JP2000507744A - Ｑスイッチ半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 スイッチ半導体レーザは、僅かな電流又は電圧レンジで高周波レーザ変調を容易化すべきものである。本発明によれば、少なくとも１つの共振器が受動的に構成されており、両共振器はバーニャないしノギス方式に相応する異なるモードを有し、少なくとも１つの共振器ミラーが、２重共振器により選択されたレーザ波長の領域にて著しく分散性の反射特性を有する反射器として構成されており、受動共振器及び／又は反射器の屈折率が電子的に同調整合可能である。当該の配置構成により、レーザ波長に対する反射性を次のように調整できる、即ち、固定的な有効増幅度の場合、著しく分散性の反射特性を有する共振器ミラーの反射性の電気的変調によりレーザ閾値を半導体レーザがそれによりスイッチングオン又はオフされるように低下又は増大させることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 Ｑスイッチ半導体レーザ 本発明は、スイッチ半導体レーザに関する。 スイッチ半導体レーザの適用可能性は、当該の配置構成により、短く強いレー ザパルスを生成し、殊に、非線形光学系及び通信伝送／光情報伝送の分野にて当 該のパルスを生成する手法に基づく。 Ｑスイッチレーザでは強いポンピングにより高い反転分布が形成され、高い利 得が達成される。大きな共振損失によりレーザアクションの投入、使用が先ず阻 止される。損失が遮断排除されれば高いパルス出力の短い光パルスが発射される 。Ｑスイッチングのため１つには、共振器ミラーでの外部損失が変化されるか、 又は共振器内にて、遮断、排除され得るような内部損失が生ぜしめられる。 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ ｏｌ．７，Ｎｏ． １０，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９５，ｐｐ．１１２５−１１２ ７には２−セクション−ＤＦＢ−レーザが記載されており、この２−セクション −ＤＦＢ−レーザでは１つのセクションが先ず。吸収器として作動され、ついで 、電流注入によりトランスペアレントにされる。ここで、共振器内部でネット純 利得が変調され る。ポンピング電流を介するレーザの変調に比して、当該の配置構成により、既 に所要の変調電流にて、そして、チャープにて改善が達成される。但し、わずか な電流ないし電圧レンジでの高周波レーザ変調は未だこれまで実現されていない 。 従って、本発明の課題とするところは、わずかな電流ないし電圧レンジで高周 波レーザ変調を可能にするＱスイッチ半導体レーザを提供することである。 前記課題は、次のようにして解決される、即ち、少なくとも１つの一定にポン ピングされる能動的、活性媒質と、２つの光学的に結合された共振器とからなる Ｑスイッチ半導体レーザにおいて、少なくとも１つの共振器が受動的共振器とし て構成され、両共振器は、バーニャないしノギス方式（Ｎｏｎｉｕｓ Ｐｒｉｎ ｚｉｐ）に相応する種々異なるモードを有し、少なくとも１つの共振器ミラーが ２重共振器により選択されたレーザ波長の領域にて著しく分散性の反射特性を有 する反射器として構成されているのである。 前記配置構成により、レーザ波長に対する反射性を次のように調整できる、即 ち、固定的な有効増幅度の場合、著しく分散性の反射特性を有する共振器ミラー の反射性の電気的変調によりレーザ閾値を半導体レーザがそれによりスイッチン グオン又はオフされるように低下又は増大させることができるのである。 類似の配置構成は、既に下記文献に記載されている 。 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ ｏｌ．８，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｅｙ １９９０，ｐｐ．２８−３０。前記の マルチセクションレーザは、相異なって作動され、当該の手段とは異なった機能 を有する。而して、自動パルス形レーザでは能動的層は次のように強くポンピン グされ、換言すれば、次のように高い電流で制御される、即ち、能動的共振器が 既にそれだけでレーザとして立ち上げ振動するように、ように強くポンピングさ れ、高い電流で制御される。能動的共振器及び反射器における電流は一本発明の レーザの作動と異なって−固定され、然もレーザ波長のノイズを来すような能動 共振器内の荷電キャリヤ密度のノイズが反射器からの波長依存の帰還により生ぜ しめられ、ここで、レーザ出力、波長及び荷電キャリア密度の変動、振動がレー ザセクションにて生ぜしめられるようになる。 ノニウス（Ｎｏｎｉｕｓ）方式に相応する異なるモード態様（Ｍｏｄｅｎｋａ ｅｍｍｅ）を有する２つの当結合される共振器を設けることは、次のような理由 により本発明によりＱスイッチ半導体レーザの機能にとって規定的である、即ち 、１つの簡単な半導体レーザにて多くの可能なモードの故に、そうしないと、レ ーザ放射が、所期のモードでは支えられないからである。その代わりに、そこに て、比較的高い、そして、 非分散性の反射が生じる競合的モードがレーザアクションを支配することとなる からである。 共振器のうちの１つを受動的共振器として構成することが重要である理由は、 ここで屈折率が一義的に電気的に外部から可調整及び固定可能であり、一方能動 的共振器では荷電キャリア密度、ひいては屈折率及び課長が亦フォトン密度にも 依存するからである。要するに、総じて、２重共振器によりレーザモードが選択 され、受動的共振器によりレーザ波長が十分に固定され、当該波長は、受動的共 振器の電気的制御下で所定の波長領域で可調整である。反射器特性での強い分散 を以てのレーザ波長のほぼスペクトル的一致を作製の際実現できる。微調整は受 動的共振器ないし反射器の制御の際電気的オフセットにより達成される。 本来の変調は、受動的共振器の屈折率の電気的制御（印加電界亦は荷電キャリ ア注入）により行われる。レーザ波長を、反射器のスペクトル的相関の著しくわ ずかな変化によってもレーザ閾値を著しく効率的に変調し、而してレーザをネッ ト純利得の変調なしでオン、オフできる。 本発明の配置構成により高い変調周波数を達成できる、それというのは、制御 信号のたんにわずかなレンジしか必要とされないからである。レーザ電流変調に よる出力変調に比して著しく小さいチャープ（波長変調）が達成される、それと いうのは、能動的共振器に おいて、荷電キャリア密度が変調される必要がなく、更に、受動的共振器により 、波長の固定が行われるからである。 本発明の更なる有利な実施形態が従属請求項に記載されている。そのうちには 、共振器ミラー及び２つの光結合共振器の発展形態がある。 そのような実施形態によれば、著しく分散性の反射特性を有する反射器を、屈 折率に関して電気的に同調整合可能なＤＦＢ−又はＤＢＲ−格子−又は狭帯域干 渉フィルタとしてレーザファセット、フェーセット（facet）上に構成するので ある。 更なる実施形態では、反射器は超格子構造を有する。そのような超格子構造− これは例えばブラッグ波長ないし結合係数のバリエーション又は位相ジャンプに より実現可能である−は、均質のＤＦＢ−及びＤＢＲ格子の反射特性の修正変更 を可能にする。それにより、半導体レーザの作製プロセス中既に実現に所望され る伝達関数／スイッチング特性の前提条件が技術的に格子構造に依存して、従っ て、反射特性の種類により可調整である。而して、例えば、反射器は、直線変調 のため超格子を備え、該超格子は、反射特性のストップバンドエッジ縁の急峻な 側縁での直線的な上昇を実現するものであり、デジタルスイッチングのためその ような超格子が備えられ、該超格子は前述の側縁にて階段状の特性経過を保証す る。 共振器に係わる実施形態では共振器が光学的に一定にポンピングされた活性媒 質の上方に配置された能動的レーザセクションとして構成され、そして、第２共 振器は、受動的セクションとして能動的レーザセクションと分散性反射器との間 に設けられている。 別の実施形態によれば、上述の能動的レーザセクションを、受動的セクション として構成された第２共振器と、分散性反射器と間に設ける。 既述のように、バーニャないしノギス方式（Ｎｏｎｉｕｓ）−これによれば２ つの光結合された共振器は相応の異なるモードを有する−は次のことを保証する 、即ち、不所望のモードの振動立ち上がりが抑圧されることを保証する。更なる 改善を次のようにして達成される、即ち、能動的レーザセクションとして構成さ れた共振器内にて設けられたＤＦＢ格子がブラッグ波長を有し、該ブラッグ波長 は、反射器のＤＦＢ又はＤＢＲ格子の波長に対してほぼストップバンド幅だけ短 波長又は長波長的にずれているようにするのである。 更なる実施形態によれば、受動的及び能動的共振器が、反射性衝き合わせ個所 により相互に分離され、両共振器は、２つの反射器により画定形成される。本発 明の配置格子にて分散性反射特性を有する唯一の反射器が設けられている場合、 他方の反射器は反射性ファセット、フェーセット（facet）である。 最適のスペクトル的相関レーザ反射器を電気的動作 条件に無関係に次のようにして、調整セッティングできる、即ち、電気的制御の ほかに付加的に少なくとも１つのセクションが他の実施形態にて設けられている ような選択的に作動可能なヒータを有するのである。付加的なヒータは、被加熱 セクションにて屈折率の変化を行わせる。更に、その種のヒータにより、技術上 のトレランスを補償することが可能である。 更に、受動的共振器はレーザ状のヘテロ構造を有し、該ヘテロ構造は、電流注 入を用いてのレーザ放射の波長の際トランスペアレンシイに調整セッティングさ れている。そのようなレーザ状のヘテロ構造は、エネルギ的にバンド幅を上回る 比較的小さい波長のもとでトランスペアレンシイポイントを有する。ここで、ヘ テロ構造を次のように電気的にポンピングしなければ成らない、即ち、注目波長 のもとで、丁度光り吸収から光り増幅への切換が行われるように電気的にポンピ ングしなければならない。それにより、受動的共振器を、レーザ波長より著しく 小さい波長で制御し得−光吸収が行われる−か又は、増幅スペクトル内でレーザ 波長より大の波長で制御し得−ここで荷電キャリアが消費される。種々の波長で の制御により、従って、２つの異なった方向で光学的制御されるスイッチングが 可能になる。 半導体レーザの高周波的電気的制御のため、２つの別個に電気的に可制御の２ つのセクションから成る受 動的共振器がスペーサとして構成されている。２つの別個に可制御のセクション を設けることにより、所要の動作点が一方のセクション（定電流）により実現さ れ、そして、所要のＨＦ−変調が他方のセクションにより実現される。それによ り、ＨＦ−変調には一定値を重畳する必要がない。従って、ＨＦ制御信号及び一 定の電流／電圧の電子的重畳が必要でない。 ロジック演算の実現のため、例えば、２つの信号のロジック結合のため、半導 体レーザのセクションは選択的に−電気的に、又は光学的に−可制御でなければ ならない。本発明による半導体レーザは次のように調整セッティングされる、即 ち、２つの異なるセクションの同時制御の際のみデジタル的にオン又はオフでき るように調整セッティングされる。次のような実施形態は、そのような前提条件 を充足する。而して、個々のセクションは、選択的に種々の高周波電気信号で制 御されるようにするのである。更に、半導体レーザ構造の層平面内にて、レーザ 軸に対して横断方向に導波路構造は少なくとも半導体レーザの１つのセクション に導かれ、該１つのセクションを介して、光信号が選択的に当該セクション内へ 入射され得る。亦、光学的窓を有する亦はセミトランスペアレントに構成された 少なくとも１つのセクションの電気コンタクト内に光信号が選択的に入射される ようにすることも可能である。 本発明は、実施形態が前述の形態に限定されず、本発明の技術思想を実現する すべてのバリエーションを包含するのである。 次に本発明の実施例を図を用いて詳述する。 各図は次の通りである。 図１は、受動的共振器と、能動的共振器及び分散性反射器から成る本発明のＱ スイッチ半導体レーザの構成を略示し、該構成にて、反射器と能動的共振器との 間に受動的共振器が設けられている。 図２は、図１に示すＱスイッチ半導体レーザの横断面を示す。 図３は、反射器の波長への依存性の説明図である。 図４は、図３に示す波長への反射器の反射性の依存性のほかに付加的に、２つ のブラッグ波長のずれのもとでＤＦＢレーザのスペクトル特性を示す説明図であ る。 図５は、受動的共振器が種々の電流で制御される場合における図１及び図２に 示すレーザの光スペクトルの特性図である。 図６は、図１及び図２に示すレーザの受動共振器が、正弦波状に１ＧＨｚで変 調された電流Ｉで制御された場合における光出力の、時間へ依存して特性図であ る。 図７は、能動的共振器が受動的共振器と分散性反射器との間に設けられている 場合におけるＱスイッチ半 導体レーザの横断面略図である。 図８は、能動的、受動的共振器が反射性衝き合わせ個所により相互に分離され ている場合におけるＱスイッチ半導体レーザの横断面である。 図１に示すＱスイッチ半導体レーザは、リブ導波路構造にてＤＦＢ−格子を有 するレーザセクションＬとして構成された共振器と、受動的共振器Ｐと、２重共 振器により選択されたレーザ波長の領域内での著しく分散性の反射特性を有する 同様のＤＦＢ格子として構成された反射器Ｒとから成る。 ｎ−ＩｎＰ−サブストレート１上に、３００ｎｍ厚ｎ−１．３μｍ−ＩｎＧａ ＡｓＰ−導波路層２と１５０ｎｍ厚ｐ−１．１８μｍ−ＩｎＧａＡｓＰ−導波路 ４との間に１５０ｎｍの厚さを有する活性層３としての１．５５μｍ−ＩｎＧａ ＡｓＰ−層が設けられている。ＤＦＢ格子は、電子ビームリソグラフィを用いて 書き込まれ、Ｐ−導波路層４内にエッチングされている。その上にｐ−ＩｎＰ層 ５及びリブにてのみ開かれている絶縁分離するＳｉＮｘ層６が設けられており、 該ＳｉＮｘは、電極層Ｅ２により被われている。更にリブ導波路構造の中間スト リップは、移行接触抵抗の低減のため、４００ｎｍ厚さのｐ−ＩｎＧａＡｓ層７ を有する。レーザセクションは、３００μｍの長さを有し、受動的共振器セクシ ョンＰは、４００μｍの長さを有し、分散性反射器Ｒは、２００μμ ｍの長さを有する。サブストレート１は、ベース電極Ｅ１上に設けられている。 反射器Ｒ及び能動的共振器１は、それぞれ得反射防止被覆付きファセット、フェ ーセット（facet）Ｆ１，Ｆ２により仕切画定される。 図２には、同じＱスイッチ半導体レーザをその横断面で示す。切断面は、長手 方向で、リブ導波路構造の高まりのある中間ストリップを通って切断して示され ている。明示されているのは両共振器Ｌ及びＰ並びに反射器Ｒの類似の層構造で ある。層構造は次のような層を有する；ベース電極Ｅ１，ｎ−ＩｎＰ−サブスト レート１、ｎ−Ｉｎ−ＧａＡｓＰ−導波路層２、活性のｎ−Ｉｎ−ＧａＡｓＰ− 導波路層３、ＤＦＢ格子を有するｐ−Ｉｎ−ＧａＡｓＰ−導波路層３、ｐ−Ｉｎ Ｐ層５及び分割されたカバー電極Ｅ−これは両共振器Ｌ及びＰ及び反射器Ｒの別 個の制御のためのものである−を有する。前記カバー電極の下にｐ−ＩｎＧａＡ ｓ層７が設けられている。 図３には、トランスペアレンシイ−電流密度の近くでの作動の際、波長λへの 、反射器Ｒの反射率の依存性が示されている。障害的レーザ波長はバーニャない しノギス方式に従って異なるレーザセクションＬ及び受動的共振器Ｐの２つの異 なった共振器条件により排除され、受動的位相条件が波長を固定する。それによ り、Ｑスイッチ半導体レーザは、固定したポンピング電流のもとで出力が変調さ れ得る。変調は受動的共振 器条件又はスペクトル的反射器位置の電気的変化により行われる。スペクトル的 反射器位置のたんにわずかな変化により、−図３から明らかなように−固定した レーザ波長λL−これは既にＱスイッチレーザの作製の際、有利にはそれの急峻 な側縁の領域にて反射器特性における強い分散と近似的にスペクトル的に一致せ しめられた−のもとで、所期のように、分散性反射器Ｒは、Ｑスイッチ半導体レ ーザのビーム路中に電気的に挿入接続ないし遮断され得る。その結果レーザ閾値 は、著しく効率的に、即ち、著しく電流変化又は電圧レンジにより変調される。 図４には同じく、波長λに依存しての反射器Ｒの反 クトル特性が示されている。ＤＦＢレーザは、ストップバンドについて２つのほ ぼ同等順位のモード、短及び長波長を有する。分散的Ｑ変調に対して不所望のモ ードの立ち上がりを抑圧しなければならず、このことはＤＦＢモードと受動的共 振器モードとの間のノニウス効果により達成される。不所望のモード改善された 押圧をユニット次のようにすれば達成できる、即ちＤＦＢレーザ及びＤＦＢ−又 はＤＢＲ−反射器のブラッグ波長が図４に示すようにストップバンド幅だけ相互 にずれているようにするのである。その際例えば短波長レーザモードは、反射器 ストップバンドの長波長側で反射低下と相関し、一方、長波長レーザモードは、 ストップバンドにて高い反射性とスペクトル的重なり合いを有さず、従って殆ど レーザアクションへの立ち上がりをし得ない。 図５には、受動的共振器Ｐに供給された種々の電流のもとで波長λに依存して の図１ないし図２に示す構成を有する本発明のＱスイッチ半導体レーザの相対的 電力Ｐｏｐｔが示してある。ＤＦＢ格子を有するレーザ電流Ｌが次のようなわず かな電流（ここでは４１ｍＡ／ｓ）のもとで作動される、即ち付加的反射性のオ ンないしオフによりレーザが立ち上がり始めるようなわずかな電流（ここでは４ １ｍＡ／ｓ）のもとで作動される。ＤＦＢ格子を有する分散性反射器Ｒは、１６ ｍＡで制御される。樹霜的共振器Ｐが種々の電流Ｉ（小これは６ｍＡ及び６，５ ｍＡ）で作動される場合、本発明の半導体レーザのオン、オフを観測すべきであ る。６，５ｍＡの電流の場合波長λ＝１５４８のもとで単一モード放射を観測す べきである。電流Ｉが０．５ｍＡだけ低減されて６．０ｍＡにされる場合レーザ はオフされる。ここで、３０ｄＢより大のスイッチング差が達成される。電流、 従ってレーザＬ及び反射器Ｒ電流Ｌの利得が固定されているので、当該の特性カ ーブによりＱスイッチ半導体レーザの分散性閾値スイッチングがセッティングさ れる、それというのは、受動的共振器ＲＰに供給される電流のたんにわずかな変 化（０．５ｍＡ）をさせるだけで、−固定したポンピ ング電流のもとで−レーザがオン、オフするからである。 受動的共振器Ｐに供給される電流が正弦波状に１ＧＨｚで変調される場合、 パルス列（時間ｔに依存しての光出力Ｐｓｐｔ）が図５に示すように生成される 。上述の装置は、ＨＦ−操作作動に対して最適化されていないので、比較的高い 変調周波数も大きな確率で可能である。 図７及び図８には、本発明の半導体レーザの更なる実施形態が横断面で示して ある。 図７には、ＤＦＢ−格子を有するレーザセクションの能動的共振器Ｌと、ＤＢ Ｆ格子として構成された反射器Ｒとの間に設けられている。層構成は図２に対し て記載したのと同じものである。 図８は、ファブリペローレーザとして構成された能動的共振器Ｌを示し、該能 動的共振器Ｌは、−略示した−反射性衝き合わせ個所８、例えばμｍ領域の幅の エッチング溝により受動的共振器Ｐから分離されており、前記反射性エッチング 溝では、たんに１つのミラ−面を得るため１つの側縁がレーザビームに対して垂 直方向に形成され、１つがそれに対して斜めに形成されている。レーザファセッ ト−ここではＦ1−上に１つの干渉フイルタ９が配置されている。他方のレーザ ファセット−ここでは図示していない−が反射性に構成されている。 図２、７、８における破線で示す線は、本発明の手段による“分布した”反射 器の作用を示すものである。本発明のＱスイッチ半導体レーザは変調のため、わ ずかな電流ないし電圧レンジしか要しない。それというのは、高いレーザ電流で なくわずかな制御電流が変調され、該わずかな制御電流は、レーザ閾値に大きな 影響、作用を及ぼすからである。それにより、当該の半導体レーザは、特に高速 のモードスイッチングに適用可能である、即ち、レーザ自体がオン、オフされる のではなく、既にさようしているモードに対して、他のモードの閾値が次のよう に低下せしめられる、即ち、選択されたモードが今や立ち上がり、支配するよう に低下せしめられるのである。 本発明のＱスイッチ半導体レーザの手段は、アナログ制御のみならず、デジタ ル制御をも可能にする。それというのは、動作点及び制御形式に依存してレーザ 出力が制御量に比例して変化されるか、又は跳躍的なデジタル的切換、スイッチ ングがヒステリシス（保持器脳）を以て達成され得るからである。 電流を用いての制御の代わりに、本発明の半導体レーザ内への光入射により荷 電キャリア密度の変化を生じさせることも可能である。或１つの層のトランスペ アレンシイ透明性は、常に波長に依存するので適当な波長をレーザ波長に対して 異ならせ、利用すれば“受動的”共振器をも制御できる。而して、導波路層２は 、実施例では１．３μｍのバンドエッジ縁を有し、従って、活性層３により短い 波長を吸収し、ここで荷電キャリアが生成されて反射器として使用されたＤＦＢ セクションの場合、活性層の最大利得とＤＦＢ波長がスペクトル的に分離されて おり、その結果適当な波長の入射された光が増幅され、その際荷電キャリアが低 減されることが達成され得る。当該の光学的制御の実現に当たり、本発明の半導 体レーザがたんにわずかな制御パワーしか要しないという利点が得られることが 判明している。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９８年３月１２日（１９９８．３．１２） 【補正内容】 明細書 Ｑスイッチ半導体レーザ 本発明は、Ｑスイッチ半導体レーザであって、電気的には分離されているが光 学的には結合されている少なくとも２つの共振器を有し、そのうちの一方は、受 動共振器として構成され他方は能動共振器として構成されているＱスイッチ半導 体レーザに関する。 Ｑスイッチ半導体レーザの適用可能性は、当該の配置構成により、短く強いレ ーザパルスを生成し、殊に、非線形光学系及び通信伝送／光情報伝送の分野にて 当該のパルスを生成する手法に基づく。 Ｑスイッチレーザでは強いポンピングにより高い反転分布が形成され、高い利 得が達成される。大きな共振損失によりレーザアクションの投入、使用が先ず阻 止される。損失が遮断排除されれば高いパルス出力の短い光パルスが発射される 。Ｑスイッチングのため１つには、共振器ミラーでの外部損失が変化されるか、 又は共振器内にて、遮断、排除され得るような内部損失が生ぜしめられる。 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ ｏｌ．７，Ｎｏ．１０，Ｏｃｔｏｂｅｒ １９９５，ｐｐ．１１２５−１１２７ には２ーセクションーＤＦＢーレーザが 記載されており、この２ーセクションーＤＦＢーレーザでは１つのセクションが 先ず。吸収器として作動され、ついで、電流注入によりトランスペアレントにさ れる。ここで、共振器内部でネット純利得が変調される。ポンピング電流を介す るレーザの変調に比して、当該の配置構成により、既に所要の変調電流にて、そ して、チャープにて改善が達成される。但し、わずかな電流ないし電圧レンジで の高周波レーザ変調は未だこれまで実現されていない。 米国特許第４９８８２４０５号明細書には、２つの光学的に結合された共振器 を有するＱスイッチレーザが記載されている。ここで、Ｑ変調は、両共振器の離 調により行われる。 本発明が基礎とする従来技術は、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｋｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ３０（１９９４）Ｍａｙ，Ｎｏ．５，ｐｐ １２０ ４−１２１１に記載されている。示されているＱスイッチ半導体レーザは、２つ の光学的に結合された共振器から成り、その内の１つは、受動的共振器として構 成され、他方では、能動的共振器として構成されている。両共振器は電気的に可 制御であり、８ミラーにおける電極、両共振器用の中間電極）それにより、別個 に能動的セクションがポンピングされ、（利得の生成）、受動的セクションが屈 折率にて電気的に整合され得る。この手段においてもＱ変調と称される 出力変調が両共振器の離調により行われる。ここで、可変の屈折率を有する領域 は当該の領域を含む２つのブラック反射器と共に可変の反射器又は同調整合可能 なエタロンとして作用する。共振器ミラーとして２つの共振器がそれの特に高く 、そして、ストップバンド内でほぼ一定の反射性の故にミラーとして使用される 。この配置構成にて、ＤＢＲ構造は、レーザ波長のもとでもっぱら高い反射性の ミラーとして作用する。従来技術で公知の当該の手段は、レーザの高周波Ｑ変調 を可能にするが、わずかな変調レンジしか可能でない。 米国特許第４９８８２４０５号明細書には、２つの光学的に結合された共振器 を有するＱスイッチレーザが記載されている。ここで、Ｑ変調は、両共振器の離 調により行われる。 本発明が基礎とする従来技術は、ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｋｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ３０（１９９４）Ｍａｙ，Ｎｏ．５，ｐｐ １２０ ４−１２１１に記載されている。示されているＱスイッチ半導体レーザは、２つ の光学的に結合された共振器から成り、その内の１つは、受動的共振器として構 成され、他方では、能動的共振器として構成されている。両共振器は電気的に可 制御であり、８ミラーにおける電極、両共振器用の中間電極）それにより、別個 に能動的セクションがポンピングされ、（利 得の生成）、受動的セクションが屈折率にて電気的に整合され得る。この手段に おいてもＱ変調と称される出力変調が両共振器の離調により行われる。ここで、 可変の屈折率を有する領域は当該の領域を含む２つのブラック反射器と共に可変 の反射器又は同調整合可能なエタロンとして作用する。共振器ミラーとして２つ の共振器がそれの特に高く、そして、ストップバンド内でほぼ一定の反射性の故 にミラーとして使用される。この配置構成にて、ＤＢＲ構造は、レーザ波長のも とでもっぱら高い反射性のミラーとして作用する。従来技術で公知の当該の手段 は、レーザの高周波Ｑ変調を可能にするが、わずかな変調レンジしか可能でない 。 従って、本発明の課題とするところは、わずかな電流ないし電圧レンジで高周 波レーザ変調を可能にするＱスイッチ半導体レーザを提供することである。 前記課題は、次のようにして解決される、即ち、少なくとも１つの一定にポン ピングされる能動的、活性媒質と、２つの光学的に結合された共振器とからなる Ｑスイッチ半導体レーザにおいて、少なくとも１つの共振器が受動的共振器とし て構成され、両共振器は、バーニャないしノギス方式（Ｎｏｎｉｕｓ Ｐｒｉｎ ｚｉｐ）に相応する種々異なるモードを有し、少なくとも１つの共振器ミラーが ２重共振器により選択されたレーザ波長の領域にて著しく分散性の反射特性を有 する反射器として構成されているのである。 前記配置構成により、レーザ波長に対する反射性を次のように調整できる、即 ち、固定的な有効利得の場合、著しく分散性の反射特性を有する共振器ミラーの 反射性の電気的変調によりレーザ閾値を半導体レーザがそれによりスイッチング オン又はオフされるように低下又は増大させることができるのである。 類似の配置構成は、既に下記文献に記載されている。 ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ，Ｖ ｏｌ．８，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｅｙ １９９０，ｐｐ．２８−３０。前記の マルチセクションレーザは、異なった仕方で作動され、当該の手段とは異なった 機能を有する。而して、自励パルス形−パルセーション−レーザでは活性層は次 のように強くポンピングされ、換言すれば、次のように高い電流で制御される、 即ち、能動的共振器が既にそれだけでレーザとして立ち上げ振動するように、強 くポンピングされ、高い電流で制御される。能動的共振器及び反射器における電 流はー本発明のレーザの作動と異なってー固定され、然もレーザ波長のノイズを 来すような能動共振器内の荷電キャリヤ密度の障害ノイズが反射器からの波長依 存の帰還により生ぜしめられ、ここで、レーザ出力、波長及び荷電キャリア密度 の変動、振動がレーザセクションにて生ぜしめられ るようになる。 バーニャないしノギス方式(Noniusprinzip)に相応する異なるモード態様（Ｍ ｏｄｅｎｋａｅｍｍｅ）を有する２つの当結合される共振器を設けることは、次 のような理由により本発明によりＱスイッチ半導体レーザの機能にとって規定的 である、即ち、１つの簡単な半導体レーザにて多くの可能なモードの故に、そう しないと、レーザ放射が、所期のモードでは支えられないからである。その代わ りに、そこにて、比較的高い、そして、非分散性の反射が生じる競合的モードが レーザアクションを支配することとなるからである。前記の競合的モードは、ス ペクトル的に次のように重なり合う、即ち、所定のレーザ波長が選択されるよう に、−機械工学にて公知のバーニャないしノギス方式（Noniusprinzip）に類似 して−重なり合うのである。 共振器のうちの１つを受動的共振器として構成することが重要である理由は、 ここで屈折率が一義的に電気的に外部から可調整及び固定可能であり、一方能動 的共振器では荷電キャリア密度、ひいては屈折率及び課長が亦フォトン密度にも 依存するからである。要するに、総じて、２重共振器によりレーザモードが選択 され、受動的共振器によりレーザ波長が十分に固定され、当該波長は、受動的共 振器の電気的制御下で所定の波長領域で可調整である。反射器特性と強い分散と のレーザ波長のほぼスペクトル的一致を作製の際実現 できる。微調整は受動的共振器ないし反射器の制御の際電気的オフセットにより 達成される。 本来の変調は、受動的共振器の屈折率の電気的制御（印加電界又は荷電キャリ ア注入）により行われる。レーザ波長と、反射器の反射側縁エッジとのスペクト ル的相関の著しくわずかな変化をさせただけでもうレーザ閾値を著しく効率的に 変調し、而してレーザをネット純利得の変調なしでオン、オフできる。」 図１に示すＱスイッチ半導体レーザは、リブ導波路構造にてＤＦＢー格子を有 するレーザセクションＬとして構成された共振器と、受動的共振器Ｐと、２重共 振器により選択されたレーザ波長の領域内での著しく分散性の反射特性を有する 同様のＤＦＢ格子として構成された反射器Ｒとから成る。 ｎ−ＩｎＰーサブストレート１上に、３００ｎｍ厚ｎ−１．３μｍーＩｎＧａ ＡｓＰー導波路層２と１５０ｎｍ厚ｐ−１．１８μｍ−ＩｎＧａＡｓＰ−導波路 ４との間に１５０ｎｍの厚さを有する活性層３としての１．５５μｍ−ＩｎＧａ ＡｓＰ−層が設けられている。ＤＦＢ格子は、電子ビームリソグラフィを用いて 書き込まれ、Ｐ−導波路層４内にエッチングされている。その上にｐ−ＩｎＰ層 ５及びリブにてのみ開かれている絶縁分離するＳｉＮｘ層６が設けられており、 該ＳｉＮｘは、電極層Ｅ２により被われている。更にリブ導波路構造の中間スト リップは、移行接触抵抗の低減のため、４００ｎｍ厚さのｐ−ＩｎＧａＡｓ層７ を有する。レーザセクションは、３００μｍの長さを有し、受動的共振器セクシ ョンＰは、４００μｍの長さを有し、分散性反射器Ｒは、２００μμｍの長さを 有する。サブストレート１は、ベース電極Ｅ１上に設けられている。反射器Ｒ及 び能動的共振器Ｌは、それぞれ得反射防止被覆付きファセット、フェーセット（ facet）Ｆ1，Ｆ2により仕切画定される。 図２には、同じＱスイッチ半導体レーザ−ここでは受動的共振器セクションＰ が、能動的共振器Ｌと。反射器Ｒと間に設けられている−をその横断面で示す。 切断面は、長手方向で、リブ導波路構造の高まりのある中間ストリップを通って 切断して示されている。明示されているのは両共振器Ｌ及びＰ並びに反射器Ｒの 類似の層構造である。層構造は次のような層を有する；ベース電極Ｅ1，ｎ−Ｉ ｎＰーサブストレート１、ｎーＩｎーＧａＡｓＰー導波路層２、活性のｎ−Ｉｎ −ＧａＡｓＰ−導波路層３、ＤＦＢ格子を有するｐ−Ｉｎ−ＧａＡｓＰ−導波路 層３、ｐ−ＩｎＰ層５及び分割されたカバー電極Ｅ−これは両共振器Ｌ及びＰ及 び反射器Ｒの別個の制御のためのものである−を有する。前記カバー電極の下に ｐ−ＩｎＧａＡｓ層７が設けられている。 図３には、トランスペアレンシイ−電流密度の近くでの作動の際、波長λへの 、反射器Ｒの反射率の依存性が示されている。障害的競合的レーザ波長は−ここ では、機械的計測技術ににおけるバーニャないしノギス方式(Noniusprinzip)に 類似してレーザセクションＬ及び受動的共振器Ｐの２つの異なった共振器条件に より排除され、受動的位相条件が波長を固定する。それにより、Ｑスイッチ半導 体レーザは、固定したポンピング電流のもとで出力が変調され得る。変調は受動 的共振器条件又はスペクトル的反射器位置の電気的変 化により行われる。スペクトル的反射器位置のたんにわずかな変化により、−図 ３から明らかなように−固定したレーザ波長λL−これは既にＱスイッチ制御レ ーザの作製の際、有利にはそれの急峻な側縁の領域にて反射器特性における強い 分散と近似的にスペクトル的に一致せしめられた−のもとで、所期のように、分 散性反射器Ｒは、Ｑスイッチ半導体レーザのビーム路中に電気的に挿入接続ない し遮断され得る。その結果レーザ閾値は、著しく効率的に、即ち、著しく電流変 化又は電圧レンジにより変調される。 図４には同じく、波長λに依存しての反射器Ｒの反 ペクトル特性が示されている。ＤＦＢレーザは、ストップバンドについて短波長 及び長波長的に２つのほぼ同等順位のモードを有する。分散的Ｑ変調に対して不 所望のモードの立ち上がりを抑圧しなければならず、このことは、ここで、所定 の波長の選択により−既述の機械的測定技術におけるバーニャないしノギス方式 （Noniusprinzip）に類似して。ＤＦＢモードと受動的共振器モードとの間でに より達成される。不所望のモード改善された押圧をユニット次のようにすれば達 成できる、即ちＤＦＢレーザ及びＤＦＢ−又はＤＢＲ−反射器のブラッグ波長が 図４に示すようにストップバンド幅だけ相互にずれているようにするのである。 その際例えば短波長レーザモードは、反射器ストップバ ンドの長波長側で反射低下と相関し、一方、長波長レーザモードは、ストップバ ンドにて高い反射性とのスペクトル的重なり合いを有さず、従って殆どレーザア クションへの立ち上がり振動をし得ない。 図５には、受動的共振器Ｐに供給された種々の電流のもとで波長λに依存して の図１ないし図２に示す構成を有する本発明のＱスイッチ半導体レーザの相対的 電力Ｐｏｐｔが示してある。ＤＦＢ格子を有するレーザ電流Ｌが次のようなわず かな電流（ここでは４１ｍＡ／ｓ）のもとで作動される、即ち付加的反射性のオ ンないしオフによりレーザが立ち上がり始めるようなわずかな電流（ここでは４ １ｍＡ／ｓ）のもとで作動される。ＤＦＢ格子を有する分散性反射器Ｒは、１６ ｍＡで制御される。樹霜的共振器Ｐが種々の電流Ｉ（小これは６ｍＡ及び６，５ ｍＡ）で作動される場合、本発明の半導体レーザのオン、オフを観測すべきであ る。６，５ｍＡの電流の場合波長λ＝１５４８のもとで単一モード放射を観測す べきである。電流Ｉが０．５ｍＡだけ低減されて６．０ｍＡにされる場合レーザ はオフされる。ここで３０ｄＢより大のスイッチング差が達成される。電流、従 ってレーザＬ及び反射器Ｒ電流Ｌの利得が固定されているので、当該の特性カー ブによりＱスイッチ半導体レーザの分散性閾値スイッチングがセッテイングされ る、それというのは、受動的共振器ＲＰに供給される電流のたんにわずかな変化 （０．５ｍＡ）をさせるだけで、ー固定したポンピング電流のもとでーレーザが オン、オフするからである。 受動的共振器Ｐに供給される電流が正弦波長に１ＧＨｚで変調される場合、パ ルス列（時間ｔに依存しての光出力ｐｓｐｔ）が図５に示すように生成される。 上述の装置は、ＨＦー操作作動に対して最適化されていないので、比較的高い変 調周波数も大きな確率で可能である。 図７及び図８には、本発明の半導体レーザの更なる実施形態が横断面で示して ある。 図７には、ＤＦＢ（Distributed Feedback）−格子を有するレーザセクション の能動的共振器Ｌが、受動的共振器Ｐと、ＤＢＲ(Distributed Bragg Reflector )−格子として構成された反射器Ｒとの間に設けられている。層構成は図２に対 して記載したのと同じものである。」 請求の範囲 1. Ｑスイッチ半導体レーザであって、電気的には分離されているが光学的には 結合されている少なくとも２つの共振器を有し、そのうちの一方は、受動共振器 として構成され他方は能動共振器として構成されている当該の半導体レーザにお いて、 当該の２つの光学的に結合されている共振器は、異なって構成されたモード を有し、該モードは、所定のレーザ波が選択されるようにスペクトル的に重なり 合うものであり、 −当該の２つの光学的に結合されている共振器の少なくとも１つの共振器ミ ラーが、選ばれたレーザ 成されており、前記選ばれたレーザ波長の領域は、当該の２つの光学的に結合さ れている共振器により選ばれた ものであり、 −分散性反射器（Ｒ）及び／又は受動的共振器（Ｐ）の屈折率の電気的又は 光学的整合調整のための手段が設けられており、その結果分散性反射器（Ｒ）に 対して相対的にレーザモードのスペクトル制御が行われるように構成されている ことを特徴とするＱスイッチ半導体レーザ。 、電気的に屈折率に関して整合可能なＤＦＢ格子として構成されていることを特 徴とする請求の範囲１記載の半導体レーザ。 3. 著しく分散性の反射特性を有する反射器（Ｒ）は、電気的に屈折率に関して 整合可能なＤＢＲ格子として構成されていることを特徴とする請求の範囲１記載 の半導体レーザ。 4. 反射器（Ｒ）は超格子−構造を有することを特徴とする請求の範囲２又は３ 記載の半導体レーザ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 少なくとも１つの一定にポンピングされる能動的、活性媒質と、２つの光学 的に結合された共振器とからなるＱスイッチ半導体レーザにおいて、 −少なくとも１つの共振器が受動的共振器として構成され、 −両共振器は、バーニャないしノギス方式（Ｎｏ ｎｉｕｓ Ｐｒｉｎｚｉ ｐ）に相応する種々異なるモードを有し、 少なくとも１つの共振器ミラーが２重共振器により選択されたレーザ波長の 領域にて著しく分散性の れていることを特徴とするＱスイッチ半導体レーザ。 、電気的に屈折率に関して整合可能なＤＦＢ格子として構成されていることを特 徴とする請求の範囲１記載の半導体レーザ。 3. 著しく分散性の反射特性を有する反射器（Ｒ）は、電気的に屈折率に関して 整合可能なＤＢＲ格子として構成されていることを特徴とする請求の範囲１記載 の半導体レーザ。 4. 反射器（Ｒ）は超格子−構造を有することを特徴とする請求の範囲２又は３ 記載の半導体レーザ。 Ｒ）を、狭帯域干渉フィルタとしてレーザファセット、フェーセット(facet)上 に構成する請求の範囲１記載の半導体レーザ。 6. 共振器が光学的に一定にポンピングされた活性媒質の上方に配置されたＤＦ Ｂ格子を有する能動的レーザセクション（Ｌ）として構成され、そして、第２共 振器は、受動的セクション（ｐ）として能動的レーザセクション（Ｌ）と分散性 反射器（Ｒ）との間に設けられている請求の範囲１から５までのうち少なくとも １項記載の半導体レーザ。 7. 共振器が光学的に一定にポンピングされた活性媒質の上方に配置されたＤＦ Ｂ格子を有する能動的レーザセクションとして構成され、受動的セクション（ｐ ）として構成された第２の共振器（ｐ）と、分散性反射器（Ｒ）との間に設けら れている請求の範囲１から５までのうち少なくとも１項記載の半導体レーザ。 8. 能動的レーザセクション（Ｌ）として構成された共振器内にて設けられたＤ ＦＢ格子がブラッグ波長を有し、該ブラッグ波長は、反射器のＤＦＢ又はＤＢＲ 格子の波長に対してほぼストップバンド幅だけ短波長又は長波長的にずれている 請求項２、３及び６又は７記載の半導体レーザ。 9. 受動的及び能動的共振器が、反射性衝き合わせ個 所（８）により相互に分離され、両共振器は、２つの反射器により画定形成され ている請求の範囲１から５までのうち少なくとも１項記載の半導体レーザ。 10．電気的制御のほかに付加的に少なくとも１つのセクションが選択的に作動可 能なヒータを有する請求項１、６、７又は９のうちいずれか１項記載の半導体レ ーザ。 11.受動的共振器はレーザ状のヘテロ構造を有し、該ヘテロ構造は、電流注入を 用いてのレーザ放射の波長の際トランスペアレンシイに調整セッティングされて いる請求項１、６、７又は９のうちいずれか１項記載の半導体レーザ。 12．２つの別個に電気的に可制御の２つのセクションから成る受動的共振器がス ペーサとして構成されている請求項１、６、７又は９のうちいずれか１項記載の 半導体レーザ。 13．受動的共振器の２つの別個に電気的に可制御のセクションのうちの１つがレ ーザ状のヘテロ構造を有し、該ヘテロ構造は、電流注入を用いてレーザ放射の波 長の際トランスペアレンシイに調整セッティングされている請求項１２記載の半 導体レーザ。 14．個々のセクションは、選択的に種々の高周波電気信号で制御されるように構 成されている請求項１から１３までのうち少なくとも１項記載の半導体レー ザ。 15．半導体レーザ構造の層平面内にて、レーザ軸に対して横断方向に導波路構造 は少なくとも半導体レーザの１つのセクションへ導かれており、該１つのセクシ ョンを介して、光信号が選択的に当該セクション内へ入射されるように構成され ている請求項１から１４までのうち少なくとも１項記載の半導体レーザ。 16．光学的窓を有するか又はセミトランスペアレントに構成された少なくとも１ つのセクションの電気コンタクト内に光信号が当該のセクション内へ選択的に入 射されるように構成されている請求項１から１５までのうち少なくとも１項記載 の半導体レーザ。