JP3459081B2 - 外部キャビティレーザ - Google Patents
外部キャビティレーザInfo
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は広義にはレーザに関し、
より詳細にはエタロンを使用して安定化する、回折格子
による同調型、外部キャビティ半導体レーザに関する。 【０００２】 【従来技術とその問題点】ヘテロダイン法を用いる将来
の光通信システムには、同調可能な単周波数で線幅の小
さい半導体レーザが必要となる。かかるレーザシステム
は、離れた受信機に光エネルギを送出するために、変調
されそして光ファイバ・ケーブルに結合される。この種
のレーザ光学システムは現在使用されているシステムよ
り帯域幅の点で明らかにすぐれており、これは高ビット
レート・長距離の光通信システムに対しては魅力的なも
のである。 【０００３】ヘテロダイン信号分析のようなヘテロダイ
ン通信および他のコヒーレントな（単周波数）応用にと
って、モノリシック単周波数レーザの線幅（光学的帯域
幅）は許容可能なシステム性能を得るのに充分なだけ小
さくない場合がある。しかし、外部キャビティの、回折
格子による同調型半導体レーザはかかる応用（アプリケ
ーション）に必要な狭い帯域幅と同調範囲をもってい
る。 【０００４】外部キャビティレーザの狭い帯域幅は光学
ヘテロダイン・スペクトル分析装置において特に重要で
ある。これらのシステムでは、かかる装置に用いられる
局部発振器の線幅は試験される信号の線幅よりはるかに
小さくなければならない。さらに、局部発振器の縦サイ
ドモード（ｓｉｄｅｍｏｄｅ）抑制比は非常に高く、３
０ｄｂを越えていなければならない。これは、局部発振
器のいかなるサイドモードも試験される信号のスペクト
ルの特徴と区別することができないからである。 【０００５】回折格子による同調型外部キャビティの半
導体レーザの設計は当該技術分野において周知である。
外部キャビティレーザの設計の一例が米国特許４，９４
２，５８３号に開示されている。 【０００６】外部キャビティレーザの問題点の一つは、
同調の間、あるいはレーザ出力を最大とするためにバイ
アス電流を増大させるとき、二つあるいはそれ以上の縦
モード周波数（多モード）の間でホップする。（スイッ
チする）傾向があることである、多モード動作は外部キ
ャビティレーザの帯域幅が、一つの動作周波数以外を排
除するだけ十分に狭くないために発生する。 【０００７】多モード動作には三つの一般的な型があ
る。常にそうであるわけではないが、これら三つの型の
多モード動作は、図１に示すように駆動電流範囲がしだ
いに高くなるにつれて発生する傾向がある。Ｉ型の多モ
ード動作は半導体レーザのしきい値の最も近くで発生す
る傾向がある。しかし、これは半導体の電流の上限値ま
で伸びる場合がある。図２に示すように、Ｉ型多モード
状態は一つの強い主モードと二つの弱い対称サイドモー
ドとを特徴とする。サイドモード比は約−１０ｄｂから
−３０ｄｂの間にある。これはレーザの多モード動作の
うち最も悪影響の軽い形態であり、主モードの線幅は単
振動モードのそれと同等である（約５０−１００キロヘ
ルツ“ＫＨｚ”）。図において、Ｃは光速を、Ｌは外部
キャビティ長を示す。 【０００８】ＩＩ型多モード動作は図３に示すようにＩ
型より高い電流レベルで発生する傾向があるが、半導体
のしきい値電流で発生することもある。ほぼ等しいエネ
ルギーレベルを有するいくつかのモードがあることもあ
り、また主モードと認識できるものがない場合もある。
個々のモードの線幅はＩ型に比べていくぶん広く、約１
００ＫＨｚから約１０ＭＨｚである。ＩＩ型多モード状
態では、レーザエネルギーはいくつかの周波数に拡散す
ることがあり、レーザシステムはコヒーレントなアプリ
ケーションではもはや機能しない。 【０００９】ＩＩＩ型多モード動作は半導体の最も高い
電流範囲で発生する。エネルギーは図４に示すように多
くの周波数にだいたい均等に拡散し、それぞれのエネル
ギーはＧＨｚあるいはそれ以上にわたって広げられる。
ＩＩＩ型多モード動作は“コヒーレント崩壊”の領域に
ある。この崩壊は一般的には一つの主モードが増幅され
ることのない外部キャビティにおける光学的カオス（ｃ
ｈａｏｓ）の始まりに起因する。 【００１０】多モード動作を防止すべく外部キャビティ
レーザを制御する試みが行なわれてきた。Ｍ．Ｏｈｔｓ
ｕ他が１９８９年１月の“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉ
ｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”Ｖｏｌ．７、
Ｎｏ．１の“Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍ
ｅｔｒｉｃ Ｍｅｈｔｏｄ ｆｏｒ Ｍｏｎｉｔｏｒｉ
ｎｇ Ｍｏｄｅ Ｈｏｐｐｉｎｇ ｉｎ Ｔｕｎａｂｌ
ｅ Ｅｘｔｅｒｎａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ”と題する論文にかかる試
みの一つを説明している。彼らの実験装置を図５に示
す。 【００１１】Ｏｈｔｓｕその他の実験では、多モードを
抑制するために、電子・光学的サーボループを用いた自
動制御装置が構成された。ファイバー遅延線５０１を用
いて複数のレーザモードの時間的重複を増大させ、それ
によって得られる光学信号を増大した。局部発振器５０
３とミクサ５０５を用いて検出器５０７からのビート信
号を、代表的には数ＧＨｚから数ＭＨｚに下降変換し
た。この下降変換処理によって圧電変換器（ＰＺＴ）５
０９の制御に用いられる無線周波数（ＲＦ）信号が生成
される。 【００１２】Ｏｈｓｔｕその他はモード・ビート信号の
存在をキャビティ長の変更に用いている。これは、ＰＺ
Ｔへの電圧を変化させ、それによって回折格子５１１を
動かすことによって達成される。回折格子の動きは光学
的フィードバックの通過帯域幅を変えず、フィードバッ
ク位相だけを変える。回折格子の位置の変化によってレ
ーザ出力が単一モードになる場合、ビート信号が消え、
ＰＺＴへの現在の電圧が維持され、それによってフィー
ドバック位相が適正な値に維持される。 【００１３】発明者の実験結果からは、キャビティ長を
調整することによってはこれら三つの型の多モード動作
は抑制されないことがわかっている。キャビティ長の変
更によってＩ型の多モード動作は抑制されるが、ＩＩモ
ードの抑制には部分的に有効であるにすぎず、ＩＩＩ型
モード動作は抑制されない。さらに、キャビティ長は、
レーザ電流が、それが有効である一つの特定の多モード
動作範囲内であっても、変更される場合には再調整しな
ければならないことがある。 【００１４】１９８７年４月の“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”Ｖｏ
１．ＬＴ−５、Ｎｏ．４において、Ｎ．Ａ．Ｏｌｓｓｏ
ｎ等によって“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｈａｒａｃ
ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ １．５ ｕｍ Ｅｘｔｅｒ
ｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬ
ａｓｅｒｓ ｆｏｒ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａ
ｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”と題する論文が発表
されている。この論文では、ＰＺＴでキャビティ長を制
御するためのフィードバックを用いる外部キャビティレ
ーザ・システムを説明している。また、キャビティの通
過帯域を狭めるキャビティ内エタロンを説明している。
エタロンの角度を変更してレーザの複数の内部モード間
での同調が行われる。当該技術分野で周知の通り、エタ
ロンがキャビティ内ビームの中でしだいに傾斜するにつ
れて回折格子の光学的通過帯域幅を周期的に狭める。Ｏ
ｌｓｓｏｎ等のシステムを図６および図７に示す。 【００１５】Ｏｌｓｓｏｎ等の外部キャビティレーザの
基本要素の構成は図６から最もよく理解できる。レーザ
ダイオード６０１からの光はレンズ６０３によって平行
調整され、エタロン６０５を通して投影され、回折格子
反射器６０７によってレーザに逆反射される。ＰＺＴ要
素６０９が反射器６０７に機械的に結合され、光路の長
さの調整に用いられる。 【００１６】レーザを安定化させるために、図７に示す
ようにフィードバックシステムが設けられている。この
フィードバックシステムはビート検出器７０１、検出器
７０１の出力を低い周波数に変換するミクサ７０３、ミ
クサ出力をＤＣ（直流）制御レベルに変換するローパス
フィルタ７０５、およひＤＣ制御レベルをＰＺＴ（図示
せず）の駆動に必要な高電圧に増幅する高電圧増幅器７
０７を用いる。 【００１７】Ｏｌｓｓｏｎ等の外部キャビティレーザの
同調は、粗同調、中間同調、および微同調に分けられ
る。粗同調は、回折格子反射器６０７を回転し、所望の
波長に最も近い内部モードを選択することによって行わ
れる。これによって約９００Å（オングストローム）の
同調範囲が提供される。内部モード（複数個）とは、外
部キャビティのないレーザダイオードの縦モードを指
す。これらの内部モードはレーザ・ファセット上の反射
防止コーティングが不完全であるために現れる。中間同
調はレーザの内部モード間の同調であり、その範囲は約
１９Åである。この同調はキャビティ内エタロン６０５
の手動調整と回折格子反射器６０７の微回転の組合せに
よって行われる。微同調はメガヘルツ領域内でレーザ周
波数を変化させる外部キャビティの長さの調整によって
行われる。ＰＺＴ６０９はこの調整を容易にするために
反射器６０７に接続される。 【００１８】０ｌｓｓｏｎ等の外部キャビティレーザ・
システムは多数の手動調整によってこれら三つの型の多
モード動作のすべてを排除することができるが、これら
三つの型の他モード動作のすべてを自動的に排除するこ
とができるレーザシステムが必要とされている。 【００１９】 【発明の目的】本発明の目的は光通信とコヒーレントの
測定アプリケーションに用いて大きな利点を得られるよ
うに、三つの型の多モード動作のすべてを自動的に排除
する外部キャビティレーザを提供することである。さら
に、本発明の目的は従来の技術で必要であった複数の要
素の調整に代わって一つの要素の調整によって多モード
動作の排除を達成し、それによってレーザシステムの設
計を簡略化するものである。 【００２０】 【発明の概要】本発明は半導体レーザを用いてコヒーレ
ントな光ビームを発生する。エタロンが検流計（ガルバ
ノメータ）に取り付けられ、そして半導体レーザと逆反
射回析格子の間の光路内に配置される。よってビームが
エタロンを通り回析格子によってレーザ半導体に反射さ
れる。 【００２１】フィードバック回路を用いて検流計の制御
が行われ、それによってエタロンの角度が制御される。
このフィードバック回路は多モード（ビート周波数）検
出器からの出力を検流計の駆動に用いられる制御電流に
変換することによってこの動作を行う。検流計が移動す
るにつれて、レーザビームに対するエタロンの角度が多
モード動作が排除されるまで変化する。 【００２２】外部キャビティレーザの一つの構成要素だ
けが調整されるため、レーザシステムの設計、製造およ
び使用が大幅に簡略化される。 【００２３】 【実施例】図８に示すように、本発明は同調可能な外部
キャビティレーザにより実施される。半導体レーザ８０
１は光路８０３に沿って第１のレーザビームを、また光
路８０５に沿って第２のレーザビームを発生する。第１
のレーザビームはレンズ８０６によって集束され、ファ
イバー光学スプリッタ８０７を通過し、このスプリッタ
がビームを二つの部分に分割する。一方の部分はビート
検出器８０９に結合され、他方の部分はレーザ出力８１
１になる。 【００２４】第２のレーザビームはコリメータレンズ８
１３を通過する。このレンズ８１３はエタロン８１５を
介して逆反射器回析格子８１７上にビームを集束する。
検流計（ガルバノメータ）８１９がエタロン８１５に機
械的に結合され、これを回転させることができる。この
エタロンは厚さが約５ｍｍであり、１３００ｎｍ（ナノ
メートル）において面あたり約Ｒ＝４％の反射コーティ
ングを有する。 【００２５】エタロン８１５を調整するためにフィード
バックシステム８２１が設けられている。このフィード
バックシステムは、Ａｖａｎｔｅｋ ＡＭＧ ４０４６
Ｍ等の増幅器８２３に接続されたＡＴ＆Ｔ製の電子アバ
ランシェ・ホトダイオード（ＡＰＤ）等のビート検出器
８０９を含む。増幅器８２３からの出力は包絡線検出回
路８２５に接続されており、この包絡線検出回路８２５
は積分器８２７に接続されている。ＩＬＸ Ｌｉｇｈｔ
ｗａｖｅ ＬＤＸ−３２０７等の電圧−電流変換器８２
９は積分器８２７に接続され、変換器８２９の出力は検
流計８１９に接続される。 【００２６】レーザが多モードで動作する場合、異なる
複数の周波数が混合し、ビート周波数がビート検出ダイ
オード８０９によって検出される。ダイオード８０９か
らの出力は通常増幅器８２３によって増幅されるマイク
ロ波信号である。包絡線検出器８２５はしきい値検出器
の機能を果たす。検出器８２５が設定レベルを越える増
幅器８２３からの信号を受け取ると、検出器８２５は積
分器８２７に直流電圧を出力する。検出器８２５からの
出力はオンあるいはオフの二つのレベルを有する。 【００２７】積分器８２７は検出器８２５が直流電圧を
出力する時間長に比例した出力電圧を出力する。この時
間が長くなるにつれて積分器８２７によって生成される
出力電圧が増大する。この出力電圧は電圧−電流変換器
８２９によって電流に変換される。電圧が高いほど高い
電流に変換される。 【００２８】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｇ１
２０Ｄが検流計８１９として用いられ、検流計８１９の
回転は電圧−電流変換器８２９からの電流によって制御
される。検流計の回転にともなってエタロン８１５が回
転する。エタロン８１５のある回転角で、キャビティの
通過帯域は多モード動作を抑制するのに充分なだけ狭め
られる。ビート周波数が消え、包絡線検出器８２５の入
力にはもはや信号が存在しない。入力信号がないと、包
絡線検出器８２５からの出力はオフ状態に切り換わる。
これにより積分器８２７からの出力電圧が一定となる。
積分器８２７の出力電圧は電圧−電流変換器８２９の入
力として動作する。変換器８２９への一定入力電圧によ
り、変換器８２９の出力は一定のままであり、それによ
ってエタロン８０５の角度が一定に保たれる。 【００２９】レーザシステムを異なる周波数に同調する
には、当該技術分野において周知の通り逆反射器回析格
子８１７を回転させて角度を変更する。また、積分器８
２７はリセットされ、積分器８２７からの出力電圧が最
小値になり、この結果エタロン８１５が最小角度に回転
する。そして積分器８２７はリセット状態から解放さ
れ、フィードバックシステム８２１がレーザシステムを
新しい周波数で安定させる。 【００３０】もちろん、当該技術に精通する者には本発
明の範囲内でこのフィードバック回路を変更することが
可能である。たとえば、積分器８２７はここに開示する
ようにビート信号の振幅が減少するとき出力電圧を一定
に保持する。積分器８２７が出力電圧を保持しないよう
に変更することができることは明らかである。この変更
によってフィードバック回路は多モード動作を低減する
ようにエタロン８１５の角度を連続的に調整する。エタ
ロンは約４％の反射率を有するものとして説明したが、
当該技術に精通する者にはコーティングされていないエ
タロンあるいはより高い反射率を有するエタロンをこの
アプリケーションに適合させることが可能であろう。 【００３１】 【発明の効果】以上の説明のように、本発明によれば全
ての多モード動作を自動的に排除することができる。そ
してこれは単に１個の要素を自動調達することにより行
なわれる。よってレーザシステムの簡単化が図られる。
したがって光通信システムやコヒーレント光を用いた測
定分野に使用して極めて多大な効果を発揮する。
より詳細にはエタロンを使用して安定化する、回折格子
による同調型、外部キャビティ半導体レーザに関する。 【０００２】 【従来技術とその問題点】ヘテロダイン法を用いる将来
の光通信システムには、同調可能な単周波数で線幅の小
さい半導体レーザが必要となる。かかるレーザシステム
は、離れた受信機に光エネルギを送出するために、変調
されそして光ファイバ・ケーブルに結合される。この種
のレーザ光学システムは現在使用されているシステムよ
り帯域幅の点で明らかにすぐれており、これは高ビット
レート・長距離の光通信システムに対しては魅力的なも
のである。 【０００３】ヘテロダイン信号分析のようなヘテロダイ
ン通信および他のコヒーレントな（単周波数）応用にと
って、モノリシック単周波数レーザの線幅（光学的帯域
幅）は許容可能なシステム性能を得るのに充分なだけ小
さくない場合がある。しかし、外部キャビティの、回折
格子による同調型半導体レーザはかかる応用（アプリケ
ーション）に必要な狭い帯域幅と同調範囲をもってい
る。 【０００４】外部キャビティレーザの狭い帯域幅は光学
ヘテロダイン・スペクトル分析装置において特に重要で
ある。これらのシステムでは、かかる装置に用いられる
局部発振器の線幅は試験される信号の線幅よりはるかに
小さくなければならない。さらに、局部発振器の縦サイ
ドモード（ｓｉｄｅｍｏｄｅ）抑制比は非常に高く、３
０ｄｂを越えていなければならない。これは、局部発振
器のいかなるサイドモードも試験される信号のスペクト
ルの特徴と区別することができないからである。 【０００５】回折格子による同調型外部キャビティの半
導体レーザの設計は当該技術分野において周知である。
外部キャビティレーザの設計の一例が米国特許４，９４
２，５８３号に開示されている。 【０００６】外部キャビティレーザの問題点の一つは、
同調の間、あるいはレーザ出力を最大とするためにバイ
アス電流を増大させるとき、二つあるいはそれ以上の縦
モード周波数（多モード）の間でホップする。（スイッ
チする）傾向があることである、多モード動作は外部キ
ャビティレーザの帯域幅が、一つの動作周波数以外を排
除するだけ十分に狭くないために発生する。 【０００７】多モード動作には三つの一般的な型があ
る。常にそうであるわけではないが、これら三つの型の
多モード動作は、図１に示すように駆動電流範囲がしだ
いに高くなるにつれて発生する傾向がある。Ｉ型の多モ
ード動作は半導体レーザのしきい値の最も近くで発生す
る傾向がある。しかし、これは半導体の電流の上限値ま
で伸びる場合がある。図２に示すように、Ｉ型多モード
状態は一つの強い主モードと二つの弱い対称サイドモー
ドとを特徴とする。サイドモード比は約−１０ｄｂから
−３０ｄｂの間にある。これはレーザの多モード動作の
うち最も悪影響の軽い形態であり、主モードの線幅は単
振動モードのそれと同等である（約５０−１００キロヘ
ルツ“ＫＨｚ”）。図において、Ｃは光速を、Ｌは外部
キャビティ長を示す。 【０００８】ＩＩ型多モード動作は図３に示すようにＩ
型より高い電流レベルで発生する傾向があるが、半導体
のしきい値電流で発生することもある。ほぼ等しいエネ
ルギーレベルを有するいくつかのモードがあることもあ
り、また主モードと認識できるものがない場合もある。
個々のモードの線幅はＩ型に比べていくぶん広く、約１
００ＫＨｚから約１０ＭＨｚである。ＩＩ型多モード状
態では、レーザエネルギーはいくつかの周波数に拡散す
ることがあり、レーザシステムはコヒーレントなアプリ
ケーションではもはや機能しない。 【０００９】ＩＩＩ型多モード動作は半導体の最も高い
電流範囲で発生する。エネルギーは図４に示すように多
くの周波数にだいたい均等に拡散し、それぞれのエネル
ギーはＧＨｚあるいはそれ以上にわたって広げられる。
ＩＩＩ型多モード動作は“コヒーレント崩壊”の領域に
ある。この崩壊は一般的には一つの主モードが増幅され
ることのない外部キャビティにおける光学的カオス（ｃ
ｈａｏｓ）の始まりに起因する。 【００１０】多モード動作を防止すべく外部キャビティ
レーザを制御する試みが行なわれてきた。Ｍ．Ｏｈｔｓ
ｕ他が１９８９年１月の“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｌｉ
ｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”Ｖｏｌ．７、
Ｎｏ．１の“Ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍ
ｅｔｒｉｃ Ｍｅｈｔｏｄ ｆｏｒ Ｍｏｎｉｔｏｒｉ
ｎｇ Ｍｏｄｅ Ｈｏｐｐｉｎｇ ｉｎ Ｔｕｎａｂｌ
ｅ Ｅｘｔｅｒｎａｌ−Ｃａｖｉｔｙ Ｓｅｍｉｃｏｎ
ｄｕｃｔｏｒ Ｌａｓｅｒｓ”と題する論文にかかる試
みの一つを説明している。彼らの実験装置を図５に示
す。 【００１１】Ｏｈｔｓｕその他の実験では、多モードを
抑制するために、電子・光学的サーボループを用いた自
動制御装置が構成された。ファイバー遅延線５０１を用
いて複数のレーザモードの時間的重複を増大させ、それ
によって得られる光学信号を増大した。局部発振器５０
３とミクサ５０５を用いて検出器５０７からのビート信
号を、代表的には数ＧＨｚから数ＭＨｚに下降変換し
た。この下降変換処理によって圧電変換器（ＰＺＴ）５
０９の制御に用いられる無線周波数（ＲＦ）信号が生成
される。 【００１２】Ｏｈｓｔｕその他はモード・ビート信号の
存在をキャビティ長の変更に用いている。これは、ＰＺ
Ｔへの電圧を変化させ、それによって回折格子５１１を
動かすことによって達成される。回折格子の動きは光学
的フィードバックの通過帯域幅を変えず、フィードバッ
ク位相だけを変える。回折格子の位置の変化によってレ
ーザ出力が単一モードになる場合、ビート信号が消え、
ＰＺＴへの現在の電圧が維持され、それによってフィー
ドバック位相が適正な値に維持される。 【００１３】発明者の実験結果からは、キャビティ長を
調整することによってはこれら三つの型の多モード動作
は抑制されないことがわかっている。キャビティ長の変
更によってＩ型の多モード動作は抑制されるが、ＩＩモ
ードの抑制には部分的に有効であるにすぎず、ＩＩＩ型
モード動作は抑制されない。さらに、キャビティ長は、
レーザ電流が、それが有効である一つの特定の多モード
動作範囲内であっても、変更される場合には再調整しな
ければならないことがある。 【００１４】１９８７年４月の“Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ
Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ”Ｖｏ
１．ＬＴ−５、Ｎｏ．４において、Ｎ．Ａ．Ｏｌｓｓｏ
ｎ等によって“Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｃｈａｒａｃ
ｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ １．５ ｕｍ Ｅｘｔｅｒ
ｎａｌ Ｃａｖｉｔｙ ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬ
ａｓｅｒｓ ｆｏｒ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａ
ｌ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ”と題する論文が発表
されている。この論文では、ＰＺＴでキャビティ長を制
御するためのフィードバックを用いる外部キャビティレ
ーザ・システムを説明している。また、キャビティの通
過帯域を狭めるキャビティ内エタロンを説明している。
エタロンの角度を変更してレーザの複数の内部モード間
での同調が行われる。当該技術分野で周知の通り、エタ
ロンがキャビティ内ビームの中でしだいに傾斜するにつ
れて回折格子の光学的通過帯域幅を周期的に狭める。Ｏ
ｌｓｓｏｎ等のシステムを図６および図７に示す。 【００１５】Ｏｌｓｓｏｎ等の外部キャビティレーザの
基本要素の構成は図６から最もよく理解できる。レーザ
ダイオード６０１からの光はレンズ６０３によって平行
調整され、エタロン６０５を通して投影され、回折格子
反射器６０７によってレーザに逆反射される。ＰＺＴ要
素６０９が反射器６０７に機械的に結合され、光路の長
さの調整に用いられる。 【００１６】レーザを安定化させるために、図７に示す
ようにフィードバックシステムが設けられている。この
フィードバックシステムはビート検出器７０１、検出器
７０１の出力を低い周波数に変換するミクサ７０３、ミ
クサ出力をＤＣ（直流）制御レベルに変換するローパス
フィルタ７０５、およひＤＣ制御レベルをＰＺＴ（図示
せず）の駆動に必要な高電圧に増幅する高電圧増幅器７
０７を用いる。 【００１７】Ｏｌｓｓｏｎ等の外部キャビティレーザの
同調は、粗同調、中間同調、および微同調に分けられ
る。粗同調は、回折格子反射器６０７を回転し、所望の
波長に最も近い内部モードを選択することによって行わ
れる。これによって約９００Å（オングストローム）の
同調範囲が提供される。内部モード（複数個）とは、外
部キャビティのないレーザダイオードの縦モードを指
す。これらの内部モードはレーザ・ファセット上の反射
防止コーティングが不完全であるために現れる。中間同
調はレーザの内部モード間の同調であり、その範囲は約
１９Åである。この同調はキャビティ内エタロン６０５
の手動調整と回折格子反射器６０７の微回転の組合せに
よって行われる。微同調はメガヘルツ領域内でレーザ周
波数を変化させる外部キャビティの長さの調整によって
行われる。ＰＺＴ６０９はこの調整を容易にするために
反射器６０７に接続される。 【００１８】０ｌｓｓｏｎ等の外部キャビティレーザ・
システムは多数の手動調整によってこれら三つの型の多
モード動作のすべてを排除することができるが、これら
三つの型の他モード動作のすべてを自動的に排除するこ
とができるレーザシステムが必要とされている。 【００１９】 【発明の目的】本発明の目的は光通信とコヒーレントの
測定アプリケーションに用いて大きな利点を得られるよ
うに、三つの型の多モード動作のすべてを自動的に排除
する外部キャビティレーザを提供することである。さら
に、本発明の目的は従来の技術で必要であった複数の要
素の調整に代わって一つの要素の調整によって多モード
動作の排除を達成し、それによってレーザシステムの設
計を簡略化するものである。 【００２０】 【発明の概要】本発明は半導体レーザを用いてコヒーレ
ントな光ビームを発生する。エタロンが検流計（ガルバ
ノメータ）に取り付けられ、そして半導体レーザと逆反
射回析格子の間の光路内に配置される。よってビームが
エタロンを通り回析格子によってレーザ半導体に反射さ
れる。 【００２１】フィードバック回路を用いて検流計の制御
が行われ、それによってエタロンの角度が制御される。
このフィードバック回路は多モード（ビート周波数）検
出器からの出力を検流計の駆動に用いられる制御電流に
変換することによってこの動作を行う。検流計が移動す
るにつれて、レーザビームに対するエタロンの角度が多
モード動作が排除されるまで変化する。 【００２２】外部キャビティレーザの一つの構成要素だ
けが調整されるため、レーザシステムの設計、製造およ
び使用が大幅に簡略化される。 【００２３】 【実施例】図８に示すように、本発明は同調可能な外部
キャビティレーザにより実施される。半導体レーザ８０
１は光路８０３に沿って第１のレーザビームを、また光
路８０５に沿って第２のレーザビームを発生する。第１
のレーザビームはレンズ８０６によって集束され、ファ
イバー光学スプリッタ８０７を通過し、このスプリッタ
がビームを二つの部分に分割する。一方の部分はビート
検出器８０９に結合され、他方の部分はレーザ出力８１
１になる。 【００２４】第２のレーザビームはコリメータレンズ８
１３を通過する。このレンズ８１３はエタロン８１５を
介して逆反射器回析格子８１７上にビームを集束する。
検流計（ガルバノメータ）８１９がエタロン８１５に機
械的に結合され、これを回転させることができる。この
エタロンは厚さが約５ｍｍであり、１３００ｎｍ（ナノ
メートル）において面あたり約Ｒ＝４％の反射コーティ
ングを有する。 【００２５】エタロン８１５を調整するためにフィード
バックシステム８２１が設けられている。このフィード
バックシステムは、Ａｖａｎｔｅｋ ＡＭＧ ４０４６
Ｍ等の増幅器８２３に接続されたＡＴ＆Ｔ製の電子アバ
ランシェ・ホトダイオード（ＡＰＤ）等のビート検出器
８０９を含む。増幅器８２３からの出力は包絡線検出回
路８２５に接続されており、この包絡線検出回路８２５
は積分器８２７に接続されている。ＩＬＸ Ｌｉｇｈｔ
ｗａｖｅ ＬＤＸ−３２０７等の電圧−電流変換器８２
９は積分器８２７に接続され、変換器８２９の出力は検
流計８１９に接続される。 【００２６】レーザが多モードで動作する場合、異なる
複数の周波数が混合し、ビート周波数がビート検出ダイ
オード８０９によって検出される。ダイオード８０９か
らの出力は通常増幅器８２３によって増幅されるマイク
ロ波信号である。包絡線検出器８２５はしきい値検出器
の機能を果たす。検出器８２５が設定レベルを越える増
幅器８２３からの信号を受け取ると、検出器８２５は積
分器８２７に直流電圧を出力する。検出器８２５からの
出力はオンあるいはオフの二つのレベルを有する。 【００２７】積分器８２７は検出器８２５が直流電圧を
出力する時間長に比例した出力電圧を出力する。この時
間が長くなるにつれて積分器８２７によって生成される
出力電圧が増大する。この出力電圧は電圧−電流変換器
８２９によって電流に変換される。電圧が高いほど高い
電流に変換される。 【００２８】Ｇｅｎｅｒａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｇ１
２０Ｄが検流計８１９として用いられ、検流計８１９の
回転は電圧−電流変換器８２９からの電流によって制御
される。検流計の回転にともなってエタロン８１５が回
転する。エタロン８１５のある回転角で、キャビティの
通過帯域は多モード動作を抑制するのに充分なだけ狭め
られる。ビート周波数が消え、包絡線検出器８２５の入
力にはもはや信号が存在しない。入力信号がないと、包
絡線検出器８２５からの出力はオフ状態に切り換わる。
これにより積分器８２７からの出力電圧が一定となる。
積分器８２７の出力電圧は電圧−電流変換器８２９の入
力として動作する。変換器８２９への一定入力電圧によ
り、変換器８２９の出力は一定のままであり、それによ
ってエタロン８０５の角度が一定に保たれる。 【００２９】レーザシステムを異なる周波数に同調する
には、当該技術分野において周知の通り逆反射器回析格
子８１７を回転させて角度を変更する。また、積分器８
２７はリセットされ、積分器８２７からの出力電圧が最
小値になり、この結果エタロン８１５が最小角度に回転
する。そして積分器８２７はリセット状態から解放さ
れ、フィードバックシステム８２１がレーザシステムを
新しい周波数で安定させる。 【００３０】もちろん、当該技術に精通する者には本発
明の範囲内でこのフィードバック回路を変更することが
可能である。たとえば、積分器８２７はここに開示する
ようにビート信号の振幅が減少するとき出力電圧を一定
に保持する。積分器８２７が出力電圧を保持しないよう
に変更することができることは明らかである。この変更
によってフィードバック回路は多モード動作を低減する
ようにエタロン８１５の角度を連続的に調整する。エタ
ロンは約４％の反射率を有するものとして説明したが、
当該技術に精通する者にはコーティングされていないエ
タロンあるいはより高い反射率を有するエタロンをこの
アプリケーションに適合させることが可能であろう。 【００３１】 【発明の効果】以上の説明のように、本発明によれば全
ての多モード動作を自動的に排除することができる。そ
してこれは単に１個の要素を自動調達することにより行
なわれる。よってレーザシステムの簡単化が図られる。
したがって光通信システムやコヒーレント光を用いた測
定分野に使用して極めて多大な効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】レーザ光強度対レーザ電流との関係を示した図
である。 【図２】レーザのＩ型多モード動作を示した図である。 【図３】レーザのＩＩ型多モード動作を示した図であ
る。 【図４】レーザのＩＩＩ型多モード動作を示した図であ
る。 【図５】従来技術による外部キャビティレーザのブロッ
ク図である。 【図６】従来技術による外部キャビティレーザのブロッ
ク図である。 【図７】従来技術による外部キャビティレーザに使用さ
れるフィードバック回路のブロック図である。 【図８】本発明による外部キャビティレーザのブロック
図である。
である。 【図２】レーザのＩ型多モード動作を示した図である。 【図３】レーザのＩＩ型多モード動作を示した図であ
る。 【図４】レーザのＩＩＩ型多モード動作を示した図であ
る。 【図５】従来技術による外部キャビティレーザのブロッ
ク図である。 【図６】従来技術による外部キャビティレーザのブロッ
ク図である。 【図７】従来技術による外部キャビティレーザに使用さ
れるフィードバック回路のブロック図である。 【図８】本発明による外部キャビティレーザのブロック
図である。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平１−160072（ＪＰ，Ａ)
欧州特許出願公開3100000（ＥＰ，Ａ
１)
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1987年， ５［４］， ｐ．510−515
ＫＤＤ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕ
ｒｎａｌ， 1989年， 141， ｐ．46
−54
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01S 5/00 - 5/50
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】レーザビームを発生するレーザ光源と、前
記レーザビームを前記レーザ光源に反射させる回折格子
と、該回折格子と前記レーザ光源との間に前記レーザ光
源から前記回折格子へのレーザビームと前記回折格子か
ら前記レーザ光源への反射レーザビームとが通過するよ
うに配置されたエタロンとを有する外部キャビティレー
ザにおいて、 前記レーザビームを受光して多モード動作によって生じ
るビートを検出する半導体ホトダイオードを含むビート
検出器と、該ビート検出器からの出力を受ける包絡線検
出器と、該包絡線検出器の出力に接続される積分器と、
該積分器からの出力を電流に変換する電圧・電流変換器
と、該電圧・電流変換器からの信号を受けるガルバノメ
ータとを有し、前記多モード動作があるときに前記包絡
線検出器からの出力がオンにされて前記ガルバノメータ
を介して前記エタロンの角度が変更され、前記多モード
動作がないときに前記包絡線検出器からの出力がオフに
され前記エタロンの角度が維持されるよう制御され、こ
れにより、前記回折格子を固定しつつ前記エタロンのみ
を自動的に変更することにより、通常駆動レーザ電流の
大きさが異なる場合に生じ得る第１乃至第３の型の多モ
ード動作の全てを自動的に排除することができるよう構
成されることを特徴とする外部キャビティレーザ。
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