JP4408246B2 - Mode-locked semiconductor laser - Google Patents

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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。   The present invention relates to a semiconductor laser, and more particularly to a mode-locked semiconductor laser.

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。   A mode-locked laser is a laser that can oscillate pulsed laser light. A laser usually has a gain medium for amplifying light and a resonator having a resonator length of L. The resonance frequency of the longitudinal mode of this resonator is an integral multiple of c / 2L (c is the speed of light). The spectrum width of the laser beam emitted from the laser is very narrow. However, if the resonance frequency interval of the resonator is narrower than the spectrum width, the laser beam resonates in a plurality of modes (frequencies) in the resonator. At this time, the laser light is intensified at a period T = 2L / c by aligning the phases of the modes using some method (mode synchronization). Thereby, a pulse laser beam having a period T is generated.

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。   As shown in FIG. 1, the pulse laser light oscillated by this mode-locked laser is arranged at equal time intervals T on the time axis, and a number of modes arranged in a comb shape at equal frequency intervals 1 / T on the frequency axis. It becomes an aggregate of. Such an assembly of laser beams arranged in a comb shape on the frequency axis is called an “optical frequency comb”. The optical frequency comb can be used for optical frequency measurement as a “measurement” of the frequency of light by utilizing the property that the frequency intervals are equal. Since the frequency interval 1 / T is determined by c / 2L as described above, the difference between the frequencies of the two lights to be measured can be obtained using this. Moreover, the absolute value of the frequency of each mode can be determined by determining the absolute value of the frequency of each mode by some method. The optical frequency comb can be used as a highly accurate wavelength standard or frequency standard, or can be used as a reference frequency in wavelength division multiplexing optical communication. Further, when viewed in the time domain, the mode-locked laser is an ultrashort pulse light source that oscillates at an accurate pulse repetition frequency, and thus can be applied to ranging technology.

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。 Conventionally, as a mode-locked laser, for example, a monolithic mode-locked semiconductor laser described in Patent Document 1 and an external resonator-type mode-locked semiconductor laser described in Patent Document 2 are known.
In the monolithic mode-locked semiconductor laser, as shown in FIG. 2, a laser resonator including two light reflecting portions is formed in a semiconductor chip, and a saturable absorbing layer 11 and an active layer 12 are provided between the light reflecting surfaces. Formed. In the example of FIG. 2, one of the light reflecting portions is composed of the Bragg reflector 13, and the other is composed of the end face 11 a of the saturable absorbing layer 11. The resonator length L is determined by the distance between the Bragg reflector 13 and the end face 11a. The saturable absorption layer 11 has nonlinearity that the light absorption coefficient decreases as the light intensity increases. Accordingly, light with low intensity is easily absorbed by the saturable absorption layer 11, and strong light easily transmits through the saturable absorption layer 11. Therefore, the saturable absorption layer 11 plays a role of making the intensity of light clearer. Light emitted by injecting a current into the active layer 12 reciprocates between the two light reflecting portions, and light having an integer multiple of c / 2L is intensified by resonance. Further, the saturable absorption layer 11 further strengthens a plurality of modes having the same phase. As a result, pulsed laser light composed of a plurality of modes arranged at intervals of c / 2L in the frequency domain is oscillated.

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。   The external resonator mode-locked semiconductor laser is a mirror in which an external resonator having a resonator length L is formed by providing a mirror outside a normal semiconductor laser. Laser light oscillated by the semiconductor laser is introduced into an external resonator and resonates at a frequency that is an integral multiple of c / 2L. Such an external resonator mode-locked semiconductor laser can be mode-locked by the following two methods. One is to provide a modulation circuit 22 for modulating the current injected into the semiconductor laser 21 at a frequency equal to the mode interval of the external resonator, as shown in FIG. In this configuration, the laser light is resonated between the end face 23 of the semiconductor laser and the half mirror (half mirror) 24 which are separated by a distance L, and the modulation circuit 22 applies c / 2L intensity modulation. As a result, light having a frequency that is an integral multiple of c / 2L and having the same phase as the current of the modulation circuit 22 is enhanced, and this light is further enhanced by the external resonator. This light is emitted from the semi-transparent mirror 24 to the outside.

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。   As shown in FIG. 4, another type of configuration of the external cavity semiconductor laser is such that one of the two reflecting surfaces of the external cavity is a saturable absorption mirror 25. In this configuration, light having a plurality of modes that are integral multiples of the resonance frequency c / 2L and having the same phase is relatively strengthened by the saturable absorber mirror 25, and other light is weakened. The light thus strengthened is taken out of the external cavity semiconductor laser by the semi-transparent mirror 26.

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。   As a laser that oscillates pulsed laser light, for example, a self-excited oscillation semiconductor laser described in Patent Document 3 is known. As shown in FIG. 5, the self-pulsation type semiconductor laser has an active layer 32 and a saturable absorption layer 33 incorporated between the layers of the semiconductor chip 31, and has a simpler structure than the mode-locked semiconductor laser. Therefore, it can be manufactured at low cost. However, mode locking cannot be applied in the conventional self-oscillation semiconductor laser. While the above-mentioned mode-locked semiconductor laser oscillates at a frequency determined by the distance between the reflecting surfaces and the frequency of the current injected into the laser, the conventional self-oscillation type semiconductor laser pulses at a frequency unrelated to them. Oscillates.

特開平7-22694号公報（[0006]〜[0007], 図1）Japanese Patent Laid-Open No. 7-22694 ([0006] to [0007], FIG. 1) 特開2003-264335号公報（[0014]〜[0018], 図1）JP 2003-264335 A ([0014] to [0018], FIG. 1) 特開平6-260716号公報（[0017], 図1）Japanese Patent Laid-Open No. 6260716 ([0017], FIG. 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。   A monolithic mode-locked semiconductor laser must be subjected to complicated microfabrication in order to form all the components on a small semiconductor chip. Since the pulse repetition frequency is determined by the chip length of the semiconductor laser, it has a drawback that it is difficult to set it to a desired value. An external resonator type mode-locked semiconductor laser using a modulation circuit has a problem that phase modulation is applied when the injection current is modulated. Further, the external cavity mode-locked semiconductor laser using the saturable absorption mirror has a drawback that the saturable absorption mirror is a special part and is expensive.

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。   Further, since the conventional self-oscillation type semiconductor laser is not mode-locked, it cannot generate an optical frequency comb and cannot be used for the optical frequency measurement.

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。   The problem to be solved by the present invention is to provide a mode-locked semiconductor laser that can generate an optical frequency comb by mode-locking, has a simple structure, and is inexpensive.

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。
A mode-locked semiconductor laser according to the present invention, which has been made to solve the above problems,
a) a self-excited oscillation semiconductor laser that oscillates a pulsed laser beam with a period τ 0 ;
b) A closed optical circuit is configured by including at least two reflecting portions sandwiching the self-excited oscillation type semiconductor laser, and an optical path length 2L of one cycle of the closed optical circuit is (2L / c) <τ 0 (c is An external resonator that satisfies the relationship
c) a detection unit for detecting pulsed laser light oscillated from the external resonator;
d) a comparison unit that compares a pulse repetition frequency of the pulse laser beam detected by the detection unit with a reference frequency;
e) an adjustment unit that adjusts the pulse repetition frequency by adjusting the intensity of the current injected into the self-excited oscillation type semiconductor laser so as to match the reference frequency based on the result of comparison in the comparison unit;
It is characterized by providing.

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。 Detector such as this, the arrangement comprising a comparator unit and adjustment unit is hereinafter referred to as "feedback with mode-locked semiconductor laser."

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。
In addition, the configuration for applying the feedback can be applied not only to a mode- locked semiconductor laser having a self-oscillation type semiconductor laser but also to a normal self-oscillation type semiconductor laser that does not apply mode synchronization. That is, the self-pulsation type semiconductor laser with feedback according to the present invention is
e) a self-excited semiconductor laser;
f) a detector for detecting pulsed laser light oscillated from the self-excited oscillation type semiconductor laser;
g) a comparison unit that compares the pulse repetition frequency of the pulse laser beam detected by the detection unit with a reference frequency;
h) an adjustment unit that adjusts the pulse repetition frequency by adjusting the intensity of the current injected into the self-excited oscillation type semiconductor laser so as to match the reference frequency based on the comparison result of the comparison unit;
It is characterized by providing.

発明の実施の形態及び効果Embodiments and effects of the invention

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。 First, a mode-locked semiconductor laser using a self-excited oscillation type semiconductor laser will be described.
In the present invention, a conventional self-oscillation semiconductor laser as described above can be used. This self-excited oscillation type semiconductor laser oscillates pulsed laser light at a period determined by its configuration. Let that period be τ 0 . This self-excited semiconductor laser cannot be mode-locked by itself.

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。 An external resonator for resonating the pulsed laser light oscillated from the self-excited oscillation type semiconductor laser is provided. This external resonator is provided for mode synchronization as will be described later. The self-oscillation type semiconductor laser is disposed in the optical path of the external resonator. Such an external resonator is typically composed of two reflecting portions. In this case, 2L, which is twice the distance L between the reflecting portions, that is, a distance of one round trip between the reflecting portions, is the length of one cycle of the optical path. The external resonator can also be composed of three or more reflecting parts. By forming a loop in which light is sequentially reflected by three or more reflecting portions and returns to the original position, the length of the loop becomes the length of one cycle of the optical path. The length 2L of one cycle of the optical path is set to satisfy the relationship (2L / c) <τ 0 . The reason will be described later.

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。   For example, a mirror of a normal laser resonator can be used as the reflection unit. Further, by forming the end face of the self-excited oscillation type semiconductor laser by cleaving or the like, this end face can be used as the reflecting portion. In this case, it is not necessary to provide one of the reflecting portions separately from the self-excited oscillation type semiconductor laser, and the number of parts can be reduced.

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。   The operation of the mode-locked semiconductor laser of the present invention will be described. Pulse laser light (not mode-locked) is oscillated from a self-excited oscillation type semiconductor laser. This pulsed laser beam is intensified by an external resonator at a frequency that is an integral multiple of c / 2L. The light in this mode is not weakened by the saturable absorber of the self-excited oscillation type semiconductor laser, and the light of other wavelengths is weakened by the saturable absorber. As a result, mode synchronization is applied, and pulsed laser beams having a specific frequency arranged at intervals of c / 2L in the frequency domain are obtained. The reciprocal of 2L / c is the pulse interval in the time domain, that is, the pulse repetition period.

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。 Here, when the pulse period τ 0 of the self-excited oscillation type semiconductor laser becomes shorter than 2 L / c, pulse oscillation with the period τ 0 derived from the self-excited oscillation type semiconductor laser occurs, and pulse oscillation due to mode synchronization does not occur . For this reason, the length 2L of one period of the optical path is determined so as to satisfy the relationship (2L / c) <τ 0 .

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。   The mode-locked semiconductor laser of the present invention has a simpler structure than the conventional monolithic mode-locked semiconductor laser and does not require the use of special parts such as a saturable absorbing mirror. The semiconductor laser itself can be a conventional self-excited oscillation type semiconductor laser, and the reflecting part can be a reflector used in a normal semiconductor laser device. Therefore, the mode-locked semiconductor laser of the present invention has a simple structure and can be manufactured at a low cost. An optical frequency comb can be generated by an inexpensive mode-locked semiconductor laser having such a simple structure, whereby an optical frequency measuring device can be manufactured at low cost.

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。 Next, a mode-locked semiconductor laser with feedback using a self-oscillation type semiconductor laser will be described.
In the mode-locked semiconductor laser of the present invention, the pulse repetition frequency of the pulse laser beam fluctuates due to the influence of the heat and vibration of the device or the fluctuation of the current injected into the self-excited oscillation type semiconductor laser. This fluctuation causes a variation in the interval between each comb of the optical frequency comb viewed in the frequency domain. Therefore, the detection unit detects the pulse laser beam, the comparison unit compares the pulse repetition frequency of the pulse laser beam with a reference frequency (reference frequency), and based on the result, the adjustment unit matches the reference frequency. Adjust the pulse repetition frequency. That is, the detected pulse laser beam is fed back to correct the pulse repetition frequency of the pulse laser beam.

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。   Here, the reference frequency can be obtained from a reference oscillator such as an atomic clock. Moreover, what adjusts the distance L can be used for the said adjustment part, for example. The distance L can be adjusted by adjusting the position of the reflection part of the external resonator. As the distance L becomes longer, the pulse repetition frequency becomes smaller. As a result of comparison in the comparison unit, when the pulse repetition frequency is larger / smaller than the reference frequency, the adjustment unit adjusts L to be longer / shorter than before. To do. A piezo element can be suitably used for the moving mechanism of the reflecting portion in that the size of L can be finely adjusted on the order of the wavelength and that it can be operated with a short response time by an electric signal.

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。   In the mode-locked semiconductor laser using the self-oscillation type semiconductor laser, the pulse repetition frequency increases as the current intensity increases. By utilizing this, an adjustment unit for adjusting the intensity of the current injected into the self-excited oscillation type semiconductor laser can be used as the adjustment unit. That is, if the pulse repetition frequency is larger / smaller than the reference frequency as a result of comparison in the comparison unit, the intensity of the injected current is decreased / enlarged.

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。   Of the fluctuations in the pulse repetition frequency, slow fluctuations caused by mechanical vibrations are dealt with by adjusting the distance L, and fast fluctuations caused by electrical fluctuations are self-excited. It is desirable to cope with this by adjusting the intensity of the current injected into the type semiconductor laser.

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。   By performing feedback in this way, it is possible to stabilize the pulse repetition frequency and to reduce the variation in the interval between the combs of the optical frequency comb. Therefore, the mode-locked semiconductor laser using the self-pulsation type semiconductor laser of the present invention can be suitably applied to optical frequency measurement.

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。   Further, the feedback as described above can be applied not only to the mode-locked semiconductor laser but also to a self-excited oscillation type semiconductor laser that is not mode-locked. That is, the pulse laser beam oscillated by the self-excited oscillation type semiconductor laser is detected by the detection unit, and the adjustment unit adjusts the reference frequency to the reference frequency based on the comparison result of the pulse repetition frequency of the pulse laser beam and the reference frequency. Adjust the pulse repetition frequency. What adjusts the intensity of the current injected into the self-excited oscillation type semiconductor laser may be provided as the adjusting unit. As the detection unit and the comparison unit, the same ones as described above can be used.

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。 A first embodiment of a mode-locked semiconductor laser according to the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 6 is a schematic configuration diagram of the mode-locked semiconductor laser according to the first embodiment. The self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 is the same as that shown in FIG. Note that the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 is not limited to that shown in FIG. 5, and may be modified from the configuration shown in FIG. A DC power source 42 for injecting current is connected to the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41. The self-excited oscillation type semiconductor laser formed from these can oscillate a pulse laser beam having a pulse repetition period τ 0 from the end face 431 itself. A reflection surface that reflects the pulse laser beam is formed inside the end surface 432 facing the end surface 431. A semi-transparent mirror (half mirror) 44 is provided on the optical path of the pulse laser beam oscillated from the end face 431. The semi-transparent mirror 44 transmits a part of incident light and reflects a part thereof. On this optical path, the light oscillated from the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 is converted into parallel light, and the light reflected by the semi-transparent mirror 44 is converged on the end face 431 of the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41. A collimator lens 45 is provided. Further, the distance L between the end face 432 and the semi-transparent mirror 44 is set to be smaller than τ 0 c / 2.

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。 The operation of the mode-locked semiconductor laser according to the first embodiment will be described. A direct current is injected from the direct current power source 42 into the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41. Thereby, the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 oscillates a pulse laser beam having a pulse repetition period τ 0 by self-excited oscillation. This pulsed laser light reaches the semi-transparent mirror 44 from the end face 431 through the collimator lens 45. The semi-transparent mirror 44 transmits a part of the pulse laser beam and reflects the rest. The pulsed laser light reflected here enters the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 through the collimator lens 45 and is further reflected at the end face 432. In this way, while a part of the light of the pulse laser beam repeatedly reciprocates between the end face 432 and the semi-transparent mirror 44, light having a frequency that is an integral multiple of c / 2L is amplified by interference. The intensity of the amplified frequency light is relatively increased by the saturable absorption layer 33 in the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 as compared with light of other frequencies. As a result, pulse laser light that is mode-locked at a frequency interval of c / 2L is generated, and this pulse laser light is oscillated from the semi-transparent mirror 44 to the outside.

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。   A second embodiment of the mode-locked semiconductor laser of the present invention will be described with reference to FIG. The second embodiment relates to a mode-locked semiconductor laser that performs feedback control.

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。   FIGS. 7A and 7B are schematic configuration diagrams of a mode-locked semiconductor laser according to the second embodiment. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals as those in FIG. As in the first embodiment, a self-excited oscillation semiconductor laser element 41, a DC power source 42, a semi-transparent mirror 44, and a collimator lens 45 are provided. The configuration of the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 is the same as that of the first embodiment.

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。   In the second embodiment, a photodetector 51 that detects light and converts it into an electrical signal is provided on the optical path of the pulsed laser light emitted from the semi-transparent mirror 44. An amplifier 52 that amplifies the electrical signal from the photodetector 51 is connected to the photodetector 51. In addition, an amplifier 52 and a reference oscillator 53 that includes an atomic clock or the like and oscillates an electric signal having a reference frequency are connected to the phase comparator 54. The phase comparator 54 compares the phases of the electrical signals from the amplifier 52 and the reference oscillator 53, and detects the frequency shift between the pulse laser beam and the signal from the reference oscillator 53 as a phase shift. In response to this frequency shift, a driver 55 that oscillates a voltage signal serving as a drive signal for the adjustment unit is connected to the phase comparator 54. Instead of the phase comparator 54, a frequency comparator that directly detects a frequency shift between the pulse laser beam and the signal of the reference oscillator 53 may be used.

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。   In FIG. 7A, driving means 56 for moving the semi-transparent mirror 44 substantially parallel to the optical path of the pulsed laser beam is provided as an adjusting unit in accordance with the driving signal from the driver 55. The driving means 56 can be configured using a piezo element. On the other hand, in FIG. 7B, the intensity of the current injected from the DC power supply 421 into the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 is adjusted according to the drive signal from the driver 55.

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。   In the mode-locked semiconductor laser of the second embodiment, the phase comparator 54 detects a deviation between the pulse repetition frequency of the pulse laser beam oscillated from the semi-transparent mirror 44 and the frequency of the reference oscillator 53, and the semi-transparent mirror 44 is detected according to the result. By adjusting the position or the current intensity of the DC power source 421, fluctuations in the pulse repetition frequency can be suppressed. Thereby, the fluctuation | variation of the space | interval of the comb of an optical frequency comb can be made small.

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。   FIG. 8 shows the spectrum of the pulse repetition frequency obtained by the mode-locked semiconductor laser shown in FIGS. 6 and 7B. The three graphs on the left side of FIG. 8 are data obtained by the mode-locked semiconductor laser subjected to the feedback control of FIG. 7B, and the three graphs on the right side of FIG. 8 are the feedback control of FIG. This is data obtained by a mode-locked semiconductor laser that does not perform. Further, (a) to (c) are the same data with the horizontal axis, that is, the frequency measurement range set to 1 MHz, 10 MHz, and 100 MHz. From this data, it can be seen that by performing feedback control, the spectrum of the pulse repetition frequency can be narrowed, that is, fluctuation of the pulse repetition frequency can be suppressed.

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。 A third embodiment of the mode-locked semiconductor laser of the present invention will be described with reference to FIG. In the third embodiment, the external resonator of the mode-locked semiconductor laser of the first embodiment is replaced with an external resonator composed of four reflectors 61-64. The configuration of the self-excited oscillation type semiconductor laser is the same as that of the first embodiment. As shown by the broken line in the figure, the length 2L of the square loop having the reflectors 61 to 64 as the apexes is set so as to satisfy the relationship (2L / c) <τ 0 . In the third embodiment, pulsed laser light oscillated from the self-excited oscillation type semiconductor laser element 41 circulates in the loop of the external resonator, so that light having a frequency that is an integral multiple of c / 2L is amplified by interference, and self-excited. By the saturable absorption layer 33 in the oscillation type semiconductor laser element 41, the intensity of the light of the amplified frequency is relatively stronger than the light of other frequencies. As a result, pulse laser light that is mode-locked at a frequency interval of c / 2L is generated. This pulsed laser light can be taken out of the external resonator by using, for example, one of the reflectors as a semi-transparent mirror.

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。The figure for demonstrating the pulse laser beam oscillated with a mode-locked laser. 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。Sectional drawing which shows an example of the monolithic type mode-locking semiconductor laser which is a prior art. 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。The schematic block diagram which shows an example of the external resonator type semiconductor laser which is mode-locking by external modulation which is a prior art. 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。The schematic block diagram which shows an example of the external resonator type semiconductor laser which is mode-locked by the saturable absorption mirror which is a prior art. 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。Sectional drawing which shows an example of the self-oscillation type semiconductor laser which is a prior art. 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。1 is a schematic configuration diagram of a mode-locked semiconductor laser that is a first embodiment of the present invention. FIG. 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。The schematic block diagram of the mode-locking semiconductor laser which is the 2nd Example of this invention. 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。The spectrum of the pulse repetition frequency obtained by the mode-locked semiconductor lasers of the first and second embodiments. 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。The schematic block diagram of the mode-locking semiconductor laser which is the 3rd Example of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 11, 33 ... Saturable absorption layer 12, 32 ... Active layer 13 ... Bragg reflector 21 ... Semiconductor laser 22 ... Modulation circuit 24, 26, 44 ... Semi-transmission mirror 25 ... Saturable absorption mirror 31 ... Semiconductor chip 41 ... Self-excited oscillation Type semiconductor laser elements 42, 421 ... DC power supply 45 ... collimator lens 51 ... photodetector 52 ... amplifier 53 ... reference oscillator 54 ... phase comparator 55 ... driver 56 ... driving means 61, 62, 63, 64 ... reflector

Claims (2)

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) a self-excited oscillation semiconductor laser that oscillates a pulsed laser beam with a period τ 0 ;
b) A closed optical circuit is configured by including at least two reflecting portions sandwiching the self-excited oscillation type semiconductor laser, and an optical path length 2L of one cycle of the closed optical circuit is (2L / c) <τ 0 (c is An external resonator that satisfies the relationship
c) a detection unit for detecting pulsed laser light oscillated from the external resonator;
d) a comparison unit that compares a pulse repetition frequency of the pulse laser beam detected by the detection unit with a reference frequency;
e) an adjustment unit that adjusts the pulse repetition frequency by adjusting the intensity of the current injected into the self-excited oscillation type semiconductor laser so as to match the reference frequency based on the result of comparison in the comparison unit;
A mode-locked semiconductor laser comprising: 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。 a) a self-excited semiconductor laser;
b) a detection unit for detecting pulsed laser light oscillated from the self-excited oscillation type semiconductor laser;
c) a comparison unit that compares the pulse repetition frequency of the pulse laser beam detected by the detection unit with a reference frequency;
d) an adjustment unit that adjusts the pulse repetition frequency by adjusting the intensity of the current injected into the self-excited oscillation type semiconductor laser so as to match the reference frequency based on the result of comparison in the comparison unit;
A self-excited oscillation type semiconductor laser with feedback.
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