JPH04148578A

JPH04148578A - 短パルス発生用レーザ装置

Info

Publication number: JPH04148578A
Application number: JP27236890A
Authority: JP
Inventors: Kimitaka Watabe; 仁貴渡部; Hidetoshi Iwamura; 岩村　英俊; Yoshihisa Yamamoto; 喜久山本; Bunhin Shiyou; 蒋　文斌
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: NTT Inc
Priority date: 1990-10-12
Filing date: 1990-10-12
Publication date: 1992-05-21
Anticipated expiration: 2011-06-26
Also published as: JP2510348B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は通信、情報処理、高速の計測において、短パル
スを発生する半導体レーザ装置に関するものである。

ここで、短パルスとはパルス幅が１０−　’　”　秒領
域以下のパルスのことである。

（従来の技術および発明が解決しようとする課題）従来
の半導体レーザを用いた光パルス発生は、半導体レーザ
単体を用いるもの（イ）、外部共振器の中に無反射コー
トを端面に施した半導体レーザを増幅媒質として入れた
もの（ロ）に分けられる。

（イ）従来のこの方式では、電流パルスで半導体レーザ
を励起する。パルスの電流振幅が発振閾値電流より大き
くなった時に発光し、電流振幅が小さくなった時に発光
が止まることによって光パルスを形成する。しかしなが
ら、光パルス幅は、電流パルス幅によって決定されるの
で、１０−　”秒領域のパルスしか得られていない。ま
た、半導体レーザの電極を分割し、反転分布を形成する
増幅媒質部分、反転分布を形成しない可飽和吸収媒質部
分に分け、増幅媒質部分を連続注入励起し、可飽和吸収
媒質の作用で受動モード同期（注１参照）をかけること
によってパルスを発生させようとする試みもある。

注１　受動モード同期第５図に示すように、利得が損失を越えるところにパル
スが発生する。可飽和吸収媒質は、利得曲線に対して、
このような損失曲線を持つものである。またそのような
振舞いを受動モード同期がかかったという。

しかしながら、このような系では、光パルスの繰り返し
時間（約１０−”秒）が利得や吸収の回復時間よりも短
いので、モード同期がかかりにくい欠点があった。

（ロ）従来のこの方式では、片面反射防止膜、片面高反
射膜コートした半導体レーザを一つの終端反射器として
構成した共振器を用いるもの（第４図参照）と、両面反
射防止膜コートした半導体レーザと別の二つのミラーで
共振器を構成したものがあった。これを、共振器の光の
往復時間に同期した電流パルスで励起して、短パルスを
発生させるか、または半導体レーザ中に可飽和吸収帯を
設け、受動モード同期により短パルスを発生させていた
。パルス幅は、それぞれ１０−１秒、ＩＱ−１を秒程度
である。また平均光出力は数ＩＩ−である。このように
、色素レーザや固体レーザに比べて、平均光出力も小さ
（、またパルス幅も狭くならないのは、主に次に列挙す
る理由によっていた。

（１）半導体レーザの発振モードのスポットサイズは端
面で小さ（、このため、端面が高出力に耐えられない。

（２）構造的要因から反射防止膜をコーティングするこ
とが難しく、複合共振器として動作し、このため、安定
したパルスが得にくい。

（３）発振モードのスポットサイズが小さく、外部共振
器のモードと半導体レーザの内部モードの結合効率が悪
い。

（４）活性領域が数百ミクロンと長く分布しているので
、半導体レーザ増幅媒質自体の能動的なファブリペロ−
効果により、モード同期の効率が落ちる。

（課題を解決するための手段）前記課題を解決するために、本発明は、結晶成長方向に
発光する面発光半導体レーザを増幅媒質として外部共振
器内に配置しく第６図参照）、モード同期をかけること
によって、高平均出力（１０１１１−以上）の短パルス
（幅がｔＱ−１２秒以下）を発生できることを特徴とす
る面発光半導体レーザが、前記課題を解決できる理由を
、以下に列挙する。

（１）面発光半導体は、発光領域の面積が大きいので、
通常の端面発光半導体レーザと同じ出力密度でも、大き
な出力が得られる。

（２）発光領域の面積が大きいので、反射防止膜コーテ
ィングが容易である。また斜め研磨も容易であるので、
複合共振器としての動作をさらに抑圧できる。

（３）発光領域の面積が大きいので、外部共振器モード
との結合効率が高い。

（４）活性領域幅が充分短いので、半導体レーザ増幅媒
質自体の能動的なファプリベロー効果が抑圧できる。

本発明には、前記の特徴以外に、以下に示される特徴も
持つ。

（１）半導体レーザ媒質は、空間的にＧａｕｓｓｉａｎ
分布をしたポンプ光で励起されるので、ポンプ光の中心
部分は、増幅媒質として作動し、ポンプ光の周辺部分で
は、可飽和吸収媒質として作動する。このため、外部共
振器に別の可飽和吸収媒質を入れなくても、受動モード
同期がかかるので、系が簡単になる。

（２）発光波長は、半導体基板の吸収端波長に近く、し
かも透明領域に設定できる。また通常の半導体レーザと
異なり、共振器内の光ピークパワーが高いので、半導体
基板の３次の非線形に自己位相変調が大きく、ソリトン
効果（注２参照）によってパルス圧縮することができる
。

注２　ソリトン効果通常、光パルスは３次の非線形媒質（ここでは半導体）
を伝搬する際、第８図（ａ）に示すように、３次の非線
形によって先端部分では長い波長に、尻尾部分では短い
波長になるような変調を受ける。

長い波長の部分は、短い波長の部分より遅く進むので、
安定な伝搬が得られない、しかしながら、パルス幅が充
分狭くなると、３次の非線形とそれにつりあう負の分散
によって、安定な伝搬特性をもつパルス、すなわち第８
図（ｂ）に示すようなソリトンが形成される。またその
ような過程をソリトン効果と呼ぶ。

（３）半導体レーザの発光波長は、半導体混晶の組成を
変えてバンドギャップをシフトすることにより可変にで
きる。従って、面発光半導体レーザ媒質の組成を面内で
変えておけば、発光領域がスライドすることにより、広
範囲に発振波長を変えることができる（第７図参照）。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

実ＪＩＬＬ第１図（ａ）は、本発明の第１の実施例を示し、レーザ
光に対して反射するミラーと面発光半導体レーザ媒質の
片側に金コートした反射ミラーを終端反射器として共振
器を構成したレーザ装置の構成図である。

第１図（ａ）において、１は光アイソレータであって、
反射されたポンプ光がポンプ光レーザ装置に入らないよ
うにしている。２はポンプ光であって、モード同期によ
ってパルス光になっている。３はグイクロイックミラー
であって、ポンプ光を反射し、信号光を透過させるもの
である。４はポンプ光に対し透過し、レーザ光に対し反
射する終端反射器、５は片面に反射防止膜、片面に金コ
ートされた増幅媒質用半導体であって、４と５の金コー
トされた面によって外部共振器を形成している。

６はレンズであって、光を増幅媒質５に集光している。

７は出力光である。

以上のような系で、ポンプ発生装置としてモード同期Ｎ
ｄ　Ｙａｇレーザ（発光波長１６３２ミクロン）、半導
体レーザ媒質として１．５５ミクロンに吸収端波長を持
つ多重量子井戸１ｎＧａＡｓ半導体（ウェル層厚１５ｎ
ｍ、全井戸層数２００　、ＩｎＰバリア層厚？、５ｎｓ
）を用いて得られた結果は、以下の通りである。

（１）　　２（）０＋ｅＷの平均出力（〉数ｍＷ）　、
すなわち約２０％の量子効率（第９図参照）（２）安定なモード同期パルス（繰り返し１００ＭＨｚ
）（第１０図参照）第１０図は、出力パルス光波形が安定であることを示し
ている。ただし、実際には出力パルス光幅は約７００ｆ
ｓであるが、受光素子の性能限界のため見かけ上、約１
００ｐｓとなっている。

（３）　　３０ｎｍの螢光スペクトル幅（第１１図参照
）３０ｎｍの螢光スペクトル幅を持つということは、１
０−”ＳＮ域のパルスが得られる可能性を示している。

なお、増幅媒質用半導体５の片端面には、反射防止膜が
施されているが、さらに斜め研磨し、傾斜端面とするこ
とにより、増幅媒質用半導体５の共振器長で規定される
ファブリペローモードを精度良く完全に抑制することが
できる。この反射防止膜を有する端面を傾斜端面とする
構造は、以下に述べる他の実施例においても当然有効で
あることは言うまでもない。

１蓋１１第１図（ｂ）は、本発明の第２の実施例を示し、面発光
半導体をレーザ媒質とし、レーザ光に対して反射するミ
ラー二つを、終端反射器として共振器を構成したレーザ
装置の構成図である。

第１図（ｂ）において、終端反射器８はポンプ光に対し
透過し、レーザ光に対し反射する終端反射器であって、
終端反射器４と組になって外部共振器を形成している。

９は両面に反射防止膜コートされた増幅媒質用半導体で
ある。１０と１１はレンズであって、光を増幅媒質に集
光している。１２はポンプ透過光である。

裏旌■１第２図（ａ）は、本発明の第３の実施例を示し、レーザ
光に対して反射するミラーと面発光半導体レーザ媒質の
片側に金コートした反射ミラーを終端反射器として共振
器を構成し、その光軸内に可飽和吸収媒質としての別の
半導体装置されているレーザ装置の構成図である。

第２図（ａ）において、１３はポンプ光に対し透過し、
レーザ光に対し反射するミラーであって、ポンプ光が可
飽和吸収媒質１５に光があたらないようにしている。１
４は終端反射器であって、増幅媒質用半導体５の金コー
トされた面と組になって、外部共振器を形成している。

１６と１７はレンズであって、パルス幅を短くする作用
を持つ可飽和吸収媒質１５に光を集光している。

１旌班土第２図（ｂ）は、本発明の第４の実施例を示し、面発光
半導体をレーザ媒質とし、レーザ光に対して反射するミ
ラー二つを、終端反射器として共振器を構成し、その光
軸内に可飽和吸収媒質としての別の半導体装置されてい
るレーザ装置の構成図である。

第２図（ｂ）において、４と１４は終端反射器であって
、外部共振器を形成している。１８と１９はカーブミラ
ーであって、光を増幅媒質９に集光している。

また１９はポンプ光に対し透過し、レーザ光に対し反射
するミラーであって、ポンプ光を可飽和吸収媒質１５に
あたらないようにしている。２０と２１はカーブミラー
であって、光を可飽和吸収媒質１５に集光している。

１隻尉ｉ第３図（ａ）は、本発明の第５の実施例を示し、レーザ
光に対して反射するミラーと面発光半導体レーザ媒質の
片側に金コートした反射ミラーを終端反射器として共振
器を構成し、その光軸内に可飽和吸収媒質としての別の
半導体とソリトン効果を生じさせるためのプリズムが配
置されているレーザ装置の構成図である。

第３図（ａ）において、１４は終端反射器であって、増
幅媒質用半導体５の金コートされた面と組になって、外
部共振器を形成している。２２．２３は線形プリズムで
あって、増幅媒質用半導体５および可飽和吸収媒質１５
によって生じた光の位相変化を補償するように分散を与
える。

１ｍ第３図（ｂ）は、本発明の第６の実施例を示し、面発光
半導体をレーザ媒質とし、レーザ光に対して反射するミ
ラー二つを、終端反射器として共振器を構成し、その光
軸内に可飽和吸収媒質としての別の半導体とソリトン効
果を生じさせるためのプリズムが配置されているレーザ
装置の構成図である。

第３図ら）において、終端反射器４と終端反射器１４に
よって、外部共振器を形成する。

（発明の効果）以上説明したように、本発明の短パルス発生用レーザ装
置を用いれば、通信、情報処理および高速の精密計測に
応用可能なＩＱ−１を秒以下のフェムト秒領域で、かつ
波長可変で、高出力の光パルスを半導体レーザを用いて
発生できる。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）はレーザ光に対して反射するミラーと面発
光半導体レーザ媒質の片側に金コートした反射ミラーを
終端反射器として共振器を構成したし−ザ装置の構成図
、第１図（ハ）は面発光半導体をレーザ媒質とし、レーザ
光に対して反射するミラー二つを、終端反射器として共
振器を構成したレーザ装置の構成図、第２図（ａ）はレ
ーザ光に対して反射するミラーと面発光半導体レーザ媒
質の片側に金コートした反射ミラーを終端反射器として
共振器を構成し、その先軸内に可飽和吸収媒質としての
別の半導体装置されているレーザ装置の構成図、第２図（ロ）は面発光半導体をレーザ媒質とし、レーザ
光に対して反射するミラー二つを、終端反射器として共
振器を構成し、その光軸内に可飽和吸収媒質としての別
の半導体装置されているレーザ装置の構成図、第３図（ａ）はレーザ光に対して反射するミラーと面発
光半導体レーザ媒質の片側に金コートした反射ミラーを
終端反射器として共振器を構成し、その先軸内に可飽和
吸収媒質としての別の半導体とソリトン効果を生じさせ
るためのプリズムが配置されているレーザ装置の構成図
、第３図（ｂ）は面発光半導体をレーザ媒質とし、レーザ
光に対して反射するミラー二つを、終端反射器として共
振器を構成し、その光軸内に可飽和吸収媒質としての別
の半導体とソリトン効果を生じさせるためのプリズムが
配置されているレーザ装置の構成図、第４図は従来の、外部共振器をもった端面発光半導体レ
ーザを用いたモード同期レーザ装置の構成図、第５図は受動モード同期によるパルス発生の機構を説明
する図、第６図は本発明の、外部共振器をもった面発光半導体レ
ーザを用いたモード同期レーザ装置の構成図、第７図は面発光半導体混晶の組成を変化させることによ
り、波長可変になることを説明する図、第８図（ａ）は
非線形媒質を伝搬する通常のパルスを示す図、第８図（ｂ）は非線形媒質を伝搬するソリトンパルスを
示す図、第９図は本発明のレーザ装置のレーザ出力パワーと光ポ
ンプ用レーザ入力パワーの関係を示す図、第１０図は本
発明のレーザ装置のレーザパルス波形を示す図、第１１図は本発明の実施例１で用いたレーザ媒質の螢光
スペクトルを示す図である。１・・・光アイソレータ　　　２・・・ポンプ光３・・
・ダイクロイックミラー４・・・終端反射器５・・・片面に反射防止膜、片面に金コートされた増幅
媒質用半導体６・・・レンズ　　　　　　　７・・・出力光８・・・
終端反射器９・・・両面に反射防止膜コートされた増幅媒質用半導
体１０・・・レンズ　　　　　　　１１・・・レンズ１２
・・・ポンプ透過光１３・・・ダイクロイックミラー１４・・・終端反射器　　　　　１５・・・可飽和吸収
媒質１６・・・レンズ　　　　　　　１７・・・レンズ
１８・・・ダイクロイック１９・・・カーブミラー２１・・・カーブミラー２３・・・線形プリズム２５・・・高反射コート２７・・・無反射コート２９・・・ミラーカーブミラー２０・・・カーブミラー２２・・・線形プリズム２４・・・半導体レーザ２６・・・活性層２８・・・レンズ

Claims

【特許請求の範囲】１、レーザ光に対して反射するミラーと、半導体増幅媒
質の片側にコートした反射ミラーを、それぞれ終端反射
器として構成した共振器において、該半導体増幅媒質は
面発光の増幅媒質であり、該半導体増幅媒質は該反射ミ
ラーをコートした面と反対側の面に無反射コートが施さ
れており、ポンプ光が該共振器の光の往復時間と同じ周
期の繰り返しパルスであることを特徴とする短パルス発
生用レーザ装置。２、レーザ光に対して反射するミラーと、別の高反射ミ
ラーを、それぞれ終端反射器として構成した共振器にお
いて、面発光のレーザ媒質として作動する両面を無反射
コートした半導体増幅媒質が該共振器内に配置されてお
り、ポンプ光が該共振器の光の往復時間と同じ周期の繰
り返しパルスであることを特徴とする短パルス発生用レ
ーザ装置。３、請求項１または請求項２に記載の短パルス発生用レ
ーザ装置の該共振器内において、両面を無反射コートし
た別の半導体可飽和吸収媒質が配置されており、該半導
体可飽和吸収媒質にポンプ光が入射しないように、ポン
プ光に対し透過し、レーザ光に対し反射するミラーが該
共振器内に配置されており、該半導体可飽和吸収媒質の
吸収端の波長がレーザ光の波長とほぼ一致していること
を特徴とする短パルス発生用レーザ装置。４、請求項３に記載の短パルス発生用レーザ装置の該共
振器内において、該半導体増幅媒質または該半導体可飽
和吸収媒質における３次の非線形によって生じる自己位
相変調を補償する負の周波数分散を有する分散媒質が配
置されており、該分散媒質にポンプ光が入射しないよう
に配置されていることを特徴とする短パルス発生用レー
ザ装置。