(57)【要約】レーザ空洞共振器（４１０）を備えた周波数変調レーザであって、レーザ空洞共振器の位相変調セクション内にレーザ空洞共振器（４１０）の利得セクションが埋め込まれている。レーザ空洞共振器は、さらに電気感応材料を備えており、それによりレーザ空洞共振器（４１０）の両端間に印加される電界によって、レーザ空洞共振器（４１０）の屈折率が電界の変化の大きさに応じて変化する。屈折率がレーザ空洞共振器の長さに沿って一様に、かつ、同時に変化することにより、レーザ空洞共振器（４１０）内に生成されるレーザ光（４３０）の周波数が変調される。周波数変調の上限は、電界がレーザ空洞共振器を横断するのに要する伝搬時間によって制限されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気感応材料を含むレーザ空洞共振器であって、長さ次元および幅次元を有し、そして、前記長さ次元と実質的に平行に伝搬するレーザ光を生成するところのレーザ空洞共振器と、
前記レーザ空洞共振器の両端間にフィールドを印加するための手段であって、前記フィールドが、前記レーザ空洞共振器内をレーザ光が伝搬する方向に対して実質的に直角をなす方向に伝搬し、そして、前記レーザ空洞共振器の長さ次元に沿って常に実質的に同一の強度を有するところの手段と
を備えた装置。
【請求項２】
前記装置が周波数変調レーザを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記フィールドが一様な電界からなる、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
長さおよび幅を有するレーザ空洞共振器を提供するステップであって、前記レーザ空洞共振器は、レイジング状態を提供するところのステップと、
前記レーザ空洞共振器内にレーザ光を生成するステップであって、前記レーザ光は、前記レーザ空洞共振器の長さ次元と実質的に平行をなす方向に伝搬するところのステップと、
前記レーザ空洞共振器内の利得媒体に印加されるエネルギーを使用して、前記レイジング状態を維持するステップと、
前記レーザ空洞共振器に電気信号を印加して、フィールドを一様に生成し、そして、同時に、前記電気信号の振幅に比例して、屈折率を前記レーザ空洞共振器の長さに沿って変化させるステップと、そして、
前記レーザ光を前記レーザ空洞共振器外に伝送して、周波数変調レーザ光信号を提供するステップと
を含む方法。
【請求項５】
前記方法が、前記電気信号を使用してレーザ光信号を周波数変調するための方法からなる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記フィールドが電界からなる、請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
変化可能な屈折率を有する電気感応材料を含むレーザ空洞共振器であって、縦方向に一致した利得セクションおよび位相セクションを有しており、レーザ光が前記レーザ空洞共振器内を、前記レーザ空洞共振器の長さ次元と実質的に平行をなす方向に伝搬するところのレーザ空洞共振器と、
前記レーザ空洞共振器の両端間にフィールドを印加して、前記屈折率を前記レーザ空洞共振器の長さ次元に沿って実質的に同時に、かつ、実質的に一様に変化させるために配置された進行波構造であって、前記フィールドが前記進行波構造中を、前記レーザ空洞共振器内を伝搬するレーザ光の方向に対して実質的に直角をなす方向に伝搬するところの進行波構造と
を備えた装置。
【請求項８】
前記装置が周波数変調レーザからなる、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記フィールドが無線周波数フィールドからなる、請求項７または８に記載の装置。
【請求項１０】
フィールドを印加するための前記手段が、進行波構造からなっており、前記進行波構造は、前記レーザ空洞共振器の長さ次元に等しいか、または、それより広い幅を有しており、そして、前記レーザ空洞共振器の幅次元に等しいか、または、それより長い長さを有しており、前記フィールドは前記進行波構造の長さに沿って伝搬する、請求項１、２および３の何れか１つに記載の装置。
【請求項１１】
前記進行波構造が第１の電極および第２の電極を備えており、前記レーザ空洞共振器が前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置された、請求項７、８、９および１０のいずれか１つに記載の装置。
【請求項１２】
前記レイジング状態を維持する前記ステップが、前記レーザ空洞共振器の一端に光エネルギーを印加するステップを含む、請求項４、５および６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１３】
前記電気信号が、進行波構造中を伝搬する無線周波数信号であり、前記無線周波数信号は、前記レーザ光の伝搬方向に対して実質的に直角をなす方向に伝搬する、請求項４、５、および６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１４】
前記進行波構造が、第１の線路および第２の線路を有する伝送線路を備えており、前記レーザ空洞共振器が前記第１の線路と前記第２の線路との間に配置されており、前記第１の線路および前記第２の線路が、前記レーザ空洞共振器の長さ次元に等しいか、または、それより広い幅を有している、請求項７、８、９および１０のいずれか１つに記載の装置、または、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記進行波構造が、前記進行波構造の特性インピーダンスに等しいインピーダンスを備えた外部インピーダンスデバイスによって終端された、請求項７、８、９、１０および１１のいずれか１つに記載の装置、または、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記進行波構造が開回路によって終端された、請求項１５に記載の装置または方法。
【請求項１７】
前記レーザ空洞共振器が、レーザ半導体構造中のレーザ空洞共振器からなる、請求項１から３、請求項６から１１、および、請求項１５から１６のいずれか１つに記載の装置、または、請求項３から５、および、請求項１２から１３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１８】
前記レーザ空洞共振器が、ポンプレーザ内のレーザ空洞共振器からなる、請求項１から３、請求項６から１１、および、請求項１５から１６のいずれか１つに記載の装置、または、請求項３から５、および、請求項１２から１３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１９】
前記レーザがサイドポンプレーザからなる、請求項１８に記載の装置または方法。
【請求項２０】
前記レーザ空洞共振器がドープニオブ酸リチウムからなる、請求項１８に記載の方法または装置。
【請求項２１】
前記レーザ空洞共振器が、屈折率格子を周波数決定エレメントとして有し、前記屈折率格子が誘電率を有し、そして、前記フィールドが前記屈折率格子の前記誘電率を変化させる、請求項１から１８のいずれか１つに記載の方法または装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、光信号の周波数変調、より詳細には、ほぼ無限の変調速度で変調することができる周波数変調レーザに関する。本開示は、広変調帯域を有する周波数変調レーザについて記述したものである。
【背景技術】
【０００２】
米国政府とＨＲＬ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ  ＬＬＣとの間の契約により、本発明の権利は米国政府が所有している。
【０００３】
光信号上への情報の変調については、当分野で良く知られている。光信号の変調に使用されている変調技法の１つは、信号帯域より広い伝送帯域を利用することによって信号対雑音比（ＳＮＲ）を改善することができる周波数変調である。光信号を周波数変調することによる主要な利点は、情報の伝送に使用される光信号の搬送周波数が高いため、周波数変調に利用することができる帯域が広いことである。通常、通信システムは、搬送周波数の約１０％の帯域を提供している。したがって、搬送周波数が２００，０００ＧＨｚの１．５μｍ光システムは、２０，０００ＧＨｚの瞬時帯域を有しており、データを光信号上で極端に速いデータ転送速度で変調する能力を提供している。
【０００４】
光周波数で有効な広帯域を利用するためには、広変調帯域を提供する装置および技法を使用しなければならない。その手法の１つは、光レーザ源を外部光周波数変調器（つまり、適切なドライバを備えた位相変調器）に結合することであるが、外部変調器には、変調ＲＦフィールドおよび光搬送波の伝搬速度に整合する複雑な進行波構造が必要である。複雑性の少ない他の手法は、光レーザ源を直接周波数変調することである。
【０００５】
周波数変調レーザについては、当分野で良く知られている。周波数変調半導体レーザを提供するための従来の技法は、分布帰還型半導体（ＤＦＢ）レーザのドライブ電流を直接変調することである。ドライブ電流を変調することにより、商用ＤＦＢレーザのドライブ電流１ミリアンペア当たり約１５０ＭＨｚから３００ＭＨｚの周波数偏移が提供され、１０〜２０ＧＨｚの最大周波数スイングが得られるが、この手法には２つの重大な欠点がある。第１の欠点は、ドライブ電流を変調することによって、ＦＭ通信システムには望ましくない大きな振幅変調がもたらされることである。第２の欠点は、半導体デバイスの限界により、達成可能な上側の変調速度が、約２０ＧＨｚ程度でしかないことである。
【０００６】
図１は、周波数変調レーザを提供するための他の手法を示したものである。図１では、両端の部分ミラー１５によって画定されるレーザ空洞共振器１０は、長さが有限の位相変調器１３と結合した光利得セクション１１を備えている。部分ミラー１５は、レイジング効果に必要な反射率を提供している。利得セクション１１は、典型的にはレーザダイオードであり、また、位相変調器１３は、電圧を印加することによって屈折率が変化する（シュタルク効果）か、あるいは電流を注入することによって屈折率が変化するセクションである。レーザ空洞共振器１０の内部に位相変調器１３を備えることにより、位相変調器によってもたらされるあらゆる位相変調が周波数変調に変換される。この周波数変調への変換は、有効光空洞共振器長を変化させることによって、すなわちレーザ発振周波数を変化させることによって達成されている。
【０００７】
活性領域および位相変調領域を提供する半導体レーザについては、Ｅｍｕｒａらによる１９９４年６月２８日発行の「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ  Ｆｏｒ  Ｉｎｄｕｃｉｎｇ  Ｆｌａｔ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｒｅｓｐｏｎｓｅ  Ｉｎ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｌａｓｅｒ」という名称の米国特許第５，３２５，３８２号、およびＫａｗａｍｕｒａによる１９９６年１月２日発行の「Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ  Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｌｉｇｈｔ−Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ  Ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  Ｏｆ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」という名称の米国特許第５，４８１，５５９号に記載されている。Ｅｍｕｒａらは、比較的フラットな周波数変調応答を達成するべく、活性領域および位相変調領域の両方への変調電流の印加について記述している。また、Ｋａｗａｍｕｒａは、活性領域中の電界と位相変調領域中の変調電界とを分離するべく、活性領域と位相変調領域との間の接地電極の装備について記述している。
【０００８】
図１に示す周波数変調レーザの場合、レーザの瞬時周波数は、
【０００９】
【数１】
2004534389.tif 000003
で与えられる。ωは変調周波数、Ｔｐは位相変調器内の光の往復移動時間、Ｔｃは総往復移動時間（位相変調器セクション＋利得セクション）である。また、Φ０ｍは、
【００１０】
【数２】
2004534389.tif 000004
で与えられ、Δｎ０は屈折率の電気誘導変化、Ｌｐは位相変調器の長さ、λはレーザが放出する光の波長である。
【００１１】
Ｔｃは常にＴｐより長いため、分母の項が最初にゼロに近づき、図２に示す共振応答が生成される。１／Ｔｃの共振周波数のため、この従来技術による変調器は、共振周波数近辺の周波数変調に適用するべく使用することができず、そのために変調器の帯域が制限されている。したがって、この従来技術による変調器は、高忠実度高帯域アナログ光リンクには適切ではない。
【００１２】
上の式１におけるレーザ空洞共振器の総往復移動時間Ｔｃが、上の式１における位相変調セクション内の往復移動時間Ｔｐと全く同一のである場合、式１における２つのｓｉｎｃ項が相殺され、周波数応答はフラットになる。ＴｃとＴｐが等しい周波数変調レーザを生成することにより、ほぼ無限の帯域にわたって完全にフラットな応答を有するＦＭレーザが提供される。
【００１３】
ＴｃとＴｐを等しくするには２つの方法がある。１つは漸近的な方法であり、もう１つは絶対的な方法である。漸近手法は、利得セクションの長さを位相変調セクションの長さに対して極めて短くし、それによりＴｃを漸近的にＴｐに近づける手法である。絶対手法は、位相変調が生じないセクションの長さがゼロになるよう、利得セクションおよび位相変調セクションを一致させる手法である。
【００１４】
利得セクションおよび位相変調セクションが縦方向に一致した構造の１つは、図３のレーザデバイス３００に示す、Ａｍｍａｎらによって開発された二重ガイド構造である。二重ガイド構造は、その名称とは異なり、実際には単一ガイドデバイスである。このレーザデバイスは、同調ゾーンである位相変調セクション３１０と、活性ゾーンである利得セクション３２０の２つのセクションに分割されている。この２つのセクションの相対屈折率は、いずれも外部クラッド領域３３０の相対屈折率より大きくなっており、したがって、光ファイバの場合と同様に、光学モードはその中心に制限されている。薄くドープされた中心層領域３４０を使用して利得セクション３２０が順方向にバイアスされ、それにより媒体が反転し（利得用として）、かつ、位相変調セクション３１０が逆方向バイアスされ、それにより、電気光学効果によって、あるいはバンドエッジ効果または量子制限シュタルク効果のいずれかによってレーザ空洞共振器内の屈折率が制御される。基板３７０中にエッチングされたブラッグ格子３５０は、帰還構造の内部に内部反射を提供している。図３に示すデバイスは、大きな周波数偏りを得るために、順方向バイアスを実際に位相変調セクションに使用しているが、誘電率を制御するべく、逆バイアスを使用した類似のデバイスもある（例えば、Ｗｏｌｆらによる１９９４年７月２６日発行の「Ｍｏｄｕｌａｔａｂｌｅ  Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｅ  Ｆｏｒ  Ｈｉｇｈ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ」という名称の米国特許第５，３３３，１４１号に記述されている）。
【００１５】
動作に関しては、レーザ動作に必要な光利得を提供するために、利得セクション３２０に一定の電流を供給するべく、レーザ電極３６１にレーザ電流が印加される。レーザ構造３００の光周波数を変調するための位相変調セクション３１０を使用して屈折率を制御するべく、変調電極３６３に変調電流が印加される。
【００１６】
二重ガイドレーザデバイス３００の性能は、位相変調セクションが逆バイアスモードで動作している場合は、この構造の有限容量によって、また、位相変調セクションが順方向バイアスモードで動作している場合は、注入キャリアの再結合時間によって制限されている。逆バイアス構造の場合、位相変調セクション３１０および中心層領域３４０はコンデンサとして作用し、有限容量が提供される。この容量は、変調電極３６３に印加される変調信号の周波数を制限している。この容量は、位相変調セクション３１０のサイズを短縮することによって小さくすることができるが、そのために、デバイスによって提供される最大周波数偏りが小さくなる。順方向バイアスデバイスの場合は、周波数スイングを比較的大きくすることができるが、注入キャリアの再結合時間により、その最大変調速度は２００ＭＨｚである。
【００１７】
また、二重ガイドレーザデバイス３００によって提供される変調周波数は、変調電極３６３の中心に印加する高周波信号の無線周波数特性によって制限されている。変調電極３６３は、比較的長く、かつ、薄い金属層であるため、変調電極の中心に印加された高周波信号が、変調電極の中心から変調電極の端部へ向かって伝搬し、次に変調電極の端部で反射して中心に戻ることになる。したがって、高周波信号を印加することによって生じる電界が、均等な屈折率変化をレーザ空洞共振器内に同時にもたらすことはない。横方向ドライブ電極を備えることなく動作させる場合、変調信号の周波数が高くなるほど、あるいはデバイスの長さが長くなるほど、無線周波数伝搬効果により、二重ガイドレーザデバイス３００の変調有効性が低下する。以下で説明するように、本発明による横方向ドライブ電極により、変調有効性が改善される。
【００１８】
周波数変調レーザを放出するための既存の装置および方法には、極端に高い変調周波数での光の変調が制限されるという限界がある。レーザダイオードの直接変調速度は、光子寿命および注入キャリアの寿命によって制限されている。屈折率の変化を使用した外部周波数（位相）変調器には、ＲＦフィールドおよび光フィールドの伝搬速度に整合する進行波構造を使用しなければならないが、変調周波数が高くなるほど、この速度への整合を達成することが困難になる。
【００１９】
したがって、当分野には、帯域が極めて広い光信号周波数変調を提供する装置および方法が依然として必要である。
【特許文献１】
米国特許第５，３２５，３８２号
【特許文献２】
米国特許第５，４８１，５５９号
【特許文献３】
米国特許第５，３３３，１４１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって本発明の目的は、広帯域光信号周波数変調を提供するための装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
レーザ空洞共振器の利得セクションおよび位相変調セクションを縦方向に一致させ、かつ、位相変調セクション内の屈折率を一様に、かつ、同時に変化させる本発明の実施形態により、周波数変調レーザのための高変調速度が提供される。変調フィールドを横方向にレーザ空洞共振器を通過させることによって屈折率が変化し、それにより、変調フィールドの同時エレメントがレーザ空洞共振器の長さ全体にわたって同時に出現する。レーザ空洞共振器には、電界が存在すると屈折率が変化する材料を部分的に、あるいは完全に充填しなければならない。本発明によれば、屈折率をレーザ空洞共振器全体にわたって一様に変化させる必要がなく、レーザ空洞共振器の縦方向部分全体に沿った屈折率を一様に、かつ、同時に変化させるだけで良いことに留意されたい。進行波構造中の無線周波数フィールドが、光の伝搬方向に対して直角に伝搬するよう、進行波構造を使用してレーザ空洞共振器に電界が印加される。２つのフィールドが直角方向に伝搬するため、進行波構造は、光フィールドおよびＲＦフィールドの伝搬速度に整合する必要はない。
【００２２】
本発明による一実施形態により、長さ次元および幅次元を有し、長さ次元に実質的に平行に伝搬するレーザ光を生成する、電気感応材料を備えたレーザ空洞共振器と、レーザ空洞共振器内をレーザ光が伝搬する方向に対して実質的に直角をなす方向に伝搬する電界を前記レーザ空洞共振器の両端間に印加するための手段とを備えた周波数変調レーザが提供される。電界は、電界の変化と実質的に同時かつ同次にレーザ空洞共振器全体の屈折率が変化するように印加される。レーザ空洞共振器は、レーザ半導体構造内部の活性領域またはポンプレーザ内部のレーザ空洞共振器によって提供される。
【００２３】
本発明による他の実施形態により、電気信号を使用してレーザ光信号を周波数変調するための方法が提供される。前記方法には、長さおよび幅を有する、レイジング状態を提供するレーザ空洞共振器を提供するステップと、レーザ空洞共振器の長さ次元に実質的に平行をなす方向に伝搬するレーザ光をレーザ空洞共振器内に生成するステップと、前記レーザ空洞共振器内の利得媒体に印加されるエネルギーを使用してレイジング状態を維持するステップと、電気信号の振幅に比例して、屈折率をレーザ空洞共振器の長さ全体に沿って一様に、かつ、同時に変化させる電界を生成するべく、前記レーザ空洞共振器の両端間に電気信号を印加するステップと、周波数変調レーザ光信号を提供するべく、レーザ光をレーザ空洞共振器外に伝送するステップが含まれている。
【００２４】
本発明による他の実施形態により、電気感応材料を使用して製造されたレーザ空洞共振器と、レーザ空洞共振器内を伝搬するレーザ光の方向に対して実質的に直角をなす方向に伝搬する無線周波数フィールドをレーザ空洞共振器の両端間に印加するべく配置された進行波構造とを有する周波数変調レーザが提供される。無線周波数フィールドを変化させることにより、レーザ空洞共振器全体の屈折率が実質的に同時に、かつ、実質的に一様に変化する。レーザ空洞共振器は、レーザ半導体構造、ポンプレーザ、あるいは当分野で知られている他のレーザ構造中に設けることができる。進行波構造は伝送線路を備えていることが好ましく、また、レーザ空洞共振器は、無線周波数フィールドがレーザ空洞共振器の両端間に印加されるポイントにおける導体の幅がレーザ空洞共振器の長さに等しいかそれより広くなるように、伝送線路の導体間に配置されることが好ましい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、本発明について、本発明による好ましい実施形態を示した添付の図面を参照してより詳細に説明する。本発明は、多くの異なる形態で具体化することができるため、本発明を本明細書において説明する実施形態に限定するものとして捕らえてはならない。図面に示す層の厚さおよび領域は、分かり易くするために誇張されている。
【００２６】
本出願で使用されている「無線周波数」という用語は、直流から赤外周波数までの周波数で伝搬する電磁波を意味している。したがって、本出願で使用されている「無線周波数」には、それらに限定されないが、数百メガヘルツからテラヘルツを超える周波数のマイクロ波およびミリメートル波、および数十キロヘルツから数百メガヘルツまでの標準同報通信周波数が含まれている。
【００２７】
レーザ内における利得セクションの機能は、レーザから光を放出する際のエネルギーを徐々に置換することである。利得セクションのスペクトル感度が十分に広い場合、利得セクションは、レーザの周波数を決定するための基本的な役割は果たさない。レーザの周波数は、レーザ空洞共振器によってすべて決定され、したがってレーザのＦＭ応答は、無損失空洞共振器（利得媒体を存在させることによって無損失性になされたもの）のＦＭ応答を決定することによって決定される。
【００２８】
レーザ空洞共振器の誘電率を変化させることができる場合、レーザ空洞共振器から放出される光の周波数は、レーザ空洞共振器の誘電率が変化する速さと同一の速さで変化する。この現象は、レーザ空洞共振器内の光が、定在波パターンの形成を妨害する順方向進行波および逆方向進行波からなっていることによるものである。空洞共振器内の誘電率が瞬時変化すると、フィールドパターンは変化しないが、順方向進行波および逆方向進行波が互いに向かい合う方向に移動する速度が変化し、そのために定在波パターンが発振する速度が変化する。
【００２９】
超広帯域ＦＭレーザは、レーザ空洞共振器の誘電率を変化させることによって放出光の周波数が変化するこの特性を利用している。本発明による超広帯域ＦＭレーザにより、空洞共振器断面のすべてまたは一部の誘電率を空洞共振器の縦方向に沿って一様に、かつ、同時に変化させることができるレーザ空洞共振器を備えたレーザが提供される。このレーザ空洞共振器は、周波数決定エレメントとして屈折率格子を備えることができ、その場合、電界によってその格子の誘電率を変化させなければならない。また、このレーザ空洞共振器は、内部および外部損失を補償するための何らかの形態の利得媒体を備えており、それによってレイジング状態を維持している。
【００３０】
レーザ空洞共振器の誘電率は、レーザ空洞共振器を構成している材料の屈折率が変化することによって変化する。いくつかの光学材料の屈折率は、当分野で知られているように、電界の印加による電気光学効果によって変化させることができる。バンドエッジ効果および量子制限シュタルク効果など、当分野で知られている他の効果によっても、電界を印加することによって光学材料の屈折率を変化させることができる。本出願においては、電界を印加することによって屈折率が変化する光学材料を「電気感応」材料と呼んでいる。
【００３１】
図４は、レーザ空洞共振器内の屈折率の同次かつ同時変化を提供する、本発明によるレーザ構造４００を一般化して示したものである。図４に示すレーザ空洞共振器４１０は、伝送線路部分である幅の広い電極４２０で覆われている（接地平面は図示されていない）。レーザ空洞共振器４１０は電気感応材料を備えており、電界を印加することによって材料の屈折率が変化する。ＲＦ発生器４２２は、レーザ空洞共振器４１０内の屈折率を変化させるべく、ＲＦ信号４２４を電極４２０に印加している。部分ミラー４１５は、レイジング状態を維持し、かつ、レーザ光４３０をレーザ構造４００外に結合するために必要な光反射を提供している。電極４２０は、電極４２０の特性インピーダンスおよび整合接地平面を有する外部インピーダンス４２６によって終端されている。この構成の場合、ＲＦ信号４２４は、電極４２０に沿って、レーザ空洞共振器４１０を横切って単一方向に伝搬するため、ＲＦ信号の変化速度に無関係に、レーザ空洞共振器４１０のすべての部分に同一の時間的屈折率変化が出現する。
【００３２】
この手法の変形形態では、電極４２０がレーザ空洞共振器４１０の右側端で終わっており、かつ、外部インピーダンス４２６によって終端されていないため、進行波がレーザ空洞共振器の右側端で完全に反射し、順方向の進行波と反射したＲＦ波の合計によって、図４に示す構造の場合の２倍の振幅を有するフィールドが得られ、同一のＲＦ入力パワーに対して２倍の屈折率変化を達成している。
【００３３】
電極４２０およびその整合接地平面（図示せず）は、レーザ空洞共振器４１０のすべての部分に同時に同一のＲＦ信号を印加する能力を提供する進行波構造を備えている。電極４２０およびその整合接地平面は、標準マイクロストリップ、ストリップライン、共面ストリップまたは他の形態の伝送線路など、当分野で良く知られている進行波構造、およびスロットライン、共面導波路、さらには適切に設計された長方形マイクロ波導波路などの他の進行波構造を備えることができる。このような進行波構造により、平面波面を構造全体にわたって提供することができ、したがって、伝送線路の２つの部分の間に配置されたレーザ空洞共振器のすべての部分に同一のＲＦフィールドを提供することができる。標準マイクロストリップあるいはストリップライン伝送線路の幅は、通常、１ｍｍである。より長いレーザ空洞共振器を覆うべく、電極４２０の幅を広くする必要がある場合、若干の角度でテーパが施された電極を使用することにより、ＲＦフィールドを電極中に一様に広げることができる。図５は、本発明の他の実施形態によるレーザ構造４５０を示したもので、テーパが施された電極４２７が使用されている。
【００３４】
上側の変調速度は、ＲＦ信号がレーザ空洞共振器４１０の幅を横切るのに要する時間によって制限されている。一般的には、この領域の横断に必要な時間が９０°のＲＦ移相に対応する時間になると、変調応答が低下し始める。次の式３は、最大変調周波数を示している。
【００３５】
【数３】
2004534389.tif 000005
ｃは光速、ｎは屈折率、ｗはレーザ空洞共振器の幅である。通常、レーザ空洞共振器の幅はミクロンの単位で測定されるため、最大変調周波数は極めて高くなる。例えば、レーザ空洞共振器の幅が１０ミクロン（典型的な光導波路の幅である）で、屈折率（ｎ）が３の場合、最大変調周波数は、ｆｍａｘ＝２５００ＧＨｚである。既に言及した、ＲＦフィールドがレーザ空洞共振器の両端間を最初に順方向に伝搬し、次に逆方向に伝搬する変形態様の場合、最大変調周波数は、上の例の場合、上記値の半分すなわち１２５０ＧＨｚである。
【００３６】
図４に示すレーザ構造４００のレーザ空洞共振器４１０には、半導体レーザのレーザ空洞共振器を使用することができるが、レーザ空洞共振器の位相変調セクションおよび利得変調セクションは、上で考察した共振応答状態による帯域制限を回避するために、実質的に一致させなければならない。既に考察したように、Ａｍｍａｎらが開示している二重ガイド構造は、利得セクションおよび位相変調セクションが縦方向に一致した半導体レーザ構造を提供している。しかし、本発明は、既に考察した二重ガイド構造とは異なり、レーザ空洞共振器内の屈折率をレーザ空洞共振器の長さに沿って、すべての変調周波数で同時に、かつ、一様に変化させる電極構造を利用している。また、位相変調セクションおよび利得セクションが実質的に一致し、かつ、屈折率をレーザ空洞共振器の長さに沿って同時に、かつ、一様に変化させるべく、一様な電界を印加することができるレーザ空洞共振器が提供される限り、他の半導体レーザ構造を使用することも可能である。レーザ空洞共振器の内部に内部屈折率格子を使用する場合、周波数変調は、印加される電界を使用して格子の誘電率を変化させることによって達成される。
【００３７】
本発明による実施形態は、半導体レーザ構造に限定されない。図６は、本発明の代替実施形態によって提供されるポンプレーザ６００を示したものである。図６に示すポンプレーザ６００の場合、レーザ空洞共振器６１０は、第１のミラー６１２と第２のミラー６１３との間に配置されている。第１のミラー６１２は、ポンプエネルギー光６０１を１つの波長で照射することによってレーザ空洞共振器６１０を端面励起し、かつ、他の周波数のレーザ光を反射させることができる波長同調ミラーであることが好ましい。第２のミラー６１３は、レーザ空洞共振器６１０内のレーザ光の一部を透過して変調レーザ信号６０３を提供する部分ミラーからなっていることが好ましい。また、本発明により、レーザ空洞共振器６１０のサイドポンピングを使用することもできる。
【００３８】
レーザ空洞共振器６１０は、必要な利得を生成するためのドーパントを使用していることが好ましい電気感応材料を備えている。例えば、電気光学活性ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）結晶を成長させることによって、エルビウムまたはイッテルブイムのいずれかをドーパントとして持たせることができる。エルビウムまたはイッテルビウムのいずれかをドーパントとして使用して必要なレーザ利得を達成するためには、レーザ空洞共振器の長さを数センチメートルの長さにしなければならない。この長さ以上のドープＬｉＮｂＯ３結晶の製造については、当分野で知られている。
【００３９】
レーザ空洞共振器６１０は、レーザ空洞共振器の長さおよび幅全体にわたって電界を印加する２つの電極６２０と６３０の間に配置されている。電界は、２つの電極６２０および６３０に印加されるＲＦ信号の変化に比例して変化し、それによりレーザ空洞共振器６１０の電気光学活性材料中の屈折率が変化する。電極は、レーザ空洞共振器の長さおよび幅の両方に及んでいるため、屈折率は、レーザ空洞共振器の長さに沿って同時かつ同次に変化する。したがって、電極６２０と６３０の間に配置されたレーザ空洞共振器６１０は、ポンプレーザの利得セクションおよび位相変調セクションの両方の役割を果たしている。レーザ空洞共振器は、屈折率格子を複数の周波数決定エレメントの１つとして備えることができるが、その場合、レーザの周波数変調は、印加される電界を使用して格子の誘電率を変化させることによって達成される。
【００４０】
図７は、２つの電極６２０と６３０の間に配置されたレーザ空洞共振器６１０の斜視図を示したものである。図７に示すように、電極６２０および６３０は、電極に沿って伝搬するＲＦ信号６４４が確実に平面波面を有するよう、進行波構造として構成されている。ＲＦ信号が平面波面を有することにより、レーザ空洞共振器６１０内の屈折率が、ＲＦ信号の変化に応じて同時に変化する。また、電極を適切に設計することにより、印加されるフィールドの縦方向に沿った一様性が保証される。電極は、当分野で良く知られているマイクロ波ストリップラインを備えることができるが、他の電極幾何学および構成を使用することも可能である。
【００４１】
上で指摘したように、ＬｉＮｂＯ３結晶を成長させることによって、エルビウムまたはイッテルビウムのいずれかをドーパントとして持たせることができる。エルビウムまたはイッテルビウムはそれぞれ、１．５の光学利得すなわち１．０６ミクロンの波長を提供している。また、印加される電界による影響が比較的少ないが、ＬｉＮｂＯ３の電気光学効果が大きいため、電極６２０および６３０から印加される電界によって、所望の屈折率変化が生成される。他のドーパントおよび／またはホスト結晶の選択によっても同様の結果を得ることができる。
【００４２】
上で考察した本発明による実施形態を使用して達成することができる最大周波数スイングは、次式によって与えられる。
【００４３】
【数４】
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Δｆは周波数偏り、Δｎは屈折率変化である。周波数偏りおよび上側変調周波数は、式３によって与えられるように、いずれも空洞共振器の長さに依存していることに留意されたい。
【００４４】
以上の説明から、本発明が多くの利点を有しており、そのうちのいくつかを上で説明し、その他の利点は、本明細書において説明した本発明による実施形態に固有のものであることが理解されたことと思われる。また、本明細書において説明した主題の教示から逸脱することなく、本明細書において説明した周波数変調レーザに改変を加えることができることについても理解されよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲の各請求項による要求を除き、上で説明した実施形態に制限すべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来の周波数変調レーザの構造を示す図である（従来技術）。
【図２】従来のＦＭレーザの共振応答を示すグラフである。
【図３】利得セクションと位相セクションとを一致させるレーザダイオードの半導体構造を示す斜視図（従来技術）である。
【図４】本発明による周波数変調レーザの簡易略図である。
【図５】テーパが施された電極を使用した周波数変調レーザの略図である。
【図６】本発明の実施形態による周波数変調ポンプレーザの簡易側面図である。
【図７】図６に示す周波数変調ポンプレーザの斜視図である。
【図１】
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【図３】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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