(57)【要約】【課題】小型、低消費電力で電気的速度制限を受けない光クロック抽出回路を実現する。【解決手段】光クロック抽出回路は、共振器長が異なる３つのモード同期レーザ３−１〜３−２と、光信号を分割する方向性結合器１と、共振器長が最も長い第１のモード同期レーザ３−１の可飽和吸収領域と共振器長が最も短い第２のモード同期レーザ３−２の可飽和吸収領域に光信号を入射させる光導波路４−１，４−２と、光信号が可飽和吸収領域を通過した後の強度をレーザ３−１と３−２の各々について検出するフォトダイオード５−１，５−２と、レーザ３−１の可飽和吸収領域を通過した光信号の強度とレーザ３−２の可飽和吸収領域を通過した光信号の強度との差分に基づいて、第３のモード同期レーザ３−３の実効屈折率を電気的に制御する差動増幅回路１２とを有する。【選択図】  図２
2006345061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器長が互いに異なる３つのモード同期レーザと、
入力光信号を分割する分割手段と、
前記３つのモード同期レーザのうち共振器長が最も長い第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域と共振器長が最も短い第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域とに前記分割された光信号を入射させる入射手段と、
前記入射した光信号が可飽和吸収領域を通過した後の強度を前記第１のモード同期レーザと前記第２のモード同期レーザの各々について独立に検出する検出手段と、
前記第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域を通過した光信号の強度と前記第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域を通過した光信号の強度との差分に基づいて、第３のモード同期レーザの実効屈折率を電気的に制御する制御手段とを備え、
前記光信号の強度の差分を前記制御手段に負帰還させることにより、前記第３のモード同期レーザから前記入力光信号に同期した光クロックを生成させることを特徴とする光クロック抽出回路。
【請求項２】
請求項１記載の光クロック抽出回路において、
前記第１のモード同期レーザと前記第３のモード同期レーザの共振器長の差と、前記第３のモード同期レーザと前記第２のモード同期レーザの共振器長の差とが等しいことを特徴とする光クロック抽出回路。
【請求項３】
請求項１記載の光クロック抽出回路において、
前記入射手段は、半導体レーザ基板上に形成された前記第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置され、光信号の光軸がこの第１のモード同期レーザの光軸に対して直交するよう可飽和吸収領域に光信号を入射させる第１の光導波路と、前記基板上に形成された前記第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置され、光信号の光軸がこの第２のモード同期レーザの光軸に対して直交するよう可飽和吸収領域に光信号を入射させる第２の光導波路とからなることを特徴とする光クロック抽出回路。
【請求項４】
請求項１記載の光クロック抽出回路において、
前記検出手段は、前記第１のモード同期レーザを通過する光信号の光軸上にあって、この第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置された第１の受光素子と、前記第２のモード同期レーザを通過する光信号の光軸上にあって、この第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置された第２の受光素子と、この第１、第２の受光素子から出力される光電流をそれぞれ電圧に変換する第１、第２の電流電圧変換手段とからなることを特徴とする光クロック抽出回路。
【請求項５】
請求項１記載の光クロック抽出回路において、
前記検出手段は、前記第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第１の電流電圧変換手段と、前記第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第２の電流電圧変換手段とからなることを特徴とする光クロック抽出回路。
【請求項６】
請求項１記載の光クロック抽出回路において、
前記入射手段は、半導体レーザ基板上に形成された前記第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、前記基板と垂直な方向から前記光信号を入射させる第１の照射手段と、前記基板上に形成された前記第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、前記基板と垂直な方向から前記光信号を入射させる第２の照射手段とからなることを特徴とする光クロック抽出回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超高速光信号処理回路に係り、特に電気的処理が可能な周波数帯域を超えた超高速の光信号から光クロックを抽出して再生する光クロック抽出回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光時分割多重を用いる超高速光通信では、例えば光信号分離を行う際に、クロック信号の抽出が不可欠である。従来の光クロック抽出回路を図を用いて説明する。図６は、位相同期ループ（ＰＬＬ）型の光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。この光クロック抽出回路は、光信号を電流に変換して出力するフォトダイオード（以下、ＰＤとする）１００と、ＰＤ１００から出力された電流を電圧に変換するトランスインピーダンス回路１０１と、トランスインピーダンス回路１０１の出力のうち所定の周波数帯域のみを通過させる帯域通過フィルタ（以下、ＢＰＦとする）１０２と、ＢＰＦ１０２の出力を増幅するＲＦ増幅器１０３と、制御電圧に応じた周波数のクロックを生成する電圧制御発振器（以下、ＶＣＯとする）１０４と、位相比較器と、位相比較器の出力電圧と初期設定の基準電圧とを比較してＶＣＯ１０４の制御電圧を生成する電圧比較器１０７とから構成される。
【０００３】
ここで、位相比較器は、ＲＦ増幅器１０３の出力とＶＣＯ１０４の出力とを掛け合わせるミキサー１０５と、ミキサー１０５の出力から低周波帯域のみを取り出す低域通過フィルタ（以下、ＬＰＦとする）１０６とから構成され、ＲＦ増幅器１０３の信号出力とＶＣＯ１０４の信号出力との差の周波数成分をＤＣ成分を含めて出力する信号処理回路である。
【０００４】
ＶＣＯ１０４から出力されるクロック信号Ｖ1 、光信号を検出して得られたＲＦ増幅器１０３の出力信号Ｖ2 を以下のように表すものとする。
Ｖ1＝Ａｓｉｎ［（ω＋δω）ｔ＋φ］                             ・・・（１）
Ｖ2＝Ｂｃｏｓ（ωｔ＋ψ）                                       ・・・（２）
【０００５】
ミキサー１０５による掛け算の結果Ｖ1Ｖ2は以下のようになる。
Ｖ1Ｖ2＝ＡＢｃｏｓ（ωｔ＋ψ）ｓｉｎ［（ω＋δω）ｔ＋φ］
＝（ＡＢ／２）｛ｓｉｎ［（２ω＋δω）ｔ＋ψ＋φ］
＋ｓｉｎ（δωｔ＋φ−ψ）｝                            ・・・（３）
【０００６】
ＬＰＦ１０６では低周波数成分のみが濾過されるので、ＬＰＦ１０６の出力信号Ｖifは以下のようになる。
Ｖif＝（ＡＢ／２）ｓｉｎ（δωｔ＋φ−ψ）                      ・・・（４）
ここで、クロック信号Ｖ1 とＲＦ増幅器１０３の出力信号Ｖ2 が同期状態に非常に近い場合、式（４）の位相は０に近づくので、次式が成立する。
Ｖif＝（ＡＢ／２）δωｔ＋（ＡＢ／２）（φ−ψ）                ・・・（５）
【０００７】
したがって、ＬＰＦ１０６の出力信号Ｖifが０となるように信号Ｖifを電圧比較器１０７を通じてＶＣＯ１０４に負帰還させると、δω＝０、φ＝ψとなり、クロック信号Ｖ1 とＲＦ増幅器１０３の出力信号Ｖ2 を完全に同期させることができる。このような同期回路を位相同期ループ（ＰＬＬ）と呼んでいる。
【０００８】
ＣＷ（連続波）光をエンコードして得る光信号は、通常３分の１程度のキャリア周波数成分を保有していて、ＰＤを用いた直接検波により式（２）に示す信号成分を保有している。これに完全に同期した信号をＶＣＯ１０４により発生させることにより、光信号のクロック抽出が達成される。
【０００９】
光信号のキャリア周波数成分が高い超高速光信号では、ＰＤによる直接検波が困難となる場合がある。その理由は、キャリア周波数成分がＰＤの応答帯域を凌駕してしまうためである。既存のＰＤでは、高々５０ＧＨｚが応答可能な周波数の上限である一方、超高速光信号の高速化で必要なキャリア周波数は１６０ＧＨｚにも達している。
【００１０】
このような超高速光信号に対するクロック抽出を達成するため、フォトニックダウンコンバージョンという手法が用いられている（例えば、非特許文献１参照）。フォトニックダウンコンバージョンによる光クロック抽出回路は、図７に示すように、光変調器２００と、ＰＤ２０１と、トランスインピーダンス回路２０２と、ＢＰＦ２０３と、ＲＦ増幅器２０４と、ＶＣＯ２０５と、ＲＦ発振器２０６と、ミキサー２０７と、ＬＰＦ２０８と、電圧比較器２０９と、ＲＦ増幅器２１０とから構成される。
【００１１】
この光クロック抽出回路は、ＶＣＯ２０５から出力されるクロック信号に応じて光信号を光変調器２００により強度変調し、この強度変調で発生する変調サイドバンドのうち低周波数領域のどれかひとつに着目して、この変調サイドバンドの信号とＶＣＯ２０５から出力されるクロック信号とを位相比較することにより、ＶＣＯ２０５を光信号に同期させて光クロック抽出を達成しようとするものである。
【００１２】
ここで、ｎ次のダウンコンバージョンに着目し、ＶＣＯ２０５の発振周波数をΩ＋δΩ、Ω＝（ω−Ω’）／ｎとする。Ω’はＶＣＯ２０５に同期した周波数固定型のＲＦ発振器２０６が出力する信号の周波数である。ＲＦ発振器２０６の信号出力は、数ＧＨｚ程度と低周波数であってもよいが、低位相雑音特性を有していることが望ましい。このＲＦ発振器２０６を設ける理由は、ダウンコンバージョンにより直接ＤＣに信号がダウンコンバートされないようにするためである。
【００１３】
つまり、ＰＤ２０１は、光信号の信号強度のみを検出するので、差周波数の方向により＋、一の符号を含むプッシュプルの誤差信号を発生することはできない（ＰＤ２０１は一の符号の信号を発生できない）。したがって、周波数にオフセット（Ω’）を与え、ミキサー２０７とＬＰＦ２０８とからなる位相比較器で電気的にプッシュプルの誤差信号を発生させるようにしている。図８に、ＰＤ２０１の出力信号の周波数スペクトルを示す。図８の縦軸は信号強度である。
【００１４】
ＲＦ増幅器２０４から出力されるリファレンス信号Ｖ2(n)は以下のようになる。
Ｖ2(n)＝Ｂnｃｏｓ［ｎ｛（Ω＋δΩ）ｔ＋φ｝＋Ω’］             ・・・（６）
式（６）において、Ｂn はｎ次の変調サイドバンドを用いた場合の振幅である。式（６）より、ＬＰＦ２０８から得られる信号（位相誤差信号）Ｖif(n) は、次式のように表される。
Ｖif(n)＝（ＡＢ／２）ｎδΩｔ＋（ＡＢ／２）（ｎφ−ψ）         ・・・（７）
【００１５】
この位相誤差信号Ｖif(n)が０となるように信号Ｖif(n)を電圧比較器２０９を通じてＶＣＯ２０５に負帰還させることにより、ＶＣＯ２０５から出力されるクロック信号とＲＦ増幅器２０４の出力信号Ｖ2(n)を同期させることができ、光信号に同期したクロック信号を再生することが可能である。なお，再生したクロック信号を光信号のキャリア周波数と同じにするためには、アップコンバージョンに加え、ＲＦ発振器２０６の周波数成分を加算する等の周波数シンセサイジングを行なう必要がある。
【００１６】
【非特許文献１】0.Kamatani,et al.，「100-Gbit/s optical TDM add/drop multiplexer based on photonic downconversion and four-wave mixing」，OFC'98 WC2,1998，p.112-113
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
以上述べたように、従来の光クロック抽出回路では、フォトニックダウンコンバージョンを用いたＰＬＬにより、高速の光信号からクロックを抽出することが可能となったが、クロック抽出に利用する変調サイドバンドがＲＦ駆動電力に依存する上、次数が高くなるほど変調によるサイドバンドのパワーが弱くなるという欠点があった。このような欠点により、ＬＰＦから得られる位相誤差信号のＳＮ（Signal to Noise Ratio ）が劣化し、良好な同期性能を得ることが難しいという問題点があった。この問題点を解決するために、変調電力を増大させ、信号劣化を補償する方法も試みられているが、この信号劣化補償を行うためには、高出力のミリ波回路またはマイクロ波回路を備える必要があり、回路の小型化、低消費電力化を達成することは困難であった。
【００１８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、小型、低消費電力でありながら、電気的速度制限を受けることなく光クロックを抽出することができる光クロック抽出回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の光クロック抽出回路は、共振器長が互いに異なる３つのモード同期レーザと、入力光信号を分割する分割手段と、前記３つのモード同期レーザのうち共振器長が最も長い第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域と共振器長が最も短い第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域とに前記分割された光信号を入射させる入射手段と、前記入射した光信号が可飽和吸収領域を通過した後の強度を前記第１のモード同期レーザと前記第２のモード同期レーザの各々について独立に検出する検出手段と、前記第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域を通過した光信号の強度と前記第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域を通過した光信号の強度との差分に基づいて、第３のモード同期レーザの実効屈折率を電気的に制御する制御手段とを備え、前記光信号の強度の差分を前記制御手段に負帰還させることにより、前記第３のモード同期レーザから前記入力光信号に同期した光クロックを生成させるようにしたものである。
【００２０】
また、本発明の光クロック抽出回路の１構成例は、前記第１のモード同期レーザと前記第３のモード同期レーザの共振器長の差と、前記第３のモード同期レーザと前記第２のモード同期レーザの共振器長の差とが等しくなるようにしたものである。
また、本発明の光クロック抽出回路の１構成例において、前記入射手段は、半導体レーザ基板上に形成された前記第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置され、光信号の光軸がこの第１のモード同期レーザの光軸に対して直交するよう可飽和吸収領域に光信号を入射させる第１の光導波路と、前記基板上に形成された前記第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置され、光信号の光軸がこの第２のモード同期レーザの光軸に対して直交するよう可飽和吸収領域に光信号を入射させる第２の光導波路とからなるものである。
また、本発明の光クロック抽出回路の１構成例において、前記検出手段は、前記第１のモード同期レーザを通過する光信号の光軸上にあって、この第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置された第１の受光素子と、前記第２のモード同期レーザを通過する光信号の光軸上にあって、この第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域に近接して配置された第２の受光素子と、この第１、第２の受光素子から出力される光電流をそれぞれ電圧に変換する第１、第２の電流電圧変換手段とからなるものである。
また、本発明の光クロック抽出回路の１構成例において、前記検出手段は、前記第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第１の電流電圧変換手段と、前記第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第２の電流電圧変換手段とからなるものである。
また、本発明の光クロック抽出回路の１構成例において、前記入射手段は、半導体レーザ基板上に形成された前記第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、前記基板と垂直な方向から前記光信号を入射させる第１の照射手段と、前記基板上に形成された前記第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、前記基板と垂直な方向から前記光信号を入射させる第２の照射手段とからなるものである。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高周波のＲＦ発振器、位相比較器、及びＲＦ増幅器が不要な小型で低消費電力の超高速光クロック抽出回路を実現することができる。また、本発明では、フォトニックダウンコンバージョンを用いた従来の光クロック抽出回路のような変調サイドバンドに起因する問題がないので、良好な同期性能を得ることができる。さらに、本発明では、半導体レーザ基板に形成したモード同期レーザ等の光回路と、モード同期レーザの利得領域に電流を注入する電流サプライ、モード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路、差動増幅回路（制御手段）等の電気回路をハイブリッド実装することにより、超小形のクロック抽出回路を実現することができる。
【００２２】
また、本発明では、検出手段を、第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第１の電流電圧変換手段と、第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域に逆バイアスを印加する逆バイアス印加回路へ流れる光電流を検出して電圧に変換する第２の電流電圧変換手段とから構成することにより、可飽和吸収領域を受光素子として兼用することができ、受光素子を省略することができる。
【００２３】
また、本発明では、入射手段を、半導体レーザ基板上に形成された第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、基板と垂直な方向から光信号を入射させる第１の照射手段と、基板上に形成された第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域のキャップ層に形成された光注入用窓に対して、基板と垂直な方向から光信号を入射させる第２の照射手段とから構成することにより、半導体レーザ基板上の複雑な光導波路を省略することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
［発明の原理］
本発明は、逆バイアスを印加するだけで発振可能なモード同期レーザを、繰り返し周波数が光信号のキャリア周波数より低い第１のモード同期レーザと、繰り返し周波数が光信号のキャリア周波数より高い第２のモード同期レーザと、繰り返し周波数が光信号のキャリア周波数と略同一の第３のモード同期レーザの３つ設け、第１のモード同期レーザの可飽和吸収領域と第２のモード同期レーザの可飽和吸収領域に光信号を注入し、この２つのレーザから得られる光検出信号の差分（位相誤差信号）を、第３のモード同期レーザの実効屈折率を電気的に制御する制御手段に負帰還させるようにしたものである。
【００２５】
図１は、受動モード同期半導体レーザの基本構造を示す断面図である。ここでは、基板５０としてＮ型基板を用いるレーザを例にして説明する。基板５０上には、Ｎ型クラッド層５１、活性層５２、Ｐ型クラッド層５３、Ｐ型キャップ層５４が順次形成される。活性層５２は、ＰＮ接合を有するが、レーザの場合にはキャリア閉じ込めを達成するため、２重ヘテロ接合構造となっている。
【００２６】
レーザの長さを厳密に設定するため、エッチングにより形成される図１の左右両端の側壁をミラー面（エッチドミラー）として利用している。このミラーは、描画パターンにより正確な位置に形成可能である。このような２つのエッチドミラーにより、ファブリペロー共振器を有するモード同期レーザが形成される。
【００２７】
モード同期を達成するため、共振器を利得領域５５と可飽和吸収領域５６とに分離する電極分離溝５７が共振器中に設けられている。利得領域５５と可飽和吸収領域５６は、この電極分離溝５７と電極分離溝５７の中に埋め込まれる高抵抗の絶縁体（不図示）により電極分離される。電極分離溝５７の位置は、可飽和吸収領域５５の全共振器に占める割合が１０〜２０％程度になるように定められている。発振状態のレーザダイオードでは、順方向に通常数Ωの抵抗をもつが、この電極分離により実現される分離抵抗は数百Ωに達するので、分離素子間の電流は実効的にゼロである。
【００２８】
以上のような受動モード同期半導体レーザに逆バイアスを印加すると、エキシトンの吸収端波長がシフトし、光の吸収率が変化（通常は吸収率が高くなる方向に変化）する。半導体共振器中を周回する光は、共振器の端にある可飽和吸収領域５６によりわずかに変調され、周回毎にこの変調が増強される。このため、レーザの縦モード毎に共振器中に放射され周回する自然放出光に、この変調成分が加わり、その強度がしだいに増大する。この強度の増大により各モードの位相差が相殺されるのに従い、共振器中を周回する光はパルス化される。このパルスの尖塔部は光強度が極めて高く、可飽和吸収領域５６を通過する場合には、吸収飽和により、パルス尖塔部の透過率がパルスの他の部分に比べて高くなる。これにより、共振器中を周回する光に対して強い自己変調効果が働き、最終的には、位相の揃ったモード同期パルスを得ることができる。
【００２９】
以上述べた半導体の受動モード同期は、ある範囲の逆バイアス電圧で達成される。可飽和吸収領域５６の実効屈折率は、逆バイアス電圧に依存する。したがって、モード同期が達成される範囲の中で、共振器の実効屈折率を介してパルスの繰り返し周波数を制御することが可能となる。
【００３０】
このようなモード同期半導体レーザの可飽和吸収領域５６に外部からパルス光を注入する。注入光が共振器内を周回しないように、共振器の光軸と垂直な方向（図１の紙面に垂直な方向）から光注入を行うと、可飽和吸収領域５６は光により強制的な外部変調を受ける。この変調の周波数と共振器内部を周回する光パルスの繰り返し周波数がほぼ同じ場合には、強制モード同期と同様に、受動的なモード同期が外部信号の周波数に引き込まれ、外部信号の位相に同期したモード同期パルスを得ることができる。
【００３１】
ただし、注入光の強度が弱い場合には、周波数引き込みが弱くなり、受動モード同期発振が優勢となる。このような状態では、受動モード同期により発生するパルス列のエンベロープに、変調周波数と光パルスの繰り返し周波数との周波数差がビートとして重畳される。モード同期半導体レーザを用いて光クロック抽出を行う場合に光信号の注入による同期という方法が困難なのは、このような光注入による同期の条件が厳しい一方、伝送路の揺らぎにより注入光の偏波状態が容易に変化して高い入力強度を維持できないためである。
【００３２】
光注入による周波数引き込みがない状態では、外部パルス光の周波数が共振器内を周回する光パルスの繰り返し周波数から離調されるに従い、同期が外れる。これに伴い、共振器内を周回する光パルスと注入パルスとが可飽和吸収領域５６で衝突する確率は低下する。このため、外部注入光が共振器に結合しないで可飽和吸収領域５６を透過する場合、離調に伴い透過率が低下する。この透過率をモニタすれば、離調の度合いを推測することができる。
【００３３】
そこで、繰り返し周波数が異なる受動モード同期半導体レーザを３つ用意し、繰り返し周波数が最も高いレーザと最も低いレーザの可飽和吸収領域に対して外部から光注入を行う。注入光の透過強度は離調周波数に依存するので、繰り返し周波数が最も高いレーザの可飽和吸収領域を透過した注入光の強度と、繰り返し周波数が最も低いレーザの可飽和吸収領域を透過した注入光の強度との差は、残り１つのレーザ、すなわち光クロックを再生するためのレーザの繰り返し周波数と外部光パルスの繰り返し周波数との間の誤差を表わす。
【００３４】
そこで、この誤差が０となるように光クロック再生用レーザの可飽和吸収領域の電圧に誤差信号を負帰還させることにより、位相同期ループ（ＰＬＬ）を形成し、その結果、外部パルス光に同期した光クロックを受動モード同期半導体レーザにより発生させることができる。なお、光クロック再生用レーザに外部光パルスを注入することも可能であるが、偏波ダイバーシティ等の揺らぎにより、周波数引き込み以上に発振状態が不安定になる。
【００３５】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図２は、本発明の第１の実施の形態となる光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。本実施の形態では、長さの異なる３つの受動モード同期半導体レーザ３−１，３−２，３−３を半導体レーザ基板２上に形成している。
【００３６】
半導体レーザ基板２上に形成される光回路は、受動モード同期半導体レーザ３−１，３−２，３−３と、半導体レーザ３−１，３−２の可飽和吸収領域３１−１，３１−２に光注入するための第１、第２の光導波路４−１，４−２と、第１、第２の受光素子となるフォトダイオード（以下、ＰＤとする）５−１，５−２と、半導体レーザ３−１，３−２，３−３の可飽和吸収領域３１−１，３１−２，３１−３と電気的コンタクトをとるための電極パッド６−１，６−２，６−３と、半導体レーザ３−１，３−２，３−３の利得領域３０−１，３０−２，３０−３と電気的コンタクトをとるための電極パッド７−１，７−２，７−３と、フォトダイオード５−１，５−２と電気的コンタクトをとるための電極パッド８−１，８−２と、電気的コンタクトのためのワイヤーとから構成されている。半導体レーザ３−１〜３−３の構造は図１で説明したとおりである。第１のモード同期レーザ３−１と第３のモード同期レーザ３−３の共振器長の差と、第３のモード同期レーザ３−３と第２のモード同期レーザ３−２の共振器長の差とは等しい。
【００３７】
電流サプライ９−１，９−２，９−３は、それぞれ電極パッド７−１，７−２，７−３を介して受動モード同期半導体レーザ３−１，３−２，３−３の利得領域３０−１，３０−２，３０−３に電流を注入する。逆バイアス印加回路１０−１，１０−２は、それぞれ電極パッド６−１，６−２を介して受動モード同期半導体レーザ３−１，３−２の可飽和吸収領域３１−１，３１−２に逆バイアスを印加する。第１、第２の電流電圧変換手段となるトランスインピーダンス回路１１−１，１１−２は、それぞれＰＤ５−１，５−２から出力された電流を電圧に変換する。
【００３８】
制御手段となる差動増幅回路１２は、トランスインピーダンス回路１１−１，１１−２の出力差に基づいて、受動モード同期半導体レーザ３−３の可飽和吸収領域３１−３に逆バイアスを印加する。電流サプライ９−１，９−２，９−３、逆バイアス印加回路１０−１，１０−２、トランスインピーダンス回路１１−１，１１−２及び差動増幅回路１２は、半導体レーザ基板２の外部に形成されるが、半導体レーザ基板２上に形成することも可能である。
【００３９】
図３は、半導体レーザ基板２上に形成された受動モード同期半導体レーザ３−１と光導波路４−１とＰＤ５−１の斜視図である。半導体レーザ基板２上に種々の光学素子を形成するため、電極分離溝が設けられているが、図３はその一部を示している。受動モード同期半導体レーザ３−１の場合、モード同期を達成するために、共振器を利得領域３０−１と可飽和吸収領域３１−１とに分離する電極分離溝３２−１が設けられている。また、半導体レーザ基板２上に形成された光注入用の光導波路４−１は、電極分離溝３２−１と同様の分離溝３３−１により可飽和吸収領域３１−１の側壁から隔てられている。一方、注入された光が可飽和吸収領域３１−１を通過する出口側の半導体レーザ基板２上には、分離溝３４−１により可飽和吸収領域３１−１の側壁から隔てられたＰＤ５−１が設けられている。
【００４０】
これらの分離溝はクラッドの上部まで形成される。光導波路４−１，４−２は吸収がないようにＰ型半導体で形成されるため、分離抵抗は大きい。分離溝が深いほど分離抵抗が大きくなる反面、光学的反射が共振器内のパルス周回に影響する。このため、分離溝の最適設計が施されている。通常、分離抵抗は５００〜１０００Ωである。
【００４１】
図３に示すように、レーザ共振器の光軸と光信号注入の光軸は直交し、注入光がレーザ共振器を周回しないようになっている。図３の例では、繰り返し周波数が最も低い第１の受動モード同期半導体レーザ３−１について示しているが、繰り返し周波数が最も高い第２の受動モード同期半導体レーザ３−２と光導波路４−２とＰＤ５−２についてもその構成は同様である。
【００４２】
光回路部分への光信号の導入は、半導体レーザ基板２上に形成された光導波路４−１，４−２により行なわれる。この光導波路４−１，４−２は、４５度ミラー部分（図２における光導波路４−１，４−２の屈曲部）を有するもので、光回路の中で適切な場所に光信号を導入することができる。本実施の形態では、受動モード同期半導体レーザ３−１，３−２の可飽和吸収領域３１−１，３１−２に光信号を注入するため、光導波路４−１，４−２は、それぞれ可飽和吸収領域３１−１，３１−２の位置に対応したものとなっている。これら２つの光導波路４−１，４−２に光信号を同時に導入するため、分割手段となる方向性結合器１により２分割した光を等長の結合用光ファイバで光導波路４−１，４−２に導く。
【００４３】
可飽和吸収領域３１−１，３１−２を通過した光信号をＰＤ５−１，５−２で検出するためには、可飽和吸収領域と同様に逆バイアス電圧を印加して、エキシトンの吸収端波長をシフトさせればよい。すなわち、光検出は、ＰＤ５−１，５−２に逆バイアスを印加した場合に得る光電流をモニタすることによる。ＰＤ５−１，５−２から出力された光電流は、それぞれトランスインピーダンス回路１１−１，１１−２により電圧に変換される。これにより、光強度に電圧が比例する光検出信号が得られる。
【００４４】
トランスインピーダンス回路１１−１の出力電圧は差動増幅回路１２の非反転入力端子に入力され、トランスインピーダンス回路１１−２の出力電圧は差動増幅回路１２の反転入力端子に入力される。差動増幅回路１２は、トランスインピーダンス回路１１−１とトランスインピーダンス回路１１−２との出力差に所定のオフセット電圧Ｖｏｆｆを加えた値を、クロック再生用の第３の受動モード同期半導体レーザ３−３の逆バイアス電圧として可飽和吸収部３１−３に印加する。ここで、オフセット電圧Ｖｏｆｆは、モード同期発振を達成する逆バイアス電圧範囲の中央値であると都合がよい。
【００４５】
以上により、本実施の形態では、受動モード同期半導体レーザ３−１の可飽和吸収領域３１−１を通過した光信号の強度と受動モード同期半導体レーザ３−２の可飽和吸収領域３１−２を通過した光信号の強度との差分が０となるように、受動モード同期半導体レーザ３−３の実効屈折率を電気的に制御することにより、光信号に同期した光クロックを受動モード同期半導体レーザ３−３から発生させることができる。
【００４６】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図４は、本発明の第２の実施の形態となる光クロック抽出回路の構成を示すブロック図であり、図２と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態では、受動モード同期半導体レーザ３−１，３−２の可飽和吸収領域３１−１，３１−２をＰＤとして利用する。
【００４７】
可飽和吸収領域３１−１，３１−２をＰＤとして動作させるため、印加電極を伝わる光電流を外部電気回路に取り出す必要がある。このため、可飽和吸収領域３１−１，３１−２に接続された電極パッド６−１，６−２と逆バイアス印加回路１０−１，１０−２との間に抵抗１３−１，１３−２を挿入して逆バイアス印加回路１０−１，１０−２の見かけ上のインピーダンスを高くして、逆バイアス印加回路１０−１，１０−２への電流流入を阻止し、電極パッド６−１，６−２からの電流をトランスインピーダンス回路１４−１，１４−２により電圧に変換し、光検出信号を得るようにしている。
【００４８】
トランスインピーダンス回路１４−１の出力電圧は差動増幅回路１２の非反転入力端子に入力され、トランスインピーダンス回路１４−２の出力電圧は差動増幅回路１２の反転入力端子に入力される。差動増幅回路１２の動作は第１の実施の形態と同じである。
以上により、本実施の形態では、可飽和吸収領域３１−１，３１−２をＰＤとして兼用することができ、ＰＤを省略することができる。
【００４９】
［第３の実施の形態］
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。図５は、本実施の形態における光注入用の受動モード同期半導体レーザ３−１，３−２の可飽和吸収領域３１−１，３１−２の構造を示す断面図である。本実施の形態は、第１、第２の実施の形態の光クロック抽出回路において、可飽和吸収領域３１−１，３１−２のキャップ層を除去して設けた光学窓に対して、半導体レーザ基板２と垂直な方向から光信号を照射することにより、光信号を可飽和吸収領域３１−１，３１−２に注入することを特徴としている。本実施の形態は、可飽和吸収領域３１−１，３１−２への光注入を空間伝搬を利用して行うものであり、基板上の複雑な光配線を除去した点が特徴である。光注入の光軸は、半導体レーザ基板２に垂直な方向でレーザ共振器の光軸と直交しているため、注入光がレーザ共振器内を周回することはない。
【００５０】
前述のように、半導体レーザ基板２上には、クラッド層３５、活性層３６、クラッド層３７が順次形成され、さらにオーミックコンタクトをとるため、クラッド層３７の上部にキャップ層３８が設けられている。このキャップ層３８はＡｕ／Ｓｎ等の金属を含むものであって、光は透過することができない。そこで、可飽和吸収領域３１−１に光を注入するために、可飽和吸収領域３１−１の上面の一部に光注入用窓３９を設けた。電気的接続は窓３９を除く部分に付与されたキャップ層３９により行なわれる。このキャップ層３９と電気的に接続する電極４１を形成するために、レーザ共振器の側面および基板２上にはポリイミド等の絶縁層４０が形成される。
【００５１】
可飽和吸収領域３１−１への光信号注入のために、対物レンズ４２を用いて光を集光し、光注入の密度を高めるようにしている。対物レンズ４２まで導入する光信号としては、空間伝搬するコリメート光が利用できる。コンパクトな実装を考慮して、半導体レーザ基板２に沿ったコリメート光を用いる場合には、図５のように照射部分で９０度光路を曲げるプリズムレンズ４３を使用する。この対物レンズ４２とプリズムレンズ４３は、第１の照射手段を構成している。なお、図５では、半導体レーザ３−１の可飽和吸収領域３１−１について記載しているが、半導体レーザ３−２の可飽和吸収領域３１−２についても同様の第２の照射手段により、光信号を注入することができる。
【００５２】
以上のように、本実施の形態では、受動モード同期半導体レーザ３−１，３−２の可飽和吸収領域３１−１，３１−２への光注入を空間伝搬を利用して行うことにより、半導体レーザ基板上の複雑な光導波路を省略することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明は、超高速光信号処理回路に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明で用いる受動モード同期半導体レーザの基本構造を示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態となる光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。
【図３】図２の光クロック抽出回路において半導体レーザ基板上に形成された受動モード同期半導体レーザと光導波路とフォトダイオードの斜視図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態となる光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態となる光クロック抽出回路における光注入用の受動モード同期半導体レーザの可飽和吸収領域の構造を示す断面図である。
【図６】位相同期ループ型の従来の光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。
【図７】フォトニックダウンコンバージョンによる従来の光クロック抽出回路の構成を示すブロック図である。
【図８】図７の光クロック抽出回路におけるフォトダイオードの出力信号の周波数スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００５５】
１…方向性結合器、２…半導体レーザ基板、３−１〜３−３…受動モード同期半導体レーザ、４−１，４−２…光導波路、５−１，５−２…フォトダイオード、６−１〜６−３，７−１〜７−３，８−１，８−２…電極パッド、９−１〜９−３…電流サプライ、１０−１，１０−２…逆バイアス印加回路、１１−１，１１−２，１４−１，１４−２…トランスインピーダンス回路、１２…差動増幅回路、１３−１，１３−２…抵抗、３０−１〜３０−３…利得領域、３１−１〜３１−３…可飽和吸収領域、３９…光注入用窓。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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