JP2007234786A - 波長可変レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】シングルモードでモードホップなく波長を広い帯域に渡って変化させることができる波長可変レーザ光源を提供すること。
【解決手段】半導体レーザ１１と回折格子１５とで外部共振器を構成し、その間に光偏向部１４を設ける。光偏向部１４は電気光学効果等の外部からの信号によって屈折率を変化させる素子を用いる。こうすれば外部からの信号により光偏向部の屈折率が変化するため、屈折率の変化に伴う光路長の変化及び光ビームの変更に伴う外部共振器の光路長の変化に伴う波長の変化と、光の偏向に伴う回折格子での選択波長の変化分とを同期させることによって、所定の範囲でモードホップなく波長を変化させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は単一モード光を発生してその発光波長を変化させることができる波長可変レーザ光源に関するものである。

光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）や光ファイバセンシングの分野では、検出対象を高速且つ感度よく検出する要求が高まっている。このような周波数領域干渉計測や分光分析用の光源として、広帯域の走査ができる波長走査型レーザ光源が必要となる。狭スペクトルで広帯域の波長可変光源としては、複雑な可変機構を用いた外部共振器型が一般的である。しかし、出力を安定にし、且つ連続的に波長を変化させるために、複雑な機構を高精度なモータなどによって機械的に制御する必要があるため、従来、可変速度を上げるという点では限界があった。

次に外部共振型レーザ光源の発振原理について説明する。一般的な外部共振型レーザにおいては、半導体レーザ等のゲイン媒質と外部のミラーとを外部共振器とし、この間に光バンドパスフィルタを設けている。このような波長可変光源において、バンドパスフィルタと外部ミラーの機能を果たすものとして回折格子を用い、回折格子への入射角度を変化させることにより選択波長を変化させるものもある。回折格子への入射角度を変化させて波長を変化させると共に、外部共振モードもこの変化率に同期させれば、モードホップを生じることなく波長を変化させることができる。このため、回折格子の光軸が交わる中心ではなく、特定のピボットを中心に回折格子自体を回転させることによって、モードホップのない波長掃引を実現した波長可変光源も知られている。（非特許文献１）この波長可変光源では、回動角を変化させると、回折格子への光の入射角と外部共振器長とが連動して変化する。

分布帰還型（ＤＦＢ）型レーザ等では、半導体の材料、構造などの制限により外部共振器レーザ程の広帯域可変は期待できない。また出力レベルを調整するゲイン領域と、波長可変領域と共振器長を構成する位相調整領域を設け、波長可変と位相を調整することによって波長を可変するようにした集積型の外部共振器型波長可変レーザも知られている（非特許文献２）。
"Continuously Tuned External Cavity Semiconductor Laser", W. R. Trutan et al., Journal of Lightwave technology Vol. 11, No.8 August 1993 PP1279〜1286 "Monolithically Integrated Grating Cavity Tunable Lasers", Oh Kee Kwon et al., IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS VOL. 17, NO.9, SEPTEMBER 2005

しかし従来型の外部共振器型レーザはモードホップを回避し、位相を同調する複雑なメカニズムが必要であり、高速で波長掃引あるいは走査することは困難である。非特許文献１ではピボットと回折格子との間隔を大きくする必要があり、回転モーメントが大きくなる。回折格子は高精度の角度調整精度が要求されるため、連続して波長を掃引することができる速度は数秒程度であり、高速に波長走査することができないという欠点があった。又非特許文献２では、波長と位相の２つのパラメータを同時にしかも高速に連続して調整することは困難であった。即ち、狭線幅、広帯域、高速連続可変を実現するレーザ光源は実現されていない。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、回折格子を回動させることなく、シングルモードで波長を広い帯域に渡って高速で掃引、走査したり、任意の速度で可変又は固定することができる波長可変レーザ光源を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の波長可変レーザ光源は、発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、前記ゲイン媒体に隣接して設けられ、前記ゲイン媒体から入射された光を同一の光行路に沿って反射する第１のミラーと、前記ゲイン媒体を中心とし、前記第１のミラーと対称な位置に設けられた回折格子と、前記ゲイン媒体と前記回折格子との間に設けられ、外部からの信号によって屈折率を変化させ、光を屈折させることにより前記回折格子への入射角を偏向する光偏向部と、具備し、前記光偏向部の屈折率変化に伴う光路長の変化及び光ビームの偏向に伴う外部共振器の光路長の変化に伴う波長の変化と、前記回折格子への入射角の変化に伴う波長の変化とを同期させることによって、単一モードで連続的にレーザ発振波長を変化させるようにしたものである。

ここで前記回折格子は、前記外部共振器モードの波長変化と回折格子の選択波長の波長変化とが同期するように、その格子線数を変化させてもよい。

ここで前記光偏向部は、電気光学効果、熱光学効果、磁気光学効果及び音響光学効果のいずれかの機能を有する素子を用いてもよい。

ここで前記回折格子は、導波路素子の端面に形成されたものであり、前記導波路素子は、更に光導波路中に前記光偏向部を集積してもよい。

ここで前記ゲイン媒体は半導体レーザであり、前記半導体レーザの出射面に前記導波路素子を接触させ、前記半導体レーザ及び導波路素子を同一基板に集積化してもよい。

ここで前記回折格子は、回折格子で反射された光を同一位置に反射するリットマン配置により構成してもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、ゲイン媒体を中心として第１のミラーと回折格子とによって外部共振器を構成する。光偏向部で光を偏向し、回折格子への入射を変化させる。回折格子は入射角に応じて波長が変化するフィルタとして用い、その選択波長によって発振波長を決めることができる。そして回折格子への入射角を連続的に変化させ、回折格子の選択波長を連続的に変化させると共に、外部共振器長をこれと連動して変化させることにより、同一の外部共振器モードを用いてモードホップでなく発振波長を変化させることができる。この光偏向部の偏向速度を十分高くすることによって、シングルモードで広い範囲に渡って高速で波長走査を行うことができる。又この光源を用いることにより、狭線幅で光周波数走査範囲が広いため、ＯＣＴ等において深い範囲で、且つ高分解能の画像表示を実現できる。

図１は本発明の第１の実施の形態による外部共振器型半導体レーザの構成を示す図である。本図に示すようにベース１０上に半導体レーザ１１が配置される。半導体レーザ１１の右側出射面には導波路素子１２を設ける。導波路素子１２は電気光学効果を有する素子を用い、図示のように半導体レーザ１１の右端から出射した光のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換部１３、光偏向部１４及び回折格子１５を有している。スポットサイズ変換部１３は半導体レーザ１１からの光のスポット径を拡大するコリメートレンズに相当する機能を達成している。又導波路素子１２は光偏向部１４のハッチングで示す部分の上下にのみ電極を形成する。そして光偏向部１４はハッチングで示す領域に電圧源１６より電圧を印加することによって、電気光学効果によりその領域内で屈折率を変化させ、光を電圧に応じて偏向させるものである。電圧源１６は求める波長変化に応じて三角波のこぎり波などの交流電源を用いる。回折格子１５はこの導波路素子１２の端面に形成される。又半導体レーザ１１の左方の端面は第１のミラーを構成しており、光の一部を透過するものとする。透過光の出射側には集光レンズ１７及びアイソレータ１８が設けられ、光ファイバ１９が接続されている。回折格子１５はディープドライエッチング（ＤＲＩＥ）装置や成型的製造法を用いて導波路素子１２の端面に形成することによって、任意のピッチを有する回折格子を容易に製造することができる。

図２は本発明の第１の実施の形態による外部共振器型レーザの主要部のみを示す図である。本図においてゲイン素子である半導体レーザ１１の左端はミラー面であって、外部共振器を構成する第１のミラーとする。又他方の面はＡＲコート（反射防止コート）とし、出射光を光偏向部１４に導く。光偏向部１４は導波路素子１２の中央部分に設けられており、外部からの信号に応じて一定の角度範囲で光の偏向方向を変化させるものである。光偏向部１４は前述したように、台形状の部分のみが上部からの上下に電極が設けられている。電圧を印加しない状態では、他の領域と同一の屈折率を有しているため、半導体レーザ１１からの光は直進する。そして電圧を印加することによってその電圧に応じて屈折率が変化し、一定の角度範囲で光を偏向させる。そしてこの偏向した光を受光する位置に回折格子１５を設ける。回折格子１５は導波路素子１２の端に連続的に三角波状の格子が形成された光学素子であり、この実施の形態ではリトロー配置によって入射方向が変わっても入射光は同じ光路を通って投射方向に戻るように構成されている。そしてこの入射角度によって選択波長が変化する。回折格子１５は外部共振器の第２のミラーと光バンドパスフィルタとの機能を備えたものである。

ここでリトロー配置について説明する。回折格子に対する光ビームの入射角をθ、反射角をδとすると、以下の式によって回折光が得られる。
Λ（sinθ＋sinδ）＝ｋλ ・・・（１）
ここでｋは次数であり、０，±１，±２・・・の値となる。Λは回折格子の格子ピッチ（μｍ）、即ち単位長さ当たりの格子線数ａ（本／ｍｍ）の逆数である。

さて回折光にはリトロー配置とリットマン配置とがある。リトロー配置では−１次の回折光と入射光の角度が等しい。従って（１）式においてθ＝δとすると、（１）式より回折光の波長は次式で決定される。
λ＝２Λsinθ ・・・（２）
尚、リットマン配置では入射光と反射光の角度は一致していない。

ここで光偏向部１４は、図示のように直進状態から連続的に光を偏向させるものである。ここで偏向角φを０〜φ_１まで変化させるものとする。又回折格子１５への入射光は図示のように光偏向部１４で光が偏向されない状態での入射角をθ_０、光偏向部１４が最大まで偏向した状態での入射角θ_０＋φ_１とする。入射角θはθ_０〜θ_０＋φで表せる。この場合は回折格子１５で選択される反射光の波長λ_Ｇは、式（２）よりφとθ_０を用いて次式（３）で表せる。
λ_Ｇ（φ）＝２Λsinθ＝２Λsin（θ_０＋φ） ・・・（３）

さて光が偏向されないときの外部共振器長Ｌ_０は、図２のようにゲイン素子である半導体レーザ１１の一方の端部から光偏向部１４までの光路長Ｌ１と、光偏向部１４の内部の光路長ｂ、及び光偏向部１４から回折格子１５までの光路長Ｌ２との和によって決定される。
Ｌ_０＝Ｌ１＋ｂ＋Ｌ２ ・・・（４）
ここで外部共振器長Ｌとして、回折格子１５によるバンドパスフィルタの半値全幅中に１本の外部共振器モードが含まれるような長さを選択する。そして本実施の形態は、光偏向部１４による光の偏向によって回折格子１５に対する光の入射角θが変化するのと同期させて、外部共振器長Ｌ自体を変化させ、これによって１本の外部共振器モード自体の波長を変化させつつ波長を走査できるようにしたものである。光偏向部１４の光路長は元のｂからｂ’（＝ｂ＋Δｂ）となるとすると、Δｂは光偏向部１４での屈折率の変化に基づく光路長の増加分及び幾何学的な光路長増加分の加算値である。そしてこの光路長の増加分Δｂと、光ビームの偏向に伴う回折格子までの光路長Ｌ２の増加分ΔＬ２との総和による位相変化量を最適化して、偏向角度の変化による波長変化と同期させる。こうすることによって、光偏向部１４の制御パラメータ、例えば電圧を連続的に変化させ、一定の波長範囲でモードホップのない波長走査型の光源を実現することができる。

ここで図２に示すように、半導体レーザ１１から光偏向部１４への入射角をα、出射角をβとし、光偏向部１４から導波路素子１２への入射角をα−β、出射角をφとすると、スネルの法則より以下の式が成り立つ。
sinα＝ｎ’sinβ ・・・（５）
sinφ＝ｎ’sin（α−β） ・・・（６）
ここでｎ’は光偏向部１４の屈折率を周囲の屈折率で正規化した屈折率であり、光偏向部１４に印加される電圧によって変化する。そして電圧を印加することによって屈折率が変化し、光偏向部１４で光路長ｂはｂ’へと増加し、又光偏向部１４から回折格子までの長さもＬ２からＬ２’へと増加する。ここで光偏向部１４での元の光軸からの変位量をＨ、光偏向部１４から回折格子１５までの間での光の偏向分をＹとすると、光偏向部１４から回折格子１５までの光路長Ｌ２’は次式で示される。

従ってこのＬ２’を用いて全光路長Ｌは次式で表される。

又出射角βは式（５），（６）より次式（９）で表される。

従って光路長で定まる外部共振器モードの波長λ_ｍは変数φの関数として表され、次式で定まることとなる。
λ_ｍ＝λ_０Ｌ／Ｌ_０ ・・・（１０）
ここで電圧を印加しない状態での光路長は前述のようにＬ_０であり、λ_０はφ＝０のときの回折格子のリトロー配置によって決まる波長である。

又回折格子１５のリトロー配置によって定まる選択波長λ_Ｇは前述した式（３）で表される。これらの波長λ_ｍ，λ_Ｇの光の光周波数ｆ_ｍ，ｆ_Ｇは、光速をｃとすると、夫々次式で示される。
ｆ_ｍ＝ｃ／λ_ｍ
ｆ_Ｇ＝ｃ／λ_Ｇ
そしてこの周波数の差の絶対値が外部モード間隔Ｆ（＝ｃ／２Ｌ）の１／２以下、即ち次の不等式を満足することによって、モードホップフリーの発振が行える。
｜ｆ_Ｇ−ｆ_ｍ｜＜ｃ／４Ｌ ・・・（１１）

さて上記の不等式（１１）を満足する例として、例えば以下のものがある。
Ｌ１＝５．２５ｍｍ
ｂ＝２９ｍｍ
Ｌ２＝２ｍｍ
α＝３５°
ａ＝８００本／ｍｍ
この条件での回折格子の回折角と波長λ_Ｇとのλ_ｍとの関係を図３に、モードホップ番号と発振波長の関係を図４に示す。これらの図に知られるように、モードホップ番号が±０．５未満となる範囲は上記の不等式（１１）の成り立つ範囲である。この場合には１９ｎｍの波長範囲が得られ、この角度範囲では、モードホップのない発振が可能である。即ちこの範囲内では波長の変化と位相変化とを同期させることができ、モードホップを伴うことなく発振波長を変化させることができる。この発振波長は光偏向部１４に与える電圧によって変化させることができる。電気光学素子の応答速度は速いため、例えば三角波、サイン波等任意の波形の電圧の印加によって、電圧波形に応じて高速で波長を変化させることができる。

この実施の形態では、波長走査型レーザ光源の構成要素は全てベース１０上に集積回路として構成されるため、可動部がなく極めて小型軽量とすることができるという効果が得られる。

更に本実施の形態では電圧源１６として任意の交流電源を用いることにより波長走査型光源としているが、電圧に応じて任意の偏向角度に固定してその角度に対応した波長の光を得る波長可変光源として用いることができる。

次に本発明の第２の実施の形態について説明する。この実施の形態では図５に示すように導波路素子１２の端部に形成する回折格子１５に特徴を有するものである。この実施の形態ではモードホップフリーとなる発振可能な波長範囲を拡大するために光の反射する位置に応じて格子線数ａを変化させるようにしたものである。回折格子自体は導波路の端面にディープドライエッチング（ＤＲＩＥ装置）や成型的製造法を用いて形成することによって任意のピッチとすることができるので、このピッチを適宜変更することによってモードホップのない発振が可能な波長範囲を拡大することができる。図５は導波路素子の端面に形成される回折格子の長さ方向を横軸とし、格子線数ａを線数とした場合の格子線数の変化を示すグラフである。このように格子線数を第１の実施の形態の定数から偏向角度に応じた格子線数となるように連続的に又は不連続的に変化させることによって、波長可変範囲を拡大することができる。

図６は本発明の第３の実施の形態による波長可変レーザ光源を示す図である。本図において前述した第１実施の形態と同一部分は同一符号を付して詳細な説明を省略する。この実施の形態では導波路素子とその端面の回折格子のみが前述した第１の実施の形態と異なっている。この実施の形態では導波路素子２１を用いる。導波路素子２１上には前述した第１の実施の形態と同様に、スポットサイズ変換部１３、光偏向部１４を設ける。又その端部には回折格子２２を同様に形成するが、この回折格子２２に対向する位置を平面とし、その面をミラー２３として形成しておく。そして回折格子２２の回折光をそのまま同一位置に反射させるものとする。こうすれば１次回折光を利用するリットマン配置となる。この場合には光偏向部１４を出射した後の光路長Ｌ２が更に回折格子２２からミラー部２３への往復の光路長を加えたものとなるが、その他は前述した第１の実施の形態と同様である。ミラー２３はこの場合には外部共振器の一端を構成する第２のミラーとなる。この場合も同様の構成によってモードホップフリーの波長可変レーザ光源を実現することができる。

ここで光偏向部には高い効率で屈折率を変調可能な非線形光学材料や液晶、又はポリマ等を用いることができる。電気光学効果を持った素子としては、例えばＰＺＴやＬｉＮｂＯ_３があり、この素子に電圧を印加することによって、屈折率が変化するため電圧に対応した屈折角で光を偏向することができる。

尚、光偏向部１４の領域は特定の領域のみの屈折率をあらかじめ変化させておき、更に電圧でその領域の屈折率を変化させるようにしてもよい。又屈折率が変化する複数の領域を設けることによって偏向角度を拡大することができる。

更に前述した各実施の形態では導波路素子の端面に回折格子を形成するようにしているが、導波路素子を用いることなくゲイン媒体である半導体レーザと光偏向部及び回折格子とを夫々独立した素子として形成してもよい。又各実施の形態において、半導体レーザを基板上に同時に形成することによって全体を集積回路化することができる。

本発明はシングルモードで任意の速度で波長を掃引、走査することができるため、ＯＣＴや光ファイバセンシング等の種々の分野の波長走査型光源、その他の光源として用いることができる。

本発明の第１の実施の形態による波長可変レーザ光源を示す図である。 本実施の形態による波長可変レーザ光源の主要部の構成を示す図である。 本発明の実施の形態による回折角に対する波長の変化を示すグラフである。 本実施の形態による波長変化とモードホップ番号を示すグラフである。 本発明の第２の実施の形態による波長可変レーザ光源の回折格子の位置に対する格子線数の変化を示す図である。 本発明の第３の実施の形態による波長可変レーザ光源を示す図である。

符号の説明

１０ ベース
１１ 半導体レーザ
１２，２１ 導波路素子
１３ スポットサイズ変換部
１４ 光偏向部
１５，２２ 回折格子
１６ 電圧源
１７ 集光レンズ
１８ アイソレータ
１９ 光ファイバ
２３ ミラー

Claims (6)

1. 発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、
   前記ゲイン媒体に隣接して設けられ、前記ゲイン媒体から入射された光を同一の光行路に沿って反射する第１のミラーと、
   前記ゲイン媒体を中心とし、前記第１のミラーと対称な位置に設けられた回折格子と、
   前記ゲイン媒体と前記回折格子との間に設けられ、外部からの信号によって屈折率を変化させ、光を屈折させることにより前記回折格子への入射角を偏向する光偏向部と、具備し、
   前記光偏向部の屈折率変化に伴う光路長の変化及び光ビームの偏向に伴う外部共振器の光路長の変化に伴う波長の変化と、前記回折格子への入射角の変化に伴う波長の変化とを同期させることによって、単一モードで連続的にレーザ発振波長を変化させるようにした波長可変レーザ光源。
2. 前記回折格子は、前記外部共振器モードの波長変化と回折格子の選択波長の波長変化とが同期するように、その格子線数を変化させた請求項１記載の波長可変レーザ光源。
3. 前記光偏向部は、電気光学効果、熱光学効果、磁気光学効果及び音響光学効果のいずれかの機能を有する素子を用いた請求項１記載の波長可変レーザ光源。
4. 前記回折格子は、導波路素子の端面に形成されたものであり、
   前記導波路素子は、更に光導波路中に前記光偏向部を集積した請求項１記載の波長可変レーザ光源。
5. 前記ゲイン媒体は半導体レーザであり、
   前記半導体レーザの出射面に前記導波路素子を接触させ、前記半導体レーザ及び導波路素子を同一基板に集積化した請求項１記載の波長可変レーザ光源。
6. 前記回折格子は、回折格子で反射された光を同一位置に反射するリットマン配置により構成した請求項１記載の波長可変レーザ光源。

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