JPH0964439A - レーザ光源装置 - Google Patents

レーザ光源装置

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JPH0964439A
JPH0964439A JP7240819A JP24081995A JPH0964439A JP H0964439 A JPH0964439 A JP H0964439A JP 7240819 A JP7240819 A JP 7240819A JP 24081995 A JP24081995 A JP 24081995A JP H0964439 A JPH0964439 A JP H0964439A
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茂 衣川
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    • H01S5/1021—Coupled cavities

Abstract

(57)【要約】 【課題】高い波長分解能と高いモードの安定性を有し、
スペクトル線幅が狭く、高いサイドモード抑圧比を持
ち、広い波長帯域にわたって発振が可能なレーザ光源装
置を実現する。 【解決手段】光ゲイン媒体４と三つの光反射体１，２，
３とで複合共振器レーザを構成し、複合共振器モードが
波長選択性を有する光反射体１の波長分解能の中に１本
だけ存在するように光反射体１，２，３の相互の位置を
設定した。所望の波長に応じて、ステッピングモータ
６、ＰＺＴ７，８で位置の調整を行う。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、光通
信、光波長計測等の分野で使用されるレーザ光源装置に
関する。とくに、この発明のレーザ光源装置は相互注入
同期現象を利用したレーザ光源装置からヒントを得たも
ので、複合光共振器の作用を利用して、広い波長帯域に
わたって発振が可能な可変波長光源であり、そのスペク
トル線幅が狭く、しかも高いサイドモード抑圧比（ＳＭ
ＳＲ；Side Mode Suppression Ratio）を実現している
点に特徴がある。従って、この発明のレーザ光源装置
は、光の波長（周波数）制御システムとして利用するこ
とができる高いモードの安定性を有し、しかも高い分解
能で設定できる波長で発振するレーザ光源装置となって
いる。
【０００２】
【従来の技術】可変波長のレーザ光源を従来の技術につ
いて見ると、およそ以下の三つの形式のものが知られて
いる。 外部共振器レーザ（図６参照） 外部共振器レーザの構成は、半導体レーザ２１の片端面
２１ａに無反射コート（ＡＲコート）を施し、このＡＲ
コート面２１ａ側に隔置して設けた反射ミラー２２（図
６では回折格子２２としている）と半導体レーザ２１の
ＡＲコートされていない他方の面ＨＲ２１ｂとの間で光
共振器２０を構成し、半導体レーザ２１のゲインにより
レーザ発振を可能にしたものである。反射ミラー２２を
反射波長選択性を持つ回折格子で構成し、それに圧電素
子（例えば、ＰＺＴ）２３とステッピングモータ２４と
による回折格子回転機構２５を付属させて光共振器２０
で共振する光波長を選択すれば、回折格子２２の制御に
より発振波長を広帯域に制御することができる。
【０００３】ここで、回折格子２２は基板上に数百本／
mmもの多数の溝が形成されており、一定の角度で入射し
た光は、各々の溝による散乱光がブラッグ回折条件を満
足するような角度に回折される。従って、入射する光の
波長が変化すると、溝の間隔が一定であるため、回折す
る角度が変化することになる。逆に回折格子２２を回転
させて、入射の角度を変化させると、その角度変化によ
り実効的に溝間隔が変化したように振る舞うので、一定
の空間位置に散乱される光波長が変化することになる。
【０００４】このような回折格子２２を外部共振器レー
ザの反射ミラーとして利用する場合、この回折光が入射
光の光軸と一致するように、必要とする波長と溝数によ
り光軸と回折格子２２の設定角度が決定されている（リ
トロー配置と呼んでいる）。この配置で反射光が入射の
光軸と一致する波長をリトロー波長と呼ぶ。従って、Ａ
Ｒコートされた半導体レーザ２１で発生する広い波長帯
域の自然放出光は回折格子２２の角度設定で決定される
リトロー波長だけが回折格子２２で反射・増幅されるた
め、光源全体としてリトロー波長が発振することにな
る。またこの状態で、回折格子２２を回転させると、リ
トロー波長が変化し光源の発振波長を掃引することがで
きる。
【０００５】「半導体レーザ装置」特願平２ー７５１
８１号（図７参照） このレーザ装置は、モノリシックに構成されたＣ3 （Cl
eaved Coupled Cavity）レーザを用いた光源技術であ
り、Ｃ3 レーザは複合共振器レーザとして有名なデバイ
スである。Ｃ3 レーザについては文献「Applied Physic
s Letter 42(8).15 April 1983,pp.650 〜652 」等にそ
の構造と原理が示されているので、ここでは詳細な記述
を省略する。この従来技術では、Ｃ3 レーザ３０を構成
し、活性層３５が光学的に強く結合している２つの半導
体レーザ３１，３２の内の一方の出力端面にＡＲコート
を施し、このＡＲコート面３２ａと対向して設置された
回折格子３４とクリーブ面とで第１の外部光共振器を形
成している。（ 図７（ａ））
【０００６】さらに別の構成（ 図７（ｂ））として、
他方の半導体レーザ３１の出力端面３１ａにもＡＲコー
トを施し、このＡＲコート面３１ａに対向しハーフミラ
ー３７を設置することにより第２の外部光共振器を構成
している。この際、第１と第２の光共振器の共振器長Ｌ
１，Ｌ２をほぼ一致させて使用する。この構成により両
者の共振器モードが一致して発振するバーニアモードの
間隔を広くする。
【０００７】この光源の動作は、回折格子３４とＣ3 レ
ーザ３０を構成する一方の半導体レーザ３１のクリーブ
面で構成されて第１の外部共振器レーザとＣ3 レーザ３
０を構成する他方の半導体レーザ３２あるいは第２の外
部共振器レーザとの間で相互注入同期を発生させ、この
状態で回折格子３４の回転によって、光源の発振波長を
広帯域に変化させる動作機構３６と、Ｃ3 レーザ３０を
構成する２つの半導体レーザ３１，３２の注入電流を制
御することにより発振波長の微調機構を備えている。ま
た、第１と第２の外部共振器レーザで光源を構成してい
る場合、２つの外部共振器レーザの外部共振器長Ｌ１，
Ｌ２をほぼ同じ長さにしているため、両方の共振器モー
ドが一致して形成される注入同期モード（バーニアモー
ド）の発生する波長周期を広くとることができる。この
ため隣接するバーニアモードを回折格子３４の波長分解
能の外に設定することができ、サイドモード抑圧比を最
大にとることができる。
【０００８】「相互注入同期光源」特願平５ー２６９
８２５号（図８参照） 一方の出力端面４１ａにＡＲコートを施した半導体レー
ザ（ＬＤ１）４１とこのＡＲコート面４１ａに対向して
外部に設けた反射体ミラー４３により構成された第１の
外部共振器レーザ４４において、半導体レーザ４１のＡ
Ｒコートを施していない片端面４１ｂを新たな反射体と
して、ＡＲコートを施した第２の半導体レーザ（ＬＤ
２）４２で第２の外部共振器レーザ４５を形成する構造
を持っている。
【０００９】相互注入同期光源は、第１と第２の外部共
振器レーザ４４，４５で独立に各々の共振器モード（図
９（ａ），（ｂ）参照）で発振している光が相互に注入
されることにより、周波数的に同期した発振を開始する
現象を利用している。同期発振は各々独立に発振してい
るときの波長差が、同期範囲（ロッキングレンジ）内に
存在するときに発生する。単一のレーザ光源の同期範囲
Δν0 は Δν0 ＝｛１／（４πτp ）｝√｛Ｐin／Ｐl ｝ ………（１） で表される。ここでτp はホトン寿命、Ｐinは注入され
た光パワー、Ｐl は共振器内部の光パワーを示す。
【００１０】相互注入同期光源の同期範囲は、第１と第
２の外部共振器レーザ４４，４５で独立に計算される同
期範囲Δν1とΔν2の和で表される。この同期が発生し
ている状態は、発振波長近傍の発振ゲインを抑圧してい
るため、相互注入同期を発生している２つの共振器モー
ドが一致（バーニアモードを形成）（図９（ｃ）参照）
した状況を保持したまま、２つの共振器長を変化させて
波長掃引させれば光周波数を位相連続で波長掃引するこ
とができる。この際、共振器長変化の機械的精度が低く
ても、同期範囲程度のモード波長の不一致は許容される
ため、組立が容易となる。また、この光源では、注入光
が発振のＱ値を高める効果を持つため、サイドモード抑
圧比が高い発振光を得ることができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べた三
つの形式の可変波長のレーザ光源はそれぞれ次のような
問題点を備えていた。 従来技術で述べた外部共振器レーザは以下に述べる
問題点を有している。すなわち、広帯域な波長可変範囲
（100nm ）を確保するためには、回折格子の回転角は10
゜程度の回転が必要となるが、この回転を得るためには
電気的に制御可能なＰＺＴ素子ではダイナミックレンジ
が不足するため、ステッピングモータ等を用いなければ
ならない。しかし一般に大きなダイナミックレンジを有
するアクチュエータは設定分解能・再現性が取れず、光
源としての波長設定分解能は０．１ｎｍが限界となる。
【００１２】また、光共振器モードは ＦＳＲ＝（λの２乗）／２ｎｌ ………（２） で表される周波数間隔（ＦＳＲ：Free Spectrum Range
）で立つ。ここでλは光波長、ｎは屈折率、ｌは共振
器長である。従って、回折格子による外部共振器を構成
すると、共振器長ｌが長くなるため、モードが密に立つ
ことになる。一方、回折格子の波長分解能Δλは以下の
式で表される。 λ／Δλ＝Ｎ×Ｗ ………（３） ここで、Ｎは1mm当たりの溝本数、Ｗは回折に関与する
長さである。一例として共振器長を40mm、波長1.55μ
ｍ、回折格子の溝ピッチ1100本/mm、光スポット系2.5mm
としてＦＳＲと回折格子の分解能を計算すると、ＦＳＲ
は30pmで回折格子分解能は270pmとなる。この関係を図
６（ｂ）で見ると、回折格子の分解能はグレーティング
弁別曲線で決まり、外部共振器モードのいくつものモー
ドを包含してしまう。従って、回折格子では１本の共振
器モードを分解できず、分解能の範囲に存在するモード
のうち、どのモードが発振するかは制御不能である。こ
のモード不安定性も、光源全体の発振波長の設定分解能
及び再現性劣化の要因となる。
【００１３】さらに半導体レーザの端面に施すＡＲコー
トは、通常１０の（−３）乗程度の性能であるが、半導
体レーザ内部の共振器モード（内部モード）の影響を完
全に除去するためには、１０の（−４）乗以下の性能が
要求される。従って通常のＡＲコートで光源を作製した
場合は内部モード間の波長跳びが発生し、光源として発
振不能の波長領域が発生することになる。
【００１４】 従来技術の「半導体レーザ装置」で
は、回折格子の回転機構の問題と分解能の問題の他に次
の問題点を有する。すなわち、この光源は基本的に４ミ
ラー系であるため、クリーブにより形成される半導体端
面間のエアーギャプにより周期的な波長位置で位相ミス
マッチが発生し、発振の不安定性とＡＲコートの不完全
性の影響と同様発振波長の跳びが生じる。さらにこの光
源では注入電流による発振波長の微調を施しているが、
外部共振器構造で光共振器長が長く、注入電流による光
学的距離変化がこの光共振器長に比べて非常に小さくな
るため、波長の微調範囲が小さいという問題も有してい
る。
【００１５】 また、「相互注入同期光源」では
（１）式で表したように、注入される光パワーの量で決
定される同期範囲Δν0 が発生する。しかしこの値は結
合する光の位相条件により大きく変化する。この変化は
次のように表される。 Δν＝｛Δν0 √〔（Ｍの２乗）＋２Ｍ cosβ＋１〕｝／（Ｍ＋１）…（４） ここで２つの外部共振器レーザで独立で発生する同期範
囲をΔν1 とΔν2 とすると、Ｍは（Δν1 ／Δν2
）、Δν0 は（Δν1 ＋Δν2 ）、βは結合する光の
相対的位相差を表す。従って、同期範囲だけを考えた場
合、同期範囲が広いため、光共振器のモード掃引に関す
る機械的精度は低いものでも掃引可能と考えられるが、
実際には機械的揺らぎにより同期範囲が揺らぐため同期
状態が不安定になる問題を有する。
【００１６】この発明の目的は、前記問題を解決して、
高い波長分解能、高いモードの安定性を有し、ス
ペクトル線幅が狭く、高いサイドモード抑圧比を持
ち、広い波長帯域にわたって発振が可能なレーザ光源
装置を実現することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】前記従来技術の課題を解
決するために、本発明では１つの光増幅媒体（光ゲイン
媒体とも言う）と３つのミラーすなわち光反射体により
複合共振器レーザを構成した。その３つのミラーのう
ち、いづれか１つは回折格子等の波長選択特性を有する
光反射体を用いている。この複合共振器の特徴は共振モ
ードが回折格子の波長分解能の中に１本だけ存在するよ
うにミラーの相互間の位置を設定している点である。こ
の複合共振器によると、対向する二つの光反射体の間に
光ゲイン媒体を介在させてレーザ発振器を構成する。こ
のレーザ発振器の発振モードは図３（ｂ）に示すよう
に、いくつもの波長が発振するマルチモードとなること
は従来のレーザ発振と同じである。
【００１８】このレーザ発振器の出力の一部を、第三の
光反射体で受けて、反射させ、レーザ発振器へ帰還をす
る。第三の光反射体は図１，図２の構成では、光軸に沿
って位置の調節ができるようにしてあり、この第三の光
反射体による光帰還で、発振モードはマルチモードのう
ちの特定のモードの発振を強調することになる。この強
調されたモードを複合共振器モードと呼ぶ。三つの光反
射体のうちの一つは波長選択性をもつ、例えば、回転す
る回折格子としているから、複合共振器モードの中か
ら、少数（好ましくは１）のものが選択されることにな
る。また、回折格子の回転機構と他の２つのミラー間隔
をＰＺＴ素子を用いて微少に可変する機構により、複合
共振器のモ−ドを波長的に掃引できる構造とした。ま
た、さらに別個に設けた第二の光増幅媒体を２つのミラ
ーの間隙内に設置し、光アンプとして動作させるように
した。（第２の請求項の発明）
【００１９】この発明でいう複合共振器系は、本願発明
者がした先願発明（特願平５−２６９８２５号，特開平
７−１０６７１０号公報で開示）の相互注入同期光源か
らヒントを得ている。この先願発明では、第１及び第２
の二つの半導体レーザの光軸を合わせて配置し、第１の
半導体レーザの反射防止コーティングを施していない端
面と、第２の半導体レーザの反射防止コーティングを施
していない端面とで外部共振器を構成するようにし、
（図８にはともに図示しない）共振長可変手段と波長設
定用の信号源とを制御して、可変波長の光源装置を実現
している。これに対して、この発明では、発振という現
象そのものが一般に言われるように非線形現象であり、
例えば、水面上を伝わる水の波に見られるように、波高
値の高いものが、低いものよりも速く伝搬するというよ
うな、非線形現象が、光ゲイン媒体でも見られるはずで
あることをとりあげる。
【００２０】また、これに加えて、波長選択性素子（例
えば、回折格子、フィルタなど）は波長分散特性をもっ
ているものであることにも注目する。非線形現象と波長
分散特性とを組合せるときは、波が突き立つ現象が生ず
ることがソリトン波の研究で言われているところであ
り、安定で粒子のように振る舞う孤立波を作ることがで
きるという考えに基づいている。レーザ発振器となる光
ゲイン媒体自体はその伝搬特性に非線形性があり、ここ
で発生したレーザ光に、波長選択性という分散性質を利
用した帰還をかけるようにした点に、この発明の複合共
振器の特徴がある。そして、ここでいう複合共振器はハ
イブリッド化（混成）した共振器ということもできるも
のである。請求項２の発明では、帰還系の中に第２の光
ゲイン媒体を介在させて、非線形性を一層強調するよう
にしている。以下、具体的に実施の形態を説明する。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１及び図２にはそれぞれ請求項
に対応した二つの発明の構成を模式的に示した。図１
（請求項１に対応している）について見れば、三つの光
反射体１，２，３が光軸に沿って配置されている。光反
射体１は回折格子で作られており、ＰＺＴ７とステッピ
ングモータ６とによって円弧状の両端矢印で示すように
回動し、反射光の波長が選択できるものとなっている。
光反射体１と２との間には光ゲイン媒体４が介在する。
光ゲイン媒体４はその両端に反射防止膜（Anti-Reflect
ion Coating ）が施されている。また、光ゲイン媒体４
の両側には、凸レンズのような光学素子９，９を適宜配
置して、光反射体１，２と光ゲイン媒体４とによって、
レーザ光源１３が作られている。このレーザ光源１３は
光反射体１，２によって作られる光共振器１１を利用し
ている。光共振器１１はその長さＬが５０ｍｍ、ＦＳＲ
が２５ｐｍというようなものである。光ゲイン媒体４と
しては、例えばInGaAsP ，GaAlAsのような半導体を使用
する。レーザ光源１３からの光の一部は光反射体２を通
って、外に送られ、光軸上に配置された光反射体３で反
射されて、再びレーザ光源１３の光共振器１１に戻る。
光反射体３と光反射体２の距離ｌは４ｍｍで、光共振器
の長さＬ＝５０ｍｍより短く、戻される光はレーザ光源
１３の内部の光と３００ｐｍ間隔で位相的に結合する。
これが複合共振器と呼べる根拠となっている。光反射体
３はその光軸上の位置をＰＺＴ８によって変えることが
でき、これがこの発明の装置を可変波長光源としてい
る。
【００２２】図２の構成は請求項２に対応するもので、
図１の構成との違いは、光反射体３と光反射体２の光路
中に第２の光ゲイン媒体５を介在させていることであ
る。図では光反射体３と光反射体２の外に便宜上光ゲイ
ン媒体５を記載してあるが、作図の上で、光反射体３と
光反射体２の間には書き難かったためである。図３に
は、図１の構成の動作を示す機能図が示してある。光反
射体１，２（まだここでは光反射体の波長選択性は考え
ないことにする。）で構成された光共振器１１から外へ
送り出された発振光（その位相φ）は光反射体３によっ
て反射されて、光共振器１１に帰還される。従って、光
反射体３は帰還用ミラーであり、往復の光路で、位相が
Δφだけ変わって光共振器１１に戻る。Δφが通常はπ
となるようなところで、レーザ光源１３の発振波長が強
められる。この様子を示したのが図３（ｃ）である。す
なわち、光反射体１，２と光ゲイン媒体４とからなるレ
ーザ光源１３では、図３（ｂ）に示すようなモードで多
モード発振が見られるが、帰還用ミラー（光反射体３）
を置くことによって、発振ゲインがとびとびに大きくな
った、この発明で言う複合共振器モードが得られるよう
になる。図４には、さらに、光反射体１に回折格子のよ
うな波長選択性をもたせた場合を考えている。すなわ
ち、回折格子の弁別曲線は例えば図４（ｃ）のように半
値全幅が３００ｐｍであると、複合共振器のモードとし
ては図４（ａ）の２５ｐｍの多モード発振から、図４
（ｂ）の３００ｐｍ毎の選択が行われるようになる。
【００２３】図１〜４に示したこの発明の実施の形態を
その作用について見ると、次のようになる。３つのミラ
ーすなわち光反射体１，２，３により構成されるこの発
明で言う複合共振器のモードは、隣接する２つのミラー
１，２で構成される光共振器１１の電磁界モードと他の
一つのミラー（帰還用ミラー）３からの反射電磁界が位
相的に結合することにより発生する。従って、この複合
共振器モードは光共振器１１が本来持つモードより電磁
界振幅として強く励振されることになる。この光共振器
１１内部に光増幅媒体４を設けレーザ発振器１３として
構成すると、発振は複合共振器モードの立つ波長でゲイ
ンが高くなるため、光共振器本来の発振モードは抑制さ
れ、複合共振器モードで発振を開始する。このような動
作モードをもつ点に特徴がある。
【００２４】この複合共振器モードは、光共振器１１と
光共振器１１に光を帰還する帰還用ミラー３間の光路長
ｌで決定される波長周期で発生する（この周期は（２）
式の共振器長を光路長と読み変えて算出できる）。回折
格子１で任意の波長位置に存在する単一の複合共振器モ
ードを選択して発振させるためには、光路長ｌは回折格
子１の波長分解能により決定する必要がある。例えば回
折格子１の波長分解能が270pm であれば、光路長は約4m
m に設定し、複合共振器モードの波長間隔は270pm とす
る。この光路長ｌの設定により、回折格子１の波長分解
能内に単一の複合共振器モードが形成でき、安定な単一
モード発振を得ることができる。また、この状況は従来
技術の外部共振器レーザで述べたような多数のモードが
回折格子の分解能の範囲に存在する状態とは違い、複合
共振器レーザの発振波長を決定するのは複合共振器モー
ドであり、回折格子の反射中心波長ではない。従って、
回折格子１の回転機構６，７による波長設定の揺らぎが
0.1nm 程度あったとしても、複合共振器モードはその設
定波長揺らぎ以上離れて存在する（例えば0.2nm ）た
め、十分に目標とする複合共振器モードを選択すること
ができ、光共振器１１のモード間隔が十分狭ければ、こ
の複合共振器レーザの波長設定分解能を決定する要因は
複合共振器モードの波長を制御する（帰還用ミラー３の
位置を決定する）高精度のＰＺＴ素子８ということにな
る。このため、十pm程度の高設定分解能を有する光源を
実現することができる。
【００２５】また、この複合共振器レーザは上記した数
値例でもわかるように、光共振器１１と帰還用ミラー３
間の光路長は短く設定されるため、数十μｍ程度のダイ
ナミックレンジを有するＰＺＴ素子でも複合共振器モー
ドを数nm波長掃引することができ、広帯域な微調範囲を
確保できる。しかし、この上述した複合共振器レーザの
モードは、光共振器１１のモードが光帰還により周期的
にゲイン変調を受けている状態に他ならない。従って、
発振波長を細かく観測すると、光共振器１１のモードが
支配的であり帰還用ミラーをＰＺＴ素子で移動させて波
長掃引を行うと、光共振器のモード間隔で跳び跳びの波
長掃引となる。この状態を改善するため、本発明では光
共振器１１と帰還用ミラー３の間に光アンプ用のゲイン
媒体５を挿入している。このような光源の構成は、光共
振器１１に帰還される光量を光アンプ５で増幅すること
により、光共振器１１のモードの影響を抑制し、帰還光
の位相条件で決定される波長（帰還によりπ回転する波
長）が複合共振器光源全体の発振波長を支配するように
なる。このためＰＺＴ素子８による波長掃引において、
疑似的な位相連続掃引を実現できる。
【００２６】図１，２に示したこの発明の複合共振器構
成のレーザ光源を可変波長動作させる場合について、図
５を用いて説明する。波長掃引動作は粗調・微調および
連続波長掃引動作の３つの制御がある。図５にそれぞれ
の掃引動作の説明図を示す。図５（ａ）は粗調動作の例
を示す図である。初期状態でＡに回折格子１の弁別曲線
があり、このときの発振光波長はこの曲線内に含まれる
複合共振器モードαの位置である。この状態から回折格
子１を回転させて回折格子弁別曲線をＡからＢに移動さ
せると、この弁別曲線の移動に従って、移動方向に存在
する次の複合共振器モードのゲインが次第に強くなり発
振周波数はαからβ位置にジャンプする。この複合共振
器モード間隔は数百ｐｍと比較的広い光波長間隔であ
り、回折格子の回転を広い角度で行えば、百ｎｍ程度の
波長範囲をこの複合共振器モードの間隔で粗調掃引でき
る。
【００２７】図５（ｂ）は微調動作の例を示す図であ
る。この場合は、図５（ａ）で数百ｐｍの分解能で粗い
発振光波長を設定した後その近傍を数十ｐｍ程度の波長
分解能で波長設定するときに使用する。この場合、回折
格子１は固定し、帰還用ミラー３の位置を光軸方向に変
化させることにより複合共振器モードの位置を回折格子
１の弁別曲線の半値全幅内で移動させる。図５（ｂ）は
ＡからＢへ複合共振器モードを変化させている状態を示
している。本発明の光源は複合共振器モードが発振する
光共振器モードを選択するため、図５（ｂ）の場合は複
合共振器モードはα・β・γの３本の光共振器モードを
随時選択し、数十ｐｍ間隔の波長ジャンプを繰り返して
波長掃引及び設定することができる。
【００２８】図５（ｃ）は連続波長掃引動作を示す図で
ある。上に示した粗調動作と微調動作は、波長の跳びを
含む波長掃引動作であった。これに対して光共振器長を
変化できるように構成し、帰還ミラー３の移動による複
合共振器モードの移動と同期するように光共振器モード
を移動させれば、波長跳びのない掃引を実現できる。図
５（ｃ）ではＡの波長位置で光共振器モードと複合共振
器モードの重なり合いにより発振していた波長を、Ｂの
位置までこのモードの重なり合いを保持したまま移動さ
せることによりＡからＢの間の波長領域で連続掃引を行
う場合の動作を示している。以上のような３種類の掃引
動作は、必ずしも単一で動作させる必要はなく、例えば
（ａ）の場合と（ｃ）の場合とを組み合わせて広帯域な
波長連続掃引を行うことも可能である。
【００２９】本発明の特徴は、このような掃引動作を行
って任意の波長に発振波長を設定する場合、従来の光源
のように設定分解能が低い回折格子弁別曲線の中心波長
により発振波長が決定されるのではなく、高精度な位置
設定可能なＰＺＴ等で制御された複合共振器モードが発
振波長を決定するため、良好な波長再現性と高い設定分
解能を実現した光源となることである。
【００３０】
【実施例】この発明の構成を実際に使用して複合共振器
モードの発振を確認した実験の系について以下に記す。
実験には図２に示す発明の構成を用いた。光反射体１は
600 本/mm の溝数を持つ回折格子を用いた。この回折格
子１はＰＺＴ素子７とステッピングモータ６による回転
機構が備わっており反射光の波長を広帯域に可変できる
構成になっている。また光ゲイン媒体４にはInGaAsP の
化合物半導体を素材にした第１の半導体レーザを端面Ａ
Ｒコートを施して使用した。今回の実験では反射体２と
して半導体レーザの片方の端面を利用して構成したた
め、前記ＡＲコートは回折格子１に対向する半導体レー
ザ端面だけに施してある。さらに光反射体３も同様に光
ゲイン媒体５として用いた第２の半導体レーザの片端面
を用いて構成されている。従って第２の半導体レーザの
第１の半導体レーザに対向している端面には第１の半導
体レーザ同様ＡＲコートが施されている。各反射体の位
置関係は回折格子（光反射体１）と第１の半導体レーザ
のＡＲコートされていない端面（光反射体２）によって
形成される光共振器長は40mm、また第１及び第２の半導
体レーザのＡＲコートされていない端面（光反射体２と
光反射体３）間の光学的距離は13mmである。従って実験
条件としては以下のようになる。 光共振器のＦＳＲ ： 30pm 複合共振器モードの波長周期 ： 90pm 回折格子の分解能 ： 2nm
【００３１】このような実験系において、回折格子１を
ＰＺＴ素子７の印加電圧を変えて回転させ、発振波長を
掃引した結果を図１０に示す。図中、黒丸は光反射体
１，２で構成される光共振器１１と帰還ミラー（光反射
体１）との間に遮蔽体を挿入し、外部共振器レーザとし
て動作させた場合のデータであり、白抜きの印は遮蔽体
を除去し複合共振器レーザとして動作させた場合のデー
タである。外部共振器で動作させた場合は、30pm程度の
波長幅の間を細かく変化しながら、回折格子１の反射波
長変化にともない、短波長へシフトしている。この波長
の細かい変化は、回折格子１の回転により若干光共振器
長が変化するため、この変化による光共振器モードの波
長変化と回折格子１の反射波長中心の移動とが整合して
いないことにより、近傍の光共振器モード間を跳び移り
ながら発振波長が短波長へ変化するためである。
【００３２】一方、複合共振器レーザとして動作させた
場合は、90pm間隔で並ぶ3つの固定された波長の間を発
振波長が跳び移るのみで回折格子１の反射中心波長変化
による短波長への波長シフトは発生していない。このこ
とは帰還ミラー３の位置が固定のため、複合共振器モー
ドの波長位置は変化せず、発振が回折格子１の厳密な反
射中心波長で決定されるのではなく、固定された複合共
振器モードで決定されるていることを意味する。この実
験では、複合共振器モードの間隔が帰還ミラー３の設定
位置で支配されていることを確認するために、波長分解
能が広い回折格子１で複数の複合共振器モードで発振さ
せたが、回折格子１の分解能を高め、単一の複合共振器
モードを選択すれば、単一の安定な発振が得られること
は自明である。また、帰還用ミラー３を高精度にＰＺＴ
８で位置制御を施すことにより、高い波長設定分解能を
持つ光源が実現できることも自明となる。
【００３３】図１及び図２の構成では、光反射体１を回
折格子とし、波長選択性をもたせ、光反射体３のみが光
軸上で位置可変とした。しかし、三つの光反射体の相対
的な位置関係は、この実施例に限定されない。例えば、
光反射体２を透過、反射に波長選択性のあるフィルタ
（ダイクロイック ミラー）としたり、それも位置の調
節が可能となるような構成としたりした複合共振器を採
用することもできる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、この発明は三つの
光反射体（そのうちの一つは波長選択性があり、少なく
とも一つは光軸上での位置が調節できるものとする）を
用いた複合光共振器と、１または２の光ゲイン媒体を光
反射体の間に介在させる構成をとり、二つの光共振器間
で、非線形と波長分散とを考慮した帰還がとれるように
したから、高い波長分解能、高いモードの安定性を
有し、スペクトル線幅が狭く、高いサイドモード抑
圧比を持ち、広い波長帯域にわたって発振可能なレー
ザ光源装置が実現できた。
【００３５】以下に、発振安定性、発振波長の設定確度
・再現性について説明を加える。 （請求項１の発明） (1) 発振安定性 本発明では、回折格子の波長分解能は光源の発振波長を
大まかに設定するだけで、波長を厳密に決定するのは光
共振器の光共振器モードと光反射体３からの帰還光の位
相結合である。いま、この位相結合周期が回折格子の波
長分解能と同程度であれば、回折格子の波長分解能の範
囲にある複合共振器モードは１本だけとなり（図４参
照）モード・ホップやモード競合等の発振不安定要因は
取り除くことができる。
【００３６】(2) 発振波長の設定確度・再現性 本発明では、発振波長の設定確度・再現性を確定するの
は複合共振器モードの波長位置であり、回折格子の波長
設定分解能は最低限目標波長近傍に存在する複合共振器
モードを回折格子の波長分解能以内に収める程度の波長
設定確度・再現性を持っていればよい。この状態で光源
の最終的な確度・再現性を決定するのは、例えば図１の
ような光反射体１が回折格子であるような構成とした場
合、光反射体３と光共振器１１との距離である。すなわ
ち、通常、光反射体１と光反射体２とで成る光共振器１
１のＦＳＲは１０〜４０ｐｍ程度であり、十分細かい波
長間隔で光共振器モードが並んでいる。この内の１本が
光反射体３の帰還光により選択されて複合共振器モード
が形成されるため、実効的にこの光源の設定確度・再現
性を決定するのは帰還光の位相であり、これは光反射体
３の位置に他ならない。光反射体３と光共振器１１の距
離は通常数ｍｍに設定するため、複合共振器モードの波
長間隔は数百ｐｍとなる。この複合共振器モードはこの
ＦＳＲ間隔で無数に立つため、いずれかのモードを選択
することで広帯域性を実現できる。従って、複合共振器
モードの波長変化範囲は少なくとも１ＦＳＲ分だけ動け
ばよいことになる。このため、光反射体３の位置を変え
るアクチュエータはステッピング・モータ等は必要がな
く、ＰＺＴの距離変位（数十μｍ）だけで十分というこ
とになる。このため、光源全体の発振波長の確度・再現
性はＰＺＴ等の電気的な高分解能制御素子で制御でき、
従来の光源で不可能であった１０ｐｍ程度の確度・再現
性を実現することができる。
【００３７】（請求項２の発明）請求項１の発明におい
て、光共振器１１と光反射体３のミスアライメントや光
学素子による吸収等のため、レーザ光源１３から出射さ
れて光反射体３により再びレーザ光源１３に戻されるレ
ーザ光は大きなロスが発生する。従って、レーザ光源１
３の発振を強くしていくと、光共振器１１内で共振する
レーザ電界強度に対する光反射体３からの戻り光電界の
強度比が低下し、最終的にレーザ光源１３の単独の発振
となる。請求項２の発明はこの効果を緩和するため光反
射体２と光反射体３の間に光ゲイン媒体５を置き上記ロ
スを補償し、強固な複合共振器系を構成するとともに、
レーザ光源１３に対する戻り光強度を増大させて、戻り
光の位相と光共振器１１内部の光との位相ズレに対する
影響を低減する効果をもたせている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の発明の構成を模式的に示す図で
ある。
【図２】本発明の第２の発明の構成を模式的に示す図で
ある。
【図３】本発明の第１の発明の構成の動作を説明するた
めの図であり、（ａ）は複合共振を説明するための図、
（ｂ）は光共振器モード、（ｃ）は複合共振器モードを
それぞれ示す図である。
【図４】本発明の動作を説明するための図であり、
（ａ）は光共振器モード、（ｂ）は複合共振器モード、
（ｃ）は回折格子弁別曲線をそれぞれ示す図である。
【図５】本発明のレーザ光源装置の可変波長動作を説明
するための図であり、（ａ）は粗調動作、（ｂ）は微調
動作、（ｃ）は連続波長掃引動作をそれぞれ説明する図
である。
【図６】従来例である外部共振器レーザを説明するため
の図であり、（ａ）はその構成を模式的に示す図、
（ｂ）は外部共振器モードと回折格子の分解能との関係
を示す図である。
【図７】従来例である半導体レーザ装置の構成を模式的
に示す図であり、（ａ）はその一つの構成を、（ｂ）は
別の構成を示す図である。
【図８】従来例である相互注入同期光源の構成を模式的
に示す図である。
【図９】従来例である相互注入同期光源の動作を説明す
るための図であり、（ａ）は光共振器１の外部モード、
（ｂ）は光共振器２の外部モード、（ｃ）は発振モード
をそれぞれ示す図である。
【図１０】本発明のレーザ光源装置で複合共振器モード
の発振を確認した実験の結果を示す図である。
【符号の説明】
１ 第１の光反射体（回折格子） ２ 第２の光反射体 ３ 第３の光反射体（帰還用ミラー） ４ 光ゲイン媒体（第一の光ゲイン媒体，光増幅媒
体） ５ 光ゲイン媒体（第二の光ゲイン媒体，光アンプ） ６ ステッピングモータ ７ ＰＺＴ ８ ＰＺＴ ９ 光学素子 １１ 光共振器 １２ 複合共振器 １３ レーザ光源 ２０ 光共振器 ２１ 半導体レーザ ２１ａ 端面（ＡＲコート面） ２１ｂ 他方の面ＨＲ ２２ 反射ミラー（回折格子） ２３ 圧電素子 ２４ ステッピングモータ ２５ 回折格子回転機構 ３０ Ｃ3 レーザ ３１ 半導体レーザ ３２ 半導体レーザ ３２ａ 端面（ＡＲコート面） ３３ レンズ ３４ 回折格子 ３５ 活性層 ３６ 動作機構 ３７ ハーフミラー ４１ 半導体レーザ（ＬＤ１） ４１ａ 端面 ４１ｂ 端面 ４２ 第２の半導体レーザ（ＬＤ２） ４３ 反射体ミラー ４４ 第１の外部共振器レーザ ４５ 第２の外部共振器レーザ

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 第１、第２及び第３の光反射体（１，
    ２，３）で成る複合共振器（１２）と、光ゲイン媒体
    （４）とを備えたレーザ光源装置であって、 前記第１の光反射体（１）は光波長選択性を有し、前記
    三つのうちの少なくとも一つの光反射体は他の光反射体
    に対する光軸上の位置が可変とされ、前記三つの光反射
    体のうちの二つが前記光ゲイン媒体を介在させながら対
    向してレーザ光源（１３）を構成し、さらに、残りの一
    つが該レーザ光源から出射したレーザ光を該レーザ光源
    に帰還させる光路を形成するように配置されていること
    を特徴とするレーザ光源装置。
  2. 【請求項２】 第１、第２及び第３の光反射体（１，
    ２，３）で成る複合共振器（１２）と第一及び第二の光
    ゲイン媒体（４，５）とを備えたレーザ光源装置であっ
    て、 前記第１の光反射体（１）は光波長選択性を有し、前記
    三つのうちの少なくとも一つの光反射体は他の光反射体
    に対する光軸上の位置が可変とされ、前記三つの光反射
    体のうちの二つが前記第一の光ゲイン媒体（４）を介在
    させながら対向してレーザ光源（１３）を構成し、さら
    に、残りの一つが該レーザ光源から出射したレーザ光を
    第二の光ゲイン媒体（５）を経由して該レーザ光源に帰
    還させる光路を形成するように配置されていることを特
    徴とするレーザ光源装置。
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