DE69514042T2

DE69514042T2 - Wellenlängenabstimmbare Lichtquelle mit externem Resonator unter Verwendung eines Halbleiterlasers mit einer Region zur Einstellung der Phase

Info

Publication number: DE69514042T2
Application number: DE69514042T
Authority: DE
Inventors: Akihiko Asai; Hiroaki Endoh; Hiroshi Goto; Ikeuchi; Hiroaki Ohtateme
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1994-06-06
Filing date: 1995-06-06
Publication date: 2001-08-09
Anticipated expiration: 2015-06-07
Also published as: DE69514042D1; EP0687045B1; EP0687045A3; US5579327A; EP0687045A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle mit externem Resonator unter Verwendung eines Halbleiters, und insbesondere eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle, die dazu fähig ist, die Schwingungswellenlänge eines Laserstrahls mit einer hohen Reproduzierbarkeit und einer hohen Auflösung abzustimmen.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch eine wellenlängenabstimmtare Lichtquelle mit externem Resonator unter Verwendung eines Halbleiterlasers, und insbesondere eine wellenlängenabstimmbare Lichtquelle, die einen Halbleiterlaser mit einem Phaseneinstellbereich verwendet, um eine Verringerung der Größe der Vorrichtung zu erzielen.
Eine Lichtquelle zum Auswählen einer Wellenlänge durch ein externes Beugungsgitter ist üblicherweise als typische wellenlängenabstimmbare Lichtquelle mit externem Resonator unter Verwendung eines Halbleiterlasers bekannt. Die Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung dieses Standes der Technik zeigt.
In Fig. 8 wird ein von der AR-beschichteten (AR: Antireflektion) Endfläche eines Halbleiterlasers (LD) 1 emittierter Lichtstrahl durch eine Linse 2 kollimiert und trifft auf ein Beugungsgitter 3. Der Lichtstrahl wird spektral gestreut, und nur eine Lichtkomponente mit einer spezifischen Wellenlänge kehrt zu LD1 zurück (was später beschrieben wird). Mit dieser Maßnahme wird ein Resonator (Hohlraum) zwischen einer Endfläche des LD1, die nicht ARbeschichtet ist, und dem Beugungsgitter 3 ausgebildet, und die Laserschwingung bei einer Wellenlänge durchgeführt, die durch die Resonator (Hohlraum) Länge L bestimmt wird. Der Output-Laserstrahl wird von der Endfläche der LD1, die nicht AR-beschichtet ist, emittiert.
Nachstehend wird das Prinzip der Laserschwingung beschrieben.
Der Beugungswinkel eines Lichtstrahls, der auf das Beugungsgitter auftrifft, verändert sich gemäß seiner Wellenlänge. Spezifischer ausgedrückt entspricht eine Wellenlänge λ zum Erhält eines Austrittwinkels β der folgenden Gleichung:
mλ = d(sinθ + sinβ), (m bedeutet eine Beugungsotdnung = 0, ± 1, ± 2, ...)
worin d die Gitterkonstante des Beugungsgitters 3 ist, und θ der Einfallwinkel auf das Beugungsgitter 3, wie in Fig. 9 dargestellt.
Vom auf das Beugungsgitter 3 einfallenden Lichtstrahl kehrt eine Lichtkomponente mit einer Wellenlänge, die gemäß Gleichung (1) der Bedingung θ = β genügt, zu LD1 zurück, wodurch ein externer Resonator (Resonatorlänge L) ausgebildet wird. Die zu diesem Zeitpunkt oszillierende Wellenlänge wird bestimmt durch das Verstärkungsspektrum (A) der LD1, der Wellenlängencharakteristik (B) eines Resonatorverlustes, der hauptsächlich durch die Charakteristika des Beugungsgitters 3 bestimmt wird, und einem externer Resonator-longitudinalen Verlauf (C), der durch die optischen Phasenbedingungen bestimmt wird, wie in Fig. 10 dargestellt. Spezifischer ausgedrückt schwingt ein externer Resonator-longitudinaler Modus zur Maximierung eines durch Subtrahieren des Verlustes (B) vom Gewinn (A) erhaltenen Werts. In Fig. 10 sind die longitudinalen Schwingungsmoden externer Resonatorlongitudinale Moden (D) und (E).
Der externer Resonator-longitudinale Modus ist ein Zustand zur Ausbildung einer stehenden Welle bei der Hin- und Herbewegung eines Lichtstrahls im Resonator, die durch die folgende Gleichung angegeben wird:
nλ = 2L (n ist eine natürliche Zahl, und L ist die vorstehend beschriebene Resonatorlänge)...(2)
Ein externer Resonator-longitudinaler Modusabstand Δλ zu diesem Zeitpunkt wird wie folgt dargestellt:
Δλ = λ²/2L... (3)
Die Wellenlängencharakteristika (B) des Resonatorverlustes können, wie durch eine punktierte Linie in Fig. 10 angezeigt, verändert werden, indem man den Einfallwinkel θ auf das Beugungsgitter 3 in Fig. 8 ändert. Zusätzlich kann die Wellenlänge des externer Resonator-longitudinalen Modus (C) verändert werden, indem man das Beugungsgitter 3 entlang der in Fig. 8 angegeben Bewegungsrichtung bewegt (mit anderen Worten, indem man die Resonatorlänge L ändert).
Nach dem in Fig. 8 dargestellten Stand der Technik kann deshalb ein Laserstrahl mit einer ausgewählten Wellenlänge λs vom LD1 auf folgende Weise ausgegeben werden:
(1) Eine rotierende Achse 4 des Beugungsgitters 3 wird rotiert, um die Wellenlänge des vom Beugungsgitter 3 auf LD1 auftreffenden Laserstrahls mit der ausgewählten Wellenlänge λs gleichzumachen.
Das heißt, der Einfallwinkel θ wird geändert, um der Gleichung 1 zu genügen.
(2) Die rotierende Achse 4 des Beugungsgitters 3 wird entlang einer Führungsrinne 5 bewegt, um die Resonatorlänge L so einzustellen, daß die Gleichung (2) erfüllt ist.
Die Einstellung (2) muß durchgeführt werden, wenn eine Wellenlänge in dem in Fig. 10 dargestellten externer Resonator-longitudinalen Modusabstand schwingen soll. Wenn eine Wellenlänge innerhalb des externer Resonatorlongitudinalen Modusabstands Δλ schwingen soll, muß die Einstellung jedoch durchgeführt werden, wenn sich die Wellenlänge ändert.
Die Vorrichtung für die Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge mit der in Fig. 8 dargestellten Anordnung weist die folgenden Probleme auf.
Um die Resonatorlänge L (mit anderen Worten, um eine Wellenform innerhalb des externer Resonator-longitudinalen Modusabstandes Δλ zu oszillieren) wie in der Einstellung (2) einzustellen, muß die rotierende Achse 4 des Beugungsgitters 3 entlang der Führungsrinne 5 bewegt werden. Dazu wird ein elektrisch angetriebener Stellantrieb, ein piezoelektrisches Element, oder dergleichen verwendet, wodurch die Resonatorlänge L mechanisch verändert wird, was folgende Probleme ergibt.
(a) Verwendung eines Stellantriebs
(a1) Die Reproduzierbarkeit der Schwingungswellenlängen zeigt aufgrund eines Spiels des Stellantriebs die Tendenz zur Verschlechterung.
(a2) Es ist schwierig, die Auflösung der Schwingungswellenlänge genau einzustellen, weil der Stellantrieb Schwierigkeiten für eine Feineinstellung der Länge besitzt.
Die Reproduzierbarkeit und Auflösung der Schwingungswellenlänge wird in detaillierten Werten veranschaulicht.
Eine Veränderung der Wellenlänge Δλ' bei einer Änderung der Resonatorlänge um nur ΔL wird wie folgt dargestellt:
Δλ' = λ · (ΔL/L)...(4)
worin λ die anfängliche Wellenlänge ist.
Wenn die Resonatorlänge L auf 30 mm eingestellt ist, die anfängliche Wellenlänge λ auf 1,55 um eingestellt ist, was oft als Kommunikationsband verwendet wird, und als Stellantrieb ein hochgenauer kompakter Stellantrieb mit normaler Wirkungsweise, wie z. B. einer Längenreproduzierbarkeit von 1 pin und einer Längenauflösung von 20 nm, verwendet wird, werden die Reproduzierbarkeit und die Auflösung der Schwingungswellenlänge gemäß der Gleichung (4) erhalten.
Die Reproduzierbarkeit der Schwingungswellenlänge wird wie folgt dargestellt:
Δλ' = (1,55 · 10&supmin;&sup6;) · {(1 · 10&supmin;&sup6;)/(30 · 10&supmin;³) } = 50 pm...(5)
Die Auflösung der Schwingungswellenlänge wird wie folgt dargestellt:
Δλ' = (1,55 · 10&supmin;&sup6;) · {(20 · 10&supmin;&sup9;) / (30 · 10&supmin;³)} = 1 pm... (6)

(b) Verwendung eines piezoelektrischen Elements

Die Reproduzierbarkeit der Schwingungswellenlänge wird aufgrund der Hysterese des piezoelektrischen Elements (das sich beim Anlegen einer Spannung frei ausdehnen kann) verschlechtert. Ein praktischer Wert wird nachfolgend beispielhaft angegeben.
Wenn ein normales piezoelektrisches Element mit einer Hysterese von 10% im Hinblick auf die variable Längenänderung verändert wird, und die variable Längenänderung auf 2 um festgesetzt wird, wird die Längen- Reproduzierbarkeit wie folgt erhalten:
(2 · 10&supmin;&sup6;) · 0,1 = 0,2 um ...(7)
Wenn L = 30 mm, und 1 = 1,55 um, kann die Reproduzierbarkeit der oszillierenden Länge aus dem obigen Ergebnis und der Gleichung 4 wie folgt berechnet werden:
Δλ' (1,55 · 10&supmin;&sup6;) · {(0, 2 · 10&supmin;&sup6;)/(30 · 10&supmin;³)} = 10 pm ... (8)
Die praktischen Werte für die Reproduzierbarkeit und Auflösung der Schwingungswellenlänge in den Fällen (a) und (b) sind ca. 10- bis 50-fach schlechter als die der vorliegenden Erfindung (die später beschrieben wird).
In einer Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge mit der vorstehend angegeben Anordnung wird außerdem eine Antriebskomponente (in Fig. 8 nicht dargestellt), wie z. B. ein elektrisch angetriebener Stellantrieb oder ein piezoelektrisches Element, am Beugungsgitter 3 angebracht, um die rotierende Achse 4 des Beugungsgitters 3 entlang der Führungsrinne 5 zu bewegen, wodurch die Resonatorlänge L, wie in (2) beschrieben, eingestellt wird (mit anderen Worten, eine Wellenlänge innerhalb des externer Resonatorlongitudinalen Modusabstandes Δλ schwingt).
Dazu sind die Führungsrinne 5, die Antriebskomponente und dergleichen erforderlich, um die Resonatorlänge L einzustellen. Ein Anstieg in der Zahl der Komponenten ergibt eine sperrige Vorrichtung und ein komplexes Antriebsverfahren. Der Anstieg der Zahl der Komponenten und die mechanische Natur der Antriebskomponente beeinträchtigt die Zuverlässigkeit auf nachteilige Weise.
Anritsu Technical Bulletin, Nr. 64, Seiten 14 bis 19, beschreibt eine Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine neue und verbesserte Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge bereitzustellen, die die vorstehenden Probleme lösen kann, und eine hochleistungsfähige wellenlängenabstimmbare Lichtquelle darstellt, die mittels eines einfachen Kontrollmechanismus eine hohe Reproduzierbarkeit und hohe Auflösung aufweist.
Eine andere Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung einer hochleistungsfähigen wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle, die die vorstehenden Probleme lösen kann, und eine Schwingungswellenlänge durch eine einfache Steuerung abstimmen kann.
Die Erfindung wird in den Ansprüchen 1 und 2 definiert.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden in den abhängenden Ansprüchen definiert.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, schenkt die vorliegende Erfindung insbesondere den folgenden Punkten Beachtung. D. h., wenn eine LD mit einem Phaseneinstellbereich verwendet wird, und ein an den Phaseneinstellenbereich anzulegender Strom verändert wird, kann die effektive Resonatorlänge eines externen Resonator geändert werden. Wenn ein Beugungsgitter um seine rotierende Achse rotiert wird, kann zusätzlich eine bestimmte Resonatorlänge des externen Resonators erhalten werden.
Eine erfindungsgemäße wellenlängenabstimmbare Lichtquelle, wie sie in den Ansprüchen 1 und 2 definiert wird, umfaßt deshalb eine LD mit einem Phaseneinstellbereich zur Veränderung der effektiven Resonatorlänge eines externen Resonators in Übereinstimmung mit einem anzulegenden Strom, Stromzuführungselemente zum Anlegen eines Stromes an den Phaseneinstellbereich, und Schwingungswellen- Steuerungselemente zur Steuerung des vom Stromzuführungselement eingeführten Stromes und der durch das Beugungsgitter ausgewählten Wellenlänge, um die Lichtquelle bei einer gewünschten Wellenlänge zu oszillieren, während eine bestimmte Resonatorlänge des externen Resonators beibehalten wird.
Anzumerken ist, daß die Resonatorlänge hier die Resonatorlänge des externen Resonators ist, die zwischen einer LD ohne Phaseneinstellbereich (oder einer LD mit einem Phaseneinstellbereich, an die kein Strom angelegt wird) und dem Beugungsgitter gebildet wird. Eine bestimmte Resonatorlänge wird deshalb so lange aufrechterhalten, solange der Abstand zwischen der LD und dem Beugungsgitter nicht mechanisch verändert wird, wie dies durch die Resonatorlänge L in Fig. 8 angezeigt wird.
Die effektive Resonatorlänge bedeutet eine Länge, die unter Berücksichtigung des effektiven optischen Weges des Phaseneinstellbereiches definiert ist, der sich gemäß dem an den Phaseneinstellbereich der LD anzulegenden Stroms ändert. Die effektive Resonatorlänge wird deshalb gemäß dem an den Phaseneinstellbereich anzulegenden Strom elektrisch verändert, wenn eine bestimmte Resonatorlänge eingehalten wird (mit anderen Worten wird der Abstand zwischen der LD und dem Beugungsgitter nicht mechanisch verändert).
Nach dem Stand der Technik wird die Resonatorlänge des externen Resonators unter Verwendung eines elektrisch angetriebenen Stellantriebs oder eines piezoelektrischen Elements mechanisch verändert, wodurch die Schwingungswellenlänge verändert wird. In den ersten und zweiten Aspekten der vorliegenden Erfindung wird jedoch der Strom, der an den Phaseneinstellbereich der LD angelegt wird, verändert (die effektive Resonatorlänge des externen Resonators wird geändert), und gleichzeitig wird die durch das Beugungsgitter gewählte Wellenlänge (Rotationswinkel) verändert, während eine bestimmte Resonatorlänge des externen Resonators beibehalten wird, wodurch die Schwingungswellenlänge geändert wird.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen, schenkt die vorliegende Erfindung den folgenden Funkten Beachtung. D. h., wenn eine LD mit einem Phaseneinstellbereich verwendet wird, und ein an den Phaseneinstellbereich anzulegender Strom verändert wird, kann die effektive Resonatorlänge (die der Resonatorlänge L des Standes der Technik entspricht) eines externen Resonators, der zwischen der LD und dem Reflektor ausgebildet wird, verändert werden.
Eine erfindungsgemäße Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge, wie sie in den Ansprüchen 1 und 2 definiert ist, umfaßt deshalb eine LD mit einem Phaseneinstellbereich zur Veränderung der effektiven Resonatorlänge eines externen Resonators in Übereinstimmung mit einem zuzuführenden Strom, Stromzuführungselemente zur Zuführung des Stroms zum Anlegen eines Stroms an den Phaseneinstellbereich, und Schwingungswellenlängen-Steuerungselemente zur Steuerung des vom Stromzuführungselement zugeführten Stroms und der durch einen Reflektor mit Wellenlängenselektivität selektierten Wellenlänge, um einen Lichtstrahl mit einer gewünschten Wellenlänge schwingen zu lassen.
Anzumerken ist, daß die Resonatorlänge hier die Resonatorlänge eines zwischen einer LD ohne Phaseneinstellbereich (oder einer LD mit einem Phaseneinstellbereich, an den kein Strom angelegt wird) und einem Reflektor mit einer Wellenlängenselektivität (z. B. einem Beugungsgitter) ausgebildeten externen Resonators ist.
Die effektive Resonatorlänge bedeutet eine Länge, die unter Berücksichtigung des effektiven optischen Wegs des Phaseneinstellbereichs definiert ist, der sich gemäß dem an den Phaseneinstellbereich der LD anzulegenden Strom ändert. Wenn die effektive Resonatorlänge verändert wird, wird deshalb der externer Resonator-longitudinale Modus verändert, wodurch die Schwingungswellenlänge abgestimmt wird.
Nach dem Stand der Technik wird der externe Resonator mechanisch unter Verwendung eines elektrisch angetriebenen Stellelements oder eines piezoelektrischen Elements verändert, wodurch die Schwingungswellenlänge verändert wird. Im dritten und vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird jedoch der an den Phaseneinstellbereich der LD anzulegende Strom verändert (die effektive Resonatorlänge des externen Resonators wird verändert) und gleichzeitig wird die durch den Reflektor mit Wellenlängenselektivität selektierte Wellenlänge geändert, wodurch die Schwingungswellenlänge geändert wird.
Die Erfindung ist aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen besser verständlich, in denen bedeuten:
Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 2 ist eine Darstellung, die die Anordnung einer Zweielektroden-LD zeigt.
Fig. 3 ist ein Diagramm, das eine Veränderung des externer Resonator-longitudinalen Modus aufgrund eines an den Phaseneinstellbereich angelegten Stromes zeigt.
Fig. 4 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zum Festsetzen und Steuern des an den Phaseneinstellbereich anzulegenden Stromes und des Rotationswinkels eines Beugungsgitters zeigt.
Fig. 5 ist ein Diagramm zur Erläuterung der Winkeleinstellauflösung des Beugungsgitters und der Einstellauflösung des an den Phaseneinstellbereich angelegten Stroms.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Meßwert der Veränderung im Brechungsindex des Phaseneinstellbereichs zeigt.
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 8 ist ein Blockdiagramm, das die Anordnung einer konventionellen wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle zeigt.
Fig. 9 ist eine Darstellung, die den Betrieb des Beugungsgitters erläutert.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das das Prinzip der Schwingung einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle mit externem Resonator zeigt.
Fig. 11 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle gemäß der dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 12 ist eine Darstellung, die die Anordnung einer Zweielektroden-LD zeigt.
Fig. 13 ist ein Fließdiagramm, das ein Verfahren zum Festsetzen und Steuern eines an einen Phaseneinstellbereich angelegten Stromes und des Rotationswinkels eines Beugungsgitters zeigt.
Fig. 14 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 15 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 16 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der sechsten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
Fig. 17 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der siebten erfindungsgemäßen Ausführungsform, und
Fig. 18 ist eine Darstellung zur Erläuterung des Verhältnisses zwischen einem Resonatorverlust und einem Seitenmodus.
Es wird nun detailliert auf die zur Zeit bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsformen bezuggenommen, wie sie in den anliegenden Zeichnungen veranschaulicht werden, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Zeichnungen gleiche oder entsprechende Teile bedeuten.
Die erste und zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 7 beschrieben.

Erste Ausführungsform

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der ersten Ausführungsform. In Fig. 1 bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie im Stand der Technik die gleichen Elemente.
Nach Fig. 1 besteht eine LD6 aus einer Zweielektroden-LD mit einem Phaseneinstellbereich und weist die in Fig. 2 dargestellte Anordnung auf. In der in Fig. 2 dargestellten Zweielektroden-LD6 ist der rechte Bereich ein aktiver Bereich 6a, der eine Lichtverstärkungsfunktion besitzt, und bei Anlegen eines Stroms aus einer Elektrode 6c eine Laserschwingung verursacht. In der in Fig. 2 dargestellten Zweielektroden-LD6 ist der linke Bereich ein Phaseneinstellbereich 6b, der die Funktion der Abstimmung der Wellenlänge der Laserschwingung besitzt, wobei sich bei Anlegen eines Stromes aus der Elektrode 6d der Brechungsindex aufgrund des freien Plasmaeffekts ändert, und der effektive optische Weg des Phaseneinstellbereichs 6b sich verändert.
Nach Fig. 1 wird ein aus der AR-beschichteten Endfläche der LD6 emittierter Lichtstrahl durch eine Linse 2 kollimiert und fällt auf ein Beugungsgitter 3. Von dem durch das Beugungsgitter 3 spektral zerlegten Lichtstrahl bewegt sich eine Wellenlängekomponente, die nach Gleichung (1) die Bedingung 9 = β erfüllt, entlang des gleichen optischen Wegs zurück und kehrt zur LD zurück. Mit diesem Vorgang wird zwischen der Endfläche der LD6, die nicht AR-beschichtet ist, und dem Beugungsgitter 3 ein externer Resonator (effektive Resonatorlänge K) ausgebildet. Der externe Resonator bewirkt eine Laserschwingung bei einer durch einen externer Resonator-longitudinalen Modus, der durch die effektive Resonatorlänge K, und den Resonatorverlust durch das Beugungsgitter 3 bestimmt wird, bestimmten Wellenlänge.
Ein Stromzufuhrungselement 7 führt Strom zum Phaseneinstellbereich 6b der LD6. Bei diesem Vorgang verändert sich der effektive optische Weg des Phaseneinstellbereichs 6b, und die effektive Resonatorlänge K des externen Resonators verändert sich entsprechend. Ein Schwingungswellenlängen-Steuerungselement 8 besteht aus einem Mikroprozessor oder dergleichen, der einen aus dem Stromzuführungselement 7 an den Phaseneinstellbereich 6b zuzuführenden Strom auf der Basis einer zu oszillierenden ausgewählten Wellenlänge λs steuert (festsetzt), und gibt ein Rotationsantriebssignal an das Beugungsgitter 3 aus, wodurch ein Einfallswinkel θ (selektierte Wellenlänge) des kollimierten Strahls auf das Beugungsgitter gesteuert (festgesetzt) wird.
Es wird nun ein Fall beschrieben, in dem die Schwingungswellenlänge abgestimmt wird. Es wird angenommen, daß ein vom Stromzuführungselement 7 zum Phaseneinstellbereich 6b zuzuführender Strom auf einen bestimmten Wert festgesetzt ist (die effektive Resonatorlänge K ist fixiert), und nur der Rotationswinkel des Beugungsgitter 3 verändert wird. In diesem Fall oszilliert eine Wellenlänge bei einem externer Resonator-longitudinalen Modusabstand, der durch die effektive Resonatorlänge K bestimmt wird. Wie in. Fig. 10 dargestellt, verändert sich, wenn der Rotationswinkel des Beugungsgitters 3 verändert wird, um den Resonatorverlust (B), der als ausgezogene Linie angegeben ist, zu einem solchen, der durch eine punktierte Linie angegeben ist, zu ändern, die Oscillationswellenlänge vom externer Resonator-longitudinalen Modus (D) zum externer Resonator-longitidunglen Modus (E).
Es wird jetzt angenommen, daß der vom Stromzuführungselement 7 an den Phaseneinstellbereich 6b zuzuführende Strom verändert wird (es wird die effektive Resonatorlänge K verändert). In diesem Fall verändern sich, wie in Fig. 3 dargestellt, die durch ausgezogene Linien dargestellten anfänglichen externer Resonator-longitudinalen Moden vollständig zu denen, die durch punktierte Linien dargestellt sind. Wenn der Rotationswinkel des Beugungsgitters 3 ebenfalls gleichzeitig geändert wird, kann auch eine Wellenlänge innerhalb des externer Resonator-longitudinalen Modusabstands schwingen.
Spezifischer ausgedrückt kann, wenn der dem Phaseneinstellbereich 6b zuzuführende Strom und der Rotationswinkel des Beugungsgitters gleichzeitig verändert werden, die Schwingungswellenlänge vom durch die ausgezogene Linie dargestellten longitudinalen Schwingungsmodus zum durch die punktierten Linien in Fig. 3 dargestellten verändert werden.
Wenn sich die Wellenlänge des externer Resonatorlongitudinalen Modus innerhalb eines externer Resonatorlongitudinalen Modusabstands bei Zufuhr eines Stroms zum Phaseneinstellbereich 6b ändert, können in diesem Falle alle Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenbereichs zwischen den externer Resonator-longitudinalen Moden oszillieren. Mit anderen Worten kann eine beliebige Wellenlänge (z. B. (F)) zwischen den anfänglichen externer Resonator-longitudinalen Moden (D) und (E) oszillieren, wie in Fig. 3 dargestellt.
Unter der Annahme, daß die ausgewählte Wellenlänge λs oscilliert werden soll, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Stufen S1 bis 55 und S11 bis S14 des in Fig. 4 dargestellten Fließdiagramms eine Methode zum Festsetzen und Steuern des dem Phaseneinstellbereich 6b zuzuführenden Stroms und des Rotationswinkels des Beugungsgitters 3 beschrieben.
(S1) Die ausgewählte Wellenlänge λs wird von einer Betriebseinheit 9, wie z. B. einer Tastatur, festgesetzt.
(S2) Die Schwingungswellenlängenkontrolleinheit 8 erhält die Information der ausgewählten Wellenlänge λs, (S11) berechnet den Einfallswinkel θ des Beugungsgitters 3, (S12) gibt ein Rotationsantriebssignal, das dem Einfallswinkel A des Beugungsgitters 3 entspricht, aus, (S13) berechnet den an den Phaseneinstellbereich 6b der LD6 zuzuführenden Stromwert, und (S14) gibt den zuzuführenden Stromwert an das Stromzuführungselement 7 ab.
Es ist festzustellen, daß der Stromwert auf der Basis der charakteristischen Daten (Verhältnis zwischen der ausgewählten Wellen lange λs und dem zuzuführenden Stromwert) des Phaseneinstellbereichs 6b berechnet wird, der im voraus gemessen und in einem Speicher 10 gespeichert wird (der Speicher 10 kann in der Schwingungswellenlängenkontrolleinheit 8 eingebaut sein).
(S3) Das Beugungsgitter 3 wird im Einklang an die Ausgabe des Rotationsantriebssignals von der Schwingungswellenlängenkontrolleinheit 8 rotiert, um den Einfallswinkel θ festzusetzen.
(S4) Das Stromzuführungselement 7 führt den Strom zum Phaseneinstellbereich 6b auf der Basis des zuzuführenden Stromwert-Outputs der Schwingungswellenlängenkontrolleinheit 8.
(S5) Es wird ein Laserstrahl mit der ausgewählten Wellenlänge λs oszilliert.
Bei der Schwingung der ausgewählten Wellenlänge λs kann, wie in Fig. 4 beschrieben, wenn die Winkeleinstellungsauflösung des Rotationsmechanismus des Beugungsgitters 3 zum Einstellen des Einfallswinkels θ kleiner ist als der der ausgewählten Wellenlänge λs (Einstellauflösung des dem Phaseneinstellbereich 6b zuzuführenden Stroms) eine Wellenlängendifferenz Δλs zwischen einer Wellenlänge Xmin zur Minimierung des Resonatorverlustes und der ausgewählten Wellenlänge λs in einigen Fällen, wie in Fig. 5 dargestellt, auftreten. In diesem Fall wird jedoch, sofern die Wellenlängendifferenz Δλs kleiner als ~ eines externer Resonator-longitudinaler Modusabstand Δλ ist, die Schwingung bei der ausgewählten Wellenlänge λs durchgeführt. D. h., der bei der ausgewählten Wellenlänge λs festgesetzte externer Resonator-longitudinale Modus wird der longitudinale Schwingungsmodus. Das Beugungsgitter 3, das einen normalen Rotationsmechanismus verwendet, besitzt eine Winkeleinstellauflösung zum Unterdrücken der Wellenlängendifferenz Δλs innerhalb eines Bereichs von Δλ/2.
Die erste Ausführungform wird nun nachstehend unter Verwendung praktischer Werte näher beschrieben.
Es wird angenommen, daß die anfängliche effektive Resonatorlänge K des externen Resonators mit 30 mm festgesetzt ist, und die anfängliche Wellenlänge λ mit 1,55 um. Zu diesem Zeitpunkt wird der externer Resonatorlongitudinale Modusabstand Δλ gemäß Gleichung (3) wie folgt erhalten.
Δλ = λ²/2L = 40 pm ... (9)
Es wird angenommen, daß bei der Stromzufuhr aus dem Stromzuführungselement 7 der Brechungsindex des Phaseneinstellbereichs 6b um 0,2% von 3,5 auf 3,493 fällt. In diesem Fall beträgt die mechanische Länge des Phaseneinstellbereichs 6b 250 um, der effektive optische Weg des Phaseneinstellbereichs 6b fällt um 1,75 um von 875 um auf 873,25 um. Die Veränderung der effektiven Resonatorlänge K beträgt deshalb - 1,75 um. Eine Veränderung in der Wellenlänge Δλ' des externer Resonator-longitudinalen Modus wird gemäß Gleichung (4) wie folgt erhalten:
Δλ' (1, 55 · 10&supmin;&sup6;) · {(1,75 · 10&supmin;&sup6;) / (30 · 10&supmin;³)} = 90,4 pm ... (10)
Gemäß Gleichung (9) wird der externer Resonator-longitudinale Modusabstand Δλ mit 40 um berechnet. Wie vorstehend beschrieben kann deshalb eine abstimmbare Schwingung innerhalb eines Wellenlängenbereichs von ca. 90 um durchgeführt werden, was das zweifache oder mehr des externer Resonator-longitudinalen Modusabstand Δλist, während der gleiche externer Resonator-longitudinale Modus beibehalten wird.
Die Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Meßwert einer Veränderung im Brechungsindex des Phaseneinstellbereichs 6b zeigt, wenn der dem Phaseneinstellbereich 6b der Zweielektroden-LD6 zuzuführende Bias-Strom verändert wird (Länge des Phaseneinstellbereichs: 250 um). Wie dies auf Fig. 6 ersichtlich ist, kann, wenn der Bias-Strom auf ca. 8 mA eingestellt wird, eine Veränderung des Brechungsindex von 0,2%, wie vorstehenet beschrieben, bewirkt werden.
In der Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge ist es bevorzugt, daß ein breiter abstimmbarer Wellenlängenbereich erhalten wird, während der gleiche externer Resonatorlongitudinale Modus beibehalten wird. Die nachstehenden zwei Methoden werden als Methoden zur Erweiterung des abstimmbaren Bereichs verwendet.
In der ersten Methode wird die mechanische Länge des Phaseneinstellbereichs 6b vergrößert. Wenn die mechanische Länge des Phaseneinstellbereichs 6b, die die Charakteristika der Fig. 6 zeigt, von 250 um auf das Doppelte der Länge, d. h. 500 um, vergrößert wird, erhöht sich die Veränderung der effektiven Resonatorlänge K um das 1,5-fache von -1,75 um auf -2,625 um bei Zufuhr des Phasenstroms von ca. 8 mA. Es kann deshalb ein wellenlängenabstinunbarer Bereich erhalten werden, der das 1,5-fache des Bereichs gemäß Gleichung (10) beträgt.
Als zweite Methode wird die effektive Resonatorlänge K des externen Resonators verringert. Wenn die effektive Resonatorlänge K von 30 mm auf die Hälfte der Länge, d. h. 15 mm, verringert wird, kann ein wellenlängenabstimmbarer Bereich erhalten werden, der das zweifache des Bereichs gemäß Gleichung (10) beträgt. In diesem Fall ist jedoch der dem Phaseneinstellbereich 6b zuzuführende Strom der gleiche wie in Gleichung (10).
Nachfolgend wird die Reproduzierbarkeit und Auflösung der Schwingungswellenlänge beschrieben.
Zuerst wird die Reproduzierbarkeit der Schwingungswellenlänge in Betracht gezogen. Was den Meßwert einer Veränderung im Brechungindex in Fig. 6 betrifft, wird experimentell eine Reproduzierbarkeit innerhalb eines Bereiches von 1% erhalten. Wenn die Wellenlänge, wie nach Gleichung (10) berechnet, verändert wird, ergibt sich deshalb die Reproduzierbarkeit de r Schwingungswellenlänge wie folgt: 90,4 um · 1% < 1 prn...(11)
Es kann eine Reproduzierbarkeit innerhalb eines Bereichs von 1 um erhalten werden. Dieser Wert ist um das 50-fache oder mehr besser als der bei der Verwendung eines hochgenauen kompakten Stellantriebs gemäß dem Stand der Technik erhaltene Wert, d. h. 50 um (Gleichung (5)), und um das 10-fache besser als der unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements erhaltene Wert, d. h. 10 um (Gleichung (8)).
Es wird nun die Auflösung der Schwingungswellenlänge in Betracht gezogen. Wenn sich die Wellenlänge, wie nach Gleichung (10) berechnet, ändert, kann der dem Phaseneinstellbereich 6b zuzuführende Strom durch eine veränderte Menge von ca. 8 mA, wie oben beschrieben, bewirkt werden. Wenn das Stromzuführungselement 7 in Fig. 1 den dem Phaseneinstellbereich 6b bei einer Auflösung von 1 uA zuzuführenden Strom steuert, wird die Auflösung der Schwingungswellenlänge wie folgt dargestellt:
90,4 um · (1 uA/8 mA) < 0,02 um... (12)
Es kann eine Auflösung im Bereich von 0,02 um erhalten werden. Dieser Wert ist um das 50-fache oder mehr besser als der Wert, der bei Verwendung des hochgenauen kompakten Stellantriebs gemäß dem Stand der Technik erhalten wird, d. h. 1 um (Gleichung (6)).

Zweite Ausführungsform

Fig. 7 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle gemäß der zweiten Ausführungsform.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in den folgenden Punkten. D. h., eine Endfläche, die der AR-beschichteten Endfläche einer LD9 als Zweielektroden-LD gegenüberliegt, ist HR-beschichtet (HR: hohe Reflektion), wodurch ein Output-Laserstrahl aus einer Richtung des Lichtes 0-er Ordnung (Richtung der Totalreflektion) eines Beugungsgitters 3 ausgeblendet wird. Da Licht 0-er Ordnung als Output-Licht verwendet wird, erhöht sich deshalb die Output-Leistung im Vergleich zur Anordnung der Fig. 1.

Andere Ausführungsform

In den zwei vorstehenden Ausführungsformen kann in der LD6 (oder LD9), wenn der Brechungsindex der AR-beschichteten Endfläche der LD6 (oder LD9) groß ist, ein interner longitudinaler Modus (Fabry-Perot-Modus eines zwischen der AR-beschichteten Endfläche und der Endfläche, die nicht ARbeschichtet ist, ausgebildeter Resonators) erzeugt werden, und der festgesetzte externer Resonator-longitudinale Modus muß nicht schwingen. In diesem Fall werden die folgenden Gegenmaßnahmen ergriffen:
(1) Auf der Endfläche der LD6 (oder LD9), die nicht ARbeschichtet ist, wird eine AR-Beschichtung mit höherer Qualität durchgeführt.
(2) Es wird ein Beugungsgitter 3 mit einer kleineren Gitterkonstante d (Fig. 9) verwendet. Alternativ wird der Durchmesser der Linse 2 vergrößert, um den Durchmesser des auf das Beugungsgitter 3 auftreffenden Strahls zu erhöhen. Mit diesen Methoden werden die Wellenlängencharakteristika des Resonatorverlustes, der durch die Charakteristika des Beugungsgitters 3 bestimmt wird, steiler gemacht. D. h., im Beugungsgitter 3 wird Q erhöht.
Wie vorstehend beschrieben, umfaßt die wellenlängenabstimmbare Lichtquelle gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine LD mit einem Phaseneinstellbereich zur Veränderung der effektiven Resonatorlänge eines externen Resonators gemäß einem zuzuführenden Strom, ein Stromzuführungselement zur Zufuhr des Stroms zum Phaseneinstellbereich, und ein Schwingungswellenlängen-Steuerungselement zur Steuerung des vom Stromzuführungselement zuzuführenden Stroms und zur Steuerung einer durch das Beugungsgitter selektierten Wellenlänge. Die Schwingungswellenlänge kann deshalb mit hoher Reproduzierbarkeit und hoher Auflösung abgestimmt werden, und die Durchführbarkeit kann ebenfalls stark verbessert werden.
Die wellenlängenabstimmbare Lichtquelle gemäß der ersten und zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform kann wirksam auf ein kohärentes optisches Überlagerungskommunikationssystem oder Wellenlängen-Multiplex-Kommunikationssystem angewendet werden, die eine hervorragende Reproduzierbarkeit und hohe Auflösung erfordern.
Die dritten bis siebten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Fig. 11 bis 18 beschrieben.
In diesen Ausführungsformen wird anstelle des in der ersten und zweiten Ausführungsform verwendeten Beugungsgitters 3 ein Reflektor verwendet. Es ist anzumerken, daß der Reflektor unter Verwendung eines Beugungsgitters realisiert werden kann.
Diese Ausführungsformen können wie folgt zusammengefaßt werden.
In einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle mit externem Resonator unter Verwendung eines Halbleiterlasers (LD) wird ein dem Phaseneinstellbereich der LD zuzuführender Strom und eine durch den Reflektor zu selektierende Wellenlänge gleichzeitig geändert. Nach diesem Verfahren kann die Schwingungswellenlänge abgestimmt werden, während der gleiche externer Resonator-longitudinale Modus beibehalten wird. Aus diesem Grund wird ein von der AR-beschichteten Endfläche der LD emittierter Lichtstrahl mit dem Phaseneinstellbereich durch eine Linse in einem parallelen Lichtstrahl konvertiert und trifft auf dem Reflektor mit der Wellenlängenselektivität auf. Nur eine Lichtkomponente mit einer spezifischen Wellenlänge wird durch den Reflektor reflektiert und kehrt zur LD zurück. Mit dieser Arbeitsweise wird zwischen der LD und dem Reflektor ein externer Resonator (effektive Resonatorlänge K) ausgebildet, und die Laserschwingung wird bei einer Wellenlänge durchgeführt, die durch den externer Resonator-longitudinalen Modus und den Resonatorverlust des Reflektors bestimmt wird. Es ist anzumerken, daß die effektive Resonatorlänge K im Einklang mit dem dem Phaseneinstellbereich zuzuführenden Strom geändert werden kann. Ein Stromzuführungselement führt dem Phaseneinstellbereich einen Strom zu. Ein Schwingungswellenlängen-Steuerungselement steuert den Strom- Output vom Stromzuführungselement und die durch den Reflektor zu selektierende Wellenlänge.

Dritte Ausführungsform

Fig. 11 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der dritten Ausführungsform. In Fig. II bezeichnen die gleichen Bezugszeichen wie im Stand der Technik die gleichen Elemente.
In Fig. 11 besteht eine LD16 aus einer Zweielektroden-LD mit einem Phaseneinstellbereich, und hat die in Fig. 12 gezeigte Anordnung. In der in Fig. 12 dargestellten Zweielektroden- LD16 ist der rechte Bereich ein aktiver Bereich 16a mit einer Lichtverstärkerfunktion, der bei Zufuhr eines Stroms von der Elektrode 16c eine Laserschwingung bewirkt. In der in Fig. 12 dargestellten Zweielektroden-LD16 ist der linke Bereich ein Phaseneinstellbereich 16b, der die Funktion besitzt, die Wellenlänge der Laserschwingung abzustimmen, wobei bei Zufuhr eines Stromes von der Elektrode 16d der Brechungsindex aufgrund des freien Plasmaeffekts sich verändert, und der effektive optische Weg des Phaseneinstellbereichs 16b sich verändert.
In Fig. 11 wird ein von der AR-beschichteten Endfläche der LD16 emittierter Lichtstrahl durch eine Linse 2 kollimiert und trifft auf ein Beugungsgitter 3. Es ist festzustellen, daß das Beugungsgitter 3 einen Reflektor 21 mit Wellenlängenselektivität darstellt. Von dem durch das Beugungsgitter 3 des spektral zerlegten Lichtstrahl bewegt sich eine Wellenlängenkomponente, die gemäß Gleichung (1) der Bedingung θ = β entspricht, entlang des gleichen optischen Wegs zurück und kehrt zur LD16 zurück. Mit dieser Arbeitsweise wird zwischen der Endfläche LD16, die nicht ARbeschichtet ist, und dem Beugungsgitter 3 ein externer Resonator (wirksame Resonatorlänge K) ausgebildet. Der externe Resonator bewirkt bei der durch einen externer Resonator-longitudinalen Modus, der durch die effektive Resonatorlänge K und den Resonatorverlust durch das Beugungsgitter 3 bestimmt wird, bestimmten Wellenlänge eine Laserschwingung.
Ein Stromzuführungselement 17 führt dem Phaseneinstellbereich 16b der LD16 Strom zu. Mit dieser Arbeitsweise verändert sich der effektive optische Weg des Phaseneinstellbereichs 16b und die effektive Resonatorlänge K des externen Resonators verändert sich entsprechend. Ein Schwingungswellenlängen- Steuerungselement 18 besteht aus einem Mikroprozessor oder dergleichen, der einen von dem Stromzuführungselement 17 zum Phaseneinstellbereich 16b auf der Basis einer zu oszillierenden bestimmten Wellenlänge λs zuzuführenden Strom steuert (festsetzt), und ein Rotationsantriebssignal an das Beugungsgitter 3 ausgibt, wodurch der Einfallswinkel θ (ausgewählte Wellenlänge) des Parallelstrahls auf das Beugungsgitter 3 gesteuert (festgesetzt) wird.
Es wird nun ein Fall, in dem die Schwingungswellenlänge abgestimmt wird, beschrieben.
Es wird angenommen, daß ein vom Stromzuführungselement 17 zum Phaseneinstellbereich. 16b zuzuführender Strom auf einen bestimmten Wert fixiert wird (die effektive Resonatorlänge K ist fixiert) und nur der Rotationswinkel des Beugungsgitters 3 verändert wird. In diesem Fall schwingt eine Wellenlänge bei einem externer Resonator-longitudinalen Modusabstand, der durch die effektive Resonatorlänge K bestimmt wird. Wie in Fig. 10 dargestellt, ändert sich, wenn der Rotationswinkel des Beugungsgitters 3 verändert wird, um den Resonatorverlust (B), der als ausgezogene Linie dargestellt ist, in den durch eine punktierte Linie dargestellten zu ändern, die Schwingungswellenlänge vom externer Resonator-longitudinalen Modus (D) zum externer Resonator-longitudinalen Modus (E).
Es wird angenommen, daß der aus dem Stromzuführungselement 17 zum Phaseneinstellbereich 16b zuzuführende Strom verändert wird (die effektive Resonatorlänge K wird geändert). In diesem Fall verändern sich, wie in Fig. 3 dargestellt, die anfänglichen externer Resonator-longitudinalen Moden, die durch ausgezogene Linien angezeigt sind, vollständig zu denen durch punktierte Linien angezeigten. Wenn der Rotationswinkel des Beugungsgitters 3 ebenfalls gleichzeitig verändert wird, kann auch innerhalb des externer Resonator-longitudinalen Modusabstandes eine Wellenlänge oszillieren.
Spezifischer ausgedrückt, kann, wenn der dem Phaseneinstellbereich 16b zuzuführende Strom und der Rotationswinkel des Beugungsgitters 3 gleichzeitig geändert werden, die Schwingungswellenlänge von dem durch die ausgezogene Linie dargestellten longitudinalen Schwingungsmodus zu dem in Fig. 3 durch die punktierte Linie dargestellten verändert werden, während der gleiche externer Resonator-longitudinale Modus beibehalten wird.
Wenn die Wellenlänge des externer Resonator-longitudinalen Modus sich über mindestens einen externer Resonatorlongitudinalen Modusabstand bei Zufuhr eines Stroms zum Phaseneinstellbereich 16b hinaus verändert, können alle Wellenlängen innerhalb eines Wellenlängenbereichs zwischen den externer Resonator-longitudinalen Moden oszillieren. Mit anderen Worten kann eine beliebige Wellenlänge (z. B. (F)) zwischen den anfänglichen externer Resonator-longitudinalen Moden D und E, wie in Fig. 3 gezeigt, oszillieren.
Unter der Annahme, die die ausgewählte Wellenlänge λs oszilliert werden soll, wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Stufen S21 bis S25 und S211 bis S214 in Fig. 13 ein Verfahren zum Festsetzen und Steuern des dem Phaseneinstellbereich 16b zuzuführenden Stromes und des Rotationswinkels des Beugungsgitters 3 beschrieben.
(S21) Die festgesetzte Wellenlänge λs wird von einer Betriebseinheit 19, wie z. B. einer Tastatur, festgesetzt.
(S22) Das Schwingungswellenlängen-Steuerungselement 18 erhält die Information der ausgewählten Wellenlänge λs, (S211) berechnet den Einfallswinkel A des Beugungsgitters 3, (S212) gibt ein Rotationsantriebssignal, das dem Einfallswinkel θ entspricht, zum Beugungsgitter 3 weiter, (213) berechnet den dem Phaseneinstellbereich 16b der LD16 zuzuführenden Stromwert, und (S214) gibt den zuzuführenden Stromwert an das Stromzuführungselement 17 weiter.
Es ist festzustellen, daß der Stromwert auf der Basis der charakteristischen Daten (Verhältnis zwischen der festgesetzten Wellenlänge λs und dem zuzuführenden Stromwert) des Phaseneinstellbereichs 16b berechnet wird, der im Voraus gemessen und in einem Speicherelement 2ß gespeichert wird (das Speicherelement 20 kann im Schwingungswellenlängen- Steuerungselement 18 eingebaut sein).
(S23) Das Beugungsgitter 3 wird gemäß dem Rotationsantriebssignal-Output vom Schwingungswellenlängen- Steuerungselement 18 rotiert, um den Einfallswinkel θ festzusetzen.
(S24) Das Stromzuführungselement 17 führt den Strom dem Phaseneinstellbereich 16b auf der Basis des zuzuführenden Stromwert-Outputs vom Schwingungswellenlängen- Steuerungselement 18 zu.
(S25) Es wird ein Laserstrahl mit der festgesetzten Wellenlänge λs oszilliert.
Bei der Schwingung der ausgewählten Wellenlänge λs kann, wie dies in Fig. 13 beschrieben wird, wenn die winkelfestsetzende Auflösung des Rotationsmechanismus des Beugungsgitters 3 zur Festsetzung des Einfallswinkels θ geringer ist als die der ausgewählten Wellenlänge λs (die Auflösung für den dem Phaseneinstellbereich 16b zuzuführenden Strom), eine Wellenlängendifferenz Δλs zwischen der Wellenlänge Xmin zur Minimierung des Resonatorverlusts und der ausgewählten Wellenlänge λs in einigen Fällen, wie in Fig. 5 dargestellt, auftreten. In diesem Fall wird jedoch, sofern die Wellenlängendifferenz Δλs geringer als die Hälfte des externer Resonator-longitudinalen Modusabstandes Δλ ist, die Schwingung bei der ausgewählten Wellenlänge λs bewirkt. D. h., der bei der festgesetzten Wellenlänge λs festgesetzte externer Resonator-longitudinale Modus wird der longitudinale Schwingungsmodus. Das Beugungsgitter 3, das einen normalen Rotationsmechanismus verwendet, besitzt eine winkelfestsetzende Auflösung zum Unterdrücken der Wellenlängendifferenz Δλs innerhalb eines Bereichs von Δλ/2.
Nachstehend wird die Ausführungsform der Fig. 11 näher unter Verwendung praktischer Werte beschrieben.
Es wird angenommen, daß die anfängliche effektive Resonatorlänge K des externen Resonators auf 30 mm festgesetzt ist und die anfängliche Wellenlänge λ auf 1,55 um festgesetzt ist. Dann wird der externer Resonatorlongitudinale Modusabstand Δλ gemäß Gleichung (3) wie folgt erhalten:
Δλ = λ²/2L = 40 pm ...(13)
Es wird angenommen, daß bei der Stromzufuhr aus dem Stromzuführungselement 17 der Brechungsindex des Phaseneinstellbereichs 16b um 0,2% von 3,5 auf 3,493 fällt. In diesem Fall verringert sich, wenn die mechanische Länge des Phaseneinstellbereichs 16b 250 um beträgt, der effektive optische Weg des Phaseneinstellbereichs 16b um 1,75 um von 875 um auf 873,25 um. Die Veränderung der effektiven Resonatorlänge K beträgt deshalb -1,75 um. Gemäß der Gleichung (4) wird die Veränderung in der Wellenlänge Δλ' des externer Resonator-longitudinalen Modus wie folgt erhalten:
Δλ' (1,55 · 10&supmin;&sup6;) · {(1,75 · 10&supmin;&sup6;)/(30 · 10&supmin;³)} - 90,4 pm...(14)
Nach Gleichung (13) wird der externer Resonator-longitudinale Modusabstand Δλ mit 40 um berechnet. Wie vorstehend beschrieben kann deshalb eine abstimmbare Schwingung innerhalb eines Wellenlängenbereichs von ca. 90 um durchgeführt werden, was das zweifache oder mehr der externer Resonator-longitudinalen Modusabstands Δλ ist, während der gleiche externer Resonator-longitudinale Modus beibehalten wird.
Die Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Meßwert der Veränderung im Brechungsindex des Phaseneinstellbereichs 16b zeigt, wenn der dem Phaseneinstellbereich 16b der Zweielektroden-LD16 zuzuführende Bias-Strom verändert wird (Länge des Phaseneinstellbereichs: 250 um). Wie dies aus der Fig. 6 ersichtlich ist, kann in dieser Ausführungsform, wenn der Bias-Strom auf ca. 8 mA eingestellt wird, eine Veränderung im Brechungsindex von 0,2%, wie vorstehend beschrieben, bewirkt werden.
In der wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle gemäß dieser Ausführungsform ist es ebenfalls bevorzugt, daß ein breiter Wellenlängen-Abstimrabereich erhalten wird, während der gleiche externer Resonator-longitudinale Modus beibehalten wird. Wie in der ersten Ausführungsform werden die folgenden zwei Methoden als Methode zur Verbreiterung des abstimmbaren Bereichs verwendet.
Als erste Methode wird die mechanische Länge des Phaseneinstellbereichs 16b vergrößert. Wenn die mechanische Länge des Phaseinstellbereichs 16b, die die Charakteristika in Fig. 6 zeigt, von 250 um auf das zweifache der Länge, d. h. 500 um, erhöht wird, erhöht sich bei Zufuhr des Phasenstromes von ca. 8 mA die die Änderung der effektiven Resonatorlänge K um das 1,5-fache von -1,75 um auf -2,625 um. Es kann deshalb ein Wellenlängen-Abstimmbereich erhalten werden, der das 1,5-fache des Bereichs gemäß Gleichung (14) beträgt.
Als zweite Methode wird die effektive Resonatorlänge K des externen Resonators verringert. Wenn die effektive Resönatorlänge K von 30 mm auf die Hälfte dieser Länge, d. h. 15 mm, verringert wird, kann ein Wellenlängen-Abstimmbereich erhalten werden, der das zweifache des Bereichs gemäß Gleichung (14) beträgt. In diesem Fall ist jedoch der dem Phaseneinstellbereich 16b zugeführte Strom der gleiche wie in Gleichung (14).

Vierte Ausführungsform

Fig. 14 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle gemäß der vierten Ausführungsform.
Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der dritten Ausführungsform (Fig. 11) in den folgenden Punkten. Eine Endfläche, die der AR-beschichteten Endfläche einer LD19 als Zweielektroden-LD gegenüberliegt, ist HR-beschichtet (HR: hohe Reflektion), wodurch ein Output-Laserstrahl aus einer Richtung des Lichtes 0-er Ordnung (Richtung der Totalreflektion) eines Beugungsgitters 3 ausgeblendet wird.
Da das Licht 0-er Ordnung als Output-Licht verwendet wird, erhöht sich die Output-Leistung im Vergleich zur Anordnung der Fig. 11.

Fünfte Ausführungsform.

Fig. 15 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der fünften Ausführungsform
In dieser Ausführungsform besteht der Reflektor 21 mit Wellenlängenselektivität der dritten Ausführungsform (Fig. 11) aus einem Beugungsgitter 3 und einem Totalreflektionsspiegel 22, und ein Rotationsantriebssignal wird von einem Schwingungswellenlängen-Steuerungselement 18 dem Totalreflektionsspiegel 22 zugeführt. Die Wellenlängenselektion durch den Reflektor 21 wird durch Rotieren des Totalreflektionsspiegels 22 bewirkt (der Rotationswinkel des Beugungsgitters 3 ist fixiert).
Ein von einer LD16 emittierter Lichtstrahl wird deshalb durch die Linse 2 kollimiert, trifft auf das Beugungsgitter 3 auf, und wird spektral zerlegt. Der spektral zerlegte Lichtstrahl trifft auf den Totalreflektionsspiegel 22 auf, wird entlang des gleichen optischen Wegs reflektiert, und trifft auf das Beugungsgitter 3 auf. Der Lichtstrahl wird wieder spektral zerlegt und kehrt zur LD16 zurück.
In diesem Fall wird der von der LD16 emittierte Lichtstrahl durch das Beugungsgitter 3 während einer Hin- und Herbewegung in dem externen Resonator zweimal spektral zerlegt. Der Resonatorverlust durch das Beugungsgitter 3 wird steiler als der während einer spektralen Zerlegung. Da die Seitenmoden eines Schwingungsmodus im Vergleich zu denen bei einer spektralen Zerlegung unterdrückt werden, erhöht sich die Monochromatizität eines Output-Laserstrahls. Wenn in einer spektralen Zerlegung ein Resonatorverlust in Fig. 18 mit A dargestellt wird, wird ein Resonatorverlust bei einer zweifachen spektralen Verlegung steiler, wie dies durch B in Fig. 18 gezeigt wird. Wenn die Charakteristika des Output- Pegels bei einer spektralen Zerlegung in Fig. 18 durch C dargestellt sind, werden die Output-Pegel-Charakteristika bei einer zweifachen spektralen Zerlegung in Fig. 18 durch D dargestellt. In diesem Fall werden die Seitenmoden nur durch G unterdrückt.

Sechste Ausführungsform

Fig. 16 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der sechsten Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform besteht der Reflektor 21 mit einer Wellenlängenselektivität der dritten Ausführungsform (Fig. 11) aus einem Beugungsgitter 3 und einem abstimmbaren Wellenlängenfilter 23, und ein Rotationsantriebssignal und ein Antriebssignal werden vom Schwingungswellenlängen- Steuerungselement 18 zum Beugungsgitter bzw. dem abstimmbaren Wellenlängenfilter 23 abgegeben. Die Wellenlängenselektion durch den Reflektor 21 wird bewirkt, indem man den Rotationswinkel des Beugungsgitters 3, wie in Fig. 11 dargestellt, festsetzt, und das abstimmbare Wellenlängenfilter 23 steuert. Es ist anzumerken, daß als abstimmbares Wellenlängenfilter 23 ein Etalon-Filter oder ein dielektrisches Mehrschichtfilter verwendet werden kann.
Da ein von der LD16 emittierter Lichtstrahl durch das abstimmbare Wellenlängenfilter 23 zweimal hindurchtritt, wird in diesem Fall die Wellenlänge wirksam begrenzt, und der Resonatorverlust wird steiler als der Verlust in der Anordnung, die nur das Beugungsgitter 3 aufweist. Wie in der sechsten Ausführungsform beschrieben, erhöht sich deshalb die Monochromatizität des Output-Laserstrahls im Vergleich zu der Ausführungsform, die nur das Beugungsgitter 3 aufweist.

Siebte Ausführungsform.

Fig. 17 ist ein Blockdiagramm einer wellenlängenabstimmbaren Lichtquelle nach der siebten Ausführungsform.
In dieser Ausführungsform besteht der Reflektor 21 mit Wellenlängenselektivität der dritten Ausführungsform (Fig. 11) aus einem abstimmbaren Wellenlängenfilter 23 und einem Totalreflektionsspiegel 22, und ein Antriebssignal wird von einem Schwingungswellenlängen-Steuerungselement 18 zum abstimmbaren Wellenlängenfilter 23 abgegeben. Die Wellenlängenselektion durch den Reflektor 21 wird deshalb durch Steuern des abstimmbaren Wellenlängenfilters 23 bewirkt.

Andere Ausführungsform.

In der fünften und sechsten Ausführungsform kann, um die Output-Leistung zu erhöhen, wie in der zweiten Ausführungsform Licht 0-er Ordnung verwendet werden.
Spezifischer ausgedrückt ist in den Fig. 15 und 16 die Endfläche der LD16, die nicht AR-beschichtet ist, HRbeschichtet, wodurch der Output-Laserstrahl aus einer Richtung des Lichtes 0-er Ordnung (Richtung der Totalreflektion) des Beugungsgitters 3 ausgeblendet wird.
In der siebten Ausführungsform (Fig. 17) ist zusätzlich die Endfläche der LD16, die nicht AR-beschichtet ist, HRbeschichtet, und der Totalreflektionsspiegel 22 ist durch einen Halbspiegel ersetzt. In dieser Anordnung kann der Output-Laserstrahl von diesem Halbspiegel ausgeblendet werden.
In den dritten bis siebten Ausführungsformen kann außerdem ebenfalls, wenn der Brechungsindex der AR-beschichteten Endfläche der LD16 (LD19) groß ist, ein interner longitudinaler Modus (Fabry-Perot-Modus eines zwischen der AR-beschichteten Endfläche und der Endfläche, die nicht ARbeschichtet ist, ausgebildeten Resonators) in der LD16 ausgebildet werden, und der festgesetzte externer Resonatorlongitudinale Modus muß nicht oszillieren. In diesem Fall werden, wie in den ersten und zweiten Ausführungsformen, die folgenden Gegenmaßnahmen ergriffen:
(1) Auf der Endfläche der LD16, die nicht AR-beschichtet ist, wird eine AR-Beschichtung mit höherer Qualität durchgeführt.
Wenn der Reflektor 21 ein Beugungsgitter aufweist, wird das Beugungsgitter 3 mit einer kleineren Gitterkonstante (Fig. 9) verwendet. Alternativ wird der Durchmesser der Linse 2 vergrößert, um den Durchmesser des Strahls, der auf das Beugungsgitter 3 auftrifft, zu vergrößern. Mit diesen Methoden können die Wellenlängencharakteristika des Resonatorverlustes, die durch die Charakteristika des Beugungsgitters 3 bestimmt sind, steiler gemacht werden. D. h., im Beugungsgitter wird Q vergrößert.
(3) Wenn der Reflektor 21 das abstimmbare Wellenlängenfilter 23 als Bestandteil aufweist, wird das abstimmbare Wellenlängenfilter 23 verwendet, um den Resonatorverlust steiler zu machen.
Wie vorstehend beschrieben, umfaßt die wellenlängenabstimmbare Lichtquelle der siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine LD mit einem Phaseneinstellbereich zur Veränderung der effektiven Resonatorlänge eines externen Resonators im Einklang mit einem zuzuführenden Strom, ein Stromzuführungselement zum Zufuhr des Stroms zum Phasenseinstellbereich, und ein Schwingungswellenlängen-Steuerungselement zur Steuerung des von dem Stromzuführungselement zuzuführenden Stroms und zur Steuerung einer durch den Reflektor mit Wellenlängenselektivität zu selektierende Wellenlänge, damit die gewünschte Wellenlänge oszilliert. Eine Antriebskomponente für eine mechanische Veränderung der Resonatorlänge wird unnötig. Es kann deshalb eine Verringerung der Größe der Vorrichtung erzielt werden, und die Funktionsfähigkeit kann ebenfalls stark verbessert werden.
Da die Zahl der Komponenten, wie z. B. ein Antriebselement, verringert ist, und kein mechanisches Verfahren, sondern ein elektrisches Verfahren verwendet wird, um die Resonatorlänge zu verändern, wird auch die Zuverlässigkeit der Vorrichtung verbessert.
Die wellenlängenabstimmbare Lichtquelle gemäß den dritten bis siebten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann ebenso wie gemäß der ersten und zweiten Ausführungsform wirksam für ein kohärentes optisches Überlagerungskommunikationssystem oder ein Wellenlängen- Multiplex-Kommunikationssystem verwendet werden, die eine hervorragende Reproduzierbarkeit und eine hohe Auflösung erfordern.

Claims

1. Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge, die aufweist: einen Halbleiterlaser (16), dessen eine Laserstrahl- Emissionsendfläche Antireflektions (AR)-beschichtet ist, und einen Reflektor (21) mit einer Wellenselektivität zum Empfang eines von der (AR)-beschichteten Endfläche des Halbleiterlasers (16) emittierten Laserstrahls, wobei eine spezifische Wellenlänge selektiert wird, und ein Laserstrahl zum Halbleiterlaser (16) reflektiert wird, wobei der reflektierte Laserstrahl in einem externer Hohlraum-longitudinalen Verlauf schwingt, der auf der effektiven Länge eines externen Hohlraums basiert, der zwischen der anderen Lichtemissions-Endfläche des Halbleiterlasers (16) und dem Reflektor (21) ausgebildet ist,

der Halbleiterlaser (16) einen Phaseneinstellbereich (16b) besitzt, der so adaptiert ist, daß er die effektive Hohlraumlänge (K) des externen Hohlraums beim Anlegen eines Stromes an den Phaseneinstellbereich (16b) ändert, wodurch ein Satz von anfänglichen externer Hohlraumlongitudinalen Verläufen einer bestimmten effektiven Hohlraumlänge entspricht,

Stromzuführungselemente (7, 17) zum Anlegen eines Stromes an den Phaseneinstellbereich (16b), und

Schwingungswellenlängen-Steuerungselemente (18) zur Steuerung des vom Stromzuführungselement (7) eingeführten Stromes und zur Steuerung der durch den Reflektor (21) selektierten Wellenlänge, um die Wellenlänge eines Laserstrahls, der von der anderen Lichtemissions-Endfläche des Halbleiterlasers (16) emittiert wird, abzustimmen, während eine bestimmte Hohlraumlänge (L) des externen Hohlraums beibehalten wird, wobei die bestimmte Hohlraumlänge (L) der Abstand zwischen der anderen Lichtemissions-Endfläche des Halbleiterlasers (16) und dem Reflektor (21) ist, wenn kein Strom an den Phaseneinstellbereichen angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß, das Schwingungswellen-Steuerungselement (18) so adaptiert ist, daß es die Wellenlänge des externer Hohlraumlongitudinalen Verlaufs innerhalb eines anfänglichen externer Hohlraum-longitudinalen Verlaufabstands (D-E) bei Anlegen eines geeigneten Stromes an den Phaseneinstellbereich (16b) ändert, und die vom Reflektor (21) selektierte Wellenlänge gleichzeitig mit der Änderung des angelegten Stromes ändert, wodurch ein Laserstrahl mit einer beliebigen Wellenlänge (F) innerhalb eines Wellenlängenbereichs in diesem anfänglichen externer Hohlraum-longitudinalen Verlaufabstand (D-E) mit einer Auflösung der Schwingungswellenlänge von bis zu einem Wert von weniger als 0,02 um schwingen kann.

2. Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge, die aufweist: einen Halbleiterlaser (19), dessen eine Laserstrahl- Emissionsendfläche Antireflektions (AR)-beschichtet ist, und einen Reflektor (21) mit einer Wellenselektivität zum Empfang eines von der (AR)-beschichteten Endfläche des Halbleiterlasers (19) emittierten Laserstrahls, wobei eine spezifische Wellenlänge selektiert wird, und ein Laserstrahl zum Halbleiterlaser (19) reflektiert wird, wobei der reflektierte Laserstrahl in einem externer Hohlraum-longitudinalen Verlauf schwingt, der auf der effektiven Länge eines externen Hohlraums basiert, der zwischen der anderen Lichtemissions-Endfläche des Halbleiterlasers (19) und dem Reflektor (21) ausgebildet ist,

der Halbleiterlaser (19) einen Phaseneinstellbereich besitzt, der so adaptiert ist, daß er die effektive Hohlraumlänge (K) des externen Hohlraums beim Anlegen eines Stromes an den Phaseneinstellbereich ändert, wodurch ein Satz von anfänglichen externer Hohlraum-longitudinalen Verläufen einer bestimmten effektiven Hohlraumlänge entspricht,

Stromzuführungselemente (7, 17) zum Anlegen eines Stromes an den Phaseneinstellbereichen, und

Schwingungswellenlängen-Steuerungsmittel (18) zur Steuerung des vom Stromzuführungsmittel (7) eingeführten Stromes und zur Steuerung der durch den Reflektor (21) selektierten Wellenlänge, damit die Wellenlänge eines von der Lichtquelle mit abstimmbarer Wellenlänge emittierten Laserstrahls abgestimmt wird, während eine bestimmte Hohlraumlänge des externen Hohlraums beibehalten wird, wobei die bestimmte Hohlraumlänge der Abstand zwischen der anderen (HR)-beschichteten Endfläche des Halbleiterlasers (19) und dem Reflektor (21) ist, wenn kein Strom an den Phaseneinstellbereich angelegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß,

der Halbleiterlaser (19) eine Hochreflektions (HR)- Beschichtung auf seiner anderen Lichtemissions-Endfläche besitzt, und der emittierte Laserstrahl in der gesamten Reflektionsrichtung des Reflektors (21) emittiert wird, und das Schwingungswellen-Steuerelement (18) so adaptiert ist, daß es die Wellenlänge des äußerer Hohlraumlongitudinalen Verlaufs innerhalb eines anfänglichen externer Hohlraum-longitudinalen Verlaufabstands (D-E) beim Anlegen eines geeigneten Stromes an den Phaseneinstellbereich ändert, und um vom Reflektor (21) selektierte Wellenlänge gleichzeitig mit der Änderung des angelegten Stromes ändert,

wobei ein Laserstrahl mit einer beliebigen Wellenlänge (F) innerhalb eines Wellenlängenbereichs in diesem anfänglichen externer Hohlraum-longitudinalen Verlaufabstand (D-E) mit einer Auflösung der Schwingungswellenlänge bis zu einem Wert von weniger als 0,02 pm schwingen kann.

3. Quelle nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (21) aus einem Beugungsgitter (3) besteht.

4. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (21) aufweist:

ein Beugungsgitter (3) zur spektralen Streuung des von der ersten Endfläche des Halbleiterlasers (16) emittierten Laserstrahls, und

einen Totalreflektionsspiegel (22), damit der durch das Beugungsgitter (3) spektral gestreute Lichtstrahl wieder zum Beugungsgitter zurückgeführt wird.

5. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (21) aufweist:

ein abstimmbares Wellenlängenfilter (23) zur Steuerung der Wellenlängenbandbreite des von der ersten Endfläche des Halbleiterlasers (16) emittierten Laserstrahls, und ein Beugungsgitter (3) zur spektralen Streuung einer Lichtkomponente, dessen Wellenlängenbandbreite durch das abstimmbare Wellenlängenfilter (23) begrenzt ist, und Rückführung der Lichtkomponente zum abstimmbaren Wellenlängenfilter.

6. Quelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (21) aufweist:

ein abstimmbares Wellenlängenfilter (23) zur Begrenzung einer Wellenlängenbandbreite des von der ersten Endfläche des Halbleiterlasers (16) emittierten Laserstrahls, und einen Totalreflektionsspiegel (22) zur Totalreflektion einer Lichtkomponente, dessen Wellenlängenbandbreite durch das abstimmbare Wellenlängenfilter begrenzt ist, und Rückführung der Lichtkomponente zum abstimmbaren Wellenlängefilter.

7. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem eine Linseneinrichtung (2) zur Kollimation des von der AR-beschichteten Endfläche des Halbleiterlasers (16) gegen den Reflektor (21) und Rückführung einer Lichtkomponente mit der spezifischen Wellenlänge vom Reflektor (21) zur AR-beschichteten Endfläche des Halbleiters (16) aufweist.

8. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie außerdem aufweist ein Speicherelement (20) zur vorausgehenden Speicherung eines vom Schwingungswellenlängen-Steuerelement (18) gesteuerten Stromwerts als Meßwert auf der Basis von Charakteristika des Phaseneinstellbereichs (16b) des Halbleiterlasers (16).

9. Quelle nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterlaser (16, 19) aus einer Zweielektroden-Laserdiode besteht, die eine erste Elektrode (16c) zum Anlegen des Stroms an einen aktiven Bereich (16a) mit einer optischen Verstärkerfunktion zur Durchführung der Laserschwingung aufweist, und eine zweite Elektrode (16d), die benachbart zum aktiven Bereich angeordnet ist, zum Anlegen des Stromes an den Phaseneinstellbereich (16b), der die Funktion der Abstimmung der Schwingungswellenlänge besitzt, wodurch ein