(57)【要約】  ０．５ＧＨｚからＴＨｚ領域までの周波数領域にある光学的なマイクロ波を形成するための簡単な調整可能なモノシリックに集積されたモジュールが提供される。本発明による光学的なマイクロ波源はマルチセクション半導体レーザとして構成されており、この半導体レーザのセクションは別個に電気的に制御可能に構成されている。光学的なマイクロ波源は、レーザ閾値を超えて動作する単一モードのＤＦＢレーザ（１）と、少なくとも１つのモノリシックに集積されている（外部）キャビティとを有し、このキャビティは受動的な位相制御セクション（２）と能動的なセクション（３）とから構成されている。マルチセクション半導体レーザは２つのファセットによって境界付けられており、これらのファセットの内の少なくとも一方は０より大きい反射率を有する。受動的なセクション（２）及び能動的なセクション（３）はＤＦＢセクション（１）と共通の導波体（ＷＬ）を介して接続されている。能動的なセクション（３）は増幅のための手段を有し、受動的なセクション（２）はマルチセクション半導体レーザにおいて戻ってくる波長の位相位置を変化させる手段を有する。
2005512136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチセクション半導体レーザとして構成されている光学的なマイクロ波源であって、
前記マイクロ波源のセクションは別個に電気的に制御可能であり、該セクションはレーザ閾値以上で動作する単一モードのＤＦＢレーザ（１）と、受動的な位相制御セクション（２）及び能動的なセクショ（３）から構成されている少なくとも１つのモノリシックに集積された外部キャビティとを有する、光学的なマイクロ波源において、
−前記マルチセクション半導体レーザは２つのファセットによって境界付けられており、該ファセットの少なくとも一方は０より大きい反射率を有し、
−前記受動的なセクション（２）及び前記能動的なセクション（３）は前記ＤＦＢセクション（１）と共通の導波体（ＷＬ）を介して接続されており、
−前記能動的なセクション（３）は前記マルチセクション半導体レーザに戻ってくる波長を増幅する手段を有し、
−前記受動的なセクション（２）は前記マルチセクション半導体レーザに戻ってくる波長の位相位置を変える手段を有することを特徴とする、光学的なマイクロ波源。
【請求項２】
外部キャビティはモノリシックに前記マルチセクション半導体レーザに集積されており、該マルチセクション半導体レーザのＤＦＢファセットは反射防止加工されている、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項３】
２つの外部キャビティがモノリシックに前記マルチセクション半導体レーザに集積されており、該２つのファセットは０より大きい反射率を有する、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項４】
０より大きい前記反射率はファセットの積層により実現されている、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項５】
前記モノリシックに集積されているキャビティの長さは実現すべきマイクロ波周波数領域の上限値によって決定されている、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項６】
前記マルチセクション半導体レーザの温度安定化動作のための手段が設けられている、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項７】
前記マルチセクション半導体レーザは付加的に、集積された変調器セクション（Ｍ）を有する、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項８】
前記マルチセクション半導体レーザには付加的に、外部変調器が後置接続されている、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項９】
前記変調器（Ｍ）はパルスを短くする手段を有する、請求項７又は８記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１０】
前記マルチセクション半導体レーザにはパルスを形成する手段が後置接続されている、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１１】
前記ＤＦＢレーザ（１）は指数結合レーザである、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１２】
前記ＤＦＢレーザ（１）は利得結合レーザである、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１３】
前記ＤＦＢレーザ（１）は位相ジャンプの特性が組み込まれた格子を有する、請求項１及び請求項１１または１２記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１４】
ＤＦＢセクション（１）における縦方向格子周期が変化する、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１５】
前記ＤＦＢセクションにおいて延在する導波体の区間の横方向の幅が変化する、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１６】
前記ＤＦＢレーザを制御する手段がセクション化されて構成されている、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１７】
前記導波体を加熱する手段が、該導波体の隣において前記受動的なセクションまたは前記能動的なセクションに配置されている、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１８】
前記マイクロ波源は同期手段、例えば変調される電流源を有する、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項１９】
前記マイクロ波源は付加的な反射率を有する、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【請求項２０】
前記マイクロ波源は後置接続されているモジュールに光を効率的に入力結合させるためにテーパ状の移行領域を有する、請求項１記載の光学的なマイクロ波源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セクションを別個に電気的に制御できるよう構成されているマルチセクション半導体レーザとして構成されている光学的なマイクロ波源に関する。
【０００２】
このようなマルチセクション半導体レーザは従来技術において種々のタイプ／装置に関して記述されている。
【０００３】
セクションＤＦＢ／位相／ＤＦＢを備え、受動的な反射器としての第２のＤＦＢを有する第２のＤＦＢセクションが構成されており、したがって分散型のＱスイッチを実現する自己変調型レーザはIEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33, No2, Feb. 1997, pp.211-218、B.Sartorius, M. Moehrle, S.Reichenbacher, H. Preier, H. -J. Wuensche, U. Bandelowらの論文「Dispersive Self-Q-Switching in Self-Pulsating DFB Lasers」ないしＤＥ  １９５  １３  １９８に記載されている。このレーザは２０ＧＨｚより低い共振周波数の範囲の周波数に制限されている。マイクロ波周波数の同調は能動的に動作するＤＦＢセクションにおける電流を介する共振周波数の同調の範囲で可能である。
【０００４】
ＥＰ  １  ０８７  ４７８には、ＤＦＢ／位相／ＤＦＢまたはＤＦＢ／ＤＦＢセクションを有する自己変調型レーザが記載されており、２つのＤＦＢは能動的に動作する。全体の共振器における２つのＤＦＢモードの結合の結果、異なるＤＦＢセクションのＤＦＢモードの間隔に比例するマイクロ波が生じる。周波数の上限の限界は２つのレーザ相互のモードの間隔によって決定され、もはやレーザの共振周波数を介しては決定されない。２つのＤＦＢレーザを有するモジュールの複雑性によって、この解決手段は同一のモジュールの製造を保証する非常に正確なテクノロジを要求する。収量は不可避の予期せぬパラメータ、例えば格子間の位相関係によって非常に僅かであり、さらには同調されていないことにより低減されている。
【０００５】
Tager及びPetermannによってIEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.30, No.7, July 1994, pp.1553-1561の論文「High-Frequency Oscillation and Self-Mode Locking in Short External-Cavity Laser Diodes」において受動的なキャビティが集積されているＤＦＢレーザが提案された。このモジュールタイプは上述の解決手段の技術的な困難性を回避する。上側のマイクロ波周波数はこの解決手段においては標準的に、集積された受動的なキャビティにおける光学的な損失によって決定され、また３０ＧＨｚに制限されている。
【０００６】
従来技術に基づき言及した光学的なマイクロ波源に関する解決手段は、周波数の点で制限されているないし技術的に非常に繁雑である。
【０００７】
したがって本発明の課題は、０．５ＧＨｚからＴＨｚ領域の周波数領域における光学的なマイクロ波を形成するために、簡単で同調可能なモノリシックに集積されているモジュールを提供することである。
【０００８】
この課題は本発明によれば、マルチセクション半導体レーザとして構成されている光学的なマイクロ波源によって解決され、ここでこの光学的なマイクロ波源のセクションを別個に電気的に制御することができ、レーザ閾値を超えて動作する単一モードのＤＦＢレーザを有し、また受動的な位相制御セクション及び能動的なセクションから成るモノリシックに集積された（外部）キャビティを有し、マルチセクションレーザは２つのファセットによって境界付けられており、これら２つのファセットの内の少なくとも一方は０より大きい反射率を有し、受動的なセクションと能動的なセクションはＤＦＢセクションと共通の導波体を介して接続されており、能動的なセクションはマルチセクション半導体レーザにおいて戻ってくる波長を増幅するための手段を有し、受動的なセクションはマルチセクション半導体レーザにおいて戻ってくる波長の位相位置を変化させるための手段を有する。
【０００９】
本発明によるマイクロ波源を用いて、純粋な受動的な外部キャビティでは到達できないフィードバック強度が達成される。モノリシックに集積されている外部キャビティにおける光学的な増幅を用いることにより、フィードバックされる光の許容される位相回転の範囲も、到達可能なマイクロ波周波数も増大する。同時に、一定の幾何学を有するモジュールを表す本発明による解決手段においては、事後的に、すなわち動作時に周波数を動作パラメータを介してコントロールすることが可能である。この際、ＤＦＢレーザについてどの順序で受動的なセクションと能動的なセクションとが配置されているかは重要ではない。
【００１０】
レーザ光のＤＦＢセクションへのフィードバックにより、全体の共振器において２つの縦モードが発振することになる。これらのモード間のうなりによって高周波の光学マイクロ波信号が生じる。この際集積されるキャビティの長さは所望のマイクロ波周波数領域に応じて選択される。このデザインパラメータはモジュールの製造中に確定される。到達可能な最大マイクロ波周波数ｆｒｆはこの際ｆｒｆ＜１／τ０であり、ここでτ０はモノリシックに集積された外部キャビティにおける循環時間（Umlaufzeit）である。
【００１１】
マイクロ波周波数の同調にとって重要なパラメータはＤＦＢレーザへの光学的なフィードバックの強度である。光学的なフィードバックの強度は端部ファセットの反射率、集積された（外部）キャビティ並びに本発明により集積された（外部）キャビティ内に配置されている光学的に能動的なセクションの光学的な増幅における光学的な損失によって決定されている。端部ファセットの反射率も集積された（外部）キャビティにおける光学的な損失も所定のモジュールにおいては変化しない、ないし僅かにしか変化しない。これらの量は製造の制約がある。したがってこれらの量はマイクロ波周波数の制御式の同調には適していない。
【００１２】
これに対して本発明によるマイクロ波源では、マイクロ波周波数の同調が外部キャビティ内に集積されている光学的に能動的なセクションの制御式の光学的な増幅を介して可能である。能動的なセクションにおける電流を介する増幅の制御によって、戻ってくる波長の強度、したがってマイクロ波周波数が同調される。このセクションの増幅は、モノリシックに集積された外部キャビティを通過する際に光学的な波長が被って生じた損失（セクション境界における損失、受動的なセクションにおける吸収、端部ファセットの反射率）を補償し、最終的に増幅するには十分な大きさである。
【００１３】
能動的なセクションにおける増幅の変化は戻ってくる波長の光学的な位相の変化を結果としてもたらすので、別の制御パラメータが必要とされる。この制御パラメータ、位相セクションに注入される電流は屈折率を変化させ、したがって戻ってくる光学的な波長の位相を変化させる。したがって位相セクションに注入される電流は、能動的なセクションの増幅が変化した場合には、戻ってくる光学的な波長の位相位置の補償に使用される。つまり戻ってくる波長の位相位置を補償できるということはマイクロ波周波数の同調を可能にする。
【００１４】
本発明の実施形態においては、外部キャビティがモノリシックにマルチセクション半導体レーザに集積されており、この半導体レーザのＤＦＢファセットは反射防止加工されているか、２つの外部キャビティがモノリシックにマルチ半導体レーザに集積されており、２つのファセットは０より大きい反射率を有する。反射率の増大はファセットの積層によって実現されている。
【００１５】
別の実施形態ではモノリシックに集積されたキャビティの長さが、実現すべきマイクロ波周波数領域の上限値によって決定されている。
【００１６】
機能の最適化の自由度を放棄するならば、２つのセクションしか有さない、すなわち共通の導波体を介して光学的に結合されているＤＦＢレーザと能動的なセクションの２つのセクションしか有さない、マイクロ波源の簡単な装置を提供することができる。
【００１７】
本発明の別の実施形態においてマルチセクション半導体レーザの温度安定化のために設けられている手段は、本発明によるマイクロ波源の周波数領域における安定した動作を保証する。
【００１８】
光学的なマイクロ波源の以下の実施形態はデータ源ないしパルス源としての使用と密接に関連している。
【００１９】
つまり２つの実施形態では、マルチセクション半導体レーザは集積された変調セクションを付加的に有するか、マルチセクション半導体レーザには外部変調器が付加的に後置接続されている。前者の場合には、高周波電圧によって変調器が吸収で変調され、その結果データ信号がマイクロ波パルスに印加される。後者の場合には、変調器は例えば自由放射光学系またはファイバ結合を介してパルス源と接続されている。この実施形態はマイクロ波源及び変調器の別個の最適化を許容し、これによって機能の改善が達成される。所期のようにパルスを形成するために、例えばマイクロ波源のパルスを短くするために、後置接続された又は集積された変調器は付加的な手段、例えば変調器を電気的に動作させるための手段又は放射を用いる空格子点の挿入によりキャリアの寿命を低減するための手段を有する。パルス形成のための手段がマルチセクション半導体レーザに後置接続されている場合にもパルス形成を達成することができる。つまり本発明によるマイクロ波源には増幅器及びファイバまたは非線形の光学的な特性を備えたファイバを後置接続することができる。光ファイバにおける非線形性を使用することによってパルス持続時間は時間的に短縮される。
【００２０】
本発明による解決手段の以下の実施形態はＤＦＢセクションに関する。ＤＦＢレーザは、例えば位相ジャンプの特性が組み込まれた格子を有する指数結合レーザ又は利得結合レーザである。これによって所望の周波数領域のマイクロ波源の収量は高められる。何故ならば、本発明によるこの装置によってＤＦＢセクションに由来する他のモードが抑制されるからである。
【００２１】
本発明による解決手段では不均一な格子の作用を、一方ではＤＦＢセクションにおける変化する縦方向の格子周期によって実現することができるか、ＤＦＢセクションにおいて延在する導波体の区間の横方向の幅の変化によっても実現することができる。
【００２２】
別の実施形態では、ＤＦＢレーザを制御するための手段はセクション化されて構成されている。このセクション化された電流コンタクト及びＤＦＢサブセクションの種々の動作電流によって、ＤＦＢレーザを所期のように制御することができる。
【００２３】
本発明の別の実施形態において設けられており、導波体の隣において受動的な領域または能動的な領域に配置されている、導波体を加熱するための手段によって、受動的な位相セクションにおける屈折率を変化させることができる。これによって、フィードバックされるレーザ光の位相関係を熱的に制御することができる。熱的な同調を外部キャビティの光学的に受動的なセクションにおいても、能動的なセクションにおいても行うことができる。
【００２４】
マイクロ波源は他の実施形態においては同期のための手段、殊に変調される電流源を有する。したがって電流がマイクロ波のパルス周波数を用いて変調されていることによって、電流変調を介する同期を行うことができる。変調はＤＦＢセクション又は能動的なセクションにおいて行われる。
【００２５】
例えば個々のセクション間の導波体をエッチングすることによって実現されている実施形態において設けられているように、マイクロ波源が付加的な反射率を有する場合には、これによってモジュール内に多数のキャビティが生じ、これらのキャビティはモジュールの比較的高い柔軟性を保証する。
【００２６】
後置されているモジュールに光を効果的に入力結合するために、マイクロ波源は集積されたテーパ状の移行領域を有する。テーパの特有の実施形態においてはレンズを有するファイバを省略することができる。この場合には例えば劈開化され（gespalt）また必要に応じてファイバ波長について反射防止加工されたファイバを使用することができる。
【００２７】
本発明を以下の実施例において図面に基づき詳細に説明する。
【００２８】
ここで、
図１は３セクション半導体レーザの第１の実施例の概略図を示し、
図２は図１のマイクロ波源の光学的なスペクトルを示し、
図３は図１のマイクロ波源の同調領域を示し、
図４は図１のマイクロ波源の同期特性を示し、
図５は図１のマイクロ波源において同期されたパルスを示し、
図６は集積された変調器を備えた本発明によるマイクロ波源の第２の実施例の概略図を示し、
図７はセクション化されたＤＦＢレーザを備えた本発明によるマイクロ波源の第３の実施例の実施例を示し、
図８は集積された２つの外部キャビティを備えた本発明によるマイクロ波源の第４の実施例を示す。
【００２９】
本発明によるマイクロ波源の第１の実施例が概略的に図１に示されている。このマイクロ波源は半導体レーザであり、この半導体レーザには１つの外部キャビティがモノリシックに集積されており、これとともに半導体レーザは３つのセクションを有する。セクション１、２及び３は共通の導波体によって接続されている。セクション１はＤＦＢレーザを表し、電流Ｉ１でもって動作し、セクション２は受動的なセクションを表し、電流Ｉ２でもって動作し、セクション３は能動的なセクションを表し、電流Ｉ３でもって動作する。ＤＦＢファセットには反射防止膜ＡＲを設けることができ、端部ファセットにおける反射率Ｒは０よりも大きい。この実施例においてはセクション１は２００μｍの長さであり、セクション２は５５０μｍの長さであり、セクション３は２５０μｍの長さである。外部キャビティの長さは８００μｍであり、これにより上側のマイクロは周波数は約５８ＧＨｚとなる。ＤＦＢレーザセクション１のブラッグ波長は１５３８ｎｍであり、結合係数はκ＝１３０ｃｍ−１である。ＤＦＢレーザセクション１の端部ファセットは反射防止膜化されており、能動的なセクション３の端部ファセットはＲ〜０．３の反射率を有する劈開面である。約３７．６ＧＨｚの周波数を調節するために、３セクション半導体レーザはＩ１＝９０ｍＡ、Ｉ２＝０．５ｍＡＩ３＝９５ｍＡでもって動作する。
【００３０】
図２には図１に示されたマイクロ波源の光学的なスペクトル（波長に依存する光学的な出力）が示されており、電流Ｉ１、Ｉ２及びＩ３の調節は既に言及したように行われる。横モード抑圧比（ＳＭＳＲ：side mode suppression ratio）は４０ｄＢ以上である。メインモード間隔は３７．６ＧＨｚのマイクロ波周波数に相応する。
【００３１】
図１に示された本発明による３つのセクションを有する光学的なマイクロ波源の同調領域が図３に示されている。ここではＤＦＢレーザセクション１は一定の電流Ｉ１＝１００ｍＡで動作した。外部キャビティへと戻ってくる波長の光学的な位相を一定に保つために、能動的なセクション３における電流Ｉ３が調整される。
【００３２】
図４は、図１の本発明によるマイクロ波源の相対的な電力と周波数との関係を示す。２つの測定曲線の内、一方は電気的なスペクトル分析器を用いて測定された３７．６２ＧＨｚの周波数を有する非同期のマイクロ波（実線）であり、他方四角が付された測定曲線は同期が行われたマイクロ波を示す。これに関して０ｄＢの光学的なデータ信号が本発明によるマイクロ波源に入力結合され、このマイクロ波源が３７．６ＧＨｚの注入された周波数に同期された。
【００３３】
マイクロ波源を同期させるために、例えばｆ／ｎ（所望のクロックの一部）である低調波の周波数、例えば９．４ＧＨｚを有するパルスがマイクロ波源に注入される。これは図５において上部に示されたパルスである。この図における下部のパルスは３７．６ＧＨｚの周波数を有する同期されたマイクロ波源を示す。吸光度は約６ｄＢであるが、ここでこの値は測定システムの帯域幅によって制限されている。
【００３４】
本発明によるマイクロ波源がデータ源又はパルス源として使用される場合には、例えば集積された変調器を有する実施形態を実現することができる。既に図１において所属の電流Ｉ１、Ｉ２及びＩ３と共に説明したようにセクション１、２及び３を備えた３セクション半導体レーザと、高周波電圧ＵＭによって吸収で変調される集積された変調セクションＭとから構成されているこの実施形態は図６に示されている。変調はデータ信号のマイクロ波パルスへの印加を惹起する。
【００３５】
図７には図１に示された本発明によるマイクロ波源に関して、ＤＦＢセクション１における電流コンタクトが分割されている。したがって種々の動作電流Ｉ１，１．．．Ｉ１，４によるセクション１のサブセクションの制御を所期のように実現することができ、これによってＤＦＢレーザ１の所定のモード制御が可能となる。
【００３６】
図８には、ここで２つの集積されたキャビティを有するマイクロ波源の本発明による実施形態が示されている。ＤＦＢレーザ１の両側には、それぞれ１つの受動的なセクション２．１ないし２．２及びそれぞれ１つの能動的なセクション３．１ないし３．２を有する集積されたキャビティがそれぞれ１つずつ配置されている。キャビティは異なる長さに構成することができ、また異なる構成を取ることができる。受動的なセクション及び能動的なセクションを任意の順序で配置することができる。
【００３７】
本発明による装置は、ハイブリッドなマイクロ波源に比べて安定して動作する集積されたマイクロ波源である。本発明による装置は離調された格子を有するモジュール（例えばＤＦＢ／能動的なセクション／ＤＦＢないしＤＦＢ／ＤＦＢ）に比べ簡単なテクノロジでもって製造することができる。熱効果が複数の格子間の相関を変化させないので、マイクロ波源はモジュールの簡単な制御を実現する。反射防止加工は本発明による解決手段においては必ずしも必要ではない。モード結合レーザと比較すると本発明によるマイクロ波源の周波数は能動的なセクションの電流及び受動的なセクションの電流によって同調させることができる。上述のモード結合によって僅かな周波数ノイズしか発生しない。本発明によるマイクロ波源でもって大きい変調幅を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】３セクション半導体レーザの第１の実施例の概略図である。
【図２】図１のマイクロ波源の光学的なスペクトルである。
【図３】図１のマイクロ波源の同調領域である。
【図４】図１のマイクロ波源の同期特性である。
【図５】図１のマイクロ波源において同期されたパルスである。
【図６】集積された変調器を備えた本発明によるマイクロ波源の第２の実施例の概略図である。
【図７】セクション化されたＤＦＢレーザを備えた本発明によるマイクロ波源の第３の実施例の実施例である。
【図８】集積された２つの外部キャビティを備えた本発明によるマイクロ波源の第４の実施例の概略図である。
【図１】
2005512136.tif 000003
【図２】
2005512136.tif 000004
【図３】
2005512136.tif 000005
【図４】
2005512136.tif 000006
【図５】
2005512136.tif 000007
【図６】
2005512136.tif 000008
【図７】
2005512136.tif 000009
【図８】
2005512136.tif 000010
【国際調査報告】
2005512136.tif 000011
2005512136.tif 000012
2005512136.tif 000013
2005512136.tif 000014
2005512136.tif 000015
2005512136.tif 000016