(57)【要約】【課題】  短パルス化された光パルスが安定して得られる光パルス発生素子を提供する。【解決手段】  ｎ型基板３５上に、ｎ型バッファ層３６、ｎ型クラッド層３７、活性層３８、ｐ型クラッド層４０、及びｐ型キャップ層４１を順次積層し、基板３５の下面にｎ電極４４を設ける。また、キャップ層４１に形成されたストライプ状の突起部３０を３分割し、中央の突起部３０上にｐ電極４３、両側の突起部３０上にｐ電極４２を設け、ｐ電極４２にはレーザ駆動パルス電流を印加して利得領域３１とし、ｐ電極４３には逆バイアス電圧を印加して可飽和吸収領域３２とする。そして、導波路長を１００μｍ〜１５００μｍ、吸収領域長を１０μｍ〜５００μｍ、利得領域長を導波路長から吸収領域長及び分離領域長の総和を引いた長さとし、逆バイアス電圧を−１０Ｖ〜−４Ｖの電圧とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
活性層を第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層とで挟むように積層したダブルヘテロ構造を有するとともに、前記ダブルヘテロ構造の積層方向と直交方向にレーザ光共振器が構成され、
前記レーザ光共振器の長手方向に対し、前記第１導電型クラッド層を介して前記活性層に電流を供給する電極層を少なくとも２つに分割して、分割された前記電極層のうち少なくとも１つの前記電極層に逆バイアス電圧を印加して可飽和吸収領域とし、他の少なくとも１つの前記電極層にレーザ駆動パルス電流を印加して利得領域とし、前記可飽和吸収領域及び前記利得領域を除く領域を分離領域とし、
前記レーザ光共振器の長手方向での導波路長は１００μｍ以上１５００μｍ以下、前記可飽和吸収領域の長さは１０μｍ以上５００μｍ以下、前記利得領域の長さは前記導波路長から前記可飽和吸収領域長及び前記分離領域長の総和を引いた長さであるとともに、前記可飽和吸収領域での前記電極層に印加される前記逆バイアス電圧を−１０Ｖ以上−４Ｖ以下の電圧とすることを特徴とする光パルス発生素子。
【請求項２】
前記導波路長は１００μｍ以上５００μｍ以下、前記可飽和吸収領域長は１０μｍ以上１５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光パルス発生素子。
【請求項３】
前記利得領域での前記電極層に印加される前記レーザ駆動パルス電流は、電流値が０．４Ａ以上１Ａ以下、パルス幅が１ｎｓ以上１０ｎｓ以下であることを特徴とする請求項１または２記載の光パルス発生素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザを用いて超短パルス光を発生させる光パルス発生素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
小型、軽量で直接変調が可能な半導体レーザは、超短パルス光源として広く用いられている。
【０００３】
半導体レーザにおいてフェムト秒オーダのパルス発光を得る方法について、例えば、光学２９巻８号 p.495（非特許文献１）では、モードロック半導体レーザを用いた９５０ｆｓのパルス幅でのパルス発光が報告されている。しかしながら、モードロック半導体レーザは、一般的にレーザ駆動の閾値をわずかに上回る程度の駆動電流で動作させることが多い。また、このような半導体レーザは基本的にはレーザ発振動作によるため、発振時のキャリア密度は閾値レベルに固定される。したがって、光パルスのピークパワーは例えばｍＷ程度であり、その高出力化は困難である。
【０００４】
一方、半導体レーザの共振器中に可飽和吸収領域を設け、逆バイアス電圧印加による可飽和吸収と、利得スイッチング法とを併用する受動Ｑスイッチング法により、パルス幅が１．６ｐｓ、光パルスのピークパワーが１０Ｗの光パルスを得たとの報告がある（P.P.Vasil'ev, I.H.White, D.Burns, and W.Sibbett, CLEO'93, Baltimore, Paper CThC8 (1993) 、非特許文献２）。この方法は、他のモード同期法などと比較して、数１０倍のピークパワーが得られるのが特徴である。また、特開平１０−２２９２５２号公報（特許文献１）に記載された光パルス発生素子では、同様の構成において活性層直近にノンドープクラッド層を設けることによって可飽和吸収動作の応答速度の向上を図り、サブピコ秒の光パルスを得ている。
【０００５】
受動Ｑスイッチング法を用いた半導体レーザでは、例えば、ｎ型基板の底面にｎ電極を蒸着し、上面にｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層、ｐ型クラッド層、及びｐ型キャップ層を順次積層することによってレーザを構成する。このように、ｐ型、ｎ型もしくは中性の活性層をｐ型とｎ型のクラッド層で挟み込んだ構成をダブルヘテロ（ＤＨ：Double Hetero）構造という。
【０００６】
また、ｐ型キャップ層に、レーザ光共振器の長手方向に沿ってリッジストライプ状の突起部を設け、この突起部を長手方向に３分割するとともに、ｐ型キャップ層上に２つのｐ電極を形成する。そして、３分割された突起部のうち中央の突起部上に一方のｐ電極を積層し、両端の突起部上に他方のｐ電極を積層する。このとき、２つのｐ電極が接触しない構成とすることにより、２つのｐ電極のそれぞれとｎ電極との間には異なる電界を印加することができる。この結果、半導体レーザの共振器部分は電気的に３つの領域に分割されて、その中央を可飽和吸収領域、両側を利得領域とすることができる。
【０００７】
すなわち、これらの領域のうち、利得領域にレーザ駆動電流として変調電流を印加すると、光パルスが変調される。また、可飽和吸収領域にＤＣ逆バイアス電圧を印加すると、可飽和吸収現象が強調される。したがって、これらの両者を併用することにより、光パルスの高出力化、短パルス化を実現することができる。
【特許文献１】特開平１０−２２９２５２号公報
【非特許文献１】光学２９巻８号 p.495 、２０００年
【非特許文献２】P.P.Vasil'ev, I.H.White, D.Burns, and W.Sibbett, CLEO'93, Baltimore, Paper CThC8 (1993)
【非特許文献３】P.P.Vasil'ev, H.Kan, H.Ohta, and T.Hiruma, "Experimental evidence of condensation of electron-hole pairs at room temperature during femtosecond cooperative emission", Phys. Rev. B Vol.64, p.195209-1 (2001)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、従来のＤＨ構造の半導体レーザでは、短パルス化された光パルスを安定して得ることが充分とは言えなかった。すなわち、受動Ｑスイッチング法を用いた上記構造の光パルス発生素子においては、レーザ光共振器での導波路長（共振器長）、可飽和吸収領域長、レーザ駆動パルス電流のパルス幅、駆動電流ピーク値、可飽和吸収のための逆バイアス電圧値など、その動作に影響するパラメータが非常に多く、それらの好適なパラメータ範囲等が明確ではなかった。
【０００９】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能な光パルス発生素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明による光パルス発生素子は、（１）活性層を第１導電型クラッド層と第２導電型クラッド層とで挟むように積層したダブルヘテロ構造を有するとともに、ダブルヘテロ構造の積層方向と直交方向にレーザ光共振器が構成され、（２）レーザ光共振器の長手方向に対し、第１導電型クラッド層を介して活性層に電流を供給する電極層を少なくとも２つに分割して、分割された電極層のうち少なくとも１つの電極層に逆バイアス電圧を印加して可飽和吸収領域とし、他の少なくとも１つの電極層にレーザ駆動パルス電流を印加して利得領域とし、可飽和吸収領域及び利得領域を除く領域を分離領域とし、（３）レーザ光共振器の長手方向での導波路長は１００μｍ以上１５００μｍ以下、可飽和吸収領域の長さは１０μｍ以上５００μｍ以下、利得領域の長さは導波路長から可飽和吸収領域長及び分離領域長の総和を引いた長さであるとともに、可飽和吸収領域での電極層に印加される逆バイアス電圧を−１０Ｖ以上−４Ｖ以下の電圧とすることを特徴とする。
【００１１】
上記した光パルス発生素子においては、可飽和吸収領域に逆方向のＤＣバイアス電圧を印加することで吸収領域の応答速度を向上させるとともに、利得領域にＲＦバイアスを印加することで立ち上がりが俊敏で短パルス化された光パルスを得ることができる。また、具体的な素子構造及び動作条件について、導波路長、可飽和吸収領域長、利得領域長、及び逆バイアス電圧値の各パラメータを上記した範囲内に限定することにより、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能となる。
【００１２】
また、光パルス発生素子は、導波路長が１００μｍ以上５００μｍ以下、可飽和吸収領域長が１０μｍ以上１５０μｍ以下であることが好ましい。あるいは、利得領域での電極層に印加されるレーザ駆動パルス電流は、電流値が０．４Ａ以上１Ａ以下、パルス幅が１ｎｓ以上１０ｎｓ以下であることが好ましい。これにより、光パルスの短パルス化、及びその動作の安定化を向上することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ダブルヘテロ構造の光パルス発生素子において、導波路長、可飽和吸収領域長、利得領域長、及び逆バイアス電圧値の各パラメータを所定の範囲内に限定することにより、短パルス化された高ピーク出力の光パルスを得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面とともに本発明による光パルス発生素子の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１５】
図１は、本発明による光パルス発生素子の第１実施形態の構成を示す斜視図である。また、図２、図３は、それぞれ図１に示した光パルス発生素子のII−II矢印断面図、III−III矢印断面図である。ここで、図２は、光パルス発生素子におけるレーザ光共振器の長手方向に沿った断面図となっている。
【００１６】
まず、図２、図３を参照して、本実施形態による光パルス発生素子の積層構造について説明する。本光パルス発生素子はＤＨ構造を有しており、ＧａＡｓからなるｎ型基板３５の上面に、ＧａＡｓからなるｎ型バッファ層３６、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなるｎ型クラッド層３７、ＡｌxＧａ1-xＡｓからなるノンドーブ活性層３８、Ａｌ0.4Ｇａ0.6Ａｓからなるｐ型クラッド層４０、及びＧａＡｓからなるｐ型キャップ層４１が順次積層されている。また、ｎ型基板３５の下面にはｎ電極４４が蒸着されている。ここで、ｘ＜０．４である。
【００１７】
ｎ型基板３５上の各層は、例えばＭＯ−ＣＶＤ法によって積層される。各層の厚さについては、活性層３８の厚さは０．０５〜０．５μｍの範囲で設定することが好ましい。また、クラッド層３７、４０の厚さは、活性層３８への光の閉じ込めに充分な厚さであり、約２μｍとすることが好ましい。また、ｎ型バッファ層３６、ｐ型キャップ層４１は、それぞれ１μｍ程度の厚さとすることが好ましい。
【００１８】
さらに、図１に示すように、ｐ型キャップ層４１には、レーザ光共振器の長手方向に沿ってリッジストライプ状の突起部３０が形成されている。この突起部３０は、長手方向の２個所でｐ型キャップ層４１の上半分が除去されて、３つに分割されている。また、図３に示すように、突起部３０の頂面部分を除くｐ型キャップ層４１の表面には、絶縁性のＳｉＮ膜４５が堆積されている。ＳｉＮ膜４５上には、それぞれ凹字形状、凸字形状の２つのｐ電極４２、４３が積層されている。これらの２つのｐ電極４２、４３は、凹部と凸部とを向かい合わせにして、この部分が突起部３０で組み合わさるような形で配置されている。したがって、３分割された突起部３０のうち、中央の突起部３０上には凸字形状のｐ電極４３が、また、両端の突起部３０上には凹字形状のｐ電極４２がそれぞれ積層されている。
【００１９】
これらのｐ電極４２、４３は突起部３０の頂面部分でのみ、ｐ型キャップ層４１に直接接触している。その他の部分では、ｐ電極４２、４３と、ｐ型キャップ層４１との間に絶縁性のＳｉＮ膜４５が介在している。このため、活性層３８へと電流が注入される領域はストライプ状の突起部３０の直下の部分のみに制限されている。これにより、閾値電流を低減すると同時に、活性層３８においてストライプ状の領域にレーザ光を閉じ込める導波性を持たせて、発振する横モードを安定させている。この活性層３８でのレーザ光共振器の長手方向に沿った導波路長が、本光パルス発生素子での共振器長となる。また、この共振器の長手方向に位置する導波路端面（半導体端面）は、両方向ともへき開面である。
【００２０】
また、上記構造では、２つのｐ電極４２、４３が接触していないため、ｐ電極４２、４３のそれぞれとｎ電極４４との間に異なる電界を印加することができる。この結果、半導体部分３４は電気的に３つの領域に分割され、その中心が可飽和吸収領域３２、両側が利得領域３１となる。また、可飽和吸収領域３２及び利得領域３１を除く領域は、分離領域となっている。すなわち、図２に断面構造を示す共振器部分でみると、両側のｐ電極４２直下の利得領域３１が、表面にｐ電極が形成されていない分離領域３３を介して、中央のｐ電極４３直下の可飽和吸収領域３２を挟み込む構造となっている。
【００２１】
利得領域３１は、半導体部分３４のすべてと、ｐ電極４２、ｎ電極４４とを含んで構成されている。可飽和吸収領域３２は、半導体部分３４のすべてと、ｐ電極４３、ｎ電極４４とを含んで構成されている。分離領域３３は、ｐ電極及びｐ型キャップ層４１の上部分が除去されて残った部分と、他の半導体部分と、ｎ電極４４とを含んで構成されている。
【００２２】
ここで、図１に示した光パルス発生素子においては、上記したレーザ光共振器の長手方向での導波路長（共振器長）は１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲で設定されている。また、可飽和吸収領域３２の長さは１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲で設定されている。また、利得領域３１の長さは導波路長から可飽和吸収領域長及び分離領域長の総和を引いた長さとなっている。
【００２３】
次に、図１に示した光パルス発生素子の動作について説明する。図４は、光パルス発生素子の動作について示す模式図である。ここでは、図２と同様のレーザ光共振器の長手方向に沿った断面図によって光パルス発生素子を図示している。
【００２４】
利得領域３１に対応するｐ電極４２には、図４に模式的に示すように、利得領域３１に対してパルス電流を印加するための電流源が接続され、ｐ電極４２とｎ電極４４との間にレーザ駆動パルス電流が印加される。また、可飽和吸収領域３２に対応するｐ電極４３には、可飽和吸収領域３２に対して電圧を印加するための電源が接続され、ｐ電極４３とｎ電極４４との間にＤＣ逆バイアス電圧が印加される。
【００２５】
まず、レーザ駆動パルス電流が印加された利得領域３１では、パルス電流による入力電流が大きくなるにつれて活性層３８に電子が次第に蓄積される。そして、電子密度が発振閾値を超えた時点で、光子密度が急速に上昇してレーザ発振が起こる。これにより、蓄積された電子−正孔対が急速に消費され、発振閾値密度を下回った時点から光子密度が急速に減少してレーザ発振は停止する。これにより、図４に示すように、レーザ駆動パルス電流自体のパルス幅よりも短いパルス幅のレーザ光パルスが得られる。
【００２６】
また、この光パルスが可飽和吸収領域３２を通過すると、パルス前縁の光は吸収領域３２で吸収されるが、光出力がある閾値を超えると吸収が急激に減少し、この吸収領域３２は透明化して光パルスは透過する。これは、光励起された電子が吸収領域３２の伝導帯を埋めつくし、遷移に行き先がなくなるためである。その後、吸収領域３２内の光励起された電子は他の領域等に遷移して、吸収領域３２内の吸収率は再び上昇し光パルスが吸収される。この結果、光パルスを圧縮することになる。
【００２７】
ここで、吸収領域３２にバイアス電圧を印加していない場合には、光吸収がなくなってから復活するまでに、例えば１００ｎｓ（ナノ秒）程度の時間を要する。一方、吸収領域３２に逆バイアス電圧を印加すると、光吸収により発生した少数キャリアをはき出すことができ、最短では例えば０．１ｐｓ（ピコ秒）程度で光吸収を回復させることができる。この逆バイアス電圧については、−１０Ｖ以上−４Ｖ以下の電圧とすることが好ましい。
【００２８】
また、利得領域３１に印加される短パルス電流については、得られる光パルスのパルス幅を狭く、光出力を大きくするためには、そのパルス幅は１０ｎｓ以下で短ければ短いほど良い。また、その電流値は大きければ大きいほど良い。具体的には、レーザ駆動に用いられるパルス電流源の能力等を考慮して、パルス電流の電流値が０．４Ａ以上１Ａ以下、パルス幅が１ｎｓ以上１０ｎｓ以下であることが好ましい。
【００２９】
上記実施形態による光パルス発生素子の効果について説明する。
【００３０】
図１〜図３に示した光パルス発生素子においては、可飽和吸収領域３２に逆方向のＤＣバイアス電圧を印加することで吸収領域３２の応答速度を向上させるとともに、利得領域３１にＲＦバイアスを印加することで立ち上がりが俊敏で短パルス化された光パルスを得ることができる。また、具体的な素子構造及び動作条件について、導波路長を１００μｍ〜１５００μｍ、可飽和吸収領域長を１０μｍ〜５００μｍ、利得領域長を（導波路長−可飽和吸収領域長−分離領域長の総和）とし、吸収領域３２での逆バイアス電圧を−１０Ｖ〜−４Ｖとして、各パラメータをそれぞれ所定範囲内に限定している。これにより、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能となる。例えば、このような光パルス発生素子によれば、パルス幅が１ｐｓ以下、ピークパワーが数１０Ｗ以上の高出力の超短パルス光を得ることが可能である。
【００３１】
ここで、導波路長及び各領域長については、導波路長を１００μｍ〜５００μｍ、可飽和吸収領域長を１０μｍ〜１５０μｍとすることがさらに好ましい。これにより、光パルスの短パルス化、及びその動作の安定化を向上することができる。なお、可飽和吸収領域長については、導波路長に応じて好適な値に設定すると良い。また、分離領域長については、例えば１０μｍ程度とすることが好ましい。
【００３２】
また、本実施形態においては、レーザ光共振器の長手方向に沿った構成については、２つの利得領域３１で可飽和吸収領域３２を挟み込む構造を用いている。このような構成では、レーザ光パルスが吸収領域３２において正面衝突し、飽和効果が高められる特徴がある。
【００３３】
なお、光パルス発生素子の積層構造については、図５に図１に示した光パルス発生素子の変形例を図２と同様の断面図によって示すように、ノンドープ活性層３８と、ｐ型クラッド層４０との間に、ＡｌyＧａ1-yＡｓからなるノンドープクラッド層３９（ただし、ｘ＜ｙ＜０．４）を設けても良い。このようにノンドープクラッド層３９を設けることにより、活性層３８のみの場合に比べて、可飽和吸収領域３２への逆バイアス電圧の印加によって形成される空乏層の厚さが厚くなるため、吸収領域３２の応答速度が速くなり、得られる光パルス幅を短くできる。
【００３４】
図６は、本発明による光パルス発生素子の第２実施形態の構成を示す斜視図である。ここで、図６に示す光パルス発生素子においても、その積層構造については、図１〜図３に示したものと同様である。
【００３５】
本実施形態においては、図６に示すように、ｐ型キャップ層４１には、レーザ光共振器の長手方向に沿ってリッジストライプ状の突起部５０が形成されている。この突起部５０は、長手方向の略中央の１個所でｐ型キャップ層４１の上半分が除去されて、２つに分割されている。また、突起部５０の頂面部分を除くｐ型キャップ層４１の表面には、絶縁性のＳｉＮ膜４５が堆積されている。ＳｉＮ膜４５上には、それぞれ突起部５０に向かって右側に凸状の部分を有する形状の２つのｐ電極４６、４７が積層されている。これらの２つのｐ電極４６、４７は、それぞれの凸部が突起部５０で組み合わさるような形で配置されている。したがって、２分割された突起部５０のうち、図６中で前方の突起部５０上にはｐ電極４７が、また、後方の突起部５０上にはｐ電極４６がそれぞれ積層されている。
【００３６】
これらのｐ電極４６、４７は突起部５０の頂面部分でのみ、ｐ型キャップ層４１に直接接触している。その他の部分では、ｐ電極４６、４７と、ｐ型キャップ層４１との間に絶縁性のＳｉＮ膜４５が介在している。また、２つのｐ電極４６、４７が接触していないため、ｐ電極４６、４７のそれぞれとｎ電極４４との間に異なる電界を印加することができる。この結果、半導体部分３４は電気的に２つの領域に分割され、その前方が可飽和吸収領域５２、後方が利得領域５１となる。また、可飽和吸収領域５２及び利得領域５１を除く領域は、分離領域となっている。すなわち、共振器部分でみると、後方のｐ電極４６直下の利得領域５１が、表面にｐ電極が形成されていない分離領域を介して、前方のｐ電極４７直下の可飽和吸収領域５２に対向する構造となっている。なお、本光パルス発生素子の動作、光パルス発生素子における導波路長、可飽和吸収領域長、利得領域長、逆バイアス電圧などのパラメータの範囲等については、図１に示した実施形態と同様である。
【００３７】
上記実施形態による光パルス発生素子の効果について説明する。
【００３８】
図６に示した光パルス発生素子においては、図１に示した発光素子と同様に、可飽和吸収領域５２に逆方向のＤＣバイアス電圧を印加することで吸収領域５２の応答速度を向上させるとともに、利得領域５１にＲＦバイアスを印加することで立ち上がりが俊敏で短パルス化された光パルスを得ることができる。また、具体的な素子構造及び動作条件についての各パラメータを所定範囲内に限定することにより、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能となる。
【００３９】
また、本実施形態においては、レーザ光共振器の長手方向に沿った構成については、利得領域５１と可飽和吸収領域５２とを１つずつ配置する構造を用いている。このように、利得領域及び可飽和吸収領域の配置構造については、様々な構造を用いることができる。なお、図６に示す２分割の構造では、利得領域５１及び吸収領域５２の領域長や大きさは同等である必要はなく、上記したパラメータ条件を満たす範囲で非対称な構造としても良い。
【００４０】
また、図１、図６に示した光パルス発生素子のいずれにおいても、へき開面からなる共振器の導波路端面には、必要に応じてＨＲ／ＡＲコーティングを施しても良い。ただし、往波と復波の干渉等を考慮して、短パルス化、大出力化に有利となるように設計することが好ましい。
【００４１】
本発明による光パルス発生素子の特性について、具体的な実施例とともに説明する。本実施例では、図１に示した構成の光パルス発生素子を用い、レーザ光共振器の長手方向での導波路長を３５０μｍ、突起部３０のストライプ幅を５μｍ、中央の可飽和吸収領域３２の領域長を８０μｍ、両側の利得領域３１の領域長をそれぞれ１２５μｍとした。このとき、分離領域長の総和は２０μｍである。
【００４２】
図７は、本光パルス発生素子で得られた光パルスの強度自己相関測定によるＳＨＧ自己相関波形を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸は時間（ｐｓ）を示し、縦軸はＳＨＧ強度を示している。実測から得られる半値全幅４６０ｆｓ（フェムト秒）に対し、パルス波形に非対称関数
Ｉ（ｔ）＝１／（ｅt＋ｅ-rt）2
を仮定（ｒ＝５）して得られる理論換算係数０．６４を用いて換算すると約３００ｆｓとなる。
【００４３】
図８は、光パルス発生素子の逆バイアス印加電圧０Ｖ、注入電流レーザ発振閾値付近での発光状態で得られる光パルスのスペクトルを示すグラフである。また、図９は、短パルス発光状態で得られる光パルスのスペクトルを示すグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は光子エネルギー（ｅＶ）を示し、縦軸は光強度（ａ．ｕ．）を示している。
【００４４】
図８において、グラフＡは印加電流を閾値以上としたときのレーザ光の発振スペクトルを示し、グラフＢは印加電流を閾値以下としたときの自然放出増幅光のスペクトルを示している。レーザ光スペクトルＡのピークエネルギーは１．４２４ｅＶ、自然放出増幅光スペクトルＢのピークエネルギーは１．４３２ｅＶとなっている。また、図中には、室温でのＧａＡｓのバンドギャップに相当するエネルギーを矢印で示している。
【００４５】
一方、図９には、可飽和吸収領域に印加する逆バイアス電圧を−４．２Ｖ〜−７．１Ｖの範囲で変化させたときの光スペクトルの変化を示している。このグラフより、逆バイアス電圧を−４．２Ｖから−７．１Ｖへと変化させると、発光のピークエネルギーが１．４２ｅＶ付近から低エネルギー側にシフトし、１．４０６ｅＶまで変化していることがわかる。ここで、図中の点線は室温でのＧａＡｓのバンドギャップを示しているが、短パルス発光状態での発光はこのバンドギャップよりもさらに低エネルギー側で発生している。
【００４６】
図１０は、光パルス発生素子で発生する光パルスの時間分解分光測定による測定結果を示すグラフである。図１０（ａ）は、図８のグラフＡに相当する通常の発光状態での測定結果を示すグラフである。図１０（ｂ）は、図９に相当する短パルス発光状態での測定結果を示すグラフである。また、これらのグラフにおいて、横軸は周波数を示し、縦軸は時間を示している。
【００４７】
通常のレーザ発光を示す図１０（ａ）では、ＧａＡｓのバンドギャップに相当する光子エネルギー１．４２４ｅＶで、数ｎｓにわたって一定エネルギーで発光していることがわかる。これに対して、短パルス発光を示す図１０（ｂ）では、明らかに図１０（ａ）とは異なり、１．３９６ｅＶと低エネルギー側にシフトしたエネルギーで、かつ非常に短い時間に集中して強い発光がみられる。
【００４８】
図１０（ａ）に示すような通常のレーザ発光は、半導体材料での通常の自然放射、発光遷移を起源とする。これに対して、図１０（ｂ）に示す短パルス発光は、図１１に示す発光機構によって起こる。これは、電子−正孔対が非常に高密度（レーザ発振キャリア密度の数倍に相当）に存在する場合、通常のＧａＡｓのバンド内の最低エネルギー準位に縮退した準位を形成してコヒーレントに再結合するものである。このような発光機構は超放射といわれ、例えば P.P.Vasil'ev, H.Kan, H.Ohta, and T.Hiruma, Phys. Rev. B Vol.64, p.195209-1 (2001) （非特許文献３）などにおいてその物理が明らかにされてきている。そして、本発明による光パルス発生素子では、上記のように各パラメータの範囲を限定することにより、図１１に示す超放射を利用した短パルス幅、高出力の光パルスを実現している。このような発光機構では、通常のレーザ発振ではキャリア寿命で制限される短パルス化が、その限界を破り、例えば数１００ｆｓのパルス幅を得ることができる。
【００４９】
ここで、超放射による発光機構について説明しておく。超放射光の発生は、例えば花村榮一著「量子光学」５−２章（岩波書店）や Shuurmns et al., "Superfluorescence", Adv. Atom. Molecul. Phys. 17 , p.176 (1981) などにも紹介されているように、ＨＦ分子ガスやＣｓ原子ビームを媒体として観測されている。例えば、ＨＦ分子ガスを圧力制御して封入したセルに１００ｎｓのレーザ光パルスを照射することで、ＨＦ分子を励起して反転分布を形成する。このとき、セル内の圧力が低圧状態では各励起分子からの発光は独立であるため、分子の発光寿命によって決まる１ｓ程度のパルス発光が観測される。これは、いわゆるインコヒーレントな発光である。
【００５０】
これに対して、セル内の圧力を上昇すると、１μｓ程度の遅延時間を持ち幅２００ｎｓの鋭いパルス発光が得られ、その強度は１０10倍にも達する。また、このときの発光ピーク強度はＨＦ分子ガスの圧力の２乗に比例する。これらの実験事実から、この鋭いピークを持つ発光は自然放出光、自然放出増幅（ＡＳＥ）光、レーザ発振光のいずれでもなく、励起分子のコヒーレントな自然放射としての超放射光であると理解されている。
【００５１】
超放射光の特徴は、指向性を持ったビーム発光、遅延時間を持つ鋭いピーク発光、通常の自然放射に対して非常に大きなピーク強度を持つパルス発光、その強度が発光に関与する粒子数の２乗に比例することなどがある。また、励起強度に依存してピーク強度、パルス形状、遅延時間が変化する。
【００５２】
超放射が起きる条件は、超放射の遅延時間τDに対して反転分布をより短い時間で形成すること、光が励起場から逃げる時間τE＝Ｌ／ｃが励起粒子の縦緩和時間Ｔ１や横緩和時間Ｔ２よりも充分に短いこと、さらに、パルス幅τR及び遅延時間τDがτE＜τR＜τD＜Ｔ１、Ｔ２を満たす必要がある。例えば、Ｃｓ原子のレーザ励起による Gibbs らの実験では、τE＝０．０６７＜τR＝５＜τD＝１０＜Ｔ１＝７０、Ｔ２＝８０（ｎｓ）という条件である。
【００５３】
上記のように、ＨＦガスやＣｓ原子の緩和時間はナノ秒のオーダーである。また、特殊なガスのレーザでの励起、ガス圧力の制御、原子ビームの取扱いなど、特殊な環境下でなければ超放射を実現できず、いわゆる実験室レベルのものとなっている。また、その安定性や制御性に関しても疑問がある。これに対して、上記した光パルス発生素子では、半導体内において、新しい電子−正孔の状態による超放射光の発生を実現している。これは、超放射の実用化を進める上で大きな前進である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、短パルス化された光パルスを安定して得ることが可能な光パルス発生素子として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】光パルス発生素子の第１実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した光パルス発生素子のII−II矢印断面図である。
【図３】図１に示した光パルス発生素子のIII−III矢印断面図である。
【図４】図１に示した光パルス発生素子の動作について示す模式図である。
【図５】図１に示した光パルス発生素子の変形例を示す断面図である。
【図６】光パルス発生素子の第２実施形態の構成を示す斜視図である。
【図７】光パルスの強度自己相関測定によるＳＨＧ自己相関波形を示すグラフである。
【図８】光パルス発生素子の通常の発光状態で得られる光パルスのスペクトルを示すグラフである。
【図９】光パルス発生素子の短パルス発光状態で得られる光パルスのスペクトルを示すグラフである。
【図１０】光パルスの時間分解分光測定による測定結果を示すグラフである。
【図１１】光パルス発生素子における発光機構を示す図である。
【符号の説明】
【００５６】
３０…突起部、３１…利得領域、３２…可飽和吸収領域、３３…分離領域、３４…半導体部分、３５…ｎ型基板、３６…ｎ型バッファ層、３７…ｎ型クラッド層、３８…ノンドープ活性層、３９…ノンドープクラッド層、４０…ｐ型クラッド層、４１…ｐ型キャップ層、４２、４３…ｐ電極、４４…ｎ電極、４５…ＳｉＮ膜、４６、４７…ｐ電極、５０…突起部、５１…利得領域、５２…可飽和吸収領域。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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