JP2005142400A - レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】光結合効率の高いレーザ光源を集光部材を用いることなく実現する。
【解決手段】レーザ光源本体２の光出射端６ａに光導出用光ファイバ３の光入射端３ａが対向配置される。光導出用光ファイバ３とレーザ光源本体２とのそれぞれに光反射器７,５を設けることで共振器４を構成する。光反射器５による波長フィードバックをかけたうえで、その出力光を光導出用光ファイバ３の内部に向けて出力する。以上の構成を備えるレーザ光源１において、光導出用光ファイバ３のカットオフ波長を、レーザ光源本体２のゲインピーク波長より長波長にすることで、光導出用光ファイバ３とレーザ光源本体２との間の光結合効率を高める。
【選択図】図１

Description

本発明は、ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと称す）等を用いた共振器により波長ロックを行うレーザ光源に関する。

一般に、ファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと称す）等を用いた共振器により波長ロックを行うレーザ光源では、レーザ光源本体と光ファイバとが対峙して配置される。光ファイバは、レーザ光源本体の出力光の基本モードをシングルモード伝搬するものである。光ファイバとレーザ光源本体との間には集光部材が設けられており、レーザ光源本体の出力光を光ファイバ端面に集光させる。集光部材はレンズの他、ファイバ端面を先球状に加工したもの（以下、先球ファイバという）から構成される。

ＦＢＧは光ファイバの光入射端近傍に形成される。ＦＢＧはレーザ出力光の基本モードを所定の比率で選択的に反射する特性を有するものとして作製される。集光部材を介して光ファイバに導入されるレーザ光源本体の出力光は、ＦＢＧとレーザ光源本体内で反射される反射光との間で共振を生じさせる。これにより、レーザ光源本体の出力光の基本モードの光が選択的に高められてＦＢＧから光ファイバ内に向けて出力される。（特許文献１参照）
特開平８−２８６０７７号公報

従来のレーザ光源には、レーザ光源本体の出力光を集光するためにレンズ、先球ファイバ等の集光部材を用いる分、部品点数が増大してコスト上昇と大型化とを招く課題がある。さらには、配置する集光部材には、高いアライメント調整（調芯）が必要性となるため、その分でも作業の複雑化に基づくコスト上昇を招く。

本発明は、光導出用光ファイバのカットオフ波長を、レーザ光源本体のゲインピーク波長（レーザ発振波長）より長波長とすることで、レーザ光源本体と光導出用光ファイバとの間の光結合効率を高める。これにより、光結合効率を高めるための別部材（集光部材）の省略を図る。カットオフ波長を長波長側にシフトするためには、光導出用光ファイバのコア径を大きくするか、開口数（ＮＡ）を大きくすればよい。両構成とも、レーザ光源本体から光導出用光ファイバに入射される入射光の光結合効率を高めることができる。

開口数（ＮＡ）の調整は、コアの屈折率とクラッドの屈折率とを変動させることで実施できる。コア,クラッドの屈折率は、それらの材質を微調整する（例えば、添加する不純物の量を調整する）ことで実施できる。コア径の調整は、コア径を含む光ファイバの断面形状を変更することで実施できる。このようなカットオフ波長の調整方法のうち、製法上からいえば、材料変更をしなくてもよい分、コア径の調整が容易である。

光導出用光ファイバに設けられる光反射器としては、例えば、ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）が挙げられる。この場合、ファイバブラッググレーティングを、光導出用光ファイバの光入射端近傍に設けるのが好ましい。光導出用光ファイバのカットオフ波長を、レーザ光源本体のゲインピーク波長（レーザ発振波長）より長波長にするという本発明の構成では、レーザ光源本体の出力光は光導出用光ファイバ内においてマルチモード伝播する。マルチモード伝搬する光伝送形態では、高次モードが生じて伝送効率を低下させる恐れがある。このような不都合を防止するためには、ファイバブラッググレーティングを光導出用光ファイバの光入射端に近づけるのがよい。そうすれば、ファイバの調芯精度を高くすることで高次モードの発生を十分に抑制することができて、レーザ光出力をほとんどシングルモード伝播させることが可能となる。

本発明は、前記レーザ光源本体のゲインピーク波長を、共振器の基本モードにおける反射波長と同じかそれより長波長側にするのが好ましい。半導体レーザ等のレーザ光源本体においては、そのゲインは正の放物線形状の特性曲線を有する。そのため、ゲインピーク波長より短波長側では右上がりのゲイン特性（短波長側になるほどゲインが減少する特性）を有し、長波長側では右下がりのゲイン特性（短波長側になるほどゲインが増加する特性）を有する。

このようなゲイン特性を有するレーザ光源本体を用いる本発明においては、レーザ光源本体のゲインピーク波長を、共振器の基本モードにおける反射波長と同じかそれより長波長側にすれば、レーザ光源本体のゲイン特性において右上がりの特性領域を選択的に用いることが可能となる。共振器の基本モード（０次モード）は、高次モード（１次モード,２次モード,…）より長波長側に位置する。そのため、レーザ光源本体のゲイン特性における右上がりの特性領域を選択的に用いることにより、共振器の基本モードを、高次モードより効率高く増幅することが可能となる。これにより、高次モードを除いた共振器の基本モードだけを選択的に共振させることが可能となり、その分、レーザ光源の出力効率が向上する。

本発明は、レーザ光源本体として半導体レーザの他、ファイバレーザ、光アンプ等を用いて実施可能である。

本発明によれば、コスト上昇を招く集光部材を用いることなく光結合効率の高いレーザ光源を構成することが可能となり、その分、レーザ光源のコストダウンと小型化とを実現できる。

図１は、本発明の最良の実施形態に係るレーザ光源１の断面図である。

このレーザ光源１は、レーザ光源本体２と光導出用光ファイバ３と共振器４とファイバブラッググレーティング（以下、ＦＢＧと略す）５とを備える。レ−ザ光源本体２は、レーザ光の発生装置である半導体レーザ６を備える。半導体レーザ６はバックファセット７と出力ファセット８とを備える。出力ファセット８は、半導体レーザ６の光出射端６ａに設けられる。出力ファセット８は反射率より透過率の方が高い特性（反射率０．１％〜１０％,透過率９０％〜９９．９％）を有する。共振器４はバックファセット７とＦＢＧ５とに構成される。光導出用光ファイバ３は、その光入射端３ａをレーザ光源本体２（半導体レーザ６）の光出射端６ａに対向させて配置される。光導出用光ファイバ３はフェルール１０に取り付けられた状態でケース９に装着される。これにより、レーザ光源本体２の出力光に光反射器５による波長フィードバックがかけられたうえで、そのフィードバック出力（共振出力）が光導出用光ファイバ３の内部に向けて出力される。

バックファセット７は、光出射端６ａに対向する半導体レーザ６の端面に設けられる。バックファセット７は透過率より反射率の方が高い特性（反射率９５％〜９９％,透過率１％〜５％）を有する。半導体レーザ６はケース９に収納される。

光導出用光ファイバ３は、そのカットオフ波長がレーザ光源本体２のゲインピーク波長より長波長となるファイバ特性を有する。レーザ光源１は、光導出用光ファイバ３がこのようなファイバ特性を備えることに特徴を有する。以下、詳細に説明される。

光ファイバにおける光伝播形態は、次の（１）式に示される規格化周波数Ｖと呼ばれるパラメータにより条件付けされる。

Ｖ＝２π／λａ√（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２） …（１）
Ｖ：規格化周波数
ａ：コア半径
√（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）：開口数ＮＡ
λ：光の波長
ここで、規格化周波数Ｖが２．４０５以下となる場合（Ｖ≦２．４０５）には、波長λの光はその光ファイバに対してシングルモード伝播し、規格化周波数が２．４０５を上回る場合（Ｖ＞２．４０５）には、波長λの光はその光ファイバに対してマルチモード伝播する。シングルモード伝播形態とマルチモード伝播形態との境界となる波長λｃはカットオフ波長と呼ばれる。

一般に、レーザ光源においてレーザ光源本体から出力される出力光を伝送する光導出用光ファイバでは、伝送効率等を鑑みて、出力光をシングルモード形態で光伝播させる。この場合、規格化周波数の算定式である上記（１）式を詳細に見ればわかるが、光ファイバのコア径ａもしくは開口数ＮＡを小さく設定することで、その伝搬状態をシングルモードにしている。開口数ＮＡの調整はファイバ材質の変更（屈折率の変更）を伴う。これに比べてコア径ａの調整は製造的にみて比較的容易に実施できる。そのため、通常はコア径ａの縮径処理によって光ファイバをシングルモード化させることが多い。

しかしながら、シングルモード伝播する光ファイバでは、縮径処理したり開口数ＮＡを小さくしたりすることでレーザ光源本体と光導出用光ファイバとの間の光結合効率が悪化するのは避けられない。そこで、従来では、レーザ光源本体と光導出用光ファイバとの間に集光部材を設けることで、光結合効率を向上させているが、これでは、部品点数の増加や調芯処理の複雑化を招き、コストアップやレーザ光源装置の大型化を引き起こす。

本実施形態のレーザ光源１は、光導出用光ファイバ３として、レーザ光源本体２の出力光がマルチモード伝播可能な特性を有するものを用いる。具体的には、光導出用光ファイバ３として、そのカットオフ波長がレーザ光源本体２のゲインピーク波長より長波長となった光ファイバを設ける。カットオフ波長をレーザ光源本体２のゲインピーク波長より長波長とするためには、光導出用光ファイバ３のコア径ａを大きくしてもよいし、開口数ＮＡを大きくしてもよい。このうち製法的にみて比較的容易なのはコア径ａの拡径化である。

これによりレーザ光源１では、ファイバ３のコア径ａの大径化や開口数ＮＡの増大化によりレーザ光源本体２と光導出用光ファイバ３との間の光結合効率が高まる。その結果、従来で設けられていた集光部材を省略することが可能となる。

光導出用光ファイバ３として、レーザ光源本体２の出力光がマルチモード伝播する特性を有するものを用いるレーザ光源１では、ＦＢＧ５を光導出用光ファイバ３の光入射端３ａの近傍に配置している。これは次の理由による。ＦＢＧ５とレーザ光源本体２との間の離間間隔が大きくなる（共振器４の共振器長が長くなる）と、光導出用光ファイバ３を伝播させる出力光の偏波状態を維持できなくなってレーザ光源本体２の出力光に対する共振器４の波長ロックが不安定になる。このことを鑑みてレーザ光源１では、光導出用光ファイバ３を伝播するレーザ光源本体２の出力光の偏波状態を十分に維持できる程度まで、共振器４の共振器長を短くしている。具体的には、ＦＢＧ５を可及的に光導出用光ファイバ３の光入射端３ａに近づけて配置している。これにより、レーザ光源本体２の出力光を、その光伝送状態を安定化させた状態で光導出用光ファイバ３に伝播させることができる。

さらには、光導出用光ファイバ３を伝播する出力光の偏波状態を十分に維持できる程度まで、ＦＢＧ５を光導出用光ファイバ３の光入射端３ａの近傍に配置している（共振器４の共振器長を短くしている）ので、光導出用光ファイバ３の調芯精度を高く維持するという条件さえ満たせば、レーザ光源１は次のようになる。

上記条件を満たせば、レーザ光源１は、レーザ光源本体２の出力光がマルチモード伝播する特性を有する光導出用光ファイバ３であっても、出力光をほとんどシングルモード伝播させることが可能となり、光導出用光ファイバ３における光伝送効率が向上する。

本実施形態のレーザ光源１は、レーザ光源本体２の出力光に対する共振器４の波長ロックを安定化させるためにさらに次のような構成を備える。

一般に、レーザ光源本体２として用いられる半導体レーザ６等の出力光では、その基本モード（０次モード）の実効屈折率と高次モード（１次モード,２次モード,…）の実効屈折率とは互いに異なる。そのため、レーザ光源本体２の出力光の基本モード（０次モード）がＦＢＧ５で反射する波長と高次モードがＦＢＧ５で反射する波長とは互いに異なるものとなる。この場合、図２に示されるように、高次モードの反射波長の方が基本モードの反射波長より短くなる。なお、図２や以下に説明する図３〜図５において横軸は波長を示し、縦軸は光強度を示す。これらの図において点線は半導体レーザ６のゲイン特性を示し、実線は共振器４内での反射光の出力特性を示す。

ＦＢＧ５の反射光の光強度に着目した場合、高次モードの反射波長光の光強度は、基本モードの反射波長光より格段に低い。そのため、ＦＢＧ５の高次モードの反射光が共振器４で波長ロックされて共振することはほとんど生じない。

しかしながら、レーザ光源１の構成を詳細に検討する際には、半導体レーザ６を含むレーザ光源が次のような特性を有することに注目する必要がある。半導体レーザ６等のレーザ光源は、図３に示されるように、通常、正の放物線曲線形状のゲイン特性を有する。そのため、レーザ光源はそのゲインピーク波長より短波長側では右上がりのゲイン特性（短波長側になるほどゲインが減少する特性）を発揮し、長波長側では右下がりのゲイン特性（短波長側になるほどゲインが増加する特性）を発揮する。

半導体レーザ６がこのようなゲイン特性を有するため、レーザ光源１には次のような改良がさらに加えられている。半導体レーザ６としてそのゲインピーク波長が共振器４の基本モードにおける反射波長より短波長側となった特性を有するものをレーザ光源１に組み込んだ場合、図４に示されるように、基本モードより高次モードの方が、半導体レーザ６のゲインが高くなる。その結果、共振器４において高次モードが波長ロックして共振してしまう可能性がある。

そこで、本実施形態のレーザ光源１では、半導体レーザ６としてそのゲインピーク波長が共振器４の基本モードにおける反射波長と同じかそれより長波長側となった特性を有するものをレーザ光源１に組み込んでいる。これにより、レーザ光源１では、図５に示されるように、高次モードより基本モードの方が、半導体レーザ６のゲインが高くなる。その結果、共振器４において高次モードが波長ロックして共振してしまう可能性がほとんどなくなり、基本モードだけを選択的に波長ロックさせて共振させることができる。

以上説明した本実施形態のレーザ光源１の実施例として、次の特性を有するものを作製してその特性を測定した。
・半導体レーザ６のゲインピーク波長：９４１ｎｍ
・光導出用光ファイバ３のカットオフ波長：１２００ｎｍ
（半導体レーザ６のゲインピーク波
長９４１ｎｍより長波長）
・ＦＢＧ５の反射波長：９４０ｎｍ
以上の特性を有するレーザ光源１を用いて半導体レーザ６の出力光のうち、波長９４０ｎｍのレーザ光を共振器４により精度高く波長ロックさせて発振させることができた。これは、半導体レーザ６のゲインピーク波長を、共振器４の基本モードにおける反射波長と同じかそれより長波長側にしたことによる効果であると考えられる。

さらには、レーザ光源本体２と光導出用光ファイバ３との間の光結合効率を測定したところ、約６０％の結合効率であった。これは、光導出用光ファイバ３のカットオフ波長を、半導体レーザ６のゲインピーク波長より長波長としたことによる効果であると考えられる。

また、光導出用光ファイバ３の光出射端面において、その出力光のニアフィールドパターンを測定したところ、半導体レーザ６の出力光は、ほぼ横シングルモード伝播状態で光導出用光ファイバ３の光出射端面まで伝播していることが確認できた。

これは、光導出用光ファイバ３を伝播する出力光の偏波状態を十分に維持できる程度まで、共振器４の共振器長を短くしている。具体的には、ＦＢＧ５を可及的に光導出用光ファイバ３の光導入端面３ａの近づけて配置したことによる効果であると考えられる。

本発明の一実施形態のレーザ光源の構成を示す図である。 マルチモード光伝播時におけるＦＢＧの反射特性を示す図である。 典型的な半導体レーザのゲイン特性を示す図である。 本発明の構成におけるＦＢＧと半導体レーザのゲイン特性との不適切な組み合わせを示す図である。 本発明の構成におけるＦＢＧと半導体レーザのゲイン特性との適切な組み合わせを示す図である。

符号の説明

１ レーザ光源 ２ レーザ光源本体 ３ 光導出用光ファイバ
３a 光入射端 ４ 共振器 ５ ＦＢＧ
６ 半導体レーザ ６a 光出射端 ７ バックファセット
８ 出力ファセット ９ ケース １０ フェルール

Claims (7)

1. レーザ光を出力するレーザ光源本体と、
   その光入射端が前記レーザ光源本体の光出射端に対向配置された光導出用光ファイバと、
   前記光導出用光ファイバと前記レーザ光源本体とのそれぞれに光反射器を設け、前記光導出用光ファイバの光反射器による波長フィードバックをかけたうえで、その出力光を前記光導出用光ファイバの内部に向けて出力する共振器と、
   備え、
   前記光導出用光ファイバのカットオフ波長を、前記レーザ光源本体のゲインピーク波長より長波長とする、
   ことを特徴とするレーザ光源。
2. 請求項１に記載のレーザ光源において、
   前記光導出用光ファイバに設けられる前記光反射器は、ファイバブラッググレーティングである、
   ことを特徴とするレーザ光源。
3. 請求項２に記載のレーザ光源において、
   前記ファイバブラッググレーティングを、前記光導出用光ファイバの光入射端の近傍に設ける、
   ことを特徴とするレーザ光源。
4. 請求項３に記載のレーザ光源において、
   前記光導出用光ファイバを伝播する前記レーザ光源本体の出力光の偏波状態を十分に維持できる程度まで、前記ファイバブラッググレーティングを前記光導出用光ファイバの光入射端に近づける、
   ことを特徴とするレーザ光源。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ光源において、
   前記光導出用光ファイバは、そのカットオフ波長が前記レーザ光源本体のゲインピーク波長より長波長となるように、そのコア径が設定されている、
   ことを特徴とするレーザ光源。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載のレーザ光源において、
   前記光導出用光ファイバは、そのカットオフ波長が前記レーザ光源本体のゲインピーク波長より長波長となるように、その開口数ＮＡが設定されている、
   ＮＡ＝√（ｎ_１ ^２−ｎ_２ ^２）
   ｎ_１：光導出用光ファイバのコアの屈折率
   ｎ_２：光導出用光ファイバのクラッドの屈折率
   ことを特徴とするレーザ光源。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載のレーザ光源において、
   前記レーザ光源本体のゲインピーク波長を、前記共振器の基本モードにおける反射波長と同じかそれより長波長側にする、
   ことを特徴とするレーザ光源。
   
   

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