(57)【要約】【課題】光注入同期の維持能力を従来と同等に保ちつつ、構成を簡易にする。【解決手段】光利得領域３、光変調領域２、及び受動導波路領域４を備えたコア３０並びにクラッド５及び６を有する光導波路４０を含み、光注入同期を発現可能な連続波光ＣＷが注入されて、この連続波光に波長が等しい縦モードを含む光パルス列ＬＢを出力するモード同期半導体レーザ素子１と、光パルス列に含まれる第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２を、その強度比が光パルス列の全光強度に対する主縦モードの比率を反映するように分離する分離手段６０と、第２光成分の光強度を用いた制御指標により、光注入同期を維持可能な波長に主縦モードを制御する制御手段６０とを備える。【選択図】図７
2013074187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反転分布を形成する光利得領域、光強度を変調する光変調領域、及び調整部により発振光の波長が変化される受動導波路領域を有し、前記発振光が伝搬するコア、並びにクラッドを具備する光導波路を含み、
前記発振光に含まれる複数の縦モードの内何れかの縦モードである標的縦モードとの間に光注入同期を発現可能な波長差を有し、かつ前記発振光と偏光方向が一致する連続波光が入力され、該連続波光に等しい波長の縦モードである主縦モード、及び該主縦モード波長の周りに分布する複数の従縦モードを含む光パルス列を出力するモード同期半導体レーザ素子と、
前記光パルス列に含まれる第１及び第２光成分を、当該第１及び第２光成分の強度比が、前記光パルス列の全光強度に対する前記主縦モードの比率を反映するように分離する分離手段と、
前記第２光成分の光強度を用いて制御指標を求めるとともに、該制御指標を用いて前記調整部を制御して、前記波長差が前記光注入同期を維持可能な波長同期範囲内に保たれるように、前記主縦モードの波長を変化させる制御手段と
を備え、
前記第１光成分を、前記主縦モード波長を中心とする分離波長幅内に含まれる前記縦モードとし、及び前記第２光成分を、前記光パルス列に含まれる全ての縦モードから前記第１光成分を除いた縦モードとする
ことを特徴とするモード同期半導体レーザ装置。
【請求項２】
前記制御指標として、前記第１光成分に対する前記第２光成分の強度比である成分間強度比を用い、
前記制御手段は、前記成分間強度比と予め定められた基準値との差異を小さくするように、前記調整部を制御することを特徴とする請求項１に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記光注入同期が発現していない状態の前記モード同期半導体レーザ素子から出力される非同期光パルス列が含む全縦モードの包絡線において、該包絡線のピークに対して強度比がｘ（ただし、ｘは０＜ｘ＜１）以上となる波長範囲を非同期光パルス列全幅とし、
前記光注入同期が維持されている状態の前記モード同期半導体レーザ素子から出力される前記光パルス列が含む全縦モードの包絡線において、該包絡線のピーク対して強度比が前記ｘ以上となる波長範囲を同期光パルス列全幅とする場合、
前記分離手段の前記分離波長幅を、前記非同期光パルス列全幅未満で、前記同期光パルス列全幅を超える波長範囲に設定することを特徴とする請求項１又は２に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記光注入同期が発現していない状態の前記モード同期半導体レーザ素子から出力される非同期光パルス列を前記分離手段で分離したときの第１及び第２光成分において、当該第１光成分に対する当該第２光成分の強度比を非同期強度比とし、
前記光注入同期が維持されている状態における前記成分間強度比を同期強度比とする場合、
前記基準値を、前記非同期強度比と前記同期強度比の間の値に設定することを特徴とする請求項２に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記分離手段が、前記分離波長幅を通過帯域として、前記第１光成分を透過させ、前記第２光成分を反射させる光透過反射フィルタを備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項６】
前記光導波路に、真性半導体層としての前記受動導波路領域と、該受動導波路領域を両側から挟む前記クラッドとしてのｐ型クラッド及びｎ型クラッドとで形成されるｐｉｎ接合が設けられ、
前記調整部は、前記制御手段の制御に従った制御電流を前記受動導波路領域に注入することにより、該受動導波路領域の屈折率を変化させる制御電流注入装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項７】
前記光導波路に、真性半導体層としての前記受動導波路領域と、該受動導波路領域を両側から挟む前記クラッドとしてのｐ型クラッド及びｎ型クラッドとで形成されるｐｉｎ接合が設けられ、
前記調整部は、前記制御手段の制御に従った制御逆バイアス電圧を前記受動導波路領域に印加することにより、該受動導波路領域の屈折率を変化させる制御電圧印加装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項８】
前記調整部は、前記制御手段の制御に従って前記受動導波路領域の温度を調整することにより、該受動導波路領域の屈折率を変化させる温度調整装置として構成されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項９】
前記コアの一方の端面が、前記光パルス列及び前記連続波光の入出力端面として共有されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項１０】
前記コアの一方の端面が前記連続波光の入力端であり、前記コアの他方の端面が前記光パルス列の出力端であることを特徴とする請求項１〜８の何れか一項に記載のモード同期半導体レーザ装置。
【請求項１１】
反転分布を形成する光利得領域、光強度を変調する光変調領域、及び受動導波路領域を有し、前記発振光が伝搬するコア、並びにクラッドを具備する光導波路を含み、前記発振光中に含まれる複数の縦モードの内何れかの縦モードである標的縦モードとの間に光注入同期を発現可能な波長差を有し、かつ前記発振光と偏光方向が一致する連続波光が入力されるモード同期半導体レーザ素子から前記連続波光に等しい波長の縦モードである主縦モード、及び該主縦モード波長の周りに分布する複数の従縦モードを含む光パルス列を出力させる第１過程と、
前記光パルス列に含まれる第１及び第２光成分を、当該第１及び第２光成分の強度比が前記光パルス列の全光強度に対する前記主縦モードの強度比を反映するように分離する第２過程と、
前記第２光成分の光強度を用いて前記発振光の波長を制御して、前記波長差の大きさが前記光注入同期を維持可能な波長同期範囲内に保たれるように、前記主縦モードの波長を変化させる第３過程と
を備え、
前記第１光成分を、前記主縦モード波長を中心とする分離波長幅内に含まれる複数の前記縦モードとし、及び前記第２光成分を、前記光パルス列に含まれる全ての縦モードから前記第１光成分を除いた縦モードとする
ことを特徴とするモード同期半導体レーザ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、出力光パルス列の波長が可変である光注入同期型のモード同期半導体レーザ装置、及び同装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、インターネットの普及等により通信需要が急速に増大しており、それに対応して光ファイバを用いた大容量で高速の光通信ネットワークが整備されつつある。一般に、長距離光通信ネットワークの光信号には、所定の繰り返し周波数（以下、パルス周波数とも称する。）の光パルス列に、「１」及び「０」に応じた強度の強弱を与えるＲＺ（Ｒｅｔｕｒｎ  ｔｏ  Ｚｅｒｏ）フォーマットが用いられる。連続する「１」に対応するパルスの間で強度が一旦ゼロになるＲＺフォーマットでは、長距離伝送時の時間波形の劣化が抑えられる。
【０００３】
ＲＺフォーマットの光信号（以下、ＲＺ光信号とも称する。）で高速な通信を行うためには、パルス周波数を高めることが有効である。そのためには、ＲＺ光信号の元となる光パルス列を生成する光パルス光源において、パルス周波数を高める必要がある。ここで、光パルス列とは、パルス周波数の逆数で与えられる時間間隔で、光パルスを時間軸上に等時間間隔に並べた光信号である。
【０００４】
大容量かつ高速な光通信のために、光パルス光源には、パルス周波数を高めるだけに止まらず、さらに周波数チャーピング及び位相雑音が小さい高品質な光パルス列を生成する能力が求められている。このような光パルス光源の一つとして、１０ＧＨｚ超のパルス周波数が得られる等、上述の能力を満足し、さらに小型で堅牢かつ低コストなモード同期半導体レーザ（ＭＬＬＤ：Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ）が挙げられる。なお、ＭＬＬＤとは、モード同期動作に好適な構成を備えた半導体レーザのことを示す。
【０００５】
一方、光通信ネットワークの大容量化のために、一本の光ファイバに複数チャンネルの光信号をまとめて伝送する光多重技術が用いられる。この光多重技術の一つとして、複数の異なる波長をチャンネルごとに割り当てる波長分割多重技術（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が広く用いられている。
【０００６】
このＷＤＭと、ＭＬＬＤで構成された光パルス光源とを組み合わせるために、ＭＬＬＤには、さらに、光パルス列の波長を所望に変化させる、いわゆる波長可変特性が求められる。
【０００７】
さらに、昨今のＷＤＭでは、通信容量をより一層拡大するために、隣接チャンネル間の波長差を狭くする、いわゆるＤｅｎｓｅ−ＷＤＭが用いられ始めている。Ｄｅｎｓｅ−ＷＤＭでは、光パルス光源に、上述の波長可変特性に加えて、隣接チャネル間での不所望な相互作用を防ぐために、光信号の中心波長の揺らぎを周波数換算で数ＧＨｚ以内に抑える、高い波長安定性が求められる。
【０００８】
ＭＬＬＤに求められる波長可変特性及び波長安定性の内、特に、波長可変特性に注力した技術が幾つか提案されている。一つの技術では、レーザ共振器内に、誘電体多層膜フィルタや回折格子等の光バンドパスフィルタを設ける。つまり、この光バンドパスフィルタにより選択される帯域の中心波長を、機械的又は電気的に変化させることで、波長可変特性を得る（例えば、非特許文献１参照）。また、他の技術では、集積型ＭＬＬＤに備えられる分布ブラッグ反射器領域の温度を制御する。つまり、分布ブラッグ反射器領域に設けた電気抵抗層への通電時のジュール熱で生じる屈折率変化により、分布ブラッグ反射器のブラッグ反射波長を変化させ、波長可変特性を得る（例えば、非特許文献２参照）。
【０００９】
しかし、非特許文献１及び２のＭＬＬＤは出力光パルス列の波長安定性が十分とは言えず、Ｄｅｎｓｅ−ＷＤＭ用の光パルス光源としては不十分であった。
【００１０】
このような技術的背景の下、発明者は、既に、波長可変特性及び波長安定性を同時に達成するＭＬＬＤを提案している（例えば、非特許文献３参照）。概略的には、非特許文献３の技術は、連続波光の注入により生じる光注入同期を利用した、ファブリペロ（ＦＰ：Ｆａｂｒｙ‐Ｐｅｒｏｔ）共振器型のＭＬＬＤである。ここで、「連続波光」とは光強度の時間変動がなく一定の大きさの光電場の振幅強度が連続的に続く光である。
【００１１】
非特許文献３の技術は、従来のＦＰ共振器型ＭＬＬＤで問題とされた周波数チャーピングを解決している。また、非特許文献３の技術は、周波数チャーピング抑制の際に生じがちな、出力光パルス列の強度低下やパルス時間幅の拡大等の問題を、注入する連続波光の光強度を適当に調整することで解決している。さらに、非特許文献３の技術に係るＭＬＬＤでは、出力光パルス列と連続波光の波長は厳密に一致する。従って、波長安定性が高くかつ波長可変な連続波光源を用いれば、広い波長範囲で波長可変特性と波長安定性とを同時に達成できる。このように、非特許文献３の技術のＭＬＬＤによれば、Ｄｅｎｓｅ−ＷＤＭに特に好適な光パルス光源が得られる。
【００１２】
ここで、図１及び図２を参照して、光注入同期について説明する。図１（Ａ）は、光注入同期の説明に供する模式図である。図１（Ｂ）は、連続波光の注入無しでモード同期動作をしているＭＬＬＤにおいて、内部を伝搬するレーザ発振光（以下、発振光とも称する。）ＬＡの発振スペクトルである。図１（Ｃ）は、波長λＣＷの連続波光ＣＷが注入され、光注入同期が生じた状態でモード同期動作をしているＭＬＬＤから出力される光パルス列ＬＢの発振スペクトルである。図１（Ｄ）は、図１（Ｂ）の要部を拡大した模式図である。図１（Ｂ），（Ｃ）及び（Ｄ）の横軸は波長（任意単位）であり、縦軸は光強度（任意単位）である。また、図１（Ｂ）及び（Ｃ）中で、モード周期波長Λの間隔で並んだ直線は、それぞれ発振スペクトルの縦モードを示している。１つの縦モードの半値幅はきわめて狭いので、図では半値幅を無視した直線として描いてある。
【００１３】
図１（Ａ）によれば、概略的に、光注入同期とは、モード同期動作により発振光ＬＡが内部を伝搬しているＭＬＬＤに、波長λＣＷの連続波光ＣＷを注入すると、出力光パルス列ＬＢの波長が波長λＣＷに一致する現象を示す。
【００１４】
より詳細には、図１（Ｂ）を参照すると、光注入同期が生じない場合、発振光ＬＡは、強度が最大の縦モードＬＭｐの周りで、幅広な釣鐘状に分布する複数の縦モードを含む。ここで、発振光ＬＡが含む全縦モードの包絡線をｅｎＡと称する。なお、発振光ＬＡに限らず、複数の縦モードで構成された光について、包絡線とは、全縦モードの強度ピークを結んだ曲線とする。
【００１５】
このＭＬＬＤに、発振光ＬＡの全縦モードの波長範囲に含まれる波長λＣＷであり、かつ発振光ＬＡと偏光方向が一致する連続波光ＣＷを注入する。そして、発振光ＬＡに含まれる縦モードの中で連続波光ＣＷに波長が最も近い縦モード（以下、標的縦モードとも称する。）ＬＭと、連続波光ＣＷとの波長差δλを適切に保つことにより、光注入同期が発現する。ここで、波長差δλの概念を、図１（Ｄ）に示す。図１（Ｄ）から判るように、標的縦モードＬＭの波長をλＬＭとすると、波長差δλはλＣＷ−λＬＭと表される。
【００１６】
これにより、図１（Ｃ）に示すように、ＭＬＬＤから出力される光パルス列ＬＢでは、標的縦モードＬＭの波長λＬＭが連続波光ＣＷの波長λＣＷへと厳密に一致する。また、光注入同期により、光パルス列ＬＢでは、波長λＣＷの縦モードへと光強度が集中する。つまり、光パルス列ＬＢの発振スペクトルは発振光ＬＡに比べて狭窄化し、その包絡線ｅｎＢの全半値幅が発振光ＬＡの包絡線ｅｎＡよりも大幅に小さくなる。ここで、光パルス列ＬＢにおいて、波長λＣＷに等しく調整された標的縦モードＬＭを主縦モードＬＭと称する。また、最も強度が強い主縦モードの周りに対称的に分布する、主縦モードＬＭ以外の複数の縦モードを従縦モードＬｎと称する。
【００１７】
続いて、図２の発振スペクトルを参照して、光注入同期をさらに具体的に説明する。図２（Ａ）〜（Ｆ）は、上述の波長差δλを変化させた連続波光ＣＷを、非特許文献３のＭＬＬＤに注入して得られる、出力光パルス列ＬＢの発振スペクトルを包絡線とともに示す特性図である。図２（Ａ）〜（Ｆ）の縦軸は、それぞれ全光強度を基準とした光強度（ｄＢｍ）であり、横軸は、波長（ｎｍ）である。
【００１８】
より詳細には、図２を得るに当たり、非特許文献３のＦｉｇ．１０に準じて実験を行った。すなわち、標的縦モードとして、波長λＬＭが１５６２．０１ｎｍの縦モードを選択し、波長λＣＷを１５６１．８６〜１５６２．１６ｎｍで変化させた連続波光ＣＷをＭＬＬＤに注入した。なお、この連続波光ＣＷの波長λＣＷは、−０．１５〜０．１５ｎｍの波長差δλに対応する。また、図２（Ａ）〜（Ｆ）は、それぞれ、δλ＝−０．１，０，０．０５，０．０７，０．０９，０．１５ｎｍのときの光強度を示している。また、図２（Ａ）〜（Ｆ）において、モード周期波長Λは約０．３１ｎｍで、ほぼ一定である。
【００１９】
図２（Ａ）〜（Ｆ）を参照すると、波長差δλが０．０５ｎｍ（図２（Ｃ））と、波長差δλが０．０７ｎｍ（図２（Ｄ））とで、包絡線の半値幅が狭くなり、発振スペクトルの狭窄化が見られる。この結果から、波長差δλが０．０５〜０．０７ｎｍの範囲、すなわち幅０．０２ｎｍの狭い波長範囲に収まっているときに、光注入同期が維持されることが判る。この０．０２ｎｍの波長幅は、光周波数に換算して約２．５ＧＨｚに対応する。光注入同期が維持された状態で出力される光パルス列は周波数チャーピングが大幅に抑制されるため、Ｄｅｎｓｅ−ＷＤＭに特に好適である。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】Ｈ．Ｆ  Ｌｉｕ，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｔｕｎａｂｌｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｐｕｌｓｅｓ  ｆｒｏｍ  ａ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｐａｓｓｉｖｅｌｙ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｂｒａｇｇ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒ”  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ．７，Ｎｏ．１０，  ｐｐ．１１３９−１１４１，  １９９５．
【非特許文献２】Ｍ．  Ｃ．  Ｗｕ，  Ｙ．  Ｋ．  Ｃｈｅｎ，  Ｔ．  Ｔａｎｂｕｎ−Ｅｋ，  Ｒ．  Ａ．  Ｌｏｇａｎ，  ａｎｄ  Ｍ．  Ａ．  Ｃｈｉｎ，“Ｔｕｎａｂｌｅ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ  ｐｕｌｓｅ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｑｕａｎｔｕｍ−ｗｅｌｌ  ｌａｓｅｒｓ，”  ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｌｅｔｔ．，  ｖｏｌ．３，Ｎｏ．１０，  ｐｐ．８７４−９７６，  １９９１．
【非特許文献３】Ｓ．  Ａｒａｈｉｒａ，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｃｈｉｒｐ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ａｎｄ  ｂｒｏａｄｂａｎｄ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｔｕｎｉｎｇ  ｏｆ  ４０−ＧＨｚ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ａｃｔｉｖｅｌｙ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ  ｍｏｄｕｌｅ  ｗｉｔｈ  ａｎ  ｅｘｔｅｒｎａｌ  ＣＷ  ｌｉｇｈｔ  ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ，”  ＩＥＥＥ  Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，  ｖｏｌ．  １１，Ｎｏ．５，  ｐｐ．１１０３−１１１１，  ２００５．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
図２及び非特許文献３の記載（特に、Ｆｉｇ．１０及び１１と、１１０８頁右欄）から明らかなように、光注入同期の維持のために波長差δλに許容される波長範囲（０．０２ｎｍ）は非常に狭い。そのため、光注入同期を利用して光パルス列を出力するに当たり、ＭＬＬＤ装置には、この許容波長範囲内に波長差δλを収める能力が求められる。ここで、この許容波長範囲を波長同期範囲（ＷＬＲ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｌｏｃｋｉｎｇ  Ｒａｎｇｅ）とすると、ＷＬＲは、模式的に図１（Ｄ）のように表される。
【００２２】
ところで、非特許文献３から、Ｆｉｇ．１１に記載された指標であるＩ４／Ｉ０（以下、主従比率とも称する。）が、光注入同期の維持に有効であることが示唆される。Ｉ０は、出力光パルス列の主縦モードの強度である。また、Ｉ４は、主縦モードから、波長が大きくなる方向に数えて４番目の従縦モードの強度を示す。主従比率Ｉ４／Ｉ０は、出力光パルス列の包絡線の狭窄度、すなわち幅を反映する。
【００２３】
上述のように、光注入同期が生じると、出力光パルス列の包絡線が狭窄化していくので、主従比率Ｉ４／Ｉ０は、ＭＬＬＤで生じている光注入同期の程度（以下、同期強度とも称する。）を表す可能性がある。図３を参照して、この点をさらに説明する。図３は、図２（Ａ）〜（Ｆ）から求めた主従比率を示す特性図である。図３の縦軸は、主従比率（Ｉ＋５／Ｉ０）（ｄＢ）であり、横軸は、波長差δλ（ｎｍ）である。なお、図３の主従比率においては、分子として、主縦モードから、波長が大きくなる方向に数えて５番目の従縦モードの光強度Ｉ＋５を用いた。
【００２４】
図３を参照すると、主従比率（Ｉ＋５／Ｉ０）は、波長差δλが−０．０５〜０．０９ｎｍの範囲（以降、凹部範囲Ａ１と称する。）で谷を持つ。特に、波長差δλが０．０５〜０．０７ｎｍの範囲（以降、極小範囲Ａ２と称する。）で、主従比率は、−２７〜−３０ｄＢの極小を取る。波長差δλが−０．１５〜−０．０５ｎｍと、０．０９〜０．１５ｎｍの範囲、つまり凹部範囲以外の範囲（以下、一定値範囲Ａ３と称する。）で、主従比率は一定値（約−３ｄＢ）を取る。
【００２５】
図２及び図３から、主従比率が同期強度を非常に良く反映していることが判る。つまり、波長差δλが（１）一定値範囲Ａ３内の場合、光注入同期が未発現であり、（２）凹部範囲Ａ１内の場合、主従比率は同期強度に応じて変化し、及び（３）極小範囲Ａ２内の場合、光注入同期が良好に維持される。従って、出力光パルス列の主従比率を指標として、出力光パルス列ＬＢの主縦モード波長λＣＷについて、波長差δλを０．０５〜０．０７ｎｍのＷＬＲ内に保つ制御を行えば、光注入同期を維持することができる。
【００２６】
しかし、主従比率を用いて制御する手法では、主縦モード及び従縦モードの強度をそれぞれ測定するための装置構成が複雑かつ高価になる。例えば、主縦モード及び従縦モードの強度を十分な正確さで測定するために光スペクトルアナライザを用いると、装置の大型化と高額化が避けられない。また、主縦モードと従縦モードとを分離するために波長分離フィルタを用いると、この波長フィルタには非常に高い性能が求められる。すなわち、この波長分離フィルタには、モード周期波長Λ（図２では約０．３１ｎｍ）未満の高い波長分解能と、測定対象の縦モード以外の縦モードを排除する高いスペクトル抑圧能とが要求される。その結果、たとえ、波長分離フィルタを用いたとしても、装置構成が複雑化してしまう。
【００２７】
この発明は、このような問題に鑑みなされた。従って、この発明の目的は、光注入同期の維持能力を非特許文献３の技術と同様に保ちながらも、同技術よりも簡易なモード同期半導体レーザ装置、及び同装置の制御方法を提案することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
発明者は鋭意検討の結果、以下のようなモード同期半導体レーザ装置で、非特許文献３の技術と同様に光注入同期を維持できることに想到した。すなわち、この発明のモード同期半導体レーザ装置は、主縦モード波長を中心とする所定波長幅で光パルス列を区画し、この波長幅以外の縦モードを含む波長成分の強度から得られた制御指標により光注入同期を維持する。
【００２９】
従って、この発明のモード同期半導体レーザ装置は、モード同期半導体レーザ素子と、分離手段と、制御手段とで構成される。
【００３０】
モード同期半導体レーザ素子は、発振光が伝搬するコアと、クラッドとを備えた光導波路を有する。ここで、コアは、反転分布を形成する光利得領域と、光強度を変調する光変調領域と、発振光の波長を変化させる調整部を備えた受動導波路領域とを備えている。
【００３１】
そして、このモード同期半導体レーザ素子は、連続波光が入力され、光パルス列を出力する。ここで、入力される連続波光は、発振光に含まれる複数の縦モードの内何れかの縦モードである標的縦モードとの間に光注入同期を発現可能な波長差を有し、かつ発振光と偏光方向が一致する。また、出力される光パルス列は、連続波光に等しい波長の縦モードである主縦モード、及び主縦モード波長の周りに分布する複数の従縦モードを含む。
【００３２】
分離手段は、光パルス列を、強度比が、光パルス列の全光強度に対する主縦モードの比率を反映するように第１及び第２光成分に分離する。
【００３３】
制御手段は、第２光成分の光強度を用いて制御指標を求めるとともに、制御指標を用いて調整部を制御して、波長差が光注入同期を維持可能な波長同期範囲内に保たれるように、主縦モードの波長を変化させる。
【００３４】
そして、第１光成分を、主縦モード波長を中心とする分離波長幅内に含まれる複数の縦モードとし、及び第２光成分を、光パルス列に含まれる全ての縦モードから第１光成分を除いた縦モードとする。
【発明の効果】
【００３５】
この発明のモード同期半導体レーザ装置は、上述のように構成されているので、光注入同期の維持能力を非特許文献３の技術と同様に保ちつつ、非特許文献３の技術よりも構成を簡易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】（Ａ）は、光注入同期の説明に供する模式図であり、（Ｂ）は、連続波光の注入無しでモード同期動作をしているＭＬＬＤにおいて、内部を伝搬するレーザ発振光の発振スペクトルであり、（Ｃ）は、波長λＣＷの連続波光ＣＷが注入され、光注入同期が生じた状態でモード同期動作をしているＭＬＬＤから出力される光パルス列の発振スペクトルであり、（Ｄ）は、（Ｂ）の要部を拡大した模式図である。
【図２】（Ａ）〜（Ｆ）は、それぞれ、波長差δλを変化させた連続波光ＣＷを、非特許文献３のＭＬＬＤに注入して得られる、出力光パルス列の発振スペクトルを包絡線とともに示す特性図である。
【図３】図２（Ａ）〜（Ｆ）から求めた主従比率を示す特性図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ光パルス列の包絡線を示す模式図である。
【図５】図２（Ａ）〜（Ｆ）から求めた制御指標を示す特性図である。
【図６】分離手段における光の透過特性を示す特性図である。
【図７】第１実施例のＭＬＬＤ装置の構成を模式的に示す模式図である。
【図８】第２実施例のＭＬＬＤ装置の構成を模式的に示す模式図である。
【図９】第３実施例のＭＬＬＤ装置の構成を模式的に示す模式図である。
【図１０】第４実施例のＭＬＬＤ装置の構成を模式的に示す模式図である。
【図１１】第４実施例のＭＬＬＤ装置の効果を説明するための特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下、図面を参照して、この発明の実施形態について説明する。なお、各図において各構成要素の形状、大きさ及び配置関係について、この発明が理解できる程度に概略的に示してある。また、以下、この発明の好適な構成例について説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は、以下の実施形態に何ら限定されない。また、各図において、共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略することもある。
【００３８】
＜原理＞
まず、図４及び図５を参照して、この発明のＭＬＬＤを用いて光注入同期を維持するための原理について説明する。図４（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ光パルス列の包絡線を示す模式図である。
【００３９】
図４（Ａ）の包絡線ｅｎＣＷは、光注入同期が維持された状態でモード同期動作を行うＭＬＬＤから出力される光パルス列ＬＣＷの発振スペクトルに対応する。図４（Ｂ）の包絡線ｅｎＮＣＷは、光注入同期が発現しない状態でモード同期動作を行うＭＬＬＤから出力される光パルス列ＬＮＣＷの発振スペクトルに対応する。以降、光パルス列ＬＮＣＷ及びＬＣＷを区別するために、光パルス列ＬＮＣＷを非同期光パルス列ＬＮＣＷとも称し、光パルス列ＬＣＷを同期光パルス列ＬＣＷとも称する。ＭＬＬＤから出力される任意の光パルス列ＬＢは、同期強度に応じて、非同期光パルス列ＬＮＣＷと同期パルス列ＬＣＷの間の発振スペクトルを取る。
【００４０】
なお、図面の煩雑化を防ぐために、同期光パルス列ＬＣＷ及び非同期光パルス列ＬＮＣＷに含まれる個々の縦モードの描画を省略する。また、同期光パルス列ＬＣＷ及び非同期光パルス列ＬＮＣＷともに、主縦モード波長λＣＷを中心波長としてモード同期状態にあるとする。また、図４（Ａ）及び（Ｂ）の横軸は、ともに波長（任意単位）であり、及び縦軸は、ともに強度（任意単位）である。
【００４１】
発明者は、上述の主従比率に代えて、光注入同期の維持のために、第２波長範囲Ｒｆ内での光パルス列ＬＢの強度、すなわち符号Ｌ２で示した領域の強度を利用できることに想到した。すなわち、光注入同期の維持状態では、包絡線が狭窄化し、主縦モード波長λＣＷ近傍の第１波長範囲Ｔｒに強度が集中するので、この波長λＣＷから離れた、包絡線の裾の部分での強度は逆に低下する。よって、この裾の部分に対応する第２波長範囲Ｒｆ内での光パルス列ＬＢの強度を用いた指標（以下、制御指標とも称する。）が、ＭＬＬＤで生じている同期強度を反映する可能性がある。
【００４２】
以下、図５を参照して、この点について説明する。図５は、図２（Ａ）〜（Ｆ）から求めた制御指標を示す特性図である。図５の縦軸は、制御指標（ｄＢｍ）であり、横軸は、波長差δλ（ｎｍ）である。
【００４３】
図５で用いた制御指標の説明に先立ち、まず、制御指標の導出の基礎となる量につき説明する。始めに、図４に示すように、光パルス列ＬＢを、第１波長範囲Ｔｒの第１光成分Ｌ１と、第２波長範囲Ｒｆの第２光成分Ｌ２とに分離する。ここで、第１波長範囲Ｔｒは、主縦モード波長λＣＷを中心とする分離波長幅Ｗλ以内の範囲の波長とする。また、第２波長範囲Ｒｆは、光パルス列ＬＢの全縦モードが延在する波長範囲から、上述の第１波長範囲Ｔｒを除いた範囲の波長とする。
【００４４】
第１光成分Ｌ１は、光パルス列ＬＢに含まれる全縦モードの中で、第１波長範囲Ｔｒ内の波長を有する縦モードからなる。そして、第１波長範囲Ｔｒでの強度の積分値を第１光成分強度ＩＬ１とする。また、第２光成分Ｌ２は、光パルス列ＬＢに含まれる全縦モードから、第１光成分Ｌ１を除いた縦モード、すなわち波長範囲Ｒｆに含まれる縦モードからなる。そして、第２波長範囲Ｒｆでの強度の積分値を第２光成分強度ＩＬ２とする。さらに、第１光成分強度ＩＬ１に対する第２光成分強度ＩＬ２の比率ＩＬ２／ＩＬ１を成分間強度比Ｒとする。
【００４５】
このとき、制御指標として、この成分間強度比Ｒを用いることができる。ただし、第１光成分強度ＩＬ１は、光注入同期の有無に拠らず、実用上十分な精度で一定とみなすことができる。この点について、非特許文献３には、連続波光ＣＷを約６ｄＢｍまで強めることで光注入同期を消失させた前後において、第１光成分強度ＩＬ１の変化率は、約０．６ｄＢに止まることが示されている。よって、この場合には、制御指標として、成分間強度比Ｒに代えて、第２光成分強度ＩＬ２を用いることができる。第２光成分強度ＩＬ２を制御指標とすることで、第１光成分強度Ｌ１の測定が不要となるので、後述する分離手段の構成をより簡略化できる。
【００４６】
図５及び以下の説明では、分離波長幅Ｗλを２ｎｍ及び５ｎｍと設定した場合の第２光成分強度ＩＬ２を制御指標Ｒ２ｎｍ及びＲ５ｎｍとして用いている。この分離波長幅Ｗλ（２ｎｍ及び５ｎｍ）は、図２（Ｃ）及び（Ｄ）から得られる光注入同期の維持状態での包絡線の全半値幅（約１ｎｍ）の約２倍及び５倍の波長範囲にそれぞれ相当する。なお、図５を得るに当たっては、光パルス列ＬＢが、第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２に強度ロス無く分離されると仮定している。つまり、光パルス列の全強度が、第１及び第２光成分強度ＩＬ１及びＩＬ２の和に一致すると仮定している。
【００４７】
図５と図３とを比較すると、主従比率（Ｉ＋５／Ｉ０）と、制御指標Ｒ２ｎｍ及びＲ５ｎｍとは、挙動がよく似通っていることが判る。すなわち、制御指標Ｒ２ｎｍ及びＲ５ｎｍは、主従比率と同様に、凹部範囲Ａ１、極小範囲Ａ２、及び一定値範囲Ａ３を取る。このように、制御指標Ｒ２ｎｍ及びＲ５ｎｍは、主従比率と同様に、同期強度を非常に良く反映している。よって、制御指標Ｒ２ｎｍ及びＲ５ｎｍと予め定められた基準値との差を小さくする制御、つまり波長差δλを上述のＷＬＲ内に保つ制御を主縦モード波長λＣＷに行えば、ＭＬＬＤの光注入同期を維持できる。上述した理由により、成分間強度比Ｒを制御指標としたとしても、その挙動は、制御指標Ｒ２ｎｍ及びＲ５ｎｍと等しくなる。
【００４８】
次に、分離波長幅Ｗλの大きさについて説明する。概略的には、分離波長幅Ｗλは、光パルス列ＬＢの包絡線ｅｎの尖り具合い、すなわち主縦モード波長λＣＷ近傍への強度の集中度を反映するような波長幅に設定するのが好ましい。より詳細には、分離波長幅Ｗλは、成分間強度比Ｒ（＝ＩＬ２／ＩＬ１）が、光パルス列ＬＢの全強度に対する主縦モードの強度比を反映する波長幅に設定する必要がある。
【００４９】
より定量的には、分離波長幅Ｗλは、図４（Ｂ）の非同期光パルス列全幅ＷＮＣＷ未満で、図４（Ａ）の同期光パルス列全幅ＷＣＷを超える波長範囲に設定することが好ましい。ここで、非同期光パルス列全幅ＷＮＣＷとは、非同期パルス列ＬＮＣＷの包絡線ｅｎＮＣＷのピーク強度をＰＮＣＷとした場合、この包絡線ｅｎＮＣＷで、強度がｘＰＮＣＷ（ただし、ｘは０＜ｘ＜１）以上となる波長範囲とする。同様に、同期光パルス列全幅ＷＣＷとは、同期光パルス列ＬＣＷの包絡線ｅｎＣＷのピーク強度をＰＣＷとした場合、この包絡線ｅｎＣＷで、強度がｘＰＣＷ以上となる波長範囲とする。例えば、強度比ｘを０．５とした場合、非同期及び同期光パルス列全幅ＷＮＣＷ及びＷＣＷは、それぞれ包絡線ｅｎＮＣＷ及びｅｎＣＷの全半値幅と等しくなる。適切な強度比ｘの下で分離波長幅Ｗλを設定すれば、成分間強度比Ｒは、光パルス列ＬＢの全強度に対する主縦モードの強度比を反映する。
【００５０】
なお、ＭＬＬＤからの出力光パルス列ＬＢを構成する個々の光パルスの波長幅及び時間幅は、互いにフーリエ共役の関係にあることが知られている。従って、同期光パルス列ＬＣＷの第１光成分ＬＣＷ１を出力光パルス列として外部に出力させる場合、分離波長幅Ｗλは、実用上十分に短い時間幅の光パルスが得られる波長幅を超えていることが好ましい。
【００５１】
また、分離波長幅Ｗλが過大だと、第１光成分Ｌ１が光パルス列ＬＢの殆どの縦モードを含む結果、同期及び非同期光パルス列ＬＣＷ及びＬＮＣＷの成分間強度比Ｒで、光注入同期の有無による差が消失してしまう。よって、分離波長幅Ｗλは、光注入同期の有無により成分間強度比Ｒに識別可能な差が生じるような幅未満とすることが好ましい。
【００５２】
次に、図５を参照しながら、制御指標Ｒ２ｎｍ及びＲ５ｎｍによる主縦モード波長λＣＷの制御において、基準となる基準値について説明する。制御指標Ｒ５ｎｍを例に挙げると、概略的には、基準値は、上述した一定値範囲Ａ３での制御指標の値を上限とし、極小範囲Ａ２での制御指標の値を下限とする範囲内で設定することが好ましい。
【００５３】
より詳細には、一定値範囲Ａ３内の波長差δλで、図４（Ｂ）の非同期光パルス列ＬＮＣＷがＭＬＬＤから出力され、及び、極小範囲Ａ２内の波長差δλで、図４（Ａ）の同期光パルス列ＬＣＷがＭＬＬＤから出力される。ここで、非同期光パルス列ＬＮＣＷから求められる、一定値範囲Ａ３内での制御指標の値を、非同期強度比ＲＮＣＷ（＝ＩＬＮＣＷ２／ＩＬＮＣＷ１）とする。同様に、同期光パルス列ＬＣＷから求められる、極小範囲Ａ２内での制御指標の値を、同期強度比ＲＣＷ（＝ＩＬＣＷ２／ＩＬＣＷ１）とする。この場合に、基準値は、同期強度比ＲＣＷ以上で、非同期強度比ＲＮＣＷ未満の範囲内で、設計に応じた好適な値を選択することが好ましい。特に、光注入同期を良好に維持する観点からは、基準値を同期強度比ＲＣＷ近傍の値とすることが好ましい。例えば、図５の例での制御指標Ｒ５ｎｍでは、基準値を極小値と等しい−３１ｄＢｍとして制御を行えば、光同期状態が維持された光パルス列ＬＣＷをＭＬＬＤから常に出力させることができる。
【００５４】
このように、制御指標である成分間強度比Ｒは、縦モードの個別分離のために、例えば０．３ｎｍ程度の高い波長分解能を要した主従比率よりも、分解能を、例えば２〜５ｎｍ程度まで低くできる。その結果、成分間強度比Ｒは、より単純な構成の波長分離手段で求めることができる。よって、この制御指標を用いることで、光注入同期の維持能力を非特許文献３の技術と同様に保ちつつ、非特許文献３の技術よりもＭＬＬＤ装置、特に、波長分離手段の構成を単純にすることができる。
【００５５】
なお、この項においては、制御指標として、第１光成分Ｌ１に対する第２光成分Ｌ２の強度比である成分間強度比Ｒを用いた場合について主に説明した。しかし、制御指標は、光パルス列ＬＢの全強度に対する主縦モードの強度比を反映するような量であれば、成分間強度比Ｒには限定されない。例えば、図５で示したように第２光成分Ｌ２の強度そのものや、第２光成分の光パルス列ＬＢの全強度に対する第２光成分の強度比などを制御指標として用いることができる。
【００５６】
次に、図６を参照して、光パルス列ＬＢを、第１波長範囲Ｔｒの第１光成分Ｌ１と、第２波長範囲Ｒｆの第２光成分Ｌ２とに分離するための分離手段の具体的な構成について説明する。図６の縦軸は、分離手段を透過する光の透過率であり、０から１範囲の値である。横軸は任意単位の波長である。図６の曲線Ｉは、分離手段を透過した第１光成分Ｌ１の波長特性を示し、曲線ＩＩは、分離手段で反射された第２光成分Ｌ２の波長特性を示す。
【００５７】
光パルス列ＬＢを第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２に分離する分離手段として、図６に示すような、透過・反射特性を示す光透過反射フィルタが好適である。すなわち、この光透過反射フィルタは、第１波長範囲Ｔｒを通過帯域として、第１光成分Ｌ１を透過光として透過させ、第２光成分Ｌ２を反射光として反射させる。このような光透過反射フィルタを分離手段として用いれば、第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２を、それぞれ透過光及び反射光として分離して出力させることができる。このような光透過反射フィルタとしては、分離波長幅Ｗλの設計自由度が高い誘電体多層膜が好適である。
【００５８】
＜実施例＞
以下、図７〜図１１を参照して、ＭＬＬＤ装置の幾つかの実施例を例示する。図７〜図１０は、第１〜第４実施例のＭＬＬＤ装置の構成を模式的に示す模式図である。図１１は、第４実施例のＭＬＬＤ装置の効果を説明するための特性図である。
【００５９】
（第１実施例）
図７を参照すると、第１実施例のＭＬＬＤ装置１０２は、モード同期手段７０と、分離手段６０と、制御手段５０とを備えている。さらに、ＭＬＬＤ装置１０２は、任意的な要素として光カプラ２１を備えている。
【００６０】
分離手段６０は、光注入同期状態でモード同期動作を行うモード同期手段７０からの出力光パルス列ＬＢが含む第１光成分Ｌ１を透過させ、第２光成分Ｌ２を反射させる透過反射フィルタとして構成されている。この透過反射フィルタの構成は上述したとおりである。
【００６１】
光カプラ２１は、分離手段６０と強度検出部５１との間の第１光成分Ｌ１の伝搬経路に介在する光分岐素子である。光カプラ２１は、第１光成分Ｌ１を所定の強度割合で分離して、一方を光パルス列ＬＢ’として系外に出力し、他方を強度検出部５１に向けて出力する。
【００６２】
制御手段５０は、強度検出部５１と、制御部５２とを備えている。強度検出部５１は、第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２の強度をそれぞれ検出する。制御部５２は、まず、第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２の強度から制御指標Ｒを算出する。さらに、制御部５２は、この制御指標Ｒと、予め別手段で定められた基準値とを比較して、両者の差を小さくするように、モード同期手段７０の後述する調整部２３をフィードバック制御する。
【００６３】
モード同期手段７０は、制御手段５０の制御の下で、出力光パルス列ＬＢの波長を光注入同期が維持される範囲に保つように構成されている。より詳細には、モード同期手段７０は、ＭＬＬＤ素子１と、調整部２３とを備えている。さらに、モード同期手段７０は、任意的な要素として、ＣＷ光源１９と、入力光学系１１０と、出力光学系１１２と、直流電源１１と、変調電源１３と、電圧源１２と、温度制御部３２とを備えている。
【００６４】
ＭＬＬＤ素子１は、概略的には、ｐｎ接合を含んで構成される光利得領域３に電流を注入することで、反転分布を形成してレーザ発振を実現する半導体レーザダイオードである。ＭＬＬＤ素子１は、適当な電圧及び電流の印加によりモード同期状態で動作する。この状態のＭＬＬＤ素子１に、波長λＣＷの連続波光ＣＷを注入すると、光注入同期が生じ、内部を伝搬する伝搬光ＬＡと連続波光ＣＷとが相互作用し、波長がλＣＷに等しい光パルス列ＬＢが出力される。ＭＬＬＤ素子１は、調整部２３を介して制御手段５０により制御される。この制御により、光注入同期が維持されるように、伝搬光ＬＡ、すなわち出力光パルス列ＬＢの主縦モード波長λＬＭをλＣＷに一致させる。
【００６５】
構造的には、ＭＬＬＤ素子１は、伝搬光が伝搬するコア３０と、このコア３０を厚さ方向の上下から挟み込む、ｐ型クラッド５及びｎ型クラッド６を備えた光導波路４０を有する。
【００６６】
コア３０は、記載順で直列に配置された、光変調領域２と、光利得領域３と、受動導波路領域４とを備えている。なお、これらの３つの領域の区分は飽くまで機能的なものであり、３つの領域に構造的な違いは無い。つまり、これらの３つの領域は、コア３０を一体的に構成している。
【００６７】
光利得領域３は、レーザ発振のための光増幅機能を有する領域である。より詳細には、光利得領域３には、ｐ側電極９とｎ側共通電極７とを介して直流電源１１から定電流が注入されて、レーザ発振に必要な反転分布が形成される。
【００６８】
光変調領域２は、モード同期動作を行うために、伝搬光ＬＡの光強度を変調する領域であり、透過率が外部から変調される。より詳細には、光変調領域２には、ｐ側電極８とｎ側共通電極７とを介して、電圧源１２から逆バイアス電圧が印加される。さらに、同電極７及び８を介して、変調電源１３からＭＬＬＤ素子１の有する共振器周回周波数の自然数倍の周波数の変調電圧が印加される。これらの印加電圧により、光変調領域２の透過率が変調される。光変調領域２は、受動モード同期レーザにおける可飽和吸収帯や、能動モード同期レーザにおける電界吸収型光変調器などの光変調器に相当する。
【００６９】
受動導波路領域４は、発振光ＬＡの波長に対して透明な材料で構成され、調整部２３による屈折率の調整を受けて、発振光ＬＡの波長、すなわち出力光パルス列ＬＢの主縦モード波長λＬＭを変化させる領域である。より詳細には、受動導波路領域４に対応する領域に延在する光導波路４０にはｐｉｎ接合が形成されている。このｐｉｎ接合では、受動導波路領域４が真性半導体層（ｉ層）であり、該領域４に対応する領域に延在するｐ型及びｎ型クラッド５及び６がそれぞれｐ層及びｎ層である。このｐｉｎ接合に、ｐ側電極１０とｎ側共通電極７とを介して、調整部２３から、制御手段５０の制御に従った制御電流を注入する。これにより、受動導波路領域４に生じるプラズマ効果を利用して、該領域４の屈折率を変化させる。この屈折率の変化により、受動導波路領域４の光路長を変化させ、コア３０を伝搬する発振光ＬＡの波長、すなわち出力光パルス列ＬＢの主縦モード波長λＬＭが波長同期範囲ＷＬＲ内に保たれるように調整する。より詳細には、出力光パルス列ＬＢと連続波光ＣＷとの波長差δλが光注入同期を維持可能な波長同期範囲ＷＬＲ内に保たれるように調整する（図１（Ｃ）参照）。
【００７０】
ここで、「発振光ＬＡ及び出力光パルス列ＬＢの波長を調整する」とは、主縦モード波長λＬＭのみでなく、発振光ＬＡ及び出力光パルス列ＬＢに含まれる全縦モードの波長を同時に同じ波長幅だけシフトさせることを意味する。
【００７１】
再びモード同期手段７０の構成の説明に戻る。調整部２３は、上述のように、制御手段５０の制御の下で、受動導波路領域４の屈折率を調整することにより、発振光ＬＡ全体の波長を変化させて、出力光パルス列ＬＢの主縦モード波長λＬＭを、光注入同期が維持される波長範囲内に保つ。この実施例では、調整部２３は、制御手段５０の制御に従った制御電流を受動導波路領域４に対応する光導波路４０のｐｉｎ接合に注入する制御電流注入装置として構成されている。
【００７２】
ＣＷ光源１９は、ＭＬＬＤ素子１の外部に設けられており、単一波長λＣＷの出力光を出力する光源である。この出力光は、入力光学系１１０で連続波光ＣＷへと変換された後に、コア３０に注入される。なお、連続波光ＣＷをコア３０に注入するとは、コア３０に連続波光ＣＷを入力することを示す。
【００７３】
入力光学系１１０は、概略的には、ＣＷ光源１９からの出力光を連続波光ＣＷへと変換するとともに、この連続波光ＣＷをコア３０に入力するための光学系である。入力光学系１１０は、偏光面調整素子２０、光サーキュレータ１８及び結合レンズ１７を備えている。
【００７４】
偏光面調整素子２０は、ＣＷ光源１９からの出力光を、ＭＬＬＤ素子１内部の伝搬光ＬＡに等しい偏光方向の連続波光ＣＷへと変換する素子である。より詳細には、偏光面調整素子２０は、例えば、１／２波長板等で構成される。すなわち、１／２波長板の結晶軸（進相軸又は遅相軸）を回転させることより、ＣＷ光源１９からの出力光の偏光面を回転させ、偏光方向が伝搬光ＬＡに一致した連続波光ＣＷを得る。
【００７５】
光サーキュレータ１８は、コア３０に入力される連続波光ＣＷと、コア３０から出力される光パルス列ＬＢとを光非相反的に分離する素子である。つまり、光サーキュレータ１８は、３個の入出力ポート１８１，１８２及び１８３を備えており、入出力ポート１８１に入力された連続波光ＣＷは、入出力ポート１８２から出力されて、結合レンズ１７を介して入出力端面Ｑからコア３０に注入される。また、コア３０の入出力端面Ｑから出力される光パルス列ＬＢは、入出力ポート１８２に入力され、入出力ポート１８３から分離手段６０に向けて出力される。
【００７６】
入力光学系１１０を構成する結合レンズ１７は、連続波光ＣＷのコア３０への結合効率と、コア３０から出力される光パルス列ＬＢの出力光学系１１２への結合効率とを、それぞれ高めるための素子である。
【００７７】
出力光学系１１２は、概略的には、ＭＬＬＤ素子１からの出力光パルス列ＬＢを外部に出力させるための光学系であり、ＭＬＬＤ素子１と分離手段６０との間に介在している。出力光学系１１２は、結合レンズ１７、光サーキュレータ１８を備えている。ここで、出力光学系１１２は、結合レンズ１７及び光サーキュレータ１８を入力光学系１１０と共有している。
【００７８】
温度制御部３２は、ＭＬＬＤ素子１の温度を一定に保つことで、ＭＬＬＤ素子１からの出力光パルスＬＢの縦モード波長を安定化させる。温度制御部３２は、発熱・吸熱素子１４と、温度モニタ１５と、温度コントローラ１６とを備えている。より詳細には、温度モニタ１５は、ＭＬＬＤ素子１の温度を観測する。温度コントローラ１６は、温度モニタ１５の観測温度と、予め定められた設定温度との差に基づいて、発熱・吸熱素子１４を制御する。発熱・吸熱素子１４は、例えばペルチエ素子で構成され、温度コントローラ１６からの制御を受け、ＭＬＬＤ素子１の温度を一定に保つように、吸熱又は発熱する。
【００７９】
続いて、適宜図１，図４及び図７を参照して、ＭＬＬＤ装置の制御方法を、動作とともに説明する。
【００８０】
（第１過程）
第１過程では、連続波光ＣＷの注入により、光注入同期が維持された状態でモード同期動作を行うＭＬＬＤ素子１から、光パルス列ＬＢが出力される（図１（Ａ）参照）。
【００８１】
より詳細には、直流電源１１、電圧源１２及び変調電源１３を用いて、コア３０に適当な電圧及び電流を印加することで、ＭＬＬＤ素子１はモード同期動作する。モード同期動作の結果、縦モードＬＭｐの波長λｐを中心波長とする、図１（Ｂ）に示すような発振スペクトルを持つ伝搬光ＬＡが、コア３０を伝搬する。
【００８２】
この状態のＭＬＬＤ素子１に、所定条件を満たす連続波光ＣＷを、入力光学系１１０を介してＣＷ光源１９から注入することで、ＭＬＬＤ素子１に光注入同期が発現する。ここで、所定条件とは（１）連続波光ＣＷの波長λＣＷが発振光ＬＡの全縦モードが分布する波長範囲に含まれること、及び（２）連続波光ＣＷの偏光方向が発振光ＬＡと一致することである。
【００８３】
光注入同期状態にあるＭＬＬＤ素子１からは、主縦モード波長が、連続波光ＣＷの波長λＣＷに等しい、図１（Ｃ）に示すような発振スペクトルを持つ光パルス列ＬＢが出力される。光パルス列ＬＢは、出力光学系１１２を介して、分離手段６０である光透過反射フィルタに入力される。
【００８４】
（第２過程）
第２過程では、光パルス列ＬＢに含まれる第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２を、第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２の強度比が光パルス列ＬＢの全光強度に対する主縦モードの強度比を反映するように波長分離する。
【００８５】
より詳細には、分離手段６０は、光パルス列ＬＢを、第１波長範囲Ｔｒの第１光成分Ｌ１と、第２波長範囲Ｒｆの第２光成分Ｌ２とに波長分離する（図４（Ａ）及び（Ｂ）参照）。より具体的には、分離手段６０は、第１光成分Ｌ１を透過させ、第２光成分Ｌ２を反射させる。上述のように、分離手段６０の分離波長幅Ｗλは、第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２の強度比（ＩＬ２／ＩＬ１）が光パルス列ＬＢの全光強度に対する主縦モードの比率を反映するように決められている。
【００８６】
（第３過程）
第３過程では、第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２の強度比（ＩＬ２／ＩＬ１）もしくは第２光成分Ｌ２の光強度ＩＬ２を用いて発振光ＬＡの波長を制御して、波長差δλが光注入同期を維持可能な波長同期範囲ＷＬＲ内に保たれるように、出力光パルス列ＬＢの主縦モードの波長λＬＭを変化させる。
【００８７】
より詳細には、第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２は、制御手段５０の強度検出部５１に入力され、それぞれの強度が検出される。制御手段５０の制御部５２は、検出された第１及び第２光成分Ｌ１及びＬ２の強度を用いて、第１光成分Ｌ１に対する第２光成分Ｌ２の強度比である制御指標Ｒを算出する。上述のように、この制御指標Ｒは、ＭＬＬＤ素子１の同期強度を反映している。
【００８８】
さらに、制御部５２は、制御指標Ｒと、予め定められた基準値とを比較して、両者の差を小さくするように、モード同期手段７０の調整部２３をフィードバック制御する。つまり、制御部５２は、ＭＬＬＤ素子１で光注入同期が維持されるように、調整部２３を制御する。
【００８９】
より具体的には、制御部５２は、調整部２３を制御して、伝搬光ＬＡの主縦モード波長λＬＭを変化させる。つまり、制御部５２の制御の結果として生じる伝搬光ＬＡの縦モード波長λＬＭの変化は、同期強度を変え、これにより、さらに光パルス列ＬＢの縦モード波長λＬＭの変化が引き起こされる。この光パルス列ＬＢの縦モード波長λＬＭの変化は、制御指標Ｒの変化として観測され、再び制御部５２に戻される。このように、制御部５２は、制御指標Ｒと基準値との差の変化率として、自らの制御結果の適否を確認でき、この制御結果に基づき適切な制御を調整部２３に実施する。
【００９０】
制御手段５０の制御を受けるモード同期手段７０の調整部２３は、受動導波路領域４に制御に応じた制御電流を注入する。これにより、該領域４にプラズマ効果を発生させ、受動導波路領域４の屈折率を変化させる。この屈折率の変化により、受動導波路領域４の光路長を変化させ、コア３０を伝搬する発振光ＬＡの波長、すなわち出力光パルス列ＬＢの主縦モード波長λＬＭが波長同期範囲ＷＬＲ内に保たれるように調整する。より詳細には、出力光パルス列ＬＢと連続波光ＣＷとの波長差δλが光注入同期を維持可能な波長同期範囲ＷＬＲ内に保たれるように調整する（図１（Ｃ）参照）。
【００９１】
このように、この実施例のＭＬＬＤ装置の制御方法によれば、非特許文献３の技術よりも簡単な方法で、非特許文献３の技術と同等に光注入同期を維持できる。
【００９２】
この実施例においては、結合レンズ１７を用いた場合について説明した。しかし、連続波光ＣＷ及び光パルス列ＬＢの入出力効率が十分に大きいならば、結合レンズ１７を省略してもよい。
【００９３】
また、この実施例においては、ＭＬＬＤ素子１のコア３０が、光利得領域３、光変調領域２及び受動導波路領域４を備える場合について説明した。しかし、ＭＬＬＤ素子１は、これらの３つの領域を備える必要は無く、以下の３条件を満たす任意のＭＬＬＤ素子を用いることができる。その条件とは（１）ＭＬＬＤ素子１を電流注入により励起してレーザ発振させること、（２）ＭＬＬＤ素子１の共振器の周回周波数の自然数倍の周波数で光変調を行なうことでモード同期を実現させること、及び（３）発振光ＬＡの波長が可変であること、である。
【００９４】
（第２実施例）
図８を参照して、第２実施例のＭＬＬＤ装置１０３について説明する。この実施例のＭＬＬＤ装置１０３は、モード同期手段７２の調整部２４を除いて第１実施例のＭＬＬＤ装置１０２と同様に構成されている。従って、この相違点に関して主に説明する。
【００９５】
ＭＬＬＤ装置１０３の調整部２４は、制御手段５０の制御に従った逆バイアス電圧である制御逆バイアス電圧を、受動導波路領域４に対応する光導波路４０のｐｉｎ接合に印加する制御電圧印加装置として構成されている。調整部２４は、制御逆バイアス電圧を印加することで、受動導波路領域４で生じるポッケルス効果を利用して受動導波領域4の屈折率を変化させる。
【００９６】
第１実施例のＭＬＬＤ装置１０２とは異なり、この実施例のＭＬＬＤ装置１０３は、屈折率の制御に当たり、受動導波路領域４に電流を注入しない。その結果、ＭＬＬＤ装置１０３では受動導波路領域４で自由キャリア吸収が発生しない。このため、この実施例のＭＬＬＤ装置１０３は、ＭＬＬＤ装置１０２よりも高強度の出力光パルス列ＬＢを出力できる。
【００９７】
なお、ＭＬＬＤ装置１０３は、ＭＬＬＤ装置１０２と同様の変形が可能である。
【００９８】
（第３実施例）
図９を参照して、第３実施例のＭＬＬＤ装置１０４について説明する。この実施例のＭＬＬＤ装置１０４は、モード同期手段７４の調整部２７を除いて第１実施例のＭＬＬＤ装置１０２と同様に構成されている。従って、この相違点に関して主に説明する。
【００９９】
ＭＬＬＤ装置１０４の調整部２７は、制御手段５０の制御に従って受動導波路領域４の温度を調整する温度調整装置として構成されている。調整部２７は、抵抗膜２６への通電で発生するジュール熱を利用して温度を調整し、受動導波路領域４の屈折率を変化させる。より詳細には、調整部２７は、絶縁層２５と、抵抗膜２６とを備えている。絶縁層２５は、受動導波路領域４に対応するp型クラッド５の上面に設けられており、抵抗膜２６と、ＭＬＬＤ素子１との間の電気的絶縁性を確保する。抵抗膜２６は、絶縁層２５の直上に設けられた、例えば、白金薄膜等の電気抵抗膜である。抵抗膜２６では、通電される電流値に対応した熱量のジュール熱が生じ、この熱量に応じて受動導波路領域４の屈折率が変化する。
【０１００】
この実施例のＭＬＬＤ装置１０４は、第２実施例のＭＬＬＤ装置１０３と同様に、屈折率の制御に当たり、受動導波路領域４に電流を注入しない。よって、ＭＬＬＤ装置１０４は、ＭＬＬＤ装置１０３と同様に、受動導波路領域４での自由キャリア吸収を防止し、ＭＬＬＤ装置１０２よりも高強度の出力光パルス列ＬＢを出力できる。
【０１０１】
さらに、温度変化を利用するＭＬＬＤ装置１０４では、ＭＬＬＤ装置１０３よりも広い屈折率変化幅が得られる。よって、ＭＬＬＤ装置１０４は、より広い波長範囲での縦モード波長の調整が要求される場合に特に好適である。例えば、モード同期周波数が高く、ＭＬＬＤ素子１の安定動作のために求められる縦モード波長の調整幅が数ｎｍオーダに及ぶ場合等に好適である。
【０１０２】
（第４実施例）
図１０及び図１１を参照して、第４実施例のＭＬＬＤ装置１０５について説明する。この実施例のＭＬＬＤ装置１０５は、連続波光ＣＷと光パルス列ＬＢとが、それぞれモード同期手段７６のコア３０の異なる端面Ｐ及びＱから入出力される点を除いて第１実施例のＭＬＬＤ装置１０２と同様に構成されている。従って、この相違点に関して主に説明する。
【０１０３】
すなわち、ＭＬＬＤ装置１０５では、コア３０の一方の端面を連続波光ＣＷの入力端Ｐとし、コア３０の他方の端面を光パルス列ＬＢの出力端Ｑとする。
【０１０４】
これにより、ＭＬＬＤ装置１０５は、第１〜第３実施例のＭＬＬＤ装置１０２〜１０４に比較して、出力光パルス列ＬＢの消光比を改善することができる。
【０１０５】
以下、図１１を参照して、この点について説明する。図１１は、ＭＬＬＤ装置１０５の効果を説明するための特性図である。図１１の横軸は、遅延時間（ｐｓ）であり、縦軸は、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ  Ｈａｒｍｏｎｉｃ  Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）強度（ｄＢ）である。図１１の曲線Ｉは、第１実施例のＭＬＬＤ装置１０２から出力される光パルス列ＬＢのＳＨＧ自己相関波形であり、曲線ＩＩは、ＭＬＬＤ装置１０５から出力される光パルス列ＬＢのＳＨＧ自己相関波形である。
【０１０６】
曲線Ｉ及びＩＩにおいて、最大値と最小値との比を消光比と規定すると、第１実施例に対応する曲線Ｉの消光比は、バックグラウンド成分のために、約１８ｄＢに止まる。それに対し、この実施例に対応する曲線ＩＩの消光比は、約２８ｄＢに増加しており、第１実施例よりも消光比が改善している。
【０１０７】
これは、第１〜第３実施例のＭＬＬＤ装置１０２〜１０４では、連続波光ＣＷと出力光パルス列ＬＢの入出力に、光サーキュレータ１８を用いていることに由来する。つまり、光サーキュレータ１８の入出力ポート１８２に入力される連続波光ＣＷの戻り光成分が、出力光パルス列ＬＢとともに入出力ポート１８３から出力されてしまう。その結果、連続波光ＣＷの戻り光成分が、曲線Ｉのバックグラウンド成分として検出され、消光比を悪化させる。一方、この実施例のＭＬＬＤ装置１０５は、光サーキュレータを用いていないので、消光比を良好に保つことができる。ただし、この実施例の場合、光サーキュレータを用いていないために、反射戻り光の防止のために、連続波光ＣＷの入力端Ｐ、光パルス列ＬＢの出力端Ｑにそれぞれ第１光アイソレータ１２１、第２光アイソレータ１２２を接続して用いるのが好適である。
【０１０８】
なお、この実施例は、第１〜第３実施例のＭＬＬＤ装置１０２〜１０４と組み合わせて用いることができる。
【０１０９】
（変形例）
（１）第１〜第４実施例は、上述した能動モード同期半導体レーザだけでなく、受動モード同期半導体レーザや、両者を併用したハイブリッドモード同期半導体レーザにも適用できる。
【０１１０】
（２）第１〜第４実施例は、変調電源１３を有しないために、変調電源１３の繰り返し周波数よりも高い周波数で動作する受動モード半導体レーザにも適用できる。
【０１１１】
（３）受動導波路路領域４の屈折率を調整するに当たり、実施例で説明したプラズマ効果やポッケルス効果に代えて、バンドフィリング効果や、量子サイズ効果であるフランツケルディッシュ効果などを用いることができる。
【符号の説明】
【０１１２】
１：モード同期半導体レーザ素子（ＭＬＬＤ素子）
２：光変調領域
３：光利得領域
４：受動導波路領域
５：ｐ型クラッド層
６：ｎ型クラッド層
７：ｎ側共通電極
８：光変調領域のｐ側電極
９：光利得領域のｐ側電極
１０：受動導波路領域のｐ側電極
１１：直流電源
１２：電圧源
１３：変調電源
１４：発熱・吸熱素子
１５：温度モニタ
１６：温度コントローラ
１７、１７−１、１７−２：結合レンズ
１８：光サーキュレータ
１８１，１８２，１８３  入出力ポート
１９、１１９：ＣＷ光源
２０、１２０：偏光面調整素子
２１：光カプラ
２３，２４，２７：調整部
２５：絶縁層
２６：抵抗膜
３０：コア
３２：温度制御部
４０：光導波路
５０：制御手段
５１：強度検出部
５２：制御部
６０：分離手段
７０，７２，７４，７６：モード同期手段
１０２、１０３、１０４、１０５：ＭＬＬＤ装置
１１０、１１４：入力光学系
１１２、１１６：出力光学系
１２１：第１光アイソレータ
１２２：第２光アイソレータ
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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