JPH09512962A - ダイオードレーザにおいて極めてパルス幅の短いパルスを生成する光ｑスイッチング - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 半導体プローブレーザからの光パルスでもって半導体信号レーザをポンピングすることによって、極めてパルス幅の短い光パルスを生成するシステム。その信号レーザは、異なる直流の注入電流レベルでそれぞれ動作させるデュアルセグメント（２つの領域）を有している。プローブレーザは、振動する入力で変調される。そして、プローブレーザの光出力は、光学手段を介して信号レーザに結合され、それによって、その後Ｑスイッチでパルス尖頭光出力が生じる。その結果、６５ｐｓの範囲内の光パルスが発生する。

Description

【発明の詳細な説明】 ダイオードレーザにおいて極めてパルス幅の短いパルス を生成する光Ｑスイッチング技術分野 この発明は、半導体レーザに関し、特に半導体レーザが別の半導体レーザによ って光学的にＱスイッチングされることにより極めてパルス幅の短いパルス（超 短パルス）を生成するシステムに関する。背景技術 遠距離通信産業において、ビデオ、および高密度のコンピュータデータのよう なより大きな通信サービスを提供することができるようにするために、従来より 絶えず、伝送帯域を増大する要求がある。シングルモード光ファイバーは、広帯 域でのデータ伝送用の理想的な媒体であることは周知の通りであり、この特性を 生かすように特別に設計された伝送システムが開発されてきている。そのような システムには、波長分割多重（ＷＤＭ：ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｖｉｓｉｏ ｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）および時分割多重（ＴＤＭ：ｔｉｍｅ ｄｉｖ ｉｓｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）光ネットワークが含まれている。ゼロ 復帰（ＲＺ：ｒｅｔｕｒｎ ｔｏ ｚｅｒｏ）コーディングおよびパルス位置コ ーディング（ＰＰＣ：ｐｕｌｓｅ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｃｏｄｉｎｇ）の技術に おいて、データ列のパルス幅を短くすればするほど、タイムスロットがより短く なり、従ってＴＤＭシステムの全容量がより大きくなる。 さらに、光情報処理および光計算システムにおいて、時間軸におけるビット長 を短縮すれば、処理速度および計算速度を速めることができる。また、トリガー となる短いパルス信号を介して正確な処理が提供される。 この発明は、一半導体レーザの出力が別の半導体レーザのＱスイッチングに影 響することを利用して、超短パルスが光学的に生成されるようなシステムに関す る。加えて、そのシステムでは、それら２つのレーザの波長どうしの変換が可能 である。従来技術 ピークパワー出力を増大させたりパルス幅を減少させたりするために、半導体 レーザダイオードの出力でもって、固体レーザにＱスイッチで大きなパルス尖頭 光出力を生じさせることが公知である。 １９９３年３月９日付けの再発行（ｒｅｉｓｓｕｅ）に係る米国特許第３４１ ９２号（Ｔ．Ｍ．Ｂａｅｒ）では、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＮｄ：ＹＬＦのロッドを ポンピングするのを終わらせて５０ｎｓのオーダーのパルス幅を有する出力パル スを生じさせるために、レーザダイオードが使用されている。 １９９３年１１月２３日付けでＡｍａｎｏに対して特許された米国特許第５２ ６５１１５号では、レーザ共振器内の固体レーザ媒体をポンピングするのに、半 導体レーザが使用されている。その組合わせは、発振状態にかかわらず、レーザ ビームの出力強度をおおよそ一定に保つために使用されている。 １９９４年２月１日付けでＭｅｃｈｅｒｌｅに対して特許された米国特許第５ ２８３８０１号には、キャビティーダンピングやＱスイッチングを発生させるた めに、外部の共振リング空胴にレーザダイオードが使用されているシステムにつ いて開示されている。 １９９４年５月３１日付けでＢａｉｒｄらに対して特許された米国特許第５３ １７４４７号には、ダイオードでエネルギー供給された波長可変固体レーザにつ いて開示されており、その一例として、レーザダイオードの赤外光出力から可視 光もしくは近紫外光出力まで周波数変換を行う例が開示されている。 しかしながら、本出願人が知り得たいずれの上記従来技術も、特別に設計され 、超短出力パルスを生成するために、ダイオードプローブレーザによって光学的 にＱスイッチングされてなるこの発明に係るマルチセグメント・ダイオードレー ザを使用していない。ここで、マルチセグメントとは、光導波路が複数領域に分 割されている形態のことを意味する。発明の概要 この発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、ダイオードレーザが別のダイ オードレーザによって光学的にＱスイッチングされるシステムを提供することを 目的とする。 また、この発明は、特別に設計された信号レーザにプローブレーザから光を注 入することによって、６５ｐｓ（ＦＷＨＭ）のオーダーの短い幅の光パルスに圧 縮することをも目的とする。 さらに、この発明は、プローブレーザからの第２の波長の光でもって、第１の 波長の出力を有する信号レーザをポンピングすることによって、波長変換を行う ことをも目的とする。原理的には、その変換範囲は得られるスペクトルによって のみ制限されるが、実際には、その変換範囲は５〜５０ｎｍである。 第１の発明によれば、パルス幅の短い光パルスを光学的に生成するためのシス テムが提供される。そのシステムは、注入電流に反応して第１の波長のレーザ出 力を発生する多重量子井戸（ＭＱＷ）構造をなす活性領域を備えた第１の分布帰 還型（ＤＦＢ）半導体レーザ（信号レーザ）を有し、その第１のレーザは、ある 極性の共通電極とそれと反対の極性の互いに絶縁された対の電極を有している。 その対の絶縁されてなる電極のそれぞれに独立して注入電流を供給する手段が提 供される。また、この発明に係るシステムは、電極に供給された注入電流に反応 して第２の波長のレーザ出力を発生する活性領域を備えた第２の分布帰還型（Ｄ ＦＢ）レーザ（プローブレーザ）を有している。好ましくは、第２の波長は第１ の波長よりも長いとよい。適当な供給手段により、前記第２のレーザに変調され てなる入力電流が供給される。第２のレーザの活性領域から第１のレーザの活性 領域へ光を結合するために、好ましくはシングルモード光ファイバ、光アイソレ ータ、波長可変減衰器（チューナブルアッテネータ）、偏光制御手段（ポラリゼ ーションコントローラー）および光ファイバ結合器からなる光伝送手段が使用さ れる。 第２の発明によれば、信号レーザをプローブレーザからの光でもってＱスイッ チングすることによって、パルス幅の短い光パルス（例えば、６５ｐｓ）を生成 する方法が提供される。その方法によれば、多重量子井戸構造をなす活性領域を 有する分布帰還型の半導体信号レーザが、第１の波長の出力を生成するために、 そのデバイス上のある極性の対となる絶縁された電極に、独立して制御可能なバ イアス電流を供給されることによって、駆動される。第２の分布帰還型ダイオー ドレーザが、第２の波長の出力を生成するために、変調電流でもって駆動される 。好ましくは、第２の波長は第１の波長よりも長いとよい。第２のレーザの出力 は、Ｑスイッチング作用を起こすために、第１のレーザの空胴に光学的に結合さ れる。図面の簡単な説明 この発明は、添付の図面を参照して、より詳細に説明されるであろう。第１図 は、この発明に係るレーザシステムのブロック構成図であり、第２図は、信号レ ーザの断面斜視図であり、第３図は、プローブレーザからの光入力がある場合と ない場合の信号レーザの波長特性を示す特性図であり、第４図は、プローブレー ザの出力波形を示す波形図であり、第５図は、第４図に示す波形でもってエネル ギー供給された信号レーザの出力波形を示す波形図であり、第６図は、入力パワ ーに対する信号レーザの出力パワーの関係を示す特性図である。発明の詳細な説明 第１図には、この発明の好ましい実施の形態における種々の構成要素がブロッ クとして示されている。これらの構成要素には、信号レーザ２０およびプローブ レーザ２２が含まれている。信号レーザについてより理解するために、第２図に ついて説明する。好ましい実施例として、信号レーザ２０は、ＩｎＧａＡｓＰ／ ＩｎＰシステムで構成されており、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）により 形成されている。しかしながら、信号レーザおよびプローブレーザのいずれも、 他の半導体材料でできており、また他の成長技術により形成されていてもよいの は勿論である。例えば、III−Ｖ族の合金システムがＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡ ｓＰ／ＩｎＰとして定義され得る場合、量子井戸構造にＩｎＧａＡｓが含まれて いてもよい。 第２図に示されているように、信号レーザ２０は、多重量子井戸活性領域２４ を有している。その多重量子井戸活性領域２４は、厚さ５．５ｎｍで１．５％の 圧縮歪を有する４層のＩｎＧａＡｓＰ量子井戸層２６と、歪のない３層のＩｎＧ ａＡｓＰ（λｇ＝１．２５μｍ）バリア層２８とでできている。なお、上記構造 は一例に過ぎず、この発明が上記構造に限定されないのは言うまでもない。およ そ６５ｎｍの深さでつながる屈折率に対して、１次の回折格子３０がｐ型ＩｎＧ ａＡｓＰ層３２内に形成された。その回折格子３０は、フォトリソグラフィおよ びウェットエッチングにより形成された。その回折格子３０上にｐ型ＩｎＰ層が 成長され、さらにその上にｐ型のＩｎＧａＡｓコンタクト層が成長されている。 横方向の光閉込めのためにリッジ型光導波路構造３４が形成されている。 従来より周知のように、ｐ型電極を形成するために、ＳｉＯ₂およびＡｕ／Ｃ ｒが用いられている。ｎ型電極は、ＩｎＰ基板の裏面に形成されている。 リッジ型光導波路構造３４は、イオン反応エッチングにより形成された溝３６ により分割されており、それによって形成された、光導波路構造３４の一対の領 域３８、３９は、それぞれ絶縁されてなる電極４０、４２を有している。本実施 の形態では、光導波路構造３４の各領域３８、３９の長さは、それぞれ２４０μ ｍおよび１２０μｍである。リッジ型光導波路構造３４の幅は、わずか２μｍで ある。光導波路構造３４の一方の領域３８のファセット（端面）４３は、５％の 反射防止膜でコーティングされており、正面のファセットとして使用される。光 導波路構造３４の２つの領域３８、３９の間の抵抗値はおよそ８００Ωである。 上記抵抗値は、本実施の形態における値の一例であり、この発明がその値に限定 されないのはいうまでもなく、この発明では、例えば、２００Ω以上の抵抗値で あればよい。信号レーザ２０の波長は、第３図に示すように、およそ１５６３ｎ ｍであった。第３図では、波形Ａは、プローブレーザ２２からの光の注入がある 場合の波長ピークを示しており、一方、波形Ｂは、プローブレーザからの光の注 入がない場合の相対的なピークを示している。 プローブレーザ２２は、好ましくは、分布帰還型（ＤＦＢ）構造をなし、回折 格子３０を有しているが、導波路は分割されていないとよい。プローブレーザ２ ２の波長は、およそ１５８０ｎｍであった。 第１図に示すように、信号レーザ２０は、光導波路構造３４の一対の領域３８ 、３９の各電極４０、４２に、直流電流が電源４１、４３により独立して制御さ れて供給されるようになっている。プローブレーザ２２は、電源４５から直流の バイアス電流が供給されるとともに、交流コントローラ４４により変調成分が供 給されるようになっている。信号レーザ２０およびプローブレーザ２２のいずれ も、それぞれペルチェ素子４６、４８により温度制御されている。 プローブレーザ２２の出力は、シングルモード光ファイバ５０を通り、光アイ ソレータ５１、波長可変減衰器（チューナブルアッテネータ）５２、偏光制御手 段（ポラリゼーションコントロール）５４、および光ファイバ結合器５６を介し て、信号レーザ２０に結合される。光ファイバ結合器５６は、第１図に示すよう に、５％の割合の出力端子と９５％の割合の出力端子を有している。光ファイバ 結合器５６を通過した、信号レーザ２０の出力は、光アイソレータ５８へ伝送さ れ、そして波長可変フィルタ６０を通って、エルビウムドープファイバ増幅器（ ＥＤＦＡ）６１により増幅される。信号波形は、２２ＧＨｚのコンバータ／サン プリングヘッドを備えたサンプリングオシロスコープ６２により計測される。光 信号の波長は、光スペクトルアナライザー（ＯＳＡ）６４により監視される。 一例として、本実施の形態においては、プローブレーザ２２は、５０％のデュ ーティレシオで５００Ｍｂｉｔ／Ｓのレートで変調され、第４図に示す波形の光 信号を出力する。信号レーザ２０は、連続発振（ＣＷ）状態で動作し、分離され たｐ型電極に異なる注入電流レベルが供給される。 本実施の形態において開示された結果を得るためには、信号レーザ２０に対す る駆動状態は、光導波路構造３４の領域３８に対する電流レベルが４２ｍＡであ り、領域３９に対する電流レベルが２８ｍＡであった。動作温度は、２５．１５ ℃であった。先述したように、これらの値は一例であり、この発明を限定するも のではない。これらの条件において、信号レーザ２０の出力は、プローブレーザ ２２の５０％デューティレシオから、第５図に示す波形のように、狭いパルス（ 尖頭光パルス）に切り替わる。入力パルスの立下り時間が２００ｐｓであったの に対して、その尖頭光パルスの幅の測定値は６５ｐｓ（ＦＷＨＭ）である。その システムの主波長は、信号レーザ出力の１５６３ｎｍから、プローブレーザの波 長である１５８０ｎｍに切り替わった。 上述した結果は、以下のように説明される。信号レーザ２０がしきい値を超え るあるレベルにポンピングされると、空胴内で往復運動をする信号波に対する光 の利得と位相はいずれも、外部の光信号により制御され得る。信号レーザが、利 得のピークから大きく波長がずれるように設計されている場合、レーザ発振条件 を満たすために、より多くのキャリアのポンピングが行われなければならない。 他方、このことは、外部から注入されたプローブレーザ光を増幅することができ る。その理由は、プローブ光が最初の信号光とキャリア（光の利得）を共有する からである。プローブ光が存在することによって、全レーザ空胴のＱ値が急激に 減少され、そして光Ｑスイッチングが引き起こされ得る。パルス幅が狭いのは、 ２つの領域を有するＤＦＢ信号レーザ２０における、多重量子井戸（ＭＱＷ）レ ーザ構造および複数のブラッグモードに起因する。ＭＱＷ構造においては、その バルクと比べて、キャリアのライフタイム（寿命）は一般的に短く、キャリアは 主として井戸に局在している。従って、Ｑスイッチング過程中にレーザバイアス のレベルがしきい値に近づいても、鋭敏で幅の狭いパルス（尖頭光パルス）が観 察された。複数のブラッグモードは、プローブレーザ信号がオフになったときに 、デバイスが常に“オン”状態で動作しているため、他の縦モードの存在が利得 の増大によって動作速度を高速化するのと同じ効果を奏する。これらのモードは 、空胴内の新しい位相状態に依存して強くもなり、また弱くもなる。 この発明のシステムは、短パルスを生成することに対して、従来の技術を超え る幾つかの利点を有している。第１に、この発明のシステムは、完全に光学的な システムであるため、伝統的な電子交換網に固有な制限を回避することができる 。第２に、波長が可変である、すなわち出力波長が入力波長と異なる。さらに、 光学的なトリガ作用により、寄生振動により強いられていた変調速度における制 限が緩和される。電気エネルギーを光エネルギーに変換する素子が不要であるた め、本システムはよりコスト的に優れる。最後に、本システムにより、パルス圧 縮を行う簡素な技術が提供される。 以上、この発明の一実施の形態について図面を用いて説明したか、本システム は種々変更可能であることは、当業者であれば明らかであろう。しかしながら、 そのような変更が、特許請求の範囲により定義されるこの発明の範囲に含まれる のは当然のことである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マキノ，トシ カナダ国，ケイ２ジー ２エム７ オンタ リオ，ネピーン，カンター ブールバード 94 (72)発明者 ヒュイ，ロンキン カナダ国，ケイ１エヌ ７ゼット５ オン タリオ，オタワ，チャペル ストリート ＃８−350

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． パルス幅の短い光パルスを光学的に生成するためのシステムであって、 注入電流に反応して第１の波長のレーザ出力を発生する多重量子井戸構造をな す活性領域を有し、かつある極性の共通電極とそれと反対の極性の互いに絶縁さ れた対の電極を有する第１の分布帰還型半導体レーザと、 前記対の絶縁されてなる電極のそれぞれに独立して調整可能な注入電流を供給 する手段と、 前記第１の波長よりも長い第２の波長のレーザ出力を発生する活性領域を有す る第２の分布帰還型半導体レーザと、 前記第２のレーザに変調されてなる入力電流を供給する手段と、 第１のレーザが第２のレーザの変調されてなる出力でもってポンピングされる ように、前記第１のレーザの活性領域と前記第２のレーザの活性領域との間をつ なぐ光伝送手段と、 を具備することを特徴とするシステム。 ２． 第１および第２の半導体レーザは、III−Ｖ族の合金材料でできている ことを特徴とする請求の範囲第１項記載のシステム。 ３． そのIII−Ｖ族の合金材料は、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰであることを特 徴とする請求の範囲第２項記載のシステム。 ４． そのIII−Ｖ族の合金材料は、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ であることを特徴とする請求の範囲第２項記載のシステム。 ５． 第１の分布帰還型レーザは、横方向の光閉込めのためにリッジ型光導波 路を備えていることを特徴とする請求の範囲第３項記載のシステム。 ６． リッジ型光導波路は、電極を横切る溝を有しており、第１および第２の 分割された領域を形成していることを特徴とする請求の範囲第５項記載のシステ ム。 ７． 分割されてなる対となる領域間の電気抵抗は、２００Ωよりも大きいこ とを特徴とする請求の範囲第６項記載のシステム。 ８． その自由端面からレーザを出力する分割されてなる第１の領域は、第２ の領域よりも長いことを特徴とする請求の範囲第７項記載のシステム。 ９． 第１の波長と第２の波長との間の差異は、５〜５０ｎｍの範囲内である ことを特徴とする請求の範囲第８項記載のシステム。 １０． 第１および第２のレーザは、それぞれの温度を制御する手段を備えて いることを特徴とする請求の範囲第１項記載のシステム。 １１． 第１の領域の自由端面には、反射防止コーティングがなされているこ とを特徴とする請求の範囲第８項記載のシステム。 １２． 第１の分布帰還型レーザは、多重量子井戸とリッジ型光導波路との間 に、１次の回折格子を備えており、その１次の回折格子が複数のブラッグモード を提供することを特徴とする請求の範囲第５項記載のシステム。 １３． 多重量子井戸構造を有する分布帰還型のデュアルセグメント信号レー ザを分布帰還型のプローブレーザの光出力でもってＱスイッチングすることによ って、極めてパルス幅の短い光パルスを生成するにあたり、 第１の波長の出力を生成するために、前記デュアルセグメントのそれぞれに、 第１および第２の独立して制御可能な注入電流レベルを流して信号レーザを駆動 し、 第２の波長の光パルスを生成するために変調電流を流して分布帰還型プローブ レーザを駆動し、 信号レーザをＱスイッチングするために、プローブレーザから信号レーザへ光 パルスを結合する、 ことを特徴とする方法。 １４． 第２の波長は、第１の波長よりも長いことを特徴とする請求の範囲第 １３項記載の方法。 １５． 第２の波長と第１の波長との間の差異は、５〜５０ｎｍの範囲内であ ることを特徴とする請求の範囲第１４項記載の方法。 １６． プローブレーザからの光パルスは、信号レーザの空胴に結合されるこ とを特徴とする請求の範囲第１５項記載の方法。