JPH01215078A - 双安定半導体レーザの駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 双安定半導体レーザの駆動方法に関し、オフ状態からオ
ン状態に確実にセットするための光パワーが小さい双安
定半導体レーザの駆動方法の提供を目的とし、 光軸方向に分割された電極を有し、入射光パワーの変化
又は注入電流の変化に対して出射光パワーがヒステリシ
スを伴ってオン状態とオフ状態とに変化するような双−
安定半導体レーザの駆動方法であって、オン状態又はオ
フ状態を択一的にとりうる双安定領域となるように上付
入射光パワー及び上記注入電流を設定し、オフ状態にお
けるこの双安定半導体レーザの自然発光スペクトルのピ
ークを与える波長に略一致した波長の光を入射させて、
オフ状態からオン状態にセットするように構成する。

Ｌ皇ユ！日１１乱塁 本発明は双安定半導体レーザの駆動方法に関する。

近年、通信、情報処理等の分野においては、光信号を電
気信号に変換することなく直接的に処理するようにした
光交換方式、光信号処理方式の研究が活発化している。

光出力にヒステリシス特性を示す双安定単導体レーザは
、上記各方式の実現に際して必要不可欠なデバイスの一
つであり、これをシステムに適用する場合の駆動方法の
最適化が模索されている。

え見立韮薯 第１１図は、従来の双安定半導体レーザの一例の説明図
である。この双安定半導体レーザ４１は、活性層４２の
長手方向（光軸方向）に分割された電極４３．４４を有
しており、これらの背面側には共通の接地電極４５を有
している。分割された電極４３．４４に供給する注入電
流値■、！２を適当値に設定しておくことにより、入射
光パワーＰ　　の変化又は注入電流値■　若しくはＩ２
のＩＮ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１変
化に対して出射光パワーＰｏｕｒがヒステリシスを伴っ
て変化し、双安定性を生ずるものである。

第１２図は双安定性を説明するための図であって、縦軸
は出射光パワーＰ　　、横軸はＩ２が適Ｏｕ■ 当値で一定のときの１１を示している。自然発光してい
るオフ状１５１で１１を徐々に増加させていくと、閾値
■　　にてオン状態（レーザ発光状０ｎ 態）５２に立ち上がり、−旦オン状態５２になると、閾
値１　　　（＜Ｉ　　　）よりも小さな１１と１ｏｆｆ
　　　　　　Ｉｏｎ なるまでオン状態が維持されるものである。このヒステ
リシス特性は出射光パワーの注入電流に対するものであ
るが、双安定領域に注入電流を固定しておくと、光メモ
リ動作が可能となる。すなわち、第１２図において、双
安定領域（１１ｏｆｆ〜’１０ｎ’に１１を固定して、
外部から光パルスを双安定半導体レーザに注入すると、
オフ状１５１からオン状ｆｌ１５２に変換され、当該光
パルスが切れてもオン状態５２がそのまま輔持され、光
信号に対するメモリ動作を行なうことができる。このよ
うに双安定半導体レーザを用いて光メモリを構成する場
合には、半導体レーザ、技術を基礎とすることができる
ので、集積が容易で高速動作が可能なほかに、小さい光
信号入力（数μＷから数＋μＷ）で数ｍｗのレーザ光出
力の制御が可能になるというメリットを生ずる。

第１３図は、双安定領域に設定された双安定半導体レー
ザにおいてオフ状態からオン状態にセットするのに必要
とされる光パワーとその光の波長との関係を、Ｉ１をパ
ラメータとして示した図であり、「寺門他、昭和５９年
、秋応物、１５ａ−Ｒ−１０Ｊに開示された内容に対応
している。なお１．コノ結果は、１２１２−５Ｏ，ｌ　
、。。−１５゜０ｍＡのときのものである。この双安定
半導体レーザのオン状態の発光波長（約１．３１８μｍ
）とオフ状態の発光波長（約１．３２８μｍ）との間の
波長でセットに必要な光パワーがほぼ一定のレベルで最
小となり、入射光光源の発光波長が約１００オングスト
ロームの自由度を有していることが、この図から明らか
である。

明が　決しようとする課題 このように従来は、第１３図に示される結果等に基づい
て、オフ状態からオン状態にセットするための光の波長
をオン状ｆｌｌ（レーザ発光状態）の発光スペクトルの
中心波長からオフ状態（自然発光状態）の発光スペクト
ルの中心波長との間に設定することにより、比較的小さ
なパワーの光でセットを行なうことを試みていた。した
がって従来は、当該波長範囲の自由度が比較的大きいこ
とに甘んじて、この範囲の波長であれば特に＾精度な波
長ｉｌｌ　ａｌｌは不要であるとされていた。しかしな
がら、システムの信頼性の向上あるいはシステムの小規
模化の面からは、セットに必要な光のパワーは小さけれ
ば小さいほど良く、その低減が要望されている。

本発明はこのような技術的課題に鑑みて創作され−たち
ので、オフ状態からオン状態に確実にセットするための
光パワーが小さい双安定半導体レーザの駆動方法の提供
を目的としている。

題を　　するための−段 本発明は、後述する新規な知見に基づき、オフ状態から
オン状態にセットするための光の波長を設定し、上記目
的を達成するものである。

第１図は本発明の原理図である。

この双安定半導体レーザ５は、同図（ａ）に示すように
、光軸１方向に分割された電極２を有している。その出
射光パワーは、同図（ｂ）に示すように、入射光パワー
の変化又は注入電流の変化に対してヒステリシスを伴っ
てオン状態３とオフ状Ｂ４とに変化する。

このような双安定半導体レーザ５を駆動するに際しては
、まず、オン状態３又はオフ状態４を択一的にとりうる
双安定領域６となるように上記入射光パワー及び上記注
入電流を設定しておく。そして、同図（Ｃ）に示すよう
に、オフ状Ｂ４におけるこの双安定半導体レーザ５の自
然発光スペクトル７のピークを与える波長（λ　、λ５
．λ、。

λ、）に略一致した波長の光を入射させて、オフ状態１
４からオン状態３にセットするようにする。

なお、同図（ａ）においては、電極２の分割数が２であ
るとして図示されており、同図（ｂ）においては、出射
光パワーの注入′Ｆｉ流に対する双安定性だけが図示さ
れているが、これは発明の理解を容易ならしめるための
配慮であって、発明が図面によって限定されることを意
味するものではない。

第２図は、第１図に示される双安定半導体レーザの波長
設定のための具体的手段を示す図である。

オフ状態４からオン状態３にセットするための光として
半導体レーザ８の出射光を用い、この半導体レーザ８及
び双安定半導体レーザ５の温度がそれぞれ一定となるよ
うに制御するものである。

１−一一里 本発明の双安定半導体レーザの駆動方法では、第１図（
ｂ）に示すように、オン状態又はオフ状態を択一的にと
りうる双安定領域となるように、入射光パワー及び注入
電流を設定しているので、外部から光パルスを注入する
ことにより、オフ状態からオン状態にセットすることが
でき、このオン状態は光パルスが消滅してもそのまま維
持されるから、光メモリ動作が可能となる。オン状態か
らオフ状態にリセットするには、例えば負のリセット電
流パルスを注入！！流に重畳するようにすれば良い。

第１図（Ｃ）に示すように、オフ状態からオフ状態にセ
ットするための光として、オフ状態における双安定半導
体レーザの自然発光スペクトルのピークを与える波長に
略一致した波長の光を用いているのは、後述する実施例
から明らかなように、このような条件の下ではセットに
必要な光パワーが小さくて済むからである。

第２図において、半導体レーザ及び双安定半導体レーザ
の温度がそれぞれ一定となるように制御しているのは、
所定の相対的な波長関係を満足させるべき半導体レーザ
及び双安定牛導体レーザの発振波長が温度に依存するか
らであり、また、双安定半導体レーザのヒステリシス特
性、例えば閾値電流値が温度に依存するからである。温
度制御を行なうことにより、セットに必要な光パワーが
最小となるように、半導体レーザ及び双安定半導体レー
ザの発振波長を設定することができる。

友−１−１ 以下本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第３図は、本発明の実施に使用することのできる双安定
半導体レーザの模式的な斜視図である。

１１はｎ側電極、１２はｎｌ！：！ＩｎＰ基板（３Ｘ１
０”／ｃｇｉ３）　、１３ハｎ型Ｉ　ｎ　Ｐり５ｙ　ｔ
’１ｌｌ（２ｘ１０１８／ｃ＋ｅ３．厚み１−７４ｍ）
、１４ＬｔｌｎＧａＡＳＰ活性層（λ−１．３０μｍ、
厚み０゜１５μｍ）、１５はｐ型１ｎＰクラッドＩＩ　
（２Ｘ１０１８／ｃｇ＋３．　厚ミ２．０μ７Ｗ）　、
１６ハ＋ンタフ）Ｊｌ（Ｄ’ｕ１ｘｌＯ１９／ｃｍ３．
Ｍみ０．２μｍ）、１７は半絶縁性ｌｎＰ層、１８は８
１０２層、１９は光軸方向に分割さ、れたｌ）　ｆ１４
　？ｔｆ極である。

このようにｐＨｌｌ電極１９を光軸方向に分割している
ので、活性層１４にはその光軸方向に順に注入領域、吸
収領域及び注入領域が形成されて双安定性を生ずると共
に、注入Ｎ流を制御することにより、双安定領域を任意
に変化させることができるようになる。なお、この双安
定半導体レーザの製造方法及び基本動作特性等に関して
は、本発明に直接関係ないのでその説明を省略するが、
これらの詳細は、［久野他、昭和６２年、春応物、２９
ｐ−Ｚ　Ｈ−７Ｊ、「小田用他、昭和６２年、秋応物、
１７ｐ−ＺＲ−７Ｊにｌｌｌ系されている。

第４図は、この双安定半導体レーザの注入電流１２を３
８．０ｒＴＩＡとしたときの、出射光パワーの１１に対
するヒステリシス特性を示すグラフであり、縦軸は出射
光パワー（ｍＷ）　、横軸は！。

（ｍＡ）である。注入光が無いときの■　　及び０ｎ １　　はそれぞれ８．３ｍＡ及び６．０ｍＡであｏｒｒ つだ。

第５図はこの双安定半導体レーザのオフ状態（上側の図
）及びオン状ｆｉ（下側の図）における発光スペクトル
を説明するための図であり、縦軸は相対光強度、横軸は
波長である。オフ状態からオン状態にセットされること
により、各モードスペクトルの半値幅が減少すると共に
、各モードスペクトルにおけるピーク波長がそれぞれ’
　５ｈｕｔだけ変化していることが明らかである。各モ
ードスペクトルのピーク波長間隔Δλは、両状態におい
て約８オングストロームであった。ピーク波長間隔がこ
のような数値になっているのは、この双安定半導体レー
ザの発振波長が１．３μｍ帯であること及び全共振器長
が約３００μｍに設定されていることに基づく。

第６図は、セットに必要な注入光の光パワー（光強度）
の波長依存性を示すグラフであり、縦軸はセットに必要
な光パワー（μＷ）、横軸は波長（μｍ）である。光源
としては、単一縦モードで発振するＤＦ８半導体レーザ
を用い、その発振波長を、双安定半導体レーザの利得の
ピーク近傍であるレーザ発振ピークと自然発光ピークの
間で変化させた。横軸上で矢印により示されている位置
は、双安定半導体レーザの自然発光スペクトルのピーク
を与える波長を表している。グラフから注入光の波長が
上記ピークを与える波長に略一致しているときに、セッ
トに必要な光パワーが最小となり、その値は最大となっ
ているときの約１／１００になっていることが分かる。

こ−の実験結果において、セットに必要な光パワーの最
小値を与える波長と自然発光スペクトルのピークを与え
る波長（矢印）とが若干ずれているのは、オフ状態から
オン状態にセットされるときのスペクトルピークのシフ
トにｒｌａＭＬ、、た過渡的な現象に起因していると推
測されるが、現時点ではその理由は不明である。いずれ
にしてもセットに必要な光パワーの最小値を与える波長
に略一致した波長の光を注入することにより、格段に小
さなパワーの光でセットを行なうことができ、良好な動
作マージンを確保することが可能となる。尚、第６図に
示される結果は、双安定領域における実際のバイアス電
流をＩＢ、−７，３ｍＡとしたときのものである。

第７図は、注入光の光源として縦多モードで発振する半
導体レーザを用いたときの、セットに必要な光パワーと
バイアス電流値の双安定領域内での相対的位置との関係
を示すグラフであり、縦軸はセットに必要な光パワー（
μＷ）、横軸はＲ＃”　ｌｂ−’　１ｏｆｔ”Δ■１で
ある。Ｒ＝ＯはＩｌｂ”　’　１ｏｆｔに対応しており
、Ｒ−１は’　１ｂ−’　１０ｎに対応している。尚、
このときの諸条件は以下の通りである。

温度Ｔ−２５，０℃、　　１２＝５．０ｍＡ。

ΔＩ−１−１−８，６ｍＡ ｌ　　　ｔｏｏ　　　１ｏｆｆ （ａ）で示されるのは、注入光の縦多モードスペクトル
が双安定半導体レーザのオン状態のレーザ発光スペクト
ルに一致しているときのものであり、（ｂ）で示される
のは、注入光の縦多モードスペクトルがオフ状態の自然
発光スペクトルに一致しているときのものである。この
ように、縦多モードスペクトルを有する半導体レーザの
出射光を注入光トリガパルスとする場合にも、当該スペ
クトルをオフ状態の自然発光スペクトルに一致させるこ
とで、セットに必要な光パワーを１／１０程度に押える
ことが可能となる。尚、半導体レーザ（光源）の縦多モ
ードスペクトルのピーク間隔をオフ状態のスペクトルの
ピーク間隔に一致させるには、半導体レーザの共撮器長
又は活性層の材質を適当に調整すればよい。

ところで、注入光の光源としての半導体レーザの発光ス
ペクトルが単一モード、縦多モードのいずれであっても
、セットに必要な光パワーが小さくなるように発振波長
を調整したときに、この波長が安定に維持されることが
要求される。この要求を満足するためには、注入光の光
源としての半導体レーザ及び双安定半導体レーザの駆ａ
電流を一定に保つことは勿論のこと、これらの温度につ
いても一定に保つべぎである。ｍａ制御が必要な理由は
２つあり、第１に、一般の半導体レーザでは発振波長の
温度依存性が約１オ゛ングストローム／℃だからである
。第２の理由は、第８図に示される実験結果から明らか
となる。同図において、縦軸は１！流値（ｍＡ）、横軸
は温度（”Ｃ）であり、八で示されるのはＩ　　の温度
依存性、Ｂで示さｏｎ れるのは１　　の温度依存性を示している。このｏｆｔ ように、温度が変化することにより、１１ｗ１電流値、
即ち双安定領域が変化するので、双安定半導体レーザの
２１度を一定に保つことにより動作特性を安定化させる
ことができる。発振波長及び閾値電流値の温度依存性か
らすると、瀉爪の変動幅を±０゜１℃以下とすることが
望ましい。なお、この実験におけるＩ２は１０ｍＡ（固
定）である。

第９図は、本発明を適用して構成される光メモリ装置の
主要部分のブロック図である。半導体レーザ２１の出射
光は、データ入力端子２２に入力される電気信号により
強度変調されており、この信号光は光伝送路２３を介し
て双安定半導体レー１ｆ２４に入射される。双安定半導
体レーザ２４の出射光は、光伝送路２５を介して図示し
ない光検出部に光学的に結合されている。半導体レーザ
２１及び双安定半導体レーザ２４は、これらの発振波長
が上述の条件を満足するようにそれぞれの注入電流を制
御されており、更に、それぞれ温度制御系２６．２７に
よって±０．１℃の精度で１里度制御されている。尚、
温度制御系の詳細な内容については従来同様であるので
その説明を省略する。

第１０図は第９図に示されるシステムを適用して構成さ
れるデジタル時分割光交換システムの部分ブロック図で
ある。多重化回路３１により時分割多重されたｎ回線の
信号は、Ｅ１０変換部３２により光信号に変換されて、
丁スイッチ３３に入力される。■スイッチ３３は、１ｘ
ｎ高速光スイツチ３４とｎｘｌ高速光スイッチ３６との
間に双安定半導体レーザからなるｎ個の光メモリ３５を
並列に配置し、これらを制御回路３７によりシーケンシ
ャルに制御するように構成されている。このＴスイッチ
３３の動作により、時分割多重されたいずれかのチャネ
ルの信号を別のチャネルへ時間軸上で移動することがで
き、従って、この信号を図示しないＳスイッチ及び伯の
Ｔスイッチによって処理することで、光交換がなされる
ものである。このようなシステムにおいては、Ｅ１０変
換部３２を構成する半導体レーザ及び光メＬす３５を構
成する双安定半導体レーザのスペクトル又は発振波長関
係を上記条件のようにし、これらの温度をｔＭｒ！ＩＭ
御系３８により一定に制御することによって、光軽路上
の損失に対するマージンを十分に確保しつつ、安定な光
メモリ動作を可能にすることができる。

ユ」Ｊし１里 以上詳述したように、本発明によれば、オフ状態からオ
ン状態に確実にセットするための光パワーが小さい双安
定半導体レーザの駆動方法が提供されるという効果を奏
する。

４、図面のｒＩＪｌＩＪな説明 第１図及び第２図は本発明の原理図、 第３図乃至第１０図は本発明の実施例図、第１１図乃至
第１３図は従来例図である。

１・・・光軸、　　　　　　　　２・・・電極、５・・
・双安定半導体レーザ、　６・・・双安定領域・８・・
・半導体レーザ、　　　　１４・・・活性層。

（１：光軸 ；Ｌ　、ｔ　’ｙ膚ζ゛−−；；＝−一−６：　ヌ７Ｆ
疋４ｆツ偽〈４（横６　ｅ月　０１　理　５凸 第１　図 本発明の原ｇＬ図 第２図 多（プ乞　イ列　　ト凸 第４図 笑２例因 第５図 慢（うンーイ列　ｒ口 第６図 寧〔う２５１列　　≦］ 第７図 莢　力邑　イ列　ｉ 第８図 家記伊ぽ 第９図 ４コ 従来イ列　図 第１１図 １１ｏｆｆ　　Ｉｔ　ｏｎ １２−更０ｔとｆ）ｌ＋ ＃　　ス　水　イ列　　Ｓ］ 第１２図 １更来イ列図 第１３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光軸（１）方向に分割された電極（２）を有し、
   入射光パワーの変化又は注入電流の変化に対して出射光
   パワーがヒステリシスを伴ってオン状態（３）とオフ状
   態（４）とに変化するような双安定半導体レーザ（５）
   の駆動方法であつて、オン状態（３）又はオフ状態（４
   ）を択一的にとりうる双安定領域（６）となるように上
   記入射光パワー及び上記注入電流を設定し、 オフ状態（４）におけるこの双安定半導体レーザ（５）
   の自然発光スペクトル（７）のピークを与える波長に略
   一致した波長の光を入射させて、オフ状態（４）からオ
   ン状態（３）にセットすることを特徴とする双安定半導
   体レーザの駆動方法。
2. （２）オフ状態（４）からオン状態（３）にセットする
   ための光として半導体レーザ（８）の出射光を用い、 この半導体レーザ（８）及び双安定半導体レーザ（５）
   の温度がそれぞれ一定となるように制御することを特徴
   とする請求項（１）記載の双安定半導体レーザの駆動方
   法。