JP3309903B2 - Mode-locked semiconductor laser and driving method thereof - Google Patents

Mode-locked semiconductor laser and driving method thereof

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JP3309903B2
JP3309903B2 JP35958498A JP35958498A JP3309903B2 JP 3309903 B2 JP3309903 B2 JP 3309903B2 JP 35958498 A JP35958498 A JP 35958498A JP 35958498 A JP35958498 A JP 35958498A JP 3309903 B2 JP3309903 B2 JP 3309903B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信、光計測、
光情報処理に用いられるモノリシック集積型半導体レー
ザとその駆動方法に関する。
The present invention relates to optical communication, optical measurement,
The present invention relates to a monolithic integrated semiconductor laser used for optical information processing and a driving method thereof.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、光通信技術の大容量化への要求は
益々高まっており、これに対応するためのデバイスおよ
び光通信方式が盛んに検討されている。大容量化の光通
信方式は、主に、波長多重方式と時分割多重方式の2つ
が考えられており、これらを併用することで、現実的な
大容量通信システムが構築されていくと考えられる。時
分割多重方式は、さらに、パルス光を用いた光時分割多
重方式が注目されている。この光時分割多重方式では、
ピコ秒オーダーのパルス光をチャンネル毎に光変調器で
信号変調した後に、一定間隔の遅延を与えて合波させる
ことで、100ギガビット/秒を越える超高速の時間多
重された光信号列が得られる。
2. Description of the Related Art In recent years, demands for increasing the capacity of optical communication technology have been increasing, and devices and optical communication systems for responding to the demand have been actively studied. As optical communication systems with large capacity, mainly two types, a wavelength multiplexing system and a time division multiplexing system, are considered. By using these together, it is considered that a realistic large capacity communication system will be constructed. . As the time division multiplexing method, an optical time division multiplexing method using pulsed light has attracted attention. In this optical time division multiplex system,
After modulating the pulse light of picosecond order by an optical modulator for each channel, and multiplexing it with a certain delay, an ultra-high-speed time-multiplexed optical signal train exceeding 100 Gbit / s is obtained. Can be

【0003】モード同期半導体レーザは、比較的容易か
つ安定にピコ秒オーダーの超高速パルスを発生できるこ
とから、光時分割多重方式のような光通信用の光源とし
て有望である。
A mode-locked semiconductor laser is promising as a light source for optical communication such as an optical time division multiplexing method because it can generate ultrafast pulses in the order of picoseconds relatively easily and stably.

【0004】光通信用の光源として要求される特性の主
なものは、光源の動作波長と周波数である。動作波長は
1.55μmを中心として、精密に制御される必要があ
る。また、発生するパルスは、フーリエ変換限界のパル
スとする必要があり、発振波長幅についても制御が必要
である。これらの要求を満たすために回折格子による分
布反射鏡を集積したモード同期半導体レーザが報告され
ている。
[0004] The main characteristics required for a light source for optical communication are the operating wavelength and frequency of the light source. The operating wavelength needs to be precisely controlled around 1.55 μm. Further, the generated pulse needs to be a pulse at the limit of the Fourier transform, and the oscillation wavelength width also needs to be controlled. In order to satisfy these requirements, there has been reported a mode-locked semiconductor laser in which a distributed reflector using a diffraction grating is integrated.

【0005】一方、周波数については、通信システムに
よって周波数が厳密に規定されているため、モード同期
半導体レーザの動作周波数をこれに合わせる必要があ
る。モード同期半導体レーザの光パルスの繰り返し周波
数は、レーザ共振器内の光パルスの往復時間の逆数で与
えられるため、周波数を正確に設定するためには、光共
振器長の寸法を精度よく作製する必要がある。この共振
器長に要求される精度は以下のように決まる。
On the other hand, since the frequency is strictly defined by the communication system, it is necessary to match the operating frequency of the mode-locked semiconductor laser. Since the repetition frequency of the optical pulse of the mode-locked semiconductor laser is given by the reciprocal of the round trip time of the optical pulse in the laser resonator, in order to set the frequency accurately, the dimensions of the optical resonator length must be precisely manufactured. There is a need. The accuracy required for the resonator length is determined as follows.

【0006】すなわち、モード同期半導体レーザの駆動
には、通常、システムのクロック周波数に固定するため
に、外部からシステムの周波数に相当する正弦波電圧を
印加して、利得又は損失を変調する強制モード同期ある
いはハイブリッドモード同期の手法が用いられる。この
とき、共振器長で決まる周波数が変調周波数の0.1%
程度のずれであれば、モード同期周波数を外部からの変
調周波数に同期させることができる。よって、共振器長
の作製精度は0.1%が要請される。
That is, in driving a mode-locked semiconductor laser, a forced mode in which a gain or a loss is modulated by externally applying a sine wave voltage corresponding to the system frequency in order to fix the clock frequency of the system. Synchronous or hybrid mode-locking techniques are used. At this time, the frequency determined by the resonator length is 0.1% of the modulation frequency.
With a slight deviation, the mode synchronization frequency can be synchronized with an external modulation frequency. Therefore, the manufacturing accuracy of the resonator length is required to be 0.1%.

【0007】この0.1%の作製精度を実際の素子にあ
てはめると、10GHz動作のモード同期半導体レーザ
の場合、共振器長は約4mmであり、作製精度は4μm
となる。しかしながら、共振器長を精度よく作製するこ
とは一般に半導体レーザでは困難である。これは、レー
ザ共振器を劈開によって形成することが原因で、数μm
の精度で再現性良く共振器を形成することは非常に困難
である。
When the manufacturing accuracy of 0.1% is applied to an actual device, in the case of a mode-locked semiconductor laser operating at 10 GHz, the resonator length is about 4 mm, and the manufacturing accuracy is 4 μm.
Becomes However, it is generally difficult to fabricate the resonator length with high accuracy using a semiconductor laser. This is due to the fact that the laser cavity is formed by cleavage,
It is very difficult to form a resonator with high accuracy and high reproducibility.

【0008】この劈開精度の問題を解決するために、大
きく2つの方法が試みられている。第1の方法は導波路
の屈折率を外部から変化させて光学長を変えて周波数を
可変にする方式であり、第2の方法は分布反射鏡の部分
に光が侵入する深さを外部から制御し、この長さの変化
を利用して周波数を可変にする方式である。これらの方
式として開示されている例について説明する。図5は、
第lの方法であり、屈折率を可変にして周波数を補正す
る機能を備えたモード同期半導体レーザの従来例を示す
図で、詳細は1992年発行の雑誌「IEEE Journal of
Quantum Electronics」のボリューム28の2186か
ら2202頁に掲載されている論文「Short pulse gene
ration using multisegment mode-locked semiconducto
r lasers」及び特開平4−2190号公報に述べられて
いる。
In order to solve the problem of the cleavage accuracy, two methods have been tried. The first method is to change the optical length by changing the refractive index of the waveguide from the outside to change the frequency, and the second method is to change the depth at which light enters the portion of the distributed reflector from the outside. In this method, the frequency is controlled and the frequency is made variable using the change in the length. Examples disclosed as these methods will be described. FIG.
FIG. 13 is a diagram showing a conventional example of a mode-locked semiconductor laser having a function of correcting a frequency by changing a refractive index, which is the first method.
"Short pulse gene" published in Quantum Electronics, Volume 28, pages 2186 to 2202.
ration using multisegment mode-locked semiconducto
r lasers "and JP-A-4-2190.

【0009】図5によれば、このモード同期半導体レー
ザは活性層を含む一本の導波路構造50に複数の領域を
設けて、各々を個別の電極で駆動する構造であり、可飽
和吸収領域51と、ゲイン領域52と、ゲイン変調領域
53と、受動導波路領域54、55と、分布反射鏡56
から構成されている。分布反射鏡56の導波路部分には
回折格子57が形成されている。
According to FIG. 5, this mode-locked semiconductor laser has a structure in which a plurality of regions are provided in one waveguide structure 50 including an active layer, and each region is driven by an individual electrode. 51, a gain region 52, a gain modulation region 53, passive waveguide regions 54 and 55, and a distributed reflector 56
It is composed of A diffraction grating 57 is formed on the waveguide portion of the distributed reflection mirror 56.

【0010】このモード同期半導体レーザの動作はゲイ
ン領域52に電流注入し、可飽和吸収領域51を逆バイ
アスすることで受動モード同期動作を行い、ゲイン変調
領域53を外部から変調することで外部信号源にモード
同期周波数を同期させるハイブリッドモード同期動作が
行える。分布反射鏡56は波長選択性を持ち、回折格子
57の周期で決まるブラッグ波長でモード同期動作が生
じる。モード同期周波数は共振器の長さで決まるが、受
動導波路領域54と55にキャリア注入を行うことによ
り、屈折率を変化させて周波数を調整すると共に、パル
スの位相を調整する働きを持たせている。
The operation of the mode-locked semiconductor laser is such that a current is injected into the gain region 52, a passive mode-locking operation is performed by reverse-biasing the saturable absorption region 51, and an external signal is modulated by modulating the gain modulation region 53 from outside. A hybrid mode-locking operation for synchronizing the mode-locking frequency with the source can be performed. The distributed reflector 56 has wavelength selectivity, and a mode-locking operation occurs at a Bragg wavelength determined by the period of the diffraction grating 57. The mode locking frequency is determined by the length of the resonator. By injecting carriers into the passive waveguide regions 54 and 55, the frequency is adjusted by changing the refractive index and the function of adjusting the phase of the pulse is provided. ing.

【0011】第2の方法については、図5とほぼ同じ構
造を有するモード同期半導体レーザで、分布反射鏡の領
域を複数に分割し、各々を個別に電気的な駆動を行える
ようにした例が特開平8−340152に示されてい
る。この文献では、モード同期の繰り返し周渡数を変化
させるために、分布反射鏡を分割し、各領域の間の屈折
率及び吸収係数の関係を変化させることで、入射光の侵
入長を変化させることを特徴としている。具体的な方法
としては、分割した各々の分布反射鏡領域に電流を注入
する領域としない領域というふうに分けて、電流注入に
よって光に対して透過状態にすることで、この領域の長
さ分だけ光の侵入長が伸びることを利用する。これによ
り共振器の内部側から順に電流注入を行うことによって
領域の長さ単位で順にモード同期周波数が低く変化して
いく。
The second method is an example in which a mode-locked semiconductor laser having substantially the same structure as that of FIG. 5 is used, and the area of the distributed reflector is divided into a plurality of parts so that each can be individually driven electrically. This is disclosed in JP-A-8-340152. In this document, in order to change the number of repetitions of mode-locking, the distributed reflection mirror is divided, and the relationship between the refractive index and the absorption coefficient between the regions is changed to change the penetration length of the incident light. It is characterized by: As a specific method, each of the divided distributed mirror regions is divided into a region into which current is injected and a region into which current is not injected, and is made to transmit light by current injection. The only advantage is that the light penetration length is increased. As a result, by sequentially injecting current from the inside of the resonator, the mode-locking frequency gradually changes in units of the length of the region.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上で
示したモード同期周波数を可変にする方法には以下のよ
うな問題がある。第1の受動導波路の屈折率を変化させ
てモード同期半導体レーザの動作周波数を変える方法で
は、外部から制御できる屈折率の変化はせいぜい1%以
下であり、さらに受動導波路の長さが限られているの
で、たとえその領域で光学長を変化させても、共振器全
体の長さに対する変化量は小さくなるために、周波数の
可変範囲は狭く、劈開精度を補うほどの十分な周波数調
整を行うことが困難である。
However, the method of making the mode locking frequency variable as described above has the following problems. In the first method of changing the operating frequency of the mode-locked semiconductor laser by changing the refractive index of the passive waveguide, the change in the refractive index that can be controlled from the outside is at most 1% or less, and the length of the passive waveguide is limited. Therefore, even if the optical length is changed in that region, the amount of change in the entire length of the resonator is small, so the frequency variable range is narrow, and sufficient frequency adjustment to compensate for the cleavage accuracy is performed. Difficult to do.

【0013】また、図5に示す従来例のように、通常、
屈折率を変化させる受動導波路領域をモード同期を生じ
させるためのゲイン領域等とは個別に設ける必要がある
が、共振器長の短い数10GHz以上の高繰り返し周波
数の素子では、受動導波路を挿入するだけの長さの余裕
がないために、この手法を用いることができない。
Also, as in the conventional example shown in FIG.
Although it is necessary to provide a passive waveguide region for changing the refractive index separately from a gain region for generating mode locking, etc., in a device having a short resonator length and a high repetition frequency of several tens of GHz or more, the passive waveguide is not provided. This technique cannot be used because there is not enough room to insert.

【0014】第2の分布反射鏡を複数に分割して電流注
入を行う方法では、次のような弊害が生じる。
In the method of dividing the second distributed reflector into a plurality of parts and injecting current, the following problems occur.

【0015】特開平8−340152号公報では、この
方法をモード同期繰り返し周波数を変化可能にすること
を主目的としている。しかしながら、全く同じ構造とし
て開示されている特開平4−2190号公報では、この
ような駆動方法を分布反射鏡の透過スペクトル幅を変化
させてモード同期のパルス幅を変化させることを主目的
としている。すなわち、モード同期周波数を変化させる
ことは、パルス幅をも変化させることを示している。こ
れは、分布反射鏡の反射スペクトル帯域が分布反射鏡の
長さに依存するためである。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-340152, the main purpose of this method is to make the mode-locking repetition frequency changeable. However, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-2190, which discloses the same structure, the main purpose of such a driving method is to change the pulse width of mode locking by changing the transmission spectrum width of the distributed reflector. . That is, changing the mode locking frequency also changes the pulse width. This is because the reflection spectrum band of the distributed reflector depends on the length of the distributed reflector.

【0016】また、半導体に電流注入すると、プラズマ
効果により屈折率が変化することは良く知られている。
これは分布反射鏡に電流注入して屈折率を変化させ、分
布反射鏡の中心波長(ブラッグ波長)を変える波長可変
半導体レーザに用いられており、これから分かるよう
に、電流注入で分布反射鏡を透過状態にする方法でモー
ド同期周波数を可変にする方法は、大きな波長変化を伴
う。
It is well known that when current is injected into a semiconductor, the refractive index changes due to the plasma effect.
This is used for a wavelength tunable semiconductor laser in which the refractive index is changed by injecting current into the distributed reflector and the center wavelength (Bragg wavelength) of the distributed reflector is changed. The method of making the mode locking frequency variable by the method of making the transmission state involves a large wavelength change.

【0017】以上のように、従来例では、モード同期周
波数を変化させるための駆動を行うと、同時にパルス幅
と波長を変化させることになり、光通信に使うには弊害
が大きくなってしまう。
As described above, in the conventional example, when the driving for changing the mode locking frequency is performed, the pulse width and the wavelength are changed at the same time.

【0018】以上の課題をまとめると、モード同期半導
体レーザの周波数は共振器長で決まり、現状の素子作製
工程の精度では通信で必要とする周波数精度を満たすこ
とは困難である。これを解決するために試みられている
従来の周波数可変方法では前記第1の方法では実現可能
な素子の長さに制限があり、また、第2の方法ではパル
ス幅や動作波長を同時に変化させてしまい、周波数が合
わせられても、所望の波長やパルス幅を同時に満足する
ことが困難である。
To summarize the above problems, the frequency of the mode-locked semiconductor laser is determined by the length of the resonator, and it is difficult to satisfy the frequency accuracy required for communication with the current accuracy of the device fabrication process. In the conventional frequency variable method which has been tried to solve this, there is a limit to the element length that can be realized in the first method, and in the second method, the pulse width and operating wavelength are simultaneously changed. Therefore, even if the frequencies are adjusted, it is difficult to simultaneously satisfy the desired wavelength and pulse width.

【0019】本発明の目的とするところは、従来のモー
ド同期半導体レーザの欠点を無くし、数GHzから数1
0GHz以上のいずれの周波数においても作製精度に起
因するモード同期半導体レーザの周波数のずれを補償
し、その周波数可変動作において波長及びパルス幅を一
定の範囲に保つことが可能なモード同期半導体レーザの
構造と駆動方法を提供することにある。
An object of the present invention is to eliminate the drawbacks of the conventional mode-locked semiconductor laser and to reduce the frequency from several GHz to several
A structure of a mode-locked semiconductor laser capable of compensating for a frequency shift of the mode-locked semiconductor laser caused by manufacturing accuracy at any frequency of 0 GHz or more and keeping a wavelength and a pulse width within a certain range in the frequency variable operation. And a driving method.

【0020】[0020]

【課題を解決するための手段】本発明のモード同期半導
体レーザは、少なくとも光利得領域と可飽和吸収領域と
回折格子を有する分布反射領域が光導波路で結合された
構造であり、反射領域の活性層の吸収損失が外部からの
電圧印加によって可変であることを特徴とする。
A mode-locked semiconductor laser according to the present invention has a structure in which at least an optical gain region, a saturable absorption region, and a distributed reflection region having a diffraction grating are coupled by an optical waveguide. It is characterized in that the absorption loss of the layer is variable by applying a voltage from outside.

【0021】具体的には前記分布反射領域の活性層の組
成と構造は、遷移波長が光増幅領域と可飽和吸収領域の
遷移波長、すなわちモード同期動作を生じる発光波長に
対して短波長側であり、かつ、外部からの電圧印加によ
って、モード同期動作波長にシフトさせることが可能で
あることを特徴とする。さらに、本モード同期半導体レ
ーザを駆動する方法は、光増幅領域には電流注入、可飽
和吸収領域には逆バイアス電圧を印加することによりモ
ード同期動作を生じせしめ、かつ、分布反射領域には、
電流注入が生じるレベル以下の順バイアスあるいは逆バ
イアスを印加することを特徴とする。
More specifically, the composition and structure of the active layer in the distributed reflection region are such that the transition wavelength is on the short wavelength side with respect to the transition wavelength between the optical amplification region and the saturable absorption region, ie, the emission wavelength at which mode-locking operation occurs. And it can be shifted to a mode-locked operation wavelength by applying an external voltage. Further, the method of driving the mode-locked semiconductor laser causes a mode-locking operation by applying a current injection to the optical amplification region and applying a reverse bias voltage to the saturable absorption region.
It is characterized in that a forward bias or a reverse bias lower than the level at which current injection occurs is applied.

【0022】本発明では、回折格子を用いた分布反射鏡
の吸収損失を外部から制御することによって、分布反射
鏡の実効的な長さを可変にすることにより、これを集積
したモード同期半導体レーザの周波数を広い範囲で変化
させることを可能にする。これにより、光通信システム
のクロック周波数と正確に一致した周波数のモード同期
半導体レーザが提供される。
According to the present invention, a mode-locked semiconductor laser in which the effective length of a distributed reflector is variable by externally controlling the absorption loss of the distributed reflector using a diffraction grating. Can be changed over a wide range. Thus, a mode-locked semiconductor laser having a frequency exactly matching the clock frequency of the optical communication system is provided.

【0023】[0023]

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照して、詳細に説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

【0024】図1は本発明のモード同期半導体レーザの
全体構成を示している。図によれば、半導体レーザの素
子は片側が分布反射鏡で他方は劈開面で形成されてい
る。本発明のモード同期半導体レーザは少なくともゲイ
ン領域12と、可飽和吸収領域11と、分布反射鏡14
を有する構造であることが特徴であり、このほかに外部
からシステム周波数の信号入力によって、光損失あるい
は光ゲイン等を変調するハイブリッドモード同期動作を
行う領域として、吸収光変調領域13が集積されてい
る。吸収光変調領域13のかわりに可飽和吸収領域11
あるいはゲイン領域12を変調することも可能である。
FIG. 1 shows the overall configuration of a mode-locked semiconductor laser according to the present invention. According to the figure, the semiconductor laser device has a distributed reflector on one side and a cleavage plane on the other. The mode-locked semiconductor laser according to the present invention has at least a gain region 12, a saturable absorption region 11, and a distributed reflection mirror 14.
In addition, an absorption light modulation region 13 is integrated as a region for performing a hybrid mode-locking operation for modulating optical loss or optical gain by externally inputting a system frequency signal. I have. Saturable absorption region 11 instead of absorption light modulation region 13
Alternatively, the gain area 12 can be modulated.

【0025】本発明のモード同期半導体レーザの構造は
n−InP基板10上に活性層21を1.5μmの幅で
形成し、これをp−InPクラッド層22で埋め込んだ
構造となっている。分布反射鏡14にはあらかじめ基板
10上に回折格子20を形成しておき、他の領域と同時
に結晶成長で埋め込む。
The mode-locked semiconductor laser according to the present invention has a structure in which an active layer 21 is formed on an n-InP substrate 10 to have a width of 1.5 μm, and is embedded with a p-InP cladding layer 22. The diffraction grating 20 is formed on the substrate 10 in advance in the distributed reflector 14, and is embedded by crystal growth simultaneously with other regions.

【0026】分布反射鏡を集積した素子の共振器長を考
える場合には、分布反射鏡部分の実効的な長さとして有
効長(分布反射鏡への光の侵入深さ)が定義され、この
長さを用いて通常の劈開面反射鏡と同様に共振器長を考
えることができる。有効長の定義については1983年
発行の雑誌「IEEE Journal of Quantum Electronics」
のボリュームQE−19の1042から1051頁に掲
載されている論文「1.5-1.6μm GaInAsP/InP dynamic-s
ingle-mode (DSM) lasers with distributed Bragg ref
lector」に詳しく述べられているが、分布反射鏡の有効
長は、損失のない理想的な場合には回折格子の結合定数
κによって決まるが、現実的に分布反射鏡にフリーキャ
リア吸収などの損失がある場合には、結合定数κと吸収
損失αによって有効長は近似的に1/(2κ+α)と表
される。結合定数は導波路部に形成した凹凸の屈折率差
で決まり、通常30cm-1程度の値である。
When considering the resonator length of an element in which a distributed reflector is integrated, an effective length (depth of light penetration into the distributed reflector) is defined as an effective length of the distributed reflector. Using the length, the resonator length can be considered in the same manner as a normal cleavage plane reflecting mirror. For the definition of effective length, see "IEEE Journal of Quantum Electronics" published in 1983.
The article “1.5-1.6 μm GaInAsP / InP dynamic-s” published on pages 1042 to 1051 of volume QE-19
ingle-mode (DSM) lasers with distributed Bragg ref
The effective length of the distributed reflector is determined by the coupling constant κ of the diffraction grating in an ideal case where there is no loss. In this case, the effective length is approximately expressed as 1 / (2κ + α) by the coupling constant κ and the absorption loss α. The coupling constant is determined by the difference in refractive index between the irregularities formed in the waveguide, and is usually about 30 cm -1 .

【0027】図2は分布反射鏡の吸収損失と有効長の関
係を計算した結果である。結合定数は30cm-1として
ある。このように吸収損失の値によって分布反射鏡の有
効長は数十μm変化することが分かる。モード同期半導
体レーザのパルス繰り返し周波数はこの分布反射鏡の有
効長が変化した分だけ変わるので、意図的に分布反射鏡
の吸収損失を変えることができれば、モード同期周波数
を可変にすることができる。有効長が数10μm変化す
れば10GHz動作のモード同期半導体レーザの共振器
長約4mmに対して1%以上の長さの変化を与えること
が可能であり、通常の劈開によって共振器長に生じる誤
差を補正するのに十分な量である。
FIG. 2 shows the result of calculating the relationship between the absorption loss of the distributed reflector and the effective length. The coupling constant is 30 cm -1 . Thus, it can be seen that the effective length of the distributed reflector changes by several tens of μm depending on the value of the absorption loss. Since the pulse repetition frequency of the mode-locked semiconductor laser changes by an amount corresponding to the change in the effective length of the distributed mirror, the mode-locking frequency can be made variable if the absorption loss of the distributed mirror can be intentionally changed. If the effective length changes by several tens of μm, it is possible to give a length change of 1% or more for a resonator length of about 4 mm of a mode-locked semiconductor laser operating at 10 GHz, and an error generated in the resonator length due to normal cleavage. Is an amount sufficient to correct.

【0028】従来例として先に述ベた特開平8−340
152号公報に開示されている構造は分布反射鏡の活性
層をモード同期動作の波長と同程度の遷移波長の組成と
しておき、無バイアス時に大きな吸収損失を与えて、電
流注入によって透明状態にまで変化させる方法をとって
いる。この方法でも吸収損失の変化を与えることが可能
であるが、電流注入によって屈折率が変化するので、周
波数と同時に波長が変化してしまう弊害が生じることは
先に課題として述ベた通りである。
As a conventional example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-340 described above.
No. 152 discloses a structure in which the active layer of the distributed mirror has a composition having a transition wavelength substantially equal to the wavelength of the mode-locking operation, gives a large absorption loss when no bias is applied, and becomes transparent by current injection. The way to change it. Although it is possible to change the absorption loss by this method as well, since the refractive index changes due to the current injection, the disadvantage that the wavelength changes simultaneously with the frequency occurs as described above as a problem. .

【0029】本発明の構造は従来例と異なり、電流注入
によらない方法で吸収損失の変化を与える。実施例を以
下に説明する。分布反射鏡14の部分の活性層21は、
波長1.48μmに吸収端をもつ歪MQW(Multi Qua
ntum Well)構造であり、逆バイアスを印加することに
より、量子閉じ込めシュタルク効果により、吸収端が長
波長側すなわちモード同期動作波長である1.55μm
に向かってシフトし、モード同期パルス光に対する吸
収損失が大幅に増加する。具体的には電流注入が始まる
0.7V程度の順バイアス時にほぼ吸収は0で、2V程
度の逆バイアスで吸収係数が200cm-1程度の値とな
る。この活性層での吸収損失の他、クラツド層のフリー
キャリア吸収によって10cm-1前後の一定の吸収損失
が存在していることを付記しておく。
The structure of the present invention differs from the conventional example in that the absorption loss is changed by a method not depending on the current injection. Examples will be described below. The active layer 21 in the portion of the distributed reflector 14 is
Distortion MQW (Multi Quat) having an absorption edge at a wavelength of 1.48 μm
ntum Well) structure, and the absorption edge is 1.55 μm, which is the longer wavelength side, that is, the mode-locking operation wavelength, due to the quantum confined Stark effect when a reverse bias is applied.
, And the absorption loss for the mode-locked pulsed light increases significantly. Specifically, the absorption is substantially zero at the time of forward bias of about 0.7 V at which the current injection starts, and the absorption coefficient becomes about 200 cm -1 at the reverse bias of about 2 V. It should be noted that in addition to the absorption loss in the active layer, a constant absorption loss of about 10 cm -1 exists due to free carrier absorption in the clad layer.

【0030】ゲイン領域12と可飽和吸収領域11の部
分は活性層のエネルギーギャップ波長は1.55μm、
吸収光変調領域13については分布反射鏡14と同じ構
造である。これらのエネルギーギャップの異なる領域を
一括して形成する方法として、気層成長法による選択成
長技術を用いた。具体的な成長方法については、特開平
3−19411ならびに特開平3−216027に詳し
く開示されている。
The portion of the gain region 12 and the saturable absorption region 11 has an energy gap wavelength of the active layer of 1.55 μm.
The absorption light modulation region 13 has the same structure as the distributed reflection mirror 14. As a method of collectively forming these regions having different energy gaps, a selective growth technique using a gas phase growth method was used. The specific growth method is disclosed in detail in JP-A-3-19411 and JP-A-3-216027.

【0031】この構造により、分布反射鏡の吸収損失を
外部からの電圧印加によって変化させ、有効長を制御し
てモード同期周波数のチューニングを行うことが可能で
ある。ここで、電圧印加による屈折率変化について述べ
ると、良く知られているクラーマス・クローニッヒの関
係により、吸収の変化に伴って屈折率が変化する。しか
しながら、後で示す通り、本発明の目的である周波数補
正のために吸収損失を変化させる程度の範囲では屈折率
の変化量は小さく、電流注入の場合のような光通信の障
害となるような大きな波長変化を伴うことは無いと考え
られる。
With this structure, it is possible to change the absorption loss of the distributed mirror by applying a voltage from the outside and control the effective length to tune the mode locking frequency. Here, the refractive index change due to the application of a voltage will be described. The refractive index changes with a change in absorption due to the well-known Klamath-Kronig relationship. However, as will be described later, the amount of change in the refractive index is small within a range in which the absorption loss is changed for the purpose of frequency correction, which is an object of the present invention. It is considered that there is no large wavelength change.

【0032】[0032]

【実施例】次に本発明を用いたモード同期半導体レーザ
の駆働方法の実施例を説明する。ここでは、通信周波数
規格の1つであるSDH周波数(9.95328GH
z)でのモード同期半導体レーザの周波数チューニング
を行った結果について述べる。素子を手作業の劈開で作
製したときの共振器の全長は4240μmであった。分
布反射鏡パルス幅の目標値は5〜6psで、分布反射鏡
の長さは250μmとした。
Next, an embodiment of a method of driving a mode-locked semiconductor laser according to the present invention will be described. Here, the SDH frequency (9.95328GH) which is one of the communication frequency standards is used.
The result of frequency tuning of the mode-locked semiconductor laser in z) will be described. The total length of the resonator when the device was manufactured by manual cleavage was 4240 μm. The target value of the pulse width of the distributed reflector was 5 to 6 ps, and the length of the distributed reflector was 250 μm.

【0033】図3はゲイン領域への注入電流を95m
A、可飽和吸収領域(SA:Saturable Absorption)の
バイアス電圧を−1.0Vに固定し、分布反射鏡への印
加電圧を変化させて、モード同期周波数の変化を測定し
た結果である。周波数チューニングの原理である吸収損
失は逆バイアスから順バイアスへ変化させるに従い減少
していくので、この間、分布反射鏡の有効長は長くな
り、周波数は低周波側にシフトすることが予想される。
図に示すように周波数は順方向にバイアスしていくに従
い、単調に減少しており、周波数チューニングの原理と
同様の結果が得られた。
FIG. 3 shows that the injection current into the gain region is 95 m.
A, the results of measuring the change in the mode locking frequency by fixing the bias voltage of the saturable absorption region (SA: Saturable Absorption) to -1.0 V and changing the voltage applied to the distributed reflector. Since the absorption loss, which is the principle of frequency tuning, decreases as the reverse bias is changed to the forward bias, the effective length of the distributed reflector becomes longer and the frequency is expected to shift to a lower frequency during this time.
As shown in the figure, the frequency monotonously decreased as the frequency was biased in the forward direction, and a result similar to the principle of frequency tuning was obtained.

【0034】図3には同時に測定した発振波長を示して
いるが、波長はこの間0.05nmの変化に留まってお
り、ほとんど周波数チューニングの影響を受けていな
い。
FIG. 3 shows the oscillation wavelength measured at the same time. During this period, the wavelength is changed only by 0.05 nm, and is hardly affected by frequency tuning.

【0035】周波数の変化は0.5%が得られ、0.2
2Vのバイアス電圧のとき、SDH周波数(9.953
28GHz)での動作が得られた。これにより、通常の
劈開による共振器長の誤差を十分補正できることが確か
められた。
A change in frequency of 0.5% is obtained, and 0.2% is obtained.
At a bias voltage of 2 V, the SDH frequency (9.953)
28 GHz). As a result, it was confirmed that errors in the cavity length due to normal cleavage could be sufficiently corrected.

【0036】図4はSDH周波数動作時の周波数スペク
トルを観測した結果であり、受動モード同期した状態
で、EA変調領域にシンセサイザの正弦波電圧を印加し
てハイブリッドモード同期動作で9.95328GHz
にロックさせた様子を示している。このときのパルス幅
はほぼ設計通りの6.2ps(sech2型)、波長は
1.552μmであり、時間・周波数幅積は0.39と
フーリエ変換リミットに近い値であった。
FIG. 4 shows the result of observing the frequency spectrum at the time of SDH frequency operation. In the state where passive mode locking is performed, a sine wave voltage of a synthesizer is applied to the EA modulation region and 9.95328 GHz is used in hybrid mode locking operation.
Shows a locked state. The pulse width at this time was 6.2 ps (sech 2 type) almost as designed, the wavelength was 1.552 μm, and the time-frequency width product was 0.39, a value close to the Fourier transform limit.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上、詳細に述べたように、本発明によ
り、モード同期半導体レーザの周波数を広い範囲で変化
させることが可能になる。これにより、光通信システム
のクロック周波数と正確に一致した周波数のモード同期
半導体レーザを提供できる。
As described above, according to the present invention, the frequency of the mode-locked semiconductor laser can be changed in a wide range. This makes it possible to provide a mode-locked semiconductor laser having a frequency exactly matching the clock frequency of the optical communication system.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本特許のモード同期半導体レーザの実施例を示
す図である。
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a mode-locked semiconductor laser of the present invention.

【図2】本発明の原理である分布反射鏡の有効長を計算
した結果を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a result of calculating an effective length of a distributed reflector according to the principle of the present invention.

【図3】本発明のモード同期半導体レーザの周波数可変
動作の実施例である。
FIG. 3 is an embodiment of a frequency variable operation of the mode-locked semiconductor laser according to the present invention.

【図4】モード同期動作における出力パルスの周波数ス
ペクトルである。
FIG. 4 is a frequency spectrum of an output pulse in a mode locking operation.

【図5】周波数調整機能を有するモード同期半導体レー
ザの従来例を示す図である。
FIG. 5 is a diagram showing a conventional example of a mode-locked semiconductor laser having a frequency adjustment function.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 n−InP基板 11 可飽和吸収領域 12 ゲイン領域 13 吸収光変調領域 14 分布反射鏡 20 回折格子 21 活性層 22 p−InPクラッド層 30 出力パルス列 50 導波路構造 51 可飽和吸収領域 52 ゲイン領域 53 ゲイン変調領域 54、55 受動導波路 56 分布反射鏡 57 回折格子 Reference Signs List 10 n-InP substrate 11 saturable absorption region 12 gain region 13 absorption light modulation region 14 distributed reflector 20 diffraction grating 21 active layer 22 p-InP cladding layer 30 output pulse train 50 waveguide structure 51 saturable absorption region 52 gain region 53 Gain modulation region 54, 55 Passive waveguide 56 Distributed reflector 57 Diffraction grating

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−152049(JP,A) 特開 平4−2190(JP,A) 特開 平8−340152(JP,A) Semiconductor Las er Conference,1996., 15th IEEE Internati onal,p.55−56 Applied Physics L etters,64[15],p.1917− 1919 IEEE Journal of Q uantum Electronic s,32[11],p.1965−1975 Electronics Lette rs,29[11],p.1013−1015 IEEE Journal of Q uantum Electronic s,28[10],p.2186−2202 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01S 5/00 - 5/50 JICSTファイル(JOIS)Continuation of the front page (56) References JP-A-6-152049 (JP, A) JP-A-4-2190 (JP, A) JP-A-8-340152 (JP, A) Semiconductor Laser Conference, 1996. , 15th IEEE International, p. 55-56 Applied Physics Letters, 64 [15], p. 1917-1919 IEEE Journal of Quantum Electronics, 32 [11], p. 1965-1975 Electronics Letters, 29 [11], p. 1013-1015 IEEE Journal of Quantum Electronics, 28 [10], p. 2186-2202 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01S 5/00-5/50 JICST file (JOIS)

Claims (7)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 少なくとも光増幅領域と、可飽和吸収領
域と、回折格子を有する分布反射領域とが光導波路で結
合されているモード同期半導体レーザにおいて、 前記分布反射領域の活性層の吸収損失を外部からの電圧
印加によって制御する制御手段を有することを特徴とす
るモード同期半導体レーザ。
1. A mode-locked semiconductor laser in which at least an optical amplification region, a saturable absorption region, and a distributed reflection region having a diffraction grating are coupled by an optical waveguide, wherein the absorption loss of the active layer in the distributed reflection region is reduced. A mode-locked semiconductor laser comprising control means for controlling by applying a voltage from outside.
【請求項2】 前記制御手段が、 前記分布反射領域における分布反射鏡の有効長を外部か
らの電圧印加によって制御する制御手段である請求項1
記載のモード同期半導体レーザ。
2. The control unit according to claim 1, wherein the control unit controls an effective length of the distributed reflection mirror in the distributed reflection area by applying an external voltage.
The mode-locked semiconductor laser as described.
【請求項3】 前記分布反射鏡の有効長の制御が、 光パルスの繰り返し周波数を制御する請求項2記載のモ
ード同期半導体レーザ。
3. The mode-locked semiconductor laser according to claim 2, wherein the control of the effective length of the distributed reflector controls the repetition frequency of an optical pulse.
【請求項4】 前記分布反射領域の活性層が、 遷移波長が前記光増幅領域と可飽和吸収領域のモード同
期動作を生じる発光波長である遷移波長に対して短波長
側であり、かつ、外部からの電圧印加によって、モード
同期動作波長にシフトさせうることを特徴とする請求項
1に記載のモード同期半導体レーザ。
4. The active layer of the distributed reflection region has a transition wavelength on a short wavelength side with respect to a transition wavelength which is an emission wavelength at which a mode-locking operation of the optical amplification region and the saturable absorption region occurs. 2. The mode-locked semiconductor laser according to claim 1, wherein the wavelength can be shifted to a mode-locked operation wavelength by applying a voltage from the semiconductor laser.
【請求項5】 少なくとも光増幅領域と、可飽和吸収領
域と、回折格子を有する分布反射領域とが光導波路で結
合されているモード同期半導体レーザの駆動方法におい
て、 前記光増幅領域には電流を注入し、可飽和吸収領域には
逆バイアス電圧を印加することによりモード同期動作を
発生させるステップと、 前記分布反射領域には、電流注入が生じるレベル以下の
順バイアスあるいは逆バイアスを印加するステップと、 前記バイアスの印加によつて分布反射領域の吸収係数を
制御するステップを有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。
5. A method for driving a mode-locked semiconductor laser in which at least an optical amplification region, a saturable absorption region, and a distributed reflection region having a diffraction grating are coupled by an optical waveguide, wherein a current is supplied to the optical amplification region. Injecting and applying a reverse bias voltage to the saturable absorption region to generate a mode-locked operation; and applying a forward bias or a reverse bias equal to or lower than a level at which current injection occurs to the distributed reflection region. Controlling the absorption coefficient of the distributed reflection region by applying the bias.
【請求項6】 前記分布反射領域の吸収係数を制御する
ステップが、 前記分布反射領域における分布反射鏡の有効長を印加電
圧値によって制御するステップである請求項5記載のモ
ード同期半導体レーザの駆動方法。
6. The driving of the mode-locked semiconductor laser according to claim 5, wherein the step of controlling the absorption coefficient of the distributed reflection region is a step of controlling an effective length of the distributed reflection mirror in the distributed reflection region by an applied voltage value. Method.
【請求項7】 前記分布反射領域の有効長を制御するス
テップが、 光パルスの繰り返し周波数を印加電圧値によって制御す
るステップである請求項6記載のモード同期半導体レー
ザの駆動方法。
7. The method for driving a mode-locked semiconductor laser according to claim 6, wherein the step of controlling the effective length of the distributed reflection region is a step of controlling the repetition frequency of the light pulse by an applied voltage value.
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Applied Physics Letters,64[15],p.1917−1919
Electronics Letters,29[11],p.1013−1015
IEEE Journal of Quantum Electronics,28[10],p.2186−2202
IEEE Journal of Quantum Electronics,32[11],p.1965−1975
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