JP2007103669A

JP2007103669A - 短パルス光源

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Publication number: JP2007103669A
Application number: JP2005291468A
Authority: JP
Inventors: Koji Akimoto; 浩司秋本; Yoshimasa Katagiri; 祥雅片桐
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-10-04
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】安定して高出力な超高速パルス光を発生させることができる半導体レーザによる短パルス光源を実現する。
【解決手段】第１および第２の半導体レーザ共振器端面で構成されたファブリ・ペロー型の半導体レーザ共振器内に、１つの利得領域と、２以上の光パルス形成領域が半導体レーザ共振器の光波伝搬軸上に直列に配置され、２以上の光パルス形成領域のそれぞれは、半導体レーザ共振器の光波伝搬軸上に、第１の活性領域、可飽和吸収領域、第２の活性領域の順に配置され、かつ可飽和吸収領域が光パルス形成領域の中央に配置され、衝突パルスモード同期によって短パルス光を生成する構成であり、利得領域は、１つの光パルス形成領域の長さの正数倍とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、超高速な短パルス光を発生する半導体レーザによる短パルス光源に関する。

半導体レーザによる超高速な短パルス光源として、パルス光を生成する可飽和吸収領域をモノリシックに集積した受動モード同期半導体レーザがある。この半導体レーザは、活性領域で発生した光がレーザ共振器内を周回する際に、可飽和吸収領域の非線形吸収特性により急峻なパルスとして成長し、短パルス光が得られる。

図６は、従来の受動モード同期半導体レーザの構成例を示す（非特許文献１）。図において、受動モード同期半導体レーザは、レーザ共振器端面６１に接した可飽和吸収領域６３、光導波路領域６４、他方のレーザ共振器端面６２に接した活性領域６５で構成される。可飽和吸収領域６３と光導波路領域６４との間、光導波路領域６４と活性領域６５との間には、それぞれ電極分離溝６６，６７が設けられる。活性領域６５に直流電流、可飽和吸収領域６３に逆バイアス電圧を印加することにより、活性層６８でモード同期によるパルス光を発生させることができる。

図７は、従来の受動モード同期半導体レーザの他の構成例を示す（特許文献１）。ここに示す半導体レーザは、衝突パルスモード同期（Colliding-pulse mode-locked 、以下「ＣＰＭ」という）半導体レーザと呼ばれる。ＣＰＭ半導体レーザは、レーザ共振器の中央に可飽和吸収領域７１を設け、その両側に活性領域７２，７３を配置した構成である。このような構造により、レーザ共振器内を逆方向に周回する２つのパルス光が同時に可飽和吸収領域７１に到達し、効率的に短パルス光を発生させることが可能となる。なお、一般的には、先に示した従来の受動モード同期半導体レーザの構成例（非特許文献１）と同様に、可飽和吸収領域７１と活性領域７２，７３との間には、それぞれ電極分離溝が設けられる（図７に図示せず）。

ＣＰＭ半導体レーザから発生されるパルス光の繰り返し周期は次のように求められる。図７において、レーザ共振器長（素子長）をＬ、導波路の実効屈折率をｎとする。レーザ共振器内には２つのパルス光が存在するため、パルス光の時間間隔はレーザ共振器の周回時間τの１／２となる。したがって、パルス光の繰り返し周期Ｔは、
Ｔ＝１／（τ／２）＝ｃ／ｎＬ（ｃは光速） …(1)
と与えられる。非特許文献２のＣＰＭ半導体レーザは、レーザ共振器長Ｌ＝ 250μｍとすることにより、繰り返し周期Ｔ＝ 350ＧHzのパルス光を得ている。
特開昭６０−１８６０７９号公報 P.A.Morton 他、"Monolithic hybrid mode-locked 1.3 μｍ semiconductor lasers", Applied Physics Letters, Volume 56, Issue 2, pp.111-113, January 1990 Y.K.Chen 他、"Subpicosecond monolitic colliding-pulse mode-locked multiple quantum well lasers", Applied Physics Letters, Volume 58, Issue 12, pp.1253-1255, March 1991

繰り返し周期がサブテラヘルツを超えるような例えばテラヘルツ級の超高速パルス光を得るためには、式(1) から分かるように、レーザ共振器長Ｌを短くする必要がある。例えば、繰り返し周期Ｔ＝１ＴHzのパルス光を発生させるには、導波路の実効屈折率ｎ＝3.5 とすると、レーザ共振器長をＬ＝86μｍとしなければならない。図７において、可飽和吸収領域７１の長さを非特許文献２と同じ50μｍと仮定すると、活性領域７２，７３の長さは合計で36μｍしかとることができない。そのために十分な利得が得られず、高出力のパルス光を安定して発生させることが困難であった。

本発明は、安定して高出力な超高速パルス光を発生させることができる半導体レーザによる短パルス光源を提供することを目的とする。

本発明の短パルス光源は、第１および第２の半導体レーザ共振器端面で構成されたファブリ・ペロー型の半導体レーザ共振器内に、１つの利得領域と、２以上の光パルス形成領域が半導体レーザ共振器の光波伝搬軸上に直列に配置され、２以上の光パルス形成領域のそれぞれは、半導体レーザ共振器の光波伝搬軸上に、第１の活性領域、可飽和吸収領域、第２の活性領域の順に配置され、かつ可飽和吸収領域が光パルス形成領域の中央に配置され、衝突パルスモード同期によって短パルス光を生成する構成であり、利得領域は、１つの光パルス形成領域の長さの正数倍とする。

ここで、２以上の光パルス形成領域は、利得領域の両側に配置された構成としてもよい。このとき、利得領域の両側に配置される光パルス形成領域は、それぞれ少なくとも１つあり、かつ同数としてもよい。また、利得領域の両側に配置される光パルス形成領域は、それぞれ少なくとも１つあり、かつ異なる数としてもよい。

また、２以上の光パルス形成領域は、利得領域の片側に配置された構成としてもよい。

本発明は、２以上の光パルス形成領域と、光パルス形成領域の長さの正数倍の利得領域をモノリシックに集積化した構成であるので、効率よく短パルス光を発生させ、安定かつ高出力の超高速パルス光を生成することができる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の短パルス光源の第１の実施形態を示す。
図において、本実施形態の短パルス光源は、化合物半導体を材料とする半導体レーザであり、第１の共振器端面１１と第２の共振器端面１２とにより、ファブリ・ペロー型の半導体レーザ共振器を構成している。各共振器端面は、通常の半導体レーザと同様に劈開により形成してもよいし、半導体プロセスのエッチングにより得られる「エッチドミラー」であってもよい。さらには、これらの端面に誘電体多層膜を蒸着したものであってもよい。

本実施形態における半導体レーザ共振器は、第１の共振器端面１１から第２の共振器端面１２へ向けて、順に２つの光パルス形成領域１３−１，１３−２、利得領域１４、２つの光パルス形成領域１３−３，１３−４の各領域が配置された構成になっている。

各光パルス形成領域は、その中央に可飽和吸収領域１５を設け、その両側に活性領域１６，１７を配置した構成であり、図７に示すＣＰＭ半導体レーザの構成と同じになっている。利得領域１４の長さは、各光パルス形成領域１３の長さの正数倍とする。図１では、１つの光パルス形成領域１３の長さをＬ₀、利得領域１４の長さをｍＬ₀と表している（ｍは正数）。

なお、利得領域１４と、各光パルス形成領域１３を構成する活性領域１６，１７は、半導体レーザ共振器を導波する光に対して増幅可能な領域であり、機能的にも物理構成としても同様のものであるが、説明を容易にするために異なる名称を用いている。したがって、隣接する光パルス形成領域１３の活性領域１６，１７については、電気的に分離する必要はない。同様に、隣接する利得領域１４と光パルス形成領域１３の活性領域１６，１７についても、電気的に分離する必要はない（図１では点線で表示）。

一方、光パルス形成領域１３を構成する活性領域１６，１７と可飽和吸収領域１５は、通常のＣＰＭ半導体レーザと同様に電気的に分離する必要がある。そのために、これらの領域との間に電極分離溝を配置してもよい（図１では実線で表示）。

本実施形態の利得領域１４と、各光パルス形成領域１３を構成する活性領域１６，１７に、レーザ発振閾値を超える直流電流を印加し、かつ可飽和吸収領域１５に逆バイアス電圧を印加することにより、半導体レーザは受動モード同期により短パルス光を発生する。発生する短パルス光の特性について、図２を参照して説明する。

図２は、第１の実施形態における半導体レーザ共振器内のパルス光の動作を示す。光パルス形成領域１３−１，１３−２，１３−３，１３−４では、ＣＰＭ半導体レーザを直列に接続した高調波ＣＰＭ半導体レーザと同様の動作になる。すなわち、各光パルス形成領域では、それぞれ２個のパルス光が周回しており、４つの光パルス形成領域では合計８個のパルス光が周回し、可飽和吸収領域１５で逆方向に周回するパルス光が衝突する。この衝突により、効率的に短パルス光を生成することができる。本発明の短パルス光源から発生するパルス光の繰り返し周期Ｔは、基本的なＣＰＭ半導体レーザと同様に式(1) で与えられ、
Ｔ＝ｃ／ｎＬ₀ …(2)
となる。

一方、利得領域１４内では、２ｍ個の光パルスが周回しており（図２の例ではｍ＝３）、増幅作用によりパルス光のパワーが増幅される。繰り返し周期の高速化を図ると、各光パルス形成領域１３の活性領域が短くなるが、利得領域１４の長さを決める定数ｍは、パルス光の繰り返し周期と無関係に設定できる値であるので、ｍを大きくすることにより（利得領域１４を長くすることにより）十分な利得が得られ、高出力のパルス光を安定して発生させることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の短パルス光源の第２の実施形態を示す。
本実施形態における半導体レーザ共振器は、第１の共振器端面１１から第２の共振器端面１２へ向けて、順に１つの光パルス形成領域１３−１、利得領域１４、１つの光パルス形成領域１３−２の各領域が配置された構成になっている。このように、利得領域１４の両側に、それぞれ少なくとも１つの光パルス形成領域１３があれば、本発明の短パルス光源として十分に機能する。

（第３の実施形態）
図４は、本発明の短パルス光源の第３の実施形態を示す。
本実施形態における半導体レーザ共振器は、第１の共振器端面１１から第２の共振器端面１２へ向けて、順に３つの光パルス形成領域１３−１，１３−２，１３−３、利得領域１４、２つの光パルス形成領域１３−４，１３−５の各領域が配置された構成になっている。このように、利得領域１４の両側に配置される光パルス形成領域１３は、必ずしも同数である必要はない。

（第４の実施形態）
図５は、本発明の短パルス光源の第４の実施形態を示す。
本実施形態における半導体レーザ共振器は、第１の共振器端面１１から第２の共振器端面１２へ向けて、順に３つの光パルス形成領域１３−１，１３−２，１３−３、利得領域１４の各領域が配置された構成になっている。このように、利得領域１４の片側のみに光パルス形成領域１３を配置する構成としてもよい。

なお、以上図示した実施形態の構成は例であり、特に光パルス形成領域１３が２以上あればその数には限定されない。ただし、光パルス形成領域１３の数を増やすことにより効率的な短パルス化に寄与するが、総素子長が長くなるため、１枚のウェハから得られる半導体レーザ数が減少する。また、利得領域１４を長くすることにより、より高出力のパルス光を発生させることができるが、同様に１枚のウェハから得られる半導体レーザ数が減少する。素子構成の設計は、望まれるパルス光のスペック（パルス幅、繰り返し周期、出力等）と価格との兼ね合いで決定される。

本発明の短パルス光源の第１の実施形態を示す図。第１の実施形態における半導体レーザ共振器内のパルス光の動作を示す図。本発明の短パルス光源の第２の実施形態を示す図。本発明の短パルス光源の第３の実施形態を示す図。本発明の短パルス光源の第４の実施形態を示す図。従来の受動モード同期半導体レーザの構成例を示す図。従来の受動モード同期半導体レーザの他の構成例を示す図。

符号の説明

１１，１２共振器端面
１３光パルス形成領域
１４利得領域
１５可飽和吸収領域
１６，１７活性領域６１，６２レーザ共振器端面
６３可飽和吸収領域
６４光導波路領域
６６，６７電極分離溝
６８活性領域
７１可飽和吸収領域
７２，７３活性領域

Claims

第１および第２の半導体レーザ共振器端面で構成されたファブリ・ペロー型の半導体レーザ共振器内に、１つの利得領域と、２以上の光パルス形成領域が半導体レーザ共振器の光波伝搬軸上に直列に配置され、
前記２以上の光パルス形成領域のそれぞれは、前記半導体レーザ共振器の光波伝搬軸上に、第１の活性領域、可飽和吸収領域、第２の活性領域の順に配置され、かつ可飽和吸収領域が光パルス形成領域の中央に配置され、衝突パルスモード同期によって短パルス光を生成する構成であり、
前記利得領域は、前記１つの光パルス形成領域の長さの正数倍である
ことを特徴とする短パルス光源。
請求項１に記載の短パルス光源において、
前記２以上の光パルス形成領域は、前記利得領域の両側に配置された構成である
ことを特徴とする短パルス光源。
請求項２に記載の短パルス光源において、
前記利得領域の両側に配置される前記光パルス形成領域は、それぞれ少なくとも１つあり、かつ同数である
ことを特徴とする短パルス光源。
請求項２に記載の短パルス光源において、
前記利得領域の両側に配置される前記光パルス形成領域は、それぞれ少なくとも１つあり、かつ異なる数である
ことを特徴とする短パルス光源。
請求項１に記載の短パルス光源において、
前記２以上の光パルス形成領域は、前記利得領域の片側に配置された構成である
ことを特徴とする短パルス光源。