JPS60500838A - 複数空洞光デバイスおよびその応用 - 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】 複数空洞光デバイスおよびその応用 ５バイアスされたとき単一の縦モードで、かつ空洞の少くとも１つを通る電流を 調整することによシ変化させ得る波長を有する出力を４例えば発生させる光結合 された空洞を有するデバイスに関する。本発明は捷た前記デバイスの光出力を安 定化する手段に関し、更に新らしい通信システムにおける前記デバイスの使用法 についても述べる。

発明の背景 光通信システムは典型例では光ファイバと呼ばれるガラス伝送線路によって互い に光学的に結合されている光源および光検出器を使用している。このようなシス テムで一般に使用される光源は活性層（即ち電子と正孔の再結合がその中で生じ 、光放出の方向と垂直な方向に比較的狭い寸法を有し、通常ストライプ形状を成 している領域）を有する半導体レーザ・ダイオードより成っている。

データ速度の速い通信システムでは単一モードで動作する光源に相応する狭いス ペクトル出力が望ましい。何故ならば狭いスペクトル出力はグラス・ファイバの 物質分散と関連したパルスの広がシに起因する種々の問題を最小化するからであ る。実際には複数モード光源からの単一モード出力は単一の所望のモード（“主 モード″）以外のすべてのモード（“２次モード”）をなんとかして抑圧するこ とにより得られる。

半導体レーザ・ダイオードで単一波長動作を実現するだめの１つの周知の方法は 結合空洞構造を使用することである。この型のデバイスは例えばコールトレン（ Ｃｏｌｄｒｅｎ　）等の応用物理レターズ（Ａｐｐｌｉｅｄ　Ｐｈｙｓｉｓ　Ｌ ｅｔｔｅｒｓ）、頁３１５〜３１７．１９８１年３月およびエレクトロニクス　 レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｌｅｔｔｅｒｓ　）、第１８巻、頁９０１ 〜９０２．１９８２年１０月１４日に述べられている。コールトレン（Ｃ０１ｄ ｒｅｎ　）　のデバイスでは、レーザ・ダイオードの結晶中に溝がエツチングさ れ、２つの別個の間の隔てられた光空洞が提供されており、２つの空洞はエツチ ングされた溝の壁を通して光学的に結合されている。このデバイスは基本的には 単一モード動作をするが、（所望の）主モードと抑圧された（望んでいない）２ 次モードの強度比は比較的小である。これが従来技術の結合空洞デバイスの１つ の問題点である。

他の問題点はこのデバイスの主モードの波長が経年および動作パラメータ、特に 温度の変動に対して安定でな本発明に従い２つのセクションの襞間ミラー表面を 通して光学的に結合された２つの間の隔てられた半導体レーザ・セクションより 成る複数空洞光デバイスが提供されている。デバイスの出力特性を選択するため に２つのセクションの屈折率を相対的に調整する手段が設けられている。

このデバイスを使用する際、デバイスからの出力を安定化するために光出力の特 性、例えば光出力の非線形性を使用するフィードバック装置が使用できる。

また本発明に従うデバイスを新らしい周波数シフト・キーイング（Ｆ、　Ｓ　Ｋ 　）光通信システムで使用することに関しても述べている。

図面の簡単な説明 第１図は本発明に従うデバイスの透視図、第２図は本発明に従うデバイスの活性 層を通る断面図、第３〜６図は本発明に従うデバイスの製造過程を示す図、 第７〜９図は本発明に従うデバイスの個々のダイオードおよび光学的に結合され た空洞の許容されたファブリ・ペロ（Ｆａｂ　ｒｙ　−Ｐｅ　ｒｏ　ｔ　）モー ドを示す図、第１０図は本発明に従うデバイスのレーザ媒質およびレーザ・スペ クトラムの利得特性を示す図、第１１図は波長を水平方向にプロットし、光出力 輝度を垂直にプロットし、異なる曲線は異なる経過時間（ｎｓ）に対する出力を 示すレーザ出力輝度を波長の関数として示したもの、 第１２図は波長を水平方向にプロットし、出力を垂直方向にプロットし、異なる 曲線は線上に示すようにレーザの第２のセクションを通る異なる電流に対する出 力を示すデバイスに対して得られた周波数同調を示す図、第１３〜１４図は光論 理デバイスに適している実施例を示す図、 第１５図は本発明の更に他の実施例の様式的表現図、第１６図は外部空洞中に配 置された２つのダイオード・セクションを有する本発明の一実施例の様式的表現 図、第１７図は外部空洞中に配置された３つのダイオード・セクションを有する 本発明の更に他の実施例の様式的表現図、 第１８図は襞間・結合空洞レーザの変調電流をｍＡを単位として水平方向に、出 力電力を任意の単位で垂直方向にプロットした図、 第１９図は襞間・結合空洞レーザの変調電流をｍＡを単位として水平方向に、光 出力の微分値を垂直方向にプロットした図、 第２０図は本発明の一つの特徴に従う光送信器の様式第２１図は温度ならびにレ ーザ・ダイオード駆動電流の両方が変動した場合の安定化を行わない場合（点線 ）と安定化を行った場合（実線）の骨間・結合空洞レーザの単一モード動作レン ジを示す図、 第２２図は本発明の一つの特徴に従う周波数シフト・キーイング（ＦＳＸ）光通 信システムの様式的表現図、第２３図は第２２図に示すシステムで有用な再生ユ ニットの表現図である。

本発明の一実施例が第１図に透視図として示されている。該デバイス１は第１の レーザ・ダイオード・セクション３、第２のレーザ・ダイオード・セクション５ およびセクション３ならびに５に対する電気的接、触子７および９を含んでいる 。セクション３および５の活性層は夫々１１および１３として示されている。ダ イオード・セクションは基板１５上に配置されている。ダイオード・セクション ３および５は夫々長さＬ□およびＬ２を有しておシ、互いに距離Ｓだけ離れてい る。図示の実施例中の２つのダイオード・セクションのすべての４つの端の切子 面は骨間面であり、互いに平行しておシ、との骨間面は以下で定義する“ミラー ”を形成する。

第１図の実施例の活性層を通る断面図が第２図に示されている。セクション３は 第１の層３１、第１のクラツディング（ｃｌａｅｅｉｎｇ　）層３２、活性層３ ３、第２のクラツディング層３４および層３５よシ成るレーザ・ヘテロ構造を成 している。更に各セクションの活性層と関連して、即ち活性層と付随層の間にｐ 　−ｎ接合が存在する。

電子と正孔の再結合が生じる領域、即ち活性層は第１のバンドギャップ・エネル ギーと第１の屈折率を有している。活性層はマルチフィラメント・レーザ効果を 生じさせないよう２０μｍ以下の電流が注入される横方向の幅（これは基板１５ と平行で層１１および１３の軸を延長したものと垂直な関係にある）を有してい る。クラツディング層は第１のバンドギャップ・エネルギーよシ大きい第２のバ ンドギャップ・エネルギーと第１の屈折率よシ小さい第２の屈折率９を有してい る。従ってクラツディング層は屈折率によシ誘導されるこれらセクションに対し キャリアおよび光の閉じ込めを提供する。セクション３および５は共に基板１５ 上に配置されている。セクション３および５は夫々電極７および９によって電気 的に接触されている。更にセクション３を通って流れる電流をセクション５の電 流に対して調整することを許容する可変抵抗７３の如き回路素子が存在する。基 板１５はセクション３および５に対する共通電気接触を形成している。すべての 層はエピタキシャル成長され、互いにそして基板に対しほぼ格子整合している。

可変抵抗をセクション５にも接続することは可能である。更にここで述べたレー ザ・ヘテロ構造以外のレーザ・ヘテロ構造を使用することも出来るし、他の屈折 率にょシ誘導される構造を使用することも出来る。更に、セクション３および５ 中の層の構造、物質、ドーピングの型および濃度が異っていても良い。デバイス 中にただ一つのレーザ・ダイオードがあることのみが必要である。第２のセクシ ョン、即ち変調器セクションは動作時にレーザ現象を起す必要はなく、ある実施 例ではレーザ現象を起すことが出来なくても構わない。

各ダイオード・セクションの活性層（１１または１３）はセクション端ミラーの 間にひろがっている光空洞を形成している。またダイオード・セクションの活性 層は整列している。即ちストライプ状の層は互いに共線を成すよう配置されてい る。その結果２つの光空洞はセクション間のギャップを規定する面し合ったミラ ーを通して相互に光学的に結合される。ギャップ間隔Ｓは少さく、典型例では約 １０μｍ以下であるが、キャリアのトンネル距離よυ犬であり、それによってセ クション間の電気的絶縁が提供される。このキャリア・トンネル距離はＩ　ｎＧ ａＡｓＰ中の電子の場合約２００Ａである。本明細書中の“ミラー″なる用語は レーザ技術に精通した者が通常使うのと同じ意味で使用される。即ち放射の反射 、この場合には部分反射を表わす。“ミラー°“は銀色にしたシ、他の方法でコ ーティングする必要はないが、コーティングされていない襞間表面と空気の界面 の例のように屈折率の差にのみ依存して部分反射を生じさせれば良い。

層および基板の組成は重要ではなく、ｍ−ｖ群および■−■群の複合半導体から 成る群の中から選択すれば良い。これらの組成、例えばＩｎＧａＡｓＰは放射波 長が約１．１μｍから約１．７μｍの波長レンジに入ることを許容する。

この波長レンジに入ることを許容する。この波長レンジは現在光通信用として最 も関心が示されているレンジである。該デバイスは更にセクションの実効光学長 を変化させるために少くとも１つのセクションの屈折率を変化させる手段を含ん でいる。その目的は後で述べるように最も強い縦モードと抑圧された縦モードの 比を増大させることである。５０またはそれ以上の比がこれによって得られる。

屈折率を変化させる手段は例えば電流を調整する手段またはバイアスを調整する 手段より成る。

先に指摘した如く、種々の物質より成る異なる形状の複数空洞デバイス（このよ うなデバイスは従来から知られている。）を使用することが出来る。しかし、本 発明の一つの特徴に従い、空洞のミラー表面、特にそこを通して光結合が行なわ れるミラー表面は襞間表面（即ち周知の骨間技法により形成された表面）である 。襞間表面の利点は現在知られているエツチング技法によシ得られる表面よシ秀 れた光学特性を有しておシ、本発明に従ってとの襞間表面を使用するデバイスは 以下で述べるように従来の複数空洞デバイスと比べてずつと大きな１次モードと ２次モードの強度比を与えるよう形成できる点にある。

第３〜６図は本発明に従う単一構造から結合された空洞を含むデバイスを形成す る方法例を示すものである。

第３図は標準半導体レーザ・ウェーハ１０７を示す図で〕　あって、複数個の活 性層、即ちストライプ１１０と例えば電気プレート技術、即ち蒸着によって形成 された複数個の金のパッド１７０を有している。例えば埋込みへテロ構造、埋込 みクレセント・ヘテロ構造、リッジ導波レーザ等と呼ばれる他の従来の周知の活 性層および隣接層よシ成る装置を使用することが出来る。所望の層は分子ビーム または液相エピタキシの如き周知の成長技法によって基板上に形成される。実際 には存在するのであるが、基板も各種層（第２図に示す）も第３〜６図中には示 されていない。絶縁された厚い金のパッドは好ましくは形成される個々のダイオ ードとほぼ同じ大きさであって、完成したデバイスがパッケージ中にどのように 組み込むかに依存してウェーハのいずれかの側に電気的に形成される。ウェーハ に粘着するならば全以外の金属を使用しても良いし、塑性変形させても良い。既 知の襞間手順がａおよびｂで示す位置に適用される。ａで示される位置ではウェ ーハ・セクションは金のパッドと接触していないのでこれらウェーハ・セクショ ンは互いに分離する。

しかし、ｂで示される位置では金のパッドが存在するために隣接しｆｃＱ開セク ションは結合した状態に保持される。ａｂおよびｂａの長さはさ程重要でなく、 要求に応じて選択できる。第４図はその結果得られた構造を示す。

金のパッドによって尚結合した状態に保持されている個々のダイオード対７０は 位置Ｃに沿ってのこぎりで切ることにより互いに分離される。その結果得られる レーザ・ダイオード・セクションの単一対が第５図に示されているが、図から分 るように２つの空洞は精確に自己整列しておシ、極めて密に光学結合（Ｆａｂｒ ｙ−Ｐｅｒｏｔ　）　している。空洞のミラーは襞間表面によって形成されてい る。

結合された空洞の典型的な隔シは約１μｍである。パッドによりリンクされた構 造に対しより大きな隔りが要ツドを物理的に変形（伸長）させることによって容 易に実現される。このプロセスは第６図に示されており、矢印は２つの空洞７１ と９１の相対運動を表わしている。

隔シの精度はそれ程重要ではないが、キャリアのトンネル距離より大で、約１０ μｍよシ小である必要がある。

もちろん最後にミラー面が互いに平行となり、それによって活性ストライプが互 いに整列するように移動する必要がある。放射の角度分布は空洞を光学的に結合 するのに十分な程広いのでミラー面は精確に互いに平行状態にある必要はない。

しかしセクション間の電気的絶縁が望まれるのでミラへ面は互いに接触してはい けない。更に富琵等 ｅｒｏリダイオードは互いにわずかにねじれておシ、活性ストライプはねじれ軸 を形成する。このねじれは横モードのフィルタ効果、即ちある種の横モードは抑 圧さドは金のプレートを有する銅の如き熱シンクに接着される。次いで別個の電 気接続が各ダイオードに形成される。

金のポンディング・パッドの使用は必須ではない。例えばレーザ・ダイオード・ セクションはポンディング・パッドの無い標準のウェーハを骨間し、次いで熱シ ンク上にダイオードを相互に位置させてポンディングすることによって形成し得 る。しかし、金のパッドを使用すると活性ストライプの相互位置関係を比較的正 確に決定できる。

本発明に従うデバイスの動作は第７〜１０図を参照すＰｅｒｏｔ）モードが第７ および８図の実線によって夫々示されている。（この点での議論では点線は無視 出来る。）各々の活性ストライプ中の伝播モードは、たとえストライプが同じ幾 何学的形状、大きさおよび物質組成を有していても異なる実効屈折率Ｎｅｆｆ　 を有し得る。これはＮｅｆｆ　が活性ストライプ中のキャリア密度の関係であり 、キャリア密度は例えば接合電圧が飽和していない場合閾値以下の注入電流の関 数だからである。このようにして、１つのセクションを流れる電流を変化させる と、第１および第２のセクションの屈折率を相対的に調整することが出来る。両 方のセクションを流れる電流は別々に変え−ド間隔は異なシ、はぼ次式で与えら れる。即ち空洞１に対し、 Δλｔ　：　２ｏ２／　２Ｎｅｆｆｌ　Ｌ４　（３）空洞２に対し Δλ２ｚλ。”　／　２Ｎｅｆｆ２　Ｌ２　（４）モードとなるのに対し、他の モードは相殺的に干渉し、抑圧される。結合した空洞に対する許容されたモード が第９図の実線で示されており、スペクトル的な隔りＡにＰｅｒｏｔ）モードの 興隔のいずれよりもずっと犬であり、Ｎｅｆｆ１ＬｔとＮｅ　ｆ　ｆ　２　Ｌ２ の差に依存している。間隔Δは近似式Ａ−λ６２／　２　ｌ　ＮｅｆｆＩ　Ｌｌ 　〜Ｎｅｆｆ２　Ｌ２　ｌ　で与えられる。ここでΔλｌはほぼΔλ２　に等し いものと仮定している。従って利得の最大値の近傍（利得特性は第１０図の上側 の曲線で示されている。）の増強されたモードに対しては正規利得オール・オフ は第１０図に示すように隣接した増強されたモードを抑圧するのに十分である。

（第１０図において実線は結果として得られるレーザ・モード・スペクトラムを 示している。）このように例えばセクションを通る電流を変化させることにより ２つのセクションの屈折率を相対的に変化させることによって１次モード（即ち 最も強いモード）と抑圧されたモードの強度比が少くとも約５０となるような単 一モード動作が生じる。

１方また両方のセクションに対するＮｅｆｆは所望の出力を得るために変化させ 得ることを理解されたい。いずれのセクションもレーザ効果の生じる閾値よシ上 で動作する。あるいは第１のセクションは閾値以上で動作１〜、第２、即ち変調 器セクションは閾値以下で動作しても良い。

大きい強度（振幅）を有する１次モードを得るのに重要なことは第７および８図 に示すように各空洞によって発生される個々のモードが極めて狭いこと、即ち基 本的には単一波長であることである。このようにして相加的に干渉するモードは 鋭利に規定され、組合わされるモーｒｅｎ等の論文）に従うエツチングされた表 面を使用する場合と比べて高い光学的品質を有する骨間表面を使用することの直 接的結果である。（現状の光学品質を有する）エツチングされた表面を用いたの では空洞の個々のモードはそれほど鋭利には規定されず、その結果得られる１次 モードは本発明に従うデバイスから得られる１次モードより幅が広く、強度も低 い。

前述の結合空洞型のＩｎＧａＡｓＰ埋込みクレセント・レーザの時間分解された 過渡モード・スペクトラムか第１１図に示されている。この第１１図では波長が 水平方向に、レーザ出力電力強度が垂直方向にプロットされている。

スペクトラムは種々の経過時間に対し個々の曲線にょっ１９８２年に述べられて いるよりなＩｎＧａＡｓＰ埋込みクレセント・レーザである。第１のダイオード は１　ｎ５ｅｃ　の立上り時間を有する２８ｍＡ、２０ｎｓｅｃのパルスが加え られた。結合されたダイオードの光学出力は第２のダイオードから検出された。

経過時間は電気パルスを第２のダイオードに印加することによシ生じる元パルス の開始時点から測定される。第１のダイオードＶｉまた直流あるいは直流とパル ス電流を重畳したものでバイアスすることが出来る。第２のダイオードはまだ直 流とパルス電流を重畳したものでバイアスしてもよい。第１１図のスペクトラム から光学パルスの開始時点では出力電力は単一の縦モードに集中しており、高速 度の電流パルスでバイアスされたとき同じ縦モードに留まることは明らかである 。

また本発明の装置でどのようにして比較的広いレンジの直接周波数変調が達成さ れるかを理解することが出来よう。第１のレーザ・ダイオードがレーザ現象を起 す閾値より上の注入電流レベルエｌでバイアスされており、該ダイオードは従っ てレーザとして動作するものと仮定する。また第２のレーザ・ダイオードは閾値 以下の電流工２でバイアスされており、従って該ダイオードはエタロン２として 振舞うものと仮定する。これらの動作条件の下では、モード・スペクトラムは第 ７〜１０図の実線で示されている。しかし、Ｉ２が１２′なる値に増加され、Ｉ ｌは一定に保たれると、第２のレーザ・ダイオード・セクションの活性ストライ プ中のキャリア密度の結果として生じる変化に応じて実効屈折率はＮｅｆｆ２か らＮｅｆｆ２’に減少する。その結果レーザ２のモードはδλだけ波長致となシ 、よシ短い波長側の隣接モードは一致し、増強分だけのシフトが生じる。次に隣 接したモードを整列するようシフトさせるのに必要なＮｅｆｆ２の変化は小さい ので、大きな周波数変調を得るのに工２をほんのわずかだけ変化を・させれば良 い。第１０図の点線はＩ２が変更された後の結果として得られるレーザ・モード ・スペクトラムを示す。

第２のレーザ・ダイオードを閾値より上の電流でバイアスし、かつＩ２を変化さ せることにょシ周波数シフトを実行することもまた可能である。これは第２のレ ーザ・ダイオードを閾値において、および閾値より上のレベルにおいて活性スト ライプ中のキャリア密度が一定値に留まらないように設計することにより可能と なる。即ち閾値において、およびそれより上のレベルにおいて、活性ストライプ 中に注入された付加的キャリアは、すべては励起放出を生じさせず、その一部は キャリア密度を増加させることに寄与を続け、従ってＮｅｆｆ２の変化を生じさ せることを続ける。このようなレーザ・ダイオードは例えば活性ストライプに不 均一な物質特性を持たせることによシ形成することが出来る。

周波数シフトの大きさは第１のレーザの少くとも１極めて大となる。これは約１ ３μｍで動作している約１３５μｍのＩｎＧａＡｓＰ空洞に対して約１５Ａであ る。約１．５μｍで動作している約１３５１１ｍのＩｎＧａＡｓＰ空洞に対して はこれは約２０Ａである。Ｉ２を更に増加させる極めて大きな周波数同調速度（ 例えば１０人／ｍＡ）と極めて広い周波数同調レンジが得られる。このレンジは 典型例では約１５０人より犬である利得特性のスペクトラム幅の少くとも半分で ある。活性ストライプ中のキャリア密度が接合電圧が一定値に留まらないために レーザ閾値を超えて増加し続けると、レーザ閾値を超して周波数同調が得られる 。周波数同調に加えて、高速度の直接周波数変調の下でもレーザはまた極めて高 い安定度の単−縦モードで動作することに注意されたい。

第１２図は第２、即ち変調器レーザ・ダイオード・セＬｅｔｔｅｒｓ）、第１８ 巻、頁９５−９６．１９８２年で述べられているようなＩｎＧａＡｓＰ埋込みク レセント・レーザである。第２のダイオードを流れる電流の大きさを変えたとき の波長が垂直方向にプロットされている。第１のレーザ・ダイオードは５００　 ｎ５ｅｃの・福の４−８　ｍ　Ａの電流パルスでバイアスされている。この値は 第２のダイオードに電流が加えられていないときのダイオードの閾値の約１．３ 倍である。第２のダイオードだけの電流閾値は約４６ｍＡである。第２のレーザ ・ダイオードは閾値以下、例えば３０ｍＡの振幅と７００　ｎ５ｅｃの幅を有す る電流パルスでバイアスされている。異な゛る電流パルス振幅は第１２図に示す ように異なった波長のレーザ出力放射を発生する。電流パルスに加えて直流をダ イオードのいずれか一方または両方に加え得ることを理解されたい。第１２図の 出力曲線から約１５０Ａの波長シフトに相応する周波数シフトが、第２のレーザ ・ダイオード・セクションを流れる電流が６．０　ｍ　Ａから２５、ＯｍＡに変 化するときに、得られることは明らかである。

本発明に従うデバイスはまた論理操作を光学的に実行するのにも使用することが 出来る。この実施例中の論理デバイスは好ましくは電気入力信号に対して作用し て光出力信号を発生させる。これは光入力に対して作用して光出力を発生する光 学的に双安定なデバイスと対照的である。

第１３および１４図は光論理回路に適した実施例の概念図である。第１３図には 第１のレーザ空洞７０、第２のレーザ空洞９０、回折格子６０および検出器ＤＩ 　、Ｄ２が示されている。回折格子６０は周知の如く複数の波長を有する放射を 個々の波長成分に分離する。回折格子６０は波長λ１またはλ２の放射が検出器 Ｄ２によって検出されるように矢印で示す如く回転出来る。検出器Ｄ１は波長λ １およびλ２の放射に感応する。第１４図に示す実施例は光検出器Ｄ３を更に含 むこと、回折格子６０は回転はしないが波長λ■およびλ２の放射を検出器Ｄ２ およびＤ３に夫々向ける点を除いて第１３図の実施例と類似している。検出器Ｄ ２およびＤ３は夫々波長λｌおよびλ２の放射に感応する。２つ以上の異なる波 長を発生することもまた可能であり、検出装置はこれら付加的な波長を検出する よう修正できる。いずれの実施例にあっても空洞７０および９０には電流工　お よび工　が夫Ａ　Ｂ 々流れている。どれら空洞は第１および２図のレーザ・ダイオード・セクション ３および５に相応する。

光論理回路の動作について考える。空洞７０および９０には一定の直流バイアス が加えられているものと仮定する。空洞１０または９０がレーザ視象が生じる閾 値を越えた状態に励起するパルスを受信すると、光出力は検出器Ｄ１で検出され 、それによってＯＲ機能が形成される。空洞７０および９０が夫々のレーザ閾値 以上に同時に励起されると、波長λ！の放射が検出器Ｄ２で検出され、それによ ってＡＮＤｉ能が形成される。いずれの空洞も閾値を越していないと、Ｄ２では 放射は検出されない。第１４図に示すように更に他の光検出器を付加すると波長 λ２なる放射が検出され、それによって排他的ＯＲ機能を実行することが出来る 。当業者にあっては容易に理解できるように、すべての論理機能を実行すること の出来る実施例も本発明に従うデバイスによシ容易（（形成できる。これらのデ バイスは異なる波長の光ビームが第１２図に示すように異なる電流を加えること により発生し得るという事実を利用している。

本発明の他の実施例が第１５図に示されている。このデバイスは活性ストライプ ３１１．３１２および３１３を夫々有するレーザ・ダイオード・セクション３０ １．３０２および３０３を含んでいる。とれらセクションは電極３２０．３２１ 、および３２２によって夫々電気的に接触されている。更にこれら３つのセクシ ョンすべてに対し共通の電気的接触子３２３が存在する。セクション３０２およ び３０３け先に述べたように機能する。即ち結合された空洞は単一の縦型モード 出力を発生し、セクション３０１は光検出器として機能する。この構造は先に述 べた如くに形成出来、その結果光検出器はレーザ・ダイオードの活性ストライプ と精確に整列している。

それによってレーザ・ダイオード結合空洞間の光学的結合度の効率は極めて上昇 し、レーザ出力電力のモニタリングおよび制御を精確に行うことが出来る。結合 空洞の前（最も左手）面からの光は光ファイバに結合されて伝送され、結合空洞 の背面からの光はすべて光検出器に入射する。光検出器からその結果生じる信号 は結合空洞中への注入電流を制御するフィードバックとして使用され、それによ ってファイバの前面に加えられる平均電力は時間の関数としてほぼ一定値に保持 される。即ちすべての光パルスは同じ強度を有する。光ダイオードとして動作し ているダイオード・セクションはバイアスされていなくとも、または逆バイアス されていても良い。

この構成により幾つかの利点が得られる。まず第１にレーザの背面からの光ビー ムは高い効率を有して光ダイオード中に加えられる。何故ならば活性ストライプ は精確に整列しており間隔は小だからである。第２にすべてのダイオード・セク ション中で屈折率による誘導を使用し、間隔が小であることによりビーム放浪に よる誤った光ダイオード信号のフィードバックが減少する。第３に光検出器の活 性ストライプ中に結合された光は屈折率誘導され、はぼ完全な吸収を行うよう吸 収導波体を長くすることが出来るので、その結果として得られる光子からキャリ アへの変換効率は極めて高くする。従って約２μｍ以下の厚さの吸収層を有する 通常の広い面積を有する光ダイオードと対比される導波光検出器と考えることも 出来る。

他の実施例にあっては、結合空洞デバイス（２セクシヨン・デバイスまたは３セ クシヨン・デバイス）は外部の光空洞中に配置され、この外部の光空洞に関して 光学的に整列するようになっている。それによって典型例ではｌ　ｎ５ｅｃ以下 の極めて短い光パルスが発生され、オン・オフされ、それによって少くとも１つ の電流をレーザ・ダイオード・セクションの１つに調整することにょシ情報が伝 達される。

これが第１６図に示されている。ミラー１３０にょって形成された外部空洞中に あるダイオード・セクション３および５が示されている。電流１．および工２は 夫々ダイオード・セクション３および５を通過する。セクション３はレーザとし て作用し、セクション５は電気的に制御された光吸収体として作用する。セクシ ョン３は図示の如く外部空洞中の光パルス９００の往復伝播時間ｔＲと同期して 同期ｔＲのパルスが電気的に加えられる。

セクション５は閾値以下にバイアスされており、それによって光吸収レベルは電 気的ボンピンクのレベルに従って変化させ得る。セクション５に急激に大電流レ ベルのパルスが加えられると、光の吸収は突然減少し、従って透明となる。これ によシ短いパルスが空洞から出ることが可能となシ、モード・ロックされたパル スによって情報が伝送できることになる。

第１７図に示す実施例は第３のダイオード・セクション７が付加されている点を 除き第１６図の実施例と同一である。第３のダイオード・セクションは短いモー ド・ロックされたパルス上の符号化情報に対するゲート、即ち空洞を開閉するゲ ートとして作用する。セクション３はレーザ・ダイオードとして作用し、セクシ ョン５は電気的に制御可能な可飽和光吸収体として作用する。

これらの実施例に変更に加えることも可能である。例えば外部ミラーは単一周波 数動作に対し非分散性ミラーでなく分散性リフレクタとすることも出来るし、ダ イオードの役割を交換することも出来る。

前述の結合空洞構造の並列アレイは容易に製造することが出来る。このようなア レイは例えば光記録システムで有用である。更に種々のミラーを誘電体または金 属の薄膜で覆ってミラーの反射率、即ちスペクトルの選択性を変化させることも 出来る。

一般にレーザで問題となることは時間の経過または動作パラメータの変更によっ て出力特性が変化することである。このような出力特性を安定化するーっの装置 についてこれから述べる。

前述の如く、本発明に従うレーザは、ダイオード・セクションの１つが光源とし て作用し、他のセクションは単にレーザ・セクションの特性を制御する作用をす る（即ち変調器セクションと呼ばれる他の”セクションはレーザ作用を行なわな い。）ようなモードで動作し得る。これから述べる安定化法は主としてとのよう な動作モード（即ちレーザ閾値以下で動作する変調器セクションを有するような 装置）に対するものである。しかし、この安定化法はまたレーザ閾値より上で動 作する変調器セクションでも使用することが出来る。何故ならばフェルミ・レベ ルの不完全なピソニングにより閾値より上でもある程度の周波数同調が存在する からである。この安定化法はレーザの出力電力と変調器電流の間に非線形性（例 えば極太）があることを見出したことを利用している。

第１８図は横軸にｍＡを単位として変調器セクションを流れる電流を、縦軸にＩ ｎＧａＡｓＰ埋込みクレセント骨間結合空洞レーザからの光出力をプロットした ものである。

光出力は（レーザ・セクションと結合されている）変調クションを流れる異なる 電流に夫々対応している。レーザ・セクションを流れる電流が３０ｍＡに相当す る最も下の曲線はレーザ閾値以下の電流を表わしている。図から明らかな如く、 関係は非線形であり、変調器電流が変化されたとき弁開結合空洞レーザの波長（ 即ち周波数）同調によシ生じる光出力対電流曲線に極大が存在する。

この各々の極大値は各々の選択された縦モードに対する光変調電流に対応してい ることが見出された。最適変調器電流は最強縦モードと２番目に強い縦モードの 比を最大にする電流と定義される。またレーザ・セクションを流れる電流が変化 すると、変調器電流の太きさはレーザ動作を所望の縦モードに保持するために変 化することに注意されたい。

光出力電力対電流曲線の極大が実際に最適な変調器電流に対応することは出力電 力の１次微係数の関数として変調器電流に関して縦モード弁別比を測定すること により見出された。縦モード弁別比はここでは最強モードと２番目に強いモード の強度比と定義される。最大のモード比は０なる微係数と一致することが見出さ れた。

最適変調器電流においては、出力電力対変調器電流の曲線は極大を有している。

従って極大を検出するフィードバック装置を構成して出力を安定化することが出 来る。

図示の上側の２つの曲線に対しては変調器電流に関する光出力電力の１次微係数 は最適な変調器電流に対しては０であシ、０点の両側では反対の符号を有してい る。第１９図は第１、即ちレーザ・ダイオード・セクションを流れる電流が４０ ｍＡの場合に対し、変調器電流の関数として変調器電流に関する出力電力の１次 微係数の測定値を示す。従って、信号としての変調器電流に関する光出力の１次 微分を使用するフィードバック装置を構成して、１次微係数を０に、出力電力を 極大に保持することにより周波数に関して出力を安定化することが出来る。

即ちフィードバック装置によって使用される光出力の特性は変調器電流に関する 光出力の１次微係数である。

弁開結合空洞レーザと単一周波数動作を保持する安定化装置を含む光送信デバイ スが第２０図に示されている。

該デバイスは「レーザ」および「変調器」と名付けられたレーザ・セクションお よび変調器セクションを有する弁開結合空洞レーザを含んでいる。該デバイスは 更にレーザおよび変調器セクションに対する直流源ＤＣＩおよびＤＣ２を含んで いる。光は点線の矢印で示すようにレーザおよび変調器セクションの両方から放 出される。光検出器りは変調器セクションの光出力を検出し、ロック・イン増幅 器ＬＩＡに加えられる信号を発生する。発振器ｏｓｃはＬＩＡおよび変調器セク ションの両方に電流を供給する。ＬＩＡからの出力信号は増幅器ＡＭＰによって 増幅され、変調器セクションに加えられる。これら回路素子の動作および構成法 は周知である。

このデバイスの動作は次の通りである。発振器からの周波数２２　ｋＨｚの約５ ０μＡの小さな交流信号がレーザの変調器セクションに加えられる。変調器セク ションからの出力電力は光検出器りによって検出され、光検出器からの信号はロ ック・イン増幅器ＬＩＡに加えられる。

変調器セクションを流れる電流に関する光出力の１次微係数はロック・イン増幅 器で出力電力の２２　ｋＨｚの成分を検出することにより得られる。少くとも１ つの特性を測定する手段は光検出器およびロック・イン増幅器を含んでいる。増 幅器によってこの信号を増幅した後、出力は変調器セクションに加えられ、フィ ードバック・ループが閉じられる。フィードバック手段はロック・イン増幅器、 増幅器および発振器を含んでいる。ループの時定数は約１　ｍ５ｅｃである。

フィードバック手段は温度ならびにレーザ・セクションを流れる電流に関して単 一モード動作の範囲を測定することにより評価された。その結果を第２１図に示 す。

図において動作領域は（フィードバック付のものは）実線および（フィードバッ ク無しのものは）点線で示されている。測定は変調器電流が５　ｍ　Ａ、８　ｍ 　Ａおよび１１ｍＡである３つの異なるモードで行なわれだ。図から分るように 、レーザが温度ならびにレーザ電流に関して単一の縦モードで動作する範囲にお いて約１００％の改善が得られる。レーザを損傷しないように１００ｍＡ以上の 電流ではレーザは動作させなかったのでレーザ電流に関する改善は更に犬である と考えられる。

光出力対変調器電流曲線の他の特性は出力を所望のスペクトル値に保持するのに 使用できる。例えば、変調器電流が増加されると、光出力電力は極大値から極め て急峻に、即ちステップ関数的に減少するので、１次微係数は存在しないことも ある。更に、ある動作ならびあるレーザに対しては、１次微係数として０でない 値がほしい場合がある。この場合には、フィードバック手段は異なる特性を使用 することが出来る。０でない１次微係数の値はまだある目的にも使用できる。即 ちデバイスが出力電力対変調器電流曲線の隆起部の傾斜部分で動作することが考 えられる。またレーザ・セクションからの光出力の一部分が変調器セクションか らの出力の代りに使用し得ることも容易に理解されよう。まだ前述のシステムは レーザ・セクションを流れる電流が変化しても所望のスペクトル出力を保持する ことが理解されよう。

本発明の１つの応用として連続的周波数変調は変調器セクションを流れる制御さ れた電流に小さな変調電流を重畳することにより行なわれる。変調器セクション は閾値以下で動作しているので、効率の良いキャリア密度変調が小さな変調電流 で得られ、電流の小さな変化に対して大きな周波数偏位が発生される。更に変調 電流が例え、ば光出力対変調器電流曲線に極大を発生させる変調電流に重畳され たとき、はんのわずかの望ましくない輝度変調が生じる。

本発明に従うデバイスが特に適している１つの用途は周波数シフト・キーイング （ＦＳＫ）光通信システムである。以下これに関して第２２および２３図を参照 して述べる。

光源１００を形成する璧開結合レーザ、光ファイバ３００、および波長分散性光 検出器モジュール５００が第２２図に示されている。光源１００は少くとも２つ の周波数に同調可能である。波長分散性光検出器モジュールは少くとも１つの光 検出器および波長分散性素子を含んでいる。該モジュールはこのようにして個々 の波長を別々に検出することが出来る。波長分散性素子はモジュール内において 別個の波長を異なる個々の光検出器に向け、光パルスを吸収し、相応する出力電 圧まだは電流パルスが異なる波長を検出する役目を持った異なる個々の検出器で 発生される例えば回折格子、干渉計等であって良い。

骨間結合空洞レーザは周波数シフト・キーインク通信システムにおいて以下のよ うに動作する。襞間結合空洞レーザのダイオード・セクションの１つはレーザと して動作し、第２のダイオード・セクションはレーザ閾値以下で周波数変調器と して動作する。先に指摘し、第１２図に示すように、変調器ダイオードに加えら れる電流の変化によシブバイスの主モード出力の偏位が生じる。このようにして 変調器セクションを流れる電流を変化させる手段は少くとも２つの出力周波数の グループから所望の出力周波数を選択する手段を含んでいる。この周波数偏位け １ｎｓｅｃ以下で得られる。（これは１ギガビット／秒以上のビット速度が得ら れることを意味する。）２チヤネル、４レベル周波数シフト・キーイング、シス テムの動作は特定の例を参照することにょシよシ良く理解されよう。２つのチャ ネルＡおよびＢがらの電気パルスは単独あるいは多重化された（Ａ十Ｂ）として 変調器ダイオードに加えられる。チャネルＡおよびＢに対する電流パルスは振幅 が異っている。レーザ・ダイオードには直流が加えられる。出力レーザ波長は襞 間結合空洞レーザの変調器セクションに加えられる電流の関数であるので、チャ ネルＡおよびＢを多重化した結果得られる３つの異った電流レベルは３つの異っ た波長において出力を発生する。第４の波長はチャネルＡもＢもパルスを有して いないときに得られる。次表は本発明に従う４レベル２チヤネル光周波数シフト ・キーイング・システムの符号化法および復号化法を示す。

表 復号化 第２３図は本発明の光周波数シフト・キーイング通信システムで有用な中継器ユ ニットを示している。この中継器ユニットは先行するレーザからの光パルスを受 信する波長分散性素子９０、信号再生手段１２０および襞間結合空洞レーザを含 んでいる。波長分散性素子１９０、例えば回折格子は別個の波長λ１、λ２、λ ３およびλ４を夫々側々の光検出器Ｄ１１Ｄ２、Ｄ３およびＤ４に向ける。手段 １２０は個々の光検出器Ｄｉ　Ｎ　Ｄ２　、ＤａおよびＤ４から電気信号を受信 し、周知の仕方で電気的電流パルスを再生する。次にこれらパルスは襞間結合空 洞レーザに加えられ、所望の波長の出力が発生される。

８レベル、３チヤネル周波数シフト・キーイング、システムもまた同様な仕方で 構成される。レーザおよび光検出器は空気または自由空間を通して光学的に結合 されていて良い。

ＦＩＧ、／ ＦＩＧ、　１２　ＦＩＧ、　ｌ／ ＦＩｏ、　１３　ＦＩＧ、　／４ 會Ｒ□ ＦＩＧ、旧 ＦＩＧ、ｌ９ ＦＩＧ、　２０ ＦＩＧ、２１ ＦＩＧ、　２２ 光 ＦＩＧ、　２３ 国際調査報告特表昭６０−５００８３８　（１２）第１頁の続き

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １．第１（３）および第２（５）の間の隔った、相互に光学的に結合された空洞 セクションを含む単一モード光出力を発生する半導体レーザにおいて、前記セク ションは骨間ミラー表面を通して光学的に結合されており、手段（Ｉｆ、１２　 ）が前記セクションの屈折率を相対的に調整するだめに設けられていることを特 徴とする半導体レーザ。 ２、請求の範囲第１項記載のレーザにおいて光出力の波長を変化させる手段を含 むことを特徴とするレーザ。 ３、請求の範囲第１項記載のレーザにおいて、前記第１のセクションはダイオー ドよシ成シ、前記調整手段は前記第１のセクションを流れる電流を調整する手段 より成ることを特徴とするレーザ。 ４、　請求の範囲第１項記載のレーザにおいて、更に前記セクションの残シのも のの１つに光学的に結合された第３の空洞セクションを含む（第５図）ことを特 徴とするレーザ。 ５、請求の範囲第４項記載のレーザにおいて、前記第３のセクションは光検出器 としてバイアスされていることを特徴とするレーザ。 ６、請求の範囲第５項記載のレーザにおいて、更に前記第１および第２のセクシ ョンからの出力を制御するために前記第３のセクションおよび前記第１および第 ２のセクションの間に接続された手段（第２０図）を含むことを特徴とするレー ザ。 ７、　請求の範囲第３項記載のレーザにおいて、前記第２のセクションはダイオ ードよシ成り、パルス電流で前記第１のセクションをバイアスする第１の手段と パルス電流で前記第２のセクションをバイアスする第２の手段を含むことを特徴 とするレーザ。 ８、請求の範囲第７項記載のレーザにおいて、更に少くとも１つのセクションか らの光出力を検出する光検出器手段を含むことを特徴とするレーザ。 ９　請求の範囲第８項記載のレーザにおいて、前記検出器は波長に感応すること を特徴とするレーザ。 １０　請求の範囲第１項記載のレーザにおいて前記第１および第２のセクション は各々活性層を含み、前記セクションは前記活性層によって形成された軸のまわ シに互いに曲げられていることを特徴とするレーザ。 １１　請求の範囲第１項記載のレーザにおいて、更に外部光空洞を含み、前記第 １および第２のセクションは前記外部光空洞に関して光学的に整列していること を特徴とするレーザ。 １２、請求の範囲第１項記載のレーザにおいて、前記ミラー表面の少くとも１つ は薄膜でおおわれていることを特徴とするレーザ。 １３、請求の範囲第３項記載のレーザにおいて、前記調整を行う手段はバイアス を調整する手段を含むことを特徴とするレーザ。 １４、請求の範囲第３項記載のレーザにおいて、前記セクションの１つを流れる 電流に関して前記セクションの１つからの出力の少くとも１つの特性を測定する 手段と；前記出力を所望のスペクトル値に保持するために前記少くとも１つの特 性を使用するフィードバック手段とを含むことを特徴とするレーザ。 １５、請求の範囲第１４項記載のレーザにおいて、前記少くとも１つの特性は前 記セクションを流れる電流に関する光出力強度の１次微係数よシ成ることを特徴 とするレーザ。 １６、請求の範囲第１５項記載のレーザにおいて、前記フィードバック手段は前 記１次微係数を約０の値に保持することを特徴とするレーザ。 １７　請求の範囲第１６項記載のレーザにおいて、前記フィードバック手段は前 記約Ｏの値を光出力電力対１つのセクションの電流特性の曲線の極大に保持する ことを特徴とするレーザ。 １８、請求の範囲第１７項記載のレーザにおいて更に前記１つのセクションを通 る変調電流を重畳する手段を含むことを特徴とするレーザ。 １９、請求の範囲第１４項記載のレーザにおいて、前記少くとも１つの特性は光 出力強度より成ることを特徴とするレーザ。 ２０、請求の範囲第１９項記載のレーザにおいて、前記フィードバック手段は前 記特性を光出力電力対１つのせクションの電流特性曲線の極大に保持することを 特徴とするレーザ。