JPH02395A - 超短光パルス半導体レーザ装置および波長変換型超短光パルス発生装置 - Google Patents

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、光コンピユーテイング、光情報処理、光計測
、光通信等に応用される半導体レーザのモードロック技
術を用いた超短光パルス発生装置に関するものである。

従来の技術 本発明は、２つの主たる課題について提案される。１つ
の課題とは、従来より広く用いられる半導体レーザのＴ
Ｍモード発振でのモード同期よりも、ここで提案するＴ
Ｍモード発撮でのモード同期の方が超短光パルス発生に
明らかに有効であることについてである。もう１つの課
題とは、上記１つ目の新しい技術を用いた短波長の超短
光パルスを発生する波長変換型の超短光パルス発生装置
を提案するものである。

まず第１の課題の背景について説明する。

半導体レーザを用いてピコ秒程度の時間幅の光パルスを
発生させるのは、光コンピュータ、光情報処理、光計測
、光通信への応用上、重要な技術である。同業者の間で
は公知の事実として、半導体レーザを用いて超短光パル
スを発生する方法の１つに半導体レーザを外部共娠器化
するモード同期技術があるこの技術を大別すると能動モ
ード同期（ａｃｔｉｖｅ　ｍｏｄｅ−１ｏｃｋｉｎｇ）
と受動モード同期（ｐａｓｓｉｖｅ　　ｍｏｄｅｌｏｃ
ｋｉｎｇ）の２つがある。これらは例えば、Ｊ、Ｐ、フ
ァンデアツイール“モードロッキング　オブ　セミコン
ダクター　レーザーズセミコンダクターズアンドセミメ
タルズ（Ｊ。

Ｐ、Ｖａｎｄｅｒ　　Ｚｉｅｌ、　　“Ｍｏｄｅ　　Ｌ
ｏｋｉｎｇ　　ｏｆ　　Ｓｏｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　
　Ｌａ５ｅｒｓ　　　Ｓｅｍ１ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　
　ａｎｄ　　Ｓｅｍｉｍｅｔａｌｓ、ｖｏｌ、２２．Ｐ
ａｒｔ　　Ｂ、Ｃｈａｐｔｅｒ　　１．Ｐａｇｅ　　１
＋（１９８５）に詳しく解説されている。能動モード同
期は半導体レーザへの注入電流を外部共振器のラウンド
トリップ周波数で変調を行う。受動モード同期は共振器
内に可飽和吸収体を含むことにより行う。いずれの場合
も外部共振器のラウンドトリップ周波数Ｃ／２Ｌ（ここ
でＣ；光速、Ｌ；外部共振器長）、すなわち２Ｌ／Ｃの
時間間隔で光パルス発振し、その光パルスの時間幅は１
〜２０ピコ秒程度である。発振スペクトルの幅から見積
ると、はぼフーリエトランスフオームリミテッドな光パ
ルス幅が得られている。

ところで、前述したように半導体レーザを用いてモード
同期を行うには半導体レーザを外部共振器構成とする。

また半導体レーザ端面の外部共振器側は反射防止膜が施
される。

従来例の基本的構成を第９図に示す。電流注入を行うこ
とにより誘導放出を行う活性層１０及び結晶のへき開面
を用いる第１及び第２の端面１４かつ１２からなる半導
体レーザ１６の第１の端面１４上に反射防止膜１８が施
されている。この半導体レーザ１６から出射するレーザ
光２０は、外部に配置された外部反射器２２により反射
され、反射されたレーザ光２０は半導体レーザ１６に帰
還される。第１の端面１４に反射防止膜１８が施されて
いるのでこのレーザの共振器は外部共振器とは反対側の
第２の端面１２及び外部反射器２２により構成されてい
る。半導体レーザ１６への注入電流のバイアスをしきい
値以下に設定し、外部共振器のラウンドトリップ周波数
で電流変調を行うと、半導体レーザ１６の第２の端面１
２からの出射レーザ光２４は、光パルス列２６として発
振する。これが−船釣な能動モード同期である。

通常の単体の半導体レーザは、その出力光の偏光特性は
、光の電界方向が活性層に平行な方向のＴＥモードで発
振する。もともと半導体レーザは、その出力光の電界方
向が活性層に垂直な方向のＴＭモードで発振することも
可能であるが、ＴＭモードで発振する。このことは、例
えば、Ｔ。

イケガミ、“リフレクテイビテイーオブモードアットフ
ァセットアンドオシレーションモード　イン　ダブル−
ヘテロストラフチャー　インジェクションレーザーズ、
アイイーイーイージャーナル　オブ　カンタム　エレク
トロニクス（Ｔ、Ｉｋｅｇａｍｉ　Ｒｅｆ　１ｅｃｔｉ
ｖｉｔｙｓｔ　　Ｆａｃｅｔ　　ａｎｄ　　０ｓｃｉｌ
ｌａｔｉ。

ｎ　　Ｍｏｄｅ　　ｉｎ　　Ｄｏｕｂｌｅ−Ｈｅｔｅｒ
。

５ｔｒｕｃｔｕｒｅ　　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｌａ５ｅ
ｒｓ　　　ＩＥＥＥ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　　Ｑ
ｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ、ｖｏｌ　−
ＱＥ−８，ｒＩｈ６Ｐ、４７０　（１９７２）に詳しく
記載されている。この文献中の図を、抜粋して第１０図
に示す。第１０図は、ＴＥモード（実線）とＴＭモード
（破線）の２つの異なる直交する偏光が半導体レーザ端
面において反射率が全（異なっていることを示した図で
あり、横軸は半導体レーザの活性層の膜厚で、縦軸はレ
ーザ端面の強度反射率である。横モードは０次の基本モ
ード発振とし、また活性層の屈折率を３．６．またΔｎ
はクラッド層と活性層の屈折率差の比を表している。第
１０図よりわかることは、レーザを構成する層膜厚、屈
折率差等に依存するが、ＴＥモードの方がＴＭモードよ
りもかなり端面の反射率が大きいことである。すなわち
、両端面がへき開により構成されている半導体レーザは
ＴＥモードの方がＴＭモードよりも共振器反射率が大き
いため、誘導放出を起こすのに必要なしきい値利得が小
さくて済むためＴＥモードで発振する。単体の半導体レ
ーザの場合のみならず、モード同期半導体し−ザの場合
も同様であって、従来報告されているモード同期半導体
レーザは、第９図に示すように、レーザ光２０は、光の
電界の振動方向がＴＥモード２８で発振している。

一方、最近半導体レーザの共振器内の偏光器を挿入し、
半導体レーザ出射光の偏光を制御する研、究が行われて
いる。例えば、Ｔ、フジタ他、“ボラライゼイションス
イッチング　イン　ア　シングル　フリケンシーエキス
ターナル　キャビティーセミコンダクター　レーザ、エ
レクトロニクスレター（Ｔ、Ｆｕｊ　ｉｔａ　　ｅｔａ
ｌ、　　“Ｐｏ１ａｒｉｚａｔｉｏｎ　　ｓｗｉｔｃｈ
ｉｎｇ　　ｉｎａ　　ｓｉｎｇｌｅ　　ｆｒｅｑｕｅｎ
ｃｙ　　ｅｘｔ６ｒｎａｌ　　ｃａｖｉｔｙ　　ｓｅｍ
ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　１ａｓｅｒ　　　Ｅｌｅｃｔ
ｒｏｎｉｃｓ　　Ｌｅｔｔｅｒｓ　　ｖｏｌ、２３Ｐ、
８０３（１９８７））、Ｔ、フジタ他“ボラライゼイシ
ョン　パイスタビリテイ　イン　エクスターナル　キャ
ビティ　セミコンダクターレーザーズ、アプライド　フ
ィジクス　レターズ　（Ｔ、Ｆｕｊ　１ｔａｅｔａ１．
　　“Ｐｏ１ａｒｉｚａｔｉｏｎ　　ｂｉｓｔａｂｉｌ
ｉｔｙ　　ｉｎ　　ｅｘｔｅｒｎａｌ　　　ｃａｖｉｔ
ｙ　　ｓｅｍｉｃｏｎｄａｃｔｏｒ　　１ａｓｅｒｓ　
　　、Ａｐｐｌｉｅｄ　　ｐｈｙｓｉｃｓ　　Ｌｅｔｔ
ｅｒｓ　　ｖｏｌ、　　５１．Ｐ、３９２（１９８７）
）に詳しく説明されている。これらの文献においては、
半導体レーザ出射光が１Ｍモードで発振することが示さ
れている。すなわち第１１図に示すように、第１の端面
１４と、外部共振器面としての外部反射器２２の間に、
偏光器３０として、例えばグラントムソンプリズムを挿
入すると、共振器内部のレーザ光３２は、その光の電界
方向はＴＭモード３４で発振する。この時偏光器３０は
、１Ｍモードが通過する方向に配置されている。従って
出力レーザ光３６も１Ｍモードで発振する。

モード同期により超短光パルスを発生させるためには、
半導体レーザの外部共振モードが精密に等しい周波数間
隔で並んで、これらたくさんのモードが同位相で発振す
る必要がある。そのためには、外部共振器構成の半導体
レーザの外部共振器側出射端面、すなわち第１の端面の
反射率を理想的にはゼロにする必要がある。すなわち第
９図の従来例で示すように、第１の端面１４上に反射防
止膜１８が施されている。しかしながら現実には、半導
体レーザがＴＥモード発振する時には完全にこの端面の
反射率がゼロとはならないで、ある程度残留反射率が存
在することが報告されている。この中間端面に残留反射
率が存在する時には発振するレーザ光の周波数スペクト
ルの各外部共振モードのモード間隔は等しくならない。

外部共振モード間隔の中間端面反射率依存性は、例えば
Ｈ，サトー他“インテンシティーフラクチュエイション
インセミコンダクターレーザーズカップルド　トウ　エ
クスターナル　キャビティ”、アイイーイーイージャー
ナルオブカンタムエレクトロニクス　（Ｈ，５ａｔｏ　
　ｅｔａｌ、　　“Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ　　ｆｌｕｃｔ
ｕａｔｉｏｎ　　ｉｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　　
１ａｓｅｒｓ　　ｃ。

ｕｐｌｅｄ　　ｔｏ　　ｅｘｔｅｒｎａｌ　　ｃａｖｉ
ｔｙ　　＋　　ＩＥＥＥ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　　ｏｆ　
　Ｑｕａｎｔｕｍ　　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　　ｖｏ
ｌ、　　ＱＥ　−２１、Ｐ４６　（１９８５）’）に詳
しく説明されている。この様子を第１０図を用いて説明
する。第１０図に示したような従来のＴＥモードで発振
するモード同期半導体レーザの光の周波数スペクトルは
、第１２図（ａ＞のようになっており、シ、＋ｎ＋１−
シ、＋１≠ν　　−νや　なる関係となｍ＋ｎｍｎ−す る。ここでνは各外部共振器モードの発振周波数を表わ
しており、ｍ、ｎは整数である。超短光パルス発生を実
現するためには第１２図（ｂ）に示すよう（こνｐ＋ｎ
＋ｌ　　　ｐａｎ　　　ｐａｎ　　　ｐａｎ−１なる関
係式が必要で、この時各々のスペクトルのモードが同位
相に同期されて発振する必要があるにもかかわらず、実
現されていない。これは前述したように、外部共振器半
導体レーザの中間端面の反射率が残留していることによ
る効果が大きいためである。

従って、第１２図（ｂ）に示すようにモード同期半導体
レーザの各外部共振モードが等周波数間隔で発振するよ
うにすれば、より超短光パルスを得ることが可能となる
。

次に、第２の課題の背景について説明する。

従来、波長が０．６μｍ以下の短波長領域においては、
ＩＶ−Ｖ族化合物半導体を使用する限り、バンドギャッ
プエネルギの限界によりレーザ発振は不可能であり、従
って短波長で発振するレーザが存在せず、大型の気体レ
ーザが使用されている。そのためレーザを利用する装置
が極めて大型となり、産業上の利用分野が限定されてい
る。もしも小型の短波長光源、例えば青色の波長域にお
ける光源が実用化されると、光ディスク、レーザプリン
タ等の情報処理分野、またあらゆる光計測分野等に極め
て大きなインパクトを与えるものである。そのため、第
２次高調波発生を利用して半導体レーザ光を半分の波長
に変換する素子が研究されており、例えば、谷内、山車
、“ミニチャアライズド　ライト　ソース　オブ　コヒ
ーレント　ブルー　ラディエーション”　　（Ｔ、Ｔａ
ｎ１ｕｃｈｉ　　ａｎｄ　　Ｋ、Ｙａｍａｍｏｔｏ　；
　　“Ｍ　ｉ　ｎ　ｉ　ｔｕｒｉｚｅｄ　　ｌｉｇｈｔ
　　５ｏｕｒｃｅ　　ｏｆ　　ｃｅｈｅｒｅｎｔ　　ｂ
ｌｕｅ　　ｒａｄｉａｔｉｏｎ）テクラカルダイジェス
ト　オブシーエルイーオーｊ８７（Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
　　Ｄｉｇｅｓｔ　　ｏｆ（ＬＥＯＩ８７）ｗｐ６　（
１９８７）に報告されている。

第１３図に従来のＬｉＮｂ０．光導波路を使用した光波
長変換素子により半導体レーザ光を波長変換する構成図
を示す。半導体レーザ１６から出射されたＴＥモード発
振の基板波５０は、レンズ５２でコリメートされ、λ／
２板５４でＴＭモードに変換された後レンズ５６で集光
されてＬｔＮｂｏ、５８上に形成された先導波路６０に
入射する。この際、光導波路６０中を伝搬する基本波を
チェレンコフ放射される第２高調波６２の位相速度が等
しくなり、効率良く第２高調波が発生する。現在、波長
０．８４μｍの半導体レーザの光出力１２０ｍＷにおい
て、約１ｍＷの波長０．４２μｍの第２高調波が得られ
ている。

この従来の実施例においては、λ／２板５４が使用され
ており、これは半導体レーザ出射光がＴＥモード発賑し
ているのを、ＴＭモードに変換するためである。ＴＭモ
ードに変換する理由は、ＬｉＮｂ０．上に形成された光
導波路６０に半導体レーザを伝播させる時、ＴＭモード
のみが有効に伝搬するからである。

そうすると、もともと半導体レーザを９０°回転してや
り、ＴＥモード発発振見かけ上ＴＭモード発振のように
みなすことが可能と考えられるが、その方法はよ（ない
。この様子を第１４図で説明する。

第１４図は、半導体レーザ及びＬ　ｉ　Ｎ　ｂ　Ｏ３光
導波路の配置、ならびに、半導体レーザが光導波路端面
に結合された時の近視野像にニアフィールドパターン）
及び電界の振動方向を示している。

第１４図（ａ）は単純に半導体レーザと光導波路を配置
した場所であり、近視野像はマツチするが偏光方向を直
交するため、半導体レーザ光は光導波路を伝搬しない。

第１４図（ｂ）は、第１３図の従来例に示した如（、λ
／２板を用いることにより、半導体レーザ光が光導波路
を伝搬し、ＳＨＧ光が得られる。

第１４図（Ｃ）は、半導体レーザを９０°回転した場合
であり、この時偏光方向は一致するが、ニアフィールド
パターンかまった（マツチせず、良い結果が得られない
。

従って、第１４図（ｄ）に示すように、半導体レーザに
技術的に＋αを加え、もともと近視野像及び偏光方向が
ＴＭモードであれば、結合効率も増加し、装置が簡単化
できる。

一方超短光パルスの発生は、谷内、山車ｒＳＨＧを用い
た青色レーザ光源によるピコ秒発生」第４９回応用物理
学会学術講演予稿集７ａ−ＺＤ−８に報告されている。

第１３図の構成において、半導体レーザをゴムジェネレ
ータで直接変調するゲインスイッチ法により、半値幅約
１０ｐｓｅｃ程度の第２高調波が得られてる。

発明が解決しようとする課題 上記従来の技術で述べたように、半導体レーザのＴＥモ
ード発振でのモード同期では、半導体レーザの中間端面
の残留反射率が大きいため、短パルス化の妨げとなって
いる。

また、波長変換型の短パルス発生では、チェレンコフ放
射された第２高調波は、導波路の厚み方向はコリメート
されているが、横方向は拡がり角約１４°の発散光であ
る。従って、点に集光するためピンホール等を用いた場
合には出力の多（がむだとなるため、実用化のためには
より高出力化が課題となっている。従って、短パルス光
の波長変換効率を大幅に向上させ、さらに、短パルス光
の幅を減少させることが課題となっている。

本発明の第１の目的は、半導体レーザを従来にないＴＭ
モード発撮でモード同期を行い、時間的に短い光パルス
を発生することである。

また、第２の目的は上記ＴＭモード発撮のモード同期半
導体レーザを先導波路型波長変換素子に結合し、従来よ
りも高出力で、時間的に短い光パルスを発生することで
ある。また、光導波路自体をモード同期半導体レーザの
一部にも含めることが可能である。

課題を解決するための手段 本発明の構成は以下に記載されるものである。

第１の端面に反射防止膜を施された半導体レーザと前記
第１の端面から出射されるレーザ光を平行光とする光学
系と、前記レーザ光を前記半導体レーザの第１の端面へ
帰還せしめる共振器面としての外部反射器と、前記半導
体レーザに電流注入を行うための電源を有し、レーザの
共振器としては、半導体レーザの第２の端面と前記外部
反射器により構成され、前記光学系と前記外部反射器の
間に偏光を制御する偏光器が、前記レーザ光のＴＭモー
ドのみ通過するように配置され、前記半導体レーザの第
１及び第２の端面から出射されるレーザ光がＴＭモード
でモード同期発振することを特徴とする超短光パルス半
導体レーザ装置である。

あるいは、第１の端面に反射防止膜を施された半導体レ
ーザと、前記第１の端面から出射されるレーザ光を結合
し、導波する光ファイバと、前記レーザ光を前記半導体
レーザの第１の端面へ帰還せしめる共振器面としての外
部反射器と、前記半導体レーザに電流注入を行うための
電源を有し、レーザの共振器としては、半導体レーザの
第２の端面と前記外部反射器により構成され、前記光フ
ァイバと前記外部反射器の間に偏光を制御する偏光器が
、前記レーザ光のＴＭモードのみ通過するように配置さ
れ、前記半導体レーザの第１及び第２の端面から出射さ
れるレーザ光がＴＭモードでモード同期発振することを
特徴とする、超短光パルス半導体レーザ装置である。ま
た、波長制御器としてのエタロンが、前記偏光器と前記
外部反射体の間に配置されていてもよく、また外部反射
器として波長制御機能をもつ回折格子を用いてもよい。

あるいは上記した超短光パルス半導体レーザ装置を用い
て、前記半導体レーザの第２の端面から出射されるレー
ザ光が光導波路構造を有する波長変換素子に光学的に結
合した構造を備え、前記半導体レーザの第２の端面から
出射されるＴＭモードでモード同期発振する超短光パル
ス光を基本波として前記波長変換素子に結合し、前記波
長変換素子からの出力光として、前記基本波の第２高調
波を発生することを特徴とする波長変換型超短光パルス
発生装置である。

また、半導体レーザと光導波路構造を有する波長変換素
子が光学的に結合した構造を備え、前記半導体レーザに
電流注入を行うための電源を有し、前記半導体レーザは
前記波長変換素子と結合する第１の端面に反射防止膜を
有し、前記波長変換素子より遠い第２の端面に高反射膜
を有しており、前記波長変換素子は、前記半導体レーザ
と結合する第１の端面に基本波に対する反射防止膜を有
し、前記半導体レーザより遠い第２の端面に基本波とし
て結合されたレーザ光を半導体レーザへ帰還せしめる外
部反射体として機能する高反射膜を有しており、前記波
長変換素子を伝搬する基本波の導波モードがＴＭモード
であり、半導体レーザ素子がＴＭモードでモード同期発
振することを特徴とする波長変換型超短光パルス発生装
置である。この時半導体レーザ素子を波長変換素子ベコ
リメートレンズとフォーカシングレンズで光学的に結合
しても良く、あるいは半導体レーザ素子と波長変換素子
がパット結合していてもよい。また半導体レーザとして
分布帰還型半導体レーザを用いてもよく、また半導体レ
ーザの内部に可飽和吸収領域を有してもよい。また電源
から半導体レーザに注入される電流が、半導体レーザの
第１の端面と外部反射体までの光学距１１１Ｌに対して
、そのラウンドトリップ周波数Ｃ／２Ｌ（Ｃ，光速）で
変調されていてもよい。

作　　　用 本発明は上記した構成により、モード同期半導体レーザ
の偏光を制御し、半導体レーザの中間端面の残留反射率
の小さいＴＭモードで発振させることにより、各外部共
振器モード間隔が等しくなるため、従来よりも時間的に
短い超短光パルスを発生することが可能となる。

また、波長変換を行った場合には、第２次高調波は、基
本波の出力の２乗に比例して変換されるため、さらに短
パルス化が可能となる。

実施例 以下に本発明を実施例を用いて説明する。

図に本発明の一実施例を示す。各手段に用いる番号は従
来例に用いた手段と同じ場合、同じ番号を用いて説明す
る。

第１及び第２のへき開端面１４及び１２により構成され
る半導体レーザ１６の活性層１０に、電源３８より電流
を注入する。反射防止膜１８が施された第１の端面１４
から出射したレーザ光４０はレンズ４２で平行光とされ
、偏光制御器としての偏光子４４．及び波長制御器とし
てのエタロン４６を通過し、外部反射器２２で反射され
半導体レーザ１６に光帰還される。この時偏光子４４を
半導体レーザ１６からの出射光のＴＭ偏光成分のみが通
過するように配置すると、レーザ光４０はＴＭモード３
４で発振する。本モード同期半導体レーザ装置の注入電
流をしきい値電流以下にバイアスし、外部共振器のラウ
ンドトリップ周波数で電流変調を行うと、へき開端面１
２から出射するレーザ光４８は超短光パルス全搬をする
。実際にはその超短光パルスの時間幅は、ストリークカ
メラあるいは第２次高調波変換器２例えばＬｉ１Ｏ。

のようなものを用いたオートコリレータで観測すること
が可能である。外部共振器長さ７．５ｃｍとすると、外
部共振器のラウンドドリップ周波数を２ＧＨｚとなり、
電源３８からの注入電流をその周波数で変調を行うと能
動モード同期が実現され、出射レーザ光４８のパルス幅
は１ピコ秒以下となる。すなわちモード同期発振する際
、光のスペクトルが第１２図すに示すように、各外部共
振モードが精密に等隔で並び、 一ν　　−ν　　−レや　なる関係が得らν９＋ｎ＋ｉ
　　　ｐａｎ　　　ｐａｎ　　　ｐ　ｎ−ｌれたことに
よる。すなわち従来報告されているモード同期半導体レ
ーザは、本発明で示したような、偏光を制御する手段と
しての偏光子４４を有していないため、常にＴＭモード
で発振し、従ってへき開端面１４の残留反射率の影響が
大であり、発振する光のスペクトルは第１２図（ａ）の
ように各外部共振モードの間隔は等しくな（シｆｆｉ＋
ｎ＋Ｉ−シｍａｎ≠νｎ＋。−νや　となってしまっｎ
−１ ており、各外部共振モードが同位相に同期して発損しに
（いため理想的なモード同期が得られに（いのである。

それに対して、本発明によるモード同期半導体レーザは
偏光を制御し、始めてＴＭモードで発振させているため
、従来よりも時間的に短かい超短光パルスを発生するこ
とが可能となるわけである。

第３図に半導体レーザをモード同期した時の、オートコ
リレータにより測定されるパルス波形を示す。第３図（
ａ）　、　（ｂ）はそれぞれ従来のＴＥモードでのモー
ド同期の場合、及びＴＭモードでのモード同期の場合で
ある。図から明らかなようにＴＭモードでのモード同期
の方が光パルスの幅を短かくすることが可能であること
は明らかである。

第２図に第２の実施例として光ファイバを用いたＴＭモ
ード同期半導体レーザ装置の場合を示す。第１の実施例
と概念的には同じであり、第１の実施例におけるレンズ
光学系を光ファイバに置き換えである。すなわち、反射
防止ＩＩＩ　１８の施された第１の端面１４から出射し
たレーザ光は、光ファイバ６４に結合され、光フアイバ
６４中を伝搬する。光ファイバの端面には偏光器４４及
び外部反射器２２が配置され、半導体レーザ１６からの
出射光のＴＭ酸成分みが通過するように偏光子４４を配
置すると、レーザ光６０はＴＭモードで発振する。電源
３８から注入する電流をしきい値電流以下にバイアスし
、外部共振器のラウンドトリップ周波数で電流変調を行
うと、第２の端面１２から出射するレーザ光６６は、超
短光パルス発振となる。

本発明においては第１の実施例では、波長制御器として
エタロンを用いて説明したが、いかなる波長制御器であ
ってもよい。回折格子は、波長制御器及び外部反射体と
しての機能を兼ね備える。

また半導体レーザととしては、通常のファプリーペロー
型半導体レーザのみならず、分布帰還型（ＤＦＢ）ある
いは分布反射型（ＤＢＲ）構造のレーザや、複合共振器
構成としたような単一モードレーザ１例えばＩＰＣレー
ザであってもよ（、この場合縦単一モードで発振するた
め波長制御器４６が含まれな（でも良い。また半導体レ
ーザ材料としては、発振波長０．７〜０．８μｍ帯のＡ
ｌＧａＡｓ系、１．２〜１．６μｍ帯のＩｎＰ系のみな
らず、他のあらゆる材料であってもよい。

また本実施例では電源３８からの注入電流を変調する能
動モード同期を示したが、半導体レーザ内部に可飽和吸
収領域を有し、ＣＷの注入電流で駆動した受動モード同
期であってもよい。

次に、波長変換型の超短光パルス発生装置の実施例につ
いて説明する。そもそもモード同期半導体レーザの波長
変換効率は、単一モード半導体レーザの場合の（２Ｎ２
＋１　）／３Ｎ倍に増加する。

ここで、Ｎは同期している縦モードの本数である。この
ことは、例えば、Ｆ、ザーニック、Ｊ。

Ｅ、ミツドウィンター「アプライド　ノンリニアオブテ
ィクスＪ　（Ｆ、ＺＥＲＮＩＫＥ　　ａｎｄＪ、Ｅ、Ｍ
ＩＤＷＩＮＴＥＲ″Ａｐｐ１ｉｅｄＮｏｎｌｉｎｅａｒ
　　０ｐｔｉｃｓ”）Ａ　ＷＩＬＥＹ−ＩＮＴＥＲ８Ｃ
ＩＥＮＣＥ　　ＰＵＢＬＩＣＡＴＩＯＮ　　ｐ、１１１
に詳しく記載されている。

また、モード同期半導体レーザの出力光パルスのパルス
幅は論理的には０．１ｐｓｅｃぐらいまで短パルス化が
可能であり、ゲインスイッチ法により発生させた場合の
１／１０〜１／１００程度に抑圧される。

従って、上に述べた本発明の実施例の構成によって、モ
ード同期された半導体レーザの短パルス出力を波長変換
することにより、第２高調波の高出力化および短パルス
化が可能となる。

第４図に本発明の第３の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。１６は波長０．８４μｍ
のＡｌＧａＡｓ半導体レーザ、５２．５６．７０はレン
ズ、４６はエタロン板、２２は外部反射器、４４は偏光
器、５８は波長変換素子、６０は光導波路である。半導
体レーザ１６の第１の端面には反射防止膜１８が施され
ている。波長変換素子５８は、Ｚ−ＣｕｔのＬｉＮｂＯ
３基板（サイズ２　Ｘ　２　Ｘ　６ｍ５）にプロトン交
換により光導波路（幅×厚み×長さ＝２μｍＸ０．４μ
ｍ　Ｘ　６　ｖｍ　）を形成したもので、基本波は最低
次ＴＭモード、高調波はＴＭ放射モードである。

半導体レーザ素子１６．レンズ７０および外部反射体２
２はモード同期半導体レーザを構成しており、半導体レ
ーザ素子１６の第１の端面より出射したレーザ光６８は
レンズ７０でコリメートされＴＭモードのみを通過する
偏光器４４及びエタロン板４６を通過し、外部反射体２
２で反射された後、再び半導体レーザ素子１６に帰還さ
れる。

半導体レーザ素子１６をしきい値電流以下にバイアスし
、変調周波数ｆ　　＝Ｃ／２Ｌ（Ｃは光速。

Ｌは半導体レーザ）端面１８と外部反射体２２間の光学
長）で変調することにより、モード間隔Δν＝Ｃ／２Ｌ
の各モードが同期して発振し、ＴＭモードの短パルス光
５０が発生する。

半導体レーザ１６の第２の端面１２より出射した短パル
ス光５０はレンズ５２でコリメートされ、レンズ５６で
光導波路６０に入射される。

光導波路６０に入射した基本波の一部は波長０．４２μ
ｍの第２高調波に波長変換されてチェレンコフ放射７２
として基板側に出力される。

第２高調波の強度は基本波の強度の２乗に比例するため
、第２の高調波のパルス光のパルス幅は基本波のパルス
幅よりも短（なる。本実施例では、パルス幅１０ｐｓｅ
ｃの基本波より７ｐｓｅＣの第２高調波が得られた。

第８図にストリークカメラで測定された第２高調波の光
パルス波形を示す。第１１図（ａ）及び（ｂ）はそれぞ
れ半導体レーザをゲインスイッチングした場合とＴＭモ
ードでモード同期した場合である。

図より明らかなようにＴＭモード同期した方がパルス幅
を時間的に短か（することが可能である。

第５図に本発明の第４の実施例を示す。本実施例は、第
２の実施例で示した、光ファイバを用いたＴＭモード同
期半導体レーザを波長変換素子に結合したものである。

従ってモード同期半導体レーザ部分の説明を省略する。

半導体レーザ１６の第２の端面１２から出射するＴＭモ
ードの短パルス光５０を、レンズ５２．５６を介して波
長変換素子５８上に形成された光導波路６０上に結合す
ると、第２高調波光７２がチェレンコフ放射として基板
側に出力される。

この第３及び第４の本発明の実施例で強調すべきことは
、第５図に示した従来例と比較すると、ＴＭモードでの
モード同期を用いているため以下の特長がある。λ／２
板を用いる必要がなく、容易に半導体レーザと光導波路
の高い結合が得られる。従来のゲインスイッチ法と比較
しても第２高調波光のパルス幅が短く、かつ高出力化が
可能である。

第６図に本発明の第５の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。

半導体レーザ１６の第１の端面には反射防止膜１８が第
２の端面には高反射膜７４が施されている。波長変換素
子５８の入射端には基本波の波長に対する反射防止膜７
６が、出射端には基本波に対する高反射膜７８が施され
ている。

半導体レーザ１６の出射光７８はレンズ５２゜５６を介
して波長変換素子５８に入射し、光導波路６０を導波し
た後、高反射膜７８で反射され再び半導体レーザ素子１
６に帰還される。光導波路６０はＴＥモードは放射モー
ドとなり、導波しないためＴＭモードのみが導波して半
導体レーザ素子１６に帰還されるため、半導体レーザ素
子１６はＴＭモードしきい利得がＴＥモードより小さ（
なり、１Ｍモード発振となる。

本実施例では、波長変換素子５８の高反射膜７８を施さ
れた端面を外部反射器としてモード同期半導体レーザを
構成しており、半導体レーザをしきい値電流以下にバイ
アスして変調周波数ｆ、＝Ｃ／２Ｌ　（Ｌは端面１８．
端面７８間の光学長）で変調することにより、小型かつ
安定な構成で第２高調波の短パルス光が得られる。

第７図に本発明の第６の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。

半導体レーザ素子１６と波長変換素子５８がバパット結
合されている以外は第５の実施例と同様であるが、レン
ズ系を用いないため装置がさらに小型化され、光軸合せ
も容易となる。

以上、第３〜第６の実施例においては、波長変換素子と
してＬｉＮｂ０．基板を用いたが、Ｌ　ｉ　Ｔａｇ、、
Ｌ　ｔ　１０．、ＨＩＯ３，ＫＮｂＯ３等の材料であっ
てもよい。また、位相整合は、導波モードと放射モード
間で行ったが、２つの導波モード間で行ってもよい。ま
たもちろん能動モード同期のみならず受動モード同期で
あってもよい。

発明の効果 以上のように本発明の超短光パルス半導体レーザ装置は
、従来にないＴＭモードを用いた装置であり、短い光パ
ルスを発生させることが可能である。従って光パルス発
掘器として高性能化されており、例えば光コンピュータ
の基準クロック光パルスとしても非常に有効である。ま
た光パルスの時間幅が小さいことにより、高ビツトレー
ト化が可能であり、外部変調器と組み合わさせると光通
信用光源としても適している。また本超短光パルス半導
体レーザ装置は、従来の装置と比較しても、光のスペク
トルとしての外部共振モードが精密に等しい周波数間隔
で並んでいるため、光の周波数基準として用いることも
可能である。また、モード同期技術によって発生した短
パルス光を波長変換することにより、従来のゲインスイ
ッチ法により発生した短パルス光の波長変換よりも変換
効率の向上および短パルス化が可能であり、また、波長
変換素子の出射端面でモード同期用の反射器を構成する
ことにより、装置の小型化も可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は本発明の第１および第２の実施例にお
ける超短光パルス半導体レーザ装置の概略構成図、第３
図はオートコリレータで測定されたＴＥモードでの短パ
ルス測定結果とＴＭモードでの短パルス測定結果をそれ
ぞれ示す特性図、第４図〜第７図は本発明の第３〜第６
の実施例における波長変換型超短光パルス発生装置の概
略構成図、第８図はストリークカメラで測定したゲイン
スイッチ法により得られた短パルスの波形とＴＭモード
のモード同期法により得られた短パルスの波形をそれぞ
れ示す特性図、第９図は従来のＴＥモードのモード同期
半導体レーザの概略構成図、第１Ｏ図は半導体レーザ端
面反射率の偏光依存性を示す特性図、第１１図は半導体
レーザをＴＭモード発娠させるための構造図、第１２図
は外部共振モード間隔の周波数分布についてＴＥモード
とＴＭモードの違いを示す図、第１３図は従来の波長変
換型超短光パルス発生装置の概略図、第１４図は半導体
レーザと波長変換素子の配置、半導体レーザのニアフィ
ールドパターンと偏光方向、波長変換素子内の導波可能
な光のニアフィールドパターンと偏光方向を示す図であ
る。 １０・・・・・・活性層、１２．１４・・・・・・へき
開面、１６・・・・・・半導体レーザ、１８．７６・・
・・・・反射防止膜、２２・・・・・・反射体、３４・
・・・・・ＴＭモード、３８・・・・・・電源、４０．
４８・・・・・・レーザ光、４２，５２．５６．７０・
・・・・・レンズ、４４・・・・・・偏光子、４６・・
・・・・エタロン、６４・・・・・・光ファイバ　５８
・・・・・・波長変換素子、６０・・・・・・光導波路
、７４．７８・・・・・・高反射膜。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　ほか１名第 図 ｄｅｌａｙ　ｔ；ｍｅ　（Ｐｓｅｃ） 弔 図 弔 図 Ｈ３，７６−反罰防止腹 ７２．７４−Ｋ　反＃　ｔｉｌｌ 粥 図 ｔｉｍｅ（Ｐｓｅｃ） ｔｉｍｅ　（ＰＳｅす 第１ ０図 活 粧 厚 （μｍ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）第１の端面に反射防止膜を施された半導体レーザ
   と、前記第１の端面から出射されるレーザ光を平行光と
   する光学系と、前記レーザ光を前記半導体レーザの第１
   の端面へ帰還せしめる共振器面としての外部反射器と、
   前記半導体レーザに電流注入を行うための電源を有し、
   レーザの共振器としては、半導体レーザの第２の端面と
   前記外部反射器により構成され、前記光学系と前記外部
   反射器の間に、偏光を制御する偏光器が、前記レーザ光
   のＴＭモードのみ通過するように配置され、前記半導体
   レーザの第１及び第２の端面から出射される前記レーザ
   光がＴＭモードでモード同期発振することを特徴とする
   超短光パルス半導体レーザ装置。 （２）第１の端面に反射防止膜を施された半導体レーザ
   と、前記第１の端面から出射されるレーザ光を結合し、
   導波する光ファイバと、前記レーザ光を前記半導体レー
   ザの第１の端面へ帰還せしめる共振器面としての外部反
   射器と、前記半導体レーザに電流注入を行うための電源
   を有し、レーザの共振器としては、半導体レーザの第２
   の端面と前記外部反射器により構成され、前記光ファイ
   バと前記外部反射器の間に、偏光を制御する偏光器が、
   前記レーザ光のＴＭモードのみ通過するように配置され
   、前記半導体レーザの第１及び第２の端面から出射され
   るレーザ光がＴＭモードでモード同期発振することを特
   徴とする超短光パルス半導体レーザ装置。 （３）波長制御器としてのエタロンが、前記偏光器と前
   記外部反射体の間に配置されていることを特徴とする請
   求項１又は２記載の超短光パルス半導体レーザ装置。 （４）外部反射器として波長制御機能をもつ回折格子を
   用いることを特徴とする請求項１又は２記載の超短光パ
   ルス半導体レーザ装置。 （５）請求項１又は２記載の超短光パルス半導体レーザ
   装置の第２の端面から出射されるレーザ光が、光導波路
   構造を有する波長変換素子に光学的に結合した構造を備
   え、前記半導体レーザ装置の第２の端面から出射される
   ＴＭモードでモード同期発振する超短光パルス光を基本
   波として前記波長変換素子に結合し、前記波長変換素子
   からの出力光として、前記基本波の第２高調波を発生す
   ることを特徴とする波長変換型超短光パルス発生装置。 （６）半導体レーザ装置と光導波路構造を有する波長変
   換素子が光学的に結合した構造を備え、前記半導体レー
   ザ装置に電流注入を行うための電源を有し、前記半導体
   レーザ装置は前記波長変換素子と結合する第１の端面に
   反射防止膜を有し、前記波長変換素子より遠い第２の端
   面に高反射膜を有しており、前記波長変換素子は、前記
   半導体レーザ装置と結合する第１の端面に基本波に対す
   る反射防止膜を有し、前記半導体レーザ装置より遠い第
   ２の端面に基本波として結合されたレーザ光を前記半導
   体レーザ装置へ帰還せしめる外部反射体として機能する
   高反射膜を有しており、前記波長変換素子を伝搬する基
   本波の導波モードがＴＭモードであり、半導体レーザ装
   置がＴＭモードでモード同期発振することを特徴とする
   波長変換型超短光パルス発生装置。 （７）半導体レーザ装置を波長変換素子がコリメートレ
   ンズとフォーカシングレンズで光学的に結合したことを
   特徴とする請求項５又は６記載の波長変換型超短光パル
   ス発生装置。 （８）半導体レーザ装置を波長変換素子がパット結合し
   たことを特徴とする請求項５又は６記載の波長変換型超
   短光パルス発生装置。 （９）半導体レーザとして分布帰還型半導体レーザを用
   いる請求項１又は２に記載の超短光パルス半導体レーザ
   装置。 （１０）半導体レーザの内部に可飽和吸収領域を有する
   請求項１又は２に記載の超短光パルス半導体レーザ装置
   。 （１１）電源から半導体レーザに注入される電流が、半
   導体レーザの第１の端面と外部反射体までの光学距離Ｌ
   に対して、そのラウンドトリップ周波数Ｃ／２Ｌ（Ｃ；
   光速）で変調されていることを特徴とする請求項１又は
   ２に記載の超短光パルス半導体レーザ装置。（１２）半
   導体レーザ装置として分布帰還型半導体レーザ装置を用
   いる請求項５又は６に記載の波長変換型超短光パルス発
   生装置。 （１３）半導体レーザ装置の内部に可飽和吸収領域を有
   する請求項５又は６に記載の波長変換型超短光パルス発
   生装置。 （１４）電源から半導体レーザ装置に注入される電流が
   、半導体レーザ装置の第１の端面と外部反射体までの光
   学距離Ｌに対して、そのラウンドトリップ周波数Ｃ／２
   Ｌ（Ｃ；光速）で変調されていることを特徴とする請求
   項５又は６に記載の波長変換型超短光パルス発生装置。