(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型基板上に、ｎ型バッファ層、ｎ型クラッド層、活性層３８、ｐ型クラッド層、及びｐ型キャップ層を順次積層し、基板の下面にｎ電極４４を設ける。また、キャップ層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にはパルス電流を印加して利得領域とし、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とした半導体レーザ１０を構成する。そして、半導体レーザ１０から出力された光パルスの一部を光分岐器２５で分岐し、フィードバック光学系２１によって光パルス列のタイミング間隔と一致する遅延時間を付与してレーザ光共振器内へとフィードバックする。【選択図】  図８
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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するとともに、
前記レーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、所定の遅延時間で前記レーザ光共振器内へとフィードバックするフィードバック手段を備えることを特徴とする光パルス発生素子。
【請求項２】
前記フィードバック手段は、前記レーザ光共振器の一方の共振器端面から出力された光パルスを同じ共振器端面から再び入力することによって前記レーザ光共振器内へとフィードバックす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】
前記フィードバック手段は、前記レーザ光共振器から前方へと出力された光パルスの一部を分岐して前記レーザ光共振器内へとフィードバックす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。
【請求項４】
前記フィードバック手段は、前記レーザ光共振器から後方へと出力された光パルスを前記レーザ光共振器内へとフィードバックす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
【特許文献２】特開平１−１５０１２１号公報
【特許文献３】特開２００３−３１８９７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、光パルスの発光タイミングがパルス毎にずれるタイミングジッタが生じる場合がある。このようにタイミングジッタが発生すると、光パルスを用いて積算測定を行った場合に、そのパルス幅が広がって観測されてしまうという問題があった。
【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するとともに、（３）レーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、所定の遅延時間でレーザ光共振器内へとフィードバックするフィードバック手段を備え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、レーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、光パルス列のタイミング間隔に応じた所定の遅延時間でフィードバックする構成としている。これにより、出力された光パルスと、その次に出力される光パルスとの間に時間相関を持たせることができるので、タイミングジッタの発生を抑制して、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。また、このようなフィードバック手段は、例えば、必要な遅延時間に対応する光路長を有するフィードバック光学系によって構成することができる。
【００１２】
ここで、フィードバック手段は、レーザ光共振器の一方の共振器端面から出力された光パルスを同じ共振器端面から再び入力することによってレーザ光共振器内へとフィードバックすることが好ましい。これにより、出力された光パルスのレーザ光共振器内へのフィードバックを簡単な構成で実現することができる。
【００１３】
また、フィードバック手段は、レーザ光共振器から前方へと出力された光パルスの一部を分岐してレーザ光共振器内へとフィードバックすることとしても良い。あるいは、フィードバック手段は、レーザ光共振器から後方へと出力された光パルスをレーザ光共振器内へとフィードバックすることとしても良い。これらの構成を用いることにより、上記したフィードバック手段を好適に実現することができる。
【発明の効果】
【００１４】
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、出力された光パルスの一部をレーザ光共振器内へとフィードバックすることにより、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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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。
【００１６】
まず、本発明による光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの構成について説明する。図１は、光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの一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に示した半導体レーザのII−II矢印断面図、III−III矢印断面図である。ここで、図２は、半導体レーザ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。
【００１７】
まず、図２、図３を参照して、本実施形態による半導体レーザ１０の積層構造について説明する。本半導体レーザ１０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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、本半導体レーザ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（共振器端面）は、両方向ともへき開面である。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
ここで、図１に示した半導体レーザにおいては、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、例えば、１００μｍ以上１５００μｍ以下の範囲で設定される。また、可飽和吸収領域３２の長さは、例えば、１０μｍ以上５００μｍ以下の範囲で設定される。
【００２４】
次に、図１に示した半導体レーザ１０の動作について説明する。図４は、半導体レーザ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半導体レーザを図示している。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
さらに、このような構成の半導体レーザ１０によって得られる光パルスでは、その発光タイミング及び発光のタイミング間隔（繰返し周波数）は、利得領域３１に印加されるレーザ駆動パルス電流のタイミング及びタイミング間隔によって設定される。すなわち、半導体レーザ１０においては、利得領域３１に印加される短パルス電流のタイミング間隔に応じたタイミング間隔で光パルス列が出力される。この光パルスのタイミング間隔は、任意に設定して良いが、例えば数Ｈｚ〜数百ＭＨｚまでの設定が可能である。
【００３１】
次に、上記した半導体レーザ１０を用いた本発明による光パルス発生素子について説明する。図５は、本発明による光パルス発生素子の第１実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
【００３２】
本光パルス発生素子は、図１に示した構成を有する半導体レーザ１０を備え、半導体レーザ１０のレーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、所定の遅延時間でレーザ光共振器内へとフィードバックするように構成されている。本実施形態においては、半導体レーザ１０へとフィードバックする出力光としては、半導体レーザ１０のレーザ光共振器から前方へと出力された光パルスを用いている。
【００３３】
具体的には、図５に示す光パルス発生素子は、光分岐器２５と、フィードバック光学系２１とからなるフィードバック手段を備えている。光分岐器２５は、半導体レーザ１０でのレーザ光共振器の前方側の共振器端面と、半導体レーザ１０から出力された光パルスが照射される測定系との間の光路上の所定位置に配置された一部反射ミラーからなり、半導体レーザ１０から前方（測定系に向かう方向）へと出力された光パルスの一部を分岐してフィードバック光学系２１へと導く。また、光分岐器２５を透過した光パルスは、光パルスを利用する測定系へと導かれる。
【００３４】
フィードバック光学系２１は、半導体レーザ１０における光パルスの発光のタイミング間隔（利得領域３１に印加される短パルス電流のタイミング間隔）と一致する遅延時間が得られるように設定された光路長を有する遅延光学系である。光分岐器２５で分岐された光パルスは、フィードバック光学系２１によって所定の遅延時間が付与された後、再び前方側の共振器端面から半導体レーザ１０のレーザ光共振器内へとフィードバックされる。
【００３５】
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。
【００３６】
図５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、半導体レーザ１０における発光動作に対し、レーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、光分岐器２５及びフィードバック光学系２１によって、光パルス列のタイミング間隔と一致する所定の遅延時間でフィードバックする構成としている。これにより、出力された光パルスと、その次に出力される光パルスとの間に時間相関を持たせることができる。したがって、タイミングジッタの発生を抑制して、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。
【００３７】
すなわち、図１に示した構成の受動Ｑスイッチング法を用いた半導体レーザ１０では、光パルスの発光タイミングなどの発光条件がパルス毎にずれてタイミングジッタが生じる場合がある。ここで、図６は、図１に示した半導体レーザ１０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。ここでは、図１に示した構成において、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。
【００３８】
図６のグラフに示すように、半導体レーザ１０からの光パルスでは、タイミングジッタの影響により、積算された時間波形においてそのサイドローブに雑音光が発生する。これに対して、フィードバック光学系２１を介して光パルスの一部をフィードバックする本発明による光パルス発生素子によれば、図４に関して上述した半導体レーザ１０の動作において、利得領域３１でのレーザ発振や可飽和吸収領域３２の透明化などの過程によって、フィードバックされた光パルスがレーザ光共振器内での発光動作に影響を与え、光パルスの発光のトリガとなる。したがって、光パルスのフィードバックによる遅延時間を光パルスの発光のタイミング間隔と同期させ、前回に出力された光パルスと時間相関を持って次の光パルスが出力されることにより、光パルスのタイミングジッタを制御することが可能となる。
【００３９】
図７は、図５に示した光パルス発生素子で光パルスのフィードバックを行って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。このグラフに示すように、出力された光パルスの一部を、半導体レーザ１０のレーザ光共振器内へと光パルスの発光タイミングに合わせたタイミングでフィードバックすることにより、半導体レーザ１０でのタイミングジッタの発生が抑制されて、雑音光が低減される。また、タイミングジッタに起因する光パルスのパルス幅の広がりも低減される。なお、フィードバックされる光パルスに付与する遅延時間については、２回以上後の光パルスの発光タイミングに合わせてレーザ光共振器内にフィードバックされるように、光パルス列のタイミング間隔の整数倍に応じた遅延時間としても良い。
【００４０】
また、半導体レーザ１０のレーザ光共振器への光パルスのフィードバックについては、フィードバック光学系２１などのフィードバック手段は、レーザ光共振器の一方の共振器端面から出力された光パルスを同じ共振器端面から再び入力することによってレーザ光共振器内へとフィードバックすることが好ましい。これにより、出力された光パルスのレーザ光共振器内へのフィードバックを簡単な構成で実現することができる。
【００４１】
図５に示した光パルス発生素子は、具体的には様々な構成によって実現することができる。図８は、図５に示した光パルス発生素子の具体的な実施例を示す構成図である。本構成例においては、フィードバック光学系２１は、４つの反射ミラー２１ａ〜２１ｄによって構成されている。
【００４２】
半導体レーザ１０の前方側の共振器端面１０ａから出力され、光分岐器である一部反射ミラー２５によって分岐された光パルスは、反射ミラー２１ａを介して所定の距離（光路長）だけ離れて相対するように配置された一組の反射ミラー２１ｂ、２１ｃからなる遅延光学系へと入射される。そして、反射ミラー２１ｂ、２１ｃの間で所定回数だけ多重反射された光パルスは、反射ミラー２１ｄによって元の光路に向けて反射され、再び反射ミラー２１ｂ、２１ｃ、反射ミラー２１ａ、及び一部反射ミラー２５を介して、所定の遅延時間が付与されたフィードバック光パルスとして共振器端面１０ａから半導体レーザ１０のレーザ光共振器内へとフィードバックされる。
【００４３】
ここで、図１に示した半導体レーザ１０における短パルス発光は、その素子構造及び動作条件の設定等により、図９に示す発光機構（実線矢印）によって起こる場合がある。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。
【００４４】
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。一方、この超放射を半導体レーザ１０での発光機構として利用した場合、このような発光機構ではその原理から発光動作の揺らぎが大きく、タイミングジッタが大きくなる傾向がある。具体的には、非常に短時間で形成された密度の濃い理想的な反転分布を考えると、超放射過程でのコヒーレントな再結合による光パルスの発光タイミングは量子揺らぎの影響を受ける。
【００４５】
これに対して、図５に示した自己遅延フィードバック光学系２１を設けた光パルス発生素子によれば、光パルスがフィードバックされるタイミングを次の光パルスの発光タイミングと同期させて、光パルス同士が時間相関を持つように半導体レーザ１０での発光動作を制御することができる。これにより、超放射過程での量子揺らぎの影響が問題となる場合であっても、光パルス毎のタイミングジッタを一定に制御することが可能となる。
【００４６】
超放射による発光機構について、簡単に説明しておく。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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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することができる。
【００５１】
なお、利得領域及び可飽和吸収領域が設けられた半導体レーザに対して外部から光パルスを入力する構成については、特許文献２、３に記載がある。しかしながら、特許文献２においては、半導体レーザは、光ループ回路を含む光帯域通過フィルタからの光パルスを入力して光クロック信号を生成する光リミッタとして用いられている。また、特許文献３においては、半導体レーザに対して、別個に設けられた光源からの光パルスを入力している。すなわち、これらの特許文献２、３に記載された構成では、いずれも外部装置で生成された光パルスを入力することによって半導体レーザでの発光動作を制御している。
【００５２】
これに対して、本発明による光パルス発生素子では、利得領域３１及び可飽和吸収領域３２が設けられた半導体レーザ１０に対して、外部装置からの光パルスを入力するのではなく、半導体レーザ１０のレーザ光共振器から出力された光パルスの一部をフィードバックしている。このような構成によれば、半導体レーザ１０で生成される光パルス列において、異なる光パルス間に時間相関を持たせて、タイミングジッタの発生が充分に抑制された光パルス列を簡単な構成で実現することが可能となる。
【００５３】
図１０は、本発明による光パルス発生素子の第２実施形態の構成を概略的に示すブロック図である。
【００５４】
本光パルス発生素子は、図１に示した構成を有する半導体レーザ１０を備え、半導体レーザ１０のレーザ光共振器から出力された光パルスの一部を、所定の遅延時間でレーザ光共振器内へとフィードバックするように構成されている。本実施形態においては、半導体レーザ１０へとフィードバックする出力光としては、半導体レーザ１０のレーザ光共振器から後方へと出力された光パルスを用いている。すなわち、半導体レーザ１０では、前方のみでなく、後方（測定系とは反対の方向）へも一定の光が出力される。本光パルス発生素子においては、その後方光をフィードバックする光パルスとして用いている。
【００５５】
具体的には、図１０に示す光パルス発生素子は、フィードバック光学系２２からなるフィードバック手段を備えている。フィードバック光学系２２は、半導体レーザ１０における光パルスの発光のタイミング間隔と一致する遅延時間が得られるように設定された光路長を有する遅延光学系である。半導体レーザ１０でのレーザ光共振器の後方側の共振器端面から出力された光パルスは、フィードバック光学系２２によって所定の遅延時間が付与された後、再び後方側の共振器端面から半導体レーザ１０のレーザ光共振器内へとフィードバックされる。
【００５６】
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。
【００５７】
図１０に示した光パルス発生素子においては、半導体レーザ１０における発光動作に対し、レーザ光共振器から後方光として出力された光パルスを、フィードバック光学系２２によって、光パルス列のタイミング間隔と一致する所定の遅延時間でフィードバックする構成としている。これにより、前方へと出力された光パルスの一部を光分岐器２５及びフィードバック光学系２１によってフィードバックする図５の構成と同様に、出力された光パルスと、その次に出力される光パルスとの間に時間相関を持たせることができる。したがって、タイミングジッタの発生を抑制して、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。
【００５８】
また、このような構成では、半導体レーザ１０から測定系へと供給される光パルスに対して、図５に示したような光分岐器２５を設ける必要がない。これにより、出力された光パルスを効率的に測定系へと供給することができる。また、光パルス発生素子の構成を簡単化することができる。なお、フィードバックに用いられる光パルスの強度については、半導体レーザ１０の後方側の共振器端面での反射率等によって設定することができる。
【００５９】
図１１は、図１０に示した光パルス発生素子の具体的な実施例を示す構成図である。本構成例においては、フィードバック光学系２２は、フィードバック用光ファイバ２２ａによって構成されている。この光ファイバ２２ａは、半導体レーザ１０の後方側の共振器端面１０ｂへと光学的に接続されている。
【００６０】
半導体レーザ１０の後方側の共振器端面１０ｂから出力された光パルスは、光ファイバ２２ａからなる遅延光学系へと入射される。また、光ファイバ２２ａの半導体レーザ１０とは反対側の端部には、反射コーティング２２ｂが施されている。光ファイバ２２ａを通過した光パルスは、反射コーティング２２ｂによって元の光路に向けて反射され、再び光ファイバ２２ａを介して、所定の遅延時間が付与されたフィードバック光パルスとして共振器端面１０ｂから半導体レーザ１０のレーザ光共振器内へとフィードバックされる。例えば、光ファイバ２２ａとして長さ５〜１０ｍのシングルモードファイバを用いれば、２０〜３０ｎｓ程度の遅延時間を付与することができる。
【００６１】
本発明による光パルス発生素子は、上記した実施形態及び実施例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、光パルスをフィードバックするフィードバック光学系の具体的な構成については、図８及び図１１に示した実施例以外にも、様々な構成を用いて良い。また、半導体レーザの一方の共振器端面から出力された光パルスを他方の共振器端面から入力する構成としても良い。
【００６２】
また、光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの構成としては、図１に示した構成以外にも、様々な構成を用いることができる。
【００６３】
例えば、半導体レーザの積層構造については、図１２に図１に示した半導体レーザ１０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。
【００６４】
また、図１に示した半導体レーザ１０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、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。ただし、このような構成についても他の構成としても良い。
【００６５】
図１３は、本発明による光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの他の実施形態の構成を示す斜視図である。ここで、図１３に示す半導体レーザ１１においても、その積層構造については、図１に示したものと同様である。
【００６６】
本実施形態においては、図１３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１３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。
【００６７】
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、本半導体レーザ１１の動作等については、図１に示した実施形態と同様である。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。
【００６８】
また、図１、図１３に示した半導体レーザ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。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明は、タイミングジッタの発生を抑制して、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】
【００７０】
【図１】光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの一実施形態の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した半導体レーザのII−II矢印断面図である。
【図３】図１に示した半導体レーザのIII−III矢印断面図である。
【図４】図１に示した半導体レーザの動作について示す模式図である。
【図５】光パルス発生素子の第１実施形態の構成を示すブロック図である。
【図６】図１に示した半導体レーザ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。
【図７】図５に示した光パルス発生素子で光パルスのフィードバックを行って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。
【図８】図５に示した光パルス発生素子の具体的な実施例を示す構成図である。
【図９】光パルス発生素子における発光機構を示す図である。
【図１０】光パルス発生素子の第２実施形態の構成を示すブロック図である。
【図１１】図１０に示した光パルス発生素子の具体的な実施例を示す構成図である。
【図１２】図１に示した半導体レーザの変形例を示す断面図である。
【図１３】光パルス発生素子に用いられる半導体レーザの他の実施形態の構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０、１１…半導体レーザ、２１、２２…フィードバック光学系、２５…光分岐器、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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【図１２】
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【図１３】
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