JP2006216923A - Mode-locked semiconductor laser equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、パルスレーザ光を発振するモード同期半導体レーザ装置に関するものである。 The present invention relates to a mode-locked semiconductor laser device that oscillates pulsed laser light.
モード同期レーザはパルスレーザ光を発振することができるレーザである。レーザは通常、光を増幅する利得媒質と、共振器長がLの共振器とを有する。この共振器の縦モードの共振周波数はc/2L(cは光速)の間隔を持つ。そして、レーザが発振するレーザ光のスペクトルの幅は非常に狭いが、そのスペクトル幅よりも共振器の共振周波数の間隔が狭いと、レーザ光は共振器において複数のモード(周波数)で共振する。この時、何らかの方法を用いて各モードの位相を揃える(モード同期)ことにより、周期T=2L/cでレーザ光が強められる。これにより、周期Tのパルスレーザ光が生成される。 A mode-locked laser is a laser that can oscillate pulsed laser light. A laser usually has a gain medium for amplifying light and a resonator having a resonator length of L. The resonance frequency of the longitudinal mode of the resonator has an interval of c / 2L (c is the speed of light). The spectrum width of the laser beam emitted from the laser is very narrow. However, if the resonance frequency interval of the resonator is narrower than the spectrum width, the laser beam resonates in a plurality of modes (frequencies) in the resonator. At this time, by aligning the phase of each mode using some method (mode synchronization), the laser light is intensified at a period T = 2L / c. Thereby, a pulse laser beam having a period T is generated.
図7に示すように、このモード同期レーザにより発振されるパルスレーザ光は、周波数軸上に等しい周波数間隔1/Tで櫛状に並ぶ多数のモードの集合体となる。このように周波数軸上に櫛状に並ぶレーザ光の集合体は、「光周波数コム」と呼ばれる。光周波数コムは、その周波数間隔が等しいという性格を利用して、光の周波数の「物差し」として、光周波数計測に用いることができる。周波数間隔は1/Tで定められるため、これを用いて測定対象となる2つの光の周波数の差を求めることができる。また、何らかの方法で各モードの周波数の絶対値を定めることにより、測定対象となる光の周波数の絶対値を測定することができる。光周波数コムは、高精度の波長標準や周波数標準として用いることができ、あるいは、波長多重光通信における基準周波数として用いることができる。また、時間領域で見ると、モード同期レーザは、正確なパルス繰り返し周波数で発振する超短パルス光源であるため、測距技術に応用することができる。
As shown in FIG. 7, the pulse laser beam oscillated by this mode-locked laser becomes an aggregate of a large number of modes arranged in a comb shape at
このようなモード同期半導体レーザ装置としては、特許文献1に記載のモノリシック型モード同期半導体レーザや、特許文献2に記載の変調回路を用いた外部共振器型モード同期半導体レーザがある。
As such a mode-locked semiconductor laser device, there are a monolithic mode-locked semiconductor laser described in
ところで、従来より、モード同期レーザとして、例えば、パルスレーザ光を発振するレーザとして、例えば特許文献3に記載の自励発振型半導体レーザが知られている。自励発振型半導体レーザは、図3に示すように、活性層32及び可飽和吸収層33が半導体チップ31の層間に組み込まれたものであり、上記モード同期半導体レーザよりも簡単な構造を有するため、低コストで製造することができる。ただし、この自励発振型半導体レーザでは、モード同期はかけられない。上記モード同期半導体レーザが反射面の間の距離により定まる周波数でパルス発振するのに対して、従来の自励発振型半導体レーザではそれらとは無関係な周波数でパルス発振する。 Conventionally, as a mode-locked laser, for example, as a laser that oscillates pulsed laser light, for example, a self-excited oscillation semiconductor laser described in Patent Document 3 is known. As shown in FIG. 3, the self-pulsation type semiconductor laser has an active layer 32 and a saturable absorption layer 33 incorporated between the layers of the semiconductor chip 31, and has a simpler structure than the mode-locked semiconductor laser. Therefore, it can be manufactured at low cost. However, mode locking cannot be applied in this self-excited oscillation type semiconductor laser. The mode-locked semiconductor laser pulsates at a frequency determined by the distance between the reflecting surfaces, whereas the conventional self-excited oscillation type semiconductor laser pulsates at a frequency irrelevant to them.
特許文献1のモノリシック型モード同期半導体レーザは、微小な半導体チップに全ての構成要素を形成するために、複雑な微細加工を行わなければならない。そして、パルス繰り返し周波数は、半導体レーザのチップ長で決まるため所望の値に設定することが難しいという欠点を有する。
The monolithic mode-locked semiconductor laser disclosed in
特許文献2の変調回路を用いた外部共振器型モード同期半導体レーザは、注入電流を変調すると位相変調がかかるという問題がある。また、可飽和吸収ミラーを用いた外部共振器型モード同期半導体レーザは、可飽和吸収ミラーが特殊な部品であり高価であるという欠点を有する。
The external resonator mode-locked semiconductor laser using the modulation circuit of
上記特許文献3の自励発振型半導体レーザは、上述のような欠点がないものの、モード同期がかけられていないため、光周波数コムを生成することができず、上記光周波数計測に用いることができない。
従来のモード同期半導体レーザ装置においては、各モードのスペクトル線幅が広いという問題や、S/Nが低いという問題がある。 The conventional mode-locked semiconductor laser device has a problem that the spectral line width of each mode is wide and a problem that the S / N is low.
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、各モードのスペクトル線幅を狭めることができるとともに、S/Nを向上させることができるモード同期半導体レーザ装置を実現することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to realize a mode-locked semiconductor laser device capable of narrowing the spectral line width of each mode and improving S / N. There is to do.
上記の課題を解決するため、本発明に係るモード同期半導体レーザ装置は、周波数軸上で見ると多数のレーザ光が等しい周波数間隔で並んだ集合体である光周波数コムとなるモード同期半導体レーザ装置において、周期τでパルスレーザ光を発振する自励発振型半導体レーザ装置と、上記自励発振型半導体レーザ装置を挟む少なくとも2個の反射部を備えて閉光回路を構成し、該閉光回路の1周期の光路長2Lが(2L/c)<τ(cは光速)の関係を満たす共振器とを備えることによって、モード同期レーザ光を出射するモード同期レーザ光出射部と、上記モード同期レーザ光に注入するレーザ光であって、上記モード同期レーザ光の一つのピーク周波数を引き込む単一周波数を持つ注入用レーザ光を出射する注入用レーザ光出射部とを備えたことを特徴としている。 In order to solve the above problems, a mode-locked semiconductor laser device according to the present invention is a mode-locked semiconductor laser device that becomes an optical frequency comb that is an aggregate in which a large number of laser beams are arranged at equal frequency intervals when viewed on the frequency axis. A closed optical circuit comprising a self-excited oscillation type semiconductor laser device that oscillates pulsed laser light with a period τ, and at least two reflecting portions sandwiching the self-excited oscillation type semiconductor laser device, A mode-locked laser beam emitting unit that emits a mode-locked laser beam, and a mode-locked laser beam emitting unit that emits a mode-locked laser beam, and a resonator that satisfies a relationship of (2L / c) <τ (c is the speed of light). An injection laser beam emitting unit that emits an injection laser beam having a single frequency that draws one peak frequency of the mode-locked laser beam, the laser beam being injected into the laser beam; It is characterized by that.
上記の構成により、モード同期レーザ光に、注入用レーザ光出射部から出射される注入用レーザ光が注入される。上記注入用レーザ光によって上記モード同期レーザ光の一つのピーク周波数を引き込んだ結果、そのモード同期レーザ光のピーク周波数は上記注入用レーザ光の周波数に一致する。したがって、注入により得られるモード同期レーザ光は、注入前と比べて、各モードのスペクトル線幅を狭めることができるとともに、S/Nを向上させることができるという効果を奏する。 With the above configuration, the injection laser light emitted from the injection laser light emitting portion is injected into the mode-locked laser light. As a result of drawing one peak frequency of the mode-locked laser light by the injection laser light, the peak frequency of the mode-locked laser light matches the frequency of the injection laser light. Therefore, the mode-locked laser light obtained by the injection has an effect that the spectral line width of each mode can be narrowed and the S / N can be improved as compared with that before the injection.
また、上記の構成により、上記モード同期レーザ光が自励発振型半導体レーザ装置であり、共振器により閉光回路が構成される。自励発振型半導体レーザ装置から、モード同期のかかっていないパルスレーザ光を発振する。このパルスレーザ光は共振器によりc/2Lの整数倍の周波数のモードが強められる。そして、このモードの光は自励発振型半導体レーザ装置の可飽和吸収体により弱められることはなく、それ以外の波長の光は可飽和吸収体により弱められる。これによりモード同期がかけられ、周波数領域においてc/2Lの間隔で並ぶ特定の周波数のパルスレーザ光が得られる。したがって、上記の構成による効果に加えて、モード同期をかけて光周波数コムを生成することができ、構造が簡単で安価なモード同期半導体レーザ装置を実現することができるという効果を奏する。 With the above configuration, the mode-locked laser beam is a self-excited oscillation type semiconductor laser device, and a closed optical circuit is configured by a resonator. A self-excited oscillation type semiconductor laser device oscillates pulse laser light that is not mode-locked. This pulse laser beam is intensified by a resonator at a mode having a frequency that is an integral multiple of c / 2L. The light in this mode is not weakened by the saturable absorber of the self-excited oscillation type semiconductor laser device, and the light of other wavelengths is weakened by the saturable absorber. As a result, mode synchronization is applied, and pulsed laser beams having specific frequencies arranged at intervals of c / 2L in the frequency domain are obtained. Therefore, in addition to the effect of the above configuration, an optical frequency comb can be generated by applying mode synchronization, and an effect is obtained that a mode-locked semiconductor laser device having a simple structure and a low cost can be realized.
また、本発明に係るモード同期半導体レーザ装置は、上記の構成において、上記注入用レーザ光が注入されたモード同期レーザ光を偏光分析器にて2つに分け、該分かれた2つの光の強度差が零になって上記モード同期レーザ光の一つのピークの周波数と上記注入用レーザ光の単一周波数とが常に一致するように、上記注入用レーザ光出射部またはモード同期レーザ光出射部のうちの一方を制御するフィードバック制御器を備えたことを特徴としている。 In the mode-locked semiconductor laser device according to the present invention, in the above configuration, the mode-locked laser light into which the injection laser light is injected is divided into two by a polarization analyzer, and the intensity of the divided two lights is The injection laser light emitting part or the mode-locked laser light emitting part has a difference of zero so that the frequency of one peak of the mode-locked laser light and the single frequency of the injection laser light always coincide with each other. A feedback controller for controlling one of them is provided.
上記の構成により、上記モード同期レーザ光の一つのピークの周波数と上記注入用レーザ光の単一周波数とが一致するようにフィードバック制御される。偏光分析器は、例えば、4分の1波長板と偏光ビームスプリッタとを有する。したがって、両方の周波数を長時間互いに一致させることができる。それゆえ、上記の構成による効果に加えて、長時間安定的に、各モードのスペクトル線幅を狭めることができるとともにS/Nを向上させることができるという効果を奏する。 With the above configuration, feedback control is performed so that the frequency of one peak of the mode-locked laser light and the single frequency of the injection laser light coincide. The polarization analyzer includes, for example, a quarter wave plate and a polarization beam splitter. Therefore, both frequencies can be made to coincide with each other for a long time. Therefore, in addition to the effects of the above-described configuration, the spectral line width of each mode can be narrowed stably for a long time, and the S / N can be improved.
以上のように、本発明に係るモード同期半導体レーザ装置は、周期τでパルスレーザ光を発振する自励発振型半導体レーザ装置と、上記自励発振型半導体レーザ装置を挟む少なくとも2個の反射部を備えて閉光回路を構成し、該閉光回路の1周期の光路長2Lが(2L/c)<τ(cは光速)の関係を満たす共振器とを備えることによって、モード同期レーザ光を出射するモード同期レーザ光出射部と、上記モード同期レーザ光に注入するレーザ光であって、上記モード同期レーザ光の一つのピーク周波数を引き込む単一周波数を持つ注入用レーザ光を出射する注入用レーザ光出射部とを備えた構成である。
As described above, the mode-locked semiconductor laser device according to the present invention includes a self-excited oscillation type semiconductor laser device that oscillates pulsed laser light with a period τ, and at least two reflectors sandwiching the self-excited oscillation type semiconductor laser device. And a resonator in which the
これにより、注入により得られるモード同期レーザ光は、注入前と比べて、各モードのスペクトル線幅を狭めることができるとともに、S/Nを向上させることができるという効果を奏する。 As a result, the mode-locked laser light obtained by the injection has an effect that the spectral line width of each mode can be narrowed and the S / N can be improved as compared with that before the injection.
また、これにより、上記の構成による効果に加えて、モード同期をかけて光周波数コムを生成することができ、構造が簡単で安価なモード同期半導体レーザ装置を実現することができるという効果を奏する。 As a result, in addition to the effects of the above configuration, an optical frequency comb can be generated by applying mode synchronization, and an effect is obtained that a mode-locked semiconductor laser device having a simple structure and a low cost can be realized. .
図1に示すように、本実施形態に係るモード同期半導体レーザ装置10は、モード同期レーザ光出射部11、注入用レーザ光出射部12、ハーフミラー13、ミラー14を備えている。モード同期レーザ光出射部11は、モード同期レーザ光Aを出射するものである。注入用レーザ光出射部12は、CW(Continuous Wave:連続発振)レーザであり、モード同期レーザ光Aに注入する注入用レーザ光Bを出射するものである。注入用レーザ光Bの周波数は単一であり、fbとする。
As shown in FIG. 1, the mode-locked
ハーフミラー13は、入射する光の一部を透過し、一部を反射するものであり、後述の自励発振型半導体レーザ素子21のモード同期レーザ光出射側端面21aから発振されるパルスレーザ光の光路上に配置されている。それにより、モード同期レーザ光Aはモード同期レーザ光出射部11を出射してハーフミラー13を通過するようになっている。
The
また、ミラー14およびハーフミラー13は、注入用レーザ光Bがミラー14およびハーフミラー13で反射されてモード同期レーザ光出射部11に入射(注入)するように、注入用レーザ光Bの光路上にも位置するような配置となっている。
Further, the
図3に示すように、自励発振型半導体レーザ素子21と直流電源22とで、パルスレーザ光を発振する自励発振型半導体レーザ装置が構成されている。自励発振型半導体レーザ素子21は、活性層32および可飽和吸収層33が半導体チップ31・34の層間に組み込まれたものであり、特許文献1・2のモード同期半導体レーザよりも簡単な構造を有するため、低コストで製造することができる。ただし、この自励発振型半導体レーザ装置では、モード同期はかけられない。特許文献1・2のモード同期半導体レーザが反射面の間の距離により定まる周波数でパルス発振するのに対して、この自励発振型半導体レーザ装置ではそれらとは無関係な周波数でパルス発振する。
As shown in FIG. 3, a self-excited oscillation type semiconductor laser device that oscillates pulsed laser light is constituted by the self-excited oscillation type
図2に示すように、モード同期レーザ光出射部11は、自励発振型半導体レーザ素子21、直流電源22、コリメータレンズ23、ハーフミラー24を備えている。自励発振型半導体レーザ素子21は、モード同期レーザ光出射側端面21a、モード同期レーザ光反射側端面21bを備えている。モード同期レーザ光反射側端面21bとハーフミラー24との距離をLとする。
As shown in FIG. 2, the mode-locked laser
直流電源22は、自励発振型半導体レーザ素子21に直流電流を注入するためのものである。
The
自励発振型半導体レーザ素子21は、それ自体がパルス繰り返し周波数τのパルスレーザ光をモード同期レーザ光出射側端面21aから発振することができるものである。モード同期レーザ光出射側端面21aに対向するモード同期レーザ光反射側端面21bの内側には、パルスレーザ光を反射する反射面を形成する。
The self-excited oscillation type
ハーフミラー24は、モード同期レーザ光出射側端面21aから発振されるパルスレーザ光の光路上に設けられている。コリメータレンズ23は上記光路上に設けられており、自励発振型半導体レーザ素子21から発振される光を平行光にし、ハーフミラー24において反射される光を自励発振型半導体レーザ素子21のモード同期レーザ光出射側端面21aに収束させるためのものである。また、モード同期レーザ光反射側端面21bとハーフミラー24との間の距離Lは、τc/2よりも小さくなるように設定されている(cは光速)。
The
このような構成とすることにより、モード同期レーザ光反射側端面21bとハーフミラー24とのそれぞれが共振器となって、上記自励発振型半導体レーザ装置を挟む少なくとも2個の反射部を備えて閉光回路を構成し、該閉光回路の1周期の光路長2Lが(2L/c)<τの関係を満たす。その結果、周波数軸上で見ると、前述の図7のように、多数のレーザ光が等しい周波数間隔で櫛状に並んだ集合体である光周波数コム(comb)を得ることができる。
With such a configuration, each of the mode-locked laser light reflection
また、図1のモード同期半導体レーザ装置10の代わりに、図8のモード同期半導体レーザ装置50を用いることもできる。すなわち、モード同期半導体レーザ装置50は、図1と同様のモード同期レーザ光出射部11および注入用レーザ光出射部12を備えている。モード同期レーザ光出射部11からの出射光の経路上には、モード同期レーザ光出射部11に近い側から順に、ビーム整形光学系51、45°ファラデーローテータ52、偏光ビームスプリッタ53が配置されている。注入用レーザ光出射部12からの出射光の経路上には、注入用レーザ光出射部12に近い側から順に、ビーム整形光学系54、光アイソレータ55、光減衰器56、レンズ57が配置されており、さらに、レンズ57は、単一モード光ファイバ58を介してレンズ59に接続され、レンズ59からの出射光は偏光ビームスプリッタ53に入射するようになっている。
Further, the mode-locked
これは、図1の原理をより確実に動作させる構成である。 This is a configuration that operates the principle of FIG. 1 more reliably.
注入同期を確実に実現させるには、自励発振型モード同期レーザを出射するモード同期レーザ光出射部11の空間モードと、単一周波数レーザ光を出射する注入用レーザ光出射部12の空間モードとが、できるだけ一致していることが重要である。レンズやプリズムなどの光学素子でこれを実現させるほかに、より確実な方法として、図9に示したように、単一モード光ファイバ58を利用し、双方向から両者のレーザ光を最大の結合効率で入射させる方法がある。これは単一モードファイバ58が1つの空間モードしか伝播を許さないことを利用している。同様の機能は、ピンホールとレンズを用いた空間フィルターでも果たすことができる。
In order to surely realize injection locking, the spatial mode of the mode-locked laser
単一周波数レーザ光(注入用レーザ光B)が自励発振型半導体レーザ光(モード同期レーザ光A)に注入されて動作が不安定になることを避けるため、注入用レーザ光出射部12の出射直後に光アイソレータ55を設置する。
In order to avoid that the single-frequency laser beam (injection laser beam B) is injected into the self-excited oscillation type semiconductor laser beam (mode-locked laser beam A) and the operation becomes unstable, the injection laser
モード同期レーザ光出射部11側は、自分自身の戻り光の影響を避けつつ、単一周波数レーザ光の注入を行うため、偏光方向を45°回転させるファラデーローテータ52と偏光ビームスプリッタ53とで光アイソレータを構成する。図9の構成では、モード同期レーザ光Aの偏光方向をファラデーローテータ52出射後で紙面に水平な偏光とする。水平偏光の光は偏光ビームスプリッタ53を透過するので、注入用レーザ光出射部12の方への反射は非常に小さくなる。一方、単一周波数レーザの偏光は偏光ビームスプリッタ53の前で紙面に垂直とすると、この光は偏光ビームスプリッタ53で反射され、ファラデーローテータ52を透過してモード同期レーザ光出射部11へ向かう。ファラデーローテータ52では、ビームの進行方向によって、偏光の回転方向が逆になる。図9の配置では、ファラデーローテータ52透過後の単一周波数レーザの偏光と、ファラデーローテータ52入射前の自励発振型モード同期半導体レーザの偏光とが一致するので、単一周波数レーザ光が効率よく自励発振型モード同期半導体レーザに注入される。このファラデーローテータ52と偏光ビームスプリッタ53との機能は、光サーキュレータでも実現できる。
The mode-locked laser
注入レーザ光のパワーを最適値にするために、必要に応じて単一レーザ光の光路中に光減衰器56を設置する。
In order to optimize the power of the injection laser light, an
なお、半導体レーザから出射されるビーム形状は、一般に楕円であり、光ファイバーへの結合効率を高めるなど、ビームの利用効率を高めるために、アナモルフィックプリズムペアなどビーム形状を真円にするためのビーム整形光学系51・54が用いられる。戻り光の問題を発生しない限りは、光路中のどこにおいてもよいが、通常は出射直後に光アイソレータと前後して配置される。
The shape of the beam emitted from the semiconductor laser is generally an ellipse. In order to increase the efficiency of beam utilization, such as increasing the coupling efficiency to an optical fiber, the beam shape such as an anamorphic prism pair is used to make a perfect circle. Beam shaping
また、調整をやりやすくする、あるいは、反射による損失を低減させる、などの目的で、光路中に、2分の1波長板などの偏光を回転させる素子(図示せず)を適宜挿入してもよい。 Further, for the purpose of facilitating adjustment or reducing loss due to reflection, an element (not shown) for rotating polarized light such as a half-wave plate may be appropriately inserted in the optical path. Good.
さて、上述の通り、図1の構成では、注入用レーザ光出射部12から出射される注入用レーザ光Bが、モード同期レーザ光出射部から出射するモード同期レーザ光Aに注入されるようになっている。
As described above, in the configuration of FIG. 1, the injection laser beam B emitted from the injection laser
ここで、図1の構成において、注入用レーザ光Bの注入を行わない状態のモード同期レーザ光Aの周波数スペクトルを図5中、aで示す。同図には、注入用レーザ光Bの周波数スペクトル(単一の周波数fb)も併せて記載している(bで示す)。この状態では、モード同期レーザ光Aは、各モードのスペクトル線幅が広く、また、S/Nも小さいものとなっている。 Here, in the configuration of FIG. 1, the frequency spectrum of the mode-locked laser light A in a state where the injection laser light B is not injected is indicated by a in FIG. In the same figure, the frequency spectrum (single frequency fb) of the injection laser beam B is also shown (indicated by b). In this state, the mode-locked laser light A has a wide spectral line width in each mode and a small S / N.
また、図1の構成において、注入用レーザ光Bの注入を行った状態のモード同期レーザ光Aの周波数スペクトルを図6中、cで示す。同図には、注入用レーザ光Bの周波数スペクトル(単一の周波数fb)も併せて記載している(dで示す)。この状態では、モード同期レーザ光Aは、各モードのスペクトル線幅が狭く、また、S/Nも大きいものとなっていることがわかる。 Further, in the configuration of FIG. 1, the frequency spectrum of the mode-locked laser light A in a state where the injection laser light B is injected is indicated by c in FIG. In the figure, the frequency spectrum (single frequency fb) of the injection laser beam B is also shown (indicated by d). In this state, it can be seen that the mode-locked laser light A has a narrow spectral line width and a large S / N in each mode.
ここでは、注入するレーザ光(注入用レーザ光B)の周波数fbが、注入対象のレーザ光(モード同期レーザ光A)が有する複数の周波数ピークのうちの任意の一つの周波数と一致するように、モード同期レーザ光出射部11においてモード同期レーザ光Aを調整、または、注入用レーザ光出射部12において注入用レーザ光Bを調整してある。すなわち、図5、図6では、周波数ピークが7個示されているが、fbが、そのうち、周波数の高いほうから2番目のピークと一致するようにしている。
Here, the frequency fb of the laser beam to be injected (injection laser beam B) matches with any one of a plurality of frequency peaks of the laser beam to be injected (mode-locked laser beam A). The mode-locked laser
図5、図6の結果から、以下のように言うことができる。モード同期レーザ、すなわち、周波数軸上で見ると、多数のレーザ光が等しい周波数間隔で並んだ集合体、光周波数コムとなっているレーザを利用すれば、光の周波数を測定することが可能である。現在この技術はチタニウムサファイアレーザなど高価で大型のレーザを用いて実現されているが、上記図2の構成を用いれば、小型化することができる。ただ、このモード同期半導体レーザでは、図1の構成とはせずに図2の構成のままであると、図5に示す通り、別のCWレーザとのビート信号がS/N良く検出できない。これに対し、今回の発明は、図1に示すように、CWレーザをモード同期半導体レーザに注入し、注入するレーザ光のパワーを適切に設定することによって、図6に示す通り、モード同期半導体レーザに注入同期がかかり、モード同期半導体レーザの各モードのスペクトル線幅を狭くすることができる。 From the results of FIGS. 5 and 6, it can be said as follows. The frequency of light can be measured by using a mode-locked laser, that is, a laser having an optical frequency comb, which is an aggregate of many laser beams arranged at equal frequency intervals when viewed on the frequency axis. is there. At present, this technique is realized by using an expensive and large-sized laser such as a titanium sapphire laser, but it can be miniaturized by using the configuration shown in FIG. However, with this mode-locked semiconductor laser, if the configuration of FIG. 2 is not used, the beat signal with another CW laser cannot be detected with good S / N as shown in FIG. On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 1, a CW laser is injected into a mode-locked semiconductor laser, and the power of the laser light to be injected is set appropriately. Injection locking is applied to the laser, and the spectral line width of each mode of the mode-locked semiconductor laser can be narrowed.
上記のように、モード同期半導体レーザのスペクトル範囲内のどの周波数でも、充分なS/NでCWレーザとのビート信号が検出される。また、ビート信号の各モードのスペクトル線幅も充分狭い。したがって、ビート周波数の測定には実用上充分である。本構成を用いれば、光周波数測定システム全体として、小型、安価、かつ低消費電力の光周波数計測システムが実現できる。また、例えば、光周波数計測技術以外にも、原子時計への応用や、人工衛星に搭載可能なレベルになればGPS(global positioning system)のような測地システムや資源探査への応用も期待できる。 As described above, the beat signal with the CW laser is detected with sufficient S / N at any frequency within the spectrum range of the mode-locked semiconductor laser. The spectral line width of each mode of the beat signal is also sufficiently narrow. Therefore, it is practically sufficient for measuring the beat frequency. If this structure is used, the optical frequency measurement system of the small size, cheap, and low power consumption is realizable as the whole optical frequency measurement system. In addition to optical frequency measurement technology, for example, it can be expected to be applied to atomic clocks and to geodetic systems such as GPS (global positioning system) and resource exploration if it can be mounted on an artificial satellite.
さらに、注入同期がかかった状態は、そのままでは数10秒程度しか保てないが、フィードバック制御を行えば、モード同期半導体レーザと注入レーザの周波数の一致を長時間保つことも可能である。フィードバック制御には、周波数のずれの検出に偏光を利用する公知の技術を適宜使用することができる。本発明においては、非常に弱いパワーの注入レーザ光を、Q値(quality factor)の低いモード同期半導体レーザの共振器に注入するという、一見信号が得にくい条件下で、鋭い誤差信号が取得できる。 Further, the state where the injection locking is applied can be maintained for about several tens of seconds as it is, but if the feedback control is performed, it is possible to keep the frequency matching between the mode-locking semiconductor laser and the injection laser for a long time. For the feedback control, a known technique using polarized light can be appropriately used for detecting a frequency shift. In the present invention, a sharp error signal can be obtained under conditions where it is difficult to obtain a signal, such as injection of very weak power injection laser light into a resonator of a mode-locked semiconductor laser having a low Q factor (quality factor). .
このフィードバックについて説明する。まず、光共振器の共鳴周波数と、光共振器に共鳴させるレーザ周波数とのずれを検出する方法として、図9に示した偏光を利用する方法がある。レーザ装置101から出た光は光共振器102で反射して、4分の1波長板61を通過し、偏光ビームスプリッタ62にて2方向に分かれ、それぞれがフォトダイオード63a、63bで受光され、比較器64で光の強度に応じた電圧同士が比較されて出力されるようになっている。光共振器102としては、共焦点光共振器や、リング共振器等を用いることができる。フォトダイオード63a、63bおよび比較器64にて差動光検出器が構成されている。また、4分の1波長坂61、偏光ビームスプリッタ62、およびこの差動光検出器にて偏光分析器が構成されている。
This feedback will be described. First, as a method for detecting a deviation between the resonance frequency of the optical resonator and the laser frequency to be resonated with the optical resonator, there is a method using the polarized light shown in FIG. The light emitted from the
ここで、光共振器102に共鳴する光の偏光が直線偏光で、かつその角度が、光共振器102内の図示しない光学素子で規定され、かつ、レーザ装置101から入射するレーザ光が直線偏光で、その偏光方向は光共振器102に共鳴する偏光の偏光方向とは違った角度であるとする。
Here, the polarization of light resonating with the
レーザ装置101から光共振器102に入射するレーザ周波数が共鳴周波数からわずかにずれると、光共振器102からの反射光は楕円偏光となるので、上記偏光分析器で検出すると、光共振器102の共鳴周波数f0の近傍では、図10のようなゼロクロスの信号が得られる。なお、横軸xはレーザ装置101のレーザ光の周波数であり、縦軸yは差動光検出器の出力電圧である。この信号が零になるようにフィードバック制御を行うことで、レーザ装置101からのレーザ光の周波数を光共振器102の共鳴周波数に保つことができる。
When the laser frequency incident on the
この方法を本発明に適応したものを図11に示す。注入光と反射光とは同軸であるので、偏光ビームスプリッタ66で一部を取り出して信号を検出する。その後、図9に示した61ないし64と同じ構成を配置する。そして、比較器64の出力電圧に応じて、フィードバック制御器65にて、注入用レーザ光出射部12からのレーザ光またはモード同期レーザ光出射部11からのレーザ光のうちの一方について、レーザの周波数を増減する制御を行う。すなわち、注入用レーザ光出射部12を制御する場合は、そのレーザ光の周波数を増減する。また、モード同期レーザ光出射部11を制御する場合は、その共振器長や注入電流を制御することで、そのレーザ光の周波数を増減する。共振器長の制御は、フィードバック制御器65の出力信号に基づき、例えばピエゾ素子等を用いて、共振器の位置を電気的に動かせばよい。このフィードバック制御器65の出力信号を用いて、モード同期半導体レーザの特定のモード周波数と、注入する単一周波数レーザの周波数とのどちらか一方のレーザをフィードバック制御器65にて制御することにより、両方の周波数を長時間互いに一致させることができる。
FIG. 11 shows this method applied to the present invention. Since the injected light and the reflected light are coaxial, a part of the light is extracted by the
ここで、注入する単一周波数レーザ光(注入用レーザ光B)のパワーは、ここでは、モード同期発振を継続させるためにかなり弱く設定する。モード同期半導体レーザであるモード同期レーザ光出射部11の共振器のQ値は低いため、当初、非常にS/Nの悪い信号しか得られないと考えられ、実際に、自励発振型モード同期半導体レーザをオフにした状態では、光共振器の共鳴を示す信号は全く検出できなかった。しかし、自励発振型モード同期半導体レーザが発振している状態で、モード同期レーザのモード周波数と注入する単一周波数レーザの周波数とが、注入同期がかかる程度に互いに近い場合には、注入したレーザ光がモード同期半導体レーザ側で増幅された形となり、前述の図10のように、信号強度が増幅されて観測されることがわかった。
Here, the power of the single frequency laser beam to be injected (injection laser beam B) is set to be quite weak in order to continue the mode-locked oscillation here. Since the Q value of the resonator of the mode-locked laser
このように、注入される側のレーザがモード同期発振していて、モード同期発振を保つために、注入するレーザ光のパワーを弱くせざるを得ない状況下でも、半導体レーザの大きな利得によって弱い注入レーザ光が増幅され、高いS/Nの信号が得られる。 As described above, even when the laser on the injection side is mode-locked and the power of the laser beam to be injected must be weakened to maintain the mode-locked oscillation, the laser is weak due to the large gain of the semiconductor laser. The injection laser light is amplified, and a high S / N signal is obtained.
なお、図2のモード同期レーザ光出射部11の代わりに、図4のモード同期レーザ光出射部40を用いることもできる。
Note that the mode-locked laser
すなわち、この構成例は、図2のモード同期レーザ光出射部11の共振器を、4個の反射器41〜44からなる外部共振器に置き換えたものである。自励発振型半導体レーザ装置の構成は図2のものと同様である。反射器41〜44を頂点とする四角形のループの長さ2Lは(2L/c)<τの関係を満たすように設定する。この構成例では、自励発振型半導体レーザ素子21から発振されるパルスレーザ光が外部共振器のループを周回することにより、c/2Lの整数倍の周波数の光が干渉により増幅され、自励発振型半導体レーザ素子21中の可飽和吸収層33により、この増幅された周波数の光の強度が他の周波数の光よりも相対的に強められる。これにより、c/2Lの周波数間隔でモード同期のかけられたパルスレーザ光が生成される。このパルスレーザ光は、例えば反射器41〜44のうちの1個をハーフミラーとすることにより、外部共振器の外に取り出すことができる。
That is, in this configuration example, the resonator of the mode-locked laser
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope shown in the claims. That is, embodiments obtained by combining technical means appropriately changed within the scope of the claims are also included in the technical scope of the present invention.
光周波数計測システムのような用途にも適用できる。 It can also be applied to applications such as an optical frequency measurement system.
10 モード同期半導体レーザ装置
11 モード同期レーザ光出射部
12 注入用レーザ光出射部
13 ハーフミラー
14 ミラー
21 自励発振型半導体レーザ素子(自励発振型半導体レーザ装置)
21a モード同期レーザ光出射側端面
21b モード同期レーザ光反射側端面(共振器)
22 直流電源(自励発振型半導体レーザ装置)
23 コリメータレンズ
24 ハーフミラー(共振器)
31 半導体チップ
32 活性層
33 可飽和吸収層
34 半導体チップ
40 モード同期レーザ光出射部
41、42、43、44 反射器
50 モード同期半導体レーザ装置
51 ビーム整形光学系
52 45°ファラデーローテータ
53 偏光ビームスプリッタ
54 ビーム整形光学系
55 光アイソレータ
56 光減衰器
57 レンズ
58 単一モード光ファイバ
59 レンズ
61 4分の1波長板
62 偏光ビームスプリッタ
63a、63b フォトダイオード
64 比較器
65 フィードバック制御器
66 偏光ビームスプリッタ
101 レーザ装置
102 光共振器
DESCRIPTION OF
21a Mode-locked laser light emitting
22 DC power supply (self-oscillation type semiconductor laser device)
23
DESCRIPTION OF SYMBOLS 31 Semiconductor chip 32 Active layer 33 Saturable absorption layer 34
Claims (2)
周期τでパルスレーザ光を発振する自励発振型半導体レーザ装置と、上記自励発振型半導体レーザ装置を挟む少なくとも2個の反射部を備えて閉光回路を構成し、該閉光回路の1周期の光路長2Lが(2L/c)<τ(cは光速)の関係を満たす共振器とを備えることによって、モード同期レーザ光を出射するモード同期レーザ光出射部と、
上記モード同期レーザ光に注入するレーザ光であって、上記モード同期レーザ光の一つのピーク周波数を引き込む単一周波数を持つ注入用レーザ光を出射する注入用レーザ光出射部とを備えたことを特徴とするモード同期半導体レーザ装置。 In a mode-locked semiconductor laser device that becomes an optical frequency comb that is an aggregate in which a large number of laser beams are arranged at equal frequency intervals when viewed on the frequency axis,
A closed optical circuit is configured by including a self-excited oscillation type semiconductor laser device that oscillates a pulsed laser beam with a period τ and at least two reflecting portions sandwiching the self-excited oscillation type semiconductor laser device. A mode-locked laser beam emitting unit that emits a mode-locked laser beam by including a resonator in which the optical path length 2L of the cycle satisfies a relationship of (2L / c) <τ (c is the speed of light);
An injection laser beam emitting unit that emits an injection laser beam having a single frequency that is a laser beam to be injected into the mode-locked laser beam and that draws one peak frequency of the mode-locked laser beam. A mode-locked semiconductor laser device.
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