JP2021141106A

JP2021141106A - 発振調整方法

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Publication number: JP2021141106A
Application number: JP2020034944A
Authority: JP
Inventors: 哲至高野; Tetsushi Takano
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2040-03-02
Also published as: JP7453519B2

Abstract

【課題】体積ブラッグ回折格子を用いた外部共振器半導体レーザの発振調整を容易にする。【解決手段】発振調整方法において、半導体レーザからの光を第１の光路と第２の光路に分岐して前記第１の光路で外部共振器を形成して単一縦モード発振させ、前記第２の光路に体積ブラッグ回折格子を配置し前記体積ブラッグ回折格子による回折光が前記半導体レーザに戻るように、前記第２の光路の光軸に対する前記体積ブラッグ回折格子の角度を調整し、前記体積ブラッグ回折格子の角度調整の後に、前記第１の光路を遮断して前記体積ブラッグ回折格子で発振するように前記体積ブラッグ回折格子の位置を調整する。【選択図】図５

Description

本発明は、発振調整方法に関し、特に体積ブラッグ回折格子を用いた外部共振器半導体レーザの発振調整方法に関する。

体積ブラッグ回折格子を使用して外部共振器を構成することで単一縦モード動作させた外部共振器半導体レーザが知られている（たとえば、特許文献１参照）。外部共振器半導体レーザでは、波長選択格子によって一部のスペクトルのみを選択的に光フィードバックすることにより、特定の波長のみで狭線幅のレーザ発振が可能である。特に、体積ブラッグ回折格子を用いた外部共振器半導体レーザは、従来の手法（例えば、回折格子の波長選択性を用いる方法）と比較し、ブラッグ回折を用いるために角度のずれに対しても発振波長が変わりづらい等の性質を有する。

通常の回折格子は、入射光線を、波長に応じて様々な角度に回折する。幅広い入射角で回折が見えるため、回折光線を目安にして発振調整が可能である。これに対し、体積ブラッグ回折格子は、ブラッグ回折を基本にするため、高度の波長選択性を有する。体積ブラッグ回折格子は、所定の入射角に対して、ブラッグ条件を満たす波長（ブラッグ波長）成分のみを回折し、それ以外の光を透過させる。体積ブラッグ回折格子を用いて外部共振器を構成する場合、半導体レーザ単体のスペクトル幅が、体積ブラッグ回折格子の波長幅よりも広いため、ごく一部の光しか回折しない。したがって、目安となる回折光が見えにくく、レーザの発振調整が困難である。

特開２０１５−８８５０５号公報

本発明は、体積ブラッグ回折格子を用いた外部共振器半導体レーザの発振調整を容易にすることを目的とする。

本発明の一つの側面において、発振調整方法は、
半導体レーザからの光を第１の光路と第２の光路に分岐して、前記第１の光路で外部共振器を形成して単一縦モード発振させ、
前記第２の光路に体積ブラッグ回折格子を配置し、前記体積ブラッグ回折格子による回折光が前記半導体レーザに戻るように、前記第２の光路の光軸に対する前記体積ブラッグ回折格子の角度を調整し、
前記体積ブラッグ回折格子の角度調整の後に、前記第１の光路を遮断して、前記体積ブラッグ回折格子で発振するように前記体積ブラッグ回折格子の位置を調整する。

上記の手法により、体積ブラッグ回折格子を用いた外部共振器半導体レーザの発振調整が容易になる。

実施形態の発振調整方法の第１ステップの模式図である。実施形態の発振調整方法の第２ステップの模式図である。実施形態の発振調整方法の第３ステップの模式図である。実施形態の発振調整方法の第４ステップの模式図である。反射器による単一縦モード発振と、レーザ出力光、及び体積ブラッグ回折格子の設計波長を示す模式図である。体積ブラッグ回折格子の特性を説明する模式図である。体積ブラッグ回折格子の特性を説明する模式図である。実施形態の発振調整方法のフローチャートである。

図１Ａ〜図１Ｄは、実施形態の発振調整方法の手順を示す模式図である。上述したように、体積ブラッグ回折格子（ＶｏｌｕｍｅＢｒａｇｇＧｒａｔｉｎｇ；以下、適宜「ＶＢＧ」と略称する）は通常の回折格子と異なり、特定の波長の光が特定の角度で入射したときのみ光を回折する。そのため、ＶＢＧで外部共振器を構成して半導体レーザを単一縦モード発振させるときに、可視光レーザであっても調整の目安となる光が見えにくく、発振調整が難しい。そこで、実施形態では、スペクトルをブラッグ波長近傍にあらかじめ集中させることで発振調整を容易とする。

実施形態では、図１Ａ〜図１Ｄの手順で調整することで、ＶＢＧを用いた外部共振器半導体レーザ（ＥｘｔｅｒｎａｌＣａｖｉｔｙＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ；以下、「ＥＣＬＤ」と称する）の発振調整が容易になる。

（第１ステップ）
図１Ａで、半導体レーザ１（以下、「ＬＤ１」と称する）の出力光を、偏光ビームスプリッタ４（以下、「ＰＢＳ４」と称する）や部分反射ミラー等で、第１の光路Ｐ１と第２の光路Ｐ２に分岐し、第１の光路Ｐ１で外部共振器を形成して単一縦モード発振させる。ＬＤ１の一方の端面は反射防止（ＡＲ）面、もしくは部分反射（ＰＲ）面１ａとなっており、他方の端面は高反射面１ｂである。ＡＲ面の反射率は５％未満が好ましく、１％以下がより好ましい。ＰＲ面の反射率は５％〜５０％が好ましく、１０％〜３０％がより好ましい。高反射面の反射率は９５％以上が好ましく、９８％以上がより好ましい。

第１の光路Ｐ１に波長選択性の反射器３が配置され、反射器３と、ＬＤ１の高反射面１ｂとで、共振器が形成される。反射器３として、通常の回折格子を用いてもよいし、干渉フィルタまたは分布ブラッグ反射器のいずれかと、ミラーとを組み合わせた構成を採用してもよい。反射器３で形成される外部共振器を、便宜上、「第１共振器（以下、「ＥＲ１」と称する）」と呼ぶ。後のステップでＶＢＧとＬＤ１との間に構成される外部共振器と区別するためである。

ＬＤ１とＰＢＳ４との間に、半波長板２が挿入されてもよい。半波長板２は、入射光が直交する２つの直線偏光成分に１８０度の位相差を与える。その結果、直線偏光を入射した際に、その偏光面を任意の角度に回転することができる。ＬＤ１からの出力光の偏光方向を回転させることにより、ＰＢＳ４への入射角と反射角を調整できる。また、ＬＤ１と半波長板２との間に、コリメートレンズが挿入されていてもよい。

ＰＢＳ４の分岐比は、たとえば１対１であるが、これに限定されず、適切な分岐比を設計することができる。ＰＢＳ４で反射された偏光成分は、反射器３に入射し、反射器３からの戻り光は、ＰＢＳ４で反射され、半波長板２を通ってＬＤ１の活性層に入射する。反射器３とＬＤ１との間の光の反復により、ＬＤ１はＥＲ１の共振波長で単一縦モード発振する。

第２の光路Ｐ２上に波長計５が配置され、ＰＢＳ４の透過光を測定して、ＥＲ１を用いた単一縦モードの発振波長をモニタする。波長計５で測定される波長が、目的の波長になるように、第１の光路Ｐ１の光軸に対する反射器３の波長選択域が調整される。第１ステップは、ＬＤ１を単一縦モード発振させる手順である。換言すると、発振前のＬＤ１のブロードな波長スペクトルを、ブラッグ波長を含む特定の波長範囲に絞り込む手順である。可視光を出力するＬＤ１を用いる場合でも、最初からＬＤ１の発振波長を、狭い幅のＶＢＧ波長に合わせ込むのは困難である。第１ステップを行うことで、ＬＤ１の出力光のスペクトルを、ブラッグ波長の近傍の発振波長に絞り込むことができる。

反射器３の角度は、ＥＲ１の共振波長、すなわち、単一縦モード発振の中心波長が、ＶＢＧの設計波長（入射した方向と回折する方向とが等しくなるブラッグ波長）よりも若干、短波長側にシフトするように調整されてもよい。後のステップで、ＶＢＧを第２の光路Ｐ２に組み込む際に、ＶＢＧで回折される光の量は入射光の光量に比べて少ない。ＶＢＧで回折された光が、単一縦モード発振してＶＢＧに入射した光と同じ光路をたどってＬＤ１に向かうと、ＶＢＧの回折光が入射レーザ光に埋もれて、回折光をＬＤ１の活性層へ戻す調整が困難になる。波長計５でモニタする共振波長を、ＶＢＧの設計波長よりも若干短波長側に設定することで、ＶＢＧの回折光を入射光の光路からわずかに逸れた状態で、ＬＤ１に戻すことができる。この詳細については、図１Ｂを参照して後述する。

図２は、ＥＲ１による発振波長の絞り込みを説明する図である。ＬＤ１が一般的な利得導波路型のレーザダイオードである場合、単一縦モード発振する前のＬＤ１の出力光のスペクトルには、多数のピークが含まれている。マルチ縦モードの平均的な分布をとると、図２のように、広い波長範囲に拡がるスペクトルとなる。

第１の光路Ｐ１に適切な角度で反射器３を配置することで、ＬＤ１をＥＲ１の共振波長で単一縦モード発振させることができる。ＥＲ１の共振ピーク波長が、ＶＢＧの設計波長λ_０よりもやや短波長側にあるように、反射器３の角度が調整される。

ＶＢＧの回折波長幅をΔλとすると、ＥＲ１の共振の中心波長λresntが、
λresnt＝λ_０−ｂΔλ （０．５＜ｂ＜３．０）
となるように、反射器３の角度を調整してもよい。ここで、ｂは係数である。ｂの値は、一例として、０．５よりも大きく、３．０よりも小さい範囲、より好ましくは、１．０以上、２．５以下である。ｂの値が０．５以下では、ＶＢＧの回折光と入射光を区別することが難しい。ｂの値が３．０を超えると、ＶＢＧの回折光の方向が第２の光路Ｐ２から逸脱しすぎて、回折光をＬＤ１に戻すことが難しい。第１の光路Ｐ１で、反射器３の角度を適切に調整することで、ＥＲ１によるＬＤ１の単一縦モード発振波長を、ＶＢＧの回折光の波長よりもやや短波長側に設定することができる。

（第２ステップ）
ＬＤ１を単一縦モード発振させた後に、図１Ｂで、ＶＢＧ７を第２の光路Ｐ２に配置して、ＶＢＧ７による回折光ＬdifがＬＤ１に戻るように、第２の光路Ｐ２の光軸に対するＶＢＧ７の角度を調整する。

ＶＢＧ７は、ガラスに屈折率異方性の層が幾千も形成された回折格子であり、層（界面）の積み重ね方向の厚さは、立体と呼べる程度に厚く形成されている。実施形態では、一例として、５ｍｍ×５ｍｍ×２．５ｍｍのＶＢＧ７を用いた。ＶＢＧ７内部の界面で反射された光が強め合う条件のときに、回折が起きる。

図３、及び図４は、ＶＢＧ７の特性を説明する模式図である。図３は、ＶＢＧ７を上面から見た図である。ＶＢＧ７には、多くの屈折率異方性の層７１が一定の周期Λで形成されている。ＶＢＧ７の内部の周期的な屈折率分布により、限られた入射角θと波長λ_Ｂの組み合わせの光だけが回折され、それ以外の光は透過する。一般的には、屈折率異方性の層７１は、ＶＢＧ７の入射面と平行に配置されるのではなく、所定の角度を持って形成されている。

図４で、説明を簡単にするために、多数の屈折率異方性の層がＶＢＧ７の入射面と平行に設けられる場合を考える。ＶＢＧ７でブラッグ回折が起きる条件は、
２ｎ_０Λｃｏｓθ＝λ_Ｂ
が満たされるときである。ここで、ｎ_０はガラス本体の屈折率である。ここでは、一般的な光学の分野で用いられる入射角（入射面の法線と入射光が成す角度）をθとして説明する。この条件をブラッグ条件と呼ぶ。

θ＝０のとき、すなわち、入射光が回折面に対して垂直に入射するときに、λ_Ｂは最大になる（ｃｏｓθ＝１）。入射光の波長λがλ_０＝２ｎ_０Λを満たすときに、θ＝０であり、光は入射した方向に回折される。ここでは、このλ_０をＶＢＧの設計波長と定義する。

実際は、ＶＢＧ７への入射光線波長λ_inが、

を満たすとき、入射光は効率よく回折される。同様に、

の範囲の入射角θinで入射した光が効率よく回折される。

実施形態では、一例として、設計波長λ_０が、４９６．２３±０．１２ｎｍ、回折波長幅Δλが、０．０５ｎｍ程度のＶＢＧ７を用いた。第２ステップでは、このＶＢＧ７を、ＶＢＧ７の最終的な配置位置よりもＬＤ１から離れた位置において、回折面の角度を調整する。ＶＢＧ７の角度をＬＤ１から離れた位置で調整するのは、ＶＢＧ７がＬＤ１から離れるほど、第２の光路Ｐ２でＶＢＧ７に入射する光と、ＶＢＧ７の回折光Ｌdifとを区別しやすくなるからである。実施形態では、一例として、ＶＢＧ７をＬＤ１から３０ｃｍ程度離して、第２の光路Ｐ２上に配置した。

ＬＤ１からＰＢＳ４を透過してＶＢＧ７に入射する光は、ＥＲ１により単一縦モード発振した光である。上述のように、単一縦モード発振した光の中心波長は、ＶＢＧ７の設計波長よりも若干、短波長側に設定されている。そのため、入射レーザ光に含まれるほぼすべての光が、ブラッグ条件を満たす、入射レーザ光の光軸からわずかに逸れた方向に回折される。ＬＤ１からＶＢＧ７までの距離を長くとることで、回折光Ｌdifの偏向が認識しやすくなる。回折光Ｌdifが見える状態で、ＶＢＧ７の角度を調整して回折光Ｌdifの方向を第２の光路Ｐ２に合わせ込むことで、回折光Ｌdifを精度良く、ＬＤ１の活性層に入射させる。

ＶＢＧ７の角度調整で、ＶＢＧ７への入射光と、ＶＢＧ７からの回折光Ｌdifは、同じ高さ位置（Ｙ方向の位置）にある。ＶＢＧ７への入射光のうち、所定の角度で入射したＶＢＧ波長の光だけが回折され、入射光の光軸から若干逸れて、Ｘ−Ｚ面内をＬＤ１に向かって伝搬する。

ＶＢＧ７の角度調整は、ＬＤ１の発振パワーやモニタ電流値が最大となるように調整されてもよい。発振パワーをモニタする場合は、パワーメータをＶＢＧ７の透過側に配置してパワーを測定してもよい。ＬＤ１の出力を電流測定する場合は、ＬＤパッケージに設置されたフォトダイオード（ＰＤ）８の電流値が最大となるように角度調整してもよい。

ＰＤ８でモニタされる電流値は、ＥＲ１で得られる中心波長λresntの光と、ＶＢＧ７で得られる中心波長λ_０の回折光を足し合わせた光の強さを表わす。反射器３の角度は、第１ステップで単一縦モード発振させるときに調整されているので、ＰＤ８の電流値を最大にするＶＢＧ７の角度が、回折光ＬdifをＬＤ１の活性層に戻すことのできる正しい角度である。

（第３ステップ）
図１Ｃで、反射器３が置かれた第１の光路Ｐ１を遮断し、ＶＢＧ７を、第２ステップで角度調整した位置から、第２の光路Ｐ２に沿って徐々にＬＤ１に近づけて、ＶＢＧ７単体で単一縦モード発振するように調整する。この時点では、反射器３を第１の光路Ｐ１上に置いたままの状態で、第１の光路Ｐ１を遮る。ＶＢＧ７からの回折光Ｌdifを見失ったときに、直ちに第１の光路Ｐ１を光学的に接続して、ＬＤ１を単一縦モード発振させるためである。

第１の光路Ｐ１を遮断するときに、半波長板２をＸ−Ｚ面内で回転させて、ＬＤ１の出力光のほぼすべてがＶＢＧ７が配置された第２の光路Ｐ２に透過するように調整してもよい。

第２ステップでの角度調整により、ＶＢＧ７からの回折光ＬdifがＬＤ１の活性層に入射するように調整されている。第３ステップでは、ＶＢＧ７を適切な位置までＬＤ１に近づけることで、ＶＢＧ７だけでＬＤ１を単一縦モード発振させ、かつ最終的なレーザ装置のサイズをコンパクトにすることができる。

たとえば、ＶＢＧ７の透過側にパワーメータ１２を接続して、単一のピークが最大パワーで発生するように、ＶＢＧ７の位置を調整する。一例として、ＶＢＧ７を、ＬＤ１から３０ｃｍ程度離れた位置から、５ｍｍ程度の距離まで近づけてもよい。第２の光路Ｐ２に沿ったＶＢＧ７の位置移動の間に、あるいは、ＶＢＧ７の最終位置が決まった時点で、単一ピークの強度が最大となるように、ＶＢＧ７の角度を、ＶＢＧ７の配置面と平行な面内で回転させて、再度調整してもよい。

（第４ステップ）
図１Ｄで、ＶＢＧ７単体でのＬＤ１の単一縦モード発振の後に、ＶＢＧ７とＬＤ１を除く不要な光学素子を除去する。実施形態の構成では、半波長板２、反射器３、ＰＢＳ４を除去する。ＬＤ１とＶＢＧ７は調整された位置関係と角度関係で、レーザ装置のパッケージ内に配置されてもよい。これにより、高強度かつ狭帯域の外部共振器型の半導体レーザ装置が得られる。

図５は、実施形態の発振調整方法のフローチャートである。ＬＤの出力光を、第１の光路（Ｐ１）と第２の光路（Ｐ２）に分岐する（Ｓ１）。上述した実施形態ではＰＢＳ４を用いて、ｓ偏光の反射光とｐ偏光の透過光に分岐させていたが、１対１の分割比率を持つ無偏光ビームスプリッタで、ＬＤの出射光を第１の光路（Ｐ１）と第２の光路（Ｐ２）に分割してもよい。

次に、第１の光路（Ｐ１）で外部共振器を形成して、ＬＤを単一縦モード発振させる（Ｓ２）。実施形態では、第１の光路（Ｐ１）に配置される反射器として通常の回折格子を用い、ＬＤの高反射面との間に外部共振器を形成していたが、干渉フィルタとミラーの組み合わせ、分布ブラッグ反射器とミラーの組み合わせなどを用いてもよい。

上述のように、反射器でＬＤ１を単一縦モード発振させるときに、第１の光路（Ｐ１）に対する反射器の角度を調整することで、単一縦モードの発振波長を、ＶＢＧ波長よりも若干、短波長側に設定してもよい。

次に、第２の光路（Ｐ２）にＶＢＧを配置して、第２の光路（Ｐ２）に対する回折面の角度を調整する（Ｓ３）。角度調整は、ＶＢＧがＬＤから十分に離れた位置で行うことが望ましい。単一縦モード発振した入射光の波長よりも、ＶＢＧの設計波長をわずかに長波長とすることで、ＶＢＧの回折光を入射光と区別しやすくなる。

次に、第１の光路（Ｐ１）を遮断して、ＶＢＧ単独で発振するようにＶＢＧの位置、及び／または角度を調整する（Ｓ４）。この位置調整で、ＥＣＬＤを単一かつ最大のピークで発振させる。

最後に、反射器、ビームスプリッタ等の不要な光学素子を除去して、ＶＢＧとＬＤで形成されるレーザ装置から、高強度、かつ狭帯域のレーザ光を出力する（Ｓ５）。実施形態の発振調整方法により、ＶＢＧを用いた半導体レーザの発振調整が容易になる。

このように発振調整されたレーザ装置は、非常に狭いスペクトル幅の光を出力することができ、環境計測、分光分析、医療など、多様な分野に適用することができる。

１半導体レーザ
２半波長板
３反射器
４偏光ビームスプリッタ
５波長計
７体積ブラッグ回折格子
１２パワーメータ

Claims

半導体レーザからの光を第１の光路と第２の光路に分岐して、前記第１の光路で外部共振器を形成して単一縦モード発振させ、
前記第２の光路に体積ブラッグ回折格子を配置し、前記体積ブラッグ回折格子による回折光が前記半導体レーザに戻るように、前記第２の光路の光軸に対する前記体積ブラッグ回折格子の角度を調整し、
前記体積ブラッグ回折格子の角度調整の後に、前記第１の光路を遮断して、前記体積ブラッグ回折格子で発振するように前記体積ブラッグ回折格子の位置を調整する、
ことを特徴とする発振調整方法。
前記体積ブラッグ回折格子の角度調整は、前記単一縦モード発振した光の波長が、前記体積ブラッグ回折格子による前記半導体レーザへ戻る回折光の波長よりも、短波長側にシフトするように調整されることを特徴とする請求項１に記載の発振調整方法。
前記体積ブラッグ回折格子の位置調整は、前記体積ブラッグ回折格子を前記半導体レーザに近づける移動を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の発振調整方法。
前記体積ブラッグ回折格子の前記位置調整は、前記移動と同時に、または前記移動の後に、前記体積ブラッグ回折格子を前記体積ブラッグ回折格子の配置面と平行な面内で回転させる調整を含むことを特徴とする請求項３に記載の発振調整方法。
前記外部共振器の形成は、前記第１の光路への反射器の配置を含み、
前記反射器の角度を所望の共振波長が得られる角度に調整することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発振調整方法。
前記体積ブラッグ回折格子の位置調整が完了した後に、前記反射器を除去することを特徴とする請求項５に記載の発振調整方法。
前記反射器は、回折格子である請求項５または６に記載の発振調整方法。
前記反射器は、干渉フィルタまたは分布ブラッグ反射器のいずれかと、ミラーと、を有する請求項５または６に記載の発振調整方法。
前記半導体レーザからの光を、偏光ビームスプリッタによって前記第１の光路と前記第２の光路に分岐し、
前記体積ブラッグ回折格子の位置調整が完了した後に、前記偏光ビームスプリッタを除去することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の発振調整方法。