JP4650783B2

JP4650783B2 - 外部共振器型の波長可変光源

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Publication number: JP4650783B2
Application number: JP2004270897A
Authority: JP
Inventors: 康寛田中
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2004-09-17
Filing date: 2004-09-17
Publication date: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2024-09-17
Also published as: US20060072638A1; JP2006086395A

Description

本発明は、反射手段とで外部共振器を構成しレーザ光を出力する半導体レーザと、この半導体レーザにレーザ駆動電流を供給するレーザ駆動回路と、このレーザ駆動回路が出力する駆動電流にランダムに電流値が変化するノイズ電流を重畳するランダムノイズ発生器とを有する外部共振器型の波長可変光源に関し、詳しくは、レーザ光の光強度によらず、光変調を行なうことができる外部共振器型の波長可変光源に関するものである。

外部共振器型の波長可変光源は、出力光の波長を広範囲わたって変化することができる。このような外部共振器型の波長可変光源のスペクトル線幅は、半値全幅で５００［ｋＨｚ］以下となるものもある。すなわちスペクトル線幅が狭いので、可干渉性が非常によい。

しかし、実際の測定（例えば、光パワーメータで光パワー（光強度とも呼ばれる）を測定する場合）では、可干渉性のよさによって干渉ノイズが発生し、測定誤差要因になってしまう。通常、測定系には反射点が存在し、測定光と反射光とで干渉が生じる。そして、測定光と反射光の光路差は、測定中に常に変動することが多く、干渉ノイズとして測定光の光強度に変動が生じる。

そこで、光変調を行なってスペクトル線幅を広くして干渉ノイズを低減する方法として、外部共振器の共振器長を変化させるもの（例えば、特許文献１参照）や半導体レーザを駆動するレーザ駆動電流にランダムノイズを重畳させるもの（例えば、特許文献２参照）がある。

図４は、従来の外部共振器型の波長可変光源（レーザ駆動電流にランダムノイズを重畳させるもの）の構成を示した図である（例えば、特許文献２参照）。図４において、リットマン配置型の外部共振器型の波長可変光源を例に説明する。光増幅部１０は、半導体レーザ１１、第１のレンズ１２、第２のレンズ１３を有する。半導体レーザ１１は、一端に反射防止膜１１ａを有する。第１のレンズ１１は、半導体レーザ１１の一端（反射防止膜１１ａのある端面）から出射される光を平行光にし出射する。第２のレンズ１３は、半導体レーザ１１の他端から出射される光を平行光にし、出力光として出射する。

波長選択部２０は、回折格子２１、波長選択ミラー２２、ミラー回転手段２３とを有し、光増幅部１０の一端から入射される光を波長選択し、光増幅部１１に帰還する。回折格子２１は、光増幅部１０からの光および波長選択ミラー２２からの光を波長分散する。波長選択ミラー２２は、反射手段であり、回折格子２１が波長分散した光を回折格子２１に反射する。ミラー回転手段２３は、波長選択ミラー２２を回転し、回折格子２１が光増幅部１０に帰還する光の波長選択を行う。

レーザ駆動回路３０は、半導体レーザ１１を駆動するためのレーザ駆動電流を出力する。ランダムノイズ発生器４０は、熱ノイズやショットノイズのような白色ノイズ、例えば,ツェナーダイオード等により発生させたノイズを所定の振幅の大きさの電流に増幅し、出力するものである。そして、ランダムノイズ発生器４０は、レーザ駆動回路が３０出力する駆動電流に、所定の振幅内で電流値がランダムに変化するノイズ電流を重畳する。そして、半導体レーザ１１は、ノイズ電流が重畳されたレーザ駆動電流によって駆動する。

このような装置の動作を説明する。まず、光学系の動作から説明する。
半導体レーザ１１の一端から出射された光は、第１のレンズ１２で平行光にされ回折格子２１に入射する。そして、回折格子２１に入射した光は回折格子２１によって回折され、波長ごとに異なる角度に波長分散され、波長選択ミラー２２に入射する。さらに波長選択ミラー２２に入射した光のうち、所望の波長の光のみが、同一の光路で回折格子２１に反射される。なお、ミラー回転手段２３によって、同一光路で反射する波長の選択を行う。

そして、回折格子２１に入射された光は再度波長分散され、波長選択部２０で選択された波長の光のみが第１のレンズ１２によって半導体レーザ１１で収束し、帰還する。ここで、半導体レーザ１１の他端と波長選択ミラー２２とにより外部共振器が形成され、レーザ発振が行われる。

一方、反射防止膜１１ａの施されていない他端から出射したレーザ光は、第２のレンズ１３によって平行光にされ、出力光として出射される。さらに、ミラー回転手段２３によって波長選択ミラー２２を回転することにより、波長選択部２０から光増幅部１０に帰還する光の波長を可変でき、出力光の波長掃引を行う。

続いて、駆動回路３０、発生器４０の動作を説明する。図５は、レーザ駆動電流、ノイズ電流、スペクトル線幅の特性を模式的に示した図である。図５（ａ）に示すように、駆動回路３０から半導体レーザを駆動するためのレーザ駆動電流（電流値Ｉｄ）が出力される。また、図５（ｂ）に示すように発生器４０から一定の振幅ΔＩのノイズ電流がされる。そして、レーザ駆動電流にノイズ電流が重畳され、半導体レーザ１１に供給される。なお、図５（ａ）、図５（ｂ）は、横軸が時間であり、縦軸が電流である。図５（ｃ）は、横軸が波長であり、縦軸が光強度である。

特許文献２に示されるように、半導体レーザ１１へのレーザ駆動電流、すなわち注入電流の変動は、半導体レーザ１１の出力光の光強度と電子密度の変動を伴なう。この電子密度の変化は、屈折率の変化と温度変化を伴ない、結果として光周波数の変化が生じる。従って、このノイズ電流が重畳されたレーザ駆動電流によって、半導体レーザ１１が駆動されるので、結果としてスペクトル線幅の広い出力光が得られる。つまり、図５（ｃ）に示すように、ノイズ電流が重畳されない場合のスペクトル１００に対し、スペクトル線幅が広がったスペクトル１０１になる。

そして、波長選択ミラー２２を回転させて出力光の波長掃引を行っている間も、レーザ駆動電流にノイズ電流を重畳することにより、全波長にわたって光変調の行なわれたスペクトル線幅の広い出力光が出力される。

特許第３４２２８０４号公報（段落番号００１４−００２２、第１−４図）特開平１０−１０７３５４号公報（段落番号０００２−０００５、００２０−００３１、第１−２図）

通常、半導体レーザ１１の出力光の光強度は、レーザ駆動電流が一定であっても、波長によって異なる。図６は、半導体レーザ１１の波長特性の一例を示した図である。波長λｍａｘで、出力光の光強度が最大になる。そして、波長λｍａｘ近傍は平坦だが、さらに長波側、短波側にいくほど、光強度が急激に減衰する。また、所定の波長、例えば、波長λｍａｘでスペクトル線幅の仕様が定められ、このスペクトル線幅の仕様を満たすノイズ電流が設定される。なお、スペクトル線幅の仕様は、全波長範囲でなく所定の波長で設定される。

従来は、波長λｍａｘ近傍を波長可変範囲として仕様を決定したが、近年、ユーザからの要望により、波長可変範囲がより広がっている。

しかしながら、出力光の光強度が波長によって異なるのに対し、ランダムノイズ発生器４０から出力されるノイズ電流の振幅ΔＩは一定となっている。そのため、レーザ発振しきい値電流の高い波長において、レーザ発振がオフしてしまうという問題があった。具体的には、光強度が減少するほど、レーザ発振しきい値電流が高く、レーザ発振がオフしてしまい光変調を行なうことができないという問題があった。

そこで本発明の目的は、レーザ光の光強度によらず、光変調を行なうことができる外部共振器型の波長可変光源を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
反射手段とで外部共振器を構成しレーザ光を出力する半導体レーザと、この半導体レーザにレーザ駆動電流を供給するレーザ駆動回路と、このレーザ駆動回路が出力する駆動電流に電流値がランダムに変化するノイズ電流を重畳するランダムノイズ発生器とを有する外部共振器型の波長可変光源において、
前記半導体レーザが出力するレーザ光の光強度に基づいて、前記ランダムノイズ発生器からのノイズ電流の振幅を減衰または増幅する振幅増減部を設け、
前記振幅増減部は、
前記半導体レーザが出力するレーザ光の波長ごとに、前記レーザ駆動電流の電流値およびこの電流値におけるレーザ光の光強度を記憶する記憶部と、
この記憶部の電流値と光強度との関係から、前記ノイズ電流の振幅の増減量を演算する演算手段と、
の演算手段の演算結果で前記ノイズ電流の振幅を減衰または増幅する振幅調整手段と
を有することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、
反射手段とで外部共振器を構成しレーザ光を出力する半導体レーザと、この半導体レーザにレーザ駆動電流を供給するレーザ駆動回路と、このレーザ駆動回路が出力する駆動電流に電流値がランダムに変化するノイズ電流を重畳するランダムノイズ発生器とを有する外部共振器型の波長可変光源において、
前記半導体レーザが出力するレーザ光の光強度に基づいて、前記ランダムノイズ発生器からのノイズ電流の振幅を減衰または増幅する振幅増減部を設け、
前記振幅増減部は、
前記半導体レーザが出力するレーザ光の波長ごと、かつ、レーザ駆動電流ごとに、前記ノイズ電流の振幅の増減量を記憶する記憶部と、
この記憶部の増減量に従って、前記ノイズ電流の振幅を減衰または増幅する振幅調整手段と
を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜２によれば、振幅増減部が、レーザ光の光強度に基づいて、ランダムノイズ発生器からのノイズ電流の振幅を増減するので、レーザ発振がオフされず、レーザ光の光変調度を所望の値にすることができる。これにより、レーザ光の光強度によらず、光変調を行なうことができる

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第１の実施例］
図１は、本発明の第１の実施例を示す構成図である。ここで、図４と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図１において、ランダムノイズ発生器４０とレーザ駆動電流にノイズ電流を重畳する部分との間に、振幅増減部５０が新たに設けられる。

振幅増減部５０は、記憶部５１、演算手段５２、振幅調整手段５３を有し、ランダムノイズ発生器４０からノイズ電流が入力され、入力されたノイズ電流の振幅ΔＩを半導体レーザ１１が出力するレーザ光の光強度に基づいて、減衰または増幅してレーザ駆動電流に重畳させる。

記憶部５１は、半導体レーザ１１が出力するレーザ光の波長ごとに、レーザ駆動電流の電流値およびこの電流値におけるレーザ光の光強度を記憶する。演算手段５２は、記憶部５１の電流値と光強度との関係から、ノイズ電流の振幅ΔＩの増減量を演算する。振幅調整手段５３は、演算手段５２から演算結果が入力され、ランダムノイズ発生器４０からノイズ電流が入力される。そして振幅調整手段５３は、演算結果でノイズ電流の振幅ΔＩを減衰または増幅して出力する。

このような装置の動作を説明する。
まず、波長ごとの電流値と光強度の特性を記憶部５１に格納する。具体的には、レーザ駆動回路３０が、出力光の波長に関わりなく一定の電流値Ｉｄのレーザ駆動電流を出力する。そして、各波長ごと、例えば、１［ｎｍ］間隔で半導体レーザ１１の出力光の光強度を測定する。そして、各波長におけるレーザ駆動電流と光強度の関係を、記憶部５１記憶させる。

次に、電流値Ｉｄを変化させて、再び各波長ごとにレーザ駆動電流と光強度の関係を記憶部５１に記憶させる。さらに、このような動作を繰り返す。なお、記憶部５１に記憶させるのは、装置を出荷する前の調整時や装置の校正時に行なうとよい。

続いて、光変調を行なってスペクトル線幅を広くする通常時の動作を説明する。
レーザ駆動回路３０が、出力光の波長に関わりなく一定のレーザ駆動電流を出力する。一方、振幅増減部５０が、レーザ駆動回路３０が出力するレーザ駆動電流の電流値Ｉｄ、波長選択部２０が選択している波長を取得する。そして、演算手段５２が、電流値Ｉｄと波長とに対応する光強度を記憶部５１から読み出し、所望の光変調度の値となるノイズ電流の振幅を演算し、増減量を求める。

具体的には、半導体レーザ１１の出力光の光強度と、ノイズ電流によって光強度が変動する振幅の比（つまり、Ｓ／Ｎ比）、すなわちスペクトル線幅の仕様を満たすノイズ電流の振幅を演算する。もちろん、半導体レーザ１１のレーザ発振がオフされない範囲内で光変調可能なノイズ電流の振幅を演算するので、光強度の小さい波長では、必ずしもスペクトル線幅の仕様を満たさなくともよい。

そして、この演算結果に基づいて振幅調整手段５３が、ランダムノイズ発生器４０のノイズ電流を減衰または増幅し、所望の振幅に調整したノイズ電流をレーザ駆動電流に重畳する。さらに、半導体レーザ１１が、ノイズ電流が重畳したレーザ駆動電流によって駆動される。なお、光学系の動作は、図４に示す装置と同様なので説明を省略する。

このように、演算手段５２が、記憶部５１から読み出したレーザ光の光強度に基づいてノイズ電流の振幅を演算する。そして、振幅調整手段５３が、演算結果に従って、ランダムノイズ発生器４０からのノイズ電流の振幅を増減するので、レーザ発振がオフされず、レーザ光の光変調度を所望の値にすることができる。これにより、レーザ光の光強度によらず、光変調を必ず行なうことができる。従って、全波長にわたってスペクトル線幅を広くすることができる。

また、レーザ駆動電流を変え、例えば、電流値を小さくする場合がある。そして、ノイズ電流の振幅が一定のままだと、半導体レーザ１１からレーザ駆動回路３０へと、通常とは逆の方向（負の方向）にレーザ駆動電流が流れ、半導体レーザ１１に逆バイアスがかかる場合がある、この結果、半導体レーザ１１が破損してしまう恐れもある。しかしながら、図１に示す装置では、演算手段５２が、各電流値ごとにノイズ電流の振幅の増減量を演算するので、過大なノイズ電流をレーザ駆動電流に重畳することがなく、破損することがない。

［第２の実施例］
図２は、本発明の第２の実施例を示す構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図２において、記憶部５１、演算手段５２の代わりに記憶部５４が設けられる。記憶部５４は、半導体レーザ１１が出力するレーザ光の波長ごとに、ノイズ電流の振幅の増減量を記憶する。

このような装置の動作を説明する。
まず、波長ごとのノイズ電流の振幅の増減量を記憶部５４に格納する。具体的には、レーザ駆動回路３０が、出力光の波長に関わりなく一定の電流値Ｉｄのレーザ駆動電流を出力する。そして、各波長ごと、例えば、１［ｎｍ］間隔で半導体レーザ１１の出力光の光強度を測定する。そして、外部装置、例えば、パソコンなどで、各波長におけるレーザ駆動電流と光強度の関係から、ノイズ電流の振幅の増減量を演算し、求めた増減量を記憶部５４に記憶させる。

次に、電流値Ｉｄを変化させて、再び各波長ごとにレーザ駆動電流と光強度の関係を記憶部５４に記憶させる。さらに、このような動作を繰り返す。なお、記憶部５４に記憶させるのは、装置を出荷する前の調整時や装置の校正時に行なうとよい。

続いて、スペクトル線幅を広くする通常時の動作を説明する。図１に示す装置とほぼ同様だが、異なる動作を説明する。振幅調整手段５３が、電流値Ｉｄと波長とに対応する増減量を記憶部５４から読み出し、ランダムノイズ発生器４０のノイズ電流を減衰または増幅し、所望の振幅に調整したノイズ電流をレーザ駆動電流に重畳する。さらに、半導体レーザ１１が、ノイズ電流が重畳したレーザ駆動電流によって駆動される。

このように、振幅調整手段５３が、記憶部５４から読み出した増減量に従って、ランダムノイズ発生器４０からのノイズ電流の振幅を増減するので、レーザ発振がオフされず、レーザ光の光変調度を所望の値にすることができる。これにより、レーザ光の光強度によらず、光変調を必ず行なうことができる。従って、全波長にわたってスペクトル線幅を広くすることができる。

また、レーザ駆動電流を変え、例えば、電流値を小さくする場合がある。そして、ノイズ電流の振幅が一定のままだと、半導体レーザ１１からレーザ駆動回路３０へと、通常とは逆の方向（負の方向）にレーザ駆動電流が流れ、半導体レーザ１１に逆バイアスがかかる場合がある、この結果、半導体レーザ１１が破損してしまう恐れもある。しかしながら、図１に示す装置では、記憶部５４が、各電流値ごとにノイズ電流の振幅の増減量を記憶しているので、過大なノイズ電流をレーザ駆動電流に重畳することがなく、破損することがない。

［第３の実施例］
図３は、本発明の第３の実施例を示す構成図である。ここで、図１と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。図３において、記憶部５１、演算手段５２の代わりに受光部５５、演算手段５６が設けられる。

受光部５５は、半導体レーザ１１が出力するレーザ光の一部を受光し、光強度を測定する。演算手段５６は、受光部５５からの光強度に従って、ノイズ電流の振幅の増減量を演算する。

このような装置の動作を説明する。
レーザ駆動回路３０が、レーザ駆動電流を出力する。そして、半導体レーザ１１からの出力光が、例えば、光カプラやハーフミラー等の分岐手段で分岐され、分岐された一方の出力光が受光部５５に入力される。さらに、受光部５５が、入力したレーザ光を、例えば、フォトダイオードで受光して光強度に比例した光電流を出力する。そして、光電流を図示しないＩＶ変換回路で電流電圧変換し、さらに図示しないＡＤ変換器でデジタル値にして演算手段５６に出力する。

そして、演算手段５６が、受光部５５からの光強度に比例したデジタル値から、この光強度におけるノイズ電流の振幅の増減量を演算する。さらに、この演算結果に基づいて振幅調整手段５３が、ランダムノイズ発生器４０のノイズ電流を減衰または増幅し、所望の振幅に調整したノイズ電流をレーザ駆動電流に重畳する。さらに、半導体レーザ１１が、ノイズ電流が重畳したレーザ駆動電流によって駆動される。なお、光学系の動作は、図１に示す装置と同様なので説明を省略する。

このように、受光部５５がレーザ光の光強度を測定し、演算手段５６が測定結果に基づいてノイズ電流の振幅を演算する。そして、振幅調整手段５３が、演算結果に従って、ランダムノイズ発生器４０からのノイズ電流の振幅を増減するので、レーザ発振がオフされず、レーザ光の光変調度を所望の値にすることができる。これにより、レーザ光の光強度によらず、光変調を必ず行なうことができる。従って、全波長にわたってスペクトル線幅を広くすることができる。

また、レーザ駆動電流を変え、例えば、電流値を小さくする場合がある。そして、ノイズ電流の振幅が一定のままだと、半導体レーザ１１からレーザ駆動回路３０へと、通常とは逆の方向（負の方向）にレーザ駆動電流が流れ、半導体レーザ１１に逆バイアスがかかる場合がある、この結果、半導体レーザ１１が破損してしまう恐れもある。しかしながら、図３に示す装置では、受光部５５が光強度を常に測定するので、過大なノイズ電流をレーザ駆動電流に重畳することがなく、破損することがない。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
図１に示す装置において、レーザ駆動電流の電流値を複数種類に変化させて、それぞれにおける光強度を記憶部５１に記憶させる構成を示したが、レーザ駆動回路３０の出力する電流値が所定の範囲で出力される場合、１種類の電流値に対する光強度のみを記憶させてもよい。そして、振幅増減部５０がレーザ駆動電流の電流値を取得しなくともよい。

図２に示す装置においてレーザ駆動電流の電流値を複数種類に変化させて、それぞれにおける増減量を記憶部５３に記憶させる構成を示したが、レーザ駆動回路３０の出力する電流値が所定の範囲で出力される場合、１種類の電流値に対する増減量のみを記憶させてもよい。そして、振幅増減部５０がレーザ駆動電流の電流値を取得しなくともよい。

図１、図２に示す装置において、１［ｎｍ］間隔で記憶部４０に記憶する構成を示したが、波長間隔はいくつでもよく、さらに等間隔でなくてもよい。

図１〜図３に示す装置において、リットマン配置の外部共振器型の波長可変光源の構成を示したが、外部共振器の構成は、どのようなものでもよい。例えば、波長選択部２０に反射手段であるミラーのみを設け、このミラーを光軸に沿って移動させてもよい。また、波長選択部に反射手段である回折格子のみを設け、この回折格子を光軸に沿って移動させてもよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。本発明の第２の実施例を示した構成図である。本発明の第３の実施例を示した構成図である。従来の外部共振器型の波長可変光源の構成を示した図である。レーザ駆動電流、ノイズ電流、半導体レーザ１１のレーザ光のスペクトル線幅の特性を示した図である。半導体レーザ１１のレーザ光の波長と光強度の関係を示した図である。

符号の説明

１１半導体レーザ
２２波長選択ミラー
３０レーザ駆動回路
４０ランダムノイズ発生器
５０振幅増減部
５１、５４記憶部
５２、５６演算手段
５３振幅調整手段
５５受光部

Claims

反射手段とで外部共振器を構成しレーザ光を出力する半導体レーザと、この半導体レーザにレーザ駆動電流を供給するレーザ駆動回路と、このレーザ駆動回路が出力する駆動電流に電流値がランダムに変化するノイズ電流を重畳するランダムノイズ発生器とを有する外部共振器型の波長可変光源において、
前記半導体レーザが出力するレーザ光の光強度に基づいて、前記ランダムノイズ発生器からのノイズ電流の振幅を減衰または増幅する振幅増減部を設け、
前記振幅増減部は、
前記半導体レーザが出力するレーザ光の波長ごとに、前記レーザ駆動電流の電流値およびこの電流値におけるレーザ光の光強度を記憶する記憶部と、
この記憶部の電流値と光強度との関係から、前記ノイズ電流の振幅の増減量を演算する演算手段と、
この演算手段の演算結果で前記ノイズ電流の振幅を減衰または増幅する振幅調整手段と
を有することを特徴とする外部共振器型の波長可変光源。
反射手段とで外部共振器を構成しレーザ光を出力する半導体レーザと、この半導体レーザにレーザ駆動電流を供給するレーザ駆動回路と、このレーザ駆動回路が出力する駆動電流に電流値がランダムに変化するノイズ電流を重畳するランダムノイズ発生器とを有する外部共振器型の波長可変光源において、
前記半導体レーザが出力するレーザ光の光強度に基づいて、前記ランダムノイズ発生器からのノイズ電流の振幅を減衰または増幅する振幅増減部を設け、
前記振幅増減部は、
前記半導体レーザが出力するレーザ光の波長ごと、かつ、レーザ駆動電流の電流値ごとに、前記ノイズ電流の振幅の増減量を記憶する記憶部と、
この記憶部の増減量に従って、前記ノイズ電流の振幅を減衰または増幅する振幅調整手段と
を有することを特徴とする外部共振器型の波長可変光源。