JP2010153836A - Littman configured frequency stepped laser - Google Patents

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Thomas James Dunn
ジェームズ ダン トーマス
Jack Weston Frankovich
ウェストン フランコヴィッチ ジャック
Christopher Alan Lee
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a frequency stepped laser system having a modified Littman configuration, and to provide a method using this system. <P>SOLUTION: A wavelength tunable system includes: a laser having a laser resonator 104 and an external resonator 110 which have a common optical axis; a reflective grating 214 fixed in the external resonator 110; a collimator lens 112 between the laser resonator 104 and the reflective grating 214; and an adjustable reflection mirror 220 defining one end of the external resonator 110, optically coupled to the fixed reflective grating 214 and pivotally rotating around the position of the fixed reflective grating. The utilization method thereof is also provided. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本願は、2008年11月26日に出願の米国仮出願第61/118,162号の利益を主張する。   This application claims the benefit of US Provisional Application No. 61 / 118,162, filed Nov. 26, 2008.

本発明は、波長チューナブル・レーザー・システム、特に、周波数ステップ・レーザー・システム及びその方法に関する。   The present invention relates to wavelength tunable laser systems, and more particularly to frequency step laser systems and methods.

本実施形態において、本開示は、改変されたリットマン構成を有する周波数ステップ・レーザー・システム及び当該システムを用いる方法を提供する。   In this embodiment, the present disclosure provides a frequency step laser system having a modified Littman configuration and a method of using the system.

既知のリトロー構成の周波数ステップ・外部共振器チューナブル・レーザーの模式図である。1 is a schematic diagram of a known Littrow configuration frequency step external cavity tunable laser. FIG. 本開示の実施形態における、固定した反射回折格子に関して異なるピボット角で向けられた反射ミラーを有し、外部共振器チューナブル・レーザーの帯域の範囲内で対応する異なったレーザー波長を生成する、改変されたリットマン構成の周波数ステップ・外部共振器チューナブル・レーザーの模式図である。Modifications in embodiments of the present disclosure that have reflective mirrors oriented at different pivot angles with respect to a fixed reflective diffraction grating and produce corresponding different laser wavelengths within the bandwidth of an external cavity tunable laser FIG. 3 is a schematic diagram of a frequency step-external cavity tunable laser with a Littman configuration. 本開示の実施形態における、改変されたリットマン構成の周波数ステップ・外部共振器チューナブル・レーザーの第2の模式図である。FIG. 4 is a second schematic diagram of a modified Littman configuration frequency step external cavity tunable laser in an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態における、外部共振器および基本レーザー・ダイオード共振器間の適切なモードマッチングの例示的な結果を示す図である。FIG. 4 illustrates exemplary results of proper mode matching between an external resonator and a basic laser diode resonator in an embodiment of the present disclosure. 本開示の実施形態における、リットマン構成のステップ・レーザーの例示的な実施の斜視図である。FIG. 5 is a perspective view of an exemplary implementation of a Littman step laser in an embodiment of the present disclosure.

発明の詳細な説明Detailed Description of the Invention

本発明の様々な実施形態について、図面がある場合には、図面を参照して詳細に説明する。様々な実施形態についての言及は本発明の範囲を限定するものではなく、本明細書に添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。さらに、本明細書に記載されるいずれの例も、特許請求の範囲に記載の発明に係る多くの可能な実施形態のいくつかを記載しているに過ぎない。   Various embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings, if any. Reference to various embodiments does not limit the scope of the invention, but only by the claims appended hereto. Moreover, any example set forth in this specification describes only a few of the many possible embodiments for the claimed invention.

[定義]
「波長チューナブル」又は同様の用語は、例えば、瞬時の周波数又は波長出力が制御的に変化させ得るレーザー光源に関する。
[Definition]
"Wavelength tunable" or similar terms relate to a laser light source, for example, where the instantaneous frequency or wavelength output can be controlled to change.

「周波数ステップ」又は同様の用語は、例えば、瞬時の周波数又は波長出力が離散的な数の可能な周波数または波長のうちの1つであり得るレーザー光源に関する。   “Frequency step” or similar terms relate to a laser light source, for example, where the instantaneous frequency or wavelength output can be one of a discrete number of possible frequencies or wavelengths.

「含む」又は同様の用語は、包含する又は含むことをいうが、排他的又は制限的ではないことをいう。   "Including" or like terms refers to including or including, but not exclusive or limiting.

「約」は、本開示の実施形態を記載する際に用いられ、本開示の構成要素、部分または態様、例えば角度、距離、厚さおよび同様の値及びこれらの範囲を修飾し、例えば、装置およびその部品を製造または使用するのに用いられる典型的な測定及び取扱い手順、これらの手順における偶然の誤差、当該方法を実行するのに用いられる物質または成分の製造又はソースの差、及び同様の事項などにおいて生じうる数量の変動をいう。用語「約」が添付の特許請求の範囲において用いられる場合は、これらに等価な量を含む。   “About” is used in describing embodiments of the present disclosure to modify components, portions or aspects of the present disclosure, such as angles, distances, thicknesses and similar values and ranges thereof, such as apparatus And typical measurement and handling procedures used to manufacture or use the parts, accidental errors in these procedures, differences in manufacturing or source of materials or components used to perform the method, and the like This refers to changes in quantity that can occur in matters. Where the term “about” is used in the appended claims, it includes equivalents thereof.

実施形態の「本質的に構成されている」は、例えば、改変されたリットマン構成を有する周波数ステップ・レーザー装置およびシステム、及び当該システムを製造又は使用する方法に関し、特許請求の範囲に列挙された要素又はステップ、さらに本開示のアイテム、装置又はシステム、及び製造又は使用する方法の基本的で新規な特性に実質的に影響を与えない他の要素又はステップを含んでもよく、例えば、特定の構成要素、特定の材料、特定の構成、特定の条件、又は同様の構造、材料または選択されるプロセス変数などを含んでもよい。本開示の構成要素、構成又はステップの基本的な特性に実質的に影響を与える、又は本開示に望ましくない特性を与えるアイテムや態様は、例えば、光学要素の非ピボット(回動)の相対的運動または横方向の変位を含む。   “Essentially composed” of embodiments, for example, relates to a frequency step laser apparatus and system having a modified Littman configuration and a method of making or using the system as recited in the claims. May include elements or steps, as well as other elements or steps that do not substantially affect the basic and novel characteristics of the disclosed items, apparatus or systems, and methods of making or using, for example, certain configurations It may include elements, specific materials, specific configurations, specific conditions, or similar structures, materials or selected process variables. Items or aspects that substantially affect the basic characteristics of components, configurations or steps of the present disclosure or that provide undesirable characteristics to the present disclosure include, for example, the relative non-pivoting (rotation) of optical elements Includes movement or lateral displacement.

従って、特許請求の範囲に記載の発明は、例えば、本明細書に規定される装置またはシステム、本明細書に規定される当該システムを製造し、使用する方法からなり、構成され、又は本質的に構成されている。   Accordingly, the claimed invention may comprise, consist of, or consist essentially of, for example, an apparatus or system as defined herein, or a method of making and using such a system as defined herein. It is configured.

本明細書で用いられる不定冠詞「a」又は「an」、及びその対応する定冠詞「the」は、他の意味に特定されない限り、少なくとも1つの、又は1つ以上を意味する。   As used herein, the indefinite article "a" or "an" and its corresponding definite article "the" means at least one, or one or more, unless specified otherwise.

当業者に周知の略語(例えば、時間または時間(複数)について「h」または「hr」、ナノメートルについて「nm」、マイクロンについて「μ」及び同様の略語)が用いられることがある。   Abbreviations well known to those skilled in the art (eg, “h” or “hr” for time or hours, “nm” for nanometers, “μ” for micron, and similar abbreviations) may be used.

構成要素、構成、方向および同様の態様、及びそれらの範囲についての開示された特定で好ましい値は説明のためだけであり、他の規定された値または他の規定された範囲内の値を除外しない。本開示の装置、システムおよび方法は、本明細書に記載されているいかなる値、又は特定の値、さらに特定の値及び好ましい値のいかなる組合せをも含む。   The disclosed specific and preferred values for components, configurations, directions and similar aspects, and ranges thereof, are for illustration only and exclude other defined values or values within other defined ranges. do not do. The devices, systems, and methods of the present disclosure include any value described herein, or a specific value, and any combination of specific values and preferred values.

チューナブル・レーザー・システムは知られており、例えば、「チューナブル外部共振器レーザーについてのモードマッチング・システム(“MODE-MATCHING SYSTEM FOR TUNABLE EXTERNAL CAVITY LASER”)」と題するWO2006112971号、「モード選択的周波数チューニング・システム(“Mode-Selective Frequency Tuning System”)」と題する米国特許第7,209,499号、「周波数偏移インターフェロメトリのための位相分解測定(“Phase-Resolved Measurement for Frequency Shifting Interferometry”)」と題する米国特許第7,268,889号、「モード選択チューナからの光学フィードバック(“Optical Feedback from Mode-Selective Tuner”)」と題する米国特許第7,259,860号、及び「調整可能な外部共振器を有するチューナブル・レーザー・システム(“Tunable Laser System having an Adjustable External Cavity”)」と題する米国特許第6,690,690号を参照のこと。   Tunable laser systems are known, for example, WO200006112971 entitled “MODE-MATCHING SYSTEM FOR TUNABLE EXTERNAL CAVITY LASER”, “Mode Selective”. US Pat. No. 7,209,499 entitled “Mode-Selective Frequency Tuning System”, “Phase-Resolved Measurement for Frequency Shifting Interferometry” US Pat. No. 7,268,889 entitled “)”, US Pat. No. 7,259,860 entitled “Optical Feedback from Mode-Selective Tuner”, and “Adjustment” Tunable laser system (“Tunable La” with possible external cavity See US Pat. No. 6,690,690 entitled “Ser System having an Adjustable External Cavity”).

上記の特許は、例えば、リトロー構成の回折格子を有する外部共振器に結合された標準的なコーティングしてないレーザー・ダイオードを組み込んだチューナブル・レーザー・システムに言及している。レーザー・ダイオードにフィードバックされる光の波長を変化させるために回折格子の角度が調整され得る。回折格子は、回折格子の面と同一平面内の軸の周りにピボット回転することができ、当該ピボット軸は回折格子面の刻線(ruling)方向に平行である。外部共振器の長さは基本レーザー・ダイオードにモード・マッチングするように選択される。回折格子の角度が連続的に変化されるに従い、レーザーの出力ビーム周波数は、モード・ホップと呼ばれる離散的な周波数ステップで変化する。理想的にモード・マッチングした条件において、モード・ホップまたは周波数ステップは、基本レーザー・ダイオードの長さ及びその光学屈折率によって確定される。上記した特許は、リトロー共振器デザインを有する周波数ステップ・レーザー・システム及びその使用について言及している。   The above-mentioned patent refers to a tunable laser system incorporating, for example, a standard uncoated laser diode coupled to an external resonator having a Littrow configuration grating. The angle of the diffraction grating can be adjusted to change the wavelength of the light fed back to the laser diode. The diffraction grating can be pivoted about an axis in the same plane as the plane of the diffraction grating, the pivot axis being parallel to the ruling direction of the diffraction grating surface. The length of the external cavity is selected to be mode matched to the basic laser diode. As the grating angle is continuously changed, the output beam frequency of the laser changes in discrete frequency steps called mode hops. In ideally mode-matched conditions, the mode hop or frequency step is determined by the length of the fundamental laser diode and its optical refractive index. The above-mentioned patent mentions a frequency step laser system having a Littrow resonator design and its use.

異なるチューニング方法を用いた、モード・ホップのない「連続チューニング」を可能にするチューナブル・レーザー・システムがある。これらのチューナブル・レーザー・システムは、ダイオード端面のうちの1つが特殊な無反射(AR)コーティングを有するレーザー・ダイオードを用いている。レーザーのモード構造は外部共振器の長さによって確定され、レーザー・ダイオード自身からの競合モードはない。回折格子の角度を変更しつつ外部共振器の長さが変更されて、チューニング帯域にわたって同一のモードが用いられる。この連続チューニング技術は、櫛型の周波数のチューニングにはあまり適していない。一定の周波数間隔の1セットのステップ、例えば、820nmないし850nmまでの30nm帯域の範囲内の、例えば35GHzのステップが望まれる応用がある。連続チューニング技術は、例えば、無反射コーティングは製造及び品質を制御するのが困難であり得ること、及び小さな回折格子の角度変化が好ましくない周波数変化を生じ得ること、を含む少なくとも2つの基本的な欠点を有する。   There are tunable laser systems that allow “continuous tuning” without mode hops, using different tuning methods. These tunable laser systems use laser diodes where one of the diode end faces has a special anti-reflective (AR) coating. The mode structure of the laser is determined by the length of the external cavity, and there are no competing modes from the laser diode itself. The length of the external resonator is changed while changing the angle of the diffraction grating, and the same mode is used over the tuning band. This continuous tuning technique is not very suitable for comb frequency tuning. There are applications where a set of steps with a constant frequency interval is desired, for example a step of 35 GHz, for example in the range of 30 nm band from 820 nm to 850 nm. Continuous tuning techniques include at least two basic, including, for example, that anti-reflective coatings can be difficult to control manufacturing and quality, and that small diffraction grating angular changes can cause undesirable frequency changes. Has drawbacks.

リトロー構成を用いた周波数ステップ・レーザーは、例えば米国特許第7,209,499号及びその中の引用文献に開示され、これらを参照のこと。リトロー構成の外部共振器チューナブル・レーザーは、回折格子から1次反射がレーザー共振器内に戻される回転調整可能な回折格子を用いている。   Frequency step lasers using a Littrow configuration are disclosed, for example, in US Pat. No. 7,209,499 and references cited therein. The Littrow configuration external cavity tunable laser uses a rotationally adjustable diffraction grating in which the primary reflection from the diffraction grating is returned into the laser cavity.

リットマン又はリトロー構成を有する外部共振器チューナブル・レーザーは既知であり、例えば「光増幅器、ビームステアリング装置及び凹面回折格子集積型波長チューナブル光源(“Wavelength Tunable Light Source Integrated with Optical Amplifier, Beam Steering Unit, and Concave Diffraction Grating”)」と題された米国特許第7,133,194号及びその図1,2を参照のこと。しかしながら、これらの構成はチューニング帯域にわたる同一の共振器モードを追跡することによって連続チューニングを得ようとするものである。これは、チューニングの間、外部共振器長の変化を制御することを必要とする。これに対し、本開示によれば、周波数ステップ・チューニングは、外部共振器長を固定し、基本レーザー・ダイオードにモードマッチしてなされる。   External cavity tunable lasers having a Littmann or Littrow configuration are known, for example, “Wavelength Tunable Light Source Integrated with Optical Amplifier, Beam Steering Unit”. , and Concave Diffraction Grating ")" and U.S. Pat. No. 7,133,194 and FIGS. However, these configurations attempt to obtain continuous tuning by tracking the same resonator mode across the tuning band. This requires controlling the change in external resonator length during tuning. On the other hand, according to the present disclosure, the frequency step tuning is performed by fixing the external cavity length and mode-matching with the basic laser diode.

既存の連続チューナブル・レーザーは、基本レーザー・ダイオード出射端面に優れた無反射コーティングが施されることを必要とする。無反射コーティングは高価な場合があり、レーザー寿命が短くなり、現場で故障していた。これらのチューナブル・レーザーはまた、例えば、所定の周波数セットにわたる繰返し走査を必要とするアプリケーションにおいて、ある一定の固有の制限を有している。これらのレーザーは「連続チューナブル」なので、小さい角度誤差が重大な周波数誤差を生じることがある。この制限は、周波数誤差を最小にするため「安定させる」ことにかなりの走査時間が費やされることを必要とする。これによって、スループットは低くなる。   Existing continuous tunable lasers require an excellent anti-reflective coating on the base laser diode exit end face. Non-reflective coatings can be expensive, have reduced laser life and have failed in the field. These tunable lasers also have certain inherent limitations, for example in applications that require repeated scanning over a predetermined set of frequencies. Because these lasers are “continuously tunable”, small angular errors can cause significant frequency errors. This limitation requires that a significant amount of scanning time be spent “stabilizing” to minimize frequency errors. This reduces the throughput.

我々は、既に、レーザーが帯域全体に亘って調整される間、外部共振器チューナブル・レーザー長が固定又は一定に保持される周波数ステッッピング設計を用いてこれらの制限を除去するチューナブル・レーザー技術を報告した。例えば、WO2006112971、US 7,209,499、US 7,268,889、US 7,259,860およびUS 6,690,690を参照のこと。これらの特許文献の周波数ステップ・レーザーは、回折格子がピボット回転調整可能であるリトロー構成を用い、レーザー共振器内に1次逆方向反射を戻す角度調整が可能である。   We already have a tunable laser technology that removes these limitations using a frequency stepping design where the external cavity tunable laser length is fixed or held constant while the laser is tuned across the entire band. Reported. See, for example, WO2006112971, US 7,209,499, US 7,268,889, US 7,259,860 and US 6,690,690. The frequency step lasers of these patent documents use a Littrow configuration in which the diffraction grating can be pivotally adjusted, and the angle can be adjusted to return the first-order backward reflection in the laser resonator.

実施形態において、本開示は、波長チューナブル・システムであって、
共通の光軸を有するレーザー共振器及び外部共振器を有するレーザーと、
前記外部共振器内に固定された反射回折格子と、
前記レーザー共振器及び前記反射回折格子間のコリメータ・レンズと、
前記外部共振器の一端を画定し、前記固定された反射回折格子に光学的に結合された調整可能な反射ミラーであって、前記固定された反射回折格子の位置のまわりにピボット回転する前記調整可能な反射ミラーと、を有する波長チューナブル・システムを提供する。
In an embodiment, the present disclosure is a wavelength tunable system comprising:
A laser having a common optical axis and a laser having an external cavity;
A reflective diffraction grating fixed in the external resonator;
A collimator lens between the laser resonator and the reflective diffraction grating;
An adjustable reflective mirror defining one end of the external resonator and optically coupled to the fixed reflective diffraction grating, wherein the adjustment pivots about the position of the fixed reflective diffraction grating A wavelength tunable system having a possible reflection mirror.

実施形態において、上記調整可能な反射ミラーは、1つの軸の周りに調整可能にピボット回転(回動)し、当該軸は、上記反射回折格子の面と同一平面内にある(co-planar)。当該ピボット軸は、回折格子の面上の刻線(ruling)に平行であってもよい。調整可能な反射ミラーは、固定反射回折格子の軸の周りに調整可能にピボット回転することができる。レーザーの出力ビームの波長は、反射ミラーを異なる角度に逐次段階的に変更することで離散的に変化させることができる。実施形態において、レーザーは、例えば、光増幅器であってもよい。外部共振器の長さは、例えば、一定であってもよい。1次反射は、例えば、調整可能な反射ミラーに入射されてもよい。0次反射の方向は、例えば、不変でもよく、例えば、調整可能な反射ミラーに入射されなくてもよい。   In an embodiment, the adjustable reflection mirror pivotably adjusts about one axis, the axis being co-planar with the plane of the reflective diffraction grating. . The pivot axis may be parallel to a ruling on the plane of the diffraction grating. The adjustable reflecting mirror can be pivotally adjustable about the axis of the fixed reflective diffraction grating. The wavelength of the laser output beam can be changed discretely by sequentially changing the reflection mirror to different angles. In embodiments, the laser may be, for example, an optical amplifier. The length of the external resonator may be constant, for example. The primary reflection may be incident on an adjustable reflection mirror, for example. The direction of the zero-order reflection may be invariant, for example, and may not be incident on the adjustable reflection mirror, for example.

実施形態において、本開示は、
上記のチューナブル・システムを設けるステップと、
順次または逐次的に前記反射回折格子に関してN個のピボット位置角度(ピボット回転角度)θNのそれぞれに調整可能な反射ミラーを配向させ、一連の波長λNのそれぞれを有するビームを出力するステップと、を有する光源の波長チューニングをなす方法を提供する。
In embodiments, the present disclosure provides:
Providing the above tunable system;
Sequentially or sequentially orienting an adjustable reflective mirror to each of the N pivot position angles (pivot rotation angles) θN with respect to the reflective diffraction grating and outputting a beam having each of a series of wavelengths λN. A method for tuning the wavelength of a light source is provided.

実施形態において、本開示は、例えばインタロゲーション(検出)バイオセンサ装置に用いられる、レーザーの波長チューニングをなす方法であって、
上記のチューナブル・システムを設けるステップと、
前記調整可能な反射ミラーを前記反射回折格子に関して一連の逐次的なピボット回転角度θNに配向させ、一連の波長λNのそれぞれを有するビームを出力するステップと、
前記ビームを回折格子ベースの導波路バイオセンサに向けて照射するステップと、
前記バイオセンサから反射された放射を収集し、異なる波長λNの各々での当該反射放射の相対強度を測定するステップと、
波長に対する収集した強度データを分析して前記バイオセンサの最大ピーク波長応答を確定するステップと、を有する方法を提供する。
In an embodiment, the present disclosure is a method for wavelength tuning of a laser, for example used in an interrogation (detection) biosensor device, comprising:
Providing the above tunable system;
Orienting the tunable reflecting mirror in a series of sequential pivot angles θN with respect to the reflective grating and outputting a beam having each of a series of wavelengths λN;
Irradiating the beam towards a grating-based waveguide biosensor;
Collecting the radiation reflected from the biosensor and measuring the relative intensity of the reflected radiation at each of the different wavelengths λN;
Analyzing the collected intensity data against wavelength to determine a maximum peak wavelength response of the biosensor.

実施形態において、本開示は、レーザーを波長チューニングする方法であって、
上記のチューナブル・システムを設けるステップと、
順次または逐次的に固定反射回折格子に関してN個のピボット角度θNのそれぞれに調整可能な反射ミラーを配向させ、一連の波長λNの各々を有するビームを出力するステップと、を有する光源の波長チューニングをなす方法を提供する。
In an embodiment, the present disclosure is a method of wavelength tuning a laser comprising:
Providing the above tunable system;
Sequentially or sequentially orienting a tunable reflecting mirror at each of N pivot angles θN with respect to a fixed reflecting grating and outputting a beam having each of a series of wavelengths λN. Provide a method to make.

上記「N」は、例えば、2ないし約10,000、2ないし約200、2ないし約100、及びこれらの間の全ての値及び範囲を含む整数であり得る。角度θNは、例えば、約1度ないし約5度、約2度ないし約4度、及びこれらの間の全ての値及び範囲を含み、例えば約3度である。   The “N” may be an integer including, for example, 2 to about 10,000, 2 to about 200, 2 to about 100, and all values and ranges therebetween. The angle θN includes, for example, about 1 degree to about 5 degrees, about 2 degrees to about 4 degrees, and all values and ranges therebetween, for example, about 3 degrees.

実施形態において、本開示のシステムは、スタンドアローンのレーザー、あるいは他の製品または装置と共に又は組み込まれ、例えば測定応用、バイオセンシング等の光学センシング、医療、通信および同様のアプリケーション等に用いられ得る、より複雑な又は統合されたシステムを構成し得る。   In embodiments, the system of the present disclosure can be used with or incorporated into a stand-alone laser, or other product or device, for example, for measurement applications, optical sensing such as biosensing, medical, communications and similar applications, etc. More complex or integrated systems can be constructed.

本開示の装置および方法は、例えば、製造及び所有における低コスト、より簡単さ及びより良好な性能を提供する点によって既知のシステム及び方法に比較して優れている。実施形態において、本開示はリットマン構成を有する周波数ステップ・レーザー・システムを提供する。リットマン構成を有するレーザー・システムは、上述したリトロー・レーザー構成と比較して、及び下記に記載するように、いくつかの利点を有している。   The apparatus and method of the present disclosure is superior to known systems and methods, for example, in that it provides lower cost, easier manufacturing and better performance in manufacturing and ownership. In an embodiment, the present disclosure provides a frequency step laser system having a Littman configuration. A laser system having a Littman configuration has several advantages over the Littrow laser configuration described above and as described below.

実施形態において、本開示は、リットマン構成の外部共振器チューナブル・レーザーを用いることによって周波数ステップ走査を達成する方法、レーザー装置及びシステムを提供する。リットマン構成の外部共振器チューナブル・レーザーは、横方向及び回転方向に位置的に固定した反射回折格子からの1次反射を角度チューニングする制御可能なピボット回転反射ミラーなどの反射光学系を用いる。開示されたシステム及び方法の重要な態様は、開示された角度チューニングは方向を変える0次ビームを生じないことである。   In embodiments, the present disclosure provides a method, laser apparatus and system for achieving frequency step scanning by using an external cavity tunable laser in a Littman configuration. An external cavity tunable laser with a Littman configuration uses a reflective optical system such as a controllable pivoting reflecting mirror that angularly tunes the primary reflection from a reflective diffraction grating that is positionally fixed in the lateral and rotational directions. An important aspect of the disclosed system and method is that the disclosed angular tuning does not produce a zero order beam that changes direction.

実施形態において、本開示は、固定された回折格子及び調整可能なミラーを有し、レーザー共振器内に1次反射を逆反射するリットマン構成の周波数ステップ・レーザーを提供する。開示されたシステムは、いくつかの利点を提供する。回折格子が固定されているので、0次ビームもまた角度的に固定され、角度チューニングの間、0次ビームは動かない。これまで、技術者は、回折格子とともに動くミラーを含ませ、0次ビームの動きを最小化しなければならなかった。固定した出力ビームを有することは、例えばシステムの機械的構成を単純化し、通常出力ビームのファイバ結合に関連する問題を除去することによってコスト節約をもたらす。また、通常レーザー・アセンブリの間になされる回折格子に対するいくつかの調整がある。これらの調整は角度調整のための設計とは分離することができるので、著しく単純化される。   In an embodiment, the present disclosure provides a Littman frequency step laser having a fixed diffraction grating and an adjustable mirror that retroreflects the primary reflection into the laser resonator. The disclosed system provides several advantages. Since the diffraction grating is fixed, the zero order beam is also fixed angularly, and the zero order beam does not move during angle tuning. To date, engineers have had to include a mirror that moves with the diffraction grating to minimize the movement of the zero order beam. Having a fixed output beam provides cost savings, for example, by simplifying the mechanical configuration of the system and eliminating problems normally associated with fiber coupling of the output beam. There are also some adjustments to the diffraction grating that are typically made during the laser assembly. These adjustments are significantly simplified because they can be separated from the angle adjustment design.

実施形態において、本開示は、改変されたリットマン構成の外部共振器チューナブル・レーザーの周波数ステップ・チューニングを有する装置および方法を提供する。図面を参照すると、図1は、リトロー構成(100)のレーザーの周波数ステップ・チューニングをなす既知の外部共振器チューナブル・レーザーの模式図である。例えば、米国特許第7,209,499号を参照のこと。図示するように、ピボット軸のまわりに回折格子は回転し、レーザーが動作帯域にわたってチューニングされる間、共振器長は固定されている。   In embodiments, the present disclosure provides an apparatus and method with frequency step tuning of a modified Littman configuration external cavity tunable laser. Referring to the drawings, FIG. 1 is a schematic diagram of a known external cavity tunable laser for frequency step tuning of a Littrow configuration (100) laser. See, for example, US Pat. No. 7,209,499. As shown, the diffraction grating rotates about the pivot axis and the resonator length is fixed while the laser is tuned over the operating band.

図1及び2の両者の構成において、内部共振器(104)を有する標準のコーティングしてないレーザー・ダイオード(LD)(102)は、コリメータ・レンズ又は同様の分散要素によって外部共振器(110)に結合されている。外部共振器(110)又は(118)は、固定回折格子及びピボット回転ミラー間の距離を含む。図1の従来技術のリトロー構成において、回転軸(115)及び回折格子角θ(116)をさらに有する回折格子(114)などの回転可能な回折光学要素は、1次反射(118)がレーザー・ダイオード内に戻るように調整される。回折格子(114)は、軸(115)の周りに回転することができる。回転軸(115)は、回折格子の面と同一平面上にあり、回折格子の面の刻線に平行であり、かつ入射及び反射ビームに垂直である。回折格子角θを僅かに変化させることによって、レーザー・ダイオード内にフィードバックされる光の波長を変化させることができ、従って、レーザー波長出力光(Po)(125)を変化させる。ミラー(120)などの固定反射光学要素は0次反射(122)を受ける。   In both configurations of FIGS. 1 and 2, a standard uncoated laser diode (LD) (102) with an internal resonator (104) is connected to an external resonator (110) by a collimator lens or similar dispersive element. Is bound to. The external resonator (110) or (118) includes the distance between the fixed diffraction grating and the pivoting mirror. In the prior art Littrow configuration of FIG. 1, a rotatable diffractive optical element such as a diffraction grating (114) further having a rotation axis (115) and a diffraction grating angle θ (116) has a first order reflection (118) of a laser beam. Adjusted back into the diode. The diffraction grating (114) can rotate about an axis (115). The axis of rotation (115) is coplanar with the plane of the diffraction grating, is parallel to the score lines of the plane of the diffraction grating, and is perpendicular to the incident and reflected beams. By slightly changing the grating angle θ, the wavelength of the light fed back into the laser diode can be changed, thus changing the laser wavelength output light (Po) (125). Fixed reflective optical elements, such as the mirror (120), undergo zero order reflection (122).

本開示のレーザー装置(200)およびシステムの部分的な模式図が図2に示され、固定反射回折格子(214)に関して、例えば、異なる(220a,220b,220cの3つが示されている)ピボット角に配向された、制御可能な回動(pivotal)反射ミラー(220)を有し、外部共振器チューナブル・レーザー帯域内で、対応する異なるレーザー波長を生成する。反射ミラー(220)についてのピボット点(215)は、例えば、反射回折格子(214)の面上であるように選択でき、外部共振器長はチューニング帯域にわたって一定であるようにすることができる。図2の本開示の改変リットマン構成において、反射ミラー(220)のチューニング角θ(216)は、回転及びピボット回転(回動)に関し固定された反射回折格子(214)に位置する想像上又は実際の点又はピボット軸などの遠隔位置(215)の周りに制御可能にピボット回転調整することができ、1次反射(118)はレーザー・ダイオード(104)の内部共振器に向けて戻される。反射ミラー角θ(216)に僅かなピボット回転変化、例えば約3度のピボット範囲にわたり約200ステップ、を与えることによって、レーザー・ダイオード内にフィードバックされる光の波長は変化し、レーザー波長をステップ的に変化させる。ミラー(220)は、例えば、当該固定回折格子の面と同一平面上にあり、当該回折格子の面の刻線に平行である、遠隔のピボット軸(215)に関してピボット回転させることができる。   A partial schematic diagram of the laser apparatus (200) and system of the present disclosure is shown in FIG. 2, and with respect to the fixed reflective diffraction grating (214), for example, different (three of 220a, 220b, 220c are shown) pivots. It has a controllable pivoting mirror (220) oriented in the corners and produces corresponding different laser wavelengths within the external cavity tunable laser band. The pivot point (215) for the reflective mirror (220) can be selected, for example, to be on the plane of the reflective grating (214), and the external resonator length can be constant over the tuning band. In the modified Littman configuration of the present disclosure of FIG. 2, the tuning angle θ (216) of the reflective mirror (220) is imaginary or actual located in the reflective diffraction grating (214) fixed with respect to rotation and pivoting (rotation). Can be pivotally adjusted around a remote location (215), such as a point or pivot axis, and the primary reflection (118) is returned toward the internal cavity of the laser diode (104). By applying a slight pivot rotation change to the reflecting mirror angle θ (216), eg, about 200 steps over a pivot range of about 3 degrees, the wavelength of the light fed back into the laser diode is changed and the laser wavelength is stepped. Change. The mirror (220) can be pivoted about a remote pivot axis (215) that is, for example, coplanar with the plane of the fixed grating and parallel to the score line of the plane of the grating.

図3は、リットマン構成の周波数ステップ・外部共振器レーザーを有する本開示のシステム(300)の部分的な模式図である。この構成において、反射回折格子(214)は固定角で保持されており、1次反射はピボット回転調整可能な反射ミラー(220)に入射する。当該調整可能な反射ミラーが変化されて、反射ビーム(318)の角度が変えられる。これにより、チューナブル・レーザーのレーザー波長が変更される。反射回折格子(214)の面に又は面上に反射ミラー(220)のピボット点が位置していることで、レーザーが動作帯域にわたってチューニングされている間、外部共振器長(110)は一定に保持される。   FIG. 3 is a partial schematic diagram of the system (300) of the present disclosure having a Littman configuration frequency step and external cavity laser. In this configuration, the reflection diffraction grating (214) is held at a fixed angle, and the primary reflection is incident on the reflection mirror (220) that can be pivotally adjusted. The adjustable reflective mirror is changed to change the angle of the reflected beam (318). This changes the laser wavelength of the tunable laser. The position of the pivot point of the reflective mirror (220) at or on the surface of the reflective grating (214) keeps the external cavity length (110) constant while the laser is tuned over the operating band. Retained.

図2及び3の構成の目的は、レーザーを動作帯域にわたって角度調整する際に、外部共振器長(110)を一定に維持することにある。外部共振器(110)の当該固定長は、基本レーザー・ダイオード(102)にモードマッチするように選択される。基本レーザー・ダイオードに対するモードマッチング(モード整合)の例が模式的に図4に示されている。   The purpose of the configurations of FIGS. 2 and 3 is to keep the external cavity length (110) constant when the laser is angled over the operating band. The fixed length of the external resonator (110) is selected to be mode matched to the basic laser diode (102). An example of mode matching (mode matching) for a basic laser diode is schematically shown in FIG.

図4は、外部共振器および基本レーザー・ダイオード共振器間の適切なモードマッチングの例示的な結果を示している。レーザー・ダイオードのモード間隔は、外部共振器モードの整数倍である。図示した(目盛りは図示していない)本実施例において、外部共振器の光路長は基本レーザー・ダイオード・モードの光路長の5倍(5X)であるように選択されている。基本レーザー・ダイオードの共振器モード(410)の間隔は、外部共振器の縦モード(420)の間隔の整倍数である。チューニング角(216)またはミラー角θが連続的に変化されるに従い、レーザー周波数はモード・ホップと呼ばれる離散的な周波数ステップで変化する。理想的なモード・マッチングする条件において、モード・ホップまたは周波数ステップは、基本レーザー・ダイオード(104)の長さ及びその光学屈折率によって確定される。   FIG. 4 shows exemplary results of proper mode matching between an external resonator and a basic laser diode resonator. The laser diode mode spacing is an integer multiple of the external cavity mode. In the illustrated example (scale not shown), the optical path length of the external resonator is selected to be 5 times (5X) the optical path length of the fundamental laser diode mode. The spacing of the fundamental laser diode resonator mode (410) is an integer multiple of the spacing of the external cavity longitudinal mode (420). As the tuning angle (216) or mirror angle θ is continuously changed, the laser frequency changes in discrete frequency steps called mode hops. In ideal mode matching conditions, the mode hop or frequency step is determined by the length of the fundamental laser diode (104) and its optical refractive index.

リトロー又はリットマン構成のいずれの場合でも、周波数ステップ・チューニングを達成するには、モード整合は主又は基本レーザー・ダイオード・モード間隔が外部共振器モード間隔の整倍数であることが必要とされる。   In either Littrow or Littman configuration, mode matching requires that the main or fundamental laser diode mode spacing is a multiple of the external cavity mode spacing to achieve frequency step tuning.

[例]
下記の例は、上記の本開示を用いる方法をより十分に説明するのに役立ち、本開示の様々な態様を実行するための最良の形態の例を説明している。これらの例は、本開示の範囲を限定するものではなく、説明の目的のために提示される。
[Example]
The examples below serve to more fully describe the method of using the present disclosure above, and illustrate examples of the best mode for carrying out various aspects of the present disclosure. These examples are not intended to limit the scope of the present disclosure, but are presented for illustrative purposes.

[例1]
本開示の装置および方法を実施するのに多数の改変や変更を用いることができる。装置構成(500)の1例が図5の斜視図に示されている。ピボット回転(回動)可能なミラー(505)は、回転車軸(アクスル)アセンブリ(515)に遠隔取り付けされたミラー支持板(510)に搭載されている。車軸(515)は、回転軸(520)が、例えば固定回折格子(525)の面と機械的にアライメントされ、固定回折格子(525)上の溝に平行であるように配置される。回折格子(525)は固定され、その機械的調整の全ては回転車軸とは独立して行うことができる。レバーアーム(530)は、車軸に取り付けられ、例えば、リニアモータ(535)によって動かすことができる。外部共振器からのレーザービーム(540)は、固定回折格子(525)及びピボット回転可能なミラー(505)に照射され得る。リニアモータは、いかなる適切なタイプまたはモデルのものであってもよい。実施形態において、リニアモータは、例えばステッパモータ、ボイスコイル・アセンブリ、圧電性アクチュエータまたはDCモーターであってもよい。当該モーターの移動範囲は、例えば、レバーアームの長さに依存してもよい。アームの長さは、選択されたモーターの性能に整合するように最適化されてもよい。例えば、6mmの範囲にわたって移動する小さなボイスコイル・アセンブリ及び100mmのアームによってミラー角を約3度にわたって変化させることができる。
[Example 1]
Numerous modifications and changes can be used to implement the devices and methods of the present disclosure. An example of the device configuration (500) is shown in the perspective view of FIG. A pivotable mirror (505) is mounted on a mirror support plate (510) that is remotely attached to a rotating axle assembly (515). The axle (515) is positioned such that the axis of rotation (520) is mechanically aligned with the plane of the fixed diffraction grating (525), for example, and parallel to the grooves on the fixed diffraction grating (525). The diffraction grating (525) is fixed and all of its mechanical adjustment can be performed independently of the rotating axle. The lever arm (530) is attached to the axle and can be moved, for example, by a linear motor (535). A laser beam (540) from an external cavity can be directed to a fixed diffraction grating (525) and a pivotable mirror (505). The linear motor may be of any suitable type or model. In embodiments, the linear motor may be a stepper motor, a voice coil assembly, a piezoelectric actuator or a DC motor, for example. The moving range of the motor may depend on the length of the lever arm, for example. The length of the arm may be optimized to match the performance of the selected motor. For example, a small voice coil assembly that moves over a 6 mm range and a 100 mm arm can change the mirror angle over about 3 degrees.

本開示は、様々な特定の実施形態および技術に関して記載された。しかしながら、本開示の範囲内において様々な改変及び変更が可能である。
The present disclosure has been described in terms of various specific embodiments and techniques. However, various modifications and changes are possible within the scope of the present disclosure.

Claims (5)

波長チューナブル・システムであって、
共通の光軸を有するレーザー共振器及び外部共振器を有するレーザーと、
前記外部共振器内に固定された反射回折格子と、
前記レーザー共振器及び前記反射回折格子間のコリメータ・レンズと、
前記外部共振器の一端を画定し、前記固定された反射回折格子に光学的に結合された調整可能な反射ミラーであって、前記固定された反射回折格子の位置のまわりにピボット回転する前記調整可能な反射ミラーと、を有することを特徴とする波長チューナブル・システム。
A wavelength tunable system,
A laser having a common optical axis and a laser having an external cavity;
A reflective diffraction grating fixed in the external resonator;
A collimator lens between the laser resonator and the reflective diffraction grating;
An adjustable reflective mirror defining one end of the external resonator and optically coupled to the fixed reflective diffraction grating, wherein the adjustment pivots about the position of the fixed reflective diffraction grating A wavelength tunable system, comprising:
前記調整可能な反射ミラーは、1つの軸の周りに調整可能にピボット回転し、前記軸は前記反射回折格子の面と同一平面上にあることを特徴とする請求項1に記載の波長チューナブル・システム。   The wavelength tunable of claim 1, wherein the adjustable reflective mirror pivotably adjusts about one axis, the axis being coplanar with the surface of the reflective diffraction grating. ·system. 当該ピボット回転軸は前記回折格子面上の刻線に平行であることを特徴とする請求項2に記載の波長チューナブル・システム。   3. The wavelength tunable system according to claim 2, wherein the pivot axis of rotation is parallel to a score line on the diffraction grating surface. レーザーの波長チューニングをなす方法であって、
請求項1に記載の前記システムを設けるステップと、
順次または逐次的に前記反射回折格子に関してNのピボット角度θNのそれぞれに前記調整可能な反射ミラーを配向させ、一連の波長λNのそれぞれを有するビームを出力するステップと、を有することを特徴とする方法。
A method for tuning the wavelength of a laser,
Providing the system of claim 1;
Orienting the adjustable reflecting mirror at each of N pivot angles θN with respect to the reflective diffraction grating sequentially or sequentially to output a beam having each of a series of wavelengths λN. Method.
インタロゲーション・バイオセンサ装置におけるレーザーの波長チューニングをなす方法であって、
請求項1に記載の前記チューナブル・システムの前記調整可能な反射ミラーを前記反射回折格子に関して一連の逐次的なピボット角度θNに配向させ、一連の波長λNのそれぞれを有するビームを出力するステップと、
前記ビームを回折格子ベースの導波路バイオセンサに向けて照射するステップと、
前記バイオセンサから反射された放射を収集し、異なる波長λNの各々での当該反射放射の相対強度を測定するステップと、
波長に対する収集した強度データを分析して前記バイオセンサの最大ピーク波長応答を確定するステップと、を有することを特徴とする方法。
A method of tuning the wavelength of a laser in an interrogation biosensor device,
Orienting the tunable reflecting mirror of the tunable system of claim 1 to a series of sequential pivot angles θN with respect to the reflective grating and outputting a beam having each of a series of wavelengths λN; ,
Irradiating the beam towards a grating-based waveguide biosensor;
Collecting the radiation reflected from the biosensor and measuring the relative intensity of the reflected radiation at each of the different wavelengths λN;
Analyzing the collected intensity data against wavelength to determine a maximum peak wavelength response of the biosensor.
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