JP5184167B2 - リング型レーザ装置 - Google Patents

Description

本発明は、リング型レーザ装置に関し、更に詳しくは、半導体光増幅器及び光ファイバをリング状に結合して成るＳＯＡファイバ・レーザから成るリング型レーザ装置に関する。

超高密度波長多重（ＤＷＤＭ）伝送や、位相情報通信の分野では、広帯域に波長掃引が可能な狭線幅レーザ装置の需要が高まっている。また、通信ネットワークや、精密光測定機器の波長校正用としても、発振波長が安定で且つ狭いスペクトル線幅を有するレーザ装置の開発が求められている。近年、そのようなレーザ装置として、半導体光増幅器(ＳＯＡ: Semiconductor Optical Amplifier)を光利得媒質として用いたリング型のＳＯＡファイバ・レーザ装置が注目されている。リング型のＳＯＡファイバ・レーザ装置（以下、リング型レーザ装置とも呼ぶ）では、ＳＯＡを利得飽和領域で動作させると、ＳＯＡが増幅器としてだけでなく、光学フィルタとしての役割を果たす。このため、リング型レーザ装置は、光ファイバの長さが１０ｍ以上であっても、単一縦モード発振が可能であるとして、注目されている。リング型レーザ装置は、例えば非特許文献１に記載されている。

ＳＯＡやＥＤＦ(Er-Doped Fiber)などを利得媒体として用いたリング型のファイバ・レーザ装置では、その共振器長とレーザのスペクトル線幅との間には、次式

の関係がある。ここで、（Δｆ_laser）_FWHMはレーザのスペクトル線幅、ｈはプランク定数、ｆは光周波数、Ｐはレーザ出力、ＱはレーザのＱ値、Ｎ_２は励起準位のキャリア密度、Ｎ_１は基底準位のキャリア密度、Ｌは共振器長（ファイバ長）、αはレーザのαパラメータと呼ばれるものであり、半導体活性層におけるキャリア密度に対する感受率の実部と虚部の変化の比で表される。

上記関係から、共振器長Ｌを１０ｍ以上の長さにできるＳＯＡファイバ・レーザ装置は、レーザ光のスペクトル線幅（Δｆ_laser）_FWHMとして、１０ｋＨｚ以下の狭スペクトル幅を実現可能である。
H. Chen, "Dynamics of widely tunable single-frequency semiconductor fiber ring laser", Phys. Lett. 320, 333-337, (2004).

上記したＳＯＡファイバ・レーザ装置には、以下の問題点がある。第１の問題は、従来の端面発光型ＳＯＡや、それを駆動するＳＯＡドライバは価格が高く、ＳＯＡファイバ・レーザ装置の価格を上昇させることである。また、ＳＯＡの動作電流は例えば５００ｍＡと大きく、従ってその発熱量が大きいため、ペルチエ素子などを用いた温調設備が不可欠となる。温調設備は、ＳＯＡファイバ・レーザの価格を更に増大させる。

第２の問題は、光ファイバは、曲げ半径が１０ｍｍ以下のときに、その曲げ損失が例えば１０ｄＢ以上と大きく、ＳＯＡファイバ・レーザ装置の出力を低下させてしまう。このため、光ファイバをコンパクトに収容することができず、ＳＯＡファイバ・レーザ装置を含むモジュール全体を小型にすることが困難になる。第３の問題は、従来構造の端面発光型のＳＯＡは、ファイバとの間で結合損失が大きいことである。結合損失を下げるためには、ファイバ端面に先球加工を施す、又は、レーザ自体にスポットサイズ変換器を設けるなどの特殊加工が不可欠である。しかし、このような特殊加工を用いることは作製工程を複雑にし、製造コストを高めてしまうという問題点があった。

本発明は、上記従来のリング型レーザ装置の問題に鑑み、モジュールとしての小型化が可能であり、全体の損失も小さく、且つ、製造コストを大幅に低減できるリング型レーザ装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、面発光型光増幅器を含む光利得媒体と、光ファイバ及び光学フィルタを含み、面発光型光増幅器の出力を入力にフィードバックする共振器とを備え、光学フィルタの帯域幅内に含まれる波長で発振し、光学フィルタが、面発光型光増幅器内に形成された半導体製のλ／４位相シフト・ブラッグ回折格子を含む、リング型レーザ装置を提供する。

本発明のリング型レーザ装置では、リング型レーザ装置の利得媒体として、面発光型光増幅器（ＶＣＳＯＡ：vertical cavity surface optical amplifier)を採用したことにより、少ない部品点数で構成することが可能になり、装置の小型化、低損失化、及び、低製造コストによる製造が可能になる。

前記光ファイバが、ファイバ横断面内に二次元的に配列された複数の空孔を含むフォトニック結晶ファイバである構成を採用できる。この構成を採用すると、特に低い曲げ損失が得られるので、光ファイバを２０ｍｍ×２０ｍｍ以下のコンパクトな筐体に収容し、装置を小型化できる効果がある。

また、前記光ファイバが、外径が５０μｍ以下でＷ型プロファイルを有する非線形光ファイバである構成を採用することも出来る。この場合にも、同様に低い曲げ損失が得られ、装置を２０ｍｍ×２０ｍｍ以下のオーダまで小型化が可能である。

前記光学フィルタが、λ／４位相シフト・ファイバ型ブラッグ回折格子を含む構成を採用することも出来る。この場合には、特に光学フィルタの小型化が容易である。

前記光学フィルタが、半導体又は絶縁体から成るλ／４位相シフト・ブラッグ回折格子を含む構成を採用することも出来る。この場合には、特に部品点数が削減でき、更なる装置の小型化が容易である。

前記光学フィルタが、バンド・パス・フィルタを含む構成が採用可能である。また、バンド・パス・フィルタが、１０ｎｍ以上に波長掃引が可能な波長可変型バンド・パス・フィルタである構成を採用できる。この場合には、広い波長範囲に対応して、１つのリング型レーザ装置で対応でき、特にＤＷＤＭ通信システムでの適用が容易である。

以下、図面を参照し、本発明の例示的な実施形態について説明する。図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＳＯＡファイバ・レーザ装置の構成を示すブロック図である。また、同図（ｂ）は、そのＳＯＡファイバ・レーザに含まれる面発光型光増幅器（以下、ＶＣＳＯＡと呼ぶ）の近傍を示す断面図である。同図（ａ）に示すように、ＳＯＡファイバ・レーザ装置１０は、ＶＣＳＯＡ１１と、回折格子を構成するλ／４位相シフト・ファイバ型ブラッグ回折格子（以下、ファイバ型回折格子と呼ぶ）１２、出力カプラ１３、及び、光ファイバ１４を含む共振器とを有し、共振器によってＶＣＳＯＡ１１の出力と入力とをリング状に接続して、正のフィードバックループを構成している。ファイバ型回折格子はファイバ長手方向に対して周期的に変化する屈折率分布を有しており、その一部の位相がλ／４シフトしている。

ＶＣＳＯＡ１１は、図１（ｂ）に示すように、セラミック基板２１と、ｎ型ＩｎＰ（ｎ−ＩｎＰ）基板１５上に形成された面発光型の光増幅部とから成り、光増幅部は、セラミック基板２１の上にフェースダウン構造でボンディングされる。光増幅部の積層は、ｎ−ＩｎＰ基板１５上に順次に形成された、ｎ−ＩｎＰクラッド層１６、レーザ活性層１７、ｐ−ＩｎＰクラッド層１８、及び、透明なｐ側電極（Ｔｉ／Ａｕ）１９を含む。また、発光部のアパチャの直径は７〜１０μｍであり、波長１.５５μｍで横単一モード条件を満たす構造となっている。光ファイバ１４は、接合端面が半球状に形成されて、セラミック基板２１に形成されたスルーホール２２に光結合される。ｎ−ＩｎＰ基板１５の上記積層と反対側の底面には、ｎ側電極２０が形成される。また、上部発光面と下部発光端面には反射対策としてＡＲ(Anti-Reflection)コートが施されている。

回折格子を構成するファイバ型回折格子１２は、ＶＣＳＯＡ１１との接合端面が半球状に加工されて、光増幅部のｎ−ＩｎＰ基板１５の裏面に光結合される。ｎ−ＩｎＰ基板１５には、ファイバ型回折格子１２と結合する凹部が、ウェットエッチング又はドライエッチングによって形成される。凹部にファイバ型回折格子１２の半球状端部を挿入することで、ファイバ先端の位置決めが容易になり、且つ、その固定も強固になる。その結果、光結合効率が向上し、ＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置１０の出力効率が向上する。ファイバ型回折格子１２は、光学フィルタとして動作し、その周波数帯域は、非特許文献１で使用されている光フィルタの帯域２５ＧＨｚ以下とする。透過波長λは回折格子の間隔をｄ、ファイバのコアの屈折率をｎとしたとき、
２ｎｄ=ｍλ (ｍは任意の整数) (2)
を満たすように間隔ｄが決定される。
また、ファイバ型回折格子の透過帯域は活性層の利得帯域内にあるように設定する。発振波長は利得帯域のうち利得が最も強い波長で発振する。

セラミック基板２１に形成されたスルーホール２２は、光ファイバ１４の外径よりも小さな径を有し、且つ、奥に行くに従って径が小さくなるようなテーパ形状の内壁を有する。このスルーホール２２に、上部のファイバ型回折格子１２の先端と同様に、光ファイバ１４の半球状先端を挿入することにより、安定でかつ高い結合効率で光ファイバ１４とＶＣＳＯＡ１１との接続が可能になる。光ファイバ１４は、外径が５０μｍ以下で、Ｗ型プロファイルを有する非線形の光ファイバである。光ファイバ１４は、低い曲げ損失を有し、例えば２０ｍの長さを有する。出力カプラ１３は、光ファイバ１４から伝達されたレーザを外部に出力する機能を有する。

ＶＣＳＯＡ１１の出力光は、ｎ−ＩｎＰ基板１５の側から垂直に出射する。この出力光の電界分布は、ガウス型であり、光ファイバ１４の基本モードと近い形状を有する。このため、光ファイバ１４との結合効率が向上する。また、ＶＣＳＯＡ１１の光増幅部は、ウエハレベルでの性能評価が可能で、劈開の前に特性やその不良をチェックできる。このため、装置の歩留まりを高めることができ、大量生産におけるコスト削減が容易である。また活性層の体積が小さいので、端面発光型ＳＯＡよりも１〜２桁程度小さな電流で利得飽和が得られ、高い効率を維持しつつ光学フィルタ効果を利用できるなどの利点がある。そのため消費電力が小さいので、大掛かりなＳＯＡドライバや温調設備が不要となる。

上記実施形態のＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置１０は、ＶＣＳＯＡ１１に電源が投入されると、ＶＣＳＯＡ１１のレーザ活性層１７でレーザ光が発生する。活性層は７層のＩｎＧａＡｓＰの量子井戸から成る。発生したレーザ光は、光ファイバ１４及びファイバ型回折格子１２を含むリング型共振器内を図面上で時計回りに循環し、ＶＣＳＯＡ１１によって増幅され、正のフィードバックにより発振する。発振するレーザ光は、ファイバ型回折格子１２によって所定の帯域幅に規定され、且つ、ＶＣＳＯＡ１１の持つ光学フィルタ機能によって、単一縦モードで発振する。発振したレーザ光は、出力カプラ１３から外部に取り出される。このファイバ型回折格子がフィルタの役割を果たすため、通常のバンド・パス・フィルタが不要となり、よりコンパクトなファイバ・レーザ装置が実現可能となる。

図２は、本発明の第２の実施形態に係るＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置及びそのＶＣＳＯＡを、図１と同様に示す。本実施形態のＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置１０Ａは、ファイバ型回折格子１２の採用に代えて、回折格子がＶＣＳＯＡ１１内に形成されることにおいて、第１の実施形態と相違する。ＶＣＳＯＡ１１は、図２（ｂ）に示すように、図１（ｂ）の光増幅部におけるｎ−ＩｎＰクラッド層１６に代えて、半導体製のλ／４位相シフト・ブラッグ回折格子 (以下 半導体製回折格子) ２６を有する。回折格子は５０層のＩｎＰ/ＩｎＧａＡｓＰから形成される。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。本実施形態では、半導体製回折格子２６を備える構成により、ＶＣＳＯＡ外部にファイバ型回折格子やバンド・パス・フィルタなどの光学フィルタが不要となるため、装置がコンパクトに形成できること、及び、低価格で製造できること、などの利点を有する。

図３は、本発明の第３の実施形態に係るＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置及びそのＶＣＳＯＡを、図１と同様に示す。本実施形態のＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置１０Ｂでは、第１の実施形態におけるファイバ型回折格子１２に代えて、波長可変光学フィルタ２３、及び、光アイソレータ２５を、リング型共振器内に挿入している。その他の構成は、第１の実施形態と同様である。波長可変光学フィルタ２３は、多層膜干渉型光フィルタを回転させることにより波長掃引可能な波長可変型バンド・パス・フィルタとして構成される。また、光アイソレータ２５は、波長可変光学フィルタ２３での反射光が共振器を構成する光路内で逆方向に循環することを抑える。本実施形態のリング型レーザ装置１０Ｂは、波長可変型バンド・パス・フィルタを挿入したことにより、装置自体は実施形態１,２と比較すると大掛かりで高価になるものの、１００ｎｍ幅を越える帯域で広帯域に波長掃引が可能になる。発振波長はバンド・パス・フィルタの中心波長で決まる。例えば、本実施形態では、非特許文献１で紹介されているファイバ・レーザ同様波長を１４７０ｎｍ〜１６００ｎｍまで掃引可能とする。これによって、本ＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置１０Ｂは、ＤＷＤＭ通信に好適なリング型レーザ装置として利用される。

図４は、本発明の第４の実施形態に係るＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置を図１と同様に示している。本実施形態のＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置１０Ｃは、ＶＣＳＯＡ１１内で、レーザ活性層１７及びクラッド層１６を、一対の半導体製回折格子２６、２７の間で挟んだ構造の面発光型光増幅器を採用する。光学フィルタにはバンド・パス・フィルタ２４を用い、また、光アイソレータ２５の採用により、反射光の循環を抑える。

本実施形態では、ＶＣＳＯＡ１１に、一対の半導体製回折格子を含む面発光レーザ構造を採用したので、より小型モジュール化が可能になる。

上記各実施形態では、光ファイバには、細径非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ：high non-linear fiber）や、フォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ：photonic crystal fiber)を用いる。ＰＣＦは、ホーリーファイバとも呼ばれる。図５は、ＨＮＬＦと通常の単一横モード光ファイバ（ＳＭＦ）の双方について、各タイプのクラッド径毎に、曲げ半径と曲げ損失との関係を示している（古河電工時報第119号(平成19年１月）)。ＨＮＬＦは、例えばゲルマニウム（Ｇｅ）を高濃度に添加したセンターコアと、フッ素（Ｆ）を添加したサイドコアとを有するＷ型の屈折率プロファイルを有している。このうち外径４０μｍの細径光ファイバ(図５におけるＨＮＬＦ４０)では、直径が２０ｍｍのボビンに１００ｍ巻き取っても曲げによる損失は、１０^-10 ｄＢである。このようなＨＮＬＦを用いることにより、小さな曲げ半径で低い曲げ損失が得られる。このため、光ファイバを、例えば２０ｍｍ×２０ｍｍ以下の筐体にコンパクトに収容することができ、リング型レーザ装置の小型化が可能になる。それに対して従来のファイバ・レーザでは光ファイバの曲げ損失等の問題から小さいものでも装置の大きさは４０ｃｍ×３０ｃｍとなっていた。つまり、上記の光ファイバを用いることにより従来のものより１桁小さいスケールのファイバ・レーザ装置が実現可能となる。

図６は、ＰＣＦとＳＭＦについて、その曲げ半径と曲げ損失との関係を比較して例示する(日立電線 技術報告資料, No. ２４, ２００５-１)。ＰＣＦは、通常のＳＭＦファイバに比べて、例えば曲げ半径が１０ｍｍで曲げ損失が３桁程度小さいことが理解できる。このように、ＰＣＦを用いることにより、小さな曲げ半径でも低い曲げ損失が得られる。例えば、直径が２０ｍｍのボビンに１００ｍ巻き取っても曲げによる損失は、１.６dBである。アセチレンガスセルと組み合わせたＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置は、スペクトル線幅が狭く、発振波長が分子の吸収線に固定され安定な周波数で発振することが可能となる。このため、波長校正用の光源として好適である。

本発明のＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置は、光ファイバ・ジャイロに応用できる。図７は、本発明のＶＣＳＯＡを光ファイバ・ジャイロに応用した例を示す原理図である。光ファイバ１４には、ＨＮＬＦ又はＰＣＦを用いる。ＶＣＳＯＡ１１には、例えば第４の実施形態のものを用いる。光学フィルタ２４には、バンド・パス・フィルタを用いる。発振したレーザ光は、時計回り及び反時計回りの双方向に共振器内を循環し、対応する出力カプラ１３の分岐から双方に取り出される。この光ファイバ・ジャイロ３０は、角速度センサとして用いられる。

以上、本発明をその好適な実施態様に基づいて説明したが、本発明のリング型レーザ装置は、上記実施態様の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施態様の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。

（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置のブロック図、（ｂ）はＶＣＳＯＡの断面図。 （ａ）は、本発明の第２の実施形態に係るＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置のブロック図、（ｂ）はＶＣＳＯＡの断面図。 （ａ）は、本発明の第３の実施形態に係るＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置のブロック図、（ｂ）はＶＣＳＯＡの断面図。 （ａ）は、本発明の第４の実施形態に係るＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置のブロック図、（ｂ）はＶＣＳＯＡの断面図。 細径高非線形ファイバの曲げ損失特性を従来のＳＭＦと比較して示すグラフ。 フォトニック結晶ファイバの曲げ損失特性を従来のＳＭＦと比較して示すグラフ。 光ファイバ・ジャイロの構造を示す原理図。

符号の説明

１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ：ＶＣＳＯＡファイバ・レーザ装置（リング型レーザ装置）
１１：ＶＣＳＯＡ
１２：ファイバ型回折格子
１３：出力カプラ
１４：光ファイバ
１５：ｎ−ＩｎＰ基板
１６：ｎ−ＩｎＰクラッド層
１７：レーザ活性層
１８：ｐ−ＩｎＰクラッド層
１９：ｐ側電極
２０：ｎ側電極
２１：セラミック基板
２２：スルーホール
２３：波長可変光学フィルタ
２４：光学フィルタ（バンド・パス・フィルタ）
２５：光アイソレータ
２６、２７：半導体製回折格子
３０：光ファイバ・ジャイロ

Claims (4)

1. 面発光型光増幅器を含む光利得媒体と、光ファイバ及び光学フィルタを含み、前記面発光型光増幅器の出力を入力にフィードバックする共振器とを備え、前記光学フィルタの帯域幅内に含まれる波長で発振し、前記光学フィルタが、前記面発光型光増幅器内に形成された半導体製のλ／４位相シフト・ブラッグ回折格子を含む、リング型レーザ装置。
2. 前記光ファイバが、ファイバ横断面内に二次元的に配列された複数の空孔を含むフォトニック結晶ファイバである、請求項１に記載のリング型レーザ装置。
3. 前記光ファイバが、外径が５０μｍ以下でＷ型の屈折率プロファイルを有する非線形光ファイバである、請求項１に記載のリング型レーザ装置。
4. 前記光学フィルタが、中心波長が掃引可能なバンド・パス・フィルタを含む、請求項１〜３の何れか一に記載のリング型レーザ装置。

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