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JPH10135565A - Mode-locked semiconductor laser and method of changing repetition rate frequency - Google Patents

Mode-locked semiconductor laser and method of changing repetition rate frequency

Info

Publication number
JPH10135565A
JPH10135565A JP28999296A JP28999296A JPH10135565A JP H10135565 A JPH10135565 A JP H10135565A JP 28999296 A JP28999296 A JP 28999296A JP 28999296 A JP28999296 A JP 28999296A JP H10135565 A JPH10135565 A JP H10135565A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
mode
passive waveguide
reverse bias
refractive index
bias voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
JP28999296A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shin Arataira
慎 荒平
Satoko Kutsuzawa
聡子 沓沢
Hiroshi Ogawa
洋 小川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oki Electric Industry Co Ltd
Original Assignee
Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Oki Electric Industry Co Ltd filed Critical Oki Electric Industry Co Ltd
Priority to JP28999296A priority Critical patent/JPH10135565A/en
Publication of JPH10135565A publication Critical patent/JPH10135565A/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to change the repetition rate of a pulse train easily by providing a passive wave guide region with a double heterostructure which changes its equivalent refractive index according to the applied reverse bias voltage and thereby changes the repetition rate of mode-locked light. SOLUTION: In a passive wave guide region 26, an n-InP clad layer 10, a passive wave guide (i-InGaAsP layer) 12, and a p-InP clad layer 16 constitute a double heterostructure. When reverse bias voltage is applied to the double hetero-structure, a refractive index of the i-InGaAsP layer changes due to the Pockels effect and, as a result, an equivalent refractive index of the passive wave guide region 26 changes. The equivalent refractive index of the passive wave guide 26 increases with the increase of applied voltage and therefore a cycle frequency can be changed continuously. By this method, the repetition rate can be easily controlled just by changing the magnitude of the reverse bias voltage.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、光計測や光通信
用の光源として用いられ、超短光パルス列を発生するモ
ード同期半導体レーザに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a mode-locked semiconductor laser which is used as a light source for optical measurement and optical communication and generates an ultrashort optical pulse train.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、超短光パルス列を発生させるレー
ザ発振方法のひとつとして、モード同期法がある。モー
ド同期法は、縦多モード発振している各レーザ光の位相
を同期させることにより光パルス列を得る方法である。
各縦モード発振しているレーザ光の位相を同期させてモ
ード同期を行わせしめるには、共振器内を伝播する光の
利得あるいは損失を、縦モード間隔と一致した周波数
(以下、周回周波数と称する。)またはこの整数倍の周
波数で変調する必要がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is a mode locking method as one of laser oscillation methods for generating an ultrashort optical pulse train. The mode-locking method is a method of obtaining an optical pulse train by synchronizing the phases of laser beams that oscillate in multiple longitudinal modes.
In order to perform mode locking by synchronizing the phase of the laser light oscillating in each longitudinal mode, the gain or loss of the light propagating in the resonator is determined by a frequency (hereinafter, referred to as a circulating frequency) that matches the longitudinal mode interval. .) Or at an integral multiple of this frequency.

【0003】モード同期法を大別した場合、能動モード
同期法と受動モード同期法とに分類される。能動モード
同期法は、レーザ共振器内を伝播する光の利得あるいは
損失を、周回周波数またはこの整数倍の周波数で外部か
ら変調する方法である。従来、この能動モード同期法を
用いた半導体レーザとして、文献1「IEEE Photon.Tech
nol.Lett.4,215(1992)」に開示されている例がある。
[0003] The mode locking method is roughly classified into an active mode locking method and a passive mode locking method. The active mode locking method is a method of externally modulating the gain or loss of light propagating in a laser resonator at a circulating frequency or a frequency that is an integral multiple of this. Conventionally, as a semiconductor laser using this active mode-locking method, reference 1 [IEEE Photon.Tech.
nol. Lett. 4, 215 (1992) ".

【0004】また、受動モード同期法は、共振器内に可
飽和吸収体を挿入することにより外部からの変調を必要
とせずに周回周波数と一致した周波数の光パルス列を発
生させる方法である。可飽和吸収体は、強度の強い光に
対しては透明体であり、強度の弱い光に対しては吸収体
として働くという性質を具えており、共振器内の伝播損
失が自発的に変調を受けることになり、モード同期を生
じさせる。この受動モード同期法の場合、発生するモー
ド同期光の光パルス幅が小さく、変換リミットの光パル
スが得られ易いといった利点を有している。例えば、文
献2「IEEE Photon.Technol.Lett.5,1362(1993) 」に開
示されている受動モード同期法を用いた半導体レーザの
場合には、繰返し周波数が40.8GHz、パルス幅
3.5psの変換リミットパルスを得ている。
The passive mode-locking method is a method in which a saturable absorber is inserted into a resonator to generate an optical pulse train having a frequency coincident with the circulating frequency without requiring external modulation. The saturable absorber has the property of being transparent for high-intensity light and acting as an absorber for low-intensity light, and the propagation loss in the resonator modulates spontaneously. And cause mode synchronization. This passive mode-locking method has the advantage that the generated mode-locked light has a small optical pulse width and an optical pulse of the conversion limit is easily obtained. For example, in the case of a semiconductor laser using the passive mode-locking method disclosed in Reference 2, "IEEE Photon.Technol. Lett. 5,1362 (1993)", the repetition frequency is 40.8 GHz and the pulse width is 3.5 ps. The conversion limit pulse has been obtained.

【0005】以上説明したように、モード同期法によっ
て、数ピコ秒オーダーのパルス幅の光パルスを得ること
が可能である。
As described above, an optical pulse having a pulse width on the order of several picoseconds can be obtained by the mode locking method.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、モード
同期レーザの場合、発生する光パルス列(以下、モード
同期光または出射光と称する場合がある。)の繰返し周
波数は周回周波数によって決められてしまい、この繰返
し周波数を変えるには共振器の長さを変える必要があっ
た。このため、従来、モード同期半導体レーザの出射光
の繰返し周波数を変化させるには、外部共振器を設けた
構成(例えば、文献3「abstracts of FST'95,p.51,199
5 」に開示されている。)にしなくてはならず、この外
部共振器の長さ(共振器長)を変える度に光軸の調整を
行わなければならないので、非常に手間がかかってい
た。
However, in the case of a mode-locked laser, the repetition frequency of the generated optical pulse train (hereinafter sometimes referred to as mode-locked light or emitted light) is determined by the circulating frequency. Changing the repetition frequency required changing the length of the resonator. For this reason, conventionally, in order to change the repetition frequency of the light emitted from the mode-locked semiconductor laser, a configuration provided with an external resonator (for example, see Reference 3, “abstracts of FST'95, p. 51, 199”).
5 ". ), And the optical axis must be adjusted each time the length of the external resonator (resonator length) is changed, which is very troublesome.

【0007】従って、従来より、発生する光パルス列の
繰返し周波数を容易に変えることができるモード同期半
導体レーザ及び繰返し周波数の可変方法の出現が望まれ
ていた。
Therefore, there has been a demand for a mode-locked semiconductor laser capable of easily changing the repetition frequency of a generated optical pulse train and a method of changing the repetition frequency.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】この発明のモード同期半
導体レーザによれば、単一の半導体基板内で利得領域お
よび受動導波路領域を集積化した構造を具えており、モ
ード同期光を発生するモード同期半導体レーザにおい
て、前記受動導波路領域に、逆バイアス電圧に応じて等
価屈折率が変化することにより前記モード同期光の繰返
し周波数が変化する、ダブルヘテロ構造を具えることを
特徴とする。
A mode-locked semiconductor laser according to the present invention has a structure in which a gain region and a passive waveguide region are integrated in a single semiconductor substrate, and generates mode-locked light. In the mode-locked semiconductor laser, the passive waveguide region has a double hetero structure in which a repetition frequency of the mode-locked light changes by changing an equivalent refractive index according to a reverse bias voltage.

【0009】このように、印加された逆バイアス電圧に
応じて等価屈折率が変化する受動導波路領域を共振器の
一部として設けることにより、この逆バイアス電圧にし
たがい共振器の実効的な長さ(光学距離)を変化させる
ことができ、従って、発生するモード同期光の繰返し周
波数を容易に変化させることができる。ここで、等価屈
折率とは、光導波路内を伝搬する光の伝搬定数と波数の
関係を規格化して表した数値のことである(規格化伝搬
定数ともいう。)。ここでは、受動導波路領域中を伝播
する光の群速度を決める量であり、受動導波路領域を構
成するコアおよびクラッド層の両材料の屈折率と導波路
構造によって決まる量である。
As described above, by providing a passive waveguide region in which the equivalent refractive index changes in accordance with the applied reverse bias voltage as a part of the resonator, the effective length of the resonator according to the reverse bias voltage is provided. (Optical distance), and thus the repetition frequency of the generated mode-locked light can be easily changed. Here, the equivalent refractive index is a numerical value obtained by standardizing and expressing the relationship between the propagation constant and the wave number of light propagating in the optical waveguide (also referred to as a normalized propagation constant). Here, it is an amount that determines the group velocity of light propagating in the passive waveguide region, and is an amount that is determined by the refractive indices of both materials of the core and the cladding layer constituting the passive waveguide region and the waveguide structure.

【0010】また、この発明の繰返し周波数の可変方法
によれば、単一の半導体基板内で利得領域および受動導
波路領域を集積化した構造を具えており、モード同期光
を発生するモード同期半導体レーザのこのモード同期光
の繰返し周波数を変化させるに当たり、前記受動導波路
領域に逆バイアス電圧を印加し該受動導波路領域の等価
屈折率を変化させることにより前記モード同期光の繰返
し周波数を変化させることを特徴とする。
Further, according to the method of varying the repetition frequency of the present invention, a mode-locked semiconductor which has a structure in which a gain region and a passive waveguide region are integrated in a single semiconductor substrate and generates mode-locked light is provided. In changing the repetition frequency of the mode-locked light of the laser, the repetition frequency of the mode-locked light is changed by applying a reverse bias voltage to the passive waveguide region and changing the equivalent refractive index of the passive waveguide region. It is characterized by the following.

【0011】このように、共振器を構成する受動導波路
領域に逆バイアス電圧を印加することにより、この受動
導波路領域の等価屈折率が変化し、よって共振器の長さ
が実効的に変化し、発生するモード同期光の繰返し周波
数を容易に変化させることができる。
As described above, by applying a reverse bias voltage to the passive waveguide region forming the resonator, the equivalent refractive index of the passive waveguide region changes, and thus the length of the resonator changes effectively. However, the repetition frequency of the generated mode-locked light can be easily changed.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
き図を参照して説明する。尚、図は、この発明の大き
さ、形状および配置関係が理解できる程度に概略的であ
り、また、以下に記載される数値条件等は単なる一例で
あり、従ってこの発明は、この実施の形態に何ら限定さ
れることはない。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. It should be noted that the drawings are schematic to the extent that the size, shape, and arrangement of the present invention can be understood, and the numerical conditions and the like described below are merely examples. It is not limited in any way.

【0013】図1は、実施の形態の構造を示す断面図で
ある。この構成例は受動モード同期半導体レーザの例で
あり、利得領域および受動導波路領域に加えて可飽和吸
収領域を単一の半導体基板内で集積化したものである。
この構成例は、n−InPクラッド層10を半導体基板
として設けており、このn−InPクラッド層10の上
側に、受動導波路12および活性導波路14を光の導波
方向(図の矢印aで示される方向。)に沿って設けてい
る。これら受動導波路12および活性導波路14の上側
にはp−InPクラッド層16が設けられ、受動導波路
12および活性導波路14の両側方には図には示されて
いないブロック層が設けられている。そして、受動導波
路12および活性導波路14は、このブロック層と、n
−InPクラッド層10と、p−InPクラッド層16
とによって囲まれて、共振器38を構成している。尚、
n−InPクラッド層10の膜厚を150μm、p−I
nPクラッド層16の膜厚を2μmとして形成してい
る。
FIG. 1 is a sectional view showing the structure of the embodiment. This configuration example is an example of a passive mode-locked semiconductor laser in which a saturable absorption region is integrated in a single semiconductor substrate in addition to a gain region and a passive waveguide region.
In this configuration example, an n-InP cladding layer 10 is provided as a semiconductor substrate, and a passive waveguide 12 and an active waveguide 14 are provided on the upper side of the n-InP cladding layer 10 in a light guiding direction (arrow a in the drawing). In the direction indicated by.). A p-InP cladding layer 16 is provided above the passive waveguide 12 and the active waveguide 14, and a block layer (not shown) is provided on both sides of the passive waveguide 12 and the active waveguide 14. ing. Then, the passive waveguide 12 and the active waveguide 14 are formed by this block layer and n
-InP cladding layer 10 and p-InP cladding layer 16
To form a resonator 38. still,
When the film thickness of the n-InP cladding layer 10 is 150 μm and p-I
The thickness of the nP cladding layer 16 is 2 μm.

【0014】n−InPクラッド層10の下側の全面に
はn側電極18が設けてあり、また、p−InPクラッ
ド層16の上面には3つのp側電極20、22および2
4が設けてある。p側電極20は、n側電極18との間
にある受動導波路12に電圧を印加できるようにp−I
nPクラッド層16の上面の位置に設けられている。p
側電極22および24はそれぞれn側電極18との間に
ある活性導波路14に対して電流の注入および電圧の印
加を行えるようにp−InPクラッド層16の上面の位
置に設けられている。
An n-side electrode 18 is provided on the entire lower surface of the n-InP cladding layer 10, and three p-side electrodes 20, 22 and 2 are provided on the upper surface of the p-InP cladding layer 16.
4 are provided. The p-side electrode 20 is connected to the p-I so that a voltage can be applied to the passive waveguide 12 between the p-side electrode 20 and the n-side electrode 18.
It is provided at a position on the upper surface of the nP cladding layer 16. p
The side electrodes 22 and 24 are provided at positions on the upper surface of the p-InP clad layer 16 so that current can be injected and voltage can be applied to the active waveguide 14 between the n-side electrode 18.

【0015】ここで、p側電極20およびn側電極18
間には逆バイアス電圧を印加するための逆バイアス電圧
源33が接続されており、電圧が印加される領域を受動
導波路領域26と称している。また、p側電極22とn
側電極18との間には、順方向に電流を注入できるよう
に順バイアス電流源34が接続されていて、電流が注入
される領域が利得領域28である。この利得領域28は
電流が注入されることで利得媒体として働き、光の発生
および発生した光に対してレーザ発振に必要な増幅作用
を及ぼす領域である。
Here, the p-side electrode 20 and the n-side electrode 18
A reverse bias voltage source 33 for applying a reverse bias voltage is connected between them, and a region to which the voltage is applied is called a passive waveguide region 26. Also, the p-side electrode 22 and n
A forward bias current source 34 is connected between the side electrode 18 so that a current can be injected in the forward direction, and a region into which the current is injected is a gain region 28. The gain region 28 is a region where a current is injected to function as a gain medium and generate light and amplify the generated light necessary for laser oscillation.

【0016】p側電極24とn側電極18との間には逆
バイアス電圧が印加されるようにして逆バイアス電圧源
36が接続されている。この逆バイアス電圧が印加され
る領域は可飽和吸収領域30である。この可飽和吸収領
域30は、逆バイアス電圧が印加されることで共振器3
0内を導波されている光に対して光スイッチとして働く
領域である。
A reverse bias voltage source 36 is connected between the p-side electrode 24 and the n-side electrode 18 so that a reverse bias voltage is applied. The region to which the reverse bias voltage is applied is the saturable absorption region 30. When a reverse bias voltage is applied to the saturable absorption region 30, the resonator 3
This is a region that functions as an optical switch for light guided inside 0.

【0017】この実施の形態では、n側電極18、p側
電極20、22および24をオーミック電極として形成
している。p側電極20、22および24は、Auをp
−InPクラッド層16の上側の全面に蒸着して化学エ
ッチングで分離部分を形成することにより得た。
In this embodiment, the n-side electrode 18, the p-side electrodes 20, 22 and 24 are formed as ohmic electrodes. The p-side electrodes 20, 22 and 24 transfer Au to p
-Obtained by vapor deposition on the entire upper surface of the InP cladding layer 16 and forming a separation portion by chemical etching.

【0018】受動導波路12は、バンドギャップ波長が
1.2μmのi−InGaAsP層で構成されており、
上下に設けられているn−InPクラッド層10および
p−InPクラッド層16と相俟ってダブルヘテロ構造
の受動導波路領域26を構成している。
The passive waveguide 12 is composed of an i-InGaAsP layer having a band gap wavelength of 1.2 μm.
Together with the n-InP cladding layer 10 and the p-InP cladding layer 16 provided above and below, a passive waveguide region 26 having a double hetero structure is formed.

【0019】活性導波路14は、InGaAsPガイド
層40とInGaAsPガイド層42との間にバンドギ
ャップ波長が1.56μm近傍の半導体量子井戸構造4
4を有した構造となっている。この半導体量子井戸構造
44は、ウエルが膜厚7nmのInGaAs(バンドギ
ャップ波長1.67μm)であり、バリアが膜厚14n
mのInGaAsP(バンドギャップ波長1.2μm)
であり、これらを3層づつ交互に積層することにより、
全6層から構成されている。尚、半導体量子井戸構造4
4の上側に設けられているInGaAsPガイド層40
の膜厚は120nmとし、半導体量子井戸構造44の下
側に設けられているInGaAsPガイド層42の膜厚
は60nmとしている。
The active waveguide 14 has a semiconductor quantum well structure 4 having a band gap wavelength of about 1.56 μm between the InGaAsP guide layer 40 and the InGaAsP guide layer 42.
4. The semiconductor quantum well structure 44 has a well of InGaAs (bandgap wavelength 1.67 μm) having a thickness of 7 nm and a barrier having a thickness of 14 n.
m InGaAsP (band gap wavelength 1.2 μm)
By alternately laminating these three layers at a time,
It is composed of a total of six layers. The semiconductor quantum well structure 4
InGaAsP guide layer 40 provided on the upper side of
Is 120 nm, and the thickness of the InGaAsP guide layer 42 provided below the semiconductor quantum well structure 44 is 60 nm.

【0020】また、この実施の形態の共振器38の導波
方向に沿った長さ(共振器長)は2.45mmである。
この共振器38を構成する各領域の導波方向に沿った長
さは、受動導波路領域26の長さが1460μm、利得
領域28の長さが940μm、および可飽和吸収領域3
0の長さが50μmとして構成してある。
The length (resonator length) of the resonator 38 in this embodiment along the waveguide direction is 2.45 mm.
The length of each of the regions constituting the resonator 38 along the waveguide direction is such that the length of the passive waveguide region 26 is 1460 μm, the length of the gain region 28 is 940 μm, and the saturable absorption region 3 is
The length of 0 is configured as 50 μm.

【0021】このように、この実施の形態のモード同期
半導体レーザを構成している受動導波路12は、活性導
波路14のバンドギャップ波長よりも十分に短いバンド
ギャップ波長を示す材料で以て構成されており、また、
活性導波路14内で発生した光を低い伝播損失で伝播す
る材料が用いられている。さらに、後述するように、受
動導波路12の材料は、逆バイアスの印加に応じて屈折
率が変化する材料でもある。
As described above, the passive waveguide 12 constituting the mode-locked semiconductor laser of this embodiment is formed of a material having a band gap wavelength sufficiently shorter than the band gap wavelength of the active waveguide 14. And also
A material that propagates light generated in the active waveguide 14 with low propagation loss is used. Further, as described later, the material of the passive waveguide 12 is also a material whose refractive index changes according to application of a reverse bias.

【0022】また、上述の各領域(受動導波路領域2
6、利得領域28および可飽和吸収領域30)間は電気
的なアイソレーションが保たれており、電気的な干渉効
果が十分に抑えられている。
Each of the above-mentioned regions (passive waveguide region 2
6, electrical isolation is maintained between the gain region 28 and the saturable absorption region 30), and the electrical interference effect is sufficiently suppressed.

【0023】次に、この実施の形態のモード同期半導体
レーザの動作につき説明する。先ず、受動モード同期に
ついて説明する。受動モード同期は、前述した可飽和吸
収領域30による光スイッチ作用と、利得領域28の光
増幅作用とが相俟って機能することにより発生する。可
飽和吸収領域30の光吸収係数は入射光強度に応じて変
化し、光強度の増加に対しては吸収係数が減少するよう
な特性を示す。従って、可飽和吸収領域30は、入力さ
れる光信号のうちの光強度が比較的大きい光のみを選択
的に透過させて、光強度が比較的小さい光は透過させな
い、といった自発的なスイッチとして働く。このスイッ
チ作用が、共振器38内を導波される光に対して繰り返
して働くから、光信号は急峻化(波形のパルス化)され
て受動モード同期が発生する。以上説明した動作過程に
おいて、利得領域28は、共振器38内の伝播損失を補
い、レーザ発振を実現するための利得を与える機能を果
たしている。
Next, the operation of the mode-locked semiconductor laser of this embodiment will be described. First, passive mode synchronization will be described. The passive mode locking is generated by the optical switch function of the saturable absorption region 30 and the optical amplification function of the gain region 28 functioning together. The light absorption coefficient of the saturable absorption region 30 changes according to the intensity of the incident light, and exhibits such a characteristic that the absorption coefficient decreases as the light intensity increases. Therefore, the saturable absorption region 30 is a spontaneous switch that selectively transmits only light having a relatively high light intensity of the input optical signal and does not transmit light having a relatively low light intensity. work. Since this switching action repeatedly acts on the light guided in the resonator 38, the optical signal is sharpened (pulsed waveform) and passive mode locking occurs. In the operation process described above, the gain region 28 has a function of compensating for a propagation loss in the resonator 38 and providing a gain for realizing laser oscillation.

【0024】この受動モード同期作用においては、受動
導波路領域26は本質的には寄与していない。受動導波
路領域26は、共振器38の共振器長を決定し、発生す
る光パルス列の繰返し周波数を決定する役割を果たして
いる。次に、この繰返し周波数および共振器長の関係に
つき説明する。
In this passive mode-locking operation, the passive waveguide region 26 does not essentially contribute. The passive waveguide region 26 has a role of determining the resonator length of the resonator 38 and determining the repetition frequency of the generated optical pulse train. Next, the relationship between the repetition frequency and the resonator length will be described.

【0025】発生する光パルス列(モード同期光)の繰
返し周波数frtは実効的な共振器長によって決まり、お
おむね次式(1)と一致する。
The repetition frequency f rt of the generated optical pulse train (mode-locked light) is determined by the effective resonator length, and substantially coincides with the following equation (1).

【0026】 frt=c/{2(nalal+npcpc)} ・・・(1) ここで、cは真空中での光速、nalは利得領域28およ
び可飽和吸収領域30の等価屈折率を表しており、npc
は受動導波路領域26の等価屈折率を表す。また、Lal
は利得領域28および可飽和吸収領域30の光導波方向
aに沿う方向の長さであり、Lpcは受動導波路領域26
の光導波方向aに沿う方向の長さである。LalとLpc
の和が共振器38の実際の長さであり、長さ(nalal
+npcpc)は媒質の屈折率を考慮した共振器の実効的
な長さである。
F rt = c / {2 ( nal L al + n pc L pc )} (1) where c is the speed of light in a vacuum, and n al is the gain region 28 and the saturable absorption region 30. And the equivalent refractive index of n pc
Represents the equivalent refractive index of the passive waveguide region 26. Also, L al
Is the length of the gain region 28 and the saturable absorption region 30 in the direction along the optical waveguide direction a, and L pc is the passive waveguide region 26
Is the length along the optical waveguide direction a. The sum of L al and L pc is the actual length of the resonator 38, and the length (n al L al
+ N pc L pc ) is the effective length of the resonator in consideration of the refractive index of the medium.

【0027】このように、実質的な受動導波路領域26
の長さを表すnpcpcを変化させれば、共振器38の実
質的な長さを変化させることになり、繰返し周波数frt
の可変特性が得られることが理解される。このような方
法によれば、電気的な手段のみにより繰返し周波数を変
化させることができ、煩雑な手段を必要としないことが
理解される。
Thus, the substantially passive waveguide region 26
Of be changed to n pc L pc representing the length, results in changing the substantial length of the resonator 38, the repetition frequency f rt
Is obtained. According to such a method, it is understood that the repetition frequency can be changed only by electrical means, and no complicated means is required.

【0028】この実施の形態のモード同期半導体レーザ
は、受動導波路領域26に、印加される逆バイアス電圧
に応じて等価屈折率npcが変化することによりモード同
期光(出射光)の繰返し周波数frtが変化する、ダブル
ヘテロ構造を具えている。前述したようにこの受動導波
路領域26は、n−InPクラッド層10、受動導波路
(i−InGaAsP層)12およびp−InPクラッ
ド層16で以てダブルヘテロ構造を形成している。この
ダブルヘテロ構造に逆バイアス電圧を印加すると、ポッ
ケルス効果によりi−InGaAsP層の屈折率が変化
し、その結果、受動導波路領域26の等価屈折率npc
変化する。
In the mode-locked semiconductor laser of this embodiment, the repetition frequency of the mode-locked light (emitted light) is changed in the passive waveguide region 26 by changing the equivalent refractive index n pc according to the applied reverse bias voltage. It has a double heterostructure in which f rt changes. As described above, the passive waveguide region 26 forms a double hetero structure with the n-InP cladding layer 10, the passive waveguide (i-InGaAsP layer) 12, and the p-InP cladding layer 16. When a reverse bias voltage is applied to this double hetero structure, the refractive index of the i-InGaAsP layer changes due to the Pockels effect, and as a result, the equivalent refractive index n pc of the passive waveguide region 26 changes.

【0029】このように、受動導波路領域26の等価屈
折率npcは印加電圧の増加に応じて増大し、結果とし
て、繰返し周波数frtを連続的に変化させることが可能
になる(繰返し周波数frtは印加電圧の増加に応じて減
少する)。従って、この実施の形態のモード同期半導体
レーザは、繰返し周波数を逆バイアス電圧の大きさを変
えるだけで簡単に調節することができ、また、この繰返
し周波数を変化させるに当たっては電気的な手段のみを
用いるから、他の電気回路との集積化を行って用いるこ
とも可能である。
As described above, the equivalent refractive index n pc of the passive waveguide region 26 increases as the applied voltage increases, and as a result, the repetition frequency f rt can be continuously changed (repetition frequency). frt decreases as the applied voltage increases). Therefore, the mode-locked semiconductor laser of this embodiment can easily adjust the repetition frequency only by changing the magnitude of the reverse bias voltage, and only the electric means can be used to change the repetition frequency. Since it is used, it can be used after being integrated with another electric circuit.

【0030】次に、この実施の形態の特性の実測結果に
つき説明する。先ず、作成した素子(この実施の形態の
モード同期半導体レーザ)の可飽和吸収領域30と利得
領域28とに対して、電流を均一に注入した場合の素子
のしきい値は20mA程度であった。そして、可飽和吸
収領域30に約0.3Vの逆バイアス電圧を加えて、利
得領域28に約100mAの電流を注入したところ、光
パルス列が発生することが確認された。
Next, the results of actual measurement of the characteristics of this embodiment will be described. First, when a current was uniformly injected into the saturable absorption region 30 and the gain region 28 of the fabricated device (the mode-locked semiconductor laser of this embodiment), the threshold value of the device was about 20 mA. . When a reverse bias voltage of about 0.3 V was applied to the saturable absorption region 30 and a current of about 100 mA was injected into the gain region 28, it was confirmed that an optical pulse train was generated.

【0031】図2は、この実施の形態のSHG自己相関
波形の実測結果を示すグラフである。横軸に遅延時間を
8.47psごとに目盛って取り、縦軸にSHG強度を
任意強度(a.u.)で取って示した。この測定された
パルス波形の包絡線としてsech(一般的にはsechx
=2/(ex +e-x)で与えられる)の2乗型の曲線を
仮定して解析した結果、パルス幅は2.7psと見積も
られた。また、マイクロ波スペクトラムアナライザで調
べた結果、パルス繰返し周波数は17.67264GH
zであり、共振器長が2.45mmである場合の周回周
波数と良好な一致を示している。従って、受動モード同
期によって光パルス列が発生していることが確認され
た。
FIG. 2 is a graph showing the measurement results of the SHG autocorrelation waveform of this embodiment. The horizontal axis shows the delay time for each 8.47 ps, and the vertical axis shows the SHG intensity as an arbitrary intensity (au). As an envelope of the measured pulse waveform, sech (generally, sechx
= 2 / (e x + e -x) results were analyzed assuming a square-shaped curve of the given), the pulse width was estimated 2.7Ps. In addition, as a result of examination with a microwave spectrum analyzer, the pulse repetition frequency was 17.67264 GHz.
z, which is in good agreement with the circulating frequency when the resonator length is 2.45 mm. Therefore, it was confirmed that an optical pulse train was generated by passive mode locking.

【0032】図3は、この実施の形態の受動導波路領域
26に印加した逆バイアス電圧と、発生する光のパルス
繰返し周波数との関係の実測結果を示すグラフである。
同図において、横軸は逆バイアス電圧を示しており(順
バイアス方向を正としている)、また、縦軸はパルス繰
返し周波数を示している。測定は、逆バイアス電圧を−
2.8Vから0.4Vごとに0Vまで変えて行った。逆
バイアス電圧に対する繰返し周波数の測定データは黒丸
でグラフ上に示されている。同図から明らかなように、
逆バイアス電圧を−2.8Vから0Vまで増加させたと
き、モード同期光の繰返し周波数が約17.68GHz
から約17.6726GHzまで減少することが分か
る。このように、約7.4MHzの繰返し周波数の変化
量(チューニング帯域幅)が得られた。また、このとき
のパルス幅の変化は、ほとんどなかった。
FIG. 3 is a graph showing the measured results of the relationship between the reverse bias voltage applied to the passive waveguide region 26 of this embodiment and the pulse repetition frequency of the generated light.
In the figure, the abscissa indicates the reverse bias voltage (the forward bias direction is positive), and the ordinate indicates the pulse repetition frequency. The measurement is performed by setting the reverse bias voltage to-
The test was performed by changing the voltage from 2.8V to 0V every 0.4V. The measurement data of the repetition frequency with respect to the reverse bias voltage is indicated on the graph by a black circle. As is clear from the figure,
When the reverse bias voltage is increased from -2.8V to 0V, the repetition frequency of the mode-locked light becomes about 17.68 GHz.
From about 17.6726 GHz. In this way, a change amount (tuning bandwidth) of the repetition frequency of about 7.4 MHz was obtained. At this time, there was almost no change in the pulse width.

【0033】この実施の形態に係るモード同期半導体レ
ーザによれば、上述のように、逆バイアス電圧を印加し
てポッケルス効果を生じさせることにより受動導波路領
域26の等価屈折率npcを変化させることとしたので、
繰り返し周波数のチューニングを行なう際に受動導波路
12の伝播損失に伴って可飽和吸収領域30の機能が低
下することがないという長所を有している。
According to the mode-locked semiconductor laser of this embodiment, as described above, the equivalent refractive index n pc of the passive waveguide region 26 is changed by applying the reverse bias voltage to generate the Pockels effect. I decided that
There is an advantage that the function of the saturable absorption region 30 does not deteriorate due to the propagation loss of the passive waveguide 12 when tuning the repetition frequency.

【0034】すなわち、受動導波路領域26の等価屈折
率npcを変化させることは、この受動導波路領域26に
対する順電流の注入によりプラズマ効果を生じさせるこ
とによっても可能であるが、この場合には、注入電流の
増大に伴って受動導波路12の伝播損失が大きくなるた
めにモード同期を起こすことができなくなるという欠点
を生じる。これは、注入電流量が大きいと、キャリア密
度の増加に伴って受動導波路12内の自由キャリアによ
る光の吸収が増加し、これに伴って共振器38内での光
強度が減衰するために可飽和吸収領域30を透明化する
ために必要な光強度を得ることができなくなり、したが
って可飽和吸収領域30が光スイッチ機能を果たさなく
なるためである。
That is, it is possible to change the equivalent refractive index n pc of the passive waveguide region 26 by generating a plasma effect by injecting a forward current into the passive waveguide region 26. In this case, In this case, there is a disadvantage that mode locking cannot be performed because the propagation loss of the passive waveguide 12 increases with an increase in injection current. This is because, when the amount of injected current is large, the absorption of light by free carriers in the passive waveguide 12 increases as the carrier density increases, and the light intensity in the resonator 38 attenuates accordingly. This is because the light intensity required to make the saturable absorption region 30 transparent cannot be obtained, and therefore, the saturable absorption region 30 cannot fulfill the optical switch function.

【0035】受動導波路12での伝播損失の変化は、出
射光のスペクトル純度の変化を測定することによって知
ることができる。ここで、スペクトル純度とは、設定周
波数に対する発振周波数のばらつきを示している。すな
わち、設定周波数からずれた周波数の発振成分(バック
グラウンド成分)の光強度が大きいほど、スペクトル純
度が低下する。そして、伝播損失が増加すると、Q値が
下がり、スペクトル純度が劣化する。すなわち、スペク
トル純度の値が小さくなることは、伝播損失が増加する
ことを示している。
The change in the propagation loss in the passive waveguide 12 can be known by measuring the change in the spectral purity of the emitted light. Here, the spectral purity indicates the variation of the oscillation frequency with respect to the set frequency. That is, the higher the light intensity of the oscillation component (background component) having a frequency shifted from the set frequency, the lower the spectral purity. When the propagation loss increases, the Q value decreases, and the spectral purity deteriorates. That is, a decrease in the value of the spectral purity indicates that the propagation loss increases.

【0036】図4(A)は、受動導波路12への注入電
流とスペクトル純度との関係を示すグラフである。同図
からわかるように、順電流の注入により等価屈折率npc
を変化させる場合には、電流注入量を大きくするほどス
ペクトル純度が低下する(したがって伝播損失が増加す
る)。これは、共振器38内での光強度の減少に伴って
可飽和吸収領域30の光スイッチ動作が劣化して、レー
ザの各縦モード間の結合が弱くなるためであると考えら
れ、上述のようなモード同期機能の低下を示唆するもの
である。
FIG. 4A is a graph showing the relationship between the current injected into the passive waveguide 12 and the spectral purity. As can be seen from the figure, the injection of the forward current causes the equivalent refractive index n pc
Is changed, the spectral purity decreases as the current injection amount increases (therefore, the propagation loss increases). This is considered to be because the optical switch operation of the saturable absorption region 30 is deteriorated with the decrease in the light intensity in the resonator 38, and the coupling between the longitudinal modes of the laser is weakened. This suggests that the mode synchronization function is deteriorated.

【0037】一方、図4(B)は、この実施の形態に係
るモード同期半導体レーザにおける、受動導波路12へ
印加される逆バイアス電圧の値とスペクトル純度との関
係を示すグラフである。この図からわかるように、逆バ
イアス電圧の値を変化させてもスペクトル純度は変動し
ない。このことは共振器38のQ値が変化しないことを
示しており、したがって逆バイアス電圧の値を変化させ
ても受動導波路12の伝播損失が変化しない。
On the other hand, FIG. 4B is a graph showing the relationship between the value of the reverse bias voltage applied to the passive waveguide 12 and the spectral purity in the mode-locked semiconductor laser according to this embodiment. As can be seen from this figure, the spectral purity does not change even if the value of the reverse bias voltage is changed. This indicates that the Q value of the resonator 38 does not change, so that even if the value of the reverse bias voltage is changed, the propagation loss of the passive waveguide 12 does not change.

【0038】このように、逆バイアス電圧を印加して等
価屈折率npcを変化させる場合には、逆バイアス電圧の
印加量を変化させても受動導波路12の伝播損失は実質
的に変化しないので、パルス発生特性を劣化させること
なく繰り返し周波数を変化させることができる。
As described above, when the equivalent refractive index n pc is changed by applying the reverse bias voltage, the propagation loss of the passive waveguide 12 does not substantially change even if the amount of the applied reverse bias voltage is changed. Therefore, the repetition frequency can be changed without deteriorating the pulse generation characteristics.

【0039】なお、逆バイアス電圧を印加する場合の伝
播損失が増加する原因としては、フランツケルディッシ
ュ効果によるバンド端のシフトに起因するものが考えら
れるが、この実施の形態に係るモード同期半導体レーザ
のように受動導波路12のバンドギャップがレーザ発振
波長と比較して十分短い波長側にある場合にはフランツ
ケルディッシュ効果によるバンド端のシフトの影響は無
視できる。
The propagation loss when a reverse bias voltage is applied may be caused by a shift in the band edge due to the Franz-Keldysh effect. The mode-locked semiconductor laser according to this embodiment is considered. In the case where the band gap of the passive waveguide 12 is on the wavelength side sufficiently shorter than the laser oscillation wavelength, the influence of the band edge shift due to the Franz-Keldysh effect can be ignored.

【0040】以上の説明から明らかなように、この実施
の形態のモード同期半導体レーザ及び繰返し周波数の可
変方法によれば、受動導波路に印加する逆バイアス電圧
の値を変化させることによって繰返し周波数を変化させ
ることが可能である。
As is apparent from the above description, according to the mode-locked semiconductor laser and the method of varying the repetition frequency of this embodiment, the repetition frequency is changed by changing the value of the reverse bias voltage applied to the passive waveguide. It is possible to change.

【0041】また、繰り返し周波数を、受動導波路に印
加する逆バイアス電圧によって制御することとしたの
で、周波数の変更に伴ってパルス発生特性を変化させる
ことがない。
Since the repetition frequency is controlled by the reverse bias voltage applied to the passive waveguide, the pulse generation characteristics do not change with the change in the frequency.

【0042】[0042]

【発明の効果】以上詳細に説明したように、この発明の
モード同期半導体レーザによれば、逆バイアス電圧に応
じて等価屈折率が変化する受動導波路領域を共振器の一
部として設けることにより、このモード同期半導体レー
ザが出力する光パルス列の繰返し周波数を印加電圧にし
たがい変化させることができる。そして、このように印
加電圧を変化させるという電気的手段だけで繰返し周波
数を変化させることができるので、光軸の調整等の煩雑
な手順が必要ない。また、繰返し周波数を変化させるた
めの手段としては電気的手段のみであるから、他の電気
回路と集積化して用いることも可能である。さらに、繰
り返し周波数を逆バイアス電圧で制御することとしたの
で、周波数の変更に伴ってパルス発生特性を変化させる
ことがない。
As described in detail above, according to the mode-locked semiconductor laser of the present invention, the passive waveguide region whose equivalent refractive index changes according to the reverse bias voltage is provided as a part of the resonator. The repetition frequency of the optical pulse train output from the mode-locked semiconductor laser can be changed according to the applied voltage. Since the repetition frequency can be changed only by the electrical means of changing the applied voltage, a complicated procedure such as adjustment of the optical axis is not required. Further, since only electric means is used as means for changing the repetition frequency, it is also possible to use it by integrating it with another electric circuit. Further, since the repetition frequency is controlled by the reverse bias voltage, the pulse generation characteristics do not change with the change of the frequency.

【0043】また、この発明の繰返し周波数の可変方法
によれば、印加電圧に応じて受動導波路の等価屈折率を
変化させることによって光パルス列の繰返し周波数を変
化させることができるので、繰返し周波数の変化を、パ
ルス発生特性を変化させることなく容易に行うことが可
能になる。
According to the method of varying the repetition frequency of the present invention, the repetition frequency of the optical pulse train can be changed by changing the equivalent refractive index of the passive waveguide according to the applied voltage. The change can be easily performed without changing the pulse generation characteristics.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】実施の形態の構成を示す概念図である。FIG. 1 is a conceptual diagram showing a configuration of an embodiment.

【図2】実施の形態のSHG自己相関波形を示すグラフ
である。
FIG. 2 is a graph showing an SHG autocorrelation waveform according to the embodiment.

【図3】実施の形態の逆バイアス電圧と繰返し周波数と
の関係を示すグラフである。
FIG. 3 is a graph showing a relationship between a reverse bias voltage and a repetition frequency according to the embodiment.

【図4】(A)は受動導波路への注入電流とスペクトル
純度との関係を示すグラフであり、(B)は受動導波路
に印加される逆バイアス電圧とスペクトル純度との関係
を示すグラフである。
4A is a graph showing a relationship between a current injected into a passive waveguide and spectral purity, and FIG. 4B is a graph showing a relationship between a reverse bias voltage applied to the passive waveguide and spectral purity. It is.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10:n−InPクラッド層 12:受動導波路 14:活性導波路 16:p−InPクラッド層 18:n側電極 20、22、24:p側電極 26:受動導波路領域 28:利得領域 30:可飽和吸収領域 33、36:逆バイアス電圧源 34:順バイアス電流源 38:共振器 40、42:InGaAsPガイド層 44:半導体量子井戸構造 10: n-InP cladding layer 12: passive waveguide 14: active waveguide 16: p-InP cladding layer 18: n-side electrode 20, 22, 24: p-side electrode 26: passive waveguide region 28: gain region 30: Saturable absorption region 33, 36: reverse bias voltage source 34: forward bias current source 38: resonator 40, 42: InGaAsP guide layer 44: semiconductor quantum well structure

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 単一の半導体基板内で利得領域および受
動導波路領域を集積化した構造を具えており、モード同
期光を発生するモード同期半導体レーザにおいて、 前記受動導波路領域に、逆バイアス電圧に応じて等価屈
折率が変化することにより前記モード同期光の繰返し周
波数が変化する、ダブルヘテロ構造を具えることを特徴
とするモード同期半導体レーザ。
1. A mode-locked semiconductor laser having a structure in which a gain region and a passive waveguide region are integrated in a single semiconductor substrate. A mode-locked semiconductor laser comprising a double heterostructure in which a repetition frequency of the mode-locked light changes by changing an equivalent refractive index according to a voltage.
【請求項2】 前記受動導波路領域の前記ダブルヘテロ
構造が、逆バイアスを印加することで生じるポッケルス
効果によって等価屈折率が変化するように構成されたこ
とを特徴とする請求項1に記載のモード同期半導体レー
ザ。
2. The double heterostructure of the passive waveguide region, wherein an equivalent refractive index is changed by a Pockels effect caused by applying a reverse bias. Mode-locked semiconductor laser.
【請求項3】 前記受動導波路領域の前記ダブルヘテロ
構造が、p−InP層、i−InGaAsP層およびn
−InP層で構成されたことを特徴とする請求項1また
は2に記載のモード同期半導体レーザ。
3. The double heterostructure of the passive waveguide region comprises a p-InP layer, an i-InGaAsP layer, and an n-type InGaAsP layer.
3. The mode-locked semiconductor laser according to claim 1, wherein the mode-locked semiconductor laser is composed of an InP layer.
【請求項4】 単一の半導体基板内で利得領域および受
動導波路領域を集積化した構造を具えており、モード同
期光を発生するモード同期半導体レーザの該モード同期
光の繰返し周波数を変化させるに当たり、 前記受動導波路領域に逆バイアス電圧を印加して該受動
導波路領域の等価屈折率を変化させることにより前記モ
ード同期光の繰返し周波数を変化させることを特徴とす
る繰返し周波数の可変方法。
4. A mode-locked semiconductor laser for generating a mode-locked light having a structure in which a gain region and a passive waveguide region are integrated in a single semiconductor substrate, wherein the repetition frequency of the mode-locked light is changed. A method of changing the repetition frequency of the mode-locked light by applying a reverse bias voltage to the passive waveguide region to change an equivalent refractive index of the passive waveguide region.
【請求項5】 前記受動導波路領域の前記ダブルヘテロ
構造に逆バイアス電圧を印加することで生じるポッケル
ス効果によって等価屈折率を変化させることを特徴とす
る請求項4に記載の繰返し周波数の可変方法。
5. The method of claim 4, wherein the equivalent refractive index is changed by a Pockels effect caused by applying a reverse bias voltage to the double hetero structure in the passive waveguide region. .
【請求項6】 p−InP層、i−InGaAsP層お
よびn−InP層の前記ダブルヘテロ構造で構成された
前記受動導波路領域に逆バイアス電圧を印加することに
よって等価屈折率を変化させることを特徴とする請求項
4または5に記載の繰返し周波数の可変方法。
6. Changing the equivalent refractive index by applying a reverse bias voltage to the passive waveguide region formed of the double hetero structure of a p-InP layer, an i-InGaAsP layer, and an n-InP layer. 6. The method of claim 4, wherein the repetition frequency is varied.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010003930A (en) * 2008-06-20 2010-01-07 Technische Univ Berlin Data transfer optical electronic device

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