JPH04196188A - 波長安定化レーザ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野１ 本発明は、光通信および光計測における波長基準として
用いるために、原子または分子気体の共鳴線および吸収
線や光干渉計の波長を基準にとり、レーザ光をその基準
に同期させることによって構成された波長安定化レーザ
装置に関するものである。

［従来の技術１ この種の従来の波長安定化レーザ装置の一例の構成を第
１１図に示す。第１１図において、ｌは半導体レーザ、
２は波長基準吸収媒体、３は受光器、４はロックインア
ンプ、５は発振器である。発振器５によって直接変調さ
れた半導体レーザ］の片端面からの微小量の出射光６を
波長基準吸収媒体２に通過させた後、受光器３で光電変
換する。この電気信号を発振器５の出力とロックインア
ンプ４で比較して処理した後、半導体レーザ１に帰還さ
せてその駆動電流を変えることにより、この半導体レー
ザ１の発振波長を安定化させる。波長基準吸収媒体２と
しては、クリプトンなどの原子の共鳴線やアンモニアな
どの分子の吸収線あるいは光ファブリペロ干渉計などの
光干渉計などが使われている。７は半導体レーザ１から
のレーザ出力光である。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、かかる従来の波長安定化レーザ装置では
、半導体レーザ１の発振波長の粗い調整は、半導体レー
ザｌの周囲温度を変化させることによって行っている。

通常の半導体レーザでは、１℃あたり約０．１ｎｍだけ
発振波長が変化するので、例えば５℃から５５℃まで５
０°変化させたとしても、高々５ｎｍ　Ｌ／か可変させ
ることができない。

しかも、温度を変化させたとき、半導体レーザの端面間
の距離に起因する発振縦モードとレーザ媒質の利得分布
との相関関係から縦多モード化や、モードホッピングな
どの不安定な状態に陥ることがある。したがって、広い
波長帯域にわたって複数の発振波長で安定したレーザ光
を得るためには、発振波長を選りすぐった複数の半導体
レーザが必要であった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、１台の半導体レーザで、複数の波長で安定化する
ことができ、かつ極めて高い波長安定度のレーザ光が得
られる実用的な波長安定化レーザ装置を提供することを
目的とする。

［課題を解決するための手段１ 上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも一方の
光出射面が低反射加工された半導体レーザと、当該加工
の施された光出射面側からの出射光を受けて反射し、前
記半導体レーザに戻すようになして当該半導体レーザに
対する外部共振器を構成するミラー手段と、透明電極、
高反射ミラー、配向膜、液晶、配向膜、高反射ミラーお
よび透明電極をこの順序に配置して構成され、前記半導
体レーザと前記ミラー手段との間に配設された可変波長
フィルタと、透明電極、配向膜、液品、配向膜および透
明電極をこの順序に配置して構成され、前記半導体レー
ザと前記ミラー手段との間に配設された可変位相シフタ
と、前記半導体レーザの発振波長を設定するための電圧
を少なくとも前記可変波長フィルタに印加する電圧源と
、前記半導体レーザの残余の光出射面側からの出射光を
受けて、所定の波長の光のみを吸収する波長基準吸収媒
体と、該波長基準媒体を通過した光を電気信号に変換す
る受光手段と、所定波長の電気発振出力を発振する発振
手段と、前記受光手段からの電気信号と前記発振手段か
らの電気発振出力を受け、前記半導体レーザの発振波長
と前記波長基準吸収媒体による基準吸収とのずれを誤差
信号として検出するロックインアンプと、該ロックイン
アンプからの誤差信号を前記可変波長フィルタおよび前
記可変位相シフタにフィードバックすると共に、前記発
振器の電気発振出力を前記可変位相シフタに供給する手
段とを備えたことを特徴とする。

［作　用１ 本発明では、半導体レーザの外部共振器内に、主に液晶
からなり、電圧印加により半導体レーザの発振波長を設
定する可変波長フィルタと可変位相シフタとを配設し、
半導体レーザの出力光から所定の波長の光のみを波長基
準吸収媒体で吸収し、この媒体を通過した光に対応する
電気信号と発振器の発振出力をロックインアンプに供給
して得た誤差信号を可変波長フィルタおよび可変位相シ
ックにフィードバックし、可変波長フィルタで発振波長
の粗調整を行い、可変位相シフタで発振波長の微調整を
行なうようにしたので、半導体レーザの発振波長を従来
よりはるかに広範囲の波長域で可変させ、半導体レーザ
の発振波長を安定化できる。

［実施例１ 以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する
。

第１図は本発明の波長安定化レーザ装置の一実施例な示
す構成ブロック図である。第１図において、１１は片方
の光出射端面が低反射加工された半導体レーザであり、
その低反射コーティング加工された端面側からの出射光
をレンズ１２でコリメートする。レンズ１２の出射光を
、ガラス基板、透明電極、高反射ミラー、配向膜、液晶
、配向膜、高反射ミラー、透明電極、ガラス基板をこの
順序に積層して構成した可変波長フィルタ１３、および
ガラス基板、透明電極、配向膜、液晶、配向膜、透明電
極、ガラス基板をこの順序に積層して構成した可変位相
シフタ１４を介して、凹面ないし平面ミラー１５に導（
。

半導体レーザ１１のレーザ出力光２０は、コリメートレ
ンズ１６からハーフミラ−１７を介して取り出す。ハー
フミラ−１７からの他方の出力光を波長基準吸収媒体と
しての吸収セル１８を介して受光器１１０に導く。発振
器１９および受光器１１０の出力をロックインアンプｔ
　１１に供給して比較処理し、発振器１９の発振波長と
波長基準吸収媒体１８の基準吸収線とのずれを示す誤差
信号を得、その誤差信号を可変波長フィルタ１３および
可変位相シフタ１４の各印加電圧にフィードバックする
。ここで、ロックインアンプとは、発振器１９からの発
振出力を参照信号として、受光器１１０からの電気信号
出力を、この参照信号にロックした状態で、増幅する、
すなわちこの電気信号出力のうち参照信号に同期した成
分のみを増幅する増幅器を意味し、得られた増幅出力電
圧レベルを可変波長フィルタ１３および可変位相シフタ
１４に印加する。可変位相シフタ１４には発振器１９か
らの発振出力をも印加する。４０は可変波長フィルタ１
３に所望する発振波長に対応する設定電圧を印加するた
めの電圧源である。なお、電圧源４０から可変位相シフ
タ１４にも電圧を印加してフィルタ１３と共に電圧を設
定することもできる。

なお、可変波長フィルタ１３のガラス基板上に可変位相
シフタ１４およびミラー１５を一体化して配置すること
ができるのは言うまでもない。

可変波長フィルタ１３を光軸に対して垂直な軸から傾け
て配置しであるのは、可変波長フィルタｊ３からの不要
な反射光を半導体レーザ１１に帰還させないためである
。

次に、第２図に可変波長フィルタ１３の一例の断面図を
示す。ここで、２１Ａおよび２１Ｂは無反射コーティン
グ層、２２Ａおよび２２Ｂはインジウムヂンオキザイド
（ＩＴＯ）あるいは酸化錫などの透明電極層、２３Ａお
よび２３Ｂは高反射ミラー、２４Ａおよび２４Ｂはポリ
イミドなどの配向膜、２５Ａおよび２５Ｂはガラス基板
、２６は液晶層である。ガラス基板２５Ａおよび２５Ｂ
上に、それぞれ、層２２Ａ、　２３Ａ。

２４Ａおよび層２２Ｂ、　２３Ｂ、　２４Ｂを配置する
。層２４Ａと２４Ｂとの間に液晶層２６を配置する。ガ
ラス基板２５Ａおよび２５Ｂの外側表面には、無反射コ
ーティング層２１Ａおよび２１Ｂをそれぞれ配置する。

２７Ａおよび２７Ｂは配線であり、透明電極層２２Ａお
よび２２Ｂにそれぞれ接続する。

まず、可変波長フィルタの動作原理について説明する。

第３図（ａ）および（ｂ）には、液晶に電界を印加しな
い場合および印加した場合の液晶分子の配向を、それぞ
れ、示す。ここで、３１は液晶層２６の液晶分子、３２
は配向膜２４Ａ、　２４Ｂに対応する配向膜であり、配
向膜３２に示しである矢印は配向方向である。例えば、
液晶としてネマティック液晶、配向膜として厚さ数十か
ら１０００オングストロームの高分子膜を用い、配向処
理（ラビングなど）を行うか、あるいは同様な厚さのＳ
ｉＯの斜方蒸着膜を用いると、電界の無印加状態で、液
晶分子３１は配向膜３２の配向方向に基板２５Ａ、　２
５Ｂに平行に配位する。

これは配向処理にともない、（液晶の位置エネルギ）＋
（配向膜との相互作用エネルギ）が液晶分子３１が配向
方向に配位した時に最小となるからである。ところが、
基板２５Ａ、２５Ｂに垂直に電界を印加すると、液晶分
子３１が双極子モーメントを持つことに起因して、電界
との相互作用が生じ、この系は液晶が電界方向に回転す
ることによって、エネルギ的に安定となる。このとき、
対向する配向膜３２の配向方向は反対の向きになってい
るため、液晶分子３１の回転方向は一意的に定まり、光
の散乱要因であるディスクリネーションを避けることが
できる。

ここで、液晶の配向方向に偏光した平行光を基板２５Ａ
、　２５Ｂに垂直に入射する場合を考える。液晶分子３
］は異方性の大きい形状から推察される通り、光学的に
も異方性が極めて大きい。このため、電界印加時に液晶
分子３１の回転と共に偏光面の方向の屈折率（ｎ）が大
きく変化する。屈折率変化は最大十数％にも及ぶ。ここ
で、屈折率ｎは電界Ｅの関数となり、次式で表される。

ｎ（Ｅ）　＝　ｎｏ＋Δｎ（Ｅ）　　　　　　　　（１
）ここで、ｎｏは電界無印加時の屈折率である。

可変波長フィルタ１３では、対向するミラー２３Ａおよ
び２３Ｂにこれら液晶層２６と配向膜２４Ａおよび２４
Ｂとを挟んで、光共振器を構成している。ミラー２３Ａ
、　２３Ｂの反射率をｒ、入射光の波長をλ、ミラー２
３Ａと２３Ｂとの間隔をＬとすると、共振器の透過率Ｔ
、共鳴波長λｒａｇは次式で表される。

Ｔ　＝　１／［ｌ＋Ｆｓｉｎ２（２１ｒ、ｎ（Ｅ）Ｌ／
ん）］　　　　　（２）Ｆ　＝　４ｒ／（］−ｒ）２（
３） んｒ！、＝　ｍ／２ｎ（Ｅ）Ｌ　　　（ｍｌ、２．．１
．）　　　（４）１つの共鳴ピークに注目して透過スペ
クトルを図示すると、第４図のようになる。ここで、実
線は電界無印加時、破線は電界印加時の透過スペクトル
である。（４）式から明らかなように、電界印加時に液
晶層２６の屈折率変化にともない共鳴ピークは移動する
。すなわち、共振器外側の透明電極２２Ａと２２Ｂ間の
電位差を制御することによって、共振器の共鳴波長を制
御し可変波長フィルタとして動作させることができる。

可変波長フィルタの動作波長の上限と下限をそれぞれλ
□つ、λｍｉｎとすると、ｍの値の上限は次式で与えら
れる。この式は動作波長範囲にただ１つの共鳴ピークが
存在する条件を表す。

ｍ＜１＋λ、　　ｆｆｉ、、／　　　（λ　□８−え　
□Ｉｎ）　　　　　　　　　　　（５）例えば、ミラー
２３Ａ、　２３Ｂの反射率を９９．０％、共振器長りを
１．５μｍとすれば、半値幅０．２２ｎｍで約５０ｎｍ
の波長掃引が可能である。

次に、半導体レーザ１１としての波長可変レーザダイオ
ードの動作について説明する。可変波長フィルタ１３を
挿入しない場合と、挿入した場合のレーザ共振器の利得
スペクトルの模式図を第５図に示す。フィルタ１３のな
い場合、利得スペクトルはレーザダイオードチップのコ
ーティングのない出射端面と外部ミラー１６との間での
外部共振器モードによる線状の鋭いピークを持つスペク
トルとレーザデツプの両端面間での緩いピークを持つス
ペクトルとの重ね合せとなる。この結果、フィルタ１３
のない場合には利得の大きいＰｋ、Ｉ。

Ｐｌや１．　ｌ＋　Ｐｌ＋＋２．１＋　Ｐｋや３８等に
対応する波長で多モード発振をする。ところが、ここに
可変波長フィルタ１３を挿入すると、外部共振器モード
に基づく１つの利得ピークを選択し、それに対応する波
長の光で発振させることが可能になる。ここでは、可変
波長フィルタ１３への印加電圧を制御し、Ｐｋ＋＋、４
の波長を選択していることを図示している。すなわち、
可変波長フィルタ１３への印加電圧を制御することで任
意の外部共振器モード波長での発振が可能となる。また
、波長の掃引速度は液晶の応答速度で決まるが、一般的
には数ミリ秒であり、機械的な掃引に比較すれば３桁以
上高速である。

第６図に可変位相シフタ１４の構造の一例を示す。ここ
で、６１Ａおよび６１Ｂは無反射コーティング層、６２
Ａおよび６２ＢはインジウムチンオキザイドＣＩＴＯ）
あるいは酸化錫などの透明電極層、６３Ａおよび６３Ｂ
はポリイミドなどの配向膜、６４は液晶層、６５Ａおよ
び６５Ｂはガラス基板である。ガラス基板６５Ａおよび
６５Ｂ上に、それぞれ、層６２Ａ、　６３Ａおよび層６
２Ｂ、６３Ｂを配置する。層６３Ａと６３Ｂとの間に液
晶層６４を配置する。ガラス基板６５Ａおよび６５Ｂの
外側表面には、それぞれ、無反射コーティング層６１Ａ
　８よび６１．Ｂを配置する。６６Ａおよび６６Ｂは配
線であり、透明電極層６２Ａおよび６２Ｂにそれぞれ接
続する。この可変位相シフタ１４では、電圧印加にとも
ない、液晶層６４の屈折率が第１式のように変化するた
め、印加電圧を制御し、外部共振器長を変えることで、
外部共振器モードに基づ（利得ピークを数モード間隔分
微調できる。

次に、第１図に示した実施例の波長安定化レー］　５ ザ装置の動作を説明する。まず、電圧源４ｏにより可変
波長フィルタ１３の印加電圧を設定する。その状態で、
所望の発振波長に近い波長で発振している半導体レーザ
１１より出射した光はレンズ１６を経てハーフミラ−１
７で２分され、一方の光は所定の波長の光のみを吸収す
る波長基準媒体１８を透過し、その透過光は受光器１１
０で光電変換される。

第７図は波長基準媒体１８の吸収特性を示すものである
。

ここで、可変位相シフタ１４の印加電圧は発振器１９で
変調されており、これにより半導体レーザ１１の発振波
長が僅かに変化し、その出力光は周波数変調されている
。さらに、半導体レーザ１１の発振波長と基準吸収線か
らのずれをロックインアンプ１１１で検出し、その誤差
信号を可変波長フィルタＪ３および可変位相シフタ１４
の各印加電圧にフィードバックして発振波長を安定化す
る。なお、可変波長フィルタ１３は発振波長の粗い調整
に用いられ、可変位相シフタ１４は微調整に用いられる
。

また、可変波長フィルタ１３と可変位相シフタ１４の動
作条件によって、半導体レーザ１１との光結合条件が変
化することにより、出力光の強度が変化する場合は、第
８図に示す実施例の構成にすればよい。第８図において
、第１図と同様の個所には同一符号を付す。１１２はハ
ーフミラ−１７からの出力光２０を受けるハーフミラ−
５１１３はハーフミラ−１１２からの一方の光を受ける
受光器である。

この受光器１１３からの電気信号出力をロックインアン
プ１１１に供給し、それにより受光器１１３で半導体レ
ーザ１１の出力光２０の強度の変動を監視する。吸収線
からのずれの信号は受光器１１０と１１３との出力を比
較することにより容易に得ることができる。

さらに、レーザ共振器のＱ値をあげるため、リング共振
器の構造にした実施例を第９図に示す。

ここで、第１図と同様の個所には同一符号なイ」す。本
実施例では外部ミラー１１４および１１５とハーフミラ
−１１６とを追加し、これらミラー１１４゜１１５、１
１６とミラー１５とによりリング共振器を構成する。す
なわち、ミラー１５の反射光を、ミラー１１４および１
１５を介して、ハーフミラ−１７とレンズ１６との間に
配置したハーフミラ−１１６に戻す。

半導体レーザ１１は両面とも低反射加工されている。第
９図に示したミラーによるリング共振器に代えて、リン
グ共振器を光ファイバで構成しても同様の効果が得られ
る。

ここで、本発明の具体例について述べる。例えば、第１
図の装置構成において、半導体レーザ１１として波長１
．５５μｍで発振するＩｎＧａＡｓＰ系の分布帰還型半
導体レーザ（ＤＦＢ型ＬＤ）を使用し、その片端面の反
射率を１％以下に加工して使用した。外部共振器で決定
されるレーザ光の線幅は１００ＭＨｚであった。セル長
５ｃｍの吸収セル１８には、光吸収媒体として同位体置
換アセチレンガス（１３Ｃ２Ｈ２）を圧力５００Ｔｏｒ
ｒ封入した。

第１０図はアセチレンガスと同位体置換アセチレンガス
の光吸収特性を示す図である。ここで、吸収セル１８の
セル長は１０ｃｍ、圧力は７６０Ｔｏｒｒとした。

そのうち、１．５４９４９μｍの吸収線（半値全幅１０
ＧＨｚ　、吸収強度３０％）を利用して前記半導体レー
ザ１１をこの吸収線に波長同期させた。発振器１９の周
波数を５００Ｈｚとし、可変位相シフタ１４を用いた周
波数変調変位量は５００ＭＨｚに設定した。このように
して、第１図の構成を用いた場合に、半導体レーザ１１
の中心発振波長の変動はＩ　Ｘ　１０”’ｎｍ（光周波
数にして１０ＭＨｚ）以下に抑えられた。

次に、電圧源４０により可変波長フィルタ１３の印加電
圧を調整して、１．５２１２５μｍの吸収線（半値全幅
１２ＧＨｚ　、吸収強度５０％）を利用して前記半導体
レーザ１１をこの吸収線に波長同期させた。同様に、半
導体レーザ１１の中心発振波長の変動はｌ×１０−’ｎ
ｍ　（光周波数にして１０ＭＨｚ）以下に抑えられた。

第１図の実施例では、約３０ｎｍの広範囲にわたって、
約０．６ｎｍごとに存在する吸収線のいずれの波長にお
いても半導体レーザの発振波長を安定化することができ
た。

特に、第１０図に示したアセチレンガスおよび同位体置
換アセチレンガスを用いれば１．５０μｍから１．５６
μｍの広範囲にわたって局在する多数の波長で安定化が
可能である。

光吸収性ガスとして、アンモニアガス、メタンガス、二
酸化炭素などを用いても前述した実施例と同様の動作原
理によって発振波長を安定化することができる。

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、本
発明は、前記実施例に限定されるものではな（、その要
旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは
言うまでもない。

［発明の効果１ 以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザの
外部共振器内に、可変波長フィルタと可変位相シフタと
を配設し、半導体レーザの出力光から所定の波長の光の
みを波長基準吸収媒体で吸収し、この媒体を通過した光
に対応する電気信号と発振器の発振出力をロックインア
ンプに供給して得た誤差信号を可変波長フィルタおよび
可変位相シフタにフィードバックし、可変波長フィルタ
で発振波長の粗調整を行い、可変位相シフタで発振波長
の微調整を行なうようにしたので、半導体レーザの発振
波長を従来よりはるかに広範囲の波長域で可変させ、半
導体レーザの発振波長を安定化できる。

このように、本発明では、半導体レーザの発振波長を極
めて高精度で広範囲の波長に同期、安定化することがで
きるので、コヒーレント光通信における波長標準光源や
光計測における光源として利用できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明波長安定化レーザ装置の一実施例を示す
構成ブロック図、 第２図は液晶を用いた可変波長フィルタの一例を示す断
面図、 第３図は可変波長フィルタにおける液晶分子の配位図、 第４図は電界の印加に伴う可変波長フィルタの透過スペ
クトルの変化を示す透過スペクトル図、 第５図はレーザ共振器の波長選択原理の説明用利得スペ
クトル図、 第６図は可変位相シフタの一例を示す断面図、 第７図は吸収セルの入出力特性として光吸収性ガスを透
過した光の光強度を示す特性図、第８図および第９図は
本発明の他の２つの実施例を示すブロック図、 第１０図はアセチレンガスと同位体置換アセチレンガス
の光吸収特性図、 第１１図は従来の波長安定化レーザ装置の一例を示す構
成ブロック図である。 １．１１・・・半導体レーザ、 ２．１８・・・吸収セル、 ３、１１０．１１３・・・受光器、 ４．１１１・・・ロックインアンプ、 ５．１９・・・発振器、 １２、１６・・・レンズ、 １３・・・可変波長フィルタ、 １４・・・可変位相シフタ、 １５、１１４．１１．５・・・ミラー、１７、１１２．
１１６・・・ハーフミラ−１２０・・・レーザ出力光、 ２１Ａ、　２１Ｂ、　６１Ａ、　６１Ｂ・・・無反射コ
ーティング層、２２Ａ、　２２Ｂ、　６２Ａ、　６２Ｂ
・・・透明電極層、２４Ａ、　２４Ｂ、　６３Ａ、　６
３Ｂ・・・配向膜、２５Ａ、　２５Ｂ、　６５Ａ、　６
５Ｂ・・・ガラス基板、２６、６４・・・液晶層、 ２７Ａ、　２７Ｂ、　６６Ａ、　６６Ｂ・・・配線、３
１・・・液晶分子、 ３２・・・配向方向、 ４０・・・設定電圧源。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）少なくとも一方の光出射面が低反射加工された半導
   体レーザと、 当該加工の施された光出射面側からの出射光を受けて反
   射し、前記半導体レーザに戻すようになして当該半導体
   レーザに対する外部共振器を構成するミラー手段と、 透明電極、高反射ミラー、配向膜、液晶、配向膜、高反
   射ミラーおよび透明電極をこの順序に配置して構成され
   、前記半導体レーザと前記ミラー手段との間に配設され
   た可変波長フィルタと、透明電極、配向膜、液晶、配向
   膜および透明電極をこの順序に配置して構成され、前記
   半導体レーザと前記ミラー手段との間に配設された可変
   位相シフタと、 前記半導体レーザの発振波長を設定するための電圧を少
   なくとも前記可変波長フィルタに印加する電圧源と、 前記半導体レーザの残余の光出射面側からの出射光を受
   けて、所定の波長の光のみを吸収する波長基準吸収媒体
   と、 該波長基準媒体を通過した光を電気信号に変換する受光
   手段と、 所定波長の電気発振出力を発振する発振手段と、 前記受光手段からの電気信号と前記発振手段からの電気
   発振出力を受け、前記半導体レーザの発振波長と前記波
   長基準吸収媒体による基準吸収線とのずれを誤差信号と
   して検出するロックインアンプと、 該ロックインアンプからの誤差信号を前記可変波長フィ
   ルタおよび前記可変位相シフタにフィードバックすると
   共に、前記発振器の電気発振出力を前記可変位相シフタ
   に供給する手段と を備えたことを特徴とする波長安定化レーザ装置。