JP4885494B2

JP4885494B2 - 波長可変レーザ光源

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Publication number: JP4885494B2
Application number: JP2005205444A
Authority: JP
Inventors: 昌鎬鄭; 淳両澤
Original assignee: Santec Corp
Current assignee: Santec Corp
Priority date: 2005-07-14
Filing date: 2005-07-14
Publication date: 2012-02-29
Anticipated expiration: 2025-07-14
Also published as: JP2007027306A

Description

本発明は単色光の光を発生してその発光波長を変化させることができる波長可変レーザ光源に関するものである。

光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）や光ファイバセンシングの分野では、検出対象を高速且つ感度よく検出する要求が高まっている。例えば、２次元の生体診断画像などを表示するＯＣＴなどの分光イメージングの用途では、イメージングの画像表示レートを上げるために、ＫＨｚオーダーの高速な検出が必要となる。さらにこのＯＣＴ以外にも高速に波長を掃引し、ガスや物質の分光特性やセンサの波長依存性を動的に解析することが必要とされる分野は数多い。エンジンの開発では、燃焼機関の燃焼プロセスをリアルタイムで計測することが必要である。又ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサシステムでは、振動や温度などの時間変動を計測できればより確実な構造の保安管理などに応用することができ、用途の拡大が期待される。

このような分光分析用の光源として、広帯域の走査ができる波長走査型レーザ光源が必要となる。狭スペクトルで広帯域の波長可変光源としては、複雑な可変機構を用いた外部共振器型が一般的である。しかし、高精度なモータなどによる機械的制御の採用と、出力を安定にかつ連続的に波長を可変するための複雑な制御を同時に必要とするため、従来、可変速度を上げるという点では限界があった。

また、通常通信用光送信器としてＤＦＢレーザ（分布帰還型レーザ）が用いられる。このような半導体デバイスでは、材料や可変方式の限界により、外部共振器型レーザに比べて波長可変範囲が狭い。

次に外部共振型レーザの発振原理について説明する。一般的な外部共振型レーザにおいては、図１に示すように半導体レーザ等のゲイン媒質１０１と外部のミラー１０４とを外部共振器とし、この間にコリメートレンズ１０２、光バンドパスフィルタ１０３を設けている。図２（ａ）はゲイン媒質１０１の利得を示す波長に対する曲線であり、図２（ｂ）は外部共振器長によって定まる外部共振器モードを示す。又図２（ｃ）はチップ端面のエタロン効果による変動分を示している。又図２（ｄ）はバンドパスフィルタのロス特性を示している。ここでバンドパスフィルタ１０３の特性と外部共振器モードとの一致点でレーザ発振が得られる。ここでバンドパスフィルタ１０３の選択波長をシフトさせると、外部共振器モードのうち一番ロスが少なくなる隣の外部共振器モードに発振モードが変化する。これをモードホップという。

又図３に示すように、波長可変光源において、バンドパスフィルタと外部ミラーの機能を果たすものとして回折格子１０５を用い、回折格子１０５への入射角度を可変することにより発振波長を可変するものもある。発振波長は外部共振器モードとバンドパスフィルタの中心波長が重なりあう波長で決定される。バンドパスフィルタの波長は次式で表される。
λ＝２Λsinθ
ここでΛは回折格子の格子ピッチであり、θは入射角である。この式で示されるように波長は正弦波状に変化する。

さて回折格子１０５への入射角度を変化させて波長を変化させると共に、外部モードもこの可変率に同期させれば、モードホップを生じることなく波長を変化させることができる。このため、回折格子１０５の光軸が交わる中心ではなく、図３のように特定のピボットＰを中心に回折格子１０５を回転させることによって、モードホップのない波長走査を実現した波長可変光源も知られている。（非特許文献１）この波長可変光源では、回動角αを変化させると、回折格子への光の入射角と外部共振器長とが連動して変化する。
"Continuously Tuned External Cavity Semiconductor Laser", W. R. Trutan et al., Journal of Lightwave technology Vol. 11, No.8 August 1993 PP1279〜1286

しかし従来型の外部共振器型レーザはモードホップを回避し、位相を同調する複雑なメカニズムが必要であり、高速で波長走査することは困難である。特にピボットと回折格子との間隔を大きくする必要があり、回転モーメントが大きくなる。回折格子は高精度の角度調整精度が要求されるため、連続して波長を掃引することができる速度は数秒程度であり、高速に波長走査することができないという欠点があった。すなわち、狭線幅、広帯域、高速可変を実現するレーザ光源は実現されていない。

本発明はこのような従来の問題点に鑑みてなされたもので、回折格子を回動させることなくシングルモードで波長を広い帯域に渡って高速で走査したり、任意の速度で可変又は固定することができる波長可変レーザ光源を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の波長可変レーザ光源は、発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、前記ゲイン媒体に隣接して設けられ、前記ゲイン媒体から入射された光を同一の光行路に沿って反射する第１のミラーと、前記ゲイン媒体を中心とし、前記第１のミラーと対称な位置に設けられた回折格子と、前記ゲイン媒体と前記回折格子との間に設けられ、外部からの信号によって前記回折格子への入射角を偏向する光偏向部と、具備し、前記光偏向部の偏向角をφ、前記第１のミラーと前記光偏向部までの光路長をＬ１、前記光偏向部から前記回折格子までの光路長をＬ２（φ）とすると、外部共振器長Ｌ（φ）はＬ１＋Ｌ２（φ）で表され、前記光偏向部の偏向角φが０〜φ ₁ まで変化するときに前記回折格子への入射角をθ ₀ 〜θ ₁ の間とし、偏向角φに対する外部共振器モードの波長をλ _L （φ）とし、ｎ ₀ を入射角θ ₀ のときの次数とすると、前記回折格子への入射角によって決まる１本の外部共振器モードの波長λ _L （φ）の変化と前記回折格子の回折波長によって選択される波長λ _G （φ）の変化とが同期する（λ _L （φ）＝λ _G （φ））ように、前記回折格子の格子ピッチΛをその位置に応じて、次式
Λ＝Ｌ（φ）／ｎ₀ sin（φ＋θ₀）
で示され、外部共振器長Ｌ（φ）は後述の式（７）で示され、次数ｎ ₀ は偏向角がφ＝０のときの外部共振器長をＬ ₀ とすると、次式
ｎ ₀ ＝２Ｌ ₀ ／λ _L （０）
で示されるように、光の入射位置に応じて変化させたものである。

ここで前記光路長Ｌ１と前記光路長Ｌ２（φ）との比Ｌ１／Ｌ２（φ）を、３〜８の範囲としてもよい。

ここで前記ゲイン媒体は、半導体レーザであり、その端部は、前記第１のミラーとしてもよい。

ここで前記光偏向部は、電気光学効果、熱光学効果及び音響光学効果のいずれか１つの機能を有する素子を用いるようにしてもよい。

ここで前記光偏向部は、偏向ミラーとしてもよい。

ここで前記回折格子は、光導波路素子の端面に形成されたものであり、前記導波路素子は、更に光導波路中に前記光偏向部を集積するようにしてもよい。

ここで前記ゲイン媒体は半導体レーザであり、前記半導体レーザの出射面に前記光導波路を接触するようにしてもよい。

ここで前記半導体レーザ及び導波路素子を同一基板に集積化するようにしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、ゲイン媒体を中心として第１のミラーと回折格子とによって外部共振器を構成する。光偏向部で光を偏向し、回折格子への入射を変化させる。回折格子は入射角に応じて波長が変化するフィルタとして用い、入射光と同一方向に光を反射させる。こうすれば回折格子が波長可変バンドパスフィルタと第２のミラーの機能を達成することとなり、フィルタの選択波長によって発振波長を決めることができる。そして回折格子への入射角を連続的に変化させ、回折格子の選択波長を連続的に変化させると共に、外部共振器長をこれと連動して変化させることにより、同一の外部共振器モードを用いてモードホップでなく発振波長を変化させることができる。この光偏向部の偏向速度を十分高くすることによって、シングルモードで広い範囲に渡って高速で波長走査を行うことができる。又この光源を用いることにより、光周波数走査範囲が広いため、ＯＣＴ等において高分解能の画像表示を実現できる。

図４は本発明の第１の実施の形態による外部共振器型レーザの基本構成を示す図である。本図においてゲイン素子として半導体レーザ１１を用いる。この例では半導体レーザ１１の一端をミラー面とし、外部共振器を構成する第１のミラーとする。又他方の面はＡＲコート（反射防止コート）とし、出射光をコリメートレンズ１２を介して光偏向部１３に導く。光偏向部１３は外部からの信号に応じて一定の角度範囲で光の偏向方向を変化させるものである。そしてこの偏向した光を受光する位置に回折格子１４を設ける。回折格子１４は後述する格子ピッチで連続的に三角波状の格子が形成された光学素子であり、この実施の形態ではリトロー配置によって入射方向が変わっても入射光は同じ光路を通って投射方向に戻るように構成されている。そしてこの入射角度によって選択波長が変化する。回折格子１４は外部共振器の第２の反射部と光バンドパスフィルタとの機能を備えたものである。

ここでリトロー配置について説明する。回折格子に対する光ビームの入射角をθ、反射角をδとすると、以下の式によって回折光が得られる。
Λ（sinθ＋sinδ）＝ｋλ ・・・（１）
ここでｋは次数であり、０，±１，±２・・・の値となる。Λは回折格子の格子ピッチ（μｍ）、即ち単位長さ当たりの格子線数ａ（本／ｍｍ）の逆数である。

さて回折光にはリトロー配置とリットマン配置とがある。リトロー配置では−１次の回折光と入射光の角度が等しい。従って（１）式においてθ＝δ_−１とすると、（１）式より回折光の波長は次式で決定される。
λ＝２Λsinθ ・・・（２）
尚、リットマン配置では入射光と反射光の角度は一致していない。

ここで光偏向部１３は、図示のように直進状態と角度φだけ偏向する状態との間で連続的に光を偏向させるものである。従って偏向角をφとし、φ＝０〜φ_１まで変化させるものとする。又回折格子１４への入射光は図示のように偏向器１３で光が偏向されない状態での入射角をθ_０、光偏向器１３が最大まで偏向した状態での入射角θ_１とし、入射角θはθ_０〜θ_１の間で変化させる。この場合は回折格子１４で選択される反射光の波長λ_Ｇは、式（２）よりφとθ_０を用いて次式で表せる。
λ_Ｇ（φ）＝２Λsin（φ＋θ_０）・・・（３）

さて偏向角φがφ＝０、即ち入射角θ＝θ₀の場合、回折波長と重なる次数の外部共振器モードの波長は偏向角φの関数となり、このときの外部共振器長Ｌ（φ）で定まる波長をλ _L （φ）とする。またｎは外部共振器モードの波長λでの次数である。次数ｎ ₀ は偏向角φが０、即ち入射角θがθ ₀ のときの次数である。偏向角がφ＝０のときの外部共振器長をＬ ₀ とする。このとき波長をλ _L （φ）は、以下の式で示される。
λ_L（φ）＝２Ｌ（φ）／ｎ₀＝Ｌ（φ）λ_L（０）／Ｌ₀ ・・・（４）
また次数ｎ ₀ は外部共振器長Ｌ ₀ と、そのときの波長λ _L （０）で次式のように決まる。
ｎ₀＝２Ｌ₀／λ_L（０）

ここで外部共振器長Ｌは図示のようにゲイン素子の一方の端部から光偏向器までの光路長Ｌ１と光偏向器から回折格子までの光路長Ｌ２との和によって決定される。光路長Ｌ２は偏向角φ又は入射角θの変数である。
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２（φ）・・・（５）
ここで外部共振器長Ｌとして、回折格子１４によるバンドパスフィルタの半値全幅中に１本の外部共振器モードが含まれるような長さを選択する。そして本実施の形態においては光偏向部１３による光の偏向によって回折格子１４に対する光の入射角が変化するのと同期させて外部共振器長自体を変化させ、これによって１本の外部共振器モード自体の波長を変化させつつ高速で波長を走査できるようにしたものである。

ここでゲイン素子である半導体レーザ１１の端面から光偏向器１３の偏向端までの光路長Ｌ１と光が直進したときの光偏向器１３から回折格子１４の面までの光路長Ｌ２（φ）の比について説明する。波長の可変幅が例えば１５１０〜１５５０までの４０ｎｍの場合、光路長Ｌ１とＬ２（０）との比を４．４とすると、図５が得られる。又この可変幅を８０ｎｍとし、Ｌ１とＬ２（０）との比を７．２とすると、図６が得られる。図５及び図６において、回折格子への入射角φに対して曲線Ａは外部共振器長で定まる波長λ_Ｌの変化を示しており、曲線Bは回折格子１４によって定まる波長λ_Ｇの変化を示したものである。ここで図７はこの比を２〜９とし、回折格子による波長λ_Ｇを１５１０〜１６１０ｎｍに変化させたときの回折格子による波長λ_Ｇと外部共振器長の波長λ_Ｌとのずれを示すグラフである。本図に示されるように、波長範囲が狭い場合、例えば４０ｎｍ程度ではこの比が４程度が最適値であり、１００ｎｍの範囲で変化させる場合にはこの比は７程度が最適値となる。このように最適値は波長の可変幅によって変化するが、例えば３〜８であることが好ましい。このような比の範囲を選択することによって、回折格子１４による選択波長λ_Ｇと外部共振器の長さによって定まる波長λ_Ｌとをほぼ一致させることができる。

尚前述した従来例と異なり、特定のピボットを中心として回折格子１４を回動していないため、これらの波長が完全に一致することはない。そこで本発明では、回折格子１４自体の格子ピッチΛを入射位置に応じて変化させることによって、これらの波長を一致させるようにしたものである。

さて外部共振器長によって決まる波長λ _L （φ）と回折格子の選択波長λ _G （φ）を等しいものとし、式（３），（４）について回折格子１４の格子ピッチΛについて解くと、次式が得られる。
Λ＝λ_L（φ）／２sin（φ＋θ₀）＝Ｌ（φ）／ｎ₀sin（φ＋θ₀）・・・（６）

さて外部共振器長Ｌ（φ）は式（５）で示されるが、これを偏向角φと入射角θ_０について表すと、次式が得られる。

このように回折格子１４のピッチΛを角度に応じて変化するようにしている。これによって光偏向器１３で偏向した光の入射角度に応じて選択波長及び外部共振器長が変化し、これと同時に回折格子１４での格子定数が変化することにより、常に１本の外部共振器モードの波長をそのまま変化させてフィルタの特性と一致させるように変化させつつ波長を走査することができる。図８及び図９は格子ピッチΛを変化させることによって、２つの波長特性がλ_Ｌの変化に一致したことを示すグラフであり、夫々約４０ｎｍ及び８０ｎｍ以上の波長範囲を有している。

尚光ビームの強度はガウシアン分布をしており、有効範囲内で回折格子のピッチの変化は回折効率もしくはフィルタの半値幅を劣化させるが、一番強度の強い中心値で透過波長の中心が決まるため、ピッチの変化が透過波長の変化に主に反映される。このように構成することにより、電圧で光の偏向状態を変えれば高速で波長走査した場合にも異なった外部共振器モードの発振波長を用いることがないので、応答速度が高くなり、広い範囲で波長を高速走査することができる。

ここで光偏向部は高い効率で屈折率を変調可能な非線形光学材料や液晶、又はポリマ等を用いることができる。電気光学効果を持った素子としては例えばＰＺＴやＬｉＮｂＯ_３があり、この素子に電圧を印加することによって、屈折率が変化するため電圧に対応した屈折角で光を偏向することができる。

図１０は本発明の第２の実施の形態による外部共振器型半導体レーザの構成を示す図である。本図に示すようにベース２０上に半導体レーザ２１が配置される。半導体レーザ２１の右側出射面には導波路素子２２を設ける。導波路素子２２は図示のように半導体レーザ２１から出射した光のスポットサイズを変換するスポットサイズ変換部２３、光偏向部２４及び回折格子２５を有して構成される。スポットサイズ変換部２３は半導体レーザ２１からの光のスポット径を拡大するコリメートレンズに相当する機能を達成している。又光偏向部２４はハッチングで示す部分のみが屈折率ｎ_２を有するものとし、その他の領域は屈折率ｎ_１とし、互いに異なった屈折率を有する。そしてハッチングで示す領域に電圧源２６より電圧を印加することによって、光を電圧に応じて連続的に偏向させるものである。回折格子２５はこの導波路素子２２の端面に形成される。又半導体レーザ２１の光の出射側には集光レンズ２７及びアイソレータ２８が設けられ、光ファイバ２９が接続されている。

この実施の形態において、回折格子２５をディープドライエッチング（ＤＲＩＥ）装置で導波路の端面に形成することによって、任意のピッチを有する回折格子を容易に製造することができる。この実施の形態では、波長走査型レーザ光源の主要部はベース上に集積回路として構成されるため、可動部がなく極めて小型軽量とすることができるという効果が得られる。

尚、本実施の形態では光偏向部として非線形光学材料を用いているが、ミラーや共振ミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳミラー等のミラーや音響光学効果を利用し、光を外部信号に応じて偏向できるものであれば、種々の偏向部を使用することができる。

尚本実施の形態では光路長Ｌ１とＬ２（０）との比を所定の範囲となるようにしているが、回折格子の格子ピッチを変化させることにより、これらの比でなくても波長を同期させて変化させることが可能である。

更に本実施の形態では波長走査型光源としているが、偏向角度を変化させたり、任意の角度に固定してその角度に対応した波長の光を得る波長可変光源として用いることができる。

本発明はシングルモードで任意の速度で波長を走査することができるため、ＯＣＴや光ファイバセンシング等の種々の分野の波長走査型光源、その他の光源として用いることができる。

従来の外部共振器型レーザ光源の構成を示す概略図である。外部共振器型レーザ光源の特性を示すグラフである。モードホップフリーとした従来の波長可変光源の構成を示す概略図である。本発明の第１の実施の形態による波長走査型光源の全体構成を示す概略図である。本実施の形態において回折格子の格子ピッチを変化させない場合の回折格子によるフィルタ波長と外部共振器モードによる外部共振器モード波長の変化を示すグラフ（その１）である。本実施の形態において回折格子の格子ピッチを変化させない場合の回折格子によるフィルタ波長と外部共振器モードによる外部共振器モード波長の変化を示すグラフ（その２）である。光路長Ｌ１，Ｌ２の比に対する発振波長と外部共振器モード波長及び回折格子の波長のずれを示すグラフである。本実施の形態において回折格子の格子ピッチを変化させた場合の回折格子によるフィルタ波長と外部共振器モードによる外部共振器モード波長の変化を示すグラフ（その１）である。本実施の形態において回折格子の格子ピッチを変化させた場合の回折格子によるフィルタ波長と外部共振器モードによる外部共振器モード波長の変化を示すグラフ（その２）である。本発明の第２の実施の形態による波長走査型レーザ光源を示す概略図である。

符号の説明

１１半導体レーザ
１２コリメートレンズ
１３光偏向部
１４回折格子
２０ベース
２１半導体レーザ
２２波長フィルタ
２３スポットサイズ変換部
２４光偏向部
２５回折格子
２６電圧源
２７集光レンズ
２８アイソレータ
２９光ファイバ

Claims

発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、
前記ゲイン媒体に隣接して設けられ、前記ゲイン媒体から入射された光を同一の光行路に沿って反射する第１のミラーと、
前記ゲイン媒体を中心とし、前記第１のミラーと対称な位置に設けられた回折格子と、
前記ゲイン媒体と前記回折格子との間に設けられ、外部からの信号によって前記回折格子への入射角を偏向する光偏向部と、具備し、
前記光偏向部の偏向角をφ、前記第１のミラーと前記光偏向部までの光路長をＬ１、前記光偏向部から前記回折格子までの光路長をＬ２（φ）とすると、外部共振器長Ｌ（φ）はＬ１＋Ｌ２（φ）で表され、前記光偏向部の偏向角φが０〜φ ₁ まで変化するときに前記回折格子への入射角をθ ₀ 〜θ ₁ の間とし、偏向角φに対する外部共振器モードの波長をλ _L （φ）とし、ｎ ₀ を入射角θ ₀ のときの次数とすると、
前記回折格子への入射角によって決まる１本の外部共振器モードの波長λ _L （φ）の変化と前記回折格子の回折波長によって選択される波長λ _G （φ）の変化とが同期する（λ _L （φ）＝λ _G （φ））ように、前記回折格子の格子ピッチΛをその位置に応じて、次式
Λ＝Ｌ（φ）／ｎ₀ sin（φ＋θ₀）
で示され、外部共振器長Ｌ（φ）は次式

で示され、次数ｎ ₀ は偏向角がφ＝０のときの外部共振器長をＬ ₀ とすると、次式
ｎ ₀ ＝２Ｌ ₀ ／λ _L （０）
で示されるように、光の入射位置に応じて変化させた波長可変レーザ光源。
前記光路長Ｌ１と前記光路長Ｌ２（φ）との比Ｌ１／Ｌ２（φ）を、３〜８の範囲とした請求項１記載の波長可変レーザ光源。
前記ゲイン媒体は、半導体レーザであり、その端部は、前記第１のミラーである請求項１記載の波長可変レーザ光源。
前記光偏向部は、電気光学効果、熱光学効果及び音響光学効果のいずれか１つの機能を有する素子を用いた請求項１記載の波長可変レーザ光源。
前記光偏向部は、偏向ミラーである請求項１記載の波長可変レーザ光源。
前記回折格子は、光導波路素子の端面に形成されたものであり、
前記導波路素子は、更に光導波路中に前記光偏向部を集積した請求項１記載の波長可変レーザ光源。
前記ゲイン媒体は半導体レーザであり、
前記半導体レーザの出射面に前記光導波路を接触した請求項６記載の波長可変レーザ光源。
前記半導体レーザ及び導波路素子を同一基板に集積化した請求項７記載の波長可変レーザ光源。