JP6090780B2

JP6090780B2 - 高パワーインコヒーレント光発生装置

Info

Publication number: JP6090780B2
Application number: JP2013011378A
Authority: JP
Inventors: 昭文高見澤; 真也柳町; 健池上
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2013-01-24
Filing date: 2013-01-24
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-01-24
Also published as: JP2014143320A

Description

本発明は半導体レーザ光源とスーパールミネッセントダイオード(ＳＬＤ)光源を備えた、高パワーインコヒーレント光を発生するための装置に関する。

共振器内での誘導放出による光増幅を利用することにより、パワーの強いコヒーレント光(レーザ光)を発生させることができる。干渉計などではその高い干渉性が重要な役割を果たす一方で、光コヒーレンストモグラフィーのように干渉性が邪魔になる用途もある。そうした用途のために、高輝度なインコヒーレント光を発生させるＳＬＤの開発が近年進められてきた。

例えば、活性層を備えた光導波路を用いて光を増幅しつつ、光導波路の片方の端面の反射率を低くすることによりレーザ発振を抑制して、高輝度なインコヒーレント光を生成するＳＬＤが提案されている(特許文献１)。
また、光導波路に工夫をすることにより高輝度化を図っているＳＬＤの提案がある(特許文献２)。すなわち、支流光導波路が光出射端面に設けた出射開口に向かって主導波路と合流する構造にし、光導波路の少なくとも一部が出射端面の法線方向に対して傾きを有している。また、少なくともいずれかの光導波路が所定の曲率を有する曲線状に形成されている。

ＳＬＤの発光体として自己組織化によって形成された量子ドットを用いることにより、注入電流1400mAでスペクトル線幅60nmかつパワー200mWのインコヒーレント光を生成するＳＬＤの提案もある(非特許文献１)。
さらに、ＳＬＤ部とテーパーアンプ部を有するデバイスを作製し、スペクトル線幅50nmかつパワー380mWでパルス動作するインコヒーレント光を生成するＳＬＤの提案もある(非特許文献２)。

しかしながら、インコヒーレント光の発生には共振器を用いた光増幅を利用することができないため、高価なテーパーアンプ等を用いない限りレーザと同程度の高パワーを得ることが難しい。実際、現時点において市販のＳＬＤの出力パワーは大きいものでも30mW程度である。
また、コヒーレント光源をインコヒーレント光源にすることは困難である。もしこれができれば、一つの用途に対してコヒーレント光とインコヒーレント光を使い分けることが容易になる。
また、インコヒーレント光源の高出力化は半導体光デバイスの開発に依存している。そのため、微細構造を有する半導体を作製する技術と設備を持たない限り、高パワーインコヒーレント光源の開発は困難である。

その一方で、インコヒーレント光を半導体レーザに注入して同期させることにより、複数のレーザモードのうちの一つを増幅させる提案がある(特許文献３−５)。
これらの提案は、特定のレーザモードを選択する手法を与えるものであり、スペクトル線幅の広いインコヒーレント光を生成するものではない。

特開２０１１−１８７５８１特開２００７−１６５６８９特開２００６−３３９９９３特開２００６−２５４２７特開２００４−３５０２８０

Z.Y. Zhang et al., "High-Performance Quantum-Dot Superluminescent Diodes," IEEE PhotonicsTechnology Letters, 16, 27 (2004). Z. C. Wang et al, "High-power quantum dot superluminescent diodewith integrated optical amplifier section," Electronics Letters, 47, 1191 (2011).

従って、レーザと同程度の高パワーのインコヒーレント光を発生し、またコヒーレント光もインコヒーレント光も発生し得る安価な高パワーインコヒーレント光発生装置の作製が課題となる。

スペクトル線幅の広いインコヒーレント光をレーザ素子に注入して同期させることによりレーザのスペクトル線幅を広げ、コヒーレント光をインコヒーレント光にする。

インコヒーレント光をレーザ素子に注入して同期させるという点で特許文献３−５とよく似ているが、我々はこの手法によりレーザモードの特定ではなくレーザモードにない波長の光を増幅し、スペクトル線幅の広い高パワーのインコヒーレント光を生成できることを発見した。
具体的には、

（１）スーパールミネッセントダイオード(ＳＬＤ)光源、半導体レーザ光源を有する高パワーインコヒーレント光発生装置であって、半導体レーザ光源の出力側に、その出力側の内部に偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)を有する第１の光アイソレータを配置し、ＳＬＤ光源の出力側に第２の光アイソレータ、光ファイバを順に配置して、前記ＳＬＤ光源からのインコヒーレント光を前記光ファイバの出力端から、第１の光アイソレータ内部のＰＢＳにs偏光で照射して反射させ、前記半導体レーザ光源に注入して同期させることにより、該半導体レーザ光源からインコヒーレント光を出射させ、かつ該ＰＢＳの透過光としてそのスペクトル線幅が拡張されて前記半導体レーザ光源のレーザ媒質の発光スペクトル線幅と略一致するインコヒーレント光を取り出し得ることを特徴とする高パワーインコヒーレント光発生装置を提供する。

次に、
（２）前記ＰＢＳを透過するインコヒーレント光のパワーは、前記半導体レーザ光源からのコヒーレント光のパワーと略同等であることを特徴とする(１)に記載の高パワーインコヒーレント光発生装置を提供する。

また、
（３）前記ＰＢＳを透過するインコヒーレント光のスペクトル線幅は、前記半導体レーザ媒質のスペクトル線幅とＳＬＤのスペクトル線幅のいずれか小さいスペクトル線幅と略同等であることを特徴とする(１)乃至(２)のいずれかに記載の高パワーインコヒーレント光発生装置を提供する。

最後に、
（４）前記照射されるインコヒーレント光の入力がゼロの時にはＰＢＳの透過光がコヒーレント光となり、前記照射されるインコヒーレント光の入力を所定のパワーまで増加するとＰＢＳの透過光がインコヒーレント光となり得ることを特徴とする(１)乃至(３)のいずれかに記載された高パワーインコヒーレント光発生装置を提供する。

テーパーアンプなどの光アンプを用いてインコヒーレント光を増幅することが可能であるが、通常テーパーアンプは半導体レーザよりも高価であるうえ、より大きな注入電流を必要とする。したがって本方法は、インコヒーレント光増幅の低コスト化と低電力化に寄与するものと期待される。

また、何らかの方法でＳＬＤからのインコヒーレント光の注入を止めれば、レーザ素子からの光はコヒーレント光に戻る。従って、光軸を保ったままコヒーレント―インコヒーレント変換を行うことができ、コヒーレンスが実験結果に与える影響を容易に調べることが可能となる。

加えて、新規の半導体光デバイスの開発に依ることなく、既存のＳＬＤと半導体レーザ素子を用いて高出力インコヒーレント光を発生させることが可能となる。

図１は本願の全体的な構成をあらわす実験配置(上からみた図)である。図２は注入光パワーの関数として示した、本装置からの出射光(すなわちＰＢＳの透過光)のパワーに対するインコヒーレント光のパワーの比(インコヒーレント比)である。図３は注入光パワーの関数として示した本装置からの出射光(すなわちＰＢＳの透過光)のスペクトル線幅(半値全幅)である。

具体的には、図１に示す実験配置を用いて、波長854nm、線幅0.3nm以下で連続発振するレーザ光を出力する半導体レーザ素子に、ＳＬＤによって生成される中心波長850nm、スペクトル線幅50nmおよびパワー2.8mWのインコヒーレント光を注入することにより、パワー150mWおよび線幅8nm、もしくはパワー51mWおよび線幅11nmのインコヒーレント光を生成した。

前者の場合、レーザ光の線幅は２６倍以上に広がり、出力光のインコヒーレント光のパワーは入力のインコヒーレント光の約５０倍に増幅された。後者の場合、レーザ光の線幅は３７倍以上に広がり、出力光のインコヒーレント光のパワーは入力のインコヒーレント光の約２０倍に増幅された。

また、不透明な板などを光軸上に挿入するか、ＳＬＤの注入電流をオフにすることによりインコヒーレント光の注入を遮断すると、半導体レーザ素子からの出力はすぐにコヒーレント光に戻った。

ここで、出力光のパワーは、注入光の有無にはよらなかった。すなわち、パワーを保ったままコヒーレント―インコヒーレント変換が行われた。

また、ＳＬＤおよびレーザ素子への注入電流はともに最大で200mAであった。

図１に実験配置を示す。ＳＬＤからの出力をレンズで平行光にして、戻り光抑制のための光アイソレータに通す。その後光ファイバに結合させ、出射光をもう一つの光アイソレータ内の出力側の偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)にs偏光で照射する。

ＰＢＳによって反射された光は、レンズを介して半導体レーザ素子内に注入される。その一方で、半導体レーザからの出力はレンズで平行光にされて光アイソレータを通過する。

ここで、光アイソレータの出力側のＰＢＳにおいて若干の反射光が生じて光ファイバに向かうが、光軸を調整してこの反射光の光ファイバへの結合効率を最大化する。これにより、注入同期のための光軸調整も同時に最適化することができる。

生成されるインコヒーレント光は半導体レーザそのものがもつ出力パワーを有する。また、スペクトル線幅の上限はＳＬＤと半導体レーザ媒質のうちのどちらか小さい方のスペクトル線幅によって決まると考えられる。

したがって、より出力パワーが大きい半導体レーザ素子を選べばインコヒーレント光をハイパワー化することができ、発光線幅の広い媒質を持つ半導体レーザを用いればＳＬＤと同等のスペクトル線幅をもつインコヒーレント光を発生させることができるだろう。

次に図２を用いて、インコヒーレント注入光パワーが十分に大きければ、生成されるインコヒーレント光のパワーが半導体レーザ素子単体での出力パワーと同程度になることを説明する。
ただし、図２の横軸はインコヒーレント注入光パワーを示し、縦軸は本装置からの出射光のパワー(注入光パワーゼロにおける出射光パワー)に対するインコヒーレント光のパワーの比、インコヒーレント比を示す。図中の円、四角および三角はそれぞれ出射光パワーが150mW、99mWおよび51mWの場合を示す。出射光パワーの調整は、半導体レーザ素子への注入電流を調節することによって行った。

出射光パワー150mW、99mWおよび51mWの場合において、それぞれ注入光パワー1.1mW、0.8mWおよび0.4mWでインコヒーレント比は0.8に達した。また、注入光パワーが2.8mWの場合には、３つ全ての出射光パワーの場合においてインコヒーレント比は0.9に達した。

次に図３を用いて、注入光パワーによるインコヒーレント光のスペクトル線幅の変化を説明する。ただし、図３の横軸はインコヒーレント注入光パワーを示し、縦軸は出射光のスペクトル線幅(半値全幅)を示す。図中の円、四角および三角はそれぞれ出射光パワーが150mW、99mWおよび51mWの場合を示す。

注入光パワーが0.5mWより大きいときには、スペクトル線幅は注入光パワーとともに増加し、同じ注入光パワーに対しては出射光パワーが大きいほどスペクトル線幅が小さい。
従って、パワーよりもスペクトル線幅を広げることを重視する場合には、半導体レーザ素子への注入電流を小さくして出射光パワーを下げることが有効である。注入光パワー2.8mWの場合において、出射光パワーが150mWのときにはスペクトル線幅が8nmである一方、出射光パワーが51mWのときにはスペクトル線幅が11nmとなった。

ここで、注入電流がレーザ発振のしきい値以下のときの半導体レーザからの出射光のスペクトルを取ることによりレーザ媒質の発光スペクトル線幅を見積もると、約10nmであった。これは注入同期により得られたインコヒーレント光のスペクトル線幅とほぼ一致している。

本発明の実施例では、光アイソレータと光ファイバを用いて、ＳＬＤからの光を半導体レーザ光源に注入して同期させたが、半導体レーザ光源をＳＬＤに同期できる構成であれば、他の同期の構成または他の同期の方法であってもよいのは言うまでもない。

本発明に係る高パワーインコヒーレント光発生装置は、光ファイバジャイロ、光カプラ信号伝送装置、測長器、広帯域な分光用光源、光コヒーレンストモグラフィー技術、表面断層検査などへの利用が可能である。

１半導体レーザ源
２スーパールミネッセントダイオード(ＳＬＤ)光源
３光アイソレータ
４ (第２の)光アイソレータ
５偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)
６光ファイバ
７〜１０レンズ

Claims

スーパールミネッセントダイオード(ＳＬＤ)光源、半導体レーザ光源を有する高パワーインコヒーレント光発生装置であって、
半導体レーザ光源の出力側に、その出力側の内部に偏光ビームスプリッタ(ＰＢＳ)を有
する第１の光アイソレータを配置し、
ＳＬＤ光源の出力側に第２の光アイソレータ、光ファイバを順に配置して、
前記ＳＬＤ光源からのインコヒーレント光を前記光ファイバの出力端から、第１の光ア
イソレータ内部のＰＢＳにs偏光で照射して反射させ、前記半導体レーザ光源に注入して同期させることにより、
該半導体レーザ光源からインコヒーレント光を出射させ、ＰＢＳの透過光としてそのスペクトル線幅が拡張されて前記半導体レーザ光源のレーザ媒質の発光スペクトル線幅と略一致するインコヒーレント光を取り出し得ることを特徴とする高パワーインコヒーレント光発生装置。
前記ＰＢＳを透過するインコヒーレント光のパワーは、前記半導体レーザ光源からのコヒーレント光のパワーと略同等であることを特徴とする請求項１に記載の高パワーインコヒーレント光発生装置。
前記ＰＢＳを透過するインコヒーレント光のスペクトル線幅は、
前記半導体レーザ媒質のスペクトル線幅とＳＬＤのスペクトル線幅のいずれか小さいスペクトル線幅と略同等であることを特徴とする請求項１乃至請求項２のいずれか１項に記載の高パワーインコヒーレント光発生装置。
前記照射されるインコヒーレント光の入力がゼロの時にはＰＢＳの透過光がコヒーレント光となり、
前記照射されるインコヒーレント光の入力を所定のパワーまで増加するとＰＢＳの透過光がインコヒーレント光となり得ることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高パワーインコヒーレント光発生装置。