JPH06291423A - モードロック半導体レーザ装置 - Google Patents

モードロック半導体レーザ装置

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JPH06291423A
JPH06291423A JP6035218A JP3521894A JPH06291423A JP H06291423 A JPH06291423 A JP H06291423A JP 6035218 A JP6035218 A JP 6035218A JP 3521894 A JP3521894 A JP 3521894A JP H06291423 A JPH06291423 A JP H06291423A
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laser
optical
bragg reflector
semiconductor diode
dbr
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JP6035218A
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Renen Adar
アダー リネン
Victor Mizrahi
ミズライ ビクター
Linn F Mollenauer
フレデリック モレノー リン
Paul A Morton
アドリアン モートン ポール
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AT&T Inc
Original Assignee
American Telephone and Telegraph Co Inc
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 パルスソースとして用いられた時に、適切な
波長と繰り返し速度でもって、変形が制限されるような
光パルスを提供する。 【構成】 分散型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ）１６０を
有する光導波路５０と、このＤＢＲ１６０は、光キャビ
ティ１７０が前記裏面４０とＤＢＲ１６０との間に規定
されるように、前記出力面２０から所定距離離間して配
置され、所定波長の光パルスが放射されるように、半導
体ダイオードレーザ１０をモードロックするよう所定の
変調周波数でもって、変調駆動電流をレーザ１０に供給
する手段１００と、からなり、前記ＤＢＲ１６０は、疑
似周期的で、光導波路５０に沿って線形に変化する局部
周期を有するよう形成され、前記レーザ１０は、変調周
波数にマッチしたキャビティ周波数を与える動作周波数
に適合することにより自己同調的であることを特徴とす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、モードロックレーザに
関し、特に、光通信に最適なモードロック半導体ダイオ
ードレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】長距離光ファイバ通信において、コンパ
クトで信頼性があり、適切な波長と繰り返し速度でもっ
て動作する変形制限光パルスのソースを有することが望
ましい。特に、ソリトン系の通信においては、１．５５
μｍの波長で、１５−６０ｐｓのパルス幅で、繰り返し
速度が２．５−１０ＧＨｚが好ましい。活性モードロッ
ク半導体ダイオードレーザは、このような目的のための
光パルスソースとして用いられるのに適している。しか
し、モードロック用の外部空気キャビティの従来の使用
方法においては、幾つかの問題点がある。このようなキ
ャビティは、バルクオプティクス波長制御用の回折グレ
ーティング、及びバンド幅制御のエタロンを必要とす
る。その結果、光学整合は複雑となり困難であり、従っ
て、光通信に一般的に使用されるのに十分なコンパクト
なキャビティを提供することは困難である。別法とし
て、モノリシックなモードロックレーザが提案されてい
る。このようなレーザは、例えば、P.A.Morton 他「Mon
olithic hybrid mode-locked 1.3μｍ semiconductor
lasers」（Appl.Phys.Lett.56(1990)111-113.）に開示
されている。しかし、このような素子の寸法が小さいた
めに、比較的高速度の繰り返し速度でのみ動作し、デー
タ伝送にとって好ましい最大速度以上のみで動作する。
さらに、このような素子は、その変形が制限されるよう
な（transform limited）比較的長いパルスを生成する
ために、十分なバンド幅の制御が欠けている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従って、本発明の目的
は、コンパクトで安定し、且つ信頼性があり、パルスソ
ースとして用いられた時に、適切な波長と繰り返し速度
でもって、変形が制限されるような光パルスを提供し、
ソリトン系通信用のパルス幅を提供できるような光パル
スソースを提供することである。このソリトン系信号伝
送は、L.F.Mollenauer,他「Demonstration of Error-Fr
ee Soliton Transmission at 2.5 Gigabits per Second
over more than 14000 km」（Elect.Lett.27,(1991)20
55.）に開示されている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明のモードロック半
導体レーザ装置は、（ａ） 裏面４０と、この裏面４０
に対向し電磁放射が行われる出力面２０とを有する半導
体ダイオードレーザ１０と、（ｂ） 前記半導体ダイオ
ードレーザ１０に隣接して配置され、前記出力面２０に
その根本部で光学的に結合され、分散型ブラグリフレク
タ１６０を有する光導波路５０と、この分散型ブラグリ
フレクタ１６０は、光キャビティ１７０が前記半導体ダ
イオードレーザ１０の裏面４０と分散型ブラグリフレク
タ１６０との間に規定されるように、前記出力面２０か
ら所定距離離間して配置され、（ｃ） 所定波長の光パ
ルスが放射されるように、レーザ１０をモードロックす
るよう所定の変調周波数でもって、変調駆動電流をレー
ザ１０に供給する手段１００と、からなり、（ｄ） 前
記分散型ブラグリフレクタ１６０は、疑似周期的で、光
ファイバ５０に沿って線形に変化する局部周期を有する
よう形成され、前記半導体ダイオードレーザ１０は、変
調周波数にマッチしたキャビティ周波数を与える動作周
波数に適合することにより自己同調的であることを特徴
とする。
【０００５】
【実施例】図１に本発明の一実施例による光パルスソー
スのブロック図が示されている。半導体ダイオードレー
ザ１０は、出力面２０を有し、この出力面２０は反射防
止コート３０が塗布されている。さらに、半導体ダイオ
ードレーザ１０は裏面４０を有し、この裏面４０は高反
射コート４５が塗布されている。あるいは、別法とし
て、第２の出力を提供するために、何にも塗布しておか
ない。導波路５０は根本端部６０で出力面２０に光学的
に結合されて、光パルスが導波路５０の先端部７０から
抽出される。このレーザ用のａｃ駆動電流が接点８０と
９０を介して、可変周波数マイクロ波ソース１００から
半導体ダイオードレーザ１０に供給されている。ｄｃバ
イアスがバイアスネットワーク１５０によりｄｃ電流源
１４０から供給される。
【０００６】分散型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ）１６０
が根本端部６０と先端部７０との間の導波路５０の一部
に形成されている。一般的に、この分散型ブラグリフレ
クタ（ＤＢＲ）１６０は、導波路５０の有効屈折率を変
化させるパターンを押印することにより形成される。裏
面４０と分散型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ）１６０の間
に光キャビティ１７０が形成されている。この分散型ブ
ラグリフレクタ（ＤＢＲ）１６０の空間的な分散特性
は、パルスソースの動作条件に依存する有効キャビティ
長となる。
【０００７】様々な半導体ダイオードレーザを本発明に
おいて用いることができるが、約１．５５μｍで動作す
るひずみ量子井戸レーザが好ましい。このレーザは当業
者には公知のもので、例えば、T.Tanbun-EK 他（Appl.P
hys.Lett.57,(1990)2184.）の論文に開示されている。
【０００８】光キャビティには、光パルスがその中を伝
播する周回時間が関連する。このような周回時間の逆数
は基本キャビティ周波数と称する。このレーザは基本周
波数キャビティの近傍の周波数で駆動電流を変調するこ
とにより、モードロックを能動的に行う。
【０００９】モードロックレーザの性能は変調周波数に
極めて敏感である。特に、パルス幅と時間バンド幅との
積は変調周波数が最適周波数から外れると急速に増加す
る。しかし、本発明の光パルスソースは意外なほど幅広
い範囲の変調周波数について有効である。例えば、実験
では６０ＭＨｚ（約３．８７５ＧＨｚの周波数を中心と
する）以上のバンド幅にわたって、０．５以下の時間バ
ンド幅の積とともに、約５５ｐｓのパルス幅を測定でき
た。この効果はブラグリフレクタの空間的分散特性に寄
与する。すなわち、このブラグリフレクタ内の有効反射
位置までの距離は波長に依存する。それはブラグ波長で
最小で、このブラグ波長以上及び以下の波長に対しても
増加する。従って、光キャビティの有効長は動作波長が
変わるにつれて変わる。変調周波数が変化すると、出力
スペクトルの中心波長もシフトし、同時に有効キャビテ
ィ長も変化する。有効キャビティ長のこのような変化に
よって、光パルスソースは共鳴が維持されるように、自
己整調する。例えば、実験装置の光パルスソースにおい
ては、４．１ＧＨｚ以上の変調周波数においては、中心
波長は１．５４７５μｍであった。ｄｃ動作において
も、この実験装置が示した波長も同一波長である。しか
し、変調周波数を４．１ＧＨｚ以下にすると、中心波長
は減少する。３００ＭＨｚの変調周波数の変化では、最
大波長シフトは１オングストロームであった。
【００１０】この実施例においては、導波路は光ファイ
バである。光キャビティの大部分、例えば、光キャビテ
ィの全光学長の約８０％以上は光ファイバ内に存在す
る。図２において、光ファイバ２００はレンズ付き端部
２１０を有し、このレンズ付き端部２１０を介して、光
ファイバ２００は半導体ダイオードレーザ１０に光学的
に結合されている。このレンズ付きの光ファイバは当業
者に公知で、例えば、米国特許第４４６９５５４号、ま
たは第４９３２９８９号に開示されている。このレンズ
部は別個の光ファイバの根本に形成しても良く、そし
て、この部分は溶融スプライス２２０により先端の光フ
ァイバの部分に容易に固着できる。しかし、光キャビテ
ィ内にスプライスを形成しないほうが良い。その理由
は、このようなスプライスは光学損失をもたらし、光キ
ャビティ長を正確に決定するのが困難となるからであ
る。光キャビティの長さはグレティグの位置により主に
決定される。このために１ｍｍの精度でもって、グレテ
ィグを配置するのが良く、より好ましくは１ｍｍの十分
の一程度の精度でもって配置するのが良い。このような
精度は当業者にとっては容易に達成できる。
【００１１】また、ある場合においては、光アイソレー
タ２３０は反射面からの電磁波がレーザ内に入るのを阻
止するために、分散型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ）２４
０の先端部に光アイソレータ２３０を組み込むのが良
い。
【００１２】分散型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ）２４０
は光誘引効果（photoinduced effect）により形成する
のが良い。すなわち、シリカ系ガラスの屈折率を変える
には紫外線のような電磁波にあてることにより行うこと
ができる。例えば、この屈折率の変動はゲルマニュウム
をドープしたコアを有するシリカ系光ファイバにエキシ
マポンプの周波数二重化可調色素レーザからの波長２４
２ｎｍ放射に曝すことにより容易に形成できる。このよ
うな市販の光ファイバ（ＡＣＣＵＴＥＴＨＥＲ２２０の
商標のもとでＡＴ＆Ｔ社により製造されている）は、光
学干渉系装置においては、有効波長の放射の一連の干渉
フリンジはＤＢＲに適切な周期性でもって容易に生成で
きる。このＤＢＲは光ファイバを干渉パターンに曝すこ
とにより形成される。このような技術は米国特許第４７
２５１１０号に開示されている。ＤＢＲを用いる外部キ
ャビティレーザは、モードロックではないが、D.M.Bird
他「Narrow Line Semiconductor Laser Using Fibre Gr
ating」（Electr.Lett.27(1991)1115-1116.）に開示さ
れている。
【００１３】実験例１ 光ファイバキャビティを有する光パルスソースが上記の
方法により形成された。ゲルマニュウムをドープしたコ
アとレンズ付きの先端を有するシングルモードの光ファ
イバを用いた。キャビティ長は約４０ｍｍである。この
ＤＢＲは上記したように、光誘引（photoinduce）を利
用して形成された。このブラグ波長は、１．５３２８μ
ｍである。ＤＢＲの測定反射率は６３％のピーク値と
２．０オングストロームの半値全幅（ＦＷＨＭ）であ
る。ＤＢＲの物理的な長さ（ＦＷＨＭ）は５ｍｍであ
る。
【００１４】活性モードロックが、最適変調周波数２．
３７ＧＨｚとバイアスレベル３６ｍＡで達成された。ａ
ｃ駆動電流は、１Ｗ以下のパワーレベルで、ハイパワー
なシヌソイドマイクロ波ソースからステップリカバーダ
イオードに信号を送り、反転短パルス波形を形成する。
このダイオード出力は、インバータを介して、正パルス
を生成して、このインバータからの出力がレーザに入力
された。
【００１６】モードロックパルスは半値全幅が、１８．
５ｐｓで、光学バンド幅が１．３オングストローム（す
なわち、１６．７ＧＨｚ）で、時間バンド幅の積が０．
３１で、セックスクウェア（sech-squared）のパルス波
形に対する変形制限を有するものが得られた。このレー
ザのしきい値電流は、１１ｍＡで、光パワー出力のピー
ク値は４９ｍＷである。
【００１７】本発明の光パルスソースは、自己整調（se
lf-tuning）動作を示す。すなわち、基本キャビティ周
波数は、キャビティの有効光学長に反比例する。そし
て、この有効光学長は動作波長に依存する。ＤＢＲが一
定周期の（すなわち、ＤＢＲがチャープされていない）
場合は、有効光学長はＤＢＲの設計波長よりも若干長い
か短いかの波長である。この自己整調（self-tuning）
動作が観測されるのは、変調周波数が設計波長に対応す
る基本キャビティ周波数より若干低い時である。従っ
て、このキャビティの有効光学長は増加すると、基本キ
ャビティ周波数は変調周波数とほぼ同じ値になるよう減
少してモードロックが維持される。
【００１８】しかし、自己整調素子は２つの可能な動作
周波数の選択であるので、光学出力スペクトルは不安定
となる。例えば、ある場合にはトウィンローブオプティ
カルスペクトル（twin-lobed optical spectrum）が見
られた。
【００１９】これらの不安定性は、設計波長以上または
以下である波長に対し対称性でもって動作しないような
ＤＢＲを用いることにより回避できる。例えば、線形に
チャープしたＤＢＲを用いて、１個の動作波長のみが所
定の変調周波数に応答するよう確保できる。このチャー
プしたＤＢＲにおいては、このブラグ条件は、グレーテ
ィグの短い部分においてのみ満足できる。この部分の軸
方向の位置は動作波長に依存する。大まかに言って、各
可能な動作波長は、この軸方向位置の唯一の場所に配置
されるセグメントから反射される。これらの位置の各々
は、基本キャビティ周波数の唯一の値に対応する。ある
変調周波数においては、変調周波数に適合する基本キャ
ビティ周波数を与える動作周波数を採用することにより
自己整調型となる。
【００２０】長いチャープしたリフレクタを用いること
により、モードロック動作を維持しながら、変調周波数
における比較的大きな変動を吸収できる。これはモード
ロックレーザシステムにおいては意外なことである。例
えば、２．１−２．８ＧＨｚの周波数範囲にわたって、
上記したのと同様な素子をモードロックすることができ
る。この７００ＭＨｚの範囲にわたって、この素子の中
心周波数は３オングストローム変化するだけである。
【００２１】この点に関し、チャープしたグレーティン
グは、モードロックレーザの動作を安定化させるだけで
なく、連続的に動作する（ｃｗ）ダイオードレーザも安
定化させる。すなわち、レーザキャビティは近接したフ
ァブリペロ共鳴モードの多重性をサポートできる。理想
的には、これらのモードの１つのみが、最大ゲインを経
験し、ｃｗレーザから放射された光がもっぱらこのモー
ドに対応する。しかし、かなりの放射が１モード以上で
発生する。いわゆる、モードビートノイス（mode-beati
ng noise）は、光出力パワーを変動させるので好ましく
ない。意外なことに、半導体ダイオードレーザ１０の連
続動作のある場合においては、ＤＢＲのチャーピングは
モードビーティングノイズを検知限界以下にする。
【００２２】図３は、一定周期を有するＤＢＲを有する
レーザシステムからの連続光放射のノイズパワースペク
トルを表す。複数の均一に離間したＤＢＲ周波数のピー
クがあらわれている。ほぼ線形のチャープを有するＤＢ
Ｒを取り除くと、これらのピークは完全に消滅する。こ
のチャープしたＤＢＲの局部ブラグ波長はダイオードレ
ーザの根本部で最大となり、先端部で最小となるように
形成されている（ある場合においては、反対の方向付け
も可能である）。ＤＢＲの強さ（すなわち、疑似周期的
屈折率変動の大きさ）は端部で最も小さく、中央部で最
も大きく、ほぼガウス分布をしている。このＤＢＲの有
効長は、図４に示すように光周波数の関数である。この
図において、カーブＡはチャープしたＤＢＲを表し、カ
ーブＢは一定周期のＤＢＲを表す。図４の光周波数は、
仮説的ＤＢＲの最大屈折率の波長と称され、その背景の
屈折率は、その変動には影響されない（実際のＤＢＲに
おいては、これらの変動の空間的平均は、有効背景屈折
率に影響を及ぼす。そして、この背景の影響は、ガウス
分布を示し、ＤＢＲの全チャープのほぼ二次的成分を付
加する）。
【００２３】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の光学パルス
生成装置は、ＤＢＲ１６０を導波路５０内に形成するこ
とにより、適切な波長と繰り返し速度でもって、変形が
制限されるような光パルスを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による光ソースのブロック図
である。
【図２】光キャビティが光ファイバ内に形成されて、Ｄ
ＢＲが形成された状態を示す本発明の光ソースのブロッ
ク図である。
【図３】半導体ダイオードレーザとＤＢＲにより終端さ
れる外部光キャビティとを有する従来のｃｗレーザシス
テムの周波数とモードビートノイズを表すスペクトルピ
ークがスペクトル中に存在する状態をあらわす図であ
る。
【図４】２個のＤＢＲについて、２個のＤＢＲの有効長
と光周波数との関係を表す図で、カーブＡはほぼ線形の
チャープを有するＤＢＲを表し、カーブＢは一定周期の
ＤＢＲを表す。
【符号の説明】
１０ 半導体ダイオードレーザ ２０ 切薊出力面 ３０ 反射防止コート ４０ 切薊裏面 ４５ 高反射コート ５０ 導波路 ６０ 根本端部 ７０ 先端部 ８０、９０ 接点 １００ 可変周波数マイクロ波ソース １４０ ｄｃ電流源 １５０ バイアスネットワーク １６０ 分散型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ） １７０ 光キャビティ ２００ 光ファイバ ２１０ レンズ付き端部 ２２０ 溶融スプライス ２３０ 光アイソレータ ２４０ 分散型ブラグリフレクタ（ＤＢＲ）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リネン アダー アメリカ合衆国、07090 ニュージャージ ー、ウエストフィールド、グローブ スト リート 119 (72)発明者 ビクター ミズライ アメリカ合衆国、07920 ニュージャージ ー、バスキング リッジ、イングリッシュ プレイス 237 (72)発明者 リン フレデリック モレノー アメリカ合衆国、07722 ニュージャージ ー、コウルツ ネック、キャリッジ ヒル ドライブ 11 (72)発明者 ポール アドリアン モートン アメリカ合衆国、07922 ニュージャージ ー、バークレー ハイツ、ドッグウッド レイン 122

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 （ａ） 裏面（４０）と、この裏面（４
    ０）に対向し電磁放射が行われる出力面（２０）とを有
    する半導体ダイオードレーザ（１０）と、 （ｂ） 前記半導体ダイオードレーザ（１０）に隣接し
    て配置され、前記出力面（２０）にその根本部で光学的
    に結合され、分散型ブラグリフレクタ（１６０）を有す
    る光導波路（５０）と、 この分散型ブラグリフレクタ（１６０）は、光キャビテ
    ィ（１７０）が前記半導体ダイオードレーザ（１０）の
    裏面（４０）と分散型ブラグリフレクタ（１６０）との
    間に規定されるように配置され、 （ｃ） 所定波長の光パルスが放射されるように、レー
    ザ（１０）をモードロックするよう所定の変調周波数で
    もって、変調駆動電流をレーザ（１０）に供給する手段
    （１００）と、 からなり、 （ｄ） 前記分散型ブラグリフレクタ（１６０）は、疑
    似周期的で、導波路（５０）に沿って線形に変化する局
    部周期を有するよう形成され、 前記半導体ダイオードレーザ（１０）は、変調周波数に
    マッチしたキャビティ周波数を与える動作周波数に適合
    することにより自己同調的であることを特徴とするモー
    ドロック半導体レーザ装置。
  2. 【請求項２】 （ａ） 裏面（４０）と、この裏面（４
    ０）に対向し電磁放射が行われる出力面（２０）とを有
    する半導体ダイオードレーザ（１０）と、 （ｂ） 前記半導体ダイオードレーザ（１０）に隣接し
    て配置され、前記出力面（２０）にその根本部で光学的
    に結合され、分散型ブラグリフレクタ（１６０）を有す
    る光導波路（５０）と、 この分散型ブラグリフレクタ（１６０）は、光キャビテ
    ィ（１７０）が前記半導体ダイオードレーザ（１０）の
    裏面（４０）と分散型ブラグリフレクタ（１６０）との
    間に規定されるように、前記出力面（２０）から所定距
    離離間して配置され、 （ｃ） 連続光出力を生成するように、駆動電流をレー
    ザ（１０）に供給する手段（１００）と、 からなり、 （ｄ） 前記分散型ブラグリフレクタ（１６０）は、疑
    似周期的で、光ファイバ（５０）に沿って単調に変化す
    る局部周期を有するよう形成されことを特徴とするモー
    ドロック半導体レーザ装置。
  3. 【請求項３】 前記局部的周期は、光ファイバに沿って
    ほぼ直線的に変化することを特徴とする請求項２の装
    置。
  4. 【請求項４】 前記局部的周期は、レーザの連続動作が
    光キャビティのモードの１つに固定されるように変化す
    ることを特徴とする請求項２の装置。
  5. 【請求項５】 前記局部周期は、モードビートノイズが
    レーザの連続動作の間レーザの光出力からほぼ除去され
    るよう、変化することを特徴とする請求項２の装置。
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