JPH0793475B2 - Ultrashort optical pulse semiconductor laser device and wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator - Google Patents

Ultrashort optical pulse semiconductor laser device and wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator

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JPH0793475B2
JPH0793475B2 JP63299855A JP29985588A JPH0793475B2 JP H0793475 B2 JPH0793475 B2 JP H0793475B2 JP 63299855 A JP63299855 A JP 63299855A JP 29985588 A JP29985588 A JP 29985588A JP H0793475 B2 JPH0793475 B2 JP H0793475B2
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semiconductor laser
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optical
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順 雄谷
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、光コンピューティング,光情報処理,光計
測,光通信等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。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an ultrashort optical pulse generator using a semiconductor laser mode-locking technology applied to optical computing, optical information processing, optical measurement, optical communication, and the like. It is a thing.

従来の技術 本発明は、2つの主たる課題について提案される。1つ
の課題とは、従来より広く用いられる半導体レーザのTE
モード発振でのモード同期よりも、ここで提案するTMモ
ード発振でのモード同期の方が超短光パルス発生に明ら
からに有効であることについてである。もう1つの課題
とは、上記1つ目の新しい技術を用いた短波長の超短光
パルスを発生する波長変換型の超短光パルス発生装置を
提案するものである。
PRIOR ART The present invention is proposed for two main problems. One of the issues is the TE of the semiconductor laser that has been widely used from the past.
The proposed mode-locking in the TM-mode oscillation is clearly more effective in generating ultrashort optical pulses than the mode-locking in the mode-oscillation. Another object is to propose a wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator that generates an ultrashort optical pulse of a short wavelength using the first new technique.

まず第1の課題の背景について説明する。First, the background of the first problem will be described.

半導体レーザを用いてピコ秒程度の時間幅の光パルスを
発生させるのは、光コンピュータ、光情報処理、光計
測、光通信への応用上、重要な技術である。同業者の間
では公知の事実として、半導体レーザを用いて超短光パ
ルスを発生する方法の1つの半導体レーザを外部共振器
化するモード同期技術があるこの技術を大別すると能動
モード同期(active mode−locking)と受動モード同期
(passive mode−locking)の2つがある。これらは例
えば、J.P.ファン デア ツィール“モードロッキング
オブ セミコンダクター レーザーズ",セミコンダク
ターズ アンド セミメタルズ(J.P.Vander Ziel,“Mo
de Loking of Somiconductor Lasers",Semiconductors
and Semimetals,vol.22,Part B,Chapter 1,Page 1,(19
85)に詳しく解説されている。能動モード同期は半導体
レーザへの注入電流を外部共振器のラウンドトリップ周
波数で変調を行う。受動モード同期は共振器内に可飽和
吸収体を含むことにより行う。いずれの場合も外部共振
器のラウンドトリップ周波数C/2L(ここでC;光速,L;外
部共振器長),すなわち2L/Cの時間間隔で光パルス発振
し、その光パルスの時間幅は1〜20ピコ秒程度である。
発振スペクトルの幅から見積ると、ほぼフーリエトラン
スフォームリミテッドな光パルス幅が得られている。
Generating an optical pulse with a time width of about picoseconds using a semiconductor laser is an important technique for applications to optical computers, optical information processing, optical measurement, and optical communication. As is well known to those skilled in the art, there is a mode-locking technique for converting one semiconductor laser into an external cavity by a method of generating an ultrashort optical pulse using a semiconductor laser. There are two types: mode-locking and passive mode-locking. These are, for example, JP Van der Ziel "Mode Locking of Semiconductor Lasers", Semiconductors and Semiconductors (JPVander Ziel, "Mo
de Loking of Somiconductor Lasers ", Semiconductors
and Semimetals, vol.22, Part B, Chapter 1, Page 1, (19
85). Active mode locking modulates the injection current to the semiconductor laser with the round-trip frequency of the external cavity. Passive mode-locking is performed by including a saturable absorber in the resonator. In either case, the optical resonator oscillates at a round trip frequency C / 2L (where C is the speed of light, L is the length of the external resonator) of the external resonator, that is, 2L / C, and the time width of the optical pulse is 1 It is about 20 picoseconds.
Estimating from the width of the oscillation spectrum, an almost Fourier transform limited optical pulse width is obtained.

ところで、前述したように半導体レーザを用いてモード
同期を行うには半導体レーザを外部共振器構成とする。
また半導体レーザ端面の外部共振器側は反射防止膜が施
される。
By the way, as described above, in order to perform mode locking using a semiconductor laser, the semiconductor laser has an external resonator configuration.
An antireflection film is applied to the external cavity side of the end face of the semiconductor laser.

従来例の基本的構成を第9図に示す。電流注入を行うこ
とにより誘導放出を行う活性層10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が施されている。
この半導体レーザ16から出射するレーザ光20は、外部に
配置された外部反射器22により反射され、反射されたレ
ーザ光20は半導体レーザ16に帰還される。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る。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は、光パルス列
26として発振する。これが一般的な能動モード同期であ
る。
The basic structure of the conventional example is shown in FIG. An antireflection film 18 is formed on a first end face 14 of a semiconductor laser 16 composed of an active layer 10 for stimulated emission by current injection and a first and second end faces 14 and 12 using cleavage planes of crystals. ing.
The laser light 20 emitted from the semiconductor laser 16 is reflected by an external reflector 22 arranged outside, and the reflected laser light 20 is returned to the semiconductor laser 16. First end face 14
Since the antireflective film 18 is applied to the external resonator, the resonator of this laser has the second end face 12 on the side opposite to the external resonator and the external reflector.
It is composed of 22. If the bias of the injection current to the semiconductor laser 16 is set below the threshold value and the current is modulated at the round trip frequency of the external resonator, the semiconductor laser
The laser light 24 emitted from the second end face 12 of 16 is an optical pulse train.
It oscillates as 26. This is a general active mode synchronization.

通常の単体の半導体レーザは、その出力光の偏光特性
は、光の電界方向が活性層に平行な方向のTEモードで発
振する。もともと半導体レーザは、その出力光の電界方
向が活性層に垂直な方向のTMモードで発振することも可
能であるが、TEモードで発振する。このことは、例え
ば、T.イケガミ,“リフレクテイビティー オブ モー
ド アット ファセット アンド オシレーション モ
ード イン ダブル−ヘテロストラクチャー インジェ
クション レーザーズ",アイイーイーイー ジャーナル
オブ カンタム エレクトロニクス(T.Ikegami“Ref
lectivityst Facet and Oscillation Mode in Double−
Heterostructure Injection Lasers",IEEE Journal of
Quantum Electronics,vol−QE−8,No.6P.470(1972)に
詳しく記載されている。この文献中の図を、抜粋して第
10図に示す。第10図は、TEモード(実線)とTMモード
(破線)の2つの異なる直交する偏光が半導体レーザ端
面において反射率が全く異なっていることを示した図で
あり、横軸は半導体レーザの活性層の膜厚で、縦軸はレ
ーザ端面の強度反射率である。横モードは0次の基本モ
ード発振とし、また活性層の屈折率を3.6,またΔnはク
ラッド層と活性層の屈折率差の比を表している。第10図
よりわかることは、レーザを構成する層膜厚,屈折率差
等に依存するが、TEモードの方がTMモードよりもかなり
端面の反射率が大きいことである。すなわち、両端面が
へき開により構成されている半導体レーザはTEモードの
方がTMモードよりも共振器反射率が大きいため、誘導放
出を起こすのに必要なしきい値利得が小さくて済むため
TEモードで発振する。単体の半導体レーザの場合のみな
らず、モード同期半導体レーザの場合も同様であって、
従来報告されているモード同期半導体レーザは、第9図
に示すように、レーザ光20は、光の電界の振動方向がTE
モード28で発振している。
A normal single semiconductor laser oscillates in a TE mode in which the polarization characteristic of the output light is such that the electric field direction of the light is parallel to the active layer. Originally, a semiconductor laser can oscillate in a TM mode in which the electric field direction of its output light is perpendicular to the active layer, but it oscillates in a TE mode. For example, T. Ikegami, “Reflectivity of Mode at Facet and Oscillation Mode in Double-Heterostructure Injection Lasers”, IEE Journal of Quantum Electronics (T.Ikegami “Ref
lectivityst Facet and Oscillation Mode in Double−
Heterostructure Injection Lasers ", IEEE Journal of
Quantum Electronics, vol-QE-8, No. 6P.470 (1972). The figures in this document are excerpted and
Shown in Figure 10. FIG. 10 is a diagram showing that two different orthogonal polarizations of the TE mode (solid line) and the TM mode (dashed line) have completely different reflectances at the end face of the semiconductor laser, and the horizontal axis shows the activity of the semiconductor laser. The layer thickness, and the vertical axis represents the intensity reflectance of the laser end face. The transverse mode is the 0th-order fundamental mode oscillation, the refractive index of the active layer is 3.6, and Δn represents the ratio of the refractive index difference between the cladding layer and the active layer. What can be seen from FIG. 10 is that the TE mode has a much higher reflectivity at the end face than the TM mode, although it depends on the layer thickness of the laser and the difference in refractive index. In other words, a semiconductor laser whose both end surfaces are cleaved has a higher resonator reflectivity in the TE mode than in the TM mode, so that the threshold gain required to cause stimulated emission can be small.
It oscillates in TE mode. The same applies not only to a single semiconductor laser but also to a mode-locked semiconductor laser,
As shown in FIG. 9, the conventionally reported mode-locked semiconductor laser has a laser beam 20 in which the oscillation direction of the electric field of the light is TE.
It oscillates in mode 28.

一方、最近半導体レーザの共振器内の偏光器を挿入し、
半導体レーザ出射光の偏光を制御する研究が行われてい
る。例えば、T.フジタ他,“ポラライゼイションスイッ
チング イン ア シングル フリケンシ−エキスター
ナル キャビティー セミコンダクター レーザ",エレ
クトロニクス レター(T.Fujita etal,“Polarization
switching in a single frequency external cavity s
emiconductor laser",Electronics Letters vol.23P.80
3(1987)),T.フジタ他“ポラライゼイション バイス
タビリティ イン エクスターナル キャビティ セミ
コンダクターレーザーズ",アブライド フィジクス レ
ターズ(T.Fujitaetal,“Polarization bistability in
external cavity semicondactor lasers",Applied phy
sics Letters vol.51,P.392(1987))に詳しく説明さ
れている。これらの文献においては、半導体レーザ出射
光がTMモードで発振することが示されている。すなわち
第11図に示すように、第1の端面14と、外部共振器面と
しての外部反射器22の間に、偏光器30として、例えばグ
ラントムソンプリズムを挿入すると、共振器内部のレー
ザ光32は、その光の電界方向はTMモード34で発振する。
この時偏光器30は、TMモードが通過する方向に配置され
ている。従って出力レーザ光36もTMモードで発振する。
On the other hand, recently, a polarizer inside the cavity of a semiconductor laser was inserted,
Studies have been conducted to control the polarization of light emitted from a semiconductor laser. For example, T. Fujita et al., “Polarization switching in a single frequency-external cavity semiconductor laser”, Electronics Letter (T.Fujita et al., “Polarization
switching in a single frequency external cavity s
emiconductor laser ", Electronics Letters vol.23P.80
3 (1987)), T. Fujita et al. “Polaization bistability in external cavity semiconductor lasers”, Abride Physics Letters (T. Fujita et al., “Polarization bistability in
external cavity semicondactor lasers ", Applied phy
sics Letters vol.51, P.392 (1987)). In these documents, it is shown that the emitted light of the semiconductor laser oscillates in the TM mode. That is, as shown in FIG. 11, when a Glan-Thompson prism, for example, is inserted as the polarizer 30 between the first end face 14 and the external reflector 22 as the external cavity surface, the laser light 32 inside the cavity 32 is obtained. Oscillates in the TM mode 34 in the electric field direction of the light.
At this time, the polarizer 30 is arranged in the direction in which the TM mode passes. Therefore, the output laser light 36 also oscillates in the TM mode.

モード同期により超短光パルスを発生させるためには、
半導体レーザの外部共振モードが精密に等しい周波数間
隔で並んで、これらたくさんのモードが同位相で発振す
る必要がある。そのためには、外部共振器構成の半導体
レーザの外部共振器側出射端面,すなわち第1の端面の
反射率を理想的にはゼロにする必要がある。すなわち第
9図の従来例で示すように、第1の端面14上に反射防止
膜18が施されている。しかしながら現実には、半導体レ
ーザがTEモード発振する時には完全にこの端面の反射率
がゼロとはならないで、ある程度残留反射率が存在する
ことが報告されている。この中間端面に残留反射率が存
在する時には発振するレーザ光の周波数スペクトルの各
外部共振モードのモード間隔は等しくならない。外部共
振モード間隔の中間端面反射率依存性は、例えばH.サト
ー他“インテンシティーフラクチュエイション イン
セミコンダクター レーザーズ カップルド トウ エ
クスターナル ギャビティ",アイイーイーイー ジャー
ナル オブ カンダム エレクトロニクス(H.Sato eta
l,“Intensity fluctuation in semiconductor Iasers
coupled to external cavity"IEEE Journal of Quantum
Electronics vol.QE−21,P46(1985))に詳しく説明
されている。この様子を第12図を用いて説明する。第12
図に示したような従来のTEモードで発振するモード同期
半導体レーザの光の周波数スペクトルは、第12図(a)
のようになっており、νm+n+1−νm+n≠νm+n−νm+n-1
なる関係となる。ここでνは各外部共振器モードの発
振周波数を表わしており、m,nは整数である。超短光パ
ルス発生を実現するためには第12図(b)に示すように
νp+n+1−νp+n=νP+n−νp+n-1なる関係式が必要で、
この時各々のスペクトルのモードが同位相に同期されて
発振する必要があるにもかかわらず、実現されていな
い。これは前述したように、外部共振器半導体レーザの
中間端面の反射率が残留していることによる効果が大き
いためである。
In order to generate an ultrashort light pulse by mode locking,
It is necessary that the external resonance modes of a semiconductor laser be aligned at exactly the same frequency intervals and that many of these modes oscillate in phase. For that purpose, it is necessary to ideally set the reflectance of the emission end face on the external cavity side of the semiconductor laser having the external cavity structure, that is, the first end face to zero. That is, as shown in the conventional example of FIG. 9, an antireflection film 18 is provided on the first end face 14. However, in reality, when the semiconductor laser oscillates in the TE mode, it is reported that the reflectance of this end face does not completely become zero and that there is some residual reflectance. When there is residual reflectance on this intermediate end face, the mode intervals of the external resonance modes of the frequency spectrum of the lasing laser light are not equal. For example, H. Sato et al. “Intensity fractionation
Semiconductor Lasers Coupled Toe External Gavity ", IEE Journal of Kandam Electronics (H.Sato eta
l, “Intensity fluctuation in semiconductor Iasers
coupled to external cavity "IEEE Journal of Quantum
Electronics vol.QE-21, P46 (1985)). This situation will be described with reference to FIG. 12th
The frequency spectrum of the light of a conventional mode-locked semiconductor laser that oscillates in the TE mode as shown in FIG.
And ν m + n + 1 −ν m + n ≠ ν m + n −ν m + n-1
Become a relationship. Here, ν m represents the oscillation frequency of each external resonator mode, and m and n are integers. In order to realize the generation of ultrashort optical pulses, the relational expression ν p + n + 1 −ν p + n = ν P + n −ν p + n-1 is necessary as shown in Fig. 12 (b). ,
At this time, each spectrum mode needs to be oscillated in synchronization with the same phase, but this has not been realized. This is because, as described above, the effect due to the fact that the reflectance of the intermediate end face of the external cavity semiconductor laser remains is large.

従って、第12図(b)示すようにモード同期半導体レー
ザの各外部共振モードが等周波数間隔で発振するように
すれば、より超短光パルスを得ることが可能となる。
Therefore, if each external resonance mode of the mode-locked semiconductor laser oscillates at an equal frequency interval as shown in FIG. 12 (b), it becomes possible to obtain an ultrashort optical pulse.

次に、第2の課題の背景について説明する。Next, the background of the second problem will be described.

従来、波長が0.6μm以下の短波長領域においては、III
−V族化合物半導体を使用する限り、バンドギャップエ
ネルギの限界によりレーザ発振は不可能であり、従って
短波長で発振するレーザが存在せず、大型の気体レーザ
が使用されている。そのためレーザを利用する装置が極
めて大型となり、産業上の利用分野が限定されている。
もしも小型の短波長光源、例えば青色の波長域における
光源が実用化されると、光ディスク,レーザプリンタ等
の情報処理分野,またあらゆる光計測分野等に極めて大
きなインパクトを与えるものである。そのため、第2次
高調波発生を利用して半導体レーザ光を半分の波長に変
換する素子が研究されており、例えば、谷内,山本,
“ミニチュアライズド ライト ソース オブ コヒー
レント ブルー ラディエーション”(T.Taniuchi and
K.Yamamoto;“Miniturized light source of ceherent
blue radiation)テクラカルダイジェスト オブ シ
ーエルイーオー´87(Technical Digest of(LEO´87)
wp6(1987)に報告されている。
Conventionally, in the short wavelength region of 0.6 μm or less, III
As long as a group-V compound semiconductor is used, laser oscillation is not possible due to the bandgap energy limit. Therefore, there is no laser that oscillates at a short wavelength, and a large gas laser is used. Therefore, the device using the laser becomes extremely large, and the field of industrial application is limited.
If a compact short-wavelength light source, for example, a light source in the blue wavelength range is put to practical use, it will have an extremely great impact on the information processing field such as optical disks and laser printers, and all optical measurement fields. Therefore, an element for converting the semiconductor laser light into a half wavelength by utilizing the second harmonic generation has been studied, and for example, Taniuchi, Yamamoto,
"Miniatureized Light Source of Coherent Blue Radiation" (T. Taniuchi and
K. Yamamoto; “Miniturized light source of ceherent
blue radiation) Technical Digest of (LEO´87)
Reported in wp6 (1987).

第13図に従来のLiNbO3光導波路を使用した光波長変換素
子により半導体レーザ光を波長変換する構成図を示す。
半導体レーザ16から出射されたTEモード発振の基板波50
は、レンズ52でコリメートされ、λ/2板54でTMモードに
変換された後レンズ56で集光されてLiNbO358上に形成さ
れた光導波路60に入射する。この際、光導波路60中を伝
搬する基本波をチェレンコフ放射される第2高調波62の
位相速度が等しくなり、効率良く第2高調波が発生す
る。現在、波長0.84μmの半導体レーザの光出力120mW
において、約1mWの波長0.42μmの第2高調波が得られ
ている。
FIG. 13 shows a block diagram of wavelength conversion of a semiconductor laser light by an optical wavelength conversion element using a conventional LiNbO 3 optical waveguide.
A substrate wave 50 of TE mode oscillation emitted from the semiconductor laser 16.
Is collimated by the lens 52, converted into the TM mode by the λ / 2 plate 54, condensed by the lens 56, and enters the optical waveguide 60 formed on the LiNbO 3 58. At this time, the fundamental waves propagating through the optical waveguide 60 have the same phase velocities of the second harmonics 62 radiated by Cherenkov, and the second harmonics are efficiently generated. Currently, the optical output of a semiconductor laser with a wavelength of 0.84 μm is 120 mW.
At, a second harmonic of about 1 mW having a wavelength of 0.42 μm was obtained.

この従来の実施例においては、λ/2板54が使用されてお
り、これは半導体レーザ出射光がTEモード発振している
のを、TMモードに変換するためである。TMモードに変換
する理由は、LiNbO3上に形成された光導波路60に半導体
レーザを伝播させる時、TMモードのみが有効に伝搬する
からである。
In this conventional example, the λ / 2 plate 54 is used in order to convert the TE laser beam emitted from the semiconductor laser into the TM mode. The reason for converting to the TM mode is that when the semiconductor laser is propagated through the optical waveguide 60 formed on LiNbO 3 , only the TM mode is effectively propagated.

そうすると、もともと半導体レーザを90゜回転してや
り、TEモード発振を見かけ上TMモード発振のようにみな
すことが可能と考えられるが、その方法はよくない。こ
の様子を第14図で説明する。
Then, it is considered possible to rotate the semiconductor laser by 90 degrees and to see TE mode oscillation as if it were TM mode oscillation, but the method is not good. This situation will be described with reference to FIG.

第14図は、半導体レーザ及びLiNbO3光導波路の配置、な
らびに、半導体レーザが光導波路端面に結合された時の
近視野像(ニァフィールドパターン)及び電界の振動方
向を示している。
FIG. 14 shows the arrangement of the semiconductor laser and the LiNbO 3 optical waveguide, and the near-field pattern (near field pattern) and the vibration direction of the electric field when the semiconductor laser is coupled to the end face of the optical waveguide.

第14図(a)は単純に半導体レーザと光導波路を配置し
た場所であり、近視野像はマッチするが偏光方向を直交
するため、半導体レーザ光は光導波路を伝搬しない。
FIG. 14 (a) is a place where the semiconductor laser and the optical waveguide are simply arranged. Since the near-field images match but the polarization directions are orthogonal to each other, the semiconductor laser light does not propagate through the optical waveguide.

第14図(b)は、第13図の従来例に示した如く、λ/2板
を用いることにより、半導体レーザ光が光導波路を伝搬
し、SHG光が得られる。
In FIG. 14 (b), as shown in the conventional example of FIG. 13, by using the λ / 2 plate, the semiconductor laser light propagates through the optical waveguide, and the SHG light can be obtained.

第14図(c)は、半導体レーザを90゜回転した場合であ
り、この時偏光方向は一致するが、ニアフィールドパタ
ーンがまったくマッチせず、良い結果が得られない。
FIG. 14 (c) shows the case where the semiconductor laser is rotated by 90 °. At this time, the polarization directions match, but the near-field patterns do not match at all, and good results cannot be obtained.

従って、第14図(d)に示すように、半導体レーザに技
術的に+αを加え、もともと近視野像及び偏光方向がTM
モードであれば、結合効率も増加し、装置が簡単化でき
る。
Therefore, as shown in FIG. 14 (d), technically adding + α to the semiconductor laser, the near-field image and the polarization direction were originally TM.
In the mode, the coupling efficiency is increased and the device can be simplified.

一方超短光パルスの発生は、谷内,山本「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に報告されている。第13図の
構成において、半導体レーザをゴムジェネレータで直接
変調するゲインスイッチ法により、半値幅約10psec程度
の第2高調波が得られてる。
On the other hand, the generation of ultrashort light pulses is reported in Taniuchi, Yamamoto, "Picosecond generation by blue laser light source using SHG", Proc. In the configuration shown in FIG. 13, the second harmonic having a half value width of about 10 psec is obtained by the gain switch method in which the semiconductor laser is directly modulated by the rubber generator.

発明が解決しようとする課題 上記従来の技術で述べたように、半導体レーザのTEモー
ド発振でのモード同期では、半導体レーザの中間端面の
残留反射率が大きいため、短パルス化の妨げとなってい
る。
DISCLOSURE OF THE INVENTION Problems to be Solved by the Invention As described in the above-mentioned conventional technique, in mode-locking of the semiconductor laser in the TE mode oscillation, the residual reflectance of the intermediate end face of the semiconductor laser is large, which hinders shortening of the pulse. There is.

また、波長変換型の短パルス発生では、チェレンコフ放
射された第2高調波は、導波路の厚み方向はコリメート
されているが、横方向は拡がり角約14゜の発散光であ
る。従って、点に集光するためピンホール等を用いた場
合には出力の多くがむだとなるため、実用化のためには
より高出力化が課題となっている。従って、短パルス光
の波長変換効率を大幅に向上させ、さらに、短パルス光
の幅を減少させることが課題となっている。
In the wavelength conversion type short pulse generation, the second harmonic emitted by Cherenkov is collimated in the thickness direction of the waveguide but divergent light with a divergence angle of about 14 ° in the lateral direction. Therefore, if a pinhole or the like is used to collect light at a point, much of the output is wasted, and higher output is an issue for practical use. Therefore, it is a subject to significantly improve the wavelength conversion efficiency of short pulse light and further reduce the width of short pulse light.

本発明の第1の目的は、半導体レーザを従来にないTMモ
ード発振でモード同期を行い、時間的に短い光パルスを
発生することである。
A first object of the present invention is to perform mode-locking of a semiconductor laser by TM mode oscillation which has not been used in the past, and to generate an optical pulse that is short in time.

また、第2の目的は上記TMモード発振のモード同期半導
体レーザを光導波路型波長変換素子に結合し、従来より
も高出力で、時間的に短い光パルスを発生することであ
る。また、光導波路自体をモード同期半導体レーザの一
部にも含めることが可能である。
A second object is to couple the mode-locked semiconductor laser of the TM mode oscillation to an optical waveguide type wavelength conversion element to generate a light pulse having a higher output and a shorter time than the conventional one. Further, the optical waveguide itself can be included in a part of the mode-locked semiconductor laser.

課題を解決するための手段 本発明の構成は以下の通りである。Means for Solving the Problems The constitution of the present invention is as follows.

第1の端面と第2の端面とを有し、前記第1の端面に反
射防止膜が形成された半導体レーザと、 前記第1の端面側にあり、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、 前記光学系に対して前記第1の端面とは反対側にあり、
前記レーザ光を前記半導体レーザの第1の端面へ帰還す
る共振器面としての外部反射器と、 前記光学系と前記外部反射器との間に配置され、前記レ
ーザ光のTMモードのみを通過する偏光器とを備え、 前記半導体レーザ、前記光学系および前記偏光器により
TMモードのレーザ光の共振器が構成されるとともに、前
記共振器の共振器面は、前記半導体レーザの第2の端面
と前記外部反射器であり、 前記半導体レーザに注入される電流が、前記半導体レー
ザの第1の端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、前記半導体レーザの第2の端面から出射される
前記レーザ光がTMモードでモード同期発振する超短光パ
ルス半導体レーザ装置とする。
A semiconductor laser having a first end face and a second end face, and an antireflection film formed on the first end face, and a laser which is on the first end face side and is emitted from the first end face. An optical system that makes light parallel light, and is on the opposite side of the first end surface with respect to the optical system,
An external reflector serving as a resonator surface for returning the laser light to the first end face of the semiconductor laser, and arranged between the optical system and the external reflector and passing only the TM mode of the laser light. A semiconductor laser, the optical system, and the polarizer.
A TM-mode laser light resonator is configured, and a resonator surface of the resonator is the second end surface of the semiconductor laser and the external reflector, and a current injected into the semiconductor laser is The optical distance L between the first end face of the semiconductor laser and the external reflector is modulated at the round trip frequency C / 2L (C; speed of light) and emitted from the second end face of the semiconductor laser. An ultrashort optical pulse semiconductor laser device in which laser light is mode-locked in TM mode.

また、第1の端面と第2の端面とを有し、前記第1の端
面に反射防止膜が形成された半導体レーザと、 前記第1の端面側にあり、前記第1の端面から出射され
るレーザ光を結合し導波する光ファイバーと、 前記光ファイバーに対して前記第1の端面とは反対側に
あり、前記レーザ光を前記半導体レーザの第1の端面へ
帰還する共振器面としての外部反射器と、 前記光ファイバーと前記外部反射器との間に配置され、
前記レーザ光のTMモードのみを通過する偏光器とを備
え、 前記半導体レーザ、前記光ファイバーおよび前記偏光器
によりTMモードのレーザ光の共振器が構成されるととも
に、前記共振器の共振器面は、前記半導体レーザの第2
の端面と前記外部反射器であり、 前記半導体レーザに注入される電流が、前記半導体レー
ザの第1の端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、前記半導体レーザの第2の端面から出射される
前記レーザ光がTMモードでモード同期発振する超短光パ
ルス半導体レーザ装置とする。
Also, a semiconductor laser having a first end face and a second end face, and an antireflection film formed on the first end face; and a semiconductor laser on the first end face side, which is emitted from the first end face. An optical fiber that couples and guides a laser beam to the optical fiber, and an external resonator that is on the opposite side of the optical fiber from the first end face and that returns the laser light to the first end face of the semiconductor laser. A reflector, disposed between the optical fiber and the external reflector,
A polarizer that passes only the TM mode of the laser light is provided, and the semiconductor laser, the optical fiber and the polarizer constitute a resonator of the laser light of the TM mode, and the resonator surface of the resonator is Second of the semiconductor laser
Of the round-trip frequency C / 2L (for the optical distance L between the first end surface of the semiconductor laser and the external reflector). An ultrashort optical pulse semiconductor laser device in which the laser light emitted from the second end face of the semiconductor laser is modulated in C;

また、前記記載の超短光パルス半導体レーザ装置と、 前記半導体レーザ装置の第2の端面側に配置した波長変
換素子とを備え、 前記半導体レーザ装置の第2の端面から出射されるレー
ザ光が、前記波長変換素子の表面に形成された光導波路
に光学的に結合され、前記半導体レーザ装置の第2の端
面から出射されるTMモードで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の光導波路に
結合し、前記波長変換素子からの出力光として、前記基
本波の第2高調波を発生する波長変換型超短光パルス発
生装置とする。
Further, the above-described ultrashort optical pulse semiconductor laser device and a wavelength conversion element arranged on the second end face side of the semiconductor laser device are provided, and the laser light emitted from the second end face of the semiconductor laser device is The ultrashort optical pulsed light that is optically coupled to an optical waveguide formed on the surface of the wavelength conversion element and is mode-locked in TM mode emitted from the second end face of the semiconductor laser device as a fundamental wave. A wavelength conversion type ultra-short optical pulse generator that is coupled to the optical waveguide of the wavelength conversion element and generates the second harmonic of the fundamental wave as the output light from the wavelength conversion element.

また、半導体レーザと、 基本波の導波モードがTMモードである光導波路が表面上
に形成された波長変換素子とを備え、 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
端面に反射防止膜と、前記波長変換素子より遠い第2の
端面に高反射膜とを有しており、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
る反射防止膜と、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
へ帰還する外部反射器として機能する高反射膜とを有し
ており、 前記半導体レーザの第1の端面から出射するレーザ光が
前記波長変換素子の光導波路に結合され、前記光導波路
を伝搬する基本波の導波モードがTMモードであり、 前記半導体レーザおよび前記波長変換素子によりTMモー
ドのレーザ光の共振器が構成されるとともに、前記共振
器の共振器面は、前記半導体レーザの第2の端面に形成
した高反射膜と、前記波長変換素子の第2の端面に形成
した高反射膜であり、 前記半導体レーザに注入される電流が、前記半導体レー
ザの第1の端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、前記半導体レーザがTMモードでモード同期発振
した超短光パルスを発生し、前記超短光パルスを基本波
として前記波長変換素子の光導波路において、前記基本
波の第2の高調波を発生する波長変換型超短光パルス発
生装置とする。
Further, the semiconductor laser includes a wavelength conversion element having an optical waveguide whose fundamental wave is TM mode is formed on the surface of the semiconductor laser, and the semiconductor laser reflects on a first end face coupled to the wavelength conversion element. The wavelength conversion element has an anti-reflection film and a highly reflective film on the second end face farther from the wavelength conversion element.
It functions as an antireflection film for the fundamental wave on the first end face that is coupled to the semiconductor laser, and as an external reflector that returns the laser light coupled as the fundamental wave on the second end face that is farther from the semiconductor laser to the semiconductor laser. A high reflection film, and the laser light emitted from the first end face of the semiconductor laser is coupled to the optical waveguide of the wavelength conversion element, and the guided mode of the fundamental wave propagating in the optical waveguide is TM mode. The semiconductor laser and the wavelength conversion element constitute a resonator for a laser beam of TM mode, and the resonator surface of the resonator is a highly reflective film formed on the second end surface of the semiconductor laser. A high reflection film formed on a second end face of the wavelength conversion element, wherein a current injected into the semiconductor laser causes an optical distance between the first end face of the semiconductor laser and the external reflector. With respect to the separation L, the semiconductor laser is modulated at its round trip frequency C / 2L (C; speed of light), and the semiconductor laser generates an ultrashort optical pulse that is mode-locked in TM mode. The ultrashort optical pulse is used as a fundamental wave. In the optical waveguide of the wavelength conversion element, there is provided a wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator that generates the second harmonic of the fundamental wave.

作用 本発明は上記した構成により、モード同期半導体レーザ
の偏光を制御し、半導体レーザの中間端面の残留反射率
の小さいTMモードで発振させることにより、各外部共振
器モード間隔が等しくなるため、従来よりも時間的に短
い超短光パルスを発生することが可能となる。
Action The present invention has the above-described configuration, by controlling the polarization of the mode-locked semiconductor laser and oscillating in the TM mode with a small residual reflectance of the intermediate end face of the semiconductor laser, the external cavity mode intervals become equal, so It becomes possible to generate an ultrashort optical pulse that is shorter than the above.

また、波長変換を行った場合には、第2次高調波は、基
本波の出力の2乗に比例して変換されるため、さらに短
パルス化が可能となる。
Further, when the wavelength conversion is performed, the second harmonic is converted in proportion to the square of the output of the fundamental wave, so that the pulse can be further shortened.

実 施 例 以下に本発明を実施例を用いて説明する。図に本発明の
一実施例を示す。各手段に用いる番号は従来例に用いた
手段と同じ場合、同じ番号を用いて説明する。
Examples The present invention will be described below with reference to examples. An embodiment of the present invention is shown in the drawing. When the numbers used for the respective means are the same as those used in the conventional example, the same numbers will be used for description.

第1及び第2のへき開端面14及び12により構成される半
導体レーザ16の活性層10に、電源38より電流を注入す
る。反射防止膜18が施された第1の端面14から出射した
レーザ光40はレンズ42で平行光とされ、偏光制御器とし
ての偏光子44,及び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16に光帰還
される。この時偏光子44を半導体レーザ16からの出射光
のTM偏光成分のみが通過するように配置すると、レーザ
光40はTMモード34で発振する。本モード同期半導体レー
ザ装置の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で電流変調を行う
と、へき開端面12から出射するレーザ光48は超短光パル
ス発振をする。実際にはその超短光パルスの時間幅は、
ストリークカメラあるいは第2次高調波変換器,例えば
LiIO3のようなものを用いたオートコリレータで観測す
ることが可能である。外部共振器長さ7.5cmとすると、
外部共振器のラウンドドリップ周波数を2GHzとなり、電
源38からの注入電流をその周波数で変調を行うと能動モ
ード同期が実現され、出射レーザ光48のパルス幅は1ピ
コ秒以下となる。すなわちモード同期発振する際、光の
スペクトルが第12図bに示すように、各外部共振モード
が精密に等隔で並び、νp+n+1−νp+n=νp+n−νp+n-1
なる関係が得られたことによる。すなわち従来報告され
ているモード同期半導体レーザは、本発明で示したよう
な、偏光を制御する手段としての偏光子44を有していな
いため、常にTEモードで発振し、従ってへき開端面14の
残留反射率の影響が大であり、発振する光のスペクトル
は第12図(a)のように各外部共振モードの間隔は等し
くなくνm+n+1−νm+n≠νn+n−νm+n-1となってしまっ
ており、各外部共振モードが同位相に同期して発振しに
くいため理想的なモード同期が得られにくいのである。
それに対して、本発明によるモード同期半導体レーザは
偏光を制御し、始めてTMモードで発振させているため、
従来よりも時間的に短かい超短光パルスを発生すること
が可能となるわけである。
A current is injected from a power source 38 into the active layer 10 of the semiconductor laser 16 constituted by the first and second cleaved end faces 14 and 12. The laser light 40 emitted from the first end face 14 provided with the antireflection film 18 is collimated by a lens 42, passes through a polarizer 44 as a polarization controller and an etalon 46 as a wavelength controller, and It is reflected by the reflector 22 and is optically returned to the semiconductor laser 16. At this time, if the polarizer 44 is arranged so that only the TM polarized component of the light emitted from the semiconductor laser 16 passes through, the laser light 40 oscillates in the TM mode 34. When the injection current of this mode-locked semiconductor laser device is biased below the threshold current and the current is modulated at the round trip frequency of the external resonator, the laser light 48 emitted from the cleaved end face 12 oscillates an ultrashort optical pulse. . Actually, the time width of the ultrashort light pulse is
Streak camera or second harmonic converter, eg
It is possible to observe with an autocorrelator using something like LiIO 3 . If the external resonator length is 7.5 cm,
When the round drip frequency of the external resonator is 2 GHz and the injection current from the power source 38 is modulated at that frequency, active mode locking is realized, and the pulse width of the emitted laser light 48 is 1 picosecond or less. That is, during mode-locked oscillation, as shown in FIG. 12b, the spectrum of light is such that the external resonance modes are precisely aligned and ν p + n + 1 −ν p + n = ν p + n −ν p + n-1
It depends on the fact that That is, since the conventionally reported mode-locked semiconductor laser does not have the polarizer 44 as a means for controlling the polarization as shown in the present invention, it always oscillates in the TE mode, and therefore the cleaved end face 14 remains. The influence of the reflectance is large, and the spectrum of the oscillating light is such that the intervals between the external resonance modes are not equal as shown in FIG. 12 (a), and ν m + n + 1 −ν m + n ≠ ν n + n − Since it is ν m + n-1 , it is difficult to obtain ideal mode-locking because each external resonance mode is difficult to oscillate in synchronization with the same phase.
On the other hand, the mode-locked semiconductor laser according to the present invention controls polarization and oscillates in the TM mode for the first time,
It becomes possible to generate an ultrashort optical pulse that is shorter in time than before.

第3図に半導体レーザをモード同期した時の、オートコ
リレータにより測定されるパルス波形を示す。第3図
(a),(b)はそれぞれ従来のTEモードでのモード同
期の場合、及びTMモードでのモード同期の場合である。
図から明らかなようにTMモードでのモード同期の方が光
パルスの幅を短かくすることが可能であることは明らか
である。
FIG. 3 shows a pulse waveform measured by the autocorrelator when the semiconductor laser is mode-locked. FIGS. 3 (a) and 3 (b) show the case of mode synchronization in the conventional TE mode and the case of mode synchronization in the TM mode, respectively.
As is clear from the figure, it is clear that mode-locking in the TM mode can shorten the width of the optical pulse.

第2図に第2の実施例として光ファイバを用いたTMモー
ド同期半導体レーザ装置の場合を示す。第1の実施例と
概念的には同じであり、第1の実施例におけるレンズ光
学系を光ファイバに置き換えてある。すなわち、反射防
止膜18の施された第1の端面14から出射したレーザ光
は、光ファイバ64に結合され、光ファイバ64中を伝搬す
る。光ファイバの端面には偏光器44及び外部反射器22が
配置され、半導体レーザ16からの出射光のTM成分のみが
通過するように偏光子44を配置すると、レーザ光60はTM
モードで発振する。電源38から注入する電流をしきい値
電流以下にバイアスし、外部共振器のラウンドトリップ
周波数で電流変調を行うと、第2の端面12から出射する
レーザ光66は、超短光パルス発振となる。
FIG. 2 shows the case of a TM mode-locking semiconductor laser device using an optical fiber as the second embodiment. Conceptually the same as the first embodiment, the lens optical system in the first embodiment is replaced with an optical fiber. That is, the laser light emitted from the first end face 14 provided with the antireflection film 18 is coupled to the optical fiber 64 and propagates in the optical fiber 64. The polarizer 44 and the external reflector 22 are arranged on the end face of the optical fiber, and when the polarizer 44 is arranged so that only the TM component of the emitted light from the semiconductor laser 16 passes, the laser light 60 becomes TM.
It oscillates in the mode. When the current injected from the power supply 38 is biased below the threshold current and the current is modulated at the round trip frequency of the external resonator, the laser light 66 emitted from the second end face 12 becomes an ultrashort optical pulse oscillation. .

本発明においては第1の実施例では、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
ってもよい。回折格子は、波長制御器及び外部反射体と
しての機能を兼ね備える。また半導体レーザととして
は、通常のファブ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
のレーザや、複合共振器構成としたような単一モードレ
ーザ,例えばIPCレーザであってもよく、この場合縦単
一モードで発振するため波長制御器46が含まれなくても
良い。また半導体レーザ材料としては、発振波長0.7〜
0.8μm帯のAlGaAs系,1.2〜1.6μm帯のInP系のみなら
ず、他のあらゆる材料であってもよい。
Although the etalon is used as the wavelength controller in the first embodiment in the present invention, any wavelength controller may be used. The diffraction grating also has a function as a wavelength controller and an external reflector. As the semiconductor laser, not only an ordinary Fabry-Perot type semiconductor laser but also a distributed feedback type (DFB) or distributed reflection type (DBR) structure laser, a single mode laser such as a compound resonator structure, for example, It may be an IPC laser, in which case the wavelength controller 46 may not be included because it oscillates in a longitudinal single mode. As a semiconductor laser material, the oscillation wavelength is 0.7 to
Not only AlGaAs-based material in the 0.8 μm band and InP-based material in the 1.2 to 1.6 μm band, but also any other material may be used.

また本実施例では電源38からの注入電流を変調する能動
モード同期を示したが、半導体レーザ内部に可飽和吸収
領域を有し、CWの注入電流で駆動した受動モード同期で
あってもよい。
Further, in the present embodiment, active mode-locking in which the injection current from the power supply 38 is modulated is shown, but passive mode-locking having a saturable absorption region inside the semiconductor laser and driven by the injection current of CW may be used.

次に、波長変換型の超短光パルス発生装置の実施例につ
いて説明する。そもそもモード同期半導体レーザの波長
変換効率は、単一モード半導体レーザの場合の(2N2
1)/3N倍に増加する。ここで、Nは同期している縦モ
ードの本数である。このことは、例えば、F.ザーニッ
ク,J.E.ミッドウィンター「アプライド ノンリニア
オプティクス」(F.ZERNIKE and J.E.MIDWINTER“Appli
ed Nonlinear Optics")A WILEY−INTERSCIENCE PUBLIC
ATION p.111に詳しく記載されている。
Next, an embodiment of a wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator will be described. In the first place, the wavelength conversion efficiency of a mode-locked semiconductor laser is (2N 2 +
1) / 3N times increase. Here, N is the number of synchronized vertical modes. This means, for example, F. Zarnick, JE Midwinter “Applied Nonlinear
Optics "(F.ZERNIKE and JEMIDWINTER“ Appli
ed Nonlinear Optics ") A WILEY-INTERSCIENCE PUBLIC
ATION p.111 for details.

また、モード同期半導体レーザの出力光パルスのパルス
幅は論理的には0.1psecぐらいまで短パルス化が可能で
あり、ゲインスイッチ法により発生させた場合の1/10〜
1/100程度に抑圧される。
In addition, the pulse width of the output optical pulse of the mode-locked semiconductor laser can theoretically be shortened to about 0.1 psec, which is 1/10 of that generated by the gain switch method.
It is suppressed to about 1/100.

従って、上に述べた本発明の実施例の構成によって、モ
ード同期された半導体レーザの短パルス出力を波長変換
することにより、第2高調波の高出力化および短パルス
化が可能となる。
Therefore, with the configuration of the above-described embodiment of the present invention, the wavelength conversion of the short pulse output of the mode-locked semiconductor laser makes it possible to increase the output and shorten the pulse of the second harmonic.

第4図に本発明の第3の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。16は波長0.84μmのAlGa
As半導体レーザ,52,56,70はレンズ、46はエタロン板、2
2は外部反射器、44は偏光器、58は波長変換素子、60は
光導波路である。半導体レーザ16の第1の端面には反射
防止膜18が施されている。波長変換素子58は、Z−Cut
のLiNbO3基板(サイズ2×2×6mm)にプロトン交換に
より光導波路(幅×厚み×長さ=2μm×0.4μm×6m
m)を形成したもので、基本波は最低次TMモード、高調
波はTM放射モードである。
FIG. 4 shows a block diagram of a wavelength conversion ultrashort optical pulse generator according to a third embodiment of the present invention. 16 is AlGa with a wavelength of 0.84 μm
As semiconductor laser, 52, 56, 70 are lenses, 46 is etalon plate, 2
2 is an external reflector, 44 is a polarizer, 58 is a wavelength conversion element, and 60 is an optical waveguide. An antireflection film 18 is applied to the first end surface of the semiconductor laser 16. The wavelength conversion element 58 is a Z-Cut.
LiNbO 3 substrate (size 2 × 2 × 6 mm) by optical waveguide by proton exchange (width × thickness × length = 2 μm × 0.4 μm × 6 m
m) is formed, the fundamental wave is the lowest TM mode, and the harmonic wave is the TM radiation mode.

半導体レーザ素子16,レンズ70および外部反射体22はモ
ード同期半導体レーザを構成しており、半導体レーザ素
子16の第1の端面より出射したレーザ光68はレンズ70で
コリメートされTMモードのみを通過する偏光器44及びエ
タロン板46を通過し、外部反射体22で反射された後、再
び半導体レーザ素子16に帰還される。半導体レーザ素子
16をしきい値電流以下にバイアスし、変調周波数fm=C/
2L(Cは光速,Lは半導体レーザ)端面18と外部反射体22
間の光学長)で変調することにより、モード間隔Δν=
C/2Lの各モードが同期して発振し、TMモードの短パルス
光50が発生する。
The semiconductor laser device 16, the lens 70, and the external reflector 22 constitute a mode-locking semiconductor laser, and the laser light 68 emitted from the first end face of the semiconductor laser device 16 is collimated by the lens 70 and passes only the TM mode. After passing through the polarizer 44 and the etalon plate 46 and being reflected by the external reflector 22, it is returned to the semiconductor laser device 16 again. Semiconductor laser device
Biasing 16 below threshold current, modulation frequency f m = C /
2L (C is the speed of light, L is a semiconductor laser) End face 18 and external reflector 22
By adjusting the optical length of the
Each mode of C / 2L oscillates in synchronism, and TM mode short pulse light 50 is generated.

半導体レーザ16の第2の端面12より出射した短パルス光
50はレンズ52でコリメートされ、レンズ56で光導波路60
に入射される。
Short pulse light emitted from the second end face 12 of the semiconductor laser 16
Lens 50 is collimated by lens 52, and optical waveguide 60 by lens 56.
Is incident on.

光導波路60に入射した基本波の一部は波長0.42μmの第
2の高調波に波長変換されてチェレンコフ放射72として
基板側に出力される。
A part of the fundamental wave incident on the optical waveguide 60 is wavelength-converted into a second harmonic having a wavelength of 0.42 μm and output as Cherenkov radiation 72 to the substrate side.

第2高調波の強度は基本波の強度の2乗に比例するた
め、第2の高調波のパルス光のパルス幅は基本波のパル
ス幅よりも短くなる。本実施例では、パルス幅10psecの
基本波より7psecの第2高調波が得られた。
Since the intensity of the second harmonic is proportional to the square of the intensity of the fundamental wave, the pulse width of the pulse light of the second harmonic becomes shorter than the pulse width of the fundamental wave. In the present embodiment, the second harmonic of 7 psec was obtained from the fundamental wave having the pulse width of 10 psec.

第8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8図(a)及び(b)はそれぞれ
半導体レーザをゲインスイッチングした場合とTMモード
でモード同期した場合である。図より明らかなようにTM
モード同期した方がパルス幅を時間的に短かくすること
が可能である。第5図に本発明の第4の実施例を示す。
本実施例は、第2の実施例で示した、光ファイバを用い
たTMモード同期半導体レーザを波長変換素子に結合した
ものである。従ってモード同期半導体レーザ部分の説明
を省略する。半導体レーザ16の第2の端面12から出射す
るTMモードの短パルス光50を、レンズ52,56を介して波
長変換素子58上に形成された光導波路60上に結合する
と、第2高調波光72がチエレンコフ放射として基板側に
出力される。
FIG. 8 shows the optical pulse waveform of the second harmonic measured by the streak camera. FIGS. 8A and 8B show a case where the semiconductor laser is gain-switched and a case where the semiconductor laser is mode-locked in the TM mode, respectively. As is clear from the figure, TM
It is possible to shorten the pulse width in time by mode-locking. FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention.
In this embodiment, the TM mode-locking semiconductor laser using an optical fiber shown in the second embodiment is coupled to a wavelength conversion element. Therefore, the description of the mode-locked semiconductor laser portion is omitted. When the TM-mode short pulse light 50 emitted from the second end face 12 of the semiconductor laser 16 is coupled via the lenses 52 and 56 onto the optical waveguide 60 formed on the wavelength conversion element 58, the second harmonic light 72 is generated. Is output to the substrate side as Tierenkov radiation.

この第3及び第4の本発明の実施例で強調すべきこと
は、第5図に示した従来例と比較すると、TMモードでの
モード同期を用いているため以下の特長がある。λ/2板
を用いる必要がなく、容易に半導体レーザと光導波路の
高い結合が得られる。従来のゲインスイッチ法と比較し
ても第2高調波光のパルス幅が短く、かつ高出力化が可
能である。
What should be emphasized in the third and fourth embodiments of the present invention is that the mode synchronization in the TM mode is used as compared with the conventional example shown in FIG. A high coupling between the semiconductor laser and the optical waveguide can be easily obtained without using a λ / 2 plate. Compared with the conventional gain switch method, the pulse width of the second harmonic light is short and high output is possible.

第6図に本発明の第5の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。
FIG. 6 shows a block diagram of a wavelength conversion ultrashort optical pulse generator according to a fifth embodiment of the present invention.

半導体レーザ16の第1の端面には反射防止膜18が第2の
端面には高反射膜74が施されている。波長変換素子58の
入射端には基本波の波長に対する反射防止膜76が、出射
端には基本波に対する高反射膜78が施されている。
An antireflection film 18 is provided on the first end face of the semiconductor laser 16 and a high reflection film 74 is provided on the second end face thereof. An antireflection film 76 for the wavelength of the fundamental wave is provided on the entrance end of the wavelength conversion element 58, and a high reflection film 78 for the fundamental wave is provided on the exit end.

半導体レーザ16の出射光78はレンズ52,56を介して波長
変換素子58に入射し、光導波路60を導波した後、高反射
膜78で反射され再び半導体レーザ素子16に帰還される。
光導波路60はTEモードは放射モードとなり、導波しない
ためTMモードのみが導波して半導体レーザ素子16に帰還
されるため、半導体レーザ素子16はTMモードしきい利得
がTEモードより小さくなり、TMモード発振となる。
The emitted light 78 of the semiconductor laser 16 enters the wavelength conversion element 58 via the lenses 52 and 56, is guided through the optical waveguide 60, is reflected by the high reflection film 78, and is returned to the semiconductor laser element 16 again.
In the optical waveguide 60, the TE mode becomes the radiation mode, and since the TM mode is not guided, only the TM mode is guided and returned to the semiconductor laser device 16, so that the semiconductor laser device 16 has a TM mode threshold gain smaller than that of the TE mode. It becomes TM mode oscillation.

本実施例では、波長変換素子58の高反射膜78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fm=C/2L(Lは端面74,端面78間の光学
長)で変調することにより、小型かつ安定な構成で第2
高調波の短パルス光が得られる。
In this embodiment, the end face of the wavelength conversion element 58 provided with the high reflection film 78 is used as an external reflector to form a mode-locked semiconductor laser, and the semiconductor laser is biased to a threshold current or less and the modulation frequency f m = C / 2L (L is the optical length between end face 74 and end face 78)
Harmonic short pulse light can be obtained.

第7図に本発明の第6の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。
FIG. 7 shows a block diagram of a wavelength conversion ultrashort optical pulse generator according to a sixth embodiment of the present invention.

半導体レーザ素子16と波長変換素子58がババット結合さ
れている以外は第5の実施例と同様であるが、レンズ系
を用いないため装置がさらに小型化され、光軸合せも容
易となる。
The same as the fifth embodiment except that the semiconductor laser device 16 and the wavelength conversion device 58 are Babat coupled, but the apparatus is further downsized because the lens system is not used, and the optical axis alignment is facilitated.

以上、第3〜第6の実施例においては、波長変換素子と
してLiNbO3基板を用いたが、LiTaO3,LiIO3,HIO3,KNbO3
等の材料であってもよい。また、位相整合は、導波モー
ドと放射モード間で行ったが、2つの導波モード間で行
ってもよい。またもちろん能動モード同期のみならず受
動モード同期であってもよい。
Above, in the third to sixth embodiments, using a LiNbO 3 substrate as the wavelength conversion element, LiTaO 3, LiIO 3, HIO 3, KNbO 3
It may be a material such as. Further, the phase matching is performed between the guided mode and the radiation mode, but may be performed between the two guided modes. Of course, not only active mode synchronization but also passive mode synchronization may be used.

発明の効果 以上のように本発明の超短光パルス半導体レーザ装置
は、従来にないTMモードを用いた装置であり、短い光パ
ルスを発生させることが可能である。従って光パルス発
振器として高性能化されており、例えばコンピュータの
基準クロック光パルスとしても非常に有効である。また
光パルスの時間幅が小さいことにより、高ピットレート
化が可能であり、外部変調器と組み合わされると光通信
用光源としても適している。また本超短光パルス半導体
レーザ装置は、従来の装置と比較しても、光スペクトル
としての外部共振モードが精密に等しい周波数間隔で並
んでいるため、光の周波数基準として用いることも可能
である。また、モード同期技術によって発生した短パル
ス光を波長変換することにより、従来のゲインスイッチ
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
の向上および短パルス化が可能であり、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、装置の小型化も可能となる。
EFFECTS OF THE INVENTION As described above, the ultrashort optical pulse semiconductor laser device of the present invention is a device using a TM mode which has not been available in the past, and can generate a short optical pulse. Therefore, it has been improved in performance as an optical pulse oscillator, and is very effective, for example, as a reference clock optical pulse for a computer. Further, since the time width of the optical pulse is small, a high pit rate can be achieved, and when combined with an external modulator, it is also suitable as a light source for optical communication. In addition, the present ultra-short optical pulse semiconductor laser device can be used as a frequency reference of light because the external resonance modes as an optical spectrum are arranged at precisely equal frequency intervals as compared with the conventional device. . In addition, by converting the wavelength of the short pulse light generated by the mode-locking technology, it is possible to improve the conversion efficiency and shorten the pulse compared to the wavelength conversion of the short pulse light generated by the conventional gain switch method. By configuring the mode-locking reflector at the emission end face of the conversion element, the device can be downsized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

第1図、第2図は本発明の第1および第2の実施例にお
ける超短光パルス半導体レーザ装置の概略構成図、第3
図はオートコリレータで測定されたTEモードでの短パル
ス測定結果とTMモードでの短パルス測定結果をそれぞれ
示す特性図、第4図〜第7図は本発明の第3〜第6の実
施例における波長変換型超短光パルス発生装置の概略構
成図、第8図はストリークカメラで測定したゲインスイ
ッチ法により得られた短パルスの波形とTMモードのモー
ド同期法により得られた短パルスの波形をそれぞれ示す
特性図、第9図は従来のTEモードのモード同期半導体レ
ーザの概略構成図、第10図は半導体レーザ端面反射率の
偏向依存性を示す特性図、第11図は半導体レーザをTMモ
ード発振させるための構成図、第12図は外部共振モード
間隔の周波数分布についてTEモードとTMモードの違いを
示す図、第13図は従来の波長変換型超短光パルス発生装
置の概略図、第14図は半導体レーザと波長変換素子の配
置、半導体レーザのニアフィールドパターンと偏光方
向,波長変換素子内の導波可能な光のニアフィールドパ
ターンと偏光方向を示す図である。 10……活性層、12,14……へき開面、16……半導体レー
ザ、18,76……反射防止膜、22……反射体、34……TMモ
ード、38……電源、40,48……レーザ光、42,52,56,70…
…レンズ、44……偏光子、46……エタロン、64……光フ
ァイバ、58……波長変換素子、60……光導波路、74,78
……高反射膜。
1 and 2 are schematic configuration diagrams of an ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to the first and second embodiments of the present invention, respectively.
The figures are characteristic diagrams showing the short pulse measurement result in the TE mode and the short pulse measurement result in the TM mode, respectively, which are measured by the autocorrelator, and FIGS. 4 to 7 are the third to sixth embodiments of the present invention. Fig. 8 is a schematic diagram of the wavelength conversion type ultra-short optical pulse generator in, and Fig. 8 shows the waveform of the short pulse obtained by the gain switch method measured by the streak camera and the waveform of the short pulse obtained by the mode locking method of TM mode. FIG. 9 is a characteristic diagram showing the conventional TE mode mode-locked semiconductor laser, FIG. 10 is a characteristic diagram showing the deflection dependence of the end facet reflectivity of the semiconductor laser, and FIG. Configuration diagram for mode oscillation, FIG. 12 is a diagram showing the difference between TE mode and TM mode in the frequency distribution of the external resonance mode interval, FIG. 13 is a schematic diagram of a conventional wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator, Figure 14 is semi-conductive Arrangement of the laser and the wavelength conversion element is a diagram showing a semiconductor laser of the near field pattern and polarization direction, the light can be guided light near-field pattern and the polarization direction of the wavelength conversion element. 10 ... Active layer, 12, 14 ... Cleaved surface, 16 ... Semiconductor laser, 18,76 ... Antireflection film, 22 ... Reflector, 34 ... TM mode, 38 ... Power supply, 40, 48 ... … Laser light, 42,52,56,70…
… Lens, 44 …… Polarizer, 46 …… Etalon, 64 …… Optical fiber, 58 …… Wavelength conversion element, 60 …… Optical waveguide, 74,78
...... Highly reflective film.

Claims (12)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1の端面と第2の端面とを有し、前記第
1の端面に反射防止膜が形成された半導体レーザと、 前記第1の端面側にあり、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、 前記光学系に対して前記第1の端面とは反対側にあり、
前記レーザ光を前記半導体レーザの第1の端面へ帰還す
る共振器面としての外部反射器と、 前記光学系と前記外部反射器との間に配置され、前記レ
ーザ光のTMモードのみを通過する偏光器とを備え、 前記半導体レーザ、前記光学系および前記偏光器により
TMモードのレーザ光の共振器が構成されるとともに、前
記共振器の共振器面は、前記半導体レーザの第2の端面
と前記外部反射器であり、 前記半導体レーザに注入される電流が、前記半導体レー
ザの第1の端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、前記半導体レーザの第2の端面から出射される
前記レーザ光がTMモードでモード同期発振することを特
徴とする超短光パルス半導体レーザ装置。
1. A semiconductor laser having a first end face and a second end face, wherein an antireflection film is formed on the first end face, and the first end face on the first end face side. An optical system for collimating laser light emitted from the optical system, and the optical system is located on a side opposite to the first end face,
An external reflector serving as a resonator surface for returning the laser light to the first end face of the semiconductor laser, and arranged between the optical system and the external reflector and passing only the TM mode of the laser light. A semiconductor laser, the optical system, and the polarizer.
A TM-mode laser light resonator is configured, and a resonator surface of the resonator is the second end surface of the semiconductor laser and the external reflector, and a current injected into the semiconductor laser is The optical distance L between the first end face of the semiconductor laser and the external reflector is modulated at the round trip frequency C / 2L (C; speed of light) and emitted from the second end face of the semiconductor laser. Ultrashort optical pulse semiconductor laser device characterized in that laser light oscillates in TM mode.
【請求項2】第1の端面と第2の端面とを有し、前記第
1の端面に反射防止膜が形成された半導体レーザと、 前記第1の端面側にあり、前記第1の端面から出射され
るレーザ光を結合し導波する光ファイバーと、 前記光ファイバーに対して前記第1の端面とは反対側に
あり、前記レーザ光を前記半導体レーザの第1の端面へ
帰還する共振器面としての外部反射器と、 前記光ファイバーと前記外部反射器との間に配置され、
前記レーザ光のTMモードのみを通過する偏光器とを備
え、 前記半導体レーザ、前記光ファイバーおよび前記偏光器
によりTMモードのレーザ光の共振器が構成されるととも
に、前記共振器の共振器面は、前記半導体レーザの第2
の端面と前記外部反射器であり、 前記半導体レーザに注入される電流が、前記半導体レー
ザの第1の端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、前記半導体レーザの第2の端面から出射される
前記レーザ光がTMモードでモード同期発振することを特
徴とする超短光パルス半導体レーザ装置。
2. A semiconductor laser having a first end face and a second end face, wherein an antireflection film is formed on the first end face, and the first end face on the first end face side. An optical fiber for coupling and guiding the laser light emitted from the optical fiber, and a resonator surface on the opposite side of the optical fiber from the first end surface for returning the laser light to the first end surface of the semiconductor laser. An external reflector as, and arranged between the optical fiber and the external reflector,
A polarizer that passes only the TM mode of the laser light is provided, and the semiconductor laser, the optical fiber and the polarizer constitute a resonator of the laser light of the TM mode, and the resonator surface of the resonator is Second of the semiconductor laser
Of the round-trip frequency C / 2L (for the optical distance L between the first end surface of the semiconductor laser and the external reflector). C: the speed of light), and the laser light emitted from the second end face of the semiconductor laser is mode-locked oscillating in the TM mode.
【請求項3】波長制御器としてのエタロンが、偏光器と
外部反射体との間に配置されていることを特徴とする請
求項1または2に記載の超短光パルス半導体レーザ装
置。
3. The ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1, wherein the etalon as a wavelength controller is arranged between the polarizer and the external reflector.
【請求項4】外部反射器として、波長制御機能をもつ回
折格子を用いることを特徴とする請求項1または2に記
載の超短光パルス半導体レーザ装置。
4. The ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1, wherein a diffraction grating having a wavelength control function is used as the external reflector.
【請求項5】半導体レーザとして、分布帰還型半導体レ
ーザを用いることを特徴とする請求項1または2に記載
の波長変換型超短光パルス発生装置。
5. A wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator according to claim 1, wherein a distributed feedback type semiconductor laser is used as the semiconductor laser.
【請求項6】内部に過飽和吸収領域を有する半導体レー
ザを用いることを特徴とする請求項1または2に記載の
波長変換型超短光パルス発生装置。
6. The wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator according to claim 1, wherein a semiconductor laser having a supersaturated absorption region inside is used.
【請求項7】請求項1または2に記載の超短光パルス半
導体レーザ装置と、 前記半導体レーザ装置の第2の端面側に配置した波長変
換素子とを備え、 前記半導体レーザ装置の第2の端面から出射されるレー
ザ光が、前記波長変換素子の表面に形成された光導波路
に光学的に結合され、前記半導体レーザ装置の第2の端
面から出射されるTMモードで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の光導波路に
結合し、前記波長変換素子からの出力光として、前記基
本波の第2高調波を発生することを特徴とする波長変換
型超短光パルス発生装置。
7. An ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1 or 2, and a wavelength conversion element arranged on the second end face side of the semiconductor laser device, wherein the second semiconductor laser device comprises: A laser beam emitted from the end face is optically coupled to an optical waveguide formed on the surface of the wavelength conversion element, and is an ultra-short mode-mode oscillating TM mode emitted from the second end face of the semiconductor laser device. A wavelength conversion type ultrashort light, characterized in that optical pulsed light is coupled as a fundamental wave to an optical waveguide of the wavelength conversion element, and a second harmonic of the fundamental wave is generated as output light from the wavelength conversion element. Pulse generator.
【請求項8】半導体レーザと、 基本波の導波モードがTMモードである光導波路が表面上
に形成された波長変換素子とを備え、 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
端面に反射防止膜と、前記波長変換素子より遠い第2の
端面に高反射膜とを有しており、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
る反射防止膜と、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
へ帰還する外部反射器として機能する高反射膜とを有し
ており、 前記半導体レーザの第1の端面から出射するレーザ光が
前記波長変換素子の光導波路に結合され、前記光導波路
を伝搬する基本波の導波モードがTMモードであり、 前記半導体レーザおよび前記波長変換素子によりTMモー
ドのレーザ光の共振器が構成されるとともに、前記共振
器の共振器面は、前記半導体レーザの第2の端面に形成
した高反射膜と、前記波長変換素子の第2の端面に形成
した高反射膜であり、 前記半導体レーザに注入される電流が、前記半導体レー
ザの第1の端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、前記半導体レーザがTMモードでモード同期発振
した超短光パルスを発生し、前記超短光パルスを基本波
として前記波長変換素子の光導波路において、前記基本
波の第2高調波を発生することを特徴とする波長変換型
超短光パルス発生装置。
8. A semiconductor laser, and a wavelength conversion element having an optical waveguide whose fundamental wave guided mode is a TM mode formed on a surface thereof, wherein the semiconductor laser is coupled to the wavelength conversion element. The wavelength conversion element has an antireflection film on an end surface and a high reflection film on a second end surface farther from the wavelength conversion element.
It functions as an antireflection film for the fundamental wave on the first end face that is coupled to the semiconductor laser, and as an external reflector that returns the laser light coupled as the fundamental wave on the second end face that is farther from the semiconductor laser to the semiconductor laser. A high reflection film, and the laser light emitted from the first end face of the semiconductor laser is coupled to the optical waveguide of the wavelength conversion element, and the guided mode of the fundamental wave propagating in the optical waveguide is TM mode. The semiconductor laser and the wavelength conversion element constitute a resonator for a laser beam of TM mode, and the resonator surface of the resonator is a highly reflective film formed on the second end surface of the semiconductor laser. A high reflection film formed on a second end face of the wavelength conversion element, wherein a current injected into the semiconductor laser causes an optical distance between the first end face of the semiconductor laser and the external reflector. With respect to the separation L, the semiconductor laser is modulated at its round trip frequency C / 2L (C; speed of light), and the semiconductor laser generates an ultrashort optical pulse that is mode-locked in TM mode. The ultrashort optical pulse is used as a fundamental wave. A wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator, wherein the second harmonic of the fundamental wave is generated in the optical waveguide of the wavelength conversion element.
【請求項9】半導体レーザ装置と波長変換素子に形成し
た光導波路とが、コリメートレンズとフォーカシングレ
ンズで光学的に結合したことを特徴とする請求項7また
は8に記載の波長変換型超短光パルス発生装置。
9. The wavelength conversion type ultrashort light according to claim 7, wherein the semiconductor laser device and the optical waveguide formed in the wavelength conversion element are optically coupled by a collimating lens and a focusing lens. Pulse generator.
【請求項10】半導体レーザ装置と波長変換素子とがバ
ット結合したことを特徴とする請求項7または8に記載
の波長変換型超短光パルス発生装置。
10. The wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator according to claim 7, wherein the semiconductor laser device and the wavelength conversion element are butt-coupled to each other.
【請求項11】半導体レーザとして、分布帰還型半導体
レーザを用いることを特徴とする請求項7または8に記
載の波長変換型超短光パルス発生装置。
11. The wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator according to claim 7, wherein a distributed feedback type semiconductor laser is used as the semiconductor laser.
【請求項12】内部に過飽和吸収領域を有する半導体レ
ーザを用いることを特徴とする請求項7または8に記載
の波長変換型超短光パルス発生装置。
12. A wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator according to claim 7, wherein a semiconductor laser having a supersaturated absorption region inside is used.
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