JP2008543101A - 超低雑音半導体レーザ - Google Patents

Abstract

本発明の主題は、反転分布寿命τ_ｃを有する半導体活性媒体（２）と、自身における光子の寿命τ_ｐを有する空洞共振器と、を含むレーザ（１）である。非常に低い固有雑音を備えたレーザを得るために、空洞共振器には、縦単一モードであるための手段（４、５）と、τ_ｐ＞τ_ｃであるようにする、たとえば非常に長い空洞共振器などの手段とが含まれる。

Description

本発明の分野は、デジタル信号を用いる電気通信システム、アナログ信号を用いるレーダシステム等において特に用いられる、大きなダイナミックレンジを備えたレーザの分野である。

レーザのダイナミックレンジにおける増加は、その電力を増加することによって、および／またはその固有の強度雑音を低減することによって達成される。

以下では、超低雑音レーザを考察する。これらのレーザはまた、原子の光学的操作または原子および分子分光法、量子メモリ、量子暗号、大きな干渉計、重力波の検出のためなどの新規の用途において用いられる。

超低雑音レーザを製造するために最も広範に用いられる技術は、「ノイズイーター」と呼ばれる電気光学装置をレーザの出力部に配置することに存する。

また、Ｎｄ：ＹＡＧまたはＥｒ：Ｙｂ／ガラスレーザなどの縦励起固体レーザを用いることが可能である。

これらの両方の場合には、電気的フィードバック制御ループを用いるゆえに、小さなスペクトル範囲、典型的には１ＭＨｚにわたって、レーザの強度雑音の低減が得られる。

したがって、本発明の１つの重要な目的は、２０ＧＨｚより大きなスペクトル帯域にわたる超低雑音レーザを製造することである。

この目的を達成するために、本発明は、反転分布寿命τ_ｃを有する半導体活性媒体と、自身における光子の寿命τ_ｐを有する空洞共振器と、を含むレーザであって、空洞共振器が、縦単一モードであるための手段およびτ_ｐ＞τ_ｃであるための手段を含むことを主に特徴とするレーザを提供する。

したがって、かかるレーザは、潜在的に無限の周波数帯域にわたってほぼ白色雑音スペクトルを有するが、これは、たとえば広帯域アナログ信号伝送のための理想的な条件である。

空洞共振器がいくつかのモードを生成できる場合に、単一モード空洞共振器を得るための手段には、これらのモードをフィルタリングするための手段を含むのが好ましい。

本発明の１つの特徴によれば、半導体が長さｌを有する場合に、空洞共振器は、τ_ｐ＞τ_ｃを得るために、外部にあり、長さＬ＞１００ｌを有する。

これらのモードをフィルタリングするための手段には、たとえばブラッグ格子および／またはファブリ−ペロー干渉計が含まれる。オプションとして、空洞共振器には、アイソレータおよび／または光ファイバが含まれる。

本発明の別の特徴によれば、空洞共振器が、外部にあり、フィルタリング手段と、半導体外部の少なくとも１つのミラーとを含む場合には、フィルタリング手段はこの外部ミラーを含み、このミラーは光屈折性である。

本発明の別の特徴によれば、外部空洞共振器には外部出力ミラーが含まれ、このミラーは、凹面鏡であるか、コリメートレンズに関連した平面鏡であるかまたは少なくとも１つの光屈折結晶を含む。

一実施形態によれば、空洞共振器には、反射係数Ｒ＞８０％を有するミラーが含まれる。

レーザは、モノリシックでもよく、反射係数Ｒ＞８０％を備えた２つのフェースを有してもよい。

本発明の１つの特徴によれば、半導体は、セミＶＣＳＥＬか量子ドット半導体かまたは量子カスケード半導体である。

本発明の別の特徴によれば、半導体は量子カスケード半導体であり、空洞共振器は、外部にあり、半導体外部の導波路を含む。

さらに、レーザにはフィードバック制御装置を含んでもよい。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な例として、および添付の図面に関連して提示された次の詳細な説明を読むことによって、明らかになるであろう。

ある図から別の図へと継続して、同じ要素は、同じ参照符号によって示される。

レーザの固有雑音の原因を最初に分析する。

標準半導体レーザ、ドープガラスまたはドープ結晶固体レーザ、ドープファイバレーザなどの現時点で用いられているほとんどのレーザは、「クラスＢ」レーザと呼ばれる。クラスＢレーザの主な特徴は、レーザ空洞共振器における光子の寿命τ_ｐが、反転分布寿命τ_ｃより短いということである。半導体レーザにおいて例を挙げると、τ_ｃが１ｎｓ程度であるのに対して、τ_ｐは約１０ｐｓである。ドープ結晶またはドープガラスレーザにおいて、反転分布寿命τ_ｃはさらに長く、典型的には１００μｓ〜１０ｍｓである。

光子寿命が反転分布寿命より短いので、これらのレーザは、周波数υ_ｒで緩和振動を経験するが、この周波数の値は、レーザの励起速度ηと、寿命τ_ｐおよびτ_ｃの逆数とに比例する。

これらの緩和振動が、過度の雑音が存在する理由であり、その最大値は、υ_ｒにおいてである。従来の半導体レーザでは、共振周波数υ_ｒは、１０ＧＨｚあたりに位置する。したがって、この周波数は、アナログ信号伝送システム用の有用な周波数帯域のちょうど中間に位置する。反対に、ダイオード励起固体レーザは、１００ＭＨｚ〜２０ＧＨｚ帯域において非常に低い雑音を有する。しかしながら、それらは共振を示し、その共振は、用いられる活性媒体に依存して１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚに位置する。この過度な雑音はまた、多くの用途に対してだけでなく、アナログ信号伝送システムに対してもまた、これらの周波数で問題となる。なぜなら、この雑音は、搬送波の谷に現われるからである。

さて、共振周波数υ_ｒは、レーザ空洞共振器における光子の寿命が、キャリアの独特な再結合時間より長くなる場合には、すなわちいわゆる「クラスＡ」レーザの独特な特性では消える。次に、かかるレーザは、潜在的に無限の周波数帯域にわたってほぼ白色雑音スペクトルを有するが、これは、たとえば広帯域アナログ信号伝送のための理想的な条件である。

本発明の原理は、半導体レーザの場合に、増幅媒体における反転分布寿命またはキャリアの寿命と比較して、レーザ空洞共振器における光子の寿命をかなり伸長できる特定の動作領域に位置するために、レーザの光子と増幅媒体との間の相互作用の力学に基づいて動作することに存する。

この原理によれば、半導体レーザなどの標準クラスＢレーザから得られるものは、レーザ空洞共振器における光子の寿命を著しく増加させることによる、および／または増幅媒体における反転分布寿命を低減することによる、クラスＡレーザの動作領域に等しい動作領域である。レーザ源は、モード間のビート雑音を回避するために、縦単一モードのままでなければならない。

レーザ空洞共振器における光子の寿命を増加させることに基づいた、図１に関連して説明する第１の実施形態によれば、本発明によるレーザ１は、活性媒体２としての長さｌの半導体、および長さＬ＞１００ｌの外部空洞共振器を有する。

この図に示す例において、出発空洞共振器は、半導体の空洞共振器であるが、半導体にループバックされる光ファイバ３によって拡張される。このように形成されるリング空洞共振器は、数メートルたとえば５ｍの長さＬを有する。かかる空洞共振器長さは、数十ＭＨｚの自由スペクトル間隔に対応し、それによって、数千の縦モード（４０ｎｍの利得スペクトル幅）の同時発振が可能になる。したがって、縦モードのスペクトルフィルタリングがあり、これを図２に曲線ｃで示す。第１のステップにおいて、空洞共振器にブラッグ格子４を挿入することによって、発振幅を０．０５ｎｍへ低減することが可能になる―曲線ａがこのフィルタリングを示す。ブラッグ格子と直列になるようにファブリ−ペロー干渉計５を空洞共振器に加えることによって、０．０５ｎｍ帯域内で単一縦モードを選択することが可能になる―曲線ｂがこのフィルタリングを示す。フィルタリングが最適であるように、アイソレータ６がまた空洞共振器に配置され、レーザモードに回転方向を与えることが可能になる。このように、マルチモード発振を助長する空間ホールバーニング効果が未然に防がれる。さらに、光の回転方向を固定することによって、光は、ファブリ−ペローを通過するようにされ、結果として、光は、スペクトル的にフィルタリングされる。その理由は、アイソレータが存在しない場合には、レーザが、ファブリ−ペローの２つの入力ミラー間の線形空洞共振器において発振可能だからである。

このように、半導体から出発して、光は、順番にアイソレータそして次にファブリ−ペローを通過する。次に、サーキュレータ７が、ブラッグ格子に光を導き、ブラッグ格子が、出力カプラおよびスペクトルフィルタの役割をする。ブラッグ格子によって反射された光は、最後に半導体２へ逆に導かれる。

ファブリ−ペロー透過周波数最大値および選択された縦モードの周波数が一致するままであるように、ファブリ−ペローの共振周波数が、この縦モードにロックされる。これは、同期検波装置などのフィードバック制御装置８を用いて達成することができる。かかるフィードバック制御によってまた、温度の変化または機械的応力変動によって引き起こされる任意のモードドリフトを補償することが可能になる。

かかるレーザは１５４９ｎｍで発振し、縦単一モードのままである。特に、レーザの変調応答は、共振が消えたこと、およびレーザがクラスＡレーザとして、すなわちτ_ｐ＞τ_ｃのように振る舞うことを示す。

騒音測定に基づいて取得された結果によって、得られたレーザが超低雑音レーザであることが確認される。すなわち、このレーザの雑音スペクトルは、標準ＤＦＢレーザのそれよりはるかに低い。その理由は、レーザのＲＩＮ（相対強度雑音）が、測定機器によって実験的にアクセス可能な全スペクトル範囲（１００ＭＨｚ〜２１ＧＨｚ）にわたって、ショット雑音だけ制限されるからである。実験条件下のレーザの出力電力が１．８ｍＷであるので、その相対ショット雑音は、−１５６ｄＢ／Ｈｚである。

レーザ空洞共振器における光子の寿命を増加させることに再び基づいた別の実施形態によれば、長さは数センチメートルだが高Ｑの線形外部空洞共振器が用いられる。その理由は、高Ｑ空洞共振器では、光子が、空洞共振器を去る前に数百の往復を実行するからである。したがって、その結果は、非常に長い空洞共振器で得られるであろう結果と同一である。長さが数センチメートルの空洞共振器を用いることには、長い空洞共振器と比較して、ある一定の利点がある。なぜなら、それによって、複雑なスペクトルフィルタリングを回避することが可能になるからである。高Ｑ空洞共振器は、ミラーが８０％より大きい反射係数を有する空洞共振器である。

次の例において、空洞共振器は線形である。

高Ｑ空洞共振器を備えた低雑音レーザの例を説明する。用いられる半導体は、セミＶＣＳＥＬである。ＶＣＳＥＬ（垂直空洞共振器面発光レーザ）が、表面を介して放射するレーザであって、半導体活性媒体が垂直で、かつ両側をブラッグ格子に囲まれたレーザであることが思い起こされる。セミＶＣＳＥＬは、出力フェースがブラッグ格子を有さないＶＣＳＥＬである。次に、レーザ発振は、外部空洞共振器に出力ミラーを配置することによって得られる。出力ミラーは、凹面鏡か、またはコリメートレンズと組み合わされた平面鏡であってもよい。次に、数センチメートルの空洞共振器長さは、クラスＡレーザ、およびしたがって、大きなスペクトル幅にわたって本質的に低雑音のレーザを得るのに十分である。セミＶＣＳＥＬは、ここでは増幅媒体の役割をするが、光励起するかまたは電気的に励起してもよい。

さらに、ブラッグ格子および／またはファブリ−ペロー干渉計などのスペクトルフィルタリング装置を空洞共振器に含んでもよい。

高Ｑ空洞共振器レーザの変形において、空洞共振器は、光屈折結晶によって、それ自体に逆に連結される。光屈折結晶は、光子寿命の増加およびスペクトルフィルタリングの実行を同時に可能にする。

活性媒体における反転分布寿命の低減に基づく別のアプローチでは、活性媒体における反転分布寿命が非常に短い半導体が用いられる。かかる活性媒体の使用によって、レーザ空洞共振器の長さを数センチメートルか、または数ミリメートルにさえ低減することが可能になる。この基準を満たす活性媒体は、量子ドット半導体または量子カスケード半導体である。さらに、これらの活性媒体によって、赤外線領域（量子ドット）からＴＨｚ（量子カスケード）に及ぶ波長をカバーすることが可能になる。

活性媒体における反転分布寿命を低減させることに基づくアプローチは、もちろん、レーザ空洞共振器における光子の寿命を増加させることに基づくアプローチと組み合わせることができる。

ここで、活性媒体における反転分布寿命の低減および／またはレーザ空洞共振器における光子の寿命の増加に基づくこの実施形態の例を図３に関連して説明する。

図３ａに示す例において、レーザには、外部空洞共振器、すなわち半導体２を越えて延びる空洞共振器が含まれる。半導体２の第１のフェース２１は、レーザ空洞共振器１４の第１のミラーの役割をする。第２のフェース２２自体には、反射防止処理がしてある。活性媒体２から数センチメートル離れて配置されたミラー９が、レーザ空洞共振器１４を閉じる。出力ミラー９は、凹面鏡（図３ａ）、またはコリメートレンズ１１と組み合わされた平面鏡（図３ｂ）もしくはコリメートレンズ１１と組み合わされた光屈折結晶１２（図３ｃ）であってもよい。光屈折結晶のフェース１３は、空洞共振器の第２のミラーの役割をする。ＴＨｚレーザの場合には、図３ｄに概略的に示すように、拡張空洞共振器には、ミラー９に加えて、ＴＨｚ導波路１０が含まれることに留意されたい。

図３ｅに示す別の例によれば、レーザはモノリシックであり、またτ_ｐ＞τ_ｃを得るための手段は、空洞共振器のＱ係数および活性媒体２の選択に基づくが、このレーザは、たとえば量子カスケードレーザである。そうするために、活性媒体２の２つのフェース２１、２２に、反射コーティングが施される。したがって、空洞共振器１４における光子の寿命を増加させるＱ係数と、選択される活性媒体に特徴的な、キャリアの短い寿命との組み合わせが、結果としてレーザのクラスＡ動作をもたらす。（１ｍｍ程度の）活性媒体の長さは、レーザの線幅を低減するために最適化してもよい。このレーザのアーキテクチャは、モノリシックという利点を有し、したがって、実行が容易で、外乱にそれほど敏感ではない。

これらの線形空洞共振器の例において、半導体は、たとえば量子ドットレーザか量子カスケードレーザかまたはセミＶＣＳＥＬである。空洞共振器におけるミラーの反射係数は、８０％より大きいのが好ましい。

必要ならば、これらの例は、活性媒体において（たとえばＤＦＢタイプのフィルタリング）、または外部空洞共振器アーキテクチャの場合には空洞共振器において、スペクトルフィルタリングから直接利益を得ることができる。

本発明によるレーザの例であって、レーザの外部空洞共振器がリング空洞共振器である例を概略的に示す。 ブラッグ格子およびファブリ−ペロー干渉計を空洞共振器に挿入することによって得られるスペクトルフィルタリングが存在する状態において、信号の透過Ｔの概略的曲線を、波長λの関数として示す。 本発明による線形空洞共振器レーザの様々な例、すなわち、凹面鏡を備えた外部空洞共振器を有する例（３ａ）と、平面鏡およびコリメートレンズを有する例（３ｂ）と、光屈折結晶およびコリメートレンズを有する例（３ｃ）と、ミラーおよび導波路を有する例（３ｄ）と、外部空洞共振器のないモノリシックレーザの例（３ｅ）とを概略的に示す。

Claims (14)

1. 反転分布寿命τ_ｃを有する半導体活性媒体（２）と、自身における光子の寿命τ_ｐを有する空洞共振器と、を含むレーザ（１）であって、前記空洞共振器が、緩和振動を有さないクラスＡレーザタイプの動作領域を得るために、縦単一モードであるための手段およびτ_ｐ＞τ_ｃであるための手段を含むことを特徴とするレーザ（１）。
2. 前記空洞共振器がいくつかのモードを生成できる場合に、単一モード空洞共振器を得るための前記手段が、これらのモードをフィルタリングするための手段を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレーザ。
3. 前記半導体が長さｌを有する場合に、前記空洞共振器が、τ_ｐ＞τ_ｃを得るために、外部にあり長さＬ＞１００ｌを有することを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載のレーザ。
4. これらのモードをフィルタリングするための前記手段が、ブラッグ格子（４）および／またはファブリ−ペロー干渉計（５）を含むことを特徴とする、請求項２と組み合わせた請求項１〜３に記載のレーザ。
5. 前記空洞共振器が、アイソレータ（６）および／または光ファイバ（３）を含むことを特徴とする、請求項１〜４に記載のレーザ。
6. 前記空洞共振器（１４）が、外部にあり、かつフィルタリング手段と前記半導体外部の少なくとも１つのミラーとを含む場合には、前記フィルタリング手段がこの外部ミラーを含むことと、このミラーが光屈折結晶（１２）であることと、を特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ。
7. 前記空洞共振器（１４）が、外部にあり、かつ外部出力ミラー（９）を含む場合には、前記外部出力ミラー（９）が、凹面鏡であるか、コリメートレンズ（１１）に関連した平面鏡であるかまたは少なくとも１つの光屈折結晶（１２）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載のレーザ。
8. 前記空洞共振器（１４）が、反射係数Ｒ＞８０％を有するミラーを含むことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のレーザ。
9. 前記レーザが、モノリシックで、反射係数Ｒ＞８０％を備えた２つのフェースを有することを特徴とする、請求項１および２のいずれか一項に記載のレーザ。
10. 前記半導体が、セミＶＣＳＥＬか量子ドット半導体かまたは量子カスケード半導体であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載のレーザ。
11. 前記半導体が量子カスケード半導体であることと、前記空洞共振器（１４）が、外部にあり、前記半導体外部の導波路（１０）を含むこととを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のレーザ。
12. フィードバック制御装置（８）をさらに含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のレーザ。
13. 前記空洞共振器がリング空洞共振器であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のレーザ。
14. 前記空洞共振器（１４）が線形空洞共振器であることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のレーザ。

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