(57)【要約】【課題】回路構成が簡潔で、広い範囲にわたって繰り返し周波数を変化させることができ、更に、タイミングジッタの低い光パルスを発生する光パルス発生器１００。【解決手段】出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器１１０と、ＲＦ信号発生器１１０の出力信号に基づく駆動電流を一端に受ける半導体レーザ１４０と、半導体レーザ１４０の一端に対して逆極性の一端に駆動電流を受ける整流器１５０とを備え、半導体レーザ１４０の他端および整流器１５０の他端が共通の電位に接続される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器と、
前記ＲＦ信号発生器の出力信号に基づく駆動電流を一端に受ける半導体レーザと、
前記半導体レーザの前記一端に対して逆極性の一端に前記駆動電流を受ける整流素子と
を備え、前記半導体レーザの他端および前記整流素子の他端が共通の電位に接続された光パルス発生器。
【請求項２】
前記ＲＦ信号発生器の出力の電位は、接地電位を中心に対称に変化する請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項３】
前記ＲＦ信号発生器の出力は、前記半導体レーザの閾値電流以下の電流値を中心に対称に変化する請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項４】
前記整流素子が半導体レーザである請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項５】
前記半導体レーザの前記一端は、インピーダンス整合器を介して前記ＲＦ信号発生器に接続される請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項６】
前記ＲＦ信号発生器の出力は、インピーダンス整合器を介して前記半導体レーザおよび前記整流素子の各一端に接続される請求項１に記載の光パルス発生器。
【請求項７】
出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器から駆動電流を供給され、
前記ＲＦ信号に基づいた駆動電流を一端に受ける半導体レーザと、
前記半導体レーザの前記一端に対して逆極性の一端に前記駆動電流を受ける整流素子と
を備え、前記半導体レーザの他端および前記整流素子の他端が共通の電位に接続された半導体レーザモジュール。
【請求項８】
出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器と、
前記ＲＦ信号発生器の出力信号に基づく駆動電流を一端に受ける整流素子と
を備え、前記整流素子の前記一端に対して逆極性の一端に前記駆動電流を受け、他端を前記整流素子の他端と共通の電位に接続された半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルス発生器、半導体レーザモジュールおよび半導体レーザ駆動装置に関する。より詳細には、半導体レーザを光源とし、パルス幅の短い光パルスを発生させる場合に使用する光パルス発生器、半導体レーザモジュールおよび半導体レーザ駆動装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
非常に短いパルス幅を有するパルスレーザ（以下、「光パルス」と記載する）は、光通信における信号伝送密度の向上にとどまらず、その空間局在性、高いピーク、広い波長帯域等を利用した計測、制御、加工等の分野への応用が期待される。光パルスを発生させる方法のひとつとして利得スイッチ駆動がある。
【０００３】
半導体レーザを利得スイッチ駆動する方法は、パルス幅が数十ピコ秒程度の光パルス列を発生できる。しかしながら、電気パルスの発生にコムジェネレータを用いた場合は、コムジェネレータの帯域の狭さ故に、繰り返し周波数を変化させ得る範囲が制限される。具体的には、１００ＭＨｚのコムジェネレータの発振周波数の範囲は、９０ＭＨｚから１１０ＭＨＺ程度の範囲でしかない。
【０００４】
一方、正弦波電気信号を用いた利得スイッチ駆動の場合は、繰り返し周波数を任意に設定できる。ただし、半導体レーザの極性に対して逆方向の電流が流れることは好ましくないので、正弦波信号にバイアス電流を重畳して極性が反転しないように調整された駆動電流が供給される。このため、半導体レーザの消光状態においても、閾値電流よりも低い直流電流が半導体レーザに流れる。この直流電流により半導体レーザ内部においてランダムな自然放出光が発生して、光子密度の揺らぎに起因するタイミングジッタが増加する。タイミングジッタは繰り返し周波数が低い場合に特に増加して、繰り返し周波数が１００ＭＨｚ程度と低い場合は１０ピコ秒程度の無視し得ない大きさになる。
【０００５】
下記特許文献１には、上記のようなタイミングジッタを低減させる方法が開示される。同文献に記載された光パルス発生装置では、電圧制御発振器を信号源として利得スイッチ駆動を行いつつ、発生した光パルスの一部を分岐して基準ＲＦ信号源に対して位相比較して帰還制御することにより、電圧制御発振器の発振周波数を基準ＲＦ信号に対して位相同期（ＰＬＬ）させる。これにより、タイミングジッタを１ピコ秒程度まで低減できると記載される。
【０００６】
また、他の方法として、利得スイッチ駆動する半導体レーザに、他の光源で発生した光を連続注入する方法も提案されている。下記特許文献２には、利得スイッチ駆動する半導体レーザの活性層に、外部から略等しい波長の誘電放出光を注入することにより、半導体レーザ内部の光子密度の揺らぎを抑制して、タイミングジッタを低減できることが記載される。
【特許文献１】特開２０００−０７７７６８号公報
【特許文献２】特開平１１−２８４２６６号公報
【非特許文献１】Ｏ．Ｏｈｔａ，  ｅｔ．  ａｌ．，  "Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ６５０  Ｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｐｕｌｓｅｓ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｇａｉｎ−Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ"  Ｊｐｎ．  Ａｐｐｌ．  Ｐｈｙｓ．，  Ｖｏｌ．３８，  ｐｐ．５９０５−５９０９（１９９９）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
位相同期（ＰＬＬ）により光パルスを安定化する方法は、高い精度が得られる反面、複雑で規模の大きな回路を用いなければならない。また、タイミングジッタの原因となる位相ノイズを低減できる範囲は、ＰＬＬ回路に実装されたループフィルタの帯域幅に依存する。このため、高速なタイミングジッタの抑制は難しい。
【０００８】
半導体レーザの活性層に誘導放出光を注入する方法は、高い周波数のタイミングジッタに対しては有効になる。しかしながら、非特許文献１に記載されるように、周波数の低いタイミングジッタの揺らぎを低減することは難しい。
【０００９】
更に、利得スイッチ駆動する半導体レーザを低ジッタ動作させるには、大きな電流を急峻な立ち上がり特性で半導体レーザに注入することが求められる。しかしながら、正弦波による利得スイッチ駆動の場合、発光素子の極性に対して逆方向の電流が流れることは避けなければならないので、印加できる信号振幅が制限される。
【００１０】
例えば光サンプリングの光源としての光パルス発生器は、繰り返し周波数を連続的に変化させて種々の周波数の被測定信号に対応できることが求められる。また、タイミングジッタが小さいことも求められる。しかしながら、上記のように、所望の光パルスを簡潔な回路構造で発生できる光パルス発生器はまだない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そこで、上記の課題を解決する目的で、本発明の第１の形態として、出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器と、ＲＦ信号発生器の出力信号に基づく駆動電流を一端に受ける半導体レーザと、半導体レーザの一端に対して逆極性の一端に駆動電流を受ける整流素子とを備え、半導体レーザの他端および整流器の他端が共通の電位に接続された光パルス発生器が提供される。
【００１２】
また、本発明の第２の形態として、出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器から駆動電流を供給され、ＲＦ信号に基づいた駆動電流を一端に受ける半導体レーザと、半導体レーザの一端に対して逆極性の一端に駆動電流を受ける整流素子とを備え、半導体レーザの他端および整流器の他端が共通の電位に接続された半導体レーザモジュールが提供される。
【００１３】
更に、本発明の第３の形態として、出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器と、ＲＦ信号発生器の出力信号に基づく駆動電流を一端に受ける整流素子とを備え、整流素子の一端に対して逆極性の一端に駆動電流を受け、他端を整流素子の他端と共通の電位に接続された半導体レーザを駆動する半導体レーザ駆動装置が提供される。
【００１４】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【実施例１】
【００１６】
図１は、ひとつの実施例に係る光パルス発生器１００の構造を模式的に示す回路図である。同図に示すように、この光パルス発生器１００は、半導体レーザ１４０を含む半導体レーザモジュール１８０と、半導体レーザモジュール１８０に対して供給される駆動電流の信号源となるＲＦ信号発生器１１０とを含んで形成される。
【００１７】
ＲＦ信号発生器１１０は、最終的に外部に出力する光パルスの繰り返し周波数と同じ周波数を有するＲＦ信号を発生する。ＲＦ信号発生器１１０の出力は、ＲＦ増幅器１２０において増幅された後、駆動電流として半導体レーザモジュール１８０に入力される。なお、ＲＦ増幅器１２０は、ＲＦ信号発生器１１０の出力信号を、例えば３０ｄＢｍまで増幅して１Ｗ程度の大電力を出力する。このような電力が、半導体レーザ１４０の極性に対して逆方向に印加されると半導体レーザ１４０が破壊される場合がある。
【００１８】
なお、半導体レーザ１４０としては、ファブリペロー型の半導体レーザ素子の他、ＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  ＦｅｅｄＢａｃｋ）レーザ、ＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ  Ｃａｖｉｔｙ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｌａｓｅｒ）等を用いることができる。整流器１５０としてはショットキーバリアダイオードを用いることができる。
【００１９】
半導体レーザモジュール１８０は、ＲＦ増幅器１２０に対するインターフェイスとなるインピーダンス整合器１３０と、一端をインピーダンス整合器１３０に接続された半導体レーザ１４０および整流器１５０とを備える。
【００２０】
ここで、半導体レーザ１４０および整流器１５０は互いに逆の極性を有する一端がインピーダンス整合器１３０に接続される。また、半導体レーザ１４０および整流器１５０の他端は接地電位に接続される。従って、極性の反転する電流が半導体レーザモジュール１８０に供給された場合、半導体レーザ１４０および整流器１５０に流れる電流は、それぞれ特定の極性を有す電流となる。
【００２１】
更に、この半導体レーザモジュール１８０は、半導体レーザ１４０から放射されたレーザ光を集光する光結合レンズ１６０と、光結合レンズ１６０により集光されたレーザ光を一端から注入される出力ポート光ファイバ１７０を備える。出力ポート光ファイバ１７０の他端は、半導体レーザモジュール１８０の外部に延在して、出力される光パルスの用途に応じて引き回される。
【００２２】
なお、上記半導体レーザモジュール１８０において、インピーダンス整合器１３０を省略しても光パルス発生器１００は動作する。しかしながら、駆動電流の流れる信号線路全体を５０Ωにインピーダンス整合させることにより、ＲＦ信号発生器１１０の出力信号のピーク値劣化を防止できる。
【００２３】
図２は、図１に示した光パルス発生器１００の各部における信号波形を示す図である。同図に示すように、ＲＦ信号発生器１１０の出力における信号波形Ａは正弦波であり、接地電位に対して対称な振幅を有する。
【００２４】
このように、ＲＦ信号発生器１１０の出力の電位は、ＧＮＤ電位を中心に対称に変化することができる。これにより、簡便な回路で、波形精度の高いＲＦ信号を発生させることがでる。
【００２５】
このような信号波形を有する駆動電流が半導体レーザモジュール１８０に供給された場合、信号波形Ａのうち、図中に点線で示す接地電位よりも低い範囲は、整流器１５０を流れる。従って、半導体レーザ１４０に注入される駆動電流の信号波形Ｂは、信号波形Ａの接地電位以上の範囲に限られる。信号波形Ｂを有する駆動電流により利得スイッチ駆動された半導体レーザ１４０は、出力ポート光ファイバ１７０から、信号波形Ｃを有する光パルスが出力される。また、光パルスの繰り返し周波数は、駆動電流の信号波形Ａの周波数と同じになる。
【００２６】
ここで、駆動電流の信号波形Ｂが接地電位から立ち上がっていない期間は、電流は整流器１５０に流れ、半導体レーザ１４０には流れない。従って、消光状態の半導体レーザ１４０に対して閾値以下の駆動電流が流れて自然発光を生じることはない。これにより、光子密度の揺らぎに起因するタイミングジッタが低減され、例えば１０ピコ秒から１ピコ秒程度まで抑制される。
【００２７】
また、半導体レーザ１４０の極性に対して逆方向の電流が整流器１５０に流れるので、駆動電流の振幅に対して制限がなく、半導体レーザ１４０の耐圧の範囲で、より大きな振幅を有する駆動電流を注入できる。更に、出力される光パルスの繰り返し周波数は、ＲＦ信号発生器１１０が出力する信号の周波数に依存するので、繰り返し周波数に対する制限もない。
【００２８】
このように、出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器１１０から駆動電流を供給され、ＲＦ信号に基づいた駆動電流を一端に受ける半導体レーザ１４０と、半導体レーザ１４０の一端に対して逆極性の一端に駆動電流を受ける整流器１５０とを備え、半導体レーザ１４０の他端および整流器１５０の他端を共通の電位に接続された半導体レーザモジュール１８０が提供される。これにより、出力の電位を接地電位に対して正負に変化させる多くの駆動装置により駆動して、タイミングジッタの抑制された光パルスを発生する光パルス発生器１００を形成できる。
【００２９】
また、ＲＦ信号発生器１１０までも一体として、出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器１１０と、ＲＦ信号発生器１１０の出力信号に基づく駆動電流を一端に受ける半導体レーザ１４０と、半導体レーザ１４０の一端に対して逆極性の一端に駆動電流を受ける整流器１５０とを備え、半導体レーザ１４０の他端および整流器１５０の他端が共通の電位に接続された光パルス発生器１００を形成できる。これにより、ＲＦ信号と同じ周波数の繰り返し周波数を有する光パルスを発生する光パルス発生器１００が提供される。この光パルス発生器１００の出力する光パルスでは、光子密度の揺らぎに起因するタイミングジッタが低減されている。従って、光通信、光加工、光サンプリング等に好適に利用できる。
【実施例２】
【００３０】
図３は、他の実施例に係る光パルス発生器２００の構造を模式的に示す回路図である。同図に示すように、この光パルス発生器２００の構造は、ＲＦ増幅器１２０にバイアス電流を供給するバイアス発生器１９０を備えている点において、図１に示した光パルス発生器１００と異なっている。他の部分において、図１に示した光パルス発生器１００と共通の構成要素には共通の参照番号を付して重複する説明を省く。
【００３１】
ここで、バイアス発生器１９０は、当初は接地電位にあったＲＦ信号の振幅の中点を接地電位に対して変化させることができ、半導体レーザ１４０の発光のタイミングを変化させてタイミングジッタを最小にすることができる。
【００３２】
図４は、図３に示した光パルス発生器２００の各部における信号波形を示す図である。同図に示すように、ＲＦ信号発生器１１０の出力における信号波形Ａは、図１に示した光パルス発生器１００と同じ正弦波であり、接地電位に対して対称な振幅を有する。しかしながら、バイアス発生器１９０から供給されたバイアス電流がＲＦ増幅器１２０において重畳されるので、半導体レーザモジュール１８０に供給される信号の信号波形Ｄは、半導体レーザ１４０の閾値電流値を中心に正負に対称な波形を有する。
【００３３】
このため、半導体レーザモジュール１８０においては、接地電位に対して高い側にシフトした信号波形Ｅを有する駆動電流が、半導体レーザ１４０に注入される。このように、ＲＦ信号発生器１１０の出力の電位は、半導体レーザ１４０の閾値電流に対して適切なバイアス電流を印加できる。
【実施例３】
【００３４】
図５は、また他の実施例に係る光パルス発生器３００の構造を模式的に示す回路図である。同図に示すように、この光パルス発生器３００の構造は、半導体レーザモジュール１８０において、半導体レーザ１４０に対して並列且つ逆極性で接続される整流器１５０に代わって、半導体レーザ１４５が用いられる点で、図１に示した光パルス発生器１００と異なっている。他の部分において、図１に示した光パルス発生器１００と共通の構成要素には共通の参照番号を付して重複する説明を省く。
【００３５】
ここで、整流器１５０として接続された半導体レーザ１４５もまた、光結合レンズ１６０を介して出力ポート光ファイバ１７０に光学的に結合される。これにより、半導体レーザモジュール１８０に供給される電流が半導体レーザ１４０の極性に対して順方向に流れる期間は、半導体レーザ１４５が光パルスを発生する。この半導体レーザ１４５から出射された光パルスも、出力ポート光ファイバ１７０から出力される。
【００３６】
図６は、図１に示した光パルス発生器３００の各部における信号波形を示す図である。同図に示すように、半導体レーザ１４０に対して注入される駆動電流の信号波形Ａは、図１に示した光パルス発生器１００と変わらない。
【００３７】
しかしながら、信号波形Ａにおいて点線で示す期間は、信号波形Ｇとして逆向きに接続された半導体レーザ１４５に注入される。従って、半導体レーザ１４５も、ＲＦ信号発生器１１０の出力信号の信号波形Ａと同じ周期の繰り返し周波数を有する光パルスを発生する。
【００３８】
既に説明した通り、半導体レーザ１４５から出力される光パルスも、半導体レーザ１４０の出力する光パルスと共通に出力ポート光ファイバ１７０から出力される。従って、出力ポート光ファイバ１７０から出射される光パルスは、信号波形Ｈとして示すように、ＲＦ信号発生器１１０出力の信号波形Ａの周期に対して２倍の繰り返し周波数を有する。
【実施例４】
【００３９】
図７は、更に他の実施例に係る光パルス発生器４００の構造を模式的に示す回路図である。同図に示すように、この光パルス発生器４００の構造は、整流器１５０が、半導体レーザモジュール１８０の外部に配置されている点において、図１に示した光パルス発生器１００と異なっている。換言すれば、半導体レーザ１４０だけがインピーダンス整合器１３０を介して駆動電流を供給される。他の部分において、図１に示した光パルス発生器１００と共通の構成要素には共通の参照番号を付して重複する説明を省く。
【００４０】
同図に示すように、この光パルス発生器４００は、ＲＦ増幅器１２０の出力に一端を接続され、他端を接地電位に接続された整流器１５０を備える。
【００４１】
図８は、図７に示した光パルス発生器４００の各部における信号波形を示す図である。同図に示すように、この光パルス発生器４００においても、ＲＦ信号発生器１１０の出力するＲＦ信号の信号波形Ａは、接地電位に対して対称な振幅を有する正弦波形を有する。従って、信号波形Ａを有するＲＦ信号を増幅したＲＦ増幅器１２０の出力波形（不図示）も、接地電位に対して対称な信号波形を有する。
【００４２】
しかしながら、ＲＦ増幅器１２０および半導体レーザモジュール１８０の間には整流器１５０が接続されている。従って、半導体レーザモジュール１８０に対する入力信号の信号波形Ｊには、接地電位よりも低い期間の振幅が無い。これにより、半導体レーザモジュール１８０において半導体レーザ１４０に注入される駆動電流は、図１に示した光パルス発生器１００における駆動電流と同じ信号波形Ｂを有するものとなる。従って、出力ポート光ファイバ１７０から出射される光パルスの信号波形Ｃも、光パルス発生器１００と同じになる。
【００４３】
このように、出力の電位を基準電位に対して正負に変化させる信号波形を有するＲＦ信号を発生して出力するＲＦ信号発生器１１０と、ＲＦ信号発生器１１０の出力信号に基づく駆動電流を一端に受ける整流器１５０とを備え、整流器１５０の一端に対して逆極性の一端に駆動電流を受け、他端を整流器１５０の他端と共通の電位に接続された半導体レーザ１４０を駆動する半導体レーザ駆動装置１８５が提供される。これにより、半導体レーザモジュール１８０には、半導体レーザ１４０を常時発光させる直流成分を含まず、且つ、半導体レーザ１４０を破壊する逆方向電流を含まない駆動電流が供給される。従って、光子密度の揺らぎに起因するタイミングジッタが抑制される。また、図中で点線により囲った半導体レーザ駆動装置１８５を独立して供給することにより、既存の半導体レーザモジュール１８０を用いて、タイミングジッタの抑制された光パルスを発生させることができる。
【００４４】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加え得ることが当業者に明らかである。また、その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることは、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】ひとつの実施例に係る光パルス発生器１００の構造を模式的に示す回路図である。
【図２】図１に示した光パルス発生器１００の各部における信号波形を示す図である。
【図３】他の実施例に係る光パルス発生器２００の構造を模式的に示す回路図である。
【図４】図３に示した光パルス発生器２００の各部における信号波形を示す図である。
【図５】また他の実施例に係る光パルス発生器３００の構造を模式的に示す回路図である。
【図６】図５に示した光パルス発生器３００の各部における信号波形を示す図である。
【図７】更に他の実施例に係る光パルス発生器４００の構造を模式的に示す回路図である。
【図８】図７に示した光パルス発生器４００の各部における信号波形を示す図である。
【符号の説明】
【００４６】
１００、２００、３００、４００  光パルス発生器、１１０  ＲＦ信号発生器、１２０  ＲＦ増幅器、１３０  インピーダンス整合器、１４０、１４５  半導体レーザ、１５０  整流器、１６０  光結合レンズ、１７０  出力ポート光ファイバ、１８０  半導体レーザモジュール、１８５  半導体レーザ駆動装置、１９０  バイアス発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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