JP2724279B2 - レーザシステム - Google Patents
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- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
- H01S3/11—Mode locking; Q-switching; Other giant-pulse techniques, e.g. cavity dumping
- H01S3/1123—Q-switching
- H01S3/113—Q-switching using intracavity saturable absorbers
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/3523—Non-linear absorption changing by light, e.g. bleaching
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/355—Non-linear optics characterised by the materials used
- G02F1/3556—Semiconductor materials, e.g. quantum wells
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S3/1061—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling devices placed within the cavity using a variable absorption device
-
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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- H01S3/1106—Mode locking
- H01S3/1112—Passive mode locking
- H01S3/1115—Passive mode locking using intracavity saturable absorbers
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- Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、可飽和吸収要素に関
し、特に、半導体可飽和吸収体に関する。
し、特に、半導体可飽和吸収体に関する。
【０００２】
【従来の技術】非常に短い持続時間の光パルスは、高速
信号処理および通信にとって重要である。この種の光パ
ルスは通常超短光パルスと呼ばれ、ピコ秒またはサブピ
コ秒領域の持続時間を有する。超短光パルスは受動モー
ドロックのような技術によって得られている。この技術
では、非線形要素がレーザキャビティ内またはレーザキ
ャビティの外部のキャビティ内に設置される。このよう
な非線形要素のうちの１つは、可飽和吸収体である。
信号処理および通信にとって重要である。この種の光パ
ルスは通常超短光パルスと呼ばれ、ピコ秒またはサブピ
コ秒領域の持続時間を有する。超短光パルスは受動モー
ドロックのような技術によって得られている。この技術
では、非線形要素がレーザキャビティ内またはレーザキ
ャビティの外部のキャビティ内に設置される。このよう
な非線形要素のうちの１つは、可飽和吸収体である。
【０００３】可飽和吸収体は、特定の波長で入射光強度
に対する不透明性に変化を示す材料である。固体、液
体、および気体が、選択される動作波長に基づいて使用
される。可飽和吸収体はシャッタとして作用する。可飽
和吸収体は、入射する弱い光をすべて吸収する。入射光
の強度が、可飽和吸収体の飽和強度と呼ばれる十分高い
レベルに達すると、入射光はこの吸収体を通過すること
ができる。一般に、可飽和吸収体による入射光の減衰は
比較的小さい。その理由は、可飽和吸収体は飽和して、
入射光の波長での透明状態に入るためである。
に対する不透明性に変化を示す材料である。固体、液
体、および気体が、選択される動作波長に基づいて使用
される。可飽和吸収体はシャッタとして作用する。可飽
和吸収体は、入射する弱い光をすべて吸収する。入射光
の強度が、可飽和吸収体の飽和強度と呼ばれる十分高い
レベルに達すると、入射光はこの吸収体を通過すること
ができる。一般に、可飽和吸収体による入射光の減衰は
比較的小さい。その理由は、可飽和吸収体は飽和して、
入射光の波長での透明状態に入るためである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】染料のような有機材料
は、数百ナノメートルの広帯域吸収応答を示す。しか
し、染料は、比較的大きいノズルなどのような機械的要
素の使用を必要とし、機械的故障を起こしやすく、固体
レーザとの集積化が容易でない。可飽和吸収体要素とし
て使用される場合、半導体が、コンパクトで、信頼性が
あり、固体レーザとの集積化に適した要素である。有機
材料と対照的に、半導体材料は数十ナノメートルの吸収
応答を有する、本質的に狭帯域の可飽和吸収要素であ
る。
は、数百ナノメートルの広帯域吸収応答を示す。しか
し、染料は、比較的大きいノズルなどのような機械的要
素の使用を必要とし、機械的故障を起こしやすく、固体
レーザとの集積化が容易でない。可飽和吸収体要素とし
て使用される場合、半導体が、コンパクトで、信頼性が
あり、固体レーザとの集積化に適した要素である。有機
材料と対照的に、半導体材料は数十ナノメートルの吸収
応答を有する、本質的に狭帯域の可飽和吸収要素であ
る。
【０００５】一般に、半導体材料は、可飽和吸収体とし
て作用する場合、レーザ系の同調帯域よりもかなり狭い
動作範囲を有する。レーザの同調領域内の特定の波長で
のパルス動作のためにレーザをモードロックするために
は、レーザの波長の全同調領域をカバーするため、複数
の相異なる置換可能な狭帯域可飽和吸収体が必要とな
る。このように、利用可能なレーザの同調領域とほぼ同
程度に広がる十分に広帯域の吸収応答を有する単一の固
体可飽和吸収体は利用可能となっていない。
て作用する場合、レーザ系の同調帯域よりもかなり狭い
動作範囲を有する。レーザの同調領域内の特定の波長で
のパルス動作のためにレーザをモードロックするために
は、レーザの波長の全同調領域をカバーするため、複数
の相異なる置換可能な狭帯域可飽和吸収体が必要とな
る。このように、利用可能なレーザの同調領域とほぼ同
程度に広がる十分に広帯域の吸収応答を有する単一の固
体可飽和吸収体は利用可能となっていない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】モードロックレーザのよ
うな応用例のための可飽和吸収体において、可飽和吸収
体の伝播軸の少なくとも一部に沿ってバンドギャップエ
ネルギーテーパを示すバンドギャッププロフィールを有
する半導体構造を実現することによって、拡張された波
長同調可能性が達成される。ある応用例では、可飽和吸
収体は少なくとも１つの反射要素とモノリシックに集積
化される。
うな応用例のための可飽和吸収体において、可飽和吸収
体の伝播軸の少なくとも一部に沿ってバンドギャップエ
ネルギーテーパを示すバンドギャッププロフィールを有
する半導体構造を実現することによって、拡張された波
長同調可能性が達成される。ある応用例では、可飽和吸
収体は少なくとも１つの反射要素とモノリシックに集積
化される。
【０００７】一実施例では、可飽和吸収体は、モル比が
吸収体を通じてほぼ連続的に大きく増減するような半導
体組成を有する組成勾配バルク半導体材料を含む。
吸収体を通じてほぼ連続的に大きく増減するような半導
体組成を有する組成勾配バルク半導体材料を含む。
【０００８】他の実施例では、狭バンドギャップ量子井
戸層が適当な広バンドギャップ障壁層間に形成される。
ここで、連続する各量子井戸層のバンドギャップエネル
ギーは、可飽和吸収体の一端から他端へ大きく減少する
ように変調される。バンドギャップエネルギーの実際の
変調には、バンドギャップエネルギーが一方の量子井戸
層から他方の量子井戸層へ減少するように、各量子井戸
層がわずかに異なる半導体材料組成からなることが必要
である。または、バンドギャップエネルギーの実際の変
調は、ほぼ単調増加（または減少）で各量子井戸層の厚
さを変化させることによっても実現される。
戸層が適当な広バンドギャップ障壁層間に形成される。
ここで、連続する各量子井戸層のバンドギャップエネル
ギーは、可飽和吸収体の一端から他端へ大きく減少する
ように変調される。バンドギャップエネルギーの実際の
変調には、バンドギャップエネルギーが一方の量子井戸
層から他方の量子井戸層へ減少するように、各量子井戸
層がわずかに異なる半導体材料組成からなることが必要
である。または、バンドギャップエネルギーの実際の変
調は、ほぼ単調増加（または減少）で各量子井戸層の厚
さを変化させることによっても実現される。
【０００９】本発明のその他の実施例によれば、異なる
エネルギーバンドギャッププロフィールのセクションを
縦続することが好ましいことが認識される。このとき、
可飽和吸収体全体が広帯域吸収応答を有するように、各
プロフィールは好ましい増加（または減少）プロフィー
ルを示す。
エネルギーバンドギャッププロフィールのセクションを
縦続することが好ましいことが認識される。このとき、
可飽和吸収体全体が広帯域吸収応答を有するように、各
プロフィールは好ましい増加（または減少）プロフィー
ルを示す。
【００１０】バンドギャップエネルギーのテーパは可飽
和吸収体の一端から他端へ向かうものであると述べた
が、上記の実施例は単一の可飽和吸収体に組み合わせる
ことが可能であり、テーパ化は可飽和吸収体の一部での
み実現されればよい。
和吸収体の一端から他端へ向かうものであると述べた
が、上記の実施例は単一の可飽和吸収体に組み合わせる
ことが可能であり、テーパ化は可飽和吸収体の一部での
み実現されればよい。
【００１１】
【実施例】レーザのモードロックおよびＱスイッチは、
本発明の原理によって実現される可飽和吸収体の２つの
重要な応用例である。本発明の可飽和吸収体の他の重要
な応用例は、自己集光モードロックのような他のモード
ロック動作を開始するための振幅変調である。この応用
例のための一般的なデバイス構造の例は、Ｏｐｔ．Ｌｅ
ｔｔ．第１６巻第１０２２ページ（１９９１年）に記載
されている。
本発明の原理によって実現される可飽和吸収体の２つの
重要な応用例である。本発明の可飽和吸収体の他の重要
な応用例は、自己集光モードロックのような他のモード
ロック動作を開始するための振幅変調である。この応用
例のための一般的なデバイス構造の例は、Ｏｐｔ．Ｌｅ
ｔｔ．第１６巻第１０２２ページ（１９９１年）に記載
されている。
【００１２】「波長」および「周波数」という用語は、
本発明の原理の理解に影響を及ぼすことなく同様に使用
する。波長（λ）および周波数（ｆ）は周知の式λ＝ｃ
／ｆによって関係づけられる。ただしｃは真空中の光速
である。
本発明の原理の理解に影響を及ぼすことなく同様に使用
する。波長（λ）および周波数（ｆ）は周知の式λ＝ｃ
／ｆによって関係づけられる。ただしｃは真空中の光速
である。
【００１３】図１のレーザ系で、利得媒質１２は、反射
要素１１および１５によって画成される同一の共鳴キャ
ビティ内で、または、反射要素１１、１３、および１５
によって形成される別個の結合されたキャビティ内で、
可飽和吸収体１４と結合される。利得媒質と同じ共鳴キ
ャビティ内で動作する場合、可飽和吸収体１４はキャビ
ティ内可飽和吸収体と呼ばれる。利得媒質とは別個の結
合された外部のキャビティ内で動作する場合、可飽和吸
収体１４は外部キャビティ可飽和吸収体と呼ばれる。以
下で説明し、本発明の原理によって実現される可飽和吸
収体は、キャビティ内可飽和吸収体または外部キャビテ
ィ可飽和吸収体としての動作によく適合する。
要素１１および１５によって画成される同一の共鳴キャ
ビティ内で、または、反射要素１１、１３、および１５
によって形成される別個の結合されたキャビティ内で、
可飽和吸収体１４と結合される。利得媒質と同じ共鳴キ
ャビティ内で動作する場合、可飽和吸収体１４はキャビ
ティ内可飽和吸収体と呼ばれる。利得媒質とは別個の結
合された外部のキャビティ内で動作する場合、可飽和吸
収体１４は外部キャビティ可飽和吸収体と呼ばれる。以
下で説明し、本発明の原理によって実現される可飽和吸
収体は、キャビティ内可飽和吸収体または外部キャビテ
ィ可飽和吸収体としての動作によく適合する。
【００１４】可飽和吸収体要素１４は、吸収性と考えら
れる非線形半導体材料からなる。可飽和吸収体要素の非
線形性は、特定波長（付近）における入射光の強度、吸
収断面積、および材料の厚さの関数である。現在、バル
ク半導体材料および多重量子井戸が、本発明の原理によ
る可飽和吸収体を実現するのに適することが分かってい
る。共鳴非線形性の場合、可飽和吸収体が効果的に動作
する波長領域は制限される。
れる非線形半導体材料からなる。可飽和吸収体要素の非
線形性は、特定波長（付近）における入射光の強度、吸
収断面積、および材料の厚さの関数である。現在、バル
ク半導体材料および多重量子井戸が、本発明の原理によ
る可飽和吸収体を実現するのに適することが分かってい
る。共鳴非線形性の場合、可飽和吸収体が効果的に動作
する波長領域は制限される。
【００１５】このような共鳴非線形性が同調可能レーザ
光源と結合されると、モードロックされた光源の同調可
能性は非線形性の動作領域によって制限される。従っ
て、本発明の原理によって実現され、広範囲の波長にわ
たって効果的に動作する非線形性は、同調可能光源との
組合せにとって好ましい。その結果、レーザの同調領域
にわたって動作可能な固体可飽和吸収体を含むモードロ
ックまたはＱスイッチレーザ系を実現することが可能と
なる。
光源と結合されると、モードロックされた光源の同調可
能性は非線形性の動作領域によって制限される。従っ
て、本発明の原理によって実現され、広範囲の波長にわ
たって効果的に動作する非線形性は、同調可能光源との
組合せにとって好ましい。その結果、レーザの同調領域
にわたって動作可能な固体可飽和吸収体を含むモードロ
ックまたはＱスイッチレーザ系を実現することが可能と
なる。
【００１６】図１のレーザ系は、超短パルス生成のため
のＴｉ：サファイアレーザなどのような同調可能固体レ
ーザ、および、可飽和吸収体を有する。このレーザ系
は、単一のキャビティまたは結合されたキャビティ内の
要素の同一直線上配置として図示されているが、他のキ
ャビティ配置および形状も可能である。結合されたキャ
ビティ配置に対する非直線形状の例は、米国特許第５，
００７，０５９号の図１にある。
のＴｉ：サファイアレーザなどのような同調可能固体レ
ーザ、および、可飽和吸収体を有する。このレーザ系
は、単一のキャビティまたは結合されたキャビティ内の
要素の同一直線上配置として図示されているが、他のキ
ャビティ配置および形状も可能である。結合されたキャ
ビティ配置に対する非直線形状の例は、米国特許第５，
００７，０５９号の図１にある。
【００１７】本発明の実施例は、特定範囲の波長にわた
って同調可能な特定の利得媒質１２に関して説明する
が、この説明から、本発明の原理は、固有の特定波長同
調範囲を有する他の利得媒質にも同等に適用可能であ
る。
って同調可能な特定の利得媒質１２に関して説明する
が、この説明から、本発明の原理は、固有の特定波長同
調範囲を有する他の利得媒質にも同等に適用可能であ
る。
【００１８】一実験例として、集積端反射要素１５を有
する可飽和吸収体１４が図２のようなＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ（ＩＩＩ−Ｖ族）半導体系に作製された。可飽和
吸収体１４は、バルク組成勾配半導体材料ＡｌxＧａ1-x
Ａｓからなる。ただし、ｘは０．０と１．０の間の値で
あり、Ａｌのモル比を表す。この例では、ｘは、厚さ
１．０μｍの吸収層１４３を形成するために０．０から
０．１５まで連続単調に変化された。曲線１４４は、層
の成長面に垂直に測定した層厚ｚの関数としてモル比ｘ
の変動を示す。ｚ方向はまた、可飽和吸収体を通る光の
伝播軸にほぼ平行である。吸収応答が、例示した可飽和
吸収体１４に対して、７７０ｎｍから８７０ｎｍの波長
領域にわたって測定された。
する可飽和吸収体１４が図２のようなＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ（ＩＩＩ−Ｖ族）半導体系に作製された。可飽和
吸収体１４は、バルク組成勾配半導体材料ＡｌxＧａ1-x
Ａｓからなる。ただし、ｘは０．０と１．０の間の値で
あり、Ａｌのモル比を表す。この例では、ｘは、厚さ
１．０μｍの吸収層１４３を形成するために０．０から
０．１５まで連続単調に変化された。曲線１４４は、層
の成長面に垂直に測定した層厚ｚの関数としてモル比ｘ
の変動を示す。ｚ方向はまた、可飽和吸収体を通る光の
伝播軸にほぼ平行である。吸収応答が、例示した可飽和
吸収体１４に対して、７７０ｎｍから８７０ｎｍの波長
領域にわたって測定された。
【００１９】例示した集積反射要素１５は、層１４１お
よび１４２の対の１６周期の誘電体ミラーからなる。層
１４２はＡｌＡｓ（ｘ＝１．０）からなり、層１４２は
ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２５）からなる。誘電体ミラー
内の各層の光学厚さは、入射光の波長（λ）における４
分の１波長厚さ（λ／４ｎ）にほぼ等しい。ただしｎは
特定層に対する実効屈折率である。この例では、層対の
厚さは、中心波長を８２０ｎｍとして約７８０ｎｍから
８６０ｎｍまでの波長領域にわたって反射動作を達成す
るのに十分であった。吸収体の吸収範囲に比べてミラー
の反射範囲が狭いことによって、達成される同調可能性
は７７ｎｍ程度であった。これは、従来報告されている
固体可飽和吸収体の同調可能性より大きい。
よび１４２の対の１６周期の誘電体ミラーからなる。層
１４２はＡｌＡｓ（ｘ＝１．０）からなり、層１４２は
ＡｌＧａＡｓ（ｘ＝０．２５）からなる。誘電体ミラー
内の各層の光学厚さは、入射光の波長（λ）における４
分の１波長厚さ（λ／４ｎ）にほぼ等しい。ただしｎは
特定層に対する実効屈折率である。この例では、層対の
厚さは、中心波長を８２０ｎｍとして約７８０ｎｍから
８６０ｎｍまでの波長領域にわたって反射動作を達成す
るのに十分であった。吸収体の吸収範囲に比べてミラー
の反射範囲が狭いことによって、達成される同調可能性
は７７ｎｍ程度であった。これは、従来報告されている
固体可飽和吸収体の同調可能性より大きい。
【００２０】可飽和吸収体１４を作製するために、約３
８０℃での低温ＭＢＥ成長が使用され、ＧａＡｓ基板１
４０上に反射要素１５を実現するために約６４０℃での
標準ＭＢＥ成長が実行された。低温成長は、キャリア寿
命を短縮し、それによって比較的高速の可飽和吸収体要
素１４を実現するために利用される。上記の特定例のキ
ャリア寿命は、約数十ピコ秒と決定される。
８０℃での低温ＭＢＥ成長が使用され、ＧａＡｓ基板１
４０上に反射要素１５を実現するために約６４０℃での
標準ＭＢＥ成長が実行された。低温成長は、キャリア寿
命を短縮し、それによって比較的高速の可飽和吸収体要
素１４を実現するために利用される。上記の特定例のキ
ャリア寿命は、約数十ピコ秒と決定される。
【００２１】低温成長は可飽和吸収体中の非可飽和損失
量を増大させるため、本実施例の可飽和吸収体はそれら
の非可飽和損失に対してより低い感度を示す。可飽和吸
収体要素の例を実現するために低温ＭＢＥを説明した
が、気相エピタキシー、液相エピタキシーおよび標準Ｍ
ＢＥのような他のエピタキシャル成長技術も、可飽和吸
収体およびその構成要素を実現するために考えられる。
代替実施例では半導体層のドープが考えられるが、この
構造には意図的ドープは実行されない。
量を増大させるため、本実施例の可飽和吸収体はそれら
の非可飽和損失に対してより低い感度を示す。可飽和吸
収体要素の例を実現するために低温ＭＢＥを説明した
が、気相エピタキシー、液相エピタキシーおよび標準Ｍ
ＢＥのような他のエピタキシャル成長技術も、可飽和吸
収体およびその構成要素を実現するために考えられる。
代替実施例では半導体層のドープが考えられるが、この
構造には意図的ドープは実行されない。
【００２２】要素１５の反射率が、特定応用例によって
決定される。図示した実施例では、熱効果が集積可飽和
吸収体／ミラー構造を損傷しないようにするために、要
素１５の反射率は高いことが好ましい。一般に、反射要
素１５が可飽和吸収体とともに集積化されるか否かにか
かわらず、反射要素の反射率応答帯域は、本発明の原理
によって実現される広帯域応答可飽和吸収体の吸収応答
とほぼ同一の広がりを有する。
決定される。図示した実施例では、熱効果が集積可飽和
吸収体／ミラー構造を損傷しないようにするために、要
素１５の反射率は高いことが好ましい。一般に、反射要
素１５が可飽和吸収体とともに集積化されるか否かにか
かわらず、反射要素の反射率応答帯域は、本発明の原理
によって実現される広帯域応答可飽和吸収体の吸収応答
とほぼ同一の広がりを有する。
【００２３】代替反射要素１５が、層の対（層１４１お
よび１４２）の誘電体スタックを省略し、基板１４０上
に直接に、または、基板上の中間半導体ＡｌＧａＡｓバ
ッファ層（図示せず）上に、可飽和吸収体を成長するこ
とによって、図２の構造をほぼ使用して可飽和吸収体１
４上に実現可能である。基板の一部のエッチングによっ
て、可飽和吸収体の下側が露出される。または、興味の
ある波長で非吸収であれば、バッファ層の下側が露出さ
れる。可飽和吸収体１４またはバッファ層の露出部分
に、金属（例えば、金）または酸化物（例えばＳｉＯ2
およびＴｉＯ2）のような層の誘電体スタックが、適切
な反射率および応答帯域を示すために形成される。
よび１４２）の誘電体スタックを省略し、基板１４０上
に直接に、または、基板上の中間半導体ＡｌＧａＡｓバ
ッファ層（図示せず）上に、可飽和吸収体を成長するこ
とによって、図２の構造をほぼ使用して可飽和吸収体１
４上に実現可能である。基板の一部のエッチングによっ
て、可飽和吸収体の下側が露出される。または、興味の
ある波長で非吸収であれば、バッファ層の下側が露出さ
れる。可飽和吸収体１４またはバッファ層の露出部分
に、金属（例えば、金）または酸化物（例えばＳｉＯ2
およびＴｉＯ2）のような層の誘電体スタックが、適切
な反射率および応答帯域を示すために形成される。
【００２４】オプションの反射要素１３は、可飽和吸収
体層１４３の上部に堆積された誘電体層のスタックとし
て形成可能である。このような層の作製には、ＴｉＯ2
およびＳｉＯ2のような誘電体酸化物ならびに半導体材
料が考えられる。反射要素の誘電体層を堆積し、所望の
反射率を達成するために適切な層厚を決定するための技
術は当業者には周知であり、ここでは説明しない。
体層１４３の上部に堆積された誘電体層のスタックとし
て形成可能である。このような層の作製には、ＴｉＯ2
およびＳｉＯ2のような誘電体酸化物ならびに半導体材
料が考えられる。反射要素の誘電体層を堆積し、所望の
反射率を達成するために適切な層厚を決定するための技
術は当業者には周知であり、ここでは説明しない。
【００２５】反射要素１３および１５は、誘電体または
半導体または金属反射器として考えられる。要素１３お
よび１５の反射率は、広範囲の値にわたって変動すると
考えられる。ほとんどの応用例では、反射要素１３は可
飽和吸収体１４の「入力」である。これは、利得媒質
（レーザ）からの光（放射）が最初に反射要素１３に入
射することを意味する。光が、ポンピングされたＮｄ：
ＹＬＦ結晶などのような利得媒質からのものである場
合、反射要素１３は、他端の反射要素（図１）とともに
レーザキャビティを形成する。従って、反射要素１３は
（約）３０％の反射率を有する必要がある。米国特許出
願第０７／７８８，６４１号に記載されるようなファブ
リ・ペロー可飽和吸収体設計の場合、反射要素１３と１
５の間隔および反射要素１３の反射率は重要である。
半導体または金属反射器として考えられる。要素１３お
よび１５の反射率は、広範囲の値にわたって変動すると
考えられる。ほとんどの応用例では、反射要素１３は可
飽和吸収体１４の「入力」である。これは、利得媒質
（レーザ）からの光（放射）が最初に反射要素１３に入
射することを意味する。光が、ポンピングされたＮｄ：
ＹＬＦ結晶などのような利得媒質からのものである場
合、反射要素１３は、他端の反射要素（図１）とともに
レーザキャビティを形成する。従って、反射要素１３は
（約）３０％の反射率を有する必要がある。米国特許出
願第０７／７８８，６４１号に記載されるようなファブ
リ・ペロー可飽和吸収体設計の場合、反射要素１３と１
５の間隔および反射要素１３の反射率は重要である。
【００２６】上記において、可飽和吸収体の化学量論組
成は成長中に変化された。ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘは０．
０〜０．４５で変化）は８７０ｎｍから６２０ｎｍまで
の２５０ｎｍの帯域幅を与えるため、同一の材料系にお
いてもより広い帯域幅が期待される。ｘ＝０．４５以上
では、ＡｌＧａＡｓは本発明の実施には不適当な間接バ
ンドギャップ材料に逆戻りする。
成は成長中に変化された。ＡｌxＧａ1-xＡｓ（ｘは０．
０〜０．４５で変化）は８７０ｎｍから６２０ｎｍまで
の２５０ｎｍの帯域幅を与えるため、同一の材料系にお
いてもより広い帯域幅が期待される。ｘ＝０．４５以上
では、ＡｌＧａＡｓは本発明の実施には不適当な間接バ
ンドギャップ材料に逆戻りする。
【００２７】バンドギャップ工学によって達成可能な他
の可飽和吸収体構造には、図３および４のような量子井
戸構造がある。量子井戸構造は、広バンドギャップ（障
壁）および狭バンドギャップ（量子井戸）半導体材料の
交互の薄層として定義される。広帯域可飽和吸収体は、
量子井戸の深さ（図３）を変化させることによって、ま
たは、量子井戸の厚さ（図４）を変化させることによっ
て達成される。
の可飽和吸収体構造には、図３および４のような量子井
戸構造がある。量子井戸構造は、広バンドギャップ（障
壁）および狭バンドギャップ（量子井戸）半導体材料の
交互の薄層として定義される。広帯域可飽和吸収体は、
量子井戸の深さ（図３）を変化させることによって、ま
たは、量子井戸の厚さ（図４）を変化させることによっ
て達成される。
【００２８】図３に、量子井戸可飽和吸収体１４のエネ
ルギーバンドギャップの伝導帯プロフィールに関係する
モル比プロフィール１４５を、吸収帯の厚さの関数とし
て示す。量子井戸１は障壁２によって相互に分離され
る。井戸および障壁はこの例ではＡｌxＧａ1-xＡｓから
なる。ただし、量子井戸のｘは井戸ごとに減少してい
く。特定化合物の構成半導体要素のモル比とその化合物
のエネルギーバンドギャップの間の関係は周知であり、
米国特許第４，５９７，６３８号の図１５およびＳ．
Ｍ．ズィー著「半導体デバイスの物理」第２版第７０６
ページ（１９８１年）に記載されている。
ルギーバンドギャップの伝導帯プロフィールに関係する
モル比プロフィール１４５を、吸収帯の厚さの関数とし
て示す。量子井戸１は障壁２によって相互に分離され
る。井戸および障壁はこの例ではＡｌxＧａ1-xＡｓから
なる。ただし、量子井戸のｘは井戸ごとに減少してい
く。特定化合物の構成半導体要素のモル比とその化合物
のエネルギーバンドギャップの間の関係は周知であり、
米国特許第４，５９７，６３８号の図１５およびＳ．
Ｍ．ズィー著「半導体デバイスの物理」第２版第７０６
ページ（１９８１年）に記載されている。
【００２９】図４に、量子井戸可飽和吸収体１４のエネ
ルギーバンドギャップの伝導帯プロフィールに関係する
モル比プロフィール１４６を、吸収帯の厚さｚの関数と
して示す。量子井戸３は障壁４によって相互に分離され
る。連続する各量子井戸の厚さはｚが増大するにつれて
減少する。可飽和吸収体構造の例では、厚さ５０オング
ストロームのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ障壁がＧａＡｓ（ｘ＝
０）量子井戸と互い違いになる。この量子井戸の厚さは
２００オングストロームから約３５オングストロームま
で変動し、７５ｎｍ（７８３ｎｍ〜８５８ｎｍ）の吸収
体帯域幅を与える。
ルギーバンドギャップの伝導帯プロフィールに関係する
モル比プロフィール１４６を、吸収帯の厚さｚの関数と
して示す。量子井戸３は障壁４によって相互に分離され
る。連続する各量子井戸の厚さはｚが増大するにつれて
減少する。可飽和吸収体構造の例では、厚さ５０オング
ストロームのＡｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓ障壁がＧａＡｓ（ｘ＝
０）量子井戸と互い違いになる。この量子井戸の厚さは
２００オングストロームから約３５オングストロームま
で変動し、７５ｎｍ（７８３ｎｍ〜８５８ｎｍ）の吸収
体帯域幅を与える。
【００３０】可飽和吸収体１４の表面に反射防止被覆を
付けることが可能である。可飽和吸収体１４が反射要素
１３および１５とは独立である場合、両端面が、標準的
な被覆および被覆技術を使用して反射防止被覆される。
透過モードでは、興味のある波長範囲で透過的な基板材
料を利用することが好ましい。例えば、ＧａＡｓ基板
は、ＩｎxＧａ1-xＡｓ可飽和吸収体層の場合、２．５μ
ｍ帯域幅（８７０ｎｍ〜３．４μｍ）で透過的である。
ただし、Ｉｎモル比ｘは０．０から１．０まで変化す
る。基板材料が興味のある波長で透過的でない場合、光
線を通過させるために、その材料の一部をエッチング除
去することが好ましい。または、図２のように、誘電体
ミラーが、吸収材料と基板の間に挿入される。
付けることが可能である。可飽和吸収体１４が反射要素
１３および１５とは独立である場合、両端面が、標準的
な被覆および被覆技術を使用して反射防止被覆される。
透過モードでは、興味のある波長範囲で透過的な基板材
料を利用することが好ましい。例えば、ＧａＡｓ基板
は、ＩｎxＧａ1-xＡｓ可飽和吸収体層の場合、２．５μ
ｍ帯域幅（８７０ｎｍ〜３．４μｍ）で透過的である。
ただし、Ｉｎモル比ｘは０．０から１．０まで変化す
る。基板材料が興味のある波長で透過的でない場合、光
線を通過させるために、その材料の一部をエッチング除
去することが好ましい。または、図２のように、誘電体
ミラーが、吸収材料と基板の間に挿入される。
【００３１】図はモル比プロフィールを示し、従って、
可飽和吸収体厚さの関数として単調に変化するバンドギ
ャッププロフィールを示しているが、単調または連続以
外の変形も考えられる。すなわち、ある厚さの間はエネ
ルギーバンドギャップが増大し、それに続く厚さではエ
ネルギーバンドギャップが減少するように変化させるこ
とが好ましいこともある。同様に、エネルギーバンドギ
ャップの連続変化は、段階的連続近似によって近似する
ことも可能である。さらに、バンドギャップ変化は図２
のように線形である必要はない。２次、３次、およびそ
の他の非線形関数のような非線形変化が、可飽和吸収体
要素の厚さの関数としてその一部に対するバンドギャッ
プ変化を記述するために考えられる。
可飽和吸収体厚さの関数として単調に変化するバンドギ
ャッププロフィールを示しているが、単調または連続以
外の変形も考えられる。すなわち、ある厚さの間はエネ
ルギーバンドギャップが増大し、それに続く厚さではエ
ネルギーバンドギャップが減少するように変化させるこ
とが好ましいこともある。同様に、エネルギーバンドギ
ャップの連続変化は、段階的連続近似によって近似する
ことも可能である。さらに、バンドギャップ変化は図２
のように線形である必要はない。２次、３次、およびそ
の他の非線形関数のような非線形変化が、可飽和吸収体
要素の厚さの関数としてその一部に対するバンドギャッ
プ変化を記述するために考えられる。
【００３２】材料系ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓについて、
可飽和吸収体要素を作製するために上記のように説明し
たが、異なる所望の波長での可飽和吸収を達成するため
に、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ，ＧａＡｓ／Ａ
ｌＡｓ，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＧ
ａＡｓＰ／ＩｎＰのような他の材料組合せも、他のＩＩ
Ｉ−Ｖ族半導体系から選択可能である。これらの半導体
系では、層は適当なＧａＡｓまたはＩｎＰ基板に格子整
合されることが可能である。歪み層が基板材料上に成長
される場合には不整合も考えられる。最後に、ＩＩ−Ｖ
Ｉ族およびＩＶ族の半導体化合物への本デバイス構造の
拡張も考えられる。
可飽和吸収体要素を作製するために上記のように説明し
たが、異なる所望の波長での可飽和吸収を達成するため
に、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａ
ＡｌＡｓ，ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＡｌＡｓ，ＧａＡｓ／Ａ
ｌＡｓ，ＧａＡｓＳｂ／ＧａＡｌＡｓＳｂおよびＩｎＧ
ａＡｓＰ／ＩｎＰのような他の材料組合せも、他のＩＩ
Ｉ−Ｖ族半導体系から選択可能である。これらの半導体
系では、層は適当なＧａＡｓまたはＩｎＰ基板に格子整
合されることが可能である。歪み層が基板材料上に成長
される場合には不整合も考えられる。最後に、ＩＩ−Ｖ
Ｉ族およびＩＶ族の半導体化合物への本デバイス構造の
拡張も考えられる。
【００３３】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、利
用可能なレーザの同調領域とほぼ同程度に広がる十分に
広帯域の吸収応答を有する単一の固体可飽和吸収体が実
現される。
用可能なレーザの同調領域とほぼ同程度に広がる十分に
広帯域の吸収応答を有する単一の固体可飽和吸収体が実
現される。
【図１】可飽和吸収体を有するレーザ系の概略図であ
る。
る。
【図２】図１の可飽和吸収体を実現する半導体材料層構
造の断面図、および、距離ｚの関数としてのＡｌモル比
のプロフィールの図である。
造の断面図、および、距離ｚの関数としてのＡｌモル比
のプロフィールの図である。
【図３】図１の可飽和吸収体の量子井戸実現のモル比プ
ロフィールの図である。
ロフィールの図である。
【図４】図１の可飽和吸収体の量子井戸実現のモル比プ
ロフィールの図である。
ロフィールの図である。
１１ 反射要素 １２ 利得媒質 １３ 反射要素 １４ 可飽和吸収体 １４３ 吸収層 １４５ モル比プロフィール １４６ モル比プロフィール １５ 反射要素
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ウルスラ ケラー スイス チューリッヒ、シーエイチ− 8093、エイチピーティー、イーティーエ イチ ホンガーバーグ
Claims (10)
- 【請求項１】 第１端反射器および第２端反射器と、 第１波長領域にわたって同調可能な利得媒質と、 第１波長領域にほぼ包含される第２波長領域にわたって
応答する可飽和吸収体とからなり、 利得媒質および可飽和吸収体はいずれも第１端反射器お
よび第２端反射器によって画成される光キャビティ内に
配置され、 可飽和吸収体は、組成勾配バルク半導体材料を有し、 この組成勾配は、可飽和吸収体を通る光伝播軸にほぼ平
行に定められることを特徴とするレーザシステム。 - 【請求項２】 半導体材料がＡｌxＧａ1-xＡｓであり、
ｘは０．０から０．４５の間の値であることを特徴とす
る請求項１のレーザシステム。 - 【請求項３】 半導体材料がＩｎxＧａ1-xＡｓであり、
ｘは０．０から１．０の間の値であることを特徴とする
請求項１のレーザシステム。 - 【請求項４】 第２端反射器が、可飽和吸収体とモノリ
シックに集積化されることを特徴とする請求項１のレー
ザシステム。 - 【請求項５】 第１端反射器および第２端反射器と、 第１波長領域にわたって同調可能な利得媒質と、 第１波長領域にほぼ包含される第２波長領域にわたって
応答する可飽和吸収体とからなり、 利得媒質および可飽和吸収体はいずれも第１端反射器お
よび第２端反射器によって画成される光キャビティ内に
配置され、 可飽和吸収体は、複数の量子井戸層と、それに対応して
互い違いにされた複数の障壁層とを有する量子井戸領域
を有し、 量子井戸層は狭バンドギャップ半導体材料からなり、 障壁層は広バンドギャップ半導体材料からなり、 連続する量子井戸層の所定特性が、可飽和吸収体を通る
光伝播軸にほぼ平行に変化することを特徴とするレーザ
システム。 - 【請求項６】 前記所定特性が量子井戸層の厚さである
ことを特徴とする請求項５のレーザシステム。 - 【請求項７】 第２端反射器が、可飽和吸収体とモノリ
シックに集積化されることを特徴とする請求項６のレー
ザシステム。 - 【請求項８】 前記所定特性が量子井戸層のバンドギャ
ップエネルギーであることを特徴とする請求項５のレー
ザシステム。 - 【請求項９】 各量子井戸層がＡｌxＧａ1-xＡｓからな
り、ｘは０．０から０．４５の間の値であることを特徴
とする請求項８のレーザシステム。 - 【請求項１０】 第２端反射器が、可飽和吸収体とモノ
リシックに集積化されることを特徴とする請求項９のレ
ーザシステム。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US07/880,928 US5278855A (en) | 1992-05-11 | 1992-05-11 | Broadband semiconductor saturable absorber |
| US880928 | 1992-05-11 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0629608A JPH0629608A (ja) | 1994-02-04 |
| JP2724279B2 true JP2724279B2 (ja) | 1998-03-09 |
Family
ID=25377422
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5132473A Expired - Lifetime JP2724279B2 (ja) | 1992-05-11 | 1993-05-11 | レーザシステム |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5278855A (ja) |
| JP (1) | JP2724279B2 (ja) |
| FR (1) | FR2691017B1 (ja) |
| GB (1) | GB2266988B (ja) |
Families Citing this family (28)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0583303B1 (en) * | 1991-05-07 | 1996-03-20 | BRITISH TELECOMMUNICATIONS public limited company | Optical clock extraction |
| FR2712743B1 (fr) * | 1993-11-15 | 1995-12-15 | Commissariat Energie Atomique | Cavité laser à déclenchement passif par absorbant saturable et laser incorporant cette cavité. |
| FR2712742B1 (fr) * | 1993-11-15 | 1995-12-15 | Commissariat Energie Atomique | Microlaser solide, monolithique, autoaligné, à déclenchement passif par absorbant saturable et son procédé de fabrication. |
| US5394413A (en) * | 1994-02-08 | 1995-02-28 | Massachusetts Institute Of Technology | Passively Q-switched picosecond microlaser |
| US5436925A (en) * | 1994-03-01 | 1995-07-25 | Hewlett-Packard Company | Colliding pulse mode-locked fiber ring laser using a semiconductor saturable absorber |
| DE4413900A1 (de) * | 1994-04-21 | 1995-10-26 | Htw Dresden | Anordnung zur Gütesteuerung von Lasern |
| FR2725279B1 (fr) * | 1994-10-04 | 1996-10-25 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif de telemetrie comportant un microlaser |
| US5627854A (en) * | 1995-03-15 | 1997-05-06 | Lucent Technologies Inc. | Saturable bragg reflector |
| FR2734094B1 (fr) * | 1995-05-12 | 1997-06-06 | Commissariat Energie Atomique | Emetteur infrarouge monolithique a semi-conducteur pompe par un microlaser solide declenche |
| JPH11505370A (ja) * | 1995-05-19 | 1999-05-18 | ケレル−ヴアインガルテン，ウルスラ | パルス化されたレーザビームを発生するレーザ装置において優先的に使用する光学部品 |
| US5802083A (en) * | 1995-12-11 | 1998-09-01 | Milton Birnbaum | Saturable absorber Q-switches for 2-μm lasers |
| US5666373A (en) * | 1996-02-06 | 1997-09-09 | Raytheon Company | Laser having a passive pulse modulator and method of making same |
| SE510442C2 (sv) | 1996-09-05 | 1999-05-25 | Fredrik Laurell | Mikrochipslaser |
| US6252892B1 (en) * | 1998-09-08 | 2001-06-26 | Imra America, Inc. | Resonant fabry-perot semiconductor saturable absorbers and two photon absorption power limiters |
| JP2000221549A (ja) | 1999-02-02 | 2000-08-11 | Japan Science & Technology Corp | ラマン共振器を用いる超短パルス光発生方法及びその装置 |
| FR2799070B1 (fr) * | 1999-09-23 | 2002-02-08 | Cit Alcatel | Regenerateur de signaux optiques multiplexes en longueur d'onde |
| US6741619B1 (en) | 2000-04-03 | 2004-05-25 | Massachusetts Institute Of Technology | Semiconductor elements for stabilizing laser output |
| DE10052461B4 (de) * | 2000-10-23 | 2007-09-06 | Lumera Laser Gmbh | Vorrichtung zum Erzeugen von Laserlicht |
| US6972400B2 (en) | 2000-11-02 | 2005-12-06 | Raytheon Company | Multi-mode vibration sensor laser |
| US6552844B2 (en) | 2001-06-01 | 2003-04-22 | Agere Systems Guardian Corp. | Passively output flattened optical amplifier |
| US6875978B2 (en) * | 2001-06-11 | 2005-04-05 | Raytheon Company | Modelocked waveform for synthetic aperture ladar |
| JP2003015173A (ja) * | 2001-06-20 | 2003-01-15 | Agilent Technol Inc | 光信号を記憶する装置 |
| US6826219B2 (en) * | 2002-03-14 | 2004-11-30 | Gigatera Ag | Semiconductor saturable absorber device, and laser |
| US7590156B1 (en) | 2004-05-17 | 2009-09-15 | University Of Central Florida Research Foundation, Inc. | High intensity MHz mode-locked laser |
| FI121040B (fi) * | 2005-05-10 | 2010-06-15 | Reflekron Oy | Moodilukittu kuitulaser |
| US7801197B2 (en) * | 2006-06-16 | 2010-09-21 | Epicrystals Oy | High power laser device |
| JP2008028379A (ja) * | 2006-06-22 | 2008-02-07 | Fujifilm Corp | モードロックレーザ装置 |
| US8885676B2 (en) * | 2011-11-14 | 2014-11-11 | The United States Of America, As Represented By The Secretary Of The Navy | Infrared laser |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4597638A (en) * | 1983-02-28 | 1986-07-01 | At&T Bell Laboratories | Nonlinear optical apparatus |
| WO1985003171A1 (en) * | 1983-12-30 | 1985-07-18 | American Telephone & Telegraph Company | Laser controlled by a multiple layer heterostructure |
| US4860296A (en) * | 1983-12-30 | 1989-08-22 | American Telephone And Telegraph Company, At&T Bell Laboratories | Laser controlled by a multiple-layer heterostructure |
| FR2589630B1 (fr) * | 1985-07-23 | 1988-06-17 | Deveaud Benoit | Absorbant saturable a tres faibles temps de commutation |
| US5007059A (en) * | 1990-05-15 | 1991-04-09 | At&T Bell Laboratories | Nonlinear external cavity modelocked laser |
| JP2760451B2 (ja) * | 1990-06-25 | 1998-05-28 | 松下電子工業株式会社 | 超短パルスレーザ光発生装置 |
-
1992
- 1992-05-11 US US07/880,928 patent/US5278855A/en not_active Expired - Lifetime
-
1993
- 1993-04-30 GB GB9308941A patent/GB2266988B/en not_active Expired - Lifetime
- 1993-05-03 FR FR9305236A patent/FR2691017B1/fr not_active Expired - Fee Related
- 1993-05-11 JP JP5132473A patent/JP2724279B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| GB9308941D0 (en) | 1993-06-16 |
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| GB2266988A (en) | 1993-11-17 |
| FR2691017A1 (fr) | 1993-11-12 |
| JPH0629608A (ja) | 1994-02-04 |
| GB2266988B (en) | 1996-01-24 |
| FR2691017B1 (fr) | 1994-12-30 |
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