JP2000501887A - 同調可能かつ調整が安定な半導体レーザ光源及び半導体レーザの光学的に安定なほぼ連続的な同調のための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 １．同調可能かつ調整が安定な半導体レーザ光源及び半導体レーザの光学的に安定なほぼ連続的な同調のための方法。２．１．従来利用可能な連続同調可能な半導体レーザ光源は波長同調のために必要な１つの自由度及び場合によってはモードジャンプの回避のために必要な別の自由度のほかに、もっぱら最適な位置に極めて敏感に保持しなければならないその他の自由度を含むので、比較的高価である。この欠点を新規な配列によって克服しようとする。２．２．好ましくは十分に反射防止処理したレーザチップのファセットが光学系によって反射器に結像される。それによって一方ではキャッツアイ効果により調整許容範囲の大幅な増加が生じ、他方では光学系が高い縦色収差を備えているので、全系の一部を全系の他の部分に対して移動することによって波長同調が可能である。こうして精々２つの調整可能な自由度を有する、モードジャンプなしに同調可能な半導体レーザ光源を構成することができる。２．３．とりわけ光波分光学での応用。

Description

【発明の詳細な説明】 同調可能かつ調整が安定な半導体レーザ光源及び半導体レーザの 光学的に安定なほぼ連続的な同調のための方法 本発明は少なくともレーザ利得曲線の広い範囲でモードジャンプのないレーザ 波長の同調とともに高い光学的安定性を特徴とする、広帯域で増幅し狭帯域で同 調可能な活性媒質を有するレーザ光源、特に半導体レーザ光源に関する。この種 の光源の応用分野はとりわけ光波分光学である。 能動素子として半導体レーザを有する同調可能な光源は、多くの変型が知られ ている。多かれ少なかれ広いスペクトル領域で連続的同調を可能にするか、又は 波長のジャンプを我慢して、少なくとも与えられた間隔の内部で任意のあらゆる 波長の調整を許す光源もその一つである。 与えられた波長範囲で連続的に同調可能であるためには、レーザの放出波長の 同調と同時に共振器の光路長が適宜に共変し、単モード操作で縦モード数が上記 の範囲に維持され、モードジャンプが回避されるようにすることが必要である。 このような光源はモノリシック素子又はハイブリッド装置として知られている。 モノリシック素子はコンパクトであることと、放出波長の同調及び共振器の適 宜な波長変化がもっぱら電子的手段によって一致させられることが特徴である。 しかし連続同調可能な範囲がレーザ利得曲線より係数２ないし５だけ狭い。これ までに中心波長１５５５ｎｍで９ｎｍ（約０，６％に相当）の利用可能な連続同 調範囲が得られた（テー・ヴォルフ、エス・イレク、ヨット・リーガー、ベー・ ボルヒャート、エム・エス・アマン［T.Wolf，S.Illek，J.Rieger，B.Borchert ，M.C.Amann］：同調可能なツインガイド・レーザの拡張された連続同調範囲（ １０ｎｍ超）、レーザ及び電子光学会議（９４年度ＣＬＥＯ）、アナハイム、１ ９９４年５月８−１３日、ＣＷＢ１）。 ハイブリッド装置は実質的に、なるべく共振器として現れないように好ましく は片側を十分に反射防止処理したレーザダイオードと、反射防止処理したレーザ ファセットへの放出光の波長選択性の同調可能な帰還を行わせる外部共振器分と からな る。この場合レーザの全利得曲線にわたって同調が可能である。原則として共振 器長さの整合は帰還されるスペクトル領域の選択と別個に、その他のパラメータ を考慮せずに行うことができる。しかしこの整合を多かれ少なかれ自動化して実 現するには、これまで比較的複雑な配列しか知られていない。先行技術を代表す るのは次の３つの解決策である。 第１の解決策はファヴル（Favre ）その他が記述した（エフ・ファヴル、デ・ ル・グアン、ジ・エス・シモン、ベー・ランドゥージエ［F.Favre，D.Le Guen， J.S.Simon，B.Land-ousies］：連続同調範囲１５ｎｍの外部キャビティ形半導体 レーザ、Electronic Letters２２巻１５号、１９８６年７月１７日、７９５−７ ９６頁）。反射防止処理したレーザファセットから出る光は光学系によってコリ メートされ、平行光束として所定の角度で平坦な回折格子に到達する。再び入射 方向に回折された光は光学系を通過した後、再びレーザに逆入射する。この解決 策の特徴は、格子の回転（選択された領域の同調）が２個の並進部材と１個の連 接棒により機械的に共振器長さ調整と結びつけられているため、平均波長の１， ２％にわたりレーザ波長の連続同調が得られることである。ピエゾトランスレー タに格子を配設したことによって小さな偏差の補正が可能である。 多くの他の構造と同じくこの構造の重要な欠点は、レーザ光が当然のことなが らコリメートされた光束として帰還されることにある。その結果、ジャンプのな い波長同調のために必要な自由度２（格子の並進と回転）のほかに、何らかの初 期パラメータの調整には必要でない更に２つの別の自由度を最適の位置に極めて 敏感に保持しなければならない。これはレーザファセット上にレーザファセット 自体の必要な正確な像を得るために、一方では格子の分散方向に垂直に光路を傾 けることであり、他方ではコリメータに対して光軸に沿ってレーザチップを移動 することである。光学的に有効なレーザチップのファセットはごく小さいから、 このため機構の正確さと安定性に対して高い要求が出てくる。その場合これらの ２つの次元調整の可能性の範囲内にただ１つの最適位置と、基準として使用され るただ１つの初期パラメータ即ち送出される放射出力しかないことが難点である 。この欠点は次の２つの例にも同様に当てはまる。 （ヴェー・フールマン、ヴェー．デムトレーダー［W.Fuh-rmann，W.Demtroede r ］：外部共振器を有する連続同調可能なＧａＡｓダイオードレーザ、Appl.Phys ．４９巻２９−３２頁（１９８９年））に同じくハイブリッド装置が記載されて いる。選択されたスペクトル領域と共振器の光路長との関連はこの場合電子制御 によって作り出される。有効共振器長さの整合のための操作部は、検流計駆動装 置により回転されるブルースタープレートである。平均放出波長の１，８％の全 同調範囲が得られるが、その０，０１４％が連続的であるに過ぎない。 欧州特許第０３３５６９１号公報（１号３／０８頁）は、共振器長さの変更が ピエゾトランスレータだけで行われる解決策を含む。モード間隔の僅かな一部を 超えて連続的に同調させようとするならば、この場合も電子制御が必要である。 ピエゾトランスレータの調整距離が限られているので、連続同調可能な範囲はこ の案でも僅かである。 第１の解決策の機械的構造は共振器長さの調整距離が長いので、これでだけが 大きな範囲にわたって波長の連続調整を可能にする。しかしこの機構はもちろん 緩慢な同調しかできない。他の２つの解決策は狭い範囲でしか連続同調ができな い。 また広帯域で刺激可能な媒質を有するレーザ、特に色素レーザの波長選択のた めの配列が知られており、ドイツ特許公告第２０５１３２８号公報（１号３／０ ８頁）及び所属の追加特許、ドイツ特許公開第２２３６５０５号公報（１号３／ ０８頁）でその種々の変型が取り上げられている。その場合波長の選択はおおむ ね次のようにして得られる。即ち共振器の内部で光が開口隔板に集束され、開口 隔板の後方に高い縦色収差と小さな球面収差を有する光学系が配列され、夫々た だ１つの狭い波長範囲に対して共振器ミラーの１つがあることに関連して、大き な損失なしに逆に開口隔板に結像が行われる。同調は光学系をその光軸に沿って 移動することによって行われる。選択性を高めるために、選択装置の光軸を刺激 可能な媒質の幾何学軸に対して変位させるか又はこれとの間に角を作る。高い縦 色収差を有する光学系は所属の共振器端部ミラーとともに、フレネルレンズとし て１つの素子に統合することができる。 この特許はもっぱら波長の選択を内容とする。共振器のモード挙動又は装置の 安定性については何も触れていない。 外部共振器を有するレーザの調整許容範囲を増加するための先行技術はおおむ ね ２つの解決策によって決定される。 第１の解決策は（ピー．ゾラベディアン及びダブリュー・アール・トルーナ・ ジュニア［P.Zorabedian and W.R.TrunaJr．］：干渉フィルタ同調式整列安定化 半導体外部キャビティレーザ、OPTICS LETTERS １３巻１０号（１９８８年）８ ２６−８２８頁）に記載されている。調整許容範囲の広いレーザ放射の帰還のた めにキャッツアイ逆反射体（焦平面にミラーがある集光光学系）が利用される。 選択性素子として共振器内の平行光路に干渉フィルタがある。レーザ波長の同調 のために、このフィルタは回転可能に支承されている。利用可能な放射の取り出 しは、レーザチップの外部共振器の反対側のファセットから行われる。 欧州特許第０５２５７５２号公報（１号３／１０５５頁）は外部共振器を有す る調整安定形レーザの作製のためのもう一つの可能性を内容とする。この場合原 則として同じくキャッツアイ逆反射体が応用されるが、その効果は１つの座標に 限られている。ビームの成形のためにプリズムと円柱レンズを適当に組合せ、反 射器として回折格子を使用することによって、格子へのレーザファセットの結像 が分散方向に対してもっぱら垂直に行われることとなる。しかし分散方向では格 子に入射する光束がほぼ平行であり、比較的幅広い。こうして格子をレーザ波長 の同調のために無制限に利用することができ、他方ではこの配列が分散方向に垂 直の格子の傾きに対して十分な許容範囲を持つようにすることができる。 最後の２つの解決策は帰還光路の傾倒に対する許容範囲を大幅に増加する。し かし安定化されていない１つの自由度、即ちレーザファセットの像をこのレーザ ファセットに集束するためにコリメータに対して光軸に沿ってレーザチップを移 動することが依然として残る。なおこの解決策はモードジャンプのない波長同調 を内容としていない。 広い範囲にわたり連続的に同調可能なレーザ光源はとりわけ光波分光学で必要 である。その意義は、とりわけ通常の共振器長さでモード間隔が少なくとも原子 線幅にほぼ相当し、そのため不連続同調の場合は相応に広い波長範囲を飛び越え ることで明らかである。 実質的にファヴルその他（上記を参照）が記述する原理に従って動作する既に 利用可能な装置は、装置の調整感度が高いため特殊な手段例えば能動的制御及び ／又 はかさ高な構造を含んでいるのですこぶる高価である。これに対して一方では系 の安定化のために遥かに少ない費用で済み、他方ではより迅速な波長同調又は波 長変調を可能にするような光源が望ましい。 本発明の課題は、光学的コンセプトにより高い安定性が得られ、しかも帰還さ れるスペクトル領域の選択と共振器の光路長との間の必要な関連が簡単に、なる べく非機械的に与えられることにより、半導体材料の利得曲線の少なくとも広い 部分領域にわたりレーザ波長をジャンプなしで同調することを可能にする半導体 レーザ光源を提供することである。 この課題の解決のために、ハイブリッド装置は片側を十分に反射防止処理した レーザチップ、高い縦色収差を有し、球面収差をよく補正した、反射器にレーザ ファセットを結像するための光学系及び反射器自体からなるハイブリッド装置が 利用される。その場合高い縦色収差は光学系の適当な配列と像倍率の選択によっ て得られる。 次に幾つかの実施例について本発明を説明する。 図１はレーザ光源の基本構造、 図２は連続同調に関して改善された変型及び 図３は特に簡単で迅速な連続波長同調を可能にする構造 を概略図で示す。 最も簡単な場合（図１）に光学系は、重要な構成部分としてコリメータＫＯを 含む第１の部分光学系０１１と、反射器ＳＰにレーザファセットの縮小像を作り かつこの像を含む第２の部分光学系０１２からなる。レーザチップＬＤが送出す る放射の光学系への入射は、４５゜をなすビームスプリッタＴＳを介して行うこ とが好ましい。ビームスプリッタＴＳは光軸の周囲に円錐孔を備えている。この ようにしてレーザチップＬＤを最小値の開口数で出る放射だけが光学系に到達す る。小さな開口角のビームは、レーザファセットの場所で縦色収差が小さな横収 差にしか変換されないので装置の選択性を損なう恐れがあり、ミラーＴＳの穴を 通って有用な放射Ｓとして共振器から導き出される。 レーザの場所で高い縦色収差が生じるから、レーザ光源の単モード操作を得る ことができる。こうして光軸（矢印方向Ｖ１）に沿ってレーザダイオードＬＤを 移動 することによって、装置の放出波長が調整される。しかしこの場合縦色収差は、 共振器長さが選択波長と同様に変化するほどには増大しない。従ってまず第２の 部分光学系Ｏ１２を第１の部分光学系Ｏ１１に対して光軸（矢印方向Ｖ２）に沿 って移動することによって波長同調が行われ、同時に制御によりレーザダイオー ドＬＤを光軸（矢印方向Ｖ１）に沿って移動することによって、モードジャンプ が起こらないように選択波長が追従される。その場合第２の部分光学系Ｏ１２を 逆反射体として構成すれば、これらの運動で僅かな調整偏差に比して比較的高い 許容範囲をもたらす。このようにしてただ１つの制御によってモードジャンプの ない波長同調が可能であり、それと同時にレーザチップ自体の分散の影響も考慮 される。従来慣用のその他の能動的及び／又は受動的安定化は廃止される。 レーザ光源の第２の変型（図２）は例１と全く同様の光学系を利用するが、第 １の部分光学系Ｏ２１がレーザファセットを無限大でなく有限の像距離にに結像 し、従って第２の部分光学系Ｏ２２がこの条件のもとでレーザファセットの像を 反射器ＳＰに作るように設計されていることが相違する。こうして部分光学系Ｏ ２２の矢印方向Ｖ２の移動は例１のように共振器長さの変化をもたらすだけでな く、同時にレーザダイオードファセットへの集束も変化する。そこで第２の部分 光学系Ｏ２２を第１の部光波分光学系Ｏ２１に対して光軸に沿って移動するだけ で、レーザ波長の同調を行うことができる。レーザチップＬＤの場所で例１とお おむね同じ縦色収差が得られるから、装置の必要な選択性が与えられる。しかし この場合第１の部分光学系Ｏ２１の像倍率の適当な選択と第２の部分光学系Ｏ２ ２の適当な整合によって、共振器の光路長が所期のように選択波長と同様に変化 するから、モードジャンプが事前に少なくとも十分に回避されることとなる。環 境の影響又は機構の僅かな移動に原因するモードジャンプが可能であるから、こ の場合も電子制御が好ましい。この場合波長の選択と共振器長さの変化との関連 の小さな偏差の制御は、レーザダイオードを光軸（矢印方向Ｖ１）に沿ってごく 僅かに変位させることによって行われる。移動Ｖ１は移動Ｖ２と逆に波長選択を 大きく、共振器長さを小さく変化するからである。 例１に対するこの変型の利点は、この場合波長の同調と共振器長さの適宜な変 化が実質的にただ１つの座標（Ｖ２）の調整だけで得られ、像倍率の選択によっ て両 者を相互に適応させることができることにある。 レーザ光源の第３の変型（図３）は波長の選択と共振器長さの適宜な変化との 関連を同じく光学的に作り出す。この構造の光学系は実質的に２つの相対して配 設された結像光学系一式ＡＯ１、ＡＯ２と反射器ＳＰを含む。全系を２つの部分 Ｔ１及びＴ２に分割し、その間にほぼ平行の光路Ｐが現れることが好ましい。例 １の光学系におおむね相当する第１の結像光学系ＡＯ１によって、まずレーザフ ァセットの縮小結像が行われる。しかしこの場合はレーザファセットの像の場所 から放射が同じ光学系に反射されないで、ほぼ同一の結像光学系ＡＯ２を逆方向 に通過し、その上で反射器ＳＰに入射する。第１の結像光学系ＡＯ１に対する第 ２の結像光学系ＡＯ２の相違は、実質的に第２の結像光学系と反射鏡ＳＰとの像 距離が第１の結像光学系とレーザチップＬＤとの物距離の数倍であるという点だ けである。このようにしてレーザの場所で所期の高い縦色収差とともにレーザ光 の開口角の可能な限りの利用と必要な選択性が得られ、同時にまさしく第２の結 像光学系ＡＯ２の像倍率の適当な選択によって反射器ＳＰ上のレーザファセット の像の場所の縦色収差が調整され、反射器ＳＰの方向Ｖ３の移動だけでレーザ光 源の放出波長及び光学的共振器長さの適当な変化が調整される。この場合は波長 の選択がレーザファセット上の像でだけ行われるから、反射器に大きな開口角は 必要でない。レーザダイオードの光軸に沿った僅かな変位がこの場合も波長の選 択と共振器長さの変化との関連の小さな偏差の補正を可能にする。全系の２つの 部分Ｔ１、Ｔ２の間で光路Ｐはほぼ平行である。平行に走る光路の長さはある範 囲内で変化することができるから、ここで全共振器長さの調整の可能性が生じる 。反射器ＳＰは例えばマイクロメータＳＣＨに固定されている。 例１に対するこの配列の利点は、レーザチップの場所と反射器の場所で縦色収 差が互いに独立に確定され、従ってただ１つの座標の変位により連続同調性が得 られることにあり、更に例２に対しては同調素子として小さくて軽い反射器を移 動するだけでよく、そのことが取扱いを容易にし、しかも例えば反射器をピエゾ トランスレータに取付けることができるので、迅速な波長変調の可能性を与える ことにある。変調は通常全同調範囲の比較的小さな部分でしか行われないから、 このために光学系の縦色収差の経過の精度は十分である。従って制御が変調周波 数に追従すること ができなくてもよい。レーザ波長の変調が共振器長さの変化だけで行われる前述 の公知の配列と対照的に、この場合レーザの変位は必然的に、帰還されるスペク トル領域の適当な変位も伴うから、振動レーザモードを問題なく多くのモード間 隔にわたって連続的に変調することができる。 使用した参照符号一覧 ＡＯ１ 結像光学系１ ＡＯ２ 結像光学系２ ＫＯ コリメータ ＬＤ レーザダイオード Ｏ１１，Ｏ２１ 第１の部分光学系 Ｏ１２，Ｏ２２ 第２の部分光学系 Ｐ 平行な光路 Ｓ 利用可能なレーザ光 ＳＣＨ マイクロメータ ＳＰ 反射器 Ｔ１ 共振器の第１の部分 Ｔ２ 共振器の第２の部分 ＴＳ ビームスプリッタ Ｖ１ 移動１ Ｖ２ 移動２ Ｖ３ 移動３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．有効な共振器が光学増幅器として好ましくは厚く反射被覆したファセット と十分に反射防止処理したファセットを有するレーザチップ（ＬＤ）及び共振器 端部ミラーと十分に球面収差補正した光学系及び反射器（ＳＰ）からおおむねな る同調可能な半導体レーザ光源において、光学系が高い縦色収差を有し、但しそ の場合レーザ利得曲線と比較して狭いスペクトル領域に対して、レーザ利得曲線 の少なくとも大部分にわたって、実質的にレーザチップ（ＬＤ）の出射ファセッ トを反射器（ＳＰ）に、十分に回折を制限して結像させ、構造の調整偏差に対す る高い許容範囲のもとで残余の共振器に対するレーザチップ（ＬＤ）又は反射器 （ＳＰ）の、又は一般に全共振器の他の特定の部分に対する全共振器の特定の部 分の移動によってレーザ波長の狭帯域同調が行われることを特徴とする半導体レ ーザ光源。 ２．高い開口でレーザダイオード（ＬＤ）を出る光束が設けられ、小さな開口 の光束が有用な放射分として共振器から導き出されることを特徴とする請求項１ に記載の半導体レーザ光源。 ３．レーザダイオード（ＬＤ）と外部共振器との光学的結合のため及び有用な 放射の取り出しのために、好ましくは４５゜の穿孔したミラー（ＳＰ）が設けら れていることを特徴とする請求項２に記載の半導体レーザ光源。 ４．光学系が２つの部分光学系（Ｏ１１，Ｏ１２）からなり、その間を光路が ほぼ平行に走り、こうして２つの部分光学系（Ｏ１１，Ｏ１２）の間隔の変化に よって、波長依存性の集束をあまり変えずに共振器の光路長を変化させ、２つの 部分光学系（Ｏ１１，Ｏ１２）の間隔と集束の適当な同時調整によって、全共振 器のモード数を一定に保つことができ、モードジャンプが起こらないように、レ ーザ波長を同調させることを可能にすることを特徴とする請求項１、２又は３に 記載の半導体レーザ光源。 ５．ジャンプのない波長同調のために必要な、波長選択と共振器長さの整合と の関連が、全装置の一部だけを共振器に対して光軸に沿って移動することによっ て完全に又はほぼ得られることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の半導体 レーザ光源。 ６．第１の部分光学系（Ｏ２１）がレーザを無限大でなく有限の像距離に結像 し、モードジャンプを回避するために、反射器（ＳＰ）を含む第２の部分光学系 （Ｏ２２）をレーザダイオード（ＬＤ）を含む第１の部分光学系（Ｏ２１）に対 して移動するだけで波長の同調も、少なくともほぼ適合する共振器長さ整合も生 じることを特徴とする請求項５に記載の半導体レーザ光源。 ７．光学系が第１（ＡＯ１）及び第２（ＡＯ２）の結像光学系を含み、両者が 高い縦色収差を有し、第１の結像光学系（ＡＯ１）がレーザファセットの縮小像 を作り、次に第２の結像光学系（ＡＯ２）がこの像から拡大像を反射器（ＳＰ） に投影し、こうして一方ではレーザファセットの場所に選択のために必要な高い 縦色収差があり、他方ではそれから独立に第２の結像光学系（ＡＯ２）の像倍率 の適当な選択によって光軸に沿った反射器（ＳＰ）の移動とともに波長選択及び 光学的共振器長さが相互に対応して変化し、少なくともほぼモードジャンプなし で同調が行われるように、反射器の場所の縦色収差が設定されることを特徴とす る請求項５に記載の半導体レーザ光源。 ８．好ましくは厚く反射被覆したファセットと十分に反射防止処理したファセ ットを有する半導体レーザの同調方法において、レーザの放出チャネルから実質 的に出射ファセットがこれから出る発散光線により十分に回折を制限して結像さ れ、像の場所で放射の反射が行われ、この放射が光学的に安定して高い縦色収差 で再び放出チャネルに帰還され、同時に高い縦色収差のため狭いスペクトル領域 に対してだけ実際に入射し、単数個又は複数個の光学距離の変化によって、極め て僅かな損失で帰還されたスペクトル領域の変位が行われ、その際レーザの放出 チャネルからの像が非点収差補正を含むことができ、更に反射の場所の実質的に レーザの出射ファセットの像に対して、このファセットの単数又は複数の像が既 に先行することができることを特徴とする方法。 ９．レーザチップの利得曲線の中でごく僅かな損失で帰還された波長範囲の夫 々の選択に関係なく、全方法の中で単数個又は複数個の像倍率を適当に設定する ことによって、振動中央モード数又は単一モード数が精々ごく僅かな偏差で常に 等しく、帰還された波長範囲の同調の際にこうして少なくとも幾つかのモード間 隔にわたってモードジャンプが現れず、又は実質的にレーザの全利得曲線にわた ってモードジ ャンプのない同調が精々僅かな補正で可能であることを特徴とする請求項８に記 載の方法。