JP4338003B2

JP4338003B2 - 波長安定化レーザ

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Publication number: JP4338003B2
Application number: JP2000029587A
Authority: JP
Inventors: 栄朗三浦; 慎一郎園田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-02-07
Filing date: 2000-02-07
Publication date: 2009-09-30
Anticipated expiration: 2020-02-07
Also published as: JP2001223431A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体レーザから出射したレーザビームをバンドパスフィルターに通して、その発振波長を安定化するようにした波長安定化レーザに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、例えば特開平１０−１８６４２７号に示されているように、半導体レーザから出射したレーザビームをバンドパスフィルターに通してから半導体レーザに光フィードバックすることにより、その発振波長を安定化させる波長安定化レーザが知られている。
【０００３】
この波長安定化レーザは基本的に、半導体レーザと、この半導体レーザから発せられた発散光状態のレーザビームを平行光化するコリメーターレンズと、このコリメーターレンズにより平行光化されたレーザビームを集光する集光レンズと、集光されたレーザビームを半導体レーザに戻す手段と、前記コリメーターレンズと集光レンズとの間に配されて特定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルターとから構成されたものである。
【０００４】
この波長安定化レーザにおいては、バンドパスフィルターによって波長選択されたレーザビームが半導体レーザに戻されることにより、半導体レーザの発振波長が安定化される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上記構成の従来の波長安定化レーザにおいては、その駆動電流対光出力特性の直線性が良くないという問題が認められる。その理由については、本発明者が鋭意検討した結果、以下のように考えられる。
【０００６】
上記構成の波長安定化レーザにおいて、半導体レーザから出射したレーザビームの光路にミラー等の光学部材が挿入されていると、それらの端面でそれぞれ反射したレーザビームが半導体レーザに戻る。そこでこの半導体レーザからは、光路長が互いに異なる光が合成されて出射することになる。このように光路長が互いに異なる光は干渉し合う。また、半導体レーザの駆動電流を変化させると半導体レーザが発熱し、その屈折率と長さが変化して発振波長が変化する。こうして発振波長が変化すると、上述のように干渉し合う光の干渉状態が変化し、その結果、駆動電流対光出力特性の直線性が損なわれてしまうのである。
【０００７】
そこで本発明は、上述のようにバンドパスフィルターを用いて半導体レーザの発振波長を安定化するようにした波長安定化レーザにおいて、駆動電流対光出力特性の直線性を改善することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による波長安定化レーザは、前述したように、
半導体レーザと、
この半導体レーザから発せられたレーザビームを半導体レーザに戻す手段と、このレーザビームを半導体レーザに戻す手段と前記半導体レーザとの間に配されて特定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルターとを備えてなる波長安定化レーザにおいて、
半導体レーザの前記レーザビームが出射する端面から、このレーザビームを戻す位置までの光学長が、該半導体レーザのコヒーレント長より大きく設定されたことを特徴とするものである。
【０００９】
なお本発明において上記のレーザビームを半導体レーザに戻す手段としては、該レーザビームを反射させる一般的なミラーと、一端が集光されたレーザビームの入射端面とされ、他端が反射面とされた光ファイバーのいずれかが用いられる。そしてさらに、本発明の波長安定化レーザにおいては、半導体レーザ、レーザビームを半導体レーザに戻す手段（ミラーあるいは光ファイバー）およびバンドパスフィルターが、屈折率が１より大で前記レーザビームを透過させる液体中に浸漬される。
【００１０】
また本発明において一般的な半導体レーザを用いる場合、この半導体レーザのレーザビームが出射する端面から、レーザビームを戻す位置までの光学長は、100ｍｍより大きいことが望ましい。
【００１１】
さらに本発明の波長安定化レーザにおいて、半導体レーザは高周波重畳駆動されることが望ましい。
【００１２】
また本発明の波長安定化レーザにおいては、半導体レーザと前記レーザビームを半導体レーザに戻す手段との間に、前記レーザビームの光路を変更するミラーやプリズムが挿入されるのが望ましい。
【００１３】
一方、本発明の好ましい実施形態においては、半導体レーザから出射したレーザビームを第２高調波に変換する光波長変換素子が設けられる。
【００１４】
【発明の効果】
本発明の波長安定化レーザにおいては、半導体レーザのレーザビームが出射する端面から、このレーザビームを戻す位置までの光学長が、該半導体レーザのコヒーレント長より大きく設定されていることにより、駆動電流対光出力特性の直線性が改善される。この効果について、図３に示した波長安定化レーザを例にとって、より具体的に説明する。
【００１５】
図３の波長安定化レーザは、半導体レーザ（レーザダイオード）10と、この半導体レーザ10から発散光状態で出射したレーザビーム11を平行光化するコリメーターレンズ12と、平行光化されたレーザビーム11を収束させる集光レンズ13と、この集光レンズ13によるレーザビーム11の収束位置に配されたミラー20と、レンズ12および13の間に配された狭帯域のバンドパスフィルター14と、このバンドパスフィルター14とコリメーターレンズ12との間に配されたビームスプリッタ50とを有している。
【００１６】
この図３の構成波長安定化レーザにおいて、半導体レーザ10のコヒーレント長は約100ｍｍである。そして半導体レーザ10とミラー20との間の光学長を、上記コヒーレント長よりも大きい150ｍｍとした場合、コヒーレント長よりも小さい18ｍｍとした場合の駆動電流対光出力特性は、それぞれ図８、９に示す通りとなる。これらの図に示される通り、半導体レーザ10とミラー20との間の光学長をコヒーレント長よりも大きくした場合の駆動電流対光出力特性は、この光学長をコヒーレント長よりも小さくした場合のそれと比べて、格段に直線性が優れたものとなる。
【００１７】
また本発明の波長安定化レーザにおいて、半導体レーザとレーザビームを半導体レーザに戻す手段との間に、レーザビームの光路を変更するミラーやプリズム、さらには、屈折率が１より大でレーザビームを透過させる光学材料を挿入すれば、半導体レーザのレーザビームが出射する端面から、このレーザビームを戻す位置までの光学長を上述のように比較的大きく設定しても、半導体レーザとレーザビームを半導体レーザに戻す手段との間の光路をコンパクトにまとめることができ、それにより波長安定化レーザの小型化が達成できる。
【００１８】
また本発明において一般的な半導体レーザを用いる場合、この半導体レーザのレーザビームが出射する端面から、このレーザビームを戻す位置までの光学長を100ｍｍより大きく設定しておけば、駆動電流対光出力特性の直線性は確実に改善されることとなる。すなわち、半導体レーザのコヒーレント長Ｌｃは、その発振波長をλ、スペクトル幅をΔλ、媒質の屈折率をｎとすればＬｃ＝λ^２／（２πｎΔλ）で与えられ、一般的な半導体レーザでは100ｍｍ程度である。そこで、一般的な半導体レーザを用いる場合は、上記光学長を100ｍｍより大きく設定しておけばよい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明の一つの実施形態による波長安定化レーザを備えた光波長変換モジュールを示すものであり、図２はその半導体レーザ駆動回路を示すものである。
【００２０】
図１に示されるようにこの光波長変換モジュールは、半導体レーザ10と、この半導体レーザ10から発散光状態で出射したレーザビーム（後方出射光）11Ｒを平行光化するコリメーターレンズ12と、平行光化されたレーザビーム11Ｒを収束させる集光レンズ13と、これらのレンズ12および13の間に配された波長選択素子としての狭帯域バンドパスフィルター14と、上記集光レンズ13によるレーザビーム11Ｒの収束位置に配されたミラー20とを有している。
【００２１】
そして半導体レーザ10の前方端面（図中の左端面）は、導波路型光波長変換素子15の端面に直接結合されている。この半導体レーザ10は、後述する半導体レーザ駆動回路40によって駆動される。
【００２２】
光波長変換素子15は、非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＮｂＯ_３にＭｇＯが例えば５ mol％ドープされたもの（以下、ＭｇＯ−ＬＮと称する）の結晶からなる基板16に、そのＺ軸と平行な自発分極の向きを反転させたドメイン反転部17が周期的に形成されてなる周期ドメイン反転構造と、この周期ドメイン反転構造に沿って延びるチャンネル光導波路18が形成されてなるものである。
【００２３】
周期ドメイン反転構造は、基板16のＸ軸方向にドメイン反転部17が並ぶように形成され、その周期Λは、ＭｇＯ−ＬＮの屈折率の波長分散を考慮し、950 ｎｍ近辺の波長に対して１次の周期となるように4.75μｍとされている。このような周期ドメイン反転構造は、例えば特開平６−２４２４７８号に示される方法によって形成することができる。
【００２４】
一方チャンネル光導波路18は、周期ドメイン反転部17を形成した後、基板16の＋Ｚ面上に公知のフォトリソグラフィーとリフトオフにより金属マスクパターンを形成し、この基板16をピロリン酸中に浸漬してプロトン交換処理を行ない、マスクを除去した後にアニール処理する、等の方法によって作成することができる。その後このチャンネル光導波路18の両端面18ａ、18ｂをエッジ研磨し、端面18ａを含む素子端面に基本波であるレーザビーム11に対するＡＲ（無反射）コート30を施し、端面18ｂを含む素子端面に後述する第２高調波19に対するＡＲコート31を施すと、光波長変換素子15が完成する。なお、半導体レーザ10の両端面（劈開面）には、その発振波長の光に対するＬＲ（低反射率）コート32が施されている。
【００２５】
次に、この光波長変換モジュールの作用について説明する。半導体レーザ10から前方側（図中左方に）発せられた中心波長950 ｎｍのレーザビーム11は、チャンネル光導波路18内に入射する。このレーザビーム11はチャンネル光導波路18をＴＥモードで導波して、波長が１／２つまり475 ｎｍの第２高調波19に波長変換される。その際、周期ドメイン反転領域で位相整合（いわゆる疑似位相整合）が取られ、この第２高調波19もチャンネル光導波路18を導波モードで伝搬して、光導波路端面18ｂから出射する。
【００２６】
光導波路端面18ｂからは、波長変換されなかったレーザビーム11も発散光状態で出射する。第２高調波19は、図示しないバンドパスフィルターやダイクロイックミラー等によってレーザビーム11と分離され、所定の用途に供される。
【００２７】
次に、半導体レーザ10の駆動について説明する。本実施形態では、半導体レーザ10から出射した後方出射光11Ｒがミラー20で反射して、半導体レーザ10にフィードバックされる。つまりこの装置では、半導体レーザ10の前方端面（図１中の左方の端面）と上記ミラー20とによって半導体レーザ10の外部共振器が構成されている。図中のＬが外部共振器長である。また、半導体レーザ10の後方出射光11Ｒが出射する端面とミラー20との間の光学長は150ｍｍである。
【００２８】
そしてこの外部共振器の中に配された狭帯域バンドパスフィルター14により、そこを透過するレーザビーム11の波長が選択される。半導体レーザ10はこの選択された波長で発振し、選択波長は狭帯域バンドパスフィルター14の回転位置（図１中の矢印Ａ方向の回転位置）に応じて変化するので、この狭帯域バンドパスフィルター14を適宜回転させることにより、半導体レーザ10の発振波長を、ドメイン反転部17の周期と対応して第２高調波19の疑似位相整合が取れる波長に選択、安定化することができる。
【００２９】
ここで、バンドパスフィルター14の透過幅内に半導体レーザ10の両劈開面間のＦＰモードが複数存在すると、縦モード競合が起こり得る。半導体レーザ駆動回路40は、この縦モード競合を抑制するために、図２に示す構成とされている。すなわちこの駆動回路40では、直流電源41から発せられてコイル42を経た直流電流成分に、交流電源43から発せられてコンデンサー44を経た高周波が重畳される。そして、この高周波重畳された電流が半導体レーザ10に印加される。
【００３０】
このように、半導体レーザ10の駆動電流に高周波を重畳して変調駆動することにより、駆動電流が、縦モード競合を起こす領域に留まることがなくなり、縦モード競合が抑制される。
【００３１】
本実施形態において、半導体レーザ10のコヒーレント長は約100ｍｍである。そして半導体レーザ10の後方出射光11Ｒが出射する端面とミラー20との間の光学長は前述した通り、上記コヒーレント長よりも大きい150ｍｍとされている。それによりこの波長安定化レーザは、駆動電流対光出力特性の直線性が良好なものとなる。
【００３２】
次に、図３を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図３において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについては特に必要の無い限り説明を省略する（以下、同様）。
【００３３】
図３は、本発明の第２の実施形態による波長安定化レーザを示すものである。図示されるようにこの波長安定化レーザは、半導体レーザ10と、この半導体レーザ10から発散光状態で出射したレーザビーム11を平行光化するコリメーターレンズ12と、平行光化されたレーザビーム11を収束させる集光レンズ13と、この集光レンズ13によるレーザビーム11の収束位置に配されたミラー20と、レンズ12および13の間に配された狭帯域のバンドパスフィルター14と、このバンドパスフィルター14とコリメーターレンズ12との間に配されたビームスプリッタ50とを有している。
【００３４】
上記バンドパスフィルター14の透過帯域（半値幅）は1.0ｎｍであり、中心波長950ｎｍのレーザビーム11はこのバンドパスフィルター14によって波長選択される。このように波長選択されたレーザビーム11がミラー20で反射して半導体レーザ10に戻り、いわゆる光フィードバックがなされることにより、半導体レーザ10の発振波長が安定化される。
【００３５】
こうして波長が安定化されたレーザビーム11は、半導体レーザ10とミラー20との間の光路からビームスプリッタ50により一部分岐されて、所定の用途に使用される。
【００３６】
この波長安定化レーザにおいて、半導体レーザ10のコヒーレント長は約100ｍｍである。そして半導体レーザ10の光出射端面とミラー20との間の光学長は、上記コヒーレント長よりも大きい150ｍｍとされている。この波長安定化レーザの駆動電流対光出力特性は、図８に示す通りである。
【００３７】
それに対して、半導体レーザ10の光出射端面とミラー20との間の光学長を上記コヒーレント長よりも小さい18ｍｍとし、その他の構成は図３と同様にした波長安定化レーザの駆動電流対光出力特性は、図９に示す通りとなる。この図９と図８とから分かる通り、半導体レーザ10とミラー20との間の光学長をコヒーレント長よりも大きくした場合の駆動電流対光出力特性は、この光学長をコヒーレント長よりも小さくした場合と比べて、直線性が格段に優れている。
【００３８】
なお、半導体レーザ10の光出射端面とミラー20との間の光学長を上記コヒーレント長より僅かに大きいだけにしても、基本的に、この光学長を150ｍｍにした場合と同様の効果が得られる。
【００３９】
次に、図４を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。この第３実施形態の波長安定化レーザは、図３のものと比べると、半導体レーザ10から発せられた後方出射光であるレーザビーム11Ｒがコリメーターレンズ51により平行光化されて所定の用途に用いられる点が異なるものである。
【００４０】
このような構成においても、バンドパスフィルター14による波長安定化作用が同様に得られる。そしてこの場合も、半導体レーザ10の光出射端面とミラー20との間の光学長は、半導体レーザ10のコヒーレント長約100ｍｍよりも大きい150ｍｍとされており、それにより、駆動電流対光出力特性の直線性が改善される。
【００４１】
次に、図５を参照して本発明の第４の実施形態について説明する。この第４実施形態の波長安定化レーザは、図４のものと比べると、半導体レーザ10とミラー20との間のレーザビーム11の光路にミラー52および53が配され、それらによってレーザビーム11の光路が折り返されている点が異なるものである。
【００４２】
このようにすれば、半導体レーザ10とミラー20との間の光学長を半導体レーザ10のコヒーレント長よりも大きく設定しても、該半導体レーザ10とミラー20との間の光路をコンパクトにまとめることができ、それにより、波長安定化レーザの小型化が達成される。
【００４３】
次に、図６を参照して本発明の第５の実施形態について説明する。この第５実施形態の波長安定化レーザは、図５のものと比べると、半導体レーザ10とミラー20との間のレーザビーム11の光路を折り返す手段として、ミラー52および53に代えてプリズム54および55が用いられている点が異なるものである。この構成においても、半導体レーザ10とミラー20との間の光路をコンパクトにまとめて、波長安定化レーザの小型化を達成することができる。
【００４４】
なお、上述のミラーやプリズムを用いた光路変更は何回行なってもよく、半導体レーザ10とミラー20との間の光路をコンパクト化するのに適したレイアウトを適宜用いればよい。またこの光路変更のためにプリズムを用いる場合は、光路を反射させても、あるいは屈折させても構わない。
【００４５】
さらに、上述のミラーやプリズムを用いた光路変更を行なう代わりに、半導体レーザ10とミラー20との間のレーザビーム11の光路に、屈折率が１より大でレーザビーム11を透過させる光学材料を挿入してもよい。例えばこの光路全体に、屈折率が1.5の光学材料を挿入したとすると、半導体レーザ10とミラー20との間の距離を光学材料挿入前の距離にしたままで、光学長を、光学材料挿入前の1.5倍にすることができる。
【００４６】
このような光学材料を挿入する上で具体的には、例えば図３に示されている構成全体を気体あるいは液体からなる光学材料中に浸したり、固体からなる光学材料をレーザビーム11の光路に配置する等の手法を採用することができる。
【００４７】
次に、図７を参照して本発明の第６の実施形態について説明する。この第６実施形態の波長安定化レーザは、図４のものと比べると、ミラー20に代えて光ファイバー60が用いられている点が異なるものである。
【００４８】
この光ファイバー60の一端面60ａは、レーザビーム11に対する無反射コートが施されて、集光レンズ13により集光されたレーザビーム11を入射させる入射端面とされている。一方この光ファイバー60の他端面60ｂは、レーザビーム11に対する高反射コートが施されて、レーザビーム11を反射させる反射面とされている。
【００４９】
この構成において、一端面60ａから光ファイバー60内に入射したレーザビーム11はそこを導波モードで伝搬して他端面60ｂで反射し、光ファイバー60内を折り返し伝搬して一端面60ａから出射し、半導体レーザ10に戻る。したがってこの場合も、バンドパスフィルター14で波長選択されたレーザビーム11が半導体レーザ10に光フィードバックされることにより、発振波長が安定化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による波長安定化レーザを備えた光波長変換モジュールの側面図
【図２】図１の波長安定化レーザに用いられた駆動回路の回路図
【図３】本発明の第２実施形態による波長安定化レーザを示す側面図
【図４】本発明の第３実施形態による波長安定化レーザを示す側面図
【図５】本発明の第４実施形態による波長安定化レーザを示す側面図
【図６】本発明の第５実施形態による波長安定化レーザを示す側面図
【図７】本発明の第６実施形態による波長安定化レーザを示す側面図
【図８】図３の波長安定化レーザの駆動電流対光出力特性を示すグラフ
【図９】従来の波長安定化レーザの駆動電流対光出力特性の一例を示すグラフ
【符号の説明】
10 半導体レーザ
11 レーザビーム
11Ｒレーザビーム（後方出射光）
12 コリメーターレンズ
13 集光レンズ
14 バンドパスフィルター
15 光波長変換素子
16 ＭｇＯ−ＬＮ結晶基板（ｚ板）
17 ドメイン反転部
18 チャンネル光導波路
19 第２高調波
20 ミラー
50 ビームスプリッタ
51 コリメーターレンズ
52、53 ミラー
54、55 プリズム
60 光ファイバー
60ａ光ファイバーの一端面
60ｂ光ファイバーの他端面

Claims

半導体レーザと、
この半導体レーザから発せられたレーザビームを反射させて半導体レーザに戻す手段であるミラーと、
このミラーと前記半導体レーザとの間に配されて特定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルターとを備えてなる波長安定化レーザにおいて、
前記半導体レーザの前記レーザビームが出射する端面から、前記レーザビームを戻す位置までの光学長が、該半導体レーザのコヒーレント長より大きく、
前記半導体レーザ、ミラーおよびバンドパスフィルターが、屈折率が１より大で前記レーザビームを透過させる液体中に浸漬されていることを特徴とする波長安定化レーザ。
半導体レーザと、
この半導体レーザから発せられたレーザビームを反射させて半導体レーザに戻す手段である、一端が集光された前記レーザビームの入射端面とされ、他端が反射面とされた光ファイバーと、
この光ファイバーと前記半導体レーザとの間に配されて特定波長の光のみを通過させるバンドパスフィルターとを備えてなる波長安定化レーザにおいて、
前記半導体レーザの前記レーザビームが出射する端面から、前記レーザビームを戻す位置までの光学長が、該半導体レーザのコヒーレント長より大きく、
前記半導体レーザ、光ファイバーおよびバンドパスフィルターが、屈折率が１より大で前記レーザビームを透過させる液体中に浸漬されていることを特徴とする波長安定化レーザ。
前記半導体レーザと前記レーザビームを半導体レーザに戻す手段との間に、前記レーザビームの光路を変更するミラーが挿入されていることを特徴とする請求項１または２記載の波長安定化レーザ。
前記半導体レーザと前記レーザビームを半導体レーザに戻す手段との間に、前記レーザビームの光路を変更するプリズムが挿入されていることを特徴とする請求項１または２記載の波長安定化レーザ。
前記半導体レーザが高周波重畳駆動されるものであることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の波長安定化レーザ。
前記半導体レーザから出射したレーザビームを第２高調波に変換する光波長変換素子を備えたことを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の波長安定化レーザ。