JPH09326528A - 短光パルス波形整形装置 - Google Patents

短光パルス波形整形装置

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JPH09326528A
JPH09326528A JP8163669A JP16366996A JPH09326528A JP H09326528 A JPH09326528 A JP H09326528A JP 8163669 A JP8163669 A JP 8163669A JP 16366996 A JP16366996 A JP 16366996A JP H09326528 A JPH09326528 A JP H09326528A
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semiconductor laser
laser device
light
pulse
light pulse
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JP8163669A
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Masashi Usami
正士 宇佐見
Munefumi Tsurusawa
宗文 鶴沢
Yuichi Matsushima
裕一 松島
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Kokusai Denshin Denwa KK
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Abstract

(57)【要約】 【課題】光パルス幅がキャリア寿命時間以下のピコ秒程
度に短い入力光信号パルス列の雑音除去や波形整形を効
果的に行うことができる短光パルス波形整形装置を提供
する。 【解決手段】半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素子
に電流を注入させて発振状態にする手段と、該半導体レ
ーザ素子の発振光の波長より短い波長の短光パルスより
なる入力信号パルス光を該発振状態にある半導体レーザ
素子に入射させる手段と、該発振状態にある半導体レー
ザ素子から波形整形された該短光パルス光を該半導体レ
ーザ素子の発振出力光と区別して取り出す手段とを備え
た構成を有している。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光伝送システム，光交
換システムで用いる光パルスの雑音を除去したり、波形
を整形する装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】半導体の吸収飽和効果を用いた可飽和吸
収素子は、短光パルスの波形整形や雑音除去に用いるこ
とができる。半導体の吸収飽和効果とは、バンド端近く
のエネルギーの光を半導体に入射した場合、入射光強度
が増加すると吸収率（透過率）が非線形的に減少（増
加）する性質のことであり、これは吸収により発生した
電子正孔対がバンド内の状態占有率を上昇させ、吸収端
が高エネルギー側にシフトするバンドフィリング効果に
よって生ずる。したがって、光パルスの無い場合、微弱
な雑音成分は可飽和吸収素子に吸収されるが、ある強度
以上の光パルスが入射されると、その光パルスは可飽和
吸収素子を透過することになる。その結果、可飽和吸収
素子を短光パルスの波形整形や雑音除去に用いることが
できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、この半導体可
飽和吸収素子の短光パルスに対する透過率の時間特性を
見ると、光を吸収し吸収率が低下するパルスの立ち上が
り時には、ピコ秒程度の十分高速な応答を見せるが、光
パルスの立ち下がり時、すなわち光強度が弱くなり、吸
収率が元の値まで回復するときに要する時間はナノ秒程
度のキャリア（電子および正孔）寿命時間程度の時間を
要する。その様子を模式的に示したのが図６である。図
６（ａ）は光パルス強度の時間変化を、同図（ｂ）は先
願に係る可飽和吸収素子の吸収係数の時間変化を表した
ものである。したがって、キャリア寿命時間以下のパル
ス幅を持つ信号に対しては、信号光に追随した波形整形
や雑音除去を完全に行なうことができない。可飽和吸収
素子ではキャリア寿命時間を短くする方法として、不純
物，欠陥等を吸収層に導入する方法や、また、ｐ−ｎ接
合に逆バイアスを印加しキャリアを引き抜く方法、吸収
領域で生じたキャリアをトンネル現象により引き抜く方
法、等様々な手法が提案されているが、ピコ秒程度の光
パルスに十分応答するような高速性は実現されていな
い。
【０００４】このように、可飽和吸収素子を用いた短光
パルス波形整形装置は、一度吸収飽和状態になった後、
吸収率が元の値まで回復するのに要する時間はキャリア
寿命時間で制限されるという欠点があった。したがっ
て、このような可飽和吸収素子ではキャリア寿命時間以
下のパルス幅を持つ信号に対しては、波形整形や雑音除
去を完全に行なうことができないという欠点があった。
【０００５】本発明の目的は、上述した、光パルス幅が
キャリア寿命時間以下のピコ秒程度に短い入力光信号パ
ルス列の雑音除去や波形整形を効果的に行うことができ
る短光パルス波形整形装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明による短光パルス波形整形装置は、半導体レ
ーザ素子と、該半導体レーザ素子に電流を注入させて発
振状態にする手段と、該半導体レーザ素子の発振光の波
長より短い波長の短光パルスよりなる入力信号パルス光
を該発振状態にある半導体レーザ素子に入射させる手段
と、該発振状態にある半導体レーザ素子から波形整形さ
れた該短光パルス光を取り出す手段とを備えた構成を有
している。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明では、キャリア寿命時間で
制限される先願に係る可飽和吸収素子の吸収回復時間の
高速化を図り、光パルス幅がピコ秒程度に短い入力光信
号パルス列の雑音除去や波形整形を効果的に行なう。本
発明の最大の特徴は可飽和吸収素子として発振状態の半
導体レーザを用いることである。
【０００８】次に、本発明の原理を詳細に説明する。図
１（ａ）は、本発明に用いる半導体レーザ素子に入射す
る光信号パルスの光強度の時間変化を、同図（ｂ）は半
導体レーザ素子の信号パルス光に対する吸収係数の時間
変化を表した模式図である。
【０００９】図２は、本発明において信号パルス光を照
射（入射）することを特徴とする発振状態にある半導体
レーザ素子の活性層内の伝導帯の電子のエネルギー分布
を時系列で示した模式図である。ここで、図１と図２に
おける添字は、それぞれ（Ａ）：信号パルス光が入射
前、（Ｂ）：信号パルス光入射時、（Ｃ）：信号パルス
光立ち下がり直後、（Ｄ）：信号パルス光の入射終了後
の様子を表している。図２（Ａ）は信号パルス光が入射
前の定常状態における伝導帯の電子分布を示した図であ
り、ほぼそのピークに対応した波長で発振している。一
方、発振波長より短波である入射信号光に対しては十分
な吸収係数を持つ状態である｛図１（ｂ）−（Ａ）｝。
次に、信号パルス光が入射時には、信号パルス光は活性
層で吸収され、信号パルス光に相当するエネルギーの電
子密度が急激に増加し｛図２（Ｂ）｝、吸収係数は急激
に低下する｛図１（ｂ）−（Ｂ）｝。これはスペクトル
ホールバーニングと呼ばれるが、このスペクトルホール
バーニングはバンド内遷移によって熱平衡状態の分布に
１００フェムト秒程度で緩和し、図２（Ｃ）に示す分布
となる。この瞬間のキャリア密度は信号パルス光が入射
前のキャリア密度に比べて増大しており、吸収係数が低
下している。しかし、この増大したキャリアは発振によ
る誘導放出によって瞬時に光に変換され、定常状態｛図
２（Ｄ，Ａ）｝に戻る。この誘導放出に伴うキャリア密
度の減少は１００フェムト秒程度の応答速度を持つ。こ
のように、半導体レーザ素子が信号パルス光に対して可
飽和吸収素子として動作し、誘導放出とバンド内緩和の
応答速度で吸収回復を達成することができる。
【００１０】以上のように、一度吸収飽和状態になった
後、吸収率が元の値まで回復するのに要する時間は、従
来の可飽和吸収素子ではキャリア寿命時間で制限されて
いたが、本発明によればキャリア寿命時間以下にするこ
とができる。したがって、本発明により、光パルス幅が
ピコ秒程度に短い光信号パルス列の雑音除去や波形整形
を効果的に行なうことができる。
【００１１】以上が、本発明の原理ならびに従来技術と
の相違点を明確に説明したものである。
【００１２】このように、本発明により光パルス幅がピ
コ秒程度に短い光信号パルス列の雑音除去や波形整形を
効果的に行なうことができる。この様子を模式的に示し
たのが図３である。図３（ａ）は、実際の入力信号波形
を表したものであり、信号パルス光に雑音成分が重畳し
ている。図３（ｂ）は従来の可飽和吸収素子の出力信号
波形を表したものであり、信号パルス光が入力する前の
雑音は除去するが、信号パルス光の直後は吸収率が回復
しないため、雑音は除去できない。一方、図３（ｃ）は
本発明による発振状態にある半導体レーザに発振光より
短波長の信号パルス光を入射した時の出力光から信号パ
ルス光のみを取り出したものであり、パルスの前後の雑
音は完全に除去されたような状態になる。また、信号パ
ルス光の裾の部分も吸収され、波形整形をほぼ完全に行
うことができる。この場合半導体レーザ素子は可飽和吸
収素子として動作する。
【００１３】
【実施例１】以下に本発明の実施例を詳細に説明する。
図４は本発明による実施例における光パルス波形整形装
置の構成図を模式図的に示したものである。半導体レー
ザ素子１１の活性層はＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰよ
りなる１０層の多重量子井戸で形成されている導波路型
素子で、素子長２００μｍである。半導体レーザ素子１
１には直流電源によりしきい値電流（７ｍＡ）よりわず
かに大きい８ｍＡの電流を流し発振させておく。レーザ
発振光は波長１．５９μｍ、２０ｄＢダウンのスペクト
ル全幅２０ｎｍ、片端出力ー５ｄＢｍである。入力信号
パルス光１はアイソレータ１３、および結合のための先
球ファイバ１４を通して半導体レーザ素子１１に入射さ
れる。この、信号パルス光１は波長１．５５μｍ１０Ｇ
ｂｐｓ／パルス幅２０ｐｓの光ソリトン波（０ｄＢｍ）
である。実際の入力信号パルス光は、入力信号パルス光
１に雑音成分が重畳しており、雑音レベルはパルス光の
尖頭レベルに対してー１５ｄＢのレベルにある。半導体
レーザ素子１１からの出力光２はレーザ発振光と信号パ
ルス光とが重畳されているが、信号パルス光のみを通す
バンドパスフィルタ１６によってフィルタリングされ出
力信号パルス光３となる。
【００１４】以下に、入射された信号パルス光の吸収率
（透過率）が半導体レーザ素子中で時間とともに変化す
る様子を図２（ａ）を用いて説明する。まず、信号光パ
ルス１が入る前、すなわち（Ａ）の状態では、定常的な
発振状態で、発振光より波長の短い信号光に重畳されて
いる低レベルの雑音成分は半導体レーザ素子１１によっ
て十分吸収される。これが、雑音除去機能である。次
に、信号パルス光１の立ち上がりにおいては光強度が大
きくなったところ（Ｂ）で半導体レーザ素子１１内での
信号パルス光１の吸収係数は低下し、光パルスは透過す
るようになる。このとき、光強度が小さい光パルスの裾
は十分吸収されるため、透過パルスの立ち上がりは、入
力パルスに比べて急峻となる。これが、波形整形機能で
ある。次に、光パルスの立ち下がり直後（Ｃ）は、吸収
飽和状態になった半導体レーザ素子１１の吸収係数は低
下したままであるので、パルス立ち下がり部は透過す
る。その後（Ｄ）、残存キャリアがレーザ発振による誘
導放出によって急激に減少し、吸収率が回復する。その
結果、信号光に重畳されている雑音成分は再び吸収され
ることになる。半導体レーザ素子１１からは出力光２と
して波形整形された信号パルス光と発振光の２つの波長
の光が出力されるため、バンドパスフィルタ１６によっ
て、信号パルス光のみを選択する。その結果、最終的な
出力信号パルス３は、発振光成分を含まない信号パルス
光が得られた。また、雑音レベルは、パルス光の尖頭レ
ベルに対して−２２ｄＢとなり、入力信号に比べて７ｄ
Ｂ低下させることができた。
【００１５】本発明の構成によれば、可飽和吸収素子の
吸収率の回復はピコ秒程度であり、光パルス幅がピコ秒
程度に短い光信号パルス列の雑音除去や波形整形を効果
的に行なうことができる。
【００１６】
【実施例２】図５は本発明による第２の実施例における
光パルス波形整形装置の構成図を模式図的に示したもの
である。半導体レーザ素子１７は面発光型で、活性層は
ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰよりなる１５層の多重量
子井戸で形成されている。半導体レーザ素子１７に直流
電流をしきい値電流（２０ｍＡ）よりわずかに大きい２
１ｍＡの電流を流し発振させておく。レーザ発振光５は
波長１．５９μｍ、２０ｄＢダウンのスペクトル全幅２
０ｎｍ、片端出力ー５ｄＢｍである。一方、信号パルス
光１は、第１の実施例と同一であり、半導体レーザ素子
１７への入射は、発振光の光路（素子に対して垂直方
向）と干渉しないように、レンズ１８で集光し、半導体
レーザ素子１７に対し斜めから照射する。この場合、出
射信号パルス光４も発振光５と干渉しない方向へ出射さ
れるため、実施例１のように必ずしもバンドパスフィル
タによって信号パルス光のみを選択する必要はなくな
る。また、面発光型の特徴として、偏波無依存性が挙げ
られる。本実施例の作用や効果は第１の実施例の場合と
同じである。
【００１７】以上の実施例では、半導体レーザ素子の活
性層に一般的な多重量子井戸構造を用いたが、本発明は
半導体レーザ素子の構造に依存することなく、あらゆる
種類の半導体レーザ素子に応用することが可能である。
たとえば、ＴＥおよびＴＭ偏波光に対する利得が一致す
るように、該多重量子井戸が引っ張りひずみをもつよう
に構成された歪多重量子井戸構造や、井戸層厚を交互に
変化させ積層した多重量子井戸構造や、量子細線や量子
箱といった低次元量子構造を活性層とした半導体レーザ
素子を用いることができる。さらに、実施例では単一波
長で発振する半導体レーザ素子を用いる例を示したが、
複数波長で発振する半導体レーザを用いてもよい。複数
波長で発振する半導体レーザ素子を用いる場合には、半
導体レーザ素子のもっとも短い発振光の波長よりも短い
波長の短光パルスよりなる信号光パルスを半導体レーザ
素子に入射させる手段を用いる必要がある。また、半導
体レーザ素子の発振光の波長よりも０．０１μｍ以上
０．０６μｍ以下の程度に短い波長の短光パルスよりな
る信号光パルスを用いれば、前記の波形整形機能がより
安定化する効果がある。さらに、半導体レーザ素子の材
料として１．５μｍ帯ＩｎＧａＡｓＰ系半導体を用いた
が、その他のIII-V 系半導体、II-VI 系半導体にも簡単
に応用できる。これら半導体材料は格子整合系のみなら
ず、格子不整合の材料を用いることもできる。光信号波
長も現在光伝送及び光交換等で広く用いられている０．
８ミクロン帯や、１．３，１．５μｍ帯の他、それらの
半導体で吸収及び増幅が可能な波長帯であれば任意の波
長帯で、本発明を適用することが可能である。
【００１８】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、一度吸収飽
和状態になった後、吸収率が元の値まで回復するのに要
する時間は、従来の可飽和吸収素子ではキャリア寿命時
間で制限され、数１００ピコ秒程度であった。本発明に
よれば、半導体レーザ内の誘導放出を利用することで、
吸収回復時間をキャリア寿命時間を大きく下まわる１０
０フェムト秒程度にすることができる。したがって、本
発明により光パルス幅がピコ秒程度に短い光信号パルス
列の雑音除去や波形整形をほぼ完全に行なうことがで
き、実用的効果は大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による半導体レーザ素子を用いた短光パ
ルス波形整形装置に入射する信号パルス光強度の時間変
化（ａ）および半導体レーザ素子の信号パルス光に対す
る吸収係数の時間変化（ｂ）を示した模式図である。
【図２】本発明により信号パルス光を入射した半導体レ
ーザ素子の活性層の伝導帯の電子分布を時系列で示した
模式図である。
【図３】雑音の重畳した信号を従来の可飽和吸収素子と
本発明による半導体レーザ素子を用いた短光パルス波形
整形装置に入力したときの出力信号波形を示した模式図
である。
【図４】本発明による第１の実施例のブロック図であ
る。
【図５】本発明による第２の実施例のブロック図であ
る。
【図６】従来の可飽和吸収素子に入射する信号パルス光
強度の時間変化特性図（ａ）、および吸収係数の時間変
化特性図（ｂ）である。
【符号の説明】
１ 入力信号パルス ２ 出力光 ３ 出力信号パルス ４ 出力信号パルス ５ 発振光 １１ 半導体レーザ素子 １２ 直流電源 １３ アイソレータ １４ 先球ファイバ １５ 先球ファイバ １６ バンドパスフィルタ １７ 面型半導体レーザ素子 １８ レンズ １９ レンズ

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素
    子を発振状態にするために該半導体レーザ素子へ電流を
    注入させる手段と、該半導体レーザ素子の発振光の波長
    よりも短い波長の短光パルスよりなる信号光パルスを該
    半導体レーザ素子に入射させる手段と、該半導体レーザ
    素子から出射される該信号光パルスを取り出す手段とを
    有することを特徴とする短光パルス波形整形装置。
  2. 【請求項２】 半導体レーザ素子と、該半導体レーザ素
    子を発振状態にするために該半導体レーザ素子へ電流を
    注入させる手段と、該半導体レーザ素子の発振光の波長
    よりも短い波長の短光パルスよりなる信号光パルスを該
    半導体レーザ素子に入射させる手段と、該半導体レーザ
    素子から波形整形された該信号光パルスを取り出す手段
    とを有することを特徴とする短光パルス波形整形装置。
  3. 【請求項３】 該半導体レーザ素子から出射される該信
    号光パルスを取り出す手段が、該信号光パルスを該発振
    光とは区別して取り出されるように構成されていること
    を特徴とする請求項１に記載の短光パルス波形整形装
    置。
  4. 【請求項４】 該半導体レーザ素子から出射される該信
    号光パルスを取り出す手段が、該半導体レーザから出射
    される該信号光パルスと該発振光パルスと該発振光を受
    光して該信号光パルスのみを透過するバンドパスフィル
    タを有することを特徴とする請求項１に記載の短光パル
    ス波形整形装置。
  5. 【請求項５】 該半導体レーザ素子が単一波長で発振す
    ることを特徴とする請求項１に記載の短光パルス波形整
    形装置。
  6. 【請求項６】 該半導体レーザ素子が複数波長で発振
    し、該半導体レーザ素子の発振光の波長よりも短い波長
    の短光パルスよりなる信号光パルスを該半導体レーザ素
    子に入射させる手段が該半導体レーザ素子のもっとも短
    い発振光の波長よりも短い波長の短光パルスよりなる信
    号光パルスを該半導体レーザ素子に入射させる手段であ
    ることを特徴とする請求項１に記載の短光パルス波形整
    形装置。
  7. 【請求項７】 該半導体レーザ素子が面型の半導体レー
    ザ素子であり、 該半導体レーザ素子の発振光の波長よりも短い波長の短
    光パルスよりなる信号光パルスを該半導体レーザ素子に
    入射させる手段が、該半導体レーザ素子の発振光の出射
    方向に対して異なる角度から該信号光パルスを該半導体
    レーザ素子に入射させる構成であり、 該半導体レーザ素子から出射される該信号光パルスを取
    り出す手段が、該信号光パルスと該発振光の出射方向が
    異なる角度であることを利用して該信号光パルスのみを
    取り出す構成であることを特徴とする請求項１に記載の
    短光パルス波形整形装置。
  8. 【請求項８】 該半導体レーザ素子の活性層が多重量子
    井戸で構成されることを特徴とする請求項１に記載の短
    光パルス波形整形装置。
  9. 【請求項９】 該半導体レーザ素子の活性層の多重量子
    井戸が、該半導体レーザ素子のＴＥおよびＴＭ偏波光に
    対する利得が一致するように、引っ張りひずみを持つよ
    うに構成されたことを特徴とする請求項８に記載の短光
    パルス波形整形装置。
  10. 【請求項１０】 該半導体レーザ素子の発振光の波長よ
    りも短い波長の短光パルスよりなる信号光パルスを該半
    導体レーザ素子に入射させる手段が、該半導体レーザ素
    子の発振光の波長よりも０．０１μｍ以上０．０６μｍ
    以下の程度に短い波長の短光パルスよりなる信号光パル
    スを該半導体レーザ素子に入射させる構成であることを
    特徴とする請求項１に記載の短光パルス波形整形装置。
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