(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
共振器長がＬの外部共振器型波長可変パルス光源において、利得領域と可飽和吸収領域を有し、内部で発生する光が、その内部を往復する時間の逆数の周波数であるＭＬ周波数ｆＤ＝ｃ／（２ｎＤＬＤ）（ｃ：光速、ｎＤ：半導体レーザ素子の有効屈折率、ＬＤ：基端面と先端面との距離であるデバイス長）で発振し、前記利得領域の端面に反射防止膜を施すことで、それ自体では発振しない反射防止膜つき半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射される光をコリメートするレンズと、前記半導体レーザ素子から出射される光を反射する反射鏡と、この反射鏡を移動させて前記半導体レーザ素子の基端面と前記反射鏡との間の距離である共振器長Ｌを可変にする駆動装置と、前記反射鏡と前記レンズとの間に配置され前記半導体レーザ素子から出射される光の波長を可変にする波長選択素子と、前記共振器長Ｌより求められる基本モード同期周波数ｆＭＬの整数倍の周波数のマイクロ波を前記半導体レーザ素子に注入するマイクロ波発振回路と、を有し、前記ＭＬ周波数ｆＤが、前記基本モード同期周波数ｆＭＬの整数倍となるように前記共振器長Ｌ及び前記半導体レーザ素子のデバイス長ＬＤを設定すると共に、前記半導体レーザ素子のデバイス長ＬＤをＬＤ＝ｃ／（２ｎＤＭｆＭＬ）（Ｍ：整数）に設定することを特徴とする外部共振機型波長可変パルス光源。
【請求項２】
前記半導体レーザ素子は、受動導波路を有することを特徴とする請求項１に記載の外部共振機型波長可変パルス光源。
【請求項３】
前記利得領域、可飽和吸収領域及び受動導波路は、光が共振器内部を周回する際に、前記利得領域及び可飽和吸収領域で夫々光が受けるチャープ量が実質的に同一となるように配置されたことを特徴とする請求項２に記載の外部共振機型波長可変パルス光源。
【請求項４】
前記半導体レーザ素子は、この半導体レーザ素子の内部屈折率を制御する光路可変機構を有することを特徴とする請求項１に記載の外部共振機型波長可変パルス光源。
【請求項５】
前記光路可変機構は、前記半導体レーザ素子の光導波路に電流注入又はバイアス印加を行うことにより前記半導体レーザ素子の内部屈折率を変化させることを特徴とする請求項４に記載の外部共振機型波長可変パルス光源。
【請求項６】
前記外部共振機型波長可変パルス光源は、外部共振器型モード同期半導体レーザであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の外部共振機型波長可変パルス光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長多重方式及び時間多重方式等の超高速光通信方式に使用される光信号処理及び光計測に有用な波長可変性で超短光パルスを発生する外部共振機型波長可変パルス光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近時、基幹系の光通信においては、１波長当たりの伝送レートが４０Ｇｂｉｔ／秒を超える光伝送システムの開発が活発化している。この場合、４０Ｇｂｉｔ／秒の信号光を発生させるために、高安定な光クロックパルスを直接生成する光源が求められる。特に、光伝送システムの最適化を行う上で使用される光クロックパルス光源は、波長及び伝送レート周波数が可変であり、かつ安定な動作が可能である必要がある。その要求を満たす主要な光源として、外部共振器型モード同期半導体レーザが挙げられる。
【０００３】
図５は、従来の外部共振器型モード同期半導体レーザの構成を示すブロック図である。図５に示すように、外部共振器型モード同期半導体レーザ４００においては、半導体レーザ素子４０４と、この半導体レーザ素子４０４から出射される光をコリメートするためのレンズ４０５と、半導体レーザ素子４０４から出射される光を反射する反射鏡４０６により構成されたファブリ・ペロー型のレーザ発振器が備えられている。この半導体レーザ素子４０４は、先端側に利得領域４０１が、基端側に可飽和吸収領域４０２が備えられており、また、この利得領域４０１の端面、つまり、半導体レーザ素子４０４の先端面に反射防止膜４０３が備えられている。更に、この外部共振器型モード同期半導体レーザ４００では、反射鏡４０６の位置を変えて、半導体レーザ素子４０４の基端面と反射鏡４０６との間の距離である共振器長４０７を可変にする駆動装置（図示せず）が設けられているとともに、反射鏡４０６とレンズ４０５との間に光の波長を可変にする波長選択素子４０８が設けられている。
【０００４】
また、過飽和吸収領域４０２には、基準マイクロ波発信機４１２、バイアス源４１３、バイアスティ４１５からなるマイクロ波発振回路４１１が接続されており、利得領域４０１には、電流源４１４が接続されている。
【０００５】
以上の構成により、外部共振器型モード同期半導体レーザ４００は、電流源４１４により半導体レーザ素子４０４の利得領域４０１に電流を注入することにより、半導体レーザ素子４０４にて発生した光は、共振器長４０７間の光路４１０を往復し、その後、反射鏡４０６を透過して、所定時間間隔の光クロックパルス列４１６となる。この光クロックパルス列４１６の周波数は、基本モード同期周波数（ｆＭＬ）と呼ばれ、共振器長４０７（Ｌとする）によって、ｆＭＬ＝ｃ／２ｎＬ（ｃ：光速、ｎ：外部共振器全体の有効屈折率）により求められる。更に、マイクロ波発振回路４１１により、基本モード同期周波数と同じ周波数のマイクロ波を可飽和吸収領域４０２に注入することで、外部回路との電気的同期が取れた基本モード同期周波数モード同期周波数の繰り返しの光クロックパルス列４１６を得ることができる（以下、基本ＭＬ（Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ：モード同期）動作という）。
【０００６】
しかしながら、上述の外部共振器型モード同期半導体レーザ４００においては、共振器内部に半導体レーザ素子４０４から出射される光をコリメートするためのレンズ４０５及び波長可変を可能にする波長選択素子４０８が挿入されているために、レーザ発振器の共振器長４０７を短くすることができず、基本モード同期周波数は１０乃至２０ＧＨｚが限界であった。つまり、４０ＧＨｚ又はそれ以上のレート周波数を、外部共振器型モード同期半導体レーザ４００の基本モード同期動作で得ることは困難であった。そこで、その共振器長４０７で決まる基本モード同期周波数（ｆＭＬ）の整数倍（Ｍ）のマイクロ波を重畳（高調波変調）することにより、ｆＭＬ×Ｍの繰り返し周波数の光パルス出力を得る高調波モード同期動作の方法が提案されている（以下、高調波ＭＬ（Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋｅｄ：モード同期）動作という）。これは、図５に示す外部共振器型モード同期半導体レーザ４００の可飽和吸収領域４０２に外部から基本モード同期周波数（ｆＭＬ）の整数倍（Ｍ）の周波数のマイクロ波を注入することが特徴である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、Ｍ×ｆＭＬの周波数での高調波ＭＬ動作を確定するためには、一般的に基本モード同期周波数での基本ＭＬ動作と比べ、電流源４１４により利得領域に注入する電流を増加させ、レーザ発振器内の利得を増加させる必要があり、それに伴い、半導体レーザ素子４０４の先端面に高い品質の反射防止膜４０３を形成しないと、Ｍ×ｆＭＬの周波数で発生するメインパルスのほかに、半導体レーザ素子４１４内を往復する時間の周期でサブパルスが発生してしまうという問題があった。
【０００８】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、高調波ＭＬ動作により発生するサブパルスを除去した光クロックパルス列を発生できる外部共振器型波長可変パルス光源を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る外部共振器型波長可変パルス光源は、共振器長がＬの外部共振器型波長可変パルス光源において、利得領域と可飽和吸収領域を有し、内部で発生する光が、その内部を往復する時間の逆数の周波数であるＭＬ周波数ｆＤ＝ｃ／（２ｎＤＬＤ）（ｃ：光速、ｎＤ：半導体レーザ素子の有効屈折率、ＬＤ：基端面と先端面との距離であるデバイス長）で発振し、前記利得領域の端面に反射防止膜を施すことで、それ自体では発振しない反射防止膜つき半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子から出射される光をコリメートするレンズと、前記半導体レーザ素子から出射される光を反射する反射鏡と、この反射鏡を移動させて前記半導体レーザ素子の基端面と前記反射鏡との間の距離である共振器長Ｌを可変にする駆動装置と、前記反射鏡と前記レンズとの間に配置され前記半導体レーザ素子から出射される光の波長を可変にする波長選択素子と、前記共振器長Ｌより求められる基本モード同期周波数ｆＭＬの整数倍の周波数のマイクロ波を前記半導体レーザ素子に注入するマイクロ波発振回路と、を有し、前記ＭＬ周波数ｆＤが、前記基本モード同期周波数ｆＭＬの整数倍となるように前記共振器長Ｌ及び前記半導体レーザ素子のデバイス長ＬＤを設定すると共に、前記半導体レーザ素子のデバイス長ＬＤをＬＤ＝ｃ／（２ｎＤＭｆＭＬ）（Ｍ：整数）に設定することを特徴とする。
【００１０】
また、この外部共振器型波長可変パルス光源において、例えば、前記半導体レーザ素子は、受動導波路を有する。
【００１１】
また、更に、この外部共振器型波長可変パルス光源において、例えば、前記利得領域、可飽和吸収領域及び受動導波路は、光が共振器内部を往復する際に、前記利得領域及び可飽和吸収領域で夫々光が受けるチャープ量が実質的に同一となるように配置される。
【００１２】
また、この外部共振器型波長可変パルス光源において、例えば、前記半導体レーザ素子は、この半導体レーザ素子の内部屈折率を制御する光路可変機構を有する。
【００１３】
また、更に、前記光路可変機構は、例えば、前記半導体レーザ素子の光導波路に電流注入又はバイアス印加を行うことにより前記半導体レーザ素子の内部屈折率を変化させる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例について添付の図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施例に係る外部共振器型モード同期半導体レーザの構成を示すブロック図であり、図２は本発明の第１の実施例に係る外部共振器型モード同期半導体レーザにより発生するメインパルス及びサブパルスを示した図である。図１に示すように、本実施例の外部共振器型モード同期半導体レーザ１００においては、半導体レーザ素子１０４と、この半導体レーザ素子１０４から出射される光をコリメートするためのレンズ１０５と、半導体レーザ素子１０４から出射される光を反射する反射鏡１０６により構成されたファブリ・ペロー型のレーザ発振器が備えられている。この半導体レーザ素子１０４は、先端側に利得領域１０１を、基端側に可飽和吸収領域１０２を備えており、また、この利得領域１０１の端面、つまり、半導体レーザ素子１０４の先端面に反射防止膜１０３が備えられている。更に、この外部共振器型モード同期半導体レーザでは、反射鏡１０６の位置を変えて、半導体レーザ素子１０４の基端面と反射鏡１０６との間の距離である共振器長１０７を可変にできる駆動装置（図示せず）とともに、反射鏡１０６及びレンズ１０５との間に光の波長を可変にする波長選択素子１０８が設けられている。
【００１５】
なお、半導体レーザ素子１０４の基端面と先端面との距離であるデバイス長（ＬＤ）１０９は、ＬＤ＝ｎＬ／（ｎＤＭ）（Ｌ：共振器長１０７、Ｍ：整数、ｎ：外部共振器全体の有効屈折率、ｎＤ：半導体レーザ素子の有効屈折率）となるように設定してあるとともに、ＬＤ＝ｃ／（２ｎＤＭｆＭＬ）（ｆＭＬ：基本モード同期周波数）となるように設定してある。ここで、基本モード同期周波数は、共振器長１０７（Ｌ）によって、ｆＭＬ＝ｃ／２ｎＬにより求められる。
【００１６】
また、過飽和吸収領域１０２には、基準マイクロ波発信機１１２、バイアス源１１３、バイアスティ１１５からなるマイクロ波発振回路１１１が接続されており、利得領域２０１には、電流源１１４が接続されている。
【００１７】
以上の構成により、外部共振器型モード同期半導体レーザ１００は、電流源１１４により半導体レーザ素子１０４の利得領域１０１に電流を注入することにより、半導体レーザ素子１０４にて発生した光は、共振器長１０７間の光路１１０を往復し、反射鏡１０６を透過して、所定時間間隔の光クロックパルス列１１６となる。この光クロックパルス列１１６の周波数が基本モード同期周波数である。更に、マイクロ波発振回路により、基本モード同期周波数の整数倍の周波数のマイクロ波を可飽和吸収領域１０２に注入することで、Ｍ×ｆＭＬの繰り返し周波数の光パルス出力が得られる。
【００１８】
この光パルス出力により、共振器内部に複合共振器効果としてＭ×ｆＭＬの繰り返しで緩やかな変調が生じる。この複合共振器効果が、共振器長１０７で決まる基本モード同期周波数の周期の光パルスの発生条件より、強くなるように利得電流及び可飽和吸収領域の動作条件に設定すると、Ｍ×ｆＭＬの繰り返しで発生する光パルスが増強され、受動的に高調波動作が生じる。このとき、半導体レーザ素子に施している反射防止膜の残留反射により生じるサブパルスは、デバイス長１０９（ＬＤ）がＬＤ＝ｎＬ／（ｎＤＭ）となるように設定されているとともに、ＬＤ＝ｃ／（２ｎＤＭｆＭＬ）となるように設定されているので、高調波ＭＬ動作によりメインパルスとほぼ同時となり、サブパルスの存在はなくなる。また、基準マイクロ波発振器１１２等の外部回路からＭ×ｆＭＬのマイクロ波を重畳することで、高安定な高調波モード同期動作が実現する。
【００１９】
具体的に、１０ＧＨｚの外部共振器型モード同期半導体レーザにおける４０ＧＨｚ高調波モード同期の例を示す。使用する半導体レーザ素子は、屈折率が３.６の場合、全デバイス長１０４０μｍで半導体レーザ素子のモード同期周波数が４０ＧＨｚになる。全デバイス長のへき開誤差によるモード同期周波数の誤差は、通常のへき開誤差の精度である±１０μｍのへき開誤差の場合、±０.５ＧＨｚの周波数ずれとなり、つまりメインパルスとサブパルスの時間シフトが０.２５ｐｓとなる。メインパルスの時間幅が１ｐｓ以上の場合、メインパルスとサブパルスの時間シフトは、ほぼ同時であるため、サブパルスそのものが存在しないようにできる。
【００２０】
図２を参照して、サブパルス発生の抑制について詳しく説明する。外部共振器型モード同期半導体レーザの基本モード同期周波数で光パルスを発生させると、基本モード同期周波数の時間間隔５０３でメインパルス５０１が発生する。このとき、デバイスの施している反射防止膜の残留反射の影響により、デバイス長で決まる時間間隔５０４でサブパルス５０２も同時に発生する。この動作状態から、利得電流を増加させ、高調波モード同期動作をかけると、選択的にサブパルスが発生する時間間隔のモード同期が生じる。さらに、外部からデバイス長で決まる時間間隔とほぼ同じ周波数のマイクロ波５０５で変調することで、上記動作が安定化する。高調波モード同期を発生させると、サブパルスとメインパルスが同じ時間に発生する。そのため、見かけ上、サブパルスの存在がなくなる。
【００２１】
次に、本発明に係る第２の実施例について説明する。図３は本発明の第２の実施例に係る外部共振器型モード同期半導体レーザを示すブロック図である。なお、図３に示す構成要素のうち、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施例の外部共振器型モード同期半導体レーザ２００には、半導体レーザ素子２０４に、利得領域１０１及び可飽和吸収領域１０２とともに、受動導波路２１７が設けられている。この受動導波路２１７は半導体レーザ素子２０４の先端側に設けられ、基端側に設けられた可飽和吸収領域１０２と、この受動導波路２１７の間に利得領域１０１が設けられている。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施例の動作について図３を参照し説明する。外部共振器型モード同期半導体レーザ２００は、第１の実施例と同様に、電流源１１４により半導体レーザ素子２０４の利得領域１０１に電流が注入されることにより、半導体レーザ素子２０４にて発生した光が、共振器長１０７間の光路１１０を往復し、反射鏡１０６を透過して、所定時間間隔の光クロックパルス列２１６となる。ところで、モード同期半導体レーザからの光パルスは、利得領域と可飽和吸収領域それぞれで正反対のチャーピングを受ける。そのため、夫々のチャーピングが同程度でないと光パルスはフーリエ限界パルスにならずチャーピングが生じてしまう。これを防ぐために、利得領域１０１と可飽和吸収領域１０２の夫々の長さの比を最適に合わせる必要があるが、本実施例のように、半導体レーザ素子２０４の一部に、受動導波路２１７を設けることにより、利得領域１０１を短くし、最適な利得長に設定することにより、チャーピングのない光クロックパルス列２１６が得られる。
【００２３】
具体例として、受動導波路２１７を、波長が１５５０ｎｍ程度の光が吸収されないような組成を持つ活性層により形成した外部共振器型モード同期半導体レーザにおいて、４０ＧＨｚ高調波モード同期動作を可能とするためには、利得長と過飽和吸収領域長を含めた全デバイス長を１０４０μｍとする必要がある。但し、経験上、可飽和吸収領域長が４０μｍの場合に、フーリエ限界パルスとなるのは利得長が５００μｍの場合であることがわかっているので、利得長をそのまま１０００μｍとしてしまうと、チャーピング量が増加してしまう。このため、利得長を５００μｍとし、受動導波路の領域の長さを５００μｍとすると、チャ−ピングは無くなる。
【００２４】
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図４は、本発明の第３の実施例に係る外部共振器型モード同期半導体レーザを示すブロック図である。なお、図４に示す構成要素のうち、図１に示す構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。本実施例の外部共振器型モード同期半導体レーザ３００においては、半導体レーザ素子３０４に、利得領域１０１及び可飽和吸収領域１０２とともに、光路長可変機構３１７が設けられている。この光路長可変機構３１７は、半導体レーザ素子３０４の先端側に設けられ、基端側に設けられた可飽和吸収領域１０２と、この光路長可変機構３１７の間に利得領域１０１が設けられている。この光路長可変機構３１７は、利得領域１０１とは活性層組成が異なる１５５０ｎｍ付近で吸収がない組成の活性層構造にするとともに、この領域に電流注入又はバイアス印加を可能な制御部３１９を有している。
【００２５】
次に、本発明の第３の実施例の動作について説明する。外部共振器型モード同期半導体レーザ３００は、第１の実施例と同様に、電流源１１４により半導体レーザ素子３０４の利得領域３０１に電流が注入されることにより、半導体レーザ素子３０４にて発生した光が、共振器長３０７間の光路３１０を往復し、反射鏡１０６を透過して、所定時間間隔の光クロックパルス列３１６となる。このとき、光路長可変機構３１７の制御部３１９により、半導体デバイスの内部屈折率の変化をさせ、デバイスの残留反射による複合共振効果による共振周波数を精密に外部変調に合わせることにより、半導体レーザ素子に施している反射防止膜の残留反射により生じるサブパルスは、上述の第２の実施例と同様に、高調波ＭＬ動作によりメインパルスとほぼ同時となり、サブパルスの存在がなくなる。
【００２６】
【発明の効果】
以上、詳述したように、本発明の外部共振器型モード同期半導体レーザによれば、波長可変である１０乃至２０ＧＨｚ以上の光パルスを発生することができ、また、デバイスの複合共振器効果を効果的に利用することにより，半導体レーザ素子に形成している反射防止膜の残留反射により生じるサブパルスがなくなるので、半導体レーザ素子の先端面に設ける反射防止膜を高品質なＡＲ（Ａｎｔｉ-Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：反射防止）コート技術を必要とすることがなく、形成することができ、歩留まりの良いデバイス製作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例に係る外部共振器型モード同期半導体レーザを示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る外部共振器型モード同期半導体レーザにより発生するメインパルス及びサブパルスを示した図である。
【図３】本発明の第２の実施例に係る外部共振器型モード同期半導体レーザを示すブロック図である。
【図４】本発明の第３の実施例に係る外部共振器型モード同期半導体レーザを示すブロック図である。
【図５】従来の外部共振器型モード同期半導体レーザを示すブロック図である。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００；外部共振器型モード同期半導体レーザ
１０１、４０１；利得領域
１０２、４０２；可飽和吸収領域
１０３、４０３；反射防止膜
１０４、２０４、３０４、４０４；半導体レーザ素子
１０５、４０５；レンズ
１０６、４０６；反射鏡
１０７、４０７；共振器長
１０８、４０８；波長選択素子
１０９；デバイス長
１１０、４１０；光路
１１１、４１１；マイクロ波発振回路
１１２、４１２；基準マイクロ波発振器
１１３、４１３；バイアス源
１１４、４１４；電流源
１１５、４１５；バイアスティ
１１６、２１６、３１６、４１６；光クロックパルス列
２１７；受動導波路
３１７；光路長可変機構
３１９；光路長可変機構の制御部
５０１；基本モード同期動作時のメインパルス
５０２；基本モード同期動作時のサブパルス
５０３；基本モード同期動作時のメインパルスのパルス間の時間間隔
５０４；基本モード同期動作時のサブパルスのパルス間の時間間隔
５０５；基準マイクロ波発振器から印加する高調波マイクロ波
５０６；高調波モード同期動作時のメインパルス
【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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