KR20070047292A - 모드-락된 외부 공동 표면 발산 반도체 레이저의 파장 변환장치, 시스템 및 방법 - Google Patents

모드-락된 외부 공동 표면 발산 반도체 레이저의 파장 변환장치, 시스템 및 방법 Download PDF

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아람 무라디안
안드레이 브이 셰그로프
제이슨 피 왓슨
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노바룩스 인코포레이티드
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Abstract

내부 공동 주파수 변환을 갖는 모드 락 레이저 (400) 이 개시된다. 일 실시형태에서는, 기본 주파수의 펄스 (432) 와 주파수 시프트된 주파수의 펄스 (415) 사이에서 일시적, 공간적, 또는 편광적 오버랩을 감소시킴으로써, 변환 주파수가 개선된다.
모드 락 레이저, 주파수 변환

Description

모드-락된 외부 공동 표면 발산 반도체 레이저의 파장 변환 장치, 시스템 및 방법 {APPARATUS, SYSTEM, AND METHOD FOR WAVELENGTH CONVERSION OF MODE-LOCKED EXTENDED CAVITY SURFACE EMITTING SEMICONDUCTOR LASERS}
기술분야
본 발명은 일반적으로 주파수 2 배화된 모드 락 레이저에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 주파수 2 배화된 모드 락 외부 공동 (extended cavity) 표면 발산 반도체 레이저에 관한 것이다.
배경
모드 락 레이저는, 높은 피크 전력을 갖는 광 펄스를 생성할 수 있는 모드 락 레이저의 능력 때문에 다양한 애플리케이션에서 중요하다. 통상적으로 모드 락 레이저는 능동 변조기, 또는 광 공진기 내 수동의 포화 광 흡수체를 이용하여, 레이저가 레이저 공진기 내의 라운드 트립 천이 시간에 대응하는 주기성을 갖는 단펄스를 생성하게 한다. 능동 변조기를 갖는 모드 락 레이저에서는, 능동 변조기의 광 손실이 주기적으로 변화하여, 모드 락 레이저가 단펄스를 생성하게 한다. 포화 흡수체를 갖는 모드 락 레이저에서는, 광 공진기의 포화 흡수체가, 광 강도를 증가시킴으로써 포화되는 광 손실을 갖는다. 포화가능한 광 손실은, 단펄스의 트레인 생성이 선호되도록 선택된다. 모드 락 레이저는, 동위상으로 커플링되는 다양한 공진 모드를 갖는다. 따라서, 다른 특성뿐 아니라, 모드 락 레 이저는 연속파 (cw) 레이저에 비해 스펙트럼에서 확장된다.
모드 락 레이저의 출력은 주파수 2 배화될 수도 있다. 도 1 은 종래의 모드 락 레이저 구성을 도시한다. 미러 (105 및 110) 를 갖는 레이저 공동은 광 이득 (115) 을 포함한다. 포화 흡수체 (120) 가 제공되어 모드 락을 발생시킨다. 레이저 공동의 모드 락 펄스화된 출력은, 통상 "제 2 고조파 주파수" 로 불리는, 기본 입력 주파수의 2 배인 출력 펄스를 생성하도록 설계된 크리스탈과 같은 비선형 주파수 2 배화 크리스탈 (125) 에 입력된다. 이러한 구성은, 기본 주파수인 광 (130) 의 입력 펄스 각각이 비선형 주파수 2 배화 크리스탈 (125) 을 통해 1 회만 패스하는 단일 패스 구성이다.
모드 락에 해당하는 레이저의 일 타입은 외부 공동 반도체 레이저이다. 도 2 는 종래의 외부 공동 표면 발산 레이저 (200) 를 도시한다. 외부 공동 표면 발산 반도체 레이저는, 에지 발산 반도체 레이저 또는 통상의 표면 발산 레이저에 대해 다수의 이점을 갖는 반도체 레이저의 클래스이다. 외부 공동 표면 발산 레이저는 통상적으로 반도체 이득 엘리먼트 내에 배치되는 하나 이상의 반사기를 포함한다. 예를 들어, 양자 우물 이득 영역 (210) 의 일 측에 성장된 브래그 미러 (205; 또한 분산된 브래그 반사기 또는 DBR 로 공지됨) 의 내부 공동 스택은 페브리-페로 공진기를 형성하여, 기본 레이저 파장의 동작 파장을 규정한다. 반도체 이득 엘리먼트로부터 이격된 추가적 외부 반사기 (215) 는, 추가적 파장 제어 및 안정성을 제공하는 광 공진기의 외부 공동을 규정한다. 양자 우물 이득 영역 (210), 브래그 미러 (205) 및 외부 반사기 (215) 를 적절하게 선택함으로 써 광범위한 파장 범위에서 기본 파장이 선택될 수 있다. 또한, 기본 파장은 주파수 2 배화 광 크리스탈 (220) 에 의해 주파수 2 배화되어, 광을 원하는 컬러로 생성할 수도 있다.
캘리포니아 서니배일의 노바룩스사에 의해 개발된 외부 공동 표면 발산 반도체 레이저는 높은 광 전력 출력, 긴 동작수명, 레이저 파장의 정확한 제어, 공간 광 모드의 제어를 나타내고, 편리한 제조 및 테스트를 위한 표면 발산의 이점을 제공하고, 2 차 고조파 주파수 2 배화기와 같은 광 주파수 변환 엘리먼트를 포함하여 적, 녹 및 청색의 광을 생성하는데 적합할 수도 있다. 노바룩스사에 의해 개발된 개별적인 외부 공동 표면 발산 반도체 레이저 및 주파수 2 배화 표면 발산 레이저를 설명하는 배경 정보는, 미국 특허 번호 제 6,243,407 호, 제 6,404,797 호, 제 6,614,827 호, 제 6,778,582 호 및 제 6,898,225 호에 개시되어 있으며, 각각의 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 외부 공동 표면 발산 레이저의 다른 세부사항은 미국 특허 출원 번호 제 10/745,342 호 및 10/734,553 호에 개시되어 있으며, 그 내용은 본 명세서에 참조로 통합되어 있다.
도 3 은 모드 락 레이저로서 기능하기 위해 내부 공동 주파수 2 배화를 갖는 외부 공동 표면 발산 레이저를 변형하는 것과 관련된 일부 문제점들을 도시한다. 이러한 구성에는 3 개의 기본적인 문제점이 존재한다. 첫째로, 모드 락 변조기 (225) 는 외부 공동 내에 배치되어야 하며, 이것은 레이저의 비용을 증가시킨다. 둘째로, 모드 락 변조기 (225) 는 제 2 고조파 주파수에 대한 삽입 손실을 유발시키는 경향이 있다. 셋째로, 주파수 2 배화 크리스탈의 내부에서 광 펄스 의 간섭이 존재하는 문제가 있다. 예를 들어, 모드 락이 개시되는 일부 초기 시간을 가정한다. 기본 주파수의 제 1 광펄스가 하나의 크리스탈 패싯에서 주파수 2 배화 크리스탈에 입사되면, 이것은 제 2 패싯으로부터 동위상으로 전파되는 주파수 2 배화된 카운터파트 펄스를 생성할 것이다. 따라서, (약간 감소된 전력 레벨을 갖는) 기본 주파수의 광펄스 및 제 2 고조파 주파수의 광펄스가 주파수 2 배화 크리스탈 (220) 의 나머지 패싯으로부터 나타날 것이다. 외부 미러로부터와 같은 후속적인 반사를 통해, 이러한 광펄스 모두는 주파수 2 배화 크리스탈로 재반사될 것이다. 따라서, 기본 주파수 및 제 2 고조파 주파수 모두의 펄스들은 주파수 2 배화 크리스탈에 재입사될 것이다. 주파수 2 배화 크리스탈은, 전기장의 세기 및 적절한 페이싱에 크게 의존하는 비선형 광 효과에 의존한다. 반사된 제 2 고조파 펄스는 간섭 및 디페이싱 효과를 생성할 수 있고, 이것은 고조파 주파수의 광 펄스가 제 2 고조파 주파수에서 추가적인 광을 생성할 수 있는 효율을 감소시킨다.
전술한 문제의 관점에서, 본 발명의 장치, 방법 및 시스템이 개발되었다.
요약
내부 공동 주파수 변환을 사용하여 모드 락 광 펄스가 주파수 변환되는 장치, 시스템 및 방법이 개시된다. 비선형 광소재에서 열화적 간섭을 감소시키기 위해, 기본 주파수의 펄스에 대해 주파수 시프트된 펄스의 일시적, 공간적 또는 편광 오버랩을 감소시키는 엘리먼트가 포함된다.
일 실시형태의 모드 락 레이저는: 광 공진기; 광 공진기에 배치되어 기본 레 이저 주파수에 대한 광 이득을 제공하는 레이저 이득 엘리먼트; 광 공진기에 배치되는 모드 락 변조기; 광 공진기에 배치되며, 기본 레이저 주파수의 입력 펄스가 기본 레이저 주파수의 감소된 전력의 출력 펄스 및 고조파 주파수의 출력 광 펄스로 변환되는 광 주파수 변환을 수행하는 비선형 광소재; 및 광 공진기에 배치되며, 고조파 주파수의 출력 광 펄스와 고조파 주파수의 광 펄스의 공간적, 일시적 또는 편광 오버랩을 적어도 부분적으로 감소시켜, 비선형 광소재에서 고조파 주파수의 광펄스와 기본 주파수의 광펄스간의 간섭을 감소시키는 엘리먼트를 구비한다.
일 실시형태의 모드 락 레이저 동작 방법은: 기본 주파수의 광 펄스의 주파수 변환을 위해 광 공진기 내에 비선형 광소재를 제공하는 단계; 광 공진기 내에 기본 주파수의 모드 락 레이저 펄스를 생성하는 단계; 비선형 광소재를 통한 제 1 패스에서, 고조파 주파수의 제 1 펄스 및 상기 기본 주파수의 제 2 광 펄스를 형성하기 위해 고조파 주파수의 광 펄스를 생성하는 단계; 및 비선형 광소재에서 간섭 효과를 감소시키기 위해, 제 1 펄스 및 제 2 펄스를 비선형 광소재로 다시 커플링하기 전에 제 1 펄스와 제 2 펄스의 일시적, 공간적 또는 편광 오버랩을 적어도 부분적으로 감소시키는 단계를 포함한다.
본 발명은 첨부한 도면을 참조한 다음의 상세한 설명으로 더 상세히 이해된다.
도면의 간단한 설명
도 1 은 종래의 모드 락 레이저를 도시한다.
도 2 는 종래의 외부 공동 표면 발산 레이저를 도시한다.
도 3 은 모드 락 펄스를 생성하기 위해 종래의 외부 공동 표면 발산 레이저를 변형하는 것에 관련된 일부 문제점을 도시한다.
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모드 락 레이저의 블록도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 따른, 고조파 펄스와 기본 펄스 사이에 시간 지연을 도입시키는 기술을 도시하는 블록도이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시형태에 따른, 시간 지연 엘리먼트를 갖는 모드 락 변조기의 집적을 도시하는 블록도이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 이득 엘리먼트 및 시간 지연 엘리먼트의 집적을 도시하는 블록도이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 모드 락 레이저를 도시한다.
도 9 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 시간 지연 엘리먼트 및 모드 락 변조기를 집적한 반도체 엘리먼트를 도시한다.
도 10 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 예시적인 펄스 및 그들의 시간 지연을 도시한다.
도 11 은 이득 엘리먼트, 반사기, 모드 락 변조기 및 시간 지연 엘리먼트를 집적한 반도체 구조를 도시한다.
도 12 는 고조파 주파수의 반사광이 기본 주파수의 출사광으로부터 확산되도록 선택되는 렌즈 및 이득 엘리먼트를 집적한 반도체 구조를 도시한다.
도 13 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 고조파 펄스와 기본 펄스 사이에 편광 차이를 도입시키는 기술을 도시하는 블록도이다.
도 14 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 고조파 펄스와 기본 펄스 사이에 편광 차이를 도입시키는 기술을 도시하는 블록도이다.
유사한 도면 부호는 여러 도면에 걸쳐 대응하는 부분을 나타낸다.
발명의 상세한 설명
도 4 는 본 발명의 일 실시형태에 따른 모드 락 레이저 시스템 (400) 을 도시하는 블록도이다. 2 이상의 반사기 (405) 는 광 공진기에 대해 광 피드백을 제공하고, 공동 또는 링 구성으로 배열될 수도 있다. 광 이득 엘리먼트 (410) 는 기본 주파수에 대해 광 이득을 제공한다. 광 이득 엘리먼트 (410) 는 고체, 기체, 액체 또는 반도체 레이저 이득 매체를 포함할 수도 있다.
반사기 (405) 및 광 이득 엘리먼트 (410) 는 기본 주파수의 광을 생성하도록 선택된다. 추가적인 주파수 선택적 엘리먼트 (미도시) 가 동작의 기본 주파수를 선택하기 위해 포함될 수도 있다. 출력 커플러 (420) 가 주파수 변환된 광의 적어도 일부를 추출하기 위해 제공된다. 비선형 광소재 (425) 는, 기본 주파수의 광 펄스를 또 다른 주파수의 주파수 시프트된 펄스로 변환하기 위해 포함된다. 일 실시형태에서, 비선형 광소재 (425) 는 주파수 2 배화를 제공한다. 그러나, 더 상세하게는, 비선형 광소재 (425) 는 광 주파수 변환 분야에 공지된, 주파수 3 배화, 4 배화, 또는 파장 다운 변환과 같은 임의의 타입의 주파수 변환을 수행할 수도 있다.
모드 락 변조기 (435) 가 사용되어 기본 주파수의 모드 락 레이저 펄스를 생성한다. 모드 락 변조기 (435) 는, 예를 들어, 수동 포화 흡수체 또는 능동 변 조기를 포함할 수도 있다. 일 실시형태에서, 모드 락 변조기 (435) 는 공동 라운드 트립 천이 시간의 고조파 또는 서브-고조파로 변조된다.
일 실시형태에서, 레이저 시스템 (400) 은 기본 주파수의 광펄스가 비선형 광소재 (425) 를 통해 2 이상의 패스를 하도록 설계된다. 비선형 광소재 (425) 를 통한 추가적인 패스에서 추가적인 주파수 시프트 광이 생성되는 효율을 증가시키기 위해 하나 이상의 특성이 포함될 수도 있다. 주파수 선택적 시간 지연 모듈 (430) 은, 기본 주파수의 펄스의 상대적 위치를 적어도 부분적으로 주파수 시프트된 펄스로부터 일시적으로 시프트시키는 시간 지연 동작을 수행한다. 일 실시형태에서, 주파수 선택적 반사 렌즈 (415) 와 같은 주파수 선택적 빔-형성 엘리먼트가 기본 주파수의 펄스에 대해 주파수 시프트된 펄스의 공간 프로파일을 변경하기 위해 포함된다. 일 실시형태에서, 주파수 선택적 편광 조절 모듈 (432) 이 기본 주파수의 펄스에 대해 주파수 시프트된 펄스의 편광을 변경하기 위해 포함된다.
본 발명에 따르면, 주파수 변환의 후속 패스에서 비선형 광소재에서의 간섭 효과가 감소되도록 기본 주파수의 펄스에 대해 주파수 시프트된 펄스의 속성을 변경함으로써 주파수 변환 프로세스가 개선된다. 더 상세하게는, 주파수 변환의 후속 패스 동안 비선형 광소재 (425) 에 다시 커플링되는 주파수 변환된 펄스와 기본 주파수의 펄스의 일시적, 공간적 또는 편광 오버랩에서의 적어도 부분적인 감소를 달성하는 것이 바람직하다. 즉, 오버랩 감소는 공간적, 일시적 또는 편광 도메인에서 행해질 수도 있다. 일시적, 공간적 또는 편광 오버랩에서의 감소 는, 제 2 패스에서 기본 주파수의 펄스가 추가적인 주파수 시프트된 광을 생성할 수 있는 효율을 악화시키는 간섭 효과를 감소시킨다. 일 예로서, 기본 주파수에서 생성된 광의 초기 펄스를 가정한다. 비선형 광소재 (425) 를 통한 제 1 패스에서 펄스의 일부는, 거의 동일한 공간 프로파일, 동일한 편광을 가지며 기본 펄스와 동시에 동일한 방향으로 이동하는 주파수 시프트된 광의 펄스로 변환된다. 이러한 2 펄스가 주파수 변환의 제 2 패스 동안 비선형 광소재 (425) 로 재반사되면, 제 2 패스에서 주파수 변환 프로세스의 효율을 악화시킬 수도 있는 간섭 효과의 잠재성이 존재한다. 비선형 주파수 변환은 전기장 및 적절한 위상 관계에 크게 의존한다. 따라서, 주파수 변환의 제 1 패스에서 생성된 주파수 시프트된 광은, 제 2 패스에서 효율적인 주파수 변환을 간섭하는 전기장을 생성할 잠재성을 갖는다. 이러한 간섭 효과는, 주파수 선택적 시간 지연 모듈 (430), 주파수 선택적 반사 렌즈 (415) 또는 주파수 선택적 편광 조절 모듈 (432) 을 사용하여 2 펄스의 일시적, 공간적 또는 편광 오버랩을 감소시킴으로써 실질적으로 제거될 수 있다.
도 5 는 본 발명의 일 실시형태에 다른 선택적 시간 지연 모듈 (430) 의 동작을 도시한다. 입력 펄스(들)는 비선형 광소재 (425) 의 제 1 패싯 (427) 에 입사된다. 비선형 광소재 (425) 는, 입사 광펄스의 일부를 주파수 시프트된 주파수로 변환하는 것과 같은 주파수 변환 동작을 수행한다. 일 실시형태에서, 비선형 광소재는 주파수 2 배화를 수행하지만, 더 일반적으로 변환 프로세스는 광학분야에서 공지된 임의의 비선형 광 주파수 변환 동작일 수도 있다. 그 결과, 2 이상의 상이한 주파수의 광펄스가 비선형 광소재의 제 2 패싯 (429) 에 나타난다.
주파수 선택적 반사기 (505) 는, 제 1 타입의 펄스 (520) 및 제 2 타입의 펄스 (530) 가 일시적으로 분리된 2 개의 상이한 주파수에 중심을 두도록 허용한다. 일 예로서, 제 1 타입의 펄스 (520) 는 기본 주파수에 중심을 두고, 제 2 타입의 펄스 (530) 는 주파수 시프트된 펄스에 중심을 둘 수도 있다. 예를 들어, 주파수 선택적 반사기는 하나 이상의 주파수 대역에 매우 투과적이고, 하나 이상의 주파수 대역에 매우 반사적일 수도 있다. 그 결과, 선택된 주파수의 펄스만이 시간 지연 엘리먼트 (510) 에 입사하고 반사기 (515) 에 의해 재반사될 것이다. 시간 지연 엘리먼트 (510) 는, 예를 들어, 일정 길이의 저손실 재료를 포함할 수도 있다. 따라서, 제 1 타입 및 제 2 타입의 펄스 (520 및 530) 모두가 비선형 광소재 (425) 의 제 2 패싯 (429) 에 재반사되면서, 비선형 광소재 (425) 내의 일시적 오버랩을 감소시키는 시간 지연이 2 타입의 반사 펄스 사이에 개입된다. 이것은, 비선형 주파수 변환이 발생하는 효율을 감소시키는 간섭을 감소시킨다. 일 실시형태에서, 시간 지연은, 제 1 타입 (520) 및 제 2 타입 (530) 의 반사된 펄스의 완벽한 일시적 분리를 달성하도록 선택된다. 그러나, 더 일반적으로는, 비선형 주파수 변환 프로세스의 효율을 개선하기 위해, 반사 펄스의 일시적 오버랩에서의 부분적 감소만이 요구된다는 것을 이해할 것이다.
도 6 은, 기본 주파수의 펄스가 모드 락 변조기 (435) 에 선택적으로 투과되어 주파수 변환 펄스 (605) 에 대한 삽입 손실을 감소시키는 일 실시형태를 도시한 다. 주파수 선택적 필터 (505) 는 주파수 변환된 펄스 (예를 들어, 주파수 2 배화된 제 2 고조파 펄스) 를 선택적으로 반사한다. 기본 주파수의 펄스 (610) 는 모드 락 변조기 (505) 를 향해 이동하여, 반사기 (515) 에 의해 재반사된다. 그 결과, 기본 주파수의 펄스만이 모드 락 변조기 (435) 의 삽입 손실을 경험한다. 또한, 이러한 구성에서 반사된 기본 펄스를 지연시키기 위해 시간 지연 엘리먼트 (510) 가 집적될 수도 있다.
도 7 은, 비선형 광 크리스탈 (도 7 에는 미도시) 쪽으로의 재반사 이전에 제 1 타입의 펄스 (720) 에 대해 제 2 타입의 펄스 (710) 를 공간적으로 확장하기 위한 주파수 선택적 렌즈 (415) 를 사용함으로 간섭이 감소되는 일 실시형태를 도시한다. 주파수 선택적 렌즈 (415) 는, 제 1 타입 펄스에 중심을 둔 주파수와 같은 하나 이상 대역의 주파수을 선택적으로 투과하는데 적합한다. 그 결과, 제 1 타입의 펄스는 주파수 선택적 렌즈를 통해 투과되고 반사기에 의해 재반사된다. 추가적 광 엘리먼트가 주파수 선택적 반사 렌즈 (415) 와 반사기 (705) 사이에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 광 이득 엘리먼트 (410) 가 주파수 선택적 반사 렌즈 (415) 와 반사기 (705) 사이에 배치될 수도 있다. 시간 지연 엘리먼트 (510) 가 주파수 선택적 렌즈 (415) 와 반사기 (705) 사이에 배치될 수도 있다. 또한, 일 실시형태 (설명하지 않음) 에서는, 모드 락 변조기가 주파수 선택적 반사 렌즈 (415) 와 반사기 (705) 사이에 포함된다.
본 발명의 모드 락 레이저의 하나 이상의 콤포넌트는, GaAlAs, GaAlAsP, GaInAsP, GaInNAs, 스트레인드 (strained) InGaAs, GaInNAsSb, InP/InGaAsP/AlGaAs 및 GaN 과 같은 광전자 디바이스에 사용되는 반도체 재료에 구현될 수도 있다. 또한, 2 이상의 콤포넌트가 단일 반도체 엘리먼트에 집적될 수도 있다. 더 상세하게는, 본 발명의 모드 락 레이저는 반도체 재료에 기반한 표면 발산 레이저 구조로 구현될 수도 있다. 모드 락 변조기는, 예를 들어, 흡수 특성이 전기장에 의해 제어되어 포화 흡수체를 형성하는 양자 우물 흡수기로부터 형성될 수도 있다. 시간 지연 엘리먼트는, 재료를 통해 투과되는 광의 주파수에 대해 낮은 광 흡수성을 갖는 일정 길이의 반도체 재료로부터 형성될 수도 있다. 일 실시형태에서는, 브래그 미러가 하나 이상의 미러를 형성하기 위해 사용된다. 포화 흡수 지연 구조가 이득 엘리먼트로부터 분리되는 디바이스의 경우, 이러한 포화 흡수체 디바이스와 관련된 브래그 미러는 기본 파장에 실질적으로 100% 반사적이면서, 공동에 접하는 표면은 기본 레이저 파장에 투명하고 고조파 파장에는 매우 반사적이도록 설계된다. 또 다른 실시형태에서는, 2 개의 브래그 미러가 개별 엘리먼트로서, 또는 포화 흡수 재료로 동작하는 GaInAs 양자 우물과 같은 양자 우물을 포함하여 출력 커플러로서 기능할 수도 있다. 이 경우, 이 미러 쌍의 공진 대역폭은 모드 락 펄스의 스펙트럼 폭을 제어하고 동작 파장을 제어하도록 기능할 것이다.
도 8 은 모드 락 레이저의 외부 공동 표면 발산 레이저 (800) 의 도면이다. 본 발명의 원리를 설명하기 위해, 레이저 (800) 는, 고조파 변환 (예를 들어, 제 2 고조파 변환을 위한 주파수 2 배화) 을 수행하는 것으로 설명하지만, 적외선, 가시광선 또는 자외선 방사의 생성에 이용하기 적합하도록 다른 타입의 비선형 주파수 변환을 수행할 수도 있음을 이해할 것이다. 표면 발산 이득 엘리먼트 (805) 는 레이저 공동의 제 1 말단 주위에 위치되고, 또한 레이저의 공동 미러 중 하나를 형성한다. 표면 발산 이득 엘리먼트 (805) 는, 예를 들어, 제 1 분산된 브래그 반사기 (815) 와 제 2 분산된 브래그 반사기 (820) 사이에 배치되는 양자 우물 이득 영역 (810) 을 포함할 수도 있다. 표면 발산 이득 엘리먼트 (805) 는 약 기본 주파수에서 광 이득을 생성하고 공동 미러 중 하나를 형성한다. 표면 발산 이득 엘리먼트 (805) 는, 예를 들어, 전기적일 수도 있고, 광학적일 수도 있고, 또는 전자 빔 펌프일 수도 있다. 일 실시형태에서는, 열 렌즈 (807) 가 광을 포커싱하기 위해 표면 발산 이득 엘리먼트 (805) 에 형성된다. 일 실시형태에서, 이득 영역 (810) 은 레이저의 기본 주파수에 따라 GaAlAs, GaInAs, GaAsP 또는 GaInAsP 재료 시스템의 반도체로부터 형성된다.
기본 파장에는 매우 투과적이고 고조파 주파수에는 매우 반사적인 출력 커플러 (825) 가 제공된다. 즉, 출력 커플러 (825) 는 고조파 광에 대해서는 비교적 높은 손실을 생성하고, 기본 주파수의 광에 대해서는 비교적 낮은 손실을 생성한다. 일 실시형태에서, 출력 커플러 (825) 는 레이저 광의 경로에 대해, 통상적으로 편이를 위해 45 도인 각도로 배향된 반사 필터이다. 이 콤포넌트는 기본 파장을 편광시키는 것 및 고조파 방사에 대해 출력 커플러로서 동작하는 것 모두를 제공할 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 비선형 광소재 (832) 의 일 측상의 공동 내에 포함되는 2 개의 이색 빔 스플리터는 고조파 방사를 2 개의 개별 빔으로 추출하는데 사용될 수도 있다.
비선형 광소재 (832; 예를 들어, 비선형 크리스탈) 가 고조파 펄스를 생성하 기 위해 제공된다. 비선형 광소재의 예로는, 리튬 니오베이트, KTP, 리튬 탄탈레이트, 칼륨 니오베이트의 피리어디컬리 폴드 크리스탈 (periodically poled crystal), 및 리튬 니오베이트, BBO, LBO, KTP 와 같은 언폴드 벌크 재료, 또는 이러한 재료로부터 형성된 도파관이 포함된다.
반도체 엘리먼트 (835) 는 레이저 공동의 제 2 말단 주위에 위치되고, 또한 레이저 공동의 제 2 미러를 형성한다. 일 실시형태에서, 반도체 엘리먼트 (835) 는 포화 흡수체 (840) 를 포함한다. 일 실시형태에서, 포화 흡수체 (840) 는 레이저의 기본 주파수에 따라, GaInAs, GaAsP, GaAlAs, GaInAsP, GaInNAs 또는 GaN 재료 시스템에서 양자 우물로부터 제조된다. 반도체 엘리먼트 (835) 의 입사면 상에는 기본 주파수에 매우 투과적이고 고조파 주파수에 매우 반사적인 광 코팅 (855) 이 형성된다. 일정 길이의 재료 (850) 는 미리 선택된 시간 지연을 생성하도록 포함된다. 일 실시형태에서는, 공동의 제 2 미러를 형성하기 위해 브래그 반사기 (845) 가 사용된다. 이러한 공동 미러는 기본 파장에서 공칭적으로 100% 반사하는 것이 바람직하다. 일 예로서 GaInAs 레이저의 경우, GaAl1-xAsx/GaAl1-yAsy 의 1/4 파장 레이저를 교대시켜, 포화 흡수체 (840) 를 대략적으로 형성하는 100% 반사적 브래그 미러 (845) 를 형성한다. 일 실시형태에서, 브래그 미러 (845) 는, 포화 흡수체 (840) 에 전기장이 인가될 수도 있도록 포화 흡수체 (840) 주위에 p-n 접합을 형성하기 위해 도핑된다.
일 예로서, 표면 발산 이득 엘리먼트 (805) 로부터 반도체 엘리먼트 (835) 로의 방향에서 이동하는 기본 주파수 광의 초기 펄스를 고려한다. 비선형 크리스탈 (832) 은 기본 펄스의 일부를 고조파 주파수의 펄스로 변환할 것이고, 2 펄스 모두는 반도체 엘리머트 (835) 의 광 코팅 (855) 에 도달한다. 고조파 주파수의 펄스는 광 코팅 (855) 의 표면으로부터 반사된다. 기본 주파수의 펄스는 반도체 엘리먼트 (835) 로 이동한다. 시간 지연은 재료 (840) 의 천이 시간에 의해 도입된다. 그 결과, 기본 펄스는 반도체 엘리먼트 (835) 로부터 나타날 때 고조파 펄스로부터 일시적으로 분리된다. 도 8 에 도시된 바와 같이, 일시적 분리는, 고조파 주파수의 펄스 (860) 가 비선형 재료 (832) 에서 기본 펄스 (865) 와 오버랩하지 않도록 되는 것이 바람직하다. 따라서, 기본 및 고조파 빔은 동일한 레이저 공동 빔 경로로 이동하지만, 비선형 재료를 통해 역이동할 때에는 서로 시간 지연된다. 비선형 크리스탈을 통해 역이동하는, 리턴하는 기본 빔의 미공핍 부분은 제 2 고조파로 더 효율적으로 변환될 수 있어서, 총 변환의 효율성을 증가시킨다.
도 9 는 모드 락 및 시간 시프트를 수행하는 반도체 엘리먼트 (935) 의 예시적인 구현을 도시한다. 고조파 주파수에는 매우 반사적이고 (HR; highly reflective) 기본 주파수에는 비반사적인 (AR; anti-reflective) 광 코팅 (905) 이 제공된다. 브래그 미러 (910) 는 도핑된 GaAlAs 층으로부터 형성된다. GaInAs 양자 우물 영역 (915) 은 포화 흡수체로서 동작한다. 포화 흡수체는 레이저 필드와 상호작용하도록 배치되고, 예를 들어, 레이저 필드의 하나 이상의 안티노드에 위치될 수도 있다. 도핑된 GaAs 영역 (920) 이 시간 지연 엘리먼트로 서 포함될 수도 있고, 또한 충분히 도핑되어 p-n 접합 부분으로서 기능할 수도 있다. 일 예로서, GaAs 영역 (920) 의 두께 는 100 마이크론의 GaAs 에 대응할 수도 있다. 도 9 에 도시된 구조는, 포화 흡수 프로세스를 최적화시키는 적절한 에너지 범위로 양자 우물 영역 (915) 의 흡수를 조율하기 위해 역 바이어스될 수 있는 p-n 접합을 갖는다. 또한, 이러한 바이어스 전압은 모드 락 디바이스 및 레이저를 변조하기 위해 변조될 수 있다. 더 상세하게는, 포화 흡수체는 레이저 공동 응답 시간에 필적하는 레이트로 변조를 허용하도록 설계되는 것이 바람직하다. 또한, 역 바이어스 접합에서 생성된 전류는 모드 락 레이저의 전력을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 일 실시형태에서, p-n 접합에 의해 포화 흡수체에 인가되는 전압은 공동 라운드 트립 천이 시간의 고조파 또는 서브-고조파로 변조된다. 예를 들어, 신호는, 기본 레이저 출력, 및 라운드 트립 공동 천이 시간의 고조파 또는 서브-고조파에 조율된 협대역 전자 증폭기를 통한 피드백으로부터 선택될 수도 있다.
도 10 은 도 9 의 실시형태에 대한 기본 주파수 펄스와 제 2 고조파 펄스 사이에서 시간 지연의 계산을 도시한다. 이 예에서, GaAs 는 100 마이크론의 두께를 갖는다. 시간 지연은 경로 길이 및 GaAs 에서의 광 속도로부터의 제 1 원리로 계산될 수도 있다. 지연 시간은 Δt1=2n1l1/c 이며, 여기서 n1 은 GaAs 의 굴절률이고, l1 은 GaAs 재료의 길이이고, c 는 자유공간에서의 광속도이다. 100 마이크론 두께의 GaAs 영역에서 시간 지연은 약 2.3 피코세컨드이다. 이러 한 시간 지연은 다수의 외부 공동 레이저 설계에서의 펄스 폭보다 크다. 특정 애플리케이션에 있어서, 모드 락 펄스의 스펙트럼 폭은 특정 공동 길이에 대한 모델링 또는 실험적 측정에 의해 결정될 수도 있다. 기본 주파수 및 고조파 주파수의 일시적 시프트 펄스에 요구되는 재료 두께의 길이는, 기본 주파수에 대해 합리적인 광손실을 달성하면서 효율을 개선하기 위한 충분한 시간 지연을 달성하도록 선택될 수도 있다.
도 11 은 브래그 반사기 (1105), 양자 우물 이득 영역 (1118), p-n 접합 내에 배치된 양자 우물로부터 형성되는 포화 흡수체 (1115), 및 시간 지연 영역 (1120) 을 형성하도록 선택되는 GaAs 의 두께를 포함하는 표면 발산 이득 엘리먼트 (1100) 의 일 실시형태를 도시한다. 표면 발산 레이저 이득 엘리먼트가 도 11 에 도시된 바와 같이 전기적 도전 경로의 하나로서 동작하는 두꺼운 GaAs 기판을 갖는 경우, 기본 모드 락 펄스에 대한 추가적인 경우는 제 2 고조파 펄스에 대해 이 펄스를 지연시킬 것이다. 이득 구조의 이러한 실시형태에서, GaAs 기판은 통상적으로 50 내지 100 마이크론의 두께이며, 능동 영역의 직경은 수십 내지 수백 마이크론일 것이다. 이러한 GaAs 기판은 레이저 공동 내에 포함되며, 양자 우물 이득 영역은 바닥의 공칭적으로 100% 반사적인 p-미러 및 100% 미만의 반사적인 n-미러에 의해 클래딩된다. 또한, 본 디바이스는 n-브래그 미러없이 동작할 수도 있다. 광 애퍼처에 의해 피복되지 않은 이 영역의 GaAs 상면은 기본 파장에 매우 투과적이고 제 2 고조파 파장에는 매우 반사적이 되도록 코팅된다.
GaAs 기판 (1120) 의 두께는 횡단 모드 및 유효 광 길이에 영향을 미친다. 따라서, 몇몇 경우, GaAs 기판 (1120) 의 두께를, 광 펄스를 분리하기 위한 시간 지연을 달성하기 위해 요구되는 최소 두께를 넘어 예를 들어, 수백 마이크론 보다 큰 두께까지 증가시키는 다른 광학적 근거가 존재한다. 본 발명의 일부 실시형태에서는, 더 두꺼운 GaAs 기판을 사용하거나, 본드 GaAs 또는 일부 다른 더 높은 굴절률 재료를 기판으로 사용하는 것이 이점이 있을 수도 있다. 예를 들어, 일부 애플리케이션에서는 GaAs 스페이서에 의해 1 mm 의 공기 간격을 대체하는 것이 바람직할 수도 있다. 동일한 횡단 모드를 1 mm 의 공기 간격으로 유지하는데 요구되는 GaAs 의 물리적 길이는 nGaAsLair ~ 3.5 mm 로 주어지고, 여기서 nGaAs 는 GaAs 의 굴절률 (즉, 3.5) 이고, L 은 공기 두께 (즉, 1 mm) 이다. 이와 동시에, 3.5 mm 의 GaAs 는 nGaAsLair ~ 12.25 mm 의 유효 광 길이를 규정한다. 따라서, 공기의 일부를 GaAs 로 대체함으로써, 그 부분에서 거의 12 배의 유효 광 공동 길이의 증가를 얻을 수 있다. 이러한 증가는 더 낮은 반복 레이트 및 더 높은 전력 레벨을 갖는 레이저를 설계하는데 이점이 있을 수도 있다.
표면 발산 이득 엘리먼트 (1100) 의 일부로서 포화 흡수체가 제조되는 경우, 단순한 선형 공동으로 충분할 것이다. 역방향으로 진행하는 제 2 고조파 방사는 순방향 진행파에 대해 등선형 (co-linear) 방식으로 칩의 표면으로부터 반사될 것이다. 흡수 양자 우물의 공간 위치는 레이저 정상파의 피크에 또는 그 근처에 존재한다.
일 실시형태에서는, GaInAs 양자 우물 레이저 디바이스의 경우 포화 흡수체 (1115) 가 GaInAs 로 제조된다. 흡수 양자 우물의 광 밴드-갭을 조율하기 위해 구조를 역 바이어스함으로써 흡수가 조절된다. 양자 우물의 포화 흡수에 대한 배경 정보는, Qiang Zhang, Khalil Jasmin, A. V. Nurmikko, Erich Ippen, Glen Carey 및 Wanill Ha 의 Electronics Letters, volume 17, pages 525-527, 2005 년 3월자 "Characteristics of high-speed passively mode-locked surface emitting semiconductor InGaAs laser diode" 및 B. Stormont, E. U. Rafailov, I. G. Cormack and Wilson Sibbett 의 Electronics Letters, 2004년 6월 10일자, Vol. 40, No. 12, pages 732-734 "Extended-cavity surface emitting diode laser as active mirror controlling mode-locked Ti:sapphire laser" 에 개시되어 있으며, 각각의 내용은 본 명세서에 참조로서 통합되어 있다.
또한, 포화 흡수체 (1115) 는, 포화 흡수 구조에 인가된 역 바이어스 전압을 변경함으로써 레이저 공동 응답 시간에 의해서만 제한되는 고속으로 변조되도록 설계되는 것이 바람직하다. 이러한 응답 시간은 통상적으로 1 cm 길이의 공동에 대해 1 나노세컨드 미만이다.
도 12 는 표면 발산 이득 엘리먼트 (1200) 가 렌즈 (1205) 를 포함하는 실시형태를 도시한다. 광 코팅 (1210) 은 렌즈 (1205) 의 전면에 배치된다. 광 코팅 (1210) 은 기본 주파수에 대해서는 매우 투과적이고 고조파 주파수에 대해서는 매우 반사적이다. 렌즈 (1205) 의 광 특성은, 비선형 크리스탈 (832) 에서 고조파 및 기본파 주파수의 광 펄스의 공간 프로파일에서 현저한 차이를 달성하도록 선택될 수 있다. 윤곽선 (1285) 으로 도시한 바와 같이, 고조파 모드 (1295) 는, 예를 들어, 윤곽 (1270) 으로 나타낸 바와 같이 기본 주파수에서 모드 (1290) 에 대해 발산할 수도 있다. 그 결과로, 2 개의 모드 (1290 및 1295) 는 비선형 크리스탈 (832) 내에서 상이한 모드 프로파일을 갖는다. 더 상세하게는, 제 2 고조파 모드 (1295) 는, 비선형 크리스탈 (832) 내에서 감소된 전기장을 갖도록 확산된다. 그 결과, 주파수 변환 프로세서에서의 간섭이 감소된다.
렌즈 (1205) 는 내부 열 렌즈일 수도 있고 개별 광 엘리먼트일 수도 있다. 예를 들어, 안정된 공동 모드를 형성하기 위해 공동에 렌즈가 존재할 수 있다. 또는, 이득 엘리먼트 구조 내 형성된 열 렌즈가 공동을 안정화시키는데 사용될 수 있고, 또는 공지된 기술에 의해 렌즈가 GaAs 기판에 직접 에칭될 수도 있다. 내부 열 렌즈의 경우, 이득 엘리먼트의 광 표면은 평탄하고, 표면 발산 이득 엘리먼트 (1200) 로부터 나타난 기본 주파수의 광 펄스가 수렴하면서 코팅 (1210) 으로부터 반사된 제 2 고조파는 계속하여 미세하게 발산한다. 일부 구현에서, 렌즈 (1205) 는 고조파 광에 대해 볼록 거울로 기능한다. 렌즈 (1205) 가 평탄하지 않은 구현 (예를 들어, 개별 광 엘리먼트 또는 에칭된 공동 렌즈) 에 있어서, 렌즈 (1205) 는 통상적으로 볼록할 것이고, 고조파 주파수에 대해 반사적인 광 코팅 (1210) 때문에 고조파 주파수의 광에 대해 볼록 거울을 형성할 것이다. 또한, 볼록 거울은 고조파 펄스의 다이버전스를 증가시킬 것이다. 이러한 방식으로, 제 2 고조파의 강도는 현저하게 감소되어, 빔의 등선형성을 유지하면서 2 빔 사이의 간섭을 최소화한다.
도 13 은, 기본 주파수의 펄스의 편광 및 주파수 시프트된 주파수의 펄스의 편광이 서로 회전되어, 편광 오버랩에서 적어도 부분적인 감소를 달성하는 실시형태를 도시한다. 전술한 바와 같이, 기본 주파수의 펄스가 비선형 크리스탈 (425) 에서 주파수 시프트된 광을 생성하는 경우, 주파수 변환 프로세스에 의해 발생하는 주파수 시프트된 광은 기본 주파수와 동일한 초기 편광을 가지면서 비선형 크리스탈 (425) 로부터 나타난다. 패스마다 주파수 시프트된 펄스와는 상이한 양만큼 기본 주파수 펄스의 편광을 회전시키는 주파수 의존성 파장판 (1310) 이 레이저 공진기에 포함된다. 예를 들어, 파장판 (1310) 은, 기본 주파수에서는 1/2 파장판으로, 고조파 주파수에서는 1/4 파장판으로 동작하도록 설계될 수도 있다. 반사기 (1320) 에서의 반사는 파장판 (1310) 을 통해 2 패스를 형성하는 2 펄스를 유발시킨다. 1/2 파장판을 통한 2 패스 후, 기본 주파수의 펄스의 편광 상태는 원래값으로 복귀한다. 그러나, 1/4 파장판을 통한 2 패스 후, 고조파 주파수의 펄스는 90 도 위상만큼 회전된 편광을 갖는다. 도 14 는, 파장판 (1310) 이, 주파수 시프트된 주파수에는 반사적이고 기본 주파수에는 투명한, 파장판 (1310) 의 표면 상에 배치된 광 코팅 (1410) 을 더 포함하는 것을 제외하고는 도 13 과 유사하다. 이것은, 기본 주파수의 펄스가 광 공진기 내 다른 광 엘리먼트를 향해 이동하는 것을 허용하면서, 주파수 시프트된 광이 파장판 (1310) 을 통해 2 패스를 형성하게 한다.
주파수 의존성 파장판은 다양한 다른 판매자들로부터 사용가능하다. 이러한 파장판을 흔히 "듀얼-파장 파장판" 이라 한다. 예를 들어, 뉴멕시코 앨버커크의 CVI 레이저가 듀얼-파장 파장판을 판매한다. 듀얼-파장 파장판의 다른 판매자로는, 캘리포니아 샌프란시스코의 Fabrinet 에 의해 획득된 Casix 사가 포함된다.
본 발명의 다양한 변형예들은 본 발명의 범주 내임을 이해할 것이다. 일 실시형태에서, 집적된 모드 락 변조기를 갖는 표면 발산 이득 엘리먼트는, 내부 공동 주파수 변환을 수행하지 않는 레이저 시스템의 일부로서 이용될 수도 있다. 이 실시형태에서, 주파수 변환 프로세스는 레이저 공동, 및 내부 공동 유전 스페이서로서 선형 재료로 대체된 비선형 재료의 외부에서 수행되어, 모드 락 레이저의 다른 광 특성을 유지한다. 이러한 선형 재료는, 연장된 GaAs 스페이서, 광유리, 또는 바람직하게는 파장 의존적인 또는 파장 독립적인 투과성을 갖는 광 엘리먼트일 수도 있다. 파장 의존적 투과성을 갖는 광 엘리먼트의 예는, 외부 주파수 변환을 위한 주파수 선택에 유용할 수 있는 볼륨 그레이팅이 있다. 바람직한 실시형태에서, 레이저 칩, 포화 흡수체 및 유전 스페이서는 단일하게 본딩되거나 저비용 패키지의 실질적으로 평탄한 플랫폼 상에 배열된다. 주파수 변환 및 가능하다면 광 포커싱에 사용되는 비선형 재료 또는 재료들은 레이저 공동의 외부에 위치된다. 내부 공동 주파수 변환에 특징이 있지 않은 실시형태에서는, 시간 지연 엘리먼트가 생략될 수도 있다.
일 실시형태에서, 비선형 크리스탈은 편광 제어를 제공하는데 또한 사용된다. 비선형 크리스탈이 편광 제어를 제공하는데 사용되는 외부 공동 표면 발산 레이저의 상세한 설명은 미국 특허 출원 제 10/745,342 호 및 10/734,553 호에 개시되어 있으며, 본 명세서에 참조로 통합되었다.
본 발명의 모드 락 레이저는 고피크 펄스 전력 동작을 용이하게 하는 추가적은 특성을 포함할 수도 있다. 일 실시형태에서는, 광 펄스를 추출하기 위해 공진기에 공동 덤퍼가 포함된다. 일 실시형태에서는, 모드 락 레이저가 이득 스위칭 모드에서 동작한다. 또한, 반도체 이득 매체가 펄스화될 수도 있다.
전술한 바와 같이, 포화 흡수체는 모드 락 라운드 트립 시간 및 고조파 또는 서브고조파와 동일한 반복 레이트에서 펌프될 수도 있다. 전기적 펌핑에 추가하여, 포화 흡수체는 광학적으로 펌프될 수도 있다. 또한, 이득 엘리먼트는 공동 라운드 트립 시간의 고조파 또는 서브-고조파에서 변조될 수도 있다.
본 발명의 모드 락 레이저는 다양한 애플리케이션에서 사용될 수도 있다. 일 애플리케이션에서, 모드 락 표면 발산 레이저는 투사 디스플레이를 위한 광원으로서 사용된다. 모드 락은 스펙트럼 대역폭을 증가시키며, 이것은 투사 디스플레이 시스템에서 스펙클을 감소시키는 이점이 있다. 또한, 모드 락은 피크 출력 전력을 증가시키는 이점이 있다.
일 실시형태에서, 모드 락 레이저는, 개별 반도체 다이가 복수의 레이저용 콤포넌트를 포함하도록 1 차원 또는 2 차원의 어레이로 제조되도록 설계된다. 예를 들어, 도 11 의 실시형태에서, 이득 엘리먼트, 변조기 및 시간 지연 엘리먼트는 레이저의 어레이를 위해 기판 상에 형성될 수도 있다. 레이저의 어레이는 다수의 광 엘리먼트를 공통으로 공유할 수도 있다. 예를 들어, 공통 비선형 크리스탈이 레이저의 어레이에 대해 사용될 수도 있다. 바람직한 실시형태에서, 레이저의 어레이는, 레이저 침, 포화 흡수체, 및 투명한 분산성 재료 스페이서의 단일 어셈블리로서 패키지된다. 이러한 모드 락 레이저의 적외선 출력 빔은 레잊 공동의 외부에서 비선형 크리스탈로 주파수 2 배화될 수도 있다. 일 실시형태에서, 레이저 어레이는 서로에 대해 코히어런트하지 않게 동작된다. 예를 들어, 어레이의 각 레이저는 독립적으로 어드레스가능할 수도 있다.
또 다른 애플리케이션은 발광 애플리케이션을 위한 광원을 제공한다. 모드 락 표면 발산 레이저는, 통상적으로 다른 광원을 사용하는 애플리케이션에 대해 고 전력의 광을 제공할 수 있다. 예를 들어, 모드 락 레이저의 어레이는 광 도파관에 커플링되어 하나 이상의 상이한 컬러의 고전력 가시광선의 소스를 제공할 수도 있다. 이것은, 통상적으로 비교적 비효율적이고 복잡한 광원 (예를 들어, 네온광) 이 사용되는 다양한 광 애플리케이션에서 잠재적 애플리케이션이다.
설명을 위해, 전술한 기술은 본 발명의 철저한 이해를 제공하도록 특정한 용어를 사용하였다. 그러나, 본 발명을 실행하기 위해 특정한 세부사항들이 요구되지는 않는 것은 당업자에게 자명할 것이다. 따라서, 본 발명의 특정 실시형태들의 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제공된다. 전술한 설명은 본 발명을 정확한 형태로 규명하거나 한정하려는 것이 아니며; 전술한 교시의 관점에서 다양한 변형예 및 변화가 가능함은 명백하다. 실시형태들은 본 발명의 원리 및 실용적 애플리케이션을 최상으로 설명하기 위해 선택되고 설명되었으며, 따라서, 당업자가 본 발명 및 다양한 실시형태들을 고려되는 특정한 용도에 적합하도록 다양한 변형을 사용하여 최상으로 이용할 수 있게 한다. 다음의 청구항 및 그 균등물이 본 발명의 범주를 정의하도록 의도되었다.

Claims (28)

  1. 멀티-패스 광 주파수 변환을 갖는 모드 락 레이저의 효율을 개선하는 장치로서,
    광 펄스의 투과를 지연시키는 시간 지연 엘리먼트;
    상기 모드 락 레이저의 기본 주파수의 광 펄스에 대해서는 투과적이고 제 2 주파수의 펄스에 대해서는 반사적이 되도록 구성되는, 상기 시간 지연 엘리먼트에 대한 도입부; 및
    상기 기본 주파수의 광을 상기 도입부를 향해 재반사하는 말단 반사기를 구비하며,
    상기 시간 지연 엘리먼트는, 상기 도입부로부터 나타나는 상기 기본 주파수의 광 펄스와 상기 도입부로부터 반사되는 상기 제 2 주파수의 광 펄스간에 시간 지연을 도입하여, 상기 제 2 주파수의 광을 생성하는데 사용되는 후속 비선형 광소재에서의 간섭 효과를 감소시키는, 모드 락 레이저의 효율 개선 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기본 주파수에서 이득을 생성하는 광 이득 영역을 더 구비하는, 모드 락 레이저의 효율 개선 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시간 지연 엘리먼트는,
    상기 기본 주파수의 광에 대해 낮은 광 손실을 갖는 일정 길이의 반도체 재료를 포함하고,
    상기 모드 락 레이저에서 광 펄스의 스펙트럼 대역폭의 적어도 일부에 대응하는 시간 지연을 도입하여, 상기 기본 주파수의 광 펄스가 상기 제 2 주파수의 광 펄스로부터 적어도 부분적으로 일시적으로 분리되는, 모드 락 레이저의 효율 개선 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 도입부는, 상기 기본 주파수에 대해서는 투과적이고 상기 제 2 주파수에 대해서는 반사적인 광 코팅을 포함하는, 모드 락 레이저의 효율 개선 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 주파수의 반사광이, 상기 기본 주파수로 상기 도입부로부터 나타나는 광에 대해 디포커싱되도록 선택되는 렌즈를 더 구비하는, 모드 락 레이저의 효율 개선 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 모드 락 레이저 변조기는 포화 양자 우물 흡수체를 포함하는, 모드 락 레이저의 효율 개선 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 말단 반사기는, 반도체 엘리먼트에 형성된 브래그 반사기를 포함하는, 모드 락 레이저의 효율 개선 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    모드 락 레이저 변조기를 더 포함하는, 모드 락 레이저의 효율 개선 장치.
  9. 멀티-패스 내부 공동 주파수 2 배화를 갖는 모드 락 레이저의 효율을 개선하는 반도체 엘리먼트로서,
    광 펄스의 투과를 지연시키기 위해 상기 반도체 엘리먼트의 제 1 영역으로부터 형성되는 시간 지연 엘리먼트;
    상기 반도체 엘리먼트의 전면에 형성되며, 상기 모드 락 레이저의 기본 주파수의 광 펄스에 대해서는 투과적이고 고조파 주파수에 대해서는 반사적이 되도록 구성되는 광 코팅;
    상기 반도체 엘리먼트의 제 2 영역에 형성되는 양자 우물 포화 흡수체; 및
    상기 기본 주파수의 광을 상기 광 도입부로 재반사하기 위해 상기 반도체 엘리먼트의 제 3 영역에 형성되는 말단 반사기를 포함하며,
    상기 시간 지연 엘리먼트는, 상기 기본 주파수의 광 펄스와 비선형 광소재로 향하는 상기 고조파 주파수의 광 펄스 사이에 시간 지연을 도입하여, 상기 비선형 광소재에서의 간섭 효과를 감소시키는, 반도체 엘리먼트.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 기본 주파수에서 이득을 생성하기 위해 상기 반도체 엘리먼트의 제 4 영역에 배치되는 광 이득 영역을 더 포함하는, 장치.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 고조파 주파수의 반사광이 상기 기본 주파수로 상기 도입부로부터 나타나는 광에 대해 디포커싱되도록 상기 반도체 엘리먼트에 형성되는 렌즈를 더 포함하는, 장치.
  12. 기본 주파수의 광 펄스를 주파수 변환하기 위해 광 공진기에 비선형 재료를 제공하는 단계;
    상기 광 공진기 내에 상기 기본 주파수의 모드 락 레이저 펄스를 생성하는 단계;
    상기 비선형 재료를 통한 제 1 패스에서, 고조파 주파수의 제 1 펄스를 형성하기 위해 고조파 주파수의 광 펄스를 생성하는 단계;
    시간 지연된 기본 펄스를 생성하기 위해, 상기 비선형 재료로부터 수신된 상기 기본 주파수 출력에 부분적으로 공핍된 광 펄스 출력을 시간 지연하는 단계; 및
    상기 고조파 주파수의 제 2 펄스를 생성하기 위해, 상기 고조파 주파수의 상 기 제 1 펄스와 상기 비선형 재료로의 상기 시간 지연된 기본 펄스를 커플링하는 단계를 포함하는, 모드 락 레이저의 동작 방법.
  13. 광 공진기;
    기본 레이저 주파수에 대해 광 이득을 제공하기 위해 상기 광 공진기에 배치되는 레이저 이득 엘리먼트;
    상기 광 공진기에 배치되는 모드 락 변조기;
    상기 기본 레이저 주파수의 입력 펄스가 상기 기본 레이저 주파수의 감소된 전력의 출력 펄스 및 고조파 주파수의 출력 광 펄스로 변환되는 광 주파수 변환을 수행하기 위해, 상기 광 공진기에 배치되는 비선형 광소재; 및
    상기 광 공진기에 배치되며, 상기 기본 레이저 주파수의 광 펄스와 상기 제 2 고조파 파장의 광 펄스 사이에 시간 지연을 도입하여 상기 비선형 광소재에서 상기 고조파 주파수와 상기 기본 주파수의 광 펄스 사이의 간섭을 감소시키는 주파수 선택적 시간 지연 엘리먼트를 구비하는, 모드 락 레이저.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 모드 락 변조기는 포화 흡수체를 포함하는, 모드 락 레이저.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 포화 흡수체는 GaInAs, GaAsP, GaAlAs 및 GaInAsP 로 구성되는 재료의 그룹으로부터 선택된 양자 우물을 포함하는, 모드 락 레이저.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 포화 흡수체는, 레이저 공진기에서 미러 중 하나로 기능하는 GaAlAs 및 GaAs 의 교대층으로 형성된 고 반사적 반도체 브래그 미러에 근접하여 성장되는, 모드 락 레이저.
  17. 제 13 항에 있어서,
    상기 레이저 이득 엘리먼트는 GaAlAs, GaInAs, GaAsP 및 GaInAsP 로 구성되는 반도체 레이저 재료의 그룹으로부터 선택되는, 모드 락 레이저.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 포화 흡수체는 상기 이득 엘리먼트를 형성하는 이득 매체에 근접한 반도체 기판 상에서 성장되는, 모드 락 레이저.
  19. 제 13 항에 있어서,
    상기 포화 흡수체는, 상기 포화 흡수체의 광 손실을 조절하기 위해 하나 이상의 양자 우물에 역바이어스 전압을 인가하여 p-n 반도체 접합에 배치되는 상기 하나 이상의 양자 우물을 포함하는, 모드 락 레이저.
  20. 제 13 항에 있어서,
    포화 흡수체에 인가되는 전압은 상기 레이저를 턴온 및 턴오프하여 기본 및 제 2 고조파의 모드 락 펄스의 변조된 트레인을 생성할 수 있는, 모드 락 레이저.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 포화 흡수체의 전류는 레이저 전력을 모니터링하기 위해 사용되는, 모드 락 레이저.
  22. 제 13 항에 있어서,
    레이저 이득 매체는 고체, 기체, 반도체 및 액체의 레이저 매체로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 모드 락 레이저.
  23. 제 13 항에 있어서,
    비선형 재료는, 폴드 리튬 니오베이트, 폴드 KTP, 폴드 리튬 탄탈레이트, 폴드 칼륨 니오베이트, 언폴드 벌크 리튬 니오베이트, 언폴드 벌크 BBO, 언폴드 LBO 및 언폴드 KTP 로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 모드 락 레이저.
  24. 제 13 항에 있어서,
    상기 비선형 변환은, 주파수 2 배화, 주파수 3 배화, 주파수 4 배화 및 파장 다운 변환으로 구성되는 주파수 변환 프로세스의 그룹으로부터 선택되는, 모드 락 레이저.
  25. 제 13 항에 있어서,
    독립적으로 어드레스 가능하며, 1 차원 또는 2 차원으로 배열되는 다수의 디바이스가 존재하는, 모드 락 레이저.
  26. 양자 우물 이득 영역; 모드 락을 제공하는 집적된 양자 우물 포화 흡수체; 및 하나 이상의 브래그 반사기를 포함하는, 표면 발산 반도체 엘리먼트; 및
    외부 거울을 포함하는, 외부 공동 반도체 레이저.
  27. 광 공진기;
    기본 레이저 주파수에 대해 광 이득을 제공하기 위해 상기 광 공진기에 배치되는 레이저 이득 엘리먼트;
    상기 광 공진기에 배치되는 모드 락 변조기;
    상기 기본 레이저 주파수의 입력 펄스가 상기 기본 레이저 주파수의 감소된 전력의 출력 펄스 및 고조파 주파수의 출력 광 펄스로 변환되는 광 주파수 변환을 수행하기 위해, 상기 광 공진기에 배치되는 비선형 광소재; 및
    상기 광 공진기에 배치되며, 상기 고조파 주파수의 광 펄스로 상기 고조파 주파수의 출력 광 펄스의 공간적, 일시적 또는 편광 오버랩을 적어도 부분적으로 감소시켜, 상기 비선형 광소재에서 상기 고조파 주파수의 광 펄스와 상기 기본 주 파수의 광 펄스간의 간섭을 감소시키도록 구성되는 엘리먼트를 포함하는, 모드 락 레이저.
  28. 기본 주파수의 광 펄스의 주파수 변환을 위해 광 공진기 내에 비선형 광소재를 제공하는 단계;
    상기 광 공진기 내에 상기 기본 주파수의 모드 락 레이저 펄스를 생성하는 단계;
    상기 비선형 광소재의 제 1 패스에서, 고조파 주파수의 제 1 펄스 및 상기 기본 주파수의 제 2 광 펄스를 형성하기 위해 고조파 주파수의 광 펄스를 생성하는 단계; 및
    상기 제 1 펄스 및 상기 제 2 펄스를 상기 비선형 광소재에 다시 커플링하기 전에, 상기 제 1 펄스 및 상기 제 2 펄스의 일시적, 공간적 또는 편광 오버랩을 적어도 부분적으로 감소시켜, 상기 비선형 광소재에서 간섭 효과를 감소키는 단계를 포함하는, 모드 락 레이저의 동작 방법.
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