JPH0245171B2 - Hisenkeihikarisoanteisoshi - Google Patents

Hisenkeihikarisoanteisoshi

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JPH0245171B2
JPH0245171B2 JP12161282A JP12161282A JPH0245171B2 JP H0245171 B2 JPH0245171 B2 JP H0245171B2 JP 12161282 A JP12161282 A JP 12161282A JP 12161282 A JP12161282 A JP 12161282A JP H0245171 B2 JPH0245171 B2 JP H0245171B2
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Japan
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optical
light
semiconductor laser
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JP12161282A
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Juichi Odagiri
Isao Kobayashi
Hitoshi Kawaguchi
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NEC Corp
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
Nippon Electric Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F3/00Optical logic elements; Optical bistable devices
    • G02F3/02Optical bistable devices
    • G02F3/026Optical bistable devices based on laser effects

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は半導体レーザに注入する光入力と半
導体レーザの光出力の非線形な光双安定性を用い
た光機能素子に関する。
半導体レーザを光源とし、光フアイバを伝送路
とする光通信方式は、通信容量、経済性等で既存
の通信方式より優れたものとなる可能性があり、
新しい通信方式として各方面から注目されてい
る。この光通信方式においては、必要に応じて、
送る情報を電気信号から光信号に、あるいは光信
号から電気信号に変換しているが、光信号が増
幅、記憶、論理演算等の信号処理にそのまま使わ
れる場合は比較的少ない。もし光を直接、記憶や
論理演算等の信号処理に用いることができれば、
光通信システムの機能の多様化にとつて極めて有
効と思われる。
光を用いた記憶や論理演算を行なう光機能素子
のひとつに、オプテイカル エンジニアリング
(OPTICAL ENGINEERING))誌1980年第19
巻、4号、第456〜462頁所載のスミス(P.W.
Smith)氏による論文に記載された光双安定素子
がある。この光双安定素子はフアブリ・ペロ共振
器内に媒質としてリチウム・ナイオベイト
(LiNbO3)結晶で構成された電気光学位相変調
器が挿入されており、フアブリ・ペロ共振器から
の光出力の一部を受光器で受光し、その光強度に
比例した電圧を電気光学位相変調器に帰還する構
成であり、媒質の屈折率が帰還電圧によつて強制
的に変えられることを利用したものである。
この素子の特性はフアブリ・ペロ共振器からの
出力光強度が入力光強度に対してヒステリシスを
示し、ある入力光強度の範囲で二つの安定な出力
光強度を定常状態として取ることができるものと
なつている。この特性を生かすことにより光によ
る記憶や光による論理演算等の光機能素子に応用
できる。しかしながら、この素子では使用可能な
帰還電圧で光双安定性に必要な位相差を生じる必
要があるので電気光学効果を受ける媒質の長さを
1cm以上にしなければならず、また各構成部品の
材料が異なるため部品の集積化により価格を低下
させ信頼性を向上させるには不向きである。
本発明の目的は半導体レーザ、受光素子の集積
化が可能でしかも外部環境の変化に対して安定に
動作する非線形光双安定素子を提供することにあ
る。
この発明は共振器軸方向に分割された二つ以上
の電極により活性層が光増幅領域と過飽和吸収領
域とに分けられた半導体レーザと、その光増幅領
域内の活性層領域に外部から光を注入する手段
と、その半導体レーザからの出力光の少なくとも
一部を受光する受光素子と、この受光素子の出力
を増幅して二つ以上に分割された電極の少なくと
も一つに帰還するための増幅帰還路を含む非線形
光双安定素子が得られる。
この発明においては、共振器軸方向に分割され
た二つ以上の電極を持つ半導体レーザの電極によ
り利得が損失を上廻るように電流注入される光増
幅領域と利得が損失を下廻るように電流注入され
る過飽和吸収領域とに活性層がわかれいる。ここ
で活性層のエネルギーギヤツプに相当する波長よ
りも短波長の光を光増幅領域に注入してその入力
光強度を増加させていくと、光励起により活性層
内での光子密度はさらに増加し過飽和吸収領域で
の吸収係数は殆んどゼロとなり、半導体レーザは
発振するようになる。次に発振した光出力の一部
を光強度に対応する信号電流に変換して過飽和吸
収領域に負帰還させると、過飽和吸収領域では利
得の増加を抑制する方向に作用する。このため光
増幅領域への入力光強度を増大させても過飽和吸
収領域では逆に利得を減少させる方向に作用する
ので光出力はほぼ一定の値を保つことができる。
逆に入力光強度を減少させると、信号電流の絶対
値は減少する。このため過飽和吸収領域では利得
が増加して発振閾値付近までの光出力はほぼ一定
の値を保つことができる。即ち、この発明におい
ては外部環境の温度が変わつて発振閾値が変化し
たり入力光強度が多少変化しても、光出力はほぼ
一定であるので、光機能素子としての信頼性を高
くすることができる。またこの場合入力光強度の
増加により過飽和吸収領域での損失がゼロになる
過程で、光子密度は減少することがある。この時
の入力光強度の値は入力光強度増加のときと減少
のときとで異なるため光双安定特性が発振閾値付
近で生じる。これにより光入力と半導体レーザの
光出力の関係がヒステリシスを示すので前述の光
双安定素子の持つ光機能素子としての特徴を持つ
ことができる。また半導体レーザ、受光素子を同
種類の材料で構成できるため、集積化が可能で信
頼性の高い非線形光双安定素子を実現できる。
次に実施例を用いてこの発明を詳細に説明す
る。
第1図はこの発明の実施例の基本構成を示す図
であり、第2図はこの発明の実施例の基本構成に
基づいて動作させた場合の基本特性の光出力と光
入力の関係を示す特性図である。
半導体レーザレーザ1には発振閾値より若干高
い正の電流を注入する第1の電極2と発振閾値よ
り低い正の電流を注入する第2の電極3があり、
両者に共通のアース側の第3の電極4がある。ま
た第1の電極2と第2の電極3の境界には化学エ
ツチングされてできた溝5がある。第1の電極2
直下の活性層6へは半導体レーザ1の第1の壁開
面7を通して外部から入力光8が注入される。こ
のため入力光8の強度が弱い段階において、半導
体レーザ1の活性層6は、利得が損失をもともと
上廻つている光増幅領域9と、十分に電流が注入
されないために利得にくらべて損失が優勢の過飽
和吸収領域10とに二分される。半導体レーザ1
からの出力光11の一部光12を取出すために、
ビームスプリツタ13が半導体レーザ1の第2の
壁開面14の前面に置かれている。出力光11の
一部光12は受光素子15で光電流に変換されさ
らに増幅器16で増幅されて第2の電極3に信号
電流Isとして負帰還される。信号電流Isが無い場
合にはレーザ発振後光入力Piの増大に伴つて光出
力Poは急峻なカーブを描いて増加する。そのた
め外部環境の温度が変わつて発振閾値が変化した
りあるいは光入力Piが多少変動したりして光出力
Poが大きく変動するので光機能素子としての信
頼性に問題が生ずる。他方本発明の信号電流Isが
有る場合には、増幅器16で光電流の値を適切に
調整することにより光入力Piの広い範囲にわたつ
て光出力Poをほぼ一定の値に保つことができた。
また光入力Piの強度を増大させる場合と減少させ
る場合とではレーザ発振を始める入力光強度の値
が各々異なり、光出力Poと光入力Piの関係にヒ
ステリシスのあることもわかつた。この実施例で
は共振器軸方向の第1の電極2の長さが200μm、
第2の電極3の長さが50μm、溝5の幅が10μm、
ストライプ幅が6μmのプレーナストライプ構造
でイソジウム・ガリウム・ヒソ・リン/インジウ
ム・リン(InGaAsP/InP)系の半導体レーザ
1、光出力の透過率が10%のビームスプリツタ1
3、インジウム・ガリウム・ヒソ/インジウム・
リン(InGaAs/InP)系のフオトダイオードの
受光素子を用いた。また半導体レーザ1の第1、
第2の電極2,3への注入電流I1,I2の値は各々
41mAと20mA、発振閾値35mAで、発振波長は
1.30μmであつた。また光増幅領域9に注入する
光の波長は半導体レーザ1の発振波長よりも短く
する必要があり11.25μmを使用した。この実施例
では半導体レーザ、受光素子を同種類の材料で構
成できるため集積化が可能で信頼性を高くでき
る。また光出力が立ち上るある光入力の強度以上
での光出力をほぼ一定の値に保つことができるの
で、外部環境の変化に対して入射光強度や注入電
流がある程度変化しても光出力は殆んど変わらず
安定に働くことがわかつた。
第3図はこの発明の第2の実施例の斜視図であ
り、第4図はこの発明の実施例の構成に基づいて
動作させた場合の基本特性の光出力と光出力の関
係を示す特性図である。
第2の実施例では、第1の実施例における外部
から半導体レーザ1に入力光8を注入する方法が
異なる。他の構成は第1の実施例と同じである。
即ち、外部から入力光8を光励起領域9の活性層
6領域に注入する方法は、第1の電極面上で活性
層6領域の真上の部分に幅10μm長さ10μmの正
方形で等間隔に並んだ電極用金属の蒸着されてい
ない非蒸着部分の窓176ケ所を通して光注入を行
なおうというものである。InPのエネルギーギヤ
ツプに相当する波長は0.98μm前後であるから、
非蒸着部分の窓176ケ所から注入された波長1.25μ
mの入力光8はInGaAsP系の4元の活性層で十
分吸収される。この光入力の強度があるレベルに
達すると、過飽和吸収領域10内でも損失を上廻
るようになり半導体レーザ1として波長1.30μm
のレーザ発振をすることになる。以下の内容は第
1の実施例と同様である。第2の実施例において
も第1の実施例と同様に半導体レーザ、受光素子
を同種類の材料で構成できるため、集積化が可能
で信頼性を高くできる。また、外部環境の変化に
対して入力光の強度がある程度変動したり注入電
流がある程度変化しても光出力は殆んど変わらず
安定に働くことがわかつた。
この発明は以上の代表的な実施例の他に幾つか
の変形が考えられる。前述の実施例では半導体レ
ーザ1内部に光増幅領域9と過飽和吸収領域10
を二分して構成したが、光増幅領域9と過飽和吸
収領域10の領域の数を三つ以上に分割しても光
機能素子の特性には違いはなく有効に動作させる
ことができる。また、前述の実施例では光増幅領
域9と過飽和吸収領域10への注入電流の値を各
各発振閾値以上と発振閾値以下にわけたが、各領
域とも発振閾値以下の注入電流を流した状態で入
力光強度を強くして光入力と光出力との間で光双
安定性を示せるようにしてもよい。また過飽和吸
収領域10に注入電流しない場合にも、光双安定
性を示すことができる。また以上の実施例では半
導体レーザ1にInGaAsP/InP系の半導体レーザ
を使用したが、ガリウム・アルミニウム・ヒソ/
ガリウム・ヒソ(GaAlAs/GaAs)系等他の材
料の半導体レーザを使用してもよい。また受光素
子15としてInAsP/InP系のフオトダイオード
を使用したが他の材料のものでもまたアバランシ
エ・フオトダイオードを使用してもよい。また溝
5は化学エツチングにより製作したが、その代り
にイオンミーリングや逆スパツタリングを用いて
製作してもよい。また溝5の代りにプロトン照射
等をして絶縁層を形成させてもよい。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の第1の実施例の基本構成を
示す図、第2図は第1の実施例の基本特性である
光出力と光入力の関係を示す特性図、第3図はこ
の発明の第2の実施例の構成を示す図、第4図は
第2の実施例の基本特性である光出力と光入力の
関係を示す特性図である。 なお図において、1……半導体レーザ、2……
第1の電極、3……第2の電極、4……アース側
の第3の電極、5……溝、6……活性層、7……
第1の壁開面、8……入力光、9……光増幅領
域、10……過飽和吸収領域、11……出力光、
12……出力光の一部光、13……ビームスプリ
ツタ、14……第2の壁開面、15……受光素
子、16……増幅器、17……非常着部分の窓、
I1,I2……注入電流、Is……信号電流、Po……光
出力、Pi……光入力、をそれぞれあらわす。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 共振器軸方向に分割された二つ以上の電極に
    より活性層が光増幅領域と過飽和吸収領域とに分
    けられた半導体レーザと、前記光増幅領域内の活
    性層領域に外部から光を注入する手段と、前記半
    導体レーザからの出力光の少なくとも一部を受光
    する受光素子と、前記受光素子の出力を増幅して
    前記電極の少なくとも一つに帰還するための増幅
    帰還路を含む非線形光双安定素子。
JP12161282A 1982-07-13 1982-07-13 Hisenkeihikarisoanteisoshi Expired - Lifetime JPH0245171B2 (ja)

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