JP3419794B2 - Mode-locked laser and mode-locked optical pulse train generation method - Google Patents

Mode-locked laser and mode-locked optical pulse train generation method

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JP3419794B2
JP3419794B2 JP14218291A JP14218291A JP3419794B2 JP 3419794 B2 JP3419794 B2 JP 3419794B2 JP 14218291 A JP14218291 A JP 14218291A JP 14218291 A JP14218291 A JP 14218291A JP 3419794 B2 JP3419794 B2 JP 3419794B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、モード同期光パルス列
の発生方法およびモード同期光パルス列を発生するモー
ド同期レーザ装置に関するものである。特に光通信にお
けるマスターオシレータや分光実験用光源として有用な
ピコ秒モード同期レーザに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for generating a mode-locked optical pulse train and a mode-locked laser device for generating a mode-locked optical pulse train. In particular, the present invention relates to a picosecond mode-locked laser useful as a master oscillator in optical communication and a light source for spectroscopic experiments.

【0002】[0002]

【従来の技術】モード同期光パルス列発生法ならびにモ
ード同期レーザは、ピコ秒〜フェムト秒の時間幅をもつ
超短パルス光や高繰り返しの光パルス列を必要とする科
学実験や物性評価に極めてよく用いられており、現状で
は最も安定かつ低コストな方法であると思われる。この
モード同期法には、広く分類すると強制モード同期法と
受動モード同期法があり、それぞれの方法の具体例なら
びに特徴は、「超高速光技術」(矢島達夫編、丸善刊)
17〜197ページに詳しい記述がある。どちらの方法
においても、基本的には光強度あるいは位相を変調する
変調器あるいは非線形媒質を光増幅媒質が含まれる光共
振器中におくことを特徴としている。ところが最近、光
増幅媒質を含む光共振器外部にこの共振器と共振器長の
ほぼ等しい共振器を結合し、この内部に非線形媒質をお
く新しい方式のモード同期法が考案され、研究が盛んに
行われている。代表的な例として、ハウス(H.A.H
aus)、イッペン(E.P.Ippen)らにより
「オプティック・レター誌」(Optics Lett
ers)の1989年第14巻48〜50ページに報告
されたものをあげることが出来る。彼らはカラーセンタ
ーレーザの共振器外にレーザ共振器の出力ミラーを介し
てレーザ共振器とほぼ等しい共振器長を持ったファブリ
・ペロー干渉計を構成し、この干渉計中に光ファイバー
を挿入することにより、非線計ファブリ・ペロー干渉計
と結合した複合共振器レーザを構成している。外部共振
器中には、レーザ共振器中の光パルスの周回に同期して
光パルスが注入されるが、この光パルスは外部共振器中
に挿入した非線形物質により光強度に依存した位相変化
(自己位相変調)を受ける。この位相変化は、パルスの
ピーク付近で最も大きくパルスの裾では小さい。外部共
振器とレーザ共振器の共振器長を等しくしてやると、レ
ーザ共振器中を周回するパルスと外部共振器中を周回す
るパルスが中央の両共振器が共有するミラー上で重なり
合い干渉する。このとき光ファイバの長さをうまく選ん
でやると光パルスの裾付近では光波が逆相で干渉して打
ち消し合い、ピーク付近では同相で干渉して強め合うよ
うにする事ができる。これによってパルスの先鋭化が行
われると説明されている。実際に彼らは、この方法によ
り通常のモード同期では23ピコ秒であった光パルス幅
が127フェムト秒になったことを確認している。
2. Description of the Related Art A mode-locked optical pulse train generation method and a mode-locked laser are very often used for scientific experiments and physical property evaluations that require ultrashort pulsed light having a picosecond to femtosecond time width and highly repetitive optical pulse trains. It is considered to be the most stable and lowest cost method at present. This mode-locking method is broadly classified into a forced mode-locking method and a passive mode-locking method. Specific examples and characteristics of each method are described in "Ultrafast optical technology" (edited by Tatsuo Yajima, published by Maruzen).
See pages 17-197 for details. Both methods are basically characterized in that a modulator for modulating the light intensity or phase or a nonlinear medium is placed in an optical resonator containing an optical amplification medium. Recently, however, a new mode-locking method has been devised by coupling a resonator with an almost equal resonator length to the outside of an optical resonator containing an optical amplification medium, and placing a nonlinear medium inside the resonator, and research has been actively conducted. Has been done. As a typical example, a house (HAH
aus), Eppen, et al., "Optics Letter".
ers), Vol. 14, 1989, p. 48-50. They construct a Fabry-Perot interferometer with a cavity length almost equal to the laser cavity through the output mirror of the laser cavity outside the cavity of the color center laser, and insert an optical fiber into this interferometer. Form a composite resonator laser coupled with a non-linear Fabry-Perot interferometer. An optical pulse is injected into the external resonator in synchronism with the circulation of the optical pulse in the laser resonator, and this optical pulse changes in phase depending on the optical intensity due to the nonlinear substance inserted in the external resonator ( Self-phase modulation). This phase change is largest near the peak of the pulse and small at the tail of the pulse. When the resonator lengths of the external resonator and the laser resonator are made equal, the pulse circulating in the laser resonator and the pulse circulating in the external resonator overlap and interfere on the mirror shared by both central resonators. At this time, if the length of the optical fiber is properly selected, the light waves interfere and cancel each other in the opposite phase in the vicinity of the skirt of the optical pulse, and in the vicinity of the peak, they interfere and strengthen each other in the same phase. It is described that this results in sharpening of the pulse. In fact, they confirmed that this method resulted in an optical pulse width of 127 femtoseconds, which was 23 picoseconds in normal mode locking.

【0003】また、外部共振器中に上述のような光強度
に応じて透過光の位相を変化させる非線形物質をおいた
ときのみならず、可飽和吸収体のような光強度に応じて
透過光の強度を変化させる非線形物質をおいたときにも
モード同期が起こることが報告されている。「オプティ
ック・レター誌」(Optics Letters)の
1990年第15巻1377〜1379ページにケラー
(U. Keller)らにより、外部共振器を構成す
るミラーとして光強度によって反射率が変化する量子井
戸非線形ミラーを用いることによって、チタニウム/サ
ファイアレーザに受動モード同期が生じることが、また
「オプティック・レター誌」(Optics Lett
ers)の1991年第16巻384〜386ページに
グラント(R.S.Grant)らにより、外部共振器
中に電流注入した半導体レーザアンプをおくことによっ
て、KClカラーセンターレーザに受動モード同期が生
じることが報告されている。
Not only when a non-linear substance that changes the phase of transmitted light according to the light intensity as described above is placed in the external resonator, but also according to the light intensity such as a saturable absorber, the transmitted light is changed. It has been reported that mode-locking occurs even when a non-linear material that changes the intensity of is placed. Quantum well nonlinear mirror whose reflectance changes with light intensity as a mirror constituting an external cavity by U. Keller et al. In 1990, Volume 15, pp. 1377 to 1379 of "Optics Letters". Of passive mode-locking in titanium / sapphire lasers is also described in "Optics Letter".
ERS), Vol. 16, 1991, pp. 384-386, by passively locking the KCl color center laser by placing a semiconductor laser amplifier with current injection in the external cavity according to Grant Grant et al. It has been reported.

【0004】以上のような新しいモード同期法はAPM
(Additive PulseMode−locki
ng)あるいはCCM(Coupled Cavity
Mode−locking)等と呼ばれている。
The above-mentioned new mode-locking method is an APM
(Additive PulseMode-locki
ng) or CCM (Coupled Cavity)
It is called Mode-locking).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】以上のようなモード同
期法は確立されており、広く利用されている。しかしな
がら、これらのモード同期法にはかなり取扱いのむずか
しい素子や高価な素子が用いられており手軽とはいいが
たく、コストパフォーマンスも悪い。
The mode locking method as described above has been established and is widely used. However, these mode-locking methods use elements that are extremely difficult to handle and expensive elements, so they are not easy and cost performance is poor.

【0006】さらに近年では、これらのモード同期レー
ザを光通信のマスターオシレータとして用いたいという
希望もあるが、一般的にこれらのモード同期レーザは大
型で装置のコンパクト化に難があり、また繰り返し周波
数が100MHz程度と低速である。
Further, in recent years, there is a desire to use these mode-locked lasers as master oscillators for optical communication, but in general, these mode-locked lasers are large in size, and it is difficult to make the apparatus compact, and the repetition frequency is high. Is as low as about 100 MHz.

【0007】本発明の目的は、上述のような従来のモー
ド同期法の欠点をなくし、コストパフォーマンスに優
れ、取扱いの容易なモード同期レーザおよびモード同期
光パルス列発生方法を提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a mode-locked laser and a mode-locked optical pulse train generation method which eliminates the above-mentioned drawbacks of the conventional mode-locked method, is excellent in cost performance, and is easy to handle.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明における第1の発
明は、活性の層方向に共振器が形成され、この方向に
光を取り出す端面出射型半導体レーザにおいて、3つの
分布ブラッグ反射領域により等価共振器長の等しい2つ
の結合した光共振器構造を持ち、この2つの光共振器中
にそれぞれ光増幅媒体と可飽和吸収媒体とを含むことを
特徴とするモード同期半導体レーザである。
The first aspect of the present invention
Akira states that a cavity is formed in the layer direction of the active layer, and in an edge-emitting type semiconductor laser that extracts light in this direction, two distributed optical cavity structures having the same equivalent cavity length are formed by three distributed Bragg reflection regions. A mode-locking semiconductor laser having an optical amplification medium and a saturable absorption medium in each of the two optical resonators.

【0009】第2の発明は、基板と垂直な方向に共振器
が形成され、この方向に光を取り出す面発光型半導体レ
ーザにおいて、3つの分布ブラッグ反射領域により等価
共振器長の等しい2つの結合した光共振器構造を持ち、
この二つの光共振器中にそれぞれ光増幅媒体と可飽和吸
収媒体を含むことを特徴とするモード同期半導体レーザ
である。
According to a second aspect of the present invention, in a surface-emitting type semiconductor laser in which a resonator is formed in a direction perpendicular to a substrate and light is extracted in this direction, two couplings having an equivalent resonator length are formed by three distributed Bragg reflection regions. Has an optical resonator structure
The mode-locked semiconductor laser is characterized in that the two optical resonators each include an optical amplification medium and a saturable absorption medium.

【0010】第3の発明は上記のモード同期レーザの光
増幅媒体あるいは可飽和吸収媒体の少なくとも一方への
注入電流を該モード同期レーザの光共振器内部の光の周
回時間に同期して変調することを特徴とするモード同期
光パルス列発生方法である。
According to a third aspect of the present invention, the injection current to at least one of the optical amplification medium and the saturable absorption medium of the mode-locked laser is modulated in synchronization with the circulation time of light inside the optical resonator of the mode-locked laser. A method for generating a mode-locked optical pulse train characterized by the above.

【0011】第4の発明は、レーザ装置の光共振器を構
成する2対の反射鏡のうちの一方の反射鏡が、内部に可
飽和吸収体を含み、かつ内部の光周回時間が所望の光パ
ルス時間幅よりも十分に短くなる間隙を有する平行平面
鏡からなるエタロンであることを特徴とするモード同期
レーザである。
According to a fourth aspect of the present invention, one of the two pairs of reflecting mirrors constituting the optical resonator of the laser device includes a saturable absorber inside and has a desired internal optical orbit time. A mode-locked laser characterized by being an etalon composed of parallel plane mirrors having a gap sufficiently shorter than the optical pulse time width.

【0012】[0012]

【作用】APMあるいはCCMの動作原理について、図
4を用いて更に詳しく説明する。APMレーザの構成を
モデル化すると図4のようになる。レーザ共振器44は
ミラー41およびミラー42から構成され、外部共振器
45はミラー42およびミラー43から構成される。4
6は光増幅媒質、47は非線形媒質である。ミラー4
1、ミラー42、ミラー43の振幅反射率、振幅透過率
をそれぞれr1 、r2 、r3 、t1 、t2 、t3 とす
る。非線形媒体47はミラー43に十分近接しているも
のとし、非線形媒質47を光パルスが往復する際に生じ
る光パルスの振幅あるいは位相変調をm(t)とする。
The operation principle of the APM or CCM will be described in more detail with reference to FIG. The configuration of the APM laser is modeled as shown in FIG. The laser resonator 44 is composed of a mirror 41 and a mirror 42, and the external resonator 45 is composed of a mirror 42 and a mirror 43. Four
6 is an optical amplification medium, and 47 is a nonlinear medium. Mirror 4
1, the amplitude reflectance and the amplitude transmittance of the mirror 42 and the mirror 43 are r 1 , r 2 , r 3 , t 1 , t 2 , and t 3 , respectively. It is assumed that the nonlinear medium 47 is sufficiently close to the mirror 43, and the amplitude or phase modulation of the optical pulse generated when the optical pulse reciprocates through the nonlinear medium 47 is m (t).

【0013】今、ミラー42上で生じる出来事に着目す
る。図4に示したようにミラー42を透過、反射する光
の振幅をa1 、a2 、b1 、 b2 、とすると、これらを
結ぶ関係式は、式(1)、(2)と書くことができる。 b1 (t)=r2 1 (t)+it2 2 (t) 式(1) b2 (t)=it2 1 (t)+r2 2 (t) 式(2) 但し、ミラー42は損失がないものとし、r2 2 +t2
2 =1であるとする。
Attention is now focused on the events that occur on the mirror 42. As shown in FIG. 4, assuming that the amplitudes of light transmitted and reflected by the mirror 42 are a 1 , a 2 , b 1 , and b 2 , the relational expressions connecting these are written as equations (1) and (2). be able to. b 1 (t) = r 2 a 1 (t) + it 2 a 2 (t) Formula (1) b 2 (t) = it 2 a 1 (t) + r 2 a 2 (t) Formula (2) It is assumed that the mirror 42 has no loss, and r 2 2 + t 2
It is assumed that 2 = 1.

【0014】ある時刻tにおける幅振a2 (t)は、t
よりも1周回前の振幅b2 (t−2l/c)およびtよ
りもl/cだけ以前に非線形媒質を光パルスが伝搬する
ことによって光パルスが受ける変調m' (t−l/c)
によって決まると考えられ、式(3)と書ける。 a2 (t)=r3 2 (t−2l/c)m' (t−l/c)exp(−iφ) 式(3) ただしlは共振器光学長、cは光の速度である。exp
(−iφ)はレーザ共振器と外部共振器の共振器長差に
よって生じる位相差を考慮した成分であり、両共振器長
差が正確に等しいとき、φ=0となる。以降、表記を簡
単にするため、m(t)=m’(t−l/c)と表す。
すなわち、m(t)はm’(t)の時間軸をl/cずら
したものである。
The amplitude swing a 2 (t) at a certain time t is t
Modulation m ' (t-1 / c) that the optical pulse receives by propagating the optical pulse through the nonlinear medium before the amplitude b 2 (t-21 / c) one cycle before and 1 / c before t
It is considered to be decided by the equation, and can be written as equation (3). a 2 (t) = r 3 b 2 (t−21 / c) m (t−1 / c) exp (−iφ) Formula (3) where l is the resonator optical length and c is the speed of light. . exp
(-Iφ) is a component that takes into account the phase difference caused by the difference in resonator length between the laser resonator and the external resonator, and φ = 0 when both resonator length differences are exactly equal. Hereinafter, in order to simplify the notation, it is expressed as m (t) = m ′ (t−1 / c).
That is, m (t) is obtained by shifting the time axis of m '(t) by 1 / c.

【0015】定常状態では次式が成り立つ。 a2 (t−2l/c)=a2 (t) 式(4) b2 (t−2l/c)=b2 (t) 式(5) このとき、式(3)は、次のように書ける。 a2 (t)=r3 2 (t)m(t)exp(−iφ) 式(6) レーザ共振器からみたとき、外部共振器全体を一種のミ
ラーと見ると、その振幅反射率は式(1)(2)、
(6)より、式(7)のように書ける。
In the steady state, the following equation holds. a 2 (t-2l / c ) = a 2 (t) Equation (4) b 2 (t- 2l / c) = b 2 (t) Equation (5) In this case, equation (3) is as follows Can be written on. a 2 (t) = r 3 b 2 (t) m (t) exp (−iφ) Equation (6) When viewed from the laser resonator, if the entire external resonator is regarded as a kind of mirror, its amplitude reflectance is Formulas (1) and (2),
From (6), we can write as in equation (7).

【0016】[0016]

【数1】 [Equation 1]

【0017】式(7)は内部に非線形物質を含む非線形
エタロンの反射率の式と同一の形をしている。いま、特
に非線形物質が可飽和吸収体の場合を考え、m(t)は
振幅の変調を表すものと考えればm(t)は0≦m
(t)≦1を満たす実数である。レーザ共振器と外部共
振器の長さが等しい場合(φ=0)、r2<r3 として
振幅反射率r(t)をm(t)の関数として描くと図5
のようになる。この図から、もしm(t)がr2 /r3
から1まで変化するならば、r(t)は0から(r2
3 )/(1−r2 3 )まで変化することが分かる。
この特性をうまく利用してやれば、r2 、r3 をうまく
選んでやることによってm(t)の変化を増幅して反射
率r(t)に反映させることが可能になる。以上の説明
により、APMにおいて外部共振器は内部に含まれる非
線形物質の光応答(光非線形性)を増幅する働きをする
ことが分かる。
Expression (7) has the same form as the expression of the reflectance of a nonlinear etalon containing a nonlinear substance inside. Now, especially considering that the nonlinear substance is a saturable absorber, and m (t) represents amplitude modulation, m (t) is 0 ≦ m.
It is a real number that satisfies (t) ≦ 1. When the laser cavity and the external cavity have the same length (φ = 0), the amplitude reflectance r (t) is plotted as a function of m (t) with r 2 <r 3 as shown in FIG.
become that way. From this figure, if m (t) is r 2 / r 3
If it changes from 1 to 1, r (t) is 0 to (r 2
r 3) / (1-r 2 r 3) until it is found to vary.
If this characteristic is properly used, it is possible to amplify the change in m (t) and reflect it in the reflectance r (t) by properly selecting r 2 and r 3 . From the above description, it is understood that in the APM, the external resonator functions to amplify the optical response (optical nonlinearity) of the nonlinear substance contained inside.

【0018】図6(B)に、図6(A)で示されるよう
な光パワー透過特性|m|2 を持った可飽和吸収体をr
2 =√0.5、r3=√0.99の外部共振器中におい
たときの連続光に対するパワー反射率|r|2 の計算例
を示す。Ii n は入射光パワー、Is は飽和光強度であ
る。外部共振器が、非線形物質の非線形応答性を増幅す
ることは図から明らかである。この可飽和吸収体は非飽
和時の光透過率〜0.7、飽和時の光透過率〜1であ
り、この場合r2 、r3 を上述のように選べば、外部共
振器の反射率は0%から約94%まで変化しうる。
FIG. 6B shows a saturable absorber having optical power transmission characteristics | m | 2 as shown in FIG. 6A.
An example of calculation of the power reflectivity | r | 2 for continuous light when placed in an external resonator with 2 = √0.5 and r 3 = √0.99 is shown. I in is the incident light power and I s is the saturated light intensity. It is clear from the figure that the external resonator amplifies the nonlinear response of the nonlinear material. This saturable absorber has a light transmittance of 0.7 when it is unsaturated and a light transmittance of 1 when it is saturated. In this case, if r 2 and r 3 are selected as described above, the reflectance of the external resonator is Can vary from 0% to about 94%.

【0019】通常の受動モード同期においては、レーザ
共振器に可飽和吸収体を挿入し、この光に対する非線形
応答を利用してモード同期動作を行う。一般にこの非線
形応答を得るためには大きな光強度が必要であり、モー
ド同期動作は高出力レーザでしか得られていない。しか
しながら、このAPMを用いれば非線形物質の光非線形
応答が強調されるため、低出力レーザにおいてもモード
同期が可能である。モード同期動作にとって、非線形媒
質の時間応答特性は重要であるが、一般にモード同期に
よって非線形媒質の応答時間よりも十分短い時間幅をも
つ光パルスは得られている。
In ordinary passive mode-locking, a saturable absorber is inserted in the laser resonator, and mode-locking operation is performed by utilizing the nonlinear response to this light. In general, a large light intensity is required to obtain this nonlinear response, and mode-locked operation can be obtained only with a high-power laser. However, when this APM is used, the optical non-linear response of the non-linear material is emphasized, and therefore mode locking is possible even in a low power laser. The time response characteristic of the nonlinear medium is important for the mode-locked operation, but in general, an optical pulse having a time width sufficiently shorter than the response time of the nonlinear medium has been obtained by mode locking.

【0020】先にも述べたように、式(6)は内部に光
に対する変調成分がm(t)で表されるような非線形媒
質がある場合の非線形エタロンの振幅反射率を表す式と
同一の形をしている。但し、非線形エタロンの場合に
は、exp(−iφ)のファクターはレーザ共振器と外
部共振器の共振器長差によって生じる位相差ではなく、
エタロン中を光が一往復する際に生じる位相差であり、
エタロンのミラー間隔を1とすればexp(−2il/
c)で表される。このような非線形エタロンをレーザ共
振器を構成する一方のミラーとして用いた場合、エタロ
ン中の光の周回時間が所望の光パルス時間幅よりも十分
に小さいような場合には、非線形外部共振器を結合した
場合と同様の効果が得られる。なぜならば、この場合非
線形エタロンにおいても式(1)〜(6)はAPMの場
合と同様に成立し、従って式(7)が成り立つと考えら
れるからである。
As described above, the equation (6) is the same as the equation representing the amplitude reflectance of the nonlinear etalon when the nonlinear medium in which the modulation component for light is represented by m (t) is present. It has the shape of. However, in the case of a non-linear etalon, the exp (-iφ) factor is not the phase difference caused by the difference in resonator length between the laser resonator and the external resonator,
It is the phase difference that occurs when the light makes one round trip in the etalon,
If the mirror spacing of the etalon is 1, then exp (-2il /
It is represented by c). When such a non-linear etalon is used as one of the mirrors constituting the laser resonator, a non-linear external resonator is used when the orbital time of the light in the etalon is sufficiently smaller than the desired optical pulse time width. The same effect as when combined is obtained. This is because, in this case, it is considered that the equations (1) to (6) hold in the nonlinear etalon as in the case of the APM, and thus the equation (7) holds.

【0021】このことは、次の二つことを意味する。す
なわち、第一にこの非線形外部共振器において、非線形
媒質の応答を増幅するメカニズムは通常のファブリ・ペ
ロー・エタロンと同様の光の多重反射、干渉の効果にあ
るということである。
This means the following two things. That is, first, in this non-linear external resonator, the mechanism for amplifying the response of the non-linear medium is the effect of multiple reflection and interference of light similar to that of a normal Fabry-Perot etalon.

【0022】第二に、内部に非線形媒質を含んだファブ
リ・ペロー・エタロンをレーザ共振器の一方のミラーに
用いることは、エタロン内部の光の周回時間が所望の光
パルス時間幅よりも十分に短ければ、レーザ共振器に非
線形外部共振器を結合することと等価であると言うこと
である。
Second, using a Fabry-Perot etalon containing a nonlinear medium inside one of the mirrors of the laser resonator makes it possible to make the orbital time of the light inside the etalon sufficiently longer than the desired optical pulse time width. If it is short, it is equivalent to coupling a nonlinear external resonator to the laser resonator.

【0023】APMにおいて非線形外部共振器が、内部
を周回する光がパルス的であるにもかかわらず、通常の
ファブリ・ペロー・エタロンと同様の多重反射、干渉効
果を持つかを説明すると、以下のようになる。レーザ共
振器と非線形外部共振器の共振器長がほぼ等しいため、
両共振器の光の周回時間は等しい。このため定常状態で
は外部共振器中には光パルスが常に一つだけ周回し、光
パルスが共通のミラーに到着するとき必ずレーザ共振器
中を周回する光パルスと衝突し、エネルギーを授受す
る。従って、外部共振器中を周回する光パルスは常にレ
ーザ共振器を周回する光パルスにより同期してエネルギ
ーをもらい、定常状態にあることになる。このとき、外
部共振器中を周回する光パルスは過去に共振器中を1周
回、2周回、3周回・・した光パルスの重ね合わせにな
っていると考えられる。すなわち、干渉は過去に共振器
中を1周回、2周回、3周回・・した光パルス間で生じ
る。
In the APM, it will be explained below whether the non-linear external resonator has the same multiple reflection and interference effect as the ordinary Fabry-Perot etalon, even though the light circulating inside is pulse-like. Like Since the resonator lengths of the laser resonator and the nonlinear external resonator are almost equal,
The light circulation time of both resonators is equal. Therefore, in the steady state, only one light pulse circulates in the external resonator at all times, and when the light pulse arrives at the common mirror, it collides with the light pulse circulating in the laser resonator and transfers energy. Therefore, the optical pulse circulating in the external resonator always receives energy in synchronization with the optical pulse circulating in the laser resonator, and is in a steady state. At this time, it is considered that the optical pulse that circulates in the external resonator is a superposition of the optical pulses that have once circulated once, twice, and three times in the resonator. That is, the interference occurs between the optical pulses that have once made one round, two rounds, three rounds, ... In the resonator.

【0024】一方、これに対して周回時間2l/cが光
パルス幅よりも十分小さいファブリ・ペロー・エタロン
では、光の多重反射、干渉効果はファブリ・ペロー・エ
タロンに入射している一つの光パルス中で起こっている
と考えられる。
On the other hand, in the case of the Fabry-Perot etalon, which has a circulation time of 2 l / c sufficiently smaller than the optical pulse width, the multiple reflection and interference effects of light are caused by one light incident on the Fabry-Perot etalon. It is thought to be occurring during the pulse.

【0025】以上の説明により、APMの非線形外部共
振器結合は非線形媒質の非線形光応答を強調し低出力レ
ーザのモード同期動作が可能となること、および光パル
ス幅がラウンド・トリップ・タイム2l/cよりも十分
大きいとき、内部に非線形媒質を含んだファブリ・ペロ
ー・エタロンは非線形外部共振器の結合と全く同じよう
に非線形媒質の光応答(光非線形性)を強調し、モード
同期動作に極めて好ましい動作をすることが明らかにな
った。
From the above description, the nonlinear external resonator coupling of the APM emphasizes the nonlinear optical response of the nonlinear medium to enable mode-locked operation of a low-power laser, and the optical pulse width has a round trip time of 21 / When it is sufficiently larger than c, the Fabry-Perot etalon that includes the nonlinear medium inside emphasizes the optical response (optical nonlinearity) of the nonlinear medium just like the coupling of the nonlinear external resonator, and is extremely effective for mode-locked operation. It has become clear that it behaves favorably.

【0026】本発明の第1および第2の発明は、これら
のAPMの原理を半導体レーザに適用し、受動モード同
期動作をさせるもの、第3の発明はこれに加えて光増幅
媒質あるいは可飽和吸収媒質あるいはその両者に注入す
る電流量を変調することにより強制モード同期をさせる
もの、第4の発明は内部に非線形媒質を含み、かつ光周
回時間が所望の光パルス幅よりも十分に小さいファブリ
・ペロー・エタロンをレーザ共振器のミラーとして用い
ることにより、簡単かつ低コストな構造でモード同期動
作を得るレーザ装置である。
The first and second inventions of the present invention apply these APM principles to a semiconductor laser to perform passive mode-locking operation, and the third invention additionally provides an optical amplification medium or saturable A fourth aspect of the present invention is a mode in which forced mode-locking is performed by modulating the amount of current injected into an absorbing medium or both, and a fourth invention includes a non-linear medium inside, and the optical circulation time is sufficiently smaller than a desired optical pulse width. A laser device that can obtain mode-locked operation with a simple and low-cost structure by using a Perot etalon as a mirror of a laser resonator.

【0027】[0027]

【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0028】図1は、本発明を用いた端面発光型の半導
体レーザの実施例を示した構造断面図である。n型In
P基板11の分布ブラッグ反射領域18a、18bおよ
び18cに周期2380A(オングストローム)の回折
格子を形成し、その上に光ガイド層14としてノンドー
プInGaAs(エネルギー・ギャップに対応する波長
λg=1.3μm、厚さ0.3μm)、バッファ層15
としてn型InP(厚さ0.1μm)、活性層12およ
び吸収層13としてノンドープInGaAs(λg
1.53μm、厚さ0.1μm)、クラッド層16とし
てp型InP(厚さ0.2μm)をLPE成長する。次
に分布ブラッグ反射領域18上のInPクラッド層とI
nGaAs活性層を選択的にエッチングにより除去す
る。次に全体にp型InPクラッド層を再成長する。こ
の後、活性層12上、吸収層13上および基板側に電極
17を形成する。こうして図1の素子が完成する。この
構造に加えて、ここには示していないが電流狭窄構造を
形成することも通常の半導体レーザと同様に可能であ
る。
FIG. 1 is a structural sectional view showing an embodiment of an edge emitting semiconductor laser according to the present invention . n-type In
A diffraction grating having a period of 2380 A (angstrom) is formed in the distributed Bragg reflection regions 18 a, 18 b and 18 c of the P substrate 11, and undoped InGaAs (wavelength λ g = 1.3 μm corresponding to the energy gap is used as the light guide layer 14 thereon. , Thickness 0.3 μm), buffer layer 15
As n-type InP (thickness 0.1 μm) as the active layer 12 and the absorption layer 13 as undoped InGaAs (λ g =
1.53 μm, thickness 0.1 μm), and p-type InP (thickness 0.2 μm) is grown by LPE as the cladding layer 16. Next, the InP clad layer on the distributed Bragg reflection region 18 and I
The nGaAs active layer is selectively removed by etching. Next, a p-type InP clad layer is regrown on the entire surface. After that, the electrode 17 is formed on the active layer 12, the absorption layer 13, and the substrate side. In this way, the element of FIG. 1 is completed. In addition to this structure, although not shown here, it is possible to form a current constriction structure as in a normal semiconductor laser.

【0029】三カ所の分布ブラッグ反射領域18の長さ
はそれぞれ150μm、活性領域19、吸収領域20の
長さはそれぞれ500μmであり、素子の全長は145
0μmである。分布ブラッグ反射器の等価反射率は、回
析格子の刻み深さによって調節することができ、この実
施例の場合、予想される領域18aの反射率は80%、
領域18bの反射率は60%、領域18cの反射率は9
0%である。光出力は領域18aの部分から取り出す。
The distributed Bragg reflection regions 18 at three locations each have a length of 150 μm, the active region 19 and the absorption region 20 each have a length of 500 μm, and the total length of the device is 145.
It is 0 μm. The equivalent reflectance of the distributed Bragg reflector can be adjusted by the step depth of the diffraction grating, and in this example, the expected reflectance of the region 18a is 80%,
The reflectance of the area 18b is 60%, and the reflectance of the area 18c is 9%.
It is 0%. The light output is extracted from the area 18a.

【0030】活性層12および吸収層13への注入電流
を調節することにより、モード同期光パルス列が得られ
る。活性層12への注入電流をしきい電流値の3倍に、
吸収層13への注入電流をしきい値の0.8倍程度に調
節したとき、最も安定な光パルス列が得られ、パルス幅
は約5ps、繰り返し約66GHzの連続モード同期光
パルス列が得られた。このとき、平均光パワーは約50
mWであった。
A mode-locked optical pulse train can be obtained by adjusting the injection current to the active layer 12 and the absorption layer 13. The injection current into the active layer 12 is three times the threshold current value,
When the injection current into the absorption layer 13 was adjusted to about 0.8 times the threshold value, the most stable optical pulse train was obtained, and a continuous mode-locked optical pulse train with a pulse width of about 5 ps and a repetition rate of about 66 GHz was obtained. . At this time, the average optical power is about 50
It was mW.

【0031】この半導体レーザを用いた本発明の光パル
ス発生方法について説明する。レーザの吸収層への注入
電流を変調度20%、繰り返し66GHzで変調したと
ころ、パルス幅は3psまで狭くなった。一方活性層へ
の注入電流を変調度20%、繰り返し66GHzで変調
したところ、パルス幅は2psになった。両方への変調
を併用するとパルス幅は1ps以下であった。いずれの
場合にも注入電流の変調度を高くしていくと光パルスの
パルス幅は狭くなっていくのが観察されたが変調度を2
0%以上にしてもそれ以上のパルス幅の狭窄は見られな
かった。
An optical pulse generating method of the present invention using this semiconductor laser will be described. When the injection current of the laser into the absorption layer was repeatedly modulated at 20% and 66 GHz, the pulse width became narrow to 3 ps. On the other hand, when the injection current into the active layer was repeatedly modulated at 20% and 66 GHz, the pulse width was 2 ps. When both modulations were used together, the pulse width was 1 ps or less. In both cases, it was observed that the pulse width of the optical pulse became narrower as the modulation degree of the injection current was increased.
Even at 0% or more, no further narrowing of the pulse width was observed.

【0032】APMレーザ構造を面発光型の半導体レー
ザで実現することも可能である。図2はこの一実施例の
面発光型のモード同期半導体レーザの構造断面図であ
る。n型GaAs基板21上に高抵抗層26および光学
長が発光波長λ〜880nmの1/4となるように厚さ
を選んだ10対のAlAs/GaAlAs層からなる半
導体多層膜反射鏡24cを形成する。期待される反射率
は96%である。高抵抗層としてはFeドープInPな
どがよく知られているが、イオン注入したGaAs層等
が使える。
It is also possible to realize the APM laser structure with a surface emitting semiconductor laser. FIG. 2 is a structural sectional view of the surface-emitting mode-locked semiconductor laser of this embodiment. On the n-type GaAs substrate 21, a high resistance layer 26 and a semiconductor multilayer film reflecting mirror 24c composed of 10 pairs of AlAs / GaAlAs layers whose thickness is selected so that the optical length is ¼ of the emission wavelength λ˜880 nm are formed. To do. The expected reflectance is 96%. As the high resistance layer, Fe-doped InP or the like is well known, but an ion-implanted GaAs layer or the like can be used.

【0033】この半導体多層膜鏡24cの上に厚さ10
0μmのn型GaAlAsクラッド層25、300μm
のノンドープGaAs吸収層、厚さ100μmのp型G
aAlAsクラッド層25a、高抵抗層26を形成す
る。さらにこの上に5対のAlAs/GaAlAs半導
体多層膜反射鏡24b(反射率70%)を形成し、再び
厚さ100μmのn型GaAlAsクラッド層25b、
300μmのノンドープGaAs活性層22、厚さ10
0μmのp型GaAlAsクラッド層25bを形成す
る。最後に7対のAlAs/GaAlAs半導体多層膜
反射鏡24a(反射率90%)を形成する。素子は選択
エッチングによって図のようにメサ形状に加工されてお
り、電極27a〜dが設けられている。こうして図2の
素子が完成する。電極27a、27bを用いて多層膜反
射鏡24を通じて活性層22に電流注入され、また電極
27c、27dを用いて多層膜反射鏡24を通じて吸収
層23に電流注入される。高抵抗層26によって活性層
22と吸収層23は電気的に絶縁され、両者への電流注
入は独立に制御できる。
A thickness of 10 is formed on the semiconductor multilayer mirror 24c.
0 μm n-type GaAlAs cladding layer 25, 300 μm
Non-doped GaAs absorption layer, 100 μm thick p-type G
The aAlAs clad layer 25a and the high resistance layer 26 are formed. Further, five pairs of AlAs / GaAlAs semiconductor multilayer film reflecting mirrors 24b (reflectance 70%) are formed thereon, and the n-type GaAlAs cladding layer 25b having a thickness of 100 μm is formed again.
300 μm non-doped GaAs active layer 22, thickness 10
A 0 μm p-type GaAlAs cladding layer 25b is formed. Finally, 7 pairs of AlAs / GaAlAs semiconductor multilayer film reflecting mirrors 24a (reflectance 90%) are formed. The element is processed into a mesa shape by selective etching as shown in the figure, and electrodes 27a to 27d are provided. In this way, the element of FIG. 2 is completed. A current is injected into the active layer 22 through the multilayer reflecting mirror 24 using the electrodes 27a and 27b, and a current is injected into the absorbing layer 23 through the multilayer reflecting mirror 24 using the electrodes 27c and 27d. The high resistance layer 26 electrically insulates the active layer 22 and the absorption layer 23, so that current injection into both can be controlled independently.

【0034】活性層22および吸収層23への注入電流
を調節することにより、モード同期光パルス列が得られ
る。活性層22への注入電流をしきい電流値の3倍に、
吸収層23への注入電流をしきい値の0.8倍程度に調
節したとき、最も安定な光パルス列が得られ、パルス幅
は約5ps、繰り返し約80GHzの連続モード同期光
パルス列が得られた。このとき、平均光パワーは約30
mWであった。
A mode-locked optical pulse train can be obtained by adjusting the injection current to the active layer 22 and the absorption layer 23. The injection current to the active layer 22 is three times the threshold current value,
When the injection current into the absorption layer 23 was adjusted to about 0.8 times the threshold value, the most stable optical pulse train was obtained, and a continuous mode-locked optical pulse train with a pulse width of about 5 ps and a repetition rate of about 80 GHz was obtained. . At this time, the average optical power is about 30.
It was mW.

【0035】さらに吸収層への注入電流を変調度20
%、繰り返し80GHzで変調したところ、パルス幅は
1ps以下であった。
Further, the modulation current of the injection current to the absorption layer is set to 20.
%, The pulse width was 1 ps or less when repeatedly modulated at 80 GHz.

【0036】次に図3により、本発明の一実施例につい
て説明する。図3はモード同期レーザの構成を示す概略
図であり、31は出力ミラー、33は光増幅媒質。32
は非線形エタロンでありおの構造が円内に拡大して示さ
れている。レーザ共振器は出力ミラー31と非線形エタ
ロン32からなる。非線形エタロン32は基板36上に
構成した多層膜反射鏡35a、35bによって挟まれた
可飽和吸収体34からなっている。
Next , an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing the configuration of the mode-locked laser, where 31 is an output mirror and 33 is an optical amplification medium. 32
Is a non-linear etalon whose structure is shown enlarged in a circle. The laser resonator comprises an output mirror 31 and a non-linear etalon 32. The non-linear etalon 32 is composed of a saturable absorber 34 sandwiched by multilayer film reflecting mirrors 35a and 35b formed on a substrate 36.

【0037】この例では使用するレーザとしてチタニウ
ム/サファイアレーザを用いた例について述べる。チタ
ニウム/サファイアレーザの発振波長は700〜900
nmであり、この波長域における可飽和吸収体としてG
aAsを用いることができる。実際の非線形エタロン
は、GaAs基板36上に光学長がレーザ発振波長λか
ら880nmの1/4となるように厚さを選んだ10対
のAlAs/GaAlAs層からなる半導体多層膜反射
35b(反射率〜95%)、厚さ100nmのGaA
sおよび4対のAlAs/GaAlAs半導体多層膜反
射鏡35a(反射鏡から50%)をMBE成長して作っ
た。予想される、エタロンの周回時間は2ps程度であ
る。
In this example, an example using a titanium / sapphire laser as the laser used will be described. The oscillation wavelength of the titanium / sapphire laser is 700 to 900.
nm, and G as a saturable absorber in this wavelength range
aAs can be used. The actual nonlinear etalon is composed of 10 pairs of AlAs / GaAlAs semiconductor multilayer film reflecting mirrors 35b (reflecting on the GaAs substrate 36, the thickness of which is selected to be 1/4 of the laser oscillation wavelength λ and 880 nm). Rate ~ 95%), 100 nm thick GaA
s and 4 pairs of AlAs / GaAlAs semiconductor multilayer film reflectors 35a (50% from reflector) were made by MBE growth. The expected orbital time of the etalon is about 2 ps.

【0038】実験によると、この簡単な構成によりチタ
ニウム/サファイアレーザに受動モード同期が生じるこ
とが確認された。得られた光パルス幅は最低で10ps
であり、繰り返し周波数はレーザ共振器長によって決ま
りこの場合120MHz程度であった。安定なモード同
期は830〜850nmの波長領域において得られ、エ
タロンの共振ピークに対応して0.6nmおきに周期的
な波長において得られることが分かった。
Experiments have confirmed that this simple configuration results in passive mode locking in the titanium / sapphire laser. The obtained optical pulse width is at least 10 ps
And the repetition frequency was determined by the length of the laser resonator and was about 120 MHz in this case. It was found that stable mode-locking was obtained in the wavelength range of 830 to 850 nm, and was obtained at periodic wavelengths every 0.6 nm corresponding to the resonance peak of the etalon.

【0039】以上に示した実施例では、端面発光型モー
ド同期半導体レーザの一例としてInGaAsを用いた
半導体レーザの例を、面発光型モード同期半導体レーザ
の例としてGaAs用いた半導体レーザの例を、また非
線形エタロンを用いたモード同期レーザの例としてチタ
ニウム/サファイアレーザに可飽和吸収体としてGaA
s半導体を用いた例について述べたが、素子の材料およ
び組成は上述の実施例に限定する必要はなく、他の半導
体材料や誘電体材料などであってもよい。また、可飽和
吸収体は使用するレーザに対して適当なものであれば何
でもよい。
In the embodiments shown above, an example of a semiconductor laser using InGaAs is used as an example of an edge-emitting mode-locked semiconductor laser, and an example of a semiconductor laser using GaAs is used as an example of a surface-emitting mode-locked semiconductor laser. As an example of a mode-locked laser using a nonlinear etalon, a titanium / sapphire laser is used as a saturable absorber and a GaA is used as a saturable absorber.
Although the example using the s-semiconductor has been described, the material and composition of the element are not limited to those in the above-described embodiments, and other semiconductor materials or dielectric materials may be used. The saturable absorber may be any suitable one for the laser used.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上に述べたように、本発明によれば、
コストパフォーマンスに優れ、取扱いの容易なモード同
期レーザを実現することができる。
As described above, according to the present invention,
A mode-locked laser with excellent cost performance and easy handling can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の一実施例を説明するためのモード同期
の端面発光型半導体レーザの構造断面図である。
FIG. 1 is a structural cross-sectional view of a mode-locking edge-emitting semiconductor laser for explaining an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の一実施例を説明するためのモード同期
の面発光型半導体レーザの構造断面図である。
FIG. 2 is a structural sectional view of a mode-locking surface-emitting type semiconductor laser for explaining an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の一実施例を説明するためのモード同期
レーザの構成を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a mode-locked laser for explaining an embodiment of the present invention.

【図4】APMまたはCCMレーザの原理を説明するた
めのレーザのモデル図である。
FIG. 4 is a laser model diagram for explaining the principle of an APM or CCM laser.

【図5】振幅反射率rと振幅変調率mの関係を示す図で
ある。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an amplitude reflectance r and an amplitude modulation rate m.

【図6】入射光パワー(Ii n /Is )と光パワー透過
特性|m|2 、及びパワー反射率|r|2 の関係を示す
図である。
FIG. 6 is a diagram showing the relationship between incident light power (I in / I s ), optical power transmission characteristics | m | 2 and power reflectance | r | 2 .

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 基板 12 活性層 13 吸収層 14 ガイド層 15 バッファ層 16 クラッド層 17 電極 18a 分布ブラッグ反射領域 18b 分布ブラッグ反射領域 18c 分布ブラッグ反射領域 19 活性領域 20 吸収領域 21 基板 22 活性層 23 吸収層 24a 多層膜反射鏡 24b 多層膜反射鏡 24c 多層膜反射鏡 25a クラッド層 25b クラッド層 26 高抵抗層 27a 電極 27b 電極 27c 電極 27d 電極 31 出力ミラー 32 非線形エタロン 33 光増幅媒質 34 可飽和吸収体 35a 多層膜反射鏡 35b 多層膜反射鏡 36 基板 41 ミラー(M1) 42 ミラー(M2) 43 ミラー(M3) 44 レーザ共振器 45 外部共振器 46 光増幅媒質 47 非線形媒質 11 board 12 Active layer 13 Absorption layer 14 Guide layer 15 Buffer layer 16 Clad layer 17 electrodes 18a distributed Bragg reflection region 18b distributed Bragg reflection region 18c distributed Bragg reflection area 19 Active area 20 Absorption area 21 board 22 Active layer 23 Absorption layer 24a multilayer film reflector 24b Multilayer film mirror 24c multilayer mirror 25a clad layer 25b clad layer 26 High resistance layer 27a electrode 27b electrode 27c electrode 27d electrode 31 output mirror 32 Non-linear etalon 33 Optical amplification medium 34 Saturable absorber 35a multilayer mirror 35b Multi-layer film mirror 36 board 41 Mirror (M1) 42 Mirror (M2) 43 Mirror (M3) 44 laser resonator 45 External resonator 46 Optical amplification medium 47 Non-linear medium

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 活性層の層方向に共振器が形成され、こ
の方向に光を取り出すAPMモード同期を行う端面出射
型半導体レーザであって、 3つの分布ブラッグ反射領域により等価共振器長の等し
い2つの直列に結合した共振器構造を持ち、この2つの
光共振器中に、一方は光増幅媒体を、他方は過飽和吸収
媒体を含むことを特徴とするモード同期レーザ。
1. An edge-emitting type semiconductor laser in which a resonator is formed in a layer direction of an active layer, and APM mode locking is performed to extract light in this direction, and an equivalent resonator length is made equal by three distributed Bragg reflection regions. A mode-locked laser having two series-coupled resonator structures, one of which contains an optical amplification medium and the other of which contains a saturable absorption medium.
【請求項2】 基板と垂直な方向に共振器が形成され、
この方向に光を取り出すAPMモード同期を行う面発光
型半導体レーザであって、 3つの分布ブラッグ反射領域により等価共振器長の等し
い2つの直列に結合した共振器構造を持ち、この2つの
光共振器中に、一方は光増幅媒体を、他方は過飽和吸収
媒体を含むことを特徴とするモード同期半導体レーザ。
2. A resonator is formed in a direction perpendicular to the substrate,
A surface-emitting type semiconductor laser that performs APM mode locking to extract light in this direction, and has a resonator structure in which two distributed Bragg reflection regions have an equivalent resonator length and are coupled in series. A mode-locked semiconductor laser, characterized in that one contains an optical amplification medium and the other contains a saturable absorption medium.
【請求項3】 前記ブラッグ反射領域の長さがすべて等
長であり、前期光増幅媒体を含む共振器と前期過飽和吸
収媒体を含む共振器とが等長であることを特徴とする請
求項1又は2に記載のモード同期レーザ。
3. The Bragg reflection regions are all equal in length, and the resonator containing the first-stage optical amplification medium and the resonator containing the first-stage saturable absorption medium are the same length. Or the mode-locked laser described in 2.
【請求項4】 請求項1乃至3記載のモード同期半導体
レーザの光増幅媒体あるいは過飽和吸収媒体の少なくと
も一方への注入電流を該モード同期レーザの光共振器内
部の光の周回時間に同期して変調することを特徴とする
モード同期光パルス列発生方法。
4. The injection current to at least one of the optical amplification medium and the saturable absorption medium of the mode-locked semiconductor laser according to claim 1 is synchronized with the circulation time of light inside the optical resonator of the mode-locked laser. A mode-locked optical pulse train generation method characterized by modulating.
【請求項5】 レーザ装置の光共振器を構成する反射鏡
のうちの一方の反射鏡が、内部に過飽和吸収媒体を含
み、かつ内部の光周回時間が所望の光パルス時間幅より
も十分に短くなる間隙を有する平行平面鏡からなるエタ
ロンであることを特徴とするモード同期レーザ。
5. One of the reflectors of the reflector <br/> constituting an optical resonator of the laser device comprises a saturable absorber medium therein, and the interior of the optical circuit time desired optical pulse time width A mode-locked laser which is an etalon composed of parallel plane mirrors having a gap sufficiently shorter than that.
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Jasim Ultrashort pulse generation from vertical cavity surface emitting semiconductor lasers
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Mulet et al. Modeling and optimization of vertical-external-cavity surface-emitting diode lasers for passive mode-locking

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