JP2005197511A - Optical pulse generator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体レーザを用いて超短パルス光を発生させる光パルス発生素子に関するものである。 The present invention relates to an optical pulse generating element that generates ultrashort pulsed light using a semiconductor laser.
小型、軽量で直接変調が可能な半導体レーザは、超短パルス光源として広く用いられている。 Semiconductor lasers that are small, light and capable of direct modulation are widely used as ultrashort pulse light sources.
半導体レーザにおいてフェムト秒オーダのパルス発光を得る方法について、例えば、光学29巻8号 p.495(非特許文献1)では、モードロック半導体レーザを用いた950fsのパルス幅でのパルス発光が報告されている。しかしながら、モードロック半導体レーザは、一般的にレーザ駆動の閾値をわずかに上回る程度の駆動電流で動作させることが多い。また、このような半導体レーザは基本的にはレーザ発振動作によるため、発振時のキャリア密度は閾値レベルに固定される。したがって、光パルスのピークパワーは例えばmW程度であり、その高出力化は困難である。 Regarding a method for obtaining femtosecond order pulse emission in a semiconductor laser, for example, Optics Vol. 29, No. 8, p.495 (Non-Patent Document 1) reported pulse emission with a pulse width of 950 fs using a mode-locked semiconductor laser. ing. However, in general, a mode-locked semiconductor laser is often operated with a driving current that is slightly higher than a threshold for laser driving. Since such a semiconductor laser basically uses a laser oscillation operation, the carrier density at the time of oscillation is fixed at a threshold level. Therefore, the peak power of the optical pulse is about mW, for example, and it is difficult to increase its output.
一方、半導体レーザの共振器中に可飽和吸収領域を設け、逆バイアス電圧印加による可飽和吸収と、利得スイッチング法とを併用する受動Qスイッチング法により、パルス幅が1.6ps、光パルスのピークパワーが10Wの光パルスを得たとの報告がある(P.P.Vasil'ev, I.H.White, D.Burns, and W.Sibbett, CLEO'93, Baltimore, Paper CThC8 (1993) 、非特許文献2)。この方法は、他のモード同期法などと比較して、数10倍のピークパワーが得られるのが特徴である。また、特開平10−229252号公報(特許文献1)に記載された光パルス発生素子では、同様の構成において活性層直近にノンドープクラッド層を設けることによって可飽和吸収動作の応答速度の向上を図り、サブピコ秒の光パルスを得ている。 On the other hand, a saturable absorption region is provided in the resonator of the semiconductor laser, and the pulse width is 1.6 ps and the peak of the optical pulse is obtained by the passive Q switching method using the saturable absorption by applying the reverse bias voltage and the gain switching method. There is a report that an optical pulse having a power of 10 W was obtained (PPVasil'ev, IHWhite, D. Burns, and W. Sibbett, CLEO'93, Baltimore, Paper CThC8 (1993), Non-Patent Document 2). This method is characterized in that a peak power several tens of times higher than other mode synchronization methods can be obtained. Further, in the optical pulse generator described in Japanese Patent Laid-Open No. 10-229252 (Patent Document 1), the response speed of the saturable absorption operation is improved by providing a non-doped cladding layer in the vicinity of the active layer in the same configuration. Get a sub-picosecond light pulse.
受動Qスイッチング法を用いた半導体レーザでは、例えば、n型基板の底面にn電極を蒸着し、上面にn型バッファ層、n型クラッド層、活性層、p型クラッド層、及びp型キャップ層を順次積層することによってレーザを構成する。このように、p型、n型もしくは中性の活性層をp型とn型のクラッド層で挟み込んだ構成をダブルヘテロ(DH:Double Hetero)構造という。 In a semiconductor laser using the passive Q switching method, for example, an n-electrode is deposited on the bottom surface of an n-type substrate, and an n-type buffer layer, n-type cladding layer, active layer, p-type cladding layer, and p-type cap layer are formed on the top surface. A laser is formed by sequentially stacking layers. A structure in which a p-type, n-type, or neutral active layer is sandwiched between p-type and n-type clad layers is called a double hetero (DH) structure.
また、p型キャップ層に、レーザ光共振器の長手方向に沿ってリッジストライプ状の突起部を設け、この突起部を長手方向に3分割するとともに、p型キャップ層上に2つのp電極を形成する。そして、3分割された突起部のうち中央の突起部上に一方のp電極を積層し、両端の突起部上に他方のp電極を積層する。このとき、2つのp電極が接触しない構成とすることにより、2つのp電極のそれぞれとn電極との間には異なる電界を印加することができる。この結果、半導体レーザの共振器部分は電気的に3つの領域に分割されて、その中央を可飽和吸収領域、両側を利得領域とすることができる。 The p-type cap layer is provided with a ridge stripe-shaped protrusion along the longitudinal direction of the laser resonator, the protrusion is divided into three in the longitudinal direction, and two p-electrodes are formed on the p-type cap layer. Form. Then, one of the p-electrodes is stacked on the central protrusion of the three divided protrusions, and the other p-electrode is stacked on the protrusions at both ends. At this time, a different electric field can be applied between each of the two p electrodes and the n electrode by adopting a configuration in which the two p electrodes are not in contact with each other. As a result, the resonator portion of the semiconductor laser is electrically divided into three regions, and the center can be made a saturable absorption region and both sides can be gain regions.
すなわち、これらの領域のうち、利得領域にレーザ駆動電流として変調電流を印加すると、光パルスが変調される。また、可飽和吸収領域にDC逆バイアス電圧を印加すると、可飽和吸収現象が強調される。したがって、これらの両者を併用することにより、光パルスの高出力化、短パルス化を実現することができる。
しかしながら、従来のDH構造の半導体レーザでは、短パルス化された光パルスを安定して得ることが充分とは言えなかった。すなわち、受動Qスイッチング法を用いた上記構造の光パルス発生素子においては、光パルスの発光タイミングがパルス毎にずれるタイミングジッタが生じる場合がある。このようにタイミングジッタが発生すると、光パルスを用いて積算測定を行った場合に、そのパルス幅が広がって観測されてしまうという問題があった。 However, it cannot be said that a conventional semiconductor laser having a DH structure can sufficiently obtain a light pulse having a short pulse. That is, in the optical pulse generating element having the above structure using the passive Q switching method, there may be a timing jitter in which the light emission timing of the optical pulse is shifted for each pulse. When timing jitter occurs in this way, there is a problem that when integrated measurement is performed using an optical pulse, the pulse width is widened and observed.
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能な光パルス発生素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an optical pulse generating element capable of stably obtaining a short pulse optical pulse.
このような目的を達成するために、本発明による光パルス発生素子は、(1)活性層を第1導電型クラッド層と第2導電型クラッド層とで挟むように積層したダブルヘテロ構造を有するとともに、ダブルヘテロ構造の積層方向と直交方向にレーザ光共振器が構成され、(2)レーザ光共振器の長手方向に対し、第1導電型クラッド層を介して活性層に電流を供給する電極層を少なくとも2つに分割して、分割された電極層のうち少なくとも1つの電極層に逆バイアス電圧を印加して可飽和吸収領域とし、他の少なくとも1つの電極層にレーザ駆動パルス電流を印加して利得領域とするとともに、(3)レーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、所定の遅延時間でレーザ光共振器内へとフィードバックするフィードバック手段を備えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, an optical pulse generating device according to the present invention has (1) a double heterostructure in which an active layer is laminated so as to be sandwiched between a first conductivity type cladding layer and a second conductivity type cladding layer. In addition, the laser beam resonator is configured in a direction orthogonal to the stacking direction of the double heterostructure, and (2) an electrode for supplying current to the active layer via the first conductivity type cladding layer in the longitudinal direction of the laser beam resonator Dividing the layer into at least two layers, applying a reverse bias voltage to at least one of the divided electrode layers to form a saturable absorption region, and applying a laser driving pulse current to at least one other electrode layer And (3) feedback means for feeding back a part of the optical pulse output from the laser optical resonator into the laser optical resonator with a predetermined delay time. And wherein the door.
上記した光パルス発生素子においては、可飽和吸収領域に逆方向のDCバイアス電圧を印加することで吸収領域の応答速度を向上させるとともに、利得領域にRFバイアスを印加することで立ち上がりが俊敏で短パルス化された光パルスを得ることができる。また、レーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、光パルス列のタイミング間隔に応じた所定の遅延時間でフィードバックする構成としている。これにより、出力された光パルスと、その次に出力される光パルスとの間に時間相関を持たせることができるので、タイミングジッタの発生を抑制して、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能となる。また、このようなフィードバック手段は、例えば、必要な遅延時間に対応する光路長を有するフィードバック光学系によって構成することができる。 In the optical pulse generator described above, the response speed of the absorption region is improved by applying a reverse DC bias voltage to the saturable absorption region, and the rise is quick and short by applying an RF bias to the gain region. A pulsed light pulse can be obtained. Further, a part of the optical pulse output from the laser optical resonator is fed back with a predetermined delay time corresponding to the timing interval of the optical pulse train. As a result, a time correlation can be established between the output optical pulse and the next output optical pulse, thereby suppressing the occurrence of timing jitter and stabilizing the shortened optical pulse. Can be obtained. Moreover, such a feedback means can be comprised by the feedback optical system which has the optical path length corresponding to a required delay time, for example.
ここで、フィードバック手段は、レーザ光共振器の一方の共振器端面から出力された光パルスを同じ共振器端面から再び入力することによってレーザ光共振器内へとフィードバックすることが好ましい。これにより、出力された光パルスのレーザ光共振器内へのフィードバックを簡単な構成で実現することができる。 Here, it is preferable that the feedback means feeds back the optical pulse output from one resonator end face of the laser optical resonator from the same resonator end face into the laser optical resonator. Thereby, feedback of the output optical pulse into the laser optical resonator can be realized with a simple configuration.
また、フィードバック手段は、レーザ光共振器から前方へと出力された光パルスの一部を分岐してレーザ光共振器内へとフィードバックすることとしても良い。あるいは、フィードバック手段は、レーザ光共振器から後方へと出力された光パルスをレーザ光共振器内へとフィードバックすることとしても良い。これらの構成を用いることにより、上記したフィードバック手段を好適に実現することができる。 Further, the feedback means may branch off a part of the optical pulse output forward from the laser optical resonator and feed it back into the laser optical resonator. Alternatively, the feedback means may feed back the optical pulse output backward from the laser optical resonator into the laser optical resonator. By using these configurations, the above feedback means can be suitably realized.
本発明によれば、ダブルヘテロ構造の光パルス発生素子において、出力された光パルスの一部をレーザ光共振器内へとフィードバックすることにより、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能となる。 According to the present invention, in an optical pulse generation device having a double hetero structure, a part of the output optical pulse is fed back into the laser optical resonator, so that a short pulse optical pulse can be stably obtained. Is possible.
以下、図面とともに本発明による光パルス発生素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。 Hereinafter, preferred embodiments of an optical pulse generating device according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. Further, the dimensional ratios in the drawings do not necessarily match those described.
まず、本発明による光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの構成について説明する。図1は、光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの一実施形態の構成を示す斜視図である。また、図2、図3は、それぞれ、図1に示した半導体レーザのII−II矢印断面図、III−III矢印断面図である。ここで、図2は、半導体レーザにおけるレーザ光共振器の長手方向に沿った断面図となっている。 First, the configuration of the semiconductor laser used in the optical pulse generating element according to the present invention will be described. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an embodiment of a semiconductor laser used for an optical pulse generating element. 2 and 3 are a sectional view taken along the line II-II and a sectional view taken along the line III-III of the semiconductor laser shown in FIG. 1, respectively. Here, FIG. 2 is a cross-sectional view along the longitudinal direction of the laser resonator in the semiconductor laser.
まず、図2、図3を参照して、本実施形態による半導体レーザ10の積層構造について説明する。本半導体レーザ10はDH構造を有しており、GaAsからなるn型基板35の上面に、GaAsからなるn型バッファ層36、Al0.4Ga0.6Asからなるn型クラッド層37、AlxGa1−xAsからなるノンドーブ活性層38、Al0.4Ga0.6Asからなるp型クラッド層40、及びGaAsからなるp型キャップ層41が順次積層されている。また、n型基板35の下面にはn電極44が蒸着されている。ここで、x<0.4である。
First, the stacked structure of the
n型基板35上の各層は、例えばMO−CVD法によって積層される。各層の厚さについては、活性層38の厚さは0.05〜0.5μmの範囲で設定することが好ましい。また、クラッド層37、40の厚さは、活性層38への光の閉じ込めに充分な厚さであり、約2μmとすることが好ましい。また、n型バッファ層36、p型キャップ層41は、それぞれ1μm程度の厚さとすることが好ましい。
Each layer on the n-
さらに、図1に示すように、p型キャップ層41には、レーザ光共振器の長手方向に沿ってリッジストライプ状の突起部30が形成されている。この突起部30は、長手方向の2個所でp型キャップ層41の上半分が除去されて、3つに分割されている。また、図3に示すように、突起部30の頂面部分を除くp型キャップ層41の表面には、絶縁性のSiN膜45が堆積されている。SiN膜45上には、それぞれ凹字形状、凸字形状の2つのp電極42、43が積層されている。これらの2つのp電極42、43は、凹部と凸部とを向かい合わせにして、この部分が突起部30で組み合わさるような形で配置されている。したがって、3分割された突起部30のうち、中央の突起部30上には凸字形状のp電極43が、また、両端の突起部30上には凹字形状のp電極42がそれぞれ積層されている。
Further, as shown in FIG. 1, the p-
これらのp電極42、43は突起部30の頂面部分でのみ、p型キャップ層41に直接接触している。その他の部分では、p電極42、43と、p型キャップ層41との間に絶縁性のSiN膜45が介在している。このため、活性層38へと電流が注入される領域はストライプ状の突起部30の直下の部分のみに制限されている。これにより、閾値電流を低減すると同時に、活性層38においてストライプ状の領域にレーザ光を閉じ込める導波性を持たせて、発振する横モードを安定させている。この活性層38でのレーザ光共振器の長手方向に沿った導波路長が、本半導体レーザでの共振器長となる。また、この共振器の長手方向に位置する導波路端面(共振器端面)は、両方向ともへき開面である。
These
また、上記構造では、2つのp電極42、43が接触していないため、p電極42、43のそれぞれとn電極44との間に異なる電界を印加することができる。この結果、半導体部分34は電気的に3つの領域に分割され、その中心が可飽和吸収領域32、両側が利得領域31となる。また、可飽和吸収領域32及び利得領域31を除く領域は、分離領域となっている。すなわち、図2に断面構造を示す共振器部分でみると、両側のp電極42直下の利得領域31が、表面にp電極が形成されていない分離領域33を介して、中央のp電極43直下の可飽和吸収領域32を挟み込む構造となっている。
In the above structure, since the two
利得領域31は、半導体部分34のすべてと、p電極42、n電極44とを含んで構成されている。可飽和吸収領域32は、半導体部分34のすべてと、p電極43、n電極44とを含んで構成されている。分離領域33は、p電極及びp型キャップ層41の上部分が除去されて残った部分と、他の半導体部分と、n電極44とを含んで構成されている。
The
ここで、図1に示した半導体レーザにおいては、上記したレーザ光共振器の長手方向での導波路長(共振器長)は、例えば、100μm以上1500μm以下の範囲で設定される。また、可飽和吸収領域32の長さは、例えば、10μm以上500μm以下の範囲で設定される。
Here, in the semiconductor laser shown in FIG. 1, the waveguide length (resonator length) in the longitudinal direction of the laser light resonator is set in the range of 100 μm to 1500 μm, for example. Moreover, the length of the
次に、図1に示した半導体レーザ10の動作について説明する。図4は、半導体レーザの動作について示す模式図である。ここでは、図2と同様のレーザ光共振器の長手方向に沿った断面図によって半導体レーザを図示している。
Next, the operation of the
利得領域31に対応するp電極42には、図4に模式的に示すように、利得領域31に対してパルス電流を印加するための電流源が接続され、p電極42とn電極44との間にレーザ駆動パルス電流が印加される。また、可飽和吸収領域32に対応するp電極43には、可飽和吸収領域32に対して電圧を印加するための電源が接続され、p電極43とn電極44との間にDC逆バイアス電圧が印加される。
As schematically shown in FIG. 4, a current source for applying a pulse current to the
まず、レーザ駆動パルス電流が印加された利得領域31では、パルス電流による入力電流が大きくなるにつれて活性層38に電子が次第に蓄積される。そして、電子密度が発振閾値を超えた時点で、光子密度が急速に上昇してレーザ発振が起こる。これにより、蓄積された電子−正孔対が急速に消費され、発振閾値密度を下回った時点から光子密度が急速に減少してレーザ発振は停止する。これにより、図4に示すように、レーザ駆動パルス電流自体のパルス幅よりも短いパルス幅のレーザ光パルスが得られる。
First, in the
また、この光パルスが可飽和吸収領域32を通過すると、パルス前縁の光は吸収領域32で吸収されるが、光出力がある閾値を超えると吸収が急激に減少し、この吸収領域32は透明化して光パルスは透過する。これは、光励起された電子が吸収領域32の伝導帯を埋めつくし、遷移に行き先がなくなるためである。その後、吸収領域32内の光励起された電子は他の領域等に遷移して、吸収領域32内の吸収率は再び上昇し光パルスが吸収される。この結果、光パルスを圧縮することになる。
When the light pulse passes through the
ここで、吸収領域32にバイアス電圧を印加していない場合には、光吸収がなくなってから復活するまでに、例えば100ns(ナノ秒)程度の時間を要する。一方、吸収領域32に逆バイアス電圧を印加すると、光吸収により発生した少数キャリアをはき出すことができ、最短では例えば0.1ps(ピコ秒)程度で光吸収を回復させることができる。この逆バイアス電圧については、−10V以上−4V以下の電圧とすることが好ましい。
Here, when a bias voltage is not applied to the
また、利得領域31に印加される短パルス電流については、得られる光パルスのパルス幅を狭く、光出力を大きくするためには、そのパルス幅は10ns以下で短ければ短いほど良い。また、その電流値は大きければ大きいほど良い。具体的には、レーザ駆動に用いられるパルス電流源の能力等を考慮して、パルス電流の電流値が0.4A以上1A以下、パルス幅が1ns以上10ns以下であることが好ましい。
As for the short pulse current applied to the
さらに、このような構成の半導体レーザ10によって得られる光パルスでは、その発光タイミング及び発光のタイミング間隔(繰返し周波数)は、利得領域31に印加されるレーザ駆動パルス電流のタイミング及びタイミング間隔によって設定される。すなわち、半導体レーザ10においては、利得領域31に印加される短パルス電流のタイミング間隔に応じたタイミング間隔で光パルス列が出力される。この光パルスのタイミング間隔は、任意に設定して良いが、例えば数Hz〜数百MHzまでの設定が可能である。
Further, in the optical pulse obtained by the
次に、上記した半導体レーザ10を用いた本発明による光パルス発生素子について説明する。図5は、本発明による光パルス発生素子の第1実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
Next, an optical pulse generating element according to the present invention using the
本光パルス発生素子は、図1に示した構成を有する半導体レーザ10を備え、半導体レーザ10のレーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、所定の遅延時間でレーザ光共振器内へとフィードバックするように構成されている。本実施形態においては、半導体レーザ10へとフィードバックする出力光としては、半導体レーザ10のレーザ光共振器から前方へと出力された光パルスを用いている。
This optical pulse generating element includes the
具体的には、図5に示す光パルス発生素子は、光分岐器25と、フィードバック光学系21とからなるフィードバック手段を備えている。光分岐器25は、半導体レーザ10でのレーザ光共振器の前方側の共振器端面と、半導体レーザ10から出力された光パルスが照射される測定系との間の光路上の所定位置に配置された一部反射ミラーからなり、半導体レーザ10から前方(測定系に向かう方向)へと出力された光パルスの一部を分岐してフィードバック光学系21へと導く。また、光分岐器25を透過した光パルスは、光パルスを利用する測定系へと導かれる。
Specifically, the optical pulse generating element shown in FIG. 5 includes feedback means including an optical branching
フィードバック光学系21は、半導体レーザ10における光パルスの発光のタイミング間隔(利得領域31に印加される短パルス電流のタイミング間隔)と一致する遅延時間が得られるように設定された光路長を有する遅延光学系である。光分岐器25で分岐された光パルスは、フィードバック光学系21によって所定の遅延時間が付与された後、再び前方側の共振器端面から半導体レーザ10のレーザ光共振器内へとフィードバックされる。
The feedback
上記実施形態による光パルス発生素子の効果について説明する。 The effect of the optical pulse generating element according to the above embodiment will be described.
図5に示した光パルス発生素子においては、可飽和吸収領域32に逆方向のDCバイアス電圧を印加することで吸収領域32の応答速度を向上させるとともに、利得領域31にRFバイアスを印加することで立ち上がりが俊敏で短パルス化された光パルスを得ることができる。また、半導体レーザ10における発光動作に対し、レーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、光分岐器25及びフィードバック光学系21によって、光パルス列のタイミング間隔と一致する所定の遅延時間でフィードバックする構成としている。これにより、出力された光パルスと、その次に出力される光パルスとの間に時間相関を持たせることができる。したがって、タイミングジッタの発生を抑制して、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能となる。
In the optical pulse generating element shown in FIG. 5, the response speed of the
すなわち、図1に示した構成の受動Qスイッチング法を用いた半導体レーザ10では、光パルスの発光タイミングなどの発光条件がパルス毎にずれてタイミングジッタが生じる場合がある。ここで、図6は、図1に示した半導体レーザ10で得られた光パルスの強度自己相関測定によるSHG自己相関波形を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は時間(ps)を示し、縦軸はSHG強度を示している。ここでは、図1に示した構成において、レーザ光共振器の長手方向での導波路長を350μm、突起部30のストライプ幅を5μm、中央の可飽和吸収領域32の領域長を80μm、両側の利得領域31の領域長をそれぞれ125μmとした。
That is, in the
図6のグラフに示すように、半導体レーザ10からの光パルスでは、タイミングジッタの影響により、積算された時間波形においてそのサイドローブに雑音光が発生する。これに対して、フィードバック光学系21を介して光パルスの一部をフィードバックする本発明による光パルス発生素子によれば、図4に関して上述した半導体レーザ10の動作において、利得領域31でのレーザ発振や可飽和吸収領域32の透明化などの過程によって、フィードバックされた光パルスがレーザ光共振器内での発光動作に影響を与え、光パルスの発光のトリガとなる。したがって、光パルスのフィードバックによる遅延時間を光パルスの発光のタイミング間隔と同期させ、前回に出力された光パルスと時間相関を持って次の光パルスが出力されることにより、光パルスのタイミングジッタを制御することが可能となる。
As shown in the graph of FIG. 6, in the optical pulse from the
図7は、図5に示した光パルス発生素子で光パルスのフィードバックを行って得られた光パルスの強度自己相関測定によるSHG自己相関波形を示すグラフである。このグラフに示すように、出力された光パルスの一部を、半導体レーザ10のレーザ光共振器内へと光パルスの発光タイミングに合わせたタイミングでフィードバックすることにより、半導体レーザ10でのタイミングジッタの発生が抑制されて、雑音光が低減される。また、タイミングジッタに起因する光パルスのパルス幅の広がりも低減される。なお、フィードバックされる光パルスに付与する遅延時間については、2回以上後の光パルスの発光タイミングに合わせてレーザ光共振器内にフィードバックされるように、光パルス列のタイミング間隔の整数倍に応じた遅延時間としても良い。
FIG. 7 is a graph showing an SHG autocorrelation waveform by intensity autocorrelation measurement of an optical pulse obtained by performing feedback of the optical pulse with the optical pulse generating element shown in FIG. As shown in this graph, a part of the output optical pulse is fed back into the laser resonator of the
また、半導体レーザ10のレーザ光共振器への光パルスのフィードバックについては、フィードバック光学系21などのフィードバック手段は、レーザ光共振器の一方の共振器端面から出力された光パルスを同じ共振器端面から再び入力することによってレーザ光共振器内へとフィードバックすることが好ましい。これにより、出力された光パルスのレーザ光共振器内へのフィードバックを簡単な構成で実現することができる。
Further, for feedback of the optical pulse to the laser optical resonator of the
図5に示した光パルス発生素子は、具体的には様々な構成によって実現することができる。図8は、図5に示した光パルス発生素子の具体的な実施例を示す構成図である。本構成例においては、フィードバック光学系21は、4つの反射ミラー21a〜21dによって構成されている。
Specifically, the optical pulse generating element shown in FIG. 5 can be realized by various configurations. FIG. 8 is a block diagram showing a specific example of the optical pulse generating element shown in FIG. In the present configuration example, the feedback
半導体レーザ10の前方側の共振器端面10aから出力され、光分岐器である一部反射ミラー25によって分岐された光パルスは、反射ミラー21aを介して所定の距離(光路長)だけ離れて相対するように配置された一組の反射ミラー21b、21cからなる遅延光学系へと入射される。そして、反射ミラー21b、21cの間で所定回数だけ多重反射された光パルスは、反射ミラー21dによって元の光路に向けて反射され、再び反射ミラー21b、21c、反射ミラー21a、及び一部反射ミラー25を介して、所定の遅延時間が付与されたフィードバック光パルスとして共振器端面10aから半導体レーザ10のレーザ光共振器内へとフィードバックされる。
The optical pulse output from the
ここで、図1に示した半導体レーザ10における短パルス発光は、その素子構造及び動作条件の設定等により、図9に示す発光機構(実線矢印)によって起こる場合がある。これは、電子−正孔対が非常に高密度(レーザ発振キャリア密度の数倍に相当)に存在する場合、通常のGaAsのバンド内の最低エネルギー準位に縮退した準位を形成して、コヒーレントに再結合するものである。このような発光機構は超放射といわれ、例えば P.P.Vasil'ev, H.Kan, H.Ohta, and T.Hiruma, Phys. Rev. B Vol.64, p.195209-1 (2001) (非特許文献3)などにおいてその物理が明らかにされてきている。
Here, the short pulse light emission in the
このような発光機構では、通常のレーザ発振ではキャリア寿命で制限される短パルス化が、その限界を破り、例えば数100fsのパルス幅を得ることができる。一方、この超放射を半導体レーザ10での発光機構として利用した場合、このような発光機構ではその原理から発光動作の揺らぎが大きく、タイミングジッタが大きくなる傾向がある。具体的には、非常に短時間で形成された密度の濃い理想的な反転分布を考えると、超放射過程でのコヒーレントな再結合による光パルスの発光タイミングは量子揺らぎの影響を受ける。
In such a light emitting mechanism, the shortening of the pulse, which is limited by the carrier lifetime in normal laser oscillation, breaks the limit, and a pulse width of, for example, several hundred fs can be obtained. On the other hand, when this super-radiation is used as a light emission mechanism in the
これに対して、図5に示した自己遅延フィードバック光学系21を設けた光パルス発生素子によれば、光パルスがフィードバックされるタイミングを次の光パルスの発光タイミングと同期させて、光パルス同士が時間相関を持つように半導体レーザ10での発光動作を制御することができる。これにより、超放射過程での量子揺らぎの影響が問題となる場合であっても、光パルス毎のタイミングジッタを一定に制御することが可能となる。
On the other hand, according to the optical pulse generating element provided with the self-delay feedback
超放射による発光機構について、簡単に説明しておく。超放射光の発生は、例えば花村榮一著「量子光学」5−2章(岩波書店)や Shuurmns et al., "Superfluorescence", Adv. Atom. Molecul. Phys. 17 , p.176 (1981) などにも紹介されているように、HF分子ガスやCs原子ビームを媒体として観測されている。例えば、HF分子ガスを圧力制御して封入したセルに、100nsのレーザ光パルスを照射することで、HF分子を励起して反転分布を形成する。このとき、セル内の圧力が低圧状態では各励起分子からの発光は独立であるため、分子の発光寿命によって決まる1s程度のパルス発光が観測される。これは、いわゆるインコヒーレントな発光である。 The light emission mechanism by super radiation will be briefly described. The generation of super-radiant light is described, for example, by Shinichi Hanamura, “Quantum Optics”, Chapter 5-2 (Iwanami Shoten), Shuurmns et al., “Superfluorescence”, Adv. Atom. Molecul. Phys. 17, p.176 (1981) As described in the above, it has been observed using HF molecular gas or Cs atom beam as a medium. For example, by irradiating a 100 ns laser light pulse on a cell in which HF molecular gas is sealed under pressure control, the HF molecules are excited to form an inversion distribution. At this time, since light emission from each excited molecule is independent when the pressure in the cell is low, pulse light emission of about 1 s determined by the light emission lifetime of the molecule is observed. This is so-called incoherent light emission.
これに対して、セル内の圧力を上昇すると、1μs程度の遅延時間を持ち幅200nsの鋭いパルス発光が得られ、その強度は1010倍にも達する。また、このときの発光ピーク強度は、HF分子ガスの圧力の2乗に比例する。これらの実験事実から、この鋭いピークを持つ発光は自然放出光、自然放出増幅(ASE)光、レーザ発振光のいずれでもなく、励起分子のコヒーレントな自然放射としての超放射光であると理解されている。 On the other hand, when the pressure in the cell is increased, a sharp pulse emission with a delay time of about 1 μs and a width of 200 ns is obtained, and the intensity reaches 10 × 10 times. The emission peak intensity at this time is proportional to the square of the pressure of the HF molecular gas. From these experimental facts, it is understood that the light emission having this sharp peak is not spontaneous emission light, spontaneous emission amplification (ASE) light, or laser oscillation light, but superradiation light as coherent spontaneous emission of excited molecules. ing.
超放射光の特徴は、指向性を持ったビーム発光、遅延時間を持つ鋭いピーク発光、通常の自然放射に対して非常に大きなピーク強度を持つパルス発光、その強度が発光に関与する粒子数の2乗に比例することなどがある。また、励起強度に依存してピーク強度、パルス形状、遅延時間が変化する。 Super-radiant light is characterized by beam emission with directivity, sharp peak emission with a delay time, pulse emission with a very large peak intensity compared to normal natural emission, and the intensity of the number of particles involved in the emission. It is proportional to the square. Further, the peak intensity, the pulse shape, and the delay time change depending on the excitation intensity.
超放射が起きる条件は、超放射の遅延時間τDに対して反転分布をより短い時間で形成すること、光が励起場から逃げる時間τE=L/cが励起粒子の縦緩和時間T1や横緩和時間T2よりも充分に短いこと、さらに、パルス幅τR及び遅延時間τDがτE<τR<τD<T1、T2を満たす必要がある。例えば、Cs原子のレーザ励起による Gibbs らの実験では、τE=0.067<τR=5<τD=10<T1=70、T2=80(ns)という条件である。
The super-radiation occurs under the condition that the inversion distribution is formed in a shorter time with respect to the super-radiation delay time τ D , the time τ E = L / c when the light escapes from the excitation field is the longitudinal
上記のように、HFガスやCs原子の緩和時間はナノ秒のオーダーである。また、特殊なガスのレーザでの励起、ガス圧力の制御、原子ビームの取扱いなど、特殊な環境下でなければ超放射を実現できず、いわゆる実験室レベルのものとなっている。また、その安定性や制御性に関しても疑問がある。これに対して、上記した光パルス発生素子では、半導体内において、新しい電子−正孔の状態による超放射光の発生を実現することができる。 As described above, the relaxation time of HF gas and Cs atoms is on the order of nanoseconds. Also, super-radiation cannot be realized unless the environment is special, such as excitation with a special gas laser, control of gas pressure, and handling of an atomic beam. There are also questions regarding its stability and controllability. On the other hand, in the above-described optical pulse generating element, it is possible to realize generation of superradiant light in a new electron-hole state in a semiconductor.
なお、利得領域及び可飽和吸収領域が設けられた半導体レーザに対して外部から光パルスを入力する構成については、特許文献2、3に記載がある。しかしながら、特許文献2においては、半導体レーザは、光ループ回路を含む光帯域通過フィルタからの光パルスを入力して光クロック信号を生成する光リミッタとして用いられている。また、特許文献3においては、半導体レーザに対して、別個に設けられた光源からの光パルスを入力している。すなわち、これらの特許文献2、3に記載された構成では、いずれも外部装置で生成された光パルスを入力することによって半導体レーザでの発光動作を制御している。
これに対して、本発明による光パルス発生素子では、利得領域31及び可飽和吸収領域32が設けられた半導体レーザ10に対して、外部装置からの光パルスを入力するのではなく、半導体レーザ10のレーザ光共振器から出力された光パルスの一部をフィードバックしている。このような構成によれば、半導体レーザ10で生成される光パルス列において、異なる光パルス間に時間相関を持たせて、タイミングジッタの発生が充分に抑制された光パルス列を簡単な構成で実現することが可能となる。
On the other hand, in the optical pulse generating device according to the present invention, the
図10は、本発明による光パルス発生素子の第2実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。 FIG. 10 is a block diagram schematically showing the configuration of the second embodiment of the optical pulse generating element according to the present invention.
本光パルス発生素子は、図1に示した構成を有する半導体レーザ10を備え、半導体レーザ10のレーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、所定の遅延時間でレーザ光共振器内へとフィードバックするように構成されている。本実施形態においては、半導体レーザ10へとフィードバックする出力光としては、半導体レーザ10のレーザ光共振器から後方へと出力された光パルスを用いている。すなわち、半導体レーザ10では、前方のみでなく、後方(測定系とは反対の方向)へも一定の光が出力される。本光パルス発生素子においては、その後方光をフィードバックする光パルスとして用いている。
This optical pulse generating element includes the
具体的には、図10に示す光パルス発生素子は、フィードバック光学系22からなるフィードバック手段を備えている。フィードバック光学系22は、半導体レーザ10における光パルスの発光のタイミング間隔と一致する遅延時間が得られるように設定された光路長を有する遅延光学系である。半導体レーザ10でのレーザ光共振器の後方側の共振器端面から出力された光パルスは、フィードバック光学系22によって所定の遅延時間が付与された後、再び後方側の共振器端面から半導体レーザ10のレーザ光共振器内へとフィードバックされる。
Specifically, the optical pulse generating element shown in FIG. 10 is provided with feedback means including a feedback
上記実施形態による光パルス発生素子の効果について説明する。 The effect of the optical pulse generating element according to the above embodiment will be described.
図10に示した光パルス発生素子においては、半導体レーザ10における発光動作に対し、レーザ光共振器から後方光として出力された光パルスを、フィードバック光学系22によって、光パルス列のタイミング間隔と一致する所定の遅延時間でフィードバックする構成としている。これにより、前方へと出力された光パルスの一部を光分岐器25及びフィードバック光学系21によってフィードバックする図5の構成と同様に、出力された光パルスと、その次に出力される光パルスとの間に時間相関を持たせることができる。したがって、タイミングジッタの発生を抑制して、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能となる。
In the optical pulse generating element shown in FIG. 10, the optical pulse output as the backward light from the laser resonator is matched with the timing interval of the optical pulse train by the feedback
また、このような構成では、半導体レーザ10から測定系へと供給される光パルスに対して、図5に示したような光分岐器25を設ける必要がない。これにより、出力された光パルスを効率的に測定系へと供給することができる。また、光パルス発生素子の構成を簡単化することができる。なお、フィードバックに用いられる光パルスの強度については、半導体レーザ10の後方側の共振器端面での反射率等によって設定することができる。
In such a configuration, it is not necessary to provide the optical branching
図11は、図10に示した光パルス発生素子の具体的な実施例を示す構成図である。本構成例においては、フィードバック光学系22は、フィードバック用光ファイバ22aによって構成されている。この光ファイバ22aは、半導体レーザ10の後方側の共振器端面10bへと光学的に接続されている。
FIG. 11 is a block diagram showing a specific example of the optical pulse generating element shown in FIG. In the present configuration example, the feedback
半導体レーザ10の後方側の共振器端面10bから出力された光パルスは、光ファイバ22aからなる遅延光学系へと入射される。また、光ファイバ22aの半導体レーザ10とは反対側の端部には、反射コーティング22bが施されている。光ファイバ22aを通過した光パルスは、反射コーティング22bによって元の光路に向けて反射され、再び光ファイバ22aを介して、所定の遅延時間が付与されたフィードバック光パルスとして共振器端面10bから半導体レーザ10のレーザ光共振器内へとフィードバックされる。例えば、光ファイバ22aとして長さ5〜10mのシングルモードファイバを用いれば、20〜30ns程度の遅延時間を付与することができる。
The optical pulse output from the
本発明による光パルス発生素子は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、光パルスをフィードバックするフィードバック光学系の具体的な構成については、図8及び図11に示した実施例以外にも、様々な構成を用いて良い。また、半導体レーザの一方の共振器端面から出力された光パルスを他方の共振器端面から入力する構成としても良い。 The optical pulse generating element according to the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples, and various modifications can be made. For example, regarding the specific configuration of the feedback optical system that feeds back an optical pulse, various configurations other than the embodiments shown in FIGS. 8 and 11 may be used. Alternatively, a configuration may be adopted in which an optical pulse output from one resonator end face of the semiconductor laser is input from the other resonator end face.
また、光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの構成としては、図1に示した構成以外にも、様々な構成を用いることができる。 In addition to the configuration shown in FIG. 1, various configurations can be used as the configuration of the semiconductor laser used for the optical pulse generating element.
例えば、半導体レーザの積層構造については、図12に図1に示した半導体レーザ10の変形例を図2と同様の断面図によって示すように、ノンドープ活性層38と、p型クラッド層40との間に、AlyGa1−yAsからなるノンドープクラッド層39(ただし、x<y<0.4)を設けても良い。このようにノンドープクラッド層39を設けることにより、活性層38のみの場合に比べて、可飽和吸収領域32への逆バイアス電圧の印加によって形成される空乏層の厚さが厚くなるため、吸収領域32の応答速度が速くなり、得られる光パルス幅を短くできる。
For example, with respect to the laminated structure of the semiconductor laser, as shown in FIG. 12 with a cross-sectional view similar to FIG. 2 as a modification of the
また、図1に示した半導体レーザ10においては、レーザ光共振器の長手方向に沿った構成について、2つの利得領域31で可飽和吸収領域32を挟み込む構造を用いている。このような構成では、レーザ光パルスが吸収領域32において正面衝突し、飽和効果が高められる特徴がある。ただし、このような構成についても他の構成としても良い。
The
図13は、本発明による光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの他の実施形態の構成を示す斜視図である。ここで、図13に示す半導体レーザ11においても、その積層構造については、図1に示したものと同様である。
FIG. 13 is a perspective view showing the configuration of another embodiment of the semiconductor laser used in the optical pulse generating element according to the present invention. Here, also in the
本実施形態においては、図13に示すように、p型キャップ層41には、レーザ光共振器の長手方向に沿ってリッジストライプ状の突起部50が形成されている。この突起部50は、長手方向の略中央の1個所でp型キャップ層41の上半分が除去されて、2つに分割されている。また、突起部50の頂面部分を除くp型キャップ層41の表面には、絶縁性のSiN膜45が堆積されている。SiN膜45上には、それぞれ突起部50に向かって右側に凸状の部分を有する形状の2つのp電極46、47が積層されている。これらの2つのp電極46、47は、それぞれの凸部が突起部50で組み合わさるような形で配置されている。したがって、2分割された突起部50のうち、図13中で前方の突起部50上にはp電極47が、また、後方の突起部50上にはp電極46がそれぞれ積層されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 13, the p-
これらのp電極46、47は突起部50の頂面部分でのみ、p型キャップ層41に直接接触している。その他の部分では、p電極46、47と、p型キャップ層41との間に絶縁性のSiN膜45が介在している。また、2つのp電極46、47が接触していないため、p電極46、47のそれぞれとn電極44との間に異なる電界を印加することができる。この結果、半導体部分34は電気的に2つの領域に分割され、その前方が可飽和吸収領域52、後方が利得領域51となる。また、可飽和吸収領域52及び利得領域51を除く領域は、分離領域となっている。すなわち、共振器部分でみると、後方のp電極46直下の利得領域51が、表面にp電極が形成されていない分離領域を介して、前方のp電極47直下の可飽和吸収領域52に対向する構造となっている。なお、本半導体レーザ11の動作等については、図1に示した実施形態と同様である。このように、利得領域及び可飽和吸収領域の配置構造については、様々な構造を用いることができる。
These p-
また、図1、図13に示した半導体レーザのいずれにおいても、へき開面からなる共振器の導波路端面には、必要に応じてHR/ARコーティングを施しても良い。ただし、往波と復波の干渉等を考慮して、短パルス化、大出力化に有利となるように設計することが好ましい。 In any of the semiconductor lasers shown in FIG. 1 and FIG. 13, an HR / AR coating may be applied to the waveguide end face of the resonator formed of a cleavage plane as necessary. However, it is preferable to design so as to be advantageous for shortening the pulse and increasing the output in consideration of the interference between the forward wave and the backward wave.
本発明は、タイミングジッタの発生を抑制して、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能な光パルス発生素子として利用可能である。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used as an optical pulse generating element that can suppress the generation of timing jitter and can stably obtain a shortened optical pulse.
10、11…半導体レーザ、21、22…フィードバック光学系、25…光分岐器、30…突起部、31…利得領域、32…可飽和吸収領域、33…分離領域、34…半導体部分、35…n型基板、36…n型バッファ層、37…n型クラッド層、38…ノンドープ活性層、39…ノンドープクラッド層、40…p型クラッド層、41…p型キャップ層、42、43…p電極、44…n電極、45…SiN膜、46、47…p電極、50…突起部、51…利得領域、52…可飽和吸収領域。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記レーザ光共振器の長手方向に対し、前記第1導電型クラッド層を介して前記活性層に電流を供給する電極層を少なくとも2つに分割して、分割された前記電極層のうち少なくとも1つの前記電極層に逆バイアス電圧を印加して可飽和吸収領域とし、他の少なくとも1つの前記電極層にレーザ駆動パルス電流を印加して利得領域とするとともに、
前記レーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、所定の遅延時間で前記レーザ光共振器内へとフィードバックするフィードバック手段を備えることを特徴とする光パルス発生素子。 A laser beam resonator having a double hetero structure in which an active layer is laminated so as to be sandwiched between a first conductivity type clad layer and a second conductivity type clad layer;
An electrode layer that supplies current to the active layer via the first conductivity type cladding layer is divided into at least two with respect to the longitudinal direction of the laser resonator, and at least one of the divided electrode layers. A reverse bias voltage is applied to one of the electrode layers to form a saturable absorption region, a laser driving pulse current is applied to at least one other electrode layer to form a gain region, and
An optical pulse generating element comprising feedback means for feeding back a part of an optical pulse output from the laser optical resonator into the laser optical resonator with a predetermined delay time.
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