JP2008071798A - レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長選択性および回折効率をともに高めることが可能なレーザ光源装置を提供する。
【解決手段】レーザ光源装置１０Ａは、レーザ光ＬＢを発光するレーザ光源１と、レーザ光源１から出射されたレーザ光ＬＢを平行光とするコリメータレンズ２と、コリメータレンズ２によって平行光にされたレーザ光ＬＢを波長に応じて所定の方向に屈折させるプリズム素子３と、プリズム素子３によって屈折されたレーザ光ＬＢのうち、１次回折光をレーザ光源１の出射口の方向に反射し、０次光を出力光としてレーザ光源１と異なる方向に反射または透過させる回折格子４とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、レーザ光源装置に関し、より特定的には、半導体レーザを含む外部共振器型のレーザ光源装置に関する。

半導体レーザは、光通信、光情報処理などのための光源としてよく使用されている。半導体レーザには、共振器方向に対して周期構造を有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザなどがある。このような周期構造を有する半導体レーザは、レーザダイオード単体のみで、シングルモード発振が可能であるとともに、連続波長掃引が可能である。

上記のような発振線幅が細く波長可変なレーザは、通信分野以外にも有用であり、分光計測用の光源、また、近年では体積型メモリの光源としても注目されている。このようなレーザを利用するレーザ光源装置においても、小型、低コスト化の観点より、半導体レーザの使用が望ましい。

しかしながら、上記のような周期構造を有する半導体レーザは、一般に１．３〜１．６μｍの長波長域のレーザ光を発振する。そのため、０．４〜０．６μｍのより短波長側のレーザ光をシングルモードで発振しかつ波長可変なレーザは、実用的なものがないのが現状である。

上記の現状に対し、半導体レーザと外部共振器とを組み合わせた外部共振器型半導体レーザを利用したレーザ光源装置が提供されている。このようなレーザ光源装置において、外部共振器構造を用いたスペクトル狭窄化およびシングルモード発振は、最も一般的な半導体レーザの波長制御方法として以前から知られている。代表的な外部共振器型半導体レーザとしては、リトロー（Littrow）型およびリットマン（Littman）型の半導体レーザがよく知られている。ここでは、リトロー型の外部共振器型半導体レーザについて、図７を参照して説明する。

図７は、従来のリトロー型の外部共振器型半導体レーザ１００の構成を示した側面図である。図７を参照して、外部共振器型半導体レーザ１００は、半導体レーザ（レーザダイオードとも称する）２０と、コリメートレンズ３０と、回折格子４０と、回転制御装置５０とを備える。回転制御装置５０は、接点５０ｔで回折格子４０と連結されており、接点５０ｔを基点に回折格子４０を回転制御する。

半導体レーザ２０から出射されたマルチの縦モードのレーザ光Ｌｂは、コリメートレンズ３０によって平行光にされ、回折格子４０に入射する。回折格子４０は、レーザ光Ｌｂの縦モードの各モードに対応する１次回折光を発生させる。回折格子４０の配置角度に応じて、特定の１次回折光がコリメートレンズ３０を通って半導体レーザ２０に帰還する。

上記の結果、半導体レーザ２０は、半導体レーザ２０に帰還した１次回折光に共振して単一モードの光を出射するようになる。つまり、単一モードの光の波長は、回折格子４０から帰還した１次回折光の波長と等しくなる。なお、回折格子４０に入射した０次光は、入射角と同じ角度で反射され、外部共振器型半導体レーザ１００の外部に出射される。

半導体レーザ２０に帰還する１次回折光の波長は、回転制御装置５０によって回転制御される回折格子４０の配置角度を変えることによって調整することができる。回折格子４０は、通常では反射型のものが使用され、図７のような従来例では、半導体レーザ２０から出射されるレーザ光Ｌｂに対して約４５度の角度で配置されている。このため、半導体レーザ２０から出射されるレーザ光Ｌｂは、回折格子４０のグレーティングで約９０度向きを変えて反射される。

また、従来の他のレーザ光源装置は、マルチモードのレーザ光を発光するレーザ光源と、レーザ光源により発光されたレーザ光を平行光とする第１の光学素子と、第１の光学素子により平行光とされたレーザ光のうち、０次光をレーザ光源以外の所定の方向に反射し、１次光をレーザ光源側に反射する回折格子と、回折格子を反射した０次光を所定の方向に反射し、かつ、回折格子を反射した０次光の一部を透過する第２の光学素子と、第２の光学素子を透過した光の波長および当該光の強度のうち少なくとも一方を検出する第１の検出手段とを備える（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００６−１１４１８３号公報

外部共振器レーザでは、回折格子の反射回折効率が大きく、かつ波長選択性が鋭いことが要求される。

外部共振器レーザにおいて縦モードの単一化を行なうには、レーザ端面において半導体レーザの活性層領域に入射する光の波長を特定の波長に限定する必要がある。これを実現する条件の１つは、用いる回折格子の波長分散が大きいことである。具体的な手法の一つは、回折格子に形成される溝のピッチを狭くすることである。回折格子の溝ピッチに反比例してレーザ端面での縦モードでの空間的な間隔は広がるので、波長選択性は向上する。

しかしながら、上記のように回折格子の溝ピッチを狭くすることで、溝ピッチが波長の長さに近づき、回折効率の低下が顕著になってくる。この回折効率の低下度合いは、入射光の偏光によって異なるが、通常の外部共振器の構造では回折効率が著しく低下する。すなわち、通常の外部共振器の構造では、レーザから出射する光の偏光方向と回折格子の溝の方向とが平行な配置となるため、レーザに帰還する光量は減少する。

回折格子の回折効率は、ブレーズド回折格子を用いることによって向上させることができる。しかし、ブレーズド回折格子であっても、入射面に垂直な電界を有する偏光の光に対しては一般に回折効率が低く、レーザへの帰還に寄与する実効的な反射率は低くなるという問題がある。このように、ブレーズドグレーティングは偏光依存性が強く、ブレーズド波長での偏光状態によっては、一般に３〜４割程度回折効率が減少する。

上記のように、従来の外部共振器レーザでは、波長選択性を高めようとすると、回折効率が落ちてレーザに帰還する光量が減ってしまうという問題が生ずる。すなわち、従来の外部共振器レーザでは、外部共振器に必要な波長選択性および回折効率という２つの特性を両立させることは困難である。レーザへの帰還に寄与する実効的な反射率が下がることで、外部共振器レーザにおける光の利用効率が低下し、しきい値電流等のレーザ特性が制限されてしまうことになる。

それゆえに、この発明の目的は、波長選択性および回折効率をともに高めることが可能なレーザ光源装置を提供することである。

この発明は、レーザ光を発光するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズと、コリメータレンズによって平行光にされたレーザ光を波長に応じて所定の方向に屈折させるプリズム素子と、プリズム素子によって屈折されたレーザ光のうち、１次回折光をレーザ光源の出射口の方向に反射し、０次光を出力光としてレーザ光源と異なる方向に反射または透過させる回折格子とを備える。

好ましくは、プリズム素子は、コリメータレンズによって平行光にされたレーザ光のビーム径を回折格子の方向へ拡大して出射する整形プリズムである。

好ましくは、回折格子およびプリズム素子の少なくとも一方の配置を空間的に制御してレーザ光源の出射口に帰還する１次回折光の波長を調整することにより、レーザ光源から出射されるレーザ光の出力波長を可変させる空間制御装置をさらに備える。

好ましくは、空間制御装置は、回折格子を回折格子に形成された溝方向と直交する面内で回転させる。

好ましくは、空間制御装置は、プリズム素子を回折格子に形成された溝方向と直交する面内で回転させる。

この発明によれば、波長選択性および回折効率をともに高めることできる。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１によるレーザ光源装置１０Ａの構成を示した側面図である。図１を参照して、実施の形態１のレーザ光源装置１０Ａは、半導体レーザ１と、コリメートレンズ２と、プリズム素子３と、回折格子４と、回転制御装置５とを備える。半導体レーザ１は、マルチモードのレーザ光（たとえば波長４００ｎｍ程度の青紫色のレーザ光）を出射する。回転制御装置５は、接点５ａで回折格子４と連結されており、接点５ａを基点に回折格子４を回転制御する。なお、実施の形態１では、接点５ａを基点としているが、特にこの位置には限られない。レーザ光源装置１０Ａは、リトロー型外部共振器を備えた波長可変のレーザ光源装置である。

半導体レーザ１から出射されたレーザ光ＬＢは、コリメートレンズ２によって平行光にされ、プリズム素子３に入射する。プリズム素子３は、頂角がψの整形プリズムであり、プリズム面３ａ，３ｂを有する。プリズム面３ａから入射した光ビームは屈折し、回折格子４の方向へと導かれる。

ここで、半導体レーザ１から出射され平行光にされたレーザ光ＬＢは、図１を参照して、プリズム素子３のプリズム面３ａに次式を満たす角度θで入射する。ただし、ｎはプリズム素子３の屈折率を示す。

ｓｉｎθ＝ｎ・ｓｉｎψ （１）
式（１）を満たす角度θで入射したレーザ光ＬＢは、回折格子４の方向に偏向され、プリズム素子３のもう一つのプリズム面３ｂに到達する。レーザ光ＬＢは、プリズム面３ｂに対して垂直に入射し、その方向のまま回折格子４に到達する。

図２は、図１のレーザ光源装置１０Ａにおけるプリズム素子３の整形プリズム作用について説明するための図である。図２に示すように、プリズム素子３のプリズム面３ａに入射したレーザ光ＬＢのビームスポットは、入射面内の方向にビーム径が拡大される。このときの入射ビーム径ｈａと出射ビーム径ｈｂとのビーム整形比は、頂角ψおよび入射角θを用いて次式で表わされる。

ｈｂ＝（ｃｏｓψ／ｃｏｓθ）ｈａ （２）
図１に戻って、回折格子４は、プリズム素子３から到達するレーザ光ＬＢを受けて、波長ごとに異なる方向へ１次回折光を発生する。回折格子４は、到達するレーザ光ＬＢのうち、特定波長の１次回折光が半導体レーザ１に戻るように、回転制御装置５によって半導体レーザ１との角度が設定されている。

なお、回転制御装置５は、回折格子４を回転制御しているが、制御方法は回転動作には限られず、半導体レーザ１から出射されるレーザ光ＬＢの出力波長を調整できるよう空間的に制御できる空間制御装置であればよい。また、回折格子４は、反射型のみならず、透過型であってもよい。回折格子４の格子間隔をｄとすると、回折格子４に入射する角度φとレーザ光ＬＢの波長λとの関係は次式のようになる。

２ｄ・ｓｉｎφ＝λ （３）
半導体レーザ１から出射されるレーザ光ＬＢのうち、式（３）で与えられる特定波長λの１次回折光だけが、半導体レーザ１の端面に集光され内部の活性層に帰還する。こうして半導体レーザ１で発振した特定波長λのレーザ光ＬＢは、回折格子４の０次光としてレーザ光源装置１０Ａの外部に出射されて取り出される。

上述したように、回折格子４は、回転制御装置５によって接点５ａを基点に回転制御されている。回転制御装置５による回転角度を変えることによって、半導体レーザ１に帰還するレーザ光ＬＢの波長λを可変することができる。これにより、レーザ光源装置１０Ａで発振するレーザ光ＬＢを波長可変とすることができる。

図３は、リトロー型外部共振器を備えた波長可変のレーザ光源装置１０Ａの動作特性を示した図である。図３において、横軸は半導体レーザ１から出射されるレーザ光ＬＢの波長λ、縦軸は半導体レーザ１のゲインを示す。

図３に示すように、半導体レーザ１は、所定の波長域において、連続的に広いゲインカーブＧＣを有している。また、レーザ光源装置１０Ａでは、所定の周波数間隔で、リトロー型外部共振器による縦モード群ＬＭが発生している。図３において、モードゲインＲＳ１は、回折格子４の波長選択範囲を表わしている。

回折格子４の波長選択性が低い場合には、モードゲインＲＳ１の幅が広くなる。この場合、モードゲインＲＳ１が外部共振器の複数の縦モードを含むことになるため、半導体レーザ１はマルチモードで発振しやすくなる。そこで、半導体レーザ１でシングルモードを得るために、半導体レーザ１の端面に通常設けられる反射防止（ＡＲ：Anti-Reflection）コートを施さない場合がある。これにより、半導体レーザ１の内部共振構造を活用でき、外部共振構造との組合せでさらなる波長選択を行なうことができる。こうして、モードゲインＲＳ２に示すようなシングルモードが得られる。

図１に戻って、回折格子４により入射方向と同じ方向に回折された１次回折光のレーザ光ＬＢは、入射時と同じ経路を通り、半導体レーザ１の端面に集光される。当該帰還時のレーザ光ＬＢは、プリズム素子３を通過後、拡大されていたビーム径ｈｂが元のビーム径ｈａに再び変換される（図２参照）。

図４は、図１の回折格子４に入射するレーザ光ＬＢの１次回折光が入射方向から微小角度Δφ１だけずれた場合を示した図である。図４に示すように、回折格子４に入射するレーザ光ＬＢのうち、入射方向から微小角度Δφ１だけずれた１次回折光のレーザ光ＬＢｚは、プリズム素子３の通過後に角度ずれがΔφ１からΔφ２に変化する。この角度ずれΔφ１，Δφ２の関係は次式で表わされる。

Δφ２＝（ｃｏｓψ／ｃｏｓθ）Δφ１ （４）
つまり、式（４）で決まるプリズム素子３の整形比だけ、回折格子４の１次回折光の入射方向に対する角度ずれが拡大する。このため、微小角度Δφ１だけずれて回折される波長のレーザ光ＬＢｚは、実質的にはプリズム素子３によって整形比倍だけ拡大された微小角度Δφ２のずれで回折格子４から回折されたものとみなせる。よって、微小角度Δφ１だけずれて回折される波長のレーザ光ＬＢｚは、コリメートレンズ２によって半導体レーザ１の端面に集光されるが、端面での集光点も本来プリズム素子３のない場合の位置よりも出射光位置から離れた位置となる。

上記により、実施の形態１のレーザ光源装置１０Ａでは、半導体レーザ１の活性層に入射するレーザ光ＬＢの波長をより選択することができる。これは、図３において、回折格子４のモードゲインＲＳ１の幅が縮小することを意味している。これにより、モードゲインＲＳ１がモードゲインＲＳ２のようになって外部共振器のモード数を減らすことができ、安定したシングルモードを実現しやすくなる。

以上のように、実施の形態１のレーザ光源装置１０Ａでは、プリズム素子３を用いることによって波長分散の効果が得られる。このため、レーザ光源装置１０Ａにおいて回折効率を確保するために回折格子４の溝本数を少なくした場合でも、有効な波長選択特性が得られる。回折格子４の回折効率を高めたことにより、回折格子４の実効的な反射率も増大する。これにより、半導体レーザ１の発振しきい値電流が低減して高効率となり、モードゲインの波長選択範囲も広くすることができる。

もちろん、レーザ光源装置１０Ａの使用用途、半導体レーザ１の特性などによっては、半導体レーザ１に帰還する光量、すなわち回折格子４の回折効率が低くてもよい。つまり、波長選択性のみを考えて溝ピッチの狭い回折格子４を用いる場合には、図３において、回折格子４のモードゲインＲＳ１の幅を非常に狭くでき、モードゲインＲＳ２の幅に近づけることができる。この場合、シングルモードにするため半導体レーザ１の端面でＡＲコートをせずにモード選択するなどの処置が不要となる。

半導体レーザ１の端面の反射率が高い場合、回折格子４を回転制御装置５によって回転駆動させる際に外部共振器の長さが変化すると、半導体レーザ１の発振が不安定になるという問題がある。しかし、半導体レーザ１の端面の反射率を極力小さくすることで、このような問題を回避することができる。

以上のように、実施の形態１のレーザ光源装置は、マルチモードのレーザ光を発光するレーザ光源と、レーザ光源から出射されたレーザ光を平行光とするコリメータレンズと、コリメータレンズにより平行光にされたレーザ光のうち、１次回折光をレーザ光源の方向に反射し、０次光をレーザ光源以外の方向に反射または透過させる回折格子と、コリメータレンズと回折格子との間に配置されたプリズム素子とを備える。

レーザ光源装置を上記の構成とすることにより、プリズム素子によって波長分散の効果が得られる。そのため、回折効率を確保するために回折格子の溝本数を少なくした場合でも有効な波長選択特性が得られる。また、回折効率を高めたレーザ光源装置の構成を採用できるので、回折格子の実効的な反射率も増大する。ゆえに、半導体レーザの発振しきい値電流が低減されて高効率となり、波長選択範囲も広くすることができる。

また、実施の形態１のレーザ光源装置において、プリズム素子は、レーザ光源から出射されて平行光にされたレーザ光のビーム径を回折格子の方向へ拡大して出射する整形プリズムであることを特徴とする。

また、実施の形態１のレーザ光源装置において、回折格子の配置を空間的に制御して出力波長を可変させる回転制御装置をさらに備える。この回転制御装置は、回折格子を回折格子の溝方向と直交する面内で回転させることを特徴とする。回折格子を回転させることによって、波長可変のレーザ光源装置を得ることができる。

［実施の形態２］
図５は、この発明の実施の形態２によるレーザ光源装置１０Ｂの構成を示した側面図である。図５を参照して、実施の形態２のレーザ光源装置１０Ｂは、回転制御装置５が接点５ｂでプリズム素子３と連結されており、接点５ｂを基点にプリズム素子３を回折格子４の溝方向と直交する面内で回転制御する点で、実施の形態１のレーザ光源装置１０Ａと異なる。したがって、実施の形態１と重複する部分の説明は、ここでは繰り返さない。

なお、回転制御装置５は、プリズム素子３を回転制御しているが、制御方法は回転動作には限られず、半導体レーザ１から出射されるレーザ光ＬＢの出力波長を調整できるよう空間的に制御できる空間制御装置であればよい。また、実施の形態２では、接点５ｂを基点としているが、特にこの位置には限られない。

図６は、図５のプリズム素子３を回折格子４の溝方向と直交する面内に微小角度ΔＲだけ回転させた場合を示した図である。図６を参照して、プリズム素子３は、破線の状態が図５の配置に対応する初期状態の位置で、実線の状態が回転制御装置５によって微小角度ΔＲだけ回転させたときの位置である。

図５，６を参照して、半導体レーザ１から出射されたレーザ光ＬＢは、コリメートレンズ２によって平行光にされ、プリズム素子３に角度θｚ＝θ＋ΔＲの角度で入射する。プリズム素子３に入射したレーザ光ＬＢは、プリズム素子３の頂角ψとは異なる角度ψｚで屈折する。屈折したレーザ光ＬＢは、プリズム素子３の初期状態の位置からΔηの角度だけ異なる角度で回折格子４に入射する。この微小角度Δη（Δη＜Δθ）は、次式で表わされる。

Δη＝（１−ｃｏｓθ／ｃｏｓψ）Δθ （５）
回折格子４に入射するレーザ光ＬＢの角度がΔηだけ変化した場合には、回折格子４によって回折される光のうち、往路と同じ経路をたどる波長の光、すなわち、半導体レーザ１の活性層へと最も損失なく帰還する光の波長はΔλだけ変化する。この波長変化Δλは次式で表わされる。

Δλ＝２ｄ・Δθ（ｃｏｓθ／ｃｏｓψ）ｃｏｓφ （６）
上記のように、回折格子４を回転させなくても、プリズム素子３を回転制御装置５で回転させることによって、波長可変のレーザ光源装置１０Ｂを構成することができる。これにより、実施の形態１，２と合わせてレーザ光源装置の構成の幅が広がる。なお、プリズム素子３を回転させた場合にも、実施の形態１で説明した波長選択特性の効果はそのまま維持される。

また、式（５）から分かるように、実施の形態２のレーザ光源装置１０Ｂの場合、回折格子４に入射するレーザ光ＬＢの入射角度をプリズム素子３の回転角度よりも小さくすることができる。そのため、プリズム素子３を回転制御する回転制御装置５の最小角度ステップに対応する波長は、実施の形態１で回折格子４を回転させる場合に得られる波長変化量よりも小さくなる。よって、より細かい波長変化の制御が可能となる。

以上のように、実施の形態２のレーザ光源装置は、実施の形態１の構成に加えて、プリズム素子の配置を空間的に制御して出力波長を可変させる回転制御装置をさらに備える。この回転制御装置は、プリズム素子を回折格子に形成された溝方向と直交する面内で回転させることを特徴とする。プリズム素子を回転させることによって、波長可変のレーザ光源装置を得ることができる。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の実施の形態１によるレーザ光源装置１０Ａの構成を示した側面図である。 図１のレーザ光源装置１０Ａにおけるプリズム素子３の整形プリズム作用について説明するための図である。 リトロー型外部共振器を備えた波長可変のレーザ光源装置１０Ａの動作特性を示した図である。 図１の回折格子４に入射するレーザ光ＬＢの１次回折光が入射方向から微小角度Δφ１だけずれた場合を示した図である。 この発明の実施の形態２によるレーザ光源装置１０Ｂの構成を示した側面図である。 図５のプリズム素子３を回折格子４の溝方向と直交する面内に微小角度ΔＲだけ回転させた場合を示した図である。 従来のリトロー型の外部共振器型半導体レーザ１００の構成を示した側面図である。

符号の説明

１，２０ 半導体レーザ、２，３０ コリメートレンズ、３ プリズム素子、３ａ，３ｂ プリズム面、４，４０ 回折格子、５，５０ 回転制御装置、５ａ，５ｂ 接点、１０Ａ，１０Ｂ レーザ光源装置、１００ 外部共振器型半導体レーザ。

Claims (5)

1. レーザ光を発光するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された前記レーザ光を平行光とするコリメータレンズと、
   前記コリメータレンズによって平行光にされた前記レーザ光を波長に応じて所定の方向に屈折させるプリズム素子と、
   前記プリズム素子によって屈折された前記レーザ光のうち、１次回折光を前記レーザ光源の出射口の方向に反射し、０次光を出力光として前記レーザ光源と異なる方向に反射または透過させる回折格子とを備える、レーザ光源装置。
2. 前記プリズム素子は、前記コリメータレンズによって平行光にされた前記レーザ光のビーム径を前記回折格子の方向へ拡大して出射する整形プリズムである、請求項１に記載のレーザ光源装置。
3. 前記回折格子および前記プリズム素子の少なくとも一方の配置を空間的に制御して前記レーザ光源の出射口に帰還する前記１次回折光の波長を調整することにより、前記レーザ光源から出射される前記レーザ光の出力波長を可変させる空間制御装置をさらに備える、請求項１に記載のレーザ光源装置。
4. 前記空間制御装置は、前記回折格子を前記回折格子に形成された溝方向と直交する面内で回転させる、請求項３に記載のレーザ光源装置。
5. 前記空間制御装置は、前記プリズム素子を前記回折格子に形成された溝方向と直交する面内で回転させる、請求項３に記載のレーザ光源装置。

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