(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のエピタキシャル層を含む多層積層体を有し、
前記エピタキシャル層は、低屈折率の半導体材料製の層と高屈折率の半導体材料製の層が交互に重ねられており、
前記高屈折率の層は、レーザの動作波長の４分の１の光学厚さを有し、
前記低屈折率層は、前記多層積層体の少なくとも上部の２つの層を除いて、動作波長の４分の１の光学厚さを有し、
前記少なくとも２つの低屈折率の上部層は、動作波長の８分の１の光学厚さを有し、
吸収材料製の量子井戸が、前記８分の１波長の層の間に挟まれた高屈折率材料の層の各々内に配置されている
ことを特徴とするレーザをモードロックするのに用いられる可飽和ブラグリフレクタ。
【請求項２】
前記高屈折率材料は、ＧａＡｓであり、
前記低屈折率材料は、ＡｌＡｓである
ことを特徴とする請求項１記載の可飽和ブラグリフレクタ。
【請求項３】
前記量子井戸材料はＩｎＧａＡｓである
ことを特徴とする請求項２記載の可飽和ブラグリフレクタ。
【請求項４】
前記高屈折率層はＡｌＧａＡｓで、低屈折率層はＡｌＡｓである
ことを特徴とする請求項１記載の可飽和ブラグリフレクタ。
【請求項５】
所望の波長領域で光学パルスを生成するモードロックレーザにおいて、
光学キャビティを規定する第１と第２の端部リフレクタと、
前記光学キャビティ内に配置され、ポンプエネルギーでポンピングされるゲイン媒体とを有し、前記第１端部リフレクタは可飽和ブラグリフレクタであり、
化合物半導体製の基板上に化合物半導体製の複数のエピタキシャル層を有し、
前記エピタキシャル層は低屈折率層と高屈折率層であり、それらが一対となり多重積層体を構成し、
前記高屈折率層は、レーザの動作波長の４分の１の光学厚さを有し、
前記低屈折率層は、前記多層積層体の少なくとも上部の２つの層を除いて、動作波長の４分の１の光学厚さを有し、
前記少なくとも２つの低屈折率の上部層は、動作波長の８分の１の光学厚さを有し、
吸収体材料からなる量子井戸が、高屈折率材料の層の中に配置されて前記８分の１波長の低屈折率層の間に挟まれる
ことを特徴とする所望の波長領域で光学パルスを生成するモードロックレーザ。
【請求項６】
前記高屈折率材料はＧａＡｓであり、
前記低屈折率材料はＡｌＡｓであり、
量子井戸はＩｎＧａＡｓの層である
ことを特徴とする請求項５記載のレーザ。
【請求項７】
多層積層体を有し、前記層は低屈折率半導体材料層と高屈折率の半導体材料層が交互に重ねられており、
前記積層体の上部近傍の少なくとも１つの高屈折率層は、吸収体として量子井戸を有し、
高屈折率層は、レーザの動作波長の４分の１の光学厚さを有し、低屈折率層は、量子井戸を有する高屈折率層の隣接する低屈折率層を除いて、レーザの動作波長の４分の１の光学厚さを有し、
量子井戸を有する高屈折率層に隣接している低屈折率層は、レーザの動作波長の８分の１の光学厚さを有する
ことを特徴とするモードロックレーザに用いられる可飽和ブラグリフレクタ。
【請求項８】
前記積層体の低屈折率層の上部の２つの層のみが動作波長の８分の１の光学厚さを有する
ことを特徴とする請求項７記載の可飽和ブラグリフレクタ。
【請求項９】
請求項７記載の可飽和ブラグリフレクタを１つの端部リフレクタとして有するゲイン媒体を収納する光学キャビティを有するモードロックレーザ。
【請求項１０】
請求項８記載の可飽和ブラグリフレクタを１つの端部リフレクタとして有するゲイン媒体を収納する光学キャビティを有するモードロックレーザ。
【請求項１１】
前記ゲイン媒体は光ファイバである
ことを特徴とする請求項９記載のモードロックレーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製の可飽和吸収体に関し、特にモードロックレーザにおいて可飽和吸収体をブラグ反射ミラーとして用いること、及びその結果得られたモードロックレーザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
モードロックレーザは、超短波（サブピコ秒以下のパルス幅）かつ高エネルギーを有する光学パルスの生成に用いられている。半導体製の可飽和吸収体は、ブラグリフレクタミラーのようなモードロックレーザで採用されている。
【０００３】
可飽和吸収体は、全ての弱い入射光を吸収するが、放射強度が充分高いレベル（飽和強度）になると、この可飽和吸収体は白くなり、さらに透明となり、その結果入射する放射光は、減衰率が低くなって透過するようになる。可飽和ブラグ吸収体は、非線形素子であり、入射する放射光に対してはシャッターとして機能し、その透明（透過）性は、特定の波長における入射光の強度の関数として変化する。可飽和ブラグ吸収体がブラグリフレクタミラーとしてレーザ内で用いられた場合には、この吸収体はレーザーの入射誘導放出の低損失リフレクタ（反射器）として不透明状態で機能し、そして共鳴キャビティの一方の壁として機能する。
【０００４】
米国特許第５，６２７，８５４号は、モードロック素子が可飽和ブラグリフレクタであり、そしてこのリフレクタが低屈折率層と高屈折率層を少なくとも２０層交互に重ねた積層体の上部に配置された低屈折率層内に量子井戸を組み込んでいるモードロックレーザを開示している。このように構成された非線形の反射器は、強度とは独立した応答性を有し、レーザの主発振キャビティ内で直接可飽和吸収を行うことができる。
【０００５】
多くのアプリケーションにおいては、レーザのゲイン媒体は、極めて小型で吸収材料と量子井戸はその数も少なくなり、そしてこのようなアプリケーションにおいては、吸収材料が配置される誘電体製のブラグリフレクタミラーの光学デザインにあまり影響及ぼさない。しかし、大きな変調深さが可飽和ブラグリフレクタに望ましいような高いゲインのレーザにおいては、従来の可飽和ブラグリフレクタの設計は、組み込むべき吸収体層の数がときには１０層以上必要となる。このような場合、吸収層の部分はミラーの設計において重要なファクタであり、大きな光学散乱を導入する傾向が高まるが、その理由は、吸収体層により導入された誘電体の不連続性が原因である。誘電体製の４分の１光学パス波長層内に多くの量子井戸が配置されている場合には、４分の１光学パス波長層の全数を増やさなければならず、そしてこれは、大きな散乱を引き起こすことになり、積層体内の量子井戸を最適に配置することができなくなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、モードロックレーザで使用される可飽和ブラグリフレクタ内に量子井戸吸収体層を導入した可飽和ブラグリフレクタを提供する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明によればモードロックレーザで使用される可飽和ブラグリフレクタを改善することができる。特に本発明の新たなリフレクタにおいては、積層体の上部は、動作波長の８分の１の光学厚さを有する少なくとも２つの最上部の低屈折率層を形成し、動作波長の４分の１の光学厚さを有する高屈折率層内に量子井戸を配置し、そしてこの高屈折率層を動作波長の８分の１の厚さを有する上記２つの最上部低屈折率層の間に挟み込むことにより変更した。量子井戸を挿入することは、その幅が比較的狭いためにそれが挿入される層の光学厚さにあまり影響を及ぼさず、その結果実際問題として層内に量子井戸が存在することはこのような層の厚さを用意（設計）する際に無視することができる。更にまた本発明の技術は、ごく短いパルス幅を得るためにさらに深い変調深さを達成するために８分の１波長の低屈折率の層の間に挟み込んだ量子井戸を具備する４分の１波長の高屈折率の層を追加することにより、より小型にできる（scalable）。
【０００８】
【発明の実施の形態】
図１に従来技術にかかる可飽和ブラグリフレクタの断面を示す。この可飽和ブラグリフレクタは、エピタキシャル層を成長させるのに適した化合物半導体（例；ＧａＡｓ）の単結晶基板（図示せず）を含む。その上に低屈折率の化合物半導体層１２と高屈折率の化合物半導体層１４を少なくとも２０層エピタキシャル成長させた層が分子ビームエピタキシー法により成長されている。これらの各層の厚さは、層内で所望の出力光の波長の約４分の１の厚さ（光学厚さ）を有し、そしてこの組み立て体は誘電体ミラーとして機能し、動作波長の光に対し高い反射性を有し、モードロックレーザに用いられる可飽和ブラグ吸収体の役目に必要なように飽和することはない。それを可飽和ブラグ吸収体に変換するために適切なエネルギーバンドギャップを有する量子井戸（quantum well;QW）が積層体の上部、あるいは上部近傍にある高屈折率の層の少なくとも１つの中に挿入される。
【０００９】
通常使用される層の組み合わせは、次の通りである。８５０ｎｍのレーザ波長で動作するために高屈折率層はＡｌＧａＡｓ製で、低屈折率層はＡｌＡｓ製で、量子井戸はＡｌＧａＡｓの層であり、この構成においては、ガリウムのモル分率は、高屈折率層内のそれよりも高い。１．０６μｍのレーザ波長で動作するためには、高屈折率層はＧａＡｓ製で、低屈折率層はＡｌＡｓ製で、量子井戸はＩｎ0.3Ｇａ0.7Ａｓの層である。
【００１０】
図２は、１．０６μｍで動作するレーザをモードロックするための本発明の可飽和ブラグリフレクタ２０の断面を示す。この可飽和ブラグリフレクタ２０は、単結晶のＧａＡｓ製基板を有し、その上に低屈折率（ＡｌＡｓ）製の層２２と高屈折率（ＧａＡｓ）製の層２４を交互にエピタキシャル成長させている。高屈折率層は動作波長の４分の１の厚さを有し、最後の上部の２つの層低屈折率上部層２６Ａ，低屈折率上部層２６Ｂを除き、高屈折率層は、動作波長の４分の１の光学厚さを有する。最後の２つの層低屈折率上部層２６Ａ，低屈折率上部層２６Ｂは、動作波長の８分の１の光学厚さを有する。さらにまた量子井戸２８は、ＩｎＧａＡｓのようなさらに低い屈折率の材料製で、約１００Å厚の層であり、これはＧａＡｓ製の最後の高屈折率層の中央近傍に配置される。このような量子井戸は他の層より遙かに薄いため文献が開示しているようにミラー設計にあまり影響を及ぼさない。
【００１１】
ある場合においては、より深い変調深さとより狭いパルス幅にとってはこのような量子井戸を複数有するのが好ましく、そしてこのような場合、各量子井戸は、高屈折率層材料の異なる最上部層内に別々に含ませられ、そして隣接する低屈折率層は、動作波長の８分の１にまでその厚さを減らされる。このような場合でも余分な層のミラー設計に対する材料の影響を有するためにその数は少なくなければならない。
【００１２】
図３は、レーザーをモードロックするための固体レーザ３０の光学キャビティ内に配置された可飽和ブラグリフレクタ（saturable Bragg reflector;SBR）を示す。Ｔｉ：サファイア軸方向ロッド３１はアルゴンレーザ３２により軸方向にポンピングされる。このＴｉ：サファイア軸方向ロッド３１は、モードロックレーザに光学ゲインを与える。レンズ３３は、アルゴンレーザ３２からのポンプビームを光学キャビティに結合するために用いられる。メインのレーザキャビティが高反射率ミラー３４と可飽和ブラグリフレクタ３５の間に配置される。ミラー３６とミラー３７は、光学信号をゲイン媒体としてのＴｉ：サファイア軸方向ロッド３１を軸方向に通過させる。ブリュースタープリズム３８とブリュースタープリズム３９は、調整可能な負と正の分散を与え、これはパルス整形に用いられる。ナイフエッジ４０が高反射率ミラー３４とブリュースタープリズム３８の間に配置してもよい。可飽和ブラグリフレクタ３５は、湾曲ミラー４１の焦点に配置される。レーザにより生成された光学パルスの出力結合は、部分的に透過な湾曲ミラー４１を介して与えあられ、その結果可飽和ブラグリフレクタ３５が漂白状態にあるときには、所望のパルスが出力される。
【００１３】
可飽和ブラグリフレクタの飽和がレーザをモードロックし、光学パルスのモードロックシーケンスを生成する。パルス幅は、可飽和ブラグリフレクタ３５の特性を制限する分散とバンド幅により決定される。上記のレーザを用いるとごく短い光学パルスが生成できる。
【００１４】
ブリュースタープリズム３８，ブリュースタープリズム３９により与えられた分散補償は、必要によってはレーザキャビティにより取り除くことができる。この場合、幅が増加したパルスがレーザから得られる。モードロックプロセスの自己開始（self-starting）は、飽和の非線形性が入射放射のエネルギーに依存し、強度には依存していないために容易に得られる。その結果モードロックレーザ内の可飽和ブラグリフレクタを使用することは、純粋なカーレンズ（pure Kerr lense）を採用したモードロックレーザよりも利点がある。
【００１５】
上記したレーザは、レーザロッド内を主軸方向に伝搬するために供給された光によるポンピングを容易に加速することができる。レーザロッドの側面から与えられる光によりレーザをポンピングすることも可能である。特にゲイン媒体は、光学的にポンプされるユーロピューム（europium）をドープした光ファイバである。
【００１６】
本発明の可飽和ブラグリフレクタを製造するためには、様々な材料の組み合わせを用いることができる。適宜の基板に格子マッチングした他のＩＩＩ−Ｖ属多層システムを用いることができる。ひずみを有する材料が基板材料の上に形成するようなミスマッチングも許容可能である。さらにまたＩＩ−ＶＩ属の化合物半導体及びＩＶ属の化合物半導体で可飽和ブラグリフレクタを造ることも可能である。
【００１７】
更にまた本発明は、上記以外のパルスレーザにも用いることができる。さらにまた本発明の原理は、自己開始用の自己同調強度依存性の合成リフレクタにも適用可能であり、そして米国特許出願第０９／０１６６２２号に開示されたモードロックレーザの動作安定にも適用可能である。このような合成ブラグリフレクタは、所望のレーザ発振のスペクトラムを越えた中間の反射率の第１内側部分と所望のレーザ発振のスペクトラム領域内で選択的に高い反射率を与える第２外側部分とを有する。このような合成リフレクタにおいて、本発明は第２外側部分として用いることができる。
【００１８】
さらにある場合には、動作波長の８分の１の光学厚さを有する低屈折率材料製の層の対を追加して、それらの間に動作波長の４分の１の光学厚さを有する高屈折率の層を挟み込み、そして吸収材料の量子井戸を収納することもできる。さらにまた多くの場合、量子井戸用に最上部に低屈折率層を用いるのが好ましく、またある場合には、量子井戸を積層構造の上部近傍の層内に挿入する場合には、付属の層を含ませてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】モードロックレーザに使用される可飽和ブラグリフレクタの従来の層構造を示す図。
【図２】本発明の一実施例の可飽和ブラグリフレクタの層構造を示す図。
【図３】図２に示された可飽和ブラグリフレクタが使用されるモードロックレーザを表すブロック図。
【符号の説明】
１０  可飽和ブラグリフレクタ
１２  低屈折率の化合物半導体層
１４  高屈折率の化合物半導体層
２０  可飽和ブラグリフレクタ
２２  低屈折率（ＡｌＡｓ）製の層
２４  高屈折率（ＧａＡｓ）製の層
２６Ａ，２６Ｂ  高屈折率上部層
２８  量子井戸
３０  固体レーザ
３１  Ｔｉ：サファイア軸方向ロッド
３２  アルゴンレーザ
３３  レンズ
３４  高反射率ミラー
３５  可飽和ブラグリフレクタ
３６，３７  ミラー
３８，３９  ブリュースタープリズム
４０  ナイフエッジ
４１  湾曲ミラー
【図１】
0003708805.tif 000002
【図２】
0003708805.tif 000003
【図３】
0003708805.tif 000004