JPH0750447A - 波長変換レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 等価屈折率変化量が従来同様であっても、あ
る波長の光パルス列を別の波長の光パルス列に変換でき
る、変換波長幅を拡大した波長変換レーザを得る。 【構成】 可飽和吸収部１１９に交差する光入力用導波
路と共存する双安定半導体レーザの、第１分布反射器１
１６の回折格子１２３のピッチ変化領域が周期Ｍ_fで、
また第２分布反射器１１７の回折格子１２４のピッチ変
化領域が周期Ｍ_rで、それぞれ繰り返し形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入射した光パルス列の
波長を変えて、同じ時系列の光パルス列を出射する波長
変換レーザに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】波長変換レーザにおける従来の技術を図
９（ａ）に示す。上記従来例は半導体レーザの活性導波
部の電極を２分割し、一方の電極の順方向注入電流を多
くして利得部とし、他方の電極への印加電圧を制御し可
飽和吸収部として働かせる双安定レーザ部と、上記可飽
和吸収部に交差する光入力用導波路部とからなる。上記
双安定レーザ部における分布反射構造の分布反射器は、
一定のピッチの回折格子を導波路内に設けることで構成
されている。図において、２０１は利得部電極、２０２
はＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、２０３はＩｎＰ（ｐ）
クラッド層、２０４はＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド層、２
０５は多重量子井戸（ＭＱＷ）の活性層、２０６はＩｎ
ＧａＡｓＰ下側ガイド層、２０７はＩｎＰ（ｎ）クラッ
ド層、２０８はＩｎＰ（ｐ+）基板、２０９は下面電
極、２１０は可飽和吸収部電極、２１１は前部分布反射
器電極、２１２は後部分布反射器電極、２１３は光入力
用導波路電極、２１４は分離溝、２１５は回折格子、２
１６はＩｎＧａＡｓＰガイド層、２１７は半絶縁性Ｉｎ
Ｐ層である。図９（ｂ）は上記波長変換レーザ素子の利
得部への注入電流対光出力を示す図である。可飽和吸収
部への印加電圧Ｖ_cを下げることによってしきい特性が
得られる。（ｂ）図で利得領域への注入電流をＩ_Bに設
定し、可飽和吸収領域への印加電圧を０．３Ｖにする
と、この時の光入出力特性は図１０（ａ）に示すように
なる。上記特性は横注入導波路端面に低反射コーティン
グすることで入射波長λ_inにあまり依存しないように構
成でき、出射波長λ_outは分布反射器への注入電流で決
まる。図１０（ａ）から明らかなように、上記素子は入
射した光パルス列と同じ光パルス列を出射する。図１０
（ｂ）に上記素子の出射波長の後部分布反射器への注入
電流依存性を示す。このように出射波長は入射波長と独
立に設定できるので上記素子は波長変換レーザとして機
能する。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、分布反射器のピッチが一様であるため、λ＝２Λ_ne
q（Λ：回折格子のピッチ、ｎ_eq：等価屈折率）で決ま
るブラッグ波長λ近傍の発振波長は分布反射器の等価屈
折率変化量Δｎ_eqで決まっていた。したがって、一般に
半導体への電流注入による屈折率の変化は０．５％程度
であるので、出射波長の可変幅は１５５０ｎｍの近傍で
発振するレーザでは８ｎｍ程度にとどまる。波長多重光
通信で利用される波長幅は５０ｎｍ以上にわたるので、
単一の素子で上記波長幅をカバーすることができなかっ
た。

【０００４】本発明は、等価屈折率変化量Δｎ_eqが従来
と同程度であっても、従来技術の変換波長幅を越えて、
ある波長の光パルス列を別の波長の光ピルス列に変換す
る、すなわち変換波長幅を拡大する波長変換レーザを得
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的は、可飽和吸収
部と利得部からなる双安定半導体レーザと、上記可飽和
吸収部に交差する光入力用導波路とからなる波長変換レ
ーザにおいて、上記双安定半導体レーザは第１の分布反
射器と第２の分布反射器を有する分布反射構造をもち、
上記第１の分布反射器は、回折格子のピッチがΛ_aから
Λ_bまで連続的または断続的に変化する領域が、周期Ｍ_f
（ただし、Ｍ_f＞Λ_a，Λ_b）で繰り返し形成され、上記
第２の分布反射器は、回折格子のピッチがΛ_a′からΛ
_b′まで連続的または断続的に変化する領域が、周期Ｍ_r
（ただし、Ｍ_r＞Λ_a′，Λ_b′）で繰り返し形成されて
いることにより達成される。

【０００６】また、上記双安定半導体レーザが分布帰還
構造をもつ場合には、上記分布帰還構造の一部は回折格
子のピッチがΛ_aからΛ_bに変化する領域が、周期Ｍ
_f（Ｍ_f＞Λ_a，Λ_b）で繰り返し形成され、上記分布帰還
構造の残りの部分は、回折格子のピッチがΛ_a′からΛ_b
に変化する領域が、周期Ｍ_r（Ｍ_r＞Λ_a′，Λ_b′）で繰
り返し形成されていることにより達成される。

【０００７】

【作用】本発明による波長変換レーザは、可飽和吸収部
と利得部からなる双安定半導体レーザと、上記可飽和吸
収部に交差する光入力用導波路とからなり、第１および
第２分布反射器を有する上記双安定半導体レーザの第１
分布反射器は、Λ_aからΛ_bまで連続的または断続的に回
折格子ピッチが変化する領域が周期Ｍ_f（Ｍ_f＞Λ_a，
Λ_b）で繰り返し形成され、第２分布反射器はΛ_a′から
Λ_b′まで連続的または断続的に回折格子ピッチが変化
する領域が周期Ｍ_r（Ｍ_r＞Λ_a′，Λ_b′）で繰り返し形
成されているため、上記回折格子の反射特性は周期的に
反射ピークをもつことになる。上記反射ピーク点の波長
をそれぞれλ₁〜λ_nおよびλ_1′〜λ_k′とし、上記２つ
の分布反射器の屈折率をそれぞれ独立に制御して、λ₁
〜λ_nのうちの波長λ_iにλ_1′〜λ_k′のうちの１波長を
同調させ、上記波長λ_iの近傍だけでレーザ発振させる
ことができる。また、上記反射ピーク点の波長を半導体
の利得領域をカバーできるように設定すると、利得帯域
をカバーする発振波長制御を行うことができる。位相調
整領域の屈折率を注入電流で制御すると上記波長λ_i近
傍で微小調整でき、上記位相調整領域の長さを長くすれ
ばλ₁〜λ_nの全波長でレーザ発振できる。さらに、本発
明素子の立上りしきい値の入射波長依存性から上記素子
は１００ｎｍにおよぶ入射波長に感度を有し、出射波長
を４５ｎｍ掃引できるため、半導体の利得帯域全般につ
いて、任意波長の強度変調信号光を上記光入力用導波路
に入射することによって、上記双安定レーザ部の発振波
長を制御するそれぞれの電極への注入電流で決まる、任
意の波長の光に変換して出力できる。

【０００８】

【実施例】つぎに本発明の実施例を図面とともに説明す
る。図１は本発明による波長変換レーザの第１実施例を
示す図、図２は上記実施例における諸特性を示す図、図
３は上記実施例における回折格子ピッチの説明図、図４
は上記実施例における分布反射器の特性を示す図、図５
は後部分布反射器領域の電流と発振波長との関係を示す
図、図６は本発明による波長変換レーザの第２実施例を
示す図、図７は本発明による波長変換レーザの第３実施
例を示す図、図８は上記第３実施例の入出力信号波形を
示す図である。

【０００９】第１実施例 本発明による波長変換レーザの第１実施例を図１に示す
が、（ａ）は上記波長変換レーザの構成図を示し、
（ｂ）は上記レーザの断面図である。図において、１０
１は利得部電極、１０２はＩｎＧａＡｓＰコンタクト
層、１０３はＩｎＰ（ｐ）クラッド層、１０４はＩｎＧ
ａＡｓＰ上側ガイド層、１０５は多重量子井戸（ＭＱ
Ｗ）の活性層、１０６はＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、
１０７はＩｎＰ（ｎ）クラッド層、１０８はＩｎＰ（ｎ
+）基板、１０９は下面電極、１１０は可飽和吸収部の
電極、１１１は前部分布反射器の電極、１１２は後部分
布反射器の電極である。また、１１３は光入力用導波路
電極であり、上記光入力用導波路に電流を注入すること
によって、上記光入力用導波路を進行波型増幅器として
機能させることができる。また、１１４は位相調整領域
の電極で、１１５は半絶縁性ＩｎＰ層である。なお、図
１（ｂ）に示す断面図は図１（ａ）におけるＡ点とＢ点
とを通る素子の断面を示したものである。ここで、１１
６は前部分布反射器部、１１７は後部分布反射器部、１
１８は利得部、１１９は可飽和吸収部、１２０は位相調
整領域、１２１は分離溝で電極層およびコンタクト層お
よびクラッド層の一部をエッチングした構造で、１２２
はＩｎＧａＡｓＰガイド層、１２３は前部回折格子でピ
ッチがΛ_aからΛ_bまで連続的にあるいは断続的に変化す
る回折格子の領域が、周期Ｍ_fで繰り返し構成された部
分、１２４は後部回折格子でピッチがΛ_a′からΛ_b′ま
で連続的にあるいは断続的に変化する回折格子の領域
が、周期Ｍ_rで繰り返し構成された部分、１２５は低反
射コーティング層である。同じ低反射構造が光入力用導
波路側の端面にも施されている。上記回折格子１２３お
よび１２４については図３および図４に詳しく示す。

【００１０】本発明の前部回折格子１２３は図３（ａ）
および（ｂ）に示すように、回折格子のピッチがΛ_aか
らΛ_bまで連続的または断続的に変化する領域が、周期
Ｍ_fで繰り返し形成されているため、その回折格子の反
射特性は、波長λ_a＝２Λ_aｎ_eqから波長λ_b＝２Λ_bｎ_eq
までの間に波長間隔Δλ_f＝λ₀ ²／２ｎ_eqＭ_f（λ₀＝ｎ_e
q（Λ_a＋Λ_b））で周期的に反射ピークを持つ特性にな
る。そこで図４に示すように便宜的に上記反射ピーク点
の波長をλ₁〜λ_nとする。また、後部回折格子１２４の
反射特性を波長λ_a′＝２Λ_a′ｎ_eqから波長λ_b′＝２
Λ_b′ｎ_eqまでの間に波長間隔Δλ_r＝λ_0′ ²／２ｎ_eqＭ
_r（λ_0′＝ｎ_eq（Λ_a′＋Λ_b′））で周期的に反射ピー
クλ_1′〜λ_k′を持つ特性になる。２つの分布反射器の
回折格子のピッチ変調の周期Ｍ_fおよびＭ_rは、それぞれ
異なる周期で形成しておく。上記２つの異なる分布反射
器の屈折率をそれぞれ独立に制御して、λ₁〜λ_nのうち
の一波長λ_i（ｉ＝１〜ｎ）にλ_1′〜λ_k′のうちの１
つを同調させて、そのλ_iの近傍のみでレーザ発振させ
ることができる。図４（ａ）〜（ｄ）はλ₁とλ₂の発振
例、すなわちｉが１および２の場合を示したものであ
る。λ₁〜λ_nおよびλ_1′〜λ_k′を半導体の利得領域を
カバーできる程度に設定すれば、利得帯域をカバーする
発振波長制御を行うことができる。また、位相調整領域
１２０の屈折率を電流注入により制御することで、上記
波長λ_iの近傍で微小調整できる。上記位相調整領域１
２０の長さを十分長くとれば、分布反射器のピーク間隔
以上の幅で調整できるので、前部回折格子１２３、後部
回折格子１２４、位相調整領域１２０への注入電流を制
御することで、λ₁〜λ_nまでのすべての波長でレーザ発
振を得ることができる。

【００１１】本実施例の回折格子で前部回折格子１２３
は、ピッチが２４５９Åから２３８９Åまで連続的に変
化する領域が７５μｍ周期で繰り返し形成されており、
後部回折格子１２４では、ピッチが２４５４Åから２３
８５Åまで連続的に変化する領域が６７．５μｍ周期で
繰り返し形成されている。この場合、図５に示すように
発振波長が１．５７５μｍから１．５３０μｍまで約５
０Åおきに変化し、最大４５０Åの出射波長の制御がで
きる。また、前部回折格子１２３のピッチを２４９５Å
から２３８９Åまで７．５μｍずつ断続的に１０段階変
化する領域を７５μｍ周期で繰り返し形成し、後部回折
格子１２４のピッチを２４５４Åから２３８５Åまで
７．５μｍずつ断続的に９段階変化する領域を、６７．
５μｍ周期で繰り返して形成しても同様の効果が得られ
る。

【００１２】本発明の波長変換のメカニズムは従来の技
術と同様であり、本発明の素子も可飽和吸収電極への印
加電圧を制御することで、図２（ａ）に示すように、利
得領域への注入電流に対して光出力にしきい値特性を得
ることができる。同図において、利得領域への注入電流
をしきい値よりも僅かに少ない値に設定すると、光入力
用導波路への光入力に対して図２（ｂ）のようにしきい
値特性を得ることができるので、光入力があるときのみ
レーザ発振するようになる。この特性は横注入導波路端
面に低反射コーティングすることで、波長にあまり依存
しないように構成できる。図２（ｃ）に本実施例の素子
の立ち上りしきい値の入射波長依存性を示す。上図から
本実施例の素子は１００ｎｍにもわたる入射波長に対し
て感度が或ることが判る。また、図５に示したように本
実施例の素子の出射波長を４５ｎｍ掃引できるので、半
導体の利得帯域全般にわたって任意の波長の強度変調信
号光を光入力用導波路に入射すると、双安定レーザ部の
発振波長を制御する電極１１１、１１２、１１４への注
入電流で決められる任意の波長の光に変換し、出力する
ことができる。

【００１３】第２実施例 本発明の第２実施例を図６に示すが、（ａ）は構成図で
（ｂ）は断面図である。５０１は可飽和吸収部電極、５
０２はＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、５０３はＩｎＰ
（ｐ）クラッド層、５０４はＩｎＧａＡｓＰ上側ガイド
層、５０５はＭＱＷの活性層、５０６はＩｎＧａＡｓＰ
下側ガイド層、５０７はＩｎＰ（ｎ）クラッド層、５０
８はＩｎＰ（ｎ+）基板、５０９は下面電極、５１０は
前部分布帰還部電極、５１１は後部分布帰還部電極、５
１２は半絶縁性ＩｎＰ層、５１３は利得部電極である。
図６（ａ）のＣ点とＤ点とを通る素子の断面図を図６
（ｂ）に示す。ここで、利得部電極５１３は低反射コー
ティング層で、同じ低反射構造が光入力用導波路側の端
面にも施されていて、５１４は前部分布帰還器、５１５
は可飽和吸収部、５１６は後部分布帰還器、５１７は前
部回折格子でピッチがΛ_aからΛ_bまで連続的にまたは断
続的に変化する回折格子の領域が周期Ｍ_fで繰り返し構
成された部分、５１８は後部回折格子でピッチがΛ_a′
からΛ_b′まで連続的にまたは断続的に変化する回折格
子の領域が周期Ｍ_rで繰り返し構成された部分、５１９
は利得部、５２０は分離溝で電極層およびコンタクト層
およびクラッド層の一部をエッチングした構造である。
素子の動作は第１実施例の場合と同様である。

【００１４】第３実施例 本発明の第３実施例を図７に示すが、（ａ）は構成図で
（ｂ）は波長フィルタの断面図である。本実施例は第１
実施例の波長変換レーザを同一基板上に複数個集積し、
さらに光入力用導波路に波長フィルタを集積したもので
ある。図において、６０１_a〜dは波長フィルタ、６０２
_a〜dは前部分布反射器、６０３_a〜dは位相調整領域、６
０４_a〜dは可飽和吸収部、６０５_a〜dは利得部、６０６
_a〜dは後部分布反射器、６０７_a〜dは光入力用導波路、
６０８_a〜dは全反射ミラーである。図７（ｂ）には上記
波長フィルタ６０１_aの断面図を示し、６０９は波長フ
ィルタ部電極、６１０はＩｎＧａＡｓＰコンタクト層、
６１１はＩｎＰ（ｐ）クラッド層、６１２はＩｎＧａＡ
ｓＰ上側ガイド層、６１３はＭＱＷの活性層、６１４は
ＩｎＧａＡｓＰ下側ガイド層、６１５はＩｎＰ（ｎ）ク
ラッド層、６１６はＩｎＰ（ｎ+）基板、６１７は下面
電極で波長フィルタ６０１_aから６０１_dまで同様の構成
である。６１８_aは回折格子で波長フィルタ６０１_aから
６０１_dまではそれぞれピッチが異なり、６１９_aはピッ
チが１／４波長シフトしたシフト構造で、それぞれλ₁
からλ₄の波長の光のみを透過する。図７（ａ）を用い
て本発明の動作を説明する。波長多重された光信号をカ
ップラＡで分岐し入力用導波路６０７_a〜dにそれぞれ結
合する。各波長フィルタ６０１_a〜dによっておのおのの
波長変換レーザの可飽和吸収部６０４_a〜dにはλ₁から
λ₄の波長の光だけが到達する。例えば、ａからｄの波
長変換レーザの出射波長をａがλ₂、ｂがλ₃、ｃが
λ₄、ｄがλ₁になるように設定しておくと、本素子を光
信号が透過する間にλ₁→λ₂、λ₂→λ₃、λ₃→λ₄、λ
₄→λ₁への波長変換が行われる。出射された光をカップ
ラＢで再び結合する。それぞれの波長変換レーザの出射
波長を制御することで、任意の組み合わせにより信号の
キャリアの波長を変えることができるので、本実施例の
素子は波長交換システムのノードとして機能する。図８
に本実施例の光信号の入力と出力の、各波長ごとの信号
波形を示す。４個の素子を配置したものを例としてあげ
たが、システムの多重度に合わせて適当な個数の素子を
配置してもよいことはいうまでもない。また、上記カッ
プラＡおよびＢを同一基板上に構成できることも明らか
である。

【００１５】上記各実施例の活性層において、バルク活
性層あるいは歪量子井戸活性層を用いることができるの
はいうまでもない。また、ＧａＡｓ系半導体材料でも同
様の構成が得られることはもちろんで、さらに、リッジ
型導波路やｐｎ埋め込み構造導波路等の別の導波路構成
であっても、本発明を実現できることはいうまでもな
い。

【００１６】

【発明の効果】上記のように本発明による波長変換レー
ザは、可飽和吸収部と利得部からなる双安定半導体レー
ザと、上記可飽和吸収部に交差する光入力用導波路とか
らなる波長変換レーザにおいて、上記双安定半導体レー
ザは第１の分布反射器と第２の分布反射器を有する分布
反射構造をもち、上記第１の分布反射器は、回折格子の
ピッチがΛ_aからΛ_bまで連続的または断続的に変化する
領域が、周期Ｍ_f（ただし、Ｍ_f＞Λ_a，Λ_b）で繰り返し
形成され、上記第２の分布反射器は、回折格子のピッチ
がΛ_a′からΛ_b′まで連続的または断続的に変化する領
域が、周期Ｍ_r（ただし、Ｍ_r＞Λ_a′，Λ_b′）で繰り返
し形成されていることにより、光信号を広い波長範囲に
わたって、任意の波長から別の任意の波長に波長変換す
ることが可能である。また、多数の波長変換レーザを同
一基板上に配置し、各入力用導波路にそれぞれ波長フィ
ルタを集積したアレイ型の構成では、波長変換型の光変
換ノードとして機能する。さらに小型モジュール化がで
きるため、取扱いが容易になるとともに、他装置への組
み込みが可能になり、高速の光信号処理装置や波長多重
伝送装置等に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による波長変換レーザの第１実施例を示
す図で、（ａ）は構成図、（ｂ）は断面図である。

【図２】上記実施例の特性を示す図で、（ａ）は利得部
への注入電流と光出力との関係を示す図、（ｂ）は光入
力と光出力の特性を示す図、（ｃ）は感度の入射波長依
存性を示す図である。

【図３】上記実施例における回折格子ピッチの説明図
で、（ａ）はピッチが連続的に変る場合、（ｂ）はピッ
チが断続的に変る場合を示す図である。

【図４】上記実施例における分布反射器の特性図で、
（ａ）は前部分布反射器の場合、（ｂ）は後部分布反射
器の場合をそれぞれ示し、（ｃ）および（ｄ）はそれぞ
れλ₁およびλ₂における発振波長の選択法を示す図であ
る。

【図５】後部分布反射器領域の電流と発振波長の関係を
示す図である。

【図６】本発明による波長変換レーザの第２実施例を示
す図で、（ａ）は構成図、（ｂ）は断面図である。

【図７】本発明による波長変換レーザの第３実施例を示
す図で、（ａ）は構成図、（ｂ）は波長フィルタの断面
図である。

【図８】上記実施例の入出力信号波形を示す図で、
（ａ）は入力光信号波形図、（ｂ）は出力光信号波形図
である。

【図９】従来の波長変換レーザを示す図で、（ａ）は構
成図、（ｂ）は利得部への注入電流と光出力との関係を
示す図である。

【図１０】上記従来例の特性を示す図で、（ａ）は光入
力・光出力の特性を示す図、（ｂ）は発振波長の選択範
囲を示す図である。

【符号の説明】

１１３、２１３ 光入力用導波路電極 １１６ 前部分布反射器部（第１） １１７ 後部分布反射器部（第２） １１８、５１９ 利得部 １１９、５１５ 可飽和吸収部 １２３、５１７ 前部回折格子 １２４、５１８ 後部回折格子 ５１４ 前部分布帰還器 ５１６ 後部分布帰
還器 ６０１_a〜d 波長フィルタ ６０２_a〜d 前部
分布反射器 ６０６_a〜d 後部分布反射器 ６０７_a〜d 光入
力用導波路 ６１８_a〜d 回折格子

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石井 啓之 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内 (72)発明者 狩野 文良 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】可飽和吸収部と利得部からなる双安定半導
   体レーザと、上記可飽和吸収部に交差する光入力用導波
   路とからなる波長変換レーザにおいて、上記双安定半導
   体レーザは第１の分布反射器と第２の分布反射器を有す
   る分布反射構造をもち、上記第１の分布反射器は、回折
   格子のピッチがΛ_aからΛ_bまで連続的または断続的に変
   化する領域が、周期Ｍ_f（ただし、Ｍ_f＞Λ_a，Λ_b）で繰
   り返し形成され、上記第２の分布反射器は、回折格子の
   ピッチがΛ_a′からΛ_b′まで連続的または断続的に変化
   する領域が、周期Ｍ_r（ただし、Ｍ_r＞Λ_a′，Λ_b′）で
   繰り返し形成されていることを特徴とする波長変換レー
   ザ。
2. 【請求項２】可飽和吸収部と利得部からなる双安定半導
   体レーザと、上記可飽和吸収部に交差する光入力用導波
   路とからなる波長変換レーザにおいて、上記双安定半導
   体レーザは分布帰還構造をもち、上記分布帰還構造の一
   部は、回折格子のピッチがΛ_aからΛ_bまで連続的または
   断続的に変化する領域が、周期Ｍ_f（ただし、Ｍ_f＞
   Λ_a，Λ_b）で繰り返し形成され、上記分布帰還構造の残
   りの部分は、回折格子のピッチがΛ_a′からΛ_b′まで連
   続的または断続的に変化する領域が、周期Ｍ_r（ただ
   し、Ｍ_r＞Λ_a′，Λ_b′）で繰り返し形成されているこ
   とを特徴とする波長変換レーザ。
3. 【請求項３】上記請求項１または請求項２において、上
   記波長変換レーザが同一基板上に多数配置され、上記各
   波長変換レーザの光入力用導波路に、それぞれ波長フィ
   ルタを集積したことを特徴とするアレイ型波長変換レー
   ザ。