JP4408246B2

JP4408246B2 - モード同期半導体レーザ

Info

Publication number: JP4408246B2
Application number: JP2004222501A
Authority: JP
Inventors: 和彦杉山; 雅之中原; 正雄北野; 吉剛岩城
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2004-07-29
Filing date: 2004-07-29
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-07-29
Also published as: JP2006041400A

Description

本発明は、半導体レーザ、特にモード同期半導体レーザに関する。

モード同期レーザはパルスレーザ光を発振することができるレーザである。レーザは通常、光を増幅する利得媒質と、共振器長がLの共振器を有する。この共振器の縦モードの共振周波数はc/2L（cは光速）の整数倍である。そして、レーザが発振するレーザ光のスペクトルの幅は非常に狭いが、そのスペクトル幅よりも共振器の共振周波数の間隔が狭いと、レーザ光は共振器において複数のモード（周波数）で共振する。この時、何らかの方法を用いて各モードの位相を揃える（モード同期）ことにより、周期T=2L/cでレーザ光が強められる。これにより、周期Tのパルスレーザ光が生成される。

図１に示すように、このモード同期レーザにより発振されるパルスレーザ光は、時間軸上に等しい時間間隔Tで並ぶと共に、周波数軸上に等しい周波数間隔1/Tで櫛状に並ぶ多数のモードの集合体となる。このように周波数軸上に櫛状に並ぶレーザ光の集合体は、「光周波数コム」と呼ばれる。光周波数コムは、その周波数間隔が等しいという性格を利用して、光の周波数の「物差し」として、光周波数計測に用いることができる。周波数間隔1/Tは上記のようにc/2Lで定められるため、これを用いて測定対象となる２つの光の周波数の差を求めることができる。また、何らかの方法で各モードの周波数の絶対値を定めることにより、測定対象となる光の周波数の絶対値を測定することができる。光周波数コムは、高精度の波長標準や周波数標準として用いることができ、あるいは、波長多重光通信における基準周波数として用いることができる。また、時間領域で見ると、モード同期レーザは、正確なパルス繰り返し周波数で発振する超短パルス光源であるため、測距技術に応用することができる。

従来より、モード同期レーザとして、例えば特許文献１に記載のモノリシック型モード同期半導体レーザや、特許文献２に記載の外部共振器型モード同期半導体レーザが知られている。
モノリシック型モード同期半導体レーザは図２に示すように、半導体チップの中に２つの光反射部から成るレーザ共振器を形成し、その光反射面の間に可飽和吸収層１１及び活性層１２を形成したものである。図２の例では、光反射部の一方はブラッグ反射体１３から成り、他方は可飽和吸収層１１の端面１１ａから成る。共振器長Lはブラッグ反射体１３と端面１１ａとの距離で定められる。可飽和吸収層１１は、光の強度が増大すると光吸収係数が減少するという非線形性を有するものである。従って、強度の弱い光は可飽和吸収層１１に吸収されやすく、強い光は可飽和吸収層１１を透過しやすいため、可飽和吸収層１１は光の強弱をより明瞭にする役割を果たす。活性層１２に電流を注入することにより発せられる光は、２つの光反射部の間を往復することによりc/2Lの整数倍の周波数を持つ光が共振により強められる。更に可飽和吸収層１１により位相の揃った複数のモードがより強められる。これにより、周波数領域でc/2Lの間隔で並ぶ複数のモードから成るパルスレーザ光が発振される。

外部共振器型モード同期半導体レーザは、通常の半導体レーザの外部に鏡を設けて共振器長Lの外部共振器を形成したものである。半導体レーザが発振したレーザ光は外部共振器に導入され、c/2Lの整数倍の周波数で共振する。このような外部共振器型モード同期半導体レーザにおいては、以下の２種類の方法によりモード同期をかけることができる。１つは、図３に示すように、半導体レーザ２１に注入する電流を外部共振器のモード間隔に等しい周波数で変調する変調回路２２を設けるものである。この構成では、距離がLだけ離れた半導体レーザの端面２３と半透鏡（ハーフミラー）２４の間でレーザ光を共振し、更に変調回路２２によりc/2Lの強度変調をかける。これにより、c/2Lの整数倍の周波数を持ち変調回路２２の電流と同じ位相を有する光が強められ、この光が更に外部共振器により強められる。この光は半透鏡２４から外部に出射される。

外部共振器型半導体レーザのもう１種類の構成は、図４に示すように、外部共振器の２つの反射面のうちの一方を可飽和吸収ミラー２５とするものである。この構成では、共振周波数c/2Lの整数倍の複数のモードであって位相の揃った光が可飽和吸収ミラー２５により相対的に強められ、それ以外の光は弱められる。こうして強められた光は半透鏡２６により外部共振器型半導体レーザの外部に取り出される。

また、パルスレーザ光を発振するレーザとして、例えば特許文献３に記載の自励発振型半導体レーザが知られている。自励発振型半導体レーザは、図５に示すように、活性層３２及び可飽和吸収層３３が半導体チップ３１の層間に組み込まれたものであり、上記モード同期半導体レーザよりも簡単な構造を有するため、低コストで製造することができる。但し、従来の自励発振型半導体レーザでは、モード同期はかけられない。上記モード同期半導体レーザが反射面の間の距離やレーザに注入される電流の周波数により定まる周波数でパルス発振するのに対して、従来の自励発振型半導体レーザではそれらとは無関係な周波数でパルス発振する。

特開平7-22694号公報（[0006]〜[0007], 図1）特開2003-264335号公報（[0014]〜[0018], 図1）特開平6-260716号公報（[0017], 図1）

モノリシック型モード同期半導体レーザは、微小な半導体チップに全ての構成要素を形成するために、複雑な微細加工を行わなければならない。そして、パルス繰り返し周波数は、半導体レーザのチップ長で決まるため所望の値に設定することが難しいという欠点を有する。変調回路を用いた外部共振器型モード同期半導体レーザは、注入電流を変調すると位相変調がかかるという問題がある。また、可飽和吸収ミラーを用いた外部共振器型モード同期半導体レーザは、可飽和吸収ミラーが特殊な部品であり高価であるという欠点を有する。

また、従来の自励発振型半導体レーザは、モード同期がかけられていないため、光周波数コムを生成することができず、上記光周波数計測に用いることができない。

本発明が解決しようとする課題は、モード同期をかけて光周波数コムを生成することができ、構造が簡単で安価なモード同期半導体レーザを提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明に係るモード同期半導体レーザは、
a) 周期τ₀でパルスレーザ光を発振する自励発振型半導体レーザと、
b) 前記自励発振型半導体レーザを挟む少なくとも2個の反射部を備えて閉光回路を構成し、該閉光回路の1周期の光路長2Lが(2L/c)<τ₀（cは光速）の関係を満たす外部共振器と、
c) 前記外部共振器から発振されるパルスレーザ光を検出する検出部と、
d) 前記検出部により検出されたパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数と基準周波数を比較する比較部と、
e) 前記比較部で比較した結果に基づき基準周波数に合わせるように、前記自励発振型半導体レーザに注入する電流の強度を調整することによりパルス繰り返し周波数を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする。

このような検出部、比較部及び調整部を備える構成を、以下では「フィードバック付モード同期半導体レーザ」と呼ぶ。

また、上記フィードバックをかける構成は、自励発振型半導体レーザを有するモード同期半導体レーザだけではなく、モード同期をかけない通常の自励発振型半導体レーザにも適用することができる。即ち、本発明に係るフィードバック付自励発振型半導体レーザは、
e) 自励発振型半導体レーザと、
f) 前記自励発振型半導体レーザから発振されるパルスレーザ光を検出する検出部と、
g) 前記検出部により検出されたパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数と基準周波数を比較する比較部と、
h) 前記比較部で比較した結果に基づき基準周波数に合わせるように、前記自励発振型半導体レーザに注入する電流の強度を調整することによりパルス繰り返し周波数を調整する調整部と、
を備えることを特徴とする。

発明の実施の形態及び効果

まず、自励発振型半導体レーザを用いたモード同期半導体レーザについて説明する。
本発明において、自励発振型半導体レーザは、上記のような従来のものを用いることができる。この自励発振型半導体レーザは、その構成により定まる周期でパルスレーザ光を発振する。その周期をτ₀とする。この自励発振型半導体レーザは、それ自体ではモード同期をかけることができない。

この自励発振型半導体レーザから発振されるパルスレーザ光を共振させる外部共振器を設ける。この外部共振器は、後述のようにモード同期をかけるために設けられる。この外部共振器の光路中に前記自励発振型半導体レーザを配置する。このような外部共振器は、典型的には２個の反射部から構成される。この場合、反射部の間の距離Lの2倍、即ち反射部の間を1往復する距離である2Lが、光路の１周期の長さとなる。また、外部共振器は３個以上の反射部から構成することもできる。光が３個以上の反射部に順次反射されて元の位置に戻るループを形成することにより、そのループの長さが光路の１周期の長さとなる。光路の１周期の長さ2Lは、(2L/c)<τ₀の関係を満たすようにする。その理由は後述する。

反射部は例えば通常のレーザ共振器の鏡を用いることができる。また、自励発振型半導体レーザの端面を劈開により形成することなどにより、この端面を反射部として用いることもできる。この場合、反射部のうちの１つを自励発振型半導体レーザとは別個に設ける必要がなく、部品の点数を削減することができる。

本発明のモード同期半導体レーザの動作を説明する。自励発振型半導体レーザからパルスレーザ光（モード同期はかかっていない）を発振する。このパルスレーザ光は外部共振器によりc/2Lの整数倍の周波数のモードが強められる。そして、このモードの光は自励発振型半導体レーザの可飽和吸収体により弱められることはなく、それ以外の波長の光は可飽和吸収体により弱められる。これによりモード同期がかけられ、周波数領域においてc/2Lの間隔で並ぶ特定の周波数のパルスレーザ光が得られる。また、その逆数である2L/cが時間領域におけるパルスの間隔、即ちパルス繰り返し周期となる。

ここで、自励発振型半導体レーザのパルスの周期τ₀が2L/cよりも短くなると、自励発振型半導体レーザに由来する周期τ₀によるパルス発振が生じ、モード同期によるパルス発振が生じない。そのため、光路の１周期の長さ2Lは、(2L/c)<τ₀の関係を満たすように定める。

本発明のモード同期半導体レーザは、従来のモノリシック型モード同期半導体レーザよりも構造が単純であり、また、可飽和吸収ミラー等の特殊な部品を使用する必要がない。また、半導体レーザ自体は従来の自励発振型半導体レーザを用いることができるうえ、反射部も通常の半導体レーザ装置で用いられる反射鏡を使用することができる。そのため、本発明のモード同期半導体レーザは構造が簡単で、且つ安価で製造することができる。このような構造が簡単で安価なモード同期半導体レーザにより光周波数コムを生成することができ、それにより光周波数計測装置を安価で製造することができる。

次に、自励発振型半導体レーザを用いたフィードバック付モード同期半導体レーザについて説明する。
本発明のモード同期半導体レーザでは、装置の熱や振動の影響、あるいは自励発振型半導体レーザに注入される電流の揺らぎにより、パルスレーザ光のパルス繰り返し周波数に揺らぎが生じる。この揺らぎは、周波数領域で見た光周波数コムの１本１本の櫛の間隔が変動する原因となる。そこで、検出部によりパルスレーザ光を検出し、比較部においてこのパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数と、基準となる周波数（基準周波数）を比較し、その結果に基づき、調整部において基準周波数に合わせるようにパルス繰り返し周波数を調整する。即ち、検出されたパルスレーザ光をフィードバックして該パルスレーザ光のパルス繰り返し周波数を修正する。

ここで、基準周波数は、原子時計等の基準発振器から得ることができる。また、上記調整部には、例えば距離Lを調整するものを用いることができる。外部共振器の反射部の位置を調整することにより、距離Lを調整することができる。距離Lが長くなるほどパルス繰り返し周波数が小さくなるため、比較部における比較の結果、基準周波数よりもパルス繰り返し周波数が大きい／小さい場合には調整部はLがそれまでよりも長く／短くなるように調整する。Lの大きさを波長のオーダー程度で細かく調整できるという点と、電気信号により短い応答時間で動作することができるという点で、反射部の移動機構にはピエゾ素子を好適に用いることができる。

また、上記自励発振型半導体レーザを用いたモード同期半導体レーザでは、電流の強度が大きくなるとパルス繰り返し周波数は大きくなる。これを利用して、上記調整部には、自励発振型半導体レーザに注入する電流の強度を調整するものを用いることもできる。即ち、比較部における比較の結果、基準周波数よりもパルス繰り返し周波数が大きい／小さい場合には注入電流の強度を小さく／大きくする。

パルス繰り返し周波数の揺らぎのうち、機械的な振動等に起因する遅い揺らぎに対しては距離Lを調整することにより対処し、電気的な揺らぎ等に起因する速い揺らぎに対しては、自励発振型半導体レーザに注入する電流の強度を調整することにより対処することが望ましい。

このようにフィードバックを行うことにより、パルス繰り返し周波数を安定化することができると共に、光周波数コムの櫛の間隔の変動を小さくすることができる。そのため、本発明の自励発振型半導体レーザを用いたモード同期半導体レーザを光周波数計測により好適に適用することができる。

更に、上記のようなフィードバックを行うことは、上記モード同期半導体レーザに限らず、モード同期のかからない自励発振型半導体レーザに適用することもできる。即ち、自励発振型半導体レーザが発振するパルスレーザ光を検出部により検出し、そのパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数と基準周波数を比較部において比較した結果に基づき、調整部において基準周波数に合わせるようにパルス繰り返し周波数を調整する。この調整部として、自励発振型半導体レーザに注入する電流の強度を調整するものを設ければよい。検出部及び比較部には上記と同様のものを用いることができる。

本発明に係るモード同期半導体レーザの第１の実施例を、図６を用いて説明する。
図６は、第１実施例のモード同期半導体レーザの概略構成図である。自励発振型半導体レーザ素子４１は、図５に示すものと同じものである。なお、自励発振型半導体レーザ素子４１は図５に示すものには限られず、例えば特許文献３に記載のように図５の構成から変形されたものであってもよい。自励発振型半導体レーザ素子４１には、電流を注入するための直流電源４２が接続される。これらから形成される自励発振型半導体レーザは、それ自体がパルス繰り返し周期τ₀のパルスレーザ光を端面４３１から発振することができるものである。端面４３１に対向する端面４３２の内側には、パルスレーザ光を反射する反射面を形成する。端面４３１から発振されるパルスレーザ光の光路上に、半透鏡（ハーフミラー）４４を設ける。半透鏡４４は入射する光の一部を透過し、一部を反射するものである。この光路上には、自励発振型半導体レーザ素子４１から発振される光を平行光にし、半透鏡４４において反射される光を自励発振型半導体レーザ素子４１の端面４３１に収束されるためのコリメータレンズ４５を設ける。また、端面４３２と半透鏡４４の間の距離Lは、τ₀c/2よりも小さくなるように設定する。

第１実施例のモード同期半導体レーザの動作を説明する。直流電源４２から自励発振型半導体レーザ素子４１に直流電流を注入する。これにより、自励発振型半導体レーザ素子４１は自励発振によりパルス繰り返し周期τ₀のパルスレーザ光を発振する。このパルスレーザ光は端面４３１からコリメータレンズ４５を経て、半透鏡４４に達する。半透鏡４４は、パルスレーザ光の一部を透過し、残りを反射する。ここで反射されたパルスレーザ光は、コリメータレンズ４５を経て自励発振型半導体レーザ素子４１に入射し、更に端面４３２において反射される。こうして、パルスレーザ光の光の一部が端面４３２と半透鏡４４の間を繰り返し往復する間に、c/2Lの整数倍の周波数の光が干渉により増幅される。そして、自励発振型半導体レーザ素子４１中の可飽和吸収層３３により、この増幅された周波数の光の強度が他の周波数の光よりも相対的に強められる。これにより、c/2Lの周波数間隔でモード同期のかけられたパルスレーザ光が生成され、このパルスレーザ光が半透鏡４４から外部に発振される。

本発明のモード同期半導体レーザの第２の実施例を、図７を用いて説明する。この第２実施例は、フィードバック制御を行うモード同期半導体レーザに関する。

図７(a)及び(b)は、第２実施例のモード同期半導体レーザの概略構成図である。第１実施例と同じ構成要素には図６と同じ符号を付している。第１実施例と同様に、自励発振型半導体レーザ素子４１、直流電源４２，半透鏡４４、コリメータレンズ４５を設ける。自励発振型半導体レーザ素子４１の構成も第１実施例と同様である。

第２実施例では、半透鏡４４から出射されるパルスレーザ光の光路上に、光を検出して電気信号に変換する光検出器５１を設ける。光検出器５１からの電気信号を増幅する増幅器５２を光検出器５１に接続する。また、増幅器５２と、原子時計等から成り基準となる周波数の電気信号を発振する基準発振器５３を位相比較器５４に接続する。位相比較器５４は、増幅器５２と基準発振器５３からのそれぞれの電気信号の位相を比較し、パルスレーザ光と基準発振器５３の信号の周波数のずれを位相のずれとして検出するものである。この周波数のずれに対応し、調整部の駆動信号となる電圧信号を発振するドライバ５５を位相比較器５４に接続する。なお、位相比較器５４の代わりに、パルスレーザ光と基準発振器５３の信号の周波数のずれを直接検出する周波数比較器を用いてもよい。

そして、調整部として、図７(a)では、ドライバ５５からの駆動信号に応じて、パルスレーザ光の光路に略平行に半透鏡４４を移動させる駆動手段５６を設ける。この駆動手段５６は、ピエゾ素子を用いて構成することができる。一方、図７(b)では、ドライバ５５からの駆動信号に応じて、直流電源４２１から自励発振型半導体レーザ素子４１に注入される電流の強度を調整する。

第２実施例のモード同期半導体レーザでは、半透鏡４４から発振されるパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数と基準発振器５３の周波数のずれを位相比較器５４において検出し、その結果に応じて半透鏡４４の位置又は直流電源４２１の電流の強度を調整することにより、パルス繰り返し周波数の変動を抑えることができる。これにより、光周波数コムの櫛の間隔の変動を小さくすることができる。

図８に、図６及び図７(b)のモード同期半導体レーザにより得られたパルス繰り返し周波数のスペクトルを示す。図８の左側にある３つのグラフは、図７(b)のフィードバック制御を行ったモード同期半導体レーザにより得られたデータであり、図８の右側にある３つのグラフは、図６のフィードバック制御を行わないモード同期半導体レーザにより得られたデータである。また、(a)〜(c)はいずれも同じデータについて、横軸、即ち周波数の測定範囲を1MHz, 10MHz, 100MHzとしたものである。このデータより、フィードバック制御を行うことにより、パルス繰り返し周波数のスペクトルを狭くする、即ちパルス繰り返し周波数の変動を抑えることができることがわかる。

本発明のモード同期半導体レーザの第３の実施例を、図９を用いて説明する。この第３実施例は、第１実施例のモード同期半導体レーザの外部共振器を、４個の反射器６１〜６４から成る外部共振器に置き換えたものである。自励発振型半導体レーザの構成は第１実施例のものと同様である。図中に破線で示すように反射器６１〜６４を頂点とする四角形のループの長さ2Lは(2L/c)<τ₀の関係を満たすように設定する。第３実施例では、自励発振型半導体レーザ素子４１から発振されるパルスレーザ光が外部共振器のループを周回することによりc/2Lの整数倍の周波数の光が干渉により増幅され、自励発振型半導体レーザ素子４１中の可飽和吸収層３３により、この増幅された周波数の光の強度が他の周波数の光よりも相対的に強められる。これにより、c/2Lの周波数間隔でモード同期のかけられたパルスレーザ光が生成される。このパルスレーザ光は、例えば反射器のうちの１個を半透鏡とすることにより、外部共振器の外に取り出すことができる。

モード同期レーザにより発振されるパルスレーザ光を説明するための図。従来技術であるモノリシック型モード同期半導体レーザの一例を示す断面図。従来技術である、外部変調によりモード同期をかける外部共振器型半導体レーザの一例を示す概略構成図。従来技術である、可飽和吸収ミラーによりモード同期をかける外部共振器型半導体レーザの一例を示す概略構成図。従来技術である自励発振型半導体レーザの一例を示す断面図。本発明の第１の実施例であるモード同期半導体レーザの概略構成図。本発明の第２の実施例であるモード同期半導体レーザの概略構成図。第１実施例及び第２実施例のモード同期半導体レーザにより得られたパルス繰り返し周波数のスペクトル。本発明の第３の実施例であるモード同期半導体レーザの概略構成図。

符号の説明

１１、３３…可飽和吸収層
１２、３２…活性層
１３…ブラッグ反射体
２１…半導体レーザ
２２…変調回路
２４、２６、４４…半透鏡
２５…可飽和吸収ミラー
３１…半導体チップ
４１…自励発振型半導体レーザ素子
４２、４２１…直流電源
４５…コリメータレンズ
５１…光検出器
５２…増幅器
５３…基準発振器
５４…位相比較器
５５…ドライバ
５６…駆動手段
６１、６２、６３、６４…反射器

Claims

a) 周期τ₀でパルスレーザ光を発振する自励発振型半導体レーザと、
b) 前記自励発振型半導体レーザを挟む少なくとも2個の反射部を備えて閉光回路を構成し、該閉光回路の1周期の光路長2Lが(2L/c)<τ₀（cは光速）の関係を満たす外部共振器と、
c) 前記外部共振器から発振されるパルスレーザ光を検出する検出部と、
d) 前記検出部により検出されたパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数と基準周波数を比較する比較部と、
e) 前記比較部で比較した結果に基づき基準周波数に合わせるように、前記自励発振型半導体レーザに注入する電流の強度を調整することによりパルス繰り返し周波数を調整する調整部と、
を備えることを特徴とするモード同期半導体レーザ。
a) 自励発振型半導体レーザと、
b) 前記自励発振型半導体レーザから発振されるパルスレーザ光を検出する検出部と、
c) 前記検出部により検出されたパルスレーザ光のパルス繰り返し周波数と基準周波数を比較する比較部と、
d) 前記比較部で比較した結果に基づき基準周波数に合わせるように、前記自励発振型半導体レーザに注入する電流の強度を調整することによりパルス繰り返し周波数を調整する調整部と、
を備えることを特徴とするフィードバック付自励発振型半導体レーザ。