JPH0818167A

JPH0818167A - 可変波長光源装置

Info

Publication number: JPH0818167A
Application number: JP17477794A
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: 1994-07-04
Filing date: 1994-07-04
Publication date: 1996-01-19

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
する電流と反射器の選択する波長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
となって波長選択性を有する反射器１０に入射する。反
射器１０からは、特定の波長のみが反射されてＬＤ６に
戻る。これによって、ＬＤ６と反射器１０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
と反射器１０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反射器１０の選択する波
長とを制御する。

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、特に位相調整領
域を備えた半導体レーザを用いることで装置の小型化を
図った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）そして、このときのそれぞれの外部共振器縦モード間隔
Δλは、次式のようになる。 Δλ＝λ² ／２Ｌ・・・・（３）また、共振器長ＬをΔＬだけ変化させたときの初期波長
λに対する波長変化Δλ’は、上記（２）式に基づい
て、 Δλ’＝λ×（ΔＬ／Ｌ）・・・・（４）となる。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】このように構成された
可変波長光源装置においては、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、図８には示してな
いが、電動アクチュエータ（作動器）、ピエゾ素子等の
駆動部品を回折格子３に取り付けて、回折格子３の回転
軸４を案内溝５に沿って移動させている。この結果、共
振器長Ｌを調整するための、案内溝５や上記駆動部品等
が必要となり、部品点数が増えて装置が大きくなるとと
もに、駆動方法が複雑になるという問題があった。ま
た、上記のように部品点数が増えること、及び上記駆動
部品が機構的なものであるために、信頼性に悪い影響を
与えるということがあった。本発明の目的は、上記課題
を解決し、簡単な制御法で発振波長を可変できる高性能
の可変波長光源装置を提供することである。

【０００７】

【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（従来技術でいう共振器長
Ｌに相当する）を可変する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、所望の波長の光を発振させるよ
うに、電流注入手段が注入する電流を制御するとともに
波長選択性を有する反射器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。

【０００８】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）と波長選
択性を有する反射器（例えば回折格子）とで構成される
外部共振器の共振器長をいう。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、実効共振長を可変すること
で、外部共振器縦モードが変化し発振波長が可変する。

【０００９】

【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、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、波長選択性を有する反射器が選択す
る波長を可変することによって発振波長を変えるように
した。

【００１０】

【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。

【００１１】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。なお、回折格子３は波長選
択性を有する反射器１０を構成している。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。

【００１２】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。

【００１３】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、同一の外部共振
器縦モードを保持した状態で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。

【００１４】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。

【００１５】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。

【００１６】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 ・・・・（５）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 ・・・・(6) となる。

【００１７】したがって、上記（５）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 8
mA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。

【００１８】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（６）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（６）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
（６）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（６）式のとき
と同じであるとする。

【００１９】（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。この実施例
は、第１の実施例（図１）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:H
igh-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。

【００２０】（第３の実施例）図１１は、第３の実施例
の可変波長光源装置を示すブロック図である。この実施
例は、第１の実施例（図１）において、波長選択性を有
する反射器１０を回折格子３と全反射ミラー１２で構成
し、発振波長制御手段８から回転駆動信号を全反射ミラ
ー１２に供給するようにしたものである。したがって、
反射器１０の波長選択は、全反射ミラー１２を回転する
（回折格子３の回転角は固定）ことによって行われる。
したがって、ＬＤ６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に入射し分光分散される。
この分光分散された光は、全反射ミラー１２に入射して
同じ光路に反射されて回折格子３に入射し、再び分光分
散されてＬＤ６に戻るものである。

【００２１】この場合、ＬＤ６から出射した光が外部共
振器内を一往復する際に回折格子３で二回分光分散され
るために、回折格子３による共振器損失は、一回の場合
に比べて急峻になる。したがって、発振モードの両サイ
ドモードが一回の場合に比べて抑圧されるので、出力レ
ーザ光の単色性が上がる。例えば、図１４（ａ）が一回
の場合の共振器損失とすると、二回の場合は図１４
（ｂ）のように急峻になる。また、図１４（ｃ）が一回
の場合の出力レベル特性とすると、二回の場合は図１４
（ｄ）のようになり、両サイドモードが（ト）のように
抑圧される。

【００２２】（第４の実施例）図１２は、第４の実施例
の可変波長光源装置を示すブロック図である。この実施
例は、第１の実施例（図１）において、波長選択性を有
する反射器１０を回折格子３と可変波長フィルタ１１で
構成し、発振波長制御手段８から回転駆動信号及び駆動
信号を、それぞれ回折格子３及び可変波長フィルタ１１
に供給するようにしたものである。したがって、反射器
１０の波長選択は、図１のように回折格子３の回転角を
設定し、更に、可変波長フィルタ１１を制御することに
よって行われる。なお、可変波長フィルタ１１として
は、エタロンフィルタ，誘電体多層膜フィルタ等を用い
ることができる。この場合、ＬＤ６から出射した光が可
変波長フィルタ１１を二回通過するために、共振器損失
は回折格子３だけの場合に比べて急峻になる。したがっ
て、第３の実施例で説明したのと同様に、回折格子３だ
けの場合に比べて、出力レーザ光の単色性が上がる。

【００２３】（第５の実施例）図１３は、第５の実施例
の可変波長光源装置を示すブロック図である。この実施
例は、第１の実施例（図１）において、波長選択性を有
する反射器１０を可変波長フィルタ１１と全反射ミラー
１２で構成し、発振波長制御手段８から駆動信号を可変
波長フィルタ１１に供給するようにしたものである。し
たがって、反射器１０の波長選択は、可変波長フィルタ
１１を制御することによって行われる。

【００２４】（その他の実施例）上述の第３及び第４の
実施例についても、第２の実施例と同様に、０次光を出
力光として利用して出力パワーを増大することができ
る。すなわち、図１１及び図１２において、ＬＤ６のＡ
Ｒコートされていない端面にＨＲコートを施して、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
取り出すようにする。また、第５の実施例（図１３）に
おいて、ＬＤ６のＡＲコートされていない端面にＨＲコ
ートを施すとともに、全反射ミラー１２をハーフミラー
に変えることによって、出力レーザ光をこのハーフミラ
ーから取り出すことができる。

【００２５】更に、以上全部の実施例において、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。・反射器１０に回折格子３が構成として含まれる場合の
対処方法回折格子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。・反射器１０に可変波長フィルタ１１が構成として含ま
れる場合の対処方法可変波長フィルタ１１として、共振器損失がより急峻な
ものを用いる。

【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、所望の波長
の光を発振させるように、電流注入手段が注入する電流
を制御するとともに波長選択性を有する反射器が選択す
る波長を制御する発振波長制御手段とを備えたので、共
振器長を機械的に変えるための駆動部品が不要となり装
置の小型化が図れ、操作性も大幅に向上することができ
た。また、駆動部品等の部品点数が減少したこと、及び
共振器長の可変を機械的な方法から電気的な方法に変え
たことによって、装置の信頼性を向上することができ
た。

【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、

【図１１】本発明の第３の実施例を示す可変波長光源装
置のブロック図、

【図１２】本発明の第４の実施例を示す可変波長光源装
置のブロック図、

【図１３】本発明の第５の実施例を示す可変波長光源装
置のブロック図、

【図１４】共振器損失と発振のサイドモードの関係を説
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、１
０・・・・反射器、１１・・・・可変波長フィルター、１２・・・・
全反射ミラー。

───────────────────────────────────────────────────── 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波長選
択性を有する反射器（１０）とを備え、前記半導体レー
ザの他方の光出射端面と該反射器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
とともに前記反射器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。