JP2010054621A - 波長変換光源 - Google Patents

Abstract

【課題】複合共振を抑え、使用環境温度に対して、変換波長が線形に変化し、変換波長の制御を精度よく行う。
【解決手段】第１のレーザ光を発生する第１のレーザと、第２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、前記第１のレーザは、第１の半導体レーザチップと、該第１の半導体レーザチップの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、前記第１の半導体レーザチップは、前記ファイバグレーティングと対向する端面に反射防止膜を有し、前記第１のレーザ光の光軸が前記反射防止膜の垂線に対して傾きを有している。
【選択図】図２０

Description

本発明は、ガス計測に用いる波長変換光源に関し、より詳細には、単一な狭スペクトル線幅を有するレーザ光を出力する波長変換光源に関する。

近年、環境問題が大きくクローズアップされ環境ガスの計測が重要となっている。環境ガスの多くは、波長２μｍ以上の中赤外域に基本振動またはその低次の倍音の吸収線を有している。従って、中赤外域において高出力のコヒーレント光を発生する中赤外光光源の需要が高まっている。このような光源として、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子等の利用が知られている（例えば、特許文献１参照）。

図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換モジュールの構成を示す。波長変換モジュール１０は、波長λ_Aの励起光Ａを出力する半導体レーザチップ１１と、波長λ_Bの信号光Ｂを出力する半導体レーザチップ１２と、励起光Ａと信号光Ｂとを合波して出力する光カプラ１４と、合波された励起光Ａと信号光Ｂとを入力し、波長λ_Cの変換光Ｃを出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子１５とから構成されている。半導体レーザチップ１１，１２には、それぞれ駆動回路１１ａ，１２ａと温度制御回路１１ｂ，１２ｂとが接続されている。さらに、半導体レーザチップ１１と光カプラとの間には、ファイバグレーティング１３が挿入されている。後述するように、半導体レーザモジュール２１は、半導体レーザチップ１１、駆動回路１１ａ、温度制御回路１１ｂおよびファイバグレーティング１３を含み、半導体レーザモジュール２２は、半導体レーザチップ１２、駆動回路１２ａおよび温度制御回路１２ｂを含む。

変換光Ｃの強度は、励起光Ａと信号光Ｂの強度の積に比例するので、励起光Ａを一定強度にしておけば、信号光Ｂから変換光Ｃへ波長のみを変換することができる。例えば、λ_A＝９７６ｎｍ、λ_B＝１３０７ｎｍのとき、和周波としてλ_C＝５５９ｎｍが得られる。また、λ_A＝１０６４ｎｍ、λ_B＝１５６７ｎｍのとき、差周波としてλ_C＝３３１０ｎｍが得られる。従って、特定の波長を得るためには、励起光Ａと信号光Ｂの波長を厳密に制御する必要がある。

また、図２に、差周波発生により３．３１μｍ帯の中赤外光を得るために、波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す。波長変換素子の位相整合帯域は、非常に狭いために、変換光を安定して出力させるためには、単一モードで発振する半導体レーザであることが望ましい。

１．５５μｍ、１．３１μｍの波長は、光通信の分野で使われている長波長帯であり、半導体レーザチップとして、回折格子を内蔵し、単一波長で発振するＤＦＢレーザダイオードを用いることができる。一方、０．９４μｍ、０．９８μｍ、１．０３μｍ、１．０６μｍ、０．７７μｍ帯などの短波長帯の波長は、ＤＦＢレーザダイオードを作製するのは大変難しくかつ需要も少ないので高コストになり、半導体レーザチップとして通常多モード発振のレーザダイオードを用いている。そこで、特定の波長のみを一部反射するファイバグレーティング（ＦＢＧ）を、半導体レーザチップの出力に接続し、出力光の一部を半導体レーザチップに再注入ことにより、発振波長をグレーティング波長で発振するように制御している。

環境ガス計測に用いるガス計測装置は、シャープでかつ隣接して表れるガスの吸収スペクトルを分析する必要がある。例えば、ガスの圧力によって変動する吸収スペクトル幅（以下、圧力幅という）を直接観測する場合、中赤外光光源は、半値幅０．８ｐｍ（２５０ＭＨｚ）程度の擬似単一モードのスペクトル線幅を有していればよい。

図３に、従来の半導体レーザモジュールの構成を示す。半導体レーザモジュール２１は、半導体レーザチップ３１と、ＦＢＧ３５が形成された偏波保持ファイバ３６とから構成されている。半導体レーザチップ３１からの出射光は、レンズ３２，３３を介して、フェルール３４に内包された偏波保持ファイバ３６に結合される。半導体レーザチップ３１は、ペルチェ素子３７により一定の温度に保たれている。

半導体レーザチップ３１は、１０６４ｎｍ帯のレーザ光を出射する。素子長は１２００μｍであり、共振波長間隔は１２４ｐｍである。半導体レーザチップ３１の端面反射率は、偏波保持ファイバ３６と対向する端面の反射率をＲｆ＝０．１％とし、これに対向する端面の反射率をＲｂ＝９０％とする。ＦＢＧ３５は、フェルール３４とともに筐体内に設置されており、半導体レーザチップ３１とＦＢＧ３５との間隔は２ｃｍである。ＦＢＧ３５の反射帯域は６０ｐｍ、反射率は２０％であり、半導体レーザチップ３１の素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有する。これにより、半導体レーザチップ３１の両端面間の反射によって規定される共振モードを１本だけ選択して、単一モードでの発振が可能となる。

図４に、従来の半導体レーザモジュールの出力スペクトルを示す。分解能１０ｐｍの光スペクトラムアナライザで評価すると、図４に示すように、中心波長λ＝１０６４ｎｍで半値幅約１０ｐｍの単一なスペクトルとして測定される。

図５に、出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す。半値幅約６４ＭＨｚ（０．２４ｐｍ）の完全な単一モードのスペクトルとなっていることが電気的にも光学的にも観測できる。ファブリ・ペロー・エタロン（ＦＳＲ＝８ＧＨｚ、フィネス＝３５９）の分解能は、約２３ＭＨｚとほぼ同程度のオーダであることから、実際の線幅はさらに狭いことも考えられる。

図６に、従来のガス計測装置の構成を示す。図３に示した半導体レーザモジュール２１を用いたガス計測装置５０の構成を示す。第２のレーザに相当する半導体レーザチップ１２は、ＤＦＢレーザであり、波長を掃引することができる。第１のレーザに相当する半導体レーザモジュール２１は、半導体レーザチップ１１とＦＢＧ１３とを組み合わせた構成となっている。非線形光学結晶からなる波長変換素子１５の素子長は５０ｍｍ、反転周期は２８．４μｍ、変換効率は４０％／Ｗである。

波長変換素子１５から出射された変換光Ｃである中赤外光は、レンズ１６でコリメート化され、励起光Ａと信号光Ｂとをカットするフィルタ５１を透過後、２つのパスに分岐される。一方のビームは、ガスの封入されていないレファレンスセル５２を透過後に、受光器５３で透過光強度が測定される。他方のビームは、メタンガス（９Ｔｏｒｒ、２０ｃｍ）の封入されたガスセル５４を透過後に、受光器５５で透過光強度が測定される。２つの受光器５３，５５の測定結果は、演算装置で規格化演算される。なお、受光器５３，５５として、ＰｂＳｅ光導電素子を用いる。測定感度を向上するため、チョッパー５６とロックインアンプ５７とを組み合わせたロックイン検波を行なっている。

図７に、従来のガス計測装置５０によって得られたメタンガスの吸収線スペクトルを示す。半導体レーザ１２の発振波長を温度により掃引することで、波長を１ｐｍ刻みで１ｎｍ掃引する。２０ｐｍ以下のスペクトル構造を、はっきりと分離して観測することができている。

特開２００３−１４０２１４号公報 A. Ferrari, et al., "Subkilohertz Fluctuations and Mode Hopping in High-Power Grating-Stabilized 980-nm Pumps," IEEE J. of Lightwave Tech., Vol.20, pp.515-518, 2002/3. M. Achtenhagen., et al., "L-1 characteristics of fiber Bragg grating stabilized 980-nm pump lasers," IEEE J. Photonic Tech. Lett., vol.13, pp.415-417, 2001.

励起用の半導体レーザモジュール２１の発振モードは、半導体レーザチップ３１とＦＢＧ３５との間の距離で決まり、距離２ｃｍのときモード間隔は３０ｐｍとなる。このモード間隔は、ＦＢＧ３５の反射帯域６０ｐｍより狭いため、２〜３本のモードが選択される可能性がある。ＦＧＢ３５を半導体レーザチップ３１に近接して実装できれば、１本のモードのみを選択することができる。このとき、半導体レーザチップ３１とＦＢＧ３５とを安定的に光学結合するためには、作製トレランスを考慮してレンズを用いることが望ましい。

図８に、従来の半導体レーザチップの上面図を示す。半導体レーザチップ３１は、直線リッジ導波路７１と、ＦＢＧと対向する端面に形成された反射防止膜７３と、これに対向する端面に形成された高反射膜７２とを有している。上述した複数のモードが、半導体レーザチップ３１の両端面間による共振モードと一致した条件で発振しやすくなる（発振閾値が低くなる）。そこで、半導体レーザチップ３１の反射防止膜７３の反射率を、例えば０．１％と十分に低めておくことで、実質的に単一モードで発振させることができると考えられていた。

ガス計測装置を使用する環境温度が変更した場合であっても、中赤外光波長が安定に一定波長を出射し、連続に波長可変できることが望ましい。第２のレーザからの信号光Ｂの波長は、半導体レーザチップ１２の温度制御回路１２ｂにより温度を一定にして動作させておけば、外気温に対しほとんど変化しないことがわかった。一方、ＦＢＧ３５を介した第１のレーザからの励起光Ａの波長は、半導体レーザチップ１１の温度制御回路１１ｂにより温度調整、すなわちペルチェ素子３７により半導体レーザチップ３１の温度調整を行い、温度を一定にして動作させておいても、半導体レーザモジュール２１の温度変化により発振波長が変化する。

図９に、従来の半導体レーザチップにおける発振波長の環境温度依存性を示す。半導体レーザモジュール２１の筐体温度を変化させることにより、波長を約１０ｐｍ／℃の割合で変化させることができる。しかしながら、波長変化は、線形に変化していないために制御性に欠いている。

励起光を発生する半導体レーザモジュール２１の発振波長をλ₁＝１０６４ｎｍ、信号光を発生する半導体レーザモジュール２２の発振波長をλ₂＝１５６７ｎｍとすると、変換光の波長λ₃は、

で与えられ、λ₃＝３３１４ｎｍとなる。使用する環境温度の変化による励起光波長シフトをΔλ₁とすると、変換光である中赤外光の波長λ₃のシフトΔλ₃が生じる。式１から変換光の波長シフトΔλ₃は、

で与えられる。Δλ₁＝１０ｐｍとすればΔλ₃＝−９７ｐｍと見積もられる。変換光の波長は、約−９７ｐｍ／℃（約２．６ＧＨｚ／℃）で変化するが、線形かつ連続的な変化でない。従って、連続して波長可変動作を行うためには、個別に温度と波長に関する測定を行って、データマッピングを行う必要があるため、煩雑でコストアップとなってしまうという問題があった。

図１０に、半導体レーザモジュール２１の筐体の温度を一定に制御し、半導体レーザチップ３１の温度をペルチェ素子３７で変化させる。このとき、光出力強度が０．２ｍＷとなる場合の波長λ_C（×印）と電流値Ｉ_C（○印）の関係を示す。これは、擬似的にＦＢＧから半導体レーザチップ３１への反射量と位相を変化させることに対応しており、半導体レーザチップ３１の特性の変化を調べることにより温度制御によって動作が安定するかをみていることになる。チップ温度の変化に対して、波長λ_Cと電流値Ｉ_Cのどちらも周期的に変動するため、半導体レーザモジュール２１からの出力波長を一定にするには、筐体の温度だけでなく、チップ温度も考慮して設定する必要がある。このため、設定条件が複雑となり、測定ガスの吸収ピーク波長に対して、中赤外光の波長を一定にまたは連続して可変することが複雑となるという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、複合共振を抑え、使用環境温度に対して、変換波長が線形に変化する波長変換光源を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、第１のレーザ光を発生する第１のレーザと、第２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、前記第１のレーザは、第１の半導体レーザチップと、該第１の半導体レーザチップの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、前記第１の半導体レーザチップは、前記ファイバグレーティングと対向する端面に反射防止膜を有し、前記第１のレーザ光の光軸が前記反射防止膜の垂線に対して傾きを有していることを特徴とする。

前記反射防止膜の垂線に対する傾きは、好ましくは５°〜１５°である。前記ファイバグレーティングの反射帯域は、好ましくは、前記第１の半導体レーザチップと前記ファイバグレーティングとの間の距離で決まる共振波長間隔の２倍以上である。前記ファイバグレーティングの反射率は、好ましくは、５％〜５０％であり、かつ、前記ファイバグレーティングの長さは、２ｍｍ以上１ｃｍ以下である。前記第１の半導体レーザチップと前記ファイバグレーティングとの距離は、好ましくは２ｃｍ以下であり、前記ファイバグレーティングの帯域が１００ｐｐｍ以下である。

前記第１のレーザは、好ましくは、前記第１の半導体レーザチップの温度を可変する温度制御回路を備える。さらに、波長変換光源は、好ましくは、前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を入力する光結合器と前記第１の半導体レーザチップとを接続する偏波保持ファイバと、該偏波保持ファイバのファイバ芯線を内挿するフェルールを備え、前記偏波保持ファイバは、前記第１の半導体レーザチップと対向する端面を含む前記ファイバ芯線の先端部に前記ファイバグレーティングが形成され、前記フェルールは、前記第１の半導体レーザチップを内蔵する半導体レーザモジュールの筐体に固定され、前記ファイバグレーティングが形成された先端部を内挿する。

波長変換光源は、一実施形態においては、前記第１のレーザ光の波長λ_Aが９３０ｎｍ〜１１３０ｎｍであり、前記第２のレーザ光の波長λ_Bが１２００ｎｍ〜１７００ｎｍである。

以上述べたように、本発明の波長可変光源によれば、複合共振を抑え、使用環境温度に対して、変換波長が線形に変化し、変換波長の制御を精度よく行うことができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
半導体レーザモジュール２１の発振メカニズムを、図３を参照して説明する。半導体レーザモジュール２１は、半導体レーザチップ３１の両端面間で起こる光の共振（図中の矢印ａ）と、半導体レーザチップ３１とＦＢＧ３５との間で起こる光の共振（図中の矢印ｂ）とを含む複合共振器となっている。半導体レーザチップ３１とＦＢＧ３５との間で起こる光の共振は、上述したように両者の間隔で決まり、間隔２ｃｍのときモード間隔は３０ｐｍとなる。このモード間隔は、ＦＢＧ３５の反射帯域６０ｐｍより狭いため、２〜３本のモードが選択される可能性がある。選択されたモードは、半導体レーザチップ３１の両端面間で起こる光の共振と一致した条件により発振しやすくなる（発振閾値が低くなる）。

ここで、ＦＢＧの帯域Ｗ_Fと半導体レーザチップとＦＢＧとの間隔で決まる共振波長間隔Ｗ_Cとの関係を説明する。図１１は、ＦＢＧの帯域内に半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードが１つ入る場合を示している。このような関係で用いることができれば、半導体レーザモジュールは、安定に単一波長で発振することができる。しかし、実用的にはレンズ結合を用いることにより、光学的に安定でかつ作製歩留りの高い方法を用いようとするとＷ_Cが長くなるので、図１１に示した関係を満足することが難しい。

図１２は、ＦＢＧの帯域内に半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードが２つ入る場合を示している。Ｗ_Cが長くなり、Ｗ_F内に半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードが３つ入る（Ｗ_F／Ｗ_C＝２）。この場合には、中央にあるモードｍ２が選択的に発振するが、半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードの位置がわずかでもずれると、モードｍ２とモードｍ１またはｍ３の２つのモードが発振する。

図１３は、ＦＢＧの帯域内に半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードが３つ入る場合を示している。さらに、Ｗ_Cが長くなり、Ｗ_F内に半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードが４つ入る（Ｗ_F／Ｗ_C＝３）。この場合には、中央にあるモードｍ２およびｍ３は同一条件となり、少なくとも単一で発振することは難しい。

図１４に、従来の半導体レーザモジュールにおける閾値利得の位相依存性を示す。複合共振器として３つの反射点を有する半導体レーザであり、半導体レーザチップの両端面間で起こる光の共振と、半導体レーザチップとＦＢＧとの間で起こる光の共振との位相差に対する閾値利得を表している。ここでは、非特許文献２に記載された式

を用いて実効的な反射率Ｒ_effを求め、下式により閾値利得ｇ_thを求めた。

ここで、半導体レーザチップ３１の端面反射率Ｒｆ＝０．１％（反射防止膜）、Ｒｂ＝９０％（高反射膜）、ＦＢＧ３５の反射率２０％としている。Ｒ_extは、ＦＢＧの波長依存性を考慮しない場合の反射率であり、φは位相、Ｌ_cは半導体レーザチップ３１の高反射膜とＦＢＧ３５との間の距離である。横軸は位相量、縦軸は発振の起こりやすさ（閾値利得の変化）を示し、位相差に対して閾値利得が周期的に変化することが示されている。閾値利得はキャリア密度に比例し、キャリア密度の変化が屈折率変化に比例することが知られている。すなわち閾値利得の変化によって、屈折率が変動し、その発振波長を変えてしまうので、図１０に示した周期的変動の原因になっていることがわかる。そこで、本発明においては、半導体レーザチップ３１の両端面間で起こる光の共振を抑制して、閾値利得の変化を生じさせないようにする。

図１５に、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す。半導体レーザモジュール８０は、半導体レーザチップ８１が収容された筐体９１と、ＦＢＧ８５が形成された偏波保持ファイバ８６を収容する筐体９２とから構成されている。半導体レーザチップ８１からの出射光は、レンズ８２，８３を介して、フェルール８４に内包された偏波保持ファイバ８６に結合される。半導体レーザチップ８１は、駆動回路８１ａ（図示しない）により駆動され、温度制御回路８１ｂであるペルチェ素子により一定の温度に保たれている。

偏波保持ファイバには、半導体レーザチップ８１と対向する端面を含む先端部分にＦＢＧ８５が形成されている。ＦＢＧ８５を内挿するフェルール８４は、金属製の筐体９２に納められ、筐体９１に固定されている。このような構成により、環境温度の変化に対しても、追従性がよくＦＢＧ８５が効果的に温調されるため、半導体レーザモジュール８０の筐体温度を変化させることにより、波長を制御することができる。

半導体レーザチップ８１は、１０６４ｎｍ帯のレーザ光を出射する。素子長は１２００μｍであり、共振波長間隔は１２４ｐｍである。半導体レーザチップ８１とＦＢＧ８５との間の距離は２ｃｍであり、モード間隔は３０ｐｍである。ＦＢＧ８５の反射帯域は６０ｐｍ、反射率は２０％である。ここで、半導体レーザチップ８１の端面反射率Ｒｂ＝９０％とし、端面反射率Ｒｆを下げることにより、半導体レーザチップ８１の両端面間で起こる光の共振を抑制する。

図１６に、半導体レーザチップ８１の端面反射率Ｒｆ＝０．１％〜０．０００１％の場合における閾値利得の位相依存性を示す。端面反射率Ｒｆを０．１％から０．０００１％まで低減していくにつれ、光の共振が抑制されていることがわかる。

図１７に、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザチップの上面図を示す。半導体レーザチップ８１は、直線リッジ導波路１０１と、ＦＢＧと対向する端面に形成された反射防止膜１０３と、これに対向する端面に形成された高反射膜１０２とを有している。反射防止膜１０３の反射率Ｒｆを低減するために、本実施形態では、直線リッジ導波路１０１の光軸と、反射防止膜１０３の垂線とが、７度の傾斜を有するように作製した（図中のｃの角度）。端面反射率Ｒｆが０．０１％以下とするには、ｃの角度を５〜１５°とするとよい。より好ましくは、ｃの角度を６〜１０°とするとよい。

図１８に、半導体レーザモジュール８０の筐体の温度を一定に制御し、半導体レーザチップ８１の温度をペルチェ素子で変化させる。このとき、光出力強度が０．２ｍＷとなる場合の波長λ_C（×印）と電流値Ｉ_C（○印）の関係を示す。図１０の結果と比較すると、電流値の周期的な変動が抑制されていることがわかる。また、波長λ_Cの変動は、鋸歯状の振舞をすることがわかる。

この現象は、半導体レーザチップ８１の温度上昇に伴う屈折率の変動が発振波長を線形に変化させ、ＦＢＧ８５の帯域を外れると元に戻り、再び線形に変化する挙動を繰り返すからである。すなわち、モード跳びが起こるまでの間は、安定に単一波長で発振することがわかる。このことから、複合共振器を構成する半導体レーザモジュール８０においては、一方の共振による温度変動が支配的になるようにして、上述した複合共振による影響を回避することが可能となる。すなわち、ＦＢＧ８５から半導体レーザチップ８１への反射量と位相が変化しても、半導体レーザチップ８１の特性変化が小さいことから、擾乱によっても動作が安定であることを示している。

図１９に、本発明の一実施形態にかかる半導体レーザチップにおける発振波長の環境温度依存性を示す。半導体レーザチップ８１の温度をペルチェ素子で一定にし、半導体レーザモジュール８０の筐体温度を変化させると、波長は約８ｐｍ／℃の割合で線形に変化する。従って、環境温度により容易に発振波長を制御することができる。これにより、半導体レーザモジュール８０の筐体の温調機能を用いて、励起光の波長を単一モードで連続的に可変することができ、変換波長を線形に精度よく可変することができる。図６に示したガス計測装置に、半導体レーザモジュール８０を用いて、励起光の波長を変化させることにより、図７と同様に、中赤外光の波長スキャニングを連続的にかつ広範に行うことができる。

図２０に、本発明の一実施形態にかかる擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換モジュールの構成を示す。波長変換モジュール１００は、波長λ_Aの励起光Ａ（第１のレーザ光）を出力する半導体レーザモジュール８０と、波長λ_Bの信号光Ｂ（第２のレーザ光）を出力する半導体レーザモジュール２２と、励起光Ａと信号光Ｂとを合波して出力する光カプラ１４と、合波された励起光Ａと信号光Ｂとを入力し、波長λ_Cの変換光Ｃを出力する非線形光学結晶からなる波長変換素子１５とから構成されている。

半導体レーザモジュール８０は、図１５に示したように、図１７に示した半導体レーザチップ８１、駆動回路８１ａ、温度制御回路８１ｂおよびファイバグレーティング８５を含み、半導体レーザモジュール２２は、半導体レーザチップ１２、駆動回路１２ａおよび温度制御回路１２ｂを含む。

図１５に示した半導体レーザモジュールにおいて、レーザダイオード８１の端面反射率Ｒｆ＝０．１％とし、ＦＢＧ８５は、長さ６ｍｍ、反射帯域６５ｐｍ、反射率２５％とする。このとき、Ｗ_F／Ｗ_C＝２．１７となり、図１１に示した関係を満足する。半導体レーザモジュール８０の筐体温度を変化させると、図１９に示した特性と同様に、単一モードで発振し、線形に波長変化させることができる。

図１５に示した半導体レーザモジュールにおいて、長さ４ｍｍ、反射帯域９０ｐｍ、反射率１０％のＦＢＧ８５を用いた。このとき、Ｗ_F／Ｗ_C＝３である。図１３に示したように、従来の半導体レーザチップ（図８）を用いた場合には、単一モードで発振することは難しい。しかしながら、本実施形態にかかる半導体レーザチップ（図１７）を用いると、単一モードで発振し、モジュール８０の筐体温度を変化させると、図１９に示した特性と同様に、線形に波長変化させることができる。

これは、半導体レーザチップの反射防止膜の端面反射率Ｒｆが十分に小さいこと、半導体レーザチップの利得帯域にわずかな波長依存性があることから、単一モードで発振していると考えられる。

図１５に示した半導体レーザモジュールにおいて、ＦＢＧ８５として、長さ６ｍｍ、反射帯域７０ｐｍ、反射率４０％のＦＢＧ８５を用いた。このとき、Ｗ_F／Ｗ_C＝２．３３である。半導体レーザモジュール８０の筐体温度を変化させると、図１９に示した特性と同様に、単一モードで発振し、線形に波長変化させることができる。

ここで、ＦＢＧ８５の反射率５０％とすると、図２０に示したように、レーザダイオード８１の電流−光出力特性において、モード飛び時に生じるキンク特性が非常に大きくなるため、ＦＢＧの反射率を高くすることができない。また、ＦＢＧ８５の反射率５％以下とすると、反射率が低すぎてキャビティとして機能しない。従って、ＦＢＧ８５の長さは２ｍｍ以上であって１ｃｍ以下であれば反射率が５％〜５０％となり、単一モードで線形に波長を可変することができる。より好ましくは、ＦＢＧ８５の反射率が１０％〜３０％となるように、長さを３ｍｍ〜１ｃｍ以下とする。

一方、半導体レーザチップとＦＢＧとをコンパクトに集積化した半導体レーザモジュールとするためには、筐体として一般的に用いられている１４ピンバタフライモジュール内に実装することが望ましい。このとき、筐体の大きさの制約から、半導体レーザチップとＦＢＧとの距離は２ｃｍ以下でなければならない。

図６に示したガス計測装置においてはメタンガスの検出を例にしたが、同様にエチレン、エタン、ホルムアルデヒドなどの炭素化合物ガスの吸収線を測定することもできる。そこで、図１５に示した半導体レーザモジュールを第１のレーザとし、波長λ₁＝１０６５±２５ｎｍとし、第２のレーザの波長λ₂＝１５６５±３５ｎｍとすることにより、これらのガスの吸収線スペクトルを観測することができる。

また、半導体レーザモジュールの波長の組合せを変えて、波長λ_A＝９３０ｎｍ〜１１３０ｎｍに、波長λ_B＝１２００ｎｍ〜１７００ｎｍとし、図１に示した波長変換モジュールの波長変換素子１５として、例えば、ニオブ酸リチウムを用いる。このとき、ニオブ酸リチウムの透明領域である０．３５〜５μｍの波長帯において、任意の波長の変換光を発生させることができる。

（その他の応用例）
本実施形態の半導体レーザモジュールでは、半導体レーザチップとＦＢＧとを、２枚のレンズを用いて結合している。しかし、レンズの枚数やレンズを使わない結合方法、例えば、先球ファイバ、Ｖ溝などを用いた結合方法によっても実現可能であることは言うまでもない。

本実施形態の第２のレーザとして、ＤＦＢレーザを示したが、ＤＦＢアレイ集積化光源、外部の回折格子からの光帰還を利用する外部共振器型可変波長光源を用いても同様の効果が得られることは言うまでもない。

半導体レーザモジュールの実装は、１４ピンバタフライパッケージに関して記述したが、ｍｉｎｉ−ｄｉｌパッケージ、ＴＯ−ＣＡＮにマウントする場合も同様である。このとき、半導体レーザチップとＦＢＧとの距離を２ｃｍよりも短くすることは言うまでもない。

従来の擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換モジュールの構成を示す図である。 差周波発生により波長変換を行う場合の位相整合曲線を示す図である。 従来の半導体レーザモジュールの構成を示す図である。 従来の半導体レーザモジュールの出力スペクトルを示す図である。 出力スペクトルをエタロンで測定した結果を示す図である。 従来のガス計測装置の構成を示す図である。 従来のガス計測装置によって得られたメタンガスの吸収線スペクトルを示す図である。 従来の半導体レーザチップの上面図である。 従来の半導体レーザチップにおける発振波長の環境温度依存性を示す図である。 従来の半導体レーザモジュールにおける光出力強度が０．２ｍＷとなる場合の波長λ_Cと電流値Ｉ_Cのチップ温度依存性を示す図である。 ＦＢＧの帯域内に半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードが１つ入る場合を示す図である。 ＦＢＧの帯域内に半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードが２つ入る場合を示す図である。 ＦＢＧの帯域内に半導体レーザチップとＦＢＧとの間の共振によるモードが３つ入る場合を示す図である。 従来の半導体レーザモジュールにおける閾値利得の位相依存性を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールの構成を示す図である。 端面反射率Ｒｆ＝０．１％〜０．０００１％の場合における閾値利得の位相依存性を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体レーザチップの上面図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体レーザモジュールにおける光出力強度が０．２ｍＷとなる場合の波長λ_Cと電流値Ｉ_Cのチップ温度依存性を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる半導体レーザチップにおける発振波長の環境温度依存性を示す図である。 本発明の一実施形態にかかる擬似位相整合型の波長変換素子を用いた波長変換モジュールの構成を示す図である。 ＦＢＧ反射率が高い場合の半導体レーザにおける電流−光出力の関係を示す図である。

符号の説明

１０、１００ 波長変換モジュール
１１、１２、３１、８１ 半導体レーザチップ
１１ａ、１２ａ、８１ａ 駆動回路
１１ｂ、１２ｂ、８１ｂ 温度制御回路
１３、３５、８５ ファイバグレーティング（ＦＢＧ）
１４ 光カプラ
１５ 波長変換素子
１６、３２、３３、８２、８３ レンズ
２１、２２、８０ 半導体レーザモジュール
３４、８４ フェルール
３６、８６ 偏波保持ファイバ
３７、８８ ペルチェ素子
５０ ガス計測装置
５１ フィルタ
５２ レファレンスセル
５３、５５ 受光器
５４ ガスセル
５６ チョッパー
５７ ロックインアンプ
７１、１０１ 直線リッジ導波路
７２、１０２ 高反射膜
７３、１０３ 反射防止膜
９１、９３ 筐体

Claims (8)

1. 第１のレーザ光を発生する第１のレーザと、第２のレーザ光を発生する第２のレーザと、前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光とを入力し、差周波発生または和周波発生によりコヒーレント光を出力する非線形光学結晶とを含む波長変換光源において、
   前記第１のレーザは、第１の半導体レーザチップと、該第１の半導体レーザチップの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するファイバグレーティングとから構成され、
   前記第１の半導体レーザチップは、前記ファイバグレーティングと対向する端面に反射防止膜を有し、前記第１のレーザ光の光軸が前記反射防止膜の垂線に対して傾きを有していることを特徴とする波長変換光源。
2. 前記反射防止膜の垂線に対する傾きは、５°〜１５°であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換光源。
3. 前記ファイバグレーティングの反射帯域は、前記第１の半導体レーザチップと前記ファイバグレーティングとの間の距離で決まる共振波長間隔の２倍以上であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の波長変換光源。
4. 前記ファイバグレーティングの反射率は、５％〜５０％であり、かつ、前記ファイバグレーティングの長さが２ｍｍ以上１ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の波長変換光源。
5. 前記第１の半導体レーザチップと前記ファイバグレーティングとの距離が２ｃｍ以下であり、前記ファイバグレーティングの帯域が１００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の波長変換光源。
6. 前記第１のレーザは、前記第１の半導体レーザチップの温度を可変する温度制御回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の波長変換光源。
7. 前記第１のレーザ光および前記第２のレーザ光を入力する光結合器と前記第１の半導体レーザチップとを接続する偏波保持ファイバと、該偏波保持ファイバのファイバ芯線を内挿するフェルールを備え、
   前記偏波保持ファイバは、前記第１の半導体レーザチップと対向する端面を含む前記ファイバ芯線の先端部に前記ファイバグレーティングが形成され、
   前記フェルールは、前記第１の半導体レーザチップを内蔵する半導体レーザモジュールの筐体に固定され、前記ファイバグレーティングが形成された先端部を内挿することを特徴とする請求項６に記載の波長変換光源。
8. 前記第１のレーザ光の波長λ_Aが９３０ｎｍ〜１１３０ｎｍであり、前記第２のレーザ光の波長λ_Bが１２００ｎｍ〜１７００ｎｍであることを特徴とする請求項６または請求項７に記載の波長変換光源。

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