JP2656694B2 - 光源、光子スイッチング装置および光スイッチング装置 - Google Patents
光源、光子スイッチング装置および光スイッチング装置Info
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Description
関する。特に、本発明は外部変調レーザ構成に関する。
ッチのような多くの高度な光子システムは、対称的自己
電気光学効果デバイス(S−SEED)のアレーをベー
スにしている。これらのシステムでは、S−SEEDは
検出器、論理素子または変調器として機能する。各シス
テムは、システムの部品間に情報を伝達するための(S
−SEEDアレーにより変調された)光ビームアレーに
依存する。必要な光ビームアレーを生成する方法の一例
が、アメリカ光学学会の1989年年次総会のテクニカ
ルダイジェスト(第18巻)に掲載されたアール・エル
・モリソン(R.L.Morrison)らの「偶数個のスポットアレ
ーを生成する2相格子(Binary phase gratings generat
ing even numbered spot arrays)」と題する論文中に開
示されている。
スポットアレー生成機構(例えば、格子および適当なレ
ンズ系)からなるようなビームアレー発生器が開示され
ている。具体的な動作では、コリメータレンズをレーザ
ダイオードの出力側に結合させ、続いて、格子のサイズ
および周期性に関連した回折パターンを生成する格子を
結合させ、そして、格子の出力側で、スポットアレーの
位置に付随する平面上の焦点距離の点に配置されたフー
リエ変換レンズを結合させる。光学的なフーリエ変換レ
ンズは、波長依存性回折パターンをビームまたはスポッ
トの立体アレー(1次元または2次元)に変換するよう
に機能する。
数なので、前記のアレー生成機構はレーザ波長の厳格な
許容差を必要とする。例えば、波長が短すぎるか、また
は長すぎる場合、スポット間隔はそれぞれ、減少するか
または拡大する。その結果、末端のスポットは下部の感
光性デバイス(例えば、S−SEED,1次元または2
次元光電子集積回路、ホトダイオードなど)と心合せさ
れなくなる。アレーのサイズが大きくなるにつれて、波
長コントロールは一層重大になる。更に、SEEDの感
光領域は、その性能を高めるために、各セル内に集中さ
れる。従って、ビームアレーは波長コントロールに拠る
ばかりでなく、受光デバイスの感光性領域と物理的に心
合せされなければならない。
くなるにつれて、一層高出力の電源に対する必要性も増
大している。特に、デジタルシステムの動作速度は個々
の論理素子の状態をスイッチングするのに必要なエネル
ギーおよび電源の容量により決定される。このようなデ
ジタルシステムの一例は、各チャネルについて100M
Hzで変調される1000チャネル以上を処理すること
のできる光子スイッチからなる。このようなシステムは
各チャネルに割り当てられた少なくとも1個のS−SE
EDを有する数個のモジュールからなる。約1pJのス
イッチングエネルギー、約10%の光学効率(レーザか
らの光をS−SEEDアレーにリレーし、次いで、次の
モジュールにリレーする光学効率)について、出力が約
1000mWのレーザが各モジュールについて必要であ
る。
は、波長に対して安定で、光子システム用途に対して十
分な出力を与えるスポットアレーを生成することのでき
る光源を提供することである。
ば、スポットアレー発生器は、光利得媒体および部分的
反射ミラー(従って、外部変調レーザ装置を形成する)
と部分的反射ミラーの光信号路内に配置された回折格子
からなる。或る装置では、格子は利得媒体と部分的反射
ミラーとの間に配置された物理的に別個の素子からな
る。別法として、光子と部分的反射ミラーとを結合させ
て、単一の部品にすることもできる。
素子を使用することにより波長安定性が得られる。制御
素子は、(回折ビームのアレーを遮断するために配置さ
れた)透明領域アレーと、この透明領域を取り囲む反射
防止(例えば、吸光)材料からなる。利得媒体の波長が
所望範囲を逸脱した場合、ビームアレーのサイズ(すな
わち、ビーム間の間隔)は拡大(波長増大)するか、ま
たは縮小(波長縮小)する。波長シフトは反射防止材料
により遮断されるエネルギーの増大を生じる。その結
果、不十分な光出力が利得媒体中に戻って結合され、誘
導放出を持続させる。従って、光波長安定性は、誘導放
出光が所定のシステム波長に合致するような状態につい
て達成される。
ば、>100mW)を得るために、大きな活性容量を生
じる広(例えば、>50μm)電流注入ストライプを有
するので、広ストライプで広領域のデバイスが使用され
てきた。更に、広ストライプはレーザ面上の単位領域あ
たりの出力を減少する。これにより、損傷が生じる前に
レーザ面に衝突する光出力の総量が増大する。しかし、
ストライプ寸法はまた、多横モードの存在を可能にす
る。この状態を除くために、レンズ系と部分的反射ミラ
ーからなる外部キャビティにレーザダイオードを結合さ
せることができる。ダイオード面に適切な被膜が施され
ている場合、外部キャビティ装置は望ましくない横モー
ドを濾波することができる。
は、光コンピュータまたは光子スイッチのようなアレー
用途用の光源として好適な、ビームまたはスポットのア
レーを発生するように構成することができる。
に詳細に説明する。
の一例を示す。発生器10は、反射後面14と反射防止
(AR)被膜付前面16を含む半導体利得媒体12を有
する。図示された方向に光線が放射されるように、比較
的広い活性ストライプ18が媒体内に形成される。図1
〜図6は寸法通りのものではなく、説明の便宜のために
拡大されている。更に、発生器10は、その出力側に、
部分的反射ミラー素子20を有する。このミラー素子は
このミラーに入射する光の所定割合(例えば、10%)
を通過させるように設計されている。光エネルギーの残
り部分は発生器10により反射されて戻り、利得媒体1
2に再入する。従って、部分的反射ミラー20と反射後
面14との組み合わせは所望のレーザモードを支持する
ことのできるキャビティを形成する。
ターンを有する)を使用し、所望のスポットアレーパタ
ーンを発生する。このパターンは一次元(例えば、単一
列または単一線のスポット)であるか、または、二次元
(例えば、マトリックス状のスポット)のどちらでもよ
い。
12と部分的反射ミラー20との間に配置されている。
発生器10は、利得媒体12と格子22との間に配置さ
れたコリメータレンズ24と、格子22と部分的反射ミ
ラー20との間に配置された第2のレンズ25を更に有
する。レンズ25は要素22と20の間に焦点距離fで
配置されている。最終結像レンズ26は部分的反射ミラ
ー20を越えて配置されており、平行化ビ−ムアレーを
感光性デバイス28のアレー上に結像させる。
に利得媒体12にバイアスをかけることにより発生器を
動作させる。利得媒体12からのこの光信号をレンズ2
4により平行化させ、そして、この平行ビームを格子2
2に入射させる。回折格子22は、透明基板の表面と交
差する一次元または二次元パターンの周期的反復からな
る。パターンの周期性は規則的な間隔の格子形態を形成
するが、パターン自体は相対的な形態強度(すなわち、
様々なスポットに結合されるエネルギー)を決定する。
格子は基板をエッチングするか、または、基板表面に材
料を堆積することにより形成することができる。当業者
に“ダマン(Dammann) 格子”と呼ばれる回折格子の一例
については、“オプチカル コミュニケーションズ(Opt
ical Communications)”,Vol.3(1971年),
312〜315頁に掲載されたエッチ・ダマン(H.damma
nn) らの「多相ホログラムによる高効率インライン多結
像(High-efficiency in-line multiple imaging by mul
tiple phase holograms)」と題する論文中に極めて詳細
に説明されている。
ーはその後、レンズ25を通過する。このレンズは光フ
ーリエ変換を行い、周波数系ビームアレーを空間系ビー
ムアレーに変換する。この空間アレーは次いで、部分的
反射ミラー素子20に入射する。点線で示されるよう
に、エネルギーの一部分(例えば、10%)は妨害を受
けずに素子20を通過する。伝搬スポットビームアレー
Aは結像レンズ26により平行化され、その後、感光性
デバイス28(例えば、対称形自己電気光学効果デバイ
ス(S−SEED))のアレー上に合焦される。本発明
のスポットアレー発生器は実質的に全ての感光性デバイ
スアレーについて使用するのに適している。従って、下
記のS−SEEDに関する説明は単なる一例であり、本
発明の範囲を限定するものではない。図1の二重矢線で
示されるように、ミラー要素20により反射された残り
の光エネルギーは発生器中を後戻りするように伝搬し、
利得媒体12に再入する。レンズおよび回折格子は相反
要素なので、様々な光線はレーザダイオード12に集束
し、活性領域18に再入する。そして、後面14により
再び反射され、レーザ動作を維持する。
に一体化させた本発明の別の実施例を図2に示す。図2
の発生器30はレーザダイオード12を有する。このレ
ーザダイオードは図1で説明したものとほぼ同一のもの
である。ミラーレンズ24を使用し、レーザダイオード
12の活性領域からの出力ビームを平行化する。次い
で、この平行ビームは反射格子素子32に入射する。こ
の反射格子素子は平行ビームの一部分(例えば、80〜
90%)を反射し、残りを伝達するように機能する。素
子32は部分的反射面34を有する。
ビームの一部分を元の方向に向け直し、デバイス12に
再入させ、誘導放出を維持する。平行ビームの伝達部分
は、素子32の反対面上に形成された格子部分36によ
り回折される。発生器のビームアレーAは結像レンズ2
6により平行化され、図1の構成に示されたような感光
性デバイスアレー28上に合焦される。別法として、反
射面34と格子部分36の位置を逆にし、レンズ24か
らの平行ビームを最初に回折し、その後、反射させるこ
ともできる。
徴はスポットアレーAとデバイスアレー28との間の心
合せを行うことができることである。自由空間光論理シ
ステムの用途では、スポットアレーは均一な強度次数を
有する中心領域を含むように設計される。総強度のかな
りの部分がこの次数内に結合されることが特に望まし
い。このアレーは奇数または偶数個のスポットの何方で
も構成することができる。何方のタイプのアレーも規則
的な間隔を有するスポットアレーを形成する。
スポットと織交ぜられた低強度(またはゼロ強度)次数
も含む。本発明で使用できる比較的簡単な格子の一例は
二相格子(BPG)である。二相格子は、約N/2の相
遷移を有するパターンを使用し、奇数個アレーに一組の
Nスポットを形成する。低強度次数はデザインプロセス
において追加のパラメータを必要とするので、偶数個デ
ザインは約2倍数の遷移が必要である。同等なスポット
間隔を形成する偶数個デザインの場合、次数間隔は2等
分されなければならない。これにより周期が倍増する。
能を測定する最適化技法により設計され、標準的なマイ
クロリソグラフィー方法とエッチング方法を用いて製造
することができる。一次元BPGの一例は、適度な寸法
のアレーの場合、約70〜80%の範囲内の回折効率
(所望の中心列に結合されたエネルギー部分)を有す
る。残りのエネルギーは高次数スポットに分散される。
と心合せされた一次元スポットアレーAの一例を示す。
心合せされた場合、スポットアレー発生器の波長λは、
デバイス28の所定の間隔Sについて必要な算定波長λ
0 とほぼ同一である。偶数個デザインの場合、この関係
は下記の式により示される。 S=2(λf)/P (式中、fはレンズ25の焦点距離であり、Pは格子2
2のピッチである)奇数個デザインの場合、係数の2が
省かれる。
ついて絶対的に重要な要件となる。なぜなら、全体の大
きさ(すなわち、全てのスポット間隔の合計)は光子デ
バイスアレーレイアウトの固定サイズに一致しなければ
ならないからである。2個の別々の領域を横切る光は位
相シフトπにより異なるように格子を設計することが望
ましい。これは、偶数個格子の場合は絶対に必要であ
る。この要件の結果として、2個の別々のπ位相シフト
を経験する平面波の全ての部分は位相シフトを経験しな
いものと同等の挙動を示す。πシフトは2個の直交配向
された独立の溶液を組み合わせて2次元構造を形成させ
ることができ、二相レベルデザインを依然として維持す
る。
スポット間隔Sについて必要な算定波長λ0 より短い
(または短くなる)場合、スポットアレーAは図示され
ているように、デバイス28と心ずれするようになる。
これに対し、図5は発生器の波長λが所望のシステム波
長λ0 よりも長い(または長くなる)場合を示す。何れ
の場合も、発生器波長が所望の波長λ0 から著しくドリ
フトされるとき、不十分な光エネルギーが感光性デバイ
スに結合される。従って、このようなアレー発生器の波
長をコントロールする能力はシステム性能にとって必須
要件である。
用することにより、受動波長コントロール装置を形成す
ることができる。受動波長コントロールを行うのに使用
できる波長コントロール素子40を含む(図1について
説明したものと同様な)本発明の装置の一例を図6に示
す。図示されているように、素子40は複数個の透明領
域42と、この複数個の透明領域42を取り囲むように
形成された反射防止(例えば、吸収または減衰)領域4
4からなる。透明領域42は、発生器波長λが所定のス
ポット間隔Sについて必要な所定の波長値λ0 とほぼ同
一であるときに、格子22により生成されたスポットア
レーを形成する様々なビームと心合せするように配置さ
れている。
ていれば、格子22により生成された回折アレーは全く
妨害を受けることなく透明領域42を通過し、部分的反
射素子20に進入する。しかし、波長が(何れかの方向
に)ドリフトしはじめるにつれて、スポットアレーは
(図4および図5に示されるように)物理的にシフト
し、光エネルギーの相当な部分が素子40の反射防止領
域44に衝突する。従って、領域44内における信号出
力の減衰(すなわち、反射防止)は利得媒体へ戻される
エネルギー量の減少をきたし、誘導放出を維持できなく
なる。従って、光出力モニターを使用し、反射出力に低
下に対応してレーザバイアス電流を変化させ、発生器波
長を安定化させる。
であるが、高波長感受性を必要とする装置(システム)
が存在することもある。例えば、極めて大きなアレー
(すなわち、素子数が何百にもなるもの)では、最も外
側のビームスポットおよび付随する感光性素子は、反射
信号出力の検知可能な僅かな変化が起こるかなり前に心
ずれするようになる。なぜなら、これらの素子は総信号
強度の一部分だけを対象とするからである。従って、こ
の場合には、別の波長コントロール装置が使用される。
特に、高信号強度が最外部のスポットに配向されるうよ
うに回折格子を改変させ、高反射ミラー(80%の代わ
りに95〜100%のもの)を使用し、発生器によりビ
ームをリターンバックさせる。
たスポットアレーを示す。ビームアレー54のスポット
50,52が発生され内側スポット56よりも高い強度
を与えるように回折格子が改変されている。高反射ミラ
ー素子60,62がスポット50および52とそれぞれ
心合せされており、光エネルギーの大部分を発生器にリ
ターンバックさせる。従って、スポット50および52
の心ずれを生じる波長ドリフトは図示された変更ビーム
パターンにより検出できる。実際、スポット50,52
は波長コントロール目的に単独で使用できる。この場
合、スポット50,52は下部の感光性デバイスと一致
せず、衝突光信号の約100%がスポットアレー発生器
に反射され、リターンバックされる。
波長に対して安定で、光子システム用途に対して十分な
出力を与えるスポットアレーを生成することのできる光
源が提供される。
ー発生器の一例を示す概要構成図である。
として結合されている本発明の外部変調スポットアレー
発生器の別の実施例の概要構成図である。
依存性を示す概念図である。
依存性を示す概念図である。
依存性を示す概念図である。
たらす波長コントロール素子を含む本発明の外部変調ス
ポットアレー発生器の一実施例の概要構成図である。
更スポットビームの一例を示す概念図である。
Claims (18)
- 【請求項1】 反射後面(14)と光信号を放射する伝
送前面(16)を含む光利得媒体(12);外部変調さ
れたレーザを生成するための、前記光利得媒体と心合せ
された部分的反射ミラー素子(20);および、 出力側に複数本の回折光ビームを生成するための、前記
利得媒体からの光信号に応答し、部分的反射ミラーと心
合せされた回折格子(22);からなることを特徴とす
る光源。 - 【請求項2】 部分的反射ミラーと回折格子は、物理的
に分離された別個の素子からなる請求項1の光源。 - 【請求項3】 レーザ利得媒体と回折格子との間に配置
された第1のコリメータレンズ手段(24);回折格子
と部分的反射ミラーとの間に配置されたフーリエ変換レ
ンズ手段(25);および、 部分的反射ミラー素子を越えて配置された第2のコリメ
ータレンズ手段(26);を更に含む請求項2の光源。 - 【請求項4】 回折格子(36)が、部分的反射ミラー
素子(34)と結合されている請求項1の光源。 - 【請求項5】 利得媒体と部分的反射ミラー素子との間
に配置された第1のコリメータレンズ手段(24);お
よび、 部分的反射ミラー素子を越えて配置された第2のコリメ
ータレンズ手段(26);を更に含む請求項4の光源。 - 【請求項6】 部分的反射ミラーは第1のコリメータレ
ンズ手段に最も近い結合素子の表面上に形成されてお
り、また、回折格子は前記結合素子の反対面に形成され
ている請求項5の光源。 - 【請求項7】 回折格子は第1のコリメータレンズ手段
に最も近い結合素子の表面上に形成されており、また、
部分的反射ミラーは前記結合素子の反対面に形成されて
いる請求項4の光源。 - 【請求項8】 前記光源は、光源波長λが所定の波長λ
0 を越えてドリフトしたことを認識するための波長コン
トロール手段(40)を更に含み、 該波長コントロー
ル手段は回折格子の出力側を越えて配置されたコントロ
ール素子を有し、該コントロール素子は、 λがλ0 とほぼ同一である場合に、複数本の回折光ビー
ムの位置と心合せされた複数個の透明領域(42);お
よび、 λが所定のλ0 値から著しく逸脱する場合に、複数本の
回折光ビームの一部分を遮断するための、前記複数個の
透明領域を取り囲む光学的反射防止手段(44);を有
する請求項1の光源。 - 【請求項9】 波長コントロール手段は部分的反射ミラ
ー素子の表面上に堆積された層として形成されている請
求項8の光源。 - 【請求項10】 状態間の付随論理素子をトグルするた
めの感光性デバイスアレー;および、 光ビームアレーを発生する手段からなり、前記光ビーム
は前記感光性デバイスアレーと1対1の関係で付随して
おり、 前記発生器手段は、 反射後面および光信号を放射するための比較的広い活性
領域を有する伝送前面を含む光利得媒体;外部変調され
たレーザを生成するための、前記光利得媒体と心合せさ
れた部分的反射ミラー素子;および、 発生器手段の出力として光ビームアレーを生成するため
の、利得媒体からの光信号に応答し、部分的反射ミラー
と心合せされた回折格子;からなる光子スイッチング装
置。 - 【請求項11】 回折格子は、自己電気光学効果デバイ
スアレーと心合せされ、このデバイスと次元が一致され
た、レーザスポットビームアレーを形成することができ
る相格子からなる請求項10の光子スイッチング装置。 - 【請求項12】 格子は、前記アレーの内部スポットビ
ームの強度と比較されたときに、アレーの外周縁に比較
的高い強度のスポットビームを生成するように形成され
ている請求項10の光子スイッチング装置。 - 【請求項13】 回折格子はダマン格子からなる請求項
10の光子スイッチング装置。 - 【請求項14】 感光性デバイスアレーは自己電気光学
効果デバイス(SEED)アレーからなる請求項10の
光子スイッチング装置。 - 【請求項15】 感光性デバイスアレー;および、 前記自己電気光学効果デバイスアレーを活性化させるた
めの光ビームアレー発生器手段からなり、該光ビームは
前記感光性デバイスアレーと1対1の関係で付随してお
り、 前記発生器手段は、 反射後面および光信号を放射するための比較的広い活性
領域を有する伝送前面を含む光利得媒体;外部変調され
たレーザを生成するための、前記光利得媒体と心合せさ
れた部分的反射ミラー素子;および、 発生器手段の出力として光ビームアレーを生成するため
の、利得媒体からの光信号に応答し、部分的反射ミラー
と心合せされた回折格子;からなる光スイッチング装
置。 - 【請求項16】 前記発生器手段は、自己電気光学効果
デバイスアレーと光ビームアレーとの間の心合せを維持
するための波長コントロール手段を更に有し、波長コン
トロール手段は回折格子の出力側に配置されたコントロ
ール素子を有し、該コントロール素子は、 発生器波長λが感光性デバイスアレーの所定の間隔に付
随する所定の波長λ0とほぼ同一であるときに、光ビー
ムアレーを通過させるための複数個の透明領域;およ
び、 発生器波長λが所定の波長λ0 から逸脱したときに、光
ビームアレーの複数部分を遮断するための、複数個の透
明領域を取り囲む光学的反射防止手段;を有する請求項
15の光スイッチング装置。 - 【請求項17】 波長コントロール手段は部分的反射ミ
ラー素子の表面上に堆積された層として形成されている
請求項16の光スイッチング装置。 - 【請求項18】 感光性デバイスアレーは自己電気光学
効果デバイス(SEED)アレーからなる請求項15の
光スイッチング装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US703538 | 1991-05-21 | ||
US07/703,538 US5195103A (en) | 1991-05-21 | 1991-05-21 | Externally modulated laser source for array illumination |
Publications (2)
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---|---|
JPH05175585A JPH05175585A (ja) | 1993-07-13 |
JP2656694B2 true JP2656694B2 (ja) | 1997-09-24 |
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