JP3532838B2 - 超短パルス光源 - Google Patents
超短パルス光源Info
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- JP3532838B2 JP3532838B2 JP2000260304A JP2000260304A JP3532838B2 JP 3532838 B2 JP3532838 B2 JP 3532838B2 JP 2000260304 A JP2000260304 A JP 2000260304A JP 2000260304 A JP2000260304 A JP 2000260304A JP 3532838 B2 JP3532838 B2 JP 3532838B2
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、超短パルス光源に
係り、特に、フェムト秒光パルスを発生する集積型半導
体レーザに関するものである。
係り、特に、フェムト秒光パルスを発生する集積型半導
体レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】情報社会における光ファイバ通信の役割
が極めて大きいことは周知のとおりである。当然のこと
ながら、光ファイバ通信の将来技術に対する期待は大き
く、２０１０年には光ファイバ１本あたりの信号伝送容
量は現在の１０倍に達するという予測もある。このよう
なテラビット級光ファイバ通信では、波長多重技術のみ
ならず光時間多重技術が重要な役割を果たす。
が極めて大きいことは周知のとおりである。当然のこと
ながら、光ファイバ通信の将来技術に対する期待は大き
く、２０１０年には光ファイバ１本あたりの信号伝送容
量は現在の１０倍に達するという予測もある。このよう
なテラビット級光ファイバ通信では、波長多重技術のみ
ならず光時間多重技術が重要な役割を果たす。
【０００３】現在、実験室レベルでの１チャネル当たり
の最大伝送レートの最高値は６４０Ｇｂｉｔ／ｓに達し
ている。将来は、このような高ビットレート伝送を光フ
ァイバの波長帯域内の複数チャネルで実現する必要が生
ずると考えられる。
の最大伝送レートの最高値は６４０Ｇｂｉｔ／ｓに達し
ている。将来は、このような高ビットレート伝送を光フ
ァイバの波長帯域内の複数チャネルで実現する必要が生
ずると考えられる。
【０００４】このような超高速光信号伝送を実現するた
めには、高安定パルス光源が必要不可欠である。そこで
のパルス時間幅は３００ｆｓ以下が望まれている。現
在、このようなパルスを発生させる手法は限られてお
り、光ファイバの非線形性を利用した光源およびそのパ
ルス圧縮機構を利用する他にない。このような光源の致
命的な欠点として、光ファイバを用いる構成に起因する
不安定性が内在することを挙げることができ、実用化の
ために解決しなくてはならない技術項目が多数存在して
いる。
めには、高安定パルス光源が必要不可欠である。そこで
のパルス時間幅は３００ｆｓ以下が望まれている。現
在、このようなパルスを発生させる手法は限られてお
り、光ファイバの非線形性を利用した光源およびそのパ
ルス圧縮機構を利用する他にない。このような光源の致
命的な欠点として、光ファイバを用いる構成に起因する
不安定性が内在することを挙げることができ、実用化の
ために解決しなくてはならない技術項目が多数存在して
いる。
【０００５】これに対して、集積型半導体レーザを利用
するモード同期パルス発生方法では、極めてコンパクト
な光源とすることができ、さらに高度な安定性も獲得で
きる。よって、モード同期集積型半導体レーザは、現状
の１０Ｇｂｉｔ／ｓから将来の１Ｔｂｉｔ／ｓ以上の伝
送レートの（長距離）光ファイバ通信網において重要な
役割を果たす素子であると考えられている。
するモード同期パルス発生方法では、極めてコンパクト
な光源とすることができ、さらに高度な安定性も獲得で
きる。よって、モード同期集積型半導体レーザは、現状
の１０Ｇｂｉｔ／ｓから将来の１Ｔｂｉｔ／ｓ以上の伝
送レートの（長距離）光ファイバ通信網において重要な
役割を果たす素子であると考えられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、集積型
半導体レーザからの光パルスは、１ｐｓ以上の時間幅を
有するに留まっている（下記参照）。上記伝送レートは
最終的には、使用する光パルスの持続時間幅によって制
限されるため、超高速光信号伝送に用いるためには、光
ファイバソリトン効果によるパルス圧縮を利用せざるを
得ない。これは、コンパクト化を阻害する要因となり、
望ましくない。このため、３００ｆｓ以下の時間幅を有
する光パルスを集積型半導体レーザ単体から直接発生す
る技術が待望されている。
半導体レーザからの光パルスは、１ｐｓ以上の時間幅を
有するに留まっている（下記参照）。上記伝送レートは
最終的には、使用する光パルスの持続時間幅によって制
限されるため、超高速光信号伝送に用いるためには、光
ファイバソリトン効果によるパルス圧縮を利用せざるを
得ない。これは、コンパクト化を阻害する要因となり、
望ましくない。このため、３００ｆｓ以下の時間幅を有
する光パルスを集積型半導体レーザ単体から直接発生す
る技術が待望されている。
【０００７】現在、モノリシックモード同期型半導体レ
ーザにより得られる典型的なパルス幅は、１〜５ｐｓの
範囲にとどまっている。〔参考文献（１）：Ｙ．Ｋ．Ｃ
ｈｅｎ ａｎｄ Ｍ．Ｃ．Ｗｕ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａ
ｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２８，２１７６（１９９
２）、参考文献（２）：Ｄ．Ｊ．Ｄｅｒｉｃｋｓｏｎ，
Ｒ．Ｊ．Ｈｅｌｋｅｙ，Ａ．Ｍａｒ，Ｊ．Ｒ．Ｋａｒｉ
ｎ，Ｊ．Ｇ．Ｗａｓｓｅｒｂａｕｅｒ，ａｎｄ Ｊ．
Ｅ．Ｂｏｗｅｒｓ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ．２８，２１８６（１９９２）、参考文
献（３）：Ｄ．Ｍ．Ｊｏｎｅｓ，Ｌ．Ｍ．Ｚｈａｎｇ，
Ｊ．Ｅ．Ｃａｒｒｏｌｌ，ａｎｄ Ｄ．Ｄ．Ｍａｒｃｅ
ｎａｃ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ．３１，１０５１（１９９５）、参考文献（４）；
Ｓ．Ａｒａｈｉｒａ，Ｙ．Ｍａｔｓｕｉ，ａｎｄ Ｙ．
Ｏｇａｗａ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ．３２，１２１１（１９９６）。〕これまでに
達成された最小パルス幅は、利得帯域幅のみでなく、能
動モード同期の場合には動的離調に伴う非線形利得によ
っても制限され、受動モード同期の場合には可飽和吸収
体によるパルス成形によっても制限される〔参考文献
（５）：Ｐ．Ｖａｓｉｌ’ｅｖ 「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ
Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ
ｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（Ａｒｔｅｃ
ｈ Ｈｏｕｓｅ，Ｎｏｒｗｗｏｄ，１９９５），ｃｈ．
４〕。
ーザにより得られる典型的なパルス幅は、１〜５ｐｓの
範囲にとどまっている。〔参考文献（１）：Ｙ．Ｋ．Ｃ
ｈｅｎ ａｎｄ Ｍ．Ｃ．Ｗｕ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａ
ｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．２８，２１７６（１９９
２）、参考文献（２）：Ｄ．Ｊ．Ｄｅｒｉｃｋｓｏｎ，
Ｒ．Ｊ．Ｈｅｌｋｅｙ，Ａ．Ｍａｒ，Ｊ．Ｒ．Ｋａｒｉ
ｎ，Ｊ．Ｇ．Ｗａｓｓｅｒｂａｕｅｒ，ａｎｄ Ｊ．
Ｅ．Ｂｏｗｅｒｓ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅ
ｌｅｃｔｒｏｎ．２８，２１８６（１９９２）、参考文
献（３）：Ｄ．Ｍ．Ｊｏｎｅｓ，Ｌ．Ｍ．Ｚｈａｎｇ，
Ｊ．Ｅ．Ｃａｒｒｏｌｌ，ａｎｄ Ｄ．Ｄ．Ｍａｒｃｅ
ｎａｃ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒ
ｏｎ．３１，１０５１（１９９５）、参考文献（４）；
Ｓ．Ａｒａｈｉｒａ，Ｙ．Ｍａｔｓｕｉ，ａｎｄ Ｙ．
Ｏｇａｗａ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃ
ｔｒｏｎ．３２，１２１１（１９９６）。〕これまでに
達成された最小パルス幅は、利得帯域幅のみでなく、能
動モード同期の場合には動的離調に伴う非線形利得によ
っても制限され、受動モード同期の場合には可飽和吸収
体によるパルス成形によっても制限される〔参考文献
（５）：Ｐ．Ｖａｓｉｌ’ｅｖ 「Ｕｌｔｒａｆａｓｔ
Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒｓ：Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ
ｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（Ａｒｔｅｃ
ｈ Ｈｏｕｓｅ，Ｎｏｒｗｗｏｄ，１９９５），ｃｈ．
４〕。
【０００８】従って、これまでのパルス成形機構では、
パルス幅５００ｆｓ以下の光パルスの発生は不可能であ
った。
パルス幅５００ｆｓ以下の光パルスの発生は不可能であ
った。
【０００９】また、半導体レーザシステムにおいて、モ
ード同期固体レーザのアイデア（例えば結合キャビティ
モード同期）を利用しようとすることも試みられたが、
満足な結果は得られなかった〔参考文献（６）：Ｅ．
Ｍ．Ｄｉａｎｏｖ ａｎｄ Ｏ．Ｇ．Ｏｋｈｏｔｎｉｋ
ｏｖ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ.
３，４９９（１９９１）、参考文献（７）：Ｃ−Ｆ．Ｌ
ｉｎ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ. Ｂ１４，１７５（１
９７７）〕。
ード同期固体レーザのアイデア（例えば結合キャビティ
モード同期）を利用しようとすることも試みられたが、
満足な結果は得られなかった〔参考文献（６）：Ｅ．
Ｍ．Ｄｉａｎｏｖ ａｎｄ Ｏ．Ｇ．Ｏｋｈｏｔｎｉｋ
ｏｖ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ.
３，４９９（１９９１）、参考文献（７）：Ｃ−Ｆ．Ｌ
ｉｎ，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ. Ｂ１４，１７５（１
９７７）〕。
【００１０】本発明は、上記状況に鑑みて、集積型半導
体レーザの可飽和吸収領域を全く用いないで、半導体レ
ーザから直接的に３００フェムト秒以下の時間幅を有す
るパルスを発生させる受動モード同期動作を実現させ、
超短パルス光源を実現することを目的とする。
体レーザの可飽和吸収領域を全く用いないで、半導体レ
ーザから直接的に３００フェムト秒以下の時間幅を有す
るパルスを発生させる受動モード同期動作を実現させ、
超短パルス光源を実現することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 〔１〕超短パルス光源において、キャビティに組み込ん
だ非線形ミラーと、該非線形ミラー上に形成される受動
導波路部と、該受動導波路部上に形成される利得媒質と
を集積させた半導体レーザ構造を有することを特徴とす
る。
成するために、 〔１〕超短パルス光源において、キャビティに組み込ん
だ非線形ミラーと、該非線形ミラー上に形成される受動
導波路部と、該受動導波路部上に形成される利得媒質と
を集積させた半導体レーザ構造を有することを特徴とす
る。
【００１２】〔２〕上記〔１〕記載の超短パルス光源に
おいて、３００ｆｓ以下の時間幅を有する光パルスを安
定に発生することを特徴とする。
おいて、３００ｆｓ以下の時間幅を有する光パルスを安
定に発生することを特徴とする。
【００１３】〔３〕上記〔１〕記載の超短パルス光源に
おいて、前記半導体レーザはＭＱＷレーザであることを
特徴とする。
おいて、前記半導体レーザはＭＱＷレーザであることを
特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。
て詳細に説明する。
【００１５】本発明では、レーザキャビティに組み込ん
だ非線形ミラーによってモード同期動作を得るようにし
たモード同期集積型半導体に基づき、新規なフェムト秒
光パルス発生源を得る。
だ非線形ミラーによってモード同期動作を得るようにし
たモード同期集積型半導体に基づき、新規なフェムト秒
光パルス発生源を得る。
【００１６】上記非線形ミラーは、縮退した非線形結合
キャビティと見なすことができる。このようなミラーを
用いた半導体レーザの数値モデルを提供する。
キャビティと見なすことができる。このようなミラーを
用いた半導体レーザの数値モデルを提供する。
【００１７】最初は、非線形性の物理的性質を特定しな
い。そこで必要とするのは、高速性、つまり、１００〜
２００ｆｓ以下の応答時間を有することと、光の強度が
高くなった時にミラーの反射率が増加することである。
い。そこで必要とするのは、高速性、つまり、１００〜
２００ｆｓ以下の応答時間を有することと、光の強度が
高くなった時にミラーの反射率が増加することである。
【００１８】最後に、本発明の原理を実際の素子におい
て実現するためのいくつかの方法について検討する。
て実現するためのいくつかの方法について検討する。
【００１９】図１は本発明の実施の形態を示す半導体レ
ーザの構造を示す図、図２は光パワーに対するミラー反
射率ｒ1 （Ｐ）を非線形係数κの２つの値のそれぞれに
ついて示す図である。
ーザの構造を示す図、図２は光パワーに対するミラー反
射率ｒ1 （Ｐ）を非線形係数κの２つの値のそれぞれに
ついて示す図である。
【００２０】図１に示すように、この半導体レーザは利
得領域１、受動導波路部２及び非線形ミラー３で構成さ
れる。キャビティの他方のミラーは、反射率ｒ2 を有す
るヘき開面である。受動導波路部２は、キャビティ長
（往復時間）を増加させ、また位相制御部、群速度分散
や自己位相変調の制御のための領域を組み込んで、本レ
ーザの性能をさらに発展させる自由度を持たせるために
設けられている。
得領域１、受動導波路部２及び非線形ミラー３で構成さ
れる。キャビティの他方のミラーは、反射率ｒ2 を有す
るヘき開面である。受動導波路部２は、キャビティ長
（往復時間）を増加させ、また位相制御部、群速度分散
や自己位相変調の制御のための領域を組み込んで、本レ
ーザの性能をさらに発展させる自由度を持たせるために
設けられている。
【００２１】受動導波路部２は１０〜３０ｃｍ-1の線形
損失αを持つと仮定している。利得領域１は３００〜７
００μｍの範囲で変更される。キャビティ全長Ｌは１．
１ｍｍであり、これは往復時間２７ｐｓ、又はパルス繰
り返し周波数約３７ＧＨｚに相当する。キャビティ長は
３００μｍから１ｍｍを超える範囲で変更できる。な
お、４は利得電流供給用電極膜、５はアース用電極膜で
ある。
損失αを持つと仮定している。利得領域１は３００〜７
００μｍの範囲で変更される。キャビティ全長Ｌは１．
１ｍｍであり、これは往復時間２７ｐｓ、又はパルス繰
り返し周波数約３７ＧＨｚに相当する。キャビティ長は
３００μｍから１ｍｍを超える範囲で変更できる。な
お、４は利得電流供給用電極膜、５はアース用電極膜で
ある。
【００２２】数値モデルは、既に確立されているモード
同期ダイオードレーザについての時間領域アプローチに
基づいている〔上記参考文献（３）、参考文献（８）：
Ｍ．Ｓｃｈｅｌｌ，Ａ．Ｇ．Ｗｅｂｅｒ，Ｅ．Ｓｃｈｏ
ｌｌ，ａｎｄ Ｄ．Ｂｉｍｂｅｒｇ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑ
ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ. ２７, １６６１（１
９９１）、参考文献（９）；Ｐ．Ｐ．Ｖａｓｉｌ’ｅ
ｖ, ＩＥＥＥ Ｊ. Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ．２９，１６８７（１９９３）。
同期ダイオードレーザについての時間領域アプローチに
基づいている〔上記参考文献（３）、参考文献（８）：
Ｍ．Ｓｃｈｅｌｌ，Ａ．Ｇ．Ｗｅｂｅｒ，Ｅ．Ｓｃｈｏ
ｌｌ，ａｎｄ Ｄ．Ｂｉｍｂｅｒｇ，ＩＥＥＥ Ｊ．Ｑ
ｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ. ２７, １６６１（１
９９１）、参考文献（９）；Ｐ．Ｐ．Ｖａｓｉｌ’ｅ
ｖ, ＩＥＥＥ Ｊ. Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎ．２９，１６８７（１９９３）。
【００２３】数値モデルは、前進光電界Ｆ（ｚ，ｔ）、
後退光電界Ｒ（ｚ，ｔ）で表される（ゆっくりと変化す
る）複素包絡線振幅、キャリア密度Ｎ（ｚ，ｔ）、物質
利得（ｍａｔｅｒｉａｌ ｇａｉｎ）ｇ（ｚ，ｔ）等の
空間的及び時間的な変化を考慮する。結合進行波（ｃｏ
ｕｐｌｅｄ ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ ｗａｖｅ）の方程
式は、以下の標準的な形式で示される。
後退光電界Ｒ（ｚ，ｔ）で表される（ゆっくりと変化す
る）複素包絡線振幅、キャリア密度Ｎ（ｚ，ｔ）、物質
利得（ｍａｔｅｒｉａｌ ｇａｉｎ）ｇ（ｚ，ｔ）等の
空間的及び時間的な変化を考慮する。結合進行波（ｃｏ
ｕｐｌｅｄ ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ ｗａｖｅ）の方程
式は、以下の標準的な形式で示される。
【００２４】
【数１】
【００２５】
【数２】
【００２６】上記式（１）、（２）において、ｖgは群
速度であり、自然放出光による雑音（ｓｐｏｎｔａｎｅ
ｏｕｓ ｎｏｉｓｅ）は、ｓf 及びｓr によって引き起
こされる。電界に対する利得は次式で与えられる。
速度であり、自然放出光による雑音（ｓｐｏｎｔａｎｅ
ｏｕｓ ｎｏｉｓｅ）は、ｓf 及びｓr によって引き起
こされる。電界に対する利得は次式で与えられる。
【００２７】
【数３】
【００２８】上記式（３）において、Γは光閉じ込め
率、ｇN は微分利得、Ｎtrは透明状態（ｔｒａｎｓｐａ
ｒｅｎｃｙ）におけるキャリア濃度、Ｐは規格化パワー
｜Ｆ｜2 ＋｜Ｒ｜2 で与えられる光子密度である。上記
方程式（３）は、利得圧縮係数εを用いて、非線形利得
の効果を考慮している。達成可能な最小パルス幅を制限
する一要素である利得帯域幅制限要因（ｆｉｎｉｔｅ
ｇａｉｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を考慮することも重要
である。利得ｇ（ω）の周波数拡がりは帯域幅Δωg の
ローレンツ型とする。
率、ｇN は微分利得、Ｎtrは透明状態（ｔｒａｎｓｐａ
ｒｅｎｃｙ）におけるキャリア濃度、Ｐは規格化パワー
｜Ｆ｜2 ＋｜Ｒ｜2 で与えられる光子密度である。上記
方程式（３）は、利得圧縮係数εを用いて、非線形利得
の効果を考慮している。達成可能な最小パルス幅を制限
する一要素である利得帯域幅制限要因（ｆｉｎｉｔｅ
ｇａｉｎ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）を考慮することも重要
である。利得ｇ（ω）の周波数拡がりは帯域幅Δωg の
ローレンツ型とする。
【００２９】
【数４】
【００３０】有限利得帯域幅は、以前の文献に記述され
た方法〔上記参考文献（３）、上記参考文献（８）参
照〕と同じ方法で数値アルゴリズムの中で扱われる。さ
らに、本構造の受動導波路部２において利得係数は０と
する。キャリアレート方程式は通常通り次式で示され
る。
た方法〔上記参考文献（３）、上記参考文献（８）参
照〕と同じ方法で数値アルゴリズムの中で扱われる。さ
らに、本構造の受動導波路部２において利得係数は０と
する。キャリアレート方程式は通常通り次式で示され
る。
【００３１】
【数５】
【００３２】上記式（５）において、Jは注入電流密
度、ｅは電子の電荷、ｄは活性層の厚さ、Ａ、Ｂ、Ｃは
再結合係数である。左側のファセット（へき開面）にお
いてｚの値をｚ＝０とするとき、前進波、後退波の境界
条件は以下の通りである。
度、ｅは電子の電荷、ｄは活性層の厚さ、Ａ、Ｂ、Ｃは
再結合係数である。左側のファセット（へき開面）にお
いてｚの値をｚ＝０とするとき、前進波、後退波の境界
条件は以下の通りである。
【００３３】
【数６】
【００３４】また、非線形反射率は次式で表される。
【００３５】
【数７】
【００３６】ｒ1 のＰに対する依存性の仔細は、パルス
整形機構には著しい影響を与えない。上述したように、
この依存性の重要な特徴は、図２に示すように、光パワ
ーが増大するにつれ、反射率が高くなることである。
整形機構には著しい影響を与えない。上述したように、
この依存性の重要な特徴は、図２に示すように、光パワ
ーが増大するにつれ、反射率が高くなることである。
【００３７】数値計算では、波長１．５５μｍの光を発
するＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸レーザに関するパ
ラメータを用いた。つまり、ｇN ＝１．３５×１０-15
ｃｍ2 、Γ＝０．０１、Ｎtr＝１．５×１０18ｃｍ-3、
Ｖｇ＝０．８１×１０10ｃｍ／ｓ、ｄ＝０．０３μｍ、
ε＝（１〜３）×１０-17 ｃｍ3 、導波路部の幅は２μ
ｍ、Ａ＝２×１０8 ｓ-1、Ｂ＝５×１０-11 ｃｍ3 ／
ｓ、Ｃ＝１．２×１０-29 ｃｍ6 ／ｓ、ｒ2＝０．６、
Δｖg ＝Δωg／２π＝（１〜４）ＴＨｚである。ｒ1
（Ｐ）のパラメータは、ｒ0 ＝０．５〜０．８、ｒmax
＝０．７〜０．９、κ＝（１〜１０）×１０-17 ｃｍ3
である。最後の値は、（０．１１〜１．１）×１０3 Ｗ
／ｃｍ2 のパワーレベルに相当する。
するＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ量子井戸レーザに関するパ
ラメータを用いた。つまり、ｇN ＝１．３５×１０-15
ｃｍ2 、Γ＝０．０１、Ｎtr＝１．５×１０18ｃｍ-3、
Ｖｇ＝０．８１×１０10ｃｍ／ｓ、ｄ＝０．０３μｍ、
ε＝（１〜３）×１０-17 ｃｍ3 、導波路部の幅は２μ
ｍ、Ａ＝２×１０8 ｓ-1、Ｂ＝５×１０-11 ｃｍ3 ／
ｓ、Ｃ＝１．２×１０-29 ｃｍ6 ／ｓ、ｒ2＝０．６、
Δｖg ＝Δωg／２π＝（１〜４）ＴＨｚである。ｒ1
（Ｐ）のパラメータは、ｒ0 ＝０．５〜０．８、ｒmax
＝０．７〜０．９、κ＝（１〜１０）×１０-17 ｃｍ3
である。最後の値は、（０．１１〜１．１）×１０3 Ｗ
／ｃｍ2 のパワーレベルに相当する。
【００３８】上記方程式（１）、（２）、（５）の初期
条件は、Ｆ（ｚ、０）＝Ｒ（ｚ，０）＝Ｎ（ｚ，０）＝
０である。しかし、いくつかのケースで、パルス発生の
初期段階をスキップするために、パワーが弱く（μＷの
パワー）、時間幅の広いパルスをＦ（ｚ、０）として用
い、Ｎ（ｚ，０）／Ｎtr＝１．３とした。
条件は、Ｆ（ｚ、０）＝Ｒ（ｚ，０）＝Ｎ（ｚ，０）＝
０である。しかし、いくつかのケースで、パルス発生の
初期段階をスキップするために、パワーが弱く（μＷの
パワー）、時間幅の広いパルスをＦ（ｚ、０）として用
い、Ｎ（ｚ，０）／Ｎtr＝１．３とした。
【００３９】図３は２つの駆動電流値において発生した
パルスのピークパワーの変化を示す図、図４は２つの駆
動電流値において発生したパルスのパルス幅の変化を示
す図である。なお、レーザキャビティ内の光パルス往復
時間は２７ｐｓである。
パルスのピークパワーの変化を示す図、図４は２つの駆
動電流値において発生したパルスのパルス幅の変化を示
す図である。なお、レーザキャビティ内の光パルス往復
時間は２７ｐｓである。
【００４０】パルスのパラメータが定常状態値になるた
めには、数百回の往復が必要である。これは、Ｂｌｏｗ
とＷｏｏｄによって開発されたモデル〔参考文献（１
０）：Ｋ．Ｊ．Ｂｌｏｗａｎｄ Ｄ. Ｗｏｏｄ，Ｊ. Ｏ
ｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ５，６２９（１９８８）〕によ
る、非線形外部キャビティを有するモード同期レーザと
類似の特性である。必要な往復回数は電流値に依存し、
電流が小さいと必要な往復回数が多くなることが分かっ
た。
めには、数百回の往復が必要である。これは、Ｂｌｏｗ
とＷｏｏｄによって開発されたモデル〔参考文献（１
０）：Ｋ．Ｊ．Ｂｌｏｗａｎｄ Ｄ. Ｗｏｏｄ，Ｊ. Ｏ
ｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ｂ５，６２９（１９８８）〕によ
る、非線形外部キャビティを有するモード同期レーザと
類似の特性である。必要な往復回数は電流値に依存し、
電流が小さいと必要な往復回数が多くなることが分かっ
た。
【００４１】定常状態の典型的なパルス幅は１５０〜３
００ｆｓであり、ピークパワーは１００ｍＷと２００ｍ
Ｗの間である。電流振幅が小さいほど前者の値は小さ
く、ポンピングが高いほど後者の値は大きくなる。パル
ス幅の下限を決める主なパラメータは、利得帯域幅Δω
g及び利得圧縮係数εである。
００ｆｓであり、ピークパワーは１００ｍＷと２００ｍ
Ｗの間である。電流振幅が小さいほど前者の値は小さ
く、ポンピングが高いほど後者の値は大きくなる。パル
ス幅の下限を決める主なパラメータは、利得帯域幅Δω
g及び利得圧縮係数εである。
【００４２】図５に２つの利得圧縮係数εの値における
利得帯域幅の逆数（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｇａｉｎ
ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の関数としてパルス幅（ＦＷＨ
Ｍ）を示す。最小パルス幅はε＝０の場合、約１５０ｆ
ｓであり、ε＝３×１０ -17 ｃｍ3 の場合、３００ｆｓ
をわずかに超える。従来の半導体レーザにおけるモード
同期と同様に、利得（キャリア）ダイナミクスが決定的
な役割を演じる。従来のモード同期集積型半導体レーザ
〔上記参考文献（１）、上記参考文献（３）〕に比べ、
ピークパワーが一桁大きい本発明のケースでは、非線形
利得が最も重要な要素となる。ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ
レーザよりも、長波長のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰレーザ
の方が、非線形利得は大きいので、ＧａＡｌＡｓ／Ｇａ
Ａｓレーザの方がより短い波長のパルスを発生すると考
えられる。
利得帯域幅の逆数（ｒｅｃｉｐｒｏｃａｌ ｇａｉｎ
ｂａｎｄｗｉｄｔｈ）の関数としてパルス幅（ＦＷＨ
Ｍ）を示す。最小パルス幅はε＝０の場合、約１５０ｆ
ｓであり、ε＝３×１０ -17 ｃｍ3 の場合、３００ｆｓ
をわずかに超える。従来の半導体レーザにおけるモード
同期と同様に、利得（キャリア）ダイナミクスが決定的
な役割を演じる。従来のモード同期集積型半導体レーザ
〔上記参考文献（１）、上記参考文献（３）〕に比べ、
ピークパワーが一桁大きい本発明のケースでは、非線形
利得が最も重要な要素となる。ＧａＡｌＡｓ／ＧａＡｓ
レーザよりも、長波長のＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰレーザ
の方が、非線形利得は大きいので、ＧａＡｌＡｓ／Ｇａ
Ａｓレーザの方がより短い波長のパルスを発生すると考
えられる。
【００４３】本実施例のモデルでは、非線形ミラーが無
限に小さい厚さを有し、瞬時に反応するものと仮定して
いる。現実のデバイスでは、ミラーはレーザ構造に埋め
込まれた付加部分でもよく、又は独立した導波構造体で
もよい。以下に非線形ミラーに使用され得る物理機構に
ついて、２、３の例を示す。
限に小さい厚さを有し、瞬時に反応するものと仮定して
いる。現実のデバイスでは、ミラーはレーザ構造に埋め
込まれた付加部分でもよく、又は独立した導波構造体で
もよい。以下に非線形ミラーに使用され得る物理機構に
ついて、２、３の例を示す。
【００４４】非線形性はフェムト秒級の応答性と約１０
8 Ｗ／ｃｍ2 より小さい特性パワー「感度」を持たなけ
ればならないことはモデル予測から明らかである。
8 Ｗ／ｃｍ2 より小さい特性パワー「感度」を持たなけ
ればならないことはモデル予測から明らかである。
【００４５】固体レーザにおけるＫｅｒｒレンズモード
同期と同様、レーザ導波路構造においてエッチングした
開口部と結合した半導体媒質における自己収束性が最初
の選択肢として考えられる。例えば、ＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ ＤＨレーザの場合、レーザの活性領域内におけ
るピコ秒パルスの自己収束のための臨界パワーは、１０
8 Ｗ／ｃｍ2 程度であると計測されている。このプロセ
スは、少なくとも３〜５ｐｓの光パルスについては十分
速いことが知られている。
同期と同様、レーザ導波路構造においてエッチングした
開口部と結合した半導体媒質における自己収束性が最初
の選択肢として考えられる。例えば、ＡｌＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ ＤＨレーザの場合、レーザの活性領域内におけ
るピコ秒パルスの自己収束のための臨界パワーは、１０
8 Ｗ／ｃｍ2 程度であると計測されている。このプロセ
スは、少なくとも３〜５ｐｓの光パルスについては十分
速いことが知られている。
【００４６】第２に、ＱＷにおけるサブバンド間遷移の
光学的非線形性の利用を挙げられる。これは非常に速い
応答性（約１００ｆｓ）を示し、１０6 〜１０7 Ｗ／ｃ
ｍ2 の低い光強度によって制御できる〔参考技術文献
（１２）：Ａ．Ｎｅｏｇｉ，Ｈ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｔ．
Ｍｏｚｕｍｅ，ａｎｄ Ｏ．Ｗａｄａ，Ｊ Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．８５, ３３５２（１９９９）、参考技術文献
（１３）：Ａ．Ｎｅｏｇｉ，Ｈ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｔ．
Ｍｏｚｕｍｅ，Ｎ．Ｇｅｏｒｇｉｅｖ，Ｔ．Ａｋｉｙａ
ｍａ．ａｎｄ Ｏ．Ｗａｄａ，ＰｈｙｓｉｃａＥ７，１
８３（２０００）〕。実際、ＱＷにおけるサブバンド間
遷移を伴う非線形導波路部を用いた１．５５μｍフェム
ト秒パルスの全光スイッチング（ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａ
ｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）実験が成功したことが示され
た。さらに、このような構造を有する導波路部の伝搬特
性の光パワーに対する依存性は要求通りである。したが
って、高反射率ミラーを一端に備えたサブバンド間遷移
を伴う非線形ＭＱＷ導波路部は、本発明のモード同期原
理を実際に実現する最も有望な手段である。ただし、偏
光管理が必要となる。
光学的非線形性の利用を挙げられる。これは非常に速い
応答性（約１００ｆｓ）を示し、１０6 〜１０7 Ｗ／ｃ
ｍ2 の低い光強度によって制御できる〔参考技術文献
（１２）：Ａ．Ｎｅｏｇｉ，Ｈ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｔ．
Ｍｏｚｕｍｅ，ａｎｄ Ｏ．Ｗａｄａ，Ｊ Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．８５, ３３５２（１９９９）、参考技術文献
（１３）：Ａ．Ｎｅｏｇｉ，Ｈ．Ｙｏｓｈｉｄａ，Ｔ．
Ｍｏｚｕｍｅ，Ｎ．Ｇｅｏｒｇｉｅｖ，Ｔ．Ａｋｉｙａ
ｍａ．ａｎｄ Ｏ．Ｗａｄａ，ＰｈｙｓｉｃａＥ７，１
８３（２０００）〕。実際、ＱＷにおけるサブバンド間
遷移を伴う非線形導波路部を用いた１．５５μｍフェム
ト秒パルスの全光スイッチング（ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａ
ｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）実験が成功したことが示され
た。さらに、このような構造を有する導波路部の伝搬特
性の光パワーに対する依存性は要求通りである。したが
って、高反射率ミラーを一端に備えたサブバンド間遷移
を伴う非線形ＭＱＷ導波路部は、本発明のモード同期原
理を実際に実現する最も有望な手段である。ただし、偏
光管理が必要となる。
【００４７】以上、集積型半導体レーザのモード同期を
行う新しい技術を提案した。パルス成形機構はキャビテ
ィに組み込んだ非線形ミラーの効果に基いている。半導
体レーザにおけるエンハンストモード同期は超高速非線
形性の導入により達成されることが示された。半導体レ
ーザの進行波数値モデルを用いて、このような構成の効
率を調べた。１５０〜３００ｆｓの短い継続時間及び３
７ＧＨｚの繰り返し速度で１００〜２００ｍＷのピーク
パワーを有する光パルスが、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ・Ｍ
ＱＷレーザにおいて発生できることが示された。レーザ
構造を最適化することにより、１００ｆｓ程度のパルス
が発生されるものと予測している。非線形利得圧縮係数
及び利得帯域幅が、本発明を用いてより短い波長のパル
スを発生する場合に妨げとなる最も重大なパラメータで
あることが分かった。
行う新しい技術を提案した。パルス成形機構はキャビテ
ィに組み込んだ非線形ミラーの効果に基いている。半導
体レーザにおけるエンハンストモード同期は超高速非線
形性の導入により達成されることが示された。半導体レ
ーザの進行波数値モデルを用いて、このような構成の効
率を調べた。１５０〜３００ｆｓの短い継続時間及び３
７ＧＨｚの繰り返し速度で１００〜２００ｍＷのピーク
パワーを有する光パルスが、ＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ・Ｍ
ＱＷレーザにおいて発生できることが示された。レーザ
構造を最適化することにより、１００ｆｓ程度のパルス
が発生されるものと予測している。非線形利得圧縮係数
及び利得帯域幅が、本発明を用いてより短い波長のパル
スを発生する場合に妨げとなる最も重大なパラメータで
あることが分かった。
【００４８】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
のではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能
であり、これらを本発明の範囲から排除するものではな
い。
【００４９】
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。
よれば、次のような効果を奏することができる。
【００５０】（Ａ）従来型の集積型半導体レーザが可飽
和吸収領域を有することに起因するパルス幅制限要因、
つまり、この可飽和吸収領域のダイナミクスおよび帯域
制限要因を除去することができる。
和吸収領域を有することに起因するパルス幅制限要因、
つまり、この可飽和吸収領域のダイナミクスおよび帯域
制限要因を除去することができる。
【００５１】（Ｂ）短パルス特性と高光パワー特性を改
善することができる。
善することができる。
【００５２】（Ｃ）フェムト秒光パルスを発生させるこ
とができる。
とができる。
【００５３】（Ｄ）半導体レーザ内に効果的なパルス幅
圧縮機構を得ることができる。
圧縮機構を得ることができる。
【図１】本発明の実施の形態を示す半導体レーザの構造
を示す図である。
を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態を示す半導体レーザの光パ
ワーに対するミラー反射率を非線形係数κの２つの値の
それぞれについて示す図である。
ワーに対するミラー反射率を非線形係数κの２つの値の
それぞれについて示す図である。
【図３】本発明の実施の形態を示す半導体レーザの２つ
の駆動電流値における発生したパルスのピークパワーの
変化を示す図である。
の駆動電流値における発生したパルスのピークパワーの
変化を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態を示す半導体レーザの２つ
の駆動電流値における発生したパルスのパルス幅の変化
を示す図である。
の駆動電流値における発生したパルスのパルス幅の変化
を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態を示す半導体レーザの２つ
の利得圧縮係数εの値における利得帯域幅の逆数の関数
としてＦＷＨＭパルス幅を示す図である。
の利得圧縮係数εの値における利得帯域幅の逆数の関数
としてＦＷＨＭパルス幅を示す図である。
１ 利得領域
２ 受動導波路部
３ 非線形ミラー
４ 電流供給用電極膜
５ アース用電極膜
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/365
H01S 5/065
Claims (3)
- 【請求項１】 キャビティに組み込んだ非線形ミラー
と、該非線形ミラー上に形成される受動導波路部と、該
受動導波路部上に形成される利得媒質とを集積させた半
導体レーザ構造を有することを特徴とする超短パルス光
源。 - 【請求項２】 請求項１記載の超短パルス光源におい
て、３００ｆｓ以下の時間幅を有する光パルスを安定に
発生することを特徴とする超短パルス光源。 - 【請求項３】 請求項１記載の超短パルス光源におい
て、前記半導体レーザはＭＱＷレーザであることを特徴
とする超短パルス光源。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000260304A JP3532838B2 (ja) | 2000-08-30 | 2000-08-30 | 超短パルス光源 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000260304A JP3532838B2 (ja) | 2000-08-30 | 2000-08-30 | 超短パルス光源 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002072265A JP2002072265A (ja) | 2002-03-12 |
| JP3532838B2 true JP3532838B2 (ja) | 2004-05-31 |
Family
ID=18748337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000260304A Expired - Fee Related JP3532838B2 (ja) | 2000-08-30 | 2000-08-30 | 超短パルス光源 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3532838B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014053346A (ja) * | 2012-09-05 | 2014-03-20 | Seiko Epson Corp | 短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置 |
-
2000
- 2000-08-30 JP JP2000260304A patent/JP3532838B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2002072265A (ja) | 2002-03-12 |
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