JP4947367B2

JP4947367B2 - 外部共振器型の波長可変光源

Info

Publication number: JP4947367B2
Application number: JP2007186400A
Authority: JP
Inventors: 昭成伊藤; 圭助浅見; 泰幸鈴木
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-07-18
Filing date: 2007-07-18
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2027-07-18
Also published as: EP2017929A2; JP2009026834A; US20090022184A1

Description

本発明は、半導体レーザからの光を回折格子を用いて波長選択する外部共振器型の波長可変光源（例えば、リトロー配置、リットマン配置等）に関し、詳しくは、波長選択性を改善するとともに出力光を効率よく出力す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、半導体レーザからの光を回折格子で波長分散・波長選択し、波長選択した光を半導体レーザに帰還させ、所望の波長でレーザ発振させる。外部共振器型の波長可変光源としては、例えば、リトロー配置の波長可変光源、リットマン配置の波長可変光源等がある。

半導体レーザから出射される光のファーフィールドパターンは、楕円状の平行光であり、回折格子の溝の配列方向（波長の分散方向であり、以下、水平方向と呼ぶ）に対して短く、溝方向に対して長いビーム形状をしている。

一方、回折格子の波長分散は、回折格子の水平方向に対する光の照射幅が大きい（照射される溝本数が多い）ほど大きくなり、波長選択性も高くなる。そこで、半導体レーザから出射された光のビーム形状を楕円状から円形に整形し、回折格子の波長選択性を改善している。

図４は、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（例えば、特許文献１参照）。図４において、半導体レーザ１は、一方の端面１ａが無反射処理（例えば、ＡＲコート）され、このＡＲコートされた端面１ａから光が出射される。

レンズ２は、半導体レーザ１からの光を平行光にして出射したり、帰還された光（以下、戻り光とも呼ぶ）を半導体レーザ１のＡＲコートされた端面１ａに集光させる。

回折格子３は、レンズ２からの光を波長分散してミラー４に出射したり、ミラー４からの反射光を再度波長分散してレンズ２に出射する。

ミラー４は、回折格子３で波長分散された回折光のうち所望の波長の光を選択して回折格子３に反射する。また、ミラー４は、リットマン配置となるように所定の点を中心に回転する。

ビームスプリッタ５は、レンズ２と回折格子３の間に設けられ、回折格子３からの戻り光の一部を分岐して出力光として出力し、他方をレンズ２を介して半導体レーザ１に帰還する。

ビーム拡大器６は、アナモルフィックプリズムペア（アナモルフィックプリズム６ａ、６ｂ）を有し、ビームスプリッタ５と回折格子３の間に設けられ、半導体レーザ１からの光のビーム形状を円形に整形して回折格子３に出射する。

このような装置の動作を説明する。
半導体レーザ１の一方の端面１ａから出射された光が、レンズ２によって平行光になり、ビームスプリッタ５を透過してビーム拡大器６によってビーム整形（水平方向にビーム形状を拡大）される。そして、ビーム整形された光を、回折格子３が波長分散してミラー４に出射する。さらに、ミラー４で所望の波長の光のみが回折格子３に反射され、この反射光を再度回折格子３が波長選択する。

そして、波長選択が２回行なわれた光がビーム拡大器６、ビームスプリッタ５、レンズ２を介して半導体レーザ１に帰還され、半導体レーザ１の他方の端面とミラー４とで外部共振器が形成されレーザ発振する。また、ミラー４を回転移動させることにより、共振器長・反射波長も変わり、所望の波長で安定したシングルモード発振を行なう。

さらに、ビームスプリッタ５が、半導体レーザに帰還される光（つまり、２回波長選択された戻り光）を分岐し、一部を出力光とする。これにより、半導体レーザ１自身で発生する自然放出光が除去された極めて単一性の高いレーザ光が出力光として出力される。

特開平５−１９８８８１号公報

このように、ビーム拡大器６を半導体レーザ１と回折格子３との間に設けることにより、回折格子３への水平方向の照射幅が改善され、波長選択性が高くなる。また、ビームスプリッタ５を半導体レーザ１と回折格子３との間に設けることにより、半導体レーザ１自身で発生する自然放出光を除去でき極めて単一性の高い出力光になる。

しかしながら、ビームスプリッタ５、ビーム拡大器６のアナモルフィックプリズム６ａ、６ｂそれぞれは、空気よりも屈折率の大きい屈折媒体（ガラス等）である。そのため、光路中にこれらの屈折媒体５、６ａ、６ｂを設けることにより、外部共振器長が増加し、モード間隔が狭くなり、波長選択性が悪くなるという問題があった。

また、外部共振器内の光路上の部品点数が多くなることにより、外部共振器内の光パワーの損失が増大し、光パワーの効率が悪化するという問題があった。

そこで本発明の目的は、波長選択性を改善するとともに出力光を効率よく出力す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、
半導体レーザからの光を回折格子を用いて波長選択する外部共振器型の波長可変光源において、
前記半導体レーザと前記回折格子との間に設けられ、前記半導体レーザからのビーム形状を前記回折格子の溝の配列方向に拡大して前記回折格子に出射し、前記回折格子からの回折光を反射して出力光とする単一のプリズムを設け、
前記半導体レーザからの光が入射する前記プリズムの入射面には反射防止膜を形成し、前記プリズムの前記入射面からの入射光を前記回折格子に出射させる出射面には前記反射防止膜を形成せず、前記プリズムと空気との間の屈折率差によって前記出力光を反射させること
を特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記回折格子からの回折光を前記回折格子に反射するミラーを設け、
前記プリズムは、前記回折格子と前記ミラーの間から前記出力光を出力することを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、
前記プリズムは、前記回折格子の０次光に対して略平行に前記出力光を出力することを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記プリズムは、温度上昇によって前記回折格子への入射角を小さくすることを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、
前記プリズムは、前記入射面に前記反射防止膜を形成しない代わりに、前記半導体レーザからの光がブリュースター角で入射されることを特徴とする
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の発明において、
前記プリズムは、略くさび形の単体のアナモルフィックプリズムであることを特徴とするものである。

本発明によれば以下の効果がある。
半導体レーザと回折格子との間（外部共振器内の光路上）に設けられた単一のプリズムが、半導体レーザからの光をビーム整形し、かつ、回折格子からの回折光の一部を反射して出力光として出力するので、外部共振器内の屈折媒体の部品点数を減少させることができる。これにより、外部共振器長の増加を少なくすることができ、モード間隔が狭くなることを抑えられ、波長選択性を向上することができる。さらに、屈折媒体の部品点数の減少により、光パワーの損失を抑えることができる。従って、波長選択性を改善するとともに出力光を効率よく出力することができる。

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の実施例を示した構成図である。ここで、図４と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。図１において、ビームスプリッタ５、ビーム拡大器６の代わりに、プリズム７が設けられる。

プリズム７は、略くさび形の単体のアナモルフィックプリズムであり、レンズ２と回折格子３の光路上に設けられる。プリズム７の屈折率は、空気よりも高く、例えば、屈折率１．６以上のものがよい。プリズム７は、例えば、ガラス（クラウンガラス、フリントガラス等）、合成樹脂等である。

ここで、プリズム７は、半導体レーザ１からの光が入射する面を入射面７ａとし、この入射面７ａからの入射光を回折格子３に出射する面（つまり、回折格子３からの戻り光が入射する面）を出射面７ｂとする。

そして、入射面７ａは、反射防止膜（例えば、ＡＲコート）がコーティングされ、出射面７ｂは、反射防止膜や所望の反射率となる部分反射膜はコーティングされない。なお、半導体レーザ１から入射面７ａに入射する光の入射角をブリュースター角に設定した場合には、反射防止膜をコーティングしなくてもよい。すなわち、半導体レーザ１からの光は直線偏光なので、半導体レーザ１から入射面７ａへの入射光は入射面７ａで反射することが無く全透過する。

また、半導体レーザ１、回折格子３、ミラー４等は、リットマン配置となるように構成される。もちろん、プリズム７、レンズ２等の屈折媒体が外部共振器内に存在するので、ミラー４の回転移動の基準となる位置は、これらの屈折媒体が無い場合の位置とは異なる。

このような装置の動作を説明する。
半導体レーザ１の一方の端面（無反射端）１ａから出射された光が、レンズ２によってコリメートされて平行光になり、プリズム７に入射する。この際、レンズ２からのコリメート光が、プリズム７の入射面７ａで反射されることなくプリズム７に入射する。

そして、コリメート光が、プリズム７によってビーム整形（水平方向にビーム形状を拡大）され出射面７ｂから回折格子３に出射される。さらに回折格子３が、ビーム整形された光を１回目の波長分散してミラー４に出射する。そして、ミラー４で所望の波長の光のみが波長選択されて回折格子３に反射され、この反射光を回折格子３が再度波長分散させて波長選択してプリズム７に出射する。

そして、波長選択が２回行なわれた戻り光が、プリズム７の出射面７ｂに入射する。この際、プリズム７の屈折率と空気の屈折率との屈折率差によって一部の戻り光が出射面７ｂで反射され、大部分の戻り光が、出射面７ｂで反射されることなくプリズム７に入射する。

そして、プリズム７に入射した戻り光が、入射面７ａから出射されてレンズ２を介して半導体レーザ１に帰還され、半導体レーザ１の他方の端面とミラー４とで外部共振器が形成されレーザ発振する。また、ミラー４を回転移動させることにより、共振器長・反射波長も変わり、所望の波長で安定したシングルモード発振を行なう。

一方、回折格子３からの戻り光のうちプリズム７の出射面７ｂで反射された光が出力光として取り出されて出力される。この際、出力光が、回折格子３での０次光と略平行（０次光の光軸と、プリズム７の反射光の光軸とが平行）に出力されるようにプリズム７の出射面７ｂを設定しておくとよい。なお、回折格子３の０次光には、プリズム７から回折格子３に入射する光によるものと、ミラー４の反射光によるものの２種類があるが、ここでの０次光は、プリズム７から回折格子３に入射する光に対するものである。

このように、半導体レーザ１と回折格子３との間に設けられた単一のプリズム７が、コリメート光のビーム整形および２回目の回折光からの出力光の取り出しとを兼ねるので、図４に示す装置に比べて外部共振器内の屈折媒体の部品点数を減少させることができる。これにより、外部共振器長の増加を少なくすることができ、モード間隔が狭くなることを抑えられ、波長選択性を向上することができる。さらに、屈折媒体の部品点数の減少により、光パワーの損失を抑えることができる。従って、波長選択性を改善するとともに出力光を効率よく出力することができる。

また、図４に示す装置に比べて部品点数を減少することができるので、コストの削減および小型化できる。さらに、各部品間で平行平面になる部分がなくなり、多重反射による干渉や迷光の影響を抑えることができる。

また、プリズム７は、入射面７ａ側にのみ防止反射膜をコーティングするので、プリズム７の製造コストを抑えることができる。そして、入射面７ａに入射する光の入射角をブリュースター角に設定した場合には、入射面７ａ側の反射防止膜もコーティングする必要が無いので、さらに製造コストを抑えることできる。

また、プリズム７が、半導体レーザに帰還される光（つまり、２回波長選択された戻り光）の一部を出射面７ｂで反射して出力光とするので、半導体レーザ１自身で発生する自然放出光が除去された極めて単一性の高いレーザ光を出力光として出力できる。

そして、例えば、回折格子３の０次光も波長可変光源の光パワーのモニタ用等として出力光にする場合、プリズム７が、回折格子３の０次光と略平行に出射面７ｂでの反射光を出力するので、光ファイバ（図示せず）にカップリングさせるのが容易となり、構造上の簡略化および小型化を図ることができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
［第２の実施例］
図２は、本発明の第２の実施例を示した構成図であり、周囲温度が変動しても、選択される波長の変動を抑えた実施例を示している。ここで、図１と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。

図２において、プリズム７の代わりに、プリズム７の向きを反対にしたプリズム８が設けられる。つまり図１では、プリズム７の入射面７ａ、出射面７ｂで形成される頂角が光軸に対して回折格子３側であったが、図２では、プリズム８の入射面８ａ、８ｂで形成される頂角がミラー４側に設けられる。

このような装置の動作を説明する。
半導体レーザ１、ミラー４で外部共振器を形成してレーザ発振したり、プリズム８でビーム整形する点は図１に示す装置とほぼ同様なので説明を省略し、異なる点を主に説明する。

プリズム８が回折格子３からの戻り光の一部を出射面８ｂで反射して出力光とするが、出射面８ｂでの反射方向（出力光の出力方向）が、回折格子３とミラー４の間でなく、回折格子３の裏面側の方向に出射する。

続いて、周囲温度が変動した場合を説明する。
回折格子３に入射した光の波長分散の関係は、下記式（１）で表される。

Ｓｉｎα±Ｓｉｎβ＝Ｎ・ｍ・λ … （１）

ここで、各パラメータは以下である。
α：プリズム８から回折格子３への入射角
β：回折格子３からの出射角
Ｎ：１［ｍｍ］あたりのスリット数（つまり、回折格子３の溝本数であり、回折格子周期の逆数）
ｍ：回折光の次数（ｍ＝０，±１，±２，±３…）
λ：波長

例えば、周囲温度が高くなった場合、回折格子３が膨張し、回折格子３の溝間隔が広がる。そのため、回折格子３、ミラー４の位置関係が変動しない場合、回折格子３、ミラー４で選択される波長は、長波長側にシフトする。

一方、周囲温度の上昇により、プリズム８の屈折率が大きくなり、屈折角も大きくなる。そのため、プリズム８から回折格子３への入射角αが小さくなりる。そのため、回折格子３、ミラー４の位置関係が変動しない場合、回折格子３、ミラー４で選択される波長は、短波長側にシフトする。

すなわち、プリズム８が、温度上昇に伴って回折格子３への入射角αを小さくするので、回折格子３の溝間隔の膨張による波長シフトを補償することができる。これにより、周囲温度が変動しても、選択される波長の変動を抑えることができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
（１）プリズム７の出射面７ｂには、反射防止膜、部分反射膜を設けない構成を示したが、プリズム７の出射面７ｂが戻り光を反射する割合は、プリズム７の屈折率と空気の屈折率との屈折率差、戻り光の出射面７ｂへの入射角等に影響される。

従って、プリズム７で出力光を取り出す割合を増減する場合、プリズム７の材質や入射角を変更するとよい。例えば、取り出す割合を大きくする場合（出力光を高出力化する場合）、プリズム７の屈折率を大きくする（例えば、１．６以上）。また、大きな出力光を取り出す場合、出射面７ｂに部分反射膜をコーティングしてもよい

（２）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、回折格子３を用いて波長選択を行なう外部共振器型の波長可変光源であれば本発明を適用してもよい。ここで、図３は、リトロー配置に本発明を適用した例を示した構成図であり、図１と同一のものには同一符号を付し説明を省略する。図３において、ミラー４が取り外され、回折光格子３が回転移動する。そして、回折格子３の回折光のうち所望の波長の光が半導体レーザ１に帰還するように回折格子３への入射角が設定される。

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。

符号の説明

１半導体レーザ
３回折格子
４ミラー
７、８プリズム

Claims

半導体レーザからの光を回折格子を用いて波長選択する外部共振器型の波長可変光源において、
前記半導体レーザと前記回折格子との間に設けられ、前記半導体レーザからのビーム形状を前記回折格子の溝の配列方向に拡大して前記回折格子に出射し、前記回折格子からの回折光を反射して出力光とする単一のプリズムを設け、
前記半導体レーザからの光が入射する前記プリズムの入射面には反射防止膜を形成し、前記プリズムの前記入射面からの入射光を前記回折格子に出射させる出射面には前記反射防止膜を形成せず、前記プリズムと空気との間の屈折率差によって前記出力光を反射させること
を特徴とする外部共振器型の波長可変光源。
前記回折格子からの回折光を前記回折格子に反射するミラーを設け、
前記プリズムは、前記回折格子と前記ミラーの間から前記出力光を出力することを特徴とする請求項１記載の外部共振器型の波長可変光源。
前記プリズムは、前記回折格子の０次光に対して略平行に前記出力光を出力することを特徴とする請求項２記載の外部共振器型の波長可変光源。
前記プリズムは、温度上昇によって前記回折格子への入射角を小さくすることを特徴とする請求項１記載の外部共振器型の波長可変光源。
前記プリズムは、前記入射面に前記反射防止膜を形成しない代わりに、前記半導体レーザからの光がブリュースター角で入射されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の外部共振器型の波長可変光源。
前記プリズムは、略くさび形の単体のアナモルフィックプリズムであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の外部共振器型の波長可変光源。