JP2010225931A - 波長可変光源 - Google Patents

Abstract

【課題】モータの応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を抑制することによって高精度の波長制御を行うことができる波長可変光源を提供する。
【解決手段】波長可変光源１は、レーザ光の波長を選択する可動素子２１ａをモータ２１ｂによって駆動することによりレーザ光Ｌ０の波長を変化させることができる外部共振器レーザ１０と、外部共振器レーザ１０内におけるレーザ光の光路上に配置され、屈折率変化によって外部共振器レーザ１０の共振器長を変化させる利得媒体２２と、予め設定された目標波長と外部共振器レーザ１０から射出されるレーザ光Ｌ０の波長との誤差を示す誤差信号Ｓ２を用いて、モータ２１ｂによる可動素子２１ａの駆動量を制御するモータ制御信号Ｓ１１と、利得媒体２２による屈折率の変化量を制御する電流制御信号Ｓ１２とをそれぞれ生成する制御器１４とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信分野又は光計測技術分野等で用いられる波長可変光源に関する。

光通信分野又は光計測技術分野等では、スペクトル線幅が狭く、単一モードで発振し、波長安定性が良く、且つ波長が可変である波長可変光源が要求される。現在まで様々な波長可変光源が開発されているが、その１つに光源の外部に設けられた光学素子を用いて共振器を構成する外部共振器型波長可変光源がある。この外部共振器型波長可変光源の代表的なものとしては、リットマン型の外部共振器を備えるものやリトロー型の外部共振器等を備えるものが挙げられる。

リットマン型の外部共振器を備える外部共振器型波長可変光源は、レーザダイオード（ＬＤ）と、レーザダイオードから射出されたレーザ光を回折させる回折格子と、回折格子で回折されたレーザ光を回折格子に向けて反射する平面ミラーとを備えており、レーザダイオードの一方の端面と平面ミラーとによって共振器が構成される。かかる構成において、平面ミラーを揺動させて回折格子に向けて反射される波長成分（更には回折格子からレーザダイオードに向けて回折される波長成分）を変えることにより、外部共振器型波長可変光源から射出されるレーザ光の波長を変えることができる。

リトロー型の外部共振器を備える外部共振器型波長可変光源は、レーザダイオード（ＬＤ）と、レーザダイオードから射出されたレーザ光をレーザダイオードに向けて回折させる回折格子とを備えており、レーザダイオードの一方の端面と回折格子とによって共振器が構成される。かかる構成において、回折格子を回動させてレーザダイオードに向けて回折される波長成分を変えることにより、外部共振器型波長可変光源から射出されるレーザ光の波長を変えることができる。

上記のリットマン型の外部共振器を備える外部共振器型波長可変光源における平面ミラーの揺動、及びリトロー型の外部共振器を備える外部共振器型波長可変光源における回折格子の回転は、何れもモータ駆動により行われる。以下の特許文献１には、波長可変光源の波長可変手段であるサーボモータ又はステッピングモータを高精度に駆動する駆動方法が開示されている。

特開２００４−５５７７５号公報

ところで、ステッピングモータを用いて上述した平面ミラーや回折格子を駆動する場合には、これらの移動分解能はステッピングモータのステップ数に依存する。このため、波長可変光源における波長の精度もステッピングモータのステップ数に依存してしまい、波長の精度を向上させることが困難であるという問題がある。また、ステッピングモータは、バックラッシュ（反動、揺り戻し）等によって、ステッピングモータに対して与えた指令値とステッピングモータの可動子の実際の移動量との間にずれが生ずることがあり、波長の精度が悪化するとともに、上記のずれを補正する制御が繰り返し行われることによって波長が設定波長に一致するまでに時間を要するという問題がある。

また、サーボモータを用いる場合には上述したステッピングモータのステップ数の問題は生じない。しかしながら、サーボモータを用いて上述した平面ミラーや回折格子を駆動する場合においても、波長の精度を高めようとすると、波長が設定波長に一致するまでに時間を要するという問題がある。

更に、ステッピングモータを用いる場合及びサーボモータを用いる場合の何れの場合であっても、環境の変化、振動、又はモータの共振等によって共振器（外部共振器）の長さ（共振器長）が変化し、これに起因して波長揺らぎが生ずることがある。かかる波長揺らぎは、スペクトル線幅の増大や位相雑音を招いて波長精度を悪化させることになるが、モータの応答速度（例えば、数ｋＨｚ帯）以上の変動（例えば、数ＧＨｚ帯）であるためモータ制御によっては抑制することができないという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、モータの応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を抑制することによって高精度の波長制御を行うことができる波長可変光源を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の第１の態様による波長可変光源は、レーザ光の波長を選択する選択素子（２１ａ）と当該選択素子を駆動する駆動手段（２１ｂ）とを有し、前記駆動手段による前記選択素子の駆動によりレーザ光の波長が可変である光源部（１０）を備える波長可変光源（１〜３）において、前記光源部内における前記レーザ光の光路上に配置され、屈折率変化によって前記光源部の共振器長を変化させる利得媒体（２２、３０、４３）と、予め設定された目標波長と前記光源部から射出されるレーザ光の波長との誤差を示す誤差信号（Ｓ２）を用いて、前記駆動手段による前記選択素子の駆動量を制御する第１制御信号（Ｓ１１）と、前記利得媒体による屈折率の変化量を制御する第２制御信号（Ｓ１２、Ｓ１３）とをそれぞれ生成する制御部（１４）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、予め設定された目標波長と光源部から射出されるレーザ光の波長との誤差を示す誤差信号を用いて第１制御信号及び第２制御信号がそれぞれ生成され、駆動手段による選択素子の駆動量が第１制御信号に基づいて制御されることによりレーザ光の波長が変化するとともに、利得媒体による屈折率の変化量が第２制御信号に基づいて制御されて光源部の共振器長が変化することによりレーザ光の波長が変化する。
また、本発明の第１の態様による波長可変光源は、前記制御部が、前記誤差信号に含まれる前記駆動手段の応答速度よりも低い周波数成分を用いて前記第１制御信号を生成し、前記駆動手段の応答速度よりも高い周波数成分を含む周波数成分を用いて前記第２制御信号を生成することを特徴としている。
また、本発明の第１の態様による波長可変光源は、前記利得媒体が、前記光源部に光源として設けられたレーザダイオード（３０）であることを特徴としている。
また、本発明の第１の態様による波長可変光源は、前記利得媒体が、前記レーザ光に対する利得を得る第１領域（４３ｂ）と前記レーザ光の位相を調整する第２領域（４３ａ）とが形成されたレーザダイオード（４３）であることを特徴としている。
また、本発明の第１の態様による波長可変光源は、前記レーザダイオードの少なくとも一方の端面には反射防止膜（３４、３９ａ、３９ｂ）が形成されていることを特徴としている。
上記課題を解決するために、本発明の第２の態様による波長可変光源は、レーザ光の波長を選択する選択素子（２１ａ）と当該選択素子を駆動する駆動手段（２１ｂ）とを有し、前記駆動手段による前記選択素子の駆動によりレーザ光の波長が可変である光源部（１０）を備える波長可変光源（４）において、前記光源部内における前記レーザ光の光路上に配置され、前記光源部の共振器長を変化させる光学素子（５３）と、予め設定された目標波長と前記光源部から射出されるレーザ光の波長との誤差を示す誤差信号（Ｓ２）を用いて、前記駆動手段による前記選択素子の駆動量を制御する第１制御信号（Ｓ１１）と、前記光学素子による前記共振器長の変化量を制御する第２制御信号（Ｓ１４）とをそれぞれ生成する制御部（５１）とを備えることを特徴としている。
この発明によると、予め設定された目標波長と光源部から射出されるレーザ光の波長との誤差を示す誤差信号を用いて第１制御信号及び第２制御信号がそれぞれ生成され、駆動手段による選択素子の駆動量が第１制御信号に基づいて制御されることによりレーザ光の波長が変化するとともに、第２制御信号に基づいて光学素子が制御されて光源部の共振器長が変化することによりレーザ光の波長が変化する。

本発明によれば、予め設定された目標波長と光源部から射出されるレーザ光の波長との誤差を示す誤差信号を用いて第１制御信号及び第２制御信号をそれぞれ生成し、駆動手段による選択素子の駆動量を第１制御信号に基づいて制御することによりレーザ光の波長を変化させるとともに、第２制御信号に基づいて光源部の共振器長を変化させてレーザ光の波長を変化させているため、駆動手段の応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音が抑制されて高精度の波長制御を行うことができるという効果がある。

本発明の第１実施形態による波長可変光源の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による波長可変光源の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態による波長可変光源に設けられる外部共振器レーザ１０の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態による波長可変光源に設けられる外部共振器レーザ１０の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態による波長可変光源に設けられる外部共振器レーザ１０の構成例を示す図である。 本発明の第２実施形態による波長可変光源に設けられる外部共振器レーザ１０の構成例を示す図である。 本発明の第３実施形態による波長可変光源の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態による波長可変光源の要部構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態による波長可変光源について詳細に説明する。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明の第１実施形態による波長可変光源の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態による波長可変光源１は、外部共振器レーザ１０（光源部）、入力部１１、制御回路１２、比較器１３、制御器１４（制御部）、モータドライバ１５、電流制御回路１６、ビームスプリッタ１７、及び波長検出器１８を備えており、ユーザに設定された波長を有するレーザ光Ｌ１を射出する。

外部共振器レーザ１０は、レーザ光を射出する外部共振器（図示省略）、波長選択部２１、及び利得媒体２２を備えており、制御回路１２の制御の下で、ユーザに設定された波長を有するレーザ光Ｌ０を射出する。波長選択部２１は、可動素子２１ａ（選択素子）とモータ２１ｂ（駆動手段）とを備えており、外部共振器レーザ１０内の光路上を通過するレーザ光の波長を選択することによって、外部共振器レーザ１０から射出されるレーザ光Ｌ０の波長を選択する。

可動素子２１ａは、グレーティング、多層膜フィルタ、反射ミラー等であり、外部共振器レーザ１０内におけるレーザ光の光路上に揺動又は回動可能に配置され、レーザ光を回折させ、干渉させ、又は反射させて外部共振器レーザ１０内の光路上を通過するレーザ光の波長を選択することによりレーザ光Ｌ０の波長を選択する。モータ２１ｂは、モータドライバ１５から出力されるモータ駆動信号Ｓ２１に基づいて可動素子２１ｂを駆動する。かかるモータ２１ｂの駆動によって可動素子２１ａが揺動又は回動することにより、レーザ光Ｌ０の波長を変化させることができる。尚、モータ２１ｂとしては、ステッピングモータ及びサーボモータの何れをも用いることが可能である。

利得媒体２２は、外部共振器レーザ１０内の光路上に配置され、屈折率変化によって外部共振器レーザ１０が備える不図示の外部共振器の光学的な共振器長を変化させる。この利得媒体２２は、モータ２１ｂの応答速度（例えば、数ｋＨｚ帯）以上のレーザ光Ｌ０の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を抑制するために設けられる。この利得媒体２２としては、半導体や固体色素等の増幅媒体、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier：エルビウム添加光ファイバ増幅器）等の希土類添加光ファイバ等を用いることができる。

具体的に、上記の利得媒体２２は、電流制御回路１６から出力される利得媒体駆動信号Ｓ２２によって屈折率変化が生じ、これにより外部共振器の光学的な共振器長を変化させる。尚、利得媒体駆動信号Ｓ２２が入力されてから屈折率変化が生ずるまでの応答速度は、例えばジュール熱による温度変化の場合には１００ｎｓｅｃ程度であり、プラズマ効果の場合には数ｎｓｅｃ程度である。

入力部１１は、ユーザによって操作され、ユーザの操作に応じたレーザ光Ｌ１の波長（波長可変光源１から射出されるべきレーザ光Ｌ１の波長）を入力する。制御回路１２は、波長可変光源１の動作を統括して制御する。具体的には、入力部１１から入力された波長（目標波長）を示す設定波長信号Ｓ０を出力することにより、外部共振器レーザ１０から射出されるレーザ光Ｌ０の波長を制御する。

比較器１３は、制御回路１２から出力される設定波長信号Ｓ０と波長検出器１８から出力される波長情報信号Ｓ１との差を示す誤差信号Ｓ２を出力する。つまり、比較器１３は、波長可変光源１から射出されるべきレーザ光Ｌ１の目標波長と、外部共振器レーザ１０から実際に射出されるレーザ光Ｌ０の波長との差を示す信号である誤差信号Ｓ２を求める。尚、この比較器１３は、アナログ回路で構成されていても良く、所定の周期（例えば、数ＭＨｚ〜数ＧＨｚ帯）で誤差信号Ｓ２を求めるディジタル回路で構成されていても良い。

制御器１４は、比較器１３から出力される誤差信号Ｓ２を用いてＰＩＤ（比例積分微分）制御又はＩ−ＰＤ（比例微分先行形ＰＩＤ）制御のための演算を行って、モータ２１ｂの回転量を制御するモータ制御信号Ｓ１１（第１制御信号）と、利得媒体２２に注入する電流量を制御する電流制御信号Ｓ１２（第２制御信号）とを生成する。具体的に、制御器１４は、誤差信号Ｓ２に含まれるモータ２１ｂの応答速度よりも低い周波数成分を用いてモータ制御信号Ｓ１１を生成し、モータ２１ｂの応答速度よりも高い周波数成分を用いて電流制御信号Ｓ１２を生成する。例えば、モータ２１ｂの応答速度が１ｋＨｚであった場合には、モータ制御信号Ｓ１１を１ｋＨｚよりも低い周波数成分を用いて生成し、モータ制御信号Ｓ１１を１ｋＨｚよりも高い周波数成分を用いて生成する。

モータドライバ１５は、制御器１４で生成されるモータ制御信号Ｓ１１を用いてモータ２１ｂを駆動するモータ駆動信号Ｓ２１を生成してモータ２１ｂに出力する。電流制御回路１６は、制御器１４で生成される電流制御信号Ｓ１２を用いて利得媒体駆動信号Ｓ２２を生成し、この利得媒体駆動信号Ｓ２２によって利得媒体２２に注入される電流量を変化させる。ビームスプリッタ１７は、外部共振器レーザ１０から射出されるレーザ光Ｌ０を所定の分岐比（例えば、１対１００）で分岐する。波長検出器１８は、ビームスプリッタ１７で分岐された一方の分岐光（分岐比が小さな分岐光）を受光して波長を検出し、その波長を示す波長情報信号Ｓ１を出力する。尚、ビームスプリッタ１７で分岐された他方の分岐光（分岐比が大きな分岐光）は、レーザ光Ｌ１として波長可変光源１の外部に射出される。

次に、上記構成における波長可変光源１の動作について説明する。波長可変光源１の電源が投入されると、外部共振器レーザ１０からは波長選択部２１に設けられた可動素子２１ａで選択された波長を有するレーザ光Ｌ０が射出される。尚、可動素子２１ａで選択される波長は、可動素子２１ａの初期の配置状態に応じて決定される。外部共振器レーザ１０から射出されたレーザ光Ｌ０はビームスプリッタ１７に入射して所定の分岐比で分岐される。分岐された一方の分岐光（分岐比が小さな分岐光）は波長検出器１８で受光され、波長検出器１８から比較器１３に対して、その分岐光の波長を示す波長情報信号Ｓ１が出力される。これに対し、分岐された他方の分岐光（分岐比が大きな分岐光）は、レーザ光Ｌ１として波長可変光源１の外部に射出される。

ここで、ユーザが入力部１１を操作して波長可変光源１から射出されるべきレーザ光Ｌ１の波長（目標波長）を指示すると、その目標波長を示す情報が制御回路１２に入力され、制御回路１２から比較器１３に対して目標波長を示す設定波長信号Ｓ０が出力される。この設定波長信号Ｓ０が比較器１３に入力されると、波長検出器１８から出力される波長情報信号Ｓ１との差分が求められ、その差分を示す誤差信号Ｓ２が制御器１４に出力される。

比較器１３からの誤差信号Ｓ２が入力されると、制御器１４によって、誤差信号Ｓ２に含まれるモータ２１ｂの応答速度よりも低い周波数成分を用いてモータ制御信号Ｓ１１が生成されるとともに、モータ２１ｂの応答速度よりも高い周波数成分を用いて電流制御信号Ｓ１２が生成される。制御器１４で生成されたモータ制御信号Ｓ１１はモータドライバ１５に出力され、電流制御信号Ｓ１２は電流制御回路１６に出力される。

モータ制御信号Ｓ１１が入力されると、モータ制御信号Ｓ１１に応じたモータ駆動信号Ｓ２１がモータドライバ１５によって生成されて、外部共振器レーザ１０の波長選択部２１に設けられたモータ２１ｂに出力される。これによりモータ２１ｂが駆動されて可動素子２１ａが揺動又は回動し、可動素子２１ａで選択される波長が変化することによって、外部共振器レーザ１０から射出されるレーザ光Ｌ０の波長がモータ１２ｂの応答速度よりも低い速度で緩やかに変化する。

他方、制御器１４からの電流制御信号Ｓ１２が入力されると、電流制御回路１６によって電流制御信号Ｓ１２に応じた利得媒体駆動信号Ｓ２２が生成されて、外部共振器レーザ１０の利得媒体２２に出力される。これにより、利得媒体２２に注入される電流量が変化する。すると、利得媒体２２において、ジュール熱による温度変化又はプラズマ効果等による屈折率変化が速やかに生じ、外部共振器レーザ１０に設けられた不図示の外部共振器の光学的な共振器長が変化する。かかる共振器長の変化により、外部共振器レーザ１０から射出されるレーザ光Ｌ０の波長がモータ１２ｂの応答速度よりも遥かに速い速度（例えば、数ｎｓｅｃ〜１００ｎｓｅｃ程度の速度）で変化する。

外部共振器レーザ１０から射出された波長が変化したレーザ光Ｌ０は、ビームスプリッタ１７に入射して所定の分岐比で分岐され、分岐された他方の分岐光（分岐比が大きな分岐光）は、レーザ光Ｌ１として波長可変光源１の外部に射出される。これに対し、分岐された一方の分岐光（分岐比が小さな分岐光）は波長検出器１８で受光され、その分岐光の波長を示す波長情報信号Ｓ１が比較器１３に出力される。そして、比較器１３において制御回路１２から出力される設定波長信号Ｓ０との差を示す誤差信号Ｓ２が求められ、前述した制御と同様の制御が行われる。以後、同様の処理が繰り返され、波長可変光源１から出力されるレーザ光Ｌ１の波長がユーザによって設定された目標波長に等しくなるように制御される。

以上説明した通り、本実施形態では、ユーザによって設定された目標波長と外部共振器レーザ１０から実際に出力されるレーザ光Ｌ０の波長との誤差を示す誤差信号Ｓ２を求め、この誤差信号Ｓ２を用いてモータ２１ｂを駆動するとともに、利得媒体２２に注入する電流を制御している。ここで、利得媒体２２に注入される電流が変化すると、モータ２１ｂの応答速度よりも遥かに速い速度で利得媒体２２の屈折率が変化して外部共振器長レーザ１０に設けられた不図示の外部共振器の光学的な共振器長が変化する。このため、モータ２１ｂの応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を効果的に抑制することができ、高精度の波長制御を行うことができる。

また、本実施形態では、ユーザによって設定された目標波長と外部共振器レーザ１０から実際に出力されるレーザ光Ｌ０の波長との誤差を示す誤差信号Ｓ２を求めて上記の制御を行っており、制御ループが完全に閉じているフル・クローズド・ループである。このため、モータ２１ｂとしてステッピングモータを用いた場合及びサーボモータを用いた場合の何れの場合であっても、波長可変光源１から出力されるレーザ光Ｌ１の波長を短時間で目標波長に設定することができる。

〔第２実施形態〕
図２は、本発明の第２実施形態による波長可変光源の要部構成を示すブロック図である。図２に示す通り、本実施形態による波長可変光源２は、図１に示す第１実施形態による波長可変光源１に設けられた利得媒体２２に代えてレーザダイオード３０を備える点が異なる。

レーザダイオード３０は、半導体を用いて形成されており、外部共振器レーザ１０内の光路上に配置される。電流制御回路１６によってレーザダイオード３０に対する電流の注入量を変えれば、屈折率及び利得を変化させることができる。従って、第１実施形態の波長可変光源１に設けられた利得媒体２２と同様に、外部共振器レーザ１０が備える不図示の外部共振器の光学的な共振器長を変化させることができる。尚、レーザダイオード３０に電流が注入されてから屈折率変化が生ずるまでの応答速度は、利得媒体２２と同程度である。

次に、本実施形態の波長可変光源２が備える外部共振器レーザ１０について詳細に説明する。図３〜図６は、本発明の第２実施形態による波長可変光源に設けられる外部共振器レーザ１０の構成例を示す図である。図３に示す外部共振器レーザ１０は、レーザダイオード３０、コリメートレンズ３１、回折格子３２、及び平面ミラー３３を含んで構成されるリットマン型のものである。

レーザダイオード３０は、例えば半導体基板上に下部クラッド層、活性層、及び上部クラッド層を順に形成し、半導体基板を劈開して得られる平行な端面を共振器として用いるファブリペロー型の半導体レーザである。このレーザダイオード３０には共振器をなす端面の一方に無反射膜（ＡＲコート）３４が形成されている。レーザダイオード３０は無反射膜３４が形成された端面をコリメートレンズ３１側に向けて配置されている。

コリメートレンズ３１は、レーザダイオード３０から射出されるレーザ光を平行光にするとともに、回折格子３２で回折されてきたレーザ光をレーザダイオード３０のレーザ光の射出位置に集光する。回折格子３２は、紙面に直交する方向に格子が形成された平面状の回折面３２ａを有しており、コリメートレンズ３１によって平行にされたレーザ光、及び平面ミラー３３によって反射されたレーザ光を、その波長に応じた角度で回折する。

平面ミラー３３は、回折格子３２によって回折されたレーザ光を反射する。この平面ミラー３３は、図２に示す可動素子２１ａに相当するものであり、紙面に平行な面内で移動可能であるとともに同面内で回転可能である。図３に示す外部共振器レーザ１０では、レーザダイオード３０の無反射膜３４が形成されていない端面３０ａと平面ミラー３３とにより外部共振器が形成されている。また、レーザダイオード３０は、レーザ光を射出する光源として用いられるとともに、外部共振器の光学的な共振器長を変化させるためにも用いられる。

上記構成において、レーザダイオード３０から射出されたレーザ光は、コリメートレンズ３１によって平行光に変換された後に回折格子３２の回折面３２ａに入射し、波長に応じた角度で回折される。回折格子３２で回折されたレーザ光のうち、平面ミラー３３が配置されている方向へ回折されたレーザ光は、平面ミラー３３で反射された後に再び回折格子３２の回折面３２ａに入射する。このレーザ光は再び回折格子３２で回折されて元の光路を逆向きに進み、コリメートレンズ３１により集光されてレーザダイオード３０に入射する。レーザダイオード３０に入射したレーザ光のうちの一部が端面３０ａから外部にレーザ光Ｌ０として射出され、残りが端面３０ａで反射されてレーザダイオード３０内部を逆向きに進む。

ここで、モータ２１ｂの駆動によって、外部共振器をなす平面ミラー３３を、図３中の符号Ｄ１１を付して示す方向に移動させるとともに適宜回転させると外部共振器レーザ１０から射出されるレーザ光Ｌ０の波長を長波長側に連続的に可変することができ、逆に符号Ｄ１２を付して示す方向に移動させるとともに適宜回転させるとレーザ光Ｌ０の波長を短波長側に連続的に可変することができる。また、電流制御回路１６からの利得媒体駆動信号Ｓ２２がレーザダイオード３０に入力されると、レーザダイオード３０の端面３０ａと平面ミラー３３とによって形成される外部共振器の光学的な共振器長が変化し、モータ２１ｂの応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を効果的に抑制することができる。

図４に示す外部共振器レーザ１０は、レーザダイオード３０、コリメートレンズ３１、及び回折格子３５を含んで構成されるリトロー型のものである。図４に示すレーザダイオード３０及びコリメートレンズ３１は、図３に示すものと同様のものである。図４に示す回折格子３５は、紙面に直交する方向に格子が形成された平面状の回折面３５ａを有しており、コリメートレンズ３１によって平行にされたレーザ光を、その波長に応じた角度で回折する。この回折格子３５は、紙面に平行な面内で移動可能であり、且つ同面内で回転可能である。図４に示す外部共振器レーザ１０では、レーザダイオード３０の無反射膜３４が形成されていない端面３０ａと回折格子３５とにより外部共振器が形成されている。また、レーザダイオード３０は、レーザ光を射出する光源として用いられるとともに、外部共振器の光学的な共振器長を変化させるためにも用いられる。

上記構成において、レーザダイオード３０から射出されたレーザ光は、コリメートレンズ３１によって平行光に変換された後に回折格子３５に入射し、波長に応じた角度で回折される。回折格子３５で回折されたレーザ光のうち、元の光路を逆向きに進むレーザ光は、コリメートレンズ３１により集光されてレーザダイオード３０に入射する。レーザダイオード３０に入射したレーザ光のうちの一部が端面３０ａから外部にレーザ光Ｌ０として射出され、残りが端面３０ａで反射されてレーザダイオード３０内部を逆向きに進む。

ここで、モータ２１ｂの駆動によって、外部共振器をなす回折格子３５を、図４中の符号Ｄ２１を付して示す方向に揺動させるとともに適宜回転させると外部共振器レーザ１０から射出されるレーザ光Ｌ０の波長を長波長側に連続的に可変することができ、逆に符号Ｄ２２を付して示す方向に揺動させるとともに適宜回転させるとレーザ光Ｌ０の波長を短波長側に連続的に可変することができる。また、電流制御回路１６からの利得媒体駆動信号Ｓ２２がレーザダイオード３０に入力されると、レーザダイオード３０の端面３０ａと回折格子３５とによって形成される外部共振器の光学的な共振器長が変化し、モータ２１ｂの応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を効果的に抑制することができる。

図５に示す外部共振器レーザ１０は、図３に示すリットマン型の外部共振器レーザ１０に設けられたレーザダイオード３０に代えてレーザダイオード３６を設け、コリメートレンズ３１と回折格子３２との間のレーザ光の光路上に、集光レンズ３７、レーザダイオード３０、及び集光レンズ３８を順に配置したものである。レーザダイオード３６は、図３に示すレーザダイオード３０と同様のものであり、一方の端面には無反射膜３６ａが形成されている。但し、図２に示す電流制御回路１６からの利得媒体駆動信号Ｓ２２が入力されていない点が図３に示すレーザダイオード３０とは相違する。

集光レンズ３７は、コリメートレンズ３１によって平行にされたレーザ光を集光してレーザダイオード３０に入射させるとともに、レーザダイオード３０からコリメート３１に向けて射出されたレーザ光を平行光に変換する。集光レンズ３８は、回折格子３２で回折されてコリメートレンズ３１に向かうレーザ光を集光してレーザダイオード３０に入射させるとともに、レーザダイオード３０から回折格子３２に向けて射出されたレーザ光を平行光に変換する。レーザダイオード３０は、電流制御回路１６からの利得媒体駆動信号Ｓ２２が入力されており、両端面には無反射膜３９ａ，３９ｂがそれぞれ形成されている。

図３に示す外部共振器レーザ１０は、レーザダイオード３０をレーザ光を射出する光源として用いるとともに外部共振器の光学的な共振器長を変化させるためにも用いていた。しかしながら、図４に示す外部共振器レーザ１０は、レーザダイオード３６をレーザ光を射出する光源として用い、レーザダイオード３０を外部共振器の光学的な共振器長を変化させるために用いている。尚、図５に示す外部共振器レーザ１０の動作は、レーザ光が集光レンズ３７、レーザダイオード３０、及び集光レンズ３８を通過する以外は図３に示すものと同様であるため説明を省略する。

図６に示す外部共振器レーザ１０は、図４に示すリトロー型の外部共振器レーザ１０に設けられたレーザダイオード３０に代えて図５を用いて説明したレーザダイオード３６を設け、コリメートレンズ３１と回折格子３５との間のレーザ光の光路上に、図５を用いて説明した集光レンズ３７、レーザダイオード３０、及び集光レンズ３８を順に配置したものである。図６に示す外部共振器レーザ１０も、図５に示す外部共振器レーザ１０と同様に、レーザダイオード３６をレーザ光を射出する光源として用い、レーザダイオード３０を外部共振器の光学的な共振器長を変化させるために用いている。尚、図６に示す外部共振器レーザ１０の動作は、レーザ光が集光レンズ３７、レーザダイオード３０、及び集光レンズ３８を通過する以外は図４に示すものと同様であるため説明を省略する。

本実施形態の波長可変光源２においても、第１実施形態の波長可変光源１と同様に、ユーザによって設定された目標波長と外部共振器レーザ１０から実際に出力されるレーザ光Ｌ０の波長との誤差を示す誤差信号Ｓ２が求められ、この誤差信号Ｓ２を用いてモータ２１ｂが駆動されるとともに、利得媒体２２に注入する電流が制御される。そして、レーザダイオード３０に注入される電流が変化すると、モータ２１ｂの応答速度よりも遥かに速い速度でレーザダイオードの屈折率が変化して外部共振器（例えば、図３に示すレーザダイオード３０の端面３０ａと平面ミラー３３とにより形成される外部共振器、又は図４に示すレーザダイオード３０の端面３０ａと回折格子３５とにより形成される外部共振器）の光学的な共振器長が変化する。このため、モータ２１ｂの応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を効果的に抑制することができ、高精度の波長制御を行うことができる。

また、本実施形態においても、ユーザによって設定された目標波長と外部共振器レーザ１０から実際に出力されるレーザ光Ｌ０の波長との誤差を示す誤差信号Ｓ２を求めて上記の制御を行っており、制御ループが完全に閉じているフル・クローズド・ループである。このため、モータ２１ｂとしてステッピングモータを用いた場合及びサーボモータを用いた場合の何れの場合であっても、波長可変光源１から出力されるレーザ光Ｌ１の波長を短時間で目標波長に設定することができる。

〔第３実施形態〕
図７は、本発明の第３実施形態による波長可変光源の要部構成を示すブロック図である。図７に示す通り、本実施形態による波長可変光源３は、図１に示す第１実施形態による波長可変光源１に設けられた制御器１４、電流制御回路１６、及び利得媒体２２に代えて、制御器４１、位相調整回路４２、及び二電極レーザダイオード４３を備える点が異なる。

制御器４１は、比較器１３から出力される誤差信号Ｓ２を用いてＰＩＤ制御又はＩ−ＰＤ制御のための演算を行って、モータ２１ｂの回転量を制御するモータ制御信号Ｓ１１と、二電極レーザダイオード４３を介するレーザ光の位相を制御する制御信号Ｓ１３（第２制御信号）とを生成する。具体的に、制御器４１は、誤差信号Ｓ２に含まれるモータ２１ｂの応答速度よりも低い周波数成分を用いてモータ制御信号Ｓ１１を生成し、モータ２１ｂの応答速度よりも高い周波数成分を用いて制御信号Ｓ１３を生成する。

位相調整回路４２は、制御器４１で生成される制御信号Ｓ１３を用いて位相調整信号Ｓ２３を生成し、この位相調整信号Ｓ２２によって二電極レーザダイオード４３を介するレーザ光の位相を調整する。尚、図７では図示を省略しているが、制御回路１２から二電極レーザダイオード４３に対して制御信号が入力されており、制御回路１２の制御の下で二電極レーザダイオード４３を介するレーザ光の利得が調整される。

二電極レーザダイオード４３は、半導体を用いて形成されており、外部共振器レーザ１０内の光路上に配置され、外部共振器レーザ１０内部を進むレーザ光の位相及び利得を変化させる。この二重電極レーザダイオード４３には、電界印加又は電流注入によって生ずる屈折率変化により内部を通過するレーザ光の位相を調整するための位相調整領域４３ａ（第２領域）と、利得を調整するための利得領域４３ｂ（第１領域）とが形成されている。

二電極レーザダイオード４３に多重量子井戸構造が形成されている場合には、電界印加による位相調整領域４３ａの屈折率変化は主に量子閉じ込めシュタルク効果によってもたらされる。また、電流注入による位相調整領域４３ａの屈折率変化は主にプラズマ効果によってもたらされる。尚、二電極レーザダイオード４３に対する電界印加又は電流注入がされてから屈折率変化が生ずるまでの応答速度は、図１に示す利得媒体２２と同程度かそれ以上である。また、尚、図７では図示を省略しているが、二電極レーザダイオード４３には、位相調整回路４２からの位相調整信号Ｓ２３を位相調整領域４３ａに入力させるための電極と、制御回路１２からの制御信号を利得領域４３ｂに入力させるための電極とが形成されている。

外部共振器レーザ１０が図３又は図４に示す構成である場合には、二電極レーザダイオード４３は、一方の端面に無反射膜を設けることにより、レーザダイオード３０の位置に配置される。これに対し、外部共振器レーザ１０が図５又は図６に示す構成である場合には、二電極レーザダイオード４３は、両端面に無反射膜を設けることにより、レーザダイオード３０の位置に配置される。

本実施形態の波長可変光源３においても、第１実施形態の波長可変光源１と同様の操作が行われる。このため、モータ２１ｂの応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を効果的に抑制することができ、高精度の波長制御を行うことができる。また、モータ２１ｂとしてステッピングモータを用いた場合及びサーボモータを用いた場合の何れの場合であっても、波長可変光源１から出力されるレーザ光Ｌ１の波長を短時間で目標波長に設定することができる。

〔第４実施形態〕
図８は、本発明の第４実施形態による波長可変光源の要部構成を示すブロック図である。図８に示す通り、本実施形態による波長可変光源４は、図１に示す第１実施形態による波長可変光源１に設けられた制御器１４、電流制御回路１６、及び利得媒体２２に代えて、制御器５１、位相調整回路５２、及び共振器長可変素子５３（光学素子）を備える点が異なる。

制御器５１は、比較器１３から出力される誤差信号Ｓ２を用いてＰＩＤ制御又はＩ−ＰＤ制御のための演算を行って、モータ２１ｂの回転量を制御するモータ制御信号Ｓ１１と、外部共振器レーザ１０に設けられた外部共振器（図示省略）の共振器長を制御する制御信号Ｓ１４（第２制御信号）とを生成する。具体的に、制御器４１は、誤差信号Ｓ２に含まれるモータ２１ｂの応答速度よりも低い周波数成分を用いてモータ制御信号Ｓ１１を生成し、モータ２１ｂの応答速度よりも高い周波数成分を用いて制御信号Ｓ１４を生成する。

駆動回路５２は、制御器４１で生成される制御信号Ｓ１４を用いて駆動信号Ｓ２４を生成し、この駆動信号Ｓ２４によって外部共振器レーザ１０に設けられた不図示の外部共振器の共振器長を調整する。共振器長可変素子５３は、外部共振器レーザ１０内の光路上に配置され、駆動信号Ｓ２４に基づいて外部共振器レーザ１０に設けられた不図示の外部共振器の共振器長を変化させる。この、共振器長可変素子５３としては、例えばピエゾ素子等のアクチュエータ素子、電気光学効果を有する素子、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）、又は音響光学効果を有する素子を用いることができる。

共振器長可変素子５３がアクチュエータ素子である場合には、外部共振器レーザ１０に設けられた不図示の外部共振器をなす共振用ミラーにアクチュエータ素子を取り付け、駆動回路５２からの駆動信号Ｓ２４に応じた距離だけ共振用ミラーを鏡面に交差する方向に移動させて外部共振器の共振器長を変化させる。また、共振器長可変素子５３が電気光学効果を有する素子である場合には電圧を印加し、共振器長可変素子５３が音響光学効果を有する素子である場合には超音波を伝搬させることにより屈折率変化を生じさせて外部共振器の共振器長を変化させる。

共振器長可変素子５３がアクチュエータ素子である場合には、図３に示す構造の外部共振器レーザ１０の外部共振器については、平面ミラー３３にアクチュエータ素子を取り付けて、駆動信号Ｓ２４に基づいて平面ミラー３３をその鏡面に直交する方向に移動させれば共振器長を変化させることができる。また、図４に示す構造の外部共振器レーザ１０の外部共振器については、回折格子３５にアクチュエータ素子を取り付けて、駆動信号Ｓ２４に基づいて回折格子３５をレーザダイオード３０に近づける方向又は遠ざける方向に移動させれば共振器長を変化させることができる。

共振器長可変素子５３が電気光学効果を有する素子又は音響光学効果を有する素子である場合には、図５，図６に示す構造の外部共振器レーザ１０に設けられた集光レンズ３７、レーザダイオード３０、及び集光レンズ３８に代えてこれらの素子を配置する。そして、駆動信号Ｓ２４に基づいて、屈折率を変化させることにより光学的な共振器長を変化させることができる。

本実施形態の波長可変光源４においても、第１実施形態の波長可変光源１と同様の操作が行われる。このため、モータ２１ｂの応答速度以上の波長揺らぎによるスペクトル線幅の増大や位相雑音を効果的に抑制することができ、高精度の波長制御を行うことができる。また、モータ２１ｂとしてステッピングモータを用いた場合及びサーボモータを用いた場合の何れの場合であっても、波長可変光源１から出力されるレーザ光Ｌ１の波長を短時間で目標波長に設定することができる。尚、本実施形態の波長可変光源４に設けられた共振器長可変素子５３は、前述した第１〜第３実施形態による波長可変光源１〜３にも適用することができる。

以上、本発明の実施形態による波長可変光源について説明したが、本発明は上記実施形態に制限される訳ではなく、本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上記実施形態では外部共振器レーザ１０の構成として、図３，図５に示すリットマン型のもの、及び図４，図６に示すリトロー型のものを例に挙げて説明したが、これ以外のものにも本発明を適用することができる。

また、上記実施形態では、説明を簡単にするために、誤差信号Ｓ２に含まれるモータ２１ｂの応答速度よりも低い周波数成分を用いてモータ制御信号Ｓ１１を生成し、モータ２１ｂの応答速度よりも高い周波数成分を用いて電流制御信号Ｓ１２を生成する場合を例に挙げて説明した。しかしながら、誤差信号Ｓ２に含まれる主な周波数成分がモータ２１ｂの応答速度に近い場合にはモータ２１ｂが殆ど反応しなくなるという不具合が生ずる可能性が考えられる。そこで、モータ２１ｂの応答速度よりも低い周波数成分を含めた周波数成分を用いて電流制御信号Ｓ１２を生成しても良い。

更に、上記実施形態では、選択素子としての可動素子２１ａを駆動する駆動手段としてモータ２１ｂを用いる例について説明した。しかしながら、かかる駆動手段として、モータ２１ｂ以外にピエゾアクチュエータやソレノイドアクチュエータを用いても良い。

１〜４ 波長可変光源
１０ 外部共振器レーザ
１４ 制御器
２１ａ 可動素子
２１ｂ モータ
２２ 利得媒体
３０ レーザダイオード
３４ 反射防止膜
３９ａ，３９ｂ 反射防止膜
４３ 二電極レーザダイオード
４３ａ 位相調整領域
４３ｂ 利得領域
５１ 制御器
５３ 共振器長可変素子
Ｓ２ 誤差信号
Ｓ１１ モータ制御信号
Ｓ１２ 電流制御信号
Ｓ１３ 制御信号
Ｓ１４ 制御信号

Claims (6)

1. レーザ光の波長を選択する選択素子と当該選択素子を駆動する駆動手段とを有し、前記駆動手段による前記選択素子の駆動によりレーザ光の波長が可変である光源部を備える波長可変光源において、
   前記光源部内における前記レーザ光の光路上に配置され、屈折率変化によって前記光源部の共振器長を変化させる利得媒体と、
   予め設定された目標波長と前記光源部から射出されるレーザ光の波長との誤差を示す誤差信号を用いて、前記駆動手段による前記選択素子の駆動量を制御する第１制御信号と、前記利得媒体による屈折率の変化量を制御する第２制御信号とをそれぞれ生成する制御部と
   を備えることを特徴とする波長可変光源。
2. 前記制御部は、前記誤差信号に含まれる前記駆動手段の応答速度よりも低い周波数成分を用いて前記第１制御信号を生成し、前記駆動手段の応答速度よりも高い周波数成分を含む周波数成分を用いて前記第２制御信号を生成することを特徴とする請求項１記載の波長可変光源。
3. 前記利得媒体は、前記光源部に光源として設けられたレーザダイオードであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の波長可変光源。
4. 前記利得媒体は、前記レーザ光に対する利得を得る第１領域と前記レーザ光の位相を調整する第２領域とが形成されたレーザダイオードであることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の波長可変光源。
5. 前記レーザダイオードの少なくとも一方の端面には反射防止膜が形成されていることを特徴とする請求項３又は請求項４記載の波長可変光源。
6. レーザ光の波長を選択する選択素子と当該選択素子を駆動する駆動手段とを有し、前記駆動手段による前記選択素子の駆動によりレーザ光の波長が可変である光源部を備える波長可変光源において、
   前記光源部内における前記レーザ光の光路上に配置され、前記光源部の共振器長を変化させる光学素子と、
   予め設定された目標波長と前記光源部から射出されるレーザ光の波長との誤差を示す誤差信号を用いて、前記駆動手段による前記選択素子の駆動量を制御する第１制御信号と、前記光学素子による前記共振器長の変化量を制御する第２制御信号とをそれぞれ生成する制御部と
   を備えることを特徴とする波長可変光源。

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