JPH09179148A - 光パルス圧縮素子及び光パルス圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型、低価格、且つ安定性に優れ、特に大容量
光通信システムや高速光計測システムに好適な光パルス
圧縮素子を提供する。 【解決手段】３次の光非線形効果（自己位相変調効果）
と共振効果を有する誘電体多層膜を含む光パルス圧縮素
子を形成する。 【効果】従来の光ソリトン圧縮法では数百メートルから
数キロメートルの光ファイバを必要とした光パルス圧縮
を、誘電体多層膜からなる光学素子一つで行えるため、
通信又は計測機器における光圧縮装置を格段に小型化し
且つ低価格化できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、時分割多重通信シ
ステム、あるいは時分割多重通信と波長分割多重通信シ
ステムのハイブリッド通信システムを柱とした長距離大
容量光通信システム用に、または、超高速光計測用に必
要不可欠な超短光パルス発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】モード同期レーザや利得スイッチレーザ
から発生した短光パルスの時間幅を、さらに縮小（即
ち、圧縮）するには、そのスペクトル幅を拡げること
と、正または負の群速度分散を用いて、チャープ補償を
行うことが必要不可欠である。ここで言う"圧縮"とは、
短パルスレーザから出射された光パルスのスペクトル幅
から見積られる最短パルス幅（フーリエ変換限界パル
ス：TLパルス）より、さらに短い光パルスを得ることを
意味する。以下に、このパルス圧縮法の従来技術の例
を、図１６を用いて説明する（文献：アプライドフィジ
ックスレター，第５９巻，２０７６頁（１９９１）参
照）。まず初めに、反射器２５、レンズ２６、多重量子
井戸層２７から構成される同期励起外部共振器型面発光
レーザ２８をポンプ光２４によって励起することによっ
て得られた光パルスを、回折格子対２９を用いてチャー
プ補償することにより、ある程度まで圧縮する。これ
は、次の段階で光パルスが光ファイバー３０内を伝搬す
る時に生じる光非線形効果（自己位相変調効果）を強め
るためである。回折格子対２９を通過した後、光パルス
は負の群速度分散を有する光ファイバー３０内を伝搬す
る。この例では、光ファイバーの長さは約４００メート
ルである。この時、光ファイバー３０内では自己位相変
調によるスペクトル幅拡大と負の群速度分散によるチャ
ープ補償が同時に存在し，これらの効果のバランスによ
って光ソリトンが形成され、光パルスの圧縮が達成され
る。以上の方法は、一般に光ソリトン圧縮法と呼ばれて
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術として述べ
た光ソリトン圧縮法では、光ファイバーにおける光非線
形効果（自己位相変調効果）と群速度分散が極めて小さ
いため、数百メートルから１キロメートルオーダーの長
さの光ファイバーを必要とする。従って、装置の大型
化、高価格化、動作の安定性に欠けるなどの欠点が存在
する。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記の光ファイバー中の
光伝搬における３次の光非線形効果（所謂、自己位相変
調効果）と群速度分散によるチャープ補償効果を用いた
光パルス圧縮法に関する課題を解決するためには、光フ
ァイバーに比べて大きな３次の光非線形効果（自己位相
変調効果）と共振効果を有する誘電体多層膜を用いて光
パルス圧縮素子を形成する。この誘電体多層膜は、例え
ば、光の入射により屈折率が変化する媒質からなる膜を
含み、且つ当該入射光の共振が内部で起こるように形成
される。このように形成された誘電体多層膜にパルス状
の光を入射したとき、その強度に依存する誘電体多層膜
の３次の非線形効果により当該光パルスのスペクトルは
拡大され、且つこの誘電体多層膜の共振効果の時間的変
化により当該光パルスは分裂される。

【０００５】上述の本願発明の光パルス圧縮素子は、具
体的には以下の項目に記載したような構成上の特徴を有
することが望ましい。

【０００６】(1)第１の誘電体とこれより屈折率の大き
い第２の誘電体とを積層してなる第１の領域と、第３の
誘電体とこれより屈折率の大きい第４の誘電体とを積層
してなる第２の領域と、第２及び第４の誘電体より屈折
率の小さい第５の誘電体からなり且つ第１の領域と第２
の領域との間に形成される第３の領域とを有する（即
ち、３つの領域からなる）共振器を含んで構成され、更
に第３の領域は上記第２及び第４の誘電体と接合され、
共振器はその光非線形効果を無視した場合の反射スペク
トルの共振波長が共振器に入射する光パルスの中心波長
に対して離調し且つこの反射スペクトルの高反射領域内
に入射パルス光のスペクトルが存在するように設計さ
れ、第２の誘電体及び第４の誘電体は入射パルス光によ
り屈折率が減少する負の３次の光非線形効果を有するも
のであること。この場合、第１の領域における第１及び
第２の誘電体層や、第２の領域における第３及び第４の
誘電体層はそれぞれ複数回周期的に積層されているとよ
い。また、第１の誘電体と第３の誘電体は入射パルス光
により屈折率が増大する正の３次の光非線形効果を有す
るものであってもよい。

【０００７】(2)第１の誘電体とこれより屈折率の大き
い第２の誘電体を積層してなる第１の領域と、第３の誘
電体とこれより屈折率の大きい第４の誘電体を積層して
なる第２の領域と、第１及び第３の誘電体より屈折率の
大きい第５の誘電体からなり且つ第１の領域と第２の領
域との間に形成される第３の領域とを有する（(1)同
様、３つの領域からなる）共振器を含んで構成され、さ
らに第３の領域は第１及び第２の誘電体と接合され、共
振器はその光非線形効果を無視した場合の反射スペクト
ルの共振波長が共振器に入射する光パルスの中心波長に
対して離調し且つこの反射スペクトルの高反射領域内に
入射パルス光のスペクトルが存在するように設計され、
第２の誘電体及び第４の誘電体は入射パルス光により屈
折率が減少する負の３次の光非線形効果を有するもので
あること。この場合、第１の領域における第１及び第２
の誘電体層や、第２の領域における第３及び第４の誘電
体層はそれぞれ複数回周期的に積層されているとよい。
また、第１の誘電体と第３の誘電体は入射パルス光によ
り屈折率が増大する正の３次の光非線形効果を有するも
のであってもよい。以上の(1)及び(2)で述べた構成にお
いて共振器は、第１〜５の誘電体を含む多層膜で形成さ
れている。

【０００８】(3)第１の誘電体とこれより屈折率の大き
い第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘電体多
層膜を含んで構成され、更に誘電体多層膜はこの光非線
形効果を無視した場合の反射スペクトルの高反射領域内
にこの誘電体多層膜に入射する光パルスのスペクトルが
存在するように設計され、且つ第２の誘電体は入射パル
ス光により屈折率が減少する負の３次の光非線形効果を
有するものであること。

【０００９】(4)第１の誘電体とこれより屈折率の大き
い第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘電体多
層膜を含んで構成され、更に誘電体多層膜はこの光非線
形効果を無視した場合の反射スペクトルの高反射領域内
にこの誘電体多層膜に入射する光パルスのスペクトルが
存在するように設計され、且つ第１の誘電体は入射パル
ス光により屈折率が増加する正の３次の光非線形効果を
有するものであること。

【００１０】(5)第１の誘電体とこれより屈折率の大き
い第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘電体多
層膜を含んで構成され、更に誘電体多層膜はこの光非線
形効果を無視した場合の反射スペクトルの高反射領域外
にこの誘電体多層膜に入射する光パルスのスペクトルが
存在するように設計され、且つ第２の誘電体は入射パル
ス光により屈折率が増加する正の３次の光非線形効果を
有するものであること。

【００１１】(6)第１の誘電体とこれより屈折率の大き
い第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘電体多
層膜を含んで構成され、更に誘電体多層膜はこの光非線
形効果を無視した場合の反射スペクトルの高反射領域外
にこの誘電体多層膜に入射する光パルスのスペクトルが
存在するように設計され、且つ第１の誘電体は入射パル
ス光により屈折率が減少する負の３次の光非線形効果を
有するものであること。

【００１２】(7)第１の誘電体とこれより屈折率の大き
い第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘電体多
層膜を含んで構成され、更に第１の誘電体と第２の誘電
体は誘電体多層膜に入射するパルス光により屈折率が増
加する正の３次の光非線形効果を有するものであるこ
と。

【００１３】(8)第１の誘電体とこれより屈折率の大き
い第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘電体多
層膜を含んで構成され、更に第１の誘電体と第２の誘電
体は誘電体多層膜に入射するパルス光により屈折率が減
少する負の３次の光非線形効果を有するものであるこ
と。

【００１４】以上に述べた本発明の光パルス圧縮素子を
用い、この光パルス圧縮素子にレーザ光を入射するレー
ザ光源を含めて光パルス圧縮装置を形成することで、特
にフェムト秒オーダの光通信や光計測に好適な短光パル
ス光源が得られる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明に係わる光パルス圧縮素子
を実施例を用いて、添付図面を参照しながら以下詳細に
説明する。各実施例の構成上の特徴は、上述の課題を解
決する手段に列挙した夫々（以下、手段の特徴）に対応
させてある。

【００１６】＜実施例１＞本実施例では、手段の特徴
(1)に記載の光パルス圧縮素子の構造例とその動作原理
について、図１、図８及び図９を用いて説明する。図１
は，本発明に係わる光パルス圧縮素子の一実施例の断面
図である。

【００１７】結晶方位（００１）面のn型InP（禁制帯幅
波長：λg=0.92μｍ，ドナー濃度：N_D=2×10¹⁸cm~³）基
板１上に有機金属気相成長（MOVPE：Metal Organic Vap
or Phase Epitaxy）法により、アンドープInGaAsP層
（λg=1.0μｍ）からなる低屈折率層２とアンドープInG
aAsP多重量子井戸層からなる高屈折率層３を４０周期積
層して、周期的非線形誘電体多層膜４を形成する。高屈
折率層３は、InGaAsP（λg=1.2μｍ，厚さ10nm）の障壁
層５とInGaAsP（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子井戸
層６の周期構造から形成される。低屈折率層２と高屈折
率層３の各層の厚さは、設定された真空中における共振
波長）(λr)に対する各層内部での実効波長の１／４と
する。次に，アンドープInGaAsP層（λg=1.0μｍ）から
なる半波長低屈折率層７を積層し、その厚さを設定され
た真空中における共振波長(λr)に対する，この層内部
での実効波長の１／２とする。さらに、アンドープInGa
AsP多重量子井戸層からなる高屈折率層３とアンドープI
nGaAsP層（λg=1.0μｍ）からなる低屈折率層２とを４
０周期積層して、周期的非線形誘電体多層膜４を形成す
る。最後に、n型InP基板１の一部を化学エッチングで取
り去り、光学窓８を形成する。以上の工程により、InGa
AsP量子井戸層６からなる負の３次の光非線形効果を有
する高屈折率層３が実現できる。

【００１８】図８は、入射光パルスのスペクトル１４と
該光パルスの入射前における図１の構造を有する光パル
ス圧縮素子の反射スペクトル１５との位置関係（波長の
関係）を表す模式図である。誘電体多層膜の共振波長
(λr)は、入射光パルスのスペクトルが共振点１７の長
波長側で且つ高反射領域内に位置するように設定され
る。図８では、入射光パルスのスペクトル１４は長波長
側に位置しているが、共振点１７の短波長側でもよい。
図９は、上記の光パルス圧縮素子に１２５fsec（fsec：
フェムト秒で10~¹⁵秒を示す時間の単位）の時間全半値
幅を有するフーリエ限界パルスを入射した場合の計算結
果である（空間座標表示：ｚ）。本発明における光パル
ス圧縮素子１８の左側に位置するのは反射波１９、右側
に位置するのは透過波２０である。透過波２０に注目す
ると、約３４fsecの全半値幅（矢印で表示）を有する超
短パルスが得られることがわかる。この場合、パルス圧
縮率は約１／４である。手段の特徴(2)に記載の光パル
ス圧縮素子においても、上記記載と同様の動作で同様の
結果が期待できる。

【００１９】本実施例は、InGaAsP系の材料に限らず、
他の材料系、例えばAlGaAs系の材料においても適用可能
である。

【００２０】＜実施例２＞本実施例では、手段の特徴
(3)に記載の光パルス圧縮素子の構造例とその動作原理
について、図２、図１０及び図１１を用いて説明する。
図２は、本発明に係わる光パルス圧縮素子の一実施例の
断面図である。

【００２１】結晶方位（００１）面のn型InP（禁制帯幅
波長：λg=0.92μｍ，ドナー濃度：N_D=2×10¹⁸cm~³）基
板１上に有機金属気相成長（MOVPE：Metal Organic Vap
or Phase Epitaxy）法により、アンドープInGaAsP層
（λg=1.0μｍ）からなる低屈折率層２とアンドープInG
aAsP多重量子井戸層からなる高屈折率層３を４０.５周
期積層して周期的非線形誘電体多層膜４を形成する。高
屈折率層３は，InGaAsP（λg=1.2μｍ，厚さ10nm）の障
壁層５とInGaAsP（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子井
戸層６の周期構造から形成される。低屈折率層２と高屈
折率層３の各層の厚さは、設定された真空中における共
振波長(λr)に対する各層内部での実効波長の１／４と
する。さらに、n型InP基板１の一部を化学エッチングで
取り去り光学窓８を形成する。以上の成膜工程により、
InGaAsP量子井戸層６からなる負の３次の光非線形効果
を有する高屈折率層３が実現できる。

【００２２】図１０は、入射光パルスのスペクトル１４
と光パルスの入射前における図２の構造を有する光パル
ス圧縮素子の反射スペクトル１５との位置関係（波長の
関係）を表す模式図である。誘電体多層膜の共振波長
(λｒ)は、入射光パルスのスペクトルが高反射領域１６
の内側でかつ両端付近に位置するように設定される。図
１０では、素子に入射するパルス光のスペクトルが右端
付近（長波長側）に位置しているが、左端付近（短波長
側）でもよい。図１１は、上記の光パルス圧縮素子に１
２５fsecの時間全半値幅を有するフーリエ限界パルスを
入射した場合の計算結果である（空間座標表示：ｚ）。
本発明における光パルス圧縮素子１８の左側に位置する
のは反射波１９、右側に位置するのは透過波２０であ
る。反射波１９に注目すると、約２０fsecの全半値幅
（矢印で表示）を有する超短パルスが得られることがわ
かる。この場合、パルス圧縮率は，約１／６である。

【００２３】本実施例で示した素子構造は、スカロラら
によって提案された光スイッチング素子と類似している
（文献：スカロラ他、フィジカルレビュ−レター，第７
３巻，１３６８頁〜１３７１頁（１９９４年））。但
し、彼らは光パルス圧縮素子としてではなく光スイッチ
ング素子としての応用のみを考え、本実施例に酷似の素
子を作製している。このことは、以下の実施例４につい
ても言える。

【００２４】本実施例は、InGaAsP系の材料に限らず、
他の材料系、例えばAlGaAs系の材料においても適用可能
である。

【００２５】＜実施例３＞本実施例では、手段の特徴
(4)に記載の光パルス圧縮素子の構造例とその動作原理
について、図３、図１０及び図１１を用いて説明する。
図３は、本発明に係わる光パルス圧縮素子の一実施例の
断面図である。

【００２６】結晶方位（００１）面のn型InP（禁制帯幅
波長：λg=0.92μｍ，ドナー濃度：N_D=2×10¹⁸cm~³）基
板１上に有機金属気相成長（MOVPE：Metal Organic Vap
or Phase Epitaxy）法により、アンドープInGaAsP多重
量子井戸層からなる低屈折率層２とアンドープInGaAsP
層（λg=1.35μｍ）からなる高屈折率層３を４０.５周
期積層して、周期的非線形誘電体多層膜４を形成する。
低屈折率層２は、InGaAsP（λg=1.0μｍ，厚さ10nm）の
障壁層５とInGaAsP（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子
井戸層６の周期構造から形成される。低屈折率層２と高
屈折率層３の各層の厚さは、設定された真空中における
共振波長（λr）に対する各層内部での実効波長の１／
４とする。次に、p型InPバッファー層９（λg=0.92μ
ｍ，アクセプター濃度：N_A=2×10¹⁸cm~³，厚さ0.3mm）
とp型InPキャップ層１０（λg=0.92μｍ，アクセプター
濃度：N_A=5×10¹⁸cm~³，厚さ0.1mm）を成長する。さら
に，n型InP基板の一部を化学エッチングで取り去り、光
学窓８を形成し、エッチングされないで残った部分にAu
GeNi/Auを蒸着することによって、n側電極１１を形成す
る。同様に、p型InPバッファー層９とp型InPキャップ層
１０の一部を化学エッチングで取り去り、光学窓８を形
成し、p型InPキャップ層１０にAu/AuZnを蒸着すること
によって、p側電極１２を形成する。以上の構成におい
て、直流電源１３からの電流注入により、InGaAsP量子
井戸層６を増幅媒質にすることで、正の３次の光非線形
効果を有する低屈折率層２が実現できる。この場合、入
射光パルスと光パルスの入射前における光パルス圧縮素
子の反射スペクトルとの位置関係（図１０）と素子動作
に関する計算結果は、実施例２で示した結果（図１０）
と同様である。

【００２７】本実施例は、InGaAsP系の材料に限らず、
他の材料系、例えばAlGaAs系の材料においても適用可能
である。

【００２８】＜実施例４＞本実施例では、手段の特徴
(5)に記載の光パルス圧縮素子の構造例とその動作原理
について、図４、図１２及び図１３を用いて説明する。
図４は、本発明に係わる光パルス圧縮素子の一実施例の
断面図である。

【００２９】結晶方位（００１）面のn型InP（禁制帯幅
波長：λg=0.92μｍ，ドナー濃度：N_D=2×10¹⁸cm~³）基
板１上に有機金属気相成長（MOVPE：Metal Organic Vap
or Phase Epitaxy）法により、アンドープInGaAsP層
（λg=1.0μｍ）からなる低屈折率層２とアンドープInG
aAsP多重量子井戸層からなる高屈折率層３を４０.５周
期積層して、周期的非線形誘電体多層膜４を形成する。
高屈折率層３は、InGaAsP（λg=1.2μｍ，厚さ10nm）の
障壁層５とInGaAsP（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子
井戸層６の周期構造から形成される。低屈折率層２と高
屈折率層３の各層の厚さは、設定された真空中における
共振波長（λｒ）に対する各層内部での実効波長の１／
４とする。次に、p型InPバッファー層９（λg=0.92μ
ｍ，アクセプター濃度：N_A=2×10¹⁸cm~³，厚さ0.3mm）
とp型InPキャップ層１０（λg=0.92μｍ，アクセプター
濃度：N_A=5×10¹⁸cm~³，厚さ0.1mm）を成長する。さら
に、n型InP基板の一部を化学エッチングで取り去って光
学窓８を形成し、エッチングされないで残った部分にAu
GeNi/Auを蒸着してn側電極１１を形成する。同様に、p
型InPバッファー層９とp型InPキャップ層１０の一部を
化学エッチングで取り去り光学窓８を形成し、p型InPキ
ャップ層１０にAu/AuZnを蒸着することによって、p側電
極１２を形成する。以上の構成において、直流電源１３
からの電流注入によりInGaAsP量子井戸層６を増幅媒質
にして、正の３次の光非線形効果を有する高屈折率層３
が実現できる。

【００３０】図１２は、入射光パルスのスペクトル１４
と光パルスの入射前における図４の構造を有する光パル
ス圧縮素子の反射スペクトル１５との位置関係を表す模
式図である。誘電体多層膜の共振波長（λr）は、入射
光パルスのスペクトルが高反射領域１６の外側でかつ両
端付近に位置するように設定される。この図１２では、
入射光のスペクトルが右端付近（長波長側）に位置して
いるが、左端付近（短波長側）でもよい。

【００３１】図１３は、上記の光パルス圧縮素子に１２
５fsecの時間全半値幅を有するフーリエ限界パルスを入
射した場合の計算結果である（空間座標表示：ｚ）。本
発明における光パルス圧縮素子１８の左側に位置するの
は反射波１９、右側に位置するのは透過波２０である。
透過波２０に注目すると、約９０fsecの全半値幅（矢印
で表示）を有する圧縮された超短光パルスが得られるこ
とがわかる。この場合、パルス圧縮率は約３／４であ
る。

【００３２】本実施例は、InGaAsP系の材料に限らず、
他の材料系、例えばAlGaAs系の材料においても適用可能
である。

【００３３】＜実施例５＞本実施例では、手段の特徴
(6)に記載の光パルス圧縮素子の構造例とその動作原理
について、図５、図１２及び図１３を用いて説明する。
図５は、本発明に係わる光パルス圧縮素子の一実施例の
断面図である。

【００３４】結晶方位（００１）面のn型InP（禁制帯幅
波長：λg=0.92μｍ，ドナー濃度：N_D=2×10¹⁸cm~³）基
板１上に有機金属気相成長（MOVPE：Metal Organic Vap
or Phase Epitaxy）法により，アンドープInGaAsP多重
量子井戸層からなる低屈折率層２とアンドープInGaAsP
層（λg=1.35μｍ）からなる高屈折率層３を４０.５周
期積層して、周期的非線形誘電体多層膜４を形成する。
低屈折率層２は、InGaAsP（λg=1.0μｍ，厚さ10nm）の
障壁層５とInGaAsP（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子
井戸層６の周期構造から形成される。低屈折率層２と高
屈折率層３の各層の厚さは、設定された真空中における
共振波長（λr）に対する各層内部での実効波長の１／
４とする。さらに、n型InP基板の一部を化学エッチング
で取り去り光学窓８を形成する。以上の構成において、
負の３次の光非線形効果を有する低屈折率層２が実現で
きる。この場合、入射光パルスと光パルスの入射前にお
ける光パルス圧縮素子の反射スペクトルとの位置関係
（図１２）と素子動作に関する計算結果は、実施例４で
示した結果（図１３）と同様である。

【００３５】本実施例は、InGaAsP系の材料に限らず、
他の材料系、例えばAlGaAs系の材料においても適用可能
である。

【００３６】＜実施例６＞本実施例では、手段の特徴
(7)に記載の光パルス圧縮素子の構造例とその動作原理
について、図６、図１２及び図１４を用いて説明する。
図６は、本発明に係わる光パルス圧縮素子の一実施例の
断面図である。

【００３７】結晶方位（００１）面のn型InP（禁制帯幅
波長：λg=0.92μｍ，ドナー濃度：N_D=2×10¹⁸cm~³）基
板１上に有機金属気相成長（MOVPE：Metal Organic Vap
or Phase Epitaxy）法により、アンドープInGaAsP多重
量子井戸層からなる低屈折率層２とアンドープInGaAsP
多重量子井戸層からなる高屈折率層３を４０.５周期積
層して、周期的非線形誘電体多層膜４を形成する。低屈
折率層２は、InGaAsP（λg=1.0μｍ，厚さ10nm）の障壁
層５とInGaAsP（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子井戸
層６の周期構造から形成される。また，高屈折率層３
は，InGaAsP（λg=1.3μｍ，厚さ10nm）の障壁層５とIn
GaAsP（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子井戸層６の周
期構造から形成される。低屈折率層２と高屈折率層３の
各層の厚さは、設定された真空中における共振波長（λ
r）に対する各層内部での実効波長の１／４とする。次
に、p型InPバッファー層９（λg=0.92μｍ，アクセプタ
ー濃度：N_A=2×10¹⁸cm~³，厚さ0.3mm）とp型InPキャッ
プ層１０（λg=0.92μｍ，アクセプター濃度：N_A=5×10
¹⁸cm~³，厚さ0.1mm）を成長する。さらに、n型InP基板
の一部を化学エッチングで取り去って光学窓８を形成
し、エッチングされないで残った部分にAuGeNi/Auを蒸
着してn側電極１１を形成する。同様に、p型InPバッフ
ァー層９とp型InPキャップ層１０の一部を化学エッチン
グで取り去り光学窓８を形成し、p型InPキャップ層１０
にAu/AuZnを蒸着することによってp側電極１２を形成す
る。以上の構成において、直流電源１３からの電流注入
でInGaAsP量子井戸層６を増幅媒質にすることにより、
空間的に一様に分布した正の３次の光非線形効果を有す
る光パルス圧縮素子が実現できる。この場合、入射光パ
ルスと光パルスの入射前における光パルス圧縮素子の反
射スペクトルとの位置関係（即ち、波長の関係）は、実
施例４で示した図１２と同様である。

【００３８】図１４は、上記の光パルス圧縮素子に１２
５fsecの時間全半値幅を有するフーリエ限界パルスを入
射した場合の計算結果である（空間座標表示：ｚ）。本
発明における光パルス圧縮素子１８の左側に位置するの
は反射波１９、右側に位置するのは透過波２０である。
反射波１９に注目すると、約６８fsecの全半値幅（矢印
で表示）を有する圧縮された超短光パルスが得られるこ
とがわかる。この場合、パルス圧縮率は約１／２であ
る。

【００３９】本実施例は、InGaAsP系の材料に限らず、
他の材料系、例えばAlGaAs系の材料においても適用可能
である。

【００４０】＜実施例７＞本実施例では、手段の特徴
(8)に記載の光パルス圧縮素子の構造例とその動作原理
について、図７、図１２及び図１４を用いて説明する。
図７は、本発明に係わる光パルス圧縮素子の一実施例の
断面図である。

【００４１】結晶方位（００１）面のn型InP（禁制帯幅
波長：λg=0.92μｍ，ドナー濃度：N_D=2×10¹⁸cm~³）基
板１上に有機金属気相成長（MOVPE：Metal Organic Vap
or Phase Epitaxy）法により、アンドープInGaAsP多重
量子井戸層からなる低屈折率層２とアンドープInGaAsP
多重量子井戸層からなる高屈折率層３を４０.５周期積
層して、周期的非線形誘電体多層膜４を形成する。低屈
折率層２は、InGaAsP（λg=1.0μｍ，厚さ10nm）の障壁
層５とInGaAsP（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子井戸
層６の周期構造から形成される。また高屈折率層３は、
InGaAsP（λg=1.3μｍ，厚さ10nm）の障壁層５とInGaAs
P（λg=1.45μｍ，厚さ10nm）の量子井戸層６の周期構
造から形成される。低屈折率層２と高屈折率層３の各層
の厚さは、設定された真空中における共振波長（λｒ）
に対する各層内部での実効波長の１／４とする。さら
に、n型InP基板の一部を化学エッチングで取り去って光
学窓８を形成する。以上の工程で得られた素子構成にお
いて、空間的に一様に分布した負の３次の光非線形効果
を有する光パルス圧縮素子が実現できる。この場合、入
射光パルスと光パルスの入射前における光パルス圧縮素
子の反射スペクトルとの位置関係（図１２）と素子動作
に関する計算結果は、実施例６で示した結果（図１４）
と同様である。

【００４２】本実施例は、InGaAsP系の材料に限らず、
他の材料系、例えばAlGaAs系の材料においても適用可能
である。

【００４３】＜実施例８＞本実施例では、本発明の光パ
ルス圧縮素子と、短パルスレーザとを組み合わせて構成
した短光パルス発生装置の一実施例を図１５を用いて説
明する。本実施例の短光パルス発生装置において、短パ
ルスレーザ２１は、これからの出射光が光パルス圧縮素
子１８に入射するように配置される。光パルス圧縮素子
は、上述の課題を解決する手段に列挙した(1)〜(8)のい
ずれかの特徴を有する、例えば実施例１〜７に記載の構
造を持つものが用いられる。短パルスレーザ２１から発
生する短光パルス２２は、光パルス圧縮素子１８に入射
し、さらにパルス幅を圧縮される。これにより、短パル
スレーザで得られるパルス光より更に短い光パルスが光
パルス圧縮素子１８より出力される。即ち、本実施例に
よれば、既存の短パルスレーザの性能を上回る短パルス
光を発生することができる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、光ファイバーと比べて
大きな光非線形効果（自己位相変調効果）と共振効果を
有する誘電体多層膜構造を用いるため、従来の光ファイ
バーを用いる方法（所謂、光ソリトン圧縮法）に比べ
て、超小型、低価格で且つ動作の安定なパルス圧縮素子
が実現できる。以上の光パルス圧縮素子は、時分割多重
通信システム、あるいは時分割多重通信と波長分割多重
通信システムのハイブリッド通信システムを柱とした長
距離大容量光通信システム用に、また、超高速光計測用
に必要不可欠な超短光パルス発生装置に好適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第一の実施例を示す図である。

【図２】本発明による第二の実施例を示す図である。

【図３】本発明による第三の実施例を示す図である。

【図４】本発明による第四の実施例を示す図である。

【図５】本発明による第五の実施例を示す図である。

【図６】本発明による第六の実施例を示す図である。

【図７】本発明による第七の実施例を示す図である。

【図８】本発明による第一の実施例における光パルス圧
縮素子の反射スペクトルと入射光パルスのスペクトルを
模式的に示した模式図である。

【図９】本発明による第一の実施例に対する計算結果を
示す図である。

【図１０】本発明による第二の実施例における光パルス
圧縮素子の反射スペクトルと入射光パルスのスペクトル
の模式図である。

【図１１】本発明による第二の実施例に対する計算結果
を示す図である。

【図１２】本発明による第四の実施例における光パルス
圧縮素子の反射スペクトルと入射光パルスのスペクトル
の模式図である。

【図１３】本発明による第四の実施例に対する計算結果
を示す図である。

【図１４】本発明による第六の実施例に対する計算結果
を示す図である。

【図１５】本発明による第八の実施例を示す図である。

【図１６】従来型の光ファイバーを用いた光パルス圧縮
装置を示す図である。

【符号の説明】

１…n型InP基板、２…低屈折率層、３…高屈折率層、４
…周期的非線形誘電体多層膜、５…InGaAsP障壁層、６
…InGaAsP量子井戸層、７…半波長低屈折率層、８…光
学窓、９…p型のInPバッファー層、１０…p型InPキャッ
プ層、１１…n側電極、１２…p側電極、１３…直流電
源、１４…入射光パルスのスペクトル、１５…光パルス
圧縮素子の反射スペクトル、１６…高反射領域、１７…
共振点、１８…光パルス圧縮素子、１９…反射波、２０
…透過波、２１…短パルスレーザ、２２…短光パルス、
２３…短光パルス発生装置、２４…ポンプ光、２５…反
射器、２６…光学レンズ、２７…多重量子井戸層、２８
…同期光励起外部共振器型面発光レーザ、２９…回折格
子、３０…負の群速度分散を有する光ファイバー。

フロントページの続き (72)発明者 岡井 誠 東京都国分寺市東恋ケ窪１丁目280番地 株式会社日立製作所中央研究所内

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体多層膜を含み、該多層膜は光の強度
   に依存する３次の非線形効果により該多層膜に入射する
   光パルスのスペクトルを拡大し、且つ該多層膜の共振効
   果の時間的変化により該光パルスの分裂を生じさせるこ
   とを特徴とする光パルス圧縮素子。
2. 【請求項２】第１の誘電体と該第１の誘電体より屈折率
   の大きい第２の誘電体を積層してなる第１の領域と、第
   ３の誘電体と該第３の誘電体より屈折率の大きい第４の
   誘電体を積層してなる第２の領域と、上記第２及び第４
   の誘電体より屈折率の小さい第５の誘電体からなり且つ
   上記第１の領域と上記第２の領域との間に形成される第
   ３の領域とを有する共振器を含み、上記第３の領域は上
   記第２及び第４の誘電体と接合され、上記共振器はその
   光非線形効果を無視した場合の反射スペクトルの共振波
   長が該共振器に入射する光パルスの中心波長に対して離
   調し且つ該反射スペクトルの高反射領域内に該入射パル
   ス光のスペクトルが存在するように設計され、上記第２
   の誘電体及び上記第４の誘電体は該入射パルス光により
   屈折率が減少する負の３次の光非線形効果を有すること
   を特徴とする光パルス圧縮素子。
3. 【請求項３】上記第１の誘電体と上記第３の誘電体は上
   記入射パルス光により屈折率が増大する正の３次の光非
   線形効果を有することを特徴とする請求項２に記載の光
   パルス圧縮素子。
4. 【請求項４】第１の誘電体と該第１の誘電体より屈折率
   の大きい第２の誘電体を積層してなる第１の領域と、第
   ３の誘電体と該第３の誘電体より屈折率の大きい第４の
   誘電体を積層してなる第２の領域と、上記第１及び第３
   の誘電体より屈折率の大きい第５の誘電体からなり且つ
   上記第１の領域と上記第２の領域との間に形成される第
   ３の領域とを有する共振器を含み、上記第３の領域は上
   記第１及び第２の誘電体と接合され、上記共振器はその
   光非線形効果を無視した場合の反射スペクトルの共振波
   長が該共振器に入射する光パルスの中心波長に対して離
   調し、且つ該反射スペクトルの高反射領域内に該入射パ
   ルス光のスペクトルが存在するように設計され、上記第
   ２の誘電体及び上記第４の誘電体は該入射パルス光によ
   り屈折率が減少する負の３次の光非線形効果を有するこ
   とを特徴とする光パルス圧縮素子。
5. 【請求項５】上記第１の誘電体と上記第３の誘電体は上
   記入射パルス光により屈折率が増大する正の３次の光非
   線形効果を有することを特徴とする請求項４に記載の光
   パルス圧縮素子。
6. 【請求項６】第１の誘電体と該第１の誘電体より屈折率
   の大きい第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘
   電体多層膜を含み、上記誘電体多層膜はこの光非線形効
   果を無視した場合の反射スペクトルの高反射領域内に該
   誘電体多層膜に入射する光パルスのスペクトルが存在す
   るように設計され、且つ上記第２の誘電体は該入射パル
   ス光により屈折率が減少する負の３次の光非線形効果を
   有することを特徴とする光パルス圧縮素子。
7. 【請求項７】第１の誘電体と該第１の誘電体より屈折率
   の大きい第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘
   電体多層膜を含み、上記誘電体多層膜はこの光非線形効
   果を無視した場合の反射スペクトルの高反射領域内に該
   誘電体多層膜に入射する光パルスのスペクトルが存在す
   るように設計され、且つ上記第１の誘電体は該入射パル
   ス光により屈折率が増加する正の３次の光非線形効果を
   有することを特徴とする光パルス圧縮素子。
8. 【請求項８】第１の誘電体と該第１の誘電体より屈折率
   の大きい第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘
   電体多層膜を含み、上記誘電体多層膜はこの光非線形効
   果を無視した場合の反射スペクトルの高反射領域外に該
   誘電体多層膜に入射する光パルスのスペクトルが存在す
   るように設計され、且つ上記第２の誘電体は該入射パル
   ス光により屈折率が増加する正の３次の光非線形効果を
   有することを特徴とする光パルス圧縮素子。
9. 【請求項９】第１の誘電体と該第１の誘電体より屈折率
   の大きい第２の誘電体を周期的に積層して形成された誘
   電体多層膜を含み、上記誘電体多層膜はこの光非線形効
   果を無視した場合の反射スペクトルの高反射領域外に該
   誘電体多層膜に入射する光パルスのスペクトルが存在す
   るように設計され、且つ上記第１の誘電体は該入射パル
   ス光により屈折率が減少する負の３次の光非線形効果を
   有することを特徴とする光パルス圧縮素子。
10. 【請求項１０】第１の誘電体と該第１の誘電体より屈折
    率の大きい第２の誘電体を周期的に積層して形成された
    誘電体多層膜を含み、上記第１の誘電体と上記第２の誘
    電体は上記誘電体多層膜に入射するパルス光により屈折
    率が増加する正の３次の光非線形効果を有することを特
    徴とする光パルス圧縮素子。
11. 【請求項１１】第１の誘電体と該第１の誘電体より屈折
    率の大きい第２の誘電体を周期的に積層して形成された
    誘電体多層膜を含み、上記第１の誘電体と上記第２の誘
    電体は上記誘電体多層膜に入射するパルス光により屈折
    率が減少する負の３次の光非線形効果を有することを特
    徴とする光パルス圧縮素子。
12. 【請求項１２】請求項１〜１１のいずれかに記載の光パ
    ルス圧縮素子と、該光パルス圧縮素子にレーザ光を入射
    するレーザ光源を含む光パルス圧縮装置。