(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部に電界吸収変調領域が設けられた光導波路により光共振器が形成される集積型モード同期半導体レーザにおいて、
前記光導波路がリング状とされるとともに、該リング状の光導波路内を進行する光パルスの周回方向を制限する光パルス周回方向制限手段を有し、
前記リング状の光導波路に前記電界吸収変調領域が等間隔に複数配置され、前記光パルス周回方向制限手段が、前記複数の電界吸収変調領域と、これら電界吸収変調領域に電気信号を印加する供給手段とから構成され、
前記供給手段は、前記各電界吸収変調領域に印加する電気信号の位相が、前記リング状の光導波路を周回する光パルスのうち一方向に周回する光パルスの位相にのみ同期するように構成されていることを特徴とする集積型モード同期半導体レーザ。
【請求項２】
請求項１に記載の集積型モード同期半導体レーザにおいて、  前記リング状の光導波路は、導波路が直角に折れ曲った四角形状の光導波路であって、各角部に導波路に対して４５°の角度を有するミラーが設けられていることを特徴とする集積型モード同期半導体レーザ。
【請求項３】
請求項１に記載の集積型モード同期半導体レーザにおいて、  前記リング状の光導波路が、２つのＹ分岐光導波路により構成されたことを特徴とする集積型モード同期半導体レーザ。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の集積型モード同期半導体レーザにおいて、
前記リング状の光導波路に、該光導波路内を周回する光パルスを増幅するための利得領域と、レーザ発振縦モード間の位相同期をとるための過飽和吸収領域と、レーザ発振波長を選択するための回折格子領域とが形成されていることを特徴とする集積型モード同期半導体レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体レーザに関し、特にソリトン光伝送方式等の超高速光通信方式に用いられる、超短光パルスを発生する集積型モード同期半導体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超高速光通信方式等に用いられる、超短光パルスを発生させるモード同期半導体レーザの一つとして集積型モード同期半導体レーザが提案されている。図５は従来の集積型モード同期半導体レーザの構造を示す断面図である。
【０００３】
この集積型モード同期半導体レーザは、ＤＢＲ構造を有する導波路型半導体レーザであって、半導体基板５１上に活性層５２を挟んで光導波路５３が設けられて光共振器の帰還部が形成され、該帰還部の両端には反射鏡としての回折格子５４が設けられている。この光共振器は、帰還部の一部に電界吸収変調領域（以下ＥＡ変調領域と称す）５５が設けられ、レーザ光射出面近傍に過飽和吸収領域５６が設けられている。過飽和吸収領域５６は、印加される逆バイアス電圧の高さに応じて当該領域の光吸収が増加するようになっており、自己吸収変調効果によりレーザ発振縦モード間の位相に同期がかかる。ＥＡ変調領域５５は、このモード同期による短パルス発生タイミングを外部から供給される信号クロックに同期させるためのものであって、供給される信号電圧の高さに応じて当該領域の光吸収が増加するようになっている。
【０００４】
上記の集積型モード同期半導体レーザでは、ＥＡ変調領域５５に供給される電気信号（通常は、光パルスが光共振器５３内を一往復する時間の逆数に相当する周波数を有する正弦波電圧が供給される。）が最も弱い（光吸収が最小となる）時に光パルスがこのＥＡ変調領域５５を通過するようにすることで、発生する光パルスの繰り返し周波数及び位相が外部から供給される電気信号の周波数及び位相に同期する。このハイブリッドモード同期動作により、ジッタが少なく、かつ、繰り返し周波数の正確な光パルス５７を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図５に示した従来の集積型モード同期半導体レーザの場合、光波は光共振器内を一往復する間にＥＡ変調領域５５を２度通過するため、ＥＡ変調領域５５では、往路と復路の両経路において光波が同時に変調されて光パルスが形成されることとなる。これら両経路において形成される光パルスの位相にずれがあると、ハイブリッドモード同期がかかりにくくなる。ＥＡ変調領域を光共振器の帰還部の端部に配置することで、往路および復路で形成される光パルスの位相差を最小とすることが可能であるが、ＤＢＲ構造の集積型モード同期半導体レーザの場合、その動作原理上、光共振器の反射鏡を構成するＤＢＲ領域（回折格子５４の領域）は共振器の両端部に配置する必要があるため、ＥＡ変調領域を光共振器の端部に配置することは困難である。このように、従来の集積型モード同期半導体レーザは、ハイブリッドモード同期がかかりにくい構造のため、出力レーザ光のジッタが大きくなるという問題があった。
【０００６】
本発明の目的は、上述の問題を解決し、ジッタが少なく、かつ、繰り返し周波数が正確な集積型モード同期半導体レーザを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、一部に電界吸収変調領域が設けられた光導波路により光共振器が形成される集積型モード同期半導体レーザにおいて、
前記光導波路がリング状とされるとともに、該リング状の光導波路内を進行する光パルスの周回方向を制限する光パルス周回方向制限手段を有し、
前記リング状の光導波路に前記電界吸収変調領域が等間隔に複数配置され、前記光パルス周回方向制限手段が、前記複数の電界吸収変調領域と、これら電界吸収変調領域に電気信号を印加する供給手段とから構成され、
前記供給手段は、前記各電界吸収変調領域に印加する電気信号の位相が、前記リング状の光導波路を周回する光パルスのうち一方向に周回する光パルスの位相にのみ同期するように構成されていることを特徴とする。
【００１０】
上述の集積型モード同期半導体レーザにおいて、
前記リング状の光導波路は、導波路が直角に折れ曲った四角形状の光導波路であって、各角部に導波路に対して４５°の角度を有するミラーが設けられてもよい。
【００１１】
また、前記リング状の光導波路が、２つのＹ分岐光導波路により構成されたものであってもよい。
【００１２】
上述のいずれかの集積型モード同期半導体レーザにおいて、
前記リング状の光導波路に、該光導波路内を周回する光パルスを増幅するための利得領域と、レーザ発振縦モード間の位相同期をとるための過飽和吸収領域と、レーザ発振波長を選択するための回折格子領域とが形成されていてもよい。
【００１３】
（作用）
従来のＤＢＲ構造の導波路型光共振器を用いる集積型モード同期半導体レーザにおいては、電界吸収変調領域における変調は共振器内を往復する光波に対して行われるため、往路における光パルス発生タイミングと復路における光パルス発生タイミングが異なる。このため、ハイブリッドモード同期がかかりにくい構造となっていた。これに対して、上記のとおりの本発明においては、リング状の光導波路により光共振器が構成されており、電界吸収変調領域における変調はその光共振器内を周回する光波に対して行われるようになっているので、その変調によって形成される光パルスの発生タイミングは同じものとなる。したがって、本発明では、従来のように光共振器内に位相の異なる光パルスが形成されることはない。
【００１４】
また、本発明においては、リング状の光導波路内を周回する光パルスの周回方向が、光パルス周回方向制限手段によって時計回りの方向または反時計回りの方向のいずれかの方向に制限されるので、電界吸収変調領域では、一方向に周回する光波に対してのみ変調が施されることとなる。したがって、本発明では、いずれか一方の周回方向に対する共振モードだけで発振することとなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１６】
（参考例）
図１は本発明の参考例である集積型モード同期半導体レーザの構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＸ′断面図である。
【００１７】
この集積型モード同期半導体レーザは、ＩｎＰ等の半導体基板１上にリング状の光共振器２が形成された構造である。光共振器２は、半導体基板１上に光を導波し増幅する機能を有する半導体導波路層（活性層を上下から光導波路で挟んだ構造）を例えばＭＯＶＰＥ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｖａｐｏｒ  Ｐｈａｓｅ  Ｅｐｉｔａｘｙ：有機金属気相成長）法を用いて形成した後、該半導体導波路層をドライエッチングによりリング状のリッジ導波路に加工したものである。このリング状の光導波路により光波に対する閉ループを形成することにより帰還を得るようになっている。
【００１８】
光共振器２を構成するリング状の光導波路には、ＥＡ変調領域３、利得領域４、ＳＡ領域５、光アイソレータ６、回折格子８が時計回りの方向に順に配設され、さらに、光アイソレータ６と回折格子領域８との間に、当該光導波路を周回する光パルスを取り出すためのＹ分岐光導波路７が設けられている。
【００１９】
ＳＡ領域５は、印加される逆バイアス電圧の高さに応じて当該領域の光吸収が増加するようになっており、自己吸収変調効果によりレーザの発振縦モード間の位相に同期がかかる。ＥＡ変調領域３は、このモード同期による短パルス発生タイミングを外部から供給される信号クロックに同期させるためのものであって、正弦波電圧９が印加されるように構成されており、該印加電圧に応じて当該領域の光吸収が増加する。正弦波電圧９を供給するための配線は、マイクロストリップラインにより半導体基板１上に形成することができる。
【００２０】
利得領域４は、光導波路内を進行する光を増幅するための領域である。回折格子８は、発振する光パルスの波長を選択するためのもので、その中央部には１／４波長位相シフト領域が設けられており、回折格子の周期に相当するブラッグ波長の光のみを選択的に通過する透過形波長フィルターの機能を持つ。
【００２１】
通常、リング状の光共振器では、時計回りおよび反時計回りの進行波が形成され、これら進行波がそれぞれ独立な共振モードとなるが、理想的なモード同期を行わせるためにはいずれか一方の共振モードだけで発振させる必要がある。本参考例では、上記光アイソレータ６によっていずれか一方の共振モードを選択できるようになっている。以下、この光アイソレータ６の構成について簡単に説明する。
【００２２】
光導波路は、ＴＥモードの光あるいはＴＭモードの光のどちらかを通過するような構造とすることができ、また、導波路部分に磁性材料を蒸着することで、磁気光学効果によるＴＥ−ＴＭモード変換を行うことができる。本参考例では、このことを利用して光アイソレータが構成される。すなわち、光アイソレータ６は、ＴＥモードの光あるいはＴＭモードの光のどちらかを通過するように構成された第１の光導波路と、該第１の光導波路を通過した光に対してＴＥ−ＴＭモード変換を行う第２の光導波路（導波路部分に磁性材料が蒸着されたもの）とからなる。
【００２３】
一例として、図１（ａ）において、光アイソレータ６として、時計回りの方向に第１の光導波路であるＴＥモード光導波路、第２の光導波路であるＴＥ−ＴＭモード変換用光導波路が順に設けられた場合の光アイソレータ６における動作を説明する。時計回りの方向に進行する光は、まずＴＥモード光導波路にてＴＥモードの光のみが通過し、該ＴＥモードの光がＴＥ−ＴＭモード変換用光導波路にてＴＭモードの光に変換される。一方、反時計回りの方向に進行する光は、ＴＥ−ＴＭモード変換用光導波路にてＴＭモードの光に変換されるが、該ＴＭモードの光がＴＥモード光導波路を通過することはない。このようにして、リング状の光共振器２を周回する光パルスの周回方向が制限される。
【００２４】
上述した本参考例の集積型モード同期半導体レーザの最も大きな特徴は、光共振器２がリング状に形成されるとともに、光共振器２内を周回する光パルスの周回方向を制御する光アイソレータ６を設けたことにある。この構成によれば、光共振器２内を周回する光波は、光共振器２に配置されたＥＡ変調領域３を１周回する毎に１回しか通過しない。したがって、光パルスが光共振器２内を周回する時間（１周回に要する時間）の逆数に相当する周波数を有する正弦波電圧９がＥＡ変調領域３に供給されるとすると、正弦波電圧９の最も電圧が低くなる位置は光共振器２の１周期に相当する時間あたりに１箇所だけ存在することとなる。
【００２５】
次に、本参考例の動作を説明する。基本的な動作方法は従来例の集積型モード同期半導体レーザと同じである。まず、ＳＡ領域５に逆バイアス電圧（図示せず）を印加し、利得領域４には順方向電流（図示せず）を注入して受動モード同期が起こる状態に設定しておく。次に、ＥＡ変調領域３に光パルスの周回周波数に相当する正弦波電圧９を印加するとハイブリッドモード同期動作が得られる。このハイブリッド同期動作によりジッタが少なく、かつ、繰り返し周波数が正確な光パルス１０がＹ分岐光導波路７から取り出される。
【００２６】
上述した本参考例の集積型モード同期半導体レーザにおいて、光共振器２の直径は、光パルスの繰り返し周波数により決定される。ここで、光パルスの繰り返し周波数は、光パルスがリング状の光共振器２内を１周回する時間の逆数に相当する。例えば、１０ＧＨｚの繰り返し周波数を得るためには、リング状の光共振器２内を１周回する光パルスの周回時間は１００ｐｓとなる。したがって、リング状の光共振器２の直径は約２．７４ｍｍに設定すればよい。
【００２７】
また、リング状の光共振器２に配置される利得領域４、ＳＡ領域５、光アイソレータ６、回折格子領域８の位置関係は特に制約はなく、設計に応じて様々な配置をとることができる。
【００２８】
さらに、リング状の光共振器２の形状は円形形状に限定されることはなく、リング状であればどのような形状としてもよい。
【００２９】
（実施形態１）
図２は、本発明の第１の実施形態の集積型モード同期半導体レーザを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＹＹ′の断面図である。
【００３０】
この集積型モード同期半導体レーザの光共振器は、光アイソレータがなく、複数のＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｃが設けられた以外は、前述の参考例のものとほぼ同じ構成のものである。図２中、同じ構成には同じ符号を付している。
【００３１】
ＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｃは、光共振器２を構成するリング状の光導波路に等間隔に配置されている。ここでは、リング状の光共振器２に回折格子領域８と利得領域４との間にＥＡ変調領域３Ａが配置され、利得領域４とＳＡ領域５との間にＥＡ変調領域３Ｂが配置され、ＳＡ領域５とＹ分岐導波路７との間にＥＡ変調領域３Ｂが配置されている。これらＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｃはそれぞれ遅延線路１２に接続され、該遅延線路１２を介して正弦波電圧９が供給されるようになっている。
【００３２】
遅延線路１２は、例えば、マイクロストリップラインを用いて半導体基板１上に形成することができる。このようなマイクロストリップラインは、例えば半導体基板１上に銅、アルミニウム、及び金等の金属を蒸着し、該蒸着した金属薄膜を数ミリ程度の幅をもったライン状に加工することで形成することができる。
【００３３】
本形態のように光共振器２に三つのＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｃが等間隔に配置される場合、各ＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｃに印加される正弦波電圧９の位相をリング状の光共振器２を周回する光パルスの位相速度と一致させる必要がある。例えば、繰り返し周波数が１０ＧＨｚの光パルスを得る場合は、光共振器２内を光パルスが１周回する時間は１００ｐｓであるから、各ＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｃのそれぞれの間における正弦波電圧９の遅延量は概ね３３ｐｓに設定される。
【００３４】
次に、本実施形態の集積型モード同期半導体レーザの動作を説明する。ここでは、例として１０ＧＨｚの正弦波電圧９を各ＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｃに印加する場合について説明する。
【００３５】
各ＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｃに正弦波電圧９が印加されると、あたかもリング状の光共振器２に沿って時計回りの方向に１０ＧＨｚの速度で回転するような回転電界が生じたような状態となり、この回転電界の位相に光共振器２内を時計回りの方向に周回している光パルスの位相が同期されて、モード同期がかかる。
【００３６】
一方、リング状の光共振器２内を反時計回りの方向に周回する光パルスは、上記時計回りの方向に回転する電界の位相と同期しないため、次第に減衰していく。最終的には、反時計回りの方向に周回する光パルスは消滅するため、光共振器２内には時計回りの方向に周回する光パルスのみが存在することになる。
【００３７】
したがって、本実施形態では参考例とは異なり、光アイソレータを光共振器２に設けなくても光パルスの周回方向を制限することができる。
【００３８】
（実施形態２）
図３は、本発明の第２の実施形態の集積型モード同期半導体レーザの平面図である。
【００３９】
この集積型モード同期半導体レーザは、光共振器の形状が異なる以外は、前述の第１の実施形態のものとほぼ同様の構成となっている。図３中、同じ構成には同じ符号を付している。
【００４０】
第１の実施形態のものでは、円形形状のリング状光共振器を用いていたが、本実施形態では、４５度ミラーによるリング状光共振器１４が用いられる。光共振器１４は、四隅にミラー１３ａ〜１３ｄを４５°の角度を有して配置された四角形状のリング状光共振器である。この光共振器１４は次のようにして形成することができる。まず、参考例と同様に、半導体基板１上に光導波路層を例えばＭＯＰＶＥ法で成膜する。その後、垂直エッチングが可能なドライエッチングを行うことにより、４５度ミラーを有する四角形状の光導波路を形成して光共振器１４を得る。この光共振器１４では、光パルスは各ミラー１３ａ〜１３ｄによって反射されながら光共振器１４内を周回する。
【００４１】
上記のような光共振器１４を用いる本実施形態のものと第１の実施形態のものとの本質的な違いは以下のような点にある。
【００４２】
円形のリング共振器構造の場合、円の曲率半径が小さくなるに従って共振器損失が大きくなり、レーザ発振が困難となる。例えば、ハイメサリッジ構造のリング状光共振器を用いた場合、光共振器の曲率半径は０．３ｍｍ程度が限界であり、よって、繰り返し周波数は４０ＧＨｚ程度が限界となる。これに対し、本実施形態のように、４５度ミラーによるリング状光共振器を用いた場合は、光共振器の曲率半径による制約はないので、原理的にはいくらでも繰り返し周波数を高くすることができる。
【００４３】
本実施形態においても、第１の実施形態と同様に各ＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｂに正弦波電圧９が遅延線路１２を通して遅延されながら供給されて光パルスの周回方向が制限される。光パルス１０の取り出しは、光共振器１４の途中に参考例及び第１の実施形態と同様にＹ分岐導波路７を設けて行うことが可能である。また、光共振器１４の４隅に配置されている四つのミラーの中の一つを、その反射率が１００％より小さくなるように形成することで、該ミラーを透過する光パルス１０を取り出すようにしてもよい。
【００４４】
（実施形態３）
図４は、本発明の第３の実施形態の集積型モード同期半導体レーザの構造を示す平面図である。
【００４５】
この集積型モード同期半導体レーザは、光共振器を構成する導波路の構造が異なる以外は、前述の第１の実施形態のものとほぼ同様の構成となっている。図４中、同じ構成には同じ符号を付している。
【００４６】
本実施形態に用いられているリング状光共振器１５は、２つのＹ分岐光導波路１６ａ，１６ｂを組み合わせることにより、部分的にリング状光導波路が形成された構造になっている。Ｙ分岐光導波路１６ａ側の端部Ａに回折格子８が形成されており、Ｙ分岐光導波路１６ｂ側の端部Ｂから光パルス１０が取り出される。
【００４７】
本実施形態においても、第１および第２の実施形態と同様に各ＥＡ変調領域３Ａ〜３Ｂに正弦波電圧９が遅延線路１２を通して遅延されながら供給されて光パルスの周回方向が制限される。したがって、光共振器１５内を進行する光パルスは、光導波路Ｄを通ってＹ分岐光導波路１６ａの端部Ａに向かい、該光導波路部端部Ａの端面にて反射された光が光導波路Ｃを通ってＹ分岐光導波路１６ｂの端部Ｂに向かい、該光導波路部端部Ｂの端面にて反射された光が再び光導波路ＤをＹ分岐光導波路１６ａの端部Ａに向かうといった周回を行うこととなる。そして、Ｙ分岐光導波路１６ｂ側の端部Ｂから光パルス１０が取り出される。
【００４８】
上述した第１乃至第３の実施形態において、リング状の光共振器に配置される利得領域４、ＳＡ領域５、回折格子領域８の位置関係は特に制約はなく、リング状の光共振器２の任意の位置に配置できる。
【００４９】
また、ＥＡ変調領域を等間隔に三つ配置した構成になっているが、この構成に限定されることはなく、光共振器に複数のＥＡ変調領域を配置することにより所望のモード同期を得ることができる。
【００５０】
さらに、リング状の光共振器の形状は図示した形状に限定されることはなく、リング状であればどのような形状としてもよい。
【００５１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光共振器内に位相の異なる光パルスが形成されることはないので、ハイブリッドモード同期を確実にかけることができ、発振光のジッタを従来は実現できなかった０．５ｐｓ以下に低減することができる。よって、繰り返し周波数が正確な集積型モード同期半導体レーザを実現することができる。さらに、この集積型モード同期半導体レーザを用いることで超高速光通信システムが実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例の集積型モード同期半導体レーザの構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＸＸ′断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の集積型モード同期半導体レーザの構造を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＹＹ′断面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の集積型モード同期半導体レーザの構造を示す平面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態の集積型モード同期半導体レーザの構造を示す平面図である。
【図５】従来の集積型モード同期半導体レーザの構造を示す側断面図である。
【符号の説明】
１    半導体基板
２    光共振器
３    電界吸収変調領域
４    利得領域
５    過飽和吸収領域
６    光アイソレータ
７    Ｙ分岐光導波路
８    回折格子
９    正弦波電圧
１０    光パルス
【図１】
0003546745.tif 000002
【図２】
0003546745.tif 000003
【図３】
0003546745.tif 000004
【図４】
0003546745.tif 000005
【図５】
0003546745.tif 000006