專利名稱：無源模式同步半導(dǎo)體激光器和光時(shí)鐘信號提取裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無源模式同步半導(dǎo)體激光器和使用該無源模式同步半導(dǎo)體激光器的光時(shí)鐘信號提取裝置。
背景技術(shù)：
光通信網(wǎng)絡(luò)在傳送的遠(yuǎn)程化和大容量化方面得以推進(jìn)。伴隨著傳送的遠(yuǎn)程化，由于產(chǎn)生光傳送路徑中的光損失、光放大器的多級使用而造成的S/N比的下降、以及光纖的群速度分散和光纖中的非線性光學(xué)效應(yīng)造成的波形失真等，致使出現(xiàn)光信號的品質(zhì)劣化的問題。頻率波形失真和時(shí)間波形失真的產(chǎn)生隨著傳送容量越大而越顯著。
因此，在光傳送路徑的途中以幾十到幾百公里的間隔設(shè)置中繼器，進(jìn)行通過該中繼器使光信號的頻率波形和時(shí)間波形恢復(fù)到原來的形狀的所謂的光信號的再現(xiàn)。該中繼器的主要的作用之一在于提取時(shí)鐘信號。所謂提取時(shí)鐘信號是指從由時(shí)間波形發(fā)生失真的光脈沖構(gòu)成的光信號、即品質(zhì)劣化的光信號中生成以對應(yīng)于該比特率的頻率在時(shí)間軸上排列的光脈沖串或者作為正弦波狀的電信號的RF(Radio Frequency)信號。
作為時(shí)鐘信號，具有作為電信號提取的情況和作為光信號提取的情況，但僅在以后需要特別明示用哪種形式提取時(shí)才分別劃分為電時(shí)鐘信號和光時(shí)鐘信號。并且，所謂對應(yīng)于光信號的比特率的頻率是指光信號的比特率為fGbit/s的情況下fGHz的頻率。以后，有時(shí)也將對應(yīng)于光信號的比特率的頻率稱為比特率頻率。
作為時(shí)鐘信號提取方法，以往所知的一般方法之一是將品質(zhì)劣化的光信號輸入到光電二極管等中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將來自該光電二極管的輸出電信號通過帶通濾波器進(jìn)行濾波，從而只提取出對應(yīng)于輸入光信號的比特率的頻率成分。以后，包含品質(zhì)劣化的光信號在內(nèi)，將成為提取時(shí)鐘信號的對象的光信號稱為輸入光信號。
通過使用光電二極管和帶通濾波器所生成的電時(shí)鐘信號使半導(dǎo)體激光器等的光脈沖激光裝置工作，從而生成以重復(fù)頻率相當(dāng)于輸入光信號的比特率頻率的周期在時(shí)間軸上排列的光脈沖串。在之后的說明中，所謂光信號是指將在時(shí)間軸上以規(guī)則正確的一定的周期間隔排列的光脈沖串進(jìn)行光調(diào)制，作為發(fā)送信號即2值數(shù)字信號的RZ(Return to Zero)信號生成的信號。另一方面，所謂光脈沖串的描述作為指示在時(shí)間軸上以規(guī)則正確的一定周期間隔排列的光脈沖的總體時(shí)使用。
一般情況下，由于光電二極管的光電轉(zhuǎn)換特性的偏波依賴性小，所以即使在輸入光信號的偏光面上存在時(shí)間性錯(cuò)位，也可以通過使用光電二極管來穩(wěn)定地提取時(shí)鐘信號。
另一方面，作為用于增大光通信網(wǎng)絡(luò)的傳送容量的技術(shù)，正在研究光時(shí)分復(fù)用(Optical Time Devision Multiplexing)等的復(fù)用傳送技術(shù)。復(fù)用信號的比特率為該被復(fù)用的每一個(gè)信道的比特率的信道數(shù)倍，所以成為非常大的比特率。
當(dāng)復(fù)用信號的比特率超過40Gbit/s時(shí)，難以在電子設(shè)備中提取時(shí)鐘信號。這是由于沒有開發(fā)出對40Gbit/s以上的比特率的光信號也能工作的光電二極管和對40GHz以上的電信號也能工作的電窄帶寬濾波器。
因此，為了從高速光信號中提取出時(shí)鐘信號，以往研討了下面說明的第1到第5方法等。即，研討了如下的方法不經(jīng)過使輸入光信號通過光電二極管等進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換的工序，而從輸入光信號中直接提取出光時(shí)鐘信號。
第1方法是使用光纖型無源模式同步激光器的方法(例如參照專利文獻(xiàn)1)。在該方法中，向以接近輸入光信號的比特率頻率的重復(fù)來生成光脈沖的光纖型無源模式同步激光器輸入輸入光信號，使光纖型無源模式同步激光器的光脈沖生成頻率與輸入光信號的比特率頻率同步，從而提取光脈沖信號。
第2方法與上述第1方法為同樣內(nèi)容，但是，該方法是使用無源模式同步半導(dǎo)體激光器來代替光纖型無源模式同步激光器的方法(例如參照非專利文獻(xiàn)1)。在第2方法中，通過使用輸入光信號來調(diào)制可飽和吸收區(qū)域的光吸收系數(shù)，無源模式同步激光器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光脈沖由于與構(gòu)成輸入光信號的光脈沖同步，因而生成以等同于輸入光信號的比特率頻率的時(shí)間間隔排列的光脈沖串。該光脈沖串為被提取的光時(shí)鐘信號。
第三方法是與第二方法同樣地使用無源模式同步半導(dǎo)體激光器的方法(例如參照專利文獻(xiàn)2)。但是，第三方法的特征在于無源模式同步半導(dǎo)體激光器構(gòu)成為具有半導(dǎo)體光放大器、波長可變?yōu)V波器和透鏡等的耦合光學(xué)系統(tǒng)，是所謂的外部諧振型激光器。因此，具有如下優(yōu)點(diǎn)可容易地變更諧振器長和波長可變?yōu)V波器的中心波長、可提取的光時(shí)鐘信號的頻率范圍較寬、以及可以容易地變更所提取的光時(shí)鐘信號的波長。
第四方法是與上述的第2和第3方法同樣地使用無源模式同步半導(dǎo)體激光器的方法(例如參照專利文獻(xiàn)3)。但是，第四方法的特征在于使用第1和第2無源模式同步半導(dǎo)體激光器這兩個(gè)無源模式同步半導(dǎo)體激光器。第1無源模式同步半導(dǎo)體激光器以接近輸入光信號的比特率頻率的頻率工作，第2無源模式同步半導(dǎo)體激光器以接近輸入光信號的比特率頻率的整數(shù)分之一的頻率工作。通過形成為這樣使用工作頻率不同的兩個(gè)無源模式同步半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)，可以生成輸入光信號的比特率頻率的整數(shù)分之一的分頻光時(shí)鐘信號。另外，在第四方法中，使用光門元件，通過在第2無源模式同步半導(dǎo)體激光器上形成反饋環(huán)光路徑，可實(shí)現(xiàn)分頻光時(shí)鐘信號的生成動作的穩(wěn)定化。
第五方法是使用自振動多電極分布反饋型半導(dǎo)體激光器來提取光脈沖信號的方法(例如參照非專利文獻(xiàn)2)。向輸入光信號的比特率頻率和該分布反饋型半導(dǎo)體激光器輸入輸入光信號，使分布反饋型半導(dǎo)體激光器的光脈沖生成頻率與輸入光信號的比特率頻率同步，從而提取光脈沖信號。
但是，在上述第1至第5方法中，具有光時(shí)鐘信號的提取動作較強(qiáng)依賴于輸入光信號的偏光面的問題。在到達(dá)光中繼器之間的光纖由于未進(jìn)行用于將待傳播的輸入光信號的偏光面保持為一定的處理，所以輸入光信號的偏光面一般伴隨著時(shí)間變動。即，輸入光信號的偏光面發(fā)生時(shí)間性的變動，從而光時(shí)鐘信號的提取動作變得不穩(wěn)定。
在上述第1至第5方法中，光時(shí)鐘信號的提取動作較強(qiáng)依賴于輸入光信號的偏光面的理由如下所述。
在第1方法中，使用了光克爾效應(yīng)，但光克爾效應(yīng)具有很大的偏光面依賴性。即，在構(gòu)成存在于光纖型模式同步激光器的內(nèi)部的光時(shí)鐘信號的光脈沖的偏光面的方向和輸入光信號的偏光面的方向平行和正交時(shí)，前者的光克爾系數(shù)為后者的3倍大小。因此，輸入光信號的偏光面的方向與光纖型模式同步激光器的振蕩光的偏光面的方向一致時(shí)，可以高效率地提取光時(shí)鐘信號。但是，在兩者的偏光面的方向正交時(shí)，將無法提取光時(shí)鐘信號。
在第2至第5方法中使用的無源模式同步半導(dǎo)體激光器的增益區(qū)域可由體結(jié)晶(Bulk crystal)層、量子阱層或者應(yīng)變量子阱層來實(shí)現(xiàn)。另外，可飽和吸收區(qū)域可由量子阱層或者應(yīng)變量子阱層來實(shí)現(xiàn)。理由如下。即，通過用量子阱層或者應(yīng)變量子阱層來構(gòu)成可飽和吸收區(qū)域，可容易減少吸收飽和能量，因此可以使模式同步動作穩(wěn)定。另外，由于可以使可飽和吸收現(xiàn)象高速進(jìn)行，所以非常適于提取高比特率的光時(shí)鐘信號。
量子阱層的光學(xué)性質(zhì)具有很強(qiáng)的偏波依賴性。特別是，無應(yīng)變或者導(dǎo)入了壓縮應(yīng)變的應(yīng)變量子阱層對于平行于量子阱層的層疊面的偏光(所謂TE(Transverse Electric Wave)偏光)，具有較高的光學(xué)增益、較大的微分增益、較低的α參數(shù)或者低吸收飽和能量等的特性。因此，如果使用采用了量子阱層的無源模式同步半導(dǎo)體激光器來對增益區(qū)域和可吸收飽和區(qū)域執(zhí)行光時(shí)鐘信號的提取，則可以期待獲得下面那樣的期望效果。
即，當(dāng)輸入光信號的偏光面為TE偏光時(shí)，增益區(qū)域的光放大作用使輸入光信號以高效率被放大。另外，由于可飽和吸收區(qū)域的吸收飽和能量很低，所以可以增大由輸入光信號誘發(fā)的吸收飽和所產(chǎn)生的可飽和吸收區(qū)域的光吸收系數(shù)的調(diào)制度。其結(jié)果是，即使是強(qiáng)度較弱的輸入光信號也能容易實(shí)現(xiàn)提取光時(shí)鐘信號所必需的大小的可飽和吸收區(qū)域的光吸收系數(shù)的調(diào)制度。即，即使是強(qiáng)度較弱的輸入光信號也能穩(wěn)定地提取光時(shí)鐘信號。此處，所謂光吸收系數(shù)的調(diào)制度是光吸收系數(shù)的變化的最小和最大之比。調(diào)制度大意味著光吸收系數(shù)的變化的程度大。
另一方面，當(dāng)輸入光信號的偏光面為與TE偏光的情況正交的偏光(所謂TM(Transverse Magnetic Wave)偏光)時(shí)，得不到增益區(qū)域下的光放大效果，進(jìn)而，可飽和吸收區(qū)域的吸收飽和能量很高，所以無法實(shí)現(xiàn)提取光時(shí)鐘信號所必需的大小的可飽和吸收區(qū)域的光吸收系數(shù)的調(diào)制。即，每當(dāng)從輸入光信號提取光時(shí)鐘信號時(shí)，在輸入光信號為TE偏光時(shí)可以穩(wěn)定地提取光時(shí)鐘信號，但在為TM偏光時(shí)，無法提取光時(shí)鐘信號，因此存在產(chǎn)生輸入光信號的偏光面依賴性的問題。
如上所述，到達(dá)光中繼器之間的光纖由于未進(jìn)行用于將待傳播的輸入光信號的偏光面保持為一定的處理，所以無法保證輸入光信號被保持為TE偏光，而且光時(shí)鐘信號的提取動作中存在輸入光信號的偏光面依賴性意味著無法穩(wěn)定地提取光時(shí)鐘信號。
因此，研討了解決輸入光信號的偏光面依賴性相關(guān)問題的第6和第7方法(例如參照專利文獻(xiàn)4和非專利文獻(xiàn)3)。
在第6方法中，首先輸入光信號被分離為與模式同步半導(dǎo)體激光器的振蕩偏光面一致的偏光成分(為TE偏光成分)和具有與該片光面正交的偏光面的成分(為TM偏光成分)。TE偏光成分保持著偏光狀態(tài)被輸入到模式同步半導(dǎo)體激光器的一個(gè)諧振器端面上。TM偏光成分將偏光狀態(tài)旋轉(zhuǎn)90度與模式同步半導(dǎo)體激光器的振蕩偏光面一致后被輸入到模式同步半導(dǎo)體激光器的另一個(gè)諧振器端面上。通過這種方法，可不依賴于輸入光信號的偏光面來提取光時(shí)鐘信號。
第7方法是將半導(dǎo)體光放大器(SOASemiconductor OpticalAmprifire)作為相位比較器使用，來提取光時(shí)鐘信號的方法。通過不依賴于偏光面來使用工作的SOA，可不依賴于輸入光信號的偏光面來提取光時(shí)鐘信號。
專利文獻(xiàn)1日本特許第3510247號公報(bào)專利文獻(xiàn)2日本特開平11-326974號公報(bào)專利文獻(xiàn)3日本特開2001-94199號公報(bào)
專利文獻(xiàn)4日本特開2004-363873號公報(bào)非專利文獻(xiàn)1T.Ono，T.Shimizu，Y.Yano，and H.Yokoyama，″Optical clock extraction from 10-Gbit/s data pulses by using monolithicmode-locked laser diodes，″OFC′95 Technical Digest，ThL4.
非專利文獻(xiàn)2M.Jinno and T.Matsumoto，″All-optical timingextraction using a 1.5μm self pulsating multielectrode DFB LD，″Electron.Lett.，vol.24，No.23 pp.1426-1427，1988.
非專利文獻(xiàn)3Y.Hashimoto，R.Kuribayashi，S.Nakamura，and I.ogura，″Optical clock recovery using optical phase-locked loop withvoltage-controlled mode-locked semiconductor laser，″ECOC 2004，Vol.3paper We2.5.1.
但是，要想實(shí)現(xiàn)第6或者第7方法，需要偏光合成分離電路、光延遲器、特殊規(guī)格的SOA以及光電二極管等構(gòu)成部件數(shù)量多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置。在產(chǎn)業(yè)中最期望實(shí)現(xiàn)的是使用由單一元件可實(shí)現(xiàn)的簡便裝置，不依賴于輸入光信號的偏光面來穩(wěn)定地提取光時(shí)鐘信號。如果能用單一元件實(shí)現(xiàn)光時(shí)鐘信號，則相比使用上述的構(gòu)成部件數(shù)量較多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜的裝置的情況，裝置的保養(yǎng)很容易，另外，對于穩(wěn)定工作的可靠性也高。
如果開發(fā)出具有不依賴于輸入光信號的偏光面，即可從輸入光信號穩(wěn)定地提取光時(shí)鐘信號的功能的單一元件，則使用半導(dǎo)體的集成化和大量生產(chǎn)技術(shù)，可以低價(jià)提供該元件。

發(fā)明內(nèi)容
于是，本發(fā)明的目的在于提供一種接近于單一元件的簡單結(jié)構(gòu)的元件，而且不依賴于輸入光信號的偏光面，即可從輸入光信號中提取與該比特率頻率相當(dāng)?shù)闹貜?fù)頻率(也稱作“時(shí)鐘頻率”)的光時(shí)鐘信號的無源模式同步半導(dǎo)體激光器和使用該無源模式同步半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的光時(shí)鐘信號提取裝置。另外，本發(fā)明還提供一種使該無源模式同步半導(dǎo)體激光器和光時(shí)鐘信號提取裝置工作的方法。
本發(fā)明第1方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器是包含形成有反轉(zhuǎn)分布的增益區(qū)域和具有調(diào)制光強(qiáng)度的功能的可飽和吸收區(qū)域，并且增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域串聯(lián)配置的半導(dǎo)體激光器。此處，特征在于增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域滿足下面的條件。
第1個(gè)條件是在增益區(qū)域中，偏光面針對與內(nèi)置于該增益區(qū)域的光導(dǎo)波路的寬度方向平行的方向的偏光(以后也稱為“TE偏光”)的光學(xué)增益，大于偏光面針對與內(nèi)置于該增益區(qū)域的光導(dǎo)波路的厚度方向平行的方向的偏光(以后也稱為“TM偏光”)的光學(xué)增益。另外，第2個(gè)條件是在可飽和吸收區(qū)域中，偏光面針對TE偏光的吸收飽和能量大于偏光面針對TM偏光的吸收飽和能量。
本發(fā)明第2方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器是包含有效光學(xué)折射率為可變的無源導(dǎo)波路區(qū)域、形成有反轉(zhuǎn)分布的增益區(qū)域和具有調(diào)制光強(qiáng)度的功能的可飽和吸收區(qū)域，并且無源導(dǎo)波路區(qū)域、增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域串聯(lián)配置的半導(dǎo)體激光器。此處，增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域應(yīng)滿足的條件與上述本發(fā)明第1方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器中的增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域應(yīng)滿足的條件相同。
上述本發(fā)明的第1和第2方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器(以后也稱為“本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器”)中，優(yōu)選內(nèi)置于增益區(qū)域的光導(dǎo)波路由體結(jié)晶形成，而且內(nèi)置于可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路由導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)(quantum well structure)來形成。或者，在上述本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器中，優(yōu)選內(nèi)置于增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路都由導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)來形成。
使用本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的本發(fā)明的第1光時(shí)鐘信號提取裝置構(gòu)成為具有本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器；輸入輸入光信號的輸入部；以及將用無源模式同步半導(dǎo)體激光器從該輸入光信號中所提取的光時(shí)鐘信號輸出的輸出部。
優(yōu)選輸入部具有用于使返回光不被輸入到傳送輸入光信號的光傳送路徑的第1光隔離器；和將輸入光信號輸出到本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器的第1耦合光學(xué)系統(tǒng)。
優(yōu)選輸出部構(gòu)成為具有用于使返回光不被輸入到無源模式同步半導(dǎo)體激光器的第2光隔離器；和將無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的光時(shí)鐘信號輸出到光傳送路徑的輸入端的第2耦合光學(xué)系統(tǒng)。并且還優(yōu)選除了第2光隔離器和第2耦合光學(xué)系統(tǒng)之外還構(gòu)成為具有對無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的光時(shí)鐘信號進(jìn)行濾波的波長濾波器。
另外，使用本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的本發(fā)明的第2光時(shí)鐘信號提取裝置構(gòu)成為具有本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器；和輸入輸入光信號、并且輸出用無源模式同步半導(dǎo)體激光器從該輸入光信號中提取的光時(shí)鐘信號的輸入輸出部。
該輸入輸出部優(yōu)選構(gòu)成為具有光循環(huán)器，其具有用于輸入輸入光信號的第1端口、輸出輸入光信號并輸入無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的光時(shí)鐘信號的第2端口、以及輸出該光時(shí)鐘信號的第3端口；和耦合光學(xué)系統(tǒng)，其向無源模式同步半導(dǎo)體激光器輸出從第2端口輸出的輸入光信號，并且向第2端口輸出無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的光時(shí)鐘信號。
并且，該輸入輸出部還優(yōu)選除了上述光隔離器和耦合光學(xué)系統(tǒng)之外還構(gòu)成為具有對無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的光時(shí)鐘信號進(jìn)行濾波的波長濾波器。
使用本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的本發(fā)明的第3光時(shí)鐘信號提取裝置與上述的第1光時(shí)鐘信號提取裝置同樣地構(gòu)成為具有本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器；輸入輸入光信號的輸入部；以及將用無源模式同步半導(dǎo)體激光器從該輸入光信號中所提取的光時(shí)鐘信號輸出的輸出部。其中，輸入部的結(jié)構(gòu)與上述的第1光時(shí)鐘信號提取裝置不同。
第3光時(shí)鐘信號提取裝置的輸入部構(gòu)成為具有第1偏光分離合成器、光衰減器或光放大器、第2偏光分離合成器和第1耦合光學(xué)系統(tǒng)。
第1偏光分離合成器將輸入光信號分離為第1輸入光信號和第2輸入光信號。光衰減器調(diào)整第1輸入光信號的強(qiáng)度作為第1調(diào)整輸入光信號輸出。第2偏光分離合成器對從光衰減器輸出的第1調(diào)整輸入光信號和第2輸入光信號進(jìn)行合波，并作為調(diào)整輸入光信號輸出。第1耦合光學(xué)系統(tǒng)將第2偏光分離合成器輸出的調(diào)整輸入光信號輸出給無源模式同步半導(dǎo)體激光器。
或者，光放大器放大第2輸入光信號的強(qiáng)度作為第2調(diào)整輸入光信號輸出，第2偏光分離合成器對從光放大器輸出的第2調(diào)整輸入光信號和第1光信號作為調(diào)整輸入光信號輸出。第1耦合光學(xué)系統(tǒng)將第2偏光分離合成器輸出的調(diào)整輸入光信號輸出給無源模式同步半導(dǎo)體激光器。
第3光時(shí)鐘信號提取裝置的輸入部優(yōu)選構(gòu)成為除了上述的第1偏光分離合成器、光衰減器或光放大器、第2偏光分離合成器和第1耦合光學(xué)系統(tǒng)之外，還具有用于使返回光不被輸入到傳送輸入光信號的光傳送路徑的第1光隔離器。
本發(fā)明的光時(shí)鐘信號提取方法是在上述第1到第3光時(shí)鐘信號提取裝置中，以任意一個(gè)被提取的光時(shí)鐘信號的振蕩縱模波長都與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)來驅(qū)動無源模式同步半導(dǎo)體激光器，從而從輸入光信號中提取光時(shí)鐘信號的方法。
當(dāng)向串聯(lián)配置了增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域的半導(dǎo)體激光器輸入輸入光信號時(shí)，半導(dǎo)體激光器內(nèi)的旋轉(zhuǎn)光脈沖的頻率和輸入光信號的比特率頻率變得同步，其結(jié)果為所得的模式動機(jī)脈沖被作為從輸入光信號中提取的光時(shí)鐘來處理，從而提取光時(shí)鐘信號。本發(fā)明第1方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器形成為在增益區(qū)域內(nèi)，對于TE偏光的光學(xué)增益大于對于TM偏光的光學(xué)增益。因此，本發(fā)明第1方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器的振蕩光被限制為TE偏光。
可飽和吸收區(qū)域通過輸入光信號產(chǎn)生吸收飽和，由此調(diào)制光吸收系數(shù)。根據(jù)該調(diào)制動作，通過使本發(fā)明第1方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器的振蕩狀態(tài)與所輸入的輸入光信號的光脈沖增益的重復(fù)即比特率頻率同步，生成光時(shí)鐘信號來輸出。因此，可飽和吸收區(qū)域中產(chǎn)生的光吸收系數(shù)的調(diào)制如果不依賴于輸入光信號的偏光方向，則能夠?qū)崿F(xiàn)不依賴于輸入光信號的偏光方向地從輸入光信號中提取光時(shí)鐘信號的無源模式同步半導(dǎo)體激光器。
為使可飽和吸收區(qū)域中產(chǎn)生的光吸收系數(shù)的調(diào)制不依賴于輸入光信號的偏光方向，雖然詳細(xì)說明將在后面，但需要輸入光信號為TE偏光或者TM偏光的任一個(gè)都要使可飽和吸收區(qū)域中的載子密度變化相等。本發(fā)明的發(fā)明者等在理論上已經(jīng)得出，為了不依賴于輸入光信號的偏光面的方向而使載子密度變化相等，本發(fā)明第1方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器在可飽和吸收區(qū)域中只要形成為對于TE偏光的吸收飽和能量大于對于TM偏光的吸收飽和能量即可實(shí)現(xiàn)。
另外，本發(fā)明的光時(shí)鐘信號提取方法是本發(fā)明第1或第2方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的任意一個(gè)光時(shí)鐘信號的振蕩縱模波長都以與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)來驅(qū)動無源模式同步半導(dǎo)體激光器的方法。通過這樣驅(qū)動，詳細(xì)說明將在后面，即使輸入光信號為TE偏光或者TM偏光的任一偏光狀態(tài)都可以同樣提取時(shí)間抖動較小的光時(shí)鐘信號。即，根據(jù)本發(fā)明的光時(shí)鐘信號提取方法，使用第1或第2光時(shí)鐘信號提取裝置，可以不依賴于輸入光信號的偏光方向來提取光時(shí)鐘信號。
本發(fā)明第2方面的無源模式同步半導(dǎo)體激光器是包含有效光學(xué)折射率為可變的無源導(dǎo)波路區(qū)域的、將增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域串聯(lián)配置的半導(dǎo)體激光器。通過向無源導(dǎo)波路區(qū)域注入電流，可以調(diào)整內(nèi)置有該區(qū)域的光導(dǎo)波路的有效光學(xué)折射率。通過調(diào)整該有效光學(xué)折射率，可以實(shí)現(xiàn)上述所提取的任意一個(gè)光時(shí)鐘信號的振蕩縱模波長都成為與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)。
在上述的本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器中，用體結(jié)晶形成內(nèi)置于增益區(qū)域內(nèi)的光導(dǎo)波路，而且用導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)來形成內(nèi)置于可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路，由此雖然在后面詳細(xì)敘述，但可以滿足上述第1條件和第2條件?；蛘?，通過都用導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)來形成內(nèi)置于增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路，可以更容易地滿足第1條件和第2條件。
通過在本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器中，具備輸入用于提取光時(shí)鐘信號的輸入光信號的輸入部和輸出光時(shí)鐘信號的輸出部，可以形成第1光時(shí)鐘信號提取裝置。該第1光時(shí)鐘信號提取裝置由于使用本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器來作為實(shí)現(xiàn)輸出光時(shí)鐘信號的功能的結(jié)構(gòu)部分，所以如上所述，可以不依賴于輸入光信號的偏光方向來提取光時(shí)鐘信號。
通過使輸入部具有用于使返回光不被輸入到傳送輸入光信號的光傳送路徑的光隔離器，可以遮蔽從本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器的入射端面等發(fā)射后再次回到光傳送路徑的光成分(以后有時(shí)也稱為“返回光”)。當(dāng)向光傳送路徑輸入了返回光時(shí)，將成為在光時(shí)鐘信號提取裝置之外的、構(gòu)成光通信系統(tǒng)的裝置等中產(chǎn)生錯(cuò)誤動作的原因。因此，找出不使返回光輸入到光傳送路徑的對策，是形成光時(shí)鐘信號提取裝置的問題上很重要的條件。
另外，通過在輸出部也設(shè)置光隔離器，可以遮蔽從輸入光時(shí)鐘信號的光傳送路徑的入射端面等反射后再次返回本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器的返回光成分(對于從光傳送路徑的入射端面等反射后再次返回?zé)o源模式同步半導(dǎo)體激光器的返回光成分，與上述相同地以后也有時(shí)稱為“返回光”)。當(dāng)返回光入射到無源模式同步半導(dǎo)體激光器時(shí)，會妨礙模式同步動作。因此，找出不使返回光再次返回到無源模式同步半導(dǎo)體激光器的對策，是形成光時(shí)鐘信號提取裝置的問題上很重要的條件。
并且除了光隔離器和第2耦合光學(xué)系統(tǒng)之外還構(gòu)成為具有對無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的光時(shí)鐘信號進(jìn)行濾光的波長濾波器，從而可以從無源模式同步半導(dǎo)體激光器輸出的輸出光中只濾波光時(shí)鐘信號的波長成分來提取。由此，可以遮蔽光時(shí)鐘信號之外的由無源模式同步半導(dǎo)體激光器等少量產(chǎn)生的噪聲成分。
通過在本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器中具備輸入輸入光信號且輸出使用無源模式同步半導(dǎo)體激光器從該輸入光信號中提取的光時(shí)鐘信號的輸入輸出部，可以形成第2光時(shí)鐘信號提取裝置。該第2光時(shí)鐘信號提取裝置由于也使用本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器來作為實(shí)現(xiàn)輸出光時(shí)鐘信號的功能的結(jié)構(gòu)部分，所以如上所述，可以不依賴于輸入光信號的偏光方向來提取光時(shí)鐘信號。
該輸入輸出部如果構(gòu)成為具有包含用于輸入輸入光信號的第1端口、輸出輸入光信號并輸入無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的光時(shí)鐘信號的第2端口、以及輸出該光時(shí)鐘信號的第3端口的光循環(huán)器；和向無源模式同步半導(dǎo)體激光器輸出從第2端口輸出的輸入光信號，并且向第2端口輸出無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的光時(shí)鐘信號的耦合光學(xué)系統(tǒng)，則可以使用無源模式同步半導(dǎo)體激光器的一個(gè)端面作為輸入和輸出端面。
即，在光時(shí)鐘信號提取裝置中，可以通用輸入光信號的輸入端和光時(shí)鐘信號的輸出端。當(dāng)將光時(shí)鐘信號提取裝置用于光通信系統(tǒng)時(shí)，為方便構(gòu)成裝置，通過通用輸入光信號的輸入端和光時(shí)鐘信號的輸出端，可以實(shí)現(xiàn)光時(shí)鐘信號提取裝置的緊湊化。
在輸入輸出部中除了上述的光循環(huán)器以外還構(gòu)成為具有對無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的光時(shí)鐘信號進(jìn)行濾波的波長濾波器，可以從無源模式同步半導(dǎo)體激光器輸出的輸出光中僅濾波光時(shí)鐘信號的波長成分來提取。由此，可以遮蔽上述的光時(shí)鐘信號之外的噪聲成分。
在本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器中通過具備構(gòu)成為具有第1偏光分離合成器、光衰減器或光放大器、第2偏光分離合成器和第1耦合光學(xué)系統(tǒng)的輸入部，可以形成第3光時(shí)鐘信號提取裝置。通過第1偏光分離合成器可以將輸入光信號分離為第1輸入光信號和第2輸入光信號，由光衰減器衰減調(diào)整第1輸入光信號的強(qiáng)度，成為第1調(diào)整輸入光信號?；蛘哂霉夥糯笃鞣糯笳{(diào)整第2輸入光信號的強(qiáng)度，成為第2調(diào)整輸入光信號。
第1調(diào)整輸入光信號和第2輸入光信號或者第2調(diào)整輸入光信號和第1輸入光信號在第2偏光分離合成器中進(jìn)行合波，并作為調(diào)整輸入光信號輸出。即，使用光衰減器或者光放大器來調(diào)整第1和第2輸入光信號的強(qiáng)度。一般地，如果使用光衰減器或者光放大器之中的一個(gè)就能夠?qū)崿F(xiàn)第3光時(shí)鐘信號提取裝置的目的，但也可以使用光衰減器和光放大器雙方來調(diào)整第1和第2輸入光信號的相互的強(qiáng)度。
即，通過調(diào)整第1和/或第2輸入光信號的強(qiáng)度，雖然將在后面詳細(xì)敘述，但用于第3光時(shí)鐘信號提取裝置的本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器即使具有固有的偏光依賴性，也可以不依賴于偏光來提取光時(shí)鐘信號。
即使在第3光時(shí)鐘信號提取裝置的輸入部中，由于具有光隔離器，從而可以得到遮蔽從本發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器的入射端面等反射后再次返回光傳送路徑的光成分的效果。


圖1是第1發(fā)明的MLLD的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖2是使用第1發(fā)明的MLLD的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖3是使用第1發(fā)明的MLLD的第2光時(shí)鐘信號提取裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖4是表示輸入光信號和光時(shí)鐘信號的時(shí)間波形的圖。
圖5是用于說明第1發(fā)明的MLLD進(jìn)行的提取光時(shí)鐘信號的工作原理的圖。
圖6是表示增益區(qū)域的增益光譜的圖。
圖7是表示材料增益和微分增益的載子密度依賴性的圖。
圖8是表示時(shí)間抖動相對于波長失諧和模式間隔之比的關(guān)系的圖。
圖9是用于說明無源模式同步的工作原理的圖。
圖10是第2發(fā)明的MLLD的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖11是使用第2發(fā)明的MLLD的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖12是用于說明使用第2發(fā)明的MLLD進(jìn)行提取光時(shí)鐘信號的工作原理的圖。
圖13是使用了第1發(fā)明的MLLD的第3光時(shí)鐘信號提取裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。
圖14是光時(shí)鐘信號的時(shí)間抖動相對于輸入光信號的強(qiáng)度的關(guān)系的圖。
具體實(shí)施例方式
下面參照

本發(fā)明的實(shí)施方式。另外，各示出本發(fā)明涉及的一個(gè)結(jié)構(gòu)例，只不過是以能理解本發(fā)明的程度示意性示出各結(jié)構(gòu)要素的配置關(guān)系等，并非將本發(fā)明限定于圖示例。另外，在下面的說明中，有時(shí)使用特定的材料和條件等，但這些材料和條件只不過是優(yōu)選例之一，因此，并不限定于這些。再有，關(guān)于各圖中的相同的結(jié)構(gòu)要素有時(shí)省略對其的重復(fù)說明。并且，用粗線表示光路徑、用細(xì)線表示電信號的傳送路徑。
<第1發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器>
參照圖1(A)和(B)說明第1發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)。以后，將無源模式同步半導(dǎo)體激光器(Mode-Locked Laser Diode)簡稱為MLLD。圖1(A)是從相對于光導(dǎo)波路方向的垂直側(cè)面方向觀察第1發(fā)明的無源模式同步半導(dǎo)體激光器(以后稱為“MLLD”)的概要結(jié)構(gòu)圖，圖1(B)是從光導(dǎo)波路18的一側(cè)、即與光導(dǎo)波路方向?qū)χ玫姆较蛴^察MLLD的概要結(jié)構(gòu)圖。
MLLD 10包含形成有反轉(zhuǎn)分布的增益區(qū)域30和具有調(diào)制光強(qiáng)度的功能的可飽和吸收區(qū)域32，增益區(qū)域30和可飽和吸收區(qū)域32是串聯(lián)配置的半導(dǎo)體激光器。增益區(qū)域30和可飽和吸收區(qū)域32如圖1(A)所示形成為單片。通過恒定電流源28經(jīng)由n側(cè)共通電極12和增益區(qū)域的p側(cè)電極24向增益區(qū)域30注入電流。通過恒定電壓源26經(jīng)由n側(cè)共通電極12和可飽和吸收區(qū)域的p側(cè)電極22向可飽和吸收區(qū)域32施加反向偏壓。
內(nèi)置于增益區(qū)域30的光導(dǎo)波路16(以后也稱為“增益區(qū)域30的光導(dǎo)波路16”)和內(nèi)置于可飽和吸收區(qū)域32的光導(dǎo)波路18(以后也稱為“可飽和吸收區(qū)域32的光導(dǎo)波路18”)構(gòu)成為都被共同的第1包層14和第2包層20夾持。此處，設(shè)第1包層14為n型包層，第2包層20為p型包層。構(gòu)成光導(dǎo)波路16和光導(dǎo)波路18的結(jié)晶材料根據(jù)輸入到MLLD 10中的輸入光信號的波長來決定。例如如果該輸入光信號的波長為1.5μm左右，則使用InP類的半導(dǎo)體體結(jié)晶材料或者InP類的半導(dǎo)體結(jié)晶材料的量子阱結(jié)構(gòu)。
與光導(dǎo)波路16和光導(dǎo)波路18的導(dǎo)波方向垂直的方向的剖面形狀如圖1(B)所示，為寬度是w、厚度是d的矩形光導(dǎo)波路。關(guān)于輸入光信號的偏光的狀態(tài)，如下定義。即，在光導(dǎo)波路16和光導(dǎo)波路18中進(jìn)行導(dǎo)波的光的偏光面(光的電場光譜的振動面)的方向在與這些光導(dǎo)波路的寬度方向平行的方向(在圖1(B)中為水平方向)上時(shí)為TE偏光，在與厚度方向平行的方向(在圖1(B)中為垂直方向)上時(shí)為TM偏光。
此處，增益區(qū)域30的光導(dǎo)波路16由體結(jié)晶或者導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)來形成。MLLD 10的振蕩光的偏光狀態(tài)被設(shè)定為TE偏光來進(jìn)行下面的說明。之后，有時(shí)也將振蕩光為TE偏光的激光器振蕩動作稱為TE模式動作，光導(dǎo)波路16和光導(dǎo)波路18中的振蕩光的導(dǎo)波模式稱為TE模式。同樣地，有時(shí)也將振蕩光為TM偏光的激光器振蕩動作稱為TM模式動作，光導(dǎo)波路16和光導(dǎo)波路18中的振蕩光的導(dǎo)波模式稱為TM模式。
此處，在增益區(qū)域中，對相對于TE偏光的光學(xué)增益要大于相對于TM偏光的光學(xué)增益的條件(上述的第1條件)進(jìn)行說明。
在增益區(qū)域30的光導(dǎo)波路16中，分別利用ΓTEgTE和ΓTMgTM給出TE模式和TM模式的光導(dǎo)波路16中的每單位長度的光學(xué)增益。此處，ΓTE和ΓTM分別為對于TE模式和TM模式的光密封系數(shù)，gTE和gTM分別為對于TE模式和TM模式的材料增益。gTE和gTM是構(gòu)成光導(dǎo)波路16的材料固有的值。另外，ΓTE和ΓTM是根據(jù)構(gòu)成光導(dǎo)波路16的材料的折射率和光導(dǎo)波路16的尺寸即寬度w和厚度d來決定的值。
如果使用上述的光密封系數(shù)Γ和材料增益g表示對于增益區(qū)域中的TE模式的光學(xué)增益大于對于TM模式的光學(xué)增益的條件，則為下式(1)。
ГTEgTE＞ΓTMgTM......(1)另外，對于TM模式的光學(xué)增益ΓTMgTM被設(shè)定為比0大得多的值。即設(shè)定對于TM模式的光學(xué)增益ΓTMgTM以滿足ΓTMgTM＞0......(2)。
另一方面，說明在可飽和吸收區(qū)域中，對于TE模式的吸收飽和能量大于對于TM模式的吸收飽和能量的條件(上述的第2條件)。
可飽和吸收區(qū)域32的光吸收系數(shù)α與載子密度N成比例，使用下式(3)來給出。
α＝ГA(N-N0)......(3)此處，A為微分增益，N0為透明狀態(tài)下的載子密度。
另外，吸收飽和能量Esat使用下式(4)來給出。
Esat＝((h/2π)ω0wd)/(ГA)......(4)此處，h是普朗克常數(shù)，ω0是輸入光信號的光角頻率。
將對于TE模式和TM模式的光導(dǎo)波路18中的微分增益分別設(shè)定為ATE和ATM，以滿足下式(5)。
ΓTMATM＞ГTEATE......(5)如果這樣設(shè)定，則可以滿足對于TE模式的吸收飽和能量Esat.TE大于對于TM模式的吸收飽和能量Esat，TM的條件Esat.TE＞Esat.TM。
<第1光時(shí)鐘信號提取裝置>
參照圖2說明第1光時(shí)鐘信號提取裝置的結(jié)構(gòu)。圖2是從相對于光導(dǎo)波路方向的垂直側(cè)面方向觀察使用第1發(fā)明的MLLD 10的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。
使用第1發(fā)明的MLLD 10構(gòu)成的本發(fā)明的第1光時(shí)鐘信號提取裝置構(gòu)成為具有該MLLD 10、輸入輸入光信號49的輸入部34和輸出使用MLLD 10從該輸入光信號提取出的光時(shí)鐘信號51的輸出部46。
輸入部34構(gòu)成為具有用于不使返回光被輸入到傳送輸入光信號49的光傳送路徑48中的第1光隔離器36和將輸入光信號輸出到本發(fā)明的MLLD 10中的第1耦合光學(xué)系統(tǒng)38。
輸出部46構(gòu)成為具有用于不使返回光輸入到MLLD 10中的第2光隔離器42和將MLLD 10所提取的光時(shí)鐘信號輸出到光傳送路徑52的輸入端的第2耦合光學(xué)系統(tǒng)40。
另外，除了第2光隔離器42和第2耦合光學(xué)系統(tǒng)40，還具有對從MLLD 10提取的光時(shí)鐘信號進(jìn)行濾波的波長濾波器44。
第1耦合光學(xué)系統(tǒng)38和第2耦合光學(xué)系統(tǒng)40在此使用凸透鏡構(gòu)成，但不限于凸透鏡，也可以由具有聚光功能的折射率分布型光導(dǎo)波路或全息光學(xué)元件等構(gòu)成。
可以使用偏波無依賴型的光隔離器作為第1光隔離器36，可以適當(dāng)選擇偏波無依賴型的光隔離器或者使用了磁性石榴石結(jié)晶的偏光依賴型的光隔離器等來作為第2光隔離器42。另外，波長濾波器44可以適當(dāng)從使用了電介質(zhì)多層膜的波長濾波器等中進(jìn)行選擇來使用。
在圖2中示出了使用第2耦合光學(xué)系統(tǒng)40使來自MLLD 10的輸出光輸入到第2光隔離器42中，將來自第2光隔離器42的輸出光輸入到波長濾波器44中，將來自波長濾波器44的輸出光輸入到光傳送路徑52的輸入端的結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)只不過是輸出部46的一個(gè)結(jié)構(gòu)例。所謂耦合光學(xué)系統(tǒng)40可以理解為用于使來自MLLD 10的輸出光輸入到第2光隔離器42中的凸透鏡、使來自第2光隔離器42的輸出光輸入到波長濾波器44中的凸透鏡和使來自波長濾波器44的輸出光輸入到光傳送路徑52的輸入端的凸透鏡等的耦合光學(xué)系統(tǒng)的總稱。
<第2光時(shí)鐘信號提取裝置>
參照圖3說明第2光時(shí)鐘信號提取裝置的結(jié)構(gòu)。圖3是從相對于光導(dǎo)波路方向的垂直側(cè)面方向觀察使用第1發(fā)明的MLLD 10的第2光時(shí)鐘信號提取裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。
使用第1發(fā)明的MLLD 10構(gòu)成的本發(fā)明的第2光時(shí)鐘信號提取裝置構(gòu)成為具有該MLLD 10和輸入輸入光信號62、而且將由該MLLD 10提取的光時(shí)鐘信號66輸出到光傳送路徑68的輸入端的輸入輸出部50。
該輸入輸出部50具有輸入輸入光信號62的第1端口a；輸出輸入光信號并且輸入由MLLD 10提取的光時(shí)鐘信號的第2端口b；具有輸出該光時(shí)鐘信號的第3端口c的光循環(huán)器58；和將來自第2端口b的輸出光輸出給MLLD 10、而且將由MLLD 10提取的光時(shí)鐘信號輸出給第2端口b的耦合光學(xué)系統(tǒng)54。
另外，該輸入輸出部50除了上述的光循環(huán)器58和耦合光學(xué)系統(tǒng)54之外，還具有對由MLLD 10提取的光時(shí)鐘信號進(jìn)行濾波的波長濾波器60。
耦合光學(xué)系統(tǒng)54與上述的第1光時(shí)鐘信號提取裝置同樣地，在此處利用凸透鏡構(gòu)成，但不限于凸透鏡，也可以用具有聚光功能的折射率分布型光導(dǎo)波路或者全息光學(xué)元件等構(gòu)成。另外，波長濾波器60也與上述的第1光時(shí)鐘信號提取裝置同樣地，可以適當(dāng)從使用了電介質(zhì)多層膜的波長濾波器等中選擇來使用。
<光時(shí)鐘信號提取>
光時(shí)鐘信號提取動作在下述條件下進(jìn)行。即，所提取的光時(shí)鐘信號的任意一個(gè)振蕩縱模波長都以與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)來驅(qū)動MLLD。以下將詳細(xì)說明通過這樣進(jìn)行驅(qū)動，輸入光信號即使為TE偏光或者TM偏光中的任一個(gè)的偏光狀態(tài)時(shí)，也能同樣提取時(shí)間抖動較小的光時(shí)鐘信號。
首先，參照圖4(A)和(B)和圖5(A)和(B)來說明光時(shí)鐘信號提取動作的條件。在圖4(A)和(B)中，橫軸用任意尺度表示時(shí)間。另外，在圖5(A)和(B)中，橫軸用任意尺度表示光頻率。在圖4(A)和(B)和圖5(A)和(B)中，分別省略了縱軸，但在縱軸方向用任意尺度表示光強(qiáng)度。圖4(A)表示輸入光信號的時(shí)間波形，圖4(B)表示光時(shí)鐘信號的時(shí)間波形。另外，圖5(A)和(B)是用于說明第1發(fā)明的利用MLLD提取光時(shí)鐘信號的動作原理的圖，圖5(A)表示提取的光時(shí)鐘信號的振蕩縱模，圖5(B)表示輸入光信號的頻譜。
成為提取光時(shí)鐘信號的對象的輸入光信號由于是對在時(shí)間軸上以正確規(guī)則下的一定周期間隔排列的光脈沖串進(jìn)行光調(diào)制，作為光的發(fā)送信號即2值數(shù)字信號的RZ信號，所以存在沒有光脈沖的時(shí)間帶(也稱為時(shí)隙)。相鄰的光脈沖的間隔，即時(shí)隙的寬度為比特率頻率f的倒數(shù)1/f。
在圖4(A)中作為一例表示的輸入光信號中，不存在兩個(gè)時(shí)隙的光脈沖，如果用“1”表示存在光脈沖而用“0”表示不存在光脈沖，則該RZ信號意味著“1、1、0、1、1、1、1、0、1、1、1”。
另一方面，圖4(B)所示的光時(shí)鐘信號成為在時(shí)間軸上以正確規(guī)則下的一定周期間隔排列的光脈沖串，此處相鄰的光脈沖的間隔，即時(shí)隙的寬度也為比特率頻率f的倒數(shù)1/f。這使用了下面的現(xiàn)象。
即，MLLD的頻率響應(yīng)特性表示利用諧振器旋轉(zhuǎn)頻率(與fML近似的頻率)和其自然數(shù)倍的頻率進(jìn)行基于諧振的尖銳響應(yīng)。輸入光信號的頻譜分布具有在比特率頻率處較大的成分，其周圍具有廣泛分布的頻譜。當(dāng)向MLLD輸入光信號，且輸入光信號的比特率頻率與fML近似時(shí)，在MLLD的頻率響應(yīng)特性的性質(zhì)上，輸入光信號的比特率頻率成分被放大，其他成分衰減。利用該現(xiàn)象來從輸入光信號中提取光時(shí)鐘信號就是本發(fā)明的光時(shí)鐘信號提取方法。
參照圖5(A)和(B)，更加定量地表示所提取的光時(shí)鐘信號的任意一個(gè)縱模光譜都是與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)。如果設(shè)構(gòu)成縱模的頻率之一為f0，則光時(shí)鐘信號具有的縱模的光頻率fCLK可以用fCLK＝f0+(NfML)給出。此處，N為整數(shù)，fML是光時(shí)鐘信號的振蕩縱模間隔。
此時(shí)，當(dāng)輸入光信號具有的多個(gè)頻譜成分fcarrier之中的一個(gè)滿足下式(6)時(shí)，所提取的光時(shí)鐘信號的任意一個(gè)振蕩縱模光譜的峰值波長都成為與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)。
fcarrier＝f0+(N+d)fML......(6)此處最優(yōu)選的狀態(tài)是d的值等于0.5的狀態(tài)。即，輸入光信號具有的多個(gè)頻譜的峰值波長存在于光時(shí)鐘信號具有的縱模列的中間位置。
下面，依次對以下示出本發(fā)明的光時(shí)鐘信號提取的原理的(A)在可飽和吸收區(qū)域中產(chǎn)生的吸收調(diào)制強(qiáng)度的偏光面無依賴性和(B)諧振效果的抑制進(jìn)行詳細(xì)說明。
(A)在可飽和吸收區(qū)域中產(chǎn)生的吸收調(diào)制強(qiáng)度的偏光面無依賴性MLLD的振蕩光的偏光狀態(tài)如果依賴于輸入光信號的偏光狀態(tài)，則產(chǎn)生如下問題。在光中繼器等中再現(xiàn)光信號時(shí)，暫時(shí)從輸入光信號中提取光時(shí)鐘信號。然后，從該光時(shí)鐘信號中再現(xiàn)光信號。從該光時(shí)鐘信號中再現(xiàn)光信號時(shí)使用的光調(diào)制器被限定于以偏光無依賴來工作的問題就是第1點(diǎn)。另外，MLLD的振蕩光的偏光狀態(tài)在輸入光信號從TM偏光到TM偏光，或者從TM偏光到TE偏光變化的遷移過程中產(chǎn)生過渡性工作不穩(wěn)定的問題就是第2點(diǎn)。特別在第2點(diǎn)中所提出的問題在確保光時(shí)鐘信號提取動作的穩(wěn)定性方面，是絕對不能發(fā)生的現(xiàn)象。
上述式(1)是表示為了將MLLD的振蕩光限定為TE偏光，而需要把對于TE模式的光學(xué)增益設(shè)定得大于對于TM模式的光學(xué)增益的式子。另外，上述式(2)是給予用于即使在輸入光信號為TM偏光，也能在增益區(qū)域中獲得有意的光學(xué)增益的條件的式子。
在InP和GaAs等或者作為它們的混晶的III-V族半導(dǎo)體體結(jié)晶中，材料增益對于TE模式或者TM模式都為同一值。即，gTE＝gTM。另外，在寬度(w)比厚度(d)足夠大的光導(dǎo)波路中，對于TE模式的光密封系數(shù)ΓTE大于對于TM模式的光密封系數(shù)ΓTM。即，ΓTE＞ΓTM。因此，如果將增益區(qū)域構(gòu)成為具有以體結(jié)晶構(gòu)成的光導(dǎo)波路，則在該增益區(qū)域中，滿足上述式(1)即ΓTEgTE＞ΓTMgTM。
另外，對于TM模式的光密封系數(shù)(ΓTM)雖然小于對于TE模式的光密封系數(shù)(ΓTE)，但其為有限的值，由于材料增益gTM也為有限的值，所以兩者的積ΓTMgTM取比0大的值。因此，在用III-V族半導(dǎo)體體結(jié)晶構(gòu)成的光導(dǎo)波路中，也滿足上述式(2)給出的條件。
另一方面，對利用量子阱結(jié)構(gòu)形成增益區(qū)域的光導(dǎo)波路的情況進(jìn)行研究。體結(jié)晶和量子阱結(jié)構(gòu)的不同在于能級結(jié)構(gòu)。即，通過構(gòu)成量子阱結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)，因此形成不同于體結(jié)晶的能級。具體而言，在體結(jié)晶的價(jià)電子帶(valence band)的帶結(jié)構(gòu)中，較輕的空穴(LHLightHole)和較重的空穴(HHheavy hole)之間的縮退被解除。在量子阱結(jié)構(gòu)的能級中，有效質(zhì)量(effective mass)較小的LH比有效質(zhì)量較大的HH產(chǎn)生更大的能量偏移。其結(jié)果，用于在價(jià)電子帶中形成LH、來使電子向傳導(dǎo)帶(conduction band)遷移的能量(以后也稱為“e-LH間的帶隙”)大于用于在價(jià)電子帶中形成HH、來使電子向傳導(dǎo)帶遷移的能量(以后也稱為“e-HH間的帶隙”)。
當(dāng)向增益區(qū)域注入了載子時(shí)，帶隙較小的、通過在價(jià)電子帶中形成HH而使電子向傳導(dǎo)帶遷移(以后也稱為“e-HH間遷移”)所實(shí)現(xiàn)的反轉(zhuǎn)分布較易形成。即，可得到e-HH間遷移實(shí)現(xiàn)的光學(xué)增益。通過遷移的選擇側(cè)，主要將e-HH間遷移賦予在TE模式上，在價(jià)電子帶上形成LH而使電子向傳導(dǎo)帶遷移的遷移(以后也稱為“e-LH間遷移”)賦予在TM模式上。由此，一般在量子阱結(jié)構(gòu)中對于TE模式產(chǎn)生較大的光增益，對于TM模式幾乎不產(chǎn)生光增益。即雖然gTE取較大的值，但gTM幾乎為0或?yàn)樨?fù)。因此，在具有量子阱結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)波路的增益區(qū)域中，可以滿足上述式(1)所給出的條件，但無法滿足式(2)所給出的條件。
另一方面，眾所周知當(dāng)向量子阱層導(dǎo)入拉伸應(yīng)變時(shí)，e-LH間的帶隙的大小變小。因此，通過向量子阱層導(dǎo)入拉伸應(yīng)變，可以使e-LH間的帶隙的大小靠近e-HH間的帶隙的大小。通過在增益區(qū)域中采用這樣導(dǎo)入拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)所形成的光導(dǎo)波路，可將對于TM模式的光學(xué)增益設(shè)為與對于TE模式的光學(xué)增益同等程度的大小。
這樣，由于可以控制對于TM模式的光學(xué)增益，所以導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)為了實(shí)現(xiàn)偏光無依賴動作而被導(dǎo)入到例如半導(dǎo)體光放大器或半導(dǎo)體電場吸收型光調(diào)制器等中(例如參照F.Devaux，S.Chelles，A.Ougazzaden，A.Mircea，F(xiàn).Huet，and M.Carre，″10 Gbit/s operation ofpolarisation insensitive，strained InGaAsP/InGaAsP MQW electroabsorptionmodulator，″Electron.Lett.vol.29，No.13，pp.1201-1203，(1993).)。
參照圖6(A)到(D)，說明具有應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的光導(dǎo)波路的增益區(qū)域中的材料增益的偏光依賴性。橫軸以nm單位為刻度表示波長，縱軸以cm-1單位為刻度表示光學(xué)增益。
此處所示的材料增益的偏光依賴性是假定用勢壘(Barrier Layer)夾持單一量子阱(single-quantum well)的單一量子阱結(jié)構(gòu)(single-quantumwell structure)來計(jì)算的結(jié)果。勢壘由沒有導(dǎo)入帶隙波長為1.36μm的應(yīng)變的InGaAsP形成，來進(jìn)行計(jì)算。
關(guān)于導(dǎo)入量子阱層的應(yīng)變，分別改變應(yīng)變的大小來計(jì)算材料增益，其結(jié)果分別表示沒有向圖6(A)導(dǎo)入應(yīng)變的情況、向圖6(B)導(dǎo)入0.5％的壓縮應(yīng)變(有時(shí)將壓縮應(yīng)變作為負(fù)值描述為-0.5％的應(yīng)變)的情況、向圖6(C)導(dǎo)入0.25％的拉伸應(yīng)變的情況和向圖6(D)導(dǎo)入0.58％的拉伸應(yīng)變的情況。另外，量子阱層的帶隙波長被設(shè)定為，當(dāng)量子阱層的厚度為9nm時(shí)e-HH間的帶隙波長為1.53μm。包含上述說明的計(jì)算上的參數(shù)在內(nèi)，在表1中一覽表示圖6(A)到(D)所示的材料增益的計(jì)算所用的參數(shù)等。
表1


從圖6(A)到(D)中，用實(shí)線表示對于TE模式的材料增益，用虛線表示對于TM模式的材料增益。另外，將注入載子密度變化為(a)1×1018cm-3、(b)3×1018cm-3、(c)5×1018cm-3、(d)7×1018cm-3來計(jì)算材料增益。在圖6(A)到(D)中，對于TE模式，用(a1)、(b1)、(c1)、(d1)表示各自的注入載子密度的材料增益，對于TM模式用(a2)、(b2)、(c2)、(d2)表示。
如圖6(A)和(B)所示，在波長1.53μm(1530nm)下，在未導(dǎo)入應(yīng)變或者導(dǎo)入了壓縮應(yīng)變的量子阱中，在虛線所示的(a2)、(b2)、(c2)和(d2)的曲線上，由于波長1.53μm(1530nm)的位置處幾乎位于從0到負(fù)的區(qū)域的附近，所以對于TM模式的材料增益(gTM)可讀取為幾乎從0cm-1到負(fù)的區(qū)域。另一方面，在導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱中，如圖6(C)和(D)所示，在波長1.53μm的位置處，在虛線所示的(c2)和(d2)的曲線上，由于波長1.53μm上表示0以上的值，所以表示可以得到對于TM模式的材料增益gTM。特別如圖6(D)所示，如果導(dǎo)入0.58％的拉伸應(yīng)變時(shí)，適當(dāng)設(shè)定注入載子密度，則得知材料增益(gTM)可以大于對于TE模式的材料增益(gTE)。
根據(jù)上述的計(jì)算結(jié)果，由于在形成增益區(qū)域的光導(dǎo)波路上采用導(dǎo)入了適度的拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)，所以得知可以滿足上述式(1)和(2)所給出的光學(xué)增益相關(guān)的條件。
下面說明可飽和吸收區(qū)域中的光吸收系數(shù)的調(diào)制。
當(dāng)圖2所示的第1光時(shí)鐘信號提取裝置中從輸入部34向第1發(fā)明的MLLD 10輸入輸入光信號時(shí)，在傳播后將增益區(qū)域輸入到可飽和吸收區(qū)域32內(nèi)?？娠柡臀諈^(qū)域32根據(jù)所輸入的輸入光信號產(chǎn)生吸收飽和。通過產(chǎn)生該吸收飽和，可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路l8的光吸收系數(shù)被光學(xué)地調(diào)制。通過該調(diào)制，MLLD 10內(nèi)的光旋轉(zhuǎn)的周期與輸入光信號的比特率頻率同步，在MLLD 10內(nèi)產(chǎn)生光時(shí)鐘信號并被提取。該光時(shí)鐘信號作為光時(shí)鐘信號51被從輸出部46中輸出。
如果形成可飽和吸收區(qū)域32的光導(dǎo)波路18使得可飽和吸收區(qū)域32中產(chǎn)生的光吸收系數(shù)的調(diào)制度不依賴于輸入光信號的偏光面，則可以滿足作為本發(fā)明的目的的用于不依賴于輸入光信號的偏光面來提取光時(shí)鐘信號的必要的一個(gè)條件。
可飽和吸收區(qū)域中的光吸收系數(shù)根據(jù)是TE模式還是TM模式分別由下式(7)和(8)給出。
αTE(N′)＝ΓTEATE(N′-NO.TE)......(7)αTM(N′)＝ΓTMATM(N′-NO.TM)......(8)此處，N’為可飽和吸收區(qū)域32的光導(dǎo)波路18中不存在輸入光信號時(shí)的載子密度。NO.TE和NO.TM分別為對于TE模式和TM模式而成為透明狀態(tài)的載子密度。
另外，可飽和吸收區(qū)域32的光導(dǎo)波路18的光吸收系數(shù)的變化根據(jù)是TE模式還是TM模式分別由下式(9)和(10)給出。
αTE(PTE)=αTE(N′)1+pTEEsat.TE......(9)]]>αTM(pTM)=αTM(N′)1+pTMEsat.TM......(10)]]>此處，Esat.TE和Esat.TM分別為對于TE模式和TM模式的吸收飽和能量，可由下式(11)和(12)給出。
Esat.TE＝((h/2π)ω0Wd)/(ΓTEATE)......(11)Esat.TM＝((h/2π)ω0Wd)/(ΓTMATM)......(12)另外，PTE和PTM分別給予到達(dá)可飽和吸收區(qū)域32時(shí)的輸入光信號的TE模式成分和TM模式成分的強(qiáng)度，分別用下式(13)和(14)給出。
PTE＝Pexp(ΓTEgTELg)......(13)PTM＝Pexp(ΓTMgTMLg)......(14)此處，P表示從輸入部34向MLLD 10輸入輸入光信號之前的強(qiáng)度，Lg表示增益區(qū)域的長度。
上述式(7)和(8)中，光吸收系數(shù)αTE和αTM的變化與載子密度N(即(N’-NO.TE)或者(N′-NO.TM))成比例。因此，可知在MLLD 10的可飽和吸收區(qū)域中，要想使光吸收系數(shù)的調(diào)制度不依賴于輸入光信號的偏光面，只需將載子密度N同等變動即可。
上述式(7)中，對于TE偏光的光吸收系數(shù)相對于載子密度N的變化ΔN的變化ΔαTE可由下式(15)給出。
ΔαTE＝αTE(N′+ΔN)-αTE(N′)=ΓTEATEΔN......(15)另外，另一方面，TE偏光的輸入所產(chǎn)生的吸收飽和帶來的光吸收系數(shù)的變化ΔαTE可由下式(16)給出。
ΔαTE=αTE(PTE=0)-αTE(PTE)=αTE(N′)1+Esat.TEpTE......(16)]]>式(15)和(16)中，輸入光信號為TE偏光時(shí)的載子密度的變化AN可由下式(17)給出。同樣地輸入光信號為TM偏光時(shí)的載子密度的變化ΔN可由下式(18)給出。
ΔN=N′-N0.TE1+Esat.TEpTE......(17)]]>ΔN=N′-N0.TM1+Esat.TMpTM......(18)]]>即，如果滿足將式(17)和(18)的各自的右邊相等而得到的下式(19)，則可以使可飽和吸收區(qū)域32中產(chǎn)生的光吸收系數(shù)的調(diào)制度不依賴于輸入光信號的偏光面。
N′-N0.TE1+Esat.TEpTE=N′-N0.TM1+Esat.TMpTM......(19)]]>根據(jù)后述的圖7(A)到(D)所示的計(jì)算結(jié)果，在拉伸應(yīng)變量子阱中，可以使NO.TE和NO.TM幾乎相等。因此，式(19)可以寫為下式(20)的形式。
Esat.TEexp(ΓTEgTELg)=Esat.TMexp(ΓTMgTMLg)......(20)]]>式(20)意味著以下內(nèi)容。即，需要將對于TM偏光的吸收飽和能量Esat.TM設(shè)定得小于對于TE偏光的吸收飽和能量Esat.TE。根據(jù)上述式(11)和(12)可知，對于TE偏光和TM偏光的吸收飽和能量分別與微分增益ATE或者ATM的倒數(shù)成比例，所以為了滿足式(20)需要滿足式(5)。即，可知可飽和吸收區(qū)域32中的微分增益需要設(shè)定為對于TM偏光的一方要大于對于TE偏光的一方。
參照圖7(A)到(D)，說明圖6(A)到(D)所示的單一量子阱結(jié)構(gòu)中對于波長1.53μm的光的材料增益和微分增益的載子密度依賴性。橫軸以cm-3單位為刻度表示載子密度，左側(cè)的縱軸以cm-1單位為刻度表示材料增益，右側(cè)的縱軸以cm2單位為刻度表示微分增益。
改變導(dǎo)入到量子阱層的應(yīng)變來計(jì)算材料增益和微分增益，其結(jié)果分別是圖7(A)表示沒有導(dǎo)入應(yīng)變的情況、圖7(B)表示導(dǎo)入了-0.5％的壓縮應(yīng)變的情況、圖7(C)表示導(dǎo)入了0.25％的拉伸應(yīng)變的情況和圖7(D)表示導(dǎo)入了0.58％的拉伸應(yīng)變的情況。另外，此處的計(jì)算中量子阱層的帶隙波長和各個(gè)參數(shù)與圖6(A)到(D)同樣地如上述表1所示那樣設(shè)定。
用粗實(shí)線表示對于TE模式的材料增益，用細(xì)虛線表示微分增益。另外，用單點(diǎn)虛線表示對于TM模式的材料增益，用虛線表示微分增益。如圖7(A)和(B)所示，在沒有向量子阱導(dǎo)入應(yīng)變的情況或者導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的情況下，在載子濃度特別高的區(qū)域中，對于TE模式的材料增益大于對于TM模式的材料增益。另一方面，如圖7(C)和(D)所示，可知如果向量子阱導(dǎo)入拉伸應(yīng)變，則在載子濃度特別高的區(qū)域中，對于TM模式的材料增益大于對于TE模式的材料增益。因此，通過將增益區(qū)域30作為體結(jié)晶或者導(dǎo)入了適度的拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)，可以滿足上述式(1)和(2)。
另一方面，如圖7(A)和(B)所示，在沒有向量子阱導(dǎo)入應(yīng)變的情況或者導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的情況下，對于TE模式的材料增益大于對于TM模式的材料增益。另一方面，如圖7(C)和(D)所示，可知如果向量子阱導(dǎo)入應(yīng)變，則對于TM模式的材料增益大于對于TE模式的材料增益。因此，通過將可飽和吸收區(qū)域32作為導(dǎo)入了適度的拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)，可以滿足上述式(5)，即，可以滿足應(yīng)將對于TM模式的吸收飽和能量Esat.TM設(shè)定得小于對于TE模式的吸收飽和能量Esat.TF的條件，即滿足Esat.TE＞Esat.TM。
另外，將增益區(qū)域30和可飽和吸收區(qū)域32的光導(dǎo)波路都作為導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)時(shí)，增益區(qū)域30的應(yīng)變量過大時(shí)有可能無法滿足上述式(1)。因此，應(yīng)當(dāng)向構(gòu)成增益區(qū)域30的光導(dǎo)波路的量子阱導(dǎo)入的應(yīng)變的量，需要足夠小得滿足式(1)和(2)，而且應(yīng)當(dāng)向構(gòu)成可飽和吸收區(qū)域32的光導(dǎo)波路的量子阱導(dǎo)入的應(yīng)變的量為了滿足式(5)，必須足夠大。
如上所述，本發(fā)明的MLLD需要將構(gòu)成增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路形成為應(yīng)變量不同的量子阱結(jié)構(gòu)或者使用對于體結(jié)晶的量子阱結(jié)晶這樣的結(jié)構(gòu)不同的材料形成。在這種一個(gè)元件內(nèi)各自的區(qū)域中，形成應(yīng)變量不同的量子阱結(jié)構(gòu)，或者使用對于體結(jié)晶的量子阱結(jié)晶這樣的結(jié)構(gòu)不同的材料形成的技術(shù)，已經(jīng)在迄今為止形成分布布拉格反射型半導(dǎo)體激光器和外部調(diào)制器集成型半導(dǎo)體激光器的手法中確立起來。例如通過在半導(dǎo)體基板上形成用于形成增益區(qū)域的光導(dǎo)波路的外延層，之后蝕刻去除該外延層的一部分，在該去除后的區(qū)域中形成用于形成可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路的外延層，通過該工序，可以分別形成增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路。
另外，為了滿足式(19)即式(20)，除了調(diào)整構(gòu)成增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路的應(yīng)變量子阱的應(yīng)變量之外，如從式(20)中包含給予增益區(qū)域的長度的參數(shù)Lg來得知的那樣，也可以通過調(diào)整增益區(qū)域的長度Lg來達(dá)成。
進(jìn)而，在導(dǎo)出式(19)和(20)的過程中，增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域的光學(xué)增益和光吸收系數(shù)的值在構(gòu)成輸入光信號的光脈沖變得不存在的時(shí)刻，到恢復(fù)到該光脈沖輸入之前的狀態(tài)為止的時(shí)間被忽視。即，構(gòu)成輸入光信號的光脈沖所激勵的載子的壽命有限，所以光學(xué)增益和光吸收系數(shù)的值到恢復(fù)為止需要有限的時(shí)間。因此，實(shí)際上，產(chǎn)生被稱作圖案效應(yīng)的現(xiàn)象，或者產(chǎn)生構(gòu)成輸入光信號的光脈沖通過在MLLD的諧振器中旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的多調(diào)制效應(yīng)等。忽視這些現(xiàn)象和效應(yīng)來導(dǎo)出式(19)和(20)。
因此，當(dāng)發(fā)生圖案效應(yīng)或多調(diào)制效應(yīng)等時(shí)，設(shè)定成滿足式(19)和(20)無法成為輸入光信號不依賴偏光來執(zhí)行MLLD的動作的條件。但是，在那樣的情況下，可以通過滿足式(1)、(2)和(5)的同時(shí)調(diào)整增益區(qū)域的長度Lg等，使可飽和吸收區(qū)域中產(chǎn)生的光吸收調(diào)制度的強(qiáng)度，不依賴于輸入光信號的偏光面。
(B)諧振效應(yīng)的抑制如上所述，如果滿足式(1)、(2)和(5)來構(gòu)成MLLD，則可以不依賴于輸入光信號的偏光方向來提取光時(shí)鐘信號。即，如果使用滿足式(1)、(2)和(5)的MLLD，則可以實(shí)現(xiàn)不依賴于輸入光信號的偏光方向來提取光時(shí)鐘信號的光時(shí)鐘信號提取裝置。
但是，如果只使用以滿足式(1)、(2)和(5)來設(shè)定的MLLD，則無法保障光時(shí)鐘信號提取裝置在不依賴于輸入光信號的偏光方向的狀態(tài)下進(jìn)行驅(qū)動。使光時(shí)鐘信號提取裝置在不依賴于輸入光信號的偏光方向的狀態(tài)下可靠地進(jìn)行驅(qū)動，需要研究以下所說明的諧振效應(yīng)。
假設(shè)MLLD在進(jìn)行TE模式的振蕩。向該狀態(tài)下的MLLD輸入TE偏光的輸入光信號，并且設(shè)該輸入光信號的波長滿足MLLD的諧振條件。此時(shí)，輸入光信號在MLLD的諧振內(nèi)進(jìn)行諧振，所以光吸收調(diào)制得到增強(qiáng)。即，即使在輸入光信號的輸入強(qiáng)度較低的狀態(tài)下也能實(shí)現(xiàn)高效率的光時(shí)鐘信號提取動作。
另一方面，當(dāng)輸入了同一波長的TM偏光的輸入光信號時(shí)，由于MLLD在TM模式下不振蕩，所以不產(chǎn)生基于諧振的光吸收調(diào)制動作。即，在輸入了TM偏光的輸入光信號時(shí)，要想產(chǎn)生光時(shí)鐘信號提取動作，需要使輸入光信號的強(qiáng)度足夠大于TM偏光的輸入光信號的情況。
如上所述，在MLLD的振蕩模式和輸入光信號的偏光模式一致時(shí)所發(fā)現(xiàn)的由諧振內(nèi)的諧振現(xiàn)象加強(qiáng)光吸收調(diào)制的效應(yīng)稱為諧振效應(yīng)。
為了確認(rèn)諧振效應(yīng)，本發(fā)明的發(fā)明者等進(jìn)行了以下實(shí)驗(yàn)。即，該實(shí)驗(yàn)向?qū)?dǎo)入了壓縮應(yīng)變的應(yīng)變量子阱作為增益區(qū)域和可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路形成的以往型的MLLD中，注入與該以往型的MLLD的旋轉(zhuǎn)頻率幾乎相等的重復(fù)頻率的光脈沖串，以確認(rèn)時(shí)間抖動如何降低。此處，通過使用于該實(shí)驗(yàn)的以往型的MLLD的旋轉(zhuǎn)頻率為40GHz，注入的光脈沖串的光脈沖的重復(fù)頻率也為40GHz來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。該注入的光脈沖串也稱為主光脈沖串。
在實(shí)驗(yàn)中，使構(gòu)成主光脈沖串的光脈沖的中心波長變化，觀測MLLD的時(shí)間抖動的變化。通過將主光脈沖串設(shè)定為TE偏光來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。另外，將對于主光脈沖串的MLLD的注入光強(qiáng)度設(shè)定為-13dBm來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
參照圖8和圖9(A)和(B)說明上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。圖8是表示時(shí)間抖動相對于波長失諧和模式間隔之比的關(guān)系的圖。在圖8中，橫軸以波長的變化量即波長失諧量除以模式間隔所得的量來作為刻度，縱軸以ps單位為刻度表示無源模式同步半導(dǎo)體激光器的時(shí)間抖動。另外，圖9(A)和(B)是用于說明無源模式同步的動作原理的圖。在圖9(A)和(B)中，橫軸以任意尺度作為刻度來表示波長。另外，縱軸雖然省略，但在縱軸方向上以任意尺度作為刻度來表示光強(qiáng)度。
圖8的橫軸所示的波長失諧量除以模式間隔所得的量取整數(shù)值時(shí)，主光脈沖串意味著滿足MLLD的諧振條件。
圖9(A)表示MLLD的光譜，即振蕩光譜與主光脈沖串的光譜不一致的狀態(tài)的情況。另外，圖9(B)表示MLLD的光譜即振蕩光譜與主光脈沖串的光譜一致的狀態(tài)的情況。在圖8中，用A表示的觀測值是在MLLD的振蕩光譜與主光脈沖串的光譜不一致的狀態(tài)、即成為圖9(A)所示的關(guān)系時(shí)所觀測的時(shí)間抖動的值。另外，用B表示的觀測值是在MLLD的振蕩光譜與主光脈沖串的光譜一致的狀態(tài)、即成為圖9(B)所示的關(guān)系時(shí)所觀測的時(shí)間抖動的值。
如圖(8)和圖9(A)及(B)所示，當(dāng)主光脈沖串的光譜與MLLD的振蕩光譜一致時(shí)，即滿足MLLD的振蕩條件時(shí)，取時(shí)間抖動最小的值。即，這意味著可以在向MLLD注入的光脈沖串的強(qiáng)度最小的狀態(tài)下提取光時(shí)鐘信號。
從該實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可得知，是否產(chǎn)生MLLD內(nèi)的主光脈沖串所激勵的諧振效應(yīng)，會給用于光時(shí)鐘信號提取的動作帶來很大影響?？傻弥騇LLD輸入TM偏光的輸入光信號時(shí)，由于無法得到諧振效應(yīng)，所以光時(shí)鐘信號的提取動作要想不依賴于輸入光信號的偏光來進(jìn)行，就需要不使該諧振效應(yīng)產(chǎn)生。即，可知提取出的光時(shí)鐘信號的任意一個(gè)振蕩縱模波長都需要以與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)來驅(qū)動MLLD。
上述式(6)是用于防止諧振效應(yīng)的產(chǎn)生的條件，通過在滿足該條件的狀態(tài)下驅(qū)動MLLD，可以在完全不依賴于輸入光信號的偏光方向的狀態(tài)下，來提取光時(shí)鐘信號。而且，MLLD的動作相比由被電驅(qū)動的電元件構(gòu)成的時(shí)鐘信號提取裝置能以高得多的速度工作。因此，根據(jù)第1和第2光時(shí)鐘信號提取裝置，即使從超過40Gbit/s的高比特率的輸入光信號中，也能不依賴于該輸入光信號的偏光提取光時(shí)鐘信號。
<第2發(fā)明的MLLD>
參照圖10(A)和(B)說明第2發(fā)明的MLLD的結(jié)構(gòu)。圖10(A)是從相對于光導(dǎo)波路方向的垂直側(cè)面方向來觀察第2發(fā)明的MLLD 70的概要結(jié)構(gòu)圖，圖10(B)是從與光導(dǎo)波路方向?qū)χ玫姆较騺碛^察第2發(fā)明的MLLD 70的概要結(jié)構(gòu)圖。
MLLD 70包含有效折射率為可變的無源導(dǎo)波路區(qū)域94、形成有反轉(zhuǎn)分布的增益區(qū)域96和具有調(diào)制光強(qiáng)度的功能的可飽和吸收區(qū)域98，MLLD 70是將無源導(dǎo)波路區(qū)域94、增益區(qū)域96和可飽和吸收區(qū)域98串聯(lián)配置起來的半導(dǎo)體激光器。此處，關(guān)于增益區(qū)域96和可飽和吸收區(qū)域98的結(jié)構(gòu)以及它們應(yīng)該滿足的條件與上述第1發(fā)明的MLLD 10的增益區(qū)域30和可飽和吸收區(qū)域32相同。
MLLD 70不同與上述第1發(fā)明的MLLD 10的點(diǎn)在于，除了增益區(qū)域96和可飽和吸收區(qū)域98之外還具有無源導(dǎo)波路區(qū)域94。在無源導(dǎo)波路區(qū)域94中，經(jīng)由p側(cè)電極92和n側(cè)共通電極72從恒定電流源或恒定電壓源注入電流或者施加逆向偏壓。由于可向無源導(dǎo)波路區(qū)域94供給恒定電流或者恒定電壓中的任意一種，所以此處將恒定電流源或恒定電壓源統(tǒng)稱為電源90來表示。
另外，經(jīng)由p側(cè)電極84和n側(cè)共通電極72從恒定電流源88向增益區(qū)域96注入電流，經(jīng)由p側(cè)電極82和n側(cè)共通電極72從恒定電壓源86向可飽和吸收區(qū)域98施加逆向偏壓。
無源導(dǎo)波路區(qū)域94中內(nèi)置的光導(dǎo)波路100(以后也稱為“光導(dǎo)波路100”)、增益區(qū)域96中內(nèi)置的光導(dǎo)波路76(以后也稱為“光導(dǎo)波路76”)和可飽和吸收區(qū)域98中內(nèi)置的光導(dǎo)波路78(以后也稱為“光導(dǎo)波路78”)都由共同的第1包層74和第2包層80夾持而構(gòu)成。此處，將第1包層74作為n型包層，將第2包層80作為p型包層。構(gòu)成光導(dǎo)波路76和光導(dǎo)波路78的結(jié)晶材料由向MLLD 70輸入的輸入光信號的波長來決定。例如，如果該輸入光信號的波長為1.5μm帶，則使用InP類半導(dǎo)體結(jié)晶材料或者InP類半導(dǎo)體結(jié)晶材料的量子阱結(jié)構(gòu)。
光導(dǎo)波路76和光導(dǎo)波路78的形狀如圖10(B)所示，是在垂直于導(dǎo)波方向的剖面的寬度為w且厚度為d的矩形光導(dǎo)波路。在光導(dǎo)波路78的兩側(cè)，形成有包層78a和78b。圖10(B)是從可飽和吸收區(qū)域98一側(cè)觀察的圖，因此可以看到光導(dǎo)波路78的端面。
輸入光信號的偏光面的方向、在光導(dǎo)波路76和光導(dǎo)波路78中進(jìn)行導(dǎo)波的光的偏光面的方向?yàn)槠叫杏谶@些光導(dǎo)波路的寬度方向(在圖10(B)中為水平方向)的方向時(shí)為TE偏光，為平行于厚度方向(在圖10(B)中為垂直方向)的方向時(shí)為TM偏光。
此處，增益區(qū)域96的光導(dǎo)波路76由體結(jié)晶或者導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)來形成。MLLD 70的振蕩模式設(shè)為TE模式動作來進(jìn)行以下說明。以后，與相對于上述第1發(fā)明的MLLD 10的情況同樣地，也將振蕩光為TE偏光的激光器振蕩動作稱為TE模式動作，將光導(dǎo)波路76和光導(dǎo)波路78的振蕩光的導(dǎo)波模式稱為TE模式。同樣地，也將振蕩光為TM偏光的激光器振蕩動作稱為TM模式動作，將光導(dǎo)波路76和光導(dǎo)波路78的振蕩光的導(dǎo)波模式稱為TM模式。
關(guān)于在增益區(qū)域96中對于TE模式的光學(xué)增益大于對于TM模式的光學(xué)增益的條件(上述第1條件)和在可飽和吸收區(qū)域98中對于TE模式的吸收飽和能量大于對于TM模式的吸收飽和能量的條件(上述第2條件)，由于與上述第1發(fā)明的MLLD 10的情況相同，所以省略其說明。
參照圖11說明使用第2發(fā)明的MLLD 70的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的結(jié)構(gòu)。圖11所示的第1光時(shí)鐘信號提取裝置構(gòu)成為具有MLLD 70、輸入輸入光信號116的輸入部102和輸出用MLLD 70從該輸入光信號116中提取的光時(shí)鐘信號120的輸出部104。
輸入部102和輸出部104與圖2所示的使用第1發(fā)明的MLLD 10的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的輸入部34和輸出部46具有相同結(jié)構(gòu)，所以省略其說明。
關(guān)于使用第2發(fā)明的MLLD 70的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的基本動作，與使用第1發(fā)明的MLLD 10的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的情況相同，但第2發(fā)明的MLLD 70通過具備無源導(dǎo)波路區(qū)域94，在可容易變化MLLD 70的諧振器長度的點(diǎn)上不同。通過變化MLLD 70的諧振器長度，如下所述，為了防止產(chǎn)生上述的諧振效應(yīng)，所提取的光時(shí)鐘信號的任意一個(gè)振蕩縱模波長都能以與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)來驅(qū)動MLLD。
激光器的諧振條件如果為設(shè)諧振器的長度為L、諧振器的平均有效折射率為n，則可由下式(21)給出。
2nL＝mλ......(21)此處，m為自然數(shù)。在第2發(fā)明的MLLD 70中，諧振器為光導(dǎo)波路100、76和78，平均有效折射率n為這些光導(dǎo)波路的平均有效折射率。
此處，假設(shè)MLLD的重復(fù)頻率為40GHz時(shí)，L約為1mm。在此條件下，當(dāng)MLLD的振蕩波長為1.55μm時(shí)，如果諧振器長度變化0.1μm，則在條件式(21)中相對于同一個(gè)m的值進(jìn)行諧振的波長變化0.155nm。該MLLD的縱模間隔為0.32nm，所以該變化量0.155nm相當(dāng)于MLLD的縱模間隔的大約一半的大小。
作為構(gòu)成半導(dǎo)體激光器的諧振器的手法一般使用的方法為通過裂縫形成諧振器的方法。根據(jù)通過裂縫形成諧振器的手法，諧振器長度無法以20μm以下的誤差來形成。因此，MLLD的諧振器長度難以高精度地形成為上述的0.1μm的變化不成為問題的程度。即，這意味著根據(jù)通過通常的裂縫形成諧振器的手法來制造MLLD時(shí)，始終滿足上述的式(6)是極為困難的。
第2發(fā)明的MLLD 70為了解決難以始終滿足上述的式(6)的問題，設(shè)置了無源導(dǎo)波路區(qū)域94。在無源導(dǎo)波路區(qū)域94中，經(jīng)由p側(cè)電極92和n側(cè)共通電極72從電源90注入電流或是施加恒定電壓。當(dāng)注入電流時(shí)，由于等離子體效應(yīng)，光導(dǎo)波路100的有效折射率發(fā)生變化。另外，當(dāng)施加恒定電壓時(shí)，由于普克爾斯效應(yīng)，同樣地光導(dǎo)波路100的有效折射率發(fā)生變化。
通過變化光導(dǎo)波路100的有效折射率，可以控制MLLD 70的諧振器長度。MLLD 70的諧振器由光導(dǎo)波路100、76和78來構(gòu)成，所以通過變化光導(dǎo)波路100的有效折射率，明顯可以控制MLLD 70的諧振器長度。
參照圖12(A)、(B)和(C)，說明上述諧振器長度的控制。在圖12(A)、(B)和(C)中，橫軸以任意刻度來表示光頻率，縱軸雖然省略，但在縱軸方向上以任意尺度表示光強(qiáng)度。圖12(A)表示MLLD 70的振蕩縱模光譜。圖12(B)表示輸入光信號的頻譜?，F(xiàn)在假設(shè)如圖12(A)和(B)所示那樣，MLLD 70的振蕩縱模光譜和輸入光信號的頻譜一致。此時(shí)，如上所述，發(fā)生MLLD 70內(nèi)的輸入光信號所激勵的諧振效應(yīng)，難以不依賴于輸入光信號的偏光來提取光時(shí)鐘信號。
于是，控制MLLD 70的諧振器長度。圖12(C)示出控制MLLD 70的諧振器長度的結(jié)果為，MLLD 70的振蕩縱模光譜從12(A)所示的振蕩縱模光譜發(fā)生變化的情況。通過這樣控制MLLD 70的諧振器長度，可以容易地滿足為了不依賴于輸入光信號的偏光來提取光時(shí)鐘信號而必須的、所提取的光時(shí)鐘信號的任意一個(gè)振蕩縱模波長都以與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)驅(qū)動MLLD這一條件。
即，根據(jù)第2發(fā)明的MLLD 70，按照通常的制造工序制作MLLD 70的結(jié)果，即使諧振器長度有偏差不齊，始終滿足式(6)所示的條件可容易實(shí)現(xiàn)驅(qū)動MLLD 70，可以不依賴于輸入光信號的偏光來提取光時(shí)鐘信號。另外，即使輸入光信號的波長發(fā)生變動，也能同樣地根據(jù)該波長的變化調(diào)整MLLD 70的諧振器長度，所以能夠擔(dān)保進(jìn)行即使針對輸入光信號的波長的變動也能不依賴于偏光地提取光時(shí)鐘信號的動作。
另外，參照圖11說明了使用第2發(fā)明的MLLD 70的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的結(jié)構(gòu)和動作，但明顯地也可以使用第2發(fā)明的MLLD 70來構(gòu)成第2光時(shí)鐘信號提取裝置。第1光時(shí)鐘信號提取裝置和第2光時(shí)鐘信號提取裝置的不同點(diǎn)在于前者構(gòu)成為具有輸入部和輸出部，與此相對后者構(gòu)成為具有輸入輸出部。因此，很明顯，進(jìn)行光時(shí)鐘信號提取的基本動作的第2發(fā)明的MLLD 70所得到的優(yōu)點(diǎn)在第1和第2光時(shí)鐘信號提取裝置中能同樣地得到。
<第3光時(shí)鐘信號提取裝置>
參照圖13說明第3光時(shí)鐘信號提取裝置的結(jié)構(gòu)和動作。圖13是使用第1發(fā)明的MLLD 10的第3光時(shí)鐘信號提取裝置的概要結(jié)構(gòu)圖。在圖13中，示出了使用第1發(fā)明的MLLD 10構(gòu)成的第3光時(shí)鐘信號提取裝置，但要想構(gòu)成第3光時(shí)鐘信號提取裝置，明顯可以代替第1發(fā)明的MLLD10，使用第2發(fā)明的MLLD 70。此時(shí)，可以得到進(jìn)行光時(shí)鐘信號提取的基本動作的第2發(fā)明的MLLD 70所得到的上述優(yōu)點(diǎn)。
使用第1發(fā)明的MLLD 10構(gòu)成的第3光時(shí)鐘信號提取裝置與上述第1光時(shí)鐘信號提取裝置同樣地構(gòu)成為具有MLLD 10、輸入輸入光信號137的輸入部124和輸出使用MLLD 10從該輸入光信號137中提取出的光時(shí)鐘信號50的輸出部132。其中，輸入部124的結(jié)構(gòu)與上述第1光時(shí)鐘信號提取裝置不同。
第3光時(shí)鐘信號提取裝置的輸入部124構(gòu)成為具備第1偏光分離合成器126、光衰減器128、第2偏光分離合成器130和第1耦合光學(xué)系統(tǒng)38。第1偏光分離合成器126將輸入光信號137分離為第1輸入光信號127a和第2輸入光信號127b。光衰減器128調(diào)整第1輸入光信號127a的強(qiáng)度作為第1調(diào)整輸入光信號129輸出。第2偏光分離合成器130對從光衰減器128輸出的第1調(diào)整輸入光信號129和第2輸入光信號127b進(jìn)行合波，并作為調(diào)整輸入光信號131輸出。第1耦合光學(xué)系統(tǒng)38將從第2偏光分離合成器130輸出的調(diào)整輸入光信號131輸出給MLLD 10。
第3光時(shí)鐘信號提取裝置的輸入部124除了上述的第1偏光分離合成器126、光衰減器128、第2偏光分離合成器130和第1耦合光學(xué)系統(tǒng)38之外，還具有用于不使返回光輸入到傳送輸入光信號137的光傳送路徑138的第1光隔離器36。
輸出部132的結(jié)構(gòu)由于與圖2所示的第1光時(shí)鐘信號提取裝置的輸出部46相同，所以省略其說明。
在第1、第2和第3光時(shí)鐘信號提取裝置的任意一個(gè)中，都通過根據(jù)式(1)、(2)、(6)、(19)和(20)所給出的條件使在可飽和吸收區(qū)域中產(chǎn)生的光吸收系數(shù)的調(diào)制強(qiáng)度不依賴于輸入光信號的偏光狀態(tài)，從而達(dá)成不依賴于輸入光信號的偏光狀態(tài)來提取光時(shí)鐘信號的目的。
但是，如根據(jù)圖3和圖4所示的計(jì)算結(jié)果來預(yù)想的那樣，式(19)或者式(20)的成立要件依賴于增益區(qū)域的長度Lg和輸入光信號的波長。另外，由于MLLD的制造偏差，如果增益和吸收飽和能量產(chǎn)生參差不齊，則會產(chǎn)生式(19)或者式(20)不成立的情況。另外，如果輸入MLLD的輸入光信號的端面的反射率存在輸入光信號的偏光依賴性，則在MLLD的光時(shí)鐘信號提取動作中會產(chǎn)生輸入光信號的偏光狀態(tài)依賴性。
參照圖14(A)和(B)，具體說明上述光時(shí)鐘信號提取動作存在輸入光信號的偏光狀態(tài)依賴性的情況。圖14(A)和(B)是表示光時(shí)鐘信號的時(shí)間抖動相對于輸入光信號的強(qiáng)度的關(guān)系的圖，橫軸以任意尺度作為刻度表示輸入光信號的強(qiáng)度，縱軸以任意尺度作為刻度表示光時(shí)鐘信號的時(shí)間抖動。
如圖14(A)所示，在相對于向光時(shí)鐘信號提取動作的MLLD的輸入光信號的輸入強(qiáng)度的時(shí)間抖動特性中，有時(shí)輸入光信號為TE偏光時(shí)和為TM偏光時(shí)的時(shí)間抖動的大小不同。在圖14(A)中，對于表示用實(shí)線表示的對于TE偏光的時(shí)間抖動特性的曲線，表示用虛線表示的對于TM偏光的時(shí)間抖動特性的曲線位于沿橫軸方向平行移動了XdB的位置。
即，表示出為了得到時(shí)間抖動特性相同的光時(shí)鐘信號，在為TM偏光時(shí)，需要把輸入光信號的強(qiáng)度相比為TE偏光時(shí)增大XdB。這樣，根據(jù)輸入光信號是TE偏光還是TM偏光，在時(shí)間抖動特性中產(chǎn)生不同的原因之一在于，輸入上述MLLD的輸入光信號的端面的反射率的偏光依賴性。
為防止這種時(shí)間抖動的偏光狀態(tài)依賴性，采取使輸入光信號的TE偏光成分相對于TM偏光成分衰減XdB，并輸入給MLLD的單元即可。通過采用這樣的單元，如圖14(B)所示，輸入到MLLD中的輸入光信號的偏光狀態(tài)為TE偏光時(shí)和為TM偏光時(shí)都能實(shí)現(xiàn)同樣的時(shí)間抖動特性，可以提取出時(shí)間抖動特性同等的光時(shí)鐘信號。
使輸入光信號的TE偏光成分相對于TM偏光成分衰減XdB，并輸入給MLLD的單元如圖13所示那樣，可以用輸入部124來實(shí)現(xiàn)。
輸入光信號137被輸入到第1偏光分離合成器126的端口x1，TE偏光成分從端口y1輸出，TM偏光成分從端口z1輸出。即，輸入光信號137通過第1偏光分離合成器126被分離為作為TE偏光成分的第1輸入光信號127a和作為TM偏光成分的第2輸入光信號127b。
作為TE偏光成分的第1輸入光信號127a被輸入到光衰減器128中，其強(qiáng)度衰減XdB后被調(diào)整，作為第1調(diào)整輸入光信號129輸出。調(diào)整了強(qiáng)度的作為TE偏光成分的第1調(diào)整輸入光信號129被輸入第2偏光分離合成器130的端口y2，作為TM偏光成分的第2輸入光信號127b輸入到第2偏光分離合成器130的端口z2。因此，第1調(diào)整輸入光信號129和第2輸入光信號127b被輸入到第2偏光分離合成器130中進(jìn)行合波，作為調(diào)整輸入光信號131從第2偏光分離合成器130的端口x2輸出。調(diào)整輸入光信號131經(jīng)由第1光隔離器36使用第1耦合光學(xué)系統(tǒng)38輸入到MLLD 10中。
輸入光信號的TE偏光成分由光衰減器128來衰減XdB的強(qiáng)度后作為第1調(diào)整輸入光信號129被輸入到MLLD 10中，所以如圖14(B)所示那樣，可由MLLD 10提取出即使針對輸入光信號的TE偏光成分和TM偏光成分也具有同等的時(shí)間抖動特性的光時(shí)鐘信號。即，通過MLLD 10，可以不依賴于輸入光信號的偏光狀態(tài)來提取光時(shí)鐘信號。
此處，使用光衰減器128調(diào)整TE偏光成分的強(qiáng)度，但不限于光衰減器128，也可以使用半導(dǎo)體光放大器或光纖型光放大器等的光放大器132。光衰減器128設(shè)置于第1偏光分離合成器126的端口y1和第2偏光分離合成器130的端口y2之間的光路的途中，但在使用光放大器132代替光衰減器12時(shí)，將光放大器設(shè)置于第1偏光分離合成器126的端口z1和第2偏光分離合成器130的端口z2之間的光路的途中(在圖13中為用虛線的長方形表示為132的位置)。
如果使用第3光時(shí)鐘信號提取裝置進(jìn)行光時(shí)鐘信號的提取，則即使在MLLD自身的無源模式同步動作中存在上述那樣的偏光狀態(tài)依賴性的情況下，也能不依賴于偏光來提取光時(shí)鐘信號。
另外，參照圖13說明了使用第1發(fā)明的MLLD 10的第3光時(shí)鐘信號提取裝置的結(jié)構(gòu)和動作，但明顯地也可以使用第2發(fā)明的MLLD 70來構(gòu)成第3光時(shí)鐘信號提取裝置。此時(shí)，很明顯地，進(jìn)行光時(shí)鐘信號提取的基本動作的第2發(fā)明的MLLD 70所得到的上述優(yōu)點(diǎn)，在第3光時(shí)鐘信號提取裝置中也能同樣地得到。
關(guān)于上述的第1和第2發(fā)明的MLLD的動作和第1到第3光時(shí)鐘信號提取裝置的動作的說明是以MLLD用TE偏光振蕩作為前提進(jìn)行的。但是，以上說明的動作在MLLD用TM偏光振蕩時(shí)也能同樣地實(shí)現(xiàn)。此時(shí)，用應(yīng)變量較大的拉伸應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)來構(gòu)成增益區(qū)域的光導(dǎo)波路，將激光器振蕩動作限制為TM模式。另外，可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路用應(yīng)變量較小的拉伸應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)來構(gòu)成，設(shè)定為對于TE偏光的吸收飽和能量小于對于TM偏光的吸收飽和能量。
即，在上述式(1)、(2)、(5)、(19)和(20)中所示的條件式中，將TE變?yōu)門M，將TM變?yōu)門E都可以照樣成立。
另外，作為MLLD可以使用具有用于控制振蕩波長的分布型布拉格反射鏡的所謂DBR(Distributed Bragg Reflecter分布布拉格反射激光器)激光器。使用DBR激光器作為MLLD時(shí)，將DBR激光器的輸入輸出端面進(jìn)行無反射編碼，進(jìn)而在輸入光信號的波長離開布拉格反射鏡的布拉格波長足夠遠(yuǎn)的限定的條件下，產(chǎn)生以下情況。即，作為MLLD工作的DBR激光器中被輸入了輸入光信號時(shí)，構(gòu)成該輸入光信號的光脈沖通過透過了增益區(qū)域的后可飽和吸收區(qū)域，在可飽和吸收區(qū)域側(cè)的諧振器端面被反射后，再次通過增益區(qū)域到達(dá)形成有分布型布拉格反射鏡的區(qū)域。光脈沖到達(dá)形成有分布型布拉格反射鏡的區(qū)域后，不由分布型布拉格反射鏡反射地輸出到作為MLLD工作的DBR激光器的外部。
即，在使用DBR激光器作為MLLD時(shí)，構(gòu)成輸入光信號的光脈沖在MLLD的諧振器內(nèi)不諧振。因此，在使用DBR激光器作為MLLD時(shí)，即使MLLD不滿足上述式(6)所規(guī)定的條件來工作，也不會產(chǎn)生諧振效應(yīng)，可以不依賴于輸入光信號的偏光狀態(tài)來穩(wěn)定地提取光時(shí)鐘信號。
權(quán)利要求
1.一種無源模式同步半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器包含形成有反轉(zhuǎn)分布的增益區(qū)域和具有調(diào)制光強(qiáng)度的功能的可飽和吸收區(qū)域，所述增益區(qū)域和所述可飽和吸收區(qū)域串聯(lián)配置，在所述增益區(qū)域中，偏光面針對與內(nèi)置于該增益區(qū)域的光導(dǎo)波路的寬度方向平行的方向的偏光的光學(xué)增益，大于偏光面針對與內(nèi)置于該增益區(qū)域的光導(dǎo)波路的厚度方向平行的方向的偏光的光學(xué)增益，在所述可飽和吸收區(qū)域中，偏光面針對與內(nèi)置于該可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路的寬度方向平行的方向的偏光的吸收飽和能量，大于偏光面針對與內(nèi)置于該可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路的厚度方向平行的方向的偏光的吸收飽和能量。
2.一種無源模式同步半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器包含有效光學(xué)折射率為可變的無源導(dǎo)波路區(qū)域、形成有反轉(zhuǎn)分布的增益區(qū)域和具有調(diào)制光強(qiáng)度的功能的可飽和吸收區(qū)域，所述無源導(dǎo)波路區(qū)域、所述增益區(qū)域和所述可飽和吸收區(qū)域串聯(lián)配置，在所述增益區(qū)域中，偏光面針對與內(nèi)置于該增益區(qū)域的光導(dǎo)波路的寬度方向平行的方向的偏光的光學(xué)增益，大于偏光面針對與內(nèi)置于該增益區(qū)域的光導(dǎo)波路的厚度方向平行的方向的偏光的光學(xué)增益，在所述可飽和吸收區(qū)域中，偏光面針對與內(nèi)置于該可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路的寬度方向平行的方向的偏光的吸收飽和能量，大于偏光面針對與內(nèi)置于該可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路的厚度方向平行的方向的偏光的吸收飽和能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無源模式同步半導(dǎo)體激光器，其特征在于，內(nèi)置于所述增益區(qū)域的光導(dǎo)波路由體結(jié)晶形成，而且內(nèi)置于所述可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路由導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的無源模式同步半導(dǎo)體激光器，其特征在于，內(nèi)置于所述增益區(qū)域和所述可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路由導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)形成。
5.一種光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，該光時(shí)鐘信號提取裝置具有權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的無源模式同步半導(dǎo)體激光器；輸入輸入光信號的輸入部；以及將用所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器從該輸入光信號中所提取的光時(shí)鐘信號輸出的輸出部。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，所述輸入部具有用于使返回光不被輸入到傳送所述輸入光信號的光傳送路徑的第1光隔離器；和將所述輸入光信號輸出到所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器的第1耦合光學(xué)系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，所述輸出部具有用于使返回光不被輸入到所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器的第2光隔離器；和將所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的所述光時(shí)鐘信號輸出到光傳送路徑的輸入端的第2耦合光學(xué)系統(tǒng)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，所述輸出部具有用于使返回光不被輸入到所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器的第2光隔離器；將所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的所述光時(shí)鐘信號輸出到進(jìn)行傳送的光傳送路徑的輸入端的第2耦合光學(xué)系統(tǒng)；和對所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的所述光時(shí)鐘信號進(jìn)行濾波的波長濾波器。
9.一種光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，該光時(shí)鐘信號提取裝置具有權(quán)利要求1至4中任意一項(xiàng)所述的無源模式同步半導(dǎo)體激光器；和輸入輸入光信號，并且輸出用所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器從該輸入光信號中提取的光時(shí)鐘信號的輸入輸出部。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，所述輸入輸出部具有光循環(huán)器，其具有用于輸入所述輸入光信號的第1端口、輸出所述輸入光信號并輸入所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的所述光時(shí)鐘信號的第2端口、以及輸出該光時(shí)鐘信號的第3端口；和耦合光學(xué)系統(tǒng)，其向所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器輸出從所述第2端口輸出的所述輸入光信號，并且向所述第2端口輸出所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的所述光時(shí)鐘信號。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，所述輸入輸出部具有光循環(huán)器，其具有輸入所述輸入光信號的第1端口、輸出所述輸入光信號并輸入所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的所述光時(shí)鐘信號的第2端口、以及輸出該光時(shí)鐘信號的第3端口；耦合光學(xué)系統(tǒng)，其向所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器輸出從所述第2端口輸出的所述輸入光信號，并且向所述第2端口輸出所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器所提取的所述光時(shí)鐘信號；和對所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器提取的所述光時(shí)鐘信號進(jìn)行濾波的波長濾波器。
12.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，所述輸入部具有將輸入光信號分離為第1輸入光信號和第2輸入光信號的第1偏光分離合成器；調(diào)整所述第1輸入光信號的強(qiáng)度作為第1調(diào)整輸入光信號輸出的光衰減器；對從該光衰減器輸出的所述第1調(diào)整輸入光信號和所述第2輸入光信號進(jìn)行合波，并作為調(diào)整輸入光信號輸出的第2偏光分離合成器；和將從該第2偏光分離合成器輸出的所述調(diào)整輸入光信號輸出給所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器的第1耦合光學(xué)系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，所述輸入部具有將輸入光信號分離為第1輸入光信號和第2輸入光信號的第1偏光分離合成器；調(diào)整所述第1輸入光信號的強(qiáng)度作為第1調(diào)整輸入光信號輸出的光衰減器；對從該光衰減器輸出的所述第1調(diào)整輸入光信號和所述第2輸入光信號進(jìn)行合波，并作為調(diào)整輸入光信號輸出的第2偏光分離合成器；用于輸入從該第2偏光分離合成器輸出的調(diào)整輸入光信號，而且不使返回光輸入到傳送所述輸入光信號的光傳送路徑的第1光隔離器；和將所述調(diào)整輸入光信號輸出給所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器的第1耦合光學(xué)系統(tǒng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光時(shí)鐘信號提取裝置，其特征在于，所述輸入部具有將輸入光信號分離為第1輸入光信號和第2輸入光信號的第1偏光分離合成器；放大所述第2輸入光信號的強(qiáng)度作為第2調(diào)整輸入光信號輸出的光放大器；對從該光放大器輸出的所述第2調(diào)整輸入光信號和所述第1輸入光信號進(jìn)行合波，并作為調(diào)整輸入光信號輸出的第2偏光分離合成器；用于輸入從該第2偏光分離合成器輸出的所述調(diào)整輸入光信號，而且不使返回光輸入到傳送所述輸入光信號的光傳送路徑的第1光隔離器；和將所述調(diào)整輸入光信號輸出給所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器的第1耦合光學(xué)系統(tǒng)。
15.一種光時(shí)鐘信號提取方法，該光時(shí)鐘信號提取方法是使用權(quán)利要求5至14中任意一項(xiàng)所述的光時(shí)鐘信號提取裝置來提取光時(shí)鐘信號的方法，其特征在于，以任意一個(gè)被提取的該光時(shí)鐘信號的振蕩縱模波長都與輸入光信號的頻譜的峰值波長不一致的狀態(tài)來驅(qū)動所述無源模式同步半導(dǎo)體激光器。
全文摘要
本發(fā)明提供一種無源模式同步半導(dǎo)體激光器和光時(shí)鐘信號提取裝置，可不依賴于輸入光信號的偏光方向來提取光時(shí)鐘信號，增益區(qū)域(30)中利用恒定電流源(28)經(jīng)由n側(cè)共通電極(12)和增益區(qū)域的p側(cè)電極(24)進(jìn)行電流注入。在可飽和吸收區(qū)域(32)中，利用恒定電壓源(26)經(jīng)由n側(cè)共通電極(12)和可飽和吸收區(qū)域的p側(cè)電極(22)施加逆向偏壓。增益區(qū)域的光導(dǎo)波路(16)使用體結(jié)晶或者導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)來形成，可飽和吸收區(qū)域的光導(dǎo)波路(18)使用導(dǎo)入了拉伸應(yīng)變的量子阱結(jié)構(gòu)來形成。而且，在增益區(qū)域中，對于TE模式的光學(xué)增益被設(shè)定得大于對于TM模式的光學(xué)增益，在可飽和吸收區(qū)域中，對于TE模式的吸收飽和能量被設(shè)定得大于對于TM模式的吸收飽和能量。
文檔編號H01S5/00GK1983749SQ20061014685
公開日2007年6月20日 申請日期2006年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月14日
發(fā)明者荒平慎 申請人:沖電氣工業(yè)株式會社