(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導放出により光信号を発生する光信号発生手段と、該光信号発生手段に光学的に結合された光強度減衰手段とを含み、上記光強度減衰手段は光信号伝送線に光学的に結合されて構成され、上記光信号発生手段は電流注入により光を発生する発光部と光信号を誘導放出する誘導放出部と該誘導放出を生じさせる励起光発生部を有し、該励起光発生部は伝送情報に応じた電界信号により該発光部で生じた光に含まれる特定の波長成分の光を該誘導放出部へ供給することを特徴とする光通信装置。
【請求項２】
上記励起光発生部に印加される電界信号は、電圧パルスとして入力され且つ該電圧パルスの幅は１×10-9秒以下であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光通信装置。
【請求項３】
上記励起光発生部に印加される電界信号の電圧振幅は、発光部に印加される電位差より小さいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光通信装置。
【請求項４】
上記光強度減衰手段と上記光信号伝送線との間には光信号増幅手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光通信装置。
【請求項５】
誘導放出により光信号を発生する光信号発生手段と、該光信号発生手段に光学的に結合された波長選択手段とを含み、上記波長選択手段は光信号伝送路に光学的に結合されて構成され、上記光信号発生手段は電流注入で光を発生する発光部と光信号を誘導放出する誘導放出部とこの誘導放出を生じさせる励起光発生部を有し、当該励起光発生部は伝送情報に応じた電界信号により当該発光部で生じた光に含まれる特定の波長成分の光を該誘導放出部へ供給することを特徴とする光通信装置。
【請求項６】
上記励起光発生部に印加される電界信号は、電圧パルスとして入力され且つ該電圧パルスの幅は１×10-9秒以下であることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光通信装置。
【請求項７】
上記励起光発生部に印加される電界信号の電圧振幅は、発光部に印加される電位差より小さいことを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光通信装置。
【請求項８】
上記波長選択手段と上記光信号伝送線との間には光信号増幅手段が設けられていることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光通信装置。
【請求項９】
所定の波長帯域における光の強度を電気信号で変調して光信号を発生し且つ該光信号を送信する信号送信部と、該光信号を伝送する光信号伝送線と、該光信号伝送線で伝送された光信号を受信する信号受信部とを含めて構成され、上記信号送信部は上記電気信号に応じて発生した励起光で上記光信号を誘導放出し、且つ該信号送信部から上記信号受信部へ上記光信号を１Gb/s以上の伝送速度で伝送することを特徴とする光通信システム。
【請求項１０】
上記光信号の伝送速度は、10Gb/s以上であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光通信システム。
【請求項１１】
上記励起光は伝送情報に応じた光パルスとして発生され、該光パルスの幅は１×10-9s(秒)以下であることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光通信システム。
【請求項１２】
上記信号受信部は上記光信号を複数の伝送路に分けて且つ該伝送路毎に光信号を受信するように構成され、該伝送路の夫々には該光信号を間欠的に遮断する光スイッチが設けられていることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光通信システム。
【請求項１３】
上記発光部は、上記誘導放出部を兼ねることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光通信装置。
【請求項１４】
上記励起光発生部は、上記発光部の光導波方向に沿って設けられていることを特徴とする請求の範囲第13項に記載の光通信装置。
【請求項１５】
上記励起光発生部は、活性媒質を含むコア層を有する光ファイバからなることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の光通信装置。
【請求項１６】
上記励起光発生部は半導体結晶からなる光導波路を有し、上記電界信号により上記発光部から該光導波路に入射する光の反射条件を変えて該励起光を発生させることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の光通信装置。
【請求項１７】
上記光スイッチは、上記伝送路毎に異なるタイミングで上記光信号を間欠的に遮断することを特徴とする請求の範囲第12項に記載の光通信システム。
【請求項１８】
光信号を送信する信号送信部と、該光信号を伝送する光信号伝送線と、該光信号伝送線で伝送された光信号を受信する信号受信部とを含めて構成され、上記信号送信部は自然発光により光を発生させ、該自然発光による光の所定の波長成分からなる励起光を伝送情報に応じた電気信号で間欠的に発生させ、且つ該励起光による誘導放出で上記光信号を送信することを特徴とする光通信システム。
【請求項１９】
上記電気信号は、10-9秒以下の時間幅のパルスであることを特徴とする請求の範囲第16項に記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光信号による情報通信技術の分野に係り、信号伝送の高速化並びに大容量化、或いは信号伝送の高信頼性化に好適な光通信装置及び光通信システムに関する。
背景技術
近年、光ファイバを介した光信号の伝送による情報通信技術（以下、光伝送技術と呼ぶ）において、信号伝送の高速化及び大容量化に向けた研究開発が活発になっている。例えば、基地局（通信設備センタ）間における光信号伝送では、現在伝送速度が約2.4Gb/s（ギガ・ビット／秒）に至る光通信システムが実用化され、更に40Gb/s又はそれ以上の高速大容量化を目指した研究開発が進捗している。
一方、基地局と各ユーザ（家庭や事務所等）との情報通信においても伝送信号の光に置き換える、所謂光通信システムの導入が進められ、ユーザ側の伝送端末（ONU：Optical Network Unit）の高信頼化が課題となっている。この課題は、基地局間の光信号伝送に採用される光通信装置においても重要である。
さて、上記光通信システムにおいて光信号の高速化と大伝送容量化は一体不可分の課題であり、これらの性能を評価する一基準として上記伝送速度がある。この伝送速度を向上させるパラメータは、例えば光信号を送信する伝送装置、当該光信号を受信する受信装置、及び当該受信信号を電気信号に変換し又は復号化する信号処理装置の仕様に存在する。伝送装置に関してみれば、この装置に入力される電気信号（光で入力した信号を一旦電気信号に変換した場合を含む）に応じて発生する光信号のパルスをＳ／Ｎ（信号／雑音比）を損なうことなく短くすることが一つのパラメータである（以下、このパラメータを第１の観点と呼ぶ）。また、波長の異なる複数の光信号を用い、伝送信号を波長毎に割り振って伝送することが他のパラメータの一つである（以下、このパラメータを第２の観点と呼ぶ）。そこで、上記光通信システムにおける伝送速度の向上に係る背景技術を上記第１及び第２の観点から夫々眺め、以下に纏める。
１．第１の観点（光信号の短パルス化）
上記第１の観点から背景技術の動向を見ると、レーザ光源からの発振光を伝送信号に応じて変調する所謂光変調器の高性能化が主流となっている。この光変調器は、半導体層を積層してなる所謂半導体光素子として構成され、その多くは上記レーザ光源たる半導体レーザ素子と同一の基板上に（モノリシックに）形成されている。これら光変調器の多くは、レーザ光を導波する半導体層（以下、導波層と呼ぶ）又はこれに接合する半導体層（以下、クラッド層：cladding layerと呼ぶ）に電界を間欠的に印加し、上記半導体層の少なくとも一の当該レーザ光に対する吸収係数を変調して、信号伝送路たる光ファイバに入射する光信号の透過と遮断を繰り返すものである。
この種の光変調器の動作原理は、半導体層の禁制帯幅Ｅｇを電界印加により縮小させ、当該半導体層にこれが本来吸収し得る（当該半導体層の禁制帯幅に対応する）最長の波長の光λｇより更に長い波長の光を吸収させるものである。この原理を第２３図を参照して模式的に説明する。半導体層の禁制帯幅Ｅｇ（単位：ｅＶ）とこれに吸収される光の最長の波長λｇ（単位：μｍ）との間には、次の式の関係がある。
Ｅｇ＝１．２４／λｇ                                      …（数式１）
第２３図(ａ)に示すように電界を印加しない状態又は印加電界の強度が十分小さい場合、半導体層のＥｇは価電子帯のエネルギー準位の上端Ｖａと伝導帯のエネルギー準位の下端Ｃａとの差で決まる。半導体層における光の吸収を帯間遷移に限って議論するならば、半導体層に入射した光は自らのエネルギーで価電子帯の電子を伝導帯へ遷移させることにより当該半導体層に吸収されるため、Ｅｇより低いエネルギー（λｇより長い波長）の光は実質上吸収されない。しかし、この半導体層に印加する電界を強めると、上記エネルギー準位の各々の縮退が解け、夫々複数のエネルギー準位に分裂する。この現象を、シュタルク効果という。分裂の結果、エネルギー準位Ｖａ２−Ｃａ１間による価電子帯−伝導帯間の電子遷移が新たに加わる。この準位間のエネルギー差Ｅｇ'はＥｇより小さいため、当該半導体層に吸収される光の波長範囲はＥｇ'に相当するλｇ'迄、長波長側にシフトする。
ところで、半導体層による光の吸収の度合いは吸収係数αに依存し、強度Ｉ0の光が当該半導体層を距離ｘまで侵入する場合、この半導体層による吸収で減衰する光強度Ｉ(ｘ)は次式のように表される。
Ｉ(ｘ)＝Ｉ0exp｛−αｘ｝＝Ｉ0exp｛−２ωκｘ／ｃ｝        …（数式２）
上式において、ω（s-1）は光の角振動数（ω＝２πν，ν：光の波数）、κ（無次元）は消衰係数（消光係数ともよぶ）、ｃは真空中の光の速度（約3.0×10-8m/s）を夫々示す。消衰係数は、光吸収を伴う媒質の屈折率（ｎ＋ｉκ＝ｃ／ｖ，ｖは媒質中を進行する光の速度）の虚部を示すパラメータである。
吸収係数αは、第２３図(ｂ)に示すように光のエネルギー（ｈν）に依存し、上述のエネルギー準位の分裂がない状態では次式の関係を有する（曲線ａとして図示）。ここで、ｈはプランク定数（約6.63×10-34Ｊ・s）を示す。
α∝(ｈν−Ｅｇ)1/2／ν                                …（数式３）
一方、エネルギー準位が分裂した場合、αとｈνの関係は曲線の立ち上がりがＥｇより低いエネルギーのＥｇ'にシフトした曲線ｂとして示される。Ｅｇ'は、印加電界強度を高めるに従い更に低エネルギー側にシフトする。
従来の光変調器のうち、半導体層の導波路を利用するものには概ね上述の光吸収の原理が採用されている。これらの光変調器を雑駁に論じれば、波長λsig（エネルギーＥsig）の光信号を導波する上記導波層を電界非印加時の禁制帯幅ＥｇがＥｇ≧Ｅsigとなる半導体材料で構成し、電界印加により当該導波層又はこれに接合されるクラッド層の禁制帯幅をＥsigより小さくすることで上記光信号を吸収するものである。第２３図(ｂ)の曲線ｂに示す如く、Ｅｇ未満の低エネルギー側における電界印加時の吸収係数αはＥｇ以上の高エネルギー側のそれに比べて小さいが、光通信システムに十分採用できる変調性能が達成されていた。
従来の光変調器は、例えば特開平７-230066号公報や特開平８-86986号公報に開示されている。また、これに関連する技術は米国特許第4,826,295号公報にも記載されている。更に、半導体光変調器を半導体レーザ光源と同一の基板上に形成した（モノリシック型の）光学装置は、例えば特開平６-21578号公報や特開平９-181682号公報に開示されている。これらの公報に記載された光信号変調技術は現在実用化の域にあり、また研究レベルでは特開平７-230066号公報に記載された光変調器に関連する技術で最大50GHzの光信号変調が報告されている（T.Ido,et al,"ELECTRONICS LETTERS"誌，Vol.31,No.24（1995年）pp.2124〜2125）。この記録的なデータは、伝送速度40Gb/sの光伝送の実現を裏付けるものとして脚光を浴びたが、その後、この記録を更新するデータは元より、この変調周波数を再現した報告もない。
本発明者は、その原因を第２４図を参照して次のように解釈した。従来の半導体光変調器200は、半導体基板201上に導波層203及びこれを挟む互いに逆の導電型を有するクラッド層202,204を積層し、半導体基板を含めた積層構造を挟むようにその上面及び下面に電極205,206を形成する。即ち、この積層構造はｐｎ型又はｐｉｎ型の接合を有するダイオードとなる。変調電界は積層構造の上下に設けられた電極にｐｎ型又はｐｉｎ接合に対して逆方向に印加されるので、半導体光変調器は一つの容量素子（キャパシタ）となり、その容量Ｃは積層構造全体の誘電率ε並びに積層方向の厚さｄ、及び電極面積Ｓにより次式のように示される。
Ｃ＝εＳ／ｄ                                              …（数式４）
半導体光変調器の上記電極間には、伝送すべき信号情報に応じて間欠的、例えばパルス状に電界を印加される。これに対し、当該光変調器を含めた光信号変調回路に対して容量Ｃは時定数として効く。従って、変調周波数が高くなると積層構造における変調電界の形成及び消去の応答の鈍化の影響が大きくなり、所望の光変調の実現が難しくなる。
一方、半導体光変調器を半導体レーザの共振器中に作り込んだ光学素子の構成が特開平６-169124号公報に開示されている。その共振器方向（レーザ光の発振方向）の断面の概略を、第２５図に示す。この素子は、下面に第１の電極211が形成された第１導電型の第１半導体層212の上面に、変調層213、第１半導体層とは逆の第２導電型の第２半導体層214、活性層（発光領域）215、及び第１導電型の第３半導体層216並びに第４半導体層217、及び第２の電極218をこの順に積層し、第２半導体層214と第４半導体層217の間に電圧Ｖ１を、第１半導体層212と第２半導体層214の間に電圧Ｖ２を夫々パルス状に印加する。積層構造における導電型の接合方向に対し、Ｖ１は順方向に、Ｖ２は逆方向に印加され、前者は活性層における発光現象を、後者は活性層215から発生した光の変調層213における吸収を夫々制御する。夫々の電源221,222（Ｖ１に関しては電流供給源）の間にはパルス位相調整線路（図示せず）が設けられ、これを介して双方の電源は電圧パルスを同じ間隔で且つ所定の位相差を保って上記積層構造の夫々に印加する。パルス電圧Ｖ１（これに伴うパルス電流）印加で間欠的に発生されるレーザ光は、その発生時間の前半又は後半にパルス電圧Ｖ２のオン又はオフによる変調層の吸収を受けるため、パルス状のレーザ光の時間軸方向の幅は吸収時間分だけ短くなる。
上述のように、電源からのレーザ駆動電流を間欠的に供給してレーザ発振を変調する方法は直接変調方式と呼ばれる。直接変調方式は、パルス状のレーザ発振が電圧信号Ｖ１（駆動電流）に対する応答性は、レーザ光の発振閾値電流と発光現象に係るキャリアの寿命の影響を受け、電圧信号（駆動電流）のオン／オフに対してレーザ光の発生/消滅は夫々遅延する（この現象を、発振遅延と呼ぶ）。発振遅延時間は、具体的には10-9s(秒)程度である。このため、直接変調方式でシリアル方式の光通信システムを構築した場合、伝送速度の限界は１ギガビット/秒（109bit/s）以下となる。
発振遅延の概要を、第８図を参照して説明する。電圧信号60の入力（駆動電流の注入）に対し、光信号61の出力の遅延は、電圧信号のオン／オフの間隔に応じΔt1,Δt2,Δt3,Δt4と異なる。これは、発振遅延時間が活性層に注入されたキャリアの蓄積効果を受けるためである。そして、この遅延時間のばらつきは電圧信号（駆動電流）を遮断した後の光信号の消滅の遅れにも現れる。従って、光信号受信側での伝送情報の誤認を防ぐべく、光信号受信側での信号認識のタイミングを所定の時間ずらすとしても、誤認の問題は本質的に解決できない。さらに、電圧信号のオフ時刻に対する光信号の消滅の遅れによる所謂レーザ光のテイリング（tailing）を上記特開平６-169124号公報に開示された変調層で吸収するにしても、電圧信号の入力に対する光信号の強度が十分立ち上がる前にこれを吸収する可能性があり、上記伝送情報の誤認の問題を解決するには到らない。
２．第２の観点（光信号の多波長化）
上記第２の観点から背景技術の動向を見ると、波長可変型の半導体レーザを信号光源に採用することにより、伝送すべき信号（情報）の種類に応じて光信号の波長を所望の値に設定することが挙げられる。信号伝送線路を構成する光ファイバの多くは、これに入射する光を吸収し、吸収量は光の波長に依存する。また、光ファイバは、これに入射し伝播するパルス光の時間軸及び波長軸方向のプロファイルを、自らの分散効果により変形する。従って、波長の異なる複数の光信号を一つの光ファイバで伝送する場合、光吸収に対しては信号光の波長範囲を制限することが、光パルスの変形に対しては複数の信号光の波長間隔を適正に設定することが求められる。波長可変型の半導体レーザは、これらの要請を満たすに適した光源である。
波長可変型の半導体レーザの一つは、特開昭61-148890号公報に開示されている。その共振器方向の断面の概略を、第２６図に示す。この半導体レーザは、下面に電極層231が設けられたＮ型半導体基板232の上面に活性層233と電気光学効果を示す材料の結晶層234（以下、電気光学効果層と略す）を前者を後者で挟むように形成する。活性層の上面には更にＰ型半導体層235が形成され、その上面には電極層236が形成される。一方、電気光学効果層234の上面には複数の電極237（格子電極）が互いに離間し且つ共振器方向に並べて形成されている。電気光学効果層234は、その上面に形成された電極237からの印加電界に応じて屈折率が変化し、且つ活性層にて発生した光に対して透明な材料で形成される。
上記格子電極237の隣接し合う一組の間に電界を形成すると電気光学効果層の電界印加部分に屈折率変化238が生じる（以下、この部分を屈折率変化部分と呼ぶ）。電気光学効果層234をLiNbO3で形成した場合、屈折率変化部分238形成に要する電界強度は、１Ｖ/μｍ程度である。屈折率変化部分238を所定の間隔ａで形成すると電気光学効果層234の上面側に周期的な屈折率分布が現れ、この屈折率分布は活性層から電気光学効果層234に入射した光の次式の関係を満たす波長λの光を選択的に活性層へ向けて反射する。
ａ＝Ｎλ/２ｎeff                                       …（数式5）
ここで、Ｎは自然数、ｎeffは電気光学効果層234における実効屈折率を示し、上記周期的な屈折率分布は回折格子として機能する。である。第２６図の例で見れば、右側の電気光学効果層234で反射される光は、左側の電気光学効果層234で反射される光より長波長となる。説明のため、第２６図では左右の電気光学効果層の夫々の周期的な屈折率分布を異ならせたが、通常左右の周期的屈折率分布は等しく形成され、これにより左右の電気光学効果層234から反射される波長に対し活性層内で誘導放出が生じ、この波長のレーザ光が発振する。
この半導体レーザにおける電界印加による屈折率変化は、電気光学効果によるもので、電気光学効果層234を構成する材料としてKH2PO4、（Pb・La）（Zr・Ti）O3の他、GaAs等の半導体材料が利用できる。この屈折率変化による誘導放出光の波長選択性を高めるため、電気光学効果層の光学軸、格子電極により形成される電界の方向（屈折率変化部分の下部に矢印で方向を表示）、及び誘導放出光の電界の方向（導波方向に沿う）の夫々の方向を一致させる必要がある。このため、第２６図に示す如く隣接し合う格子電極237に電位差を設けねばならず、格子電極に電圧を供給するボンディングワイヤ間の絶縁の面で不利である。また、この半導体レーザでレーザ光をパルス状（間欠的）に発振させる場合の格子電極への印加電界に対するレーザ光発振の追従性に関し、この公報は特に論じていない。
一方、特開平７-326820号公報には、特開平６-169124号公報に開示された素子構成に似た波長可変型の半導体レーザが開示されている。その構成を、第２５図を参照して説明する。素子を構成する半導体層の各々の導電型は、概ね特開平６-169124号公報のそれに対応するが、上記変調層が活性層（発光領域）に、上記活性層がチューニング層になる点で相違する。チューニング層と活性層の配置は入れ替わる場合もあるが、前者の場合で説明を続ける。
電源221により第２半導体層214からチューニング層215を経由して第４半導体層217へ導電型の配列に対して逆方向に印加される電界Ｖ１は、チューニング層を構成する半導体材料の屈折率を変える。一方、電源222は電流供給源として第１半導体層212から活性層213を経由して第２半導体層214へ導電型の配列に対して順方向に印加された電圧Ｖ２の下で電流を供給する。第２５図に示す半導体レーザでは、活性層213への電流注入で発生した光のうち、第３半導体層216と第４半導体層217との間に形成された回折格子219で反射された波長の光が活性層213に戻り、その波長の光を誘導放出する。回折格子219の凹凸周期をａとするとき、これにより活性層213に戻される光は上記（数式５）を満たす波長λを有する。このとき、上記ｎeffは活性層213の実効屈折率と定義されるが、その値は活性層213を挟む半導体層の屈折率の影響を受ける。このため、上記チューニング層215の屈折率変化は、ｎeffの変化として半導体レーザの発振波長を決める。
しかしながら、この半導体レーザでレーザ光をパルス状（間欠的）に発振させる場合の印加電界Ｖ１に対するｎeffの変化の追従性、即ち所望の波長を有するレーザ光発振の追従性に関し、この公報は特に論じていない。
このように、上述の波長可変型の半導体レーザではレーザ発振条件の制御によるパルス状のレーザ光発振への配慮がないため、１波長当たり１Gb/s以上の伝送速度による光通信システムに採用するには、上述の半導体光変調器を始めとする光変調手段をレーザ発振用の共振器の後段に設ける必要がある。
発明の開示
上記背景技術を観点１及び２から総括すると、光通信システムにおける信号伝送の高速化並びに大容量化に対し、伝送速度向上の面から半導体光変調器による光信号生成は不可欠なものと結論できる。しかしながら、背景技術での議論のとおり半導体光変調器は構成上、その変調周波数が制限され、一波長で20Gb/s以上の伝送速度を有する光通信システムを実用化するには問題が残る。従って、伝送速度を20Gb/s以上、特に高速化並びに大容量化で効果が期待される伝送速度40Gb/s以上の光通信システムを実用化する上では、１本の光ファイバで波長の異なる複数の光信号を伝送する波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing：ＷＤＭと略す）方式を採用せざるを得ない。
ところで、従来の半導体レーザ装置には一つの共振器で複数の波長の光を同時に発生させる例は見られない。このため、波長分割多重方式の光通信システムを構成するに当たり、信号伝送側には光信号の波長別に半導体レーザ素子を信号伝送線（光ファイバ）に対して並列に配置することが要請された。このように一つの伝送情報を複数の波長の光信号に分割して送信する所謂パラレル方式の光通信システムでは、波長毎に備えられた光信号送信器（半導体レーザ装置、又はこれと光変調器を混載した装置、光モジュールを含む）を同期させて駆動させることが、光信号受信側での伝送情報の誤認を回避する上で重要である。しかし、背景技術で述べた直接変調方式を含めた従来の光通信システムでは、複数の光信号送信器間に生ずる光信号の伝送遅延時間のばらつきを抑える配慮がなく、これら光信号送信器の夫々から１Gb/s以上の光信号を送信する場合、上記光信号送信器間の同期をとることは困難であった。
さらに、光信号送信器を半導体レーザ装置と光変調器を組み合わせて構成する光通信システムでは、半導体レーザ装置で連続的に発振されるレーザ光を光変調器で伝送情報に応じて変調して（例えば、オン／オフを切り替えて）伝送情報を光信号に変換している。即ち、半導体レーザ装置には常時レーザ光の発振に要する所謂発振閾値以上の電流を供給し且つそれに応じる電圧を印加する必要がある。そのため、光信号送信器は消費する電力に応じて自らの動作環境の温度を上昇させる。光信号送信器の動作環境の温度範囲は-40℃〜+70℃とされるが、この温度範囲でも半導体レーザ装置から発振されるレーザ光の波長は温度に応じて僅かながら変化する。このような波長変動は、伝送情報を波長で識別する光通信システムにおいて受信側における伝送情報の誤認を招き、上記波長分割多重型の光通信システムでは認識すべき波長の光信号を取り違えてしまう。現在の光信号送信器の多くは、温度変化に対して光信号を安定に発生すべくペルチェ素子等の温度調整手段を備えている。しかし、光信号送信器が利用される環境、特に温度管理が行き届き難いユーザ側の端末（上記ONU等）では、上記温度調整手段を付加した光信号送信器でも動作環境温度は上記温度範囲を超えてしまう。環境温度の上昇は、+70℃の上限値から+80℃へと10℃上昇しただけでも、上記光信号送信器の光信号の波長を安定性を大きく損なう。
本発明の目的は、上記光通信システム（光伝送システムとも呼ばれる）の光信号の伝送速度を向上することにある。この目的を達成するために、本発明の一つは、１種類の光信号（一波長の信号光）を20Gb/s以上の伝送速度で再現性良く伝送できる光通信装置を構成する（第１の発明）。この第１の発明は、波長分割多重方式を採用することなく高速且つ大容量の情報伝送を行う光通信システムを構築することでもある。また上記目的を達成するために、本発明の他の一つは、伝送情報を波長の異なる複数種の光信号（複数の波長の信号光）に分割して夫々の光信号を１Gb/s以上の伝送速度で送信する光通信システムにおいて、これらの光信号間の同期を取るに好適な光通信装置を構成する（第２の発明）。
また、本発明の他の目的は、光通信システムにおける信号伝送の信頼性を光信号の波長の観点で向上することにある。この目的を達成するために、本発明は光信号伝送側の温度上昇による信号波長の不安定化を十分に抑制できる光通信装置及び光通信システムを構成する（第３の発明）。
上述の本発明の第１乃至第３のいずれにおいても、光信号として信号伝送路たる光ファイバへの入力パワーを大きく設定できるレーザ光を利用する。そして、上記発明の夫々に共通する概念は、光信号送信器における信号光の誘導放出、所謂レーザ発振を伝送信号に応じて間欠的に行うことである。光信号送信器における信号光の誘導放出を、これに入力される伝送信号に応じて行う概念は上記特開平６-169124号公報に記載の技術に類似するが、本発明はレーザ発振部への電流を変調する直接変調方式を採用しない点で異なり、本発明では（１）自然発光、所謂発光ダイオードの動作原理に基づく発光で光を生じさせ、（２）この光の所望の波長成分（信号波長）を伝送信号に応じて所謂ポンピング光（励起光）としてレーザ光を発振する共振器又はこれに準じる部分（以下、レーザ光発生部と呼ぶ）に供給し、（３）上記共振器で上記所望の波長成分による誘導放出を発生させる。
ここで、上述の自然発光なる現象の概要を発光ダイオード（ＬＥＤ）を例に説明する。発光ダイオードは、p-n接合又はp-i-n接合からなる半導体の積層構造からなり、この接合の導電型に対して順方向に電圧を印加したときの電子及び正孔の拡散と、これらの結合により発光現象を生じる。このため、この接合を流れる順方向の（p型層からn型層に向かう）全電流密度Ｊ［A/m2］は次式で定義される。
Ｊ＝Ｊ0｛exp（qV/kT）−１｝                             …（数式６）
Ｊ0＝ｑＤhｐn0／Ｌh＋ｑＤeｎpo／Ｌe                     …（数式７）
Ｌe＝（Ｄeτe）1/2                                      …（数式８）
ここで、qは電子の電荷（1.6022×10-19Ｃ）、Vは順方向の電位差、kはボルツマン定数（1.381×10-23J/K）、Tは温度［Ｋ］、ｎp0及びｐn0は熱平衡状態におけるｐ領域での電子及びｎ領域での正孔（所謂少数キャリア）の密度［ｍ-3］を夫々示す。また、Ｌe、Ｄe、及びτeはｐ領域における電子の拡散距離［ｍ］、拡散係数［ｍ2/ｓ］、及び寿命［ｓ］を示し、これらの添え字ｅをｎに替えたものはｎ領域における正孔の拡散距離、拡散係数、及び寿命を示す。さらに電子と正孔による光放射を伴う再結合の寿命τr［ｓ］が場所によらず一定と仮定すれば、発光ダイオードからの発生光子数Ｎp及びその内部量子効率ηは次式で現される。
Ｎp＝ｎp0Ｌe｛exp（qV/kT）−１｝／τr                 …（数式９）
η＝qＮp/Ｊ                                             …（数式１０）
通常の半導体レーザ装置（レーザ・ダイオード）は、レーザ光を発振するための共振器が半導体材料で構成され、その内部に活性媒質からなる領域（活性領域）が設けられている。当該活性領域への電流注入で上述の発光現象を生じさせる点、発生した光が或る波長範囲に分布する点で半導体レーザ装置の機能は、広義の発光ダイオードと同じであるが、発生した光の特定の波長成分を活性領域に戻し、これにより当該活性領域で誘導放出現象を生じさせるように上記共振器を構成する（例えば、活性媒質を反射鏡で挟むファブリ・ペロ型構造を採用する）点が異なる。即ち、半導体レーザ装置は自らの共振器内部で発生した光で誘導放出に必要な励起光を生成するものであり、誘導放出に必要な励起光を得るには上記活性領域に或る値以上の電流注入を行わねばならない（この電流値が、レーザ光発振の閾値電流と呼ばれる）。この電流注入に際し、半導体レーザ装置に固有のレーザ光発振時の電流−電圧特性に応じて閾電流値に相当する電圧以上の電界を当該半導体レーザ装置に印加する必要もある。半導体レーザ装置の活性領域への電流注入が閾値を下回る条件では、レーザ光が発生しないのは勿論、共振器内部で生じる自然発光による光の当該共振器外への放出も非常に弱い。このため、半導体レーザ装置の駆動には上記閾値以上の電流を活性領域へ供給することが不可欠となり、それに応じて消費電流が大きくなり、これに伴い装置の周辺の温度も上昇する。１Gb/s以上の伝送速度で光信号を送信する光通信システムでは、半導体レーザ装置から常時発振されるレーザ光をその後段（信号伝送線側）に設けられた光変調器で伝送信号に応じて間欠的に電界吸収等で遮断し、光信号を生成している。このため、半導体レーザ装置に注入される電流の約半分は光変調器によるレーザ光の遮断により捨てられることになる。
これに対し、本発明の光通信装置（信号送信端末）ではレーザ発振の種となる光、換言すれば光子（フォトン）を半導体発光素子等による上記自然発光で生成する点で従来の半導体レーザ装置と同じであるが、特定のエネルギー（波長）を有する光子を誘導放出の励起光としてレーザ光発生部に供給する原理が異なる。
上述のように、半導体レーザ装置と光変調器を組み合わせた従来の光信号送信器では、誘導放出によるレーザ光発振を前者、伝送情報に応じた光信号の生成を後者で別々に行う。この技術思想は、両者をモノリシックに形成した特開平６-21578号公報や特開平９-181682号公報に開示される半導体光素子においても同じで、これらの公報が開示する素子のＤＦＢ−ＬＤ部（レーザ光発生部）に設けられた回折格子（発振波長を選択する機能を有する）をＥＡ−ＭＯＤ部（光変調器）へ延伸させない構成に双方の機能を分離する意図が覗える。このように誘導放出されたレーザ光の強度を伝送情報に応じて変調する従来の光通信システムに対し、本発明は誘導放出に係る励起光の強度又は波長を変調する点に大きな特徴を有する。換言すれば、本発明の光通信装置又はシステムは伝送情報に応じてレーザ光の誘導放出条件を変化させるように構成されている。
ところで、本発明の光通信装置及びシステムには光信号の伝送速度を最低限１Gb/s以上確保することが要請される。即ち、上記レーザ光発生部に供給される励起光の強度又は波長を10-9s(秒)、又はそれ以下の周期で変調することが本発明に要請されるのである。この要請は、背景技術で述べた誘導放出を注入電流で直接変調する方式では満たせないことは勿論、特開昭61-148890号公報に開示されるような電気光学効果、即ち、ポッケルス効果やカー効果（ケル効果）等による回折格子の生成・消滅を利用した分布ブラッグ反射鏡型（ＤＢＲ型）共振器や分布帰還型（ＤＦＢ型）共振器を以ても満たすことは難しい。しかし、本発明者は上記直接変調方式や電気光学効果とは原理の異なる新たな誘導放出条件の変調方法を着想し、これがレーザ光発生部に供給される励起光の強度又は波長の変調を10-9s秒以下の短い周期でも行えることを見出した。本発明者は、まず本発明による光通信装置（信号伝送端末）の概念を第１図に示す一例を参照して紹介し、次に本発明による信号光の誘導放出条件の新しい変調方法の原理の概略を上記光通信装置及び光通信システムの機能に関連付けて説明する。
第１図(a)に示される光信号伝送装置としての光通信装置10は、光信号伝送部１、雑音除去部２、及び光信号増幅部３の３セクションに別れ、光信号伝送部１から発生する光信号は光ファイバ20を介して雑音除去部２及び光信号増幅部３を経由し、信号伝送線（光ファイバ）へ送られる。光信号送信部１は、発光部、誘導放出条件制御部（ともに図示せず）を含めた信号光発生部（レーザ光発生部）15、上記発光部での自然発光に要する電流を供給する電源11、及び上記誘導放出条件制御部に伝送情報を入力する信号源12を主たる構成要件として含む。信号源12は、ユーザ12a,12bからの伝送情報を受け、これに応じて光信号伝送部１の誘導放出条件を変調するように誘導放出条件制御部に電気信号を送る。雑音除去部２は、光通信装置10へ信号伝送線から入射する光を遮断し、且つ光信号伝送部１で生じる自然発光の信号伝送線への漏洩を防ぐために設けられたもので、前者の目的のためにファラデー効果を利用した偏波面回転子からなる光アイソレータが構成される。光アイソレータは、磁界に対する偏波面の回転方向が０°の偏光子21、偏波面の回転方向が45°の磁気光学回転子（Y3Fe5O12（YIG）等の材料で構成されるロッド状レンズ）22、及び偏波面の回転方向が45°の検光子23からなる。後者の目的のためには、磁気光学回転子22の光信号伝送部１側にニッケル（Ni）又はクロム（Cr）等の金属膜を蒸着し、光減衰部24を形成する。光減衰部24は、レーザ光の信号に対して雑音となる自然放出光を減衰させる程度に応じて上記金属膜の材質及び蒸着厚さを設定し、また光減衰部24は光アイソレータに作り込まずとも、光信号伝送部１と光信号増幅部３を結ぶ光路上であれば形成位置はいずこでもよく、例えば光アイソレータに光学的に接続されるレンズ等に上記金属膜を形成してもよい。光信号増幅部３は、信号伝送線に光信号（レーザ光）を入射する前に、信号伝送線内での光信号強度損失を回避するために設けられたもので、第１図(a)に示す例では、光ファイバアンプ35を中心に、このファイバ内の活性媒質を励起するための励起光を発生する光源33並びにその動作電源31、及び光信号伝送部１からの信号光に励起光を合波させてファイバアンプ35に送るための方向性結合器36が前段（光信号伝送部１側）に、ファイバアンプでの増幅状態をモニタするための光検出器34並びにその動作電源32、及びモニタすべき光を光ファイバ20から取り出すための方向性結合器37が後段（信号伝送線側）に夫々配置されている。
第１図(a)に例示する本発明の光通信装置における光信号の誘導放出条件の変調は、光信号伝送部１の信号光発生部15に含まれる誘導放出条件制御部への信号源12からの電気信号入力による。第２図は、この信号光発生部15の構成の２種類の具体例を、レーザ光の発振方向に沿った断面として示すものである。双方とも、ｎ型の半導体基板101上にｎ型の第１半導体層102、第１半導体層より禁制帯幅の小さい半導体材料からなる活性領域103、活性領域より禁制帯幅の大きいｐ型の第２半導体層104、第２半導体層と屈折率の異なるｐ型の第３半導体層105がこの順に積層されて構成される半導体装置であり、ともに上記半導体基板101の下面に電極層106が形成されている。半導体層103が活性領域として機能するために満たすべき要件は、その上下に接合される半導体層102,104に比べて小さい禁制帯幅と大きい屈折率を併せ持つことである。活性領域103は、更に量子井戸層と呼ばれる薄い半導体層をこれより禁制帯幅の大きい障壁層で挟む所謂量子井戸型構造で構成されることもあるが、この場合、量子井戸層及び障壁層の屈折率を上記半導体層102,104より大きく設定することが要請される。
第２図(a)に開示される信号光発生部15たる半導体装置は、上記第３半導体層105上にレーザ光の発振方向に延伸するストライプ状の電極層107が設けられ、電極層107と電極層106との間には電源11によりΔＶ1の電位差が略一定に設定されて電流が供給される。この電流供給により、活性領域103にて自然発光が生じる。電極層107上には絶縁層109を介して複数の電極層109がレーザ光発振方向に互いに離間して形成される。電極層109のレーザ光発振方向を横切る幅は、上記電極層107のストライプ幅より大きく設定され、電極層107のストライプ両側において電極層106と電極層109が対向するように構成されている。電極層106と電極層109との間には電源12によりΔＶ2の電位差の電界が印加され、電位差は伝送情報に応じて大小の変化を繰り返す。電極層109に対応するように第２及び第３半導体層104,105に生じた領域110は、ΔＶ2の電位差変化に伴い消長を繰り返す屈折率変化領域で２段階のパターンの濃さは屈折率変化の大きさに対応する。活性領域103で自然放出された光の一部は活性領域に隣接する第２半導体層104に沁み出し、この半導体層にレーザ光発振方向に離間して生成した屈折率変化領域110の間隔ａに対して背景技術で述べた数式５の条件を満たす波長を有する光が活性領域103に戻り、その波長の光の誘導放出をおこす。即ち、第２図(a)に例示される信号光発生部15では、電極層106,107とこれらに挟まれる活性領域103が発光部に、電極層106,109とこれらに挟まれる活性領域103が誘導放出条件制御部に夫々相当する。
また、第２図(b)に開示される信号光発生部15としての半導体装置は、主な構成要件で上記第２図(a)の半導体装置と共通するが、電極層106,107に挟まれた活性領域103を含む発光部151が右半分に、電極層106,109に挟まれた活性領域103を含む誘導放出条件制御部152が左半分に互いに分かれて構成され、右端面の反射率を左端面より大きくするための誘電体膜153が右端面上に形成されている点で異なる。発光部151において、第３半導体層105と電極層107の間に第３半導体層より禁制帯幅が小さく又は不純物濃度の高い半導体層、所謂コンタクト層111が形成される。誘導放出条件制御部152に形成された電極層109はレーザ光の発振方向に沿って分割されず、また電極層109の下方の第２半導体層104−第３半導体層105間には回折格子（接合界面の凹凸）112が形成される。発光部151と誘導放出条件制御部152との間にはZnのイオン打ち込み又は拡散等で形成された高抵抗領域154が形成されるが、この領域は半導体装置の仕様条件次第で省略できる。
上記第２図(b)に開示される半導体装置は、上記発光部151を上記誘導放出条件制御部152及び誘電体膜153で挟むことで、ファブリ・ペロ型の共振器を構成する。この共振器で発生されるレーザ光は、上記誘導放出条件制御部152に形成された回折格子112により上記発光部151に反射される波長を有するが、この反射波長は誘導放出条件制御部152の電極層106,109間に印加される電界に応じて変化する。
以上の半導体装置を例に、本発明による光信号の誘導放出条件の変調方法を説明する。本発明の誘導放出条件の変調方法は、基本的には半導体材料の結晶への電界印加で生じる屈折率変化を利用するものである。この現象は、背景技術の欄で説明したシュタルク効果、又はこれに当該結晶に入射した光が関与するフランツ・ケルディッシュ効果に基づくものである。これらの効果は、電界印加強度により前者が107eV/cm以上で、後者が106eV/cm以下で生じるとされる。背景技術の半導体光変調器では、これらの効果による信号光の吸収作用、所謂電界吸収効果を利用するものである。そして、特開平６-21578号公報や特開平９-181682号公報等に開示される半導体レーザ装置と光変調器とをモノリシックに形成した光信号送信器では、実用上、半導体レーザ装置に1.2〜1.3Ｖの電界印加により電流注入を行いレーザ光を発生するのに対し、光変調器には電圧振幅が２〜３Ｖの電界を印加して当該レーザ光を変調していた。これに対し、本発明では伝送情報に応じた振動波形を有する電圧信号を、発光部に印加される電界強度より小さい電圧振幅で上記半導体装置の誘導放出条件制御部を構成する電極層に印加する（後述の光信号送信器の一部の構成では上記信号の電圧振幅と電界強度の関係が必然的でない例もあるが、本発明による多くの光通信システムでの実施において、この関係は必然的である）。即ち、本発明の誘導放出条件制御部に印加される電圧信号は、レーザ光の吸収を変調することを目的とするものではない点で背景技術と大きく異なる。
本発明者は、半導体材料に10-9s秒以下の短い時間幅で電界が印加されるとき、この電界が電磁波として、即ち光と同様に半導体材料内で振る舞うことに着眼した。誘電体等の分極応答を示す材料に、次式に示すような角周波数ω、振幅Ｅ0の振動電界Ｅを印加する。
Ｅ＝Ｅ0exp{ｉωｔ}                                  …（数式１１）
このとき、δの位相ずれを以て当該材料中に生じる電気変位Ｄは次式のように現される。
Ｄ＝Ｄ0exp｛ｉ（ωｔ−δ）}                          …（数式１２）
当該材料の誘電率εは、次式のように印加された電界の角周波数ωの関数となる（これを複素誘電率と呼ぶ）。
ε（ω）＝Ｄ/Ｅ＝ε'（ω）−ｉε"（ω）               …（数式１３）
数式１３において、実部のε'（ω）は印加電界の貯蔵を、虚部のε"（ω）は印加電界の熱エネルギーとしての散逸による損失を示す。また、詳細の説明は割愛するが、正弦波形で振動する電界Ｅをパルス状に印加したとき、これに応答する誘電率変化εp（パルス応答関数）に対し、周波数応答関数は次式のように決まる。
ε（ω）＝∫0∽εp（t）・exp{ｉωｔ}dt                      …（数式１４）
一方、上記材料中を速度ｖで進行する電磁波が当該材料中で吸収を受ける場合、当該材料は次式に規定される複素屈折率ｎ*を示す。
ｎ*＝ｎ−ｉκ＝ｃ/ｖ                                  …（数式１５）
ここで、κ及びｃの定義は背景技術の欄の数式２で示したものと同じである。そして、数式１３に示す複素誘電率ε（ω）と上記複素屈折率との間には次式の関係がある。
（ε（ω））2＝ｎ*                                    …（数式１６）
従って、上記材料の吸収のない状態での屈折率ｎ、消衰係数κと上記ε'（ω）並びにε"（ω）との間には、次の関係が成り立つ。
ε'（ω）＝ｎ2−κ2                                   …（数式１７）
ε"（ω）＝２ｎκ                                     …（数式１８）
ここで、背景技術で紹介した数式２の媒質中における光強度の減衰を示すＩ（ｘ）について説明を補足すると、その値は媒質中を伝播する光の電界強度Ｅ（ｘ）に対し、次式のように定義される。
Ｉ（x）=｜Ｅ（ｘ）｜2                               …（数式１９）
これを上記材料中における電磁波の進行に置き換えてみると、上記Ｉ（ｘ）は電位差の電界印加方向（ｘ方向）に沿った減衰に相当するため、上述の数式２は次式のように変形できる。
Ｖ（ｘ）＝Ｖ2exp｛−αｘ｝＝Ｖ2exp｛−２ωκｘ／ｃ｝  …（数式２０）
即ち、分極効果を示す材料に振動電界を印加するとき、この電界が電磁波として当該材料中を進行するに従い、当該電界で材料中に形成される電位差は線形的な変化よりも急峻な上述の数式２０による変化（減衰）を示す可能性がある。更に、この減衰の可能性を示すパラメータのκは振動電界の角周波数ωやパルスのかけ方等で決まる上記材料の複素屈折率εの実部、虚部の値に依存することは、上述の数式１７並びに１８から明らかである。
本発明者は、半導体材料に10-9s(秒)以下の時間幅を有する電界を電圧振幅を制限して印加したとき、上述の数式２０に示される電位差の減衰を見出した。この減衰現象を第３図を参照して模式的に説明する。第３図の右側は、本発明の光通信装置の誘導放出条件制御部の光信号の進行方向に直交した断面図を示す。説明を簡単にするため、第２図に対して半導体基板及び第３半導体層は省略し、また電極層109は第２半導体層104上に絶縁層を介することなく、ショットキ接合により直接形成されている。第３図の左側は、電極層106,109間に順方向に印加された電界により上記誘導放出条件制御部の積層方向に生じた電位差の減衰を、Ｖ2で規格化した値を第３図右側の積層方向に生じた屈折率変化部の中心に対応させて示してある。常時接地電位にある電極層106に対し、電極層109には０Ｖと＋１Ｖの電位を１×10-9sの間隔で交互に印加する。電極層109に＋１Ｖの電界を１×10-9秒間印加したとき、上記第２半導体層の電位は、電極層109との接合界面で＋１Ｖ、屈折率変化領域110aの底部で＋0.lＶ、屈折率変化領域110bの底部で＋0.OlＶ、屈折率変化領域110cの底部で＋0.001Ｖと下がり、±０Ｖの上記第１半導体層の電極層106との接合界面に到る。屈折率変化領域110における屈折率変化の度合いは上述の電位差の低減に応じて急激に小さくなり、第２半導体層の材料にも依存するが屈折率変化領域110cの底部では概ね無視できる。また、電位差低減の度合いは、第２半導体層の材料のみならず構成にも依存し、例えば屈折率変化領域110bの底部近傍に量子井戸構造、即ち禁制帯幅の異なる材料を厚さ2nm以上且つ15nm以下の範囲で交互に積層した構造を導入すると、この領域において著しい屈折率変化を示すとともに、屈折率変化領域110cの活性領域103への延伸が浅く抑えられる（これは、量子閉じ込めシュタルク効果による）。
さて、第２図(a)の半導体装置においては、活性領域103で自然放出された光はその一部が隣接する第１及び第２半導体層102,104に沁みだす。ここで、電界印加により生成した屈折率変化部により第２半導体層104中に間隔ａの周期で屈折率差が形成されると、背景技術で示した数式５の関係を満たす波長成分λの光が活性領域103に向けて反射される。上記活性領域103には、電流注入によりキャリア、即ち電子と正孔が存在するが、反射された波長λの入射による励起で活性領域103のキャリア分布は反転する。そして、励起されたキャリアの再結合により波長λのレーザ光が放出される。以上の現象は、10-9秒又はそれ以下という非常に短い電界印加時間に限って生じる周期的な屈折率差の消長に優れた応答性を示し、電界印加時間を光信号送信器に伝送情報を入力する電気回路の限界速度、即ち約100GHzに相当する10-11秒迄縮めても、これに相当する短パルスの光信号を発生できる。以上、第２図(a)の半導体装置を例に述べた光信号の発生方式を便宜的に誘導放出変調方式と呼ぶ。
一方、第２図(b)の半導体装置では、第２及び第３半導体層104,105間に形成されている回折格子112により反射される波長を第２半導体層104の屈折率を変化させて変調するものである。その動作機能は、誘導放出条件制御部152と発光部151を切り放し、後者を面発光型（半導体層の積層方向に光を放出する形状）の発光ダイオードとした第４図に示す構成とも同じである。第４図の右側に示される発光ダイオードはｎ型半導体基板101上に屈折率の異なるｎ型半導体層を交互に積層して構成した反射鏡層161、ｎ型の第１半導体層162、第１の半導体層より禁制帯幅の小さい半導体材料からなる活性層（活性領域）163、活性層より禁制帯幅の大きいｐ型の第２半導体層164、第２半導体層より禁制帯幅が小さく又は含有不純物濃度の高い第３半導体層165を積層し、第３半導体層にオーミック接合される電極層107の中央部には活性層163で自然放出された光を通過させるための開口が設けられている。
第２図(b)及び第４図に示されたいずれの構成においても、発光部151の活性領域103,163で自然放出された光は誘導放出条件制御部152中の活性領域103を導波するが、その光の一部は活性領域に接合された第１及び第２半導体層102,104に沁みだして導波する。このため、誘導放出条件制御部152における実効屈折率ｎeffは活性領域103の屈折率ｎ1で一義的に決まらず、第１及び第２半導体層102,104夫々の屈折率ｎ3，ｎ2の影響が入る。このことから明らかなように、電界印加で第２半導体層104の少なくとも一部に上記回折格子112に沿うような屈折率変化領域を形成する場合、上述の数式５で決まる反射波長λは電界印加の有無により変化する。上記誘導放出条件制御部152の回折格子112は、ブラッグ反射鏡として数式５の条件を満たす波長λの光を励起光として発光部151に送り、その活性領域103,163で波長λのレーザ光の誘導放出を促す。また、発光部を通過した波長λの光は、誘電体膜153又は反射鏡層161による反射で再び発光部に戻されて波長λのレーザ光を誘導放出させる。即ち、第２図(b)並びに第４図に開示される半導体装置は、ファブリ・ペロ型共振器と分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）型共振器とを掛け合わせた機能を有する。この装置で光通信装置を構成する場合、光信号の波長を電界印加時又は非印加時の反射波長のいずれか一に設定し、誘導放出条件制御部152への電界印加で所望の波長の光を伝送情報に応じて間欠的に放出する。これらの光信号送信器構成における誘導放出条件制御部152への電界印加に対する誘導放出の応答性は、第２図(a)の半導体装置におけるそれと同等である。以上、第２図(b)及び第４図の半導体装置を例に述べた光信号の発生方式を便宜的に波長変調方式と呼ぶ。
第４図の例のように、誘導放出条件制御部152を発光部から切り放して構成した分布ブラッグ反射鏡（ＤＢＲ）型光学素子の例を第５図に示す。夫々を構成する半導体層のうち、第２図に示す半導体装置と仕様が共通するものには同じ参照番号を付してある。また、活性領域に相当する層113は、この層が光の導波機能のみを持ち、発光に係わらないことを明確にするために導波層として参照番号を変えてある。第５図(a)に示す光学素子は第２図(a)に示す誘導放出条件制御部152の構成に対応するが、第２及び第３半導体層104,105の間に量子井戸構造114が形成されている。また、第５図(b)に示す光学素子は第２図(b)に示す誘導放出条件制御部152の構成に対応するが、回折格子を第２半導体層中にこれとは屈折率の異なる半導体領域115を光信号の進行方向に離間して埋め込むことで形成している。なお、半導体領域115は光信号の進行方向に直交するように、即ち紙面に垂直な方向にバー状に延びている。
これらの光学素子（ＤＢＲ型光学素子）を利用した光信号送信器の一例として、光学活性物質を含めて構成される光ファイバで信号光発生部15を構成する例を第１図(b)に示す。光ファイバは、コア層の周囲をこれより屈折率の低いクラッド層で覆って構成され（これをベア・ファイバという）、更に使用環境に応じてクラッド層の周囲を被覆材で覆い構成される。光ファイバは、通常石英を主成分とするもの、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）樹脂からなるものがあるが、光通信の信号伝送線としては前者が用いられる。前者において、コア層とクラッド層の屈折率を調整するために微量の添加物が適宜導入され、屈折率を上げる物質としてはP2O5,GeO2,Al2O3,並びにTiO2が、屈折率を下げる物質としてはB2O3,並びにＦが夫々用いられている。第１図(b)に示す信号光発生部15としての光ファイバは、Er等の活性物質をコア層に含めて構成したもので、その内部に励起光を照射すると光ファイバ内で誘導放出を起こす性質を有する。これに発光ダイオード13からの自然放出光を入射すると、光ファイバ内の活性媒質は僅かに励起するが誘導放出は生じない。しかし、光ファイバの次段に第５図に示す光学素子14を配置し、第５図(a)の光学素子においては電界を印加することで、第５図(b)の光学素子においては回折格子の反射波長に応じて電界を印加又は非印加を行うことで、信号波長の光を光ファイバに反射させる。反射される光の強度は、例えば第２図に示す半導体装置より弱いものの位相を揃えた光を光ファイバに供給できるため、当該光ファイバによる信号波長のレーザ光の誘導放出が生じ、信号光を放出できる。この例に見られるように、第５図の光学素子を用いた光信号送信器には他の光学素子との組合せにより種々の構成が実現できる。
さて、第２図(b)、第４図及び第５図(b)に例示した波長変調方式の光信号伝送器で光通信装置（伝送端末）又は光通信システムを構成する場合、情報伝送に寄与しない波長のレーザ光が伝送線路（光ファイバ）に到達しないようにすることが望ましい。このため、第６図(a)に示す如く、この半導体装置を含めて構成される光信号送信器１と伝送線路の間にファブリ・ペロ型エタロンのような帯域フィルタ４を設けることが推奨される。第６図(b)は、ファブリ・ペロ型エタロンの一例を示す図である（詳細は後述する）。
本発明による光信号伝送の機能は以上に述べたとおりであるが、これらの知見を本発明の目的に即した上述の第１から第３の発明に対応させて特徴を纏めると以下のとおりである。
本発明による光通信装置は、誘導放出により光信号を発生する手段と、該光信号発生手段に光学的に結合された光強度減衰手段とを含み、上記光強度減衰手段は光信号伝送路に光学的に結合されて構成され、上記光信号発生手段は電流注入により光を発生する発光部と光信号を誘導放出する誘導放出部とこの誘導放出を生じさせる励起光発生部を有し、当該励起光発生部は伝送情報に応じた電界印加により当該発光部で生じた光に含まれる特定の波長成分の光（励起光）を当該誘導放出領域へ供給することを特徴とする。この構成は、上記発光部への電流注入による自然放出（上記数式６から１０に特徴づけられる発光メカニズム）で生じる雑音成分の光を光強度減衰手段で減衰させ且つ所望の信号光（レーザ光）を選択的に抽出する点で、特に上記誘導放出変調方式を採用する光通信装置に好適なものである。光信号発生手段に含まれる発光部、誘導放出部及び励起光発生部は、第２図(a)に示すように同一の半導体装置に作り込む例もあれば、第１図(b)に示すように分離する例もあるため、上述の機能を満たす範囲であれば特に配置を限定するものではない。
上述の本発明の光信号発生手段は、上記誘導放出部にレーザ発振閾値以上の電流を供給せず、自然放出で生じた光の一波長成分を誘導放出のトリガー（励起光）とするために、伝送情報を100GHzに到る高速の電気信号で励起光を供給しても上述のように光信号を発生させる誘導放出が追従する。この作用は、光伝送の高速化・大容量化を単一波長で実現する上記第１の発明の観点で非常に有益である。また、電気信号（伝送情報）に対する光信号の誘導放出の追従性の良さは、光伝送の高速化・大容量化を複数の波長で実現する上記第２の発明の観点で波長毎に備えられた光信号発生手段の相互の同期を確実に取る上で有益である。更に、誘導放出をキャリア注入で行わないことは、光信号発生手段の温度上昇を抑え、波長変動を最小限に抑制することで、上記第３の発明に有益である。
本発明による他の光通信装置は、誘導放出により光信号を発生する手段と、該光信号発生手段に光学的に結合された波長選択手段（帯域フィルタ）とを含み、上記波長選択手段は光信号伝送路に光学的に結合されて構成され、上記光信号発生手段は電流注入で光を発生する発光部と光信号を誘導放出する誘導放出部とこの誘導放出を生じさせる励起光発生部を有し、当該励起光発生部は伝送情報に応じた電界印加により当該発光部で生じた光に含まれる特定の波長成分の光（励起光）を当該誘導放出領域へ供給することを特徴とする。この構成は、特に上記波長変調方式を採用する光通信装置に好適なものである（根拠は、第６図に関する説明参照）が、波長選択手段を透過する光にある程度の減衰が生じれば、上記誘導放出変調方式にも有効な構成である。なお、光信号発生に係るメカニズムは前述の光通信装置と同じであるので説明を割愛する。
以上の２種類の光通信装置は、夫々を構成する２つの手段及び光信号伝送路の間に必要に応じて他の光学素子を設けてもよく、例えばＷＤＭ型の光通信装置を構成する場合、波長の異なる複数の光信号を一本の光信号伝送線に纏めて入射するためのスターカプラーや方向性結合器を上記光強度減衰手段又は上記波長選択手段と上記光信号伝送線との間に設けるとよい。
上記光通信装置のいずれにおいても、光信号発生手段の構成により、上記発光部へ電流を注入するために当該発光部に印加される電界と上記誘導放出部に励起光を供給するために上記励起光発生部に印加される電界との間には、強度又は方向が関係付けられる。一般には、上述の誘導放出変調方式、波長変調方式のいずれにおいても、励起光発生部に印加する電界信号の電圧振幅（オン、オフに対応する夫々の電圧値の差）を発光部に印加する電位差より低く抑えることが、当該発光部からの光の所望の波長成分を上記誘導放出部に供給するに好適な反射機能を当該励起光発生部に持たせる上で推奨される。その理由の一つは、伝送情報に対する励起光発生部の追従性が伝送速度を100Gb/s迄に高めた場合においても確保できることにある。これは、背景技術で述べた半導体光変調器の弱点を克服できる本発明の動作原理に基づく利点である。但し、誘導放出変調方式においては光信号発生部の構成により、励起光発生部に印加する電界を発光部に印加する電界以上に設定しても上記励起光発生装置の伝送速度追従性が確保できる場合がある。
上述の光通信装置は、いずれもそのままの構成で近距離の光伝送、例えば、同一市内における基地局とユーザの情報通信や数十km程度の範囲で離れた基地局間の情報通信に利用することができる。しかし、例えば100km以上離れた基地局間における光信号伝送に利用する場合は、光信号伝送路における光信号強度の減衰の影響を防ぐため、上記光強度減衰手段又は上記波長選択手段と光信号伝送路との間に光信号増幅手段を設けるとよい。
本発明を伝送情報に応じて光信号を誘導放出する信号送信部と当該光信号を伝送する光信号伝送線と当該光信号伝送線で伝送された光信号を受信し伝送情報を再生する信号受信部とを含めて構成される光通信システム全体で見た場合、その基本的な特徴は、光信号の誘導放出を伝送情報に応じて発生される励起光で行い、且つ信号送信部と信号受信部の間に１b/s以上の伝送速度で光信号を送信する構成にある。励起光を伝送情報に応じた電気信号で間欠的に発生させる場合、電気信号は電圧パルスとして供給することが望ましく、当該電圧パルスの時間幅（所謂パルス幅）は１×10-9s(秒)以下に抑えることが望ましい。この構成は、光通信システムによる情報伝送の高速化並びに大容量化を消費電力を抑えて行うに好適な本発明の実施態様である。
産業上の利用の観点から本発明の光通信システムの利点を明らかにすれば、本発明は光信号の誘導放出を時間幅の短い光パルス（具体的には、パルス幅が１×10-9s(秒)以下のパルス光）で行うことにより、波長（即ち、一つの光信号）当たりの光信号の伝送速度を10Gb/s以上に高めたことである。ここで一波長の光信号という言葉は、厳密には所定の波長帯域における光の強度を変調して生成される情報伝達媒体のことを定義する。即ち一波長とは、信号伝送に掛かる光の波長成分の代表値を指して便宜的に称するものであって、実際には１つの（１種類の）光信号に寄与する波長成分はある波長範囲に分布し、特定の波長のみに制限されることは稀であることに注意されたい。本発明による光通信システムでは、従来波長の異なる複数の光信号を用いらざるを得なかった20Gb/s以上、特に次世代の光通信システムに要請される40Gb/s〜100Gb/sの範囲の伝送速度での情報通信を一種類の波長信号で行えるため、システム構成の簡略化（保守負担の軽減）、信頼性管理の向上の点でインパクトが大きい。一波長での伝送速度を高めるに際しては、信号受信部側の受光素子の追従性を考慮しなければならない。10Gb/s以上の高速の応答性を有する受光手段は特開平５-02515号公報に、更に100Gb/sに到る高速の光信号の波形を検出する手段は、特開平８-52361号公報に夫々紹介されているが、応答性が数Gb/sオーダ（応答可能な光信号の伝送速度の最大値が１Gb/s以上且つ10Gb/s未満の範囲）のアバランシェ型受光素子（ＡＰＤ）やＰＮ型又はＰＩＮ型受光素子（ＰＤ）を用いる場合は受光素子を並列に複数配置し、夫々に入射する光信号を時間差を付けて適宜遮断することが推奨される。また、この時間差を設定するための参照信号を光信号とは異なる波長で上記信号送信部から送信してもよい。
本発明を、ＷＤＭ方式のような波長の異なる複数の光信号で情報通信を行うシステムに採用しても、一波長当たりの10Gb/s以上の伝送速度で相互における送信タイミングを精度よく合わせて行えるため、信頼性の高い光通信システムが実現できる。
本発明は、以上の光通信装置及びシステムを提供するのみならず、これに好適な制御回路、光信号送信モジュールについても新規な構成を提案するが、その概要は発明を実施するための最良の形態において詳述する。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明による光通信装置の一実施態様を示す図である。
第２図は、本発明の光信号送信に寄与する光導波層の屈折率分布の説明図である。
第３図は、本発明による光導波領域の屈折率変化と印加電界強度の関係を示す説明図である。
第４図は、本発明の光通信装置に実施される光信号送信部の一形態を示す図である。
第５図は、本発明によるブラッグ反射鏡型素子の構成例を示す図である。
第６図は、本発明による光通信装置の一実施態様を示す図である。
第７図は、本発明による光通信装置の光信号送信部から放出される光のスペクトルを示す図である。
第８図は、電気信号の入力に対する光信号強度の応答性を背景技術と本発明とで比較した例を示す図である。
第９図は、本発明による光通信システムの一実施態様を示す図である。
第１０図は、本発明による光通信システムにおける信号波長の変化の経緯を示す図でる。
第１１図は、本発明による光通信システムの一実施態様を示す図である。
第１２図は、本発明による光通信システムの光信号送信部の動作回路の一実施態様を示す図である。
第１３図は、本発明の光通信システムに用いられる半導体装置及び光モジュールの一例を示す図である。
第１４図は、本発明による光信号送信部の動作原理の説明図である。
第１５図は、本発明の光通信システムの光信号伝送部に好適な半導体装置の一例を示す図である。
第１６図は、本発明の光通信システムの光信号伝送部に好適な半導体装置の一例を示す図である。
第１７図は、本発明の光通信システムの光信号伝送部に好適な半導体装置の一例を示す図である。
第１８図は、本発明による光通信システムの嘆施態様を示す図である。
第１９図は、本発明による光通信システムにおける信号波長の変化の経緯を示す図でる。
第２０図は、本発明の光通信システムの光信号伝送部に好適な半導体装置の一例を示す図である。
第２１図は、本発明の光通信システムの光信号伝送部に好適な半導体装置の一例を示す図である。
第２２図は、本発明による光通信装置の光信号送信部から放出される光のスペクトルを示す図である。
第２３図は、半導体結晶への電界印加で生じるシュタルク効果と光吸収係数の変化を説明するための図である。
第２４図は、背景技術の光変調器の概念の説明図である。
第２５図は、背景技術の半導体レーザの一例を示す図である。
第２６図は、背景技術の半導体レーザの一例を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明を具体的な実施の形態を、１種類の光信号当たりの情報伝送の高速且つ大容量化の面と、波長の異なる複数の光信号を用いた情報伝送応用の面から詳細に説明する。なお、これらの説明において、発明を構成する同一又は類似の要件には、実施態様の相違に拘わらず参照番号を揃えた。
１．一光信号当たりの伝送速度向上
本発明の波長当たりの情報伝送の高速化及び大容量化の観点で、光通信装置、光通信システム、及びこれらに好適な制御回路並びに光信号送信モジュールの順に説明する。
１−１．光通信装置
この発明に係る光通信装置の概要は第１図及び第６図を参照して既に発明の開示の欄で述べたが、更に夫々の詳細を説明する。
第１図(a)に示す光通信装置10は、上記誘導放出変調方式に好適な構成である。この光通信装置は、光信号伝送部１、雑音除去部２、及び光信号増幅部３を光ファイバ20を介して直列に配置し、光ファイバ20は光信号増幅部３を経た後、光信号伝送線たる別の光ファイバ（図示せず）に例えばカプラーを介して接続される。
光信号伝送部１は、第１図(b)や第２図(a)に示す信号光発生手段から構成され、前者は光学素子14として、第５図(a)に開示される構成のものを採用する。即ち、誘導放出変調方式を採用する場合、発光部13,103で自然放出された光の所望の波長成分（光信号として利用したい波長成分）を励起光発生部14,104への電気信号（電界）印加に応じて反射させ、当該励起光発生部から誘導放出部15,103に供給しなければならない。即ち、発光部から導波される光に沿って周期的な屈折率分布を伝送情報に対応する電気信号に従って発生し又は消滅させねばならない。これが上述の装置構成を必要とする根拠であり、第５図(b)に示す光学素子14の量子井戸構造114又は第２図(a)の半導体装置の第２半導体層に形成される周期的な屈折率分布は、導波層113又は活性領域103を中心に導波する光の特定の波長成分を反射することにより光信号の誘導放出に必要な励起光を発生する。これらの装置に共通する概念は、光導波媒質又はこれに隣接する媒質への電界印加を所定の間隔を以て離間して行うことである。離間して印加される電界は、所望の波長に対し上述の数式５を満たすような間隔ａで形成され、上記数式における自然数値Ｎは１以上に設定すると制御性の上で有利である。また、離間して印加される電界は同じ極性が隣接し合うように設定すると、屈折率変化領域は積層方向に鋭く延伸するため、反射波長のスペクトル（波長プロファイル）を狭めることができる。具体的には接地電位の共通電極たる電極層106に対して、電極層109の夫々に印加する電気信号の極性を正又は負に揃える。このような印加電界の極性の設定は、後述の複数の波長の光信号で情報通信を行う光通信システムにおいて、光信号間のクロストークを回避する上で重要である。
第２図(a)に示される半導体装置では、屈折率変化領域11Oを活性領域103に到達させても、光信号の誘導放出は実現できる。その理由は、活性領域103に離間して生じた屈折率変化領域がこれに挟まれた実質上屈折率変化のない領域とともにファブリ・ペロ型共振器を擬似的に形成するためであり、これが励起光発生部として機能する。
光信号伝送部１には、第４図に示す構成の光信号送信器を利用することもできる。このとき、励起光発生部に相当する誘導放出制御手段152は第５図(a)の構成に置き換える。この構成では、発光部151としての発光ダイオード（詳細は、発明の開示の欄の記載参照）の活性層163が誘導放出部として機能する。
以上に説明した光信号伝送部１において、励起光発生部を構成するに注意すべきことは、媒質中に屈折率変化領域を形成する電界印加により当該媒質中への電流注入が誘発されないようにすることである。その具体的策の一つは、この電界印加に係る電極の少なくとも一方を媒質から絶縁することである。また、p-nやp-i-n接合を有する半導体の積層構造を媒質とする場合は、他の具体策として電界印加方向を所謂逆バイアスとする。
ところで、上述の光信号伝送部１から光ファイバ20に入射した光は、いずれも第７図に示すスペクトルを示す。スペクトル上には、発光部での自然放出による波長プロファイルの広いもの50と誘導放出部での誘導放出による波長プロファイルの狭いもの51が現れている。このように、情報伝送に利用する光信号の伝送波長λsigのプロファイル51に対して、自然放出光のプロファイル50は雑音となる。光ファイバに対する入力パワーは、誘導放出光に対し自然放出光は１桁以上乃至２桁近く低いため、信号受信部側で信号を識別するレベル40を適宜設定することで雑音対策は可能となる。しかし、光信号伝送線での光信号減衰を回避するために信号送信部側で光信号強度を増幅する場合、雑音光がともに増幅される問題が生じる。そこで、光信号伝送部の後段に光強度減衰手段を設ける。光強度の減衰は、光ファイバ間に金属膜を蒸着したガラス又は石英からなる光学部品を挿入することで行える。光信号伝送部への光信号伝送線からの光の入射を防ぐために用いられる光アイソレータにこの機能を持たせてもよい。その一例として第１図(ａ)に光アイソレータを構成する磁気光学回転子22の端面に金属膜を蒸着した構成を示す。この磁気光学回転子22は、YIGやLiNbO3等の電気光学効果を有する結晶で形成される。また、このような構成に代えて、光アイソレータの信号伝送線側（第１図における光信号増幅部３側）に対向する光ファイバ20の端面（又は光ファイバ端部に設けられたレンズの表面…図示せず）に金属膜を蒸着してもよい。このように設けられた光減衰手段は、雑音光とともに光信号の強度をも減衰させるが、減衰された後に再び光ファイバに入射する段階で上記入力パワーの差により光信号に比べて雑音光の強度は無視できるほど微弱になる。従って、第１図(a)の構成において、光信号増幅部３に入射する信号光と雑音光の強度比、所謂信号雑音比（Ｓ／Ｎ）は非常に高くなる。
一方、第６図(ａ)に示す光通信装置10は、上記波長変調方式に好適な構成である。この光通信装置は、光信号伝送部１、波長選択部（帯域フィルタ）４、及び光信号増幅部３を光ファイバ20を介して直列に配置し、光信号増幅部３で増幅された光信号は光信号伝送線（光ファイバ）６に入射する。
光信号伝送部１は、第１図(b)、第２図(b)並びに第４図に示すような信号光発生手段から構成され、前者は光学素子14として第５図(b)に開示される構成のものを採用する。即ち、波長変調方式では、発光部13,103,163で自然放出された光のうち、励起光発生部14,104に形成された回折格子112又はそれに準ずる構造物115によるブラッグ反射条件を満たす波長λの光を誘導放出部15,103に供給し、波長λのレーザ光を発振する。ブラッグ反射は、励起光発生部又はこれを備えた誘導放出条件制御部152における光の導波路15,103,113の実効屈折率ｎeffに依存することは、上述の数式５の議論から明らかである。波長変調方式では、伝送情報に応じて電界を電極層106,109間に印加し、第２半導体層104の屈折率を変えることで光導波路の実効屈折率ｎeffを変化させる。これにより、回折格子112,115によりブラッグ反射される光、即ち誘導放出を発生させる励起光の波長を変えて、レーザ光の波長を変える。即ち、波長変調方式では、光信号を励起光発生部に電界を印加したとき又は印加しないときのいずれか一においてブラッグ反射される光の波長に設定して信号伝送を行う。
波長変調方式での光信号伝送は上述の動作原理に基づくため、伝送信号に応じて光信号を遮断したとき、光信号とは波長の異なるレーザ光が光信号伝送線を通して信号受信側に行く。従って、信号受信側に波長選別手段、即ち分光器や帯域フィルタを設けるか、又は特定の波長にのみ感応する受光素子等を設けないと、波長の異なるレーザ光が絶え間なく受光素子に入射するため伝送情報の認識が事実上不可能となる。この問題を解決するために、波長変調方式の光通信装置においては、光信号伝送部１の後段に波長選択手段４を設ける。波長選択手段４は、例えば、回折格子やプリズム等の分光器を用いることができるが、光信号伝送部１からの光信号の安定な伝搬を保証する光学素子として、ファブリ・ペロ・エタロンを用いることが推奨される。第６図(b)はファブリ・ペロ・エタロンの具体的な構成の一例を示すもので、その分光特性はコア層41とクラッド層42を含めて構成される光ファイバの端面の対向し合う距離ｄと、対向するそれぞれの光ファイバ端面に形成された鏡面部46の反射特性に依存する。それぞれの光ファイバは、ピエゾ素子からなる圧電管材43にリング状スペーサ44を介して固定され、この圧電管材の長さをこれに印加する電圧で変化させ、光ファイバ端面間の距離ｄを調整することで選択波長を設定する。スリーブ25は、光ファイバ端面間の距離調整に際し、双方のコア層41がずれないように設けられたものである。双方の光ファイバ端面を確実に固定できれば、このような光ファイバ端面間の距離調整機能を付加しなくてもよい。ファブリ・ペロ・エタロンの例に限らず、光を波長選択手段に通すときは、信号伝送部１からの光を光ファイバから一旦出射させ、所望の波長成分を有する光（光信号）を選択したのち、これを次段の光ファイバに入射させる。波長変調方式においても、上記誘導放出変調方式と同様、発光部で自然放出された光の雑音が存在するが、波長選択手段から次段の光ファイバに入射するときに雑音となる自然放出光の強度は光信号に対して無視できるほど低下する。このため、誘導放出変調方式で用いた光強度減衰手段を設けなくとも、雑音光を除去することができる。
誘導放出変調方式並びに波長変調方式のいずれの光通信装置においても、光信号増幅手段を用いて信号伝送線における光信号強度の減衰を回避することができる。第１図(a)には、光ファイバ増幅器と呼ばれる光信号増幅手段３の概略が示されている。光ファイバ増幅器はEr等の活性物質を含む光ファイバ35に増幅すべき光信号λを入射させ、この光信号による波長λの光の誘導放出を光ファイバ35の内部で発生させることにより光信号自らの強度を高めさせる機能を有する。光信号による誘導放出を生じ易くするためには、光ファイバ35内の活性物質を励起する必要がある。このため、光ファイバ35の前段には活性媒質を励起するためのレーザ光を供給するレーザ光源33が配置され、ここで発生されるレーザ光は方向性結合器36を介して光信号とともに光ファイバ35に入射する。また、レーザ光源33から供給されるレーザ光が活性媒質の励起に適切な強度であるかをモニタするため、光ファイバ35の後段に配置された方向性結合器37から光をサンプリングして検出器34で測定する。光ファイバ増幅器に配置されるレーザ光源33の発振波長は信号光より波長の短いため、光信号への干渉等の影響はなく、その波長における信号伝送線（光ファイバ）での伝送損失も光信号より大きいため、実用上問題とならない。さらに、光ファイバ35の活性物質を常時励起状態に保つため、レーザ光源33は連続的にレーザ発振する。従って、レーザ光源33の電流注入や制御電界に対する応答性は、本発明の光通信装置において考慮する必要がない。
以上に述べた誘導放出変調方式並びに波長変調方式のいずれも、発光部での光生成、即ち誘導放出の種となる光を当該発光部への連続的な電流注入による自然放出で行う。このため、半導体レーザ装置に比べて消費電力が小さい。また、誘導放出を発生させる励起光は、励起光発生部における屈折率変化の速度に追従して瞬間的に発生する。このため、本発明による信号光の誘導放出の電気信号に対する応答性は、電流注入による誘導放出と異なり、電流として注入されるキャリアの寿命等に影響されず、上記電気信号に対する励起光発生部の屈折率変化の応答時間で決まる。上記励起光を発生するに際し、励起光発生部における屈折率変化量を大幅に変える必要がないので、電気信号の印加に伴う寄生容量の問題も無視できる。このため、上記発光部への電流注入に要する印加電圧（電極層間の電位差）に対し小さい電圧の信号（電界）をパルス状に上記励起光発生部に印加するとき、電圧信号のパルス幅を10-11s(秒)に縮めても、これに対応するパルス状のレーザ光が得られる。このような現象に基づく、本発明の光通信装置は一つの光信号による情報伝送速度を100Gb/s又はそれ以上に向上する可能性を有する。
本発明の光通信装置の伝送情報に対する応答性は、また信号パルスの間隔の変動による応答性（遅延時間）のばらつきをも解消する。第８図は、電気信号波形60と、これに対応する光信号波形を模式的に示したものであり、特開平６-169124号公報に開示されるような直接変調方式の波形61に見られた発振時間の遅延やそのばらつきは、本発明のいずれの変調方法においても得られる波形62に生じなかった。
１−２．光通信システム
本発明による光通信システムの一例を、第９図を参照して説明する。この光通信システムは、アナログ信号波形をこれに応じたパルス間隔の光信号に変換して伝送するＰＩＭ（Pulse Interval Modulation）方式を採用している。第１０図に示した信号パターンの変化を参照しながら、この光通信システムの概要を説明する。
いま、第１のユーザ121aから電話、ファクシミリ、又はコンピュータにより第１０図(a)に示すアナログの電気信号1210が基地局Ａ（例えば、電話局）に送信される。基地局Ａ内において、アナログ信号はコンパレータ122に入力され、このコンパレータに接続された鋸波発生装置123から送られる鋸波信号1230により波形が解析される。コンパレータ122は、鋸波信号1230の強度がアナログ信号1210の強度と等しくなる時刻毎に電圧パルス信号1220を発生する。電圧パルス信号1220は光通信装置10aの光信号伝送部１ａに入力され、その電圧パルス毎に波長λ1の励起光が発生する。そして、第１０図（c）に示されるようなパルス状の光信号501が電圧パルス信号1220に応じて誘導放出される。光信号は、光通信装置10aから光信号伝送線（光ファイバ）６に入射され、基地局Ｂまで伝送される。基地局Ｂでは、光信号受信部７０で光信号を電圧パルスに変換する。基地局Ｂで変換された電圧パルスの信号は、基地局Ｂ内に設けられた復号器71でアナログ信号に復元され、第２のユーザ121bへ送信される。また、情報の伝送先に応じ、基地局Ｂで変換された電圧パルスは基地局Ｂ内に設けられた光通信装置10bに入力され、これに設けられた光信号送信部１ｂで波長λ1の励起光を電圧パルス毎に発生させる。そして、電圧パルス毎に誘導放出された光信号は、光信号伝送線６を通って他の基地局へ送られる。基地局Ａから送信される光信号の波長λ1は、基地局Ｂから送信される光信号の波長λ1と同じ値に設定しても、違えても本発明の光通信システムの実施に支障はない。
第１０図の信号波形は模式的に示したものであるが、光信号のパルス幅（時間軸方向の拡がり）は１×10-9sかそれ以下に短くすることが本発明の実施に望ましい。その根拠は、発明の開示の欄で述べた本発明の光信号誘導放出の原理による。このように光パルス幅を狭めることは、例えば１MHzにも満たない電話の音声信号の伝送にはオーバー・スペックのようにも見える。しかし、多数のユーザからの伝送信号を時分割で送信できる利点がある。本発明によれば、複数の情報の時分割伝送を音声信号の伝送のみならず、４MHzの画像信号伝送に適用しても十分余裕がある。
一方、第１１図にはディジタル信号伝送に適した本発明の光通信システムを示す。この光通信システムにおける光信号の伝送速度を20Gb/sとして、以下の説明を行う。
第１のユーザ121aから電気信号として送信される情報は、符号化機能を有する電気信号源120aで20GHzの電圧パルスＳ1に変換される。そして光通信装置10の光信号伝送部１ａに送られる。光通信装置10の仕様は、第６図(a)に示すものと同じで、波長変調方式で光信号を発生させる。電圧パルスＳ1に対応して誘導放出された波長λ1の信号光は、ファブリ・ペロ・エタロン型の帯域フィルタ４を通して光ファイバ増幅器３で増幅され、光信号伝送線６に入る。光信号伝送線６は、シングルモードの光ファイバで構成され、この内部における光信号の減衰を補償するため、途中に光ファイバ増幅器350が設けられている。光信号受信部70に到達した光信号は、その内部に設けられた光ファイバ増幅器351で再び増幅され、受光素子710aへと向かう。
上述のとおり、この光通信システムで20Gb/sの速度の光信号伝送を行う場合、受光素子の追従性が問題となる。半導体受光素子の応答性は、その遮断周波数で規定されるが、例えば光信号の波長を1.55μｍとしたとき、これに適したInGaAs系のＰＩＮ型フォト・ダイオードの遮断周波数は２GHzである。ＰＩＮ型のフォト・ダイオードに限らず、この信号波長を利用した光通信システムの受光素子としてはアバランシェ型フォト・ダイオード（ＡＰＤ）等があり、その応答性は年々改善されているが、実用に提供できる素子が応答できる周波数帯域は数GHzに留まる。
このような背景を踏まえ、本発明の光通信システムでは複数の受光素子を並列に配置し、これに光信号を分割して送る。更に、分割されたそれぞれの光信号伝送路に光スイッチを設け、これらによる光の透過時間をずらす構成とする。受光素子701aの遮断周波数を５GHzとした場合、それぞれの受光素子は１ビット(b)の光信号に感応すると、その後２×10-10s(秒)の間、次の１bの光信号が入射しても感応しない。これに対し、20Gb/sでの伝送速度による光通信システムでは１bの光信号が0.5×10-10sの間隔で到達する。そこで、本発明では方向性結合器９で分岐された４本の光信号の伝送路に光スイッチとして半導体光変調器72を配置する。そして、半導体光変調器72の各々をクロックパルス発生装置73により時間差を付けて開閉する。一方、４系統に分かれて検出された光信号は、受光素子701aで夫々電気信号に変換され、復号器71において伝送情報の復号前に合成される。
４つの受光素子に応じた各系統を第１１図(a)に記すようにａ，ｂ，ｃ，ｄと名付けると、これらの系統に設けられた半導体光変調器72に設定される開閉時間のパターンは第１１図(b)のタイム・チャートとして示される。半導体光変調器72の夫々は、時間721だけ印加電界が切られて光信号を透過させる。時間721以外の時間帯は半導体光変調器72に電界が印加されて光信号を吸収する。夫々の半導体光変調器に電界が印加されない時間（光信号が通過できる時間）721は約0.5×10-10sに設定され、１bの光信号が一つの受光素子701aに連続して入射することによる伝送情報の誤認を回避する。また、４つの半導体光変調器の開閉動作のインターバルΔtは、受光素子の遮断周波数で決まる所謂不感時間分設定してある。このような信号受信部の構成は、光学部品を必要最小限に抑えて所望の効果を得ようとするものであるが、受光素子の動作マージンを取るため、更に光信号の分岐数を増やしてもよい。
さらに、光信号の送信と受信のタイミングを合わせるため、第１１図(a)に示すように送信側に光信号とは異なる波長λrefの参照光を発生させる光信号送信部１を設け、この参照光を基準にクロックパルス発生装置73を動作させ、半導体光変調器72を制御するとよい。このとき、参照光を発生させる電気信号源120bは、電気信号源120aとクロックパルス発生装置124を共有するように構成し、夫々の電気信号源から発生する電圧パルスのタイミングを取る。但し、電圧パルスの時間幅はともに0.5×10-10s未満に設定し、電気信号源120bから発生する電圧パルスの間隔は受光素子70の遮断周波数以下の周波数となるように間引く。従って、電気信号源120bの電圧パルスの周波数設定によっては、光信号の分岐数を適宜増やし、またクロックパルス発生装置73による半導体光変調器72の制御パターンを変更する必要がある。参照光は、信号受信部70に到る伝送条件を光信号と揃えることが肝要であるため、光通信装置10内で方向性結合器９により光信号と合波させる。また、参照信号の波長は光信号の波長に近いものが望ましいが、信号受信部70の帯域フィルタで分光できる範囲で離しておくことも考慮すべきである。従って、高調波を含めた相互の波長が10nm以上であるように設定することが望ましい。なお、高調波については光信号送信部を構成する共振器の仕様で解消することもできる。
１−３．制御回路及び光信号送信モジュール
本発明による光通信装置及びシステムの機能的な特徴の一つは、発光部への動作電流注入（自然放出に要するキャリア注入）に要する電位差ΔＶ1より小さい電圧範囲ΔＶ2で電界を変調することにより光信号の誘導放出又は誘導放出波長を変調できることである。この特徴に鑑み、本発明の光通信装置の制御電源は第１２図に示すように発光部151と励起光発生部（誘導放出制御部）152とで共用できる利点がある。この利点は、上述の電界の印加方向が一つの共通電極に対して揃えられるためである。
第１２図(a)に示す構成は、発光部151に電位差Ｖ1を印加する駆動電源（電流源）11から抵抗ＲでＶ2に電圧降下させて励起光発生部152に印加する電界を供給する。励起光発生部152は、媒質に電流注入を行わないように構成されるため、上部電極と下部電極を対向させたキャパシタ（容量）として表現される。伝送情報を電圧パルスのパターンとして供給する電気信号供給源12は、電界効果型トランジスタ1201,1202のゲートに夫々接続される。電界効果型トランジスタ1201はゲート電圧印加時にチャネルを開き且つ非印加時にチャネルを閉じる機能を有するのに対し、電界効果型トランジスタ1202はゲート電圧印加時にチャネルを閉じ且つ非印加時にチャネルを開く機能を有する。従って、電気信号供給源12から電圧パルスが発生した場合、励起光発生部152を構成する上部電極に＋Ｖ2、下部電極に０の電圧が掛かり、＋Ｖ2の電界が生じる。これに対し、電圧パルスのない状態では、双方の電極の電圧は０となり、電極間の電界は消滅する。このため、伝送情報に応じて電極間の電界はΔＶ2の振幅で変調される。電極間に電圧を印加した場合、夫々の電極に電荷が溜まるが、電界効果型トランジスタ1202を介した配線は、この電荷を引き抜く作用をするため、本発明の光通信装置の特に100Gb/sに到る伝送速度での光信号送信の信頼性を高める利点がある。
第１２図の他の例でも、励起光発生部の電界を振幅ΔＶ2で変調するものであるが、電極に印加される電圧の絶対値が異なる。(b)の構成では、上部電極が電圧＋Ｖ1に固定され、下部電極が電圧＋（Ｖ1−Ｖ2）と＋Ｖ1との間で変動する。（c）の構成では、駆動電源11の供給電圧値を発光部151に要する値より高く設定しており、発光部に直列に電圧降下のための抵抗Ｒを設ける。そして、電圧＋（Ｖ1＋Ｖ2）に固定された上部電極に対し、下部電極の電圧は＋（Ｖ1＋Ｖ2）と＋Ｖ1との間で変動する。第１２図に示された各回路構成は、光信号送信部の仕様や構成に応じて適宜選択される。
以上の回路構成で、励起光発生部152に印加される電圧パルスによる発光部151への電流注入条件への影響は、電圧パルスの時間幅を１×10-9s以下とした場合、認められない。また、この影響の可能性は、発光部151に掛かる電位差Ｖ1に対し、励起光発生部で変調される電圧幅Ｖ2が小さくなるほど低くなると考えられる。
次に、本発明に好適な光信号送信モジュールとこれに用いられる半導体装置について第１３図を参照して説明する。上述のとおり、本発明による光通信装置及びシステムでは、誘導放出変調方式と波長変調方式の２通りの光信号発生態様がある。このうち、特に前者の方式に好適な半導体装置の鳥瞰図を第１３図(a)に示す。この半導体装置は、第２図(a)で紹介した半導体装置に準ずる構成を有する。第１３図(a)には、以降この半導体素子の説明を簡略にするため、ｘｙｚの座標を示してある。因みに、第２図(a)は第１３図(a)に示す半導体装置の活性領域103及び電極層107が形成された部分のｘｚ断面図となる。
まず、この半導体装置の光信号送信部における利用形態について第１３図(b)及び（c）を参照して説明する。半導体装置は、第１３図(b)に示されるように基板（モジュール基板）91上に制御電源回路92、モニタ用受光素子702とともに配置されて光モジュール90を構成する。基板91主面に形成されたＶ字型の溝94は、光ファイバを固定するものであり、これに設けられる光ファイバ（図示せず）の端面とレーザ光出射端面とが対向するように半導体装置は、そのｙ軸方向の位置を合わせ且つそのｘ軸と溝の延伸方向とを合わせて（アラインメントを取って）基板上に固定される。制御電源回路92は、発光部への注入電流、励起光発生部への印加電界、並びに受光素子の印加電界をボンディングワイヤ93を介して供給する。発光部への注入電流は電極層107への、励起光発生部への印加電界は電極層109へのボンディングワイヤ93を介して供給される。光モジュール90は、更に樹脂製のパッケージ900に収められ、光ファイバ20を上記溝94に固定したのち、パッケージに蓋（図示せず）をして梱包される。パッケージ900には基板94上の制御電源回路92に外部電源又は信号を入力するためのリード901が設けられている。
第１３図(a)の半導体装置において、その上面に離間されて形成されるべき電極層109が端部において結合されている。このような構成が採用できる理由は、この半導体装置における光の導波領域と電極層からの電界印加により形成される屈折率変化領域との関係にある。これを第１４図を参照して説明する。図示されたいずれの半導体装置でも、発光電流（自然放出光を起こす電流）は電極層106,107間に生じ、励起光を発生させる電界は電極層106,109間に印加される。第１４図(a)は、第１３図(a)の半導体装置のｙｚ断面であり、半導体装置で生じたレーザ光はｘ軸方向に導波するため、この断面と直交する。電極層109から印加される電界で生じた屈折率変化領域110a,110b,110c（パターンの濃さは屈折率変化に応じる）に対し、発光電流で活性領域103で自然放出された光はこれに隣接する半導体層に僅かながら沁み出す。光の沁み出す領域は、参照番号1030で図示した円内に亘り、上記屈折率変化領域110cに掛かる。このため、屈折率変化領域を周期的に形成すると、活性領域103から沁みだした光はブラッグ反射される。光の沁みだし領域1030は半導体層の導電型に関係なく生じるため、第１４図(b)のように活性層の両側をｎ型又は半絶縁性の半導体層で埋め込んだ場合にも生じる。活性領域103のｙ軸方向の幅を絞った場合や、活性層の上部において電流狭窄層を対向させて形成した場合、ｙｚ断面の端部への光の沁みだしは抑制される。従って、半導体装置のＸ軸に沿った中心線に対してある程度離れた位置で離間し合う電極を結合させても、これによる一様な屈折率変化は上記ブラッグ反射に何ら影響しない。
次に、上述の半導体装置の構成及び製造方法について、具体的に述べる。
第１５図は、分布帰還型のInGaAsPレーザとして半導体装置を構成した例を示す。第１５図(a)は半導体装置のｘｚ断面を、第１５図(b)は半導体装置のｙｚ断面を夫々示す。まず、p型InP基板101上に液相成長法（LPE法）もしくは有機金属気相成長法（MOCVD法）を用いてｐ型InPクラッド層102、InGaAsP活性層103を成長する。次に、InGaAsP活性層103を第１５図(b)に示すようにストライプ状にエッチングしたあと、ｎ型InPクラッド層104を成長し、該ｎ型InPクラッド層104の上に電流注入電極用金属膜を成長する。該電流注入用金属膜を該ｎ型クラッド層とオーミック接合する材料（例えばAuGe/Ni/Au, AuSn/Mo/Auなど）で形成し、次に、該電流注入電極用金属膜を第１５図(b)の107のようにストライプ状にエッチングした後、不純物ドープのないInP光ガイド層1080を成長する。次にInP光ガイド層の表面に電界印加用電極金属膜（例えば，NiAl/AlAs,ScErAsなど）109を成長する。該電極金属膜109は該光ガイド層1080とショットキー性接合する。その後、２光束干渉露光法で該電極109の表面に塗布されたフォトレジストに一次元方向に一定間隔a1（例えば、240nm）になるような一次元表面格子を形成する。また、電子ビーム露光により一次元表面格子（第１３図の電極層109の形状から便宜的に名付ける）のパターンをフォトレジストに描画してもよい。フォトレジストに該パターンを形成した後は、このレジストをマスクにして電界印加用電極をエッチングする。該ｐ型InP基板101の裏面には、電流注入用電極膜106を設ける.該電流注入用電極膜106の材料は、該ｐ型InP基板101とオーミック接合する材料であり,例えばCr/Au, Ti/Pt/Au, AuZn/Ti/Pt/Auなどである．裏面電極106に正電圧，電極107に負電圧を印加して電流を活性層に注入すれば発光ダイオードモード、即ち自然放出で発光し、電界印加用電極109に負電圧を印加すれば、２×a1×ｎeffの波長のレーザ光が放射される。但し、ｎeffはInGaAs活性層１２０４の屈折率である。また、入力電気信号106を第１図に示すような電圧印加コントローラ１２によって、電極層109に印加する電圧に変換してレーザ発振を制御すれば、遅延時間の生じない高速な電気−光信号変換が可能となる。
上述の分布帰還型InGaAsPレーザにおいて、回折格子形成のための電圧を印加するために絶縁膜を利用した構成を第１６図(a)のｘｚ断面及び第１６図(b)のｙｚ断面を参照して説明する．まず、ｐ型InP基板101上に液相成長法（LPE法）もしくは有機金属気相成長法（MOCVD法）を用いてｐ型InPクラッド層102、InGaAsP活性層103を成長する。次に、該InGaAsP活性層を第１６図(a)に示すようにストライプ状にエッチングし、ｎ型InPクラッド層104を成長し、該ｎ型InPクラッド層104上に電流注入電極用金属膜を成長する。該電流注入用金属膜は、該ｎ型クラッド層とオーミック接合する材料（例えばAuGe/Ni/Au, AuSn/Mo/Auなど）で形成し、次に該電流注入電極用金属膜を第１６図(a)のようにストライプ状にエッチングした後、不純物ドープのないInP光ガイド層1080を成長する。次に該InP光ガイド層の表面に絶縁膜108（例えばSiO2,PLZTなど）を形成する。次に、電界印加用電極金属膜109を成長する。その後、光束干渉露光法によって該電極109の表面に塗布されたフォトレジストに一次元方向に一定間隔a1（例えば、240nm）になるような一次元表面格子を形成する。また、電子ビーム露光により一次元表面格子のパターンをフォトレジストに描画してもよい。フォトレジストに該パターンを形成した後は、このレジストをマスクにして電界印加用電極をエッチングする。該ｐ型InP基板の裏面には電流注入用電極膜106を設ける。該電流注入用電極膜106の材料は、該ｐ型InP基板101とオーミック接合する、例えばCr/Au, Ti/Pt/Au, AuZn/Ti/Pt/Auなどである。裏面電極106に正電圧、電極107に負電圧を印加して電流を活性層に注入すれば、発光ダイオードモードで発光を生じ、電界印加用電極109に電圧を印加すれば、２×a1×ｎeffの波長のレーザ光が放射される。但し、ｎeffはInGaAs活性層103の屈折率である。また、入力電気信号106を第１図(b)に示すような電圧印加コントローラ12で、電極層109に印加する電圧に変換してレーザ発振を制御すれば、遅延時間の生じない高速な電気−光信号変換が可能となる。
なお、上述のプロセスを応用して作製した分布ブラッグ反射型のレーザ発振器の構成を第１６図（c）に示す。上述の半導体装置と構成は相違するが、その性能は略同じである。
更に、分布帰還型InGaAsP多重量子井戸レーザを用いた構成の例を、第１７図(a)のｘｚ断面図、第１７図(b)のｙｚ断面図）を用いて説明する。まず、ｐ型InP基板101上に、液相成長法（LPE法）もしくは有機金属気相成長法（MOCVD法）を用いてｐ型InPクラッド層102,InGaAsP活性層103aを成長する。次に、該InGaAsP活性層を第１７図(b)に示すようにストライプ状にエッチングしたあと，ｎ型InPクラッド層104aを成長する。さらに、該ｎ型InPクラッド層104aの上にInGaAsP活性層103bを成長する。次に、該InGaAsP活性層を第１７図(b)に示すようにストライプ状にエッチングし、ｎ型InPクラッド層104bを成長する。このようにストライプ状活性層とクラッド層を２周期以上積層した後、電流注入電極用金属膜107を成長する。該電流注入用金属膜は該ｎ型クラッド層とオーミック接合する材料（例えば、AuGe/M/Au, AuSn/Ni/Auなど）で形成し、次に、該電流注入電極用金属膜を第１７図(b)のようにストライプ状にエッチングし、不純物ドープのないInP光ガイド層1080を成長する。次に該InP光ガイド層の表面に絶縁膜108（例えばSiO2,PLZTなど）を形成する。次に、電界印加用電極金属膜109を成長する。その後、２光束干渉露光法によって該電極109の表面に塗布されたフォトレジストに一次元方向に一定間隔a1（例えば、240nm）になるような一次元表面格子を形成する。また、電子ビーム露光により一次元表面格子のパターンをフォトレジストに描画してもよい。フォトレジストに該パターンを形成した後、このレジストをマスクにして電界印加用電極をエッチングする。該p型InP基板の裏面には電流注入用電極膜106を設ける。該電流注入用電極膜106の材料は該ｐ型InP基板101とオーミック接合する材料であり、例えばCr/Au, Ti/Pt/Au, AuZn/Ti/Pt/Auなどである。裏面電極106に正電圧、電極107に負電圧を印加して電流を活性層に注入すれば、発光ダイオードモード（自然放出）で発光し、電界印加用電極109に電圧を印加すれば２×a1×ｎeffの波長のレーザ光が放射される。但し、ｎeffはInGaAs活性層103a,103bの屈折率である。また、第１図に示す光通信装置において入力電気信号を電圧印加コントローラ12によって、電極層109に印加する電圧に変換して、レーザ発振を制御すれば、遅延時間の生じない高速な電気−光信号変換が可能となる。
２．複数の光信号を用いた情報伝送への応用
本発明を波長の異なる複数の光信号による情報伝送に応用した実施態様について、光通信システム、及びこれらに好適な半導体装置の順に説明する。
２−１．光通信システム
第１８図には、本発明による複数の光信号を用いた光通信システムの概要を示す。光通信システムを構成する主な装置は、第１１図(a)で説明したシステムと共通するが、光信号送信部１の仕様及びこれに伝送情報を供給する符号化装置124の機能が異なる。このシステム構成では、上記誘導放出変調方式により一信号波長当たり10Gb/sの伝送速度で光信号を伝送する。
第１９図は、第１８図の光通信システムにおけるアナログ信号をディジタル化して伝送する工程の波形変化を示す。第１９図(a)は、符号化装置124に入力されるアナログ信号の波形1210を示す。この波形は、第１０図で示したものと同じであるが、符号化装置124で所定の時間間隔でパルス信号1221を打ち、波形1210の強度（振幅）をサンプリングする（第１９図(b)参照）。この振幅の大きさに応じて二進数に符号変換する。符号化装置124では、二進数の桁毎にビットを割り当て、これを波長λ1,λ2,λ3,λ4の各光信号に割り当てる。第１９図（c）には４ビット値で変換された電圧信号を示す。この電圧信号は、光信号送信部１に設けられた夫々の波長に対応する励起光発生部に入力される。この信号伝送方式は、第１０図を用いて説明したものに比べ装置構成は複雑となるが、雑音の影響を受け難い利点がある。
本発明においては、符号化装置124から第１９図（c）に示す電圧信号を１×10-9秒以下の幅の電圧パルスとして光信号送信部に送ることにより、各波長の光信号の信号受信側への到達時間を精度よく合わせる。このため、10Gb/sの伝送速度で送信された各光信号の受信誤差が殆ど生じない。
２−２．半導体装置
上記第１８図で説明した光通信システムでは、光信号送信部を光信号の波長毎に備えて構成してもよいが、以下に紹介する半導体装置を採用すると、一の光信号送信部で波長の異なる複数の光信号を送信できる。この半導体装置は、基本的には第１３図並びに第１５図乃至第１７図で示した半導体装置と類似の構成を有するが、誘導放出条件制御部を構成する電極の構成に特徴がある。
第２０図(a)は、この半導体装置の構造の一例をｘｚ断面で示すものである。半導体装置を構成する各半導体層は、概ね第２図(a)の構成と同じである。但し、励起光を発生するための電極層109は、間隔の異なる109a（間隔a1）と109b（間隔a2）とに分かれる。これにより、周期の異なる２種類の屈折率分布を活性層上部に形成できるので、高調波等の関係のない２種類のことなる波長の光を同時に又独立に一つの半導体装置から誘導放出することが可能となる。
第２０図(b)及び（c）は、第２０図(a)の半導体装置を上面から見た図であり、離間周期の異なる電極層の具体的な形状を示している。双方の電極構成に共通の特徴は、光信号の導波方向（ｘ軸方向）からみて左右の電極層間隔が異なることである。しかし、電極109からの電界印加で周期的に生じる屈折率変化領域の形状が光の導波領域に対して対称でなくとも、この周期的な屈折率変化は導波光の所定の波長成分をブラッグ反射するため、第２０図(b)及び（c）の電極配置でも本発明の目的の一つである、波長の異なる複数の波長を支障なく誘導放出することができる。
さらに、媒質の周期的な屈折率変化による回折格子を形成するための一次元表面格子電極の種類を２種類以上設けた（電極の周期を２つ以上有する）分布帰還型InGaAsPレーザとして構成された多重波長レーザ装置の構成及びその作製例を第２１図を参照して説明する。まず、ｐ型InP基板101上に，液相成長法（LPE法）もしくは有機金属気相成長法（MOCVD法）を用いてｐ型InPクラッド層102.InGaAsP活性層103を成長する。次に、該InGaAsP活性層を第１５図の半導体装置の場合と同様にストライプ状にエッチングし、ｎ型InPクラッド層104を成長し、該ｎ型InPクラッド層104の上に電流注入電極用金属膜を成長する。該電流注入用金属膜は、該ｎ型クラッド層とオーミック接合する材料（例えばAuGe/Ni/Au, AuSn/Mo/Auなど）で形成し、次に該電流注入電極用金属膜を第１５図の半導体装置のプロセスと同様にストライプ状にエッチングし、不純物ドープのないInP光ガイド層105を成長させる。次に、該InP光ガイド層の表面に絶縁膜108（例えばSiO2,PLZTなど）を形成し、その上面に電界印加用電極金属膜を成長する。その後、２光束干渉露光法により該電極膜に表面に塗布されたフォトレジストに一次元方向に一定間隔a1（例えば240nm）になるような一次元表面格子を形成する。また、該表面格子の周期a1と異なった周期a2の表面格子を該表面格子に平行に形成する。さらにa2の表面格子と同様にa3からan迄の周期の異なる表面格子を形成する（但し、第２１図の例ではa3に留まる）。上記露光プロセスに代えて、電子ビーム露光により一次元表面格子のパターンをフォトレジストに描画してもよい。フォトレジストに該パターンを形成した後、このレジストをマスクにして電界印加用電極をエッチングする。第２１図には、a1の表面格子109a、a2の表面格子109b、a3の表面格子109cを示している。該ｐ型InP基板の裏面には電流注入用電極膜106を設ける。該電流注入用電極膜106の材料は、該ｐ型InP基板101とオーミック接合する材料であり、例えばCr/Au, Ti/Pt/Au, AuZn/Ti/Pt/Auなどである。
裏面電極106に正電圧、電極107に負電圧を印加して電流を活性層103に注入すれば、第２２図の波長プロファイル50に示す活性層103内で発光ダイオードモードの発光現象（自然放出）が生じ、電界印加用表面格子電極109に電圧を印加すれば，２×a1×ｎeffの波長のレーザ光が放射される。因みに、第２２図のスペクトルにて、電極層109aにより波長プロファイル51aが、電極層109bにより波長プロファイル51bが、電極層109cにより波長プロファイル51cが、夫々得られている。但し、ｎeffはInGaAs活性層103の屈折率である。また、この半導体装置を第１８図の光通信システムに採用する場合、入力電気信号Ｓ1,Ｓ2,Ｓ3を符号化装置124によって表面格子電極109a,109b,109cに印加する電圧パルスに振り分けてレーザ発振を制御すれば、高速且つ大容量の電気−光信号変換が可能となるため、遅延時間のない多重送信が可能となる。
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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