JP2823870B2 - 半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、コヒーレント光通信やコヒーレント光計測
に必要な狭スペクトル線幅レーザ光を発生させるための
半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置に関する。

（従来の技術） 半導体レーザの発振スペクトル線幅を狭くするための
半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置について種々
の提案がなされている。

半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化の方法として、
半導体レーザの外部の反射面からの反射光を半導体レー
ザに再注入する光帰還法や広帯域電気的負帰還法につい
ての実験が行われている。

光帰還法の一種として、２枚の共焦点凹面鏡から構成
された光共振器からの共振光を半導体レーザに帰還させ
る方法が知られている。

例えば、「共振光帰還による半導体レーザの周波数安
定化について」と題するダマニ等の論文 （“Frequency stabilization of semiconductor laser
s by resonant optical feedback",:B.Dahmani,L.Hollb
erg,R.Drullinger,Optics letters,Vol.12.,No.11（198
7）,pp875〜878）が知られている。

次に、この共焦点光共振器を用いた光帰還法を第９図
を参照して説明する。

半導体レーザ120からの出射光は、レンズ（121）で平
行光とされ、ビームスプリッタ122に入射させられる。

ビームスプリッタ122により反射された光はスペクト
ル線幅狭窄系へ分離される。

スペクトル線幅狭窄系は、平行光線を集束するレンズ
123,反射鏡124,共焦点光共振器126,受光素子128から構
成されている。

反射鏡124は電歪素子（PZT−φ）に支持されており、
反射鏡124の位置が微調整される。共焦点光共振器126は
２枚の凹面反射鏡を向い合せて形成されており、一方の
凹面反射鏡は電歪素子（PZT−Ｃ）に支持され共振器長
を変えられるように構成されている。

レンズ123により集束されたレーザ光は共焦点光共振
器126の２枚の凹面鏡の中心線に対して、傾いて入射さ
せられ入射点での反射光は半導体レーザ120には帰還し
ない。

凹面鏡の入射点と、他方の凹面鏡の２点間のＶ字形光
路の光路長が入射光波長の整数倍であるときに光共振器
126内に入射した光は共振させられる。

共振光は凹面鏡を透過し共振器外へ４方向に出射す
る。

４方向に出射するこの共振器出射光の１方向分は共振
器への入射光光路を戻り、半導体レーザ120に帰還す
る。

このように、光共振器126から半導体レーザ120へ帰還
する光は、光共振器126の共振特性の情報のみを持って
おり、光共振器126の共振周波数に共鳴したときだけ戻
り光か大きくなる。

そこで、半導体レーザ120は自己引き込み効果を生
じ、安定したスペクトル線幅狭窄が行われる。反射鏡12
4を支持する電歪素子（PZT−φ）は戻り光位相を最適化
するために、半導体レーザ120と光共振器126の入射部間
光路長を調整する目的で使用される。

光共振器126を構成する２枚の凹面反射鏡の一方を支
持する電歪素子（PZT−Ｃ）は前述のように共振器長を
調整し、入射光波長の整数倍として共振させる目的で使
用される。

受光素子128は、共振器126の出力のモニタに使用され
ている。

（発明が解決しようとする課題） 従来の半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置は以
上の様に主として２枚の共焦点凹面鏡で構成された光共
振器を使用している。

そのために、以下のような解決されるべき課題があ
る。

（１）共振器空洞が空気媒体のために、空気のゆらぎや
温度変化の影響を受け、共振器光路長が不安定となり、
安定したスペクトル線幅狭窄化が行われ難い。

（２）光共振器に２枚の共焦点凹面鏡を用いるので、そ
の間隔を一定に保つスペーサ，片方の凹面鏡を微動させ
る電歪素子およびそれらを保持する部品が必要である。

そのため、光共振器が大形になりやすく、小形化に適さ
ない。

（３）光共振器の構成は前述のとおりであるから光共振
器の部品点数が多く、堅牢さが不足し、外部からの振動
や、衝撃の影響を受けやすい。

（４）光共振器の共振器長を温度変動に対して一定に保
つために低熱膨張率スペーサを用い、かつ電歪素子で微
調整する必要がある。

（５）光共振器は前述のように多くの部品が必要であ
る。そのうち主要な部品には特殊な高精度加工と組立時
の困難な調整が必要である。

本発明の主たる目的は、前述の問題点を解消し、小
形、堅牢、低コストな半導体レーザのスペクトル線幅狭
窄化装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、光共振器の共振器長と導波路屈
折率が安定であることにより、安定して半導体レーザの
スペクトル線幅狭窄化を実現できる半導体レーザのスペ
クトル線幅狭窄化装置を提供することにある。

本発明のさらに他の目的は、半導体レーザのスペクト
ル線幅を狭窄化してさらに外部から変調をすることがで
きるようにした半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装
置を提供することにある。

（課題を解決するための手段） 前記目的を達成するために本発明による半導体レーザ
のスペクトル線幅狭窄化装置は、半導体レーザと、 光を低損失で伝搬する固体の導波路で光共振器空洞を
形成した光共振器と、 前記半導体レーザと光共振器入射部品との光路長をレ
ーザ波長のほぼ整数倍とし、 前記レーザ光の前記光共振器内で共振したレーザ光の
一部が前記半導体レーザへ帰還し、外部の反射面からの
反射光を半導体レーザに再注入する光帰還法を用いる半
導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置であって、 前記光共振器の入射部からの反射光光路を入射光路と
異ならしめることにより前記半導体レーザへ帰還されな
いように光路を設定する光路設定手段を設けて構成され
ている。

前記光共振器は光を低損失で伝搬する固体の２以上の
界面を高い反射率の面とし、前記第１の界面に入射され
た光の主たる反射光は前記半導体レーザに帰還されず、
内部で共振した光の一部が帰還されるようにすることが
できる。

前記光共振器の出射光の一部を受光素子で検出し、受
光素子出力を注入電流制御回路へ帰還し半導体レーザの
注入電流を制御し、前記光共振器で共振する波長のレー
ザ光を出射させ、半導体レーザと光共振器の入射部間の
光路長駆動機構により一定周波数で変調し、受光素子検
出出力と変調信号を位相敏感検波器で位相検波し、その
出力を光路長駆動機構へ帰還することにより光路長がレ
ーザ波長のほぼ整数倍を維持するように制御することが
できる。

このように、本発明による半導体レーザのスペクトル
線幅狭窄化装置は、従来の技術で用いていた２枚の共焦
点凹面鏡等から構成された光共振器にかえて、光を低損
失で伝搬する固体の導波路で光共振器空洞を形成した一
体形光共振器を用いるものであり、以下の各種の一体形
光共振器を構成品とすることができる。

（１）光を低損失で伝搬する固体の２つの以上の端面を
高反射率とした光共振器。

また光共振器の光入射部と半導体レーザ間光路長はレ
ーザ波長のほぼ整数倍に調整するか、または受光素子，
発振器，位相敏感検出器，光路長駆動機構で構成した光
路長安定化要素で安定に維持する構成とすることができ
る。

（作用） この様な構成で以下の作用により半導体レーザのスペ
クトル線幅狭窄化を行う。

半導体レーザからしの出射光は、光共振器に導かれ光
共振器の入射端面に達する。

この入射端面で反射されたレーザ光が半導体レーザに
戻らないように、入射端面に対し斜め入射をさせる。

一体形光共振器内に入射したレーザ光の波長に対し、
共振器光路長がほぼ整数倍であれば共振を生ずる。共振
光は光共振器外部へ出射される。

光共振器出射光は複数方向へ出射されるが、そのうち
の１方向は入射光軸を戻り半導体レーザへ帰還する。こ
の光共振器からの戻り光は光共振器の共振特性の情報の
みを持っており光共振器の共振周波数に共鳴した時だけ
戻り光が大きくなる。そこで半導体レーザと光共振器入
射部までの光路長がレーザ波長のほぼ整数倍の時、半導
体レーザは自己引き込み効果を生じ、安定したスペクト
ル線幅狭窄が行われる。

従来技術で用いた２枚の共焦点凹面鏡等から構成され
た光共振器に比べて、本発明の一体形共振器は共振のフ
ィネスが同等かそれ以下であり、半導体レーザへの戻り
光量も同等かそれ以下となるが、半導体レーザはわずか
な戻り光量でもスペクトル線幅狭窄化を実現できる。

この様に、本発明は一体形光共振器を用いて半導体レ
ーザの線幅狭窄化を行うために、温度安定性が良く、小
形で堅牢，低コストに作成でき、組立，調整が容易であ
る。

（実施例） 以下、図面等を参照して本発明の実施例を詳細に説明
する。

第１図は、半球体の光共振器を使用した本発明による
半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置の実施例を示
す略図である。

半導体レーザ１の後方光をスペクトル線幅狭窄化に用
い、前方光を出射光として用いている。

半導体レーザ１からの光はレンズ３で集光され、一部
が光共振器２に入射させられる。

半球形状の光共振器２は均一な光学ガラスで一体に製
作されたものである。

光共振器２の球の中心点を通る平面（Ａ面）と球面
（Ｂ面）には高反射率の反射膜コーティングを施してあ
る。

半導体レーザ１からレンズ３を介してこの光共振器２
に入射させられるレーザ光は、平面（Ａ面）中心の法線
に一定の傾きを持っている。

したがって、この中心点に斜めに入射させられたレー
ザ光のうち、反射光は（ａ）の示す方向に反射して、半
導体レーザ１には戻らない。

光共振器２に前述のように入射させられたレーザ光
は、まず（ｄ）の方向に進み球面（Ｂ面）で反射させら
れ入射点に戻り、入射点で（Ｃ）の示す方向に反射させ
られ球面（Ｂ面）で反射させられる。

このようにしてＡ面の一点とＢ面の２点間でＶ字形の
繰り返し反射光路が形成されるこの光路の光路長がレー
ザ光波長の整数倍となるときに共振させられる。

光共振器２内で共振しているレーザ光は共振器外部へ
漏れ出し、（ａ），（ｂ），（ｃ）および（ｄ）の４方
向へ伝搬させられる。

そのうち、光共振器２への入射往路に逆光する（ｂ）
の方向への出射光のみが半導体レーザ１への戻り光とな
る。

半導体レーザ１と光共振器２の入射点間の光路長が、
半導体レーザ１の発生するレーザ波長のほぼ整数倍とな
るように設定すると、半導体レーザ１は自己引き込み効
果を生じ、安定したスペクトル線幅狭窄が行われる。

この実施例は最も容易に入手できる半球体を利用した
光共振器２を用いたが光共振器２の曲面が回転楕円面状
や回転放物面状であっても、前述と同様なＶ字形の繰り
返し反射光路を形成することができ、同様に光共振器２
を形成させることができる。

またこの実施例では、半導体レーザ１の後方光をスペ
クトル線幅狭窄化に用い、前方光を出射光として用いて
いるが、前方光を光分岐結合素子で２分割し、一方をス
ペクトル線幅狭窄化に用い、他方を出射光としても同様
である。

第２図に示されている装置は前記実施例とほぼ同一の
原理で動作する他の実施例を示す。

この実施例は前記半球体の光共振器２の代わりに半円柱
体光共振器22を使用している。

半円柱体光共振器22は光学ガラス等を素材とした半円
柱形状である。

光共振器22の平面と柱状の面には高反射率の反射膜コ
ーティングを施してある。前述の実施例と同様に入射平
面と、柱状の面の２点間でＶ字形の繰り返し反射光路が
形成され、その光路長がレーザ光波長の整数倍となると
きに共振させられる。そして、半導体レーザ１と光共振
器22の入射点間の光路長が、半導体レーザ１の発生する
レーザ波長のほぼ整数倍となるように設定すると、半導
体レーザ１は自己引き込み効果を生じ、安定したスペク
トル線幅狭窄が行われる。

第３図に示す装置も前記第１図と第２図に示した実施
例とほぼ同一の原理で動作する他の実施例を示す。

この実施例は光共振器23として断面が２等辺３角形状
をした光学ガラスの角柱を使用している。光共振器23の
３平面には高反射率の反射膜コーティングを施してあ
る。

前述の実施例と同様に入射平面と、他の面の２点間で
Ｖ字形の繰り返し反射光路が形成され、その光路長がレ
ーザ光波長の整数倍となるときに共振させられる。そし
て、半導体レーザ１と光共振器23の入射点間の光路長
が、半導体レーザ１の発生するレーザ波長のほぼ整数倍
となるように設定すると、半導体レーザ１は自己引き込
み効果を生じ、安定したスペクトル線幅狭窄が行われ
る。

第４図は、光共振器24としてエタロンを用いたさらに
他の実施例である。ここで使用するエタロンは、ガラス
または水晶の極めて平面度の良い平行平面板の両面に金
属膜または誘電体層を着けて反射率をあげた光学素子で
ある。入射平面と、他の面で繰り返し反射光路が形成さ
れ、その光路長がレーザ光波長の整数倍となるときに共
振させられる。

そして、半導体レーザ１→レンズ３→ビームスプリッ
タ４→反射鏡５→光共振器24の光路長と、半導体レーザ
１→レンズ３→ビームスプリッタ４→反射鏡６→光共振
器24の各光路長が半導体レーザ１の発生するレーザ波長
のほぼ整数倍となるように設定する。

半導体レーザ１からの出射光がレンズ３により平行光
となり、ビームスプリッタ４で２分割され反射鏡5,6で
それぞれ反射されエタロンにより形成される光共振器24
に入射させられる。このとき、光共振器24を形成するエ
タロンの反射面の法線をレーザ光光軸に対しわずかに傾
けて取りつけることにより入射面からの反射光が半導体
レーザ１へ戻らないように設定してある。

光共振器24を形成するエタロンへの入射光がこのよう
にわずかな入射角を持つとき、実質的フィネス（finess
e）は低下するが、半導体レーザ１のスペクトル線幅狭
窄化作用は前例と同様に発生する。

第５図に示した実施例装置は、第４図に示した実施例
と多くの共通する構成を持つさらに他の実施例である。

この実施例は前記第４図に示した実施例で用いられた
エタロンを用いた光共振器24の代わりに、両端面高反射
率の反射膜を施した光ファイバにより光共振器26を形成
している。

光ファイバによる光共振器26の両端に集光レンズ10,1
1をそれぞれ配置してある。

光ファイバによる光共振器26の両端面は入射光軸に対
して斜めに設定し、端面での反射光が直接半導体レーザ
１に戻らないようにしてある。

第６図に示されている装置は、第１図に示した基本的
な実施例に長期安定化制御系を組み込み、より具体化し
た半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置の実施例を
示す略図である。

半導体レーザ１は注入電流制御回路31からインダクタ
ンスＬを介して電流を供給され、レーザ発振させられる
ことによりレーザ光を出射する。

半導体レーザ１からのレーザ光はレーザ３で集光され
第１図に関連して説明した形状を備える光共振器２に入
射させられる。

光共振器２の入射面からの反射光が半導体レーザ１に
は戻らないように入射角をつけてあることは前述のとお
りである。

光共振器２からの出射光の一部を受光素子34で検出
し、注入電流制御回路31へフィードバックする。

これにより、注入する電流制御回路31は、半導体レー
ザ１の発振光が光共振器２で共振する波長になる様に注
入電流を制御する。

また、光路長可変駆動機構32に発振器36より定周波の
変調をかけ、半導体レーザ１と光共振器２の入射部間光
路長を変調し、受光素子34の出力と発振器36の出力信号
を位相敏感検出器35で位相検波し、位相ずれ出力を光路
長可変駆動機構の電歪素子33にフィードバックし、半導
体レーザ１と光共振器２の入射部間光路長がレーザ波長
のほぼ整数倍となる様に制御する。

この構成により、長期にわたり、かつ環境条件変化に
対し安定した半導体レーザの線幅狭窄化装置を実現でき
る。

また、本構成では、半導体レーザ１の注入電流に外部
変調入力を重畳すれば、レーザ光周波数を変調すること
ができる。

このとき外部変調入力を注入制御回路31へ流入させな
いためにリアクタンス（Ｌ）を組み込む。外部変調周波
数fmは、光共振器２の自由スペクトル域（FSR）に対
し、次の関係が成り立ったとき高い変調効率を得ること
ができる。

fm＝ｎ・FSR ただし、ｎは有理数である。

次に本発明による半導体レーザのスペクトル線幅狭窄
化装置によるスペクトル線幅狭窄化の実験データの一例
を示す。

第７図は、第１図に示した形式の装置の実験データを
得るための実験装置の光路図である。

第８図は、測定結果を示すグラフである。

SLは第１図の半導体レーザ1,FPRは同じく光共振器2,L
1およびL2は同じく第１図のレンズ２に相当する。L1は
コリメートレンズ,L2は集光レンズ,BSは測定光を抽出す
るためのビームスプリッタである。

各要素の仕様は次のとおりである。

SL…半導体レーザ（日立製）HLP1400 L1…コリメートレンズ（オリンパス製）AV8030 L2…集光レンズ（オリンパス製）AV1815 BS…ビームスプリッタ（HOLA製）5mm角 FPR…光学ガラス材料，半径5mm,反射面の反射率90％，
光軸に対し約５度傾けて設定 線幅測定系…遅延自己ヘテロダイン法，分解能約100K
HZ 第８図に示す曲線は半導体レーザ単体の測定値で線
幅（半値全幅）は40MHZである。

は前記実験により得られた狭窄後の曲線であるが、
この図面よりは解読できない。拡大して取得したデータ
から約100KHZという値を得ている。

（発明の効果） 本発明による半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装
置は以上のように構成されているので次のような効果が
ある。

光共振器は光学ガラス素材で半円球形状とした構造例の
ように、温度変化による変形が小さいか、小さく制御す
ることが容易である。

そして、小形、軽量で堅牢であり、低コストに作成で
きる。

共振器空洞は光導波媒体である固体であり、空気媒体
の様に空気のゆらぎや温度変化の影響を受け、共振器光
路長が不安定となることがない。

本発明による半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装
置では、前述のように光共振器の共振周波数に共鳴した
レーザ光のみを半導体レーザに帰還することにより、半
導体レーザは自己引き込み効果を生じ安定したスペクト
ル線幅狭窄が行われる。この構成は、光共振器と半導体
レーザを主構成部品としており、少ない部品で簡単な光
軸調整で安定したスペクトル線幅狭窄化装置を作成でき
る。

外乱に対する一体形光共振器の安定性の良さを生か
し、光共振器の共振周波数が半導体レーザの発振周波数
のほぼ整数倍となるよう注入電流を制御するフィードバ
ック系と、光共振器から半導体レーザ間の光路長をレー
ザ波長のほぼ整数倍に維持するよう光路長を制御するフ
ィードバック系を構成要素とした本発明装置は、長期に
わたり安定して半導体レーザのスペクトル線幅の狭窄化
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、半球体の光共振器を使用した本発明による半
導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置の基本的な実施
例を示す略図である。 第２図は、半円柱体光共振器を使用した本発明による半
導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置の実施例を示す
光路図である。 第３図は、断面が角柱の光共振器を使用した本発明によ
る半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置の実施例を
示す光路図である。 第４図は、エタロンを光共振器として用いた半導体レー
ザのスペクトル線幅狭窄化装置の実施例を示す光路図で
ある。 第５図は、光ファイバを光共振器として用いた半導体レ
ーザのスペクトル線幅狭窄化装置の実施例を示す光路図
である。 第６図に示されている装置は、第１図に示した基本的な
実施例に長期安定化制御系を組み込み、より具体化した
半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置の実施例を示
す略図である。 第７図は、半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置の
スペクトル線幅狭窄化のデータを得るための実験装置を
示す略図である。 第８図は、前記実験装置により得られた測定結果を示す
グラフである。 第９図は、すでに提案されている半導体レーザのスペク
トル線幅狭窄化装置を示す略図である。 １……半導体レーザ 2,21〜26……光共振器 ３……半導体レーザの集光レンズ ４……ビームスプリッタ 5,6……反射鏡 10,11……レンズ 31……注入電流制御回路 32……光路長可変駆動機構 33……光路長可変駆動機構のPZT 34……受光素子 35……位相敏感検波器 36……発振器

フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−219587（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−94697（ＪＰ，Ａ) 特開 昭52−153685（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−186489（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−55983（ＪＰ，Ａ) 特開 昭64−73692（ＪＰ，Ａ) 特公 昭46−24299（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/18,3/133

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体レーザと、 光を低損失で伝搬する固体の導波路で光共振器空洞を形
   成した光共振器と、 前記半導体レーザと光共振器入射部品との光路長をレー
   ザ波長のほぼ整数倍とし、 前記レーザ光の前記光共振器内で共振したレーザ光の一
   部が前記半導体レーザへ帰還し、外部の反射面からの反
   射光を半導体レーザに再注入する光帰還法を用いる半導
   体レーザのスペクトル線幅狭窄化装置であって、 前記光共振器の入射部からの反射光光路を入射光路と異
   ならしめることにより前記半導体レーザへ帰還されない
   ように光路を設定する光路設定手段を設けて構成したこ
   とを特徴とする半導体レーザのスペクトル線幅狭窄化装
   置。
2. 【請求項２】前記光共振器は光を低損失で伝搬する固体
   の２以上の界面を高い反射率の面とし、前記第１の界面
   に入射された光の主たる反射光は前記半導体レーザに帰
   還されず、内部で共振した光の一部が帰還されるように
   した請求項１記載の半導体レーザのスペクトル線幅狭窄
   化装置。
3. 【請求項３】前記光共振器の出射光の一部を受光素子で
   検出し、受光素子出力を注入電流制御回路へ帰還し半導
   体レーザの注入電流を制御し、前記光共振器で共振する
   波長のレーザ光を出射させ、半導体レーザと光共振器の
   入射部間の光路長駆動機構により一定周波数で変調し、
   受光素子検出出力と変調信号を位相敏感検波器で位相検
   波し、その出力を光路長駆動機構へ帰還することにより
   光路長がレーザ波長のほぼ整数倍を維持するように制御
   した請求項１記載の半導体レーザのスペクトル線幅狭窄
   化装置。