JP4216849B2 - Short light pulse generator - Google Patents

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Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、短光パルス発生装置に関する。
光パルスとは、時間的に強度が０から始まって増加し、また０に戻る光の総称であり、短光パルスとは、光の強度が０でない期間、言い換えれば発光している時間が短い光パルスであり、この短光パルスは、光計測や光通信に利用が期待されている。
短光パルスを発生させる装置としてはモード同期ファイバレーザを使用したものが知られているが、このモード同期ファイバレーザは、高価な光部品および高精度の制御機構等の多数の付属部品が必要であるため、装置のサイズが大きくなり取り扱いが困難であり、しかも装置の価格が非常に高価になるという問題があった。また、モード同期ファイバレーザは、短光パルスのくり返し周波数を任意に変更することは困難であるため、所望の外部信号と同期がとれず、短光パルスを光計測や光通信に簡便に多数利用することは難しかった。発光波長もＥＤＦＡの増幅体である１．５ミクロン付近に限定されていた。
これらの問題を解決するために、半導体レーザを使用して、短光パルスを発生させる技術が開発研究されている。半導体レーザは、励起電流を制御することにより、繰り返し周波数やパルス幅を直接変調することができるため、短光パルスを発生させるために必要な付属部品等を少なくすることができ、装置をコンパクトかつ安価にすることができる。そして、半導体レーザにおいても、モード同期法では繰り返し周波数を制御することは困難であるが、利得スイッチングを使用すれば、光計測や光通信に適した急激な立ち上がりの光パルスを得ることができ、しかも、短光パルスのくり返し周波数を任意に変更することができる。
本発明は、かかる利得スイッチングを使用して、光計測や光通信に適した短光パルスを半導体レーザから発生させることができる短光パルス発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザは、光を放出する活性媒質として半導体を使用したものであり、半導体に存在する正孔と自由電子（以下、両方を合わせて励起キャリアという）が再結合する過程で発生する自然放出光を共鳴させて増幅させることによってレーザ発振させるものである。この自然放出光の共鳴による増幅を生じさせるには、半導体レーザ内の励起キャリア密度が所定の値（しきい値励起キャリア密度値）以上でなければ生じない。したがって、半導体レーザでは、半導体に注入される電流値が定常発振しきい値電流よりも高くなるように電圧を印加して、励起キャリア密度をしきい値励起キャリア密度値よりも高くすることによって、レーザ発振を実現しているのである。
【０００３】
ところで、半導体レーザにおいて、その励起キャリア密度をしきい値励起キャリア密度値よりも高くしておけば、連続してレーザ発振させることができ、連続してレーザ光を出力させることができるが、半導体レーザから発生されるレーザ光を光計測や光通信に利用するには、レーザ光を、発光時間の短い短光パルスとして発生させる必要があり、しかも、短光パルスのくり返し周波数を制御する必要がある。
従来から、半導体レーザから、急激な立ち上がりの短光パルスを発生させる方法として、利得スイッチングを利用した方法が知られている。利得スイッチングとは、半導体レーザに短い電流変調パルス、または強い高周波電圧変調を加えたときに生じるレーザ発振立ち上がり時の緩和振動を利用して半導体レーザの利得を急激に変化させる技術である。
以下に、利得スイッチングを利用して半導体レーザに短光パルスを出力させる原理を簡単に説明する。
【０００４】
図５（Ｉ）において、符号１００は、発光制御部を示しており、符号１１５は，発光制御部１００によって発振が制御される半導体レーザを示している。前記発光制御部１００は、ＤＣ電源１１１と変調器１１２とを備えている。変調器１１２は、ＤＣ電源１１１から変調器１１２に供給される一定電流を、所望の周波数で強度が変化する電圧に変調するものである（図５（ＩＩ））。
【０００５】
半導体レーザ２０に短光パルスを発生させるときには、発光制御部１００によって半導体レーザ１１５に電圧が印加されるが、この印加電圧Ｖ（ｔ）の上昇に伴って半導体に注入される電流値も増加し、半導体レーザ２０内部の励起キャリア密度Ｃ（ｔ）が上昇する。そして、半導体に注入される電流値が定常発振しきい値電流よりも高くなると、半導体レーザ２０内部の励起キャリア密度Ｃ（ｔ）がしきい値励起キャリア密度値Ｎｔｈを越え、半導体レーザ２０内においてレーザ発振が開始する。
やがて、印加電圧Ｖ（ｔ）は極大となりその後徐々に減少するが、励起キャリア密度Ｃ（ｔ）は、しきい値励起キャリア密度値Ｎｔｈを越えてからも指数関数的に上昇し、印加電圧Ｖ（ｔ）が極大値となる直前で極大となり、その後やや遅れて始まるレーザ発振に伴う励起キャリアの消費により、急激に減少して電圧が印加される前の値まで減少する。つまり、電圧を印加することによってしきい値励起キャリア密度値を越えてからも励起キャリアが増加し、やや遅れて半導体レーザ２０内で緩和振動による発振が発生し、その影響により増加した励起キャリアの大部分がこの一瞬に消滅する。消滅した励起キャリアの量に対応するレーザ光が半導体レーザ２０から出力されることになり、印加された電圧と比較して、光強度Ａ（ｔ）は立ちあがりと立ち下がりが鋭くシャープなスパイク状になる。つまり、半導体レーザ２０から出力されるレーザ光は、発光時間が短く鋭い短光パルスとなるのである。
【０００６】
そして、印加電圧Ｖ（ｔ）が極大値となる直前に半導体レーザ２０から短光パルスが発振されるから、短光パルスを印加電圧Ｖ（ｔ）の周期と同じ周期で繰り返し発振させることができる。つまり、半導体レーザ２０に印加される電圧の周波数を制御すれば、その電圧の周波数と同じ周波数で短光パルスを繰り返し出力させることができるのである（図５（ＩＶ））。
【０００７】
しかるに、励起キャリア密度Ｃ（ｔ）の量が、しきい値励起キャリア密度値Ｎｔｈに近づくと、わずかではあるが励起キャリアの一部が再結合して、増強自然放出光（ＡＳＥ：Ａｃｃｕｍｕｌａｔｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）と呼ばれる光の放出が自然的に発生し、励起キャリア密度が低下する。すると、レーザ発振直前の励起キャリア密度が変動し、発振を開始するタイミングに大きなバラツキが生じることとなる（図６）。この発振を開始するタイミングのバラツキは、短光パルスが立ち上がるタイミングの大きなバラツキ（以下、タイミングジッタという）を生じさせるため、その変動を抑える必要がある。しかし、増強自然放出光は、確率的かつランダムに生じるものであるから、増強自然放出光を抑制することや、増強自然放出光の発生によって減少する励起キャリアの量を制御することは困難である。
【０００８】
そこで、従来から、発振直前の励起キャリア密度の変動を抑えて短光パルスのタイミングジッタを小さく抑えるタイミングジッタ抑制の研究が行われてきた（例えば技術文献１（従来例１）参照）。
従来例１の技術は、外部の波長可変レーザ装置から、半導体レーザの活性媒質内においてレーザ発振される光（発振光）の波長と同じ波長のレーザ光（入射光）を、半導体レーザに入射させるものである。この場合、発振光と入射光の波長がと同じであり両者を共鳴させることができるから、入射光のエネルギの分だけ励起されるキャリアの数を増加させることができ、増強自然放出光による励起キャリアの減少を補填することができる。よって、発振直前のキャリア密度の変動、つまり発振を開始するタイミングの変動を抑えることができるから、短光パルスのタイミングジッタを小さく抑制することができる。
【０００９】
しかるに、従来例１の技術では、発振光と入射光の波長を完全に一致させなければ両者を共鳴させることができないから、入射光の波長を発振光の波長に超高精度（精度：０．１ｎｍ以下）で調整できる波長可変レーザ装置を使用しなければならず、装置が非常に高価になり、かつ大型化してしまう。しかも、入射光を連続して半導体レーザに入射しなければならず非効率的であり、また、励起キャリアのピーク値が抑えられてしまい、半導体レーザの出力が低下してしまう。このため、従来例１の技術は、コスト面および技術面で現実性に乏しく、実用化されていない。
【００１０】
【非特許文献１】
１９９７年９月発行の第５８回応用物理学会学術講演会講演予稿集（ユ９７／１０秋田大学）１０１０頁２ａ−Ｚ−４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明はかかる事情に鑑み、入射光の波長を調整する波長調整装置を使用することなく、入射光の波長を半導体レーザの発振光に簡単に共鳴させることができ、短光パルスにおけるパルス発生のタイミングジッタを安定的に抑制することができ、安価に製造できる短光パルス発生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
第１発明の短光パルス発生装置は、半導体レーザを備え、該半導体レーザを間欠的に発振させて、間欠的に光を出力させる短光パルス発生装置において、前記半導体レーザから出力される出射光の状態を制御する発光制御部と、前記出射光を分光し、分光された帰還光を前記半導体レーザに入射する帰還光入射部とを備えており、該帰還光入射部が、前記帰還光が前記半導体レーザに入射される帰還タイミング、および前記半導体レーザに入射されるタイミングにおける前記帰還光の偏光方向を制御する位相調整手段を備えており、前記帰還光の偏光方向が、前記半導体レーザに入射されるタイミングにおいて、該半導体レーザの発振光の偏光方向に対して、±１２度以内であることを特徴とする。
第２発明の短光パルス発生装置は、半導体レーザを備え、該半導体レーザを間欠的に発振させて、間欠的に光を出力させる短光パルス発生装置において、前記半導体レーザから出力される出射光の状態を制御する発光制御部と、前記出射光を分光し、分光された帰還光を前記半導体レーザに入射する帰還光入射部とを備えており、前記帰還光の帰還光路長が、前記半導体レーザが出射光を出射してから、該出射光が分光された帰還光が半導体レーザに入射されるまでの帰還遅延時間が、前記半導体レーザが出射光を間欠的に出力する繰り返し周期の整数倍より２０〜２００ｐｓ短かくなる長さであることを特徴とする。
第３発明の短光パルス発生装置は、半導体レーザを備え、該半導体レーザを間欠的に発振させて、間欠的に、かつ、異なる繰り返し周波数で光を出力させる短光パルス発生装置において、前記半導体レーザから出力される出射光の状態を制御する発光制御部と、前記出射光を分光し、分光された帰還光を前記半導体レーザに入射する帰還光入射部とを備えており、前記帰還光の帰還光路長が、前記半導体レーザが出射光を出射してから、該出射光が分光された帰還光が半導体レーザに入射されるまでの帰還遅延時間が、前記異なる繰り返し周波数の最大公約数となる周波数の周期の整数倍より２０〜２００ｐｓ短くなる長さであることを特徴とする。
第４発明の短光パルス発生装置は、第２または３発明において、前記帰還光の偏光方向が、前記半導体レーザに入射されるタイミングにおいて、該半導体レーザの発振光の偏光方向に対して、±１２度以内であることを特徴とする。
第５発明の短光パルス発生装置は、第１、２、３または４発明において、前記位相調整手段が、前記帰還光の半導体レーザに入射されるまでの帰還光路長と、前記帰還光の偏光方向とを調整する帰還光調整部を備えており、前記帰還光が、前記半導体レーザに入射されるタイミングにおいて、その偏光方向が該半導体レーザの発振光の偏光方向と同じ方向となるように調整されていることを特徴とする。
第６発明の短光パルス発生装置は、第５発明において、前記帰還光入射部が、前記出射光を、分光する分光部を備えており、該分光部は、前記出射光と分光された光の偏光方向が同じになるように構成されており、前記帰還光調整部が、前記帰還光入射部の分光部から前記半導体レーザに前記帰還光を伝送する、長さが異なる複数本のファイバ遅延線を備えており、該複数本のファイバ遅延線は、偏光保持ファイバによって形成されていることを特徴とする。
第７発明の短光パルス発生装置は、第１、２、３または４発明において、前記帰還光入射部が、前記出射光を、その表面で反射される反射光と、透過する透過光に分光する部分反射ミラーを備えており、該部分反射ミラーが、前記反射光が、前記帰還光として前記半導体レーザに入射されるように配設されていることを特徴とする。
第８発明の短光パルス発生装置は、第７発明において、前記部分反射ミラーと前記半導体レーザの間に、前記位相調整手段を備えていることを特徴とする。
第９発明の短光パルス発生装置は、第８発明において、前記位相調整手段が、前記出射光が入射される出射光反射部と、該出射光反射部を前記半導体レーザに対して接近離間させる移動部とを備えていることを特徴とする。
第１０発明の短光パルス発生装置は、第９発明において、前記出射光反射部が、前記出射光を反射する出射光反射面を備えた複数の反射部を備えており、該複数の反射部が、入射された前記出射光が複数回反射されてから前記部分反射ミラーに入射されるように配設されていることを特徴とする。
第１１発明の短光パルス発生装置は、第１０発明において、前記出射光反射部が、互いに接近離間可能に設けられた一対の反射部からなる反射セットを備えており、前記出射光反射部が、前記反射セットにおける一方の反射部を他方の反射部に対して移動させる反射部移動機構を備えていることを特徴とする。
第１２発明の短光パルス発生装置は、第１１発明において、前記出射光反射部が、前記反射セットを複数備えており、該複数の反射セットが、各反射部に入射される光が、互いに平行となるように配設されており、かつ、各反射部の出射光反射面が、入射光を該入射光と平行な反射光として反射するように形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、帰還光入射部によって、半導体レーザから出力された出射光を分光して、分光された帰還光を半導体レーザに入射させることができる。そして、位相調整機構によって、半導体レーザがレーザ発振を開始するタイミングより少し早いタイミングで、半導体レーザの発振光の偏光方向（一般には、ＴＥ方向）と偏光方向が一致した帰還光を半導体レーザ入射させることができる。すると、入射された帰還光の影響によって、レーザ発振する直前の励起キャリアを増加させることができ、増強自然放出光によって失われるキャリアを補填することができる。よって、発振直前のキャリア密度の変動を防止でき、発振立ち上がり時間を一定にすることができるから、短光パルスが立ち上がるタイミングのバラツキ（タイミングジッタ）を抑えることができる。しかも、帰還光を入射するだけで、ランダムに発生する増強自然放出光により変動したキャリアを半導体レーザに補填することができるから、発振タイミングが、発光制御部から供給される電圧状態の揺らぎに起因する電流状態の揺らぎと既に帰還している帰還光のトリガによる励起キャリア注入の複合要因で決定されることとなり、時間的平均効果が働くため、タイミングジッタを抑制する効果が高くなる。また、出力された出射光から分光された帰還光を半導体レーザに入射しているから、帰還光の波長と半導体レーザ内でレーザ発振される光の波長が一致する。すると、帰還光を半導体レーザに入射する前に、その波長を調整する波長調整装置等が不要となるから、装置の構造を簡単かつコンパクトにすることができ、しかも安価に製造することができる。そして、帰還光の偏光方向が、半導体レーザの発振光の偏光方向（一般には、ＴＥ方向）と一致しているので、レーザ発振する直前の励起キャリア数を自然放出光によらず制御することができ、増強自然放出光によって失われたキャリアを確実に補填することができる。よって、発振直前のキャリア密度の変動を防止でき、発振立ち上がり時間を一定にすることができるから、タイミングジッタを抑制することができる。
請求項２の発明によれば、帰還光入射部によって、半導体レーザから出力された出射光を分光して、分光された帰還光を半導体レーザに入射させることができる。そして、位相調整機構によって、半導体レーザがレーザ発振を開始するタイミングより少し早いタイミングで、半導体レーザの発振光の偏光方向（一般には、ＴＥ方向）と偏光方向が一致した帰還光を半導体レーザ入射させることができる。すると、入射された帰還光の影響によって、レーザ発振する直前の励起キャリアを増加させることができ、増強自然放出光によって失われるキャリアを補填することができる。よって、発振直前のキャリア密度の変動を防止でき、発振立ち上がり時間を一定にすることができるから、短光パルスが立ち上がるタイミングのバラツキ（タイミングジッタ）を抑えることができる。しかも、帰還光を入射するだけで、ランダムに発生する増強自然放出光により変動したキャリアを半導体レーザに補填することができるから、発振タイミングが、発光制御部から供給される電圧状態の揺らぎに起因する電流状態の揺らぎと既に帰還している帰還光のトリガによる励起キャリア注入の複合要因で決定されることとなり、時間的平均効果が働くため、タイミングジッタを抑制する効果が高くなる。また、出力された出射光から分光された帰還光を半導体レーザに入射しているから、帰還光の波長と半導体レーザ内でレーザ発振される光の波長が一致する。すると、帰還光を半導体レーザに入射する前に、その波長を調整する波長調整装置等が不要となるから、装置の構造を簡単かつコンパクトにすることができ、しかも安価に製造することができる。そして、帰還光をパルス発振直前２０〜２００ｐｓの時間位置に帰還させることができれば、どの周期番号のパルスに帰還しても、帰還光によりタイミングジッタを効率よく、確実に抑圧することができる。
請求項３の発明によれば、帰還光入射部によって、半導体レーザから出力された出射光を分光して、分光された帰還光を半導体レーザに入射させることができる。そして、位相調整機構によって、半導体レーザがレーザ発振を開始するタイミングより少し早いタイミングで、半導体レーザの発振光の偏光方向（一般には、ＴＥ方向）と偏光方向が一致した帰還光を半導体レーザ入射させることができる。すると、入射された帰還光の影響によって、レーザ発振する直前の励起キャリアを増加させることができ、増強自然放出光によって失われるキャリアを補填することができる。よって、発振直前のキャリア密度の変動を防止でき、発振立ち上がり時間を一定にすることができるから、短光パルスが立ち上がるタイミングのバラツキ（タイミングジッタ）を抑えることができる。しかも、帰還光を入射するだけで、ランダムに発生する増強自然放出光により変動したキャリアを半導体レーザに補填することができるから、発振タイミングが、発光制御部から供給される電圧状態の揺らぎに起因する電流状態の揺らぎと既に帰還している帰還光のトリガによる励起キャリア注入の複合要因で決定されることとなり、時間的平均効果が働くため、タイミングジッタを抑制する効果が高くなる。また、出力された出射光から分光された帰還光を半導体レーザに入射しているから、帰還光の波長と半導体レーザ内でレーザ発振される光の波長が一致する。すると、帰還光を半導体レーザに入射する前に、その波長を調整する波長調整装置等が不要となるから、装置の構造を簡単かつコンパクトにすることができ、しかも安価に製造することができる。そして、出射光の周波数を変化させた場合であっても、帰還光路長を複数の周波数の最大公約数となる周波数の周期の整数倍にしておけば、いずれかの周期番号のパルスにおけるパルス発振直前２０〜２００ｐｓの時間位置に帰還光を帰還させることができるから、各周波数で確実にタイミングジッタを抑圧することができ、しかも、帰還光の光路長の設定をやり直す必要がないので、出射光の周波数の変更容易になる。
請求項４の発明によれば、帰還光の偏光方向が、半導体レーザの発振光の偏光方向（一般には、ＴＥ方向）と一致しているので、レーザ発振する直前の励起キャリア数を自然放出光によらず制御することができ、増強自然放出光によって失われたキャリアを確実に補填することができる。よって、発振直前のキャリア密度の変動を防止でき、発振立ち上がり時間を一定にすることができるから、タイミングジッタを抑制することができる。
請求項５の発明によれば、帰還光調整部によって、帰還光が半導体レーザに入射されるまでに進行する距離を調整することができるから、帰還光が半導体レーザに入射されるタイミングを調整することができる。しかも、半導体レーザに、その発振方向（一般には、ＴＥ方向）と偏光方向が一致した帰還光を入射させることができるから、発振直前のキャリア密度の変動を防止でき、発振立ち上がり時間を一定にすることができるから、タイミングジッタを抑制することができる。
請求項６の発明によれば、帰還光を伝送するファイバ遅延線として、帰還遅延時間が出射光の繰り返し周波数の周期の整数倍より少し短くなるファイバ遅延線を使用すれば、半導体レーザがレーザ発振を開始するタイミングより少し早いタイミングで、帰還光を半導体レーザに入射させることができるから、入射された帰還光の影響によって、半導体レーザにおけるレーザ発振する直前の励起キャリア数を自然放出光によらず制御することができ、増強自然放出光で失うキャリアを補填することができる。しかも、分光部において分光された光、つまり、帰還光の偏光方向が出射光の偏光方向と同じに保持されており、また、ファイバ遅延線を偏光保持ファイバによって形成しているので、帰還光の偏光方向を、半導体レーザの発振光の偏光方向と一致させることができる。
請求項７の発明によれば、部分反射ミラーによって出射光を分光しており、部分反射ミラーの表面で反射された反射光が帰還光としてそのまま半導体レーザに入射される。つまり、部分反射ミラーだけで帰還光を半導体レーザに入射させることができるから、帰還光入射部の構造を簡単にすることができ、装置の構造をより簡単かつコンパクトにすることができる。しかも、反射光は空気以外の他の物質内部を通過しないので、反射光の偏光方向は、半導体レーザの発振光の偏光方向のまま保持される。よって、帰還光の偏光方向を、半導体レーザの発振光の偏光方向と一致させることができる。
請求項８の発明によれば、位相調整手段によって、帰還光が半導体レーザに入射されるまでに進行する距離を調整することができるから、帰還光が半導体レーザに入射されるタイミングを調整することができる。
請求項９の発明によれば、移動手段によって出射光反射部を半導体レーザに近づけたり遠ざけたりすることができるので、部分反射ミラーで反射されて半導体レーザに戻るまで帰還光の光路長を変化させることができレーザ光の位相を調整することができる。このため、出射光反射部をわずかに移動させるだけ帰還光の帰還タイミングを簡単に大きく調整させることができるから、帰還光入射部をコンパクトに構成させることができる。
請求項１０の発明によれば、出射光反射部内において、複数回出射光が反射して折り返される、言い換えれば、反射光も複数回反射されるから、出射光反射部をコンパクトにしても、帰還光の光路長と、その調整範囲を長くすることができ、帰還光の帰還タイミングの調整できる周波数の幅を広くすることができる。
請求項１１の発明によれば、反射部移動機構によって、一方の反射部を他方の反射部に対して移動させるだけ帰還光の帰還タイミングを簡単に調整させることができる。
請求項１２の発明によれば、複数の反射セットを備えているので、帰還光の光路長を長くすることができる。しかも、各反射部に入射される光が、互いに平行となるように配設されており、かつ、各反射部の出射光反射面が、入射光を該入射光と平行な反射光として反射するように形成されているから、複数の一方の反射部を同時に移動させれば、一方の反射部を移動させる量を少なくしても、帰還光の帰還タイミングを大きくかえることができる。そして、反射セットの数を変えるだけで、帰還タイミングの調整可能幅を簡単に調整することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の短光パルス発生装置は、発光時間の短い光パルス（以下、単に短光パルスという）を、半導体レーザを使用して間欠的に発生させるための装置であって、半導体レーザから出力された出射光を分光して、分光された帰還光を半導体レーザに入射させることによって短光パルスの立ち上がるタイミングのバラツキを抑制するようにしたことに特徴を有するものである。
なお、本発明に使用される半導体レーザは、活性物質が半導体により形成されたレーザであればよく、ｐｎ接合による注入励起で反転分布を得る電流注入型半導体レーザや、外部からの光励起によりキャリアを発生させて反転分布を得る光励起半導体レーザ、ＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＧａＡｓＰ−ＭＱＷ−ＤＦＢレーザ、ＧａＡｓ／ＧａＡｓＡ１−ＭＱＷ−レーザ、面発光レーザなど、誘導放出によるレーザ発振が発生するものであれば、特に限定はない。特に、高速変調可能で出力波長があまり揺らがないレーザであれば、より好適である。
さらになお、半導体レーザから出射される出射光や、帰還光を進行させる伝送媒体は特に限定されないが、空気中や真空中等を伝送媒体とすれば、出射光の偏光方向、つまり、半導体レーザの発振光の偏光方向（一般には、ＴＥ方向）に対する帰還光の偏光方向のズレを抑えることができるので好適である。光ファイバを使用すれば取り扱いが容易であるが、光ファイバ内を伝送される間に半導体レーザの発振光の偏光方向（一般には、ＴＥ方向）に対する帰還光の偏光方向のズレが生じる可能性があるので、偏光保持ファイバ（例えば、ＰＡＮＤＡファイバ）を使用すれば、光ファイバ内を進行する光の偏光が保持されるので好適である。
さて、本実施形態の短光パルス発生装置１を説明する。
まず、本実施形態の短光パルス発生装置１において、短光パルスを発生する機構を簡単に説明する。
図１は本実施形態の短光パルス発生装置１のブロック図である。同図において、符号１０は、半導体レーザ２０に電力を供給する発光制御部を示している。この発光制御部１０は、直流電源１１と、この直流電源１１とバイアスＴによって電気的に合体された変調器１２を備えている。この変調器１２は、直流電源１１の直流電圧を変調させて、所望の変調周波数の印加電圧（Ｖ（ｔ））（例えば２．５ＧＨｚ）に変調することができるものである（図５参照）。
このため、発光制御部１０の直流電源１１から半導体レーザ２０に電圧を印加すると、印加電圧Ｖ（ｔ）の変動に伴って半導体レーザ２０内において緩和振動による発振が発生し、この緩和振動による発振に伴ってレーザ発振が開始され、印加電圧Ｖ（ｔ）が極大値となるタイミング近傍において、光強度Ａ（ｔ）の立ちあがりが鋭くシャープなスパイク状の短光パルスが半導体レーザ２０から出力されるのである（図５参照）。
しかも、印加電圧Ｖ（ｔ）は所望の変調周波数で変動し、この変調周波数と同じ周波数で半導体レーザ２０は繰り返し発振することになるから、短光パルスを所望の周波数で繰り返し出力させることができるのである（図５（ＩＶ）参照）。
【００１７】
つまり、本実施形態の短光パルス発生装置１では、発光制御部１０から半導体レーザ２０に周期的に変動する電圧を印加することによって半導体レーザ２０内に間欠的に緩和振動による発振を生じさせる、いわゆる利得スイッチング法を使用して、半導体レーザ２０に短光パルスを間欠的に発生させているのである。
【００１８】
なお、発光制御部１０は、上記の構成に限られず、半導体レーザ２０に対して周期的に変動する電圧を印加することができる構成であればよい。
さらになお、発光制御部１０は、電圧を印加して半導体レーザ２０を発振させる構成に限られず、半導体レーザ２０を発振させることができる構成であればよく、使用する半導体レーザに合わせて最適な構成を採用すればよい。
さらになお、発光制御部１０は、利得スイッチング法を使用して半導体レーザ２０に短光パルスを間欠的に発生させるものに限られず、緩和振動による発振を利用して短光パルスを間欠的に発生させることができる方法であればよく、とくに限定はない。
【００１９】
つぎに、本実施形態の短光パルス発生装置１の特徴である帰還光入射部５０を説明する。
図１は帰還光入射部５０を採用した短光パルス発生装置１のブロック図である。同図において、符号５１は、伝送媒体Ｆから帰還光入射部５０に入光される出射光を平行光に変換する入力側変換部を示している。符号５２は、平行光に変換された出射光を出力用伝送媒体ＦＯに入光する出力側変換部を示している。この入力側変換部５１および出力側変換部５２は、例えば、出射光を集光することができるレンズを備えたものであるが、入力側変換部５１は出射光を平行光に変換できればよく、また、出力側変換部５２は出射光を出力用伝送媒体ＦＯに入光することができればよく、その構成は特に限定されない。
なお、伝送媒体Ｆとしてファイバを使用してもよいが、出射光が直接入力側変換部５１に入射するように構成すれば、半導体レーザ２０と入力側変換部５１との間を進行するときに、出射光の偏光方向が回転することを防ぐことができる。
さらになお、半導体レーザ２０が平行光を出射できるものであれば、入力側変換部５１は設けなくてもよい。
【００２０】
図１に示すように、入力側変換部５１と出力側変換部５２との間において、出射光が進行する経路上には、部分反射ミラー５６を備えた分光部５５が設けられている。部分反射ミラー５６は、例えば、垂直ミラーに所望の反射率（透過率）を設定したものであり、前記半導体レーザ２０から出射された出射光を、その一部はそのまま透過させ、残りの光をその表面で反射するものである。この部分反射ミラー５６は、その表面で反射された光（以下、帰還光という）が、出射光と同じ経路を通って入力側変換部５１に向けて進行して、半導体レーザ２０に帰還する。透過した透過光は、出力側変換部５２に向けて進行するように配設されている。
【００２１】
このため、部分反射ミラー５６で反射された反射光は、入力側変換部５１と伝送媒体Ｆを通って、帰還光として半導体レーザ２０に入射されるのである。
なお、部分反射ミラー５６と出力側変換部５２との間において、アイソレータ５７を設けておけば、出力側変換部５２を通って外部から光が部分反射ミラー５６、つまり半導体レーザ２０に入射されることを防ぐことができる。そして、部分反射ミラー５６に近づけてアイソレータ５７を設置すれば、外部より撹乱が入ることも防止することができる。このアイソレータ５７には、例えば一段アイソレータで外部光の入射を−３０ｄＢ（０．１％）以下に遮蔽するもの、２段型アイソレータで−６０ｄＢ以下に遮蔽するものが好適である。
【００２２】
また、部分反射ミラー５６は、その表面から出射光の進行経路に沿った半導体レーザ２０までの距離の２倍（以下、反射帰還光路長という）を光が進行する時間が、半導体レーザ２０から出力される出射光のパルス間隔の整数倍より少し短くなるように配設されている。
このため、反射帰還光路長を調整して、例えば、レーザ発振を開始するタイミングと、そのタイミングの直前より２０〜２００［ｐｓ］前までの期間に、帰還光を半導体レーザ２０に入射させれば、入射された帰還光の影響によって、半導体レーザ２０におけるレーザ発振する直前の励起キャリア数を自然放出光によらず制御することができるから、増強自然放出光で失うキャリアを補填することができる。
言い換えると、半導体レーザ２０が出射光を出射してから、部分反射ミラー５６で反射され帰還光として半導体レーザ２０に入射されるまでの時間（以下、帰還遅延時間という）が、半導体レーザ２０が出射光をパルス出力する繰り返し周期の整数倍より２０〜２００ｐｓ短かくなるように反射帰還光路長を調整する、つまり、部分反射ミラー５６の配設位置を調整しておけば、帰還光の影響によって、増強自然放出光で失うキャリアを補填することができるのである。
【００２３】
ここで、帰還光が半導体レーザ２０に入射されるタイミングにおいて、帰還光の偏光方向がタイミングジッタに与える影響を調べると、出射光の偏光方向、つまり、半導体レーザ２０のレーザ発振の方向（以下、ＴＥ方向という）に対するズレが±１２度よりも大きくなると、上記のごときタイミングで帰還光を半導体レーザ２０に入射しても、発振に寄与する励起キャリア数を制御する効果が得られず、タイミングジッタを抑えることができず、逆に、発光パルスを乱してしまう（図１２参照）。
しかし、上記のごとき帰還光入射部５０によれば、帰還光は、半導体レーザ２０から出射された出射光の一部が部分反射ミラー５６の表面で反射されたものに過ぎず、伝送媒体Ｆと入力側変換部５１以外は空気中、つまり、偏光方向が変化しない媒体中を進行するから、半導体レーザ２０に入射されるタイミングにおける、ＴＥ方向に対する帰還光の偏光方向のズレが非常に小さくなり、±１２度以下に保持することができる。とくに、出射光を直接入力側変換部５１に入射すれば、帰還光はほとんど空気中を進行するから、帰還光の偏光方向は、出射光の偏光方向、つまり、半導体レーザ２０のレーザ発振の方向とほぼ一致させることができる。なお、伝送媒体Ｆと入力側変換部５１に、偏光方向が変化しない媒体を使用すれば、より確実に半導体レーザ２０のレーザ発振の方向とほぼ一致させることができる。
【００２４】
このため、本実施形態の帰還光入射部５０によれば、帰還光が半導体レーザ２０に入射されるタイミング調整されており、かつ、ＴＥ方向に対する帰還光の偏光方向のズレを所定の範囲内に抑えることができる。よって、半導体レーザ２０のレーザ発振直前のキャリア密度の変動を防止でき、発振立ち上がり時間を一定にすることができるから、出射光のタイミングジッタを抑えることができる。
しかも、出射光から分光された帰還光を半導体レーザ２０に入射するだけで、、ランダムに発生する増強自然放出光により変動した励起キャリアを半導体レーザ２０に補填することができる。よって、発振タイミングが、発光制御部１０から供給される電圧状態の揺らぎに起因する電流状態の揺らぎと、既に帰還している帰還光のトリガによる励起キャリア注入の複合要因で決定されることとなり、時間的平均効果が働くため、タイミングジッタを抑制する効果が高くなる。
【００２５】
また、出力された出射光から分光された帰還光を半導体レーザに入射しているから、帰還光の波長と半導体レーザ内でレーザ発振される光の波長が一致する。すると、帰還光を半導体レーザ２０に入射する前に、その波長を調整する波長調整装置等が不要となるから、装置の構造を簡単かつコンパクトにすることができ、しかも安価に製造することができる。
【００２６】
さらに、分光部５５に、出射光の光軸に沿って部分反射ミラー５６を半導体レーザ２０に対して接近離間させる、図示しないマイクロメータ等を有する分光部移動部を設けておけば、反射帰還光路長を自由に変更することができる。言い換えれば、帰還遅延時間を調整することができる。すると、半導体レーザ２０から複数の周波数で出射光を出力させる場合において、部分反射ミラー５６を移動させれば、各周波数に対して最適な反射帰還光路長を設定して反射遅延時間を調整することができるから、ほぼ全ての周波数において、タイミングジッタを抑制することができる。
【００２７】
なお、半導体レーザ２０から複数の周波数で出力させる場合において、上記のごとく部分反射ミラー５６を移動させて各周波数に対して最適な反射帰還光路長を設定してもよいが、帰還光が分光されてから半導体レーザ２０に入射されるまでの時間が、複数の周波数の最大公約数となる周波数（基本周波数）の周期の整数倍より２０〜１００ｐｓ短くなる長さに、反射帰還光路長を設定しておけば、部分反射ミラー５６を移動させなくても、複数の周波数において、タイミングジッタを抑制することができるので、好適である。
例えば、半導体レーザ２０から、１．５ＧＨｚと３ＧＨｚ、４．５ＧＨｚ、６ＧＨｚで出射光を出力する場合には、その最大公約数である１．５ＧＨｚの周期の整数倍より２０〜１００ｐｓ短くなる長さ反射帰還光路長を設定すればよい。
図７に示すように、反射帰還光路長を、たとえば基本周波数の２倍よりわずかに短くなるように調整すれば、発生した１番の出射光から分光された帰還光は、位相調整部４０を経由して１’番の出射光として１番の３周期後に発生する４番の出射光の出力直前のタイミングで半導体レーザ２０に帰還されるから、レーザ発振を開始するタイミングの揺らぎが調整される。
出射光の周波数を２倍にした場合には、周期は半分となるが、１’番の出射光は７番の出射光の出力直前に半導体レーザ２０に帰還することになり、そのときのレーザ発振を開始するタイミングの揺らぎが調整される。つまり、帰還光によりタイミングジッタ抑圧効果を与える出射光の番号は変わるが、その帰還光が戻されるサイクルがずれるだけであるから、全ての出射光の出力直前に帰還光を入射できることには変わり無い。そして、帰還光が入射されるタイミングと出射光の出力されるタイミングの相対的な時間差（帰還タイミング）［ｐｓ］も、基本周波数の整数倍であるかぎり変動しない。よって、ある周波数で時間遅延量が抑圧条件を満たせば、自動的にその周波数の整数倍においてもタイミングジッタを小さく抑制できるのである。
【００２８】
さらになお、出射光を出射する複数の周波数が、全て４ＧＨｚよりも低い周波数の場合には、反射帰還光路長を、複数の周波数の最大公約数となる周波数（基本周波数）の周期の整数倍より２０〜２００ｐｓ短くなる長さに設定しておけばよいが、複数の周波数が４ＧＨｚよりも高い周波数を含む場合、つまり、２５０ｐｓよりも短い周期で出射光を出射する可能性がある場合、例えば７ＧＨｚや、１０ＧＨｚの周波数で出射光を出射する可能性がある場合には、反射帰還光路長を、複数の周波数の最大公約数となる周波数（基本周波数）の周期の整数倍より２０〜１００ｐｓ前までの期間に、帰還光を半導体レーザ２０に入射させればよい。
【００２９】
また、部分反射ミラー５６と入力側変換部５１との間に、位相調整手段を設けてもよい。
図２において、符号６１は位相調整手段のコーナリフレクタを示している。このコーナリフレクタ６１は、出射光が２つの内面で反射されてから部分反射ミラー５６に入射されるように配設されており、コーナリフレクタ６１で反射され部分反射ミラー５６に向かって進行する出射光の光軸が、入力側変換部５１からコーナリフレクタ６１に向けて進行する出射光の光軸と平行になるように配設されている。
また、位相調整手段は、コーナリフレクタ６１を出射光の光軸に沿って移動させて、半導体レーザ２０に対して接近離間させる図示しないマイクロメータ等を有する移動部が設けられている。
【００３０】
このため、半導体レーザ２０から出力された出射光を、コーナリフレクタ６１に入射すれば、出射光がコーナリフレクタ６１の２つの内面で反射されるから、出射光を部分反射ミラー５６に入射させることができる。そして、部分反射ミラー５６で反射された帰還光は、出射光と同じ経路、つまりコーナリフレクタ６１の２つの内面で反射されてから、入力側変換部５１に入射されるから、帰還光を伝送媒体Ｆを通して半導体レーザ２０に入射させることができる。
しかも、コーナリフレクタ６１を用いてレーザ光を反射させた場合には、レーザ光に偏光回転が生じないので、コーナリフレクタ６１と部分反射ミラー５６および入力側変換部５１の間に、帰還光の偏光方向を調整する装置を設ける必要がないので、装置の構成を簡単かつコンパクトにすることができる。
【００３１】
さらに、移動部によってコーナリフレクタ６１を移動させれば、部分反射ミラー５６および入力側変換部５１の間において、帰還光が進行する距離、言い換えれば、帰還遅延時間を調整することができる。そして、コーナリフレクタ６１が、その内面で反射され部分反射ミラー５６に向かって進行する出射光の光軸と、入力側変換部５１からコーナリフレクタ６１に向けて進行する出射光の光軸とが平行になるように配設されているから、移動部によってコーナリフレクタ６１を半導体レーザ２０に近づけたり遠ざけたりすれば（図２では矢印ａの方向）、わずかなコーナリフレクタ６１の移動により反射帰還光路長を大きく調整することができる。
具体的には、移動部によって、コーナリフレクタ６１を移動距離Ｌだけ移動させると、反射帰還光路長は移動距離Ｌの４倍変化する（図３参照）。このため、帰還光入射部５０をコンパクトに構成させることができる。
上記のコーナリフレクタ６１および２つの内面が、特許請求の範囲にいう出射光反射部および出射光反射面である。
【００３２】
なお、出射光反射部として、コーナリフレクタ６１に代えて、コーナーキューブプリズム等のプリズムを採用してもよく、プリズムに対して出射光が入射される方向とプリズムから出射光が出射される方向の関係において、プリズムを多少の斜設置しても反射後の光に偏光回転が生じないものであれば、特に限定はない。
さらになお、出射光反射部は、出射光を反射する出射光反射面を備えており、入射された出射光を出射光反射面で反射させてから部分反射ミラー５６に入射することができるものであればよい。
【００３３】
また、位相調整手段は、以下のような構成としてもよい。
図４において、符号７１は出射光反射部の反射セットを示している。この反射セット７１は、半導体レーザに対して移動が固定された固定反射部７２と、固定反射部７２に対して接近離間される移動反射部７３とから構成されており、図４には、２セットの反射セット７１が設けられた例を示している。
【００３４】
図４に示すように、固定反射部７２および移動反射部７３は、例えば、上述したコーナリフレクタ等であり、半導体レーザ２０から出射された出射光が、１セット目の反射セット７１（図４では下方の反射セット）の移動反射部７３に入射された出射光が、出射光反射面によって出射光の進行方向と平行な方向に反射されて反射光となり、この反射光が固定反射部７２に入射され、固定反射部７２に入射された反射光が、その進行方向と平行な方向に反射されて２セット目の反射セット７１（図４では上方の反射セット）の移動反射部７３に、入射光として入射されるように構成されている。
また、２セット目の反射セット７１の移動反射部７３に入射光として入射された光は、出射光反射面によってその進行方向と平行な方向に反射されて反射光となり、この反射光が固定反射部７２に入射され、固定反射部７２に入射された反射光が、その進行方向と平行な方向に反射されて部分反射ミラー５６に入射するように配設されている。
【００３５】
このため、出射光反射部内において、２つの反射セット７１によって複数回出射光が反射される、言い換えれば、帰還光も複数回反射されるから、出射光反射部をコンパクトにしても、反射帰還光路長を長くすることができる。
そして、１セット目の反射セット７１の固定反射部７２と移動反射部７３の距離、２セット目の反射セット７１の固定反射部７２と移動反射部７３の距離を、別個独立に調整することも可能であるから、各セットにおける帰還光の帰還タイミングの調整できる周波数の幅を広くすることができる。そして、出射光反射部に、マイクロメータ等を備えた図示しない反射部移動機構を設け、各反射セット７１の移動反射部７３を、半導体レーザ２０から出射された出射光の進行方向に沿って移動できるようにしておけば、反射部移動機構によって移動反射部７３を固定反射部７２に対して接近離間させる、言い換えれば、半導体レーザ２０に対して移動させることができるから（図４では矢印ａの方向）、反射帰還光路長を自在かつ簡単に調整することができる。
【００３６】
とくに、図４に示すように、２セットの反射セット７１における移動反射部７３を、例えば、１つのテーブルＴに配置し、そのテーブルＴを反射部移動機構によって移動させるようにすれば、テーブルＴの移動量ａが少なくても、反射帰還光路長を大きく変化させることができる。よって、位相調整部をコンパクトに構成しても帰還光の帰還タイミングの調整幅を長くすることができる。
【００３７】
なお、出射光反射部において、反射セット７１を設ける数は、２セットに限られず、３セット以上設けてもよく、反射セット７１を増やせば、反射帰還光路長を長くすることも可能であるし、反射帰還光路長の調整幅もより長くすることができる。とくに、複数の反射セット７１における移動反射部７３を、１つのテーブルＴに配置し、そのテーブルＴを反射部移動機構によって移動させるようにすれば、テーブルＴの移動量を少なくしても反射帰還光路長を大きく変化させることができる。具体的には、反射セット７１の数をｎとすると、テーブルＴが距離Ｌだけ移動したときに、反射帰還光路長は、４ｎＬ倍変化するのである。
さらになお、複数の反射セット７１を設けて場合に、全ての反射セット７１を、分光部５５とともに半導体レーザ２０に対して接近離間させる移動部を設けてもよく、この場合には、移動部と反射部移動機構の両方で反射帰還光路長を調整できるので、反射帰還光路長の調整幅をより一層広げることができ、また、微調整も可能となる。
【００３８】
つぎに、他の帰還光入射部３０を説明する。
図１３に示すように、帰還光入射部３０は、前記半導体レーザ２０から出射された出射光を分光し、分光された光（以下、帰還光という）を半導体レーザに入射するものであり、出射光から帰還光を分光する分光部３１と、帰還光を半導体レーザ２０に入射させる入射部３５とを備えている。
【００３９】
半導体レーザ２０と帰還光入射部３０の分光部３１との間には、出射光を分光部３１に供給する伝送媒体Ｆが設けられており、この伝送媒体Ｆを通して、出射光が分光部３１に入射されるように構成されている。
この分光部３１は、例えばファイバカプラであり、伝送媒体Ｆに接続される入力ポート３１ａと、入射部３５に接続される帰還ポート３１ｂと、出力用伝送媒体ＦＯに接続される出力ポート３１ｃを備えたものであり、入力ポート３１ａから入光された光を、所定の割合で分光し、帰還ポート３１ｂおよび出力ポート３１ｃから出力することができるものであり、出射光と分光された光の偏光方向が同じになるように構成されている。
【００４０】
なお、分光部３１は、上述した機能を有する３つのポートと、入力ポートから入力された出射光を２つに分光する分光器とを備えており、かつ、出射光と分光された光の偏光方向が同じになるように構成されているものであれば、とくに限定はない。例えば、分光器として、４５度プリズム上にコーティングされた部分反射ミラーや、垂直ミラーに所望の反射率（透過率）を設定したものを使用すると好適である。
さらになお、分光部３１が有するポートは３つに限られず、一の入力ポートから入力された光を、２以上の出力ポートから出力するような構成であってもよい。この場合には、分光器は、各出力ポートにそれぞれ分光した光を供給するような構成としておけばよい。
【００４１】
また、図１に示すように、半導体レーザ２０と帰還光入射部３０との間における伝送媒体Ｆには、入射部３５が介装されている。この入射部３５は、出射光が入光されるＡポート３５ａと、Ａポート３５ａから入射した出射光を分光部３１に供給するＢポート３５ｂと、前記分光部３１の帰還ポート３１ｂに接続されたから供給される帰還光が入射されるＣポート３５ｃを備えている。
また、Ａポート３５ａとＢポート３５ｂとの間には、両ポートを接続し、かつ出射光が両ポート間で反射してＡポート３５ａに跳ね返ってくることを防止する光アイソレータの機能を備えた出射光導通路３６が設けられている。
さらに、Ａポート３５ａとＣポート３５ｃとの間には、Ｃポートから入射した帰還光をＡポートに通過させる機能を備えた帰還光導通路３７を備えている。
【００４２】
このため、帰還光入射部３０は、伝送媒体Ｆを介して半導体レーザ２０から供給された出射光を、入射部３５のＡポートから、出射光導通路３６、Ｂポート、伝送媒体Ｆの順に通して分光部３１に供給することができる。
そして、分光部３１によって分光された光のうち、出力光を、分光部３１の出力ポート３１ｃと出力用伝送媒体ＦＯを介して、外部に供給することができる。
一方、帰還光を、分光部３１の帰還ポート３１ｂから入射部３５のＣポートに供給することができ、入射部３５の帰還光導通路３７を通してＡポートに供給することができる。すると、帰還光を、Ａポートから伝送媒体Ｆに供給することができるから、帰還光、つまり出射光の一部を、この出射光を出力した半導体レーザ２０に戻すことができるのである。
また、図１に示すように、分光部３１の帰還ポート３１ｂと入射部３５のＣポートとの間には、両者を接続する位相調整手段４０が設けられている。この位相調整手段４０は、分光部３１の帰還ポート３１ｂと入射部３５のＣポートとの間の帰還光の光路長、つまり、分光部３１から半導体レーザ２０との間の帰還光の光路長（以下、帰還光路長という）を調整するものである。言い換えれば、帰還光が分光部３１から半導体レーザ２０まで移動する時間（以下、遅延時間という）を調整するものである。
この位相調整手段４０は、その長さが異なる複数本のファイバ遅延線４１から構成されており、帰還光を分光部３１の帰還ポート３１ｂと入射部３５のＣポートを接続するファイバ遅延線４１切り換えることができるように構成されている。このファイバ遅延線４１は、偏光保持ファイバによって形成されている
このため、帰還光路長が、遅延時間が半導体レーザ２０から出力される出射光繰り返し周波数の周期の整数倍より少し短くなるファイバ遅延線４１によって、分光部３１の帰還ポート３１ｂと入射部３５のＣポートを接続すれば、半導体レーザ２０がレーザ発振を開始するタイミングより少し早いタイミングで帰還光を入射部３５を介して半導体レーザ２０に入射させることができる。しかも、ファイバ遅延線４１は、偏光保持ファイバであり、また、分光部３１が出射光と分光された光、つまり、帰還光の偏光方向が同じになるように構成されているから、帰還光の偏光方向を、半導体レーザの発振光の偏光方向と同じ、または、少なくとも、半導体レーザの発振光の偏光方向に対して±１２度以内に保った状態で、半導体レーザ２０に入射させることができるのである。
【００４４】
なお、帰還光入射部３０の分光部３１における光の分光率は、出力光７に対して帰還光３程度が好適であるが、帰還光を半導体レーザ２０に入射したときにキャリアを励起させることができる程度であればよく、特に限定はない。
さらになお、、半導体レーザ２０が出力する出射光の繰り返し周波数が一定であれば、その遅延時間が周波数の周期の整数倍よりも少し短くなる長さに調整されたファイバ遅延線４１は一本でもよい。
【００４５】
つぎに、本実施形態の短光パルス発生装置１の実施例を説明する。
以下に、半導体レーザから出力される短光パルスの時間変動を、（ａ）帰還光を入射させた場合（実施例）と、（ｂ）帰還光を入射させない場合（比較例）で比較した。
【００４６】
図８は、半導体レーザから出力される短光パルスの波形を重ねたグラフであって、（ａ）実施例のグラフであり、（ｂ）比較例のグラフである。グラフの横軸は半導体レーザに印加する電圧が最小となる時間（以下、基準時間という）から時刻［ｐｓ］を示しており、縦軸は光強度である。なお、帰還光路長は、遅延時間が出射光の周期の整数倍より２０〜１００ｐｓ短くなる長さに設定した。
【００４７】
同図に示すように、比較例の短光パルスは、基準時間からの光強度変動の時間変動が各光パルス毎で大きくばらついており、短光パルスの時間揺らぎが非常に大きいことが確認できる。
一方、実施例のレーザ光は、比較例のレーザ光に比較して、出力される短光パルスの分散が小さく、ほぼ短光パルスが、基準時間から一定の光強度変動を示していることがわかる。
このため、帰還光を入射した場合には、短光パルスの時間揺らぎを非常に安定させる効果があることがわかる。
【００４８】
図９は、短光パルスの光強度が所定の値を超える際の立ち上がりと立ち下がりのタイミングゆらぎの分布を示したグラフであり、（ａ）実施例の分布であり、（ｂ）比較例の分布である。グラフの横軸は基準時間からの時刻［ｐｓ］を示しており、縦軸は各時間では所定の値を超えた短光パルスの数を示している。なお、帰還光路長は、遅延時間が出射光の周期の整数倍より２０〜１００ｐｓ短くなる長さに設定した。
【００４９】
同図に示すように、比較例では、短光パルスが所定の値を超えるタイミングが大きく分布しており、短光パルスの時間揺らぎが、短光パルス時間幅に比較して無視できないほど大きいことが確認できる。
一方、実施例では、短光パルスが所定の値を超えるタイミングの広がりは非常に狭く、短光パルスの時間揺らぎが非常に小さいことが確認でき、帰還光路長を上記のごとき条件とすれば、短光パルスの時間揺らぎを劇的に抑圧できるという効果があることがわかる。
【００５０】
図１０は、実施例において、帰還光のタイミング遅延量に対するタイミングジッタ量との関係を示した図である。グラフの横軸は、短光パルスの立ち上がりタイミングに対する帰還光が帰還されるタイミングの相対時間（帰還タイミング）［ｐｓ］、縦軸はパルスのジッタ（時間揺らぎ）値［ｐｓ］である。なお、レーザ光のくり返し周波数は、２．５ＧＨｚであり、一周期は約４００ｐｓである。
同図に示すように、短光パルスの立ち上がりタイミングから約２００ｐｓまで前の期間に帰還光を入射した場合には、タイミングジッタが小さく抑制されており、タイミングジッタ抑圧効果が高い領域はかなり広いことが確認できる。つまり、帰還光を入射させる遅延時間の調整は、幅があり、周期的に現れるため、それほど厳密に行なわなくてもよいことがわかる。
【００５１】
図１１は出射光の出力周波数とタイミングジッタ量の関係を示したグラフである。パルスの繰り返し周波数［ＧＨｚ］、縦軸はパルスのジッタ（時間揺らぎ）値［ｐｓ］である。なお、位相調整部の帰還光路長は、１ＧＨｚを基準周波数として、遅延時間が基準周波数の周期の整数倍より２０〜１００ｐｓ短くなる長さに設定した。
同図に示すようにタイミングジッタ量は複数の周波数で低く抑圧できているが、特に１．５〜１．８ＧＨｚの整数倍の周波数においては必ず良い状態にあることが見て取れる。これにより、１．５ＧＨｚと３ＧＨｚ、４．５ＧＨｚ、６ＧＨｚなどのように、複数の周波数で出射光を出力する場合に、その複数の周波数の基本周波数においてタイミングジッタ量を抑圧可能な帰還光路長に調整すれば、全てのくり返し周波数において、同じ帰還光路長でタイミングジッタ量を抑圧することがわかる。つまり、基本周波数で帰還光路長を調整したならば、出射光を出力する周波数を変化させても、帰還光路長を再調整する必要がないのである。
なお、この実施例では、帰還光路長の調整範囲が１３ｍｍであり、それによる遅延時間の調整範囲が８６ｐｓ程度と短いため、２〜２．５ＧＨｚと３．５〜４．１ＧＨｚの間では、タイミングジッタの抑制が十分に達成されていないが、遅延時間の調整範囲を、１８０ｐｓ程度とすれば、１〜７ＧＨｚの全ての周波数でタイミングジッタを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明の短光パルス発生装置は、光計測や光通信に使用される短光パルスを発生させる装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本実施形態の短光パルス発生装置１のブロック図である。
【図２】他の実施形態の短光パルス発生装置１のブロック図である。
【図３】他の実施形態の短光パルス発生装置１における帰還光入射部５０の作用説明図である。
【図４】他の実施形態の短光パルス発生装置１のブロック図である。
【図５】（Ｉ）利得スイッチングによって半導体レーザ１１５に短光パルスを発生させる装置のブロック図であり、（ＩＩ）〜（ＩＶ）は短光パルスを発生時における印加電圧、励起キャリア密度、発光強度の対応を示した図である。
【図６】短光パルスを発生時における印加電圧、励起キャリア密度、発光強度の対応を示した図である。
【図７】出射光と帰還光の関係を示した図である。
【図８】半導体レーザから出力される短光パルスの波形を重ねたグラフであって、（ａ）実施例のグラフであり、（ｂ）比較例のグラフである。
【図９】短光パルスの光強度が所定の値を超える際の立ち上がりと立ち下がりのタイミングゆらぎの分布を示したグラフであり、（ａ）実施例の分布であり、（ｂ）比較例の分布である。
【図１０】実施例において、帰還光のタイミング遅延量に対するタイミングジッタ量との関係を示した図である。
【図１１】出射光の出力周波数とタイミングジッタ量の関係を示したグラフである。
【図１２】ＴＥ方向に対する帰還光の偏光方向のズレとタイミングジッタ量の関係を示したグラフである。
【図１３】他の実施形態の短光パルス発生装置１のブロック図である。
【符号の説明】
【００５４】
１ 短光パルス発生装置
１０ 発光調整部
２０ 半導体レーザ
３０ 帰還光入射部
３１ 分光部
３５ 入光部
４０ 位相調整手段
５０ 帰還光入射部
５６ 部分反射ミラー【Technical field】
[0001]
The present invention relates to a short light pulse generator.
A light pulse is a general term for light whose intensity starts from 0 and increases and returns to 0. A short light pulse is a period in which light intensity is not 0, in other words, light emission is short. It is an optical pulse, and this short optical pulse is expected to be used for optical measurement and optical communication.
A device that uses a mode-locked fiber laser is known as a device that generates a short optical pulse. However, this mode-locked fiber laser requires a large number of accessory parts such as expensive optical components and a high-precision control mechanism. For this reason, there is a problem that the size of the apparatus becomes large and handling is difficult, and the price of the apparatus becomes very expensive. In addition, mode-locked fiber lasers are difficult to arbitrarily change the repetition frequency of short optical pulses, so they cannot be synchronized with the desired external signal, and many short optical pulses are easily used for optical measurement and optical communication. It was difficult to do. The emission wavelength was also limited to around 1.5 microns, which is an EDFA amplifier.
In order to solve these problems, a technique for generating a short optical pulse using a semiconductor laser has been developed and studied. Since the semiconductor laser can directly modulate the repetition frequency and pulse width by controlling the excitation current, it is possible to reduce the number of accessory parts required to generate short light pulses, and to make the device compact and compact. It can be made cheap. And even in the semiconductor laser, it is difficult to control the repetition frequency by the mode-locking method, but by using gain switching, it is possible to obtain a sharply rising optical pulse suitable for optical measurement and optical communication, In addition, the repetition frequency of the short light pulse can be arbitrarily changed.
The present invention relates to a short light pulse generator capable of generating a short light pulse suitable for optical measurement and optical communication from a semiconductor laser using such gain switching.
[Background]
[0002]
A semiconductor laser uses a semiconductor as an active medium that emits light, and spontaneously emitted light generated in the process of recombination of holes and free electrons (hereinafter referred to as “excited carriers” together) present in the semiconductor. Is oscillated and amplified to cause laser oscillation. In order to cause amplification by resonance of the spontaneous emission light, it does not occur unless the excited carrier density in the semiconductor laser is equal to or higher than a predetermined value (threshold excited carrier density value). Therefore, in the semiconductor laser, by applying a voltage so that the current value injected into the semiconductor becomes higher than the steady-state oscillation threshold current, the excitation carrier density is made higher than the threshold excitation carrier density value, Laser oscillation is realized.
[0003]
By the way, in a semiconductor laser, if the excitation carrier density is set higher than the threshold excitation carrier density value, laser oscillation can be performed continuously, and laser light can be output continuously. In order to use laser light generated from a laser for optical measurement and optical communication, it is necessary to generate the laser light as a short light pulse having a short emission time and to control the repetition frequency of the short light pulse. is there.
2. Description of the Related Art Conventionally, a method using gain switching is known as a method for generating a short optical pulse having a sudden rise from a semiconductor laser. Gain switching is a technique for abruptly changing the gain of a semiconductor laser by using relaxation oscillation at the rise of laser oscillation that occurs when a short current modulation pulse or strong high-frequency voltage modulation is applied to the semiconductor laser.
The principle of outputting a short optical pulse to the semiconductor laser using gain switching will be briefly described below.
[0004]
In FIG. 5I, reference numeral 100 denotes a light emission control unit, and reference numeral 115 denotes a semiconductor laser whose oscillation is controlled by the light emission control unit 100. The light emission control unit 100 includes a DC power source 111 and a modulator 112. The modulator 112 modulates a constant current supplied from the DC power source 111 to the modulator 112 into a voltage whose intensity changes at a desired frequency (FIG. 5 (II)).
[0005]
When a short light pulse is generated in the semiconductor laser 20, a voltage is applied to the semiconductor laser 115 by the light emission control unit 100. As the applied voltage V (t) increases, the current value injected into the semiconductor also increases. The excited carrier density C (t) inside the semiconductor laser 20 increases. When the current value injected into the semiconductor becomes higher than the steady-state oscillation threshold current, the excited carrier density C (t) inside the semiconductor laser 20 exceeds the threshold excited carrier density value Nth, Laser oscillation starts.
Eventually, the applied voltage V (t) becomes maximum and then gradually decreases, but the excited carrier density C (t) increases exponentially even after exceeding the threshold excited carrier density value Nth, and the applied voltage V Immediately before (t) reaches the maximum value, it reaches a maximum, and after that, due to the consumption of excited carriers accompanying laser oscillation that starts slightly later, it decreases rapidly to a value before the voltage is applied. That is, excitation carriers increase even after exceeding the threshold excitation carrier density value by applying a voltage, and oscillation due to relaxation oscillation occurs in the semiconductor laser 20 with a slight delay, and the excitation carriers increased due to the influence. Most disappear in this instant. A laser beam corresponding to the amount of excited carriers disappeared is output from the semiconductor laser 20, and the light intensity A (t) has a sharp spike shape with sharp rise and fall compared to the applied voltage. Become. That is, the laser light output from the semiconductor laser 20 is a short light pulse with a short emission time.
[0006]
Since the short light pulse is oscillated from the semiconductor laser 20 immediately before the applied voltage V (t) reaches the maximum value, the short light pulse can be repeatedly oscillated at the same cycle as the cycle of the applied voltage V (t). . That is, if the frequency of the voltage applied to the semiconductor laser 20 is controlled, short light pulses can be repeatedly output at the same frequency as that of the voltage (FIG. 5 (IV)).
[0007]
However, when the amount of the excited carrier density C (t) approaches the threshold excited carrier density value Nth, a part of the excited carriers are recombined slightly, and enhanced spontaneous emission (ASE) is obtained. ) Spontaneously occurs and the excited carrier density decreases. Then, the excitation carrier density immediately before laser oscillation fluctuates, resulting in large variations in the timing of starting oscillation (FIG. 6). This variation in the timing at which oscillation starts causes a large variation in the timing at which the short light pulse rises (hereinafter referred to as timing jitter), and therefore it is necessary to suppress the variation. However, since enhanced spontaneous emission light is generated randomly and randomly, it is difficult to suppress enhanced spontaneous emission light and to control the amount of excited carriers that are reduced by the generation of enhanced spontaneous emission light. .
[0008]
Therefore, conventionally, studies have been made on timing jitter suppression that suppresses fluctuations in the excitation carrier density immediately before oscillation to reduce the timing jitter of short optical pulses (see, for example, Technical Document 1 (Conventional Example 1)).
In the technique of Conventional Example 1, laser light (incident light) having the same wavelength as that of light (oscillation light) oscillated in an active medium of a semiconductor laser is incident on the semiconductor laser from an external wavelength tunable laser device. Is. In this case, since the oscillation light and the incident light have the same wavelength and can be made to resonate, the number of carriers excited by the energy of the incident light can be increased and excited by enhanced spontaneous emission light. The decrease in carrier can be compensated. Therefore, the carrier density fluctuation just before the oscillation, that is, the fluctuation of the timing at which the oscillation is started can be suppressed, so that the timing jitter of the short optical pulse can be suppressed small.
[0009]
However, in the technique of Conventional Example 1, since the oscillation light and the incident light cannot be made to resonate unless the wavelengths of the oscillation light and the incident light are completely matched, the wavelength of the incident light is set to the wavelength of the oscillation light with a very high accuracy (accuracy: 0. A wavelength tunable laser device that can be adjusted at 1 nm or less must be used, which makes the device very expensive and large. Moreover, incident light must be continuously incident on the semiconductor laser, which is inefficient, and the peak value of the excited carriers is suppressed, so that the output of the semiconductor laser is reduced. For this reason, the technology of Conventional Example 1 is not practical in terms of cost and technology, and has not been put into practical use.
[0010]
[Non-Patent Document 1]
Proceedings of the 58th Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics (September 1997) (Yu97 / 10 Akita University), page 1010, 2a-Z-4
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0011]
In view of such circumstances, the present invention can easily resonate the wavelength of the incident light with the oscillation light of the semiconductor laser without using a wavelength adjusting device for adjusting the wavelength of the incident light, and can generate a pulse in a short light pulse. An object of the present invention is to provide a short optical pulse generator that can stably suppress timing jitter and can be manufactured at low cost.
[Means for Solving the Problems]
[0012]
The short light pulse generator of the first invention comprises a semiconductor laser, and the emitted light output from the semiconductor laser in the short light pulse generator that oscillates the semiconductor laser intermittently and outputs light intermittently. A light emission control unit that controls the state of the laser beam, and a feedback light incident unit that splits the emitted light and enters the split feedback light into the semiconductor laser. A phase adjusting unit that controls a feedback timing incident on the semiconductor laser and a polarization direction of the feedback light at a timing incident on the semiconductor laser, and the polarization direction of the feedback light is incident on the semiconductor laser; The timing is within ± 12 degrees with respect to the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser.
The short optical pulse generator of the second invention comprises a semiconductor laser, and the emitted light output from the semiconductor laser in the short optical pulse generator that oscillates the semiconductor laser intermittently and outputs light intermittently. A light emission control unit that controls the state of the laser beam, and a feedback light incident unit that splits the emitted light and makes the split feedback light incident on the semiconductor laser, and the feedback optical path length of the feedback light is the semiconductor The feedback delay time from when the laser emits the emitted light to when the feedback light obtained by dispersing the emitted light enters the semiconductor laser is an integral multiple of the repetition period at which the semiconductor laser intermittently outputs the emitted light. The length is shorter by 20 to 200 ps.
According to a third aspect of the present invention, there is provided a short optical pulse generator including a semiconductor laser, wherein the semiconductor laser is intermittently oscillated to output light intermittently at a different repetition frequency. A light emission control unit that controls the state of the emitted light output from the laser; and a feedback light incident unit that splits the emitted light and makes the dispersed feedback light incident on the semiconductor laser. The feedback optical path length is the greatest common divisor of the different repetition frequencies from the time when the semiconductor laser emits the emitted light until the feedback light obtained by separating the emitted light enters the semiconductor laser. The length is 20 to 200 ps shorter than an integral multiple of the frequency period.
The short optical pulse generator according to a fourth aspect of the present invention is the second or third aspect of the invention, wherein the polarization direction of the feedback light is ±± It is within 12 degrees.
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided the short optical pulse generator according to the first, second, third, or fourth aspect, wherein the phase adjusting means has a feedback optical path length until the feedback light enters the semiconductor laser, and the polarization of the feedback light. A feedback light adjusting unit that adjusts the direction of the light, and adjusts the polarization direction to be the same as the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser at the timing when the feedback light is incident on the semiconductor laser. It is characterized by being.
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the short light pulse generation device according to the fifth aspect, wherein the feedback light incident section includes a spectroscopic section that splits the outgoing light, and the spectroscopic section splits the light with the outgoing light. The plurality of fiber delays with different lengths are configured such that the feedback light adjusting unit transmits the feedback light from the spectroscopic unit of the feedback light incident unit to the semiconductor laser. The plurality of fiber delay lines are formed of a polarization maintaining fiber.
According to a seventh aspect of the present invention, in the first, second, third, or fourth aspect, the feedback light incident portion splits the emitted light into reflected light reflected by the surface thereof and transmitted light transmitted therethrough. The partial reflection mirror is arranged such that the reflected light is incident on the semiconductor laser as the feedback light.
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided the short optical pulse generator according to the seventh aspect, wherein the phase adjusting means is provided between the partial reflection mirror and the semiconductor laser.
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided the short light pulse generator according to the eighth aspect, wherein the phase adjusting means causes the outgoing light reflecting portion on which the outgoing light is incident and the outgoing light reflecting portion to approach and separate from the semiconductor laser. And a moving part.
According to a tenth aspect of the present invention, in the ninth aspect of the invention, the output light reflecting section includes a plurality of reflecting sections including an output light reflecting surface that reflects the output light, and the plurality of reflecting sections. However, it is characterized in that the incident outgoing light is arranged to be incident on the partial reflection mirror after being reflected a plurality of times.
According to an eleventh aspect of the present invention, there is provided the short light pulse generator according to the tenth aspect, wherein the outgoing light reflecting portion includes a reflective set including a pair of reflecting portions provided so as to be able to approach and separate from each other. And a reflection part moving mechanism for moving one reflection part of the reflection set relative to the other reflection part.
According to a twelfth aspect of the present invention, in the eleventh aspect of the invention, the output light reflecting section includes a plurality of the reflecting sets, and the plurality of reflecting sets are configured such that light incident on the reflecting sections is mutually connected. It is arranged so as to be parallel to each other, and the outgoing light reflecting surface of each reflecting portion is formed so as to reflect incident light as reflected light parallel to the incident light.
【The invention's effect】
[0013]
According to the first aspect of the present invention, the outgoing light output from the semiconductor laser can be split by the feedback light incident portion, and the split feedback light can be incident on the semiconductor laser. Then, the phase adjustment mechanism causes the semiconductor laser to enter feedback light whose polarization direction coincides with the polarization direction (generally, the TE direction) of the oscillation light of the semiconductor laser at a timing slightly earlier than the timing at which the semiconductor laser starts laser oscillation. be able to. Then, due to the influence of the incident feedback light, the excited carriers immediately before laser oscillation can be increased, and the carriers lost by the enhanced spontaneous emission light can be compensated. Accordingly, fluctuations in carrier density immediately before oscillation can be prevented and the oscillation rise time can be made constant, so that variations in timing at which short light pulses rise (timing jitter) can be suppressed. In addition, the carrier that has fluctuated due to the randomly generated enhanced spontaneous emission light can be compensated for in the semiconductor laser simply by entering the feedback light, so the oscillation timing is caused by fluctuations in the voltage state supplied from the light emission control unit. This is determined by the combined factors of the fluctuation of the current state to be excited and the excitation carrier injection by the trigger of the feedback light that has already returned, and the temporal averaging effect works, so that the effect of suppressing the timing jitter is enhanced. Further, since the feedback light split from the output outgoing light is incident on the semiconductor laser, the wavelength of the feedback light and the wavelength of the light oscillated in the semiconductor laser coincide. This eliminates the need for a wavelength adjusting device or the like for adjusting the wavelength of the feedback light before entering the semiconductor laser, so that the structure of the device can be made simple and compact, and can be manufactured at low cost. Since the polarization direction of the feedback light coincides with the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser (generally, the TE direction), the number of excited carriers immediately before laser oscillation can be controlled regardless of the spontaneous emission light. And the carrier lost by the enhanced spontaneous emission light can be reliably compensated. Accordingly, fluctuations in carrier density immediately before oscillation can be prevented and the oscillation rise time can be made constant, so that timing jitter can be suppressed.
According to the second aspect of the present invention, the feedback light incident portion can split the emitted light output from the semiconductor laser and cause the split feedback light to enter the semiconductor laser. Then, the phase adjustment mechanism causes the semiconductor laser to enter feedback light whose polarization direction coincides with the polarization direction (generally, the TE direction) of the oscillation light of the semiconductor laser at a timing slightly earlier than the timing at which the semiconductor laser starts laser oscillation. be able to. Then, due to the influence of the incident feedback light, the excited carriers immediately before laser oscillation can be increased, and the carriers lost by the enhanced spontaneous emission light can be compensated. Accordingly, fluctuations in carrier density immediately before oscillation can be prevented and the oscillation rise time can be made constant, so that variations in timing at which short light pulses rise (timing jitter) can be suppressed. In addition, the carrier that has fluctuated due to the randomly generated enhanced spontaneous emission light can be compensated for in the semiconductor laser simply by entering the feedback light, so the oscillation timing is caused by fluctuations in the voltage state supplied from the light emission control unit. This is determined by the combined factors of the fluctuation of the current state to be excited and the excitation carrier injection by the trigger of the feedback light that has already returned, and the temporal averaging effect works, so that the effect of suppressing the timing jitter is enhanced. Further, since the feedback light split from the output outgoing light is incident on the semiconductor laser, the wavelength of the feedback light and the wavelength of the light oscillated in the semiconductor laser coincide. This eliminates the need for a wavelength adjusting device or the like for adjusting the wavelength of the feedback light before entering the semiconductor laser, so that the structure of the device can be made simple and compact, and can be manufactured at low cost. If the feedback light can be fed back to the time position of 20 to 200 ps immediately before the pulse oscillation, the timing jitter can be efficiently and reliably suppressed by the feedback light regardless of the pulse of any cycle number.
According to the third aspect of the present invention, the feedback light incident portion can split the emitted light output from the semiconductor laser and cause the split feedback light to enter the semiconductor laser. Then, the phase adjustment mechanism causes the semiconductor laser to enter feedback light whose polarization direction coincides with the polarization direction (generally, the TE direction) of the oscillation light of the semiconductor laser at a timing slightly earlier than the timing at which the semiconductor laser starts laser oscillation. be able to. Then, due to the influence of the incident feedback light, the excited carriers immediately before laser oscillation can be increased, and the carriers lost by the enhanced spontaneous emission light can be compensated. Accordingly, fluctuations in carrier density immediately before oscillation can be prevented and the oscillation rise time can be made constant, so that variations in timing at which short light pulses rise (timing jitter) can be suppressed. In addition, the carrier that has fluctuated due to the randomly generated enhanced spontaneous emission light can be compensated for in the semiconductor laser simply by entering the feedback light, so the oscillation timing is caused by fluctuations in the voltage state supplied from the light emission control unit. This is determined by the combined factors of the fluctuation of the current state to be excited and the excitation carrier injection by the trigger of the feedback light that has already returned, and the temporal averaging effect works, so that the effect of suppressing the timing jitter is enhanced. Further, since the feedback light split from the output outgoing light is incident on the semiconductor laser, the wavelength of the feedback light and the wavelength of the light oscillated in the semiconductor laser coincide. This eliminates the need for a wavelength adjusting device or the like for adjusting the wavelength of the feedback light before entering the semiconductor laser, so that the structure of the device can be made simple and compact, and can be manufactured at low cost. Even if the frequency of the emitted light is changed, if the feedback optical path length is set to an integral multiple of the frequency period that is the greatest common divisor of multiple frequencies, pulse oscillation in a pulse with any cycle number Since the feedback light can be fed back to the time position of 20 to 200 ps immediately before, the timing jitter can be surely suppressed at each frequency, and there is no need to reset the optical path length of the feedback light. The frequency change becomes easier.
According to the invention of claim 4, since the polarization direction of the feedback light coincides with the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser (generally, the TE direction), the number of excited carriers immediately before the laser oscillation is determined as the spontaneous emission light. The carrier lost by the enhanced spontaneous emission light can be reliably compensated. Accordingly, fluctuations in carrier density immediately before oscillation can be prevented and the oscillation rise time can be made constant, so that timing jitter can be suppressed.
According to the fifth aspect of the present invention, the distance by which the feedback light travels until it enters the semiconductor laser can be adjusted by the feedback light adjustment unit, so the timing at which the feedback light enters the semiconductor laser is adjusted. be able to. In addition, since feedback light whose polarization direction coincides with the oscillation direction (generally, the TE direction) can be incident on the semiconductor laser, fluctuations in carrier density immediately before oscillation can be prevented, and the oscillation rise time can be made constant. Therefore, timing jitter can be suppressed.
According to the invention of claim 6, if a fiber delay line whose feedback delay time is a little shorter than an integral multiple of the period of the repetition frequency of the emitted light is used as the fiber delay line for transmitting the feedback light, the semiconductor laser is laser-oscillated. Since the feedback light can be incident on the semiconductor laser at a timing slightly earlier than the timing at which the laser beam starts, the number of excitation carriers immediately before laser oscillation in the semiconductor laser is not affected by the spontaneous emission light due to the influence of the incident feedback light. It can be controlled and compensated for lost carriers with enhanced spontaneous emission light. Moreover, the light split by the spectroscopic unit, that is, the polarization direction of the feedback light is held the same as the polarization direction of the outgoing light, and the fiber delay line is formed by the polarization holding fiber, so that the feedback light The polarization direction can be matched with the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser.
According to the seventh aspect of the present invention, the outgoing light is dispersed by the partial reflection mirror, and the reflected light reflected by the surface of the partial reflection mirror is directly incident on the semiconductor laser as the feedback light. That is, since the feedback light can be incident on the semiconductor laser only by the partial reflection mirror, the structure of the feedback light incident part can be simplified, and the structure of the apparatus can be made simpler and more compact. Moreover, since the reflected light does not pass through other substances other than air, the polarization direction of the reflected light is maintained as the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser. Therefore, the polarization direction of the feedback light can be matched with the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser.
According to the eighth aspect of the present invention, since the distance traveled until the feedback light enters the semiconductor laser can be adjusted by the phase adjusting means, the timing at which the feedback light enters the semiconductor laser is adjusted. Can do.
According to the ninth aspect of the invention, since the outgoing light reflecting portion can be moved closer to or away from the semiconductor laser by the moving means, the optical path length of the feedback light is changed until it is reflected by the partial reflection mirror and returns to the semiconductor laser. And the phase of the laser beam can be adjusted. For this reason, since the return timing of the return light can be easily adjusted largely by moving the outgoing light reflection part slightly, the return light incident part can be made compact.
According to the tenth aspect of the invention, the outgoing light is reflected and folded a plurality of times in the outgoing light reflecting portion, in other words, the reflected light is also reflected a plurality of times. The optical path length of light and its adjustment range can be lengthened, and the frequency range in which the feedback timing of feedback light can be adjusted can be widened.
According to the eleventh aspect of the invention, the return timing of the return light can be easily adjusted by moving the one reflection portion relative to the other reflection portion by the reflection portion moving mechanism.
According to the invention of claim 12, since the plurality of reflection sets are provided, the optical path length of the return light can be increased. In addition, the light incident on each reflecting portion is arranged so as to be parallel to each other, and the outgoing light reflecting surface of each reflecting portion reflects the incident light as reflected light parallel to the incident light. Thus, if one of the plurality of reflection portions is moved simultaneously, the feedback timing of the return light can be changed greatly even if the amount of movement of one reflection portion is reduced. Then, the adjustable width of the feedback timing can be easily adjusted simply by changing the number of reflection sets.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0014]
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
The short light pulse generator of the present invention is a device for intermittently generating a light pulse having a short emission time (hereinafter simply referred to as a short light pulse) using a semiconductor laser, and is output from the semiconductor laser. It is characterized in that the dispersion of the timing at which the short light pulse rises is suppressed by dispersing the emitted light and making the dispersed feedback light incident on the semiconductor laser.
The semiconductor laser used in the present invention may be a laser in which an active material is formed of a semiconductor, such as a current injection type semiconductor laser that obtains an inversion distribution by injection excitation by a pn junction, or carriers generated by external light excitation. There is no particular limitation as long as laser oscillation by stimulated emission occurs, such as an optically pumped semiconductor laser, an InGaAsP / InGaAsP-MQW-DFB laser, a GaAs / GaAsA1-MQW-laser, a surface emitting laser, etc. . In particular, a laser that can be modulated at high speed and does not fluctuate much in output wavelength is more preferable.
Furthermore, there are no particular limitations on the output light emitted from the semiconductor laser and the transmission medium for propagating the feedback light. However, if the transmission medium is in air or vacuum, the polarization direction of the emitted light, that is, oscillation of the semiconductor laser. This is preferable because the deviation of the polarization direction of the feedback light with respect to the polarization direction of the light (generally, the TE direction) can be suppressed. Using an optical fiber is easy to handle, but there is a possibility that a deviation of the polarization direction of the feedback light from the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser (generally, the TE direction) may occur during transmission through the optical fiber. Therefore, it is preferable to use a polarization maintaining fiber (for example, a PANDA fiber) because polarization of light traveling in the optical fiber is maintained.
Now, the short light pulse generator 1 of this embodiment will be described.
First, a mechanism for generating a short optical pulse in the short optical pulse generator 1 of the present embodiment will be briefly described.
FIG. 1 is a block diagram of a short optical pulse generator 1 according to this embodiment. In the figure, reference numeral 10 denotes a light emission control unit that supplies power to the semiconductor laser 20. The light emission control unit 10 includes a DC power source 11 and a modulator 12 electrically combined with the DC power source 11 by a bias T. The modulator 12 modulates the DC voltage of the DC power supply 11 and can modulate it to an applied voltage (V (t)) (for example, 2.5 GHz) having a desired modulation frequency (see FIG. 5). .
For this reason, when a voltage is applied to the semiconductor laser 20 from the DC power source 11 of the light emission control unit 10, oscillation due to relaxation oscillation occurs in the semiconductor laser 20 with fluctuations in the applied voltage V (t), and oscillation due to this relaxation oscillation. As a result, laser oscillation is started, and a sharp spike-like short light pulse with a sharp rise of the light intensity A (t) is output from the semiconductor laser 20 in the vicinity of the timing when the applied voltage V (t) reaches the maximum value. (See FIG. 5).
In addition, the applied voltage V (t) fluctuates at a desired modulation frequency, and the semiconductor laser 20 repeatedly oscillates at the same frequency as this modulation frequency. Therefore, it is possible to repeatedly output a short light pulse at a desired frequency. (See FIG. 5 (IV)).
[0017]
That is, in the short light pulse generation device 1 of the present embodiment, by applying a periodically varying voltage from the light emission control unit 10 to the semiconductor laser 20, oscillation due to relaxation oscillation is intermittently generated in the semiconductor laser 20. The so-called gain switching method is used to intermittently generate short light pulses in the semiconductor laser 20.
[0018]
The light emission control unit 10 is not limited to the above configuration, and may be any configuration that can apply a periodically varying voltage to the semiconductor laser 20.
Furthermore, the light emission control unit 10 is not limited to a configuration that oscillates the semiconductor laser 20 by applying a voltage, and may be any configuration that can oscillate the semiconductor laser 20, and an optimal configuration according to the semiconductor laser to be used. Should be adopted.
Furthermore, the light emission control unit 10 is not limited to intermittently generating short light pulses in the semiconductor laser 20 using the gain switching method, but intermittently generates short light pulses using oscillation due to relaxation oscillation. There is no particular limitation as long as it can be performed.
[0019]
Next, the feedback light incident part 50 which is a feature of the short light pulse generator 1 of the present embodiment will be described.
FIG. 1 is a block diagram of a short optical pulse generator 1 that employs a feedback light incident unit 50. In the figure, reference numeral 51 denotes an input side conversion unit that converts outgoing light that is incident on the feedback light incident unit 50 from the transmission medium F into parallel light. Reference numeral 52 denotes an output side conversion unit that enters the outgoing light converted into parallel light into the output transmission medium FO. The input side conversion unit 51 and the output side conversion unit 52 include, for example, a lens that can collect the emitted light, but the input side conversion unit 51 only needs to convert the emitted light into parallel light. Moreover, the output side conversion part 52 should just be able to enter the emitted light into the output transmission medium FO, and the structure is not specifically limited.
A fiber may be used as the transmission medium F. However, when the outgoing light is configured to be directly incident on the input side conversion unit 51, the light travels between the semiconductor laser 20 and the input side conversion unit 51. The polarization direction of the emitted light can be prevented from rotating.
Furthermore, if the semiconductor laser 20 can emit parallel light, the input side converter 51 may not be provided.
[0020]
As shown in FIG. 1, a spectroscopic unit 55 including a partial reflection mirror 56 is provided between the input side conversion unit 51 and the output side conversion unit 52 on a path along which outgoing light travels. The partial reflection mirror 56 is, for example, a vertical mirror set with a desired reflectance (transmittance), and a part of the emitted light emitted from the semiconductor laser 20 is transmitted as it is, and the remaining light is transmitted. It reflects on its surface. In the partial reflection mirror 56, light reflected on the surface (hereinafter referred to as feedback light) travels toward the input side conversion unit 51 through the same path as the emitted light and returns to the semiconductor laser 20. The transmitted light that has been transmitted is arranged so as to travel toward the output side conversion unit 52.
[0021]
For this reason, the reflected light reflected by the partial reflection mirror 56 passes through the input side conversion unit 51 and the transmission medium F and enters the semiconductor laser 20 as feedback light.
If an isolator 57 is provided between the partial reflection mirror 56 and the output side conversion unit 52, light enters the partial reflection mirror 56, that is, the semiconductor laser 20 from the outside through the output side conversion unit 52. Can be prevented. If the isolator 57 is installed close to the partial reflection mirror 56, disturbance from the outside can be prevented. As this isolator 57, for example, a one-stage isolator that shields incident external light to −30 dB (0.1%) or less, and a two-stage isolator that shields to −60 dB or less are suitable.
[0022]
The partial reflection mirror 56 outputs from the semiconductor laser 20 the time during which the light travels twice the distance from the surface to the semiconductor laser 20 along the traveling path of the emitted light (hereinafter referred to as a reflection feedback optical path length). It is arranged to be slightly shorter than an integral multiple of the pulse interval of the emitted light.
For this reason, if the reflected feedback optical path length is adjusted, for example, the feedback light is incident on the semiconductor laser 20 in the period from the start of laser oscillation and the period from 20 to 200 [ps] immediately before the timing. Since the number of excited carriers immediately before laser oscillation in the semiconductor laser 20 can be controlled by the influence of the incident feedback light regardless of the spontaneous emission light, carriers lost by the enhanced spontaneous emission light can be compensated.
In other words, the time from when the semiconductor laser 20 emits the emitted light until it is reflected by the partial reflection mirror 56 and incident on the semiconductor laser 20 as feedback light (hereinafter referred to as feedback delay time) By adjusting the reflection feedback optical path length so as to be 20 to 200 ps shorter than the integral multiple of the repetition period of pulsed emission of light, that is, by adjusting the position of the partial reflection mirror 56, the influence of the feedback light Carriers lost by enhanced spontaneous emission can be compensated.
[0023]
Here, when the influence of the polarization direction of the feedback light on the timing jitter at the timing when the feedback light is incident on the semiconductor laser 20 is examined, the polarization direction of the emitted light, that is, the laser oscillation direction of the semiconductor laser 20 (hereinafter referred to as the laser oscillation direction). If the deviation with respect to the TE direction is larger than ± 12 degrees, the effect of controlling the number of excited carriers contributing to oscillation cannot be obtained even when feedback light is incident on the semiconductor laser 20 at the timing as described above, and timing jitter On the contrary, the light emission pulse is disturbed (see FIG. 12).
However, according to the feedback light incident section 50 as described above, the feedback light is only a part of the emitted light emitted from the semiconductor laser 20 reflected by the surface of the partial reflection mirror 56, and the transmission medium F Since the part other than the input side conversion unit 51 travels in the air, that is, the medium in which the polarization direction does not change, the deviation of the polarization direction of the feedback light with respect to the TE direction at the timing of entering the semiconductor laser 20 becomes very small. It can be held at ± 12 degrees or less. In particular, if the emitted light is directly incident on the input side conversion unit 51, the feedback light travels almost in the air. Therefore, the polarization direction of the feedback light is the polarization direction of the emitted light, that is, the laser oscillation direction of the semiconductor laser 20. Can be almost matched. In addition, if a medium whose polarization direction does not change is used for the transmission medium F and the input side conversion unit 51, the direction of laser oscillation of the semiconductor laser 20 can be made to be more nearly coincident.
[0024]
Therefore, according to the feedback light incident unit 50 of the present embodiment, the timing at which the feedback light is incident on the semiconductor laser 20 is adjusted, and the deviation of the polarization direction of the feedback light with respect to the TE direction is within a predetermined range. Can be suppressed. Therefore, fluctuations in carrier density immediately before laser oscillation of the semiconductor laser 20 can be prevented and the oscillation rise time can be made constant, so that timing jitter of the emitted light can be suppressed.
In addition, it is possible to compensate the semiconductor laser 20 for the excited carriers that have fluctuated due to the randomly generated enhanced spontaneous emission light simply by making the feedback light dispersed from the emitted light incident on the semiconductor laser 20. Therefore, the oscillation timing is determined by the combined factor of the current state fluctuation caused by the fluctuation of the voltage state supplied from the light emission control unit 10 and the excitation carrier injection by the trigger of the feedback light that has already returned, Since the time average effect works, the effect of suppressing the timing jitter is enhanced.
[0025]
Further, since the feedback light split from the output outgoing light is incident on the semiconductor laser, the wavelength of the feedback light and the wavelength of the light oscillated in the semiconductor laser coincide. This eliminates the need for a wavelength adjusting device or the like that adjusts the wavelength of the feedback light before entering the semiconductor laser 20, so that the structure of the device can be made simple and compact, and can be manufactured at low cost. .
[0026]
Furthermore, if the spectroscopic unit 55 is provided with a spectroscopic unit moving unit having a micrometer (not shown) that moves the partial reflection mirror 56 close to and away from the semiconductor laser 20 along the optical axis of the emitted light, the reflected feedback optical path The length can be changed freely. In other words, the feedback delay time can be adjusted. Then, when outputting the outgoing light from the semiconductor laser 20 at a plurality of frequencies, if the partial reflection mirror 56 is moved, an optimum reflection feedback optical path length is set for each frequency to adjust the reflection delay time. Therefore, timing jitter can be suppressed at almost all frequencies.
[0027]
When the semiconductor laser 20 is output at a plurality of frequencies, the partial reflection mirror 56 may be moved as described above to set an optimum reflection feedback optical path length for each frequency. The reflection feedback optical path length is set to a length that is 20 to 100 ps shorter than the integer multiple of the frequency (fundamental frequency) that becomes the greatest common divisor of a plurality of frequencies after the first time is incident on the semiconductor laser 20. This is preferable because timing jitter can be suppressed at a plurality of frequencies without moving the partial reflection mirror 56.
For example, when output light is output from the semiconductor laser 20 at 1.5 GHz, 3 GHz, 4.5 GHz, and 6 GHz, the length becomes 20 to 100 ps shorter than an integral multiple of the period of 1.5 GHz that is the greatest common divisor. The reflection feedback optical path length may be set.
As shown in FIG. 7, if the reflected feedback optical path length is adjusted to be slightly shorter than, for example, twice the fundamental frequency, the feedback light dispersed from the generated first emitted light is passed through the phase adjustment unit 40. Since it is fed back to the semiconductor laser 20 at the timing immediately before the output of the 4th emitted light generated after the first 3 cycles as the 1 ′ emitted light via, the fluctuation of the timing at which the laser oscillation is started is adjusted. .
When the frequency of the emitted light is doubled, the period is halved, but the 1'th emitted light is returned to the semiconductor laser 20 immediately before the output of the seventh emitted light, and the laser at that time The fluctuation of the timing to start oscillation is adjusted. In other words, the number of the outgoing light that gives the timing jitter suppression effect by the feedback light changes, but the cycle in which the feedback light is returned only shifts, so that the feedback light can be incident immediately before the output of all the outgoing lights. . The relative time difference (feedback timing) [ps] between the timing at which the feedback light is incident and the timing at which the emitted light is output does not vary as long as it is an integral multiple of the fundamental frequency. Therefore, if the amount of time delay satisfies the suppression condition at a certain frequency, the timing jitter can be automatically suppressed to be an integer multiple of that frequency.
[0028]
Furthermore, when the plurality of frequencies for emitting the emitted light are all frequencies lower than 4 GHz, the reflected feedback optical path length is an integer multiple of the period of the frequency (fundamental frequency) that is the greatest common divisor of the plurality of frequencies. The length may be set to be shorter by 20 to 200 ps. However, when a plurality of frequencies includes a frequency higher than 4 GHz, that is, when there is a possibility that outgoing light may be emitted at a cycle shorter than 250 ps, for example, 7 GHz. Or, when there is a possibility of emitting outgoing light at a frequency of 10 GHz, the reflected feedback optical path length is set to 20 to 100 ps before an integer multiple of the frequency (fundamental frequency) that becomes the greatest common divisor of a plurality of frequencies. During this period, feedback light may be incident on the semiconductor laser 20.
[0029]
In addition, a phase adjusting unit may be provided between the partial reflection mirror 56 and the input side conversion unit 51.
In FIG. 2, reference numeral 61 indicates a corner reflector of the phase adjusting means. The corner reflector 61 is arranged so that the outgoing light is reflected by the two inner surfaces and then incident on the partial reflection mirror 56. The outgoing light reflected by the corner reflector 61 and travels toward the partial reflection mirror 56. Are arranged so as to be parallel to the optical axis of the outgoing light traveling from the input side conversion unit 51 toward the corner reflector 61.
Further, the phase adjusting means is provided with a moving unit having a micrometer (not shown) or the like that moves the corner reflector 61 along the optical axis of the emitted light so as to approach and separate the semiconductor laser 20.
[0030]
For this reason, if the outgoing light output from the semiconductor laser 20 enters the corner reflector 61, the outgoing light is reflected by the two inner surfaces of the corner reflector 61, so that the outgoing light can enter the partial reflection mirror 56. it can. The feedback light reflected by the partial reflection mirror 56 is reflected on the same path as the outgoing light, that is, the two inner surfaces of the corner reflector 61 and then enters the input side conversion unit 51. The light can enter the semiconductor laser 20 through F.
Moreover, when the laser light is reflected using the corner reflector 61, no polarization rotation occurs in the laser light, so that the polarization of the feedback light is between the corner reflector 61, the partial reflection mirror 56, and the input side conversion unit 51. Since there is no need to provide a device for adjusting the direction, the configuration of the device can be made simple and compact.
[0031]
Furthermore, if the corner reflector 61 is moved by the moving unit, the distance that the feedback light travels between the partial reflection mirror 56 and the input side conversion unit 51, in other words, the feedback delay time can be adjusted. Then, the optical axis of the outgoing light that is reflected by the inner surface of the corner reflector 61 and travels toward the partial reflection mirror 56 is parallel to the optical axis of the outgoing light that travels from the input side conversion unit 51 toward the corner reflector 61. Therefore, if the corner reflector 61 is moved closer to or away from the semiconductor laser 20 by the moving unit (in the direction of arrow a in FIG. 2), the reflected feedback optical path length is slightly moved by the corner reflector 61. Can be adjusted greatly.
Specifically, when the corner reflector 61 is moved by the moving distance L by the moving unit, the reflected feedback optical path length changes four times the moving distance L (see FIG. 3). For this reason, the return light incident part 50 can be comprised compactly.
The corner reflector 61 and the two inner surfaces are an outgoing light reflecting portion and an outgoing light reflecting surface as defined in the claims.
[0032]
In addition, instead of the corner reflector 61, a prism such as a corner cube prism may be adopted as the outgoing light reflecting portion, and the direction in which the outgoing light is incident on the prism and the direction in which the outgoing light is emitted from the prism are used. In the relationship, there is no particular limitation as long as the polarized light is not rotated in the reflected light even if the prism is installed somewhat obliquely.
Furthermore, the outgoing light reflecting portion includes an outgoing light reflecting surface that reflects outgoing light, and can be incident on the partial reflection mirror 56 after the incident outgoing light is reflected by the outgoing light reflecting surface. I just need it.
[0033]
Further, the phase adjusting means may have the following configuration.
In FIG. 4, the code | symbol 71 has shown the reflection set of the emitted light reflection part. The reflection set 71 includes a fixed reflection portion 72 whose movement is fixed with respect to the semiconductor laser, and a movement reflection portion 73 which is moved closer to and away from the fixed reflection portion 72. In FIG. An example in which a set of reflection sets 71 is provided is shown.
[0034]
As shown in FIG. 4, the fixed reflecting portion 72 and the moving reflecting portion 73 are, for example, the above-described corner reflectors and the like, and the emitted light emitted from the semiconductor laser 20 is reflected by the first reflecting set 71 (in FIG. 4). The outgoing light incident on the moving reflecting portion 73 of the lower reflective set is reflected by the outgoing light reflecting surface in a direction parallel to the traveling direction of the outgoing light to become reflected light, and this reflected light enters the fixed reflecting portion 72. Then, the reflected light incident on the fixed reflecting portion 72 is reflected in a direction parallel to the traveling direction, and is incident on the moving reflecting portion 73 of the second reflecting set 71 (upper reflecting set in FIG. 4). It is comprised so that it may inject as.
In addition, the light incident as the incident light on the movable reflecting portion 73 of the second reflection set 71 is reflected in the direction parallel to the traveling direction by the outgoing light reflecting surface and becomes reflected light, and this reflected light is fixedly reflected. The reflected light that is incident on the portion 72 and is incident on the fixed reflection portion 72 is reflected in a direction parallel to the traveling direction and is incident on the partial reflection mirror 56.
[0035]
For this reason, in the outgoing light reflecting portion, the outgoing light is reflected a plurality of times by the two reflection sets 71. In other words, the feedback light is also reflected a plurality of times. The length can be increased.
In addition, the distance between the fixed reflecting portion 72 and the moving reflecting portion 73 of the first reflecting set 71 may be adjusted separately and independently, and the distance between the fixed reflecting portion 72 and the moving reflecting portion 73 of the second reflecting set 71 may be adjusted independently. Since this is possible, the frequency range in which the feedback timing of the feedback light in each set can be adjusted can be widened. Then, a reflection part moving mechanism (not shown) provided with a micrometer or the like is provided in the outgoing light reflection part, and the movable reflection part 73 of each reflection set 71 is moved along the traveling direction of the outgoing light emitted from the semiconductor laser 20. If it is possible, the moving reflecting portion 73 can be moved closer to and away from the fixed reflecting portion 72 by the reflecting portion moving mechanism, in other words, it can be moved with respect to the semiconductor laser 20 (in FIG. Direction) and reflected return optical path length can be freely and easily adjusted.
[0036]
In particular, as shown in FIG. 4, if the moving reflecting portions 73 in the two sets of reflecting sets 71 are arranged on, for example, one table T and the table T is moved by the reflecting portion moving mechanism, the table T Even if the movement amount a is small, the reflected feedback optical path length can be changed greatly. Therefore, even if the phase adjustment unit is configured compactly, the adjustment range of the feedback timing of the feedback light can be increased.
[0037]
Note that the number of the reflection sets 71 provided in the outgoing light reflection section is not limited to two sets, and three or more sets may be provided. If the number of the reflection sets 71 is increased, the reflection feedback optical path length can be increased. The adjustment width of the reflected feedback optical path length can also be made longer. In particular, if the moving reflecting portions 73 in the plurality of reflecting sets 71 are arranged on one table T and the table T is moved by the reflecting portion moving mechanism, the reflection feedback is achieved even if the moving amount of the table T is reduced. The optical path length can be changed greatly. Specifically, assuming that the number of reflection sets 71 is n, the reflection feedback optical path length changes by 4 nL times when the table T moves by a distance L.
Furthermore, when a plurality of reflection sets 71 are provided, a moving unit that moves all the reflection sets 71 close to and away from the semiconductor laser 20 together with the spectroscopic unit 55 may be provided. Since the reflection feedback optical path length can be adjusted by both of the reflection unit moving mechanisms, the adjustment range of the reflection feedback optical path length can be further expanded, and fine adjustment is also possible.
[0038]
Next, another feedback light incident part 30 will be described.
As shown in FIG. 13, the feedback light incident unit 30 splits the emitted light emitted from the semiconductor laser 20, and enters the dispersed light (hereinafter referred to as feedback light) into the semiconductor laser. A spectroscopic unit 31 that splits the feedback light from the incident light and an incident unit 35 that makes the feedback light incident on the semiconductor laser 20 are provided.
[0039]
A transmission medium F that supplies outgoing light to the spectroscopic unit 31 is provided between the semiconductor laser 20 and the spectroscopic unit 31 of the feedback light incident unit 30, and the outgoing light passes through the transmission medium F to the spectroscopic unit 31. It is configured to be incident.
The spectroscopic unit 31 is, for example, a fiber coupler, and includes an input port 31a connected to the transmission medium F, a feedback port 31b connected to the incident unit 35, and an output port 31c connected to the output transmission medium FO. The light input from the input port 31a can be dispersed at a predetermined ratio and output from the feedback port 31b and the output port 31c. The polarization direction of the outgoing light and the split light Are configured to be the same.
[0040]
The spectroscopic unit 31 includes three ports having the above-described functions and a spectroscope that splits the outgoing light input from the input port into two, and the polarized light of the outgoing light and the split light. If it is comprised so that a direction may become the same, there will be no limitation in particular. For example, as a spectroscope, it is preferable to use a partially reflecting mirror coated on a 45 degree prism or a vertical mirror having a desired reflectance (transmittance) set.
Furthermore, the number of ports included in the spectroscopic unit 31 is not limited to three, and a configuration in which light input from one input port is output from two or more output ports may be employed. In this case, the spectroscope may be configured to supply each output light to each output port.
[0041]
In addition, as shown in FIG. 1, an incident portion 35 is interposed in the transmission medium F between the semiconductor laser 20 and the feedback light incident portion 30. The incident part 35 is connected to the A port 35a where the outgoing light is incident, the B port 35b for supplying the outgoing light incident from the A port 35a to the spectroscopic part 31, and the feedback port 31b of the spectroscopic part 31. A C port 35c into which the supplied feedback light is incident is provided.
Further, between the A port 35a and the B port 35b, both ports are connected, and an optical isolator function is provided that prevents the emitted light from being reflected between the two ports and bounced back to the A port 35a. An outgoing optical passage 36 is provided.
Further, a return optical path 37 having a function of allowing the return light incident from the C port to pass through the A port is provided between the A port 35a and the C port 35c.
[0042]
For this reason, the feedback light incident part 30 passes the outgoing light supplied from the semiconductor laser 20 via the transmission medium F in order of the outgoing optical path 36, the B port, and the transmission medium F from the A port of the incident part 35. The light can be supplied to the spectroscopic unit 31.
Of the light split by the spectroscopic unit 31, the output light can be supplied to the outside via the output port 31c of the spectroscopic unit 31 and the output transmission medium FO.
On the other hand, the feedback light can be supplied from the feedback port 31 b of the spectroscopic unit 31 to the C port of the incident unit 35, and can be supplied to the A port through the feedback optical path 37 of the incident unit 35. Then, since the feedback light can be supplied from the A port to the transmission medium F, the feedback light, that is, a part of the emitted light can be returned to the semiconductor laser 20 that has output the emitted light.
As shown in FIG. 1, a phase adjusting means 40 is provided between the feedback port 31 b of the spectroscopic unit 31 and the C port of the incident unit 35 to connect both. This phase adjusting means 40 is the optical path length of the feedback light between the feedback port 31b of the spectroscopic unit 31 and the C port of the incident unit 35, that is, the optical path length of the feedback light between the spectroscopic unit 31 and the semiconductor laser 20 ( Hereinafter, the return optical path length) is adjusted. In other words, the time (hereinafter referred to as the delay time) for the feedback light to move from the spectroscopic unit 31 to the semiconductor laser 20 is adjusted.
This phase adjusting means 40 is composed of a plurality of fiber delay lines 41 having different lengths, and switches the feedback light to the fiber delay line 41 connecting the feedback port 31b of the spectroscopic unit 31 and the C port of the incident unit 35. It is configured to be able to. The fiber delay line 41 is formed by a polarization maintaining fiber.
For this reason, the feedback optical path length has a delay time slightly shorter than an integral multiple of the period of the outgoing light repetition frequency output from the semiconductor laser 20, so that the feedback port 31 b of the spectroscopic unit 31 and the C of the incident unit 35 are reduced. If the ports are connected, the feedback light can be incident on the semiconductor laser 20 via the incident portion 35 at a timing slightly earlier than the timing at which the semiconductor laser 20 starts laser oscillation. In addition, the fiber delay line 41 is a polarization-maintaining fiber, and the spectroscopic unit 31 is configured so that the outgoing light and the split light, that is, the polarization direction of the feedback light is the same. Since the polarization direction can be made incident on the semiconductor laser 20 with the same polarization direction as that of the oscillation light of the semiconductor laser, or at least within ± 12 degrees with respect to the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser. is there.
[0044]
Note that the spectral ratio of light in the spectroscopic unit 31 of the feedback light incident unit 30 is preferably about the feedback light 3 with respect to the output light 7, but the carrier is excited when the feedback light is incident on the semiconductor laser 20. There is no particular limitation as long as it can be achieved.
Furthermore, if the repetition frequency of the emitted light output from the semiconductor laser 20 is constant, even one fiber delay line 41 whose delay time is adjusted to a length that is slightly shorter than an integral multiple of the frequency period is used. Good.
[0045]
Next, examples of the short optical pulse generator 1 of the present embodiment will be described.
In the following, time variations of short light pulses output from the semiconductor laser were compared between (a) when feedback light was incident (Example) and (b) when no feedback light was incident (Comparative Example).
[0046]
FIG. 8 is a graph in which waveforms of short light pulses output from the semiconductor laser are superimposed, (a) a graph of the example, and (b) a graph of the comparative example. The horizontal axis of the graph indicates time [ps] from the time (hereinafter referred to as the reference time) when the voltage applied to the semiconductor laser is minimum, and the vertical axis is the light intensity. The feedback optical path length was set to a length that makes the delay time 20 to 100 ps shorter than an integral multiple of the period of the emitted light.
[0047]
As shown in the figure, in the short light pulse of the comparative example, the time fluctuation of the light intensity fluctuation from the reference time varies greatly for each light pulse, and it can be confirmed that the time fluctuation of the short light pulse is very large. .
On the other hand, the laser light of the example has a smaller dispersion of the short light pulse to be output compared to the laser light of the comparative example, and the short light pulse shows a constant light intensity fluctuation from the reference time. Recognize.
For this reason, it is understood that when feedback light is incident, the temporal fluctuation of the short light pulse is extremely stabilized.
[0048]
FIG. 9 is a graph showing the distribution of rise and fall timing fluctuations when the light intensity of a short light pulse exceeds a predetermined value, (a) the distribution of the embodiment, and (b) the comparison example. Distribution. The horizontal axis of the graph indicates time [ps] from the reference time, and the vertical axis indicates the number of short light pulses exceeding a predetermined value at each time. The feedback optical path length was set to a length that makes the delay time 20 to 100 ps shorter than an integral multiple of the period of the emitted light.
[0049]
As shown in the figure, in the comparative example, the timing at which the short light pulse exceeds a predetermined value is greatly distributed, and the time fluctuation of the short light pulse is so large that it cannot be ignored compared to the short light pulse time width. Can be confirmed.
On the other hand, in the embodiment, it is confirmed that the spread of the timing at which the short light pulse exceeds a predetermined value is very narrow, and the time fluctuation of the short light pulse is very small.If the return optical path length is as described above, It can be seen that the temporal fluctuation of the short light pulse can be dramatically suppressed.
[0050]
FIG. 10 is a diagram illustrating the relationship between the timing delay amount of the feedback light and the timing jitter amount in the embodiment. The horizontal axis of the graph represents the relative time (feedback timing) [ps] of the timing at which the feedback light is fed back with respect to the rising timing of the short optical pulse, and the vertical axis represents the pulse jitter (time fluctuation) value [ps]. The repetition frequency of the laser light is 2.5 GHz, and one cycle is about 400 ps.
As shown in the figure, when the feedback light is incident in the period before about 200 ps from the rising timing of the short optical pulse, the timing jitter is suppressed to be small, and the region where the timing jitter suppression effect is high is quite wide. Can be confirmed. In other words, it can be seen that the adjustment of the delay time for entering the feedback light has a wide range and appears periodically, and therefore does not need to be performed so strictly.
[0051]
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the output frequency of emitted light and the amount of timing jitter. The pulse repetition frequency [GHz], and the vertical axis represents the pulse jitter (time fluctuation) value [ps]. Note that the feedback optical path length of the phase adjusting unit is set to a length that makes the delay time 20 to 100 ps shorter than an integral multiple of the period of the reference frequency with 1 GHz as the reference frequency.
As shown in the figure, the timing jitter amount can be suppressed to be low at a plurality of frequencies, but it can be seen that it is always in a good state especially at a frequency that is an integral multiple of 1.5 to 1.8 GHz. As a result, when output light is output at a plurality of frequencies such as 1.5 GHz, 3 GHz, 4.5 GHz, and 6 GHz, the feedback optical path length can be suppressed so that the timing jitter amount can be suppressed at the basic frequencies of the plurality of frequencies. If adjusted, it can be seen that the timing jitter amount is suppressed with the same feedback optical path length at all repetition frequencies. That is, if the feedback optical path length is adjusted at the fundamental frequency, it is not necessary to readjust the feedback optical path length even if the frequency at which the outgoing light is output is changed.
In this embodiment, the feedback optical path length adjustment range is 13 mm, and the delay time adjustment range is as short as about 86 ps. Therefore, the timing is between 2 to 2.5 GHz and 3.5 to 4.1 GHz. Although jitter suppression is not sufficiently achieved, timing jitter can be suppressed at all frequencies of 1 to 7 GHz if the adjustment range of the delay time is about 180 ps.
[Industrial applicability]
[0052]
The short optical pulse generator of the present invention is suitable for an apparatus for generating a short optical pulse used for optical measurement and optical communication.
[Brief description of the drawings]
[0053]
FIG. 1 is a block diagram of a short optical pulse generator 1 of the present embodiment.
FIG. 2 is a block diagram of a short optical pulse generator 1 of another embodiment.
FIG. 3 is an operation explanatory diagram of a feedback light incident unit 50 in the short light pulse generator 1 of another embodiment.
FIG. 4 is a block diagram of a short optical pulse generator 1 of another embodiment.
FIGS. 5A and 5B are block diagrams of an apparatus for generating a short optical pulse in the semiconductor laser 115 by gain switching, and FIGS. 5A to 4I are applied voltages, excitation carrier density, and light emission when generating the short optical pulse. It is a figure showing correspondence of intensity.
FIG. 6 is a diagram showing correspondences between applied voltage, excited carrier density, and emission intensity when a short light pulse is generated.
FIG. 7 is a diagram showing a relationship between outgoing light and feedback light.
FIG. 8 is a graph in which waveforms of short light pulses output from a semiconductor laser are superimposed, (a) a graph of an example, and (b) a graph of a comparative example.
FIG. 9 is a graph showing the distribution of rise and fall timing fluctuations when the light intensity of a short light pulse exceeds a predetermined value, (a) the distribution of the embodiment, and (b) the comparison example. Distribution.
FIG. 10 is a diagram illustrating a relationship between a timing delay amount of feedback light and a timing jitter amount in the embodiment.
FIG. 11 is a graph showing the relationship between the output frequency of emitted light and the amount of timing jitter.
FIG. 12 is a graph showing the relationship between the deviation of the polarization direction of feedback light with respect to the TE direction and the amount of timing jitter.
FIG. 13 is a block diagram of a short optical pulse generator 1 of another embodiment.
[Explanation of symbols]
[0054]
1 Short light pulse generator
10 Light emission adjustment part
20 Semiconductor laser
30 Return light incident part
31 Spectrometer
35 Light receiving part
40 Phase adjustment means
50 Return light incident part
56 Partial reflection mirror

Claims (10)

半導体レーザを備え、該半導体レーザを間欠的に発振させて、間欠的に光を出力させる短光パルス発生装置において、
前記半導体レーザから出力される出射光の状態を制御する発光制御部と、
前記出射光を分光し、分光された帰還光を前記半導体レーザに入射する帰還光入射部とを備えており、
前記帰還光の偏光方向が、
前記半導体レーザに入射されるタイミングにおいて、該半導体レーザの発振光の偏光方向に対して、±１２度以内であり、
前記帰還光の帰還光路長が、
前記半導体レーザが出射光を出射してから、該出射光が分光された帰還光が半導体レーザに入射されるまでの帰還遅延時間が、前記半導体レーザが出射光を間欠的に出力する繰り返し周期の整数倍より２０〜２００ｐｓ短かくなる長さであることを特徴とする短光パルス発生装置。In a short light pulse generator comprising a semiconductor laser, intermittently oscillating the semiconductor laser, and outputting light intermittently,
A light emission control unit for controlling the state of the emitted light output from the semiconductor laser;
And a return light incident part for splitting the emitted light and for entering the split feedback light into the semiconductor laser,
The polarization direction of the return light is
At the timing of incidence on the semiconductor laser, it is within ± 12 degrees with respect to the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser,
The return optical path length of the return light is
A feedback delay time from when the semiconductor laser emits the emitted light to when the feedback light obtained by separating the emitted light is incident on the semiconductor laser has a repetition period in which the semiconductor laser intermittently outputs the emitted light. A short optical pulse generator characterized in that the length is 20 to 200 ps shorter than an integral multiple. 半導体レーザを備え、該半導体レーザを間欠的に発振させて、間欠的に、かつ、異なる繰り返し周波数で光を出力させる短光パルス発生装置において、
前記半導体レーザから出力される出射光の状態を制御する発光制御部と、
前記出射光を分光し、分光された帰還光を前記半導体レーザに入射する帰還光入射部とを備えており、
前記帰還光の偏光方向が、
前記半導体レーザに入射されるタイミングにおいて、該半導体レーザの発振光の偏光方向に対して、±１２度以内であり、
前記帰還光の帰還光路長が、
前記半導体レーザが出射光を出射してから、該出射光が分光された帰還光が半導体レーザに入射されるまでの帰還遅延時間が、前記異なる繰り返し周波数の最大公約数となる周波数の周期の整数倍より２０〜２００ｐｓ短くなる長さであることを特徴とする短光パルス発生装置。In a short light pulse generator that includes a semiconductor laser, oscillates the semiconductor laser intermittently, and outputs light intermittently and at a different repetition frequency.
A light emission control unit for controlling the state of the emitted light output from the semiconductor laser;
And a return light incident part for splitting the emitted light and for entering the split feedback light into the semiconductor laser,
The polarization direction of the return light is
At the timing of incidence on the semiconductor laser, it is within ± 12 degrees with respect to the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser,
The return optical path length of the return light is
The feedback delay time from when the semiconductor laser emits the emitted light to when the feedback light obtained by splitting the emitted light is incident on the semiconductor laser is an integer of a frequency period that is the greatest common divisor of the different repetition frequencies A short optical pulse generator characterized in that the length is 20 to 200 ps shorter than the double. 前記帰還光入射部が、
前記帰還光が前記半導体レーザに入射される帰還タイミング、および前記半導体レーザに入射されるタイミングにおける前記帰還光の偏光方向を制御する位相調整手段を備えており、
前記位相調整手段が、
前記帰還光の半導体レーザに入射されるまでの帰還光路長と、前記帰還光の偏光方向とを調整する帰還光調整部を備えており、
前記帰還光が、
前記半導体レーザに入射されるタイミングにおいて、その偏光方向が該半導体レーザの発振光の偏光方向と同じ方向となるように調整されていることを特徴とする請求項１または２記載の短光パルス発生装置。 The feedback light incident part is
A phase adjusting means for controlling a polarization timing of the feedback light at a feedback timing at which the feedback light is incident on the semiconductor laser and a timing at which the feedback light is incident on the semiconductor laser;
The phase adjusting means is
A feedback light adjusting unit that adjusts the feedback optical path length until the feedback light is incident on the semiconductor laser and the polarization direction of the feedback light;
The return light is
3. The generation of a short light pulse according to claim 1 or 2, wherein the polarization direction is adjusted so as to be the same as the polarization direction of the oscillation light of the semiconductor laser at the timing of incidence on the semiconductor laser. apparatus. 前記帰還光入射部が、前記出射光を、分光する分光部を備えており、
該分光部は、前記出射光と分光された光の偏光方向が同じになるように構成されており、
前記帰還光調整部が、前記帰還光入射部の分光部から前記半導体レーザに前記帰還光を伝送する、長さが異なる複数本のファイバ遅延線を備えており、該複数本のファイバ遅延線から前記帰還光を伝送するファイバ遅延線を切り替えることによって前記帰還光路長を調整し、
該複数本のファイバ遅延線は、帰還光の偏光を維持可能な偏光保持ファイバによって形成されていることを特徴とする請求項３記載の短光パルス発生装置。The feedback light incident part includes a spectroscopic part that splits the emitted light,
The spectroscopic unit is configured so that the polarization direction of the emitted light and the split light is the same,
The feedback light adjusting unit includes a plurality of fiber delay lines having different lengths for transmitting the feedback light from the spectroscopic unit of the feedback light incident unit to the semiconductor laser, and from the plurality of fiber delay lines. Adjusting the feedback optical path length by switching a fiber delay line that transmits the feedback light;
4. The short optical pulse generator according to claim 3, wherein the plurality of fiber delay lines are formed of a polarization maintaining fiber capable of maintaining the polarization of the feedback light . 前記帰還光入射部が、
前記出射光を、その表面で反射される反射光と、透過する透過光に分光する部分反射ミラーを備えており、
該部分反射ミラーが、前記反射光が、前記帰還光として前記半導体レーザに入射されるように配設されていることを特徴とする請求項１または２記載の短光パルス発生装置。The feedback light incident part is
A partial reflection mirror that splits the emitted light into reflected light reflected on the surface thereof and transmitted light that is transmitted;
3. The short light pulse generator according to claim 1, wherein the partial reflection mirror is disposed so that the reflected light is incident on the semiconductor laser as the feedback light. 前記部分反射ミラーと前記半導体レーザの間に、前記帰還光が前記半導体レーザに入射される帰還タイミング、および前記半導体レーザに入射されるタイミングにおける前記帰還光の偏光方向を制御する位相調整手段を備えていることを特徴とする請求項５記載の短光パルス発生装置。Provided between the partial reflection mirror and the semiconductor laser is a feedback timing at which the feedback light is incident on the semiconductor laser, and a phase adjusting means for controlling the polarization direction of the feedback light at the timing at which the feedback light is incident on the semiconductor laser. 6. The short light pulse generator according to claim 5, wherein: 前記位相調整手段が、
前記半導体レーザから出力される出射光を反射させて前記部分反射ミラーに入射させる出射光反射部と、
該出射光反射部を前記半導体レーザに対して接近離間させる移動部と、を備えていることを特徴とする請求項６記載の短光パルス発生装置。The phase adjusting means is
An outgoing light reflecting section that reflects outgoing light output from the semiconductor laser and enters the partial reflection mirror ;
Short optical pulse generator according to claim 6, characterized in that it comprises a moving unit which toward and away from the said output Shako reflecting portion relative to the semiconductor laser, a. 前記出射光反射部が、
前記出射光を反射する出射光反射面を備えた反射部を、複数備えており、
該複数の反射部が、入射された前記出射光が複数回反射されてから前記部分反射ミラーに入射されるように配設されていることを特徴とする請求項７記載の短光パルス発生装置。The outgoing light reflecting portion is
A plurality of reflecting portions provided with an outgoing light reflecting surface for reflecting the outgoing light;
8. The short light pulse generator according to claim 7 , wherein the plurality of reflecting portions are arranged so that the incident outgoing light is reflected a plurality of times and then incident on the partial reflection mirror. . 前記出射光反射部が、互いに接近離間可能に設けられた一対の反射部からなる反射セットを備えており、
前記出射光反射部が、前記反射セットにおける一方の反射部を他方の反射部に対して移動させる反射部移動機構を備えていることを特徴とする請求項８記載の短光パルス発生装置。The outgoing light reflection part includes a reflection set including a pair of reflection parts provided so as to be close to and away from each other.
9. The short light pulse generator according to claim 8, wherein the outgoing light reflecting portion includes a reflecting portion moving mechanism for moving one reflecting portion in the reflecting set with respect to the other reflecting portion. 前記出射光反射部が、前記反射セットを複数備えており、
該複数の反射セットが、
各反射部に入射される光が、互いに平行となるように配設されており、かつ、各反射部の出射光反射面が、入射光を該入射光と平行な反射光として反射するように形成されていることを特徴とする請求項９記載の短光パルス発生装置。The outgoing light reflection part includes a plurality of the reflection sets,
The plurality of reflection sets are
The light incident on each reflecting portion is arranged so as to be parallel to each other, and the outgoing light reflecting surface of each reflecting portion reflects the incident light as reflected light parallel to the incident light. The short light pulse generator according to claim 9 , wherein the short light pulse generator is formed.
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