JPH07335965A

JPH07335965A - 可変波長光源装置

Info

Publication number: JPH07335965A
Application number: JP14718294A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Odachime; 寛明大立目; Hiroaki Endo; 弘明遠藤; Hiroshi Goto; 寛後藤; Akira Ikeuchi; 公池内; Akihiko Asai; 昭彦浅井
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1994-06-06
Filing date: 1994-06-06
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】半導体レーザ（ＬＤ）を用いた外部共振型の
可変波長光源装置において、ＬＤの位相調整領域に注入
する電流と回折格子の回転角とを同時に変えることで、
同一の外部共振器縦モードを保持した状態で発振波長を
可変する。【構成】位相調整領域６ｂを備えたＬＤ６のＡＲコー
トされた端面から出射した光は、レンズ２で平行ビーム
となって回折格子３に入射する。回折格子３からは、分
光分散によって選択された特定の波長のみが反射され
て、ＬＤ６に戻る。これによって、ＬＤ６と回折格子３
との間で外部共振器（実効共振長Ｋ）を形成し、外部共
振器縦モードと回折格子３の共振損失とで決まる波長の
レーザ発振を行う。なお、実効共振長Ｋは位相調整領域
６ｂに注入される電流で可変される。電流注入手段７は
位相調整領域６ｂに電流を注入し、また発振波長制御手
段８は電流注入手段７の出力する注入電流と回折格子３
の回転角とを制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザを用いた
外部共振型の可変波長光源装置に関し、特にレーザ光の
発振波長を再現性よく高分解能に可変できる可変波長光
源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体レーザを用いた外部共振型
の可変波長光源装置の代表として、外部回折格子により
波長選択を行うものがあった。図８に、その構成を示
す。半導体レーザ（ＬＤ）１の無反射コート（ＡＲコー
ト，AR:Anti-Reflection）された端面から出射した光
は、レンズ２で平行ビームとなって、回折格子３へ入射
し、分光分散されて後述するように特定の波長のみがＬ
Ｄ１へ戻る。これによってＬＤ１のＡＲコートされてい
ない端面と回折格子３との間で共振器（外部共振器）を
形成し、共振器長Ｌで決まる波長のレーザ発振を行う。
出力レーザ光は、ＬＤ１のＡＲコートされていない端面
から出射する。

【０００３】ここで、上記レーザ発振の原理について詳
述する。回折格子３に入射した光は、その波長によって
回折される角度が異なる。すなわち、図９に示すように
回折格子３の格子定数をｄ、回折格子３への入射角をθ
とした場合、出射角がβとなる波長λは、ｍλ＝ｄ（ sinθ＋ sinβ），（ｍ＝０，±１，±２・・・・）・・・・（１）の関係にある。回折格子３へ入射した光のうち、（１）
式でθ＝βとなる波長成分は再びＬＤ１へ戻り、そこで
外部共振器（共振器長Ｌ）を形成する。このとき発振す
る波長は、図１０で示すように、ＬＤ１の利得スペクト
ル（イ）、主に回折格子３の特性できまる共振器損失の
波長特性（ロ）、及び光の位相条件できまる外部共振器
縦モード（ハ）によって決定される。すなわち、（イ）
の利得から（ロ）の損失を引いた値が一番大きくなるよ
うな外部共振器縦モードで発振する。図１０の場合に
は、外部共振器縦モードの（ニ），（ホ）が発振縦モー
ドとなる。

【０００４】この外部共振器縦モードとは、光が共振器
内を往復したときに定在波ができるための条件であり、
次式で与えられる。ｎλ＝２Ｌ（ｎは自然数，Ｌは上述の共振器長）・・・・（２）また、このときのそれぞれの外部共振器縦モード間隔Δ
λは、 Δλ＝λ² ／２Ｌ・・・・（３）である。なお、上述の共振器損失の波長特性（ロ）は、
図８の回折格子３への入射角θを変えることにより、例
えば図１０の点線のように変化させることができる。ま
た、外部共振器縦モード（ハ）の波長は、回折格子３を
図８に示す移動方向に移動する（換言すれば共振器長Ｌ
を変える）ことにより、変化させることができる。

【０００５】以上のことから、図８の従来例において
は、次のようにして、指定波長λ_Sを有するレーザ光を
ＬＤ１から出力することができる。回折格子３の回転軸４を回転させて、回折格子３か
らＬＤ１に入射するレーザ光の波長を指定波長λ_Sに合
わせる。すなわち、入射角θを変えて（１）式を満足さ
せる。回折格子３の回転軸４を案内溝５に沿って移動させ
て、（２）式が満足するように共振器長Ｌを調整する。なお、上記の調整については、図１０に示す外部共振
器縦モード間隔Δλで発振させる場合には一度行えばよ
いが、外部共振器縦モード間隔Δλの間を発振させる場
合には波長を変える毎に行う必要がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図８に示すように構成
された可変波長光源装置においては、次のような問題が
あった。すなわち、上記に述べたような共振器長Ｌの
調整を行う（換言すれば外部共振器縦モード間隔Δλの
間を発振させる）ためには、回折格子３の回転軸４を案
内溝５に沿って移動させるがことが必要である。このた
めに、電動アクチュエータ（作動器）、ピエゾ素子等が
用いられるが、これらは共振器長Ｌを機械的に可変する
ものであり、次のような問題があった。

【０００７】（ａ）アクチュエータを用いる場合・アクチュエータはバックラッシュ等があるために、発
振波長の再現性が悪くなりやすく。・アクチュエータは極微小な長さの設定が難しいため
に、発振波長の分解能が細かく取りにくい。以下に、発振波長の再現性及び分解能につて、具体的な
数値を示す。共振器長をＬからΔＬだけ変化させたとき
の波長変化Δλ’は、初期の波長をλとすると、 Δλ’＝λ×（ΔＬ／Ｌ）・・・・（４）となる。

【０００８】共振器長Ｌを30mm、初期の波長λを通信帯
域でよく用いられる1.55μm とし、またアクチュエータ
として、例えば長さ再現性 1μm 、長さ分解能20nmの通
常の性能をもつ精密小型アクチュエータを用いた場合、
発振波長の再現性及び分解能は、（４）式から次のよう
に求められる。発振波長の再現性は、 Δλ’＝(1.55 ×10^-6) ×｛(1×10^-6) ／(30 ×10^-3) ｝≒50pm ・・・・(5) 発振波長の分解能は、 Δλ’＝(1.55 ×10^-6) ×｛(20 ×10^-9) ／(30 ×10^-3) ｝≒1pm ・・・・(6) となる。

【０００９】（ｂ）ピエゾ素子を用いる場合ピエゾ素子（電圧を加えることにより伸縮可能）はヒス
テリシスを持つために、発振波長の再現性が悪くなる。
具体的な数値を以下に示す。長さの可変幅に対して10％
のヒステリシスを持つ通常のピエゾ素子を用いた場合、
長さの可変幅を 2μm とすると、長さの再現性は次式の
ようになる。 (2 ×10^-6) × 0.1＝ 0.2μm ・・・・（７）この結果と（４）式を用いて、Ｌ＝30mm，λ＝1.55μm
における発振波長の再現性を計算すると、次式のように
なる。 Δλ’＝(1.55 ×10^-6) ×｛(0.2×10^-6) ／(30 ×10^-3) ｝≒10pm ・・・・(8) 上述の（ａ），（ｂ）における発振波長の再現性及び分
解能の具体的な数値は、後述する本発明に比べて、約10
倍〜50倍悪いものである。本発明の目的は、上記課題を
解決し、簡単な制御法で再現性が良く、分解能も高い、
高性能の可変波長光源装置を提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明では、位相調整領域を有するＬＤを用い、こ
の位相調整領域に注入する電流を可変することによって
外部共振器の実効共振長を可変することができる点、ま
た回折格子は回転軸を中心にして回転させるだけであれ
ば、外部共振器の共振器長を一定に保つことができる点
に着目した。したがって、本発明の可変波長光源装置
は、注入される電流によって外部共振器の実効共振長を
変化させる位相調整領域を有するＬＤと、この位相調整
領域に電流を注入する電流注入手段と、外部共振器の共
振器長を一定に保って、所望の波長で発振させるよう
に、電流注入手段が注入する電流を制御するとともに回
折格子が選択する波長を制御する発振波長制御手段とを
備えた。

【００１１】なお、共振器長は、位相調整領域をもたな
いＬＤ（又は、位相調整領域を有するものであっても位
相調整領域へ注入される電流が零であるＬＤ）と回折格
子とで構成される外部共振器の共振器長をいう。したが
って、この共振器長は、図８の共振器長Ｌで示したよう
に、ＬＤと回折格子間の距離を機械的に変えない限り一
定に保たれるものである。また、実効共振長は、上記共
振器長に、ＬＤの位相調整領域に注入する電流によって
変化する位相調整領域の実効的な光路長を加味したもの
をいう。したがって、実効共振長は、共振器長を一定に
保った（換言すれば、ＬＤと回折格子間の距離を機械的
に変えない）状態において、位相調整領域へ注入される
電流によって電気的に可変されるものである。

【００１２】

【作用】従来技術は電動アクチュエータやピエゾ素子等
を使って外部共振器の共振器長を機械的に可変して発振
波長を変えていたが、本発明では、外部共振器の共振器
長を一定（すなわちＬＤと回折格子間の機械的距離を一
定）に保った状態において、ＬＤの位相調整領域に注入
する電流を可変する（外部共振器の実効共振長を変え
る）とともに、回折格子が選択する波長（回転角）を可
変することによって発振波長を変えるようにした。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を用いて説明
する。（第１の実施例）図１は、第１の実施例を示す可変波長
光源装置のブロック図である。なお、従来例と同一の構
成部分には同一の記号を付けてある。ＬＤ６は、位相調
整領域を備えた２電極ＬＤであり、図２のように構成さ
れている。図２において、右側の領域は、光増幅機能を
持つ活性領域６ａであり、電極６ｃから電流が注入され
るとレーザ発振を行う。左側の領域は、レーザ発振の波
長を可変する機能を持つ位相調整領域６ｂであり、電極
６ｄから電流が注入されると、自由プラズマ効果により
屈折率が変化し、位相調整領域６ｂの実効的な光路長が
変化する。

【００１４】図１において、ＬＤ６のＡＲコートされた
端面から出射した光は、レンズ２で平行ビームとなって
回折格子３に入射する。そして、回折格子３からは、分
光分散された光のうち、（１）式でθ＝βとなる波長成
分が同じ光路を再び逆に進み、ＬＤ６に戻る。これによ
って、ＬＤ６のＡＲコートされていない端面と回折格子
３との間で外部共振器（実効共振長Ｋ）を形成し、実効
共振長Ｋで決まる外部共振器縦モードと回折格子３によ
る共振損失とできまる波長でレーザ発振を行う。なお、
電流注入手段７は、ＬＤ６の位相調整領域６ｂへ電流を
注入する。これによって、位相調整領域６ｂの実効的な
光路長が変化し、それに伴って外部共振器の実効共振長
Ｋが変化する。発振波長制御手段８は、マイクロプロセ
ッサ等で構成されており、発振させる指定波長λ_Sに基
づいて、電流注入手段７が位相調整領域６ｂへ注入する
電流を制御（設定）し、また回転駆動信号を回折格子３
へ出力して、平行ビームの回折格子３への入射角θ（選
択する波長）を制御（設定）する。

【００１５】ここで、発振波長を可変する場合について
説明する。まず、電流注入手段７から位相調整領域６ｂ
へ注入する電流を、所定の値に固定（実効共振長Ｋが固
定）し、回折格子３の回転角のみを変えたとすると、上
述の実効共振長Ｋで決まる外部共振器縦モード間隔で発
振する。例えば、図１０に示すように、回折格子３の回
転角を変えて、共振器損失（ロ）を実線から点線に変え
ると、発振波長が外部共振器縦モードの（ニ）から
（ホ）に変わる。次に、電流注入手段７から位相調整領
域６ｂへ注入する電流を変えた（実効共振長Ｋが可変す
る）とすると、図３に示すように、実線で示した初期の
外部共振器縦モードが全体的に点線のように変化する。
そして、このとき、上記のように回折格子３の回転角も
一緒に変えてやると、上記外部共振器縦モード間隔の間
も発振させることができる。

【００１６】すなわち、位相調整領域６ｂへ注入する電
流と回折格子３の回転角とを一緒に変えると、図３に示
す発振縦モードの実線から点線のように発振波長が可変
する。なお、この場合、位相調整領域６ｂへの注入電流
による外部共振器縦モードの波長変化が、少なくとも１
つの外部共振器縦モード間隔以上であれば、外部共振器
縦モード間の波長範囲をすべて発振させることができ
る。言い換えれば、図３に示すように、初期の外部共振
器縦モード（ニ）及び（ホ）間の任意の波長（例えば
（ヘ））を発振させることができる。

【００１７】ここで、指定波長λ_Sを発振させる場合を
例に、位相調整領域６ｂへの注入電流及び回折格子３の
回転角の設定・制御方法を図４の（ａ）〜（ｅ）を用い
て説明する。（ａ）指定波長λ_Sが、例えばキーボード等（図示せ
ず）から設定される。（ｂ）発振波長制御手段８は指定波長λ_Sの情報を受け
て、（イ）回折格子３の入射角θを計算して、（ロ）こ
の入射角θに対応した回転駆動信号を回折格子３へ出力
するとともに、（ハ）位相調整領域６ｂへ注入する電流
値を計算して、（ニ）この注入電流値を電流注入手段７
へ出力する。なお、上記電流値は、予め測定してメモリ
（発振波長制御手段８に内蔵）に記憶してある位相調整
領域６ｂの特性データ（指定波長λ_Sと注入電流値との
関係）に基づいて計算される。（ｃ）発振波長制御手段８から出力された回転駆動信号
によって、回折格子３が回転して、入射角θが設定され
る。（ｄ）電流注入手段７は、発振波長制御手段８から出力
された注入電流値に基づいて、位相調整領域６ｂへ電流
を注入する。（ｅ）指定波長λ_Sのレーザ光が発振する。

【００１８】なお、上記の図４で説明した指定波長λ_S
を発振させる場合において、入射角θの設定を行う回折
格子３の回転機構の角度設定分解能が、指定波長λ_Sの
設定分解能（位相調整領域６ｂへ注入する電流の設定分
解能）に比べて低い場合は、図５に示すように、共振器
損失が最小となる波長λ_minと指定波長λ_Sの間に波長
差Δλ_Sが生じる場合がある。しかし、この場合でも図
５のように、波長差Δλ_Sが外部共振器縦モード間隔Δ
λの１／２未満であれば指定波長λ_Sで発振する。すな
わち、指定波長λ_Sに設定された外部共振器縦モードが
発振縦モードとなる。そして、通常の回転機構を用いた
回折格子３であれば、上記波長差Δλ_SをΔλ／２以内
に抑えられるような角度設定分解能を有している。

【００１９】以下に、具体的数値を用いて、図１の実施
例を更に詳細に説明する。一例として、外部共振器の初
期の実効共振長Ｋを30mmとし、初期の波長λを1.55μm
とする。このとき外部共振器縦モード間隔Δλは、
（３）式から、 Δλ＝λ² ／２Ｌ≒40pm ・・・・（９）となる。また、電流注入手段７から注入される電流によ
って、位相調整領域６ｂの屈折率が 3.5から 0.2％減少
して 3.493になったとする。この場合、位相調整領域６
ｂの機械的長さを250 μm とすると、位相調整領域６ｂ
の実効光路長は、875 μm から873.25μm へと 1.75 μ
m 減少することになる。したがって、実効共振長Ｋの変
化は、−1.75μm となり、外部共振器縦モードの波長変
化Δλ’は（４）式から、 Δλ’=(1.55×10^-6) ×｛(-1.75×10^-6)/(30 ×10^-3) ｝≒90.4pm・・・(10) となる。

【００２０】したがって、上記（９）式により、外部共
振器縦モード間隔Δλは40pmと計算さているので、前述
したように、回折格子３の入射角θを同時に制御するこ
とにより、外部共振器縦モード間隔Δλの２倍以上の90
pm程度の波長範囲を、同一の外部共振器縦モードを保持
したまま可変発振することができる。なお、図６に、２
電極のＬＤ６の位相調整領域６ｂに注入するバイアス電
流を変えたときの、位相調整領域６ｂの屈折率変化の測
定値を示す。図６から、バイアス電流を約 8mA程度にす
ることで、上記の屈折率の変化 0.2％を実現できること
がわかる。

【００２１】ところで、可変波長光源装置としては、同
一の外部共振器縦モードを保持した状態での波長可変範
囲が広い方が好ましいが、その可変範囲を広げる方法と
して、次の２つの方法が挙げられる。第１は、位相調整
領域６ｂの機械的長さを長くする方法である。例えば、
位相調整領域６ｂの機械的長さを前述の 250μm から２
倍の 500μm にすることにより、前述の実効共振長Ｋの
変化が−1.75μm から２倍の−3.5 μm になるので、上
記(10)式の２倍の波長可変範囲を得ることができる。た
だし、位相調整領域６ｂへの注入電流は(10)式のときと
同じであるとする。第２は、外部共振器の実効共振長Ｋ
を短くする方法である。例えば、実効共振長Ｋを前述の
30mmから１／２の15mmにすることにより、上記(10)式の
２倍の波長可変範囲を得ることができる。ただし、位相
調整領域６ｂへの注入電流は(10)式のときと同じである
とする。

【００２２】ここで、発振波長の再現性及び分解能につ
いて以下に述べる。まず、発振波長の再現性について考
える。図６における屈折率変化の測定値は、実験的に１
％以内の再現性が得られているので、前述の(10)式で計
算した波長変化を行う場合の発振波長の再現性は、 90.4pm × 1％＜ 1pm ・・・・(11) となり、 1pm以内の再現性を得ることができる。この値
は、従来技術で述べた精密小型アクチュエータを用いた
場合の50pm（( ５) 式参照）に比べて50倍以上良く、ま
た、ピエゾ素子を用いた場合の10pm（( ８) 式参照）に
比べて10倍以上良い。

【００２３】次に、発振波長の分解能について考える。
例えば、前述の(10)式で計算した波長変化を行う場合、
位相調整領域６ｂへ注入する電流は前述のように約 8mA
の変化量で実現できる。このとき、図１の電流注入手段
７が 1μA の分解能で位相調整領域６ｂへ注入するバイ
アス電流を制御した場合の発振波長の分解能は、 90.4pm × (1 μA ／8mA)＜ 0.02pm ・・・・ (12) となり、0.02pm以内の分解能を得ることができる。この
値は、従来技術で述べた精密小型アクチュエータを用い
た場合の 1pm（( ６) 式参照）に比べ、50倍以上良い。

【００２４】（第２の実施例）図７は、第２の実施例の
可変波長光源装置を示すブロック図である。図１の第１
の実施例に対して、次の点が異なる。すなわち、２電極
ＬＤであるＬＤ９のＡＲコートされた端面に対向する端
面に高反射コート（ＨＲコート，HR:High-Reflection )
を施して、出力レーザ光を回折格子３の０次光方向（全
反射方向）から取り出すようにしている。したがって、
０次光を出力光として利用しているために、図１の構成
に比べて出力パワーが増大する利点がある。

【００２５】（その他の実施例）上記２つの実施例にお
いて、ＬＤ６（又はＬＤ９）のＡＲコートされた端面の
反射率が大きい場合に、ＬＤ６内に内部縦モード（ＡＲ
コートされた端面とＡＲコートされていない端面で構成
される共振器のファブリーペローモード）が生じ、設定
した外部共振器縦モードで発振しないことがある。この
ような場合には次のように対処する。・ＬＤ６のＡＲコートされる端面に、より良質なＡＲコ
ートを施す。・回折格子３として、格子定数ｄ（図９参照）のより小
さいものを用いたり、レンズ２のレンズ径をより大きく
して回折格子３に入射するビーム径をより大きくする等
の方法で、回折格子３の特性できまる共振器損失の波長
特性を急峻にする。すなわち、回折格子３のＱを高くす
る。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、本発明の可変波長光源装
置では、注入される電流によって外部共振器の実効共振
長を変化させる位相調整領域を有するＬＤと、この位相
調整領域に電流を注入する電流注入手段と、外部共振器
の共振器長を一定に保って、所望の波長で発振させるよ
うに、電流注入手段が注入する電流を制御するとともに
回折格子が選択する波長を制御する発振波長制御手段と
を備えたので、発振波長を再現性良くかつ高分解能に可
変できるとともに、操作性も大幅に向上することができ
た。本発明は、非常に良い再現性、高分解能を必要とす
るヘテロダイン方式のコヒーレント光通信システム、波
長多重通信システム等に非常に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す可変波長光源装
置のブロック図、

【図２】２電極ＬＤの構成を示す図、

【図３】位相調整領域への注入電流による外部共振器
縦モードの変化を示す図、

【図４】位相調整領域への注入電流及び回折格子の回
転角の設定・制御方法を示す図、

【図５】回折格子の角度設定分解能と位相調整領域へ
の注入電流の設定分解能を説明するための図、

【図６】位相調整領域の屈折率変化の測定値を示す
図、

【図７】本発明の第２の実施例を示す可変波長光源装
置のブロック図、

【図８】従来の可変波長光源装置の構成を示すブロッ
ク図、

【図９】回折格子の動作を説明するための図、

【図１０】外部共振型の可変波長光源装置の発振原理を
説明するための図。

【符号の説明】

１，６，９・・・・半導体レーザ（ＬＤ）、２・・・・レンズ、
３・・・・回折格子、４・・・・回転軸、５・・・・案内溝、６ａ・・
・・活性領域、６ｂ・・・・位相調整領域、６ｃ，６ｄ・・・・電
極、７・・・・電流注入手段、８・・・・発振波長制御手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者池内公東京都港区南麻布五丁目10番27号アンリツ株式会社内 (72)発明者浅井昭彦東京都港区南麻布五丁目10番27号アンリツ株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一方のレーザ光出射端面がＡＲコートさ
れている半導体レーザ（６）と、該半導体レーザのＡＲ
コートされている端面から出射された光を受け特定の波
長を選択して該半導体レーザに向けて反射させる回折格
子（３）とを備え、前記半導体レーザの他方の光出射端
面と該回折格子とで構成される外部共振器の共振器長に
基づいた外部共振器縦モードで発振する可変波長光源装
置において、前記半導体レーザは位相調整領域（６ｂ）を備え、該位
相調整領域に電流を注入することによって前記外部共振
器の実効共振長を変化させる半導体レーザであり、前記位相調整領域に電流を注入する電流注入手段（７）
と、前記外部共振器の共振器長を一定に保って、前記外部共
振器縦モード間の所望の波長の光を発振させるように、
前記電流注入手段が注入する電流を制御するとともに前
記回折格子が選択する波長を制御する発振波長制御手段
（８）とを含むことを特徴とする可変波長光源装置。