JPH03138992A - 超短光パルス発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明１ｉ、光情報処遇　光コンピユーティン久光応用
旧測制御分眩　および光応用医療分野に応用される半導
体レーザのモードロック技術を用いた超短光パルス発生
装置に関するものである。

従来の技術 半導体レーザを用いて超短光パルスを発生する方法とし
て（Ｌ　能動モード同期法　受動モード同期法　利得ス
イッチング法等がある。

モード同期法については　例え（Ｌ　セミコンダクター
ズアンドセミメタルズ２２巻バートＢチャプター１　　
（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　　　ａｎｄ　　Ｓｅ
ｍｉｍｅｔａｌｓ、Ｖｏｌ、　　２２、ＰａｒｔＢ、　
　Ｃｈａｐｔｅｒｌ）に詳しく解説されていも 従来の半導体レーザのモード同期法による超短光パルス
発生装置を図を用いて説明する。第７図はその基本的構
造を示すものであも　電流注入を行うことにより誘導放
出を行う活性層ｌＯ及び結晶のへき開面を用いる第１及
び第２の端面１４かつ１２からなる半導体レーザ１６の
第１の端面１４上に反射防止膜１８が施されていも　こ
の半導体レーザ１６から出射するレーザ光２１ζ上　外
部に配置された外部反射器２２より反射され　反射され
たレーザ光２０は半導体レーザＩ６に帰還されも　第１
の端面１４に反射防止膜１８が施されているのでこのレ
ーザの共振器は外部共振器とは反対側の第２の端面１２
及び外部反射器２２により構成されていも　半導体レー
ザ１６への注入電流のバイアスをしきい値以下に設定し
　外部共振器のラウンドトリップ周波数で電流変調を行
うと、半導体レーザ１６の第２の端面１２からの出射レ
ーザ光２４（友　光パルス列２６として発振すａこのよ
うな従来の超短光パルス発生装置の出力光波形を第８図
に示も　この図は出射レーザ光２４をオートコリレータ
により測定られたものであａ光パルスの幅は１０ｐｓ以
下であっ九 また　半導体レーザを用いた波長変換型超短光パルスの
発生について（戴　谷１　山水　　ＳＨＧを用いた青色
レーザ光源によるピコ秒発生”第４９回応用物理学会学
術講演予稿集７ａ−ＺＤ−８に報告されていも　第９図
に従来の波長変換型超短光パルス発生装置の構成図を示
す。７１１は半導体レーザ、　７１２は波長変換素子で
あり、　７１３は光導波区　７１４．７１５はレンＸ　
７１６は半波長板であり、　７２１は基本波、７２２は
第二高調波であも 波長０．８４μｍの半導体レーザをコムジエネレタでパ
ルス幅数百ｐｓの電流パルスで利得スイッチングするこ
とにより、パルス幅３０ｐｓ程度の基本波？２１を発生
させ、そのＴＥモード光をレンズ７１４．７１５と半波
長板７１６を通した後、ＴＭモード光が波長変換素子７
１２の光導波路７１３に結合し　パルス幅２０ｐｓ程度
の波長０．４２μｍの第２高調波７２２がチェレンコフ
放射として発生すも 発明が解決しようとする課題 しかしなか収　」二記のようにモード同期法による超短
光パルス発生装置の場合、半導体レーザの微分利得が比
較的小さいた取　置火光パルス出力が小さし− さらに　上記の超短光パルス発生装置を用いて波長変換
を行った場合に１よ　利得スイッチングでレーザ発振を
行うため第２次高調波のパルス幅が広（− 本発明１よ　微分利得の大きい半導体レーザをモト同期
法により発振させることにより、パルス幅の狭しく　高
出力のレーザ光が得られるもので、さらにこのレーザ光
を基本波として波長変換すると、パルス幅の狭（（高出
力の短波長のレーザ光を得ることを目的とすものであム 課題を解決するための手段 本発明の超短光パルス発生装置は上記の課題を解決する
た八　半導体レーザにおいて、少なくとも活性層及び閉
じ込め層を含む共振器を備丸　前記共振器の一部が前記
活性層に電流を注入するための電極を有する利得領域で
あり、前記共振器の他部が可飽和吸収領域であり、前記
半導体レーザの第１の端面に反射防止膜を施し　前記第
１の端面から出射されるレーザ光を平行光とする光学系
と、前記レーザ光を前記半導体レーザの前記第１の端面
へ帰還せしめる共振器面としての外部反射器と、前記半
導体レーザに電流注入を行うための電源を有し　前記電
源から前記半導体レーザに注入される電流力（前記半導
体レーザの前記第１面と前記外部反射器までの光学距離
りに対して、そのラウンドトリップ周波数Ｃ／２Ｌ（Ｃ
二　光速）で変調され　レーザの共振器としてζ友　前
記半導体レーザの第２の端面と前記外部反射器により構
成され　前記半導体レーザの第１及び第２の端面から出
射される前記レーザ光がモード同期発振するものであａ
　また　本発明ζ友　超短光パルス発生装置において、
第２の端面から出射されるレーザ光が、光導波路構造を
有する波長変換素子に光学的に結合した構造を備え　前
記超短光パルス発生装置の第２の端面から出射されるモ
ード同期発振する超短光パルス光を基本波として前記波
長変換素子に結合し　前記波長変換素子からの出力とし
て、前記基本波の第２高調波を発生するものであも　あ
るい代　本発明ｃ友　　少なくとも活性層及び閉じ込め
層を含む共振器を備え　前記共振器の一部が前記活性層
に電流を注入するための電極を有する利得領域であり、
前記共振器の他部が可飽和吸収領域でる半導体レーザと
光導波路構造を有する波長変換素子が光学的に結合した
構造を備え前記半導体レーザに電流注入を行うための電
源を有し　前記半導体し−ザは前記波長変換素子と結合
する第１の端面に反射防止膜を有し　前記波長変換素子
より遠い第２の端面に高反射膜を有しており、前記波長
変換素子ｃｔ　　前記半導体レーザと結合する第１の端
面に基本波に対する反射防止膜を有し　前記半導体レー
ザより遠い第２の端面に基本波として結合されたレーザ
光を前記半導体レーザへ帰還せしめる外部反射器として
機能する高反射膜を有しており、前記半導体レーザがモ
ード同期発振するものであり、波長変換素子に出射部を
設け、前記出射部より出射された基本波を光トリガとす
こともよいし　半導体レーザの可飽和吸収領域が制御電
極を有し　前記可飽和吸収領域と利得領域が電気的に絶
縁されていることもよ１作用 本発明で（上　半導体レーザ（瓜　電流が注入されると
利得領域で発振が生じる力（発振が小さいときは可飽和
吸収領域での吸収が大きいため光出力は小さ（−シかし
なが収　発振が大きくなると可飽和吸収領域での吸収が
飽和し　しきい値を越えるとレーザ発振し　光出力が高
いものが得られも第６図（ａ）、　（ｂ）にそれぞれ本
発明における半導体レーザ及び普通の半導体レーザの電
流対光出力特性の概念図を示す。本発明における半導体
レーザで法　電流対光特性が微分特性を有するため通常
の半導体し〜ザよりも大きい光パルス出力が得られも また　本発明では半導体レーザからの光パルスを基本波
として光波長変換を行うが、　利得スイッング法などの
短パルス発生方法よりもモード同期法で半導体レーザを
発振することによって、よりパルス幅の狭い短波長レー
ザが得られる。

実施例 第１図は本発明の第１の実施例における超短光パルス発
生装置の構成図を示すものである。第１及び第２のへき
開端画工４及び１２により構成されるＡ］ＧａＡｓ／Ｇ
ａＡｓ半導体レーザ１６の活性層１１ミ　電源３８より
電流が注入する。半導体レーザには長さ２３０μｍの利
得領域１７とそれぞれ長さ２５μｍの可飽和吸収領域１
９、２０が設けられていも　反射防止膜１８が施された
第１の端面１４から出射されたレーザ光４ｏはレンズ４
２で平行光とされ　波長制御器としてのエタロン４６を
通過し　外部反射器２２で反射され半導体レーザＩ６に
光帰還されも　ここでエタロン４６は波長選択すること
の目的があも　注入電流をしきい値電流以下にバイアス
し　外部共振器のラウンドトリップ周波数Ｃ／２Ｌ（Ｃ
：　　光速　」Ｌ：　端面１２と外部反射器２２までの
光学的距離）で電流変調を行うと、へき開端面１２がら
出射するレーザ光４８は超短パルス発振する。実際に１
よストリークカメラまたはオートコリレータで観測でき
る。外部共振器の長さ７．５　ｃｍとすると、外部共振
器のラウンドトリップ周波数が２ＧＨｚとなり、電源３
ｇからの注入電流をその周波数で変調すると、能動モー
ド同期が実現され　出射レーザ光４８のパルス幅は５ｐ
ｓ以下となる。第２図に出射レーザ光４８のパルス波形
をストリークカメラで観測したものを示したものであも
　このときの光出力は３Ｗであっ九 本発明の超短光パルス発生装置は可飽和吸収領域を有す
ることに、より従来得られながった高出力が可能となっ
丸　これは可飽和吸収領域賀あるためにレーザの微分利
得を大きくすることによってなりうろことであム ここで可飽和吸収領域に制御電極をつけると、可飽和吸
収領域の吸収の度合を注入電流で変化させることができ
、従って光パルス出方を制御することができた 次く　波長変換型の超短パルス発生装置の実施例につい
て説明すも　そもそもモード同期半導体レーザの波長変
換効率（上　単一モード半導体レーザの場合の（２Ｎ”
＋１）／３Ｎ倍に増加すａ　ここで、Ｎは同期している
縦モードの本数であａこのこと（上　例えＥ　　Ｆ、　
　ザーニツ久　Ｊ、　　Ｅ。

ミツドウィンター“アブライドノンリニアオブティクス
”９．１１１に詳しく記載されていもまた　モード同期
半導体レーザの出力光パルスのパルス幅は理論的には０
．１ｐｓ程度まで短パルス化が可能であり、利得スイチ
ング法により発振された場合のＩ／１０から１／１００
程度になん従って、本発明の構成によって、モード同期
半導体レーザを波長変換することによって、第２高調波
の高出力化及び短パルス化が可能となん第３図に本発明
の第２の実施例による波長変換型超短光パルス発生装置
の構成図を示す。　１６は第１の実施例と同様の波長０
．８４μｍのＡＩＧａＡ　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ半導
体レーザ、　４２．５６．５７はレン、（４６はエタロ
ン坂　２２は外部反射器８９は半波長板　６１は波長変
換素子、６０は光導波路であａ　半導体レーザ１６の第
１の端面には反射防止膜１８が施され　また半導体レー
ザ１６には利得領域１７と可飽和吸収領域１９、２゜が
設けられてい４　波長変換素子６ｏはＺ−ｃｕｔのＭｇ
ＯドープのＬｉＮｂｏ３基板６１にプロトン交換法によ
り光導波路６０（輻Ｘ厚みＸ長さ＝２μｍｘ　Ｏ，４μ
ｍｘ　１８ｍｍが形成されたものであも　光導波路６ｏ
の入射部６３に（よ　半導体レーザ１６、レンズ４２、
エタロン４６、外部反射器２２からなるモード同期半導
体レーザより出射された基本波４８がレンズ５６で平行
光とされ半波長板６９を通過して偏光方向を９０度変換
さｈ　　ＴＭモード光としてレンズ５７により集光し光
結合されも　半導体レーザ１６はしきい値以下にバイア
スレ　変調周波数ｆ、−Ｃ／２Ｌ　（Ｃは光速　Ｌは半
導体レーザの光学長）で変調するとモト間隔△ν＝Ｃ／
２　Ｌの各モードが同期して発振する。

光導波路６０に入射した基本波４８は波長０．４２μｍ
の第２高調波に波長変換されてチェレンコフ放射６２と
して基板側より出力される。

第２高調波の強度は基本波の強度の２乗に比例するた敢
　第２高調波の光パルスのパルス幅は基本波の光パルス
のパルス幅よりも狭くなる。

第４図にストリークカメラで測定された第２高調波の光
パルス波形を示す。第４図（ａ）は本発明の超短パルス
発生装置の光パルス波形であり、第４図（ｂ）は従来の
利得スイッチング法により発振された光パルスの波形で
あム　図で明かなようへ　本発明による光パルスのパル
ス幅は従来に比べて１／１５になａ 本発明においては第１及び第２の実施例で（友波長制御
器としてエタロンを用いて説明したが、いかなる波長制
御器であってもより〜　回折格子（友波長制御器及び外
部反射体さしての機能を兼ね備えも　また　半導体レー
ザとして４ｉ　　通常のファプリーペロー型半導体レー
ザのみならず、分布帰還型（ＤＦＢ）あるいは分布反射
型（ＤＢＲ）構造のレーザであってもよ（℃ まな　本発明においては第１及び第２の実施例でζ主　
Ａ　Ｉ　Ｇ　ａ　Ａ、　ｓ　／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系の半
導体レーザを用いた力＜、　　Ｉｎ、ＧａＡｓＰ／Ｉｎ
Ｐ系の１μｍ帯及びその第２高調波あるいは　ＡＩＧａ
ＩｎＰ／　Ｇ　ａ　Ａ　ｓ系の６００　ｎｍ帯のレーザ
及びその第２高調波の３００　ｎｍ帯のものも用いても
よい。

第５図に本発明の第３の実施例による波長変換型超短光
パルス発生装置の構成図を示す。

半導体レーザ１６の第１の端面には反射防止膜８１力（
第２の端面には高反射膜８０が施されていも　波長変換
素子６１の入射端には基本波の波長に対する反射防止膜
８３力丈　出射端には基本波に対する高反射膜８４が施
されている。

半導体レーザ１６の出射光８２はレンズ５６．５７を通
過して波長変換素子６１に形成されている光導波路６０
に入射し　光導波路６０を導波した後、高反射膜８４で
反射され再び半導体レーザ１６に帰還されも　光導波路
６０でのモードは放射モードとなり、導波しないためＴ
Ｍモードのみが導波して半導体レーザに帰還されるた八
　半導体レーザ１６はＴＭモードしきい利得がＴＥモー
ドより小さ（なり、　ＴＭモモ−発振となａ本実施例で
！上　波長変換素子６１の高反射膜８４を施された端面
を外部反射器としてモード同期半導体レーザを構成して
おり、半導体レーザをしきい値電流以下にバイアスして
変調周波数ｆ、＝Ｃ／２Ｌ（Ｌはこの場合端面８０．　
　端面８４の光学長）で変調することにより、半波長板
が不要になるた八　小型かつ安定な構成で第２高調波の
短パルスが得られも また　本実施例で（よ　波長変換素子６１の高反射膜８
４を施された端面と半導体レーザの高反射膜８０との間
で共振器を構成しており、この共振効果により、波長変
換素子に形成された光導波路内の光密度が高まり、パル
ス出力は従来の５倍になム ＴＭモモ−発振するモード同期半導体レーザについて詳
しく説明すも　通常のファブリペロ型レザを用いたＴＭ
モモ−発振するモード同期半導体レーザについて（友　
雄谷　藤８３．ｎ半導体レーザ装置及び波長変換型超短
光パルス発生装置′″特許６３−２９９８５５に詳しく
述べられていもモード同期発振するへ　光のスペクトル
が各外部共振モードが精密に等間隔で並び、υ−・ｎｏ
＋−υ。

０．＝υ、・ｎ−υ−・ｎ−１なる関係が得られ　各外
部共振モードが同位相に同期して発振しやすいたべ従来
よりも時間的に短い光パルスを発生することが可能とな
ａ 発明の詳細 な説明したように本発明の超短光パルス発生装置によれ
（よ　半導体レーザを利得領域と可飽和吸収領域を有す
る構成とすることによって、半導体レーザの電気対光出
力特性が微分特性を示すたべ　モード同期発振を行うと
、高出力で超短光パルスが得られるきいう効果を有する
ものであもまた　上記のように発生した短パルスを波長
変換することにより、従来の利得スイッチ法により発生
した短パルス光の波長変換よりも変換効率の向上及び短
パルス化が可能となり、また　波長変換素子の出射端面
でモード同期用の反射器を構成することにより、装置の
小型化とさらに時間的に短い超短光パルス発生が可能と
なるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例による超短光パルス発生
装置の構成は　第２図は第１の実施例における光出力波
形は　第３図は本発明の第２の実施例による超短光パル
ス発生装置の構成医　第４図は第２の実施例における光
出力波形医　第５図は本発明の第３の実施例による超短
光パルス発生装置の構成医　第６図は本発明の半導体レ
ーザの電気対先出力特性は　第７、９図は従来の超短光
第　１ ・活性態　１２、１４ 半導体レーザ、　１７・ 反射防止Ｕ　　１９、２ ２２・・・反射麻　６ ２・・・第２高調波、 １０　・ １６　・　・　・ １８　・　・　・ 吸収領域 換素子、　６ 波應

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）半導体レーザにおいて、少なくとも活性層及び閉
   じ込め層を含む共振器を備え、前記共振器の一部が前記
   活性層に電流を注入するための電極を有する利得領域で
   あり、前記共振器の他部が可飽和吸収領域であり、前記
   半導体レーザの第１の端面に反射防止膜を施し、前記第
   １の端面から出射されるレーザ光を平行光とする光学系
   と、前記レーザ光を前記半導体レーザの前記第１の端面
   へ帰還せしめる共振器面としての外部反射器と、前記半
   導体レーザに電流注入を行うための電源を有し、前記電
   源から前記半導体レーザに注入される電流が、前記半導
   体レーザの前記第１面と前記外部反射器までの光学距離
   Ｌに対して、そのラウンドトリップ周波数Ｃ／２Ｌ（Ｃ
   ：光速）で変調され、レーザの共振器としては、前記半
   導体レーザの第２の端面と前記外部反射器により構成さ
   れ、前記半導体レーザの第１及び第２の端面から出射さ
   れる前記レーザ光がモード同期発振することを特徴とす
   る超短光パルス発生装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載の超短光パルス発生装
   置において、第２の端面から出射されるレーザ光が、光
   導波路構造を有する波長変換素子に光学的に結合した構
   造を備え、前記超短光パルス発生装置の第２の端面から
   出射されるモード同期発振する超短光パルス光を基本波
   として前記波長変換素子に結合し、前記波長変換素子か
   らの出力として、前記基本波の第２高調波を発生するこ
   とを特徴とする超短光パルス発生装置。
3. （３）少なくとも活性層及び閉じ込め層を含む共振器を
   備え、前記共振器の一部が前記活性層に電流を注入する
   ための電極を有する利得領域であり、前記共振器の他部
   が可飽和吸収領域でる半導体レーザと光導波路構造を有
   する波長変換素子が光学的に結合した構造を備え、前記
   半導体レーザに電流注入を行うための電源を有し、前記
   半導体レーザは前記波長変換素子と結合する第１の端面
   に反射防止膜を有し、前記波長変換素子より遠い第２の
   端面に高反射膜を有しており、前記波長変換素子は、前
   記半導体レーザと結合する第１の端面に基本波に対する
   反射防止膜を有し、前記半導体レーザより遠い第２の端
   面に基本波として結合されたレーザ光を前記半導体レー
   ザへ帰還せしめる外部反射器として機能する高反射膜を
   有しており、前記半導体レーザがモード同期発振するこ
   とを特徴とする超短光パルス発生装置。
4. （４）波長変換素子に出射部を設け、前記出射部より出
   射された基本波を光トリガとすることを特徴とする特許
   請求の範囲第２項記載の超短光パルス発生装置。
5. （５）半導体レーザの可飽和吸収領域が制御電極を有し
   、前記可飽和吸収領域と利得領域が電気的に絶縁されて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１又は第２項記
   載の超短光パルス発生装置。
6. （６）半導体レーザがＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ系、Ｉｎ
   ＧａＡｓＰ／ＩｎＰ系又は、ＡｌＧａＩｎＰ／ＧａＡｓ
   系、であることを特徴とする特許請求の範囲第１又は第
   ２又は第３項記載の超短光パルス発生装置。