JP3677208B2 - セルフハイブリッドモード同期によるレーザーからのパルス発生方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セルフハイブリッド（self-hybrid）モード同期によってレーザーからパルスを発生する方法に関するものであり、特に、一般の半導体レーザーを用い、可飽和吸収体を必要としない、適当なＤＣバイアス電流及びＲＦ変調信号を加えたセルフハイブリッドモード同期によるパルス発生に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、短パルスレーザーは、通信や、化学反応、物理変化、及び距離の測定に実用化されており、産業界及び研究界において短パルスレーザー技術への関心が高まっている。
レーザーから短パルスを発生する従来の方法には、利得スイッチ（又はＱ−スイッチ）法及びモード同期法があった。モード同期法はさらに、能動モード同期、受動モード同期、ハイブリッドモード同期（hybrid mode-locking）に分類される。利得スイッチ法と比較して、モード同期法はより短いパルスを発生することができる。
図１は、従来の能動モード同期法で用いられる順次パルス図（sequential pulse diagram）である。ここでは、無線変調信号とパルスとの繰り返し周波数（repetition frequency）は同じである。変調（信号）ピークで半導体レーザーの利得からパルスが放出し、ミラーによって半導体レーザーの利得へ反射するとき、パルスレーザーと変調信号とのピークが一致する。レーザーは、何度か共振した後、短パルスを発生する。
能動モード同期法では、タイミングジッターが最小であるパルスを発生することができる。反対に、受動モード同期法では、最短パルスを発生することができる。一方、ハイブリッドモード同期法は上述した両者の長所を備えており、タイミングジッターの小さい短パルスを発生することができる。
しかしながら、ハイブリッドモード同期法には、ハイブリッドモード同期型のパルスをうまく発生するために、特別で複雑な可飽和吸収体の設計が必要であるといった欠点がある。ハイブリッドモード同期法で用いられる典型的な装置は、多段で多電極のものである。このため、ハイブリッドモード同期法は他の方法よりもより複雑である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
以上により、本発明は、上述の問題を解決するため、セルフハイブリッド（self-hybrid）モード同期法という新規のモード同期法を導入することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するため、本発明は、半導体レーザーとしてスーパールミネッセンスダイオードによるレーザーに利用できるセルフハイブリッドモード同期によりレーザーからパルスを発生する方法を提供する。本方法は、（１）ＤＣバイアス電流（DC bias current）を半導体レーザーに加える工程（ＤＣバイアス電流は半導体レーザーのしきい値電流よりも大きい）と、（２）ＲＦ変調信号（radio frequency modulation signal）を半導体レーザーに加える工程（ＲＦ変調（信号）電流は、ＤＣバイアス電流と半導体レーザーの透過電流（transparent current）との差よりも大きい）とからなる。
ＲＦ変調信号が利得ピークであるとき、半導体レーザーはパルスを放出する。さらに、ＲＦ変調信号が最低値であるときも、半導体レーザーはパルスを放出する。
以上により、本発明は、単一電極を備えたスーパールミネッセンスダイオードによるレーザーを用い、可飽和吸収体を必要としないハイブリッドモード同期によってレーザーからパルスを放出する方法を導入する。したがって、以下、本方法をセルフハイブリッドモード同期法と称する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
上述した本発明の目的、特徴、及び長所をより一層明瞭にするため、以下に本発明の好ましい実施の形態を挙げ、図を参照にしながらさらに詳しく説明する。 図２（Ａ）は、本発明の好ましい具体例であるセルフハイブリッドモード同期法によりパルスを発生するレーザーキャビティ（laser cavity）１０の構造図である。レーザーキャビティ１０は、スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０、複数のコリメーター３０、光回折格子（optical grating）４０、及び出力カップラー（output coupler）５０からなる。
図２（Ａ）（Ｂ）では、本発明の好ましい具体例である利得素子（gain device）が、斜めにうねった導波管（５４０μｍ）２２を備えるスーパールミネッセントダイオード／増幅器２０であることを示している。そのうち、導波管２２とスーパールミネッセントダイオード／増幅器２０の側表面との射角は７°である。傾斜した導波管により側表面の反射率が１００万分のいくつか低下するため、本具体例において、導波管２２はいかなる反射防止膜も必要としない。スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０から放出するレーザー光は、開口数が０．５５であるコリメーターレンズにより平行光を形成する。１２００スリット／ｍｍの鍍金した光回折格子４０により、ある一定の波長の光はスーパールミネッセントダイオード／増幅器２０へ反射する。光回折格子４０は、ある一定の波長の光をスーパールミネッセントダイオード／増幅器２０に反射し、帯域幅を効果的に制限するのに用いられる。スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０から放出するレーザー光は、出力カップラー５０に再び入る。出力カップラー５０における反射率と透過率の比は５０／５０である。本発明の好ましい具体例において、レーザーキャビティは、焦点が５０ｍｍである２つのレンズ６０ａ、６０ｂをさらに含む。レーザー光は、レンズ６０ａによって出力カップラー５０に収束された後、半分は出力カップラー５０から反射し、残りの半分は出力カップラー５０に送られる。反射した光はレンズ６０ａによって平行になりスーパールミネッセントにぶつかる。送られた光はレンズ６０ｂによって平行になりレーザーキャビティ１０から出ていく。
本発明の好ましい具体例では、スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０と出力カップラー５０との間の距離は、スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０と光回折格子４０との間の距離に等しい（つまり、ｌＬ＝ｌＲ）。この距離は、ＲＦ変調周波数によって調整される。２つのアームの一周周波数（round-trip frequency）はそれぞれ８０３ＭＨｚであり、レーザーキャビティ１０の一周周波数は４０１．５ＭＨｚである。
【０００６】
図３は、本発明の技術を示している。本発明の好ましい具体例では、ＤＣバイアス電流は従来の電力源又は電流源で供給され、ＲＦ変調電流は従来の関数発生器で与えられる。図３において、ＤＣバイアス電流はしきい値電流よりも大きく、透過電流はしきい値電流よりも小さい（つまり、Ｉｄｃ＞Ｉｔｈ＞Ｉｔｒ）。 さらに、ＲＦ変調電流は、ＤＣバイアス電流と透過電流との差よりも大きい（つまり、Ｉｍｏｄ＞Ｉｄｃ−Ｉｔｒ）。
本発明の好ましい具体例では、波長が８３０ｎｍであるとき、透過電流は３６ｍＡであり、しきい値電流は５０ｍＡである。ＤＣバイアス電流が６６ｍＡ加えられたとき、ＤＣバイアス電流と透過電流との差は３０ｍＡであり、変調電流は３０ｍＡ以上となる。
【０００７】
図４は、本発明のセルフハイブリッドモード同期法で用いられる順次パルス図である。この図において、ＲＦ変調信号は周期正弦波（period sinusoid wave）である。本具体例では、順次パルスが０であるとき、第１パルスレーザーが、能動モード同期法により形成されるものと同様に放出される。スーパールミネッセントダイオード／増幅器のＤＣバイアス電流はしきい値電流よりも大きいとともに、ＲＦ変調信号が加えられる。ＲＦ変調信号の周波数は８０３ＭＨｚであり、各アームの周波数に等しい。変調電流がＤＣバイアス電流よりも大きい場合、スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０は、ＲＦ変調信号の利得ピークで第１パルスレーザーを放出する。
本具体例では、ＤＣバイアス電流はしきい値電流よりも大きく、ＲＦ変調電流は、ＤＣバイアス電流と透過電流との差よりも大きい。そして、この素子はＲＦ変調電流が谷であるとき、透過電流より小さな電流でバイアスされる。
それと同時に、スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０は、飽和するまでチャージされ、従来の受動モード同期飽和吸収体として振舞う。
光回折格子（ optical grating ）４０で反射される予め決められた周波数のパルスは、スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０では吸収されず、第２のパルスを形成して、スーパールミネッセントダイオード／増幅器２０を通過する。
【０００８】
図５は、自己相関トレースの半値全幅（ＦＷＨＭ）対ＲＦ変調力（radio frequency modulation power）を示す図である。ＤＣバイアス電流が６６ｍＡであるとき、変調力は−７ｄＢｍから−３ｄＢｍに減少し、自己相関トレースのＦＷＨＭは２９ｐｓから１５ｐｓに減少する。ＤＣバイアス電流が７２ｍＡであるとき、変調力は−５ｄＢｍから０ｄＢｍに増加し、自己相関トレースのＦＷＨＭは２６ｐｓから１６ｐｓに減少する。好ましいＲＦ変調力は、ＤＣバイアス電流の変化に従って変わる。
【０００９】
図６は、本発明の好ましい具体例である自己相関トレースのＦＷＨＭを示す図である。ＲＦ変調力が−８ｄＢｍ以下であるとき、能動モード同期法によってパルスレーザーが放出し、自己相関トレースのＦＷＨＭは３４．１６ｐｓである。ＲＦ変調力が−８ｄＢｍ以上であるとき、能動モード同期法によって放出したパルスレーザーはセルフハイブリッドモード同期法によって放出するパルスレーザーに変換する。ＲＦ変調力が０ｄＢｍであるとき、自己相関トレースのＦＷＨＭは１４．２９ｐｓである。ＲＦ変調電流がＤＣバイアス電流と透過電流との差よりも大きいとき、本具体例における自己相関トレースのＦＷＨＭは、能動モード同期法による従来のＦＷＨＭよりも狭い。
【００１０】
図７は、本発明の順次パルス図であり、そのうち、変調信号は周期非正弦波である。セルフハイブリッドモード同期法におけるＲＦ変調周波数がパルスレーザーの周波数の３分の１であるとき、キャビティもパルスを放出することができる。したがって、ＲＦ変調周波数がパルスレーザーの周波数のｎ分の１である場合、キャビティもパルスを放出することができる（ｎは１以上の整数である）。図４及び図７によるとＲＦ変調信号は周期波であり、この周期波は周期正弦波、周期パルス波（period pulse wave）、又は周期非正弦波（period non-sinusoid wave）である。
【００１１】
本発明において、セルフハイブリッドモード同期法は、能動モード同期法及び受動モード同期法の両方に類似している。セルフハイブリッドモード同期法と能動モード同期法との違いはＤＣバイアス電流とＲＦ変調周波数であり、受動モード同期法との違いは可飽和吸収体を必要としないことである。
本発明において、セルフハイブリッドモード同期法のＲＦ変調周波数はパルスレーザーの繰り返し率のｎ分の１であり、ｎは１以上の整数である。ダイオード増幅器の変調電流が利得ピークであるとき、パルスレーザーがダイオード増幅器から放出し、レーザーキャビティのアームの一方に戻る。パルスレーザーがダイオード増幅器に到達したとき、ダイオード増幅器の変調電流は最低値である。変調電流はＤＣバイアス電流と透過電流との差よりも大きいため、ダイオード増幅器は可飽和吸収体としての機能に変換する。ＲＦ変調信号が利得ピークであるとき、能動モード同期法と同様の方法により、ダイオード増幅器はパルスを放出する。ＲＦ変調信号が最低値であるとき、受動モード同期法と同様の方法により、ダイオード増幅器はパルスレーザーを放出する。したがって、能動モード同期法と受動モード同期法との特徴を有するセルフハイブリッドモード同期法により、短パルスでタイミングジッターの小さいレーザーを発生することができる。
また、セルフハイブリッドモード同期法は、表面放出レーザー（surface emitting laser）やエッジ放出レーザー（edge emitting laser）など、単一電極のレーザーダイオードに用いることもでき、可飽和吸収体を必要としない。セルフハイブリッドモード同期法は単一電極のレーザーダイオードにより達成することができるため、本発明は電線を減少することができる。さらに、レーザーキャビティの形は線型又はアーチ型であり、レーザーキャビティの型は、外部キャビティ型（external cavity type）レーザーキャビティ又はモノリシック集積型（monolithically integrated type）レーザーキャビティのいずれかを用いることができる。
本発明では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲内で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲で指定した内容を基準とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の能動モード同期法で用いられる順次パルス図である。
【図２】 （Ａ）は本発明の好ましい具体例であるセルフハイブリッドモード同期によりレーザーからパルスを発生するレーザーキャビティの構造図、（Ｂ）は（Ａ）におけるスーパールミネッセントダイオード／増幅器の側面図である。
【図３】 本発明の技術を示す図である。
【図４】 本発明のセルフハイブリッドモード同期法で用いられる順次パルス図である。
【図５】 自己相関トレースの半値全幅対ＲＦ変調力を示す図である。
【図６】 本発明の好ましい具体例である自己相関トレースの半値全幅を示す図である。
【図７】 本発明の順次パルス図である。そのうち、変調信号は周期非正弦波である。
【符号の説明】
１０ レーザーキャビティ
２０ スーパールミネッセントダイオード／増幅器
３０ コリメーター
４０ 光回折格子
５０ 出力カップラー
６０ａ、６０ｂ レンズ

Claims (6)

1. スーパールミネッセンスダイオードとレーザーキャビティを使用してレーザーからのパルスを発生する方法であって、
   スーパールミネッセンスダイオードにＤＣバイアス電流を供給する工程において、しきい値電流よりも大きいＤＣバイアス電流を前記スーパールミネッセンスダイオードに加え、
   ＲＦ変調信号を前記スーパールミネッセンスダイオードに加える工程において、スーパールミネッセンスダイオードはレーザーキャビティ内で反射して往復動するレーザー光に対し、前記スーパールミネッセンスダイオードは前記ＲＦ変調信号が利得ピークのときにパルスを放出し、
   ＲＦの変調電流は前記ＤＣバイアス電流と前記スーパールミネッセンスダイオードの透過電流との差よりも大きく、ＲＦの変調電流が最低値のときに、スーパールミネッセンスダイオードは可飽和吸収体としての機能してパルスを放出することを特徴とするセルフハイブリッドモード同期によりレザーからパルスを発生する方法。
2. ＲＦ変調周波数は、利得ピークのときと最低値のときにレーザーキャビティから発するパルスの繰り返し率のｎ分の１であり、ｎは１以上の整数である請求項１に記載の方法。
3. 前記ＲＦ変調信号は周期波である、請求項１に記載の方法。
4. 前記ＲＦ変調振動は周期正弦波である、請求項３に記載の方法。
5. 前記ＲＦ変調信号は周期パルス波である、請求項３に記載の方法。
6. 前記ＲＦ変調信号は周期非正弦波である、請求項３に記載の方法。

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