JP3795500B2 - リトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、リトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正方法および装置に関するものである。

波長可変レーザーは、原子・分子の分光やレーザー冷却、半導体量子ドットの分光、および量子情報処理などの分野の研究においてよく用いられる。

このような装置として、大型の色素レーザーやチタンサファイアレーザーなどが以前から光学機器メーカーによって販売されてきたが、最近では、より安価でコンパクトな外部共振器半導体レーザー（ＥＣＤＬ）が市販されるようになった。ＥＣＤＬには主にリトロー（Ｌｉｔｔｒｏｗ）型とリットマン（Ｌｉｔｔｍａｎ）型の２種類がある。
なし

上記したリトロー型ＥＣＤＬは簡便であり、出力パワーなどに関して高い性能を有するものの、波長の変化に伴って出力光の光軸が動くという難点を持つ。

以下、従来の問題点について詳細に説明する。

図３は従来のリトロー型ＥＣＤＬの模式図、図４は従来のリットマン型ＥＣＤＬの模式図である。

図３において、１は半導体レーザー（ＬＤ）、２はコリメートレンズ、３は入射光、４は回折格子、５はその回折格子４の回転軸、６は１次回折光、７は０次回折光（出力光）、８は回折格子４に対する垂直線（点線）である。

図４において、１１は半導体レーザー（ＬＤ）、１２はコリメートレンズ、１３は入射光、１４は回折格子、１５はミラー、１６はそのミラーの回転軸、１７は回折格子１４からの１次回折光、１８はミラー１５からの反射光、１９は反射光１８の回折格子１４からの１次回折光、２０は反射光１８の０次回折光、２１は０次回折光（出力光）である。

図３に示されたリトロー型ＥＣＤＬでは、半導体レーザー（ＬＤ）１からの光をコリメートレンズ（凸レンズ）２でコリメートして回折格子４に入射させ、０次回折光７と１次回折光６を生じさせる。１次回折光６をＬＤ１に帰還させ、ＬＤ１の後ろ側端面と回折格子４の間で共振器を形成する。回折格子４を回転軸５を中心にして回転することによって共振器長を変え、光波長を変化させる。このとき、回折格子４に対する入射光３の入射角度と出力光である０次回折光７の出射角度は等しくなるので、出力光７の方向が回折格子４の回転とともに変化してしまう。すなわち、出力光７の光軸が光波長に依存して動いてしまう。

その一方で、図４に示されたリットマン型ＥＣＤＬでは、ＬＤ１１からの光をリトロー型の場合よりも大きな入射角で回折格子１４に照射して、０次回折光２１と１次回折光１７を生じさせる。このとき、１次回折光１７はＬＤ１１の方へは戻らないため、ミラー１５を用いて真っ直ぐに反射させる。この反射光１８は再び回折格子１４に入射し、再び０次回折光２０と１次回折光１９が発生する。この反射光１８の１次回折光１９をＬＤ１１に帰還させ、ＬＤ１１の後ろ側端面とミラー１５との間で共振器を形成する。この方法では、回折格子１４を固定したままミラー１５を回転させることによって波長を変化させる。そのため、出力光（ＬＤ１１からの入射光１３の０次回折光）２１の光軸は波長によらず一定となる。

しかしながら、リットマン型ＥＣＤＬはリトロー型ＥＣＤＬに比べて構造が複雑になる。また、ミラー１５からの反射光の０次回折光２０はロスとなるので出力パワーが小さくなり、加えて、２度の回折を経てＬＤ１１に戻るので帰還効率が小さくなる。その結果、波長の可変範囲が狭くなる。

従って、リトロー型ＥＣＤＬにおいて回折格子４の回転による出力光７の光軸の変化を無くすことができれば、リトロー型ＥＣＤＬの方が、リットマン型ＥＣＤＬよりも高性能となる。

そこで、リトロー型ＥＣＤＬにおける光軸のずれの補正法として、ミラーを用いる方法がある。

図５はかかるミラーを用いたリトロー型ＥＣＤＬの光軸のずれの補正装置の模式図である。

この図において、２１は半導体レーザー（ＬＤ）、２２はコリメートレンズ、２３は入射光、２４は回折格子、２５はその回折格子２４の回転軸、２６はミラー、２７は回折格子２４とミラー２６とを所定の配置（回折格子２４とミラー２６が平行かつ向かい合うように配置）に固定するための治具、２８は０次回折光（出力光）である。

この補正装置では、図５に示すように、同じ治具２７の上に回折格子２４とミラー２６が平行かつ向かい合うように配置して回転させるようにしているので、常にＥＣＤＬシステムからの出力光２８の方向をＬＤ２１から回折格子２４へ向かう入射光２３と平行にすることができる。しかしながら、治具２７を回転軸２５で回転して波長を変えると、出力光２８の光軸が平行に移動してしまうため不完全である。

量子情報処理の研究では、波長可変レーザーからの光を１０μｍ以下のサイズの微小な導波路に結合させた上で最適な波長を選ぶ必要があるため、波長変化に伴う光軸のずれは重大な問題となる。特に、青色の光の場合には回折効率が低いため、一度の回折で外部共振器を構成できるリトロー型ＥＣＤＬが持つ光の帰還効率に関する優位性はより顕著となる。こうした理由から、リトロー型ＥＣＤＬにおける光軸のずれの補正に関して、有効な手だてが求められる。

本発明は、上記状況に鑑みて、リトロー型ＥＣＤＬにおける光軸のずれを簡単に、安価に、かつ的確に補正することができる、リトロー型ＥＣＤＬにおける光軸のずれの補正方法及び装置を提供するものである。

〔１〕リトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正方法において、回折格子とプリズムとを治具で所定の配置となるように一体的に固定し、前記回折格子とプリズムの回転軸での回転により、入射光の波長を変化させるとともに、この波長の変化によっても出力光の光軸が不変であることを特徴とする。

〔２〕リトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正装置であって、レーザー光を入射する手段と、前記レーザー光が入射する回折格子とプリズムとを所定の配置となるように一体的に固定する治具と、前記回折格子とプリズムとを一体的に回転可能な回転軸とを具備することを特徴とする。

〔３〕上記〔２〕記載のリトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正装置において、前記プリズムは底面が直角二等辺三角形の柱形状であることを特徴とする。

〔４〕上記〔３〕記載のリトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正装置において、前記回折格子の格子面と前記柱形状のプリズムの直角二等辺三角形の斜面にあたる面とが平行に配置されることを特徴とする。

本発明は、プリズムを用いたリトロー型ＥＣＤＬにおける光軸のずれの補正方法および装置に係り、回折格子とプリズムは所定の配置で一体的に固定され、その一体化された回折格子とプリズムの回転軸での回転により入射光の波長を可変にし、その光の波長の変化によっても出力光の光軸は不変であるようにすることができる。

したがって、ＥＣＤＬを使う全ての科学技術分野に影響を及ぼすと考えられる。特に、半導体量子ドットの分光のように波長を大きく掃引して行う実験や、量子情報処理の研究などに見られるような１０μｍ以下のサイズの細い導波路に波長を最適化させながら光を結合させる必要がある実験において、大きな需要が得られるものと期待される。

レーザー光を入射する手段と、前記レーザー光が入射する回折格子とプリズムとを所定の配置となるように一体的に固定する治具と、前記回折格子とプリズムとを一体的に回転可能な回転軸とを備え、波長の変化によっても出力光の光軸を不変にすることができる。

本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の実施例を示すプリズムを用いたリトロー型ＥＣＤＬの模式図である。

この図において、３１は半導体レーザー（ＬＤ）、３２はコリメートレンズ、３３は回折格子、３４はその回折格子３３の回転軸、３５は底面が直角二等辺三角形である柱型のプリズム、３６は回折格子３３とプリズム３５とを所定の配置（回折格子３３の格子面とプリズム３５の直角二等辺三角形の斜辺にあたるｂ面が平行になるように配置）に固定するための治具、３７は入射光、３８は０次回折光、３９は出力光である。なお、治具３６は、例えば回折格子３３とプリズム３５のそれぞれの少なくとも一側面を固定する板状体を用いることができる。

以下、底面が直角二等辺三角形である柱型のプリズム３５を用いた場合における本発明の原理を示す。便宜上、プリズム３５の３つの側面を、図１に示すようにａ面、ｂ面、ｃ面と呼ぶことにする。プリズムｂ面と回折格子面とが平行になるように、プリズム３５と回折格子３３を同じ治具３６に配置する。

図２に、ＬＤ３１からの入射光３７が回折格子３３に入射してから０次回折光３８を得てプリズム３５を透過して出力光３９となるまでの光軸を、回折格子３３への入射角が４５°である場合〔図２（ａ）〕、４５°以上である場合〔図２（ｂ）〕の２つの場合について示す。以下の説明では、回折格子３３への入射角が４５°のときを基準として回折格子３３の左回りへの回転角をθとおく。また、便宜上回折格子３３からの０次回折光３８の光軸の方向を、ＬＤ３１から回折格子３３への入射光３７と０次回折光３８のなす角αで記述する（図２における下方向に光が進んでいるときを正とする）。

まず、図２（ａ）に示すように回転角θ＝０の場合を考える。このとき、０次回折光３８はα＝９０°の方向に向かい、プリズムａ面に角度０度で入射して屈折せずに透過する。その後、プリズムｂ面で全反射されてα＝１８０°の方向に向かい、プリズムｃ面を屈折せずに透過して出力光３９となる。

次に、図２（ｂ) に示すように回転角θが０でない場合を考える。このとき、回折格子３３だけでなくプリズム３５も角度θだけ回転することに注意する。ＬＤ３１からの入射光３７が回折格子３３へ角度４５°＋θで入射した後、α＝９０°＋２θの方向へ０次回折光３８が発生し、プリズムａ面へ角度θで入射して屈折する。プリズム３５の屈折率をｎとすると屈折角φは
ｓｉｎφ＝ｓｉｎθ／ｎ …（１）
で表される。プリズムａ面で屈折した後の光はα＝９０°＋θ＋φの方向へ向かい、角度４５°＋φでプリズムｂ面に入射して全反射され、α＝１８０°＋θ−φの方向へ進む。この光はプリズムｃ面に角度φで入射して屈折する。このとき屈折角χは
ｓｉｎχ＝ｎｓｉｎφ …（２）
によって与えられる。上記式（１）と上記式（２）の比較からχ＝θとなる。そのため、プリズムｃ面において屈折した後の光、すなわち図１に示したＥＣＤＬシステムの出力光は、回転角θに依らず常にα＝１８０°の方向に出射される。

ここで、プリズム３５の屈折率ｎ＞１であれば、上記式（１）より｜φ｜＜｜θ｜、かつφとθが同符号になるので、プリズムｂ面によって全反射された光の進行方向α＝１８０°＋θ−φは、θ＜０のときα＜１８０°、θ＞０のときα＞１８０°となる。そのため、図２に示すようにＬＤ３１から回折格子３３に向かう入射光３７の光軸と垂直な方向にｘ軸を取り、プリズムｂ面およびｃ面への光の入射位置のｘ座標をそれぞれｘ_b （θ）およびｘ_c （θ）とおくと、θ＜０においてｘ_b （θ）＜ｘ_c （θ）、θ＞０においてｘ_b （θ）＞ｘ_c （θ）となるようにプリズムａ面とプリズムｂ面の位置を選べば全反射後の光軸はθに依らずｘ_c （０）に近づく方向へ向かう。プリズムｃ面の位置を選べば、ｘ_c （θ）＝ｘ_c （０）にすることができる。

光波長に対して回折格子３３の格子間隔ｄを選べば｜θ｜を１ｒａｄ（：＝５７．３°）よりも十分に小さくできるので、ｘ_c （θ）をθに対するべき級数展開の１次の項までで近似することができる。すなわち、係数ａ₀ 、ａ₁ を用いて

となる。このとき、ｘ_c （θ）がθに依らないための条件ｘ′_c （θ）＝0 を満たすためには、ａ₁ ＝０となる必要がある。ここで、図１に示すように、プリズムａ面、ｂ面、ｃ面および回折格子面とその回転軸３４との間の距離をそれぞれＲ_a 、Ｒ_b 、Ｒ_c およびＴとする。単純な計算を繰り返して光軸の位置と方向を追っていくことにより、ａ₁ をＲ_a 、Ｒ_b 、Ｒ_c 、Ｔおよびｎの関数として求めることができる。その結果、ａ₁ ＝０となる条件として以下の式が得られる。

一例として、大量に生産されている中心波長７８５ｎｍのＬＤからの光を、格子周波数１／ｄ＝１８００本／ｍｍの回折格子によって形成される外部共振器を用いて±１５ｎｍの広い範囲で波長を掃引し、一般的によく用いられるＢＫ７ガラスで作られたプリズムによって光軸補正をすることを考える。この場合、波長λに対する回転角θは

で与えられる。波長７８０±１５ｎｍにおいては、−１．１３°＜θ＜＋１．０５°となりθ≪１ｒａｄの条件を満たしている。屈折率ｎは光波長に依存するが、ＢＫ７ガラスで作られたプリズムを用いる場合、可視および赤外領域で±１５ｎｍ程度の波長範囲であれば一定とみなすことができる。実際、波長７８０±１５ｎｍにおいては小数点以下第２位までの値は変化せずｎ＝１．５１となる。このとき、Ｔ＝６．７ｍｍ、Ｒ_b ＝１０ｍｍ、Ｒ_c −Ｒ_a ＝−０．３３ｍｍとすれば式（４）を満たす。これらの条件を満足するためには、例えば、互いに等しい２つの辺の長さが１３．８ｍｍの直角二等辺三角形を底面に持つ三角柱形状のプリズムを回折格子に隣接して設置すればよい。そのように構成した場合、全体の光学系を約５ｃｍ×５ｃｍの基板の上に収めることができ、波長可変のレーザー光源としては極めてコンパクトである。また、ここでは光学部品メーカーが標準品として市販している三角プリズムを例に用いたが、光が通過するプリズムの３つの面の位置が式（４）を満たしていればどのような形状でもよい。従って、光が通らない部分を切り落としてさらにコンパクトにすることも可能である。

従来のミラーを用いた装置でも、回転角θに対してミラーの位置と角度をコンピューター制御によって調整すれば、出力光の光軸の平行移動を抑制することができるだろう。しかしながら、コンピューター制御に頼ればコストがかかり、システムが複雑になる上、外部にコンピューターを配置するためのスペースが必要となる。加えて、ミラーの位置を動かすためにモーターなどによる微動システムが必要になるので、コストがさらに高くなる上にＥＣＤＬのシステムが大きくなってしまう。コンピューター制御に頼らない本発明は、高い性能を有するリトロー型ＥＣＤＬの光軸を非常に簡便かつ安価に、かつ的確に補正でき、そのうえ全体をコンパクトにできるという点で極めて有効である。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明のプリズムを用いたリトロー型ＥＣＤＬにおける光軸のずれの補正装置は、原子・分子の分光やレーザー冷却、半導体量子ドットの分光、および量子情報処理などの分野に利用可能である。

本発明の実施例を示すプリズムを用いたリトロー型ＥＣＤＬの模式図である。 本発明の実施例を示すプリズムを用いたリトロー型ＥＣＤＬの動作の説明図である。 従来のリトロー型ＥＣＤＬの模式図である。 従来のリットマン型ＥＣＤＬの模式図である。 ミラーを用いるリトロー型ＥＣＤＬの光軸ずれの補正装置の模式図である。

符号の説明

３１ 半導体レーザー（ＬＤ）
３２ コリメートレンズ
３３ 回折格子
３４ 回折格子の回転軸
３５ プリズム
３６ 治具
３７ 入射光
３８ ０次回折光
３９ 出力光

Claims (4)

1. リトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正方法において、
   （ａ）回折格子とプリズムとを治具で所定の配置となるように一体的に固定し、
   （ｂ）前記回折格子とプリズムの回転軸での回転により、入射光の波長を変化させるとともに、該波長の変化によっても出力光の光軸が不変であることを特徴とするリトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正方法。
2. （ａ）レーザー光を入射する手段と、
   （ｂ）前記レーザー光が入射する回折格子とプリズムとを所定の配置となるように一体的に固定する治具と、
   （ｃ）前記回折格子とプリズムとを一体的に回転可能な回転軸とを具備することを特徴とするリトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正装置。
3. 請求項２記載のリトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正装置において、前記プリズムは底面が直角二等辺三角形の柱形状であることを特徴とするリトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正装置。
4. 請求項３記載のリトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正装置において、前記回折格子の格子面と前記柱形状のプリズムの直角二等辺三角形の斜面にあたる面とが平行に配置されることを特徴とするリトロー型外部共振器半導体レーザーにおける光軸のずれの補正装置。

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