JP2007271925A - 光集積素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】光集積素子に関し、CW光を入力として、低消費電力、且つ、低雑音でパルス幅が狭い光パルス列を生成することが可能な小型の光集積素子を実現しようとする。
【解決手段】波長可変レーザ1及び波長固定レーザ2からなる光源と、2つの半導体レーザ1及び2からの光を非線形効果に依る四光波混合を行って周波数コムを生成する半導体光増幅器5と、2つの半導体レーザ1及び2からの光が入力される半導体光検出器6とが集積化されてなることが基本になっている。
【選択図】 図1
【解決手段】波長可変レーザ1及び波長固定レーザ2からなる光源と、2つの半導体レーザ1及び2からの光を非線形効果に依る四光波混合を行って周波数コムを生成する半導体光増幅器5と、2つの半導体レーザ1及び2からの光が入力される半導体光検出器6とが集積化されてなることが基本になっている。
【選択図】 図1
Description
本発明は、全光信号処理に依る光通信システム、マイクロ波/ミリ波通信、光プローブに依る高速現象の測定などに用いる光短パルス列を発生させるのに好適な光集積素子に関する。
従来、光パルス列を発生する方法としては、(1)変調に依る方法、(2)モードロックに依る方法、(3)周波数ビートに依る方法に大別される(例えば、非特許文献1を参照)。
図10は光パルス列の発生方法を説明する為の説明図であり、(A)は上記(1)変調に依る方法に、(B)は上記(2)モードロックに依る方法に、(C)は上記(3)周波数ビートに依る方法にそれぞれ対応している。
図10の(A)に於いて、90はパルス列を作る為の信号源、91はレーザダイオードに電流を注入する為の電流源、92はレーザダイオード、93はCW(continuous wave)レーザ光をオンオフする変調器である。図10の(A)に於ける上側図では、信号源90で発生した電気信号をレーザダイオード92に注入して電気信号を光信号に変換することで光パルス列を作成している。また、図10の(A)に於ける下側図では、直流電流を注入されたレーザダイオード92で発生したCW光を信号源90で駆動される変調器93に依ってオンオフすることでパルス列を作成している。
図10の(B)に於ける上側図で、94は変調信号源、95は直流電流源、96はモードロックレーザであり、モードロックレーザ96中に在る97は変調器部、98は利得発生部である。モードロックレーザ96の利得発生部98に電流を注入してレーザ光を発生させ、変調器部97をレーザの共振器構造で決まる共振周波数の整数倍で駆動してモードロックすることでパルス列を作成する。また、図10の(B)に於ける下側図で、99はバイアス電源、100は直流電流源、101はモードロックレーザであり、モードロックレーザ101中に在る102は過飽和吸収部、103は利得発生部である。モードロックレーザ101の利得発生部103に電流を注入してレーザ光を発生させ、過飽和吸収部102には逆バイアスを印加してモードロック動作をさせる。
図10の(C)に於いて、104は直流電流源、105と106はそれぞれ発振波長を異にするレーザダイオード、107は光結合器である。CW駆動したレーザダイオード105及び106の周波数ビートをとる為、各々から出力したレーザ光を光結合器107で結合する。
図10に見られる(1)変調に依る方法に依れば、CW信号を直接、或いは、外部変調器を用いて光をオンオフすることで光パルス列を生成させる方法である。
図10に見られる(2)モードロックに依る方法に依れば、レーザ光の複数のモードの位相を或時間で一致させることに依って光パルス列を生成させる方法であり、半導体レーザに過飽和吸収領域を加えることで、コンパクトな素子で高速の光短パルス列を発生させることが可能である。
図10に見られる(3)周波数ビートに依る方法に依れば、周波数の異なる複数の光源を同じ周波数間隔で並べ、そのビートを採って光パルス列を発生させる方法である。
上記(2)と(3)の方法は、1つのレーザ光源に於ける複数のモード、或いは、複数の異なる波の単一モード光源から光パルス列を発生させる方法であり、このような光が作る電場E(t)は下記の式であらわされる。
式1に於いて、En は振幅、ω0 は角周波数、Δωは2つのレーザ光の周波数差、tは時間、φn (t)は時間tに於ける位相、nは正負の整数をそれぞれ示している。
図11並びに図12は振幅En が異なる2波〜5波の光を混合した場合に得られるパルス列I(t)の計算結果を表す線図である。尚、パルス列の周期は1THzとしてある。
図11の(A)では縦軸には光強度を、横軸には角周波数ωをそれぞれ採ってあり、周波数コムを表している。図11の(B)、図12の(A)、(B)、(C)に於いて、横軸には時間を、縦軸には規格化された光強度をそれぞれ採ってあり、図11の(B)は2波混合の場合、図12の(A)は3波混合の場合、図12の(B)は4波混合の場合、図12の(C)は5波混合の場合をそれぞれ表している。
図からすると、合成する光波の数が増加するほど光パルスに於けるパルス幅は狭くなることが看取される。
さて、光パルス列を発生させるに際し、前記説明した「(1)変調に依る方法」を採った場合、光パルス列と同じ周波数の信号発生源が必要となってシステムは複雑になる。また、「(2)モードロックに依る方法」を採った場合、位相整合条件が厳しく、また光パルス列の波長領域や繰り返し周波数を自由に変えることは難しい。更に、「(3)周波数ビートに依る方法」を採った場合、パルス幅をより狭くした光パルス列を生成させるには複数の光源が必要であり、そして、光源が増えるほど各々の光源の波長間隔や位相の調整が煩雑になり、システムの複雑化、消費電力及び雑音の増大に結び付いてしまう。尚、光ファイバの非線形効果を用いて2つの光源を用いて周波数コムを形成して短パルス列を生成する方法も知られているが、小型化の面からすると不利である。
従来、前記「(3)周波数ビートに依る方法」の分野に入る光パルス列の生成方法として、四光波混合(four wave mixing:FWM)効果と呼ばれる効果を利用することが知られている。即ち、非線形媒質(例えば半導体光増幅器)中に制御光(角周波数ωp )と信号光(角周波数ωs )を入射させた場合に位相共役光(角周波数2ωp −ωs )が発生する効果を利用する方法である。
この四光波混合効果を用いた場合、制御光、信号光、位相共役光は同じ周波数間隔で並んでいるので、独立した光源を用いる場合に比較して、狭い幅のパルスを容易に実現することができる。そして、四光波混合効果を利用して生成される周波数コムの周波数間隔は制御光と信号光の周波数差で決まるので、各々独立した光で周波数コムを生成させる場合よりも周波数差の制御が容易、即ち、パルス列の周期制御が容易である。
そこで、現在、四光波混合効果を利用することについて、様々な研究開発が行なわれ、その結果である発明も知られていて、例えば、第1の光パルス列と第2の光パルス列とを非線形光学媒質(例えば半導体光増幅器)に入射して四光波混合を行い、新たな位相を有する光パルス列に変換する発明が知られている(例えば、特許文献1を参照。)。
また、四光波混合を行う非線形媒質に半導体レーザ増幅器を用いることに依って光パルス列を形成し、出力光の一部をO/E変換して元の光源にフィードバックする発明が知られている(例えば、特許文献2を参照。)。
更に、四光波混合素子として半導体光増幅器を用い、位相共役光を発生させて光パルス列を生成させる発明が知られている(例えば、特許文献3を参照。)。
前記四光波混合効果を利用する各発明に於いては、光パルス列を形成する為、非線形光学媒質に光パルスを入力しなければならない為、所要の光パルス列を実現する為、別途、光パルス列を生成する装置を必要としている。そして、前記説明した各発明に於いては、四光波混合効果をパルス列の波長や位相の変換手段として用いているのみであるから、そのもてる力を充分有効に活用しているとは到底思われない。因に、本発明者の知見に依れば、四光波混合効果を利用すれば、光パルス列を直接生成させることが可能である。
特許第3089420号明細書
特許第3412776号明細書
特開2001−27769号公報
IEEE Trans.Microwave Theory and Techniques vol.47,1206(1999)
H.Ishii et al."A Tunable Distributed Amplification DFB Laser Diode(TDA−DFB−LD)",IEEE Photon.Technol.Lett.,VOL.10,NO.1,pp30−32(1998)
本発明では、CW光を入力として、低消費電力、且つ、低雑音でパルス幅が狭い光パルス列を生成することが可能な小型の光集積素子を実現しようとする。
本発明に依る光集積素子に於いては、少なくとも1つが波長可変レーザである2つの半導体レーザからなる光源と、2つの半導体レーザからの光を非線形効果に依る四光波混合を行って周波数コムを生成する半導体光増幅器と、2つの半導体レーザからの光が入力される半導体光検出器とが集積化されてなることを基本とする。
前記手段を採ることに依り、低消費電力で雑音が少なく、そして、CW光を入力して幅が狭い光パルスを直接生成することが可能であり、しかも、従来の技術に依るものと比較して、構成が簡単で小型の素子を実現することができる。
図1は本発明による光集積素子を表す要部ブロック図であり、図に於いて、1は波長可変レーザ、2は波長固定レーザ、3は位相調整器、4は多モード干渉(multi−mode interference:MMI)カプラ、5は3次の非線形感受率が大きい半導体光増幅器(semiconductor optical amplifier:SOA)、6は半導体光検出器(photo−detector:PD)、7はマッハ・ツエンダー干渉計型フィルター、8はフィルタ7内の一方の導波路内に介挿されたヒーター電極で構成されている位相調整器、9は位相比較器、10は信号発生器をそれぞれ示している。
この光集積素子に於いては、波長可変レーザ1及び波長固定レーザ2に電流を供給して発振させ、発生した2つのレーザ光は、それぞれ位相調整器3を介して多モード干渉カプラ4に入射され、多モード干渉カプラ4からの周波数間隔Δωである2つのレーザ光は各々各々分岐されてSOA5と光検出器6に入射される。
SOA5からは、波長可変レーザ1の光と波長固定レーザ2の光の他に四光波混合効果に依る位相共役光が発生して、それ等の光で周波数コムが形成される。
元のレーザ光と位相共役光とは同じ周波数間隔で並んでいるので、そのビートによってパルス列が発生する。それと同時に2つの半導体レーザ1及び2で発生したレーザ光のビート信号(周波数Δω)を検出し、信号発生器10から出力される周波数ω0 の信号との差を取った周波数|ω0 −Dω|の信号を半導体レーザの1つにフィードバックして位相同期回路(phase locked loop:PLL)を形成する。
位相調整器3には電流が注入され、四光波混合効果に依る位相共役光が最大になるように位相調整を行う。
光検出器6では波長可変レーザ1の光と波長固定レーザ2の光を受光し、それ等の周波数差に対応する正弦波の電気信号が出力される。で、信号発生器10で発生される正弦波信号と光検出器6からの正弦波信号とから位相比較器9に入力し、そこで周波数差を採った信号を波長固定レーザ2に入力することに依り、波長可変レーザ1の光と波長固定レーザ2の光に於ける周波数差の安定化、即ち、パルスの周期を安定化している。
四光波混合効果に依って発生した光は元の信号の位相共役光であるため、1つ1つ独立した光のビートを取る方法に比較して位相調整が容易である。また、光パルスの繰り返し周波数は、元の光、即ち、半導体レーザ1及び2のいずれか1つの波長を変えることによって簡単に変化させることができる。更に、一緒に集積されている光検出器6で2つのレーザ光のビート信号を検出し、PLLを組んで半導体レーザ2にフィードバックをかけることによって光パルス列の安定化とノイズ低減を実現できる。
本発明に依る光集積素子に於いては、前記したように、2つの半導体レーザ、半導体光増幅器、半導体光検出器をモノリシック集積化してあり、これに加え、マッハ・ツエンダー干渉計型型フィルターを組み込むことで、SOA5に現れる不要なASE(amplified spontaneous emission)をカットすることができる。
本発明では、2つの光源を用い、光源の数以上の光で構成される周波数コムを生成すること依って光パルス列を発生させている為、従来例に比較し、より簡単且つ小型な構成を用い、また、低い消費電力で狭いパルス幅の光パルス列を作ることができる。
図2乃至図9は図1について説明した光集積素子に含まれる各デバイスをInP基板上に作製した場合について詳細に説明する為の図であり、以下、各図について説明する。尚、各図に於いて、図1に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。
図2は波長可変レーザ及び波長固定レーザを表す要部横断側面図であり、11はn側電極、12はn−InP基板、13はp−InP層、14はn−InP層、15はp−InP層、16は電極コンタクト層、17はp側電極、18はSCH(separate confinement heterostructure)層を含む活性層、19は回折格子を含むガイド層、20はSiO2 からなる絶縁層をそれぞれ示している。
上記波長可変レーザはTDA(tunable distributed amplification)−DFB(distributed feedback)レーザ(例えば、非特許文献2を参照。)であって、図2に回折格子を含むガイド層19として表された部分に於いて、λ/4位相シフト入り回折格子が形成された部分に無ドープInGaAsPガイド層、1.55μm帯歪みMQW(multi quantum well)層+SCH層(活性層導波路)、バルクInGaAsP層、p−InPクラッド層、p−InGaAsコンタクト層が積層された構造になっている。
上記波長固定レーザは、n−InP基板12上にλ/4位相シフト入り回折格子が形成された部分に無ドープInGaAsPガイド層、1.55μm帯歪MQW層+SCH層(活性層導波路)、p−InPクラッド層、p−InGaAsコンタクト層が積層された構造を取っている。
図2に見られる構造では、p側電極17及びn側電極11間に矢印のように電流を流すと活性層18の部分で発光する。
図3は波長固定レーザの要部縦断側面図、図4及び図5は波長可変レーザの要部縦断側面図及び要部上面図をそれぞれ示している。
図3に於いて、21は活性層、22はコンタクト層、23はλ/4シフト、24はガイド層、25はp−InP層、26はn−InP層、27は回折格子をそれぞれ示し、レーザ光は活性層21で発生する。
図4及び図5に於いて、28はコンタクト層、29はチューニング層、30はSCH層を含む活性層、31はp−InP層、32はn−InP層、33はレーザ光発生電極、34はコンタクト層、35は波長チューニング電極をそれぞれ示し、レーザ光は活性層30で発生し、チューニング層29に電流を注入することで活性層30で発生するレーザ光の波長を変化させることができる。
図6は図1で説明した位相調整器の要部横断側面図であり、図に於いて、41はn側電極、42はn−InP基板、43はp−InP層、44はn−InP層、45はp−InP層、46は電極コンタクト層、47はp側電極、48はSCH層を含む導波路層、49は回折格子を含むガイド層、50はSiO2 からなる絶縁層をそれぞれ示している。
この位相調整器に於いては、p側電極47及びn側電極41間に矢印で示したように電流を流すようになっていて、その電流を流すことで導波路層48を通過する光の位相を変化させることができる。
図7は図1で説明した多モード干渉カプラの要部横断側面図であり、図に於いて、51はn−InP基板、52はSCH層を含む導波路層、53はp−InP層、54はp−InP層、55はn−InP層、56はn−InP層をそれぞれ示している。
多モード干渉カプラでは、電流注入を行わないため、図6に見られる位相調整器の層構造からp−InGaAsコンタクト層を除去した構造になっていて、導波路層52の部分を光が通過する。
図8は図1で説明したSOA及び光検出器の要部横断側面図であり、図に於いて、61はn側電極、62はn−InP基板、63はp−InP層、64はn−InP層、65はp−InPクラッド層、66はp−InGaAs電極コンタクト層、67はp側電極、68はSCH層を含む量子ドット活性層、69は回折格子を含むガイド層、70はSiO2 からなる絶縁層、71はSCH層を含むInGaAs光吸収層をそれぞれ示している。
四光波混合光を発生して周波数コムを生成するSOA5の長さは、四光波混合光が2波以上出力されるように長く採ると良い。
半導体光検出器6に於ける層構造は、n−InP基板62上にSCH層を含むInGaAs光吸収層71、p−InPクラッド層65、p−InGaAs電極コンタクト層66で構成されている。
SOA5に於いては、p側電極67及びn側電極61を用いて矢印方向に電流を注入すると、活性層68の部分で四光波混合光が生成され、波長可変レーザ1(図1参照)及び波長固定レーザ2(図1参照)の発生光と共に出力される。
半導体光検出器6に於いては、p側電極67及びn側電極61の間に逆バイアス電圧を印加し、光吸収層71で光を吸収し、電気信号に変換した後、p側電極67から信号を取り出すようになっている。
p側電極67から出力される信号は2つの半導体レーザの周波数差Δωに起因するビート信号であって、信号発生器10から出力される周波数ω0 の信号との差を取った周波数|ω0 −Δω|の信号が半導体レーザの1つにフィードバックされる。このようなPLL(phase locked loop)の作用で出力光パルス列に於ける雑音は低減される。
図9は図1で説明したマッハ・ツエンダー干渉計型フィルターの要部横断側面図であり、図に於いて、81はn−InP基板、82はp−InP層、83はn−InP層、84はp−InPクラッド層、85は導波路、86はSiO2 からなる絶縁層、87はn側電極、88はp側電極、89は電極コンタクト層をそれぞれ示している。
マッハ・ツエンダー干渉計型フィルターに於いては、p側電極88及びn側電極87を用いて矢印方向に電流を注入する。光が通過する導波路84の一方の側にはヒータ電極が挿入されて位相を調節することが可能であり、そして、マッハ・ツエンダー干渉計型フィルターに依ってASEを除去した光が短パルス光となる。
マッハ・ツェンダー干渉計型フィルターや前記説明した種々な要素を結ぶ光導波路の層構造は、多モード干渉カプラと同様の構造になっている。
1 波長可変レーザ
2 波長固定レーザ
3 位相調整器
4 多モード干渉カプラ
5 3次の非線形感受率が大きい半導体光増幅器
6 半導体光検出器
7 マッハ・ツエンダー干渉計型フィルター
8 位相調整器
9 位相比較器
10 信号発生器
2 波長固定レーザ
3 位相調整器
4 多モード干渉カプラ
5 3次の非線形感受率が大きい半導体光増幅器
6 半導体光検出器
7 マッハ・ツエンダー干渉計型フィルター
8 位相調整器
9 位相比較器
10 信号発生器
Claims (3)
- 少なくとも1つが波長可変レーザである2つの半導体レーザからなる光源と、
2つの半導体レーザからの光を非線形効果に依る四光波混合を行って周波数コムを生成する半導体光増幅器と、
2つの半導体レーザからの光が入力される半導体光検出器とが集積化されてなること
を特徴とする光集積素子。 - 半導体光増幅器のASEを除去するためのフィルタが集積化されてなること
を特徴とする請求項1記載の光集積素子。 - 半導体光検出器と半導体レーザとが位相同期ループで結ばれてなること
を特徴とする請求項1或いは請求項2記載の光集積素子。
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