JP2011018779A - 波長可変光源 - Google Patents

Abstract

【課題】波長選択性が高く安定なシングルモード発振を実現するとともに、光ファイバへの結合効率を広い波長範囲で高めることができる波長可変光源を提供すること。
【解決手段】半導体レーザの出力光が回折格子に入射されて波長選択されるとともに、前記半導体レーザと前記回折格子との間にファーフィールドパターンを水平方向に広げるための第１のプリズムが設けられた外部共振器型の波長可変光源において、前記回折格子の０次光の光路中に、前記第１のプリズムに起因する波長分散を補償する第２のプリズムを配置したことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は、波長可変光源に関し、詳しくは、外部共振器型の波長可変光源における波長選択性と光ファイバへの結合効率の改善に関するものである。

外部共振器型の波長可変光源は、半導体レーザからの光を回折格子で波長分散・波長選択し、波長選択した光を半導体レーザに帰還させ、所望の波長でレーザ発振させる。外部共振器型の波長可変光源としては、たとえば、リトロー配置の波長可変光源、リットマン配置の波長可変光源などがある。

半導体レーザから出射される光のファーフィールドパターンは楕円状で円錐状の放射光であり、一般に回折格子の溝の配列方向（波長の分散方向で、以下水平方向という）に対して短く、溝方向に対して長いビーム形状をしている。

一方、回折格子の波長分解能は、回折格子の水平方向に対する光の照射幅が大きい（照射される溝本数が多い）ほど大きくなり、波長選択性も高くなる。ところが、半導体レーザの出射光を光ファイバに結合する場合の効率面からは、水平方向に広げすぎるよりも、円形に整形することが望ましい。そこで、半導体レーザから出射された光のビーム形状を楕円状から円形に整形し、回折格子の波長選択性を改善している。

図６は、特許文献１に記載されている従来の波長可変光源の一例を示す構成説明図である。図６において、半導体レーザ１は、一方の端面１ａがたとえばＡＲコートで無反射処理され、このＡＲコートされた端面１ａから光が出射される。

レンズ２は、半導体レーザ１の出力光を平行光にして出射したり、帰還された光（以下帰還光という）を半導体レーザ１のＡＲコートされた端面１ａに集光させる。

回折格子３は、レンズ２からの光を波長分散してミラー４に出射したり、ミラー４からの反射光を再度波長分散してレンズ２に出射する。

ミラー４は、回折格子３で波長分散された回折光のうち所望の波長の光を選択して回折格子３に反射する。また、ミラー４は、リットマン配置となるように所定の点を中心に回転する。

プリズム５は、ほぼくさび形の単体のプリズムであり、レンズ２と回折格子３の光路上に設けられている。

プリズム５の半導体レーザ１からの光が入射する面を入射端面５ａとし、この入射端面５ａからの入射光を回折格子３に出射する面（つまり回折格子３からの帰還光が入射する面）を出射端面５ｂとする。

入射端面５ａには反射防止膜（ＡＲコート）がコーティングされ、出射端面５ｂには反射防止膜や所望の反射率となる部分反射膜はコーティングされない。なお、半導体レーザ１から入射端面５ａに入射する光の入射角をブリュースター角に設定した場合には、反射防止膜をコーティングしなくてもよい。すなわち、半導体レーザ１からの光は概ね直線偏光なので、半導体レーザ１から入射端面５ａへの入射光は入射端面５ａで反射することがなく全透過する。

また、半導体レーザ１、回折格子３、ミラー４などは、リットマン配置となるように構成される。プリズム５、レンズ２などの屈折媒体が外部共振器内に存在するので、ミラー４の回転移動の基準となる位置は、これらの屈折媒体がない場合の位置とは異なる。

このような構成において、半導体レーザ１の一方の端面（無反射端）１ａから出射された光はレンズ２によってコリメートされて平行光になり、プリズム５の入射端面５ａで反射されることなくプリズム５に入射される。

プリズム５に入射されたコリメート光は、プリズム５によってビーム整形（水平方向にビーム形状を拡大）され出射端面５ｂから回折格子３に出射される。回折格子３は、ビーム整形された光を１回目の波長分散してミラー４に出射する。ミラー４で所望の波長の光のみが波長選択されて回折格子３に反射され、この反射光を回折格子３が再度波長分散させて波長選択してプリズム５に出射する。

波長選択が２回行われた帰還光が、プリズム５の出射端面５ｂに入射される。このとき、プリズム５の屈折率と空気の屈折率との屈折率差によって一部の帰還光が出射端面５ｂで反射され、大部分の帰還光が出射端面５ｂで反射されることなくプリズム５に入射される。

プリズム５に入射された帰還光は入射端面５ａから出射されてレンズ２を介して半導体レーザ１に帰還され、半導体レーザ１の他方の端面とミラー４とで外部共振器が形成されてレーザ発振する。また、ミラー４を回転移動させることにより、共振器長・反射波長も変わり、所望の波長で安定したシングルモード発振を行う。

回折格子３からの帰還光のうち、プリズム５の出射端面５ｂで反射された光が出力光として出力される。ここで、プリズム５の出射端面５ｂは、出力光が回折格子３での０次光とほぼ平行（０次光の光軸とプリズム５の反射光の光軸とが平行）に出力されるように設定しておく。なお、回折格子３の０次光には、プリズム５から回折格子３に入射する光によるものと、ミラー４の反射光によるものの２種類があるが、ここでの０次光は、プリズム５から回折格子３に入射する光に対するものである。

図７も特許文献１に記載されている従来の波長可変光源の他の例を示す構成説明図であり、周囲温度が変動しても選択される波長の変動を抑えたものであって、図６と同一のものには同一符号を付している。

図７において、プリズム５は、図６の向きを反対にして設けられる。つまり図６ではプリズム５の入射端面５ａ、出射端面５ｂで形成される頂角が光軸に対して回折格子３側であったが、図７ではプリズム５の頂角がミラー４側に設けられる。

このような装置の動作について、図６とは異なる点を主に説明する。

プリズム５が回折格子３からの帰還光の一部を出射端面５ｂで反射して出力光とするが、出射端面５ｂでの反射方向（出力光の出力方向）が回折格子３とミラー４の間でなく、回折格子３の裏面側の方向に出射する。

周囲温度が変動した場合を説明する。
回折格子３に入射した光の波長分散の関係は、下記式（１）で表される。

Ｓｉｎα±Ｓｉｎβ＝Ｎ・ｍ・λ （１）
α：プリズム５から回折格子３への入射角
β：回折格子３からの出射角
Ｎ：１［ｍ］あたりのスリット数（つまり、回折格子３の溝本数であり、回折格子周期の逆数）
ｍ：回折光の次数（ｍ＝０，±１，±２，±３…）
λ：波長［ｍ］

たとえば周囲温度が高くなると、回折格子３が膨張して回折格子３の溝間隔が広がる。そのため、回折格子３、ミラー４の位置関係が変動しない場合、回折格子３、ミラー４で選択される波長は、長波長側にシフトする。

一方、周囲温度の上昇によりプリズム５の屈折率が大きくなり、屈折角も大きくなる。そのため、プリズム５から回折格子３への入射角αが小さくなりる。そのため、回折格子３、ミラー４の位置関係が変動しない場合、回折格子３、ミラー４で選択される波長は、短波長側にシフトする。

すなわち、プリズム５は、温度上昇に伴って回折格子３への入射角αを小さくすることになり、回折格子３の溝間隔の膨張による波長シフトを補償することができる。これにより、周囲温度が変動しても、選択される波長の変動を抑えることができる。

特許文献１には、図６および図７に示した波長可変光源について記載されている。

特開２００９−２６８３４号公報

しかし、従来の構成によれば、０次光や回折光を光出力として光ファイバに結合する場合に、プリズム５の硝材に起因する波長分散で波長によって平行光の角度がわずかに変化し、結果として光ファイバへの結合効率を広い波長帯域に渡って確保することが困難になるという問題がある。これは、特に波長可変範囲が１００ｎｍを超えるような広い波長可変光源では、深刻な問題になる。

また、プリズム５と回折格子３の間に別のプリズムを配置することにより、プリズム５で生じる分散を相殺する構成も考えられるが、プリズムが追加される分だけ外部共振器長が長くなり、波長選択性を高めることが困難になってしまう。

本発明は、このような従来の問題点に着目したものであり、その目的は、波長選択性が高く安定なシングルモード発振を実現するとともに、光ファイバへの結合効率を広い波長範囲で高めることができる波長可変光源を提供することにある。

このような課題を達成する請求項１の発明は、
半導体レーザの出力光が回折格子に入射されて波長選択されるとともに、前記半導体レーザと前記回折格子との間にファーフィールドパターンを水平方向に広げるための第１のプリズムが設けられた外部共振器型の波長可変光源において、
前記回折格子の０次光の光路中に、前記第１のプリズムに起因する波長分散を補償する第２のプリズムを配置したことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１記載の波長可変光源において、
前記半導体レーザは、曲がり導波路型素子であることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の波長可変光源において、
前記いずれかのプリズムの入射端面または出射端面のいずれかの入射角はブリュースター角に設定されていることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長可変光源において、
前記回折格子の格子平面と前記第１のプリズムの出射端面が直交するように配置されていることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長可変光源において、
前記第２のプリズムは０次光と回折光の波長分散補償を共通する１個のプリズムで行うことを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長可変光源において、
前記第２のプリズムは０次光と回折光の波長分散補償をそれぞれに対応する個別のプリズムで行うことを特徴とする。

これらにより、波長選択性が高く安定なシングルモード発振を実現するとともに、光ファイバへの結合効率を広い波長範囲で高めることができる。

本発明の一実施例を示す構成説明図である。 図１における回折格子３とプリズム５の配置関係説明図である。 本発明における０次光と回折光の波長分散補償構成図である。 本発明における他の０次光と回折光の波長分散補償構成図である。 本発明で用いる半導体レーザの構成例図である。 従来の波長可変光源の一例を示す構成説明図である。 従来の波長可変光源の他の例を示す構成説明図である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施例を示す構成説明図であり、図６および図７と共通する部分には同一の符号を付けている。

図１において、回折格子３から出射される０次光の光路中には、プリズム５の硝材に起因する波長分散を光学的に補償するプリズム６と、このプリズム６を透過した光を集束するレンズ７と、このレンズ７により集束された光が入射される光ファイバ８が設けられている。

プリズム６は、硝材がプリズム５と同一であればプリズム５と相似形に形成され、硝材がプリズム５と異なるものであればプリズム５の硝材に起因する波長分散を打ち消すように所定の角度に形成される。

このような構成によれば、プリズム５で発生する波長分散はプリズム６で補償されるので、光ファイバ８への結合効率を広い波長範囲に渡って高く保つことができる。

そして、波長分散を補償するプリズム６は外部共振器の外側に位置することから、外部共振器の長さが長くなることを防止でき、同時に波長選択性の低下も防止できる。

図２は、図１における回折格子３とプリズム５の配置関係説明図である。図２では、回折格子３の格子平面とプリズム５の出射端面が直交するように配置されている。このように構成することにより、ミラー４で反射された回折光は再び回折格子３で波長選択されてプリズム５の出射端面で出射端面の法線に対して対称の位置関係になるように反射されるため、０次光と回折光が平行に出力されることになる。

図３と図４は、図２の構成で出力される０次光と回折光の波長分散補償構成図である。 まず、図３では、平行に出力される０次光と回折光は、共通する１個のプリズム６に入射されている。そして、波長分散が補償された０次光と回折光は、それぞれレンズ７Ａ，７Ｂに入射されて集束された後、それぞれに対応する光ファイバ８Ａ，８Ｂに入射されている。なお、これら光ファイバ８Ａ，８Ｂは互いに平行に配置されている。

図３の構成によれば、０次光と回折光の波長分散補償を共通する１個のプリズム６で行えるとともに、平行に配置されている光ファイバ８Ａ，８Ｂの間隔はプリズム６の配置位置に応じて一義的に決まることから、装置全体をコンパクトに構成できる。

一方、図４では、平行に出力される０次光と回折光は、それぞれに対応する個別のプリズム６Ａ，６Ｂに入射されている。そして、プリズム６Ａ，６Ｂにより波長分散が補償された０次光と回折光は、それぞれレンズ７Ａ，７Ｂに入射されて集束された後、それぞれに対応する光ファイバ８Ａ，８Ｂに入射されている。

図４の構成によれば、０次光と回折光の波長分散補償をそれぞれに対応する個別のプリズム６Ａ，６Ｂで行うので、装置全体の構造的制約の範囲内でこれらプリズム６Ａ，６Ｂの配置位置を変更することにより、平行に配置されている光ファイバ８Ａ，８Ｂの間隔を用途に応じて任意に調整できる。

また、半導体レーザ１として、図５に示すように、光導波路１ｂが出射端面１ａと斜交するように形成された曲がり導波路型素子を用いることにより、出射端面１ａにおける反射が軽減されて安定した発振が得られる。

以上説明したように、本発明によれば、波長選択性が高く安定なシングルモード発振を実現するとともに、光ファイバへの結合効率を広い波長範囲で高めることができる波長可変光源が実現できる。

１ 半導体レーザ
１ａ 端面
１ｂ
２、７ レンズ
３ 回折格子
４ ミラー
５ 第１プリズム
５ａ 入射端面
５ｂ 出射端面
６ 第２プリズム
８ 光ファイバ

Claims (6)

1. 半導体レーザの出力光が回折格子に入射されて波長選択されるとともに、前記半導体レーザと前記回折格子との間にファーフィールドパターンを水平方向に広げるための第１のプリズムが設けられた外部共振器型の波長可変光源において、
   前記回折格子の０次光の光路中に、前記第１のプリズムに起因する波長分散を補償する第２のプリズムを配置したことを特徴とする波長可変光源。
2. 前記半導体レーザは、曲がり導波路型素子であることを特徴とする請求項１記載の波長可変光源。
3. 前記いずれかのプリズムの入射端面または出射端面のいずれかの入射角はブリュースター角に設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の波長可変光源。
4. 前記回折格子の格子平面と前記第１のプリズムの出射端面が直交するように配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長可変光源。
5. 前記第２のプリズムは０次光と回折光の波長分散補償を共通する１個のプリズムで行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長可変光源。
6. 前記第２のプリズムは０次光と回折光の波長分散補償をそれぞれに対応する個別のプリズムで行うことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の波長可変光源。

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