JP2973943B2 - モード同期半導体レーザ及びその駆動方法 - Google Patents

モード同期半導体レーザ及びその駆動方法

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    • H01S5/026—Monolithically integrated components, e.g. waveguides, monitoring photo-detectors, drivers
    • H01S5/0265—Intensity modulators

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超高速光通信に用
いられる超短光パルス列を発生させるモード同期半導体
レーザに関し、特に、モード同期動作の最適化に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】近年、超高速の光通信の基本技術とし
て、数十ＧＨｚの繰り返し周波数を有するフーリエ変換
リミットに近い光パルス列を発生させる技術や、伝送波
長に見合う発振波長を制御する技術の実現が望まれてい
る。
【０００３】上記の技術を実現する光オシレータの１つ
として、従来より、可飽和吸収領域及び利得領域に加え
て、発振波長を制御するための分布ブラッグ反射領域と
その波長を連続的に制御するための位相調整領域とが集
積化された４セクション電極構造のモード同期半導体レ
ーザが用いられており、例えば、１９９３年、荒平らに
よって、アイ・イー・イー・イー・フォトニクス・テク
ノロジー・レターズ、第５巻１２号、１３６２〜１３６
５頁（S.Arahira et al.,IEEE Photonics Technogy Let
ters vol.5,no.12,pp.1362〜1365,1993）に掲載された
論文の中でその一例が述ベられている。
【０００４】図３は、従来のモード同期半導体レーザの
一構成例を示す断面図である。
【０００５】本従来例は図３に示すように、基板６１上
に、クラッド層５２、導波層２、クラッド層５１、キャ
ップ層４１及び電極３１が順次形成され、また、基板６
１裏面に電極３２が形成されているものであり、導波層
２は、可飽和吸収領域１１及び利得領域１２において活
性層２２となっており、分布ブラッグ反射領域１５及び
位相調整領域１６において非吸収導波層２３となってい
る。なお、活性層２２においては、井戸層がＩｎＧａＡ
ｓ、障壁層がＩｎＧａＡｓＰでそれぞれ構成される多重
量子井戸構造であり、非吸収導波層２３においては、Ｉ
ｎＧａＡｓＰのバルクで吸収端波長が１．３μｍであ
る。また、分布ブラッグ反射領域１５においては、非吸
収導波層２３とクラッド層５１との境界に回折格子２６
が形成されている。
【０００６】上記のように構成されたモード同期半導体
レーザにおいては、可飽和吸収領域１１に逆バイアス電
圧が印加され、利得領域１２に電流が注入されることに
より、適切な条件のもとでモード同期動作が実現され、
分布ブラッグ反射領域１５において光の周波数帯域幅が
制限されるので、モード同期動作に寄与しない縦モード
が抑制され、フーリエ変換リミットに近い短パルス特性
が得られている。
【０００７】また、分布ブラッグ反射領域１５及び位相
調整領域１６に対する電流注入条件により、発振波長の
連続的な制御が可能となっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】一般的に、モード同期
半導体レーザにおいては、光通信の応用上、光パルス列
の繰り返し周波数の精度や動作の安定度を高めるため
に、安定化高周波電源による電気的な制御が必要であ
り、従来のモード同期半導体レーザにおいては、可飽和
吸収領域に高周波信号と逆バイアス電圧とを重畳させる
方法が用いられている。この高周波重畳の方法において
は、高周波信号を効率よく注入するために寄生容量の低
減やインピーダンス整合等による高周波回路の最適化が
必要である。
【０００９】しかしながら、高周波信号の注入効率が向
上するように可飽和吸収領域を設計した場合、領域長あ
るいはバイアス電圧等の条件が可飽和吸収動作を起こす
最適範囲からずれてしまう虞れがある。
【００１０】本発明は、上述したような従来の技術が有
する問題点に鑑みてなされたものであって、領域長ある
いはバイアス電圧等の条件を可飽和吸収動作が起きる最
適範囲に維持したままで、高周波数信号の注入効率を向
上させることができるモード同期半導体レーザ及びその
駆動方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、集積型のモード同期半導体レーザにおい
て、光の強さに応じてその領域の光吸収係数が変化する
可飽和吸収領域と、該可飽和吸収領域と同一組成を具備
する利得領域と、該利得領域の発振波長よりも短波長側
に吸収端波長を具備する非吸収導波路領域と、前記利得
領域の発振波長と前記非吸収導波路領域の吸収端波長と
の中間に吸収端波長を具備する電界吸収変調領域と、該
非吸収導波路と同一の組成であって回折格子構造を具備
する分布ブラッグ反射領域とが、この順に一直線状に配
置され、１つの導波路上でそれぞれ光学的に結合されて
いることを特徴とする。
【００１２】また前記モード同期半導体レーザの駆動方
法であって、前記可飽和吸収領域に対して直流逆バイア
ス電圧を印加し、前記利得領域に対して直流電流を注入
し、前記電界吸収領域に対して、直流逆バイアス電圧と
正弦波変調電圧とを重畳して印加することを特徴とす
る。 （作用）上記のように構成された本発明においては、利
得領域の発振波長と非吸収導波路領域の吸収端波長との
中間に吸収端波長を具備する電界吸収変調領域が設けら
れ、光パルス幅が最小になるように、可飽和吸収領域の
領域長及び材料組成が設計され、また、高周波注入の効
率および変調度が最適になるように、電界吸収変調領域
の領域長及び材料組成が設計されるので、高周波信号の
注入効率が向上するように可飽和吸収領域を設計する必
要がなく、領域長あるいはバイアス電圧等の条件が可飽
和吸収動作を起こす最適範囲からずれてしまうことはな
い。
【００１３】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。
【００１４】図１は、本発明のモード同期半導体レーザ
の実施の一形態を示す断面図である。
【００１５】本形態は図１に示すように、基板６１上
に、ｎ側クラッド層５２、導波層２、ｐ側クラッド層５
１、キャップ層４１及びｐ側電極３１が順次形成され、
また、基板６１裏面にｎ側電極３２が形成されているも
のであり、導波層２は、可飽和吸収領域１１及び利得領
域１２において活性層２２となっており、非吸収導波路
領域１３及び分布ブラッグ反射領域１５において非吸収
導波層２３，２４となっており、電界吸収変調領域１４
において電界吸収層２５となっている。なお、非吸収導
波層２３，２４における吸収端波長は、活性層２２にお
ける発振波長よりも短波長側にあり、電界吸収層２５に
おける吸収端波長は、非吸収導波層２３，２４における
吸収端波長と活性層２２における発振波長との中間にあ
る。また、分布ブラッグ反射領域１５においては、非吸
収導波層２４とｐ側クラッド層５１との境界に回折格子
２６が形成されている。
【００１６】本発明における最も大きな特徴は、領域長
と材料組成が、可飽和吸収領域１１においては光パルス
幅が最小になるように、また、電界吸収変調領域１４に
おいては高周波注入の効率および変調度が最適になるよ
うに各々の領域で独立して設計されている点である。
【００１７】図２は、図１に示したモード同期半導体レ
ーザにおける電流注入、逆バイアス印加及び高周波注入
のための配線の一例を示す図である。
【００１８】直流電流源７１から利得領域１２に対して
電流を注入するとともに、直流電圧源７４から可飽和吸
収領域１１に対して逆バイアス電圧を印加することによ
って、モード同期半導体レーザはモード同期動作する
が、その際、可飽和吸収領域１１に対して直流電圧源７
４から印加する逆バイアス電圧においては、光パルス幅
が最小になるように設定する。この条件を維持したまま
で、電界吸収変調領域ｌ４において、安定化高周波電源
７６からの変調信号が効率よく注入されるように直流電
圧源７５のバイアス条件を設定する。ここで、安定化高
周波電源７６から電界吸収変調領域１４までの回路にお
いては、インピーダンス整合がとられている。なお、直
流電圧源７３から分布ブラッグ反射領域１５に電流が注
入されることにより非吸収導波層２４内のキャリア密度
が増加すると、屈折率が減少してブラッグ波長が短波長
側ヘシフトするため、電流注入量により発振波長が制御
される。
【００１９】以下に、図１に示したモード同期半導体レ
ーザを図２に示した配線により動作させた場合の具体例
について説明する。
【００２０】可飽和吸収領域１１を７５μｍ、利得領域
１２を５００μｍ、非吸収導波路領域ｌ３を３８５０μ
ｍ、電界吸収変調領域１４を１００μｍ、分布ブラッグ
反射領域１５を３００μｍとし、全素子長を約４８００
μｍとした。基板６１、ｎ側クラッド層５２及びｐ側ク
ラッド層５１はＩｎＰ、導波層２はＩｎＧａＡｓ／Ｉｎ
ＧａＡｓＰ多重量子井戸、キャップ層４１はＩｎＧａＡ
ｓでそれぞれ構成されている。活性層２２は、バルクで
の吸収端波長に換算して１．５５μｍとなるように厚さ
１０ｎｍのＩｎＧａＡｓ井戸層が６層と厚さ４ｎｍのＩ
ｎＧａＡｓＰ（吸収端波長１．２μｍ）障壁層が５層積
層された構造とした。同様に、各領域の組成はバルクで
の吸収端波長に換算して非吸収導波路２３，２４が１．
３μｍ、電界吸収層２５が１．４８μｍとなるようにＩ
ｎＧａＡｓ井戸層とＩｎＧａＡｓＰ障壁層の厚さを設計
した。回折格子２６は周期が２４４ｎｍ、振幅が１００
ｎｍである正弦波状の凹凸を形成することにより得られ
た。
【００２１】上記のように構成されたモード同期半導体
レーザにおいて、可飽和吸収領域１１に約−１Ｖの逆バ
イアス電圧を印加し、利得領域１２に約１００ｍＡの電
流を注入し、電界吸収変調領域１４に逆バイアス約−２
Ｖ、入力パワーが約７ｄＢｍで１０ＧＨｚの正弦波変調
電圧を重畳すると、光パルス幅が約３ｐｓ、発振波長幅
が約０．８ｎｍでほぼフーリエ変換リミットの光パルス
出力が得られた。また、タイミングジッタは約０．４ｐ
ｓとなった。
【００２２】
【発明の効果】以上説明したように本発明においては、
利得領域の発振波長と非吸収導波路領域の吸収端波長と
の中間に吸収端波長を具備する電界吸収変調領域が設け
られ、光パルス幅が最小になるように、可飽和吸収領域
の領域長及び材料組成が設計され、また、高周波注入の
効率および変調度が最適になるように、電界吸収変調領
域の領域長及び材料組成が設計されるため、以下に記載
するような効果を奏する。
【００２３】（１）フーリエ変換リミットに近い短パル
ス特性を維持したままで、安定化高周波電源からの変調
信号を効率よく注入できるような条件に設定することが
でき、それにより、安定化高周波電源の変調信号の入力
パワーを低減することができ、場合によってはプリアン
プ等を省略することもできる。
【００２４】（２）より強いパワーの変調信号を変調領
域に注入することができるので、共振器内の光の変調度
を深くすることができ、離調範囲の拡大やタイミングジ
ッタを容易に低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のモード同期半導体レーザの実施の一形
態を示す断面図である。
【図２】図１に示したモード同期半導体レーザにおける
電流注入、逆バイアス印加及び高周波注入のための配線
の一例を示す図である。
【図３】従来のモード同期半導体レーザの一構成例を示
す断面図である。
【符号の説明】
２ 導波層 ７ 高反射コート材 １１ 可飽和吸収領域 １２ 利得領域 １３ 非吸収導波路領域 １４ 電界吸収変調領域 １５ 分布ブラッグ反射領域 ２２ 活性層 ２３，２４ 非吸収導波層 ２５ 電界吸収層 ２６ 回折格子 ３１ ｐ側電極 ３２ ｎ側電極 ４１ キャップ層 ５１ ｐ側クラッド層 ５２ ｎ側クラッド層 ６１ 基板 ７１〜７３ 直流電流源 ７４，７５ 直流電圧源 ７６ 安定化高周波電源
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−95152（ＪＰ，Ａ) Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．64 ［15］（1994）ｐ．1917−1919 Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．65 ［１］（1994）ｐ．１−３ 1996年（平成８年）秋季第57回応物学 会予稿集 ８ｐ−ＫＬ−３ ｐ．1230 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01S 3/18

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 集積型のモード同期半導体レーザにおい
    て、光の強さに応じてその領域の光吸収係数が変化する
    可飽和吸収領域と、該可飽和吸収領域と同一組成を具備
    する利得領域と、該利得領域の発振波長よりも短波長側
    に吸収端波長を具備する非吸収導波路領域と、前記利得
    領域の発振波長と前記非吸収導波路領域の吸収端波長と
    の中間に吸収端波長を具備する電界吸収変調領域と、該
    非吸収導波路と同一の組成であって回折格子構造を具備
    する分布ブラッグ反射領域とが、この順に一直線状に配
    置され、１つの導波路上でそれぞれ光学的に結合されて
    いることを特徴とするモード同期半導体レーザ。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載のモード同期半導体レー
    ザの駆動方法であって、前記可飽和吸収領域に対して直
    流逆バイアス電圧を印加し、前記利得領域に対して直流
    電流を注入し、前記電界吸収領域に対して、直流逆バイ
    アス電圧と正弦波変調電圧とを重畳して印加することを
    特徴とするモード同期半導体レーザの駆動方法。
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