JPH09102645A

JPH09102645A - 波長可変半導体レーザ光源装置

Info

Publication number: JPH09102645A
Application number: JP28447495A
Authority: JP
Inventors: Seihan Machitori; 誠範待鳥; Shigeru Kinugawa; 茂衣川
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1995-10-04
Filing date: 1995-10-04
Publication date: 1997-04-15

Abstract

(57)【要約】【課題】外部共振型レーザ光源装置のモードホップを抑
止する。【解決手段】半導体レーザ１の片端面１ｂ（第２の反射
器３）と反射装置２の第１の反射器２１とで構成される
外部共振器の共振器長と波長選択素子２２での選択波長
とを、分波器７で分岐し、第１の受光器４及び第２の受
光器５で受光した各光量の比に基づいて制御装置６で制
御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光通信や精密計測
の分野において利用される発振波長を連続的に変化でき
るレーザ光源装置に係り、特に、レーザダイオード（以
後、ＬＤともいう）のような広帯域の波長範囲にわたる
光増幅素子を利用して、広帯域に発振波長を連続掃引で
きるようにした波長可変レーザ光源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】２つの光の周波数差を計測するために、
両者を合波して受光した電気信号を利用するヘテロダイ
ン法の利用分野が拡大しつつある。受光器で受光可能な
周波数差は電気的に制限されており、１０GHz 程度が実
用上の上限である。したがって、２つの光の一方が被測
定光である場合、他方を参照光として利用するには、被
測定光の周波数から１０GHz 程度以内の周波数に設定し
なければならない。さらに、数GHz 程度で変調された被
測定光の高次側帯波スペクトラムを測定したい場合や、
原子や分子等の吸収線の周波数と形状を観測するような
場合には、所望の波長付近で連続的に発振波長を掃引で
きるレーザ光源装置が必要である。

【０００３】現在までに、ＬＤのような広範な利得帯域
を持つ光増幅素子からの光を、素子外部に配置された回
折格子等の波長選択素子を介して所望の波長域の光を帰
還することにより、その波長域内でレーザ発振を起こす
外部共振型レーザと称される波長可変レーザ光源装置が
普及している。波長選択の方法としては、回折格子を使
用する場合には光の入射方向に対する回折格子の角度を
変化させ、ファブリ・ペロー共振器を使用する場合には
その共振器長または光の入射方向に対する共振器の角度
を変化させる方法が一般的である。

【０００４】図１６（ａ）に回折格子を用いた典型的な
外部共振型レーザの構成を、図１６（ｂ），（ｃ），
（ｄ），（ｅ）に発振波長決定の原理を示す。回折格子
を用いた外部共振型レーザは図１６（ａ）に示すように
一方の端面１ｂがＡＲコートされたＬＤ１とレンズ１
０，１０とＡＲコートされた端面側に配置された回折格
子２８とから構成されている。前記回折格子２８は回転
及び並進が可能となっており、該回折格子２８と前記Ｌ
Ｄ１の他方の端面（ＡＲコートされていない方の端面）
１ａとで外部共振器を構成している。このような外部共
振型レーザの発振波長は、２つの要因によって決定され
ると考えてよい。

【０００５】１つは、レーザ発振を起こす共振器全体の
光学的長さによって決まる共振条件を満足する波長であ
る。図１６（ｂ）に示すような光共振器で、共振器全体
の光学的長さ（以下、共振器長と呼ぶ）をＬ、入射光の
周波数をν、入射光量をＰ0、出射光量をＰ1 とする。
周知の通り、光速をｃとすると、自由スペクトル域は
（ＦＳＲ）＝ｃ／（２Ｌ）であり、図１６（ｃ）に示
したように透過率（出射光量Ｐ1 ／入射光量Ｐ0 ）が極
大となる共振周波数はＦＳＲ毎に複数存在する。ある共
振周波数がＦＳＲのｎ倍であるとき、この周波数はｎ次
モードと呼ばれる。

【０００６】もう１つは、図１６（ｄ）に示したような
波長選択素子（回折格子）により帯域制限された利得分
布である。ＬＤのような広帯域にわたり利得を持つ光増
幅素子を利用する場合、波長選択素子の選択波長域内で
の利得は一定と考えてよいため、帯域制限された利得分
布と波長選択素子の選択波長スペクトラムは同一視して
もよいことになる。このことにより、以下では選択波長
スペクトラムのピーク波長を単に選択波長と呼ぶことに
する。これらによって、図１６（ｅ）に示したように前
述のモードの中で最も利得が高い周波数に位置するもの
が発振を開始する。一般に、選択波長と発振波長は一致
していない。

【０００７】次に、発振波長を掃引する場合を考える。
図１７に共振モ−ド波長と選択波長の変化率が一致して
いない状態での発振波長の変化を示す。図１７（ｅ）に
示す共振器長Ｌと回折格子への光の入射角θを減少さ
せていくと、図１７（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）の
ように共振モード波長と選択波長は短波長側にシフトす
る。このとき、発振しているモードの波長と選択波長の
間にＦＳＲの１／２相当程度の違いが生じると、（ｃ）
の状態から（ｄ）の状態になるように、それまで発振し
ていたモードから隣接したモードへと発振波長が移行す
ることになる。この現象はモードホップまたはモードジ
ャンプと呼ばれている。したがって、広帯域にわたり発
振波長を連続的に変化するためには、波長選択素子の選
択波長だけでなく、共振器長をも同時に変化させて、モ
ードホップを抑止することが必要である。

【０００８】モードホップを抑止するために、従来、２
つの考え方によって対策が講じられてきた。１つは、１
つの制御量によって、モードホップを生じないような関
係を保持しながら発振モ−ド波長と選択波長を同時に変
化できる機構を実現しようとするものである。波長選択
素子として回折格子を使用する場合、回折格子の回転中
心を適当な位置に設定すれば、回転角の変化だけで角度
変化と共振器長変化を所定の比率に保つことができる。
もう１つは、制御量を複数として、発振モ−ド波長と選
択波長の制御の自由度を増すものである。回折格子を使
用する場合の最も単純な例は、回折格子の角度変化と、
共振波長変化つまり共振器長変化を、発振波長に対応さ
せて予め求めてある制御量に基づいて個別に行うもので
ある。このような方法では、外部共振型レーザ内部の素
子に波長分散性が存在しても、波長連続掃引範囲の制限
とはならない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、１つの制御
量によるものについては、一般に外部共振型レーザの内
部にはレーザ媒質やレンズ等が配置されており、これら
は波長分散性を有しているので、角度変化と共振器長変
化を一定の比率に保つような単純な機構だけでは、波長
が連続に掃引できる範囲は制限されるという問題があ
る。そして、制御量を複数としたものについては、発振
波長に対応させて予め求めてある共振器長と回折格子の
角度とに設定するだけでは、発振モード波長と選択波長
とを高い精度で一致させながら、広帯域に掃引すること
は容易ではない。また、このために予め実験的に適切な
角度と共振器長の制御量を見いだして、パラメータとし
て保存しておくことが必要となる。以上のように、これ
らの方法はいずれも、特定の波長範囲については連続的
に発振波長を掃引できるもののＬＤの発振可能な全帯域
での波長連続掃引は困難であり、特定の波長では発振不
可能となる場合もある。さらに、初期調整時の機械的精
度や実験的に定めたパラメータを持続的に信頼して波長
掃引を行うものであるため、環境温度変化による共振器
長の変化等、外乱の影響に弱い。また、衝撃等による構
成部品の僅かな塑性変形や経時変化に対しても弱いとい
う欠点がある。

【００１０】本発明の目的はモードホップを抑止して、
半導体レーザによって発振可能な全帯域にわたって発振
波長の連続掃引が可能であり、かつ、長期にわたり無調
整で安定に動作する波長可変半導体レーザ光源装置を提
供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】前述の欠点は主として、
採用されたモードホップ抑止策が、発振波長に対応させ
て予め求めてある制御量に基づいて制御するという、別
の見方をすれば初期設定で全てを賄おうとする、開ルー
プ制御の考え方に基づくために生じている。そこで本発
明では、モードホップを抑止するために、閉ループ制御
を採用することとした。一般に、閉ループ制御ではフィ
ードバックする制御量を決定するためには何らかの観測
量を必要とする。モードホップ抑止のためには、発振モ
ード波長と選択波長との差の情報を含んだ観測量が必要
となる。

【００１２】閉ループ制御が極めて広範に使用されてい
るにもかかわらず、モードホップ抑止に利用されなかっ
た理由としては、十分な弁別感度をもつ適切な観測量が
見い出されなかった点、観測量を得る目的で共振器内に
分波器を配置することに抵抗を感じる先入観があった点
が挙げられる。観測量については、本発明では発振波長
における波長選択素子の選択率を検出し、該選択率を基
本的な観測量として採用することとした。実際は、光を
分波して検出するのであるから入射光量、選択光量、選
択率そのものではないが、それらの情報を含んだ量であ
れば良いので、その意味でも入射光量、選択光量、選択
率を用いる。また、共振器内に分波器を配置することに
ついては、近年のＬＤの特性改善により、共振器内に片
道９０％（１０dB）以上の損失があっても注入電流を増
やせば十分発振するものが多く、技術上の問題はない。

【００１３】ここで、波長選択素子の選択率について簡
単に触れる。図２は波長選択素子として回折格子を用い
た場合について、また図３は斜め入射ファブリ・ペロー
共振器を用いた場合について、それぞれ入射光量を一定
としたときの選択光量、つまり選択率ａ（縦軸）と波長
λ（横軸）との関係を示している。発振波長と選択波長
が一致したときに選択率が最大となる。なお、回折格子
では一般に特定方向への回折光を選択光とするが、図２
は入射方向をその特定方向とした場合について示してい
る。

【００１４】以上のことから、本発明の波長可変半導体
レーザ光源装置は、次のような構成を採る。すなわち、
少なくとも一方のレーザ光出射端面がＡＲコートされて
いる半導体レーザと、第１の反射器と波長選択素子とを
含んでおり、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の光を選択して、
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
反射装置とを備え、前記半導体レーザの他方の光出射端
面側の第２の反射器と前記第１の反射器とで構成される
外部共振器の共振器長に基づいて発振する波長可変レー
ザ光源装置において、前記半導体レーザから出射された
光及び前記反射装置に入射されることによって形成され
る複数の光路の光のうち、一方の光に対して他方の光が
前記波長選択素子の波長選択率の情報を含んでいる関係
を有する、いずれか二つの光の一部をそれぞれ受光して
電気信号に変換する第１及び第２の受光器と、該第１及
び第２の受光器からの電気信号の比が所定の値になるよ
うに前記共振器長と前記反射器の選択波長のうち少なく
とも一方を変化させる制御装置とを備えている。

【００１５】

【発明の実施の形態】図４は本発明の第１の実施の形態
を示す構成図である。半導体レーザ１の一方のレーザ光
出射端面１ｂはＡＲコートされ、他方のレーザ光出射端
面１ａは第２の反射器３として用いられている。反射装
置２は第１の反射器２１及び波長選択素子２２を兼ねる
回折格子２８と該回折格子２８の回転及び並進を行う手
段（選択波長可変手段及び共振器長可変手段）２３，２
４とを含んでいる。前記半導体レーザ１のＡＲコートさ
れている端面１ｂと前記反射装置２との間には分波器７
が配置され、該分波器７によって分岐された前記半導体
レーザ１から前記反射装置２へ向けて出射される光の一
部を受光する位置に第１の受光器４が設けられ、また該
分波器７によって分岐された前記反射装置２から前記半
導体レーザ１へ戻される光の一部を受光する位置に第２
の受光器５が設けられている。制御装置６は前記第１及
び第２の受光器４，５からの信号を受けて、前記反射装
置２を制御するようになっている。

【００１６】半導体レーザ１の他方の光出射端面１ａと
反射装置２の回折格子２８とで構成される外部共振器の
共振器長に基づいて選択波長域内の１つの共振モ−ド波
長でレーザ発振が生じる。この外部共振器内に配置され
た分波器７によって、反射装置２へ向かう光と反射装置
２から帰還する光の一部が分岐され、各々、第１の受光
器４と第２の受光器５とによって光量が検出される。こ
れらの受光器４，５からの電気信号の比は、反射装置２
への入射光量と選択光量との比の情報、すなわち波長選
択率の情報を含んでおり、後述するように発振波長と選
択波長との差の情報を含んでいる。制御装置６は、これ
らの電気信号の比が所定の値になるように、つまり発振
波長と選択波長との差が小さくなるように制御をする。
該制御は、制御装置６から反射装置２に制御信号を送
り、選択波長可変手段２３と共振器長可変手段２４のう
ち少なくとも一方が回折格子２８を回転あるいは並進さ
せることで行う。この帰還制御を行うことにより、発振
波長と選択波長との差は所定の範囲内に保たれ、波長掃
引を行っても、モードホップは発生しない。なお、波長
掃引を行うときは、例えば、外部より選択波長可変手段
２３に選択波長設定信号を入力して回折格子２８を回転
させ、選択波長を変化させれば、上述の制御により、共
振器長可変手段２４によって回折格子２８が並進し、発
振波長は選択波長の変化に追従して変化する。

【００１７】図５は本発明の第２の実施の形態を示す構
成図である。半導体レーザ１の一方のレーザ光出射端面
１ｂはＡＲコートされ、他方のレーザ光出射端面１ａは
第２の反射器３として用いられている。反射装置２は第
１の反射器２１であるミラーと波長選択素子２２である
回折格子と前記ミラーの回転及び並進を行う手段（選択
波長可変手段及び共振器長可変手段）２３，２４とを含
んでいる。前記半導体レーザ１のＡＲコートされている
端面１ｂと前記反射装置２との間には分波器７が配置さ
れ、該分波器７によって分岐された前記半導体レーザ１
から前記反射装置２へ向けて出射される光の一部を受光
する位置に第１の受光器４が設けられ、また該分波器７
によって分岐された前記反射装置２から前記半導体レー
ザ１へ戻される光の一部を受光する位置に第２の受光器
５が設けられている。制御装置６は前記第１及び第２の
受光器４，５からの信号を受けて、前記反射装置２を制
御するようになっている。

【００１８】半導体レーザ１の他方の光出射端面１ａと
反射装置２のミラー２１とで構成される外部共振器の共
振器長に基づいて選択波長域内の１つの共振モ−ド波長
でレーザ発振が生じる。この外部共振器内に配置された
分波器７によって、反射装置２へ向かう光と反射装置２
から帰還する光の一部が分岐され、各々、第１の受光器
４と第２の受光器５とによって光量が検出される。これ
らの受光器４，５からの電気信号の比は、反射装置２へ
の入射光量と選択光量との比の情報、すなわち波長選択
率の情報を含んでおり、後述するように発振波長と選択
波長との差の情報を含んでいる。制御装置６は、これら
の電気信号の比が所定の値になるように、つまり発振波
長と選択波長との差が小さくなるように制御をする。該
制御は、制御装置６から反射装置２に制御信号を送り、
選択波長可変手段２３と共振器長可変手段２４のうち少
なくとも一方がミラー２１を回転あるいは並進させるこ
とで行う。この帰還制御を行うことにより、発振波長と
選択波長との差は所定の範囲内に保たれ、波長掃引を行
っても、モードホップは発生しない。なお、波長掃引を
行うときは、例えば、外部より選択波長可変手段２３に
選択波長設定信号を入力してミラー２１を回転させ、選
択波長を変化させれば、上述の制御により、共振器長可
変手段２４によってミラー２１が並進し、発振波長は
選択波長の変化に追従して変化する。

【００１９】図６は本発明の第３の実施の形態を示す構
成図である。半導体レーザ１の一方のレーザ光出射端面
１ｂはＡＲコートされ、他方のレーザ光出射端面１ａは
第２の反射器３として用いられている。反射装置２は第
１の反射器２１及び第１の波長選択素子２２を兼ねる回
折格子と、第２の波長選択素子２６である斜め入射ファ
ブリ・ペロー共振器と、該斜め入射ファブリ・ペロー共
振器２６と前記回折格子２８との間に配置された第１の
分波器２５と、前記回折格子２８の回転及び並進を行う
手段（選択波長可変手段及び共振器長可変手段）２３，
２４と、前記斜め入射ファブリ・ペロー共振器２６を構
成する２枚のミラー２６ａ，２６ｂの間隔を制御するミ
ラー間隔可変手段２７とを含んでいる。前記第１の分波
器２５によって分岐された前記斜め入射ファブリ・ペロ
ー共振器２６から前記回折格子２８への光の一部を受光
する位置に第１の受光器４が設けられ、また前記第１の
分波器２５によって分岐された前記回折格子２８から前
記斜め入射ファブリ・ペロー共振器２６へ戻される光の
一部を受光する位置に第２の受光器５が設けられてい
る。さらに、前記半導体レーザ１のＡＲコートされてい
る端面１ａと前記反射装置２との間には第２の分波器８
が配置され、前記反射装置２から前記半導体レーザ１へ
戻される光の一部を受光する位置に第３の受光器９が設
けられている。制御装置６は第１の制御手段６１と第２
の制御手段６２とを含んでおり、前記第１、第２、及び
第３の受光器４，５，９からの信号を受けて、前記反射
装置２を制御するようになっている。

【００２０】半導体レーザ１の他方の光出射端面１ａと
反射装置２の回折格子２８とで構成される外部共振器の
共振器長に基づいて選択波長域内の１つの共振モ−ド波
長でレーザ発振が生じる。この外部共振器内に配置され
た第１及び第２の分波器２５，８によって、斜め入射フ
ァブリ・ペロー共振器２６から回折格子２８へ向かう光
の一部、回折格子２８から前記斜め入射ファブリ・ペロ
ー共振器２６へ戻される光の一部、及び反射装置２から
前記半導体レーザ１へ戻される光の一部が分岐され、そ
れぞれ第１、第２、及び第３の受光器４，５，９によっ
て光量が検出される。これらの受光器４，５，９からの
電気信号のうち、第１と第２の受光器４，５からの電気
信号の比は回折格子２８への入射光量と選択光量との比
の情報、すなわち回折格子２８の波長選択率の情報を含
んでおり、第２と第３の受光器５，９からの電気信号の
比は斜め入射ファブリ・ペロー共振器２６への入射光量
と選択光量との比の情報、すなわち斜め入射ファブリ・
ペロー共振器２６の波長選択率の情報を含んでおり、い
ずれも後述するように発振波長と選択波長との差の情報
を含んでいる。制御装置６は、これらの電気信号の比が
所定の値になるように、つまり発振波長と選択波長との
差が小さくなるように制御をする。該制御は、制御装置
６から反射装置２に制御信号を送り、選択波長可変手段
２３と共振器長可変手段２４のうち少なくとも一方が回
折格子２８を回転あるいは並進させ、ミラー間隔可変手
段２７が斜め入射ファブリ・ペロー共振器２６のミラー
の間隔を変化させることで行う。この帰還制御を行うこ
とにより、発振波長と選択波長との差は所定の範囲内に
保たれ、波長掃引を行っても、モードホップは発生しな
い。なお、波長掃引を行うときは、例えば、外部より選
択波長可変手段２３に選択波長設定信号を入力して回折
格子２８を回転させ、選択波長を変化させれば、上述の
制御により、共振器長可変手段２４によって回折格子２
８が並進し、またミラー間隔可変手段２７によって斜め
入射ファブリ・ペロー共振器２６のミラー２６ａ，２６
ｂの間隔が変化して、発振波長は選択波長の変化に追従
して変化する。

【００２１】以上、本発明の三つの実施の形態を説明し
た。この説明から分かるように、本発明は、（Ａ）検出
すべき量、（Ｂ）共振器の構成、（Ｃ）観測量を得るた
めの分波器及び受光器の配置、（Ｄ）制御対象、並びに
（Ｅ）制御規範については様々な組み合わせを採ること
ができるものの、それらの基本的な作用は同じである。
次に、その各々の多様性について説明する。

【００２２】（Ａ）まず、検出すべき量は、波長選択
素子に関する入射光量、選択光量、非選択光量の、また
はそれぞれに比例した量の、中の２つ以上である。ここ
で、入射光量は波長選択素子に入射される光量、選択光
量は波長選択素子でその波長により選択されて外部共振
器の光路上に出射される光の光量、非選択光量は外部共
振器の光路以外に出射される光の光量をいう。ただし、
この明細書で回折格子について非選択光量というときは
０次回折光を指す。波長選択素子が回折格子の場合、入
射光量の代わりに０次回折光量を検出しても同様であ
る。また、ファブリ・ペロー共振器では波長変化に対し
て選択光量が増加するときには、非選択光量は減少する
ため、選択光量と入射光量の比を検出する場合に比べ
て、波長変化に対する光量比変化、つまり波長変化の弁
別感度は大きくとれる。前記検出すべき量の組合せにつ
いては、（Ｃ）分波器及び受光器の配置のところで述べ
る。このように２つの光量を検出し、その比を観測量と
する目的は、選択光量あるいは非選択光量を単独に観測
量とする場合、観測量に発振強度の変動が直接的に含ま
れてしまうことを避けるためである。したがって、発振
強度が一定であることが保証されている場合（後述の第
四の実施例がこの場合に当たる）、選択光量あるいは非
選択光量の一方を単独に観測量としてもよく、結果的に
選択率を検出することと同等である。また、ファブリ・
ペロー共振器の選択光と非選択光の光量比を観測量とす
る場合でも、損失を無視すれば選択光量と非選択光量の
和は入射光量に等しいため、本質的には選択率を検出し
ていることと同等である。

【００２３】（Ｂ）次に、共振器の構成について説明
する。主な外部共振器構成は前述の第１〜３の実施の形
態に示した構成である。第１の実施の形態のように入射
角と回折角が一致する条件で回折格子を使用する構成
は、リトロー配置と呼ばれており、第２の実施の形態の
ような構成は、リットマン配置と呼ばれている。いずれ
の実施の形態も第２の反射器として半導体レーザの片端
面を用いているが、該片端面をＡＲコートして、外部に
第２の反射器を設けてもよい。

【００２４】（Ｃ）分波器及び受光器の配置について
は、光共振器の構成に応じて種々考えられるが、ここで
は前述の三つの実施の形態について例を挙げる。図７は
前述の三つの実施の形態それぞれについて、前記検出す
べき量の検出に利用できる光（光路）と受光位置（図中
ａ〜ｍで示す。）を示しており、図７（ａ）は第１の実
施の形態、（ｂ）は第２の実施の形態、（ｃ）は第３の
実施の形態の場合を示す。また、表１は図７（ａ），
（ｂ），（ｃ）に示した各光（光路）〔受光位置を示す
ａ〜ｍを各光（光路）を指し示すためにも用いることと
する。例えば、ａは半導体レーザからの出射光、ｃは反
射装置から半導体レーザへ帰還される光を示す。〕の内
の２つの光（光路）の組合せと、その組合せが制御量を
求めるために使用できるか否かを示す表である。

【００２５】

【表１】

【００２６】表１の備考欄の「理由１」及び「理由２」
は使用が否の場合の理由であり、理由１は、波長選択素
子が回折格子である場合、非選択率（０次回折光量／入
射光量）は波長によらず一定（図２参照）となるので当
該組合せでは選択率の情報が得られないという理由、ま
た理由２は、ミラーへの入射光と反射光との組合せであ
り当然に選択率の情報を含まないためという理由であ
る。図７のａで受光する出射光の代わりにｍで受光する
出射光の利用も可能であるが、この場合、半導体レーザ
の利得が変動すると正確な選択率の算定が困難となる欠
点がある。検出する光の組合せによっては、例えばａと
ｃの組合せを採るような場合は、１つの分波器を２つの
受光器への光の分岐のために共用してもよい。また、ｂ
の光のように、分波器を用いなくても利用が可能なもの
もある。

【００２７】（Ｄ）フィードバック制御の制御対象
は、共振器長、つまり発振モ−ド波長と波長選択素子の
選択波長の一方または両方とすることができるが、通常
は共振器長を制御対象とすることが一般的と考えられ
る。なぜならば、発振波長は選択波長域内に存在し、共
振波長は複数存在するから、所望の波長付近で発振させ
る用途では、波長選択素子の選択波長を設定し、その選
択波長に共振波長を追随させる方法が自然であるためで
ある。また、ある発振波長から大きく隔たった波長に波
長不連続に発振波長を変える操作を行う場合には、共振
波長に選択波長を追随させる方法では迅速に波長を変化
させることが困難である。もちろん、共振波長と選択波
長の可変手段は機械的な変位によって実現されることが
多く、各々に使用される可変手段の最大変位量と変位分
解能の制約がある。このために、選択波長の追随制御の
方が容易であれば、これを制御対象としてもよい。いず
れを制御対象としても、同様な考え方で実現できるた
め、共振器長を制御対象とした実施例についてのみ後述
する。

【００２８】（Ｅ）制御規範は２つに大別される。１
つは発振波長と選択波長を一致させるように制御するも
のである。つまり、波長選択素子の選択率が最大となる
ことを制御規範とするものである。このように制御する
とモードホップ抑止の効果の余裕度が大きい。一方、出
力光の周波数が振動する。もう１つは選択率が所定の値
になることを制御規範とするものである。この場合、発
振波長と選択波長は一致しておらず、常にＦＳＲに相当
する波長差の１／４前後だけ隔たるように制御される。
このように制御するとモードホップ抑止の効果の余裕度
は小さい。一方、出力光の周波数は無変調である。この
両方の制御規範を用いた実施例について後述する。

【００２９】

【実施例】図８は本発明の第一の実施例を示す構成図で
ある。本実施例は、第１の実施の形態の一実施例であ
り、波長選択素子としてリトロー配置の回折格子を用
い、制御規範として波長選択素子の選択率が最大となる
ことを採用したものである。半導体レーザ１の一方のレ
ーザ光出射端面１ｂはＡＲコートされ、他方のレーザ光
出射端面１ａは第２の反射器３として用いられている。
反射装置２は第１の反射器及び波長選択素子を兼ねる回
折格子２８と該回折格子２８の回転及び並進を行う手段
（選択波長可変手段及び共振器長可変手段）２３，２４
とを含んでいる。前記半導体レーザ１のＡＲコートされ
ている端面１ａと前記反射装置２との間には分波器７が
配置され、該分波器７によって分岐された前記半導体レ
ーザ１から前記反射装置２へ向けて出射される光の一部
を受光する位置に第１の受光器４が設けられ、また該分
波器７によって分岐された前記反射装置２から前記半導
体レーザ１へ戻される光の一部を受光する位置に第２の
受光器５が設けられている。制御装置６は光量比検出器
６３、同期検波器６４、発振器６５、及び加算器６６で
構成されており、前記第１及び第２の受光器４，５から
の信号を受けて、前記反射装置２を制御するようになっ
ている。

【００３０】半導体レーザ１の他方の光出射端面１ａと
反射装置２の回折格子２８とで構成される外部共振器の
共振器長に基づいて選択波長域内の１つの共振モ−ド波
長でレーザ発振が生じる。この外部共振器内に配置され
た分波器７によって、反射装置２へ向かう光と反射装置
２から帰還する光の一部が分岐され、各々、第１の受光
器４と第２の受光器５によって受光され電気信号に変換
される。ここで得られた電気信号は光量比検出器６３に
入力され、その比が算出され、波長選択率の情報を示す
信号に変換される。発振器６５の出力の一部は加算器６
６によって外部から与えられる波長設定信号に重畳され
る。この信号は反射装置２を構成する選択波長可変手段
（回折格子回転機構）２３に与えられ、回折格子２８の
角度を振動させる。これにより、選択波長が振動的に変
化し、光量比検出器６３の出力信号も振動することにな
る。同期検波器６４によって、この信号を発振器６５の
出力を参照信号として同期検波すると、選択率の波長に
対する１次微係数が近似的に得られる。この検波信号は
発振波長と選択波長の隔たりを大小関係も含めて示して
いる。これを共振器長可変手段（回折格子並進機構）２
４に帰還することで制御ループが閉じ、発振波長は選択
波長に追随することになる。回折格子２８の回転中心は
任意の位置に設定してもよいが、回転中心が回折格子面
と光軸の交点以外の点である場合、回折格子２８の角度
に振動を与えると、共振器長も同時に振動し、結果的に
発振波長が変調を受けることになる。したがって、回折
格子２８の回転中心は回折格子面と光軸の交点に設定す
ることが望ましい。

【００３１】図９は本発明の第二の実施例を示す構成図
である。本実施例は、第一の実施例と同じく第１の実施
の形態の一実施例であり、波長選択素子として回折格子
を用い、制御規範として波長選択素子の選択率が所定の
値となることを採用したものである。受光器４の配置、
制御部６の構成、及び波長設定信号が直接、選択波長可
変手段（回折格子回転機構）２３に与えられる点以外は
第一の実施例と同様である。

【００３２】第一の実施例と同様に２つの受光器４，５
からの電気信号を受けた光量比検出器６３の出力信号は
減算器６７によって光量比の設定値と比較され、誤差信
号として共振器長可変手段（回折格子並進機構）２４に
帰還される。このことで制御ループが閉じ、発振波長は
選択波長に追随することになる。

【００３３】ここで、この構成における制御則を説明す
る。まず簡単のため、回折格子面と光軸の交点に回転中
心があるものとする。当初、図１０（ａ）のように発振
波長は選択波長より短波長側にあるものとする。ここ
で、図１０（ｂ）のように回折格子が図示した方向（反
時計方向）へ回転すると図１０（ｃ）のように選択波長
が短波長側へ変化するが、回転中心に関する前述の仮定
の下では、共振器長は変わらず、発振波長は変化しな
い。したがって、選択率（光量比）が増加することにな
る。このとき、選択率（光量比）が設定値より増加した
場合には図１０（ｄ）のように共振器長を短くするよう
な制御を行えば、図１０（ｅ）のように選択率は所定の
値となる。逆に制御則を選択率（光量比）が設定値より
増加した場合には共振器長を長くするように定めると、
常に発振波長は選択波長より長波長側に位置するような
制御がかかることになる。

【００３４】図１１に示すように、回折格子の回転中心
が回折格子面と光軸の交点以外の点である場合、回折格
子の角度変化と同時に共振器長変化が生じる。このと
き、回転中心の位置によって、回折格子の角度変化によ
る選択波長の変化よりも共振器長の変化による発振波長
の変化が大きい場合と小さい場合とがあるが、全掃引帯
域内を通じて大なら大、小なら小、となるように回転中
心の位置を設定しておけば、図１０を参照して説明した
制御と同様の制御を行うことができる。また、選択波長
の変化と発振波長の変化を同率に近く設定すれば、共振
器長制御の全変位量は小さくとることができる。

【００３５】図１２は光量比（選択率）の設定値につい
て説明するための図である。図１２（ａ）に示すよう
に、設定値は選択波長と発振モード波長が一致した条件
における選択率（最大選択率）と隣接する共振モード波
長での選択率との中央付近に設定すればよい。図１２
（ｂ）に示すように、設定値が最大選択率に近すぎる場
合、発振波長の変化に対する選択率の変化が小さいた
め、発振波長変化の弁別感度が低い。また、図１２
（ｃ）に示すように、設定値が隣接する共振モード波長
での選択率に近すぎる場合、偶発的な隣接モードへのモ
ードホップが生じる可能性が高くなる。

【００３６】図１３は本発明の第三の実施例を示す構成
図である。本実施例は、第２の実施の形態の一実施例で
あり、波長選択素子として回折格子を用い、第１の反射
器としてミラーを用いた実施例である。レーザ発振は、
第２の反射器としての半導体レーザの片端面１ａ、半導
体レーザ１、回折格子２８、ミラー２１の間で生じる。
このような構成はリットマン配置と呼ばれている。ミラ
ー２１の回転によって選択波長を変化させることがで
き、ミラー２１の並進によって共振波長を変化させるこ
とができる。制御部６の構成と動作については、移動対
象をミラーとする以外、第二の実施例と同様である。本
実施例のような共振器構造をとると、第一、第二の実施
例のようなリトロー配置の共振器構造に比べ、回折格子
による波長選択性を容易に高くとることができる。この
結果、わずかな発振波長の変化に対して選択率が大きく
変化するため、発振波長変化の弁別感度が高くとれる。

【００３７】例えば、共振器長を５０mmとすると、ＦＳ
Ｒは３GHz である。波長１．５５μm 、ビーム直径１mm
のガウスビームに対して、１２００本／mmの回折格子を
用いるとき、リトロー配置での波長分解能は１nm（１２
５GHz ）程度であり、発振波長変化の弁別感度は非常に
低い。リトロー配置において波長分解能を向上させるに
は、ビーム径を大きくするか、格子間隔が半波長よりわ
ずかに長い回折格子を用いなければならない。一方、リ
ットマン配置では入射角を８０°以上にとることで、９
００〜１２００本／mm程度の回折格子でも、比較的容易
に１０GHz 以下の分解能を得ることができる。分解能
（半値全幅）がＦＳＲの２倍であるとき、入射波長が選
択波長から（ＦＳＲ）／４相当変化すると、選択光量が
４％程度減少する。さらに（ＦＳＲ）／４相当変化する
と、当初から１６％程度減少する。従って、分解能がＦ
ＳＲの２倍以下になれば、発振波長変化の弁別感度は十
分に大きなものとなる。

【００３８】図１４は本発明の第四の実施例を示す構成
図である。この実施例は、第三の実施例と同じく第２の
実施の形態の一実施例であり、第三の実施例と異なると
ころは、０次回折光量の一部を検出して、その光量が一
定となるように半導体レーザを制御し、選択光量のみ
によって共振器長制御を行う点である。共振器の構成は
第三の実施例と同様である。回折格子２８の０次回折光
を受光器４で受光する。受光信号は発振強度制御器６８
を介して、受光信号が一定となるように半導体レーザ１
へ帰還される。これにより、一般に入射角が固定されて
いる場合の回折格子の非選択率は波長に依らずほぼ一定
であるから、回折格子２８への入射光量は一定であると
見なされる。従って、分波器７で分岐され受光器５によ
って検出された光量は、回折格子２８の選択率に比例す
る。この受光信号を第三の実施例と同様に共振器長可変
手段２４に帰還して、発振波長を選択波長に追随させ
る。よく知られるように半導体レーザは、注入電流の制
御によって容易に光量調整が実現できる。本実施例では
モードホップの抑止と同時に、出射光の光量安定化も図
ることができる。

【００３９】図１５は本発明の第五の実施例を示す構成
図である。この実施例は、第３の実施の形態の一実施例
であり、波長選択素子として回折格子と斜め入射ファブ
リ・ペロー共振器（エタロン）を併用する実施例であ
る。第一または第二の実施例に第２の波長選択素子（斜
め入射ファブリ・ペロー共振器）を追加したものであ
る。図において斜め入射ファブリ・ペロー共振器２６へ
右側から入射する光量は、分波器２５によって分岐さ
れ、受光器５によって検出される。選択光量（透過光
量）は、分波器８によって分岐され、受光器９によって
検出される。第２の制御手段６２は、受光器５と受光器
９からの信号を受けて、ミラー間隔可変手段２７へ帰還
信号を出力する。この場合には発振波長に斜め入射ファ
ブリ・ペロー共振器２６の選択波長が追随することにな
る。このように第２の波長選択素子を設けることによっ
て、発振波長以外の不要な波長の光を減少させることが
できる（サイドモード抑圧と呼ばれる）。ただし、第２
の波長選択素子を設ける場合には、本実施例のように発
振波長に選択波長を追随させる制御を行わないと、十分
なサイドモード抑圧ができないばかりか、モードホップ
の誘因になってしまう。本実施例では図において右側か
ら斜め入射ファブリ・ペロー共振器２６へ入射する光に
着目しているが、左側から入射する光の非選択光と第１
の受光器４で受光される光とを利用しても同様のことが
できる。この場合、分波器８を省略して、前記非選択光
を第３の受光器４で受光する構成とすればよい。

【００４０】

【発明の効果】外部共振型レーザ光源のモードホップ抑
止について、モードホップの起因となる発振波長と選択
波長との差異を検出する手段とその検出信号を発振波長
または選択波長に帰還する手段から成る閉ループ制御の
手法を取り入れることで、使用される半導体レーザの有
する発振可能な全帯域において、波長連続掃引が可能
で、かつ、外乱や経時変化に強く、無調整で長期間安定
に動作する波長可変レーザ光源装置が得られた。また、
本装置単独では高い波長確度を得ることはできないが、
外部に設けた波長基準と比較して選択波長設定信号に帰
還すれば容易に解決できる。これは共振波長が自動的に
選択波長に追随するために、外部からの選択波長設定信
号に対する制御性が向上した結果である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の波長可変半導体レーザ光源装置の基本
構成を示す図である。

【図２】回折格子の波長選択率と波長との関係を示す図
である。

【図３】斜め入射ファブリ・ペロー共振器の波長選択率
と波長との関係を示す図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図５】本発明の第２の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図６】本発明の第３の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図７】本発明の第１〜３の実施の形態それぞれについ
て、検出すべき量の検出に利用できる光（光路）と受光
位置を示す図であり、（ａ）は第１の実施の形態の場
合、（ｂ）は第２の実施の形態の場合、（ｃ）は第３の
実施の形態の場合の図である。

【図８】本発明の第一の実施例を示す構成図である。

【図９】本発明の第二の実施例を示す構成図である。

【図１０】本発明の第二の実施例における制御則を説明
するための図であり、（ａ）は制御前の安定した状態を
示す図、（ｂ）は回折格子の回転を示す図、（ｃ）は回
折格子の回転により選択波長が変化したことを示す図、
（ｄ）は選択波長が変化したことによる選択率の変化を
打ち消すべく共振器長を制御することを示す図、（ｅ）
は共振器長の制御により選択率が所定の値に戻ったこと
を示す図である。

【図１１】回折格子の回転中心が回折格子面と光軸の交
点以外の点である場合を示す図である。

【図１２】光量比（選択率）の設定値について説明する
ための図であり、（ａ）は設定が適当である場合を示す
図、（ｂ）は設定が過大である場合を示す図、（ｃ）は
設定が過小である場合を示す図である。

【図１３】本発明の第三の実施例を示す構成図である。

【図１４】本発明の第四の実施例を示す構成図である。

【図１５】本発明の第五の実施例を示す構成図である。

【図１６】発振波長決定の原理を説明するための図であ
り、（ａ）は従来の外部共振型レーザ光源装置の構成を
示す図、（ｂ）は光共振器の説明のための図、（ｃ）は
光共振器の透過率を示す図、（ｄ）は半導体レーザの利
得及び該利得と選択率との積を示す図、（ｅ）は選択波
長と共振モード波長と発振波長との関係を示す図であ
る。

【図１７】モードホップの説明をするための図であり、
（ａ）から（ｄ）は回折格子の角度と共振器長を次第に
変化させたときの選択波長と共振モード波長と発振波長
との関係を示す図、（ｄ）は特にモードホップが起きた
ことも合わせて示す図、（ｅ）は従来の外部共振型レー
ザ光源装置の構成を示す図である。

【符号の説明】

１半導体レーザ（ＬＤ）２反射装置３第２の反射器４第１の受光器５第２の受光器６制御装置７分波器８分波器９第３の受光器１０レンズ２１第１の反射器（ミラー）２２波長選択素子２３選択波長可変手段２４共振器長可変手段２５分波器２６第２の波長選択素子（斜め入射ファブリ・ペロー
共振器）２７ミラー間隔可変手段２８回折格子６１第１の制御手段６２第２の制御手段６３光量比検出器６４同期検波器６５発振器６６加算器６７減算器６８発振強度制御器

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方のレーザ光出射端面がＡ
Ｒコートされている半導体レーザ（１）と、第１の反射
器（２１）と波長選択素子（２２）とを含んでおり、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の光を選択して、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装置（２）
とを備え、前記半導体レーザの他方の光出射端面（１
ａ）側の第２の反射器（３）と前記第１の反射器とで構
成される外部共振器の共振器長に基づいて発振する波長
可変レーザ光源装置において、前記半導体レーザから出射された光及び前記反射装置に
入射されることによって形成される複数の光路の光のう
ち、一方の光に対して他方の光が前記波長選択素子の波
長選択率の情報を含んでいる関係を有する、いずれか二
つの光の一部をそれぞれ受光して電気信号に変換する第
１及び第２の受光器（４，５）と、該第１及び第２の受光器からの電気信号の比が所定の値
になるように前記共振器長と前記反射器の選択波長のう
ち少なくとも一方を変化させる制御装置（６）とを備え
たことを特徴とする波長可変半導体レーザ光源装置。