JP4618118B2 - 受動モード同期半導体レーザ及び光クロック信号抽出装置 - Google Patents

受動モード同期半導体レーザ及び光クロック信号抽出装置 Download PDF

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Description

この発明は、受動モード同期半導体レーザ、及びこの受動モード同期半導体レーザを用いた光クロック信号抽出装置に関する。
光通信ネットワークは、伝送の長距離化及び大容量化が進められている。伝送の長距離化にともなって、光伝送路における光損失、光増幅器の多段使用によるS/N比の低下、及び光ファイバの群速度分散や光ファイバ中での非線形光学効果による波形歪が発生すること等により、光信号の品質が劣化することが問題となる。周波数波形歪及び時間波形歪の発生は、伝送容量が大きくなるほど、顕著な問題となる。
そのため、光伝送路の途中に数十から数百キロメートルの間隔で中継器を設けて、この中継器によって光信号の周波数波形及び時間波形を元の形状に戻す、いわゆる光信号の再生が行われている。この中継器の主要な役割の一つがクロック信号抽出である。クロック信号抽出とは、時間波形が歪んだ光パルスからなる光信号、いわゆる品質の劣化した光信号から、そのビットレートに対応する周波数で時間軸上に並ぶ光パルス列、あるいは正弦波状の電気信号であるRF（Radio Frequency）信号を生成することである。
クロック信号としては、電気信号として抽出される場合と光信号として抽出される場合があるが、以後、特にいずれの形で抽出されるかを明示する必要があるときに限り、それぞれ電気クロック信号及び光クロック信号と書き分けることもある。また、光信号のビットレートに対応する周波数とは、光信号のビットレートがf Gbit/sである場合にf GHzの周波数を指すものとする。以後、光信号のビットレートに対応する周波数をビットレート周波数ということもある。
クロック信号抽出方法として従来知られた一般的な手法の一つは、品質の劣化した光信号をフォトダイオード等に入力させて光電変換し、そのフォトダイオードからの出力電気信号をバンドパスフィルタによってフィルタリングすることによって、入力光信号のビットレートに対応する周波数成分のみを抽出する方法である。以後、品質が劣化した光信号を含めて、クロック信号を抽出する対象となる光信号を入力光信号というものとする。
フォトダイオード及びバンドパスフィルタを用いて生成された電気クロック信号を用いて半導体レーザ等の光パルスレーザ装置を動作させることによって、繰り返し周波数が入力光信号のビットレート周波数に相当する周期で時間軸上に並ぶ光パルス列が生成される。以後の説明において、光信号とは、時間軸上に規則正しく一定の周期間隔で並ぶ光パルスの列を、光変調して送信信号である2値デジタル信号であるRZ（Return to Zero）信号として生成された信号を指すものとする。一方、光パルス列との表現は、時間軸上で規則正しい一定の周期間隔で並ぶ光パルスの総体を指すものとして用いる。
一般に、フォトダイオードの光電変換特性はその偏波依存性が小さいので、入力光信号の偏光面に時間的な揺らぎが存在しても、フォトダイオードを利用することによって安定してクロック信号を抽出することができる。
一方、光通信ネットワークの伝送容量を大きくするための技術として、光時分割多重（Optical Time Devision Multiplexing）等の多重伝送技術が研究されている。多重信号のビットレートは、その多重されている１チャンネル当たりのビットレートのチャンネル数倍となるので、非常に大きなビットレートとなる。
多重信号のビットレートが40 Gbit/sを超えると、電子デバイスではクロック信号を抽出することが困難となる。これは、40 Gbit/s以上のビットレートの光信号に対しても動作するフォトダイオード、及び40 GHz以上の電気信号に対しても動作する電気狭帯域フィルタが開発されていないためである。
そのため、高速光信号からクロック信号を抽出するために、従来、以下に説明する第1から第5の方法等が検討されてきた。すなわち、入力光信号をフォトダイオード等で光電変換する工程を介さず、入力光信号から直接光クロック信号を抽出する方法が検討されてきた。
第1の方法は、ファイバ型受動モード同期レーザを用いる方法である（例えば、特許文献1参照）。この方法では、入力光信号のビットレート周波数に近い繰り返しで光パルスを生成するファイバ型受動モード同期レーザに入力光信号を入力させて、ファイバ型受動モード同期レーザの光パルス生成周波数を入力光信号のビットレート周波数に同期させることによって、光パルス信号を抽出している。
第2の方法は、上述の第1の方法と同様の内容であるが、ファイバ型受動モード同期レーザに代えて受動モード同期半導体レーザを利用する方法である（例えば、非特許文献1参照）。第2の方法においては、入力光信号により可飽和吸収領域の光吸収係数が変調されることによって、受動モード同期レーザ内の周回光パルスが、入力光信号を構成する光パルスと同期されることによって、入力光信号のビットレート周波数に等しい時間間隔で並ぶ光パルス列が生成される。この光パルス列が抽出された光クロック信号である。
第3の方法は、上述の第2の方法と同様に受動モード同期半導体レーザを利用する方法である（例えば、特許文献2参照）。ただし、第3の方法の特徴は、受動モード同期半導体レーザが、半導体光増幅器、波長可変フィルタ及びレンズ等の結合光学系を具えて構成され、いわゆる外部共振器型のレーザである点にある。このため、共振器長、及び波長可変フィルタの中心波長を容易に変更することができ、抽出可能な光クロック信号の周波数範囲が広いこと、および抽出される光クロック信号の波長を容易に変更できるという利点を有している。
第4の方法は、上述の第2及び第3の方法と同様に受動モード同期半導体レーザを利用する方法である（例えば、特許文献3参照）。ただし、第4の方法の特徴は、第1及び第2受動モード同期半導体レーザの2つの受動モード同期半導体レーザが利用されている点である。第1受動モード同期半導体レーザは、入力光信号のビットレート周波数に近い周波数で動作し、第2受動モード同期半導体レーザは、入力光信号のビットレート周波数の整数分の一の周波数に近い周波数で動作する。このように動作周波数が異なる2つの受動モード同期半導体レーザを利用する構成とすることによって、入力光信号のビットレート周波数の整数分の一の、分周光クロック信号を生成することが可能である。また、第4の方法では、光ゲート素子を用いて、第2受動モード同期半導体レーザに帰還ループ光経路を形成することによって、分周光クロック信号の生成動作の安定化が図られている。
第5の方法は、セルフパルセーション多電極分布帰還型半導体レーザを利用して、光パルス信号を抽出する方法である（例えば、非特許文献2参照）。入力光信号のビットレート周波数と、この分布帰還型半導体レーザに入力光信号を入力させて、分布帰還型半導体レーザの光パルス生成周波数を入力光信号のビットレート周波数に同期させることによって、光パルス信号を抽出している。
しかしながら、上述の第1から第5の方法において、光クロック信号の抽出動作が入力光信号の偏光面に強く依存することが問題となる。光中継器に到達するまでの間の光ファイバは、伝播する入力光信号の偏光面を一定に保つための処置が施されていないので、入力光信号の偏光面は、一般に時間変動をともなっている。すなわち、入力光信号の偏光面が時間的に変動することによって、光クロック信号の抽出動作が不安定となる。
上述の第1から第5の方法において、光クロック信号の抽出動作が入力光信号の偏光面に強く依存する理由は、以下のとおりである。
第1の方法においては、光カー効果が利用されるが、光カー効果には大きな偏光面依存性がある。すなわち、ファイバ型モード同期レーザの内部に存在する光クロック信号を構成する光パルスの偏光面の方向と、入力光信号の偏光面の方向とが平行である場合と、直交している場合とでは、光カー係数が後者の場合に比べて前者の場合は3倍の大きさである。従って、入力光信号の偏光面の方向が、ファイバ型モード同期レーザの発振光の偏光面の方向と一致した場合は、高効率で光クロック信号が抽出される。しかしながら、両者の偏光面の方向が直交した場合には、光クロック信号が抽出されないという事態となる。
第2から第5の方法において利用されている受動モード同期半導体レーザの利得領域は、バルク結晶層、量子井戸層、あるいは歪量子井戸層によって実現されている。また、可飽和吸収領域は、量子井戸層あるいは歪量子井戸層によって実現されている。この理由は、以下の点にある。すなわち、量子井戸層あるいは歪量子井戸層によって可飽和吸収領域を構成することによって、吸収飽和エネルギーを小さくでき、このためモード同期動作を安定化することが容易である点である。また、可飽和吸収現象を高速化させることができるので、高ビットレート周波数の光クロック信号の抽出に好適である点にある。
量子井戸層は、その光学的性質に強い偏波依存性がある。特に、無歪あるいは圧縮歪を導入された歪量子井戸層は、量子井戸の積層面に平行な偏光（いわゆるTE（Transverse Electric Wave）偏光）に対して、高い光学的利得、大きな微分利得、低いαパラメータ、あるいは低吸収飽和エネルギーを有する等の特性を有している。そのため、利得領域及び可飽和吸収領域に量子井戸層を採用した受動モード同期半導体レーザを利用して光クロック信号抽出を実行すれば、次のような望ましい効果が期待できる。
すなわち、入力光信号の偏光面がTE偏光である場合、利得領域における光増幅作用によって入力光信号が高効率で増幅される。また、可飽和吸収領域での吸収飽和エネルギーが低いために、入力光信号によって誘起される吸収飽和によって生じる可飽和吸収領域の光吸収係数の変調度を大きくすることが可能である。この結果、強度の弱い入力光信号であっても、光クロック信号抽出のために必要とされる大きさの、可飽和吸収領域の光吸収係数の変調度を容易に実現できる。すなわち、強度の弱い入力光信号であっても、光クロック信号を安定して抽出することが可能である。ここで、光吸収係数の変調度とは、光吸収係数の変化の最小と最大との比である。変調度が大きいとは、光吸収係数の変化の度合いが大きいことを意味する。
一方、入力光信号の偏光面がTE偏光の場合と直交する偏光（いわゆるTM（Transverse Magnetic Wave）偏光）である場合、利得領域での光増幅効果が得えられず、更に、可飽和吸収領域の吸収飽和エネルギーが高いために、光クロック信号抽出に必要とされる大きさの、可飽和吸収領域の光吸収係数の変調が実現できない。すなわち、入力光信号から光クロック信号を抽出するにあたり、入力光信号がTE偏光である場合には、光クロック信号が安定して抽出されるが、TM偏光である場合には、光クロック信号を抽出できないという、入力光信号の偏光面依存性が発生するという問題がある。
上述したように、光中継器に到達するまでの間の光ファイバは、伝播する入力光信号の偏光面を一定に保つための処置が施されていないので、入力光信号がTE偏光に保たれるという保障はなされず、かつ光クロック信号の抽出動作に入力光信号の偏光面依存性が存在することは、安定して光クロック信号を抽出することができないことを意味している。
そこで、入力光信号の偏光面依存性に係る問題を解決する第6及び第7の方法が検討されている（例えば、特許文献4及び非特許文献3参照）。
第6の方法では、まず、入力光信号が、モード同期半導体レーザの発振偏光面と一致した偏光成分（TE偏光成分とする。）と、この偏光面に直交する偏光面を有する成分（TM偏光成分とする。）に分離される。TE偏光成分は、偏光状態が保たれたままモード同期半導体レーザの一方の共振器端面に入力される。TM偏光成分は、偏光状態を90°回転してモード同期半導体レーザの発振偏光面に一致された後に、モード同期半導体レーザのもう一方の共振器端面に入力される。このような方法によって、入力光信号の偏光面に依存することなく、光クロック信号を抽出している。
第7の方法は、半導体光増幅器（SOA: Semiconductor Optical Amprifire）を位相比較器として利用して、光クロック信号を抽出する方法である。偏光面に依存しないで動作するSOAを利用することによって、入力光信号の偏光面に依存することなく、光クロック信号を抽出している。
特許第3510247号公報 特開平11-326974号公報 特開2001-94199号公報 特開2004-363873号公報 T. Ono, T. Shimizu, Y. Yano, and H. Yokoyama, "Optical clock extraction from 10-Gbit/s data pulses by using monolithic mode-locked laser diodes," OFC'95 Technical Digest, ThL4. M. Jinno and T. Matsumoto, "All-optical timing extraction using a 1.5 μm self pulsating multielectrode DFB LD," Electron. Lett., vol. 24, No. 23 pp. 1426-1427, 1988. Y. Hashimoto, R. Kuribayashi, S. Nakamura, and I. ogura, "Optical clock recovery using optical phase-locked loop with voltage-controlled mode-locked semiconductor laser," ECOC 2004, Vol. 3 paper We2.5.1.
しかしながら、第6あるいは第7の方法を実現するには、偏光合成分離回路、光遅延器、特殊な仕様のSOA、及びフォトダイオード等、構成部品の数が多く、複雑な構造の装置を利用する必要がある。単一素子で実現できる簡便な装置で、入力光信号の偏光面に依存することなく安定して光クロック信号を抽出できることが、産業上最も望ましい。光クロック信号を単一素子で実現できれば、上述の構成部品の数が多くかつ複雑な構造の装置を利用する場合と比べて、装置の保守が容易であり、また、安定動作に対する信頼性も高い。
入力光信号からその偏光面に依存することなく、光クロック信号を安定して抽出できる機能を有する単一素子が開発されれば、半導体の集積化及び大量生産技術を用いて、この素子が安価に提供できることになる。
そこで、この発明は、単一素子に近い単純な構成の素子であって、かつ入力光信号の偏光方向に依存することなく、入力光信号からそのビットレート周波数に相当する繰り返し周波数（「クロック周波数」と呼称されることもある。）の光クロック信号を抽出することが可能である受動モード同期半導体レーザ、及びこの受動モード同期半導体レーザを用いて構成される光クロック信号抽出装置を提供することにある。また、この受動モード同期半導体レーザ及び光クロック信号抽出装置を動作させる方法を提供することにある。
第1発明の受動モード同期半導体レーザは、反転分布が形成される利得領域と、光強度を変調する機能を有する可飽和吸収領域とを含み、利得領域と可飽和吸収領域とが直列に配置された半導体レーザである。ここで、利得領域と可飽和吸収領域とが以下の条件を満足することが特徴である。
第1の条件は、利得領域において、偏光面がこの利得領域に内在する光導波路の幅方向に平行な方向である偏光（以後「TE偏光」ということもある。）に対する光学利得が、偏光面がこの利得領域に内在する光導波路の厚み方向に平行な方向である偏光（以後「TM偏光」ということもある。）に対する光学利得より大きいことである。また、第2の条件は、可飽和吸収領域において、TE偏光に対する吸収飽和エネルギーよりも、TM偏光に対する吸収飽和エネルギーが小さいことである。
第2発明の受動モード同期半導体レーザは、実効屈折率が可変である受動導波路領域と、反転分布が形成される利得領域と、光強度を変調する機能を有する可飽和吸収領域とを含み、受動導波路領域と、利得領域と、可飽和吸収領域とが直列に配置された半導体レーザである。ここで、利得領域と可飽和吸収領域とが満たすべき条件は、上述の第1発明の受動モード同期半導体レーザにおける利得領域と可飽和吸収領域とが満たすべき条件と同一である。
上述の第1及び第2発明の受動モード同期半導体レーザ（以後、「この発明の受動モード同期半導体レーザ」ということもある。）において、利得領域に内在する光導波路をバルク結晶で形成し、及び可飽和吸収領域に内在する光導波路を伸張歪が導入された量子井戸構造（quantum well structure）で形成するのが好適である。または、上述のこの発明の受動モード同期半導体レーザにおいて、利得領域及び可飽和吸収領域に内在する光導波路を、ともに伸張歪を導入された量子井戸構造で形成するのが好適である。
この発明の受動モード同期半導体レーザを用いて構成されるこの発明の第1光クロック信号抽出装置は、この発明の受動モード同期半導体レーザと、入力光信号を入力する入力部と、この入力光信号から受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を出力する出力部とを具えて構成される。
入力部は、入力光信号が伝送する光伝送路に戻り光を入力させないための第1光アイソレータと、入力光信号をこの発明の受動モード同期半導体レーザに出力する第1結合光学系とを具えて構成するのが好適である。
出力部は、受動モード同期半導体レーザに戻り光を入力させないための第2光アイソレータと、受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を光伝送路の入力端に出力する第2結合光学系とを具えて構成するのが好適である。また、第2光アイソレータと第2結合光学系とに加えて、更に受動モード同期半導体レーザから抽出された光クロック信号をフィルタリングする波長フィルタを具えて構成するのが好適である。
また、この発明の受動モード同期半導体レーザを用いて構成されるこの発明の第2光クロック信号抽出装置は、この発明の受動モード同期半導体レーザと、入力光信号を入力し、かつこの入力光信号から受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を出力する入出力部を具えて構成される。
この入出力部は、入力光信号を入力する第1ポートと、入力光信号を出力し、かつ受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を入力する第2ポートと、この光クロック信号を出力する第3ポートを有する光サーキュレータと、第2ポートから出力される入力光信号を受動モード同期半導体レーザに出力し、かつ受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を第2ポートに出力する結合光学系とを具えて構成するのが好適である。
また、この入出力部は、上述の光サーキュレータと結合光学系とに加えて、更に受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号をフィルタリングする波長フィルタを具えて構成するのが好適である。
この発明の受動モード同期半導体レーザを用いて構成されるこの発明の第3光クロック信号抽出装置は、上述の第1光クロック信号抽出装置と同様に、この発明の受動モード同期半導体レーザと、入力光信号を入力する入力部と、この入力光信号から受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を出力する出力部とを具えて構成される。ただし、入力部の構成が上述の第1光クロック信号抽出装置と異なる。
第3光クロック信号抽出装置の入力部は、第1偏光分離合成器と、光減衰器又は光増幅器と、第2偏光分離合成器と、第1結合光学系とを具えて構成される。
第1偏光分離合成器は、入力光信号を第1入力光信号と第2入力光信号とに分離する。光減衰器は、第1入力光信号の強度を調整して第1調整入力光信号として出力する。第2偏光分離合成器は、光減衰器から出力された第1調整入力光信号と第2入力光信号とを合波して調整入力光信号として出力する。第1結合光学系は、第2偏光分離合成器から出力された調整入力光信号を前記受動モード同期半導体レーザに出力する。
又は、光増幅器が第2入力光信号の強度を増幅して第2調整入力光信号として出力し、第2偏光分離合成器が、光増幅器から出力された第2調整入力光信号と第1入力光信号とを合波して調整入力光信号として出力する。第1結合光学系が、第2偏光分離合成器から出力された調整入力光信号を前記受動モード同期半導体レーザに出力する。
第3光クロック信号抽出装置の入力部は、上述の第1偏光分離合成器、光減衰器又は光増幅器、第2偏光分離合成器及び第1結合光学系の他に、入力光信号を伝送する光伝送路に戻り光を入力させないための第1光アイソレータを更に具えることが好適である。
この発明の光クロック信号抽出方法は、上述の第1から第3光クロック信号抽出装置において、抽出される光クロック信号の発振縦モード波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態で、受動モード同期半導体レーザを駆動することによって、入力光信号から光クロック信号を抽出する方法である。
利得領域と可飽和吸収領域とが直列に配置された半導体レーザに入力光信号が入力されると、半導体レーザ内の周回光パルスの周波数と、入力光信号のビットレート周波数が同期するようになり、その結果得られたモード動機パルスが入力光信号から抽出された光クロックとして扱えることにより、光クロック信号が抽出される。第1発明の受動モード同期半導体レーザは、利得領域において、TE偏光に対する光学利得が、TM偏光に対する光学利得より大きくなるように形成されている。このため、第1発明の受動モード同期半導体レーザの発振光は、TE偏光に制限される。
可飽和吸収領域は、入力光信号によって吸収飽和が生じ、それによって光吸収係数が変調される。この変調動作によって、第1発明の受動モード同期半導体レーザの発振状態が、入力された入力光信号の光パルス列の繰り返しであるビットレート周波数に同期されることによって光クロック信号が生成されて出力される。従って、可飽和吸収領域において生じる光吸収係数の変調が、入力光信号の偏光方向に依存しなければ、入力光信号の偏光方向に依存することなく、入力光信号から光クロック信号を抽出することが可能である受動モード同期半導体レーザが実現される。
可飽和吸収領域において生じる光吸収係数の変調を入力光信号の偏光方向無依存にするためには、詳細は後述するが、入力光信号がTE偏光あるいはTM偏光のいずれであっても可飽和吸収領域におけるキャリア密度変化を等しくすることが必要となる。入力光信号の偏光面の方向に依存せずにキャリア密度変化を等しくするためには、第1発明の受動モード同期半導体レーザは、可飽和吸収領域において、TE偏光に対する吸収飽和エネルギーよりも、TM偏光に対する吸収飽和エネルギーが小さくなるように形成できれば実現できることを、この発明の発明者等は理論的に確かめた。
また、この発明の光クロック信号抽出方法は、第1あるいは第2発明の受動モード同期半導体レーザから抽出される光クロック信号の発振縦モード波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態で、受動モード同期半導体レーザを駆動する方法である。このように駆動することによって、詳細は後述するが、入力光信号が、TE偏光あるいはTM偏光のいずれの偏光状態であっても、等しく時間ジッタの小さな光クロック信号を抽出することが可能となる。すなわち、この発明の光クロック信号抽出方法によれば、第1あるいは第2光クロック信号抽出装置によって、入力光信号の偏光方向に依存することなく、光クロック信号を抽出することが可能である。
第2発明の受動モード同期半導体レーザは、実効屈折率が可変である受動導波路領域を含んで、利得領域及び可飽和吸収領域が直列に配置された半導体レーザである。受動導波路領域に電流注入することによって、この領域が内在する光導波路の実効屈折率を調整することができる。この実効屈折率を調整することによって、上述の抽出される光クロック信号の発振縦モード波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態を容易に実現できる。
上述のこの発明の受動モード同期半導体レーザにおいて、利得領域に内在する光導波路をバルク結晶で形成し、及び可飽和吸収領域に内在する光導波路を伸張歪が導入された量子井戸構造で形成することによって、詳細は後述するが、上述の第1の条件及び第2の条件を容易に満足させることができる。または、利得領域及び可飽和吸収領域に内在する光導波路を、ともに伸張歪を導入された量子井戸構造で形成することによって、更に容易に第1の条件及び第2の条件を満足させることができる。
この発明の受動モード同期半導体レーザに、光クロック信号を抽出するための入力光信号を入力する入力部と、光クロック信号を出力する出力部とを具えることによって、第1光クロック信号抽出装置が形成できる。この第1光クロック信号抽出装置は、光クロック信号を出力する機能を果たす構成部分を、この発明の受動モード同期半導体レーザを利用しているので、上述したように、入力光信号の偏光方向に依存することなく、光クロック信号を抽出することが可能である。
入力部に入力光信号を伝送する光伝送路に戻り光を入力させないための光アイソレータを具えることによって、この発明の受動モード同期半導体レーザの入射端面等から反射されて、再び光伝送路に戻る光成分（以後「戻り光」ということもある。）を遮断することができる。光伝送路に、戻り光が入力されると、光クロック信号抽出装置以外の、光通信システムを構成する装置等に、誤動作等が発生する原因となる。従って、戻り光が光伝送路に入力されることがないように対策することは、光クロック信号抽出装置を形成する上で重要な要件である。
また、出力部にも、光アイソレータを設置することによって、光クロック信号を入力する光伝送路の入射端面等から反射して、この発明の受動モード同期半導体レーザに再び戻る戻り光成分を遮断することができる（光伝送路の入射端面等から反射して受動モード同期半導体レーザに再び戻る光成分に対しても、上記同様、以後「戻り光」ということもある。）。戻り光が受動モード同期半導体レーザに入射されると、モード同期動作に支障が生じる。従って、戻り光成分が再び受動モード同期半導体レーザに戻ることがないように対策することは、光クロック信号抽出装置を形成する上で重要な要件である。
また、光アイソレータと第2結合光学系とに加えて、更に受動モード同期半導体レーザから抽出された光クロック信号をフィルタリングする波長フィルタを具えて構成することによって、受動モード同期半導体レーザから出力される出力光から、光クロック信号の波長成分のみをフィルタリングして取り出すことが可能となる。このことによって、光クロック信号以外の、受動モード同期半導体レーザ等から僅かに発生する雑音成分を遮断することができる。
この発明の受動モード同期半導体レーザに、入力光信号を入力し、かつこの入力光信号から受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を出力する入出力部を具えることによって、第2光クロック信号抽出装置が形成できる。この第2クロック信号抽出装置も、光クロック信号を出力する機能を果たす構成部分を、この発明の受動モード同期半導体レーザを利用しているので、上述したように、入力光信号の偏光方向に依存することなく、光クロック信号を抽出することが可能である。
この入出力部を、入力光信号を入力する第1ポートと、入力光信号を出力し、かつ受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を入力する第2ポートと、この光クロック信号を出力する第3ポートを有する光サーキュレータと、第2ポートから出力される入力光信号を受動モード同期半導体レーザに出力し、かつ受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を第2ポートに出力する結合光学系とを具えて構成すれば、受動モード同期半導体レーザの一方の端面を入力及び出力端面として利用することができる。
すなわち、光クロック信号抽出装置において、入力光信号の入力端と光クロック信号の出力端とを共通にすることができる。光クロック信号抽出装置を光通信システムにおいて利用する場合、装置の構成の便宜上、入力光信号の入力端と光クロック信号の出力端とを共通にすることによって、光クロック信号抽出装置のコンパクト化を図ることが可能となる。
入出力部においても、上述の光サーキュレータに加えて、更に受動モード同期半導体レーザから抽出された光クロック信号をフィルタリングする波長フィルタを具えて構成することによって、受動モード同期半導体レーザから出力される出力光から、光クロック信号の波長成分のみをフィルタリングして取り出すことが可能となる。このことによって、上述した光クロック信号以外の雑音成分を遮断することができる。
この発明の受動モード同期半導体レーザに、第1偏光分離合成器と、光減衰器又は光増幅器と、第2偏光分離合成器と、第1結合光学系とを具えて構成される入力部を具えることによって、第3光クロック信号抽出装置が形成できる。第1偏光分離合成器によって、入力光信号が第1入力光信号と第2入力光信号とに分離され、光減衰器によって第1入力光信号の強度が減衰調整され、第1調整入力光信号となる。または、光増幅器によって第2入力光信号の強度が増幅調整され第2調整入力光信号となる。
第1調整入力光信号と第2入力光信号とが、又は、第2調整入力光信号と第1入力光信号とが、第2偏光分離合成器で合波されて調整入力光信号として出力される。すなわち、光減衰器又は光増幅器によって第1及び第2入力光信号の強度が調整される。一般には、光減衰器あるいは光増幅器の一方を利用すれば、第3光クロック信号抽出装置の目的は果たされるが、光減衰器及び光増幅器の両方を用いて、第1及び第2入力光信号の相互の強度を調整してもよい。
すなわち、第1及び、又は第2入力光信号の強度を調整することによって、詳細は後述するが、第3光クロック信号抽出装置に利用されるこの発明の受動モード同期半導体レーザ固有の偏光依存性があっても、光クロック信号を偏光無依存で抽出することが可能となる。
第3光クロック信号抽出装置の入力部においても、光アイソレータを具えることによって、この発明の受動モード同期半導体レーザの入射端面等から反射されて、再び光伝送路に戻る光成分を遮断する効果が得られる。
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、以下の説明において、特定の材料および条件等を用いることがあるが、これら材料および条件は好適例の一つに過ぎず、したがって、何らこれらに限定されない。また、各図において同様の構成要素については、その重複する説明を省略することもある。また太線によって光経路を示し、細線によって電気信号の伝送路を示した。
＜第1発明の受動モード同期半導体レーザ＞
図1(A)及び(B)を参照して、第1発明の受動モード同期半導体レーザの構造について説明する。以後、受動モード同期半導体レーザ（Mode-Locked Laser Diode）をMLLDと略記する。図1(A)は第1発明の受動モード同期半導体レーザ（以後「MLLD 10」という。）の、光導波路方向に対して垂直側面方向から見た概略的構成図であり、図1(B)は光導波路方向に対向する方向であって、光導波路18の側から見た概略的構成図である。
MLLD 10は、反転分布が形成される利得領域30と、光強度を変調する機能を有する可飽和吸収領域32とを含み、利得領域30と可飽和吸収領域32とが、直列に配置された半導体レーザである。利得領域30と可飽和吸収領域32とは、図1(A)に示すように、モノリシックに形成されている。利得領域30には、n側共通電極12と利得領域のp側電極24とを介して定電流源28によって電流注入がなされる。可飽和吸収領域32には、n側共通電極12と可飽和吸収領域のp側電極22とを介して定電圧源26によって逆バイアス電圧が印加される。
利得領域30に内在する光導波路16（以後、「利得領域30の光導波路16」ということもある。）及び可飽和吸収領域32に内在する光導波路18（以後、「可飽和吸収領域32の光導波路18」ということもある。）は、共に共通の第1クラッド層14と第2クラッド層20とに挟まれて構成されている。ここでは、第1クラッド層14をn型クラッド層とし、第2クラッド層20をp型クラッド層としてある。光導波路16及び光導波路18を構成する結晶材料は、MLLD 10に、入力される入力光信号の波長によって決定される。例えば、この入力光信号の波長が1.5 μｍ帯であれば、InP系半導体バルク結晶材料あるいはInP系半導体結晶材料による量子井戸構造が使われる。
光導波路16及び光導波路18の導波方向に対して垂直な方向の断面形状は、図1(B)に示すように、幅がwで厚さがdの矩形光導波路である。入力光信号の偏光の状態について次のように定義する。すなわち、光導波路16及び光導波路18を導波する光の偏光面（光の電場ベクトルの振動面）の方向が、これらの光導波路の幅方向に平行な方向（図1(B)では水平方向）である場合をTE偏光、厚み方向に平行な方向（図1(B)では垂直方向）である場合をTM偏光とする。
ここで、利得領域30の光導波路16は、バルク結晶あるいは伸張歪が導入された量子井戸構造で形成されているものとする。MLLD 10の発振光の偏光状態が、TE偏光であると想定して以下説明する。以後、発振光がTE偏光であるレーザ発振動作をTEモード動作といい、光導波路16及び光導波路18における発振光の導波モードをTEモードということもある。同様に、発振光がTM偏光であるレーザ発振動作をTMモード動作といい、光導波路16及び光導波路18における発振光の導波モードをTMモードということもある。
ここで、利得領域において、TE偏光に対する光学利得がTM偏光に対する光学利得より大きいという条件（上述した第1の条件）について説明する。
利得領域30の光導波路16において、TEモード及びTMモードに対する光導波路16における単位長さあたりの光学利得は、ぞれぞれΓTE・gTE、及びΓTM・gTMで与えられる。ここで、ΓTE及びΓTMは、それぞれTEモード及びTMモードに対する光閉じ込め係数、gTE及びgTMは、それぞれTEモード及びTMモードに対する材料利得である。gTE及びgTMは、光導波路16を構成する材料固有の値である。また、ΓTE及びΓTMは、光導波路16を構成する材料の屈折率及び光導波路16の寸法である幅wと厚さdとによって決定される値である。
上述の光閉じ込め係数Γ及び材料利得gとを用いて、利得領域におけるTEモードに対する光学利得がTMモードに対する光学利得より大きいという条件を表すと次式(1)
ΓTE・gTE＞ΓTM・gTM （1）
となる。
また、TMモードに対する光学利得ΓTM・gTMは0より十分に大きな値となるように設定する。すなわち、
ΓTM・gTM＞0 （2）
を満たすように、TMモードに対する光学利得ΓTM・gTMを設定する。
一方、可飽和吸収領域において、TEモードに対する吸収飽和エネルギーよりも、TMモードに対する吸収飽和エネルギーが小さいという条件（上述した第2の条件）について説明する。
可飽和吸収領域32の光吸収係数αは、キャリア密度Nに比例し、次式(3)で与えられる。
α＝ΓA(N-N0) （3）
ここで、Aは微分利得、N0は透明状態におけるキャリア密度である。
また、吸収飽和エネルギーEsatは、次式（4）で与えられる。
Esat＝（（ｈ/2π）ω0・w・d）/（ΓA） （4）
ここで、ｈはプランクの定数、ω0は入力光信号の光角周波数である。
TEモード及びTMモードに対する、光導波路18における微分利得を、それぞれATE及びATMとして、次式（5）を満足するように設定する。
ΓTM・ATM＞ΓTE・ATE （5）
このように設定すれば、TEモードに対する吸収飽和エネルギーEsat,TEより、TMモードに対する吸収飽和エネルギーEsat,TMが小さいという条件Esat,TE＞Esat,TMが満たされる。
＜第1光クロック信号抽出装置＞
図2を参照して、第1光クロック信号抽出装置の構成について説明する。図2は、第1発明のMLLD 10を利用した第1光クロック信号抽出装置の光導波路方向に対して垂直側面方向から見た概略的構成図である。
第1発明のMLLD 10を用いて構成されるこの発明の第1光クロック信号抽出装置は、このMLLD 10と、入力光信号49を入力する入力部34と、この入力光信号からMLLD 10によって抽出された光クロック信号51を出力する出力部46とを具えて構成される。
入力部34は、入力光信号49が伝送する光伝送路48に戻り光を入力させないための第1光アイソレータ36と、入力光信号をこの発明のMLLD 10に出力する第1結合光学系38とを具えて構成する。
出力部46は、MLLD 10に戻り光を入力させないための第2光アイソレータ42と、MLLD 10によって抽出された光クロック信号を光伝送路52の入力端に出力する第2結合光学系40とを具えて構成する。
また、第2光アイソレータ42と第2結合光学系40とに加えて、更にMLLD 10から抽出された光クロック信号をフィルタリングする波長フィルタ44を具えている。
第1結合光学系38及び第2結合光学系40を、ここでは凸レンズを利用して構成したが、凸レンズに限らず、集光機能を有する屈折率分布型光導波路やホログラフィック光学素子等で構成することも可能である。
第1光アイソレータ36は偏波無依存タイプの光アイソレータを、第2光アイソレータ42は偏波無依存タイプの光アイソレータあるいは磁性ガーネット結晶を用いた偏光依存タイプの光アイソレータ等を適宜選択して利用することができる。また、波長フィルタ44は、誘電体多層膜を使った波長フィルタ等から適宜選択して利用することができる。
図2では、MLLD 10からの出力光を第2結合光学系40によって第2光アイソレータ42に入力させて、第2光アイソレータ42からの出力光を波長フィルタ44に入力させて、波長フィルタ44からの出力光を光伝送路52の入力端に入力させる構成を示してあるが、この構成は出力部46の一構成例に過ぎない。結合光学系40とは、MLLD 10からの出力光を第2光アイソレータ42に入力させるための凸レンズ、及び第2光アイソレータ42からの出力光を波長フィルタ44に入力させるための凸レンズ及び波長フィルタ44からの出力光を光伝送路52の入力端に入力させるための凸レンズ等の結合光学系を総称しているものと理解されたい。
＜第2光クロック信号抽出装置＞
図3を参照して、第2光クロック信号抽出装置の構成について説明する。図3は、第1発明のMLLD 10を利用した第2光クロック信号抽出装置の光導波路方向に対して垂直側面方向から見た概略的構成図である。
第1発明のMLLD 10を用いて構成されるこの発明の第2光クロック信号抽出装置は、このMLLD 10と、入力光信号62を入力し、かつこのMLLD 10によって抽出され光クロック信号66を光伝送路68の入力端に出力する入出力部50を具えて構成される。
この入出力部50は、入力光信号62を入力する第1ポートaと、入力光信号を出力しかつMLLD 10によって抽出された光クロック信号を入力する第2ポートbと、この光クロック信号を出力する第3ポートcを有する光サーキュレータ58と、第2ポートbからの出力光をMLLD 10に出力し、かつMLLD 10によって抽出された光クロック信号を第2ポートbに出力する結合光学系54とを具えている。
また、この入出力部50は、上述の光サーキュレータ58と結合光学系54とに加えて、更にMLLD 10から抽出された光クロック信号をフィルタリングする波長フィルタ60を具えている。
結合光学系54は、上述の第1光クロック信号抽出装置と同様に、ここでは凸レンズを利用して構成したが、凸レンズに限らず、集光機能を有する屈折率分布型光導波路やホログラフィック光学素子等で構成することも可能である。また、波長フィルタ60についても、上述の第1光クロック信号抽出装置と同様に、誘電体多層膜を使った波長フィルタ等から適宜選択して利用することができる。
＜光クロック信号抽出＞
光クロック信号抽出動作は、次に示す条件下で行う。すなわち、抽出される光クロック信号の発振縦モード波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態で、MLLDを駆動する。このように駆動することによって、入力光信号が、TE偏光あるいはTM偏光のいずれの偏光状態であっても、等しく時間ジッタが小さな光クロック信号を抽出することが可能となることを以下に詳説する。
まず、図4(A)及び(B)と図5(A)及び(B)とを参照して、光クロック信号抽出動作における条件について説明する。図4(A)及び(B)において、横軸は時間を任意スケールで示してある。また、図5(A)及び(B)において、横軸は光周波数を任意スケールで示してある。図4(A)及び(B)と図5(A)及び(B)とにおいて、それぞれ縦軸は省略してあるが縦軸方向に光強度を任意スケールで示してある。図4(A)は、入力光信号の時間波形を示しており、図4(B)は、光クロック信号の時間波形を示している。また、図5(A)及び(B)は、第1発明のMLLDによる光クロック信号抽出の動作原理の説明に供する図であり、図5(A)は抽出された光クロック信号の発振縦モードを示し、図5(B)は、入力光信号の周波数スペクトルを示している。
光クロック信号を抽出する対象となる入力光信号は、時間軸上に規則正しく一定の周期間隔で並ぶ光パルスの列を、光変調して送信信号である2値デジタル信号としたRZ信号であるから、光パルスが存在しない時間帯域（時間スロットと呼称されることもある。）が存在している。隣接する光パルスの間隔、すなわち時間スロット幅は、ビットレート周波数fの逆数1/fとなっている。
図4(A)に一例として示す入力光信号では、2つの時間スロットの光パルスが不存在であり、光パルスが存在することで「1」を示し不存在であることで「0」を示すとすれば、このRZ信号は、［1,1,0,1,1,1,1,0,1,1,1］を意味している。
一方、図4(B)に示す光クロック信号は、時間軸上に規則正しく一定の周期間隔で並ぶ光パルスの列となっており、ここでも隣接する光パルスの間隔、すなわち時間スロット幅は、ビットレート周波数fの逆数1/fとなっている。これは、以下の現象を利用したものである。
すなわち、MLLDの周波数応答特性は、共振器周回周波数（fMLに近似する周波数である。）と、その自然数倍の周波数で、共振による鋭い応答を示す。入力光信号の周波数スペクトル分布は、ビットレート周波数で大きな成分をもち、その周りに広く広がった周波数スペクトルを有する。MLLDに光信号が入力され、入力光信号のビットレート周波数がfMLに近似する場合、MLLDの周波数応答特性の性質上、入力光信号のビットレート周波数成分が増幅され、その他の成分は減衰される。この現象を利用して、入力光信号から光クロック信号を抽出するのが、この発明の光クロック信号抽出方法である。
図5(A)及び(B)を参照して、抽出される光クロック信号の縦モードスペクトルのいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態をより定量的に示す。光クロック信号の有する縦モードの光周波数fCLKは、縦モードを構成する周波数の一つをf0とすると、
fCLK＝f0+(NfML)
で与えられる。ここで、Nは整数、fMLは、光クロック信号の発振縦モード間隔である。
このとき、入力光信号の有する複数の周波数スペクトル成分fcarrierのうちの一つが次式(6)を満足している時、抽出される光クロック信号の発振縦モードスペクトルのピーク波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態となる。
fcarrier＝f0+(N+d)fML （6）
ここで最も望ましい状態は、dの値が0.5に等しい状態である。すなわち、入力光信号の有する複数の周波数スペクトルのピーク波長が、光クロック信号の有する縦モード列の中間の位置に存在している。
以下、この発明の光クロック信号抽出の原理を、以下に示す(A)可飽和吸収領域で生じる吸収変調強度の偏光面無依存性について、及び(B)共振効果の抑制について順を追って詳細に説明する。
（Ａ）可飽和吸収領域で生じる吸収変調強度の偏光面無依存性
MLLDの発振光の偏光状態が、入力光信号の偏光状態に依存すると、次の問題が生じる。光中継器等で光信号を再生する場合に、一旦入力光信号から光クロック信号を抽出する。そして、この光クロック信号から光信号を再生する。この光クロック信号から光信号を再生する際に用いられる光変調器が偏光無依存で動作するものに限定されるという問題が第1点である。また、MLLDの発振光の偏光状態が、入力光信号がTM偏光からTM偏光へ、あるいはTM偏光からTE偏光へと変化する遷移過程において、過渡的な動作不安定が発生するという問題が第2点である。特に第2点目として掲げた問題は、光クロック信号抽出動作の安定性を確保する目的からは、絶対に発生させてはならない現象である。
上述の式(1)は、MLLDの発振光がTE偏光に限定されるためには、TEモードに対する光学利得をTMモードに対する光学利得より大きく設定する必要があることを示す式である。また、上述の式(2)は、入力光信号がTM偏光である場合であっても、利得領域において有意な光学利得が得られるための条件を与える式である。
InPやGaAs等やこれらの混晶であるIII-V族半導体バルク結晶においては、材料利得は、TEモード、TMモードのいずれに対しても同一の値をとる。すなわち、gTE＝gTMである。また、幅(w)が厚さ(d)に比べて十分に大きい光導波路においては、TEモードに対する光閉じ込め係数（ΓTE）は、TMモードに対する光閉じ込め係数（ΓTM）より大きい。すなわち、ΓTE＞ΓTMである。従って、利得領域をバルク結晶で構成された光導波路を具えて構成すれば、この利得領域においては、上述の式(1)、すなわち、ΓTE・gTE＞ΓTM・gTMを満足する。
また、TMモードに対する光閉じ込め係数（ΓTM）は、TEモードに対する光閉じ込め係数（ΓTE）より小さいが有限の値であり、材料利得gTMも有限の値であるので、両者の積ΓTM・gTMも0より大きな値をとる。従って、III-V族半導体バルク結晶で構成された光導波路においては、上述の式（2）で与えられる条件も満足する。
一方、量子井戸構造によって利得領域の光導波路を形成する場合を検討する。バルク結晶と量子井戸構造との相違は、エネルギー準位構造にある。すなわち、量子井戸構造を構成することによって量子サイズ効果が発現し、このためバルク結晶とは異なるエネルギー準位が形成される。具体的には、バルク結晶の価電子帯（valence band）のバンド構造において、軽い正孔（LH: Light hole）と重い正孔（HH: heavy hole）との縮退がとける。量子井戸構造のエネルギー準位において、有効質量（effective mass）が小さいLHは、有効質量が大きいHHよりも大きなエネルギーシフトが生じる。その結果、価電子帯にLHが形成されて電子が伝導帯（conduction band）へ遷移するためのエネルギー（以後、「e−LH間のバンドギャップ」ということもある。）は、価電子帯にHHが形成されて電子が伝導帯へ遷移するためのエネルギー（以後、「e−HH間のバンドギャップ」ということもある。）より大きくなる。
利得領域においてキャリア注入がなされると、バンドギャップの小さい、価電子帯にHHが形成されて電子が伝導帯へ遷移（以後、「e−HH間遷移」ということもある。）されることによる反転分布が形成されやすくなる。すなわちe−HH間遷移による光学利得が得られる。遷移の選択側によって、主に、e−HH間遷移がTEモードに寄与し、価電子帯にLHが形成されて電子が伝導帯へ遷移する遷移（以後、「e−LH間遷移」ということもある。）は、TMモードに寄与する。このことによって、一般に、量子井戸構造においては、TEモードに対して大きな光利得が発生し、TMモードに対しては光利得がほとんど発生しない。すなわちgTEは大きな値をとるが、gTMはほぼ0かあるいは負である。従って、量子井戸構造の光導波路を持つ利得領域では、上述の式（1）で与えられる条件は満足されるが、式（2）で与えられる条件は満足されない。
一方、量子井戸層に伸張歪を導入すると、e−LH間のバンドギャップの大きさが小さくなることが知られている。従って、量子井戸層に伸張歪を導入することによって、e−HH間のバンドギャップの大きさにe−LH間のバンドギャップの大きさを近づけることができる。このように伸張歪が導入された量子井戸構造によって形成される光導波路を利得領域に採用することによって、TMモードに対する光学利得をTEモードに対する光学利得と同程度の大きさにすることが可能となる。
このように、TMモードに対する光学利得を制御することが可能であることから、伸張歪が導入された量子井戸構造は、例えば、半導体光増幅器や半導体電界吸収型光変調器等に、偏光無依存動作を実現するために導入されている（例えば、F. Devaux, S. Chelles, A. Ougazzaden, A. Mircea, F. Huet, and M. Carre, "10 Gbit/s operation of polarisation insensitive, strained InGaAsP/InGaAsP MQW electroabsorption modulator," Electron. Lett. vol. 29, No. 13, pp. 1201-1203, (1993).）参照）。
図6(A)から(D)を参照して、歪量子井戸構造の光導波路を有する利得領域における、材料利得の偏光依存性について説明する。横軸は波長をnm単位で目盛って示してあり、縦軸は光学利得をcm-1単位で目盛って示してある。
ここに示す材料利得の偏光依存性は、単一量子井戸（single-quantum well）を障壁層（Barrier Layer）で挟んだ、単一量子井戸構造（single-quantum well structure）を仮定して計算した結果である。障壁層は、バンドギャップ波長が1.36μmの歪が導入されていないInGaAsPで形成されているものとして、計算を行った。
量子井戸層に導入されている歪について、それぞれれ歪の大きさを変えて材料利得を計算し、その結果を、それぞれ、図6(A)に歪が導入されていない場合、図6(B)に0.5％の圧縮歪（圧縮歪を負の値として-0.5％の歪と表記することがある。）が導入されている場合、図6(C)に0.25％の伸張歪が導入されている場合、図6(D)に0.58％の伸張歪が導入されている場合についてそれぞれ示してある。また、量子井戸層のバンドギャップ波長は、量子井戸層の厚さが9 nmであるときにe−HH間のバンドギャップ波長が1.53μmとなるように設定した。以上説明した計算上のパラメータを含めて、図6(A)から(D)に示す材料利得の計算に用いたパラメータ等を一覧にして表1に示す。
Figure 0004618118
図6(A)から(D)において、TEモードに対する材料利得を実線で、TMモードに対する材料利得を破線で示してある。また、注入キャリア密度を、(a) 1×1018 cm-3、(b) 3×1018 cm-3、(c) 5×1018cm-3、(d) 7×1018 cm-3と変えて材料利得を計算してある。それぞれの注入キャリア密度に対する材料利得を、図6(A)から(D)において、TEモードに対しては、(a1)、(b1)、(c1)及び(d1)として示し、TMモードに対しては、(a2)、(b2)、(c2)及び(d2)として示してある。
図6(A)及び(B)に示すように、波長1.53μm（1530 nm）において、歪が導入されていないか、あるいは圧縮歪が導入された量子井戸においては、破線で示す(a2)、(b2)、(c2)及び(d2)の曲線において、波長1.53μm（1530 nm）の位置でほぼ0から負の領域の付近にあることから、TMモードに対する材料利得（gTM）は、ほぼ0 cm-1から負の領域であることが読み取れる。一方、伸張歪が導入された量子井戸においては、図6(C)及び(D)に示すように、波長1.53μmの位置において、破線で示す(c2)及び(d2)の曲線において、波長1.53μmにおいて0以上の値を示していることから、TMモードに対する材料利得（gTM）が得られることを示している。特に、図6(D)に示すように、伸張歪を0.58％導入すると、注入キャリア密度を適切に設定すれば、材料利得（gTM）は、TEモードに対する材料利得（gTE）より大きくできることが分かる。
以上の計算結果から、利得領域を形成する光導波路に適度な伸張歪を導入した量子井戸構造を採用することによって、上述の式(1)及び(2)で与えられる光学利得に関する条件を満足させることが可能であることが分かる。
次に、可飽和吸収領域における光吸収係数の変調について説明する。
図2に示す第1光クロック信号抽出装置に入力部34から、第1発明のMLLD 10に入力光信号が入力されると、利得領域30を伝播後、可飽和吸収領域32に入力される。可飽和吸収領域32は、入力された入力光信号によって吸収飽和が生じる。この吸収飽和が生じることによって、可飽和吸収領域の光導波路18の光吸収係数が光学的に変調される。この変調によって、MLLD 10内での光の周回の周期が、入力光信号のビットレート周波数に同期され、MLLD 10において光クロック信号が生成され、抽出される。この光クロック信号が出力部46から光クロック信号51として出力される。
可飽和吸収領域32において生じる光吸収係数の変調度が、入力光信号の偏光面に依存しないように可飽和吸収領域32の光導波路18が形成できれば、この発明の目的である、入力光信号の偏光面に依存しないで光クロック信号を抽出するための、必要な一つの条件が満足される。
可飽和吸収領域における光吸収係数は、TEモードであるかTMモードであるかに応じて、それぞれ次式(7)及び(8)で与えられる。
αTE(N')＝ΓTEATE(N'-N0,TE) （7）
αTM(N')＝ΓTMATM(N'-N0,TM) （8）
ここで、N'は、入力光信号が可飽和吸収領域32の光導波路18に存在しないときのキャリア密度である。N0,TE及びN0,TMは、それぞれ、TEモード及びTMモードに対して透明状態となるキャリア密度である。
また、可飽和吸収領域32の光導波路18の光吸収係数の変化は、TEモードであるかTMモードであるかに応じて、それぞれ次式(9)及び(10)で与えられる。
Figure 0004618118
ここで、Esat,TE及びEsat,TMは、それぞれTEモード及びTMモードに対する吸収飽和エネルギーであり、次式(11)及び(12)で与えられる。
Esat,TE＝（（ｈ/2π）ω0・w・d）/（ΓTEATE） （11）
Esat,TM＝（（ｈ/2π）ω0・w・d）/（ΓTMATM） （12）
また、PTE及びPTMは、それぞれ可飽和吸収領域32に到達した時の、入力光信号のTEモード成分及びTMモード成分の強度を与え、それぞれ次式（13）及び（14）で与えらる。
PTE＝Pexp（ΓTE・gTE・Lg） （13）
PTM＝Pexp（ΓTM・gTM・Lg） （14）
ここで、Pは入力光信号が入力部34からMLLD 10に入力される直前の強度を示し、Lgは利得領域の長さを示す。
上述の式(7)及び(8)から光吸収係数αTE及びαTMの変化は、キャリア密度N（すなわち、（N'-N0,TE）あるいは、（N'-N0,TM））に比例する。従って、MLLD 10の可飽和吸収領域において、光吸収係数の変調度を入力光信号の偏光面に依存しないようにするには、キャリア密度Nを等しく変動させればよいことが分かる。
上述の式(7)から、キャリア密度Nの変化ΔNに対するTE偏光に対する光吸収係数の変化ΔαTEは、次式(15)で与えられる。
ΔαTE＝αTE(N'+ΔN)−αTE(N')＝ΓTEATEΔN （15）
また、一方、TE偏光の入力によって生じる吸収飽和による光吸収係数の変化ΔαTEは、次式（16）で与えられる。
Figure 0004618118
式(15)及び(16)から入力光信号がTE偏光である場合のキャリア密度の変化ΔNは、次式(17)で与えられる。同様に入力光信号がTM偏光である場合のキャリア密度の変化ΔNは、次式(18)で与えられる。
Figure 0004618118
すなわち、式（17）と式（18）のそれぞれの右辺を等しいとして得られる次式（19）が満足されれば、可飽和吸収領域32において生じる光吸収係数の変調度を、入力光信号の偏光面に無依存とすることが可能となる。
Figure 0004618118
後述する図7(A)から(D)に示す計算結果から、伸張歪量子井戸においては、N0,TEとN0,TMとはほぼ等しくすることが可能である。従って、式(19)は次式(20)の形に書くことができる。
Figure 0004618118
式(20)は、次のことを意味している。すなわち、TM偏光に対する吸収飽和エネルギーEsat,TMは、TE偏光に対する吸収飽和エネルギーEsat,TEよりも小さく設定する必要がある。上述の式(11)及び(12)から、TE偏光およびTM偏光に対する吸収飽和エネルギーは、それぞれ微分利得ATEあるいはATMの逆数に比例するので、式（20）が満足されるためには、式（5）を満足するする必要があることが分かる。すなわち、可飽和吸収領域32における微分利得が、TE偏光に対するよりもTM偏光に対する方が大きくなるように設定することが必要であることが分かる。
図7(A)から(D)を参照して、図6(A)から(D)に示した単一量子井戸構造における、波長1.53μmの光に対する材料利得及び微分利得のキャリア密度依存性について説明する。横軸はキャリア密度をcm-3単位で目盛って示してあり、左側の縦軸は材料利得をcm-1単位で目盛って示してあり、右側の縦軸は微分利得をcm2単位で目盛って示してある。
量子井戸層に導入されている歪を変えて材料利得および微分利得を計算し、その結果を、それぞれ、図7(A)に歪が導入されていない場合、図7(B)に-0.5％の圧縮歪が導入されている場合、図7(C)に0.25％の伸張歪が導入されている場合、図7(D)に0.58％の伸張歪が導入されている場合についてそれぞれ示してある。また、ここでの計算においても、量子井戸層のバンドギャップ波長と諸々のパラメータは、図6(A)から(D)と同様に、上述した表1に示したように設定した。
TEモードに対する材料利得を太い実線で示し、微分利得を細かい破線で示してある。また、TMモードに対する材料利得を一点破線で示し、微分利得を破線で示してある。図7(A)及び(B)に示すように、量子井戸に歪が導入されていないかあるいは圧縮歪が導入されている場合には、キャリア濃度が十分高い領域では、TEモードに対する材料利得がTMモードに対する材料利得より大きい。一方、図7(C)及び(D)に示すように、量子井戸に伸張歪を導入すれば、キャリア濃度が十分高い領域では、TMモードに対する材料利得がTEモードに対する材料利得より大きくすることができることが分かる。従って、利得領域30をバルク結晶あるいは適度な伸張歪を導入した量子井戸構造とすることで、上述の式(1)及び(2)を満足させることが可能である。
一方、図7(A)及び(B)に示すように、量子井戸に歪が導入されていないかあるいは圧縮歪が導入されている場合には、TEモードに対する微分利得がTMモードに対する微分利得より大きい。一方、図7(C)及び(D)に示すように、量子井戸に伸張歪を導入すれば、TMモードに対する微分利得がTEモードに対する微分利得より大きくすることができることが分かる。従って、可飽和吸収領域32を適度な伸張歪を導入した量子井戸構造とすることによって、上述の式（5）を満足させる、すなわち、TMモードに対する吸収飽和エネルギーEsat,TMをTEモードに対する吸収飽和エネルギーEsat,TEよりも小さく設定すべきであるという条件、Esat,TE＞Esat,TMを満足させることが可能である。
また、利得領域30及び可飽和吸収領域32の光導波路を、いずれも伸張歪を導入した量子井戸構造とした場合には、利得領域30の歪量が大きすぎると上述の式(1)を満足させることができなくなる可能性がある。従って、利得領域30の光導波路を構成する量子井戸に導入すべき歪の量は、式(1)及び(2)を満たすように十分小さい必要があり、可飽和吸収領域32の光導波路を構成する量子井戸に導入すべき歪の量は式(5)を満たすのに十分な大きさでなければならない。
上述のように、この発明のMLLDは、利得領域と可飽和吸収領域とを構成する光導波路を、歪量が異なる量子井戸構造として形成するか、バルク結晶に対して量子井戸結晶といったその構成が異なる材料によって形成する必要がある。このように1つの素子内の別々の領域で、歪量が異なる量子井戸構造を形成し、あるいはバルク結晶に対して量子井戸結晶といったその構成が異なる材料によって形成する技術は、既に分布ブラッグ反射型半導体レーザや、外部変調器集積型半導体レーザを形成する手法の中で現在までに確立されている。例えば、半導体基板に、利得領域の光導波路を形成するためのエピタキシャル層を形成し、その後このエピタキシャル層の一部をエッチング除去して、この除去した領域に可飽和吸収領域の光導波路を形成するためのエピタキシャル層を形成する工程を経ることによって、利得領域及び可飽和吸収領域の光導波路をそれぞれ形成することが可能である。
また、式(19)すなわち、式(20)を満足させるには、利得領域及び可飽和吸収領域の光導波路を構成する歪量子井戸の歪量を調整する以外に、式(20)に利得領域の長さを与えるパラメータLgが含まれていることから分かるように、利得領域の長さLgを調整することによっても達成できる。
更に、式(19)及び(20)を導出する過程において、利得領域や可飽和吸収領域における光学利得及び光吸収係数の値が、入力光信号を構成する光パルスが存在しなくなった時点で、この光パルスが入力する前の状態に回復するまでの時間を無視している。すなわち、入力光信号を構成する光パルスによって励起されたキャリアの寿命が有限であるので、光学利得及び光吸収係数の値が回復するまでには有限の時間が必要である。そのため、実際には、パターン効果と呼ばれる現象が生じ、あるいは入力光信号を構成する光パルスが、MLLDの共振器中を周回することによって発生する多変調効果等が発生する。これらの現象や効果を無視して、式(19)及び(20)を導出した。
従って、パターン効果や多変調効果等が発生した場合には、式(19)及び(20)を満足させるように設定することが、MLLDの動作を入力光信号の偏光無依存で実行させるための条件とはならない。しかしながら、そのような場合でも、式(1)、(2)及び(5)を満足させながら、利得領域の長さLg等を調整することによって可飽和吸収領域で生じる光吸収変調度の強度を、入力光信号の偏光面に対して無依存化することは可能である。
（Ｂ）共振効果の抑制
以上説明したように、式(1)、(2)及び(5)を満足するようにMLLDを構成すれば、入力光信号の偏光方向に依存することなく、光クロック信号を抽出することが可能となる。すなわち、式(1)、(2)及び(5)を満足するMLLDを利用すれば、入力光信号の偏光方向に依存することなく、光クロック信号を抽出することが可能な光クロック信号抽出装置が実現される。
しかしながら、式(1)、(2)及び(5)を満足するように設定されたMLLDを利用するだけでは、光クロック信号抽出装置を入力光信号の偏光方向に依存しない状態で駆動できることは保障されない。光クロック信号抽出装置を入力光信号の偏光方向に依存しない状態で、着実に駆動するためには、以下に説明する、共振効果について検討する必要がある。
仮に、MLLDが、TEモード発振をしているとする。この状態のMLLDに、TE偏光の入力光信号が入力されて、かつ、その入力光信号の波長がMLLDの共振条件を満足しているものとする。この場合、入力光信号は、MLLDの共振内で共振するため、光吸収変調が増強される。すなわち、入力光信号の入力強度が低い状態でも高効率な光クロック信号抽出動作が実現される。
一方、同一の波長のTM偏光の入力光信号が入力された場合、MLLDはTMモードでは発振しないため、共振による光吸収変調動作が起こらない。すなわち、TM偏光の入力光信号が入力された場合には、光クロック信号抽出動作が起こるためには、入力光信号の強度を、TM偏光の入力光信号の場合に比べて十分大きくする必要がある。
上述したように、MLLDの発振モードと入力光信号の偏光モードとが一致した場合に発現する、共振内での共振現象によって光吸収変調が増強される効果を共振効果という。
共振効果を確かめるために、この発明の発明者等は次のような実験を行った。すなわち、圧縮歪を導入された歪量子井戸を、利得領域及び可飽和吸収領域の光導波路として形成された従来型のMLLDに、この従来型のMLLDの周回周波数とほぼ等しい繰り返し周波数の光パルス列を注入し、時間ジッタがどのように低減化されるかを確かめる実験を行った。ここで、この実験に利用した従来型のMLLDの周回周波数は、40 GHzであり、注入した光パルス列の光パルスの繰り返し周波数も40 GHzにして実験を行った。この注入した光パルス列をマスター光パルス列ということもある。
実験では、マスター光パルス列を構成する光パルスの中心波長を変化させ、MLLDの時間ジッタの変化を観測した。マスター光パルス列は、TE偏光となるように設定して実験を行った。なお、マスター光パルス列のMLLDへの注入光強度を-13 dBmに設定して実験を行った。
図8と図9(A)及び(B)とを参照して、上記の実験結果を説明する。図8は、波長デチューニングとモード間隔との比に対する時間ジッタの特性を示す図である。図8において、横軸は、波長の変化量すなわち波長デチューニング量をモード間隔で除した量によって目盛ってあり、縦軸は、受動モード同期半導体レーザの時間ジッタをps単位で目盛って示してある。また、図9(A)及び(B)は、受動モード同期の動作原理の説明に供する図である。図9(A)及び(B)において、横軸は波長を任意スケールで目盛って示してある。また、縦軸は省略してあるが、縦軸方向に光強度を任意スケールで示してある。
図8の横軸に示されている波長デチューニング量をモード間隔で除した量が整数値をとるとき、マスター光パルス列は、MLLDの共振条件を満たしていることを意味している。
図9(A)は、MLLDの光スペクトル、すなわち発振スペクトルがマスター光パルス列の光スペクトルと不一致の状態である場合を示している。また、図9(B)は、MLLDの光スペクトル、すなわち、発振スペクトルがマスター光パルス列の光スペクトルと一致した状態である場合を示している。図8において、Aで示す観測値は、MLLDの発振スペクトルとマスター光パルス列の光スペクトルとが不一致の状態、すなわち図9(A)に示す関係となっている場合に観測された時間ジッタの値である。また、Bで示す観測値は、MLLDの発振スペクトルとマスター光パルス列の光スペクトルとが一致した状態、すなわち図9(B)に示す関係となっている場合に観測された時間ジッタの値である。
図8と図9(A)及び(B)に示すように、マスター光パルス列の光スペクトルがMLLDの発振スペクトルと一致する時、すなわちMLLDの発振条件を満足する時、最も時間ジッタが小さい値をとる。すなわち、MLLDに注入する光パルス列の強度が最も小さい状態で光クロック信号を抽出可能であることを意味している。
この実験結果から、MLLD内におけるマスター光パルス列によって誘起される共振効果が起こるか否かが、光クロック信号抽出のための動作に大きな影響を与えることが分かる。MLLDにTM偏光の入力光信号が入力された場合には、共振効果が得られないので、光クロック信号の抽出動作が、入力光信号の偏光に無依存で行われるためには、この共振効果が発生しないようにすることが必要となることが分かる。すなわち、抽出される光クロック信号の発振縦モード波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態で、MLLDを駆動することが必要であることが分かる。
上述の式(6)は、共振効果の発生を防ぐための条件であり、この条件を満足する状態でMLLDを駆動することによって、完全に入力光信号の偏光方向に依存しない状態で、光クロック信号を抽出することが可能となる。しかも、MLLDの動作は、電気的に駆動される電気素子から構成されるクロック信号抽出装置に比べてはるかに高速に動作する。従って、第1及び第2光クロック信号抽出装置によれば、40 Gbit/sを超える高ビットレートの入力光信号からも、この入力光信号の偏光に依存することなく、光クロック信号を抽出することが可能となる。
＜第2発明のMLLD＞
図10(A)及び(B)を参照して、第2発明のMLLDの構造について説明する。図10(A)は第2発明のMLLD70の、光導波路方向に対して垂直側面方向から見た概略的構成図であり、図10(B)は光導波路方向に対向する方向から見た概略的構成図である。
MLLD 70は、実効屈折率が可変である受動導波路領域94と、反転分布が形成される利得領域96と、光強度を変調する機能を有する可飽和吸収領域98とを含み、受動導波路領域94と、利得領域96と、可飽和吸収領域98とが直列に配置された半導体レーザである。ここで、利得領域96及び可飽和吸収領域98の構造と、及びそれらが満たすべき条件は、上述の第1発明のMLLD 10における利得領域30及び可飽和吸収領域32と同一である。
MLLD 70が、上述の第1発明のMLLD 10と異なる点は、利得領域96及び可飽和吸収領域98に加えて、受動導波路領域94を具えている点である。受動導波路領域94には、p側電極92とn側共通電極72を介して定電流源あるいは定電圧源から、電流注入あるいは逆バイアス電圧が印加される。受動導波路領域94に供給されるのは定電流あるいは定電圧のいずれでもよいので、ここでは、定電流源あるいは定電圧源をまとめて電源90として示してある。
また、利得領域96には、p側電極84とn側共通電極72を介して定電流源88から電流が注入され、可飽和吸収領域98には、p側電極82とn側共通電極72を介して定電圧源86から逆バイアス電圧が印加される。
受動導波路領域94に内在する光導波路100（以後、「光導波路100」ということもある。）、利得領域96に内在する光導波路76（以後、「光導波路76」ということもある。）及び可飽和吸収領域98に内在する光導波路78（以後、「光導波路78」ということもある。）は、共に共通の第1クラッド層74と第2クラッド層80とに挟まれて構成されている。ここでは、第1クラッド層74をn型クラッド層とし、第2クラッド層80をp型クラッド層としてある。光導波路76及び光導波路78を構成する結晶材料は、MLLD 70に、入力される入力光信号の波長によって決定される。例えば、この入力光信号の波長が1.5 μm帯であれば、InP系半導体結晶材料あるいはInP系半導体結晶材料による量子井戸構造が使われる。
光導波路76及び光導波路78の形状は、図10(B)に示すように、導波方向に垂直方向の断面の幅がwで厚さがdの矩形光導波路である。光導波路78の両側には、クラッド層78a及び78bが形成されている。図10(B)は、可飽和吸収領域98の側から見た図であり、従って光導波路78の端面が見えている。
入力光信号の偏光面の方向、光導波路76及び光導波路78を導波する光の偏光面の方向が、これらの光導波路の幅方向に平行な方向（図10(B)では水平方向）である場合をTE偏光、厚み方向に平行な方向（図10(B)では垂直方向）である場合をTM偏光とする。
ここで、利得領域96の光導波路76は、バルク結晶あるいは伸張歪が導入された量子井戸構造で形成されているものとする。MLLD 70の発振モードが、TEモード動作であると想定して以下説明する。以後、上述の第1発明のMLLD 10に対する場合と同様に、発振光がTE偏光であるレーザ発振動作をTEモード動作といい、光導波路76及び光導波路78における発振光の導波モードをTEモードということもある。同様に、発振光がTM偏光であるレーザ発振動作をTMモード動作といい、光導波路76及び光導波路78における発振光の導波モードをTMモードということもある。
利得領域96において、TEモードに対する光学利得がTMモードに対する光学利得より大きいという条件（上述した第1の条件）、及び可飽和吸収領域98において、TEモードに対する吸収飽和エネルギーよりも、TMモードに対する吸収飽和エネルギーが小さいという条件（上述した第2の条件）については、上述の第1発明のMLLD 10の場合と同様であるので、その説明を省略する。
図11を参照して、第2発明のMLLD 70を利用した第1光クロック信号抽出装置の構成を説明する。図11に示す第1光クロック信号抽出装置は、MLLD 70と、入力光信号116を入力する入力部102と、この入力光信号116からMLLD 70によって抽出された光クロック信号120を出力する出力部104とを具えて構成される。
入力部102及び出力部104は、図2で示した第1発明のMLLD 10を利用した第1光クロック信号抽出装置の入力部34及び出力部46と同一の構造であるので、その説明を省略する。
第2発明のMLLD 70を利用した第1光クロック信号抽出装置の基本動作については、第1発明のMLLD 10を利用した第1光クロック信号抽出装置の場合と同様であるが、第2発明のMLLD 70が受動導波路領域94を具えていることによって、MLLD 70の共振器長を容易に変化させることができる点が相違する。MLLD 70の共振器長を変化させることによって、以下に説明するように、上述の共振効果の発生を防ぐために、抽出される光クロック信号の発振縦モード波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態でMLLDを駆動することが可能となる。
レーザの共振条件は、共振器の長さをL、共振器の平均実効屈折率をnとすると、次式（21）で与えられる。
2nL＝mλ （21）
ここで、mは自然数である。第2発明のMLLD 70において、共振器は光導波路100、76及び78であり、平均実効屈折率nはこれら光導波路の平均実効屈折率である。
ここで、MLLDの繰り返し周波数が40 GHzである場合を想定すると、Lは約1 mmである。この条件で、MLLDの発振波長が1.55μmであるとすると、共振器長が0.1μm変化すれば、条件式(21)おいて同一のmの値に対して共振する波長は、0.155 nm変化する。このMLLDの縦モード間隔は0.32 nmであるので、この変化量0.155 nmは、MLLDの縦モード間隔の約半分の大きさに相当する。
半導体レーザの共振器を構成する手法として一般的にとられる方法は、へき開によって共振器を形成する方法である。へき開によって共振器を形成する手法によれば、共振器長を20μm程度以下の誤差で形成することができない。従って、MLLDの共振器長を、上述の0.1μm変化が問題とされない程度に精度良く形成することは、非常に難しい。すなわち、通常のへき開によって共振器を形成する手法によってMLLDを製造して、常に上述の式(6)を満足させることは、極めて困難であることを意味している。
第2発明のMLLD 70は、常に上述の式(6)を満足させることが困難であるという問題を解決するために、受動導波路領域94が設けられている。受動導波路領域94には、p側電極92とn側共通電極72を介して電源90から、電流注入あるいは定電圧印加がなされる。電流注入がなされると、プラズマ効果によって、光導波路100の実効屈折率が変化する。また、定電圧が印加されると、ポッケルス効果によって、同様に光導波路100の実効屈折率が変化する。
光導波路100の実効屈折率を変化させることによって、MLLD 70の共振器長を制御することができる。MLLD 70の共振器は光導波路100、76及び78で構成されているので、光導波路100の実効屈折率を変化させることによってMLLD 70の共振器長を制御することができることは明らかである。
図12(A)、(B)及び(C)を参照して、上述の共振器長の制御について説明する。図12(A)、(B)及び(C)において、横軸は光周波数を任意目盛りで示してあり、縦軸は省略してあるが、縦軸方向に光強度を任意スケールで示してある。図12(A)は、MLLD 70の発振縦モードスペクトルを示している。図12(B)は、入力光信号の周波数スペクトルを示している。今、仮に図12(A)及び(B)に示す様に、MLLD 70の発振縦モードスペクトルと入力光信号の周波数スペクトルが一致している場合を想定する。この場合には、上述したように、MLLD 70内における入力光信号によって誘起される共振効果が起こり、入力光信号の偏光に無依存で光クロック信号を抽出することが困難となる。
そこで、MLLD 70の共振器長を制御することになる。図12(C)は、MLLD 70の共振器長を制御した結果、MLLD 70の発振縦モードスペクトルが、12(A)に示す発振縦モードスペクトルから変化した様子を示している。このように、MLLD 70の共振器長を制御することによって、入力光信号の偏光に無依存で光クロック信号を抽出するために必要とされる、抽出される光クロック信号の発振縦モード波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態で、MLLDを駆動する、という条件を容易に満足させることが可能となる。
すなわち、第2発明のMLLD 70によれば、MLLD 70を通常の製造工程に従って作成した結果、共振器長にばらつきがあっても、常に式(6)に示される条件を満足させてMLLD 70を駆動することが容易に実現でき、入力光信号の偏光に無依存で光クロック信号を抽出することができる。また、入力光信号の波長が変動したとしても、同様にその波長の変化に応じてMLLD 70の共振器長を調整できるので、入力光信号の波長の変動に対しても、偏光無依存で光クロック信号を抽出するという動作を担保することができる。
なお、図11を参照して、第2発明のMLLD 70を利用した第1光クロック信号抽出装置について、その構成及び動作について説明したが、第2発明のMLLD 70を利用して第2光クロック信号抽出装置を構成することも可能であることは明らかである。第1光クロック信号抽出装置と第2光クロック信号抽出装置との相違点は、前者が入力部と出力部とを具えて構成されるのに対して、後者が入出力部を具えて構成される点である。従って、光クロック信号抽出の基本動作が行われる第2発明のMLLD 70によって得られる利点は、第1及び第2光クロック信号抽出装置においても同様に得られることは明らかである。
＜第3光クロック信号抽出装置＞
図13を参照して、第3光クロック信号抽出装置の構成及びその動作を説明する。図13は、第1発明のMLLD 10を利用した第3光クロック信号抽出装置の概略的構成図である。図13においては、第1発明のMLLD 10を利用して構成される第3光クロック信号抽出装置について示しているが、第3光クロック信号抽出装置を構成するには、第1発明のMLLD 10に変えて、第2発明のMLLD 70を利用することも可能であることは明らかである。この場合は、光クロック信号抽出の基本動作が行われる第2発明のMLLD 70によって得られる上述した利点が得られる。
MLLD 10を用いて構成される第3光クロック信号抽出装置は、上述の第1光クロック信号抽出装置と同様に、MLLD 10と、入力光信号137を入力する入力部124と、この入力光信号137からMLLD 10によって抽出された光クロック信号50を出力するための出力部132とを具えて構成される。ただし、入力部124の構成が上述の第1光クロック信号抽出装置と異なる。
第3光クロック信号抽出装置の入力部124は、第1偏光分離合成器126と、光減衰器128と、第2偏光分離合成器130と、第1結合光学系38とを具えて構成される。第1偏光分離合成器126は、入力光信号137を第1入力光信号127aと第2入力光信号127bとに分離する。光減衰器128は、第1入力光信号127aの強度を調整して第1調整入力光信号129として出力する。第2偏光分離合成器130は、光減衰器128から出力された第1調整入力光信号129と第2入力光信号127bとを合波して調整入力光信号131として出力する。第1結合光学系38は、第2偏光分離合成器130から出力された調整入力光信号131をMLLD 10に出力する。
第3光クロック信号抽出装置の入力部124は、上述の第1偏光分離合成器126、光減衰器128、第2偏光分離合成器130及び第1結合光学系38の他に、入力光信号137を伝送する光伝送路138に戻り光を入力させないための第1光アイソレータ36を更に具えている。
出力部132の構成は、図2に示した第1光クロック信号抽出装置の出力部46と同一であるので、その説明を省略する。
第1、第2及び第3光クロック信号抽出装置のいずれにおいても、式(1)、(2)、(6)、(19)及び(20)で与えられる条件に基づいて可飽和吸収領域で生じる光吸収係数の変調強度を入力光信号の偏光状態に無依存とすることで、入力光信号の偏光状態に無依存で光クロック信号を抽出するという目的を達成する。
しかしながら、図3及び図4に示した計算結果から予想されるように、式(19)あるいは式(20)の成立要件は、利得領域の長さLgや入力光信号の波長に依存する。また、MLLDの製造ばらつきによって、利得や吸収飽和エネルギーにばらつきがあると、式(19)あるいは式(20)が成立しない場合も生じる。また、MLLDの入力光信号を入力する端面の反射率が、入力光信号の偏光依存性が存在すると、MLLDによる光クロック信号抽出動作に入力光信号の偏光状態依存性が発生する。
図14(A)及び(B)を参照して、上述の光クロック信号抽出動作に入力光信号の偏光状態依存性が存在する場合について具体的に説明する。図14(A)及び(B)は、入力光信号の強度に対する光クロック信号の時間ジッタの関係を示す図であり、横軸に入力光信号の強度を任意スケールで目盛って示し、縦軸に光クロック信号の時間ジッタの大きさを任意スケールで目盛って示してある。
図14(A)に示すように、光クロック信号抽出動作のMLLDへの入力光信号の入力強度に対する時間ジッタ特性において、入力光信号がTE偏光の場合とTM偏光である場合とで時間ジッタの大きさが異なることがある。図14(A)では、このことを、実線で示すTE偏光に対する時間ジッタ特性を示す曲線に対して、破線で示すTM偏光に対する時間ジッタ特性を示す曲線が、横軸方向に沿ってX dB平行移動した位置に存在している。
すなわち、時間ジッタ特性が同等である光クロック信号を得るために、入力光信号の強度を、TM偏光である場合には、TE偏光である場合に比べてX dBだけ大きくする必要があることを示している。このように、入力光信号がTE偏光であるかTM偏光であるかによって、時間ジッタ特性に違いが生じる原因の一つが、上述したMLLDの入力光信号を入力する端面の反射率の偏光依存性である。
このような時間ジッタの偏光状態依存性を防ぐためには、入力光信号のTE偏光成分をTM偏光成分に対してX dBだけ減衰させて、MLLDに入力させる手段を講ずればよい。このような手段を講ずることによって、図14(B)に示すように、MLLDに入力される入力光信号の偏光状態がTE偏光である場合とTM偏光である場合とで、同一の時間ジッタ特性を実現でき、時間ジッタ特性が同等である光クロック信号を抽出することができる。
入力光信号のTE偏光成分をTM偏光成分に対してX dBだけ減衰させてMLLDに入力させる手段が、図13に示すように、入力部124によって実現される。
入力光信号137は、第1偏光分離合成器126のポートx1に入力され、TE偏光成分はポートy1から、TM偏光成分はポートz1から出力される。すなわち、入力光信号137は、第1偏光分離合成器126によって、入力光信号137をTE偏光成分である第1入力光信号127aと、TM偏光成分である第2入力光信号127bとに分離される。
TE偏光成分である第1入力光信号127aは、光減衰器128に入力されてその強度がX dBだけ減衰されて調整され第1調整入力光信号129として出力される。強度が調整されたTE偏光成分である第1調整入力光信号129は、第2偏光分離合成器130のポートy2に入力され、TM偏光成分である第2入力光信号127bは、第2偏光分離合成器130のポートz2に入力される。従って、第1調整入力光信号129と第2入力光信号127bとは、第2偏光分離合成器130に入力されて合波され、調整入力光信号131として第2偏光分離合成器130のポートx2から出力される。調整入力光信号131は、第1光アイソレータ36を介して第1結合光学系38によってMMLD 10に入力される。
入力光信号のTE偏光成分は、光減衰器128によって強度がX dBだけ減衰されて第1調整入力光信号129としてMLLD 10に入力されるので、図14(B)に示すように、入力光信号のTE偏光成分に対してもTM偏光成分に対しても同等の時間ジッタ特性を持つ光クロック信号がMLLD 10によって抽出される。すなわち、MLLD 10によって、入力光信号の偏光状態に依存しないで光クロック信号を抽出することが可能となる。
ここでは、TE偏光成分の強度を調整するために光減衰器128を用いたが、光減衰器128に限定されることなく、半導体光増幅器や光ファイバ型光増幅器等の光増幅器132を利用することもできる。光減衰器128は、第1偏光分離合成器126のポートy1と第2偏光分離合成器130のポートy2との間の光路の途中に設置されるが、光減衰器12の代わりに光増幅器132を利用する場合には、光増幅器を第1偏光分離合成器126のポートz1と第2偏光分離合成器130のポートz2との間の光路の途中（図13において破線の長方形で132として示してある位置）に設置する。
第3光クロック信号抽出装置によって光クロック信号の抽出を行えば、MLLD自体の受動モード同期動作に、上述したような偏光状態依存性が存在する場合にも、
光クロック信号を偏光無依存で抽出することが可能となる。
なお、図13を参照して、第1発明のMLLD 10を利用した第3光クロック信号抽出装置について、その構成及び動作について説明したが、第2発明のMLLD 70を利用して第3光クロック信号抽出装置を構成することも可能であることは明らかである。この場合、光クロック信号抽出の基本動作が行われる第2発明のMLLD 70によって得られる利点は、第3光クロック信号抽出装置においても同様に得られることは明らかである。
以上の第1及び第2発明のMLLDの動作及び第1から第3光クロック信号抽出装置の動作についての説明は、MLLDがTE偏光で発振するものとの前提において行った。しかしながら、以上説明した動作は、MLLDがTM偏光で発振する場合にも同様に実現することが可能である。この場合には、利得領域の光導波路を歪量が大きな伸張歪量子井戸構造で構成し、レーザ発振動作をTMモードに制限する。また、可飽和吸収領域の光導波路は、歪量が小さい伸張歪量子井戸構造で構成し、TE偏光に対する吸収飽和エネルギーをTM偏光に対する吸収飽和エネルギーよりも小さくなるように設定する。
すなわち、上述の式(1)、(2)、(5)、(19)及び(20)で示される条件式において、TEとあるところとTMと変更し、TMとあるところをTEと変更すればそのまま成立する。
また、MLLDとしては、発振波長を制御するための分布型ブラッグ反射鏡を具えた、いわゆるDBR（Distributed Bragg Reflecter）レーザを利用することも可能である。MLLDとしてDBRレーザを利用した場合、DBRレーザの入出力端面を無反射コーティングして、更に入力光信号の波長がブラッグ反射鏡のブラッグ波長から十分に離れているという、限定された条件下では、次のことが起こる。すなわち、MLLDとして動作するDBRレーザに入力光信号が入力されると、この入力光信号を構成する光パルスは、利得領域を透過した後可飽和吸収領域を通過して、可飽和吸収領域の側の共振器端面で反射された後、再度利得領域を通過して分布型ブラッグ反射鏡が形成されている領域に至る。光パルスが、分布型ブラッグ反射鏡が形成されている領域に至った後、分布型ブラッグ反射鏡で反射されることなく、MLLDとして動作するDBRレーザの外部に出力される。
すなわち、MLLDとしてDBRレーザを利用した場合には、入力光信号を構成する光パルスがMLLDの共振器内で共振することがない。従って、MLLDとしてDBRレーザを利用した場合には、MLLDが上述の式(6)に規定される条件を満足しないで動作しても、共振効果は発現せず、入力光信号の偏光状態に依存することなく安定して光クロック信号を抽出することが可能である。
第1発明のMLLDの概略的構成図である。 第1発明のMLLDを利用した第1光クロック信号抽出装置の概略的構成図である。 第1発明のMLLDを利用した第2光クロック信号抽出装置の概略的構成図である。 入力光信号及び光クロック信号の時間波形を示す図である。 第1発明のMLLDによる光クロック信号抽出の動作原理の説明に供する図である。 利得領域の利得スペクトルを示す図である。 材料利得及び微分利得のキャリア密度依存性を示す図である。 波長デチューニングとモード間隔との比に対する時間ジッタの関係を示す図である。 受動モード同期の動作原理の説明に供する図である。 第2発明のMLLDの概略的構成図である。 第2発明のMLLDを利用した第1光クロック信号抽出装置の概略的構成図である。 第2発明のMLLDによる光クロック信号抽出の動作原理の説明に供する図である。 第1発明のMLLDを利用した第3光クロック信号抽出装置の概略的構成図である。 入力光信号の強度に対する光クロック信号の時間ジッタの関係を示す図である。
符号の説明
10、70：MLLD
12、72：n側共通電極
14、74：第1クラッド層
16、76：利得領域の光導波路
18、78：可飽和吸収領域の光導波路
20、80：第2クラッド層
22、82：可飽和吸収領域のp側電極
24、84：利得領域のp側電極
26、86：定電圧源
28、88：定電流源
30、96：利得領域
32、98：可飽和吸収領域
34、102、124：入力部
36：第1光アイソレータ
38：第1結合光学系
40：第2結合光学系
42：第2光アイソレータ
44、60：波長フィルタ
46、104、132：出力部
48、52、68：光伝送路
50：入出力部
54：結合光学系
58：光サーキュレータ
90：電源
92：受動導波路領域のp側電極
94：受動導波路領域
100：受動導波路領域の光導波路
126：第1偏光分離合成器
128：光減衰器
130：第2偏光分離合成器
132：光増幅器

Claims (15)

  1. 反転分布が形成される利得領域と、光強度を変調する機能を有する可飽和吸収領域とを含み、前記利得領域と前記可飽和吸収領域とが直列に配置されており、
    前記利得領域において、偏光面が該利得領域に内在する光導波路の幅方向に平行な方向である偏光に対する光学利得が、偏光面が該利得領域に内在する光導波路の厚み方向に平行な方向である偏光に対する光学利得より大きく、
    前記可飽和吸収領域において、偏光面が該可飽和吸収領域に内在する光導波路の幅方向に平行な方向である偏光に対する吸収飽和エネルギーよりも、偏光面が該可飽和吸収領域に内在する光導波路の厚み方向に平行な方向である偏光に対する吸収飽和エネルギーが小さい
    ことを特徴とする受動モード同期半導体レーザ。
  2. 実効屈折率が可変である受動導波路領域と、反転分布が形成される利得領域と、光強度を変調する機能を有する可飽和吸収領域とを含み、前記受動導波路領域と、前記利得領域と、前記可飽和吸収領域とが直列に配置されており、
    前記利得領域において、偏光面が該利得領域に内在する光導波路の幅方向に平行な方向である偏光に対する光学利得が、偏光面が該利得領域に内在する光導波路の厚み方向に平行な方向である偏光に対する光学利得より大きく、
    前記可飽和吸収領域において、偏光面が該可飽和吸収領域に内在する光導波路の幅方向に平行な方向である偏光に対する吸収飽和エネルギーよりも、偏光面が該可飽和吸収領域に内在する光導波路の厚み方向に平行な方向である偏光に対する吸収飽和エネルギーが小さい
    ことを特徴とする受動モード同期半導体レーザ。
  3. 前記利得領域に内在する光導波路がバルク結晶で形成されており、及び前記可飽和吸収領域に内在する光導波路が伸張歪を導入された量子井戸構造で形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の受動モード同期半導体レーザ。
  4. 前記利得領域及び前記可飽和吸収領域に内在する光導波路が伸張歪を導入された量子井戸構造で形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の受動モード同期半導体レーザ。
  5. 請求項1から4のいずれか一項に記載の受動モード同期半導体レーザと、
    入力光信号を入力する入力部と、
    該入力光信号から前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を出力する出力部と
    を具えることを特徴とする光クロック信号抽出装置。
  6. 前記入力部が、前記入力光信号が伝送する光伝送路に戻り光を入力させないための第1光アイソレータと、前記入力光信号を前記受動モード同期半導体レーザに出力する第1結合光学系とを具えることを特徴とする請求項5に記載の光クロック信号抽出装置。
  7. 前記出力部が、前記受動モード同期半導体レーザに戻り光を入力させないための第2光アイソレータと、前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された前記光クロック信号を光伝送路の入力端に出力する第2結合光学系とを具えることを特徴とする請求項5に記載の光クロック信号抽出装置。
  8. 前記出力部が、前記受動モード同期半導体レーザに戻り光を入力させないための第2光アイソレータと、前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された前記光クロック信号を伝送する光伝送路の入力端に出力する第2結合光学系と、前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された前記光クロック信号をフィルタリングする波長フィルタとを具えることを特徴とする請求項5に記載の光クロック信号抽出装置。
  9. 請求項1から4のいずれか一項に記載の受動モード同期半導体レーザと、
    入力光信号を入力し、かつ該入力光信号から前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された光クロック信号を出力する入出力部と
    を具えることを特徴とする光クロック信号抽出装置。
  10. 前記入出力部が、
    前記入力光信号を入力するための第1ポートと、前記入力光信号を出力しかつ前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された前記光クロック信号を入力する第2ポートと、該光クロック信号を出力する第3ポートを有する光サーキュレータと、
    前記第2ポートから出力される前記入力光信号を前記受動モード同期半導体レーザに出力し、かつ前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された前記光クロック信号を前記第2ポートに出力する結合光学系と
    を具えることを特徴とする請求項9に記載の光クロック信号抽出装置。
  11. 前記入出力部が、
    前記入力光信号を入力する第1ポートと、前記入力光信号を出力しかつ前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された前記光クロック信号を入力する第2ポートと、該光クロック信号を出力する第3ポートを有する光サーキュレータと、
    前記第2ポートから出力される前記入力光信号を前記受動モード同期半導体レーザに出力し、かつ前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された前記光クロック信号を前記第2ポートに出力する結合光学系と
    前記受動モード同期半導体レーザによって抽出された前記光クロック信号をフィルタリングする波長フィルタと
    を具えることを特徴とする請求項9に記載の光クロック信号抽出装置。
  12. 前記入力部が、
    入力光信号を第1入力光信号と第2入力光信号とに分離する第1偏光分離合成器と、
    前記第1入力光信号の強度を調整して第1調整入力光信号として出力する光減衰器と、
    該光減衰器から出力された前記第1調整入力光信号と前記第2入力光信号とを合波して調整入力光信号として出力する第2偏光分離合成器と、
    該第2偏光分離合成器から出力された前記調整入力光信号を前記受動モード同期半導体レーザに出力する第1結合光学系と
    を具えることを特徴とする請求項5に記載の光クロック信号抽出装置。
  13. 前記入力部が、
    入力光信号を第1入力光信号と第2入力光信号とに分離する第1偏光分離合成器と、
    前記第1入力光信号の強度を調整して第1調整入力光信号として出力する光減衰器と、
    該光減衰器から出力された前記第1調整入力光信号と前記第2入力光信号とを合波して調整入力光信号として出力する第2偏光分離合成器と、
    該第2偏光分離合成器から出力された調整入力光信号を入力し、かつ前記入力光信号が伝送する光伝送路に戻り光を入力させないための第1光アイソレータと、
    前記調整入力光信号を前記受動モード同期半導体レーザに出力する第1結合光学系と
    を具えることを特徴とする請求項5に記載の光クロック信号抽出装置。
  14. 前記入力部が、
    入力光信号を第1入力光信号と第2入力光信号とに分離する第1偏光分離合成器と、
    前記第2入力光信号の強度を増幅して第2調整入力光信号として出力する光増幅器と、
    該光増幅器から出力された前記第2調整入力光信号と前記第1入力光信号とを合波して調整入力光信号として出力する第2偏光分離合成器と、
    該第2偏光分離合成器から出力された前記調整入力光信号を入力し、かつ前記入力光信号が伝送する光伝送路に戻り光を入力させないための第1光アイソレータと、
    前記調整入力光信号を前記受動モード同期半導体レーザに出力する第1結合光学系と
    を具えることを特徴とする請求項5に記載の光クロック信号抽出装置。
  15. 請求項5から14のいずれか一項に記載の光クロック信号抽出装置によって光クロック信号を抽出する方法であって、
    抽出される該光クロック信号の発振縦モード波長のいずれもが、入力光信号の周波数スペクトルのピーク波長と不一致の状態で、前記受動モード同期半導体レーザを駆動することを特徴とする光クロック信号抽出方法。
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