JP3677208B2 - Pulse generation method from laser by self-hybrid mode locking - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セルフハイブリッド(self-hybrid)モード同期によってレーザーからパルスを発生する方法に関するものであり、特に、一般の半導体レーザーを用い、可飽和吸収体を必要としない、適当なDCバイアス電流及びRF変調信号を加えたセルフハイブリッドモード同期によるパルス発生に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、短パルスレーザーは、通信や、化学反応、物理変化、及び距離の測定に実用化されており、産業界及び研究界において短パルスレーザー技術への関心が高まっている。
レーザーから短パルスを発生する従来の方法には、利得スイッチ(又はQ−スイッチ)法及びモード同期法があった。モード同期法はさらに、能動モード同期、受動モード同期、ハイブリッドモード同期(hybrid mode-locking)に分類される。利得スイッチ法と比較して、モード同期法はより短いパルスを発生することができる。
図1は、従来の能動モード同期法で用いられる順次パルス図(sequential pulse diagram)である。ここでは、無線変調信号とパルスとの繰り返し周波数(repetition frequency)は同じである。変調(信号)ピークで半導体レーザーの利得からパルスが放出し、ミラーによって半導体レーザーの利得へ反射するとき、パルスレーザーと変調信号とのピークが一致する。レーザーは、何度か共振した後、短パルスを発生する。
能動モード同期法では、タイミングジッターが最小であるパルスを発生することができる。反対に、受動モード同期法では、最短パルスを発生することができる。一方、ハイブリッドモード同期法は上述した両者の長所を備えており、タイミングジッターの小さい短パルスを発生することができる。
しかしながら、ハイブリッドモード同期法には、ハイブリッドモード同期型のパルスをうまく発生するために、特別で複雑な可飽和吸収体の設計が必要であるといった欠点がある。ハイブリッドモード同期法で用いられる典型的な装置は、多段で多電極のものである。このため、ハイブリッドモード同期法は他の方法よりもより複雑である。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
以上により、本発明は、上述の問題を解決するため、セルフハイブリッド(self-hybrid)モード同期法という新規のモード同期法を導入することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、半導体レーザーとしてスーパールミネッセンスダイオードによるレーザーに利用できるセルフハイブリッドモード同期によりレーザーからパルスを発生する方法を提供する。本方法は、(1)DCバイアス電流(DC bias current)を半導体レーザーに加える工程(DCバイアス電流は半導体レーザーのしきい値電流よりも大きい)と、(2)RF変調信号(radio frequency modulation signal)を半導体レーザーに加える工程(RF変調(信号)電流は、DCバイアス電流と半導体レーザーの透過電流(transparent current)との差よりも大きい)とからなる。
RF変調信号が利得ピークであるとき、半導体レーザーはパルスを放出する。さらに、RF変調信号が最低値であるときも、半導体レーザーはパルスを放出する。
以上により、本発明は、単一電極を備えたスーパールミネッセンスダイオードによるレーザーを用い、可飽和吸収体を必要としないハイブリッドモード同期によってレーザーからパルスを放出する方法を導入する。したがって、以下、本方法をセルフハイブリッドモード同期法と称する。
【0005】
【発明の実施の形態】
上述した本発明の目的、特徴、及び長所をより一層明瞭にするため、以下に本発明の好ましい実施の形態を挙げ、図を参照にしながらさらに詳しく説明する。 図2(A)は、本発明の好ましい具体例であるセルフハイブリッドモード同期法によりパルスを発生するレーザーキャビティ(laser cavity)10の構造図である。レーザーキャビティ10は、スーパールミネッセントダイオード/増幅器20、複数のコリメーター30、光回折格子(optical grating)40、及び出力カップラー(output coupler)50からなる。
図2(A)(B)では、本発明の好ましい具体例である利得素子(gain device)が、斜めにうねった導波管(540μm)22を備えるスーパールミネッセントダイオード/増幅器20であることを示している。そのうち、導波管22とスーパールミネッセントダイオード/増幅器20の側表面との射角は7°である。傾斜した導波管により側表面の反射率が100万分のいくつか低下するため、本具体例において、導波管22はいかなる反射防止膜も必要としない。スーパールミネッセントダイオード/増幅器20から放出するレーザー光は、開口数が0.55であるコリメーターレンズにより平行光を形成する。1200スリット/mmの鍍金した光回折格子40により、ある一定の波長の光はスーパールミネッセントダイオード/増幅器20へ反射する。光回折格子40は、ある一定の波長の光をスーパールミネッセントダイオード/増幅器20に反射し、帯域幅を効果的に制限するのに用いられる。スーパールミネッセントダイオード/増幅器20から放出するレーザー光は、出力カップラー50に再び入る。出力カップラー50における反射率と透過率の比は50/50である。本発明の好ましい具体例において、レーザーキャビティは、焦点が50mmである2つのレンズ60a、60bをさらに含む。レーザー光は、レンズ60aによって出力カップラー50に収束された後、半分は出力カップラー50から反射し、残りの半分は出力カップラー50に送られる。反射した光はレンズ60aによって平行になりスーパールミネッセントにぶつかる。送られた光はレンズ60bによって平行になりレーザーキャビティ10から出ていく。
本発明の好ましい具体例では、スーパールミネッセントダイオード/増幅器20と出力カップラー50との間の距離は、スーパールミネッセントダイオード/増幅器20と光回折格子40との間の距離に等しい(つまり、lL=lR)。この距離は、RF変調周波数によって調整される。2つのアームの一周周波数(round-trip frequency)はそれぞれ803MHzであり、レーザーキャビティ10の一周周波数は401.5MHzである。
【0006】
図3は、本発明の技術を示している。本発明の好ましい具体例では、DCバイアス電流は従来の電力源又は電流源で供給され、RF変調電流は従来の関数発生器で与えられる。図3において、DCバイアス電流はしきい値電流よりも大きく、透過電流はしきい値電流よりも小さい(つまり、Idc>Ith>Itr)。 さらに、RF変調電流は、DCバイアス電流と透過電流との差よりも大きい(つまり、Imod>Idc−Itr)。
本発明の好ましい具体例では、波長が830nmであるとき、透過電流は36mAであり、しきい値電流は50mAである。DCバイアス電流が66mA加えられたとき、DCバイアス電流と透過電流との差は30mAであり、変調電流は30mA以上となる。
【0007】
図4は、本発明のセルフハイブリッドモード同期法で用いられる順次パルス図である。この図において、RF変調信号は周期正弦波(period sinusoid wave)である。本具体例では、順次パルスが0であるとき、第1パルスレーザーが、能動モード同期法により形成されるものと同様に放出される。スーパールミネッセントダイオード/増幅器のDCバイアス電流はしきい値電流よりも大きいとともに、RF変調信号が加えられる。RF変調信号の周波数は803MHzであり、各アームの周波数に等しい。変調電流がDCバイアス電流よりも大きい場合、スーパールミネッセントダイオード/増幅器20は、RF変調信号の利得ピークで第1パルスレーザーを放出する。
本具体例では、DCバイアス電流はしきい値電流よりも大きく、RF変調電流は、DCバイアス電流と透過電流との差よりも大きい。そして、この素子はRF変調電流が谷であるとき、透過電流より小さな電流でバイアスされる。
それと同時に、スーパールミネッセントダイオード/増幅器20は、飽和するまでチャージされ、従来の受動モード同期飽和吸収体として振舞う。
光回折格子( optical grating )40で反射される予め決められた周波数のパルスは、スーパールミネッセントダイオード/増幅器20では吸収されず、第2のパルスを形成して、スーパールミネッセントダイオード/増幅器20を通過する。
【0008】
図5は、自己相関トレースの半値全幅(FWHM)対RF変調力(radio frequency modulation power)を示す図である。DCバイアス電流が66mAであるとき、変調力は−7dBmから−3dBmに減少し、自己相関トレースのFWHMは29psから15psに減少する。DCバイアス電流が72mAであるとき、変調力は−5dBmから0dBmに増加し、自己相関トレースのFWHMは26psから16psに減少する。好ましいRF変調力は、DCバイアス電流の変化に従って変わる。
【0009】
図6は、本発明の好ましい具体例である自己相関トレースのFWHMを示す図である。RF変調力が−8dBm以下であるとき、能動モード同期法によってパルスレーザーが放出し、自己相関トレースのFWHMは34.16psである。RF変調力が−8dBm以上であるとき、能動モード同期法によって放出したパルスレーザーはセルフハイブリッドモード同期法によって放出するパルスレーザーに変換する。RF変調力が0dBmであるとき、自己相関トレースのFWHMは14.29psである。RF変調電流がDCバイアス電流と透過電流との差よりも大きいとき、本具体例における自己相関トレースのFWHMは、能動モード同期法による従来のFWHMよりも狭い。
【0010】
図7は、本発明の順次パルス図であり、そのうち、変調信号は周期非正弦波である。セルフハイブリッドモード同期法におけるRF変調周波数がパルスレーザーの周波数の3分の1であるとき、キャビティもパルスを放出することができる。したがって、RF変調周波数がパルスレーザーの周波数のn分の1である場合、キャビティもパルスを放出することができる(nは1以上の整数である)。図4及び図7によるとRF変調信号は周期波であり、この周期波は周期正弦波、周期パルス波(period pulse wave)、又は周期非正弦波(period non-sinusoid wave)である。
【0011】
本発明において、セルフハイブリッドモード同期法は、能動モード同期法及び受動モード同期法の両方に類似している。セルフハイブリッドモード同期法と能動モード同期法との違いはDCバイアス電流とRF変調周波数であり、受動モード同期法との違いは可飽和吸収体を必要としないことである。
本発明において、セルフハイブリッドモード同期法のRF変調周波数はパルスレーザーの繰り返し率のn分の1であり、nは1以上の整数である。ダイオード増幅器の変調電流が利得ピークであるとき、パルスレーザーがダイオード増幅器から放出し、レーザーキャビティのアームの一方に戻る。パルスレーザーがダイオード増幅器に到達したとき、ダイオード増幅器の変調電流は最低値である。変調電流はDCバイアス電流と透過電流との差よりも大きいため、ダイオード増幅器は可飽和吸収体としての機能に変換する。RF変調信号が利得ピークであるとき、能動モード同期法と同様の方法により、ダイオード増幅器はパルスを放出する。RF変調信号が最低値であるとき、受動モード同期法と同様の方法により、ダイオード増幅器はパルスレーザーを放出する。したがって、能動モード同期法と受動モード同期法との特徴を有するセルフハイブリッドモード同期法により、短パルスでタイミングジッターの小さいレーザーを発生することができる。
また、セルフハイブリッドモード同期法は、表面放出レーザー(surface emitting laser)やエッジ放出レーザー(edge emitting laser)など、単一電極のレーザーダイオードに用いることもでき、可飽和吸収体を必要としない。セルフハイブリッドモード同期法は単一電極のレーザーダイオードにより達成することができるため、本発明は電線を減少することができる。さらに、レーザーキャビティの形は線型又はアーチ型であり、レーザーキャビティの型は、外部キャビティ型(external cavity type)レーザーキャビティ又はモノリシック集積型(monolithically integrated type)レーザーキャビティのいずれかを用いることができる。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の能動モード同期法で用いられる順次パルス図である。
【図2】 (A)は本発明の好ましい具体例であるセルフハイブリッドモード同期によりレーザーからパルスを発生するレーザーキャビティの構造図、(B)は(A)におけるスーパールミネッセントダイオード/増幅器の側面図である。
【図3】 本発明の技術を示す図である。
【図4】 本発明のセルフハイブリッドモード同期法で用いられる順次パルス図である。
【図5】 自己相関トレースの半値全幅対RF変調力を示す図である。
【図6】 本発明の好ましい具体例である自己相関トレースの半値全幅を示す図である。
【図7】 本発明の順次パルス図である。そのうち、変調信号は周期非正弦波である。
【符号の説明】
10 レーザーキャビティ
20 スーパールミネッセントダイオード/増幅器
30 コリメーター
40 光回折格子
50 出力カップラー
60a、60b レンズ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of generating a pulse from a laser by self-hybrid mode locking, and more particularly, a suitable DC bias current using a general semiconductor laser and not requiring a saturable absorber, and The present invention relates to pulse generation by self-hybrid mode synchronization with an RF modulation signal added.
[0002]
[Prior art]
In recent years, short pulse lasers have been put into practical use for communication, chemical reaction, physical change, and distance measurement, and interest in short pulse laser technology is increasing in the industrial and research worlds.
Conventional methods for generating short pulses from a laser include a gain switch (or Q-switch) method and a mode locking method. The mode synchronization method is further classified into active mode synchronization, passive mode synchronization, and hybrid mode-locking. Compared with the gain switch method, the mode-locking method can generate shorter pulses.
FIG. 1 is a sequential pulse diagram used in the conventional active mode synchronization method. Here, the repetition frequency of the radio modulation signal and the pulse is the same. When a pulse is emitted from the gain of the semiconductor laser at the modulation (signal) peak and reflected by the mirror to the gain of the semiconductor laser, the peaks of the pulse laser and the modulation signal coincide. The laser resonates several times before generating a short pulse.
In the active mode synchronization method, a pulse having the minimum timing jitter can be generated. In contrast, in the passive mode synchronization method, the shortest pulse can be generated. On the other hand, the hybrid mode synchronization method has the advantages of both, and can generate a short pulse with small timing jitter.
However, the hybrid mode locking method has a drawback in that a special and complex saturable absorber design is required in order to successfully generate hybrid mode locking type pulses. A typical device used in the hybrid mode synchronization method is multi-stage and multi-electrode. For this reason, the hybrid mode synchronization method is more complex than other methods.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Accordingly, the present invention aims to introduce a new mode synchronization method called a self-hybrid mode synchronization method in order to solve the above-described problems.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention provides a method for generating a pulse from a laser by self-hybrid mode-locking that can be used as a semiconductor laser by a super luminescence diode . This method includes (1) a step of applying a DC bias current to the semiconductor laser (the DC bias current is larger than the threshold current of the semiconductor laser), and (2) an RF modulation signal (radio frequency modulation signal). ) To the semiconductor laser (the RF modulation (signal) current is larger than the difference between the DC bias current and the transparent current of the semiconductor laser).
When the RF modulated signal is at a gain peak, the semiconductor laser emits a pulse. Furthermore, the semiconductor laser emits a pulse even when the RF modulation signal is at its lowest value.
As described above, the present invention introduces a method of emitting a pulse from a laser by hybrid mode locking that does not require a saturable absorber, using a laser based on a superluminescent diode having a single electrode. Therefore, hereinafter, this method is referred to as a self-hybrid mode synchronization method.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In order to further clarify the above-described objects, features, and advantages of the present invention, preferred embodiments of the present invention will be described below and described in more detail with reference to the drawings. FIG . 2A is a structural diagram of a
In FIGS. 2A and 2B , the gain device which is a preferred embodiment of the present invention is a superluminescent diode /
In a preferred embodiment of the present invention, the distance between the superluminescent diode /
[0006]
FIG. 3 illustrates the technique of the present invention. In the preferred embodiment of the present invention, the DC bias current is supplied by a conventional power source or current source, and the RF modulation current is provided by a conventional function generator. In FIG. 3, the DC bias current is larger than the threshold current, and the transmitted current is smaller than the threshold current (that is, Idc>Ith> Itr). Further, the RF modulation current is larger than the difference between the DC bias current and the transmission current (that is, Imod> Idc−Itr).
In a preferred embodiment of the invention, when the wavelength is 830 nm, the transmission current is 36 mA and the threshold current is 50 mA. When a DC bias current of 66 mA is applied, the difference between the DC bias current and the transmitted current is 30 mA, and the modulation current is 30 mA or more.
[0007]
FIG. 4 is a sequential pulse diagram used in the self-hybrid mode synchronization method of the present invention. In this figure, the RF modulation signal is a period sinusoid wave. In this example, when the sequential pulse is zero, the first pulse laser is emitted in the same manner as that formed by the active mode locking method. The DC bias current of the superluminescent diode / amplifier is greater than the threshold current and an RF modulation signal is applied. The frequency of the RF modulation signal is 803 MHz, which is equal to the frequency of each arm. If the modulation current is greater than the DC bias current, the superluminescent diode /
In this specific example, the DC bias current is larger than the threshold current, and the RF modulation current is larger than the difference between the DC bias current and the transmission current. This element is biased with a current smaller than the transmission current when the RF modulation current is a valley.
At the same time, the superluminescent diode /
Predetermined frequency pulses reflected by the optical grating (optical grating) 40 is a super luminescent diode /
[0008]
FIG. 5 is a diagram showing the full width at half maximum (FWHM) versus radio frequency modulation power of the autocorrelation trace. When the DC bias current is 66 mA, the modulation power decreases from -7 dBm to -3 dBm and the FWHM of the autocorrelation trace decreases from 29 ps to 15 ps. When the DC bias current is 72 mA, the modulation power increases from -5 dBm to 0 dBm and the FWHM of the autocorrelation trace decreases from 26 ps to 16 ps. The preferred RF modulation force varies with changes in DC bias current.
[0009]
FIG. 6 is a diagram showing an FWHM of an autocorrelation trace that is a preferred embodiment of the present invention. When the RF modulation power is -8 dBm or less, the pulsed laser is emitted by the active mode locking method, and the FWHM of the autocorrelation trace is 34.16 ps. When the RF modulation force is -8 dBm or more, the pulse laser emitted by the active mode locking method is converted into a pulse laser emitted by the self-hybrid mode locking method. When the RF modulation force is 0 dBm, the FWHM of the autocorrelation trace is 14.29 ps. When the RF modulation current is larger than the difference between the DC bias current and the transmission current, the FWHM of the autocorrelation trace in this example is narrower than the conventional FWHM by the active mode locking method.
[0010]
FIG. 7 is a sequential pulse diagram of the present invention, of which the modulation signal is a periodic non-sinusoidal wave. The cavity can also emit pulses when the RF modulation frequency in the self-hybrid mode-locking method is one third of the pulsed laser frequency. Thus, if the RF modulation frequency is 1 / n of the pulsed laser frequency, the cavity can also emit pulses (n is an integer greater than or equal to 1) . 4 and 7, the RF modulation signal is a periodic wave, and this periodic wave is a periodic sine wave, a periodic pulse wave, or a periodic non-sinusoid wave.
[0011]
In the present invention, the self-hybrid mode synchronization method is similar to both the active mode synchronization method and the passive mode synchronization method. The difference between the self-hybrid mode locking method and the active mode locking method is the DC bias current and the RF modulation frequency, and the difference from the passive mode locking method is that a saturable absorber is not required.
In the present invention, the RF modulation frequency of the self-hybrid mode locking method is 1 / n of the repetition rate of the pulse laser, and n is an integer of 1 or more . When the modulation current of the diode amplifier is a gain peak, the pulsed laser emits from the diode amplifier and returns to one of the arms of the laser cavity. When the pulsed laser reaches the diode amplifier, the modulation current of the diode amplifier is the lowest value. Since the modulation current is larger than the difference between the DC bias current and the transmission current, the diode amplifier converts to a function as a saturable absorber. When the RF modulated signal is a gain peak, the diode amplifier emits a pulse in a manner similar to the active mode locking method. When the RF modulation signal is at its lowest value, the diode amplifier emits a pulsed laser in a manner similar to the passive mode locking method. Therefore, a laser with a short pulse and small timing jitter can be generated by the self-hybrid mode synchronization method having the characteristics of the active mode synchronization method and the passive mode synchronization method.
Self-hybrid mode-locking can also be used for single electrode laser diodes, such as surface emitting lasers and edge emitting lasers, and does not require a saturable absorber. Since the self-hybrid mode-locking method can be achieved with a single electrode laser diode, the present invention can reduce wires. Further, the shape of the laser cavity may be linear or arched, and the laser cavity may be either an external cavity type laser cavity or a monolithically integrated type laser cavity.
In the present invention, preferred embodiments have been disclosed as described above. However, the present invention is not limited to the present invention, and any person who is familiar with the technology can make various modifications within the spirit and scope of the present invention. Variations and moist colors can be added, so the protection scope of the present invention is based on what is specified in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sequential pulse diagram used in a conventional active mode synchronization method.
FIG. 2A is a structural diagram of a laser cavity that generates a pulse from a laser by self-hybrid mode locking, which is a preferred embodiment of the present invention, and FIG. 2B is a side view of a superluminescent diode / amplifier in FIG. FIG.
FIG. 3 is a diagram showing a technique of the present invention.
FIG. 4 is a sequential pulse diagram used in the self-hybrid mode synchronization method of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing full width at half maximum of an autocorrelation trace versus RF modulation power.
FIG. 6 is a diagram showing a full width at half maximum of an autocorrelation trace which is a preferred specific example of the present invention.
FIG. 7 is a sequential pulse diagram of the present invention. Among them, the modulation signal is a periodic non-sinusoidal wave.
[Explanation of symbols]
10
Claims (6)
スーパールミネッセンスダイオードにDCバイアス電流を供給する工程において、しきい値電流よりも大きいDCバイアス電流を前記スーパールミネッセンスダイオードに加え、
RF変調信号を前記スーパールミネッセンスダイオードに加える工程において、スーパールミネッセンスダイオードはレーザーキャビティ内で反射して往復動するレーザー光に対し、前記スーパールミネッセンスダイオードは前記RF変調信号が利得ピークのときにパルスを放出し、
RFの変調電流は前記DCバイアス電流と前記スーパールミネッセンスダイオードの透過電流との差よりも大きく、RFの変調電流が最低値のときに、スーパールミネッセンスダイオードは可飽和吸収体としての機能してパルスを放出することを特徴とするセルフハイブリッドモード同期によりレザーからパルスを発生する方法。 A method of generating pulses from a laser using a superluminescent diode and a laser cavity,
In the step of supplying a DC bias current to the super luminescence diode, a DC bias current larger than a threshold current is applied to the super luminescence diode,
In the step of applying an RF modulation signal to the super luminescence diode, the super luminescence diode emits a pulse when the RF modulation signal is at a gain peak when the RF modulation signal is reflected in the laser cavity and reciprocates. And
The RF modulation current is larger than the difference between the DC bias current and the transmission current of the super luminescence diode, and when the RF modulation current is the lowest value, the super luminescence diode functions as a saturable absorber and emits a pulse. A method of generating pulses from leather by self-hybrid mode synchronization characterized by emitting .
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