアナライザ80は、変調された
ポンプ光を直接受光器70に入れたときの値を基準とする
ことで更正される。なおポンプ光の波長は被測定半導体
レーザ10の利得幅内にあればよい。

〔発明が解決しようとする課題〕

上述した従来例は、浮遊容量の影響を受けない半導体
レーザの強度変調における高周波応答特性の測定方法と
して有効な方法であるが、いくつかの改良すべき点を有
している。まずポンプ光の偏波を注入時にTM偏波に調整
する必要があるという問題がある。つまり、通常測定さ
れる半導体レーザはTE偏波で発光しているために、ポン
プ光はTM偏波で注入する必要がある。この調整のため1/
2波長板95を用いている。さらにTM偏波での注入では、
量子井戸半導体レーザを測定する場合に、測定感度が大
きく劣化するという問題がある。それは量子井戸半導体
レーザでは、TM偏波光に対する利得がTE偏波光に対する
利得と比べて非常に小さいため、ポンプ光による変調効
率が低下するからである。次に、従来例では強度変調特
性は測定できるが、周波数変調特性は測定できないとい
う問題がある。高周波領域での周波数変調特性の評価
は、例えばコヒーレント光通信への応用において非常に
重要である。

本発明の目的は、上述の従来例を改良し、ポンプ光の
偏波調整の問題を改善して周波数変調応答特性の測定を
可能とし、浮遊容量に影響されないで半導体レーザの高
周波変調の応答特性を測定できる装置を提供することで
ある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の半導体レーザ高周波応答特性測定装置は３つ
ある。

１つは、変調されたポンプ光を発生するポンプ光発生
系と、変調された前記ポンプ光を被測定半導体レーザに
導く光学系と、前記被測定半導体レーザから出射される
被測定光と前記ポンプ光とを分離する波長フィルタと、
分離された前記被測定光を受光する受光器と、前記受光
器から発生する電気信号と前記変調ポンプ光発生に用い
た変調信号との比を測定する測定系とを少なくとも含む
ことを特徴とする装置である。

２つ目は、変調されたポンプ光を発生するポンプ光発
生系と、変調された前記ポンプ光を被測定半導体レーザ
に導く光学系と、前記被測定半導体レーザから出射され
る被測定光と前記ポンプ光とを分離する光学系と、分離
された前記被測定光の周波数変化を強度変化に変換する
光周波数強度変換器と、前記光周波数強度変換器からの
光出力を受光する受光器と、前記受光器から発生する電
気信号と前記変調ポンプ光発生に用いた変調信号との比
を測定する測定系とを少なくとも含むことを特徴とする
装置である。

３つ目は、変調されたポンプ光を発生するポンプ光発
生系と、変調さた前記ポンプ光を被測定半導体レーザに
導く光学系と、前記被測定半導体レーザから出射される
被測定光の周波数変化を強度変化に変換する光周波数強
度変換器と、前記光周波数強度変換器からの光出力を受
光する受光器と、前記受光器から発生する電気信号と前
記変調ポンプ光発生用の変調信号との比を測定する測定
系とを少なくとも含み、前記光周波数強度変換器を干渉
型周波数フィルタで構成し、かつ、前記ポンプ光の中心
周波数を前記光周波数強度変換器の非透過周波数領域に
設定したことを特徴とする装置である。

〔実施例〕

次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は、本発明の第１の実施例を説明するための図
である。

第６図に示した従来例との主な違いは、ポンプ光をTM
偏波とするような調整を行わない点である。そのため従
来例の偏光ビームスプリッタ40を通常のハーフミラー30
で置き換えている。1/2波長板も必ずしも必要ではな
い。ポンプ光がTM偏波である必要がないため、被測定半
導体レーザ10が量子井戸半導体レーザの場合も、ポンプ
光をTE偏波とすることで、充分な変調効率が得られる。
本実施例では、被測定半導体レーザ10から反射したポン
プ光が受光器70に入射するのを防ぐために、波長フィル
タ50を用いてポンプ光をカットしている。ここでは波長
フィルタ50として誘電体多層膜の干渉フィルタを用い
た。ポンプ光の波長は被測定半導体レーザ10の利得波長
範囲（例えば1.5μｍ帯では数10nmの幅がある）にあれ
ばよい。したがって波長フィルタ50の波長選択特性がシ
ャープでない場合でも、ポンプ光の波長を被測定半導体
レーザ10の波長からある程度ずらせば、受光器70に入射
するポンプ光を十分カットできる。波長フィルタとして
は、この他に回析格子型波長フィルタなどを用いること
もできる。

ポンプ光発生系は、図示の如く、ポンプ用半導体レー
ザ20とネットワークアナライザ80で構成した。ポンプ用
半導体レーザに変調信号を供給するネットワークアナラ
イザは、測定系も兼ねており、ポンプ光発生系と測定系
を１つの装置で兼用した構成である。もちろん、ポンプ
光発生系にスイープジェネレータ等を用い、測定系とポ
ンプ光発生系とを別々に構成してもよい。

この装置を用いて被測定半導体レーザ10の強度変調に
おける高周波応答特性を測定する方法は、基本的に上述
の従来例の方法と同じであるが、以下に簡単に説明す
る。被測定半導体レーザ10には、波長1.55μｍのファブ
リペロー型量子井戸半導体レーザを用いた。またポンプ
用の半導体レーザ20には変調帯域が15GHz以上ある波長
1.54μｍの分布帰還型半導体レーザを用いた。まずポン
プ光をネットワークアナライザ80のポート１からの変調
電流によって直接強度変調する。強度変調されたポンプ
光はレンズ100で平行ビームとした後、アイソレータ90
を通り、ハーフミラー30で反射し、被測定半導体レーザ
10に端面から注入する。この注入されたポンプ光による
誘導放出によって被測定半導体レーザ10のキャリアが変
調され、そこから出射される被測定光が変調される。こ
の時ポンプ光の偏波面を被測定光の偏波面と必ずしも直
交させる必要はない。むしろこの場合のように被測定半
導体レーザ10が量子井戸半導体レーザの場合は、ポンプ
光をTE偏波として注入する方がよい。被測定半導体レー
ザ10から出射される被測定光と反射されるポンプ光とは
ともにハーフミラー30とアイソレータ91を通過させた
後、波長フィルタ50に入射させる。ここでポンプ光だけ
をカットし、受光器70には被測定光だけを入射させる。
受光器70から発生する電気信号はネットワークアナライ
ザ80のポート２に入れ、高周波応答特性を測定する。ネ
ットワークアナライザ80は、変調されたポンプ光を直接
受光器70に入れたときの値を基準とすることで更正す
る。

この装置では、マウントなどの浮遊容量の影響を受け
ずに、20GHz以上の高周波領域まで、量子井戸半導体レ
ーザの強度変調における高周波応答特性を測定すること
が可能である。

第２図は、本発明の第２の実施例を説明するための図
である。第６図に示した従来例との主な違いは、光周波
数強度変換器60が受光器70の前に導入されたことであ
る。光周波数強度変換器60としては、第３図（ａ）に示
すように、LiNbO₃基板にTi拡散によって形成した光路長
の異なる２つの光導波路110を有する干渉型周波数フィ
ルタを用いた。このフィルタの透過率特性は第３図
（ｂ）に示すように、入射する光の周波数によって周期
的に変化する。干渉型周波数フィルタの自由スペクトル
レンジは50GHzとした。第３図（ｂ）のＡ点に被測定光
の中心周波数（波長）を設定すれば、被測定光の周波数
変化を強度変化に変換して取り出すことができる。すな
わち、被測定半導体レーザ10の周波数変調特性を測定で
きる。被測定光の中心周波数の設定は、被測定半導体レ
ーザ10の温度をわずかに変化させることで行うことがで
きる。あるいは周波数チューニング機構のついたファブ
リペロー干渉計のような周波数可変型の干渉型周波数フ
ィルタを使用して、透過率特性を変化させることもでき
る。他の点は上述の従来例と同じである。

この装置を用いて被測定半導体レーザ10の周波数変調
における光高周波応答特性を測定するには、基本的に上
述の従来例や第１の実施例で述べた強度変調における高
周波応答特性を測定する方法と同じであるため、詳しい
説明は省略する。ただしこの実施例では、強度変調した
ポンプ光を注入することで、被測定半導体レーザ10は強
度変調と同時に周波数変調されている。したがって、光
周波数強度変換器60からの変調出力には、強度変調と周
波数変調の成分が足し合わされている。しかし一般に半
導体レーザの周波数変調効率はかなり高いため、強度変
調成分の影響は小さい。もし強度変調成分の影響が無視
できない場合には、測定を第３図（ｂ）に示した光周波
数強度変換器60の動作点のＡとＡ′の２点で行い、得ら
れた２つの応答特性の差を調べれば強度変調の影響を除
去できる。それは、例えばＡ点で強度変調成分に周波数
変調成分が足し合わさっているとすると、Ａ′点は周波
数変調成分の位相が反転するために強度変調成分から周
波数変調成分が引かれるためである。

この装置では、マウントなどの浮遊容量の影響を受け
ずに、20GHz以上の高周波領域まで、半導体レーザの周
波数変調における高周波応答特性を測定することが可能
である。

次に第３の実施例を説明する。この装置は（図示して
はいないが）、上述の第１の実施例に、第２の実施例で
用いた光周波数強度変換器60を用いて、周波数変調特性
を測定する装置である。つまり、第１図に示した第１の
実施例の波長フィルタ50と受光器70との間に光周波数変
換器60を導入して、被測定光の周波数変化を強度変化に
変換して測定する装置である。他の部分は第１の実施例
と同じである。被測定光とポンプ光とは波長フィルタ50
を用いて分離する。この実施例は基本的に第２の実施例
と同じである。この装置においても第２の実施例とほぼ
同じ効果が得られる。さらにこの実施例では、ポンプ光
をTM偏波で入射させる必要がないために、量子井戸半導
体レーザの周波数変調特性も測定できる。

第４図は、本発明の第４の実施例を説明するための図
である。上述の第３の実施例と異なる点は、本実施例に
おいては波長フィルタ50が不要な点である。他の構成は
第３の実施例と同じである。

本発明のポイントである、波長フィルタを用いずにポ
ンプ光を分離し被測定光だけを受光器70に入射させる方
法を、第５図を用いて以下に説明する。第５図は、本実
施例の光周波数強度変換器60として用いた干渉型周波数
フィルタの透過率特性である（第３図と同じもの）。透
過特性は入射光の周波数によって周期的に変化し、透過
率がゼロに近い非透過周波数領域が存在する。そこでま
ず、被測定光の中心周波数をＡ点に合わせる。これは第
２および第３の実施例と同じである。次にポンプ光の中
心周波数を非透過周波数領域のひとつにあるＢ点に合わ
せる。これはポンプ光の温度を変えることで容易に実現
できる。第５図から明らかなように、Ｂ点では透過率が
非常に小さいために、ポンプ光はほとんど透過しない。
Ｂ点は周期的に繰り返される非透過周波数領域のどこに
とってもよいが、被測定半導体レーザ10の利得幅内に入
る必要がある。このように本実施例では、光周波数強度
変換器60の特性を利用し、かつポンプ光の周波数を上述
のように設定することで、光周波数強度変換器60に波長
フィルタの役割も兼ねさせている。このために、第２お
よび第３の実施例で用いた様な波長フィルタが不用とな
り、装置が簡単になるという利点がある。ただしポンプ
光の周波数を精度よく設定する必要はある。

この装置を用いた周波数変調の高周波応答特性の測定
方法は基本的に第２および第３の実施例と同じである。
この装置においても第３の実施例とほぼ同じ効果が得ら
れる。

なお、上述の４つの実施例においては、被測定半導体
レーザ10に注入するポンプ光の変調方法として、ポンプ
用の半導体レーザ20を直接電流変調する構成を用いた
が、ポンプ用の半導体レーザ20を直流駆動して得られた
レーザ光を高速の光強度変調器で変調する構成としても
よい。この場合は一般的に、半導体レーザの直接変調の
場合よりも良好な変調特性のポンプ光が得られるという
利点がある。またいずれの実施例においても、不用な反
射光の影響を避けるためにアイソレータ90,91を用いた
が、反射の影響に注意すれば必ずしも使用する必要はな
い。また、光学系に関しては、実施例のようなレンズ10
0を用いた空間伝播的な結合系でなく、光ファイバを用
いた結合系で光学系を構成することも可能である。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明によれば、浮遊容量に影響
されないで半導体レーザの20GHz以上までの強度変調あ
るいは周波数変調の高周波応答特性が設定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を説明するための図、第
２図は第２の実施例を説明するための図、第３図は光周
波数強度変換器の構造と透過率特性を表す図、第４図は
第４の実施例を説明するための図、第５図は第４の実施
例の動作を説明するための図、第６図は従来例を説明す
るための図である。 図において、10は被測定半導体レーザ、20はポンプ用の
半導体レーザ、30はハーフミラー、40は偏光ビームスプ
リッタ、50は波長フィルタ、60は光周波数強度変換器、
70は受光器、80はネットワークアナライザ、90,91はア
イソレータ、95は1/2波長板、100はレンズ、110は光導
波路である。

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】変調されたポンプ光を発生するポンプ光発
   生系と、変調された前記ポンプ光を被測定半導体レーザ
   に導く光学系と、前記被測定半導体レーザから出射され
   る被測定光と前記ポンプ光とを分離する波長フィルタ
   と、分離された前記被測定光を受光する受光器と、前記
   受光器から発生する電気信号と前記変調ポンプ光発生に
   用いた変調信号との比を測定する測定系とを少なくとも
   含むことを特徴とする半導体レーザの高周波応答特性測
   定装置。
2. 【請求項２】変調されたポンプ光を発生するポンプ光発
   生系と、変調された前記ポンプ光を被測定半導体レーザ
   に導く光学系と、前記被測定半導体レーザから出射され
   る被測定光と前記ポンプ光とを分離する光学系と、分離
   された前記被測定光の周波数変化を強度変化に変換する
   光周波数強度変換器と、前記光周波数強度変換器からの
   光出力を受光する受光器と、前記受光器から発生する電
   気信号と前記変調ポンプ光発生に用いた変調信号との比
   を測定する測定系とを少なくとも含むことを特徴とする
   半導体レーザの高周波応答特性測定装置。
3. 【請求項３】変調されたポンプ光を発生するポンプ光発
   生系と、変調された前記ポンプ光を被測定半導体レーザ
   に導く光学系と、前記被測定半導体レーザから出射され
   る被測定光の周波数変化を強度変化に変換する光周波数
   強度変換器と、前記光周波数強度変換器からの光出力を
   受光する受光器と、前記受光器から発生する電気信号と
   前記変調ポンプ光発生用の変調信号との比を測定する測
   定系とを少なくとも含み、前記光周波数強度変換器を干
   渉型周波数フィルタで構成し、かつ、前記ポンプ光の中
   心周波数を前記光周波数強度変換器の非透過周波数領域
   に設定したことを特徴とする半導体レーザの高周波応答
   特性測定装置。