JP4402621B2 - Optical clock extraction circuit - Google Patents

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Description

本発明は、超高速光信号処理回路に係り、特に電気的処理が可能な周波数帯域を超えた超高速の光信号から光クロックを抽出して再生する光クロック抽出回路に関するものである。   The present invention relates to an ultra-high-speed optical signal processing circuit, and more particularly to an optical clock extraction circuit that extracts and reproduces an optical clock from an ultra-high-speed optical signal that exceeds a frequency band where electrical processing is possible.

光時分割多重を用いる超高速光通信では、例えば光信号分離を行う際に、クロック信号の抽出が不可欠である。従来の光クロック抽出回路を図を用いて説明する。図6は、位相同期ループ(PLL)型の光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。この光クロック抽出回路は、光信号を電流に変換して出力するフォトダイオード(以下、PDとする)100と、PD100から出力された電流を電圧に変換するトランスインピーダンス回路101と、トランスインピーダンス回路101の出力のうち所定の周波数帯域のみを通過させる帯域通過フィルタ(以下、BPFとする)102と、BPF102の出力を増幅するRF増幅器103と、制御電圧に応じた周波数のクロックを生成する電圧制御発振器(以下、VCOとする)104と、位相比較器と、位相比較器の出力電圧と初期設定の基準電圧とを比較してVCO104の制御電圧を生成する電圧比較器107とから構成される。   In ultra-high-speed optical communication using optical time division multiplexing, for example, when performing optical signal separation, it is essential to extract a clock signal. A conventional optical clock extraction circuit will be described with reference to the drawings. FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a phase-locked loop (PLL) type optical clock extraction circuit. This optical clock extraction circuit includes a photodiode (hereinafter referred to as PD) 100 that converts an optical signal into a current and outputs it, a transimpedance circuit 101 that converts a current output from the PD 100 into a voltage, and a transimpedance circuit 101. A band-pass filter (hereinafter referred to as BPF) 102 that passes only a predetermined frequency band, an RF amplifier 103 that amplifies the output of the BPF 102, and a voltage-controlled oscillator that generates a clock having a frequency corresponding to the control voltage (Hereinafter, referred to as a VCO) 104, a phase comparator, and a voltage comparator 107 that compares the output voltage of the phase comparator with an initial reference voltage to generate a control voltage for the VCO 104.

ここで、位相比較器は、RF増幅器103の出力とVCO104の出力とを掛け合わせるミキサー105と、ミキサー105の出力から低周波帯域のみを取り出す低域通過フィルタ(以下、LPFとする)106とから構成され、RF増幅器103の信号出力とVCO104の信号出力との差の周波数成分をDC成分を含めて出力する信号処理回路である。   Here, the phase comparator includes a mixer 105 that multiplies the output of the RF amplifier 103 and the output of the VCO 104, and a low-pass filter (hereinafter referred to as LPF) 106 that extracts only a low frequency band from the output of the mixer 105. This is a signal processing circuit configured to output the frequency component of the difference between the signal output of the RF amplifier 103 and the signal output of the VCO 104 including the DC component.

VCO104から出力されるクロック信号V1 、光信号を検出して得られたRF増幅器103の出力信号V2 を以下のように表すものとする。
1=Asin[(ω+δω)t+φ] ・・・(1)
2=Bcos(ωt+ψ) ・・・(2)
The clock signal V 1 output from the VCO 104 and the output signal V 2 of the RF amplifier 103 obtained by detecting the optical signal are expressed as follows.
V 1 = Asin [(ω + δω) t + φ] (1)
V 2 = Bcos (ωt + ψ) (2)

ミキサー105による掛け算の結果V12は以下のようになる。
12=ABcos(ωt+ψ)sin[(ω+δω)t+φ]
=(AB/2){sin[(2ω+δω)t+ψ+φ]
+sin(δωt+φ−ψ)} ・・・(3)
As a result of multiplication by the mixer 105, V 1 V 2 is as follows.
V 1 V 2 = ABcos (ωt + ψ) sin [(ω + δω) t + φ]
= (AB / 2) {sin [(2ω + δω) t + ψ + φ]
+ Sin (δωt + φ−ψ)} (3)

LPF106では低周波数成分のみが濾過されるので、LPF106の出力信号Vifは以下のようになる。
if=(AB/2)sin(δωt+φ−ψ) ・・・(4)
ここで、クロック信号V1 とRF増幅器103の出力信号V2 が同期状態に非常に近い場合、式(4)の位相は0に近づくので、次式が成立する。
if=(AB/2)δωt+(AB/2)(φ−ψ) ・・・(5)
Since only the low frequency component is filtered by the LPF 106, the output signal V if of the LPF 106 is as follows.
V if = (AB / 2) sin (δωt + φ−ψ) (4)
Here, when the clock signal V 1 and the output signal V 2 of the RF amplifier 103 are very close to the synchronized state, the phase of the equation (4) approaches 0, and the following equation is established.
V if = (AB / 2) δωt + (AB / 2) (φ−ψ) (5)

したがって、LPF106の出力信号Vifが0となるように信号Vifを電圧比較器107を通じてVCO104に負帰還させると、δω=0、φ=ψとなり、クロック信号V1 とRF増幅器103の出力信号V2 を完全に同期させることができる。このような同期回路を位相同期ループ(PLL)と呼んでいる。 Therefore, when the negative feedback signal V an if so an output signal V an if is 0 LPF106 to the voltage comparator 107 through VCO104, δω = 0, φ = ψ and the output signal of the clock signal V 1 and the RF amplifier 103 V 2 can be fully synchronized. Such a synchronous circuit is called a phase locked loop (PLL).

CW(連続波)光をエンコードして得る光信号は、通常3分の1程度のキャリア周波数成分を保有していて、PDを用いた直接検波により式(2)に示す信号成分を保有している。これに完全に同期した信号をVCO104により発生させることにより、光信号のクロック抽出が達成される。   An optical signal obtained by encoding CW (continuous wave) light normally has a carrier frequency component of about one third, and has a signal component shown in Equation (2) by direct detection using a PD. Yes. By generating a signal completely synchronized with this by the VCO 104, the clock extraction of the optical signal is achieved.

光信号のキャリア周波数成分が高い超高速光信号では、PDによる直接検波が困難となる場合がある。その理由は、キャリア周波数成分がPDの応答帯域を凌駕してしまうためである。既存のPDでは、高々50GHzが応答可能な周波数の上限である一方、超高速光信号の高速化で必要なキャリア周波数は160GHzにも達している。   In the case of an ultrahigh-speed optical signal having a high carrier frequency component of the optical signal, direct detection by the PD may be difficult. This is because the carrier frequency component exceeds the response band of PD. In the existing PD, at most 50 GHz is the upper limit of the frequency that can be responded, while the carrier frequency necessary for speeding up the ultra-high speed optical signal has reached 160 GHz.

このような超高速光信号に対するクロック抽出を達成するため、フォトニックダウンコンバージョンという手法が用いられている(例えば、非特許文献1参照)。フォトニックダウンコンバージョンによる光クロック抽出回路は、図7に示すように、光変調器200と、PD201と、トランスインピーダンス回路202と、BPF203と、RF増幅器204と、VCO205と、RF発振器206と、ミキサー207と、LPF208と、電圧比較器209と、RF増幅器210とから構成される。   In order to achieve clock extraction for such an ultrahigh-speed optical signal, a technique called photonic down-conversion is used (for example, see Non-Patent Document 1). As shown in FIG. 7, the optical clock extraction circuit by photonic down-conversion includes an optical modulator 200, a PD 201, a transimpedance circuit 202, a BPF 203, an RF amplifier 204, a VCO 205, an RF oscillator 206, and a mixer. 207, LPF 208, voltage comparator 209, and RF amplifier 210.

この光クロック抽出回路は、VCO205から出力されるクロック信号に応じて光信号を光変調器200により強度変調し、この強度変調で発生する変調サイドバンドのうち低周波数領域のどれかひとつに着目して、この変調サイドバンドの信号とVCO205から出力されるクロック信号とを位相比較することにより、VCO205を光信号に同期させて光クロック抽出を達成しようとするものである。   This optical clock extraction circuit modulates the intensity of the optical signal by the optical modulator 200 according to the clock signal output from the VCO 205, and pays attention to one of the low frequency regions among the modulation sidebands generated by this intensity modulation. Thus, by comparing the phase of this modulated sideband signal with the clock signal output from the VCO 205, the VCO 205 is synchronized with the optical signal to achieve optical clock extraction.

ここで、n次のダウンコンバージョンに着目し、VCO205の発振周波数をΩ+δΩ、Ω=(ω−Ω’)/nとする。Ω’はVCO205に同期した周波数固定型のRF発振器206が出力する信号の周波数である。RF発振器206の信号出力は、数GHz程度と低周波数であってもよいが、低位相雑音特性を有していることが望ましい。このRF発振器206を設ける理由は、ダウンコンバージョンにより直接DCに信号がダウンコンバートされないようにするためである。   Here, paying attention to the n-th order down-conversion, the oscillation frequency of the VCO 205 is Ω + δΩ and Ω = (ω−Ω ′) / n. Ω ′ is the frequency of the signal output from the fixed frequency RF oscillator 206 synchronized with the VCO 205. The signal output of the RF oscillator 206 may be as low as several GHz, but preferably has low phase noise characteristics. The reason for providing this RF oscillator 206 is to prevent the signal from being directly down-converted to DC by down-conversion.

つまり、PD201は、光信号の信号強度のみを検出するので、差周波数の方向により+、一の符号を含むプッシュプルの誤差信号を発生することはできない(PD201は一の符号の信号を発生できない)。したがって、周波数にオフセット(Ω’)を与え、ミキサー207とLPF208とからなる位相比較器で電気的にプッシュプルの誤差信号を発生させるようにしている。図8に、PD201の出力信号の周波数スペクトルを示す。図8の縦軸は信号強度である。   That is, since the PD 201 detects only the signal strength of the optical signal, it cannot generate a push-pull error signal including + and one sign depending on the direction of the difference frequency (the PD 201 cannot generate a signal of one sign). ). Therefore, an offset (Ω ′) is given to the frequency, and a push-pull error signal is generated electrically by the phase comparator composed of the mixer 207 and the LPF 208. FIG. 8 shows the frequency spectrum of the output signal of the PD 201. The vertical axis in FIG. 8 is the signal intensity.

RF増幅器204から出力されるリファレンス信号V2 (n)は以下のようになる。
2 (n)=Bncos[n{(Ω+δΩ)t+φ}+Ω’] ・・・(6)
式(6)において、Bn はn次の変調サイドバンドを用いた場合の振幅である。式(6)より、LPF208から得られる信号(位相誤差信号)Vif (n) は、次式のように表される。
if (n)=(AB/2)nδΩt+(AB/2)(nφ−ψ) ・・・(7)
The reference signal V 2 (n) output from the RF amplifier 204 is as follows.
V 2 (n) = B n cos [n {(Ω + δΩ) t + φ} + Ω ′] (6)
In equation (6), B n is the amplitude when the nth-order modulation sideband is used. From Expression (6), a signal (phase error signal) V if (n) obtained from the LPF 208 is expressed as the following expression.
V if (n) = (AB / 2) nδΩt + (AB / 2) (nφ−ψ) (7)

この位相誤差信号Vif (n)が0となるように信号Vif (n)を電圧比較器209を通じてVCO205に負帰還させることにより、VCO205から出力されるクロック信号とRF増幅器204の出力信号V2 (n)を同期させることができ、光信号に同期したクロック信号を再生することが可能である。なお,再生したクロック信号を光信号のキャリア周波数と同じにするためには、アップコンバージョンに加え、RF発振器206の周波数成分を加算する等の周波数シンセサイジングを行なう必要がある。 By negatively fed back to VCO205 through the voltage comparator 209 a signal V an if (n) as the phase error signal V an if (n) is zero, the output signal V of the clock signal and the RF amplifier 204 output from VCO205 2 (n) can be synchronized, and a clock signal synchronized with the optical signal can be reproduced. In order to make the regenerated clock signal the same as the carrier frequency of the optical signal, it is necessary to perform frequency synthesis such as adding the frequency component of the RF oscillator 206 in addition to the up-conversion.

0.Kamatani,et al.,「100-Gbit/s optical TDM add/drop multiplexer based on photonic downconversion and four-wave mixing」,OFC'98 WC2,1998,p.112-1130.Kamatani, et al., “100-Gbit / s optical TDM add / drop multiplexer based on photonic downconversion and four-wave mixing”, OFC'98 WC2,1998, p.112-113

以上述べたように、従来の光クロック抽出回路では、フォトニックダウンコンバージョンを用いたPLLにより、高速の光信号からクロックを抽出することが可能となったが、クロック抽出に利用する変調サイドバンドがRF駆動電力に依存する上、次数が高くなるほど変調によるサイドバンドのパワーが弱くなるという欠点があった。このような欠点により、LPFから得られる位相誤差信号のSN(Signal to Noise Ratio )が劣化し、良好な同期性能を得ることが難しいという問題点があった。この問題点を解決するために、変調電力を増大させ、信号劣化を補償する方法も試みられているが、この信号劣化補償を行うためには、高出力のミリ波回路またはマイクロ波回路を備える必要があり、回路の小型化、低消費電力化を達成することは困難であった。   As described above, in the conventional optical clock extraction circuit, it is possible to extract a clock from a high-speed optical signal by a PLL using photonic down-conversion, but there is a modulation sideband used for clock extraction. In addition to depending on the RF driving power, there is a drawback that the sideband power due to modulation becomes weaker as the order increases. Due to such drawbacks, the SN (Signal to Noise Ratio) of the phase error signal obtained from the LPF deteriorates, and it is difficult to obtain good synchronization performance. In order to solve this problem, a method of increasing the modulation power and compensating for the signal degradation has been attempted, but in order to perform the signal degradation compensation, a high-power millimeter-wave circuit or microwave circuit is provided. Therefore, it has been difficult to achieve circuit miniaturization and low power consumption.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型、低消費電力でありながら、電気的速度制限を受けることなく光クロックを抽出することができる光クロック抽出回路を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and provides an optical clock extraction circuit that can extract an optical clock without being limited by an electrical speed while being small in size and low in power consumption. Objective.

本発明の光クロック抽出回路は、共振器長が互いに異なる3つのモード同期レーザと、入力光信号を分割する分割手段と、前記3つのモード同期レーザのうち共振器長が最も長い第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域と共振器長が最も短い第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域とに前記分割された光信号を入射させる入射手段と、前記入射した光信号が可飽和吸収領域を通過した後の強度を前記第1のモード同期レーザと前記第2のモード同期レーザの各々について独立に検出する検出手段と、前記第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域を通過した光信号の強度と前記第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域を通過した光信号の強度との差分に基づいて、第3のモード同期レーザの実効屈折率を電気的に制御する制御手段とを備え、前記光信号の強度の差分を前記制御手段に負帰還させることにより、前記第3のモード同期レーザから前記入力光信号に同期した光クロックを生成させるようにしたものである。   The optical clock extraction circuit of the present invention includes three mode-locked lasers having different resonator lengths, a splitting unit that splits an input optical signal, and a first mode having the longest resonator length among the three mode-locked lasers. Incident means for injecting the divided optical signal into the saturable absorption region of the synchronous laser and the saturable absorption region of the second mode-locked laser with the shortest resonator length, and the incident optical signal is in the saturable absorption region Detecting means for independently detecting the intensity after passing through each of the first mode-locked laser and the second mode-locked laser, and an optical signal passing through the saturable absorption region of the first mode-locked laser Control means for electrically controlling the effective refractive index of the third mode-locked laser on the basis of the difference between the intensity of the optical signal and the intensity of the optical signal that has passed through the saturable absorption region of the second mode-locked laser. For example, by negative feedback the difference between the intensity of the optical signal to the control means, is obtained by from the third mode-locked laser to generate an optical clock synchronized with the input optical signal.

また、本発明の光クロック抽出回路の1構成例は、前記第1のモード同期レーザと前記第3のモード同期レーザの共振器長の差と、前記第3のモード同期レーザと前記第2のモード同期レーザの共振器長の差とが等しくなるようにしたものである。
また、本発明の光クロック抽出回路の1構成例において、前記入射手段は、半導体レーザ基板上に形成された前記第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置され、光信号の光軸がこの第1のモード同期レーザの光軸に対して直交するよう可飽和吸収領域に光信号を入射させる第1の光導波路と、前記基板上に形成された前記第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置され、光信号の光軸がこの第2のモード同期レーザの光軸に対して直交するよう可飽和吸収領域に光信号を入射させる第2の光導波路とからなるものである。
また、本発明の光クロック抽出回路の1構成例において、前記検出手段は、前記第1のモード同期レーザを通過する光信号の光軸上にあって、この第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置された第1の受光素子と、前記第2のモード同期レーザを通過する光信号の光軸上にあって、この第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置された第2の受光素子と、この第1、第2の受光素子から出力される光電流をそれぞれ電圧に変換する第1、第2の電流電圧変換手段とからなるものである。
また、本発明の光クロック抽出回路の1構成例において、前記検出手段は、前記第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第1の電流電圧変換手段と、前記第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第2の電流電圧変換手段とからなるものである。
また、本発明の光クロック抽出回路の1構成例において、前記入射手段は、半導体レーザ基板上に形成された前記第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、前記基板と垂直な方向から前記光信号を入射させる第1の照射手段と、前記基板上に形成された前記第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、前記基板と垂直な方向から前記光信号を入射させる第2の照射手段とからなるものである。
Also, one configuration example of the optical clock extraction circuit of the present invention includes a difference in cavity length between the first mode-locked laser and the third mode-locked laser, the third mode-locked laser, and the second mode-locked laser. The difference in the cavity length of the mode-locked laser is made equal.
Further, in one configuration example of the optical clock extraction circuit of the present invention, the incident means is disposed in the vicinity of the saturable absorption region of the first mode-locked laser formed on the semiconductor laser substrate, A first optical waveguide for allowing an optical signal to enter the saturable absorption region so that the optical axis is orthogonal to the optical axis of the first mode-locked laser; and the second mode-locked laser formed on the substrate. A second optical waveguide that is disposed adjacent to the saturable absorption region of the second optical waveguide and allows the optical signal to enter the saturable absorption region so that the optical axis of the optical signal is orthogonal to the optical axis of the second mode-locked laser. It consists of
Further, in one configuration example of the optical clock extraction circuit of the present invention, the detection means is on an optical axis of an optical signal passing through the first mode-locked laser, and the first mode-locked laser is saturable. A first light receiving element disposed in the vicinity of the absorption region and an optical axis of an optical signal passing through the second mode-locked laser, and close to the saturable absorption region of the second mode-locked laser And the first and second current-voltage conversion means for converting the photocurrents output from the first and second light-receiving elements into voltages, respectively.
In one configuration example of the optical clock extraction circuit of the present invention, the detection unit detects a photocurrent flowing to a reverse bias application circuit that applies a reverse bias to the saturable absorption region of the first mode-locked laser. A first current-voltage converting means for converting to a voltage; and a second current for detecting a photoelectric current flowing to a reverse bias applying circuit for applying a reverse bias to the saturable absorption region of the second mode-locked laser and converting it to a voltage. It comprises current-voltage conversion means.
In one configuration example of the optical clock extraction circuit of the present invention, the incident means is for light injection formed in a cap layer in a saturable absorption region of the first mode-locked laser formed on a semiconductor laser substrate. Formed in a cap layer in a saturable absorption region of the second mode-locked laser formed on the substrate; and a first irradiation unit that causes the optical signal to enter the window from a direction perpendicular to the substrate. And a second irradiating means for allowing the optical signal to enter the light injection window from a direction perpendicular to the substrate.

本発明によれば、高周波のRF発振器、位相比較器、及びRF増幅器が不要な小型で低消費電力の超高速光クロック抽出回路を実現することができる。また、本発明では、フォトニックダウンコンバージョンを用いた従来の光クロック抽出回路のような変調サイドバンドに起因する問題がないので、良好な同期性能を得ることができる。さらに、本発明では、半導体レーザ基板に形成したモード同期レーザ等の光回路と、モード同期レーザの利得領域に電流を注入する電流サプライ、モード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路、差動増幅回路(制御手段)等の電気回路をハイブリッド実装することにより、超小形のクロック抽出回路を実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a small and low power consumption ultra-high-speed optical clock extraction circuit that does not require a high-frequency RF oscillator, a phase comparator, and an RF amplifier. Further, in the present invention, there is no problem caused by the modulation sideband as in the conventional optical clock extraction circuit using photonic downconversion, so that good synchronization performance can be obtained. Furthermore, in the present invention, an optical circuit such as a mode-locked laser formed on a semiconductor laser substrate, a current supply that injects current into the gain region of the mode-locked laser, and a reverse bias that applies a reverse bias to the saturable absorption region of the mode-locked laser. An ultra-small clock extraction circuit can be realized by hybrid mounting electrical circuits such as a bias application circuit and a differential amplifier circuit (control means).

また、本発明では、検出手段を、第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第1の電流電圧変換手段と、第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第2の電流電圧変換手段とから構成することにより、可飽和吸収領域を受光素子として兼用することができ、受光素子を省略することができる。   In the present invention, the detection means is a first current-voltage conversion means for detecting a photocurrent flowing to a reverse bias application circuit for applying a reverse bias to the saturable absorption region of the first mode-locked laser and converting it into a voltage. And a second current-voltage conversion means for detecting a photocurrent flowing to a reverse bias application circuit for applying a reverse bias to the saturable absorption region of the second mode-locked laser and converting it to a voltage. The saturated absorption region can also be used as a light receiving element, and the light receiving element can be omitted.

また、本発明では、入射手段を、半導体レーザ基板上に形成された第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、基板と垂直な方向から光信号を入射させる第1の照射手段と、基板上に形成された第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、基板と垂直な方向から光信号を入射させる第2の照射手段とから構成することにより、半導体レーザ基板上の複雑な光導波路を省略することができる。   Further, in the present invention, the incident means is formed from a direction perpendicular to the substrate with respect to the light injection window formed in the cap layer of the saturable absorption region of the first mode-locked laser formed on the semiconductor laser substrate. From the direction perpendicular to the substrate to the first irradiation means for entering the optical signal and the light injection window formed in the cap layer of the saturable absorption region of the second mode-locked laser formed on the substrate By comprising the second irradiation means for making the optical signal incident, a complicated optical waveguide on the semiconductor laser substrate can be omitted.

[発明の原理]
本発明は、逆バイアスを印加するだけで発振可能なモード同期レーザを、繰り返し周波数が光信号のキャリア周波数より低い第1のモード同期レーザと、繰り返し周波数が光信号のキャリア周波数より高い第2のモード同期レーザと、繰り返し周波数が光信号のキャリア周波数と略同一の第3のモード同期レーザの3つ設け、第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域と第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域に光信号を注入し、この2つのレーザから得られる光検出信号の差分(位相誤差信号)を、第3のモード同期レーザの実効屈折率を電気的に制御する制御手段に負帰還させるようにしたものである。
[Principle of the Invention]
The present invention provides a mode-locked laser that can oscillate only by applying a reverse bias, a first mode-locked laser whose repetition frequency is lower than the carrier frequency of the optical signal, and a second mode-locking laser whose repetition frequency is higher than the carrier frequency of the optical signal. Three mode-locked lasers and a third mode-locked laser whose repetition frequency is substantially the same as the carrier frequency of the optical signal are provided, and the saturable absorption region of the first mode-locked laser and the saturable absorption of the second mode-locked laser. An optical signal is injected into the region, and the difference (phase error signal) between the optical detection signals obtained from the two lasers is negatively fed back to the control means for electrically controlling the effective refractive index of the third mode-locked laser. It is a thing.

図1は、受動モード同期半導体レーザの基本構造を示す断面図である。ここでは、基板50としてN型基板を用いるレーザを例にして説明する。基板50上には、N型クラッド層51、活性層52、P型クラッド層53、P型キャップ層54が順次形成される。活性層52は、PN接合を有するが、レーザの場合にはキャリア閉じ込めを達成するため、2重ヘテロ接合構造となっている。   FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of a passive mode-locked semiconductor laser. Here, a laser using an N-type substrate as the substrate 50 will be described as an example. On the substrate 50, an N-type cladding layer 51, an active layer 52, a P-type cladding layer 53, and a P-type cap layer 54 are sequentially formed. The active layer 52 has a PN junction, but has a double heterojunction structure in order to achieve carrier confinement in the case of a laser.

レーザの長さを厳密に設定するため、エッチングにより形成される図1の左右両端の側壁をミラー面(エッチドミラー)として利用している。このミラーは、描画パターンにより正確な位置に形成可能である。このような2つのエッチドミラーにより、ファブリペロー共振器を有するモード同期レーザが形成される。   In order to set the length of the laser strictly, the left and right side walls in FIG. 1 formed by etching are used as mirror surfaces (etched mirrors). This mirror can be formed at an accurate position by a drawing pattern. Such two etched mirrors form a mode-locked laser having a Fabry-Perot resonator.

モード同期を達成するため、共振器を利得領域55と可飽和吸収領域56とに分離する電極分離溝57が共振器中に設けられている。利得領域55と可飽和吸収領域56は、この電極分離溝57と電極分離溝57の中に埋め込まれる高抵抗の絶縁体(不図示)により電極分離される。電極分離溝57の位置は、可飽和吸収領域55の全共振器に占める割合が10〜20%程度になるように定められている。発振状態のレーザダイオードでは、順方向に通常数Ωの抵抗をもつが、この電極分離により実現される分離抵抗は数百Ωに達するので、分離素子間の電流は実効的にゼロである。   In order to achieve mode locking, an electrode separation groove 57 for separating the resonator into a gain region 55 and a saturable absorption region 56 is provided in the resonator. The gain region 55 and the saturable absorption region 56 are separated by a high resistance insulator (not shown) embedded in the electrode separation groove 57 and the electrode separation groove 57. The position of the electrode separation groove 57 is determined so that the ratio of the saturable absorption region 55 to all the resonators is about 10 to 20%. The laser diode in the oscillation state usually has a resistance of several Ω in the forward direction. However, since the separation resistance realized by this electrode separation reaches several hundreds Ω, the current between the separation elements is effectively zero.

以上のような受動モード同期半導体レーザに逆バイアスを印加すると、エキシトンの吸収端波長がシフトし、光の吸収率が変化(通常は吸収率が高くなる方向に変化)する。半導体共振器中を周回する光は、共振器の端にある可飽和吸収領域56によりわずかに変調され、周回毎にこの変調が増強される。このため、レーザの縦モード毎に共振器中に放射され周回する自然放出光に、この変調成分が加わり、その強度がしだいに増大する。この強度の増大により各モードの位相差が相殺されるのに従い、共振器中を周回する光はパルス化される。このパルスの尖塔部は光強度が極めて高く、可飽和吸収領域56を通過する場合には、吸収飽和により、パルス尖塔部の透過率がパルスの他の部分に比べて高くなる。これにより、共振器中を周回する光に対して強い自己変調効果が働き、最終的には、位相の揃ったモード同期パルスを得ることができる。   When a reverse bias is applied to the passive mode-locked semiconductor laser as described above, the absorption edge wavelength of exciton shifts and the light absorption rate changes (usually changes in the direction in which the absorption rate increases). Light that circulates in the semiconductor resonator is slightly modulated by the saturable absorption region 56 at the end of the resonator, and this modulation is enhanced with each lap. For this reason, this modulation component is added to the spontaneous emission light radiated and circulated in the resonator for each longitudinal mode of the laser, and the intensity gradually increases. As the phase difference of each mode is canceled by this increase in intensity, the light circulating in the resonator is pulsed. The spire portion of the pulse has extremely high light intensity, and when passing through the saturable absorption region 56, the transmittance of the pulse spire portion becomes higher than that of the other portions of the pulse due to absorption saturation. As a result, a strong self-modulation effect acts on the light circulating in the resonator, and finally a mode-locked pulse with a uniform phase can be obtained.

以上述べた半導体の受動モード同期は、ある範囲の逆バイアス電圧で達成される。可飽和吸収領域56の実効屈折率は、逆バイアス電圧に依存する。したがって、モード同期が達成される範囲の中で、共振器の実効屈折率を介してパルスの繰り返し周波数を制御することが可能となる。   The semiconductor passive mode locking described above is achieved with a range of reverse bias voltages. The effective refractive index of the saturable absorption region 56 depends on the reverse bias voltage. Therefore, it is possible to control the pulse repetition frequency via the effective refractive index of the resonator within a range where mode locking is achieved.

このようなモード同期半導体レーザの可飽和吸収領域56に外部からパルス光を注入する。注入光が共振器内を周回しないように、共振器の光軸と垂直な方向(図1の紙面に垂直な方向)から光注入を行うと、可飽和吸収領域56は光により強制的な外部変調を受ける。この変調の周波数と共振器内部を周回する光パルスの繰り返し周波数がほぼ同じ場合には、強制モード同期と同様に、受動的なモード同期が外部信号の周波数に引き込まれ、外部信号の位相に同期したモード同期パルスを得ることができる。   Pulse light is injected from the outside into the saturable absorption region 56 of such a mode-locked semiconductor laser. When light injection is performed from a direction perpendicular to the optical axis of the resonator (a direction perpendicular to the paper surface of FIG. 1) so that the injected light does not circulate in the resonator, the saturable absorption region 56 is forced to be externally forced by the light. Undergo modulation. When the frequency of this modulation and the repetition frequency of the optical pulse that circulates inside the resonator are almost the same, passive mode synchronization is pulled into the frequency of the external signal and is synchronized with the phase of the external signal, as in forced mode synchronization. Mode-locked pulses can be obtained.

ただし、注入光の強度が弱い場合には、周波数引き込みが弱くなり、受動モード同期発振が優勢となる。このような状態では、受動モード同期により発生するパルス列のエンベロープに、変調周波数と光パルスの繰り返し周波数との周波数差がビートとして重畳される。モード同期半導体レーザを用いて光クロック抽出を行う場合に光信号の注入による同期という方法が困難なのは、このような光注入による同期の条件が厳しい一方、伝送路の揺らぎにより注入光の偏波状態が容易に変化して高い入力強度を維持できないためである。   However, when the intensity of the injected light is weak, the frequency pull-in becomes weak and the passive mode-locked oscillation becomes dominant. In such a state, the frequency difference between the modulation frequency and the repetition frequency of the optical pulse is superimposed as a beat on the envelope of the pulse train generated by the passive mode synchronization. When optical clock extraction is performed using a mode-locked semiconductor laser, the method of synchronization by optical signal injection is difficult. While the conditions for synchronization by such optical injection are severe, the polarization state of the injected light due to fluctuations in the transmission path This is because the change easily changes and the high input intensity cannot be maintained.

光注入による周波数引き込みがない状態では、外部パルス光の周波数が共振器内を周回する光パルスの繰り返し周波数から離調されるに従い、同期が外れる。これに伴い、共振器内を周回する光パルスと注入パルスとが可飽和吸収領域56で衝突する確率は低下する。このため、外部注入光が共振器に結合しないで可飽和吸収領域56を透過する場合、離調に伴い透過率が低下する。この透過率をモニタすれば、離調の度合いを推測することができる。   In a state where there is no frequency pull-in due to light injection, synchronization is lost as the frequency of the external pulse light is detuned from the repetition frequency of the optical pulse that circulates in the resonator. Along with this, the probability that the optical pulse circulating around the resonator and the injection pulse collide with each other in the saturable absorption region 56 decreases. For this reason, when the externally injected light is transmitted through the saturable absorption region 56 without being coupled to the resonator, the transmittance decreases with detuning. If this transmittance is monitored, the degree of detuning can be estimated.

そこで、繰り返し周波数が異なる受動モード同期半導体レーザを3つ用意し、繰り返し周波数が最も高いレーザと最も低いレーザの可飽和吸収領域に対して外部から光注入を行う。注入光の透過強度は離調周波数に依存するので、繰り返し周波数が最も高いレーザの可飽和吸収領域を透過した注入光の強度と、繰り返し周波数が最も低いレーザの可飽和吸収領域を透過した注入光の強度との差は、残り1つのレーザ、すなわち光クロックを再生するためのレーザの繰り返し周波数と外部光パルスの繰り返し周波数との間の誤差を表わす。   Therefore, three passive mode-locked semiconductor lasers having different repetition frequencies are prepared, and light is injected from the outside into the saturable absorption regions of the laser having the highest repetition frequency and the laser having the lowest repetition frequency. Since the transmission intensity of the injection light depends on the detuning frequency, the intensity of the injection light transmitted through the saturable absorption region of the laser having the highest repetition frequency and the injection light transmitted through the saturable absorption region of the laser having the lowest repetition frequency. The difference between the intensity of and the intensity of the laser represents the error between the repetition frequency of the remaining laser, that is, the laser for regenerating the optical clock and the repetition frequency of the external optical pulse.

そこで、この誤差が0となるように光クロック再生用レーザの可飽和吸収領域の電圧に誤差信号を負帰還させることにより、位相同期ループ(PLL)を形成し、その結果、外部パルス光に同期した光クロックを受動モード同期半導体レーザにより発生させることができる。なお、光クロック再生用レーザに外部光パルスを注入することも可能であるが、偏波ダイバーシティ等の揺らぎにより、周波数引き込み以上に発振状態が不安定になる。   Therefore, a phase-locked loop (PLL) is formed by negatively feeding back the error signal to the voltage in the saturable absorption region of the optical clock recovery laser so that this error becomes zero, and as a result, it is synchronized with the external pulse light. The generated optical clock can be generated by a passive mode-locked semiconductor laser. Although it is possible to inject an external optical pulse into the optical clock recovery laser, the oscillation state becomes more unstable than the frequency pull-in due to fluctuations such as polarization diversity.

[第1の実施の形態]
以下、本発明の第1の実施の形態について図面を参照して説明する。図2は、本発明の第1の実施の形態となる光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、長さの異なる3つの受動モード同期半導体レーザ3−1,3−2,3−3を半導体レーザ基板2上に形成している。
[First Embodiment]
Hereinafter, a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of the optical clock extraction circuit according to the first embodiment of the present invention. In the present embodiment, three passive mode-locked semiconductor lasers 3-1, 3-2 and 3-3 having different lengths are formed on the semiconductor laser substrate 2.

半導体レーザ基板2上に形成される光回路は、受動モード同期半導体レーザ3−1,3−2,3−3と、半導体レーザ3−1,3−2の可飽和吸収領域31−1,31−2に光注入するための第1、第2の光導波路4−1,4−2と、第1、第2の受光素子となるフォトダイオード(以下、PDとする)5−1,5−2と、半導体レーザ3−1,3−2,3−3の可飽和吸収領域31−1,31−2,31−3と電気的コンタクトをとるための電極パッド6−1,6−2,6−3と、半導体レーザ3−1,3−2,3−3の利得領域30−1,30−2,30−3と電気的コンタクトをとるための電極パッド7−1,7−2,7−3と、フォトダイオード5−1,5−2と電気的コンタクトをとるための電極パッド8−1,8−2と、電気的コンタクトのためのワイヤーとから構成されている。半導体レーザ3−1〜3−3の構造は図1で説明したとおりである。第1のモード同期レーザ3−1と第3のモード同期レーザ3−3の共振器長の差と、第3のモード同期レーザ3−3と第2のモード同期レーザ3−2の共振器長の差とは等しい。   The optical circuit formed on the semiconductor laser substrate 2 includes passive mode-locked semiconductor lasers 3-1, 3-2, and 3-3, and saturable absorption regions 31-1 and 31 of the semiconductor lasers 3-1, 3-2. -2 for injecting light into -2, first and second optical waveguides 4-1 and 4-2, and photodiodes (hereinafter referred to as PDs) 5-1 and 5- 2 and electrode pads 6-1, 6-2 and 6-2 for making electrical contact with the saturable absorption regions 31-1, 31-2 and 31-3 of the semiconductor lasers 3-1, 3-2 and 3-3. 6-3 and electrode pads 7-1, 7-2 for making electrical contact with the gain regions 30-1, 30-2, 30-3 of the semiconductor lasers 3-1, 3-2, 3-3. 7-3, electrode pads 8-1 and 8-2 for making electrical contact with the photodiodes 5-1 and 5-2, It is composed of a wire for Ntakuto. The structure of the semiconductor lasers 3-1 to 3-3 is as described with reference to FIG. The difference in resonator length between the first mode-locked laser 3-1 and the third mode-locked laser 3-3, and the resonator length between the third mode-locked laser 3-3 and the second mode-locked laser 3-2. Is equal to the difference.

電流サプライ9−1,9−2,9−3は、それぞれ電極パッド7−1,7−2,7−3を介して受動モード同期半導体レーザ3−1,3−2,3−3の利得領域30−1,30−2,30−3に電流を注入する。逆バイアス印加回路10−1,10−2は、それぞれ電極パッド6−1,6−2を介して受動モード同期半導体レーザ3−1,3−2の可飽和吸収領域31−1,31−2に逆バイアスを印加する。第1、第2の電流電圧変換手段となるトランスインピーダンス回路11−1,11−2は、それぞれPD5−1,5−2から出力された電流を電圧に変換する。   Current supplies 9-1, 9-2, 9-3 are gains of passive mode-locked semiconductor lasers 3-1, 3-2, 3-3 through electrode pads 7-1, 7-2, 7-3, respectively. Current is injected into the regions 30-1, 30-2, and 30-3. The reverse bias applying circuits 10-1 and 10-2 are saturable absorption regions 31-1 and 31-2 of the passive mode-locked semiconductor lasers 3-1 and 3-2 through the electrode pads 6-1 and 6-2, respectively. Apply reverse bias to. Transimpedance circuits 11-1 and 11-2 serving as first and second current-voltage conversion means convert the currents output from PD5-1 and 5-2 into voltages, respectively.

制御手段となる差動増幅回路12は、トランスインピーダンス回路11−1,11−2の出力差に基づいて、受動モード同期半導体レーザ3−3の可飽和吸収領域31−3に逆バイアスを印加する。電流サプライ9−1,9−2,9−3、逆バイアス印加回路10−1,10−2、トランスインピーダンス回路11−1,11−2及び差動増幅回路12は、半導体レーザ基板2の外部に形成されるが、半導体レーザ基板2上に形成することも可能である。   The differential amplifier circuit 12 serving as the control means applies a reverse bias to the saturable absorption region 31-3 of the passive mode-locked semiconductor laser 3-3 based on the output difference between the transimpedance circuits 11-1 and 11-2. . The current supplies 9-1, 9-2, 9-3, reverse bias application circuits 10-1, 10-2, transimpedance circuits 11-1, 11-2, and differential amplifier circuit 12 are external to the semiconductor laser substrate 2. However, it may be formed on the semiconductor laser substrate 2.

図3は、半導体レーザ基板2上に形成された受動モード同期半導体レーザ3−1と光導波路4−1とPD5−1の斜視図である。半導体レーザ基板2上に種々の光学素子を形成するため、電極分離溝が設けられているが、図3はその一部を示している。受動モード同期半導体レーザ3−1の場合、モード同期を達成するために、共振器を利得領域30−1と可飽和吸収領域31−1とに分離する電極分離溝32−1が設けられている。また、半導体レーザ基板2上に形成された光注入用の光導波路4−1は、電極分離溝32−1と同様の分離溝33−1により可飽和吸収領域31−1の側壁から隔てられている。一方、注入された光が可飽和吸収領域31−1を通過する出口側の半導体レーザ基板2上には、分離溝34−1により可飽和吸収領域31−1の側壁から隔てられたPD5−1が設けられている。   FIG. 3 is a perspective view of the passive mode-locked semiconductor laser 3-1, optical waveguide 4-1, and PD5-1 formed on the semiconductor laser substrate 2. FIG. In order to form various optical elements on the semiconductor laser substrate 2, electrode separation grooves are provided. FIG. 3 shows a part thereof. In the case of the passive mode-locked semiconductor laser 3-1, in order to achieve mode locking, an electrode separation groove 32-1 that separates the resonator into a gain region 30-1 and a saturable absorption region 31-1 is provided. . The optical waveguide 4-1 for light injection formed on the semiconductor laser substrate 2 is separated from the side wall of the saturable absorption region 31-1 by a separation groove 33-1 similar to the electrode separation groove 32-1. Yes. On the other hand, on the semiconductor laser substrate 2 on the exit side where the injected light passes through the saturable absorption region 31-1, the PD 5-1 separated from the side wall of the saturable absorption region 31-1 by the separation groove 34-1. Is provided.

これらの分離溝はクラッドの上部まで形成される。光導波路4−1,4−2は吸収がないようにP型半導体で形成されるため、分離抵抗は大きい。分離溝が深いほど分離抵抗が大きくなる反面、光学的反射が共振器内のパルス周回に影響する。このため、分離溝の最適設計が施されている。通常、分離抵抗は500〜1000Ωである。   These separation grooves are formed up to the upper part of the cladding. Since the optical waveguides 4-1 and 4-2 are formed of a P-type semiconductor so as not to absorb, the isolation resistance is large. The deeper the separation groove, the greater the separation resistance, but the optical reflection affects the pulse circulation in the resonator. For this reason, the optimum design of the separation groove is applied. Usually, the separation resistance is 500 to 1000Ω.

図3に示すように、レーザ共振器の光軸と光信号注入の光軸は直交し、注入光がレーザ共振器を周回しないようになっている。図3の例では、繰り返し周波数が最も低い第1の受動モード同期半導体レーザ3−1について示しているが、繰り返し周波数が最も高い第2の受動モード同期半導体レーザ3−2と光導波路4−2とPD5−2についてもその構成は同様である。   As shown in FIG. 3, the optical axis of the laser resonator is orthogonal to the optical axis of the optical signal injection so that the injected light does not circulate around the laser resonator. In the example of FIG. 3, the first passive mode-locked semiconductor laser 3-1 having the lowest repetition frequency is shown. However, the second passive mode-locked semiconductor laser 3-2 and the optical waveguide 4-2 having the highest repetition frequency are shown. And PD5-2 have the same configuration.

光回路部分への光信号の導入は、半導体レーザ基板2上に形成された光導波路4−1,4−2により行なわれる。この光導波路4−1,4−2は、45度ミラー部分(図2における光導波路4−1,4−2の屈曲部)を有するもので、光回路の中で適切な場所に光信号を導入することができる。本実施の形態では、受動モード同期半導体レーザ3−1,3−2の可飽和吸収領域31−1,31−2に光信号を注入するため、光導波路4−1,4−2は、それぞれ可飽和吸収領域31−1,31−2の位置に対応したものとなっている。これら2つの光導波路4−1,4−2に光信号を同時に導入するため、分割手段となる方向性結合器1により2分割した光を等長の結合用光ファイバで光導波路4−1,4−2に導く。   Introduction of an optical signal into the optical circuit portion is performed by optical waveguides 4-1 and 4-2 formed on the semiconductor laser substrate 2. These optical waveguides 4-1 and 4-2 have a 45-degree mirror portion (the bent portions of the optical waveguides 4-1 and 4-2 in FIG. 2), and send optical signals to appropriate places in the optical circuit. Can be introduced. In the present embodiment, since optical signals are injected into the saturable absorption regions 31-1 and 31-2 of the passive mode-locked semiconductor lasers 3-1 and 3-2, the optical waveguides 4-1 and 4-2 are respectively This corresponds to the positions of the saturable absorption regions 31-1 and 31-2. In order to simultaneously introduce optical signals into these two optical waveguides 4-1 and 4-2, the light divided into two by the directional coupler 1 serving as a splitting means is connected to the optical waveguide 4-1 by an equal-length optical fiber for coupling. Guide to 4-2.

可飽和吸収領域31−1,31−2を通過した光信号をPD5−1,5−2で検出するためには、可飽和吸収領域と同様に逆バイアス電圧を印加して、エキシトンの吸収端波長をシフトさせればよい。すなわち、光検出は、PD5−1,5−2に逆バイアスを印加した場合に得る光電流をモニタすることによる。PD5−1,5−2から出力された光電流は、それぞれトランスインピーダンス回路11−1,11−2により電圧に変換される。これにより、光強度に電圧が比例する光検出信号が得られる。   In order to detect the optical signals that have passed through the saturable absorption regions 31-1 and 31-2 with the PDs 5-1 and 5-2, a reverse bias voltage is applied in the same manner as in the saturable absorption region, and the exciton absorption edge is detected. What is necessary is just to shift a wavelength. That is, light detection is based on monitoring the photocurrent obtained when a reverse bias is applied to the PDs 5-1 and 5-2. Photocurrents output from the PDs 5-1 and 5-2 are converted into voltages by the transimpedance circuits 11-1 and 11-2, respectively. Thereby, a light detection signal whose voltage is proportional to the light intensity is obtained.

トランスインピーダンス回路11−1の出力電圧は差動増幅回路12の非反転入力端子に入力され、トランスインピーダンス回路11−2の出力電圧は差動増幅回路12の反転入力端子に入力される。差動増幅回路12は、トランスインピーダンス回路11−1とトランスインピーダンス回路11−2との出力差に所定のオフセット電圧Voffを加えた値を、クロック再生用の第3の受動モード同期半導体レーザ3−3の逆バイアス電圧として可飽和吸収部31−3に印加する。ここで、オフセット電圧Voffは、モード同期発振を達成する逆バイアス電圧範囲の中央値であると都合がよい。   The output voltage of the transimpedance circuit 11-1 is input to the non-inverting input terminal of the differential amplifier circuit 12, and the output voltage of the transimpedance circuit 11-2 is input to the inverting input terminal of the differential amplifier circuit 12. The differential amplifier circuit 12 obtains a value obtained by adding a predetermined offset voltage Voff to the output difference between the transimpedance circuit 11-1 and the transimpedance circuit 11-2, and outputs a third passive mode-locked semiconductor laser 3- 3 is applied to the saturable absorber 31-3 as a reverse bias voltage of 3. Here, the offset voltage Voff is conveniently the median value of the reverse bias voltage range that achieves mode-locked oscillation.

以上により、本実施の形態では、受動モード同期半導体レーザ3−1の可飽和吸収領域31−1を通過した光信号の強度と受動モード同期半導体レーザ3−2の可飽和吸収領域31−2を通過した光信号の強度との差分が0となるように、受動モード同期半導体レーザ3−3の実効屈折率を電気的に制御することにより、光信号に同期した光クロックを受動モード同期半導体レーザ3−3から発生させることができる。   As described above, in the present embodiment, the intensity of the optical signal that has passed through the saturable absorption region 31-1 of the passive mode-locked semiconductor laser 3-1 and the saturable absorption region 31-2 of the passive mode-locked semiconductor laser 3-2 are determined. By passively controlling the effective refractive index of the passive mode-locked semiconductor laser 3-3 so that the difference from the intensity of the optical signal that has passed becomes zero, the optical clock synchronized with the optical signal is changed to the passive mode-locked semiconductor laser. 3-3 can be generated.

[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図4は、本発明の第2の実施の形態となる光クロック抽出回路の構成を示すブロック図であり、図2と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態では、受動モード同期半導体レーザ3−1,3−2の可飽和吸収領域31−1,31−2をPDとして利用する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 is a block diagram showing the configuration of the optical clock extraction circuit according to the second embodiment of the present invention. The same components as those in FIG. 2 are denoted by the same reference numerals. In the present embodiment, saturable absorption regions 31-1 and 31-2 of passive mode-locked semiconductor lasers 3-1 and 3-2 are used as PDs.

可飽和吸収領域31−1,31−2をPDとして動作させるため、印加電極を伝わる光電流を外部電気回路に取り出す必要がある。このため、可飽和吸収領域31−1,31−2に接続された電極パッド6−1,6−2と逆バイアス印加回路10−1,10−2との間に抵抗13−1,13−2を挿入して逆バイアス印加回路10−1,10−2の見かけ上のインピーダンスを高くして、逆バイアス印加回路10−1,10−2への電流流入を阻止し、電極パッド6−1,6−2からの電流をトランスインピーダンス回路14−1,14−2により電圧に変換し、光検出信号を得るようにしている。   In order to operate the saturable absorption regions 31-1 and 31-2 as a PD, it is necessary to take out a photocurrent transmitted through the application electrode to an external electric circuit. Therefore, the resistors 13-1 and 13- are connected between the electrode pads 6-1 and 6-2 connected to the saturable absorption regions 31-1 and 31-2 and the reverse bias applying circuits 10-1 and 10-2. 2 is inserted to increase the apparent impedance of the reverse bias application circuits 10-1 and 10-2, thereby preventing current from flowing into the reverse bias application circuits 10-1 and 10-2, and the electrode pad 6-1. , 6-2 is converted into a voltage by the transimpedance circuits 14-1 and 14-2 to obtain a light detection signal.

トランスインピーダンス回路14−1の出力電圧は差動増幅回路12の非反転入力端子に入力され、トランスインピーダンス回路14−2の出力電圧は差動増幅回路12の反転入力端子に入力される。差動増幅回路12の動作は第1の実施の形態と同じである。
以上により、本実施の形態では、可飽和吸収領域31−1,31−2をPDとして兼用することができ、PDを省略することができる。
The output voltage of the transimpedance circuit 14-1 is input to the non-inverting input terminal of the differential amplifier circuit 12, and the output voltage of the transimpedance circuit 14-2 is input to the inverting input terminal of the differential amplifier circuit 12. The operation of the differential amplifier circuit 12 is the same as that of the first embodiment.
As described above, in the present embodiment, saturable absorption regions 31-1 and 31-2 can be used as PDs, and the PDs can be omitted.

[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。図5は、本実施の形態における光注入用の受動モード同期半導体レーザ3−1,3−2の可飽和吸収領域31−1,31−2の構造を示す断面図である。本実施の形態は、第1、第2の実施の形態の光クロック抽出回路において、可飽和吸収領域31−1,31−2のキャップ層を除去して設けた光学窓に対して、半導体レーザ基板2と垂直な方向から光信号を照射することにより、光信号を可飽和吸収領域31−1,31−2に注入することを特徴としている。本実施の形態は、可飽和吸収領域31−1,31−2への光注入を空間伝搬を利用して行うものであり、基板上の複雑な光配線を除去した点が特徴である。光注入の光軸は、半導体レーザ基板2に垂直な方向でレーザ共振器の光軸と直交しているため、注入光がレーザ共振器内を周回することはない。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 is a cross-sectional view showing the structures of saturable absorption regions 31-1 and 31-2 of passive mode-locked semiconductor lasers 3-1 and 3-2 for light injection in the present embodiment. In this embodiment, in the optical clock extraction circuit of the first and second embodiments, a semiconductor laser is applied to the optical window provided by removing the cap layers of the saturable absorption regions 31-1 and 31-2. By irradiating the optical signal from a direction perpendicular to the substrate 2, the optical signal is injected into the saturable absorption regions 31-1 and 31-2. The present embodiment is characterized in that light injection into the saturable absorption regions 31-1 and 31-2 is performed using spatial propagation, and complicated optical wiring on the substrate is removed. Since the optical axis of light injection is perpendicular to the optical axis of the laser resonator in a direction perpendicular to the semiconductor laser substrate 2, the injected light does not circulate in the laser resonator.

前述のように、半導体レーザ基板2上には、クラッド層35、活性層36、クラッド層37が順次形成され、さらにオーミックコンタクトをとるため、クラッド層37の上部にキャップ層38が設けられている。このキャップ層38はAu/Sn等の金属を含むものであって、光は透過することができない。そこで、可飽和吸収領域31−1に光を注入するために、可飽和吸収領域31−1の上面の一部に光注入用窓39を設けた。電気的接続は窓39を除く部分に付与されたキャップ層39により行なわれる。このキャップ層39と電気的に接続する電極41を形成するために、レーザ共振器の側面および基板2上にはポリイミド等の絶縁層40が形成される。   As described above, the cladding layer 35, the active layer 36, and the cladding layer 37 are sequentially formed on the semiconductor laser substrate 2, and the cap layer 38 is provided on the cladding layer 37 to make ohmic contact. . The cap layer 38 contains a metal such as Au / Sn and cannot transmit light. Therefore, in order to inject light into the saturable absorption region 31-1, a light injection window 39 is provided on a part of the upper surface of the saturable absorption region 31-1. The electrical connection is made by a cap layer 39 applied to portions other than the window 39. In order to form the electrode 41 electrically connected to the cap layer 39, an insulating layer 40 such as polyimide is formed on the side surface of the laser resonator and the substrate 2.

可飽和吸収領域31−1への光信号注入のために、対物レンズ42を用いて光を集光し、光注入の密度を高めるようにしている。対物レンズ42まで導入する光信号としては、空間伝搬するコリメート光が利用できる。コンパクトな実装を考慮して、半導体レーザ基板2に沿ったコリメート光を用いる場合には、図5のように照射部分で90度光路を曲げるプリズムレンズ43を使用する。この対物レンズ42とプリズムレンズ43は、第1の照射手段を構成している。なお、図5では、半導体レーザ3−1の可飽和吸収領域31−1について記載しているが、半導体レーザ3−2の可飽和吸収領域31−2についても同様の第2の照射手段により、光信号を注入することができる。   In order to inject an optical signal into the saturable absorption region 31-1, light is condensed using the objective lens 42 to increase the density of the light injection. As an optical signal introduced up to the objective lens 42, collimated light propagating in space can be used. In consideration of compact mounting, when using collimated light along the semiconductor laser substrate 2, a prism lens 43 that bends the optical path by 90 degrees at the irradiated portion as shown in FIG. 5 is used. The objective lens 42 and the prism lens 43 constitute a first irradiation means. In FIG. 5, the saturable absorption region 31-1 of the semiconductor laser 3-1 is described, but the saturable absorption region 31-2 of the semiconductor laser 3-2 is also subjected to the same second irradiation unit. An optical signal can be injected.

以上のように、本実施の形態では、受動モード同期半導体レーザ3−1,3−2の可飽和吸収領域31−1,31−2への光注入を空間伝搬を利用して行うことにより、半導体レーザ基板上の複雑な光導波路を省略することができる。   As described above, in the present embodiment, light injection into the saturable absorption regions 31-1 and 31-2 of the passive mode-locked semiconductor lasers 3-1 and 3-2 is performed using spatial propagation, Complex optical waveguides on the semiconductor laser substrate can be omitted.

本発明は、超高速光信号処理回路に適用することができる。   The present invention can be applied to an ultrafast optical signal processing circuit.

本発明で用いる受動モード同期半導体レーザの基本構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the basic structure of the passive mode-locking semiconductor laser used by this invention. 本発明の第1の実施の形態となる光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the optical clock extraction circuit used as the 1st Embodiment of this invention. 図2の光クロック抽出回路において半導体レーザ基板上に形成された受動モード同期半導体レーザと光導波路とフォトダイオードの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of a passive mode-locked semiconductor laser, an optical waveguide, and a photodiode formed on a semiconductor laser substrate in the optical clock extraction circuit of FIG. 2. 本発明の第2の実施の形態となる光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the optical clock extraction circuit used as the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態となる光クロック抽出回路における光注入用の受動モード同期半導体レーザの可飽和吸収領域の構造を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the saturable absorption area | region of the passive mode-locking semiconductor laser for light injection in the optical clock extraction circuit which becomes the 3rd Embodiment of this invention. 位相同期ループ型の従来の光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional optical clock extraction circuit of a phase locked loop type | mold. フォトニックダウンコンバージョンによる従来の光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the conventional optical clock extraction circuit by photonic down conversion. 図7の光クロック抽出回路におけるフォトダイオードの出力信号の周波数スペクトルを示す図である。It is a figure which shows the frequency spectrum of the output signal of the photodiode in the optical clock extraction circuit of FIG.

符号の説明Explanation of symbols

1…方向性結合器、2…半導体レーザ基板、3−1〜3−3…受動モード同期半導体レーザ、4−1,4−2…光導波路、5−1,5−2…フォトダイオード、6−1〜6−3,7−1〜7−3,8−1,8−2…電極パッド、9−1〜9−3…電流サプライ、10−1,10−2…逆バイアス印加回路、11−1,11−2,14−1,14−2…トランスインピーダンス回路、12…差動増幅回路、13−1,13−2…抵抗、30−1〜30−3…利得領域、31−1〜31−3…可飽和吸収領域、39…光注入用窓。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Directional coupler, 2 ... Semiconductor laser substrate, 3-1 to 3-3 ... Passive mode synchronous semiconductor laser, 4-1, 4-2 ... Optical waveguide, 5-1, 5-2 ... Photodiode, 6 -1-6-3, 7-1-7-3, 8-1, 8-2 ... electrode pads, 9-1-9-3 ... current supply, 10-1, 10-2 ... reverse bias application circuit, 11-1, 11-2, 14-1, 14-2 ... transimpedance circuit, 12 ... differential amplifier circuit, 13-1, 13-2 ... resistor, 30-1 to 30-3 ... gain region, 31- 1-31-3... Saturable absorption region, 39... Light injection window.

Claims (6)

共振器長が互いに異なる3つのモード同期レーザと、
入力光信号を分割する分割手段と、
前記3つのモード同期レーザのうち共振器長が最も長い第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域と共振器長が最も短い第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域とに前記分割された光信号を入射させる入射手段と、
前記入射した光信号が可飽和吸収領域を通過した後の強度を前記第1のモード同期レーザと前記第2のモード同期レーザの各々について独立に検出する検出手段と、
前記第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域を通過した光信号の強度と前記第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域を通過した光信号の強度との差分に基づいて、第3のモード同期レーザの実効屈折率を電気的に制御する制御手段とを備え、
前記光信号の強度の差分を前記制御手段に負帰還させることにより、前記第3のモード同期レーザから前記入力光信号に同期した光クロックを生成させることを特徴とする光クロック抽出回路。
Three mode-locked lasers with different cavity lengths;
A dividing means for dividing the input optical signal;
Of the three mode-locked lasers, the light divided into the saturable absorption region of the first mode-locked laser having the longest cavity length and the saturable absorption region of the second mode-locked laser having the shortest resonator length. An incident means for entering a signal;
Detecting means for independently detecting the intensity of the incident optical signal after passing through the saturable absorption region for each of the first mode-locked laser and the second mode-locked laser;
Based on the difference between the intensity of the optical signal passing through the saturable absorption region of the first mode-locked laser and the intensity of the optical signal passing through the saturable absorption region of the second mode-locked laser, the third mode Control means for electrically controlling the effective refractive index of the synchronous laser,
An optical clock extraction circuit characterized in that an optical clock synchronized with the input optical signal is generated from the third mode-locked laser by negatively feeding back the intensity difference of the optical signal to the control means.
請求項1記載の光クロック抽出回路において、
前記第1のモード同期レーザと前記第3のモード同期レーザの共振器長の差と、前記第3のモード同期レーザと前記第2のモード同期レーザの共振器長の差とが等しいことを特徴とする光クロック抽出回路。
The optical clock extraction circuit according to claim 1,
The difference in cavity length between the first mode-locked laser and the third mode-locked laser is equal to the difference in cavity length between the third mode-locked laser and the second mode-locked laser. An optical clock extraction circuit.
請求項1記載の光クロック抽出回路において、
前記入射手段は、半導体レーザ基板上に形成された前記第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置され、光信号の光軸がこの第1のモード同期レーザの光軸に対して直交するよう可飽和吸収領域に光信号を入射させる第1の光導波路と、前記基板上に形成された前記第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置され、光信号の光軸がこの第2のモード同期レーザの光軸に対して直交するよう可飽和吸収領域に光信号を入射させる第2の光導波路とからなることを特徴とする光クロック抽出回路。
The optical clock extraction circuit according to claim 1,
The incident means is disposed in the vicinity of the saturable absorption region of the first mode-locked laser formed on the semiconductor laser substrate, and the optical axis of the optical signal is relative to the optical axis of the first mode-locked laser. A first optical waveguide for allowing an optical signal to enter the saturable absorption region so as to be orthogonal to each other, and a saturable absorption region of the second mode-locked laser formed on the substrate. An optical clock extraction circuit comprising: a second optical waveguide for allowing an optical signal to enter the saturable absorption region so that the optical axis is orthogonal to the optical axis of the second mode-locked laser.
請求項1記載の光クロック抽出回路において、
前記検出手段は、前記第1のモード同期レーザを通過する光信号の光軸上にあって、この第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置された第1の受光素子と、前記第2のモード同期レーザを通過する光信号の光軸上にあって、この第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置された第2の受光素子と、この第1、第2の受光素子から出力される光電流をそれぞれ電圧に変換する第1、第2の電流電圧変換手段とからなることを特徴とする光クロック抽出回路。
The optical clock extraction circuit according to claim 1,
The detection means includes a first light receiving element that is on the optical axis of an optical signal that passes through the first mode-locked laser and is disposed close to a saturable absorption region of the first mode-locked laser. A second light-receiving element disposed on the optical axis of the optical signal passing through the second mode-locked laser and disposed in the vicinity of the saturable absorption region of the second mode-locked laser; An optical clock extraction circuit comprising first and second current-voltage conversion means for converting the photocurrent output from the second light receiving element into a voltage, respectively.
請求項1記載の光クロック抽出回路において、
前記検出手段は、前記第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第1の電流電圧変換手段と、前記第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第2の電流電圧変換手段とからなることを特徴とする光クロック抽出回路。
The optical clock extraction circuit according to claim 1,
The detection means detects a photocurrent flowing to a reverse bias application circuit that applies a reverse bias to a saturable absorption region of the first mode-locked laser, and converts the photoelectric current into a voltage, and the first current-voltage conversion means, An optical clock extraction comprising: a second current-voltage conversion means for detecting a photocurrent flowing to a reverse bias application circuit for applying a reverse bias to a saturable absorption region of the mode-locked laser of No. 2 and converting it into a voltage. circuit.
請求項1記載の光クロック抽出回路において、
前記入射手段は、半導体レーザ基板上に形成された前記第1のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、前記基板と垂直な方向から前記光信号を入射させる第1の照射手段と、前記基板上に形成された前記第2のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、前記基板と垂直な方向から前記光信号を入射させる第2の照射手段とからなることを特徴とする光クロック抽出回路。
The optical clock extraction circuit according to claim 1,
The incident means is configured to detect the optical signal from a direction perpendicular to the substrate with respect to a light injection window formed in a cap layer of a saturable absorption region of the first mode-locked laser formed on a semiconductor laser substrate. Direction perpendicular to the substrate with respect to the first irradiation means for injecting light and the light injection window formed in the cap layer of the saturable absorption region of the second mode-locked laser formed on the substrate An optical clock extraction circuit comprising: a second irradiating unit that causes the optical signal to be incident on the optical clock extraction circuit.
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