JP4864862B2 - 自己発振レーザーダイオード - Google Patents

Description

本発明は、レーザーダイオードに関し、特に飽和吸収体のような非線形領域がないレーザーダイオードでのモードロック（mode locking）現象を外部ＲＦ注入による能動モードロック（active mode-locking）を活用して安定した超短パルスを円滑に起こす自己発振レーザーダイオードに関する。

光パルスは、光通信で３Ｒ（re-amplifying, re-shaping, re-timing）再生機のクロック再生、光通信での光源、光サンプリング用光源、ＲＦ通信での運搬子などいろいろな方面において活用されている。特に、半導体レーザーダイオードを用いて光パルスを形成する場合、素子の大きさ及び経済性などの点から多くの長所を有する。このような理由で、パルスレーザーダイオードについて多くの研究が進行されてきている。

レーザーダイオードがパルスを放出する物理的な原因は、Ｑスイッチング（Q-switching）、利得スイッチング（gain switching）、モードビーティング（mode beating）またはモードロック（mode locking）である。Ｑスイッチング（または利得スイッチング）の場合は、ＲＦ信号を利用するので、電子素子の速度とレーザーダイオードの反応速度による制限を受ける。一方、モードビーティングの場合は、一般的に多領域のＤＦＢ（distributed feedback）領域を有するレーザーダイオードで実現する。しかし、このようなＤＦＢ領域の形成には、非常に精密な工程が要求される。

モードロックの場合は、能動モードロック（active mode locking）と受動モードロック（passive mode locking）とに大きく区分され、能動モードロックは、外部のＲＦ信号で位相ロック（phase locking：モード間の位相差を固定させることを言う。）をさせ、受動モードロックは、飽和吸収体のような非線形領域を入れて位相ロックをさせるようになる。

しかし、能動モードロック及び受動モードロックは、可変周波数の幅が少ないため、製作上の困難がある。例えば、基準周波数が４０ＧＨｚである場合に、可変周波数の幅が１ＧＨｚ（２．５％）にも及ぼさない。したがって、素子の形成後、電流印加などを通じて基準周波数に合わせることが難しく、このため、素子を精密に製作しなければならない。

一方、ＤＦＢ領域、位相調節領域及び利得領域からなるレーザーダイオードは、複合共振モード（compound cavity mode）間に生じるモードビーティングを用いて光パルスを生成する。

さらに詳細に説明すれば、ＤＦＢ領域にしきい電流以上のを電流印加すれば、ＤＦＢ領域が単一モードのレーザーとして作用し、位相調節領域及び利得領域に光を放出する。放出された光は、位相調節領域と利得領域を通過して切断面（as-cleaved facet、利得領域終端の切断面）の反射によりさらにＤＦＢ領域へ戻るようになる。このような反射により、全体素子は、単一モードで作動せず、２つのモードで発振するようになり、このような２つのモード間のビーティングで光パルスが生成される。

２つのモード間のビーティングで光パルスを発生する場合に、ＤＦＢ領域にしきい電流以下の電流を印加して、単純にＤＦＢ領域を１つのリフレクター（reflector）として使用する場合、新しいパルス発生現象が現れる。

このようなパルス発生は、ＤＦＢ領域が単純にリフレクターとして作用するので、全体素子の構図が切断面反射及びＤＦＢリフレクターで共振器（resonator）を構成する単一共振（single cavity）のレーザーダイオードで行われる。

このような構造で可能なパルス放出の物理的原因は、Ｑスイッチングとモードロックであるが、素子の長さによる周波数変化を考慮すれば、一定の数の共振器モードが超短の形成に寄与する擬似受動モードロック（quasi passive mode locking）であると思われる。

これと関連して、ＤＢＲ（distributed brag reflector）レーザーダイオードでも、このような受動モードロック現象が観測された。報告によれば、正常的な導波路構造である場合、パルス生成が円滑でないが、導波路をほぼ正四角形にする場合、受動モードロックによりパルスが円滑に発生することを説明している。

現在、このような受動モードロックを起こす原因として、フォーウェーブミキシング（Four Wave Mixing：ＦＷＭ）のような非線形的なモード間の相互作用現象が注目されている。前述した正四角形断面を有する導波路構造も、単に導波路の光閉じ込め係数を大きくすることによって、このような非線形効果を増加させたものである。ここで、光閉じ込め係数は、導波路がどれくらい光をよく閉じ込めるかを示す係数である。

米国特許第６５４２５２２ Ｂ１号明細書 Proceeding of CLEO, Paper CtuV 5, 2005

しかしながら、ＤＢＲを利用したレーザーダイオードの場合には、正四角形に近い導波路を製作するのに大きい問題点がある。

本発明は、飽和吸収体がなく、ＤＦＢリフレクターを活用した受動モードロック特性を示す多領域ＤＦＢレーザーダイオードでの長所である非常に広い周波数チューニング特性を維持しながら、受動モードロックによる場合に発生する不安定的なパルス発生特性を共振器の固有周波数又は低調波（sub-harmonic）周波数に該当する外部ＲＦの注入で非常に安定した超短パルスを発生させる自己発振レーザーダイオードを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の実施例に係る自己発振レーザーダイオードは、リフレクター（reflector）としての役目をするＤＦＢ（distributed feedback）領域と、前記ＤＦＢ領域に連結され、終端に切断面（as-cleaved facet）が形成された利得領域（gain sector)と、前記ＤＦＢ領域と前記利得領域との間に位置する位相調節領域と、前記ＤＦＢ領域及び前記利得領域のうち少なくとも1つの領域に外部ＲＦ信号が注入されるようにする外部RF入力部と、を含むことを特徴とする。
また、前記レーザーを活用する場合、低調波（sub-harmonic）周波数に該当する外部ＲＦの注入による高次調和周波数に該当する高周波数搬送波を生成することができ、低価型の安定した超短パルスレーザー及びデータエンコーディングが可能であり、最近、その活用が増加するものと予想されるＲｏＦ（Radio over Fiber）用送受信用に直接活用が可能な具体的な応用領域を含むことを特徴とする。

この時、前記外部ＲＦ入力部は、インピーダンスマッチングされたモジュールで具現されることを特徴とする。

また、前記ＤＦＢ領域にしきい電流以下の電流が印加され、前記ＤＦＢ領域がリフレクターとなり、前記利得領域と共に単一共振器（single cavity）となることを特徴とする。

また、前記位相調節領域に印加される電流の量により前記レーザーダイオードの光パルス発生及び周波数が調節され、前記ＤＦＢ領域に印加される電流の量により前記光パルスの周波数が変化し、前記ＤＦＢの反射スペクトルの幅と全体共振器のモード間隔との比によりモード数及びパルス幅が決定されることを特徴とする。

本発明によれば、飽和吸収体のような領域が不必要なので、製作が簡便であり、飽和吸収体を使用した場合に比べて周波数可変領域が拡大され、簡単な単一共振構造で飽和吸収体を使用することに比べて考慮すべき変数が少ないという長所がある。

また、ＤＦＢの反射スペクトルの幅と全体共振のモード間隔との比によるモード数の決定を用いたパルス幅の調節が可能であり、外部ＲＦの注入による非常に広い周波数チューニングが可能であり、安定した超短パルスレーザーの開発が可能であるという長所がある。

また、飽和吸収体のない構造で外部光注入なしにＲＦ注入だけで非常に安定した超短パルスレーザーの開発が可能であり、Sub harmonic RF locking構造が可能であり、ＲＦパッケージングの際、基準周波数より低い周波数を活用して低価型の能動超短パルスレーザーの開発が可能であり、利得領域のＲＦ注入による超短パルスレーザーのデータコーディングが可能な構造で低価型ＲｏＦ（Radio over Fiber）光源として活用可能であるという長所がある。

以下、添付の図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施例に係る自己発振レーザーダイオードを概略的に示す断面図である。図１を参照すれば、自己発振レーザーダイオードは、リフレクターとして用いられるＤＦＢ領域１００、位相調節領域２００及び利得領域（gain sector）３００を含む。ＤＦＢ領域１００の左側終端には、無反射（anti-reflection）コーティング層１１０が形成された無反射領域ＡＲが設けられ、利得領域の右側終端には、切断面（as-cleaved facet：ＡＣ）が形成されている。また、全体素子にわたって導波路４００が形成されている。

本実施例では、ＤＦＢ領域にしきい電流以下の電流を印加して、ＤＦＢ領域を単純に１つのリフレクターとして使用する。すなわち、しきい電流以上の電流を印加すれば、レーザーが位相調節領域及び利得領域に発振するが、しきい電流以下の電流を印加すれば、モードが発生せず、利得領域で発振したモードに対するリフレクターの役目のみをするようになる。

ここで、ＤＦＢ領域での反射は、ＤＦＢ領域内に形成された格子１２０を介した確率的反射である。したがって、本実施例に係るレーザーダイオードは、切断面反射とＤＦＢ領域のリフレクターを用いて全体として共振器（cavity）を構成する。

一方、位相調節領域は、印加される電流の量を調節して、パルス発生を円滑にすると同時に、周波数調節を可能にする。

また、本発明の実施例では、各領域に既存の固定された電流注入と共に外部ＲＦ信号の注入が可能となるように、光モジュールの製作時、インピーダンスマッチングされたモジュールとしての外部ＲＦ入力部５００を構成することを特徴とする。一例として、５０Ωまたは２５Ωのマッチング回路を活用してモジュールを具現することができる。すなわち、このようなインピーダンスマッチングされたモジュールとしての外部ＲＦ入力部５００を介して、図１に示されたように、ＤＦＢ領域１００及び利得領域３００に各々外部ＲＦが注入される。

既存の飽和吸収体がない受動モードロック構造の場合、受動モードロック現象で発生する超短パルスレーザーの特性に起因して、非常に高いタイミングジッター（timing jitter）値を有するという短所があるので、飽和吸収体がない受動モードロック構造で発生するパルスの特性も非常に高いタイミングジッター値を有する。

これより、既存の場合には、これを克服するために主に外部光信号の注入による発振周波数のロックを通じて安定したパルスを生成し、外部光信号からクロック抽出用に活用している。

他方、本発明は、前述のような受動モードロック構造の短所を克服するために、外部ＲＦ信号の注入が可能となるように、光モジュールの製作時、インピーダンスマッチングされたモジュールとしての外部ＲＦ入力部５００を構成し、安定した超短パルスを発生させることを特徴とする。

図２は、本発明の一実施例に係る１０ＧＨｚ帯の光パルス発生のためのレーザーダイオードを示す断面図である。但し、外部ＲＦ入力部は、説明の便宜上表示していないが、図２に示された実施例の場合にも、外部ＲＦ入力部が備えられ、これにより、ＤＦＢ領域及び利得領域に各々外部ＲＦが注入される。

図２を参照すれば、素子の長さが長いため、利得領域３００に均一な電流を印加するために利得領域３００を２つの部分に分けた。各領域の長さは、ＤＦＢ領域１００が０．４ｍｍ（ｄ１）であり、位相調節領域２００が０．５ｍｍ（ｄ２）であり、分けられた２つの利得領域３１０、３２０が各々１ｍｍ（ｄ３）及び１．５ｍｍ（ｄ４）である。したがって、全体素子の長さは、３．４ｍｍである。一般的に、共振器の長さは、発振周波数と反比例関係を有しているので、主要指標としてすることができず、図２の場合、１０ＧＨｚ発生の好ましい実施例である。

したがって、他の実施例として適切な各領域の長さを維持したまま、全体素子の長さを調整する場合、前述した基準周波数の１０％チューニングを保証しながら、基準周波数を４０ＧＨｚ以上の高周波にすることができる。

図３は、図２のレーザーダイオードのＤＦＢ領域１００の電流（縦軸）及び利得領域３００に印加する電流（横軸）の量により発生する光パルスの周波数地図である。図３を参照すれば、左上部分は、ＤＦＢ領域１００にしきい電流以上の電流を印加した時に発生する複合共振器モードビーティング（compound cavity mode beating）によるパルス発生領域であり、右下部分は、本発明で説明しようとするパルス発生領域である。ＤＦＢ領域のしきい電流は、５５ｍＡであり、図面から分かるように、ＤＦＢにしきい電流以下の電流を印加する場合、非常に広い領域でパルスが発生することが分かる。

このような広い領域でのパルス発生は、可変周波数領域の拡大や工程収率の面から長所を有する。この素子の場合、この１１．２〜１２．８ＧＨｚ領域でパルスが発生し、基準周波数の１０％のチューニング（tuning）を保証する。このような数値は、飽和吸収体を一般的に使用する従来の受動モードロックの場合より２倍以上大きく、これは、工程時、長さに対する厳密な条件を緩和させる。

また、他の実施例において、ＤＦＢ領域が０．３ｍｍ、位相調節領域が０．４ｍｍ、利得領域が０．３ｍｍにして全体素子の長さを調整すれば、前述した基準周波数の１０％チューニングを保証しながら、基準周波数を４０ＧＨｚに調整可能であるという長所を得ることができ、従来の受動モードロックレーザーダイオードで飽和吸収体を除去し、これにより、低い出力の問題を克服することができるようになり、その結果、パルス特性の向上及び工程収率の点から大きい長所を有するようになる。

図４ａ及び図４ｂは、本発明のレーザーダイオードが広い領域でパルスを発生させることができる理由を説明するグラフである。飽和吸収体がない構造での受動モードロックは、モードとモード間のＦＷＭのような非線形的な相互作用による位相ロックとして理解している。このような観点から、光閉じ込め係数を上昇させて、非線形性を増加させる方法が提示された。しかし、このような導波路を形成することが容易ではないことは、前述した通りである。

これにより、本発明の実施例では、単純に一般的な導波路構造でＤＦＢ領域を単純なリフレクター（以下、「ＤＦＢリフレクター」という。）として使用する。このようなＤＦＢリフレクターは、ＤＢＲとは異なって、導波路に利得領域でと同じ活性層を使用するので、ＤＢＲと比較して発振モード間にさらに大きい非線形的相互作用を与える。

図４ａは、ＤＦＢの役目を実験的に示すグラフである。すなわち、製作された素子の無反射コーティング層ＡＲ側から出力される結果と、切断面ＡＣ側から測定した結果とを比較したグラフである。

図４ａを参照すれば、インテンシティー（intensity）測定装備であるオートコリレータートレース（autocorrelator trace）を用いてＡＲ側出力及びＡＣ側出力を測定した値を示す。グラフから分かるように、ＡＲ側出力がＡＣ側出力より大きい消光比（extinction ratio：ＥＲ）を示す。すなわち、ＡＲ側がＡＣ側に比べてほぼ２倍近く下降していることを示す。ＥＲは、インテンシティーの最高点から底領域までどれくらい下降するかを示す尺度であって、１０ ｌｏｇ（Ａ／Ｂ）で示す。ここで、Ａは、最高のインテンシティー値であり、Ｂは、底領域のインテンシティー値である。したがって、ＥＲ値は、どれくらい光がパルスの形態を取るかを示す尺度となる。

図４ｂは、２つの出力間の光スペクトル（optical spectrum）を比較したグラフである。図４ｂを参照すれば、ＡＲ側の長波長側モードのインテンシティーがＡＣ側に比較して非常に大きくなることが分かる。グラフに表示されたモードの場合、略４０ｄＢの差異（矢印部分）を示すことが分かる。このような差異は、単純にＤＦＢの反射スペクトル（reflection spectrum）では説明することができず、ＦＷＭなどの非線形的なモード間の相互作用により長波長側モードがＤＦＢを通過しながら増幅されたからである。ここで、重要な事実は、ＤＦＢリフレクターがこのような受動モードロックに大きな役目をするという事実である。

図５は、駆動電流による周波数変化と消光比の変化を示すグラフである。図５を参照すれば、ＤＦＢリフレクターを使用することによって、ＤＦＢに印加する電流によってパルスの周波数が可変であるだけでなく、位相調節領域に印加される電流によって周波数が変化することが分かる。

すなわち、ＤＦＢに印加する電流が低いほど、位相調節領域に印加される電流が高いほど、光パルスの周波数が増加する。このような理由により、前述したように、本発明のレーザーダイオードは、広い周波数可変領域を有する。そして、消光比も８ｄＢ以上の値を示し、円滑なパルス発生を説明する。一方、位相調節領域に印加する電流が１０ｍＡである場合、ＤＦＢに印加する電流の量を増加させることによって、消光比が増加する（黒い点）ことがわかる。したがって、しきい電流（５５ｍＡ）以下でＤＦＢに印加する電流の量を最大限高めることが有利である。

図６ａは、ＤＦＢリフレクターを利用した構造が４０ＧＨｚ以上でも動作するかを把握するために、ＤＦＢ領域１００の長さが０．３ｍｍ（ｄ１）であり、位相調節領域２００が０．５ｍｍ（ｄ２）であり、利得領域３００が０．３ｍｍ（ｄ３）であるレーザーダイオードを概略的に示す断面図である。但し、外部ＲＦ入力部は、説明の便宜上、表示していないが、図６ａに示された実施例の場合にも、外部ＲＦ入力部が備えられ、これにより、ＤＦＢ領域及び利得領域に各々外部ＲＦが注入される。

図６ｂ乃至図６ｄは、図６ａのレーザーダイオードに対するＡＲ側での光パルス測定結果を示すグラフである。図６ｂは、光スペクトル（optical spectrum）を示すグラフであり、パルスの波長によるインテンシティーを測定したグラフである。図６ｃは、ＲＦスペクトルとオートコリレーショントレースによるインテンシティーを測定したグラフである。

ここで、ＲＦスペクトルは、パルスの周波数によるインテンシティーで外郭の広い矩形部分に表示されていて、オートコリレーショントレースによるグラフは、内部の小さい矩形部分に表示されている。パルスの周波数によるインテンシティーグラフにおいて４０ＧＨｚ部分にピークを見ることができ、これは、４０ＧＨｚ付近の周波数で該当するパルスが発生したことを示す。

図６ｄは、ＤＦＢと利得領域に印加する電流によって変化するパルスの周波数地図である。このようなグラフの結果から、ＤＦＢリフレクターを使用する場合、４０ＧＨｚ以上でもパルスがよく発生することが分かる。したがって、従来、ＤＦＢによるモードビーティングを利用したレーザーダイオードに比べて高周波数の光パルスを円滑に生成させることができるという長所を有する。

一方、実験結果によれば、受動モードロックに関与するモードの数は、全体共振器（cavity）により決定されるモード間隔とＤＦＢの反射プロファイル（reflection profile）の幅により決定される。すなわち、全体共振器の長さによりモード間隔が定められ、このようなモードがＤＦＢ領域で反射されるので、ＤＦＢ反射スペクトル幅内にいくつかのモードが含まれるかによって、受動モードロックに関与するモード数が決定される。

したがって、ＤＦＢの反射スペクトルの幅に対するモード間隔の比により全体モードの数が決定される。このような結果に起因して、モードの間隔及びＤＦＢの反射スペクトルの幅を変化させることによって、モードの数を調節することができる。また、モード数の増加によってパルスの幅が狭くなるので、モード数の調節によりパルスの幅を調節することができる。ここで、ＤＢＦの反射スペクトルの幅は、内部の格子構造を変化させることによって調節することができる。

また、本発明の実施例では、自己発振レーザーダイオードから出力される自己発振レーザーの光クロック抽出など非常に安定した超短パルスレーザーを得るために、外部ＲＦが注入される方法を活用することを特徴とする。

すなわち、本発明は、図１に示された実施例から明らかなように、外部ＲＦ入力部を介して外部で生成されたＲＦが自己発振レーザーダイオードに入力され、これにより、非常に安定した超短パルスレーザーが出力されることを特徴とする。

図７は、４０ＧＨｚ級飽和吸収体がない自己発振パルスレーザーでの１０Ｇｂ／ｓのデータ信号による同期化過程を測定するための実験装置図である。図７を参照すれば、入力信号は、４ｐｓのパルス幅を有する光ファイバーレーザーを用いて外部変調器から１０Ｇｂ／ｓのビットパターンを発生し、このパターンは、入力パワーを適宜調節した後、光サーキュレーターを介して自己発振レーザーダイオード（Pulsating Laser Diode）のＤＦＢ領域に注入され、この時、出力された光信号は、入力信号の４倍である４０ＧＨｚの周波数でクロックが同期化される。

図８は、本発明の実施例に係る自己発振レーザーダイオードに入力される外部１０ＧＨｚ ＲＦ信号によって４０ＧＨｚ光超短パルス発生に関する高次周波数発生を示すグラフである。図８を参照すれば、本発明の実施例に係る自己発振レーザーダイオードに外部ＲＦの注入で非常に安定した高次周波数に該当する超短パルス生成結果を示す。すなわち、入力周波数１０ＧＨｚで４番目の高次周波数に該当する４０ＧＨｚ超短光パルス発生が可能であることを実験的に確認した結果を示す。

以上、非常に弱い外部摂動にも非常に安定した超短パルスを発生させることができるという動作特性を確認することができ、これを用いて飽和吸収体がない自己発振レーザーダイオードの各領域に利得及び位相変調のための外部ＲＦ注入構造を活用すれば、外部光注入を行うことなく、非常に安定し且つ活用度が高い超短パルスレーザーを開発することができるようになる。

以上において説明した本発明は、本発明が属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、様々な置換、変形及び変更が可能であるので、上述した実施例及び添付された図面に限定されるものではない。

本発明の実施例に係る自己発振レーザーダイオードを示す概略的な断面図である。 本発明の第１実施例に係る１０ＧＨｚ帯の光パルス発生のためのレーザーダイオードを示す概略的な断面図である。 図２のレーザーダイオードのＤＦＢ領域の電流及び利得領域に印加する電流の量により発生した光パルスの周波数地図である。 本発明のレーザーダイオードが広い領域でパルス発生が可能な理由を説明するグラフである。 本発明のレーザーダイオードが広い領域でパルス発生が可能な理由を説明するグラフである。 駆動電流による周波数変化と消光比の変化を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係る４０ＧＨｚ以上の光パルス発生のためのレーザーダイオードの概略的な断面図である。 図６ａのレーザーダイオードの光パルスに対するデータを測定したグラフである。 図６ａのレーザーダイオードの光パルスに対するデータを測定したグラフである。 図６ａのレーザーダイオードの光パルスに対するデータを測定したグラフである。 本発明の実施例に係る自己発振レーザーでの１０Ｇｂ／ｓのデータ信号による同期化過程を測定するための実験装置図である。 本発明の実施例に係る自己発振レーザーダイオードに入力される外部１０ＧＨｚＲＦ信号によって４０ＧＨｚ光超短パルス発生に関する高次周波数発生を示すグラフである。

符号の説明

１００ ＤＦＢ領域
２００ 位相調節領域
３００ 利得領域
４００ 導波路
５００ 外部ＲＦ入力部

Claims (5)

1. リフレクターとしての役目をするＤＦＢ領域と、
   前記ＤＦＢ領域に連結され、終端に切断面が形成された利得領域と、
   前記ＤＦＢ領域と前記利得領域との間に位置する位相調節領域と、
   前記ＤＦＢ領域及び前記利得領域のうちの少なくとも１つの領域に外部ＲＦ信号が注入されるようにする外部ＲＦ入力部と
   を含み、
   前記ＤＦＢ領域にしきい電流以下の電流が印加されて、前記ＤＦＢ領域がリフレクターとなり、前記利得領域と共に単一の共振器を構成し、
   前記外部ＲＦ信号は、前記共振器の固有周波数又は低調波周波数のいずれかに該当する信号であることを特徴とする自己発振レーザーダイオード。
2. 前記外部ＲＦ入力部は、インピーダンスマッチングされたモジュールで具現されることを特徴とする請求項１に記載の自己発振レーザーダイオード。
3. 前記位相調節領域に印加される電流の量により前記レーザーダイオードの光パルス発生及び周波数が調節されることを特徴とする請求項１に記載の自己発振レーザーダイオード。
4. 前記ＤＦＢ領域に印加される電流の量により前記光パルスの周波数が変化することを特徴とする請求項１に記載の自己発振レーザーダイオード。
5. 前記ＤＦＢの反射スペクトルの幅と全体共振器のモード間隔との比によりモード数及びパルス幅が決定されることを特徴とする請求項１に記載の自己発振レーザーダイオード。

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