JP4077059B2

JP4077059B2 - 光パルス発生方法

Info

Publication number: JP4077059B2
Application number: JP28604197A
Authority: JP
Inventors: 康浩松井; 聡子沓澤; 洋小川; 明鈴木
Original assignee: NEC Corp; Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: NEC Corp; Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 1997-10-01
Filing date: 1997-10-01
Publication date: 2008-04-16
Anticipated expiration: 2017-10-01
Also published as: JPH11112093A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザを用いたパルス発生方法に関し、特に、光計測あるいは光通信に用いるのに好適な超短光パルス列を発生し得る光パルス発生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光パルス発生方法の１つに、利得スイッチ法がある。利得スイッチ法によれば、半導体レーザの駆動電流に交番電流を用い、この交番電流による外部変調によって、半導体レーザから光パルス列を得ることができる。
【０００３】
この利得スイッチ法により、繰り返し周期の短い超短光パルスを得るには、外部変調の周波数を高めることが考えられる。
しかしながら、単に外部変調周波数を高めても、この外部変調周波数が半導体レーザの緩和振動周波数に近づくと、半導体レーザの発光動作が不安定となり、所定の周期で強弱の光パルスが交互に発生するいわゆる倍周期現象が発生し、あるいは光パルスの強度が不規則となるいわゆるカオス現象が発生する。
【０００４】
前記した半導体レーザでは、外部変調のためのバイアス電流値を高めることにより、その緩和振動周波数を高めることができる。
従って、バイアス電流値を高め、これにより半導体レーザの緩和振動周波数を外部変調周波数よりも十分に高い値に保持することにより、前記した倍周期現象およびカオス現象を生じることなく安定した強度の短い単一周期パルス列を得ることが考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、緩和振動周波数の増大のためにバイアス電流値を増大すると、このバイアス電流値の増大に伴い、外部変調用電源として、より大電流の供給を可能とする大型電源が必要になり、そのような大型電源を必要とするパルス発生装置は極めて高価となる。
また、外部変調のバイアス電流値の増大に伴い、得られる光パルス幅の増大によってそのデューティ比が劣化する。
【０００６】
そのため、安定した強度の、短い単一周期パルス列を比較的安価に得ることができる光パルス発生方法が望まれていた。
また、デューティ比の劣化を招くことのない、安定した強度の短い単一周期パルス列を得ることができる光パルス発生方法が望まれていた。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、利得スイッチ法において半導体レーザの緩和振動周波数以上の高い周波数で前記半導体レーザに変調をかけるについて、この外部変調のバイアス電流値の増大を招くことなく、安定した強度の、短い単一周期パルス列を得るという基本姿勢に立脚する。
【０００８】
〈構成〉
本発明は、半導体レーザに緩和振動周波数を設定すること、前記半導体レーザに、前記緩和振動周波数よりも大きな周波数で外部変調をかけること、前記半導体レーザの外部変調による発振波長と外部レーザ光の波長との位相差の時間微分を示す離調周波数の中から前記発振波長に近似する波長を有し、かつ前記半導体レーザを単一周期で発振させる周波帯域を選定し、該選定した周波帯域に設定した外部レーザ光を前記半導体レーザに注入すること、前記外部レーザ光の光強度を、前記半導体レーザの出力光の光強度に対し−１０ｄＢ〜−２５ｄＢの比に設定すること、を含む光パルス発生方法であって、前記外部レーザ光の光強度をパラメータとしてレート方程式を示す次式から前記半導体レーザの出力光の発振波長を算出し、該発振波長に基づいて求めた前記離調周波数と前記出力光の光強度とで示す特性曲線上から、単一周期特性線部分で示される前記周波帯域を選定することを特徴とする。
【数１】

ここで、Ｓ（ｔ）は、前記半導体レーザの光子密度すなわちレーザ光強度であり、Γは前記半導体レーザの光封じ込め係数であり、Ｇ（Ｎ）は前記半導体レーザの利得係数であり、εは前記半導体レーザの利得飽和係数であり、τｐは光子寿命であり、βは自然放出光係数であり、Ｎ（ｔ）は前記半導体レーザのキャリア密度であり、τｓは自然放出寿命であり、ｆｄは前記半導体レーザ内での周回周波数であり、Ｓｉｎｊは前記外部レーザ光の光子密度すなわち前記外部レーザ光の強度であり、Δ（ｔ）は前記半導体レーザと前記外部レーザ光との位相差であり、その時間微分（ｄΔ（ｔ）／ｄｔ）が離調周波数を表し、φは前記半導体レーザ光の位相であり、αは線幅増大係数であり、Ｎｔｈは前記半導体レーザの閾値利得でのキャリア密度であり、ｅは電荷量であり、Ｉ（ｔ）は前記半導体レーザへの注入電流であり、ｖｏｌは前記半導体レーザの活性部の体積である。
【０００９】
〈作用〉
半導体レーザの発振波長に近似した波長の外部レーザ光を当該半導体レーザの発光部である活性部に注入する。注入する外部レーザ光の波長および強度を適正に選択することにより、半導体レーザから外部変調周波数に一致する安定した単一周期の光パルスが得られた。
【００１０】
適正な外部レーザ光の波長および強度を設定するために、下記の式（１）〜式（３）で示されるレート方程式から半導体レーザ出力光についての特性曲線を求め、該特性曲線の単一周期特性線部分で示される離調周波数および強度を設定する。
【数２】

【００１１】
ここで、Ｓ（ｔ）は、半導体レーザの光子密度すなわちレーザ光強度であり、Γは半導体レーザの光封じ込め係数であり、Ｇ（Ｎ）は半導体レーザの利得係数であり、εは半導体レーザの利得飽和係数であり、τ_p は光子寿命であり、βは自然放出光係数であり、Ｎ（ｔ）は半導体レーザのキャリア密度である。
また、τ_s は自然放出寿命であり、ｆ_d は半導体レーザ内での周回周波数であり、Ｓ_inj は外部レーザ光の光子密度すなわち外部レーザ光の強度であり、Δ（ｔ）は半導体レーザと外部レーザ光との位相差であり、その時間微分（ｄΔ（ｔ）／dt）が離調周波数を表す。
また、φは半導体レーザ光の位相であり、αはαパラメータと称される線幅増大係数であり、Ｎ_thは半導体レーザの閾値利得でのキャリア密度であり、ｅは電荷量であり、Ｉ（ｔ）は半導体レーザへの注入電流であり、vol は半導体レーザの活性部の体積である。
【００１２】
前記特性曲線は、半導体レーザと外部注入光との位相差（Δ（ｔ））を時間で微分（ｄΔ（ｔ）／dt）して得られる離調周波数をパラメータとするグラフであって縦軸および横軸が半導体レーザの光子密度および外部レーザ光の強度をそれぞれ示すグラフ上に、表すことができる。
また、前記特性曲線は、外部レーザ光の強度をパラメータとするグラフであって縦軸および横軸が半導体レーザの光子密度および前記離調周波数を示すグラフ上に、表すことができる。
【００１３】
いずれのグラフにおいても、それらに示された特性曲線のうち、単一周期特性線部分で示される離調周波数および強度が、外部レーザ光の波長および強度として選択される。
【００１４】
選択された波長および強度のレーザ光を外部レーザ光として半導体レーザの活性部に注入することにより、該半導体レーザに、その緩和振動周波数以上の周波数で外部変調をかけたにも拘わらず、この半導体レーザから単一周期の安定した光りパルスを得ることができた。
【００１５】
選択された波長の外部レーザ光の強度は、前記半導体レーザのレーザ光強度に対する外部レーザ光強度の比で、−１０ｄＢ〜−２５ｄＢとすることにより、パルス幅の増大によるデューティ比の劣化を効果的に防止することができ、これにより、デューティ比の劣化を招くことのない安定した良好な単一周期の光パルスを得ることができた。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示の実施の形態について詳細に説明する。
〈具体例〉
図１は、本発明に係る光パルス発生方法を実施する光パルス発生装置を概略的に示す。
本発明に係る光パルス発生装置１０は、図１に示されているように、利得スイッチ法を実施するための半導体レーザ１１を含む。半導体レーザ１１として、バンドギャップ波長１．５５μｍで発振するファブリ−ペロ型半導体レーザが用いられている。
【００１７】
この半導体レーザ１１の外部変調交番電源として、シンセサイザ１２が用いられた。シンセサイザ１２からは、２０ＧＨｚの交番電流が増幅器１３およびフィルタ１４を経て半導体レーザ１１に供給される。また、このフィルタ１４を経て、半導体レーザ１１に直流電源１５からバイアスがかけられる。
フィルタ１４は、バイアスＴ回路と称されており、従来よく知られているように、シンセサイザ１２からの直流成分を除去するための結合コンデンサ１４ａと、バイアスの高調波成分を除去するためのコイル１４ｂとを備える。
【００１８】
半導体レーザ１１は、直流電源１５からのバイアスにより、その緩和振動周波数がほぼ１０ＧＨｚとなるように設定された。そのため、シンセサイザ１２からの外部変調周波数は、この緩和振動周波数の２倍の値を示すことから、半導体レーザ１１の通常の動作では、発光動作が不安定となり、所定の周期で強弱の光パルスが交互に発生するいわゆる倍周期現象が発生し、あるいは光パルスの強度が不規則となるいわゆるカオス現象が発生し易くなる。
【００１９】
そこで、このような半導体レーザ１１の不安定な動作を防止するために、波長を可変とする外部レーザ光源１６から、半導体レーザ１１の発振波長である１．５５μｍに近似した波長のレーザ光が、アイソレータ１７、偏波器１８およびサーキュレータ１９を経て、半導体レーザ１１の発光部である活性部に注入される。
【００２０】
アイソレータ１７は、外部レーザ光源１６へ向けてのレーザ光の逆流を防止する作用をなす。偏波器１８は、外部レーザ光源１６からの外部レーザ光の波面と半導体レーザ１１のレーザ光との波面を一致させることにより、外部レーザ光の結合効率を高める。
また、サーキュレータ１９は、外部レーザ光源１６からの外部レーザ光の半導体レーザ１１への注入を許すと共に、半導体レーザ１１からのパルス光の観察のために半導体レーザ１１からのサンプル光の取り出しを可能とする。
【００２１】
外部レーザ光源１６からの外部レーザ光の波長および強度を選択することにより、半導体レーザ１１からシンセサイザ１２の周波数に一致した安定したパルス光が得られる。
【００２２】
以下に、外部レーザ光の波長および強度を求める手順を説明する。
適正な外部レーザ光の波長および強度を決めるために、前記した式（１）ないし式（３）のレート方程式が用いられる。
式（１）〜式（３）自体は、半導体レーザの解析のために従来よく用いられるレート方程式である。
【００２３】
前記式（１）の右辺の第１項は誘導放出によるフォトン密度の増大分を表し、同第２項はレーザ共振器の光損失によるフォトン密度の減少分を表し、同第３項は外部レーザ光の注入によるフォトン密度の増大分を表す。
前記式（２）の右辺の第１項は半導体レーザの閾値利得でのキャリア密度の変化に関連する位相増加分を表し、同第２項は、外部レーザ光の注入による位相増加分を表す。
前記式（３）の右辺の第１項は半導体レーザへの注入電流によるキャリア密度の増加分を表し、同第２項は自然放出再結合によるキャリア密度の減少分を表し、同第３項は誘導放出によるキャリア密度の減少分を表す。
【００２４】
式（１）〜式（３）の解析のために、ε＝３×１０^-17cm³、ｄＧ／ｄＮ_th＝１．５×１０¹⁵cm²の各値が採用された。また、Ｇ（Ｎ）＝ｇ₀・Ｌｎ（Ｎ／Ｎ_tr）とし、ｇ₀ ＝１．６×１０¹²ｓ^-1およびＮ_tr＝０．７６×１０¹⁸cm^-3の各値が採用された。
さらに、τ_s ＝０．５ns、α＝４、τ_p ＝０．５５ps、Γ＝０．２３およびβ＝１×１０^-4の各値が採用された。
【００２５】
前記各値を前記式（１）〜式（３）に代入し、外部レーザ光の強度をパラメータとして、半導体レーザ１１の発振波長と外部レーザ光の波長との差に関連する離調周波数と半導体レーザ１１の光子ピーク密度との関係を示す分岐ダイアグラムが求められる。
この分岐ダイアグラムに代えて、同様に、離調周波数をパラメータとして、外部レーザ光の強度と、半導体レーザ１１の光子ピーク密度との関係を示す分岐ダイアグラムを求めることができる。
【００２６】
図２および図３に示す分岐ダイアグラムは、それぞれ外部レーザ光の強度（Ｓ_inj ）をパラメータとして、横軸が半導体レーザ１１の発振波長と外部レーザ光の波長との差に関連する離調周波数（ｄΔｔ／ｄｔ）を示し、また縦軸が半導体レーザ１１の光子強度(Ｓ)を示すグラフである。
図２に示すグラフには、外部レーザ光の強度が−１５ｄＢのときの特性曲線２０が示されている。この強度は、半導体レーザ１１のレーザ強度に対する比である。
また、図３に示すグラフには、外部レーザ光の強度が−２３ｄＢのとき特性曲線２０′が示されている。
【００２７】
算出結果のプロットの集合により示される特性曲線２０には、図２に示されているように、不規則なカオス状態を表すカオス曲線部分２０ａ、倍周期現象を表す２本の曲線部分で示される倍周期線部分２０ｂおよび単一周期の光パルス発振を表す単一周期特性線部分２０ｃが含まれている。
また、図３に示された特性曲線２０′には、同様なカオス曲線部分２０′ａ、倍周期線部分２０′ｂおよび単一周期特性線部分２０′ｃが含まれている。
【００２８】
従って、図２および図３の各グラフに示された特性曲線２０および２０′のうち、単一周期特性線部分２０ｃまたは２０′ｃで特定される離調周波数および外部レーザ光強度から、単一周期レーザ光を得るために必要な外部レーザ光の周波数および強度が求められる。
【００２９】
また、離調周波数をパラメータとして、外部レーザ光の強度と、半導体レーザ１１の光子ピーク密度との関係を示す分岐ダイアグラムを求めることができる。
図４に示す分岐ダイアグラムは、離調周波数をパラメータとして、横軸が外部レーザ光強度を示し、縦軸が半導体レーザ１１の光子ピーク密度を示すグラフである。図４のグラフには、離調周波数が５０ＧＨｚのときの特性曲線２１が示されている。
【００３０】
図４のグラフに示された特性曲線２１には、図２および図３に示したグラフにおけると同様な、不規則なカオス状態を表すカオス曲線部分２１ａ、倍周期現象を表す２本の曲線部分で示される倍周期線部分２１ｂおよび単一周期の光パルス発振を表す単一周期特性線部分２１ｃが含まれている。
このことから、離調周波数をパラメータとする図４のグラフからも、前記したと同様、単一周期レーザ光を得るために必要な外部レーザ光の周波数および強度を求めることができる。
【００３１】
従って、前記したグラフから求められた周波数および強度のレーザ光を外部レーザ光源１６から半導体レーザ１１に注入することにより、前記したとおり、シンセサイザの周波数に一致した単一周期の安定したパルスを得ることができる。
【００３２】
図５は、図１に示した光パルス発生装置１０を用い、外部レーザ光源１６からのレーザ周波数を変化させることにより、離調周波数を変化させ、この離調周波数の変化と、半導体レーザ１１からの光パルスの側帯波の圧縮比との関係を実測により求めた結果を示すグラフである。
【００３３】
この測定では、外部レーザ光源１６の強度がパラメータとして選択され、縦軸にサイドモード抑圧比が示され、横軸に離調周波数が示されている。
特性曲線２２は、外部レーザ光の強度を−１１ｄＢとしたときの離調周波数とサイドモード抑圧比との関係を示す。また、特性曲線２３は外部レーザ光の強度を−１８ｄＢとしたときの離調周波数とサイドモード抑圧比との関係を示す。
【００３４】
両特性曲線２２および２３上に付された黒丸印は、正常な単一周期光パルスが得られたことを示す。また、同白丸印は、倍周期光パルスが観測されたことを示す。さらに、同×印は、カオス状態が観測されたことを示す。
両特性曲線２２および２３上には、黒丸印が見られることから、離調周波数の選択すなわち外部レーザ光源１６の波長の選択によって、すなわち離調周波数が零で示される半導体レーザ１１の発振波長近傍で、単一周期パルスが得られたことが図５のグラフから読み取れる。
【００３５】
さらに、両特性曲線２２および２３上の黒丸印の数の比較から、外部レーザ光強度が高い特性曲線２２上に、より多くの黒丸印が見受けられる。このことから、外部レーザ光の強度が高いほど、その外部レーザ光のより広い周波数範囲で、単一周期パルスを得られることが読み取れる。
【００３６】
図６は、良好な単一周期パルスが得られたときの外部レーザ光強度と、半導体レーザ１１から得られたその単一周期パルスの幅との関係を示すグラフである。
図６のグラフに示す特性線２４は、レーザ強度が−１０ｄＢ以下では、グラフの横軸にほぼ平行に伸びるが、−１０ｄＢを越えると、急激に立ち上がる。
このことは、外部レーザ光強度が−１０ｄＢを越えると、半導体レーザ１１から得られるパルス光の幅が増大し、デューティ比が劣化することを意味する。
【００３７】
また、図５のグラフに沿って説明したとおり、外部レーザ光強度が低下すると、安定した単一周期パルス光が得られなくなることから、外部レーザ光強度は、半導体レーザ１１からの出力光強度に対し、−２５ｄＢ以上とすることが望ましい。
【００３８】
以上の点から、安定した良好な単一周期パルスを得る上で、外部レーザ光強度を−１０ｄＢ〜−２５ｄＢとすることが望ましい。
【００３９】
前記したところでは、半導体レーザとして、ファブリ−ペロ型半導体レーザを用いた例について説明したが、本発明に係る光パルス発生方法は、例えば分布帰還型構造あるいはブラッグ反射器構造を有する半導体レーザを用いて、これを実施することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、前記したように、緩和振動周波数を有する半導体レーザにその緩和振動周波数以上の周波数で外部変調をかけて単一周期の光りパルスを得るについて、半導体レーザの発振波長に近似する波長を有する外部レーザ光を半導体レーザに注入することにより、緩和振動数の増大を図ることなく、この緩和振動数に対応する周期よりも短い単一周期の安定した光パルスを得ることができる。
【００４１】
従って、本発明の方法によれば、外部変調のバイアス電流の増大が不要となることから、外部変調のための大電流の供給を可能とする大型電源が不要となり、外部変調用電源の大型化を招くことはなく、これにより、半導体レーザの緩和振動数に対応する周期よりも短い単一周期の安定した光パルスを比較的安価に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る方法を実施するための光パルス発生装置を概略的に示すブロック図である。
【図２】外部注入光の強度をパラメータとし、レート方程式から算出された半導体レーザのパルス出力光の特性線を示すグラフ（その１）である。
【図３】外部注入光の強度をパラメータとし、レート方程式から算出された半導体レーザのパルス出力光の特性線を示すグラフ（その２）である。
【図４】外部注入光の離調周波数をパラメータとし、レート方程式から算出された半導体レーザのパルス出力光の特性を示すグラフ（その３）である。
【図５】外部注入光の強度をパラメータとし、実測によって求められた半導体レーザのパルス出力光の特性線を示すグラフ（その１）である。
【図６】実測によって求められた外部注入光の強度と半導体レーザのパルス出力光のパルス幅との関係を示すグラフ（その２）である。
【符号の説明】
１０光パルス発生装置
１１半導体レーザ
１２外部変調交番電源（シンセサイザ）
１６外部レーザ光源

Claims

半導体レーザに緩和振動周波数を設定すること、
前記半導体レーザに、前記緩和振動周波数よりも大きな周波数で外部変調をかけること、
前記半導体レーザの外部変調による発振波長と外部レーザ光の波長との位相差の時間微分を示す離調周波数の中から前記発振波長に近似する波長を有し、かつ前記半導体レーザを単一周期で発振させる周波帯域を選定し、該選定した周波帯域に設定した外部レーザ光を前記半導体レーザに注入すること、
前記外部レーザ光の光強度を、前記半導体レーザの出力光の光強度に対し−１０ｄＢ〜−２５ｄＢの比に設定すること、
を含む光パルス発生方法であって、
前記外部レーザ光の光強度をパラメータとしてレート方程式を示す次式から前記半導体レーザの出力光の発振波長を算出し、該発振波長に基づいて求めた前記離調周波数と前記出力光の光強度とで示す特性曲線上から、単一周期特性線部分で示される前記周波帯域を選定することを特徴とする光パルス発生方法。

ここで、Ｓ（ｔ）は、前記半導体レーザの光子密度すなわちレーザ光強度であり、Γは前記半導体レーザの光封じ込め係数であり、Ｇ（Ｎ）は前記半導体レーザの利得係数であり、εは前記半導体レーザの利得飽和係数であり、τｐは光子寿命であり、βは自然放出光係数であり、Ｎ（ｔ）は前記半導体レーザのキャリア密度であり、τｓは自然放出寿命であり、ｆｄは前記半導体レーザ内での周回周波数であり、Ｓｉｎｊは前記外部レーザ光の光子密度すなわち前記外部レーザ光の強度であり、Δ（ｔ）は前記半導体レーザと前記外部レーザ光との位相差であり、その時間微分（ｄΔ（ｔ）／ｄｔ）が離調周波数を表し、φは前記半導体レーザ光の位相であり、αは線幅増大係数であり、Ｎｔｈは前記半導体レーザの閾値利得でのキャリア密度であり、ｅは電荷量であり、Ｉ（ｔ）は前記半導体レーザへの注入電流であり、ｖｏｌは前記半導体レーザの活性部の体積である。
前記特性曲線において、前記外部レーザ光の光強度をパラメータとする代わりに前記離調周波数をパラメータとして、前記半導体レーザの光子密度および前記外部レーザ光の光強度をそれぞれ設定する請求項１記載の光パルス発生方法。