JPH02395A - Semiconductor laser device and wave-length changing type ultrashort light pulse generator - Google Patents
Semiconductor laser device and wave-length changing type ultrashort light pulse generatorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は、光コンピユーテイング、光情報処理、光計測
、光通信等に応用される半導体レーザのモードロック技
術を用いた超短光パルス発生装置に関するものである。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to an ultrashort optical pulse generator using semiconductor laser mode-locking technology, which is applied to optical computing, optical information processing, optical measurement, optical communication, etc. It is related to.
従来の技術
本発明は、2つの主たる課題について提案される。1つ
の課題とは、従来より広く用いられる半導体レーザのT
Mモード発振でのモード同期よりも、ここで提案するT
Mモード発撮でのモード同期の方が超短光パルス発生に
明らかに有効であることについてである。もう1つの課
題とは、上記1つ目の新しい技術を用いた短波長の超短
光パルスを発生する波長変換型の超短光パルス発生装置
を提案するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention is proposed for two main problems. One issue is that the T
Rather than mode locking in M-mode oscillation, the T
This is about the fact that mode locking in M-mode shooting is clearly more effective in generating ultrashort optical pulses. Another problem is to propose a wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator that generates ultrashort optical pulses with short wavelengths using the first new technology described above.
まず第1の課題の背景について説明する。First, the background of the first issue will be explained.
半導体レーザを用いてピコ秒程度の時間幅の光パルスを
発生させるのは、光コンピュータ、光情報処理、光計測
、光通信への応用上、重要な技術である。同業者の間で
は公知の事実として、半導体レーザを用いて超短光パル
スを発生する方法の1つに半導体レーザを外部共娠器化
するモード同期技術があるこの技術を大別すると能動モ
ード同期(active mode−1ocking)
と受動モード同期(passive modeloc
king)の2つがある。これらは例えば、J、P、フ
ァンデアツイール“モードロッキング オブ セミコン
ダクター レーザーズセミコンダクターズアンドセミメ
タルズ(J。Generating optical pulses with a time width on the order of picoseconds using a semiconductor laser is an important technology for application to optical computers, optical information processing, optical measurement, and optical communications. It is a well-known fact among those in the industry that one of the methods of generating ultrashort optical pulses using a semiconductor laser is mode-locking technology that converts the semiconductor laser into an external co-container.This technology can be roughly divided into active mode-locking. (active mode-1ocking)
and passive mode lock
There are two types: king). These include, for example, J.P.
P、Vander Ziel、 “Mode L
oking of Somiconductor
La5ers Sem1conductors
and Semimetals、vol、22.P
art B、Chapter 1.Page 1
+(1985)に詳しく解説されている。能動モード同
期は半導体レーザへの注入電流を外部共振器のラウンド
トリップ周波数で変調を行う。受動モード同期は共振器
内に可飽和吸収体を含むことにより行う。いずれの場合
も外部共振器のラウンドトリップ周波数C/2L(ここ
でC;光速、L;外部共振器長)、すなわち2L/Cの
時間間隔で光パルス発振し、その光パルスの時間幅は1
〜20ピコ秒程度である。発振スペクトルの幅から見積
ると、はぼフーリエトランスフオームリミテッドな光パ
ルス幅が得られている。P. Vander Ziel, “Mode L
oking of semiconductor
La5ers Sem1 conductors
and Semimetals, vol, 22. P
art B, Chapter 1. Page 1
+ (1985). Active mode locking modulates the current injected into the semiconductor laser with the round trip frequency of the external cavity. Passive mode-locking is achieved by including a saturable absorber within the resonator. In either case, optical pulses are oscillated at the round trip frequency of the external resonator C/2L (here, C: speed of light, L: external resonator length), that is, at a time interval of 2L/C, and the time width of the optical pulse is 1.
~20 picoseconds. Estimating from the width of the oscillation spectrum, an optical pulse width that is almost Fourier transform limited is obtained.
ところで、前述したように半導体レーザを用いてモード
同期を行うには半導体レーザを外部共振器構成とする。By the way, as described above, in order to perform mode locking using a semiconductor laser, the semiconductor laser has an external resonator configuration.
また半導体レーザ端面の外部共振器側は反射防止膜が施
される。Further, an antireflection film is applied to the external cavity side of the semiconductor laser end face.
従来例の基本的構成を第9図に示す。電流注入を行うこ
とにより誘導放出を行う活性層10及び結晶のへき開面
を用いる第1及び第2の端面14かつ12からなる半導
体レーザ16の第1の端面14上に反射防止膜18が施
されている。この半導体レーザ16から出射するレーザ
光20は、外部に配置された外部反射器22により反射
され、反射されたレーザ光20は半導体レーザ16に帰
還される。第1の端面14に反射防止膜18が施されて
いるのでこのレーザの共振器は外部共振器とは反対側の
第2の端面12及び外部反射器22により構成されてい
る。半導体レーザ16への注入電流のバイアスをしきい
値以下に設定し、外部共振器のラウンドトリップ周波数
で電流変調を行うと、半導体レーザ16の第2の端面1
2からの出射レーザ光24は、光パルス列26として発
振する。これが−船釣な能動モード同期である。The basic configuration of a conventional example is shown in FIG. An anti-reflection film 18 is applied on the first end face 14 of the semiconductor laser 16, which consists of an active layer 10 that performs stimulated emission by current injection, and first and second end faces 14 and 12 using crystal cleavage planes. ing. Laser light 20 emitted from this semiconductor laser 16 is reflected by an external reflector 22 disposed outside, and the reflected laser light 20 is returned to the semiconductor laser 16. Since the antireflection film 18 is applied to the first end face 14, the resonator of this laser is constituted by the second end face 12 on the side opposite to the external resonator and the external reflector 22. When the bias of the current injected into the semiconductor laser 16 is set below the threshold value and the current is modulated at the round trip frequency of the external resonator, the second end face 1 of the semiconductor laser 16
The laser beam 24 emitted from the laser beam 2 oscillates as a light pulse train 26 . This is active mode synchronization.
通常の単体の半導体レーザは、その出力光の偏光特性は
、光の電界方向が活性層に平行な方向のTEモードで発
振する。もともと半導体レーザは、その出力光の電界方
向が活性層に垂直な方向のTMモードで発振することも
可能であるが、TMモードで発振する。このことは、例
えば、T。A typical single semiconductor laser oscillates in a TE mode in which the polarization characteristic of the output light is in a direction in which the electric field direction of the light is parallel to the active layer. Originally, a semiconductor laser can oscillate in a TM mode in which the electric field direction of its output light is perpendicular to the active layer, but it oscillates in a TM mode. This is true, for example, for T.
イケガミ、“リフレクテイビテイーオブモードアットフ
ァセットアンドオシレーションモード イン ダブル−
ヘテロストラフチャー インジェクションレーザーズ、
アイイーイーイージャーナル オブ カンタム エレク
トロニクス(T、Ikegami Ref 1ecti
vityst Facet and 0scil
lati。Ikegami, “Reflectivity of Mode at Facet and Oscillation Mode in Double”
Heterostraft Injection Lasers,
IEEE Journal of Quantum Electronics (T, Ikegami Ref 1ecti
vityst Facet and 0scil
lati.
n Mode in Double−Heter
。n Mode in Double-Heter
.
5tructure Injection La5e
rs IEEE Journal of Q
uantum Electronics、vol −
QE−8,rIh6P、470 (1972)に詳しく
記載されている。この文献中の図を、抜粋して第10図
に示す。第10図は、TEモード(実線)とTMモード
(破線)の2つの異なる直交する偏光が半導体レーザ端
面において反射率が全(異なっていることを示した図で
あり、横軸は半導体レーザの活性層の膜厚で、縦軸はレ
ーザ端面の強度反射率である。横モードは0次の基本モ
ード発振とし、また活性層の屈折率を3.6.またΔn
はクラッド層と活性層の屈折率差の比を表している。第
10図よりわかることは、レーザを構成する層膜厚、屈
折率差等に依存するが、TEモードの方がTMモードよ
りもかなり端面の反射率が大きいことである。すなわち
、両端面がへき開により構成されている半導体レーザは
TEモードの方がTMモードよりも共振器反射率が大き
いため、誘導放出を起こすのに必要なしきい値利得が小
さくて済むためTEモードで発振する。単体の半導体レ
ーザの場合のみならず、モード同期半導体し−ザの場合
も同様であって、従来報告されているモード同期半導体
レーザは、第9図に示すように、レーザ光20は、光の
電界の振動方向がTEモード28で発振している。5structure Injection La5e
rs IEEE Journal of Q
uantum Electronics, vol.
QE-8, rIh6P, 470 (1972). An excerpt from this document is shown in FIG. 10. Figure 10 is a diagram showing that two different orthogonal polarized lights, TE mode (solid line) and TM mode (dashed line), have different reflectances at the semiconductor laser end facet, and the horizontal axis is the This is the film thickness of the active layer, and the vertical axis is the intensity reflectance of the laser end face.The transverse mode is the 0th-order fundamental mode oscillation, and the refractive index of the active layer is 3.6.
represents the ratio of the refractive index difference between the cladding layer and the active layer. What can be seen from FIG. 10 is that the reflectance of the end face is considerably greater in the TE mode than in the TM mode, although it depends on the thickness of the layers constituting the laser, the difference in refractive index, etc. In other words, in a semiconductor laser in which both end faces are cleaved, the resonator reflectance is larger in the TE mode than in the TM mode, so the threshold gain required to cause stimulated emission is smaller. oscillate. The same applies not only to a single semiconductor laser but also to a mode-locked semiconductor laser. In the conventionally reported mode-locked semiconductor laser, as shown in FIG. The electric field oscillates in the TE mode 28 in the direction of vibration.
一方、最近半導体レーザの共振器内の偏光器を挿入し、
半導体レーザ出射光の偏光を制御する研、究が行われて
いる。例えば、T、フジタ他、“ボラライゼイションス
イッチング イン ア シングル フリケンシーエキス
ターナル キャビティーセミコンダクター レーザ、エ
レクトロニクスレター(T、Fuj ita eta
l、 “Po1arization switch
ing ina single frequen
cy ext6rnal cavity sem
iconductor 1aser Elect
ronics Letters vol、23P、
803(1987))、T、フジタ他“ボラライゼイシ
ョン パイスタビリテイ イン エクスターナル キャ
ビティ セミコンダクターレーザーズ、アプライド フ
ィジクス レターズ (T、Fuj 1taeta1.
“Po1arization bistabil
ity in external cavit
y semicondactor 1asers
、Applied physics Lett
ers vol、 51.P、392(1987)
)に詳しく説明されている。これらの文献においては、
半導体レーザ出射光が1Mモードで発振することが示さ
れている。すなわち第11図に示すように、第1の端面
14と、外部共振器面としての外部反射器22の間に、
偏光器30として、例えばグラントムソンプリズムを挿
入すると、共振器内部のレーザ光32は、その光の電界
方向はTMモード34で発振する。この時偏光器30は
、1Mモードが通過する方向に配置されている。従って
出力レーザ光36も1Mモードで発振する。On the other hand, recently a polarizer was inserted into the cavity of a semiconductor laser,
Research is being conducted to control the polarization of light emitted from semiconductor lasers. For example, T. Fujita et al., “Volatization Switching in a Single Frequency External Cavity Semiconductor Laser, Electronics Letter”
l, “Po1arization switch
ing in a single frequency
cy ext6rnal cavity sem
iconductor 1aser elect
ronics Letters vol, 23P,
803 (1987)), T. Fujita et al., “Bolarization in External Cavity Semiconductor Lasers, Applied Physics Letters” (T., Fujita et al.
“Po1arization bistable
ity in external cavity
y semiconductor 1asers
, Applied physics Lett.
ers vol, 51. P, 392 (1987)
) is explained in detail. In these documents,
It has been shown that the semiconductor laser emitted light oscillates in the 1M mode. That is, as shown in FIG. 11, between the first end surface 14 and the external reflector 22 as the external resonator surface,
When a Glan-Thompson prism, for example, is inserted as the polarizer 30, the laser light 32 inside the resonator oscillates in the TM mode 34 in the electric field direction of the light. At this time, the polarizer 30 is placed in the direction through which the 1M mode passes. Therefore, the output laser beam 36 also oscillates in the 1M mode.
モード同期により超短光パルスを発生させるためには、
半導体レーザの外部共振モードが精密に等しい周波数間
隔で並んで、これらたくさんのモードが同位相で発振す
る必要がある。そのためには、外部共振器構成の半導体
レーザの外部共振器側出射端面、すなわち第1の端面の
反射率を理想的にはゼロにする必要がある。すなわち第
9図の従来例で示すように、第1の端面14上に反射防
止膜18が施されている。しかしながら現実には、半導
体レーザがTEモード発振する時には完全にこの端面の
反射率がゼロとはならないで、ある程度残留反射率が存
在することが報告されている。この中間端面に残留反射
率が存在する時には発振するレーザ光の周波数スペクト
ルの各外部共振モードのモード間隔は等しくならない。In order to generate ultrashort optical pulses by mode-locking,
It is necessary for the external resonant modes of a semiconductor laser to be lined up at precisely equal frequency intervals so that these many modes oscillate in the same phase. For this purpose, it is necessary to ideally reduce the reflectance of the output end face on the external resonator side, that is, the first end face, of the semiconductor laser having the external resonator configuration to zero. That is, as shown in the conventional example of FIG. 9, an antireflection film 18 is provided on the first end surface 14. However, in reality, it has been reported that when a semiconductor laser oscillates in the TE mode, the reflectance of this end face does not become completely zero, and that a certain amount of residual reflectance exists. When residual reflectance exists at this intermediate end facet, the mode spacing of each external resonant mode in the frequency spectrum of the oscillated laser beam is not equal.
外部共振モード間隔の中間端面反射率依存性は、例えば
H,サトー他“インテンシティーフラクチュエイション
インセミコンダクターレーザーズカップルド トウ エ
クスターナル キャビティ”、アイイーイーイージャー
ナルオブカンタムエレクトロニクス (H,5ato
etal、 “Intensity fluct
uation insemiconductor
1asers c。The dependence of the external resonant mode spacing on the reflectance of the intermediate end face can be found, for example, in H. Sato et al.
etal, “Intensity fluct
uation insemiconductor
1asers c.
upled to external cavi
ty + IEEE Journal of
Quantum Electronics vo
l、 QE −21、P46 (1985)’)に詳
しく説明されている。この様子を第10図を用いて説明
する。第10図に示したような従来のTEモードで発振
するモード同期半導体レーザの光の周波数スペクトルは
、第12図(a>のようになっており、シ、+n+1−
シ、+1≠ν −νや なる関係となm+nmn−す
る。ここでνは各外部共振器モードの発振周波数を表わ
しており、m、nは整数である。超短光パルス発生を実
現するためには第12図(b)に示すよう(こνp+n
+l pan pan pan−1なる関
係式が必要で、この時各々のスペクトルのモードが同位
相に同期されて発振する必要があるにもかかわらず、実
現されていない。これは前述したように、外部共振器半
導体レーザの中間端面の反射率が残留していることによ
る効果が大きいためである。uploaded to external cavi
ty + IEEE Journal of
Quantum Electronics vo
1, QE-21, P46 (1985)'). This situation will be explained using FIG. 10. The frequency spectrum of light from a conventional mode-locked semiconductor laser oscillating in the TE mode as shown in FIG. 10 is as shown in FIG.
, +1≠ν −ν, and m+nmn−. Here, ν represents the oscillation frequency of each external resonator mode, and m and n are integers. In order to realize ultrashort optical pulse generation, as shown in FIG. 12(b),
A relational expression +l pan pan pan-1 is required, and although it is necessary for each spectrum mode to oscillate in synchronization with the same phase, it has not been realized yet. This is because, as described above, the effect of the residual reflectance of the intermediate end facet of the external cavity semiconductor laser is large.
従って、第12図(b)に示すようにモード同期半導体
レーザの各外部共振モードが等周波数間隔で発振するよ
うにすれば、より超短光パルスを得ることが可能となる
。Therefore, if each external resonance mode of the mode-locked semiconductor laser is made to oscillate at equal frequency intervals as shown in FIG. 12(b), it becomes possible to obtain even more ultrashort optical pulses.
次に、第2の課題の背景について説明する。Next, the background of the second problem will be explained.
従来、波長が0.6μm以下の短波長領域においては、
IV−V族化合物半導体を使用する限り、バンドギャッ
プエネルギの限界によりレーザ発振は不可能であり、従
って短波長で発振するレーザが存在せず、大型の気体レ
ーザが使用されている。そのためレーザを利用する装置
が極めて大型となり、産業上の利用分野が限定されてい
る。もしも小型の短波長光源、例えば青色の波長域にお
ける光源が実用化されると、光ディスク、レーザプリン
タ等の情報処理分野、またあらゆる光計測分野等に極め
て大きなインパクトを与えるものである。そのため、第
2次高調波発生を利用して半導体レーザ光を半分の波長
に変換する素子が研究されており、例えば、谷内、山車
、“ミニチャアライズド ライト ソース オブ コヒ
ーレント ブルー ラディエーション” (T、Ta
n1uchi and K、Yamamoto ;
“M i n i turized light
5ource of ceherent b
lue radiation)テクラカルダイジェス
ト オブシーエルイーオーj87(Technical
Digest of(LEOI87)wp6 (
1987)に報告されている。Conventionally, in the short wavelength region of 0.6 μm or less,
As long as IV-V compound semiconductors are used, laser oscillation is impossible due to the band gap energy limit, and therefore there are no lasers that oscillate at short wavelengths, and large gas lasers are used. As a result, devices that use lasers have become extremely large, and their industrial applications are limited. If a compact short-wavelength light source, for example a light source in the blue wavelength range, were to be put into practical use, it would have an extremely large impact on information processing fields such as optical discs and laser printers, as well as all optical measurement fields. Therefore, devices that convert semiconductor laser light to half the wavelength using second harmonic generation are being researched. For example, Taniuchi and Dashi, "Miniatureized Light Source of Coherent Blue Radiation" Ta
n1uchi and K, Yamamoto;
“Min i turned light
5source of coherent b
lue radiation) Technical Digest
Digest of (LEOI87) wp6 (
(1987).
第13図に従来のLiNb0.光導波路を使用した光波
長変換素子により半導体レーザ光を波長変換する構成図
を示す。半導体レーザ16から出射されたTEモード発
振の基板波50は、レンズ52でコリメートされ、λ/
2板54でTMモードに変換された後レンズ56で集光
されてLtNbo、58上に形成された先導波路60に
入射する。この際、光導波路60中を伝搬する基本波を
チェレンコフ放射される第2高調波62の位相速度が等
しくなり、効率良く第2高調波が発生する。現在、波長
0.84μmの半導体レーザの光出力120mWにおい
て、約1mWの波長0.42μmの第2高調波が得られ
ている。FIG. 13 shows the conventional LiNb0. 1 shows a configuration diagram of converting the wavelength of semiconductor laser light using an optical wavelength conversion element using an optical waveguide. The TE mode oscillation substrate wave 50 emitted from the semiconductor laser 16 is collimated by the lens 52 and
After being converted into the TM mode by the second plate 54, the light is condensed by the lens 56 and enters the leading waveguide 60 formed on the LtNbo 58. At this time, the phase velocity of the second harmonic 62 that is Cherenkov-radiated from the fundamental wave propagating in the optical waveguide 60 becomes equal, and the second harmonic is efficiently generated. Currently, when the optical output of a semiconductor laser with a wavelength of 0.84 μm is 120 mW, a second harmonic of about 1 mW with a wavelength of 0.42 μm is obtained.
この従来の実施例においては、λ/2板54が使用され
ており、これは半導体レーザ出射光がTEモード発賑し
ているのを、TMモードに変換するためである。TMモ
ードに変換する理由は、LiNb0.上に形成された光
導波路60に半導体レーザを伝播させる時、TMモード
のみが有効に伝搬するからである。In this conventional embodiment, a λ/2 plate 54 is used to convert the TE mode of the semiconductor laser emitted light into the TM mode. The reason for converting to TM mode is that LiNb0. This is because when the semiconductor laser is propagated through the optical waveguide 60 formed above, only the TM mode propagates effectively.
そうすると、もともと半導体レーザを90°回転してや
り、TEモード発発振見かけ上TMモード発振のように
みなすことが可能と考えられるが、その方法はよ(ない
。この様子を第14図で説明する。In this case, it would be possible to rotate the semiconductor laser by 90 degrees and make the TE mode oscillation look like TM mode oscillation, but there is no way to do that. This situation will be explained with reference to FIG. 14.
第14図は、半導体レーザ及びL i N b O3光
導波路の配置、ならびに、半導体レーザが光導波路端面
に結合された時の近視野像にニアフィールドパターン)
及び電界の振動方向を示している。Figure 14 shows the arrangement of the semiconductor laser and the L i N b O3 optical waveguide, and the near-field pattern when the semiconductor laser is coupled to the end face of the optical waveguide.
and the direction of vibration of the electric field.
第14図(a)は単純に半導体レーザと光導波路を配置
した場所であり、近視野像はマツチするが偏光方向を直
交するため、半導体レーザ光は光導波路を伝搬しない。FIG. 14(a) simply shows the location where the semiconductor laser and the optical waveguide are arranged, and although the near-field images match, the semiconductor laser light does not propagate through the optical waveguide because the polarization directions are orthogonal.
第14図(b)は、第13図の従来例に示した如(、λ
/2板を用いることにより、半導体レーザ光が光導波路
を伝搬し、SHG光が得られる。FIG. 14(b) shows the conventional example shown in FIG.
By using the /2 plate, the semiconductor laser light propagates through the optical waveguide and SHG light is obtained.
第14図(C)は、半導体レーザを90°回転した場合
であり、この時偏光方向は一致するが、ニアフィールド
パターンかまった(マツチせず、良い結果が得られない
。FIG. 14(C) shows the case where the semiconductor laser is rotated by 90 degrees. At this time, the polarization directions match, but the near field pattern is distorted (does not match, and good results cannot be obtained).
従って、第14図(d)に示すように、半導体レーザに
技術的に+αを加え、もともと近視野像及び偏光方向が
TMモードであれば、結合効率も増加し、装置が簡単化
できる。Therefore, as shown in FIG. 14(d), if +α is technically added to the semiconductor laser and the near-field image and polarization direction are originally in the TM mode, the coupling efficiency increases and the device can be simplified.
一方超短光パルスの発生は、谷内、山車rSHGを用い
た青色レーザ光源によるピコ秒発生」第49回応用物理
学会学術講演予稿集7a−ZD−8に報告されている。On the other hand, the generation of ultrashort optical pulses is reported in "Picosecond generation by blue laser light source using float rSHG" by Taniuchi, Proceedings of the 49th Japan Society of Applied Physics Academic Conference 7a-ZD-8.
第13図の構成において、半導体レーザをゴムジェネレ
ータで直接変調するゲインスイッチ法により、半値幅約
10psec程度の第2高調波が得られてる。In the configuration shown in FIG. 13, a second harmonic with a half width of about 10 psec is obtained by a gain switch method in which the semiconductor laser is directly modulated by a rubber generator.
発明が解決しようとする課題
上記従来の技術で述べたように、半導体レーザのTEモ
ード発振でのモード同期では、半導体レーザの中間端面
の残留反射率が大きいため、短パルス化の妨げとなって
いる。Problems to be Solved by the Invention As described in the above conventional technology, in mode locking in TE mode oscillation of a semiconductor laser, the residual reflectance of the intermediate end facet of the semiconductor laser is large, which hinders shortening of the pulse. There is.
また、波長変換型の短パルス発生では、チェレンコフ放
射された第2高調波は、導波路の厚み方向はコリメート
されているが、横方向は拡がり角約14°の発散光であ
る。従って、点に集光するためピンホール等を用いた場
合には出力の多(がむだとなるため、実用化のためには
より高出力化が課題となっている。従って、短パルス光
の波長変換効率を大幅に向上させ、さらに、短パルス光
の幅を減少させることが課題となっている。Furthermore, in the wavelength conversion type short pulse generation, the second harmonic radiated by Cerenkov is collimated in the thickness direction of the waveguide, but is a diverging light with a spread angle of about 14° in the lateral direction. Therefore, if a pinhole or the like is used to focus the light on a point, the output will be too large, so increasing the output is a challenge for practical use. The challenge is to significantly improve wavelength conversion efficiency and further reduce the width of short pulse light.
本発明の第1の目的は、半導体レーザを従来にないTM
モード発撮でモード同期を行い、時間的に短い光パルス
を発生することである。The first object of the present invention is to provide a semiconductor laser with unprecedented TM technology.
This is to perform mode locking by mode firing and generate temporally short optical pulses.
また、第2の目的は上記TMモード発撮のモード同期半
導体レーザを先導波路型波長変換素子に結合し、従来よ
りも高出力で、時間的に短い光パルスを発生することで
ある。また、光導波路自体をモード同期半導体レーザの
一部にも含めることが可能である。A second purpose is to couple the mode-locked semiconductor laser emitting in the TM mode to a leading wavepath type wavelength conversion element to generate a light pulse with higher output and shorter time than the conventional one. Furthermore, the optical waveguide itself can be included as part of the mode-locked semiconductor laser.
課題を解決するための手段 本発明の構成は以下に記載されるものである。Means to solve problems The configuration of the present invention is as described below.
第1の端面に反射防止膜を施された半導体レーザと前記
第1の端面から出射されるレーザ光を平行光とする光学
系と、前記レーザ光を前記半導体レーザの第1の端面へ
帰還せしめる共振器面としての外部反射器と、前記半導
体レーザに電流注入を行うための電源を有し、レーザの
共振器としては、半導体レーザの第2の端面と前記外部
反射器により構成され、前記光学系と前記外部反射器の
間に偏光を制御する偏光器が、前記レーザ光のTMモー
ドのみ通過するように配置され、前記半導体レーザの第
1及び第2の端面から出射されるレーザ光がTMモード
でモード同期発振することを特徴とする超短光パルス半
導体レーザ装置である。a semiconductor laser having a first end face coated with an antireflection film; an optical system that converts laser light emitted from the first end face into parallel light; and returning the laser light to the first end face of the semiconductor laser. It has an external reflector as a resonator surface and a power source for injecting current into the semiconductor laser, and the laser resonator is constituted by the second end surface of the semiconductor laser and the external reflector, and the optical A polarizer for controlling polarization is arranged between the system and the external reflector so that only the TM mode of the laser light passes through, and the laser light emitted from the first and second end faces of the semiconductor laser is in the TM mode. This is an ultrashort optical pulse semiconductor laser device characterized by mode-locked oscillation in a mode.
あるいは、第1の端面に反射防止膜を施された半導体レ
ーザと、前記第1の端面から出射されるレーザ光を結合
し、導波する光ファイバと、前記レーザ光を前記半導体
レーザの第1の端面へ帰還せしめる共振器面としての外
部反射器と、前記半導体レーザに電流注入を行うための
電源を有し、レーザの共振器としては、半導体レーザの
第2の端面と前記外部反射器により構成され、前記光フ
ァイバと前記外部反射器の間に偏光を制御する偏光器が
、前記レーザ光のTMモードのみ通過するように配置さ
れ、前記半導体レーザの第1及び第2の端面から出射さ
れるレーザ光がTMモードでモード同期発振することを
特徴とする、超短光パルス半導体レーザ装置である。ま
た、波長制御器としてのエタロンが、前記偏光器と前記
外部反射体の間に配置されていてもよく、また外部反射
器として波長制御機能をもつ回折格子を用いてもよい。Alternatively, a semiconductor laser whose first end face is coated with an antireflection film, an optical fiber that couples and guides laser light emitted from the first end face, and a semiconductor laser that couples and guides the laser light emitted from the first end face; The laser resonator includes an external reflector as a resonator surface that returns the current to the end surface of the semiconductor laser, and a power source for injecting current into the semiconductor laser. A polarizer configured to control polarization between the optical fiber and the external reflector is arranged so that only the TM mode of the laser light passes through, and is emitted from the first and second end faces of the semiconductor laser. The present invention is an ultra-short optical pulse semiconductor laser device characterized in that the laser light generated by the laser beam undergoes mode-locked oscillation in the TM mode. Further, an etalon as a wavelength controller may be disposed between the polarizer and the external reflector, and a diffraction grating having a wavelength control function may be used as the external reflector.
あるいは上記した超短光パルス半導体レーザ装置を用い
て、前記半導体レーザの第2の端面から出射されるレー
ザ光が光導波路構造を有する波長変換素子に光学的に結
合した構造を備え、前記半導体レーザの第2の端面から
出射されるTMモードでモード同期発振する超短光パル
ス光を基本波として前記波長変換素子に結合し、前記波
長変換素子からの出力光として、前記基本波の第2高調
波を発生することを特徴とする波長変換型超短光パルス
発生装置である。Alternatively, the above-described ultrashort optical pulse semiconductor laser device is provided with a structure in which the laser light emitted from the second end facet of the semiconductor laser is optically coupled to a wavelength conversion element having an optical waveguide structure, and the semiconductor laser The ultrashort optical pulse light that is mode-locked in TM mode and is emitted from the second end face of the TM mode is coupled to the wavelength conversion element as a fundamental wave, and the second harmonic of the fundamental wave is coupled as the output light from the wavelength conversion element. This is a wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator that is characterized by generating waves.
また、半導体レーザと光導波路構造を有する波長変換素
子が光学的に結合した構造を備え、前記半導体レーザに
電流注入を行うための電源を有し、前記半導体レーザは
前記波長変換素子と結合する第1の端面に反射防止膜を
有し、前記波長変換素子より遠い第2の端面に高反射膜
を有しており、前記波長変換素子は、前記半導体レーザ
と結合する第1の端面に基本波に対する反射防止膜を有
し、前記半導体レーザより遠い第2の端面に基本波とし
て結合されたレーザ光を半導体レーザへ帰還せしめる外
部反射体として機能する高反射膜を有しており、前記波
長変換素子を伝搬する基本波の導波モードがTMモード
であり、半導体レーザ素子がTMモードでモード同期発
振することを特徴とする波長変換型超短光パルス発生装
置である。この時半導体レーザ素子を波長変換素子ベコ
リメートレンズとフォーカシングレンズで光学的に結合
しても良く、あるいは半導体レーザ素子と波長変換素子
がパット結合していてもよい。また半導体レーザとして
分布帰還型半導体レーザを用いてもよく、また半導体レ
ーザの内部に可飽和吸収領域を有してもよい。また電源
から半導体レーザに注入される電流が、半導体レーザの
第1の端面と外部反射体までの光学距111Lに対して
、そのラウンドトリップ周波数C/2L(C,光速)で
変調されていてもよい。Further, the semiconductor laser has a structure in which a semiconductor laser and a wavelength conversion element having an optical waveguide structure are optically coupled, and has a power source for injecting a current into the semiconductor laser, and the semiconductor laser has a structure in which a wavelength conversion element having an optical waveguide structure is optically coupled, and a power supply for injecting a current into the semiconductor laser. 1 has an anti-reflection film on one end face, and has a high reflection film on a second end face farther from the wavelength conversion element, and the wavelength conversion element has a fundamental wave on the first end face coupled with the semiconductor laser. and a high reflection film that functions as an external reflector to return the laser light coupled as a fundamental wave to the semiconductor laser on a second end face that is farther from the semiconductor laser, and the wavelength conversion This is a wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator characterized in that the guided mode of the fundamental wave propagating through the device is the TM mode, and the semiconductor laser device performs mode-locked oscillation in the TM mode. At this time, the semiconductor laser element may be optically coupled to the wavelength conversion element by a becollimating lens and a focusing lens, or the semiconductor laser element and the wavelength conversion element may be coupled by a pad. Further, a distributed feedback semiconductor laser may be used as the semiconductor laser, and a saturable absorption region may be provided inside the semiconductor laser. Furthermore, even if the current injected from the power source into the semiconductor laser is modulated at the round trip frequency C/2L (C, speed of light) with respect to the optical distance 111L between the first end facet of the semiconductor laser and the external reflector. good.
作 用
本発明は上記した構成により、モード同期半導体レーザ
の偏光を制御し、半導体レーザの中間端面の残留反射率
の小さいTMモードで発振させることにより、各外部共
振器モード間隔が等しくなるため、従来よりも時間的に
短い超短光パルスを発生することが可能となる。Effects The present invention has the above-described configuration, and by controlling the polarization of the mode-locked semiconductor laser and causing it to oscillate in the TM mode where the residual reflectance of the intermediate end facet of the semiconductor laser is small, the intervals between the external resonator modes become equal. It becomes possible to generate ultrashort optical pulses that are shorter in time than conventional ones.
また、波長変換を行った場合には、第2次高調波は、基
本波の出力の2乗に比例して変換されるため、さらに短
パルス化が可能となる。Further, when wavelength conversion is performed, the second harmonic is converted in proportion to the square of the output of the fundamental wave, so that it is possible to further shorten the pulse.
実施例 以下に本発明を実施例を用いて説明する。Example The present invention will be explained below using examples.
図に本発明の一実施例を示す。各手段に用いる番号は従
来例に用いた手段と同じ場合、同じ番号を用いて説明す
る。The figure shows an embodiment of the present invention. If the number used for each means is the same as the means used in the conventional example, the same number will be used in the description.
第1及び第2のへき開端面14及び12により構成され
る半導体レーザ16の活性層10に、電源38より電流
を注入する。反射防止膜18が施された第1の端面14
から出射したレーザ光40はレンズ42で平行光とされ
、偏光制御器としての偏光子44.及び波長制御器とし
てのエタロン46を通過し、外部反射器22で反射され
半導体レーザ16に光帰還される。この時偏光子44を
半導体レーザ16からの出射光のTM偏光成分のみが通
過するように配置すると、レーザ光40はTMモード3
4で発振する。本モード同期半導体レーザ装置の注入電
流をしきい値電流以下にバイアスし、外部共振器のラウ
ンドトリップ周波数で電流変調を行うと、へき開端面1
2から出射するレーザ光48は超短光パルス全搬をする
。実際にはその超短光パルスの時間幅は、ストリークカ
メラあるいは第2次高調波変換器2例えばLi1O。A current is injected from the power source 38 into the active layer 10 of the semiconductor laser 16 formed by the first and second cleavage end faces 14 and 12. First end surface 14 coated with anti-reflection film 18
The laser beam 40 emitted from the lens 42 is converted into parallel light by a polarizer 44, which serves as a polarization controller. The light passes through an etalon 46 as a wavelength controller, is reflected by an external reflector 22, and is optically returned to the semiconductor laser 16. At this time, if the polarizer 44 is arranged so that only the TM polarized component of the light emitted from the semiconductor laser 16 passes through, the laser light 40 will be in TM mode 3.
It oscillates at 4. When the injection current of this mode-locked semiconductor laser device is biased below the threshold current and the current is modulated at the round-trip frequency of the external resonator, the cleavage end face 1
The laser beam 48 emitted from 2 carries out the entire ultrashort optical pulse. In reality, the time width of the ultrashort optical pulse is determined by a streak camera or a second harmonic converter 2 such as Li1O.
のようなものを用いたオートコリレータで観測すること
が可能である。外部共振器長さ7.5cmとすると、外
部共振器のラウンドドリップ周波数を2GHzとなり、
電源38からの注入電流をその周波数で変調を行うと能
動モード同期が実現され、出射レーザ光48のパルス幅
は1ピコ秒以下となる。すなわちモード同期発振する際
、光のスペクトルが第12図すに示すように、各外部共
振モードが精密に等隔で並び、
一ν −ν −レや なる関係が得らν9+n+i
pan pan p n−lれたことに
よる。すなわち従来報告されているモード同期半導体レ
ーザは、本発明で示したような、偏光を制御する手段と
しての偏光子44を有していないため、常にTMモード
で発振し、従ってへき開端面14の残留反射率の影響が
大であり、発振する光のスペクトルは第12図(a)の
ように各外部共振モードの間隔は等しくな(シffi+
n+I−シman≠νn+。−νや となってしまっn
−1
ており、各外部共振モードが同位相に同期して発損しに
(いため理想的なモード同期が得られに(いのである。It is possible to observe this using an autocorrelator using something like . If the external resonator length is 7.5 cm, the round drip frequency of the external resonator will be 2 GHz,
Active mode locking is achieved by modulating the injected current from the power source 38 at that frequency, and the pulse width of the emitted laser beam 48 becomes 1 picosecond or less. In other words, when mode-locked oscillation occurs, the external resonance modes line up at precisely equal intervals in the light spectrum as shown in Figure 12, and a relationship of 1ν −ν −R is obtained, ν9+n+i
Pan pan p n-l. That is, conventionally reported mode-locked semiconductor lasers do not have a polarizer 44 as a means for controlling polarization as shown in the present invention, so they always oscillate in the TM mode, and therefore the cleavage end facet 14 remains. The influence of the reflectance is large, and the spectrum of the oscillated light is such that the intervals between the external resonance modes are not equal (siffi +
n+I-man≠νn+. -ν and become n
-1, each external resonant mode is synchronized to the same phase, causing oscillation loss (and thus making it impossible to obtain ideal mode locking).
それに対して、本発明によるモード同期半導体レーザは
偏光を制御し、始めてTMモードで発振させているため
、従来よりも時間的に短かい超短光パルスを発生するこ
とが可能となるわけである。In contrast, the mode-locked semiconductor laser according to the present invention controls polarization and first oscillates in TM mode, making it possible to generate ultrashort optical pulses that are shorter in time than conventional lasers. .
第3図に半導体レーザをモード同期した時の、オートコ
リレータにより測定されるパルス波形を示す。第3図(
a) 、 (b)はそれぞれ従来のTEモードでのモー
ド同期の場合、及びTMモードでのモード同期の場合で
ある。図から明らかなようにTMモードでのモード同期
の方が光パルスの幅を短かくすることが可能であること
は明らかである。FIG. 3 shows the pulse waveform measured by the autocorrelator when the semiconductor laser is mode-locked. Figure 3 (
a) and (b) are the case of mode locking in the conventional TE mode and the case of mode locking in the TM mode, respectively. As is clear from the figure, it is clear that mode locking in TM mode allows the width of the optical pulse to be made shorter.
第2図に第2の実施例として光ファイバを用いたTMモ
ード同期半導体レーザ装置の場合を示す。第1の実施例
と概念的には同じであり、第1の実施例におけるレンズ
光学系を光ファイバに置き換えである。すなわち、反射
防止III 18の施された第1の端面14から出射し
たレーザ光は、光ファイバ64に結合され、光フアイバ
64中を伝搬する。光ファイバの端面には偏光器44及
び外部反射器22が配置され、半導体レーザ16からの
出射光のTM酸成分みが通過するように偏光子44を配
置すると、レーザ光60はTMモードで発振する。電源
38から注入する電流をしきい値電流以下にバイアスし
、外部共振器のラウンドトリップ周波数で電流変調を行
うと、第2の端面12から出射するレーザ光66は、超
短光パルス発振となる。FIG. 2 shows a second embodiment of a TM mode-locked semiconductor laser device using an optical fiber. This embodiment is conceptually the same as the first embodiment, and the lens optical system in the first embodiment is replaced with an optical fiber. That is, the laser light emitted from the first end surface 14 provided with anti-reflection III 18 is coupled to the optical fiber 64 and propagates through the optical fiber 64 . A polarizer 44 and an external reflector 22 are arranged on the end face of the optical fiber, and when the polarizer 44 is arranged so that only the TM acid component of the light emitted from the semiconductor laser 16 passes, the laser light 60 oscillates in the TM mode. do. When the current injected from the power supply 38 is biased below the threshold current and the current is modulated at the round trip frequency of the external resonator, the laser light 66 emitted from the second end face 12 becomes an ultrashort optical pulse oscillation. .
本発明においては第1の実施例では、波長制御器として
エタロンを用いて説明したが、いかなる波長制御器であ
ってもよい。回折格子は、波長制御器及び外部反射体と
しての機能を兼ね備える。In the first embodiment of the present invention, an etalon is used as the wavelength controller, but any wavelength controller may be used. The diffraction grating combines the functions of a wavelength controller and an external reflector.
また半導体レーザととしては、通常のファプリーペロー
型半導体レーザのみならず、分布帰還型(DFB)ある
いは分布反射型(DBR)構造のレーザや、複合共振器
構成としたような単一モードレーザ1例えばIPCレー
ザであってもよ(、この場合縦単一モードで発振するた
め波長制御器46が含まれな(でも良い。また半導体レ
ーザ材料としては、発振波長0.7〜0.8μm帯のA
lGaAs系、1.2〜1.6μm帯のInP系のみな
らず、他のあらゆる材料であってもよい。Semiconductor lasers include not only normal Fabry-Perot semiconductor lasers, but also lasers with distributed feedback (DFB) or distributed reflection (DBR) structures, and single-mode lasers with a complex resonator structure. For example, it may be an IPC laser (in this case, the wavelength controller 46 may not be included because it oscillates in a longitudinal single mode).Also, as a semiconductor laser material, an oscillation wavelength band of 0.7 to 0.8 μm may be used. A
Not only IGaAs-based and InP-based materials in the 1.2 to 1.6 μm band, but also any other materials may be used.
また本実施例では電源38からの注入電流を変調する能
動モード同期を示したが、半導体レーザ内部に可飽和吸
収領域を有し、CWの注入電流で駆動した受動モード同
期であってもよい。Further, in this embodiment, active mode locking is shown in which the injection current from the power supply 38 is modulated, but passive mode locking may be used in which the semiconductor laser has a saturable absorption region inside and is driven by a CW injection current.
次に、波長変換型の超短光パルス発生装置の実施例につ
いて説明する。そもそもモード同期半導体レーザの波長
変換効率は、単一モード半導体レーザの場合の(2N2
+1 )/3N倍に増加する。Next, an embodiment of a wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator will be described. In the first place, the wavelength conversion efficiency of a mode-locked semiconductor laser is (2N2
+1)/3N times.
ここで、Nは同期している縦モードの本数である。この
ことは、例えば、F、ザーニック、J。Here, N is the number of synchronized longitudinal modes. This can be seen, for example, in F., Zarnick, J.
E、ミツドウィンター「アプライド ノンリニアオブテ
ィクスJ (F、ZERNIKE andJ、E、M
IDWINTER″App1iedNonlinear
0ptics”)A WILEY−INTER8C
IENCE PUBLICATION p、111
に詳しく記載されている。E, Mitsudwinter “Applied Nonlinear Obtics J (F, ZERNIKE andJ, E, M
IDWINTER″AppliedNonlinear
0ptics”) A WILEY-INTER8C
IENCE PUBLICATION p, 111
is described in detail.
また、モード同期半導体レーザの出力光パルスのパルス
幅は論理的には0.1psecぐらいまで短パルス化が
可能であり、ゲインスイッチ法により発生させた場合の
1/10〜1/100程度に抑圧される。In addition, the pulse width of the output optical pulse of a mode-locked semiconductor laser can theoretically be shortened to about 0.1 psec, which is suppressed to about 1/10 to 1/100 of that generated by the gain switch method. be done.
従って、上に述べた本発明の実施例の構成によって、モ
ード同期された半導体レーザの短パルス出力を波長変換
することにより、第2高調波の高出力化および短パルス
化が可能となる。Therefore, with the configuration of the embodiment of the present invention described above, by wavelength converting the short pulse output of the mode-locked semiconductor laser, it is possible to increase the output of the second harmonic and shorten the pulse.
第4図に本発明の第3の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。16は波長0.84μm
のAlGaAs半導体レーザ、52.56.70はレン
ズ、46はエタロン板、22は外部反射器、44は偏光
器、58は波長変換素子、60は光導波路である。半導
体レーザ16の第1の端面には反射防止膜18が施され
ている。波長変換素子58は、Z−CutのLiNbO
3基板(サイズ2 X 2 X 6m5)にプロトン交
換により光導波路(幅×厚み×長さ=2μmX0.4μ
m X 6 vm )を形成したもので、基本波は最低
次TMモード、高調波はTM放射モードである。FIG. 4 shows a configuration diagram of a wavelength conversion ultrashort optical pulse generator according to a third embodiment of the present invention. 16 is wavelength 0.84μm
52, 56, 70 are lenses, 46 is an etalon plate, 22 is an external reflector, 44 is a polarizer, 58 is a wavelength conversion element, and 60 is an optical waveguide. An antireflection film 18 is applied to the first end face of the semiconductor laser 16 . The wavelength conversion element 58 is made of Z-Cut LiNbO.
An optical waveguide (width x thickness x length = 2μm x 0.4μ
m x 6 vm ), the fundamental wave is the lowest-order TM mode, and the harmonics are the TM radiation mode.
半導体レーザ素子16.レンズ70および外部反射体2
2はモード同期半導体レーザを構成しており、半導体レ
ーザ素子16の第1の端面より出射したレーザ光68は
レンズ70でコリメートされTMモードのみを通過する
偏光器44及びエタロン板46を通過し、外部反射体2
2で反射された後、再び半導体レーザ素子16に帰還さ
れる。Semiconductor laser element 16. Lens 70 and external reflector 2
2 constitutes a mode-locked semiconductor laser, in which a laser beam 68 emitted from the first end face of the semiconductor laser element 16 is collimated by a lens 70 and passes through a polarizer 44 and an etalon plate 46 that pass only the TM mode. External reflector 2
After being reflected by the laser beam 2, it is returned to the semiconductor laser element 16 again.
半導体レーザ素子16をしきい値電流以下にバイアスし
、変調周波数f =C/2L(Cは光速。The semiconductor laser element 16 is biased below the threshold current, and the modulation frequency f = C/2L (C is the speed of light).
Lは半導体レーザ)端面18と外部反射体22間の光学
長)で変調することにより、モード間隔Δν=C/2L
の各モードが同期して発振し、TMモードの短パルス光
50が発生する。By modulating the optical length between the end facet 18 and the external reflector 22 (L is the semiconductor laser), the mode spacing Δν=C/2L
Each mode oscillates in synchronization, and short pulse light 50 in the TM mode is generated.
半導体レーザ16の第2の端面12より出射した短パル
ス光50はレンズ52でコリメートされ、レンズ56で
光導波路60に入射される。The short pulse light 50 emitted from the second end face 12 of the semiconductor laser 16 is collimated by the lens 52 and enters the optical waveguide 60 by the lens 56 .
光導波路60に入射した基本波の一部は波長0.42μ
mの第2高調波に波長変換されてチェレンコフ放射72
として基板側に出力される。A part of the fundamental wave incident on the optical waveguide 60 has a wavelength of 0.42μ.
The wavelength is converted to the second harmonic of m and Cherenkov radiation 72
It is output to the board side as .
第2高調波の強度は基本波の強度の2乗に比例するため
、第2の高調波のパルス光のパルス幅は基本波のパルス
幅よりも短(なる。本実施例では、パルス幅10pse
cの基本波より7pseCの第2高調波が得られた。Since the intensity of the second harmonic is proportional to the square of the intensity of the fundamental wave, the pulse width of the pulsed light of the second harmonic is shorter than the pulse width of the fundamental wave. In this example, the pulse width is 10 pse.
A second harmonic of 7 psecC was obtained from the fundamental wave of c.
第8図にストリークカメラで測定された第2高調波の光
パルス波形を示す。第11図(a)及び(b)はそれぞ
れ半導体レーザをゲインスイッチングした場合とTMモ
ードでモード同期した場合である。FIG. 8 shows a second harmonic optical pulse waveform measured by a streak camera. FIGS. 11(a) and 11(b) show the case where the semiconductor laser is gain switched and the case where the semiconductor laser is mode-locked in TM mode, respectively.
図より明らかなようにTMモード同期した方がパルス幅
を時間的に短か(することが可能である。As is clear from the figure, it is possible to temporally shorten the pulse width by TM mode synchronization.
第5図に本発明の第4の実施例を示す。本実施例は、第
2の実施例で示した、光ファイバを用いたTMモード同
期半導体レーザを波長変換素子に結合したものである。FIG. 5 shows a fourth embodiment of the present invention. In this embodiment, the TM mode-locked semiconductor laser using an optical fiber shown in the second embodiment is coupled to a wavelength conversion element.
従ってモード同期半導体レーザ部分の説明を省略する。Therefore, explanation of the mode-locked semiconductor laser portion will be omitted.
半導体レーザ16の第2の端面12から出射するTMモ
ードの短パルス光50を、レンズ52.56を介して波
長変換素子58上に形成された光導波路60上に結合す
ると、第2高調波光72がチェレンコフ放射として基板
側に出力される。When the TM mode short pulse light 50 emitted from the second end surface 12 of the semiconductor laser 16 is coupled onto the optical waveguide 60 formed on the wavelength conversion element 58 via the lens 52.56, second harmonic light 72 is generated. is output to the substrate side as Cerenkov radiation.
この第3及び第4の本発明の実施例で強調すべきことは
、第5図に示した従来例と比較すると、TMモードでの
モード同期を用いているため以下の特長がある。λ/2
板を用いる必要がなく、容易に半導体レーザと光導波路
の高い結合が得られる。従来のゲインスイッチ法と比較
しても第2高調波光のパルス幅が短く、かつ高出力化が
可能である。What should be emphasized in the third and fourth embodiments of the present invention is that when compared with the conventional example shown in FIG. 5, they have the following advantages because they use mode locking in TM mode. λ/2
There is no need to use a plate, and high coupling between the semiconductor laser and the optical waveguide can be easily obtained. Even compared to the conventional gain switch method, the pulse width of the second harmonic light is shorter and higher output is possible.
第6図に本発明の第5の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。FIG. 6 shows a configuration diagram of a wavelength conversion ultrashort optical pulse generator according to a fifth embodiment of the present invention.
半導体レーザ16の第1の端面には反射防止膜18が第
2の端面には高反射膜74が施されている。波長変換素
子58の入射端には基本波の波長に対する反射防止膜7
6が、出射端には基本波に対する高反射膜78が施され
ている。The semiconductor laser 16 has an antireflection film 18 on its first end face, and a high reflection film 74 on its second end face. At the input end of the wavelength conversion element 58, there is an anti-reflection film 7 for the wavelength of the fundamental wave.
6, a high reflection film 78 for the fundamental wave is applied to the output end.
半導体レーザ16の出射光78はレンズ52゜56を介
して波長変換素子58に入射し、光導波路60を導波し
た後、高反射膜78で反射され再び半導体レーザ素子1
6に帰還される。光導波路60はTEモードは放射モー
ドとなり、導波しないためTMモードのみが導波して半
導体レーザ素子16に帰還されるため、半導体レーザ素
子16はTMモードしきい利得がTEモードより小さ(
なり、1Mモード発振となる。The emitted light 78 of the semiconductor laser 16 enters the wavelength conversion element 58 through the lens 52° 56, is guided through the optical waveguide 60, is reflected by the high reflection film 78, and returns to the semiconductor laser element 1.
He will be returned on 6th. In the optical waveguide 60, the TE mode becomes a radiation mode and is not guided, so only the TM mode is guided and fed back to the semiconductor laser element 16. Therefore, the semiconductor laser element 16 has a TM mode threshold gain smaller than that of the TE mode (
This results in 1M mode oscillation.
本実施例では、波長変換素子58の高反射膜78を施さ
れた端面を外部反射器としてモード同期半導体レーザを
構成しており、半導体レーザをしきい値電流以下にバイ
アスして変調周波数f、=C/2L (Lは端面18.
端面78間の光学長)で変調することにより、小型かつ
安定な構成で第2高調波の短パルス光が得られる。In this embodiment, a mode-locked semiconductor laser is constructed by using the end face of the wavelength conversion element 58 coated with the high reflection film 78 as an external reflector, and the semiconductor laser is biased below the threshold current to set the modulation frequency f, =C/2L (L is the end face 18.
By modulating the optical length (optical length between the end faces 78), short pulse light of the second harmonic can be obtained with a compact and stable configuration.
第7図に本発明の第6の実施例による波長変換超短光パ
ルス発生装置の構成図を示す。FIG. 7 shows a configuration diagram of a wavelength conversion ultrashort optical pulse generator according to a sixth embodiment of the present invention.
半導体レーザ素子16と波長変換素子58がバパット結
合されている以外は第5の実施例と同様であるが、レン
ズ系を用いないため装置がさらに小型化され、光軸合せ
も容易となる。This embodiment is the same as the fifth embodiment except that the semiconductor laser element 16 and the wavelength conversion element 58 are coupled in a butt manner, but since no lens system is used, the apparatus is further miniaturized and optical axis alignment becomes easier.
以上、第3〜第6の実施例においては、波長変換素子と
してLiNb0.基板を用いたが、L i Tag、、
L t 10.、HIO3,KNbO3等の材料であっ
てもよい。また、位相整合は、導波モードと放射モード
間で行ったが、2つの導波モード間で行ってもよい。ま
たもちろん能動モード同期のみならず受動モード同期で
あってもよい。As described above, in the third to sixth embodiments, LiNb0. Although the substrate was used, Li Tag,...
L t 10. , HIO3, KNbO3, or the like. Moreover, although phase matching was performed between the waveguide mode and the radiation mode, it may be performed between two waveguide modes. Of course, not only active mode locking but also passive mode locking may be used.
発明の効果
以上のように本発明の超短光パルス半導体レーザ装置は
、従来にないTMモードを用いた装置であり、短い光パ
ルスを発生させることが可能である。従って光パルス発
掘器として高性能化されており、例えば光コンピュータ
の基準クロック光パルスとしても非常に有効である。ま
た光パルスの時間幅が小さいことにより、高ビツトレー
ト化が可能であり、外部変調器と組み合わさせると光通
信用光源としても適している。また本超短光パルス半導
体レーザ装置は、従来の装置と比較しても、光のスペク
トルとしての外部共振モードが精密に等しい周波数間隔
で並んでいるため、光の周波数基準として用いることも
可能である。また、モード同期技術によって発生した短
パルス光を波長変換することにより、従来のゲインスイ
ッチ法により発生した短パルス光の波長変換よりも変換
効率の向上および短パルス化が可能であり、また、波長
変換素子の出射端面でモード同期用の反射器を構成する
ことにより、装置の小型化も可能となる。Effects of the Invention As described above, the ultrashort optical pulse semiconductor laser device of the present invention is a device using the unprecedented TM mode, and is capable of generating short optical pulses. Therefore, it has a high performance as a light pulse excavator, and is very effective as a reference clock light pulse for an optical computer, for example. Furthermore, since the time width of the optical pulse is small, a high bit rate is possible, and when combined with an external modulator, it is suitable as a light source for optical communication. Furthermore, compared to conventional devices, this ultrashort optical pulse semiconductor laser device can also be used as an optical frequency standard because the external resonance modes as a spectrum of light are arranged at precisely equal frequency intervals. be. In addition, by wavelength converting the short pulse light generated by mode-locking technology, it is possible to improve the conversion efficiency and make the pulse shorter than the wavelength conversion of the short pulse light generated by the conventional gain switch method. By configuring a reflector for mode locking on the output end face of the conversion element, it is also possible to miniaturize the device.
第1図、第2図は本発明の第1および第2の実施例にお
ける超短光パルス半導体レーザ装置の概略構成図、第3
図はオートコリレータで測定されたTEモードでの短パ
ルス測定結果とTMモードでの短パルス測定結果をそれ
ぞれ示す特性図、第4図〜第7図は本発明の第3〜第6
の実施例における波長変換型超短光パルス発生装置の概
略構成図、第8図はストリークカメラで測定したゲイン
スイッチ法により得られた短パルスの波形とTMモード
のモード同期法により得られた短パルスの波形をそれぞ
れ示す特性図、第9図は従来のTEモードのモード同期
半導体レーザの概略構成図、第1O図は半導体レーザ端
面反射率の偏光依存性を示す特性図、第11図は半導体
レーザをTMモード発娠させるための構造図、第12図
は外部共振モード間隔の周波数分布についてTEモード
とTMモードの違いを示す図、第13図は従来の波長変
換型超短光パルス発生装置の概略図、第14図は半導体
レーザと波長変換素子の配置、半導体レーザのニアフィ
ールドパターンと偏光方向、波長変換素子内の導波可能
な光のニアフィールドパターンと偏光方向を示す図であ
る。
10・・・・・・活性層、12.14・・・・・・へき
開面、16・・・・・・半導体レーザ、18.76・・
・・・・反射防止膜、22・・・・・・反射体、34・
・・・・・TMモード、38・・・・・・電源、40.
48・・・・・・レーザ光、42,52.56.70・
・・・・・レンズ、44・・・・・・偏光子、46・・
・・・・エタロン、64・・・・・・光ファイバ 58
・・・・・・波長変換素子、60・・・・・・光導波路
、74.78・・・・・・高反射膜。
代理人の氏名 弁理士 粟野重孝 ほか1名第
図
delay t;me (Psec)
弔
図
弔
図
H3,76−反罰防止腹
72.74−K 反# till
粥
図
time(Psec)
time (PSeす
第1
0図
活
粧
厚
(μm)1 and 2 are schematic configuration diagrams of ultrashort optical pulse semiconductor laser devices in the first and second embodiments of the present invention, and FIG.
The figure is a characteristic diagram showing the short pulse measurement results in TE mode and the short pulse measurement result in TM mode measured with an autocorrelator, respectively.
Figure 8 shows a schematic configuration diagram of the wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator in this embodiment, and shows the waveform of a short pulse obtained by the gain switch method measured with a streak camera and the short pulse obtained by the mode locking method in TM mode. Characteristic diagrams showing the pulse waveforms, Figure 9 is a schematic configuration diagram of a conventional TE mode mode-locked semiconductor laser, Figure 1O is a characteristic diagram showing the polarization dependence of the semiconductor laser end face reflectance, and Figure 11 is a diagram of the semiconductor laser. A structural diagram for activating a laser in TM mode. Figure 12 is a diagram showing the difference between TE mode and TM mode regarding the frequency distribution of the external resonant mode interval. Figure 13 is a conventional wavelength conversion ultrashort optical pulse generator. FIG. 14 is a diagram showing the arrangement of a semiconductor laser and a wavelength conversion element, the near-field pattern and polarization direction of the semiconductor laser, and the near-field pattern and polarization direction of light that can be guided in the wavelength conversion element. 10... Active layer, 12.14... Cleavage plane, 16... Semiconductor laser, 18.76...
...Anti-reflection film, 22...Reflector, 34.
...TM mode, 38...Power supply, 40.
48...Laser light, 42,52.56.70.
...Lens, 44...Polarizer, 46...
... Etalon, 64 ... Optical fiber 58
... Wavelength conversion element, 60 ... Optical waveguide, 74.78 ... High reflection film. Name of agent Patent attorney Shigetaka Awano and 1 other personFig. Figure 10 Decoration thickness (μm)
Claims (1)
と、前記第1の端面から出射されるレーザ光を平行光と
する光学系と、前記レーザ光を前記半導体レーザの第1
の端面へ帰還せしめる共振器面としての外部反射器と、
前記半導体レーザに電流注入を行うための電源を有し、
レーザの共振器としては、半導体レーザの第2の端面と
前記外部反射器により構成され、前記光学系と前記外部
反射器の間に、偏光を制御する偏光器が、前記レーザ光
のTMモードのみ通過するように配置され、前記半導体
レーザの第1及び第2の端面から出射される前記レーザ
光がTMモードでモード同期発振することを特徴とする
超短光パルス半導体レーザ装置。 (2)第1の端面に反射防止膜を施された半導体レーザ
と、前記第1の端面から出射されるレーザ光を結合し、
導波する光ファイバと、前記レーザ光を前記半導体レー
ザの第1の端面へ帰還せしめる共振器面としての外部反
射器と、前記半導体レーザに電流注入を行うための電源
を有し、レーザの共振器としては、半導体レーザの第2
の端面と前記外部反射器により構成され、前記光ファイ
バと前記外部反射器の間に、偏光を制御する偏光器が、
前記レーザ光のTMモードのみ通過するように配置され
、前記半導体レーザの第1及び第2の端面から出射され
るレーザ光がTMモードでモード同期発振することを特
徴とする超短光パルス半導体レーザ装置。 (3)波長制御器としてのエタロンが、前記偏光器と前
記外部反射体の間に配置されていることを特徴とする請
求項1又は2記載の超短光パルス半導体レーザ装置。 (4)外部反射器として波長制御機能をもつ回折格子を
用いることを特徴とする請求項1又は2記載の超短光パ
ルス半導体レーザ装置。 (5)請求項1又は2記載の超短光パルス半導体レーザ
装置の第2の端面から出射されるレーザ光が、光導波路
構造を有する波長変換素子に光学的に結合した構造を備
え、前記半導体レーザ装置の第2の端面から出射される
TMモードでモード同期発振する超短光パルス光を基本
波として前記波長変換素子に結合し、前記波長変換素子
からの出力光として、前記基本波の第2高調波を発生す
ることを特徴とする波長変換型超短光パルス発生装置。 (6)半導体レーザ装置と光導波路構造を有する波長変
換素子が光学的に結合した構造を備え、前記半導体レー
ザ装置に電流注入を行うための電源を有し、前記半導体
レーザ装置は前記波長変換素子と結合する第1の端面に
反射防止膜を有し、前記波長変換素子より遠い第2の端
面に高反射膜を有しており、前記波長変換素子は、前記
半導体レーザ装置と結合する第1の端面に基本波に対す
る反射防止膜を有し、前記半導体レーザ装置より遠い第
2の端面に基本波として結合されたレーザ光を前記半導
体レーザ装置へ帰還せしめる外部反射体として機能する
高反射膜を有しており、前記波長変換素子を伝搬する基
本波の導波モードがTMモードであり、半導体レーザ装
置がTMモードでモード同期発振することを特徴とする
波長変換型超短光パルス発生装置。 (7)半導体レーザ装置を波長変換素子がコリメートレ
ンズとフォーカシングレンズで光学的に結合したことを
特徴とする請求項5又は6記載の波長変換型超短光パル
ス発生装置。 (8)半導体レーザ装置を波長変換素子がパット結合し
たことを特徴とする請求項5又は6記載の波長変換型超
短光パルス発生装置。 (9)半導体レーザとして分布帰還型半導体レーザを用
いる請求項1又は2に記載の超短光パルス半導体レーザ
装置。 (10)半導体レーザの内部に可飽和吸収領域を有する
請求項1又は2に記載の超短光パルス半導体レーザ装置
。 (11)電源から半導体レーザに注入される電流が、半
導体レーザの第1の端面と外部反射体までの光学距離L
に対して、そのラウンドトリップ周波数C/2L(C;
光速)で変調されていることを特徴とする請求項1又は
2に記載の超短光パルス半導体レーザ装置。(12)半
導体レーザ装置として分布帰還型半導体レーザ装置を用
いる請求項5又は6に記載の波長変換型超短光パルス発
生装置。 (13)半導体レーザ装置の内部に可飽和吸収領域を有
する請求項5又は6に記載の波長変換型超短光パルス発
生装置。 (14)電源から半導体レーザ装置に注入される電流が
、半導体レーザ装置の第1の端面と外部反射体までの光
学距離Lに対して、そのラウンドトリップ周波数C/2
L(C;光速)で変調されていることを特徴とする請求
項5又は6に記載の波長変換型超短光パルス発生装置。Scope of Claims: (1) a semiconductor laser whose first end face is coated with an antireflection film; an optical system that converts laser light emitted from the first end face into parallel light; First semiconductor laser
an external reflector as a resonator surface that returns to the end face of the
having a power source for injecting current into the semiconductor laser;
The laser resonator is constituted by the second end facet of the semiconductor laser and the external reflector, and a polarizer for controlling polarization is provided between the optical system and the external reflector to control only the TM mode of the laser beam. An ultrashort optical pulse semiconductor laser device, characterized in that the laser light emitted from the first and second end faces of the semiconductor laser is disposed so as to pass through the semiconductor laser and undergoes mode-locked oscillation in a TM mode. (2) combining a semiconductor laser whose first end face is coated with an antireflection film and a laser beam emitted from the first end face;
It has a wave-guiding optical fiber, an external reflector serving as a resonator surface for returning the laser light to the first end facet of the semiconductor laser, and a power source for injecting current into the semiconductor laser. As a device, the second semiconductor laser
and a polarizer for controlling polarization between the optical fiber and the external reflector,
An ultrashort optical pulse semiconductor laser, which is arranged so that only the TM mode of the laser beam passes through, and wherein the laser beam emitted from the first and second end faces of the semiconductor laser performs mode-locked oscillation in the TM mode. Device. (3) The ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1 or 2, wherein an etalon serving as a wavelength controller is disposed between the polarizer and the external reflector. (4) The ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1 or 2, characterized in that a diffraction grating having a wavelength control function is used as the external reflector. (5) The ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1 or 2 has a structure in which the laser light emitted from the second end face is optically coupled to a wavelength conversion element having an optical waveguide structure, and The ultrashort optical pulse light emitted from the second end surface of the laser device and subjected to mode-locked oscillation in the TM mode is coupled to the wavelength conversion element as a fundamental wave, and the wavelength conversion element is coupled to the wavelength conversion element as an output light from the wavelength conversion element. A wavelength conversion ultrashort optical pulse generator characterized by generating second harmonics. (6) The semiconductor laser device has a structure in which a semiconductor laser device and a wavelength conversion element having an optical waveguide structure are optically coupled, and has a power source for injecting current into the semiconductor laser device, and the semiconductor laser device is connected to the wavelength conversion device. an anti-reflection film on a first end surface coupled to the semiconductor laser device, and a high reflection film on a second end surface farther from the wavelength conversion element, and the wavelength conversion element has an antireflection film for the fundamental wave on the end face of the semiconductor laser device, and a high reflection film that functions as an external reflector for returning the laser light coupled as the fundamental wave to the semiconductor laser device on the second end face farther from the semiconductor laser device. A wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator comprising: a waveguide mode of a fundamental wave propagating through the wavelength conversion element is a TM mode, and a semiconductor laser device performs mode-locked oscillation in the TM mode. (7) The wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator according to claim 5 or 6, wherein the semiconductor laser device is optically coupled to the wavelength conversion element by a collimating lens and a focusing lens. (8) The wavelength conversion ultrashort optical pulse generator according to claim 5 or 6, wherein the semiconductor laser device is pad-coupled with a wavelength conversion element. (9) The ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1 or 2, wherein a distributed feedback semiconductor laser is used as the semiconductor laser. (10) The ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1 or 2, which has a saturable absorption region inside the semiconductor laser. (11) The current injected from the power supply into the semiconductor laser
, its round-trip frequency C/2L(C;
3. The ultrashort optical pulse semiconductor laser device according to claim 1, wherein the ultrashort optical pulse semiconductor laser device is modulated at a speed of light. (12) The wavelength conversion ultrashort optical pulse generator according to claim 5 or 6, wherein a distributed feedback semiconductor laser device is used as the semiconductor laser device. (13) The wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator according to claim 5 or 6, which has a saturable absorption region inside the semiconductor laser device. (14) The round trip frequency C/2 of the current injected from the power source into the semiconductor laser device with respect to the optical distance L between the first end facet of the semiconductor laser device and the external reflector
7. The wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator according to claim 5 or 6, wherein the wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator is modulated at L (C; speed of light).
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP63299855A JPH0793475B2 (en) | 1987-11-27 | 1988-11-28 | Ultrashort optical pulse semiconductor laser device and wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator |
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP30070687 | 1987-11-27 | ||
JP62-300706 | 1987-11-27 | ||
JP63299855A JPH0793475B2 (en) | 1987-11-27 | 1988-11-28 | Ultrashort optical pulse semiconductor laser device and wavelength conversion type ultrashort optical pulse generator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH02395A true JPH02395A (en) | 1990-01-05 |
JPH0793475B2 JPH0793475B2 (en) | 1995-10-09 |
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ID=26562098
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---|---|
JP (1) | JPH0793475B2 (en) |
Cited By (2)
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JPH03229478A (en) * | 1990-02-05 | 1991-10-11 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Mode synchronous laser device |
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JPS58225684A (en) * | 1982-06-24 | 1983-12-27 | Agency Of Ind Science & Technol | Semiconductor laser device |
-
1988
- 1988-11-28 JP JP63299855A patent/JPH0793475B2/en not_active Expired - Fee Related
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