(57)【要約】【課題】  駆動に必要な高周波電気信号の電力を低減し、光損失を小さくしてレーザの閾値電流を下げ、強度変調を抑えた高品質の光パルス列を生成する。【解決手段】  半導体モード同期レーザの電界吸収型光変調器領域を、光の進行方向に配置された光学的に直列接続された２つの電界吸収型光変調器領域１０３，１０４に分割する。発振器１０２にて発信した高周波電気信号を電力分配器１０６にて分配し、分配した一方の高周波電気信号を電界吸収型光変調器領域１０３に印加する。分配した他方の高周波電気信号は、遅延線１０９にて位相をπ遅延させてから、電界吸収型光変調器領域１０３に印加する。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器中に電界吸収型光変調器領域を有し、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を前記電界吸収型光変調器領域に印加すると、前記高周波電気信号の周波数の２倍の繰り返し周波数の光パルス列を発生する半導体モード同期レーザを使用した半導体パルス光源において、
前記半導体モード同期レーザの前記電界吸収型光変調器領域が２つに分割されており、分割された２つの電界吸収型光変調器領域は、光の進行方向に沿って配置されると共に光学的に直列に接続されており、
更に、分割された一方の電界吸収型光変調器領域に、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている第１の高周波電気信号を印加すると共に、分割された他方の電界吸収型光変調器領域に、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数で且つ第１の高周波電気信号に対して位相がπずれた第２の高周波電気信号を印加する高周波電気信号印加手段を備えたことを特徴とする半導体パルス光源。
【請求項２】
共振器中に電界吸収型光変調器領域を有し、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を前記電界吸収型光変調器領域に印加すると、前記高周波電気信号の周波数の２倍の繰り返し周波数の光パルス列を発生する半導体モード同期レーザを使用した半導体パルス光源において、
前記半導体モード同期レーザの前記電界吸収型光変調器領域が２つに分割されており、分割された２つの電界吸収型光変調器領域は、光の進行方向に沿って配置されると共に光学的に直列に接続されており、
更に、発振器から出力された、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を、位相の等しい第１の高周波電気信号と第２の高周波電気信号に分配すると共に、第１の高周波電気信号を分割された一方の電界吸収型光変調器領域に印加する電力分配器と、
前記電力分配器により分配された第２の高周波電気信号の位相をπ遅延させ、遅延させた第２の高周波電気信号を、分割された他方の電界吸収型光変調器領域に印加する遅延線と、を備えたことを特徴とする半導体パルス光源。
【請求項３】
共振器中に電界吸収型光変調器領域を有し、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を前記電界吸収型光変調器領域に印加すると、前記高周波電気信号の周波数の２倍の繰り返し周波数の光パルス列を発生する半導体モード同期レーザを使用した半導体パルス光源において、
前記半導体モード同期レーザの前記電界吸収型光変調器領域が２つに分割されており、分割された２つの電界吸収型光変調器領域は、光の進行方向に沿って配置されると共に光学的に直列に接続されており、
更に、発振器から出力された、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を、第１の高周波電気信号と、第１の高周波電気信号に対して位相がπずれている第２の高周波電気信号に分配すると共に、第１の高周波電気信号を分割された一方の電界吸収型光変調器領域に印加し、第２の高周波電気信号を分割された他方の電界吸収型光変調器領域に印加する電力分配器を備えたことを特徴とする半導体パルス光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体パルス光源に関し、例えば、光時分割多重光ファイバ通信方式におけるクロックパルス光源や、無線信号を重畳した光信号を光ファイバにより伝送する光ファイバ無線リンクの光源として用いられるものである。
【背景技術】
【０００２】
光時分割多重光ファイバ通信や、無線信号を重畳した光信号を光ファイバにより伝送する光ファイバ無線リンクの分野では、パルス光源が必要とされている。このような用途のパルス光源としてはモード同期レーザが良く用いられており、その中でも半導体モード同期レーザはファイバベースのモード同期レーザに比べて共振器長が短いため、１０ＧＨｚを超える高繰り返し周波数の光パルス列の発生に適している。
【０００３】
通常、半導体モード同期レーザは、共振器の中に利得領域と光変調領域が配置される構成をとり、自励的に共振器長で決まる繰り返し周波数（自励繰り返し周波数）で発振し、光パルス列を発生する。この時、外部から自励繰り返し周波数に近い周波数をもつ高周波の参照電気信号（高周波電気信号）、あるいは、自励繰り返し周波数の１／ｎ（ｎは２以上の整数）に近い繰り返し周波数を持つ高周波電気信号を光変調器領域に印加すると、前者の場合は自励繰り返し周波数が高周波電気信号の繰り返し周波数に引き込まれ、後者の場合は自励繰り返し周波数が、高周波電気信号のｎ倍の繰り返し周波数に引き込まれるという特性を持つ（電気信号による能動モード同期）。後者の方法は、サブハーモニック同期と呼ばれる。
【０００４】
なお、本明細書及び特許請求の範囲において、高周波電気信号の周波数が自励繰り返し周波数に近い、あるいはそれの１／ｎに近いという場合の「近い」とは、半導体モード同期レーザの繰り返し周波数を高周波電気信号の周波数あるいはそれのｎ倍の周波数に引き込むことが可能な範囲であることを意味する。
【０００５】
高周波電気信号によって半導体モード同期レーザを同期させる方法は、簡便に高周波電気信号と同じ繰り返し周波数で低ジッタの光パルス列を発生できるため、実用上重要である。しかし、電気駆動の光変調器を１００ＧＨｚ以上の周波数で動作させるのは現状では困難であるため、繰り返し周波数が１００ＧＨｚを上回る光パルス列を電気信号同期で実現するためには、サブハーモニック同期を利用するのが好適である（非特許文献１）。
【０００６】
図４を用いてこのような従来の半導体パルス光源の構成例を説明する。この例では、図中３０１は多重量子井戸からなる利得領域、３０２は利得領域３０１の光出力側の端に設けられたブラッグ反射鏡、３０３は多重量子井戸電界吸収型光変調器領域であり、これらが同一半導体基板上に形成されて半導体モード同期レーザを構成している。利得領域３０１およびブラッグ反射鏡３０２は電流源３０５と電気的に接続されている。また、光変調器領域３０３は、発振器３０６および電圧源３０７とバイアス回路３０８を通して電気的に接続されている。
【０００７】
このような構成の半導体パルス光源で、利得領域３０１とブラッグ反射鏡３０２に直流電流を入力した状態で、発振器３０６から半導体モード同期レーザの自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数の高周波電気信号を光変調器領域３０３に印加した場合、光変調器領域３０３の光透過率が印加電圧に対して非線形な応答を有することにより、駆動周波数（高周波電気信号の周波数）の２倍の周波数における光変調成分が発生し、その繰り返し周波数でのモード同期が起こる（非特許文献２）。
【０００８】
このとき、光変調器領域３０３の非線形性を用いるため、２倍の周波数における光変調成分の発生効率が悪く、モード同期に必要な高周波電気信号の電力が大きくなってしまうという問題がある。
【０００９】
また、駆動周波数の２倍の周波数における光変調成分を強くできると、引き込むことのできる繰り返し周波数範囲が拡大できる他、位相ノイズを減らすことができる。
しかし、サブハーモニックモード同期では同時にモード同期に直接関与しない駆動周波数における光変調成分が存在するため共振器の中で大きな光損失が生じ、レーザ閾値電流の上昇や、光出力の減少など、モード同期レーザの動作を不安定にする要因となる。
【００１０】
さらに、駆動周波数における光変調成分は、出力パルス列に強度変調を与えることが報告されている（非特許文献３）。この強度変調は、モード同期レーザを光時分割多重光ファイバ通信方式のクロックパルス光源として用いた場合、データ毎の信号強度の変化を引き起こし、信号対雑音比を劣化させる要因となる。
【００１１】
【非特許文献１】K.Sato, I.Kotaka, Y.Kondo, and M.Yamamoto “Actively modelocking at 50 GHz repetition frequency by half-frequency modulation of monolithic semiconductor lasers integrated with electroabsorption modulators,”Appl.Phys.Lett.69 pp.2626-2628,1996
【非特許文献２】K.Sato, “Millimeter-Wave Generation Using Semiconductor Laser Diodcs ”MWE '95 Microwave Workshop Digest pp.401-406,1995
【非特許文献３】T.Hoshida, H.F.Liu, M.R.H.DaZa, M.Tsuchiya, T.Kamiya, and Y.Ogawa “Generation of 33 GHz stable pulse trains by subharmonic electrical modulation of a monolithic passively mode-locked semiconductor laser,”Electron Lett. 32 pp.572-573,1996
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
以上述べたように、光変調器の応答よりも高速な繰り返し周波数の光パルス列を電気信号同期で実現するには、自励繰り返し周波数の１／ｎに近い周波数の高周波電気信号で駆動するサブハーモニック同期を利用するのが好適であるが、光変調器領域の非線形性を用いるため必要な高周波電気信号の電力が大きくなってしまう。また、駆動周波数における光変調成分は、共振器の中で大きな光損失となりモード同期レーザの閾値電流を増加させる。さらに、出力光パルス列は、駆動周波数での強度変調を受けることになり、品質が劣化する。
【００１３】
本発明の目的は、半導体パルス光源を繰り返し周波数の１／２の周波数の高周波電気信号で駆動する場合において、従来の半導体パルス光源に比べてモード同期に必要な高周波電気信号の電力が小さく、低閾値電流で動作し、さらに強度変調を抑えた高品質の光パルス列を生成することができる半導体パルス光源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決する本発明の半導体パルス光源は、
共振器中に電界吸収型光変調器領域を有し、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を前記電界吸収型光変調器領域に印加すると、前記高周波電気信号の周波数の２倍の繰り返し周波数の光パルス列を発生する半導体モード同期レーザを使用した半導体パルス光源において、
前記半導体モード同期レーザの前記電界吸収型光変調器領域が２つに分割されており、分割された２つの電界吸収型光変調器領域は、光の進行方向に沿って配置されると共に光学的に直列に接続されており、
更に、分割された一方の電界吸収型光変調器領域に、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている第１の高周波電気信号を印加すると共に、分割された他方の電界吸収型光変調器領域に、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数で且つ第１の高周波電気信号に対して位相がπずれた第２の高周波電気信号を印加する高周波電気信号印加手段を備えたことを特徴とする。
【００１５】
また本発明の半導体パルス光源は、
共振器中に電界吸収型光変調器領域を有し、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を前記電界吸収型光変調器領域に印加すると、前記高周波電気信号の周波数の２倍の繰り返し周波数の光パルス列を発生する半導体モード同期レーザを使用した半導体パルス光源において、
前記半導体モード同期レーザの前記電界吸収型光変調器領域が２つに分割されており、分割された２つの電界吸収型光変調器領域は、光の進行方向に沿って配置されると共に光学的に直列に接続されており、
更に、発振器から出力された、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を、位相の等しい第１の高周波電気信号と第２の高周波電気信号に分配すると共に、第１の高周波電気信号を分割された一方の電界吸収型光変調器領域に印加する電力分配器と、
前記電力分配器により分配された第２の高周波電気信号の位相をπ遅延させ、遅延させた第２の高周波電気信号を、分割された他方の電界吸収型光変調器領域に印加する遅延線と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
また本発明の半導体パルス光源は、
共振器中に電界吸収型光変調器領域を有し、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を前記電界吸収型光変調器領域に印加すると、前記高周波電気信号の周波数の２倍の繰り返し周波数の光パルス列を発生する半導体モード同期レーザを使用した半導体パルス光源において、
前記半導体モード同期レーザの前記電界吸収型光変調器領域が２つに分割されており、分割された２つの電界吸収型光変調器領域は、光の進行方向に沿って配置されると共に光学的に直列に接続されており、
更に、発振器から出力された、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数となっている高周波電気信号を、第１の高周波電気信号と、第１の高周波電気信号に対して位相がπずれている第２の高周波電気信号に分配すると共に、第１の高周波電気信号を分割された一方の電界吸収型光変調器領域に印加し、第２の高周波電気信号を分割された他方の電界吸収型光変調器領域に印加する電力分配器を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による半導体パルス光源によれば、繰り返し周波数の１／２の周波数の高周波電気信号でパルス光源を駆動する場合において、半導体モード同期レーザの電界吸収型光変調器領域を、光の進行方向に配置された光学的に直列接続された２つの領域に分割し、分割された一方の電界吸収型光変調器領域に入力する高周波電気信号と、分割された他方の電界吸収型光変調器領域に入力する高周波電気信号の位相をπずらすようにした。このため、従来の半導体パルス光源に比べて、駆動に必要な高周波電気信号の電力を低減できる。また、共振器の中の光損失が小さくなるため、レーザの閾値電流を下げることができる。さらに、強度変調を抑えた高品質の光パルス列を生成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明を実施するための最良の形態を実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００１９】
本発明に係る半導体パルス光源の第１の実施例を説明する概略図を図１に示す。図中１２０は、半導体基板であり、ここではｎ型ＩｎＰを使用している。１０１はｎ型ＩｎＰ基板１２０上に形成された多重量子井戸からなる利得領域、１０２は利得領域１０１の光出力側の端に設けられたブラッグ反射鏡、１０３と１０４は、利得領域１０１に隣接して光の進行方向に沿って配置されると共に光学的に直列に接続された多重量子井戸電界吸収型光変調器領域であり、これらが半導体モード同期レーザを構成している。
【００２０】
このように、実施例１の半導体パルス光源で用いる半導体モード同期レーザでは、その多重量子井戸電界吸収型光変調器領域が、多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０３と多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０４とに２分割されており、両多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０３，１０４は、この半導体モード同期レーザの共振器における光の進行方向に沿って配置されており、しかも、光学的に直列接続（縦列接続）している。
【００２１】
ここで、利得領域１０１、多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０３，１０４は共に公知の技術により形成できるもので良い（例えば非特許文献１）。また、利得領域１０１とブラッグ反射鏡１０２は電流源１０５と電気的に接続されている。さらに、発振器１０７および電圧源１０８は、バイアス回路１１０を介して、電力分配器１０６に接続されている。電力分配器１０６はウィルキンソン型のものを使用しており、発振器１０７から出力された高周波電気信号を位相の等しい２つの信号に分配して、これと電気的に接続された２つの多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０３，１０４に入力する。
【００２２】
この時、片方の多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０４の手前には遅延線１０９が挿入されている。この遅延線１０９は高周波電気信号の位相をπだけ遅延させる機能がある。このため、電力分配器１０６にて分配されて多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０３に印加される高周波電気信号に対して、電力分配器１０６にて分配されて遅延線１０９を通って多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０４に印加される高周波電気信号は、位相がπずれる。
【００２３】
なおここでは、電力分配器１０６および遅延線１０９には、ウィルキンソン型の電力分配器と、印加する高周波電気信号の実効波長の半分の長さを持つ信号線（遅延線）を、同一セラミック基板上のマイクロストリップラインで形成したものを用いている。
【００２４】
以下に、この２つの多重量子井戸電界吸収型光変調器領域１０３，１０４に、自励繰り返し周波数の１／２に近い周波数を持ち、位相が互いにπずれた２つの高周波電気信号をそれぞれ入力した場合に、従来構成よりも高品質な光パルス列が発生できることを説明する。
【００２５】
ここでは、半導体モード同期レーザの自励繰り返し周波数を約１２０ＧＨｚ、発振器１０７から出力される高周波電気信号の周波数を６０ＧＨｚとし、１／２サブハーモニック同期により１２０ＧＨｚの光パルス列を発生させる場合を例示する。
【００２６】
多重量子井戸電界吸収型光変調器領域の光透過率Ｔ（Ｖ（ｔ，φ））の印加電圧Ｖ（ｔ，φ）に対する変化は、一般に次の式のように表される（非特許文献２）。
【数１】
2006339468.tif 000003
ｍは光変調器領域の光吸収層の構造により決定されるパラメータ、Ｖaは光変調器領域の長手方向の長さに依存するパラメータである。
【００２７】
本実施例では、２つの光変調器領域を縦列接続し、それぞれに位相がπずれた高周波電気信号を印加しているので、光透過率Ｔ（ｔ）は、次の式のようになる。
【数２】
2006339468.tif 000004
【００２８】
一方、本実施例の半導体パルス光源を構成する１つの光変調器領域への印加電圧Ｖ（ｔ，φ）は、電圧の平均値をＶ0、発振器から出力される電圧の振幅をＶ1、周波数をｆとして
【数３】
2006339468.tif 000005
のように表せる。各光変調器領域に印加される電圧振幅は、発振器から出力された電力が電力分配器によって等分されるため、Ｖ1／（２）1/2 となる。式（３）を式（２）に代入すると、光透過率は式（４）のようになる。
【数４】
2006339468.tif 000006
【００２９】
ここで、電圧平均値Ｖ0は、光変調器領域に順バイアスが印加されない範囲で高周波電気信号の強度が最大となるよう、Ｖ0＝Ｖ1／（２）1/2 としている。ここで二項定理
【数５】
2006339468.tif 000007
を用いると、式（４）の中括弧内は
【数６】
2006339468.tif 000008
となる。したがって、本実施例の構成によれば、駆動周波数の２倍の１２０ＧＨｚにおける光変調成分が発生するが、６０ＧＨｚの駆動周波数における光変調成分は相殺されて無くなる。
【００３０】
一方で、従来の半導体モード同期レーザを１／２サブハーモニックモード同期した場合には、式（１）の光透過率の非線形性を用いるために駆動周波数における光変調成分が必ず存在する。したがって、本実施例の半導体パルス光源では、駆動周波数の強度変調を受けなくなる分、従来の構成より生成される光パルス列の品質が向上する。
【００３１】
さらに、本実施例の半導体パルス光源によれば、従来よりも駆動に必要な高周波電気信号の電力を低減でき、かつレーザの閾値電流を下げることができる。その理由を以下に説明する。
【００３２】
図２にｍ＝２，Ｖa＝−２．５の時に、本実施例と従来例において、発振器から出力される高周波電気信号の電力に対する、１２０ＧＨｚ光変調強度の変化を計算した結果を示す。高周波電気信号の電力Ｐは、バイアス回路を５０Ω系で構成するのが設計が容易であるため、Ｐ＝Ｖ12/(２×５０）で計算した。高周波電気信号の電力がおおよそ２０ｍＷから８０ｍＷの範囲で、本実施例の構成の半導体パルス光源の方が光変調強度が大きくなるので、同じ光変調強度を得るために必要な高周波電気信号の電力は小さくなる。また、光損失は高周波電気信号の電力に対して単調に減少し、かつ本実施例と従来例で大きく変わらないため、小さな高周波電気信号の電力で駆動できる本実施例の方が光損失が小さくなる。したがって、レーザの閾値電流が小さく、安定したパルス光源を実現できる。なお、高周波電気信号の電力を８０ｍＷ以上とすると従来例の方が光変調強度が大きくなるが、この領域では光変調器領域の光損失が５０％を大きく下回るため、実用的ではない。
【００３３】
なお、本実施例では、自励繰り返し周波数を約１２０ＧＨｚとして説明したが、異なる周波数であっても同様の構成で、同様の効果をもつ半導体パルス光源を構成できる。
また、本実施例では、多重量子井戸電界吸収型光変調器のパラメータｍを２，Ｖaを−２．５Ｖ，発振器の電圧振幅Ｖ1は１Ｖとして効果を例示したが、他の値であっても同様の効果が得られる。
また、本実施例では、利得領域は多重量子井戸構造を利用しているが、バルク活性層で代用することができる。
また、電力分配器１０６はウィルキンソン型の電力分配器としたが、他の同相で出力される電力分配器を用いても良い。
また、電力分配器１０６および遅延線１０９は、セラミック基板上のマイクロストリップラインで形成したが、石英等の他の基板を用いても良いし、半導体モード同期レーザを形成した基板表面上の伝送線路で形成しても良い。
【実施例２】
【００３４】
本発明の半導体パルス光源の第２の実施例を説明する概略図を図３に示す。本実施例では、リング型のハイブリッドカプラをセラミック基板上のマイクロストリップラインで形成した電力分配器１１１を用いており、２つの出力端に、位相が互いにπずれた信号を出力することができるため、遅延線を省略できる利点がある。
それ以外の構造については前述した実施例１と同様な構造であり、同様な作用，効果がある。
【００３５】
また、電力分配器１０６は位相が互いにπずれた信号を出力できるものであれば、リング型以外の電力分配器を用いても良い。
また、電力分配器１１１は、セラミック基板上のマイクロストリップラインで形成したが、石英等の他の基板を用いても良いし、半導体モード同期レーザを形成した基板表面上の伝送線路で形成しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施例１を示す構成図である。
【図２】本発明の実施例１により、従来より小電力で同程度の光変調強度が得られることを説明する説明図である。
【図３】本発明の実施例２を示す構成図である。
【図４】従来技術を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０１  利得領域
１０２  ブラッグ反射鏡
１０３  多重量子井戸電界吸収型光変調器領域
１０４  多重量子井戸電界吸収型光変調器領域
１０５  電流源
１０６  電力分配器
１０７  発振器
１０８  電圧源
１０９  遅延線
１１０  バイアス回路
１１１  電力分配器
１２０  ｎ型ＩｎＰ基板
３０１  利得領域
３０２  ブラッグ反射鏡
３０３  多重量子井戸電界吸収型光変調器領域
３０５  電流源
３０６  発振器
３０７  電圧源
３０８  バイアス回路
【図１】
2006339468.tif 000009
【図２】
2006339468.tif 000010
【図３】
2006339468.tif 000011
【図４】
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