JPS58212190A - 双安定光学デバイス - 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】 本発明は異なる波長で作用する２個の結合されたレーザ
を使用する双，安定光学デバイスに関する。

本デバイスは光学分野、特に集積光学分野に於いて使用
される。

双安定システムは２個の安定状態を有するシステムであ
９、一状態から他状・態への転位は該システムに適用さ
れる条件を一時的Ｋ変更することによシ行われる。

前記条件が不変に保たれると、システムは２状態のいず
れか一方の状態に不変的に保たれる。

双安定システムはエレクトロニクス分野に於いて２進信
号の著積、急勾配の前縁を有するパルスの形成或いは信
号変換にと広く使用されている。

光学、特に集積光学に於ける最近の発達によシこのよう
な型のデバイスが必要になっているが、このデバイスは
光学デバイスであって電子デバイスではない。

混成オプトエレクトロニクスシステムは既知であシ、該
システムは２個の光学処理の間に電子的性質の中間処理
を使用する。例えば、光学一電子変換はフォトデテクタ
を介して、電子一光学復帰は光変調システムを介して行
われる。双安定作用は中間電子処理Ｋよって得ら．．れ
１：：る。一般Ｋ該システムは複雑であり低速である。

更に、双安定特性を有する純粋な光学デバイスが既知で
ある。該デバイスはファブリーベロ−（Ｆａｂｒｙ−Ｐ
ｅｒｏｔ）共振器によシ構成されるシステムであシ、該
共振器中に材料が挿入され、該材料の光学特性（吸収率
、屈折率等）の１個は補助光線Ｋより変化され得る。こ
の目的で頻用される材料の吸収率は飽和可能であシ、即
ち該吸収率は材料中を通る光線の光強度が増加する場合
に減少する。上記双安定デバイスは、例えばＨ．Ｓｅｉ
ｄａｌによる米国特許番号第３６１０７３１号「共振キ
ャビテイ内で飽和可能な吸収剤を使用する双安定光学回
路」中に記載されている。

上記システムは安定性による透過率を有し、透過率は２
個の相異なる値を有する透過光強度であシ、その一方は
吸収剤が飽和されない時大であり、他方は吸収剤が補助
ビームによシ飽和される時大１，１ である。・１ しかし乍ら、上記型のデバイスには下記・の２大欠点が
ある。即ち、 一前記２状態の場合、出力ビームの光強度は入カビーム
の強度よシも小であシ、他方有効ビームの強度は両状態
で同一ではなく、数個の双安定デバイスの直列配置の障
害となる。

−（従って高透過強度に対応する）２個の安定状態の少
なくとも一方について言うならば、デバイスには補助光
ビームを不変的に供給する必要がアシ、従って外部の補
助ソース、例えばレーザが必要となる。

上記欠点を克服すべく設計された他の双安定光学デバイ
スも既知である。該デバイスは２個の同一型レーザを使
用し、該レーザは相互に一方から他方の増幅媒体を通る
光線を放射する。従って、２個のレーザは競合し、両者
の一方のみが他方の損失に対して発振可能である。下記
のメカニズムによシ双安定性が得られる。

適当な励起された各増幅媒体に於いて集団反転が行われ
、該媒体に光線を増幅するための機能が与えられる。レ
ーザ発振のためＫは、その増幅媒体の利得が共振器の損
失よりも犬である必要がある。

レーザの一方がこの状態にある時該レーザは光ビームを
放射し，該光ピームは他方のレーザの増幅媒体中を通過
する。該ビームは第２のレーザＫよって増幅され、第２
のレーザ中に固有の集団反転を減少させる効果を有する
。従って、第２のレーザの増幅媒体の利得は減少される
。前記利得は共振器の損失を補償するに不適幽な値にま
で低下し得、その結果第２のレーザは第１のレーザによ
り抑制される。従って該システムは第１の状態にあシ、
第１のレーザのみが発振する。

その利得が人為的に損失以下の値まで低下されるという
理由で、或ｂは損失が増加されるという理由で第１のレ
ーザが短時間放射を停止するのであれば、第２のレーザ
の利得飽和現象は終了し、該第２のレーザは発振するに
好ましい条件下にある。この時第２のレーザは光ビーム
を放射する。

該ビームは第１のレーザの増幅媒体を通過し、第１のレ
ーザの利得は閾値以下に低下し、この結果第１のレーザ
の発振が妨げられる。

この時該システムは第２のレーザの発振に対応する第２
の状態にある。

上記記載のように、上記型のデバイスはレーザの一方が
放射しているか否かに従い、２状態のいずれか一方にあ
シ得る。従って、該デバイスは放射双安定性を有するが
吸収率双安定性は保有しない。

更に、デバイスの２状態に対応する２個の光ビームが同
一の強度を有するという理由から、該デバイスは完全に
対称型であシこの点で上記記載の第１番目の欠点を克服
する。

更Ｋ、状態間の切換は一方のレーヤ′に対するきわめて
短時間の動作によって得られ、不変的補助ソースを必要
としない。従って、該デバイスは上述の第２番目の欠点
をも克服する。

上記記載の型の双安定デバイスは、１９７３年９月１８
日付で付与された米国特許番号第３７６０２０１号「光
学フリツプフロツプ素子」明細書中、及び″ＩＢ’ＭＪ
ｏｕｎａｌｏｆＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｖｅｌｏｐ
ｍｅｎｔ一Ｖｏｌ，８Ｎｏ，９．１９６４年９月ニュー
ヨーク発行中に掲載されたＧ．Ｊ，ＬＡＳＨＥＲとＡ，
Ｂ，Ｆ（ＪＭ，ＥＲＫよる論文「双安定デバイスとして
相互クウエンチされる注入レーザ」中に記載されている
。

しかし乍ら、該デバイスはその利点にも拘らず依然とし
て重大な欠点を残している。該デバイスを使用する場合
デバイスによって放出される２個の光ビームは相互に方
向が異なり、一般には垂直である。

一方のレーザによって放出されるビームは他方のレーザ
の増幅媒体を横断するｊうに通過する。従って当然予想
されることとして、ビームの媒体内通路が確実に多犬な
効果を持つように、一方のレーザから放射される光ビー
ムの幅は増幅媒体の長さと同じオーダである。従ってデ
バイスが対称型である場合、増幅媒体の幅はその長さと
ほぼ等しくなければならない。換言すれば、該デバイス
は実質的に正方形の横断面を有する増幅媒体を使用しな
ければならない。このことは上記に引用した２文献中に
記載されている。

しかし乍ら、上記の構造は、増幅媒体がストリップ形状
で長さよシも幅が著しく小であるような半導体レーザに
はまったく不適当である。幅一長さの比は光学電気通信
用集積デバイス中で使用されるレーザの場合約１：１０
０の値にすら低下し得る。その結果、最小の効果しか生
じないので、光ビームを増幅媒体中Ｋ横断方向に伝播さ
せるという問題もなくなる。

本発明の目的は上記記載の欠点を補うことである。

このために本発明では、上記記載の型であシながら、２
個の競合するレーザが異なる波長で作用するという特徴
を有する双安定光学デバイスを提案する。この場合、デ
バイスから放出される２個のビームは異なる波長を有す
るので、ビームの方向に基づいて該ビームを識別する必
要はもはやない。

従って、一方のレーザから放出されるビームは他方のレ
ーザの増幅媒体の縦軸に沿って導入され得、横方向には
導入されない。この結果、本発明に従うデバイスは相互
に一方から他方Ｋ放射するように端部間接続された２個
のレーザによって形成され得る。この配列によシ非常に
単純な集積双安定デバイスが可能になる。当然のことな
がら、２個の波長の差は、利得飽和現象の発生を確保す
るために、活性媒体の増幅線の幅を超えてはならない。

更に限定すれば、本発明は２個のレーザを含む双安定光
学デバイスに係シ、該レーザはいずれの場合も、，一定
の波長に同調された共振器中に配置された増幅媒体によ
り形成され、各レーザは個々の方向に従い前記波長で光
ビームを放射することが可能であり、該デバイスは、相
互に一方のレーザから放射されて他方のレーザの増幅媒
体を通るような光ビームを導くことによシ２個のレーザ
の相互結合を可能にする手段を更に含み、該デバイスに
於いてレーザは半導体レーザであり、２個のレーザの共
振器は２個の異なる波長に同調され、放射される２個の
ビームの方向は一致する。

第１の変形Ｋ従うならば、各共振器は一定のスベーシン
グを有する回折格子を含み、２個の共振器の２個の格子
のスベーシングは異なっている。

第２の変形に従うならば、各共振器は増幅媒体中に分布
回折格子を含み、各格子は固有のスペーシングを有し、
２個の格子のスペーシングは異なっている。

更に他の変形に従うならば．各レーザは固有の長さを有
するリング形状であり、２個のリングの長さは異なる。

デバイスの一状態から他状態への切換を行うために、レ
ーザは 一電気光学或いは音響光学変調器をトリガレーザ中で使
用される変調器のように使用するという目的で、レーザ
の損失を修正する（非放射レーザの損失の減少もしくは
放射レーザの損失の？増加）ために、レーザの共振器上
に於いて、もしくは、 一注入電流強度を修正することによシ容易に獲得され得
るレーザの利得を修正する（放射レーザの利得の減少も
しくは非放射レーザの利得の増加）ために、増幅媒体上
に於いて動作可能であり、後者の場合デバイスの原理自
体に従って媒体内を通る補助光ビームを介して増幅媒体
の一方の利得を減少させることもまた可能であり、１： これによシ該補助ビームは同一の型の他の双安定光学デ
バイスから形成され得、従って双安定デバイスは縦続接
続されて双安定デバイスから成る「全光学的」システム
を形成する。

本発明は非限定的実施態様に関して添付図面を参考に更
に詳細に記載される。

第１図のデバイスは主に２個のレーザ１及び２から構成
され、２個のレーザを構成する素子は、レーザ１に属す
るかレーザ２に属するかに拠って下位数字１ｔたは２を
伴う参照符号によって示され、第２図以下についても同
様である。各レーザは共振器中に配置された増幅媒体１
０＋．１０，を含み、該共振器は回折格子１２，，１２
，及びミラー１４，，１４，によシ形成される。

該ミラーは半透明である。一方のレーザから送出され半
透明ミラー１４，４たは１４！を通る光ビームは、それ
ぞれ他方の組合せレーザ１０，，１０，の増幅媒体を横
断する。

該ビームは破線によシ略示される。更に格子１２，，１
２，はビーム１７，，１７．を回折させ得る。

図から明らかなように、ミラー１４，及び１４，は２個
のレーザに共通の１個のミラー１４中で結合され得る。

実際に、回折格子はレーザの外部に配置さｉｔる必要が
なく、所１１１１”分布プラッグ反射鏡付集積双導波路
レーザ」又は略して［ｄ，ｂ．ｒ，ｉ，ｔ，ｇ，レーザ
］型のレーザに関する実施例の場合、一般には第２図図
示と同様の方法でレーザ中に組み入れられる。

このような技術は、”ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔ
ｅｒｓ”１９８０年６月５日発行、Ｖｏｌ，１６，Ｎ）
．１２中に発表されたＫ．ＵＴＡＫＡｅｔａｌ．による
論文［一次分布フラック反射鏡付１．５−１．６ｐｍの
ＧａＩｎＡｓＰ／ＩｎＰ集積双導波路レーザ］中で更に
詳細に記載されている。各レーザは、金層２０，，２２
，，回折格子を変形させるＳｉＯ，層２４１，２４ｔ、
例えばｎ型ＩｎＰ分離層２Ｑ，，２６１，Ｇａ，，Ｉｎ
１−，Ａ！Ｉ，ＰＩ−，（ｕ及びＶは１より小）から形
成される出力導波路２８、及びｎ型ＩｎＰ基板３０を含
む。各増幅媒体は、Ｇａｌ！Ｉｎ１−ｘＡｓ，Ｐ１−ｙ
（Ｘ及びｙは１より小）力λら成る活性ゾーンＩＪ，１
０ｍ、ｐ型ＧａＩｎＡｓＰ層３２１，３２，、ｐｍＩｎ
Ｐ層３４，，３４，、及びＧａｉｎ，Ａｓｐ接触層３６
，，３６，を含み、前記全層上に金層４０，，−４０，
が載置される。

２個のレーザ１及び２は、ケミカルエッチング（例えば
酸溶液を使用する）Ｋより得られる溝部１４により分離
される。

該溝部の縁部は反射面の一部を形成し、２個のレーザの
光学的結合を可能にする。

本発明に従うならば、前記構造に於いて酸化物層２４，
，２４，によって得られる２個の格子１２，及び１２，
のスペーシングは異なシ、その結果、２個のレーザは異
なる波長で発振する。結合導波路レーザの特徴Ｋ従い、
２個の光線１６１，１６，は導波路２８Ｋよシ抽出され
る。

：１１ 半導体レーザに関して既に周知のようＫ，回折格子は一
端に配置されず増幅媒体に沿って分布され得、所謂ＤＦ
Ｂレーザ即ち［分布フィードバック」型レーザとなる。

該方法もまた第３図Ｋ図示するように本発明中で使用さ
れ得る。

第３図中、２個のレーザは導波管５０によシ結合され、
アセンブリは基板５２上Ｋ蒸着され、該基板の分割面５
３、５４は寄生反射を妨げるべく傾斜され得る。

相補出力光１６、，１７，’ｔたは１６，，１７，もま
たそれらの波長λ，，λ，に基づき相異なる。

該実施態様Ｋ於いて、好ましい波長を有する光線を一方
のレーザ中に導入することによシ、システムを一方の状
態から他方の状態に切換えることが可能である。この導
入は、破線（６０＋，６０＊）で示された光学カツブラ
ーのバイアスによシ実施され得る。該カツプラーは分布
格子の近傍，好ましくは第２図の導波路２８の場合のよ
うに活性層の下方に、横方向に配置され′ｉ′ｉる。

実際に、分布格子双安定デバイスは第４図に図示するよ
うな形状に形成され得、この場合、”ＡｐｐｌｉｅｄＰ
ｈｙｓ１ｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，”Ｍｏｌ．２９，Ｎｏ．
８、１９７６年１０月１５日発行、５０７頁中に発表さ
れたＫ．ＡＩＫＩｅｔａｌによる論文１−モノリシック
集積分布−フィードバックダイオードレーザを具備する
周波数多重化光源」に記載の方法に従い、２個のＤＦＢ
レーザを使用する。図示するように、デバイスはｎ型Ｇ
ａＡｓ基板７０，，７０，、ｎ型Ｇ８６．７Ａｔｏ．ａ
ＡＢ層７２１．７２ｍ，ｐ型Ｇ軌８活性層７４，，７４
！，分布格子を形成するｐ型Ｇａ（’．？ｊＡ’ｏ，ｏ
．７；Ａｓ層７８，，７８．を上部Ｋ有するｐ型（ｚａ
ｏ．ｇＡｔ６．２Ａｓ層７６，，７６，、ｐ型ＧａＯ，
７Ａｚｏ．，Ａｓ層８０１．８０！、Ｚｎ拡散層８１及
び導体層８３を含む。光線放出は導波管Ｋよって行われ
、該導波管は非ドープＧａＯ，９Ａｔ６．ｘＡｓ層８４
Ｉ，８４，Ｑ上部に有するｐＴｌｌＧａｏ７ＡＺｏ．ｓ
ＡＪ層８２，，８２，から構成される。

本発明に従うならば、該デバイスは異なるスベーシング
を有する２個の分布格子を含む。

上記の実施態様Ｋ於いて、共振器の発振周波数差は格子
のスベーシングを不均等にすることにょシ得られる。し
かし乍ら、本発明は長さの異なる共振器を使用すること
により様々に応用され得る。

共振器の１または複数の発振周波数が長さＫ伴って変化
することは既知である。従って長さの異なる２個の共振
器は異なる波長で発振する。この変形はリングレーザ（
円形または半円形）の場合特に有益であシ、リングの周
または半周は不均等である。このようなレーザは、″’
ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｌｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，”１９
８０年５月１５日発行、Ｖｏｌ．３６．ｐ，８０１中に
記載されている。

実際に、２個のリングレーザを使用するデバイスは”Ａ
ｐｐｌｉｅｄｐｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，３６．１
０”１９８０年５月１５日発行９．８０１中に発表され
たＡ，ＳＪ｛，ＬＩＡＯ及びＳ，ＷＡＮＧＫよる論文［
円形共振器を具備する半導体注入レーザ］中に記載の技
術を使用している第６図Ｋ従って備成され得る。各レー
ザはＮｉＣｒ−Ａｕ金属層９２、円筒形リング９４への
電流注入を限定するｓｉｏ，層９２、及びＧａＡａ／Ｇ
ａＡｔＡｓペテロ構造９６を含む。光線はリングの外部
で導波管９８によシ結合される。従って、２個のレーザ
は該導波管により相互に結合される。

更に、第７図は本発明に従う双安定光学デバイス１００
、１０１、１０２、等から成るシステムを示し、各デバ
イスは２個のビーム１６，，１６，Ｏいずれか一方を送
出し、第２のビームは後続デバイスを制御するために使
用され、即ち該ビームはデバイスの切換えを行うべく一
方のレーザの増幅媒体を通って伝送される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に従うデバイスの回路図、第２図は該デ
バイスの構造の第１の変形を示す断面図、第３図は分布
格子の第２の変形を示す説明図、第４図は分布格子の第
３の変一を示す断面図、第５図は２個のリングレーザを
使用するデバイスの変形を示す説明図、第６図はリング
レーザτバイスの特殊な実施態様を示す一部断面斜視図
及び第７図は本発明に従う双安定デバイスから成るシス
テムを示す系統図である。 １，２・・・・・・・・・レーザ、１０，，１０，・・
・・・・・・・増幅媒体、１２，，１２，・・・・・・
・・・回折格子、１４ｔ＋１４１・・・・・・・・・ミ
ラー、１６、，１６，，１７，，１７，・・・・・・・
・・光ビーム。 ４５５

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）いずれの場合も一定の波長に同調された共振器中
   に配置された増幅媒体によって形成さ一れると共に夫々
   、固有の方向に従い前記波長 で光ビームを放射し得る２個のレーザと、相互に一方の
   レーザから放射されて他方のレーザの増幅媒体中を通る
   光ビームを導くことによク２個のレーザの相互結合を可
   能Ｋする手段とを含む双安定光学デバイスであって、レ
   ーザは半導体レーザであシ、２個のレーザの共振器は２
   個の異なる波長Ｋ同調され、放射されうる２個のビーム
   の方向は一致していることを特徴とする双安定光学デバ
   イス。
2. （２）各共振器は固有のスペーシングを有する回 折格子を含み、２個の共振器の２個の格子のスペーシン
   グは相異訛ることを特徴とする特許請求の範囲第１項に
   記載のデバイス。
3. （３）各共振器は増幅媒体中に分布回折格子を含み、各
   格子は固有のスベーシングを有し、２個の格子のスペー
   シングは相異なるζとを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載のデバイス。
4. （４）各レーザは固有の長さを有するリングを含み、２
   個のリングの長さは相異なることを特徴とする特許請求
   の範囲第１１項に記載のデバイス。