JPH09502302A - 同調式利得結合レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は同調式利得結合レーザ装置、好ましくはいわゆるＤＦＢレーザに関するものである。この装置は活物質を有するレーザ導波管と、波長λ_Pのポンプ光を放射するポンプレーザと、ポンプ光ビームを導波管に向ける配向手段とを含む。レーザ導波管内の活物質は半導体材料であって、２個のポンプ光ビームにより励起される。これらのビームは１個の同じポンプレーザから発して、相互に向き合って進み、各々がレーザ導波管にある角度をもって入射する。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の名称：同調式利得結合レーザ装置 技術分野 本発明は活物質を有するレーザ導波管と、ポンプ光を発するポンプレーザとを 用いた同調式利得結合レーザ装置に関するものである。ポンプ光はレーザ導波管 に向けられる。 技術の現状 利得案内（利得結合）ＤＦＢレーザ（分布帰還レーザ）において、レーザ周波 数は高利得材料を有する２個の隣接領域間の距離によって与えられ、その距離は 導波管内で波長の半分でなければならない。利得範囲内で特定の周波数に同調す ることができる装置をつくることは難しいことが知られている。ひとつの方法は 可変周期を有する「格子」または類似物をつくることであるが、そのような格子 を実現したり設計したりすることは非常に難しい。同調可能な利得結合レーザ、 たとえばＤＦＢレーザを得る利点は大きい。ＤＦＢレーザは一般的に動的長手単 一モードであることはよく知られている。特に利得結合ＤＦＢレーザは特定モー ドで安定である。光学的にポンピングされるレーザは、レーザ媒体が特定の電気 的特性を有しなくてもよいとか、レーザ共振器が電気的接点により乱されないな どのような利点を有することもよく知られている。ポンプ光源としてレーザを使 うとポンピングパワーが良く集中できるのだが、非常に面倒である。従来の機構 ではレーザ導波管内に固定の反射装置を設けることも必要であった。従来の試験 では、レーザのポンピングの際に意図せずに定在波が生じた。すなわち格子が誘 発された。しかしながら誘発された格子はレーザ共振器に関して意図されたもの とは一致しなかったので、格子を除くために光学的アイソレータが導入された。 頁７８−８２、には、光学的にポンピングされる色素レーザが記載されている。 しかしながらこれにはたとえば半導体レーザとは全く異なる色素レーザに関する ことしか記載されてない。ただ活物質を変えさえすればよいという問題ではない 。 もしたとえば活物質として半導体を使うのであれば、電荷キャリアの拡散を防が なければならない。そのうえ、「色素レーザ」装置を使うとポンプレーザへの反 射がひき起こされるのであろうから、装置は望むほどコンパクトにならない。 発明の要約 本発明の目的は、前述したように利得範囲内で特定の周波数に同調することが できる、同調可能な利得結合レーザ装置、好ましくはＤＦＢレーザを提供するこ とである。本発明の他の目的は、特にＤＦＢレーザが前述したように動的長手単 一モードであって、非常にモード安定であるという利点と、レーザ媒体の電気的 特性に関する要求が何もなくて、レーザ共振器が電気的接点によって乱されない などの光学的ポンピングの利点とを併せ持つことである。本発明の更に他の目的 は、独立である２個の機構を用いて大きな同調性が得られる装置を提供すること である。本発明の更に他の目的は、レーザ装置がレーザ導波管内に固定された反 射機構を必要とせず、ポンピングされない状態では反射の必要が全くないことで ある。本発明の他の目的は、良好なパルス特性を得ることである。本発明の更に 他の目的は、コンパクトで、つくるのがやさしく、柔軟性に富み、使うのがやさ しい装置を提供することである。 本発明の特別の目的は、上述の要求を完全に満たす半導体の同調可能な利得結 合レーザ装置を提供することである。特に本発明の目的は電荷キャリアの拡散が 防止されている装置を提供することである。本発明の他の目的は、大きな利得帯 域幅を有し、屈折率の変動がたいていの従来の装置よりも小さい装置を提供する ことである。一般的に本発明の目的は、良好な光学的利得特性を有し、たとえば 特にバルク材料を用いた場合より特性の良い装置を提供することである。好まし い一実施例では、ポンプ光を効率的に使う。これらの目的および他の目的を達成 するために、本発明の装置においては、活物質は半導体のように自然に自由に動 くキャリアを含む反転集団を有し、電荷キャリアの拡散が防止される。いわゆる 電荷キャリアの拡散を防ぐための特にすぐれたひとつの方法は、量子細線または 量子ドットのいずれかを含む活物質を使うことである。これらは光学的利得特性 が非常に良好であるが、これらを電気的にポンピングするのは極めて困難である 。光学的ポンピングを用いればこれらの困難のうちいくつかは克服されて、すぐ れ た機構が得られることがわかった。量子ドットまたは量子細線の特性と製法は、 たとえば下記の文献に詳しく載っている。マキシモフ（I．Maximov）ら著、J．V ac．Sci．Technol All（１９９３）７４８、または、サムエルソン（L．Samuels on）ら著、「エールゾルをデポジットした物からつくられるGaInAs/InP量子ドッ トの研究」、１９９４年米国サンタバーバラで開かれたＩｎＰと関連材料に関す る第６回国際会議。 もし格子がレーザ導波管と実質的に平行に配置されていて、導波管基板上に配 置された表面放射ポンプレーザから発した光を反射するようにすれば、装置をた とえば非常にコンパクトにつくることができる。導波管の活性層内でビームを交 叉させるために、反射装置すなわちミラーがたとえばピエゾ装置により制御され るようにして、ビームを所望の入射角で得ることができる。 ある実施例によれば、それぞれの入射ビームに関して入射角α₁、α₂が異なる ように装置をつくる。別の実施例によれば、２個のポンプ光の入射角のα₁、α₂ は実質的に等しいが、全く同一ではない。これらもまた異なってもよい。好まし い実施例によれば、レーザ発振が起こるとき、レーザ一波長（λ_L）は次式で与 えられる。 配向手段を変えることによりレーザ波長λ_Lを変えることができるように、特 に配向手段を可変構造にする。ある実施例によれば、配向手段は第１と第２の反 射機構を含む。もっと具体的に言うと、第１と第２の反射機構は回転可能かつま たは移動可能なミラーを含む。この替わりの実施例２によれば、配向手段はある 程度回転可能な１個のミラー機構を含む。ポンプ光ビームの波長を変えることに よってレーザ波長を変えることができるように、特にポンピング波長を可変すな わち同調可能にする。別の実施例によれば、ポンプレーザビームはパルスでもよ いし、連続でもよい。好ましい実施例によれば、ポンプレーザビームは横方向に 焦点を合わせられる。 図面の簡単な説明 以下付図を参照しながら本発明を詳細に説明するが、これらは例示であって限 定するものではない。 第１図は本発明によるレーザ装置の第１の実施例であり、配向手段を２個有す る。 第２図は本発明の第２の実施例であり、１個の共通手段でビーム分割と配向と を行っている。 第３図はビーム伝搬と波長との関係を示す。 第４図は活物質が量子細線または量子ドットを含む装置を模式図的に示す。 第５図はポンプ光ビームを発するのに表面放射レーザを用いた実施例に示す。 第６図はポンプ光が導波管の外側端部付近に入射する別の実施例の概略図を示 す。 好ましい実施例 第１図は本発明の第１の実施例を示す。第１図において、同調可能なポンプレ ーザ３から発したポンプ光ビームは、ビーム分割装置４により２個のポンプ光ビ ームに分割される。これらのビームは別々に配向手段５ａ、５ｂに入射する。配 向手段としてこの実施例では回転可能かつ移動可能なミラーを使っている。それ から２個のポンプ光ビーム６，７は相互に実質的に向かい合ってレーザ導波管１ に入射する。導波管１の活物質２は、ビームが交叉している所では概ね均質に分 布している。半導体材料を使うのが好ましい。しかしながらその場合、電荷キャ リアの拡散を防止しなければならない。このことは、好ましい実施例では、量子 細線または量子ドットを含む活物質を使うことにより、実現される。ポンプレー ザ３から発するポンプレーザビームはパルスでよいが、連続でもよい。レーザ媒 体である活物質はレーザ光で励起されなければならない。すなわち、バンドの広 い光源を必要とするものではない。もうひとつ必要なことは、レーザ媒体内の反 射エネルギーのキャリアは、光の波長の半分よりずっと短かい拡散長を有しなけ ればならないということである。逆向きのポンプ光ビームの入射角α₁、α₂は同 じ大きさでもよいが、幾分違う方が好ましい。角度の大きさが異なってもよい。 ポンプ波長λ_Pを導波管１の表面の媒体内で測定し（第３図参照）、レーザ波長 λ_Lを導波管内で測定した（第３図のλ_L参照）場合、ポンプ波長λ_Pとレーザ波 長λ_Lとの関係は次式で与えられる。 したがってλ_Lはポンプ波長と、α₁およびα₂で決まる角度αとの両者を変え ることにより、変えることができる。ポンピング強度を十分強くするために、ポ ンプレーザビームは横方向に焦点を合わせるのが好ましい。 薄い活性層を用いることにより、角度α₁とα₂を異ならしめることができるが 、バルク材料を使う場合はあてはまらない。第２図に第２の実施例の装置２０を 示す。この場合、ポンプ光ビームの分割、配向手段５ｃは少しだけ回転可能なミ ラーを用いたミラー構造により実現されている。このような構造はオプティカル ファイバに沿って格子を焼きつけるに使われていたことで知られている。この場 合にはビームを分割するための手段が別に設けられてなく、１個の同じ機構すな わち手段５ｃにより、ポンプ光ビームの分割と配向とがなされている。 上述の如く、本発明によれば、２個の独立の機構、すなわち入射角α（α₁、 α₂）とポンプ波長λ_Pとによりすぐれた同調性が得られるので、利得結合と光学 ポンピングというＤＦＢレーザの利点が組になって同時に得られるのである。そ のうえ、レーザ導波管内に固定された反射機構を配置する必要がないので、ポン ピングされない状態で反射することを完全になくすことができる。ポンピングは フィードバックと同様に利得を誘発するので、パルス特性は既知の構造とは異な るであろう。 レーザ導波管１は、ポンプレーザ光が効率良く導波管に集中することができる ようでなければならないし、導波管内のレーザ媒体は、光学ポンピングにより単 位長当りの増幅率が大きくとれるようでなければならない（たとえば、ポンピン グされた導波管長で３−５ｄＢ）。また、電子のような励起されたエネルギーキ ャリアは個々の量子ドットおよびまたは量子細線の中に閉じ込められる。量子ド ットまたは量子細線の大きさは、導波管と平行なレーザ波長の１／１０よりも小 さい。 （第２図と第３図において、ポンプレーザは図示してないが、ポンプ光ビーム がポンプレーザから入射するにすぎず、どのように配置されるかは明らかである から、図示を省略したのである。） 図３はビーム方向と波長との関係を示したものである。レーザ波長λ_Lは導波 管内で測られる。２個のポンプ光ビーム６，７が導波管に入射して、レーザ導波 管との間でそれぞれ入射角α₁、α₂を形成する。簡略化のために入射ポンプレー ザビームは第１図と同じように示してあるが、第３図に示した装置は一般的で原 理を示したものであって、もちろん第２図に示した例にもあてはまる。ポンプ波 長λ_Pは導波管より上方の媒体内で測られる。導波管の高さは実効断面ｈで表わ される。レーザ波長λ_Lは次式で与えられる。 更に、好ましくは次式の関係を満たす。 たいていの場合、α₁とα₂が等しくないのが好ましい。この場合、ポンプ光ビ ームが反射してポンプレーザに戻るのを防げるからである。好ましい実施例によ れば、両ポンプ光ビームは同じ強さであるが、強さが異なる実施例も可能である 。もし強度が強いのがほしければ、ポンプ光が全反射するように導波管の底部を つくるのが好ましい。更に、表面の反射率を非常に高くして、実質的にいわゆる ファブリ・ペローの干渉計が高さ方向に得られるようにするのが好ましい。しか しこの場合には、同調範囲が限定されるであろうから、同調範囲をもっと広くと りたいのか、それとも特に強い強度を望むのか、どちらを重視するかという問題 である。この問題は選ぶことができる。第１図−第３図では一般的に活性層を示 しているにすぎず、導波管の特定の層として示してない。しかしながらこの点は 明らかにしなければならない。 第４図に示す装置３０では、活物質２ａは量子ドットまたは量子細線２ｂを含 む。既に述べたように、半導体の光学ポンピングにより格子を得るには、長手方 向における電荷キャリアの流れを実質的に防止しなければならない。このことを 実現するには例えば、活性層すなわち活物質を分割して、導波管を横切る薄いワ イヤ状にするか、または直径が約１０ｎｍ（この数値は単なる例示にすぎない） の小さなドット状にする。 こうすることによって利得特性も改善される。たとえば、均一な活性層と比較 して、増幅帯域幅を広くすることができるし、また増幅に付随する屈折率の変動 も小さくすることができる。量子ドットまたは量子細線をつくることも難しかっ たのであるが、光学ポンピングの利用によりこのことが可能になった。参照例を 示すと、たとえば電気ポンピングを使うと、電荷キャリアをワイヤ／ドットに注 入しなければならない。第４図の場合、量子細線またはドットは導波管の基板９ の上に配置された活性層２ａ内に設けられる。この図は略図であって、単に活性 層と基板とを示しているにすぎない。活性層と基板の幅と位置はもちろん最適な ように選ぶことができる。活性層の上にスペーサ材料を設けることももちろんよ い。配向手段５ｄは少しだけ回転もしくは移動可能な反射装置すなわちミラーを 含む。この実施例における反射手段５ｄは基板上に配置されたピエゾ電気装置１ １により制御される。導波管の上方の媒体は例えば空気である。ある実施例では 、導波管の長さが約５０−５００μｍでミラーの高さは約５−５０μｍである。 しかしながらこれらの数値は例示にすぎない。 第５図の装置４０において、ポンプ光は導波管基板９ａ上の表面放射レーザ３ ａから発する。光は、導波管１ａの上方にそれと実質的に平行に配置されたガラ ス板１４または類似したものの中に設けられた格子１３により回折する。すると 、光学的にポンピングされたレーザ１２が得られる。配向手段はここではガラス 板１４の格子１３と、反射装置すなわちミラー１５とを含む。ミラー１５はピエ ゾ電気装置またはその他の任意の便利な機構１１ａにより制御される。表面放射 レーザの長さはたとえば０．１−１ｍｍであるが、この数値は例示にすぎない。 導波管と偏向手段すなわちガラス板１４間の距離は０．１−１ｍｍであるが、 この数値は例示にすぎない。この実施例により非常にコンパクトな装置が得られ る。活物質はここでは量子細線または量子ドットの形をとってよいのはもちろん である。 第６図に示す装置５０では、ポンプ光が導波管１ｃの一端部１ｃに入射するこ とにより特に効率的に利用される。導波管の上部と底部とに反射装置１６ａ、１ ６ｂが配置されている。高さ方向にも側面方向にも閉じ込めるために、反射手段 すなわち反射層は導波管の側面の外側に沿っても設けられている（図示せず）。 この結果もちろん同調範囲は狭くなる。前述したように、ポンピング効率の良い ことを望むか、それとも同調範囲が広いのを望むかは、選択の問題である。 導波管の上部の第１の外側端部１ｃ′には非反射性被覆１７または類似のもの が設けられている。基板またはスペーサ層９ｂ、９ｃが活性層２ｃを囲んでいる 。 装置５０の一実施例として、ポンプ光ビームは第２の外側端部１ｃ″に入射し てもよい。他の実施例として、第２の端部１ｃ″はいくらか回転可能かつまたは 移動可能な反射機構たとえばミラーまたは類似物を含んでもよい。 どちらの場合でも反射装置１６ａは誘電体反射機構１６の一部を構成している 。もちろんその他の可能性も多い。その他の点では、第６図に示した装置は既に 述べた装置は同様である。したがって詳細は省く。 本発明はもちろんここに示した実施例に限られるのでなく、請求の範囲内で自 由に変えることができる。特にレーザ媒体と、ポンプ光ビームのビーム分割、配 向手段は多くのいろんな種類が可能である。ビーム分割、配向手段はビーム分割 手段と配向手段とに分離することができるし、あるいは両機能を組合せた手段で 構成してもよい。もちろんその他多くの代替例も可能である。ポンプレーザもま たもちろん多くのいろんな種類が可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．活物質（２；２ａ；２ａ′；２ｃ）を有するレーザ導波管（１；１ａ；１ ｃ）と、ポンプ光波長λ_Pを有するポンプ光を放射するポンプレーザと、ポンプ 光ビーム（６，７；６′，７′）をレーザ導波管（１）に向けて配向する手段（ ４，５ａ，５ｂ；５ｃ；５ｄ，１１；１３，１４，１５；１１ａ；１６ａ，１６ ｂ，１７）とを含む、同調式利得結合レーザ装置（１０；２０，３０；４０，５ ０）、特にＤＦＢレーザ、であって、 活物質（２；２ａ，２ｂ；２ａ′；２ｃ）は、電荷キャリアの拡散が防止され ている半導体材料であることと、それが１個の同じポンプレーザ（３；３ａ）か ら発する少なくとも２個のポンプ光ビーム（６，７；６′，７′）により励起さ れて、各ビームはレーザ導波管（２ａ；２ａ′；２ｃ）の活物質と入射角（α₁ ，α₂）を形成することと、 を特徴とする、同調式利得結合レーザ装置。 ２．請求項１記載の装置において、 活物質は量子細線または量子ドットを含むことを特徴とする、レーザ装置。 ３．請求項１−２記載の装置において、 ポンプ波長（λ_P）を変えることによりレーザ波長（λ_L）を変えるために、ポ ンプ波長が可変である、すなわち同調可能であることを特徴とする、装置（１０ ；２０）。 ４．請求項３記載の装置において、 ポンプレーザビームがパルスであることを特徴とする、装置。 ５．請求項３記載の装置において、 ポンプレーザビームが連続的であることを特徴とする、装置。 ６．請求項３記載の装置において、 配向手段を変えることにより、レーザ波長を変えることができるために、配向 手段が可変になっていることを特徴とする、装置。 ７．請求項６記載の装置において、 配向手段は第１と第２の反射装置を含むことを特徴とする、装置。 ８．請求項７記載の装置において、 第１（５ａ）と第２（５ｂ）の反射装置は、回転可能かつ移動可能なミラーを 含むことを特徴とする、装置。 ９．請求項６記載の装置において、 配向手段は共通であって、いくらか回転可能なミラーを含むことを特徴とする 、装置。 １０．請求項６記載の装置において、 配向手段は更にビーム分割手段を含むことを特徴とする、装置。 １１．請求項１〜１０記載の装置において、 第１のビームの入射角α₁は第２のビームの入射角α₂と同じでないことを特徴 とする、装置。 １２．請求項１−１１記載の装置において、 α₁とα₂は実質的に同じであるが、全く同一ではないことを特徴とする、装置 。 １３．請求項１記載の装置において、 固定配置された反射機構が全くないことを特徴とする、装置。 １４．請求項１記載の装置において、 ポンプレーザビームは横方向に焦点合わせされていることを特徴とする、装置 。 １５．活物質（２；２ａ；２ａ′；２ｃ）を含むレーザ導波管（１；１ａ；１ ｃ）と、コヒーレントなポンプ光を放射するポンプレーザ手段と、ポンプレーザ から発したビーム（６，７；６′，７′）を導波管（１）に向けて配向する手段 （４，５ａ，５ｂ，５ｃ；５ｄ，１１；１３，１４，１５，１１ａ；１ｃ′，１ ｃ″，１６ａ，１６ｂ，１７）とを含む同調式利得結合レーザ装置（１０；２０ ，３０；４０；５０）であって、 活物質はたとえば半導体において自然に自由に動くキャリアを含む反転集団を 含むことと、ポンプ光ビームが活物質内で相互に交叉することと、 を特徴とする、同調式利得結合レーザ装置。 １６．請求項１５記載の装置において、 活物質は半導体であることと、電荷キャリアの拡散が防止されていることとを 特徴とする、装置。 １７．請求項１５または１６記載の装置において、 活物質は量子細線または量子ドットを含むことを特徴とする、装置。 １８．請求項１５または１６記載の装置において、 少なくとも２個のポンプ光ビームが１個の同じポンプレーザから発することを 特徴とする、装置。 １９．請求項１８記載の装置において、 ポンプレーザは導波管と同じ基板上にある表面放射レーザであることを特徴と する、装置。 ２０．請求項１９記載の装置において、 配向手段は格子を含むことを特徴とする、装置。 ２１．請求項１５−２０記載の装置において、 導波管の底部層が全反射性であることと、装置がポンプ光を横断する方向にフ ァブリ・ペローの干渉計を含むこととを特徴とする、装置。 ２２．請求項１５記載の装置において、 導波管（２ｃ）は、ポンプ光が入射するための少なくとも第１の外側端部（１ ｃ′，１ｃ″）を除くすべての外側部に、導波管に沿って長手方向に配置された 層または類似物のような反射手段を含むことを特徴とする、装置（５０）。 ２３．請求項２２記載の装置において、 ポンプ光は第１と第２の両方の外側端部を通って入射することを特徴とする、 装置。 ２４．請求項２２記載の装置において、 第２の外側端部（１ｃ″）は反射機構を含むことを特徴とする、装置。