JPH09502838A - ボリュームホログラムからのフィードバックを用いた波長安定化レーザソース - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 レーザ（１１）は、レーザ出力波長を所望値にロックするために、波長標準として使われるボリュームホログラフィック（１２）格子からのフィードバックを用いる。このフィードバックは、非光学的になされる。ここで、ホログラフィックフィルタが、外部制御機構を用いて、波長を能動的に制御するために使われる。このフィードバックはまた、光学的であってもよい。ここでは、ボリュームホログラム反射格子が、光学的フィードバックを生成して、レーザ利得を得るために使われる。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称 ボリュームホログラムからのフィードバックを用いた波長安定化レーザソース１．発明の分野 本発明は、ボリュームホログラム波長標準からのフィードバックを用いたコヒ ーレント波ソースの出力波長を制御するシステムと方法に関し、特に、高精度に レーザ出力波長を制御する改良された方法とデバイスに関する。 レーザからの光学出力は、外部波長標準として働く高分離度のボリュームホロ グラムの反射格子によって、フィルタリングされる。また、その出力波長を制御 するために、光学的か電気的信号の形態でそのレーザにフィードバックされる。２．関連技術の説明 ボリュームホログラム反射格子は、非常に正確で、広域スペクトラムから狭パ スバンド光をフィルタリングする温度安定化手段であることが示されている。こ の技術は実践的アプリケーションで示されている。ここでは、６５６４．６Å（ Ｈα）のソーラ吸収波長でのハーフマキシマム（ＦＷＨＭ）パスバンドで１／８ Åの幅を持つホログラフィックな格子光学フィルターが構成された。さらに、そ のようなフィルターは、任意に選択可能な波面曲率と中心波長と出力ビーム方向 を有する。このアプリケーションでの、鉄（Ｆｅ）がドープされたメタニオブ酸 リチウム（LiNbO₃）のフィルタ基板の温度安定性は、温度の関数としてそのフィ ルタの波長シフトを測定することによって決定された。この温度誘引の波長シフ トは、６５６４．６Åで、約１Å／３０℃であった。（G.A．Rakuljic V.Leyva ，”ボリュームホログラフィック狭バンド光学フィルタ”、Opt．Lett．Vol．18 ，pp．459-461（1993）参照）。 LiNbO₃のような光屈折クリスタルは、光学フィルタや高回折効率を有するホロ グラフィック光学メモリのようなボリュームホログラフィック格子を格納するた めの効果的媒体であるとして示されている。これらの材料での高回折効率反射格 子を記述するための技術に関連して、引き続いて起こる照明によって消去できな い格子を″確立する（fixing）″方法が開発されている。（例えば、J.J．Amode i，D.L．Staebler，″メタニオブ酸リチウムでのホログラフィック記録″，RCA Review ，Vol．33，pp．71-94(1972)と、V．Leyva and G.A．Rakuljic，″光屈折 材料での狭帯域ボリュームホログラムのための確立方法″，″米国特許No.07/96 5746(1992)″と、G.A．Rakuljic and A．Yariv，″光回折システムと方法″,″ 米国特許No.07/908298（1992）″参照）。さらに、通常の赤外線投射でのブラッ グ（Bragg）反射する平面格子は、正確な投射角とより短い波長の光での転送モ ードの何学幾様式で、その側面から書き込む技術を用いて、LiNbO₃でうまく記録 されている。ここで、その材料の光感度は、その赤外線よりもかなり高い。（G. A．Rakuljic and V.Leyva，”赤外線波長での光回折材料を用いるための方法と デバイス”、”米国特許No.07/991571（1992）”）。 ＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexed）ファイバー光学通信と、エルビ ウム（Ｅｒ）がドープされた光学ファイバーアンプ（ＥＤＦＡ）や個体レーザの ような多様な媒体のためのポンプレーザと、示差分光使用技術のための照明ソー スと、コンパクトで精密な波長ソースを必要とする他のアプリケーションのため には、転送ソースとしての正確な波長のレーザが必要となる。 遠隔通信では、半導体レーザが小型で低コストで高効率で高速変調が可能であ るため、使われている。これらのソースは、典型的には、従来の光学ファイバー のゼロ分光点である１．３μm帯域で動作する。また、最近では、これらのソー スは、１．５５μm帯域で動作する。これは、その帯域では、最小の損失で、か つ、エルビウム（Ｅｒ）がドープされたＥＤＦＡが使用であるためである。 光学遠隔通信で使用された従来の半導体レーザは、それらの利得媒体の広いス ペクトル幅のために、波長の不確かさという固有の問題を持っている。このこと は、光学的利得がレーザ洞での全損失を上回る広い範囲の波長でのレーザ発振を 許容している。結果として、単純なファブリ-ペローのレーザ出力は、マルチモ ードであり、そのため、その波長は、その目標波長設計値として、１００から２ ００Åに指定することができる。より高価な分布フィードバック（ＤＦＢ）や分 布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザは、分布反射部を統合して、シングルモード の固定の波長出力を生み出す。しかし、この出力は、約４０Åの精度で具体化す る ことができる。このことは、同じ製造ロットのレーザ間では正しい。さらに、そ れらの動作波長は、温度変化とレーザの経年変化によって、使用中にドリフトす ることがある。近年、将来の光通信システムでの追加容量に対するニーズのため 、ＷＤＭが大きく注目されている。高容量リンクへの現在のアプローチは、時分 割マルチプレクス（ＴＤＭ）に依存している。ここでは、ファイバーでの情報伝 送容量を増やすために、極端に高速な変調速度（１THzかそれ以上）が提案され ている。各ファイバーが、それ自身のリピータのセットを必要とするにもかかわ らず、多重並列ファイバーリンクは別のオプションである。これは、長距離での 設置では極端にコストを上昇させることになる。 ＥＤＦＡの登場は、ファイバー通信システムにおいて、ＷＤＭを極端に魅力的 なものにしている。単一のＥＤＦＡは、光の広スペクトラム（約４００Å幅）を 増幅できる。また、単一のファイバーが、多重波長信号を共通のアンプでサポー トすることを可能にしている。このことは、特に、波長チャネルが、ＥＤＦＡの 増幅バンド幅内で共に近くに配置できるならば、単一のファイバーの情報伝送容 量を何倍にも増加させる。しかしながら、ＷＤＭ技術を利用しようとする過去の 試みは、半導体レーザの十分な波長精度の欠落によって制限されている。 半導体出力波長のこの不確かさは、多重波長遠隔通信システムでのチャネル伝 送容量を制限している。完全な狭帯域フィルターとカップラーであっても、ＷＤ Ｍ通信システムでのチャネル伝送容量は、レーザソースの絶対的精度によって制 限されている。この波長精度の不足した半導体レーザは、ＷＤＭ遠隔通信システ ムの広範囲での開発と配備を妨げている。 ［発明の概要］ 上述の従来技術でのそれらの限界を克服するために、また、本発明を読み理解 する上で明らかになる他の限界を克服するために、レーザは、波長標準として用 いられたボリュームホログラフィック格子からのフィードバックを利用して、レ ーザ出力波長を所望値へロックする。このフィードバックは非光学的に行うこと が可能である。この場合、外部制御機構によって、ホログラフィックフィルタ出 力をその波長を動的制御するために使う。また、このフィードバックを光学的に 行うには、ボリュームホログラム反射格子が、光学的フィードバックを生成して レーザを増幅させるために使われる。 第１の実施の形態では、ボリュームホログラム反射格子を用いて、レーザ出力 パワーの一部がフィルターにかけられ、検出器に方向づけられる。波長標準とし て使われるボリュームホログラムは、波長精度のために一定温度に保持されてい る。それから、検出器からの信号は、この情報を用いて所望の出力波長が得られ るまでレーザ波長を調整する制御システムに送られる。このシステムを、色素レ ーザや調整可能な個体レーザや半導体レーザのような、外部調整可能なレーザを 用いた構成に変形して使うことは可能である。例えば、ＤＦＢ半導体レーザは、 熱電ペルティエ（Peltier）冷却器を介して、その温度を変化させることで調整 される。ＤＢＲレーザは、ブラッグ反射セクションを通過する電流を調整して、 その屈折率を変えることによって調整される。そして、色素レーザ、個体レーザ 、そして、格子が調整された外部空洞半導体レーザは、電気的または電気機械的 に制御された複屈折フィルターやエタロン（etalons）や回折格子によって調整 される。 改良された波長安定化通信レーザに適用されたより具体的な例をあげると、Ｄ ＦＢレーザが温度制御されたヒートシンク上にマウントされ、その温度制御が波 長調整機構として使われている。その出力の一部は、レーザの所望の動作波長で の反射がブラッグ（Bragg）整合するボリュームホログラムにカップリングされ 、検出器に向かう信号をフィルタする。その信号値が最大で、そのレーザは所望 の波長で動作する。そのレーザの波長は、フィルタ応答の局所的勾配を決定する 制御システムによってゆらされ、検出器が、そのレーザが帯域内にあることを示 す最大信号値を検出するまで調整される。そのレーザ出力が帯域をはずれてドリ フトすると、その制御システムは、その出力がフィルタの中心波長に戻るように 調整する。 上述のシステムの変形は、所望の波長の上下にわずかにシフトした中心波長を 有する２つのホログラフィック格子を用いる。これらのホログラフィック格子は 、ディスクリートか、または、同じ広がりをもって、同じクリスタルに書き込ま れたものかのいづれか一方である。従って、そのレーザの動作点は、２つのフィ ル ターのピーク間にある。その２つのフィルターの中心波長が選択される。それら のスペクトラル応答曲線の対面勾配は、所望の動作波長で交差する。このことに よって、交差ホログラフィックフィルタやクロスオーバホログラフィックフィル タを備える。２つの検出器からの出力信号は、差動アンプによって差分がとられ 、そして、出力の総和によって正規化されため、ひずみ量と同様にその方向を決 定できる。このことは、波長歪みの局所的勾配を決定するために、その波長をゆ らす必要性を無くする。正規化された差分信号は、レーザ出力波長のひずみ量と 方向を決定するプロセッサと制御部によって使われ、また、レーザの温度をそれ に対応して調整する。その温度制御では、動作温度がレーザ出力を設定された波 長を維持するように、連続的に細調整を行う。 本発明の別の対応では、２つのスペクトラル応答曲線間の交差点のように、安 定化していることが検出される動作点は、安定化しているソースの動作波長に対 応している必要はない 生成される波長に関連して、異なるか、あるいは、精密に配置されないスペク トラル応答曲線に対して補償するために、オフセット要因を導入することができ る。また、示差測定や校正の目的で、そのソースの動作波長の調整を行わないと き、この特徴を使うことができる。 上述のアプローチのいづれか一方を用いることで、波長の調整容易性（約１Å かそれ以上の離散的なインクリメントでの）に係る別な特徴を有する高精度波長 レーザデバイスを構成することができる。所望の波長に対応する多数の回折格子 （や交差フィルタ例での回折格子ペア）が、個々の回折格子の帯域幅よりかなり 広い回折格子間の間隔で、光屈折のあるクリスタルに記録される。そのレーザは 、上述の例と同じプロセッサと制御アーキテクチャを用いて、フィルタかフィル タペアうちの１つに近い波長に（温度や他の手段によって）調整される。その後 、そのレーザ波長制御機構は、ホログラフィックフィルタからのフィードバック 信号を用いて、その出力波長を設定点にロックする。 さらに、本発明に対応して、これらの波長安定化システムを、コヒーレントな 光学的、または、赤外線エネルギーソースと共に用いることができる。ここで、 その波長は、幾つかのパラメータを調整することで、少なくともある程度まで制 御可能である。遠隔通信アプリケーションのために、最も有望なソースは、温度 調整のＤＦＢレーザと電気的調整可能なＤＢＲレーザである。 本発明の第２の実施の形態では、レーザ出力波長をホログラフィック格子の波 長にロックさせるために、光学的フィードバックを利用する。これは、レーザー 共振器の空洞ミラーの１つとしての、狭反射帯域幅を有することで特徴づけられ るホログラフィック格子反射部を用いることで実現され、これによって、波長制 御機構として光学的フィードバックを用いる。狭帯域幅のホログラフィック格子 反射部は、レーザに、ボリューム格子の波長である特定の波長だけで発振させる ようにする。この技術は、原理的には、ホログラフィック格子からの反射がレー ザ発振を可能とする光学共振器内で十分なフィードバックを生成するレーザ利得 媒体と共に用いることが可能である。 本発明の１つの具体例は、外部反射部としてのボリュームホログラフィック反 射格子を用いた外部空洞半導体レーザである。（高価ではない）ファブリ-ペロ ー(Fabry-Perot)半導体レーザの一面は、非反射（ＡＲ）コーティングされてお り、他の面は、高反射コーティングされている。レーザでの所望の高精度の動作 波長での通常投射でのブラッグ（Bragg）反射であるホログラフィック格子が、 ＡＲコーティング裏面からレーザに対する放射を反射するために配置される。そ の適切な配置で、ホログラフィック格子と半導体レーザの高反射面によってはね 返される外部空洞内だけで、レーザ発振が発生する。その格子は、狭い波長スペ クトラム（大体０．５Å以内、格子厚に依存する）でのみ反射する。従って、そ のレーザ出力は、固定波長に、非常に高精度にロックされる。 この実施の形態では、光回折するLiNbO₃クリスタルである格納媒体に、平面波 反射ホログラムを書き込むことにより、ボリュームホログラフィック格子が作ら れる。そのため、通常投射でのレーザの所望動作波長の逆反射光にブラッグ（Br agg）整合する。その格子は、クリスタルの光回折感度範囲内の波長に対する逆 伝搬の幾何学様式で、意図された動作での波長と同じ波長で、直接書き込まれる 。あるいは、より長い波長では、より短い波長で、横方からのオフ軸（off-axis ）ビームを用いることによって、この格子が間接的に書かれる。ここで、″G.A ．Ra kuljic and V．Leyva，米国特許No.07/965746，(1992)″で記述されているよう に、そのクリスタルは、より高い光感度を有し、適度の格子間隔を得ることがで きる。その格子は固定され、動作中、照明によって消されることはない。 レーザ出力の精密制御を達成する能力は、多くのシステムアプリケーションの 細分化をもたらしている。ＷＤＭシステムでのソースは、例えば、従来に比べて 、非常に小さいバンド分離を備えることができる。そして、光学ファイバーや光 学ファイバーアンプでの利用可能な伝送スペクトラムのより効率的な利用が可能 になる。異なる周波数の２つの波長安定化信号をヘテロダインすることができ、 光学的バンドやマイクロ波バンドで異なる出力を生み出すことができる。最も効 率のよい増幅ができる、その吸収スペクトラムの部分で、レーザのためのポンプ エネルギー（Pump energy）を生み出すことが可能である。これらと他の利益は 、ホログラフィックフィルターが、デバイスとシステム動作での波長標準として 働く安定な副リファレンスとして作用し、また、温度と電圧変化に強いため、容 易に安定化できることから、得られる。 図面の簡単な説明 本発明のよりよい理解のために、以下に示す詳細な記述と添付図を参照された い。ここで、 図１は、ボリュームホログラフィック格子を用いて、フィードバック（電気的 か光学的信号のような）を生成して、レーザの出力波長を高精度に制御する概念 図である。 図２は、単一のホログラフィックフィルターの反射から、固定された標準値を 参照して実際の出力波長を調べる検出器と、レーザの波長を調整する電気的また は電気機械的または温度の手段への電気信号フィードバックを用いて、レーザの 出力波長を制御する方法を示す図である。 図３は、図２のアーキテクチャでの検出器からの信号のスペクトラル応答のグ ラフである。ここで、フィルター応答はλ₀を中心とし、また、レーザの実際の 動作波長はλで示されている。 図４は、光学的遠隔通信での利用に好適な波長安定化レーザシステムの図であ る。ここで、この例では、熱伝デバイスによる温度制御によって調整されるＤＦ Ｂレーザが、ボリュームホログラフィック格子からの電気的フィードバックによ って安定化される。 図５は、ホログラフィックフィルタがブロッキングモードで使用されているこ とと、プロセッサがレーザ出力波長をロックするための最大信号値を検出するよ うに設計されていること以外は、図２に図示された実施の形態の図である。 図６は、図２、図４、図５に描かれた実施の形態で使われている多数のホログ ラフィックフィルタのスペクトラル応答のグラフであり、この方法を使って、選 択可能な波長での能力を有するレーザはどのようにインプリメントされるかを示 している。 図７は、実験的手段から得られる幾つかの校正点と比較されるLiNbO₃（ｎ₀＝ ２．．３）の６７９５Åの逆伝搬ビームで書き込まれた回転平面波格子における 回転曲線のプロットを示す図である。 図８ａと図８ｂは、（８ａ）ディスクリトホログラフィック格子と（８ｂ）単 一のクリスタルでマルチプレクスされた２つの格子を用いて、波長安定化のため の交差フィルタの方法を図示している図である。 図９ａ、図９ｂ，図９ｃは、交差フィルタの応答を描いたスペクトラムのグラ フである。また、交差フィルタの交点から回転がはずれることを許容するために 信号オフセットを導入する方法を描いている。 図１０は、図２で描かれているものに似ているレーザを用いた場合での、多数 の交差ホログラフィックフィルタからのスペクトラル応答のグラフである。しか し、多数の波長のどの１つでも実行可能である。 図１１は、交差フィルタ波長安定化方法を用いた、遠隔通信でのアプリケーシ ョンに好適なＤＦＢレーザを図示した図である。 図１２は、ボリュームホログラム外部空洞半導体レーザの図である。 図１３は、能動的温度制御がないが、６７３６．４Åのボリュームホログラム 反射部と低駆動電流（約３１mA）で動作するレーザとともに、東芝製ＴＯＬＤ９ ２１５可視レーザダイオードを用いた場合のホログラフィック外部空洞レーザの スペクトラムのグラフである。 図１４は、より高駆動電流（３７mA）の場合での、図１２の外部空洞可視レー ザダイオードのスペクトラムのグラフである。 図１５は、８４０nmのホログラフィック外部空洞レーザのスペクトラムのグラ フである。ここで、反射部は、Ｔ_i：サファイアレーザを用いて、０．１５％の 鉄（Ｆｅ）がドープされたLiNbO₃クリスタルに書き込まれる。 図１６は、上述の親のアプリケーションで述べられた方法で書き込まれた赤外 線ホログラフィック格子を用いた場合での、１．３μmで動作するホログラフィ ック外部空洞レーザのスペクトラムのグラフである。 図１７は、一面がＡＲコーティングされた改良レーザを用いた場合での、６６ ５nmのホログラフィック外部空洞レーザのスペクトラムのグラフである。 図１８は、ホログラフィック外部空洞レーザのスペクトラムのグラフである。 ここで、ポンピング個体レーザや光学アンプのような高パワーアプリケーション のための単一のホログラフィック格子を用いて、個々のレーザは同じ波長にロッ クされる。 図１９は、ホログラフィック外部空洞レーザのスペクトラムのグラフである。 ここで、個々のホログラフィック格子の配列を用いることによって、個々のレー ザは異なる波長にロックされる。個々のホログラフィック格子は、レーザの所望 の波長に対応する。 図２０は、精密な波長ソースとして波長安定化レーザを用いた場合の、波長分 割マルチプレクス（ＷＤＭ）システムの図である。 図２１は、個体レーザや改良ポンピング効果のための光学アンプのような光学 的媒体のためのポンプとしてのホログラフィックフィードバック精密波長ソース のアプリケーションを示す図である。 図２２は、わずかに異なる波長で動作する２つのレーザを用いて、マイクロウ エーブやミリメータ波信号生成の方法を示す図である。 図２３ａと図２３ｂは、精密波長ソースとしてボリュームホログラム安定化レ ーザを用いた、示差吸収スペクトロスコピー装置（differential absorption sp ectroscopy apparatus）の図である。ここで、この装置は、マルチ波長の能力（ 図２２ａ）を有するレーザの利用と、既知の固定波長（図２２ｂ）の２つのレー ザの利用を含む。 発明の詳細な説明 以下、本発明を実施した特定の実施例を図解した添付図面を参照しながら、本 発明を説明する。本発明の範囲を逸脱しない範囲で他の実施例が使用され得るこ とや構成を変更し得ることを理解されたい。 図１において、光屈折クリスタル（photorefractive crystal）や外部レファ レンスエレメントとして適切な他の媒体におけるボリュームホログラム格子１２ を用いたレーザシステム１１の出力波長の制御方法の一般的な概念が説明されて いる。レーザの外部波長標準として機能するボリュームホログラム格子からのフ ィードバックがその出力波長を制御するために使用される。このフィードバック は、レーザ波長の能動的制御により電気的に行うこともできるし、ホログラフィ ック格子（holographic granting）から反射された光を受動処理において使用し て光学的に行うこともできる。 能動フィードバックの手法においては、ホログラフィック格子に反射された光 は検知器に導かれ、レーザ出力波長を示す信号が生成される。生成した信号は、 制御部によって変換され、波長を制御するデバイスを流れる電流を変化しながら 、例えば熱電気の冷却器を動作させるような機構によりレーザを調整するために 使用されるか、波長選択エレメントを物理的に移動するために機械的、若しくは 、電気・機械的な移動制御に使用される。ボリュームホログラムからのフィード バックを使用するこの方法を実現する他の手法においては、フィードバックは、 光学的な形態で構成され、狭小な幅のボリューム・ホログラフィック格子からの 反射は、レーザのレーザケバティの一部に直接的にフィードバックされ、ボリュ ーム・ホログラムのそれに対応する固定波長でのみレーザーを発振するようにさ れる。 能動フィードバック制御を有するホログラフィック・フィルタ・ロックド・レ ーザ 図２は、非常に高精度の半導体、または、その他のレーザの出力波長を制御す るための方法を示す略図である。光学的な遠距離通信における高品位の分布フィ ードバック（ＤＦＢ）や分布ブラッグ反射器（ＤＢＲ）レーザのような波長制御 機構の一態様であるレーザ１３がソースとして使用される。両レーザは、レーザ ・サブストレート自体の分布反射器を使用し、これにより、利得媒体の広いスペ クトル幅にも拘わらず、シングルモードの動作を実現している。ＤＦＢレーザは 、熱伝冷却器上にレーザを搭載し、それを制御することにより調整される。ＤＢ Ｒレーザは、そのブラッグ反射器部分をながれる電流を変化させ、これにより、 その屈折率、及び、ブラッグ波長を変化させることにより調整される。 しかしながら、半導体レーザは、後述の実施例の一例として使用されるに過ぎ ず、他のタイプのレーザを本発明の方法及び装置において使用することもできる 。半導体レーザの場合は、光学的な出力は、付属の電流ドライバ１４を介して高 速ＲＦ、または、デジタル信号により調整される。格子１５を含むクリスタルは 、制御器１６上に搭載され、その動作波長を固定値に維持することができ、また 、それを調整することにより、特定の温度に校正したり、デチューン（detuning ）したりすることができる。 レーザ１３の出力は、カップラ（coupler）、または、ビームスプリッタ（bea msplitter）１７に伝えられ、その出力波エネルギーの少量一部がサンプルされ 、その残りは出力信号として透過され、ファイバ光学通信リンク（fiber optic communications link）や他の有用なデバイスに伝えられる。サンプルされた一 部は、この光信号を検出器１８に反射させるために形成された狭小な線幅のボリ ュームホログラム反射格子を含む光屈折クリスタル１５に伝えられる。ホログラ フィック・フィルタの回折ピークは、レーザの所望の出力波長に中心を合わせら れる。プロセッサ１９は、検出器１７からのデータを解釈し、波長制御部２０を 介して、温度または他の関連するパラメータを制御することによりレーザの動作 波長を調整する。 通常の投射反射（逆伝播する物体及び基準ビーム）幾何態様において、ホログ ラフィック格子の格子周期は、次式で与えられる。 また、通常のインシデンス・レフレクション・フィルタとして使用されるボリ ュームホログラフィック格子の最大（ＦＷＨＭ）幅の２分の１における完全な幅 は、次式で与えられる。 ここで、λ₀は波長、ｎ₀は格子を含む媒体の屈折率、ｌは格子の厚さである。 数値の例を挙げると、１．５５μｍの半導体レーザの波長のためのＬｉＮｂＯ₃ （ｎ₀＝２．２）における１ｃｍ厚の格子は、約０．５Åの帯域幅を有する。光 屈折材料におけるボリュームホログラム格子は狭小な幅であるため、フィルタは 、ピーク波長の小さなシフトを検知できる。さらに、格子のブラッグ条件を満た す波長は、例えば、温度、または、圧電効果を利用するために電界を与えること などによるクリスタルの物理的寸法の微小な変化によって変化する。 本例においては、ホログラフィック格子は、ＬｉＮｂＯ₃のような光屈折材料 の１つとして記載されている。ＬｉＮｂＯ₃も、それらを永続的に反射するため に格子を“固定”（“固定”及び“確立”と記載されることもある）させる能力 を有する。フィルタの動作波長が使用される光屈折材料の光屈折率の感度範囲内 （すなわち、ＬｉＮｂＯ₃については、３５０〜７００ｎｍ）である場合、格子 は、波長と共に直接的に書かれ、ビームを所望の方向に向けることができる。半 導体レーザのバルクを含む赤外線領域では、平面反射格子は、転送モード・コン フィグレーションにおいて、クリスタルを可視光で側方から照らしながら書かれ 、これにより、格子は、前述の特許出願に説明した反射モード幾何態様において 赤外光にブラッグ整合する。 ホログラフィック・フィルタから反射された後の検出器の出力は、波長の関数 として図３に示されている。与えられた検出器の出力に関する波長におけるディ ジェネレイシ（degeneracy）のため、制御部は、電流動作波長に関するフィルタ 応答曲線の正しい側（correct side）を先ず決定する必要がある。これは、応答 曲線の局所的な傾きを決定するために、波長をいずれかの方向に少量ディザリン グ（dithering）することによってなされる。次いで、制御部は、検出器での出 力が最大になるまで、または、応答曲線の局所的な傾きがゼロになる点まで波長 をシフトする。レーザが波長シフトする際に、制御システムは、そのずれを検知 して波長をフィルタのピークに戻す。 遠距離通信のアプリケーションに関する本実施例の実際的な例が図４に説明さ れている。高品位のシングルモードのＤＦＢレーザ２１（このタイプは、典型的 には、光ファイバ遠距離通信システムに使用される）は、その出力波長の制御の ための熱電ペルティエ（Peltier）デバイス２２と共に、熱シンク上に搭載され ている。この代わりに、ブラッグ反射器部分の屈折率を制御するために電流が使 用されるＤＢＲレーザを使用しても良い。これらのタイプのレーザの双方は、遠 距離通信において共通に使用され、これは本技術の主たるアプリケーションの１ つである。より、一般的には、波長を制御するための機構を有するあらゆるレー ザ、例えば、調整可能な外部空洞半導体、色素または固体レーザを本波長安定化 方法に使用可能である。 図４に示す例において、レーザ２１は、高速アナログＲＦまたはデジタル信号 ２３により、電流ドライバ２４を介して調整され、その出力は、光ファイバ・ピ グテイル２５に伝えられる。ファイバ・カップラ２６は、出力パワーの小さなパ ーセンテージを分離し、それをボリュームホログラム２７に伝える。ボリューム ホログラム２７は、図３に示すように、波長λ₀に中心を合わせた応答曲線を有 する光の狭小なスペクトルをフィルタする。フィルタ２７からの反射は、検出器 ２８へ伝えられ、その信号はプロセッサ２９によって変換され、上記の方法によ り制御器３０を介してレーザ２１の波長の制御に使用される。レーザ２１の残り の出力は、ファイバ・カップラ２６から出力ファイバ・リンク、または、他の有 用なデバイスに伝えられる。 図５は、図２及び図４に示す方法と異なる手法を説明する図であり、フィルタ ３１は、反対の手法、すなわち、遮断フィルタとして使用される。この場合、プ ロセッサ３２における制御アルゴリズムは、３３が検出器３４からの信号の最小 を探すように設計される。再び、最初の例について、波長がいずれの方向におい ても少量初期変動するディサリング（dithering）システムの一態様が、フィル タ３１の応答の局所的な傾きを決定するために必要になる。一度、この傾きが決 定されると、制御部３３は、レーザ３５を検出器３４が信号の最小値を読出すま で調整する。電流ドライバ３６は、レーザ３５の出力を調整するために使用され 、ファイバ・カップラ３７は、レーザの出力パワーの一部をホログラフィック・ フィルタ３１に伝える。 ディスクリートのマルチ波長動作に関しては、単一のクリスタルにおいてマル チプレクスされたマルチフィルタと、その反射を使用可能な単一の検出器に伝え る手法が使用される。所望の動作波長に対応した各々のフィルタのピーク（図６ 参照）は、波長（すなわち、１．５５μｍで、＞５Å、０．５ÅのＦＷＨＭの幅 ）に十分に分離され、それらのクロストークは無視（例えば、＜２０ｄＢ）でき る。レーザは、所望の波長に対応するピーク付近に手動で調整され、これにより 、制御システムは、レーザを正確な値に微調整する。波長を切替えるには、レー ザは、次の格子付近に手動で調整され、これにより、波長安定化システムは、新 たな格子のピークに動作波長を調整することができる。図６は、図２及び図４の 反射フィルタ・アーキテクチャに対応するが、この包括的な概念は、図５におけ る手法にも応用可能である。図５における手法は、反射フィルタの代わりに遮断 フィルタが使用され、制御アルゴリズムは、ピークの代わりに信号の最小値を探 す。 換言すると、図５に示すアーキテクチャにおいては、レーザ３５の動作波長を を調整するために投射ビーム（incident beam）を傾斜させることにより、様々 な中心波長に調整される単一のホログラフィック格子３１を使用する。通常の投 射（incidence）で波長λ₀について書かれた平面格子に関しては、通常のφから のずれの関数としてのブラッグ条件は、次式で与えられる。 ここで、ｎ₀は屈折率である。格子３１が通常の投射から離れるように傾斜する 時、 中心波長は、青、すなわち、短波長にシフトする。初期（通常の投射）の波長か ら０〜１０％の調整範囲に関しては、角度の範囲は０〜７０°である。格子３１ が所望の波長に設定された後、レーザ波長の制御器３３は、転送される強度の最 小値を探すことにより、新たな動作波長にロックされる。 図７は、中心波長と、通常の投射（incidence）で６７９５Åの回転角の関係 のプロットを示している。このプロットは、上記の式（３）を用いて得られ、確 認実験は、本出願の譲受人により、２ｍｍ厚のＬｉＮｂ₃のクリスタルを用いて なされた。 交差フィルタ・レーザ 電気信号のフィードバックに関する他の形態は、図８ａ及び図８ｂに示す交差 フィルタ・レーザは使用するものである。これは、図２及び図４に示す構成と類 似している。λ₊及びλ_-の夫々における、これらの格子の中心波長は、図９ａに 示すように、所望のレーザ出力λ₀の前後である。スペクトル応答曲線は、スペ ースを除き、ピーク値及び幅において、実質的に本例と似ている。以下の検討に おいては、（＋）の添字は、長い波長方向または赤方シフトしたフィルタを示し 、一方、（−）の添字は、短い波長方向または青方シフトしたフィルタを示して いる。２つのフィルタλ₊及びλ_-の波長は、レーザの所望の動作波長が２つのフ ィルタ（図９ａ参照）のスペクトル応答曲線の対向する単調な傾斜の交点になる ように選択される。これは、“交差フィルタ”または“クロスオーバ・フィルタ ”構成と呼ばれるものを形成する。ボリューム・ホログラムは狭小な幅を有し、 その交点は差分曲線（図９ｂ参照）の最も急峻に降下する領域の付近にあるため 、交差フィルタの応答曲線は、極めて鋭く、すなわち、波長の小さな変化が検知 器の出力の大きな変化と対応する。 このような交差フィルタの手法においては、ファイバ・カップラ３９により取 り込まれるレーザ３８の出力の一部は、図８ａ及び図８ｂに示すように、２つの ホログラフィック格子によりサンプルされる。図８ａに示すシステムにおいては 、ディスクリートな単一の波長ホログラフィック・フィルタ４０及び４１の対が 使用される。他方、２つのフィルタは、図８ｂに示すように、単一のクリスタル ４２において、信号を互いに異なる角度で夫々の検出器４３及び４４に反射する よ うに、同一の広がりを有するように書くこともできる。所望の動作波長のいずれ かの波長を夫々有するホログラフィック反射格子の対は、ディスクリートのクリ スタルであれ、単一の媒体において同一の広がりを有するものであれ、交差フィ ルタを含む。 交差フィルタ４０及び４１は、それらの対応する波長の信号を夫々の検出器４ ３及び４４に反射する。検出器４３及び４４からの信号は、差動／正規化アンプ ４５に送られる。信号は、直接アナログの差動アンプを用いて処理されるか、ア ナログ・デジタル変換器とデジタルの減算システムとを用いて処理される。アン プ４５は利得制御を含み、検出器４３及び４４からの出力信号をイネーブルし、 それらのピーク値が等しくなるように調整する。差動／正規化アンプ４５は、２ つの検出器４３及び４４によって計測された強度Ｉ＋及びＩ−の差分を、全体の 強度Ｉ０で正規化したものを次式に基づいて演算する。 正規化した差分信号ΔＩは、プロセッサ４６を介して、動作波長を微調整するた めに、差分出力に対して電圧シフト・キャパビリティを加算して４７に送られる 。４７は、その制御パラメータを調整することにより、レーザ３８の出力波長を 調整する。他の態様においては、加算及び差動アンプを有するアナログシステム をプロセッサ４６の代わりに使用でき、ΔＩと同様の結果を獲得し、これを４７ に送ることができる。 レーザ３８が、検出器４３及び４４からの信号が等しい特定の波長で動作して いる時、差動アンプ４５からの出力電圧はゼロであり、レーザ３８は一定に保持 される。レーザ３８の波長が波長の設定値λ₀に対応する赤方に向かってシフト する場合、Ｉ₊は増加し、Ｉ_-は減少する。２つの検出器４３及び４４の正規化さ れた差分信号ΔＩは、差動アンプ４５から得られ、プロセッサ４６に供給され、 プロセッサ４６は、波長制御部４７に、差分信号がゼロに戻るまでレーザ３８の 出 力を青方シフトするよう指示する。換言すると、レーザ３８の波長が青方にシフ トする場合は、Ｉ₊は減少し、Ｉ_-は増加し、制御器４７は、出力波長が設定値に 戻り、差分信号がゼロになるまで、レーザ３８の波長を反対方向にシフトする。 この処理は、図９ａ及び９ｂにおいて視覚的に説明されており、ここで、平衡 点はλ₀（ここでは、ΔＩ＝０）の点である。このようにして、ホログラフィッ ク・フィルタは、レーザの動作波長を非常に高精度、すなわち、オングストロー ムの数分の1以内に設定するために使用する外部波長基準を供給する。本発明に 関しては、狭小な幅を有するホログラフィック・フィルタが好ましい。これは、 スペクトルに応答して精密に位置決めし、構成できる特性を有するからである。 同様な応答曲線と特性を有する従来の光学バンドパス・フィルタは、本質的に精 度が低く、高価で、波長の厳密さを欠くということを考慮する必要がある。 電圧オフセット機構またはアルゴリズムをプロセッサ４６に組み込むことによ り、レーザ３８を、２つのフィルタの応答曲線の交点に対応する波長以外の波長 にロックすることができる。この処理は、図９ｃに示されており、制御エレクト ロニクス、または、ソフトウェアにおけるオフセットを組み込むことにより、交 差フィルタの製造における波長の小さな誤差を正す能力をシステムに与え、フィ ルタにホログラフィック格子を形成する際の公差の要求を緩和する。これは、ま た、校正目的または僅かにシフトした波長での差動分光器に要求される動作のよ うなアプリケーションのための僅かなデチューン（detune）を許容する。 図１０は、スペクトラル応答、及び、ｎ個の波長のマルチプレクスされたフィ ルタの対を有するマルチ波長交差フィルタＤＦＢの２つの検出器からの電流の差 分を示すグラフである。マルチ波長、ディスクリートに調整可能な交差フィルタ ＤＦＢのレーザは、光屈折クリスタルにマルチ格子対を記録し、各組の格子が信 号を同一の対の検出器に反射するようにして構成される。波長λ₁、λ₂、・・・ 、λ_nでの交差フィルタの格子は、それらのクロストークを無視できる波長（例 えば、１Å、または赤外波長に関する１ｃｍ厚のフィルタにおいては、それより 大きい）に十分に分離される。分離は、１つの格子のＦＷＨＭ幅よりも大きいオ ーダーであることが好ましい（１ｃｍ厚のフィルタに関しては、１．５５μｍで ０．５Å）。レーザは、先ず、所望の波長λ_iの近傍に、範囲（λ_-，λ₊）内で 調整（制御また は他の手段による）される。上記のような制御回路は、出力波長を正確なλ_iに 微調整するために使用される。 動作波長を切替えるには、レーザは、手動またはプログラム制御により、新た なフィルタの対のピークの間の波長に調整され、制御回路は、交差フィルタの対 に対応する正確な波長になるまで自動的に微調整を行う。波長が交差フィルタ応 答の刻み目の間にセットされると、レーザは波長の交点に安定するか、オフセッ トのオプションを使用する場合には、予めプログラムされたオフセット値に安定 する。 多くのレーザ、特に、低コストの半導体レーザは、出力波長について広い製造 上の公差を有し、多くは時間と共にドリフトを生じ、動作条件により変化する。 本発明の手法において使用されるホログラフィック格子は、本質的には異ならな い付属的な波長標準を提供する。印加された電圧が波長の安定化に多少影響する が、その影響が重大な場合には、その電圧は直ちに制御レベルに設定される。温 度は、殆どのレーザについて既知の影響を及ぼすが、その影響は非常に小さく（ 例えば、３０°Ｃ当り１Å）、熱電気または他の安定化は、現状の技術において 問題ない。５°Ｃの範囲内の制御は、選択された波長からのずれを１オングスト ロームの数分の1以内に保持する。典型的には、本発明に係る装置は、予め設定 された中心波長を基準にして２Å幅の範囲内で良好に動作する。しかしながら、 波長安定化システムにおいて、ホログラフィック格子を書き、十分な厚さと、そ れによる十分な体積容量を有する光屈折クリスタルを採用することによって、目 標波長は、考慮している波長において、その波長の０．２５オングストロームの オーダー内に維持される。 図１１は、本発明で述べた交差フィルタの波長制御システムを使用した遠距離 通信ソースについて使用されるタイプのＤＦＢレーザ４８を示している。ＤＦＢ レーザ４８は、高速のアナログまたはデジタル信号ソース５０により、電流ドラ イバ４９を介して調整される。ＤＦＢレーザ４８は、出力波長の制御のため、熱 電ペルティエデバイス５１に搭載されている。その出力は、光ファイバ・ピグテ イル５２に送られ、カップラ５３により、出力ビームと交差フィルタ５４に向け られる低パワーのサンプルビームとに分離される。交差フィルタ５４は、光屈折 器または他の適切な媒体内のホトグラフィック格子を有し、これもまた波長を正 確にするために制御され、反射を夫々の検出器に向ける。 検出器５５及び５６からの出力信号は、アナログ・デジタル変換器５７及び５ ８によりデジタル化され、差動／正規化アンプ５９に送られ、ここで、２つの信 号の差分が直接、定量化した大きさと、２つのフィルタの応答曲線の交点からの 波長のずれの方向とを提供する。この差分信号は、波長制御システムによって使 用され、プロセッサ６０と、レーザ４８がバンド上に調整され、差分信号がゼロ になる。交点から僅かにシフトする波長での動作を望む場合は、前述のように、 オフセット・アルゴリズムを制御システム中に組み込めば良い。 レーザの入力電流の振幅シフト・キーイング（amplitude shift keying;ASK） 調整のためのＤＦＢ半導体レーザとホログラフィック・フィルタの応答は、遠距 離通信の用途に必要とされることが有り、数値的なモデリングの研究がなされた 。レーザ出力パワーのスペクトルと、様々なシヌソイド（sinusoidal）の機能と してのホログラフィック・フィルタと、デジタルのＡＳＫ調整パラメータは、信 号パワーの損失量と、レーザの周波数のチャーピング（chirping）に起因するデ ジタルのＡＳＫ変調エンベロープ（modulationenvelope）を決定するために演算 処理された。研究結果は、レーザ信号のパワー・スペクトムの比較的小さな損失 （すなわち、約１〜２ｄＢ）を示し、振幅変調における歪みは、１Åの幅のホロ グラフィック・フィルタにおいて、６Ｇｂｉｔｓ／ｓｅｃ以上のデータ・レイト で観察された。これは、高速変調の下でのＤＦＢレーザにおけるチャープ（chir p）が、これらの実施例において使用されるホログラフィック・フィルタの幅を 超えて十分に波長をシフトしないことを示し、重大な問題を提起している。 図１１に示す遠距離通信ソースのレーザの態様において、ＤＦＢレーザ４８は 、電流調整型のＤＦＢレーザによって置換することができる。制御器６１及び熱 電冷却器５１は、ここでもデバイスを一定に維持するために使用される。プロセ ッサ６０からの差分信号は、電流を介してレーザ４８の波長を制御するために使 用され、それはブラッグ反射器のサブストレートの屈折率、すなわち、反射器の ブラッグ条件を変化させる。また、ＤＢＲレーザの場合は、外部調整器は、ＤＦ Ｂレーザにおいて一般的になされるように駆動電流を直接調整する代わりに使用 さ れる。 以上の特定の例においては、ＤＦＢレーザの制御による調整が主として議論さ れたが、レーザに依存して、他の調整技術を採用することもまた容易である。こ れらの幾つかの例として、調整可能な色素レーザ、格子調整外部空洞半導体レー ザ、固体レーザのようなレーザのための電圧制御、モータ駆動サーボ・アクチュ エータ、電気的に調整される波長選択器がある。電流調整型のＤＢＲレーザの使 用については上記した。 外部空洞レーザに対する光学的フィードバック 上述の例では、制御システムへのフィードバックのための信号を生成して、多 数のレーザのうちのどれでも、波長を一定波長に維持させるするために、ボリュ ームホログラム反射格子フィルターが使われた。本発明の以下に示す実施の形態 では、波長標準としてのボリュームホログラムを用いて、レーザの出力波長の安 定化させるという同じ目的を達成するために、電気的信号フィードバックよりも 光学的なフィードバックが使われる。レーザ空洞が、所望の波長でのレーザ動作 を生み出す利得媒体に対する光学フィードバックを生成するために、波長選択可 能な反射部としてボリュームホログラムが使われる。ホログラフィックミラーが 十分に反射し、その光学利得がシステムでの損失を上回るようなどの利得媒体で も、この実施の形態で使うことができる。半導体レーザにとして、外部ミラーと して作用するホログラフィック反射部と共に、外部空洞構成の利得媒体である単 純なファブリ-ペロー(Fabry-Perot)レーザを使うことができる。 図１２は、本発明に係る外部空洞レーザ６２の要素を描いている。ボリューム ホログラム格子６３を有する光回折材料は、外部空洞の端ミラーとして使われる 。ここで、ボリュームホログラム反射格子６３は、動作時の所望の波長にブラッ グ（Bragg）整合する。一例として、光回折材料は、一面が非反射（ＡＲ）コー ティングされ、また、２mm厚で、０．０５％の鉄（Ｆｅ）がドープされたLiNbO₃ クリスタルを備える。 信号ソース６５で変調されたレーザダイオード６４は、外部空洞レーザのため の利得媒体として使われる。一例として、東芝製ＴＯＬＤ９２１５可視レーザダ イオード６４が利得媒体として使われる。レーザダイオード６４は、温度制御部 ６７によって制御される熱伝ペリティエ（Peltier）冷却器６６に結合するヒー トシンクにマウントされる。温度制御部６７はまた、ボリュームホログラム反射 格子６３のための第２の熱伝ペリティエ（Peltier）冷却器６８を制御する。温 度制御が、格子６３の波長の温度依存のドリフトを避けるために行われ、それは 、光回折材料がLiNbO₃クリスタルであるとき、３０℃当たり１Åのオーダである 。さらに、温度制御を行い、光回折クリスタルの格子６３によって構成されるホ ログラフィックミラーでの中心波長を変えることによって、外部空洞レーザ６２ の出力波長を微調整できる。 通常、レーザダイオード６４の表面はＡＲコーティングが施され、スーパール ミネッセンスダイオード（ＳＬＤ）によって、ファブリ-ペロー(Fabry-Perot)モ ードをゼロに減らす。しかしながら、高品質、例えば、ゼロ反射で、ＡＲコーテ ィングされたレーザを得ることは難しかった。もし、レーザダイオード６４が、 ゼロ反射のためのコーティングがなされていなければ、ファブリ-ペロー(Fabry- Perot)モードが、高駆動電流のため、同様に現れる。これらの場合、レーザは、 出力パワーを制限する閾値以下で動作されなければならない。 この例のレーザダイオード６４は、その一面を９０％の反射、また、他の面で は１０％の反射となるようにコーティングされる。その１０％の反射率面からの 出力が、光回折材料のホログラフィック格子６３に向けられる。ここでは、通常 投射ではレーザダイオード６４に対して逆反射される。ボリュームホログラム反 射格子６３からの光学的フィードバックは、結果として、外部反射部とレーザダ イオード６４の高反射率面間で発振が形成される。その発振は、ＡＲコーティン グによって抑制された２つのレーザダイオード６４面間での発振を伴う。 レーザダイオード６４の低反射率面からの出力は、非球面対物レンズ６９によ って平行光に矯正され、そして、外部空洞レーザ６２のための外部反射部として 動作する光回折材料のホログラフィック格子６３に方向づけられる。クリスタル の格子６３は、選択された波長回りの光の狭スペクトラルバンドを反射して、レ ーザダイオード６４に戻して、フィードバックを生成する一方で、バンド放射の 全てを伝送する。十分に低吸収損失の高反射率格子６３（２０％かそれ以上のオ ーダの）が、発振のための空洞での十分なフィードバックを獲得するために、使 われる。上述の例では、対物レンズは４．５mmの焦点距離を有し、ホログラフィ ック格子６３を構成するクリスタルは、レーザダイオード６３から６インチのと ころに配置される。 レーザダイオード６４の高反射率面と格子６３によって形成された狭バンド幅 ミラーは、発振がレーザ６２で発生する範囲の外部空洞を備える。 狭スペクトラルバンド幅（約６００nmの投射照明で、２mm厚格子について０．５ Åのオーダの）であるために、外部空洞レーザ６２の出力を、非常に高精度のレ ベルにまで制御することが可能である。外部空洞レーザ６２のレーザ動作波長は 、外部波長標準として作用するクリスタルのホログラフィック格子６３の反射の 波長だけに依存する。従って、動作波長は、ファブリ-ペロー(Fabry-Perot)レー ザダイオード６４に依存しない。そのため、別のレーザ６４に置き換わった時で も、外部空洞レーザ６２の出力波長に対して何の変化もない。 所望の動作波長がクリスタルの光回折感度範囲内にある場合、外部空洞反射部 に対する平面格子６３が、所望の波長の逆伝搬ビームによるクリスタルを照明す る直接の書き込み方法で、書き込まれる。または、そのレーザ媒体自身は、その 格子を書き込むように使われることが可能であり、そのことで、自己配列される ことを確実にする。この方法は、レーザ６４から十分な光強度が獲得され、適当 な露光時間で、高効率、高品質のホログラムを書き込むことが必要である。ＩＲ ホログラフィックミラーに関して、この方法が、前出のG.A．Rakuljic and V.Le yva，米国特許No.07/991571(1992)で述べられている。ここで、より短い波長の オフ軸（off-axis）ビームが、所望の波長の通常投射反射でブラッグ（Bragg） 整合する格子６３を書き込むために、使われる。 図１３と図１４は、３１mA（図１３）と３７mA（図１４）の駆動電流に関して 、スペクトラムアナライザによって測定されたホログラフィック格子外部空洞レ ーザの出力波長を描いているグラフである。それらのグラフに示されているよう に、レーザ出力は、シングルモードである。そして、その波長は、広範囲の駆動 電流（と、それによる出力パワー）に関して、ホログラフィック格子のバンド幅 内の６７３６．６Åの一定値である。さらに、温度制御器によって、レーザダイ オー ドが熱伝冷却器にマウントされ、温度が変わるとき、その出力は、０．５Åより 小さいホログラムバンド幅内にある。 図１２に示されたホログラフィック外部空洞レーザは、格子を格納するために ＩＲ感度近辺まで増やされた高ドープ剤濃度のLiNbO₃クリスタルを用いて、８４ ０nmと同じ波長でデモンストレーションされたものである。ＡＲコーティングさ れ、また、０．１５％の鉄（Ｆｅ）がドープされたLiNbO₃クリスタルの格子を、 直接書き込み法を使って書き込むために、Ｔi:サファイアレーザが使われた。こ のクリスタルは、スペクトラダイオード研究所（Spectra-Diode Laboratories） のＡＲコーティングされた８４０nmレーザと結合された。そして、図１５に、そ の結果としての外部空洞レーザのスペクトラムを示す。 図１６は、上述の本発明のアプリケーションに係る方法で書かれた赤外線ホロ グラフィック格子を用いて、また、１．２９３μmの逆反射格子を得るために、 クリスタルの側面からの４８８nm光投射を用いた場合に、１．３μmバンドで動 作するホログラフィック外部空洞レーザのスペクトラムのグラフである。そのス ペクトラムのグラフは、レーザ出力の副ローブレベルを示ために、ログスケール （Logarithmic scale）でプロットされている。その副ローブレベルは、少なく とも、ピーク値以下の２５dBである。図１３と図１４の可視レーザスペクトラム のグラフにおいて、レーザは、シングルモード動作であることを示している。そ して、その出力波長は、駆動電流に依存しないことがわかった。 改良されたＡＲコーティングがなされた、名目上６７０nmのファブリ-ペロー( Fabry-Perot)半導体レーザが、近年、外部空洞レーザのデモンストレーションの ために使われている。このレーザは、コロラド（Colorado）州のボールダ（Boul der）の″ナショナルインスティチュートオブスタンダードアンドテクノロジー （National Institute of Standards and Technology）″のレーザダイオードグ ループの工場でコーティングされた。このコーティングは、十分に高品質である ため、ファブリ-ペロー(Fabry-Perot)モードはゼロに下げられた。この外部空洞 レーザの出力スペクトラルのグラフが図１７に示されている。 本発明に係る本実施の形態で示された方法を用いて、ファブリ-ペロー(Fabry- Perot)レーザの動作波長を、非常に高精度に実現することができ、安価でコンパ クトで高い波長精度のソースを構成できる。その出力波長の精度によって、ＷＤ Ｍと、インプリメンテーションのための副波長標準と、低コストで精密な波長コ ヒーレントソースが必要な他のアプリケーションのために、間隔の狭いソースと してこれらのレーザを使うことができる。 レーザ自身の外部デバイスによって、その動作波長が決定されるので、個々のフ ァブリ-ペロー(Fabry-Perot)レーザでの動作点のわずかな変化があっても、たく さんの標準化された波長ソースを作ることができる。 関連する多様な実施の形態のなかで、上述のホログラフィック外部空洞レーザ の変形を使うことができる。ファブリ-ペロー(Fabry-Perot)半導体レーザは、出 力波長の精度が必要な、広域利得スペクトラムを有するレーザ利得媒体、例えば 、調整可能な色素や個体の利得媒体などに置き換える可能である。ホログラフィ ック外部空洞半導体レーザでは、これらのレーザの動作波長は、ホログラフィッ ク外部空洞ミラーによって定義づけられる。しかしながら、半導体レーザは、非 常に高い利得係数を有するので、より低い反射率は、外部空洞反射部にとって十 分である。一方、比較的低利得係数の個体クリスタルやガスプラズマチューブの ような他の利得媒体には、非常に高い反射率が必要とされる。 ホログラフィック格子の中心波長への調整をしないことによって、外部空洞レ ーザの動作波長をわずかにシフトさせることが可能である。１つの方法として、 図１２でクリスタルとともに示されている温度制御部６７が、格子を含む媒体の 温度を変えるために使われ、格子期間と変え、また、そのことによって、反射波 長を変える。別の方法では、光電池効果と圧電効果によって光クリスタルの寸法 を変えるために、クリスタルは、透過性の電導層と電気的フィールドでコーティ ングされる。 これらの方法のどちらかが、格子期間を変化させ、それによって 、反射にたいするブラッグ（Bragg）条件が変わる。そして、外部空洞レーザは 、新たな波長で動作するようになる。 さらに、他の半導体レーザ型もこの技術から恩恵を得ることができる。図１８ に、従来のレーザか表面放出半導体レーザ（ＳＥＬｓ）の配列の一例を示す。配 列７０の各レーザからのビームは、レンズ配列７１によって平行光に変えられ、 そして、単一のホログラフィック格子７２から反射する。このことによって、全 レーザ出力を１つの波長λ₀にロックさせることで、全レーザが１つのレーザと して振る舞い、そして、光学的媒体７３に注入する。温度制御部７４と熱伝冷却 器７５、７６は、レーザ配列７０と光回折クリスタル７２を所望温度に保つため に使われる。さらに、光回折クリスタル７２の温度は、熱伝冷却器７６によって 変えられ、それによって、その動作波長を変える。 この方法で、光学的アンプと個体レーザのように、高パワーが必要なアプリケ ーションで使用する１つのレーザよりも、より高い出力パワーを得ることが可能 である。この外部空洞レーザ配列の高精度の出力波長によって、全出力パワーを アンプやレーザ利得媒体の吸収線に集中させて、その注入工程の効率を増大させ ることを可能にする。ＳＥＬの使用は、それが、従来の半導体レーザ配列よりも 広範な領域とレーザ活性領域を有するために、特に、このアプリケーションに適 している。 図１９は、ホログラフィック外部空洞レーザ配列に関する別のアーキテクチャ を示す。ここで、異なる波長を有する個々のホログラム７７ａ、７７ｂ、．．． 、７７ｎが、ＡＲコーティングされたレーザ配列７８とともに使われ、高精度の 波長ソース配列を生み出す。ここで、その高精度の波長ソース配列の各々は、異 なる波長を有する。レンズ配列７９は、各レーザからの光を平行光に変え、それ ぞれに対応する格子７７ａ、７７ｂ、．．．、７７ｎに送る。そして、温度制御 部８０と熱電冷却器８１、８２は、レーザ配列７８と格子７７ａ、７７ｂ、．． ．、７７ｎの温度を平滑化する。本実施の形態の外部空洞レーザ配列は、ＷＤＭ 通信システムのためのソースとしてのアプリケーションをもつ。ここで、そのシ ステムに必要な全ソースレーザは、一枚のウエハーに生成される。別のアプリケ ーションは、各半導体レーザが所定の波長で格納されたデータの具体的″ページ ″をアドレスするために使用される波長マルチプレクス光学メモリの読み出しソ ースとしてのものである。 アプリケーション 図２０は、ＷＤＭ光学ファイバー通信システムでの波長安定化レーザを描いて いる。波長λ₁、．．．、λ_nで動作するレーザ８３の変調出力はそれぞれ、レン ズ８４によって平行光にされ、マルチプレクサ８５によってカップリングされる 。マルチプレクサ８５は、従来型のものか、または、カップリング損失を減らす ためのホログラフィック格子デバイスでよい。多重波長ビームは、ファイバーカ ップラーによって、光学ファイバー８６の長さにカップリングされる。そのファ イバー端には第２レンズ８７が使われ、ビームをデマルチプレクサ８８に送る。 ここで、高スペクトラル分解能ホログラフィック格子が使われ、各波長のチャネ ルを分離し、これらのビームを異なる角度で、それらの分離光検出器８９に方向 づけする。 本発明で述べられた波長安定化方法を用いた半導体レーザは、現在の技術で可 能であるよりもさらにチャネル間隔を非常に狭くするボリュームホログラフィッ ク技術を用いることで、特に、ＷＤＭ遠隔通信システムにとって有益である。現 在のＷＤＭアーキテクチャでは、半導体レーザソースの波長精度は、チャネル間 隔を制限する制限要因である。ほとんどのケースで、マルチプレクスされたチャ ネルは、１．３μmと１．５μmのような分離したバンドでなければならない。Ｄ ＦＢレーザを注意深く選択することによって、不確実さを、約４０Ａに削減する ことができる。しかし、このことは、老化と他要因によるドリフトをなくすもの ではない。本発明で示めされた安定化方法は、レーザがロックされるべき外部波 長標準を用いて、任意の近接するチャネル分離を可能にするが、高速変調による チャープ（chirp）と他の効果を消すものではない。 本発明で述べられたレーザ波長安定化や電気的フィードバックのスキームや外 部空洞（光学的フィードバック）方法への２つの主なアプローチのいずれか一方 が、ＷＤＭアプリケーションにとって可能なソースである。しかしながら、電気 的フィードバックアプローチは、好適な第１の実施の形態である。それは、開発 の単純さと最低の技術リスクによるものである。ＤＦＢレーザは、温度制御され 、また、ホログラフィックフィルタや交差フィルタペアにカップリングされる。 その出力は、それを利用するデバイスにファイバーによって、カップリングされ る。その波長は、非常にチャープ（chirp）に設定され、高速変調からの他のＦ Ｍ効果は、隣接チャネルに漏れない。そのチャネルの間隔は、ＤＦＢレーザによ って占有されるバンド幅によって制限され、これは、レーザ出力波長の精度が悪 いせい ではない。 図２１は、Ｅｒドープされた光学ファイバーアンプやＥｒドープされたファイ バーレーザやダイオードが詰め込まれた個体レーザのような光学的媒体９１に注 入する、本発明で述べられたフィードバック技術を用いた高精度波長レーザ９０ のアプリケーションを示す。ここで、動的利得媒体の吸収バンドは、極端に狭い 。ボリュームホログラム外部波長標準ピークと精密なレーザを用いて、全レーザ エネルギーはその注入媒体に適用され、それによって、注入効率が上がる。さら に、これらのレーザは、干渉計や、高い波長精度を必要とする分光法のためのソ ースのようなテスト装置に対する副波長レファレンスとして、非常に適している 。 図２２は、わずかに異なる波長で動作する２つのボリュームホログラム安定化 レーザ９２、９３を用いた、マイクロ波やミリ波信号生成方法を描いている。本 実施の形態では、既知の波長λ₁、λ₂（周波数ｆ₁、ｆ₂に対応する）で動作する ２つのレーザ９２、９３は、ビームスプリッタ９４を用いて、光学的にヘテロダ イン(heterodyned)され、検出器９５に方向づけられる。検出器９５へのビーム 投射は、ビート周波数ｆ₁−ｆ₂の発振を起こし、それは、λ₂−λ₁＝５Åで、レ ーザ９２、９３が１．３μmバンドで動作するとき、約３mm波長の信号となる。 さらに、レーザ９２と９３の１つか両方の動作波長を調整することによって、こ の出力信号の周波数を変えることが可能である。 代表的には、混合された出力は、電磁波のスペクトラムの光学的周波数部内に ある。しかし、それはまた、マイクロ波スペクトラムのミリ波やセンチメータ波 の範囲内にある。そのような結果を、波長安定化精度と調整能力によって、導く ことができる。 図２３ａは、示差吸収分光法のための、精密で、デチューナブル（detunable ）なソースとしてのレーザの別のアプリケーションを描く。デチューニング（de tuning）可能な単一のホログラフィック格子安定化レーザ９６が使われ、わずか に異なる波長（λ₁、λ₂）で、わずかに未知の媒体９７と集束レンズを通過して 、検出器９９に進む。そのサンプルの同じ領域を通過するシフトした波長で測定 がうまくなされる。レーザ波長制御部１００は、その出力をλ₁、そして、λ₂に 設定するために使われる。そして、温度制御部１０１は、そのレーザを一定温度 に 保持することによって、安定動作を確実にする。両方の測定のために、ビームが 正確に同じスポットに配置されても、このアプローチの不利な点は、測定間のイ ンターバル時間にある。 図２３ｂは、第２の例を描く。ここでは、既知の波長λ₁、λ₂の２つの異なる レーザ１０２と１０３からのビームがレンズ１０４、１０５によって、平行光に 変えられる。そして、未知の媒体１０６を通過し、さらに、レンズ１０７によっ て個々の検出器１０８、１０９に焦点が合わされ、同時吸収測定ができる。上述 の制御機構を用いて、レーザ１０２、１０３の１つか両方の波長を調整すること によって、波長の差は容易に変更可能である。しかしながら、サンプルの媒体を 通過する各ビームに対して、わずかに異なるパスがある。 結論 ここでは、本発明に係る好適な実施の形態の結論を述べる。要約すると、本発 明は、レーザ出力波長を所望値にロックするための波長標準として使われるボリ ュームホログラフィック格子からのフィードバックを利用するレーザを開示する 。このフィードバックは、非光学でできる。ここでは、外部制御機構を用いて波 長を動的に制御するために、ホログラフィックフィルタ出力が使われる。このフ ィードバックはまた、光学的であってもよい。ここでは、光学的フィードバック を生成して、レーザの利得を得るために、ボリュームホログラム反射格子が使わ れる。 上述した本発明に係る好適な実施の形態に関する先行の記述は、図示と記述の 目的のために提供されたものである。それは、完全にすることを意図したもので はなく、また、本発明が開示された細かい構成に制限されるものでもない。上述 の示唆の観点から、多くの修正や変形が可能である。このととは、本発明の範囲 が、その詳細な記述によっては制限されず、ここに添付されたクレームによって 制限されることを意味する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ Ｈ０１Ｓ 3/18 7630−2Ｋ Ｈ０１Ｓ 3/18 (72)発明者 レイバ，ビクター アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90066 ロス アンジェルス，＃105 ソー テル ブールバード 3525 (72)発明者 サヤノ，コウイチ アメリカ合衆国 カリフォルニア州 90640 モンテベロ，サン アントニオ ドライブ 2004 (72)発明者 タイラー，チャールズ，イー. アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94087 サニーベール，カテドラル ドラ イブ 831

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．光源の出力波長を安定化する方法であって、 前記出力波長で電磁波エネルギーのビームを発生する発生工程と、 １つまたはそれ以上のフィードバック信号を供給すべく、既知の中心波長の１ つまたはそれ以上のホログラムを用いてビームをフィルタリングするフィルタリ ング工程と、 前記フィードバック信号に従って出力波長を変化させ、前記光源を制御する制 御工程と、 を備えることを特徴とする方法。 ２．前記制御工程は、前記フィードバック信号を生成すべく、フィルタリングし たビームを検知器に向ける工程を有することを特徴とする請求項１に記載の方法 。 ３．波長を調整可能な出力ビームを発生するレーザと、 前記出力ビームの一部を、選択された波長で前記出力ビームの狭小なスペクト ラムを反射するボリューム・ホログラムに向ける手段と、 反射された出力ビームの強度と前記出力ビーム波長の相関関係を算定し、前記 レーザを前記反射された出力ビームが達成し得る最大強度まで調整する波長制御 手段と、 を備えることを特徴とするフィルタ・ロック型のレーザ。 ４．前記ボリューム・ホログラムは、選択された波長で前記出力ビームを反射し 、その他の全波長で前記出力ビームを検知器に透過する格子を含み、前記波長制 御手段は、前記検知器が透過された出力ビームに関する最小の光学的パワーを読 むまで前記レーザを調整する手段を含むことを特徴とする請求項３に記載のレー ザ。 ５．レーザの所望の出力波長の僅かに上または下の波長で光ビームを反射する複 数のホログラフィック・フィルタと、 反射された複数のビームの相対的な大きさを検知する手段と、 前記反射された複数の光ビームの相対的な大きさの関係を選択された関係に維 持すべく、レーザの出力波長を調整する調整手段と、 を備えることを特徴とする交差フィルタ型のレーザ。 ６．前記調整手段は、波長選択ボリューム・ホログラムを用いたレーザに光ビー ムを選択的に逆反射する手段を含むことを特徴とする請求項５に記載のレーザ。 ７．制御パラメータに応答する波発生器の波長を制御する方法であって、 ある出力波長でコヒーレントな電磁波のビームを発生する工程と、 前記波発生器の波長の領域からの波長変動に伴って変化するフィルタ応答特性 に従って、少なくとも１つのフィルタ出力信号を供給すべく、発生した波長で前 記ビームの一部をホログラフィック的にフィルタリングするフィルタリング工程 と、 前記フィルタ出力信号と予め設定された出力値との差分を決定する工程と、 選択された波長を維持すべく、前記波長発生器の制御パラメータを変更する変 更工程と、 を備えることを特徴とする方法。 ８．前記フィルタリング工程は、選定された波長と相対的に相違する応答を有す る１つまたはそれ以上のフィルタ出力信号を供給すべく、１つまたはそれ以上の 波長選択デバイスに前記ビームを通過させる工程を含むことを特徴とする請求項 ７に記載の方法。 ９．前記フィルタ出力信号は、前記選定された波長と実質的に等しいレベルを有 し、前記フィルタリング工程は、前記ビームの狭小なスペクトル幅を反射する工 程を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。 １０．前記フィルタリング工程は、前記選定された波長で互いに異なるレベルを 有する複数のフィルタ出力信号を供給するための１つまたはそれ以上の波長選択 デバイスを使用する工程と、選択された波長を維持するために制御パラメータを 調整する間、前記レベル間の差分をオフセットする工程とを含むことを特徴とす る請求項８に記載の方法。 １１．前記フィルタリング工程は、フィルタ応答の中心でフィルタ出力信号のピ ーク値を生成する工程を含み、前記方法は、前記ピーク値からの前記フィルタ出 力信号のずれの方向を決定する工程と、前記フィルタ出力信号が前記ピーク値に 至るまで前記ビームの前記出力波長を調整する工程とをさらに備えることを特徴 とする請求項７に記載の方法。 １２．コヒーレントな光源の波長を制御する方法であって、 前記コヒーレントな光源からの光を、波長感度応答曲線の如きであるが互いに 異なる波長の対の中心に位置する周波数選択応答画像から反射せしめる反射工程 であって、周波数選択反射画像の各対の前記波長感度応答曲線は名目的に選択さ れた波長と異なるところで交差する、反射工程と、 選択された対の周波数選択反射画像からの反射光の相対的な振幅を検知する検 知工程と、 コヒーレントな光源の波長を、前記選択された対の周波数選択反射画像につい ての前記波長感度応答曲線の前記相対的な振幅を維持すべく調整する調整工程と 、 を備えることを特徴とする方法。 １３．対の前記波長感度応答曲線は、名目的に選択された波長で対向する傾きを 有し、前記方法は、反射された光のパワーレベルに従って前記相対的な振幅を正 規化する工程をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の方法。 １４．精密に制御されたコヒーレントなビームの波長を生成するシステムであっ て、 選択された波長の範囲の出力ビームを発生するレーザと、 前記選択された波長の範囲内において、与えられた波長で交差する応答曲線の 如きを有する少なくとも２つの回折格子を含むホログラフィック記録デバイスと 、 反射光を生成すべく、出力ビームの少なくとも一部を前記回折格子上に向ける 手段と、 前記回折格子からの反射光に関する相対的な振幅に応じ、所望の波長を維持す べく前記レーザを制御する手段と、 を備えることを特徴とするシステム。 １５． 前記レーザは、分布フィードバック・レーザを含み、前記レーザを制御 する手段は、前記ホログラフィック記録デバイスを変更する手段を含むことを特 徴とする請求項１４に記載のシステム。 １６．前記レーザを制御する手段は、 前記格子からの前記反射光についての前記相対的な振幅の間から互いに異なる 信号を取得する手段と、 前記取得する手段に応じて、全体のパワー出力に従って前記互いに異なる信号 の振幅を調整する手段と、 前記調整する手段に応じて、前記互いに異なる信号の前記振幅に従って前記レ ーザを制御する手段と、 を備えることを特徴とする請求項１５に記載のシステム。 １７．予め設定された値の約２Å以内に動作点を維持すべく、レーザの出力波長 を正確に制御するシステムであって、 １つまたはそれ以上の制御パラメータに応じて、前記動作点の領域において出 力ビームを生成するレーザと、 前記出力ビームの経路におけるフィルタであって、互いに異なる波長で反射し 前記動作点の対向する側片上に中心を有する少なくとも２つのホログラフィック 格子を含み、前記動作点と既知の関係を有する与えられた値で対向する傾斜が交 差するスペクトル応答特性の如きを有するフィルタと、 前記フィルタから反射される前記出力ビームに応答する少なくとも２つの互い に異なる信号を生成する検知手段と、 前記検知手段からの信号に応じて、差動信号を生成する手段と、 前記互いに異なる信号に応じて、前記レーザの前記出力波長を変更すべく、前 記制御パラメータを調整する手段と、 を備えることを特徴とするシステム。 １８．前記レーザは、分布フィードバック半導体レーザを含み、前記制御パラメ ータに依存することを特徴とする請求項１７に記載のシステム。 １９．レーザの直前の熱シンク上に搭載された熱電冷却器をさらに備え、前記差 動信号を生成する手段は、反射された出力ビームに従って前記差分信号を正規化 する手段を含むことを特徴とする請求項１８に記載のシステム。 ２０．制御パラメータに従って選択された範囲で調整できる出力ビームを有する レーザと、 前記レーザの出力ビームの一部の基準サンプルを供給する手段と、 前記一部の基準サンプルに従って波長振幅信号を抽出するフィルタ手段であっ て、少なくとも１つの波長選択格子を含むボリューム・ホログラフィック・フィ ルタを含むフィルタ手段と、 前記波長振幅信号に応じて、前記レーザの出力ビームを所望の波長に維持する 前記制御パラメータを調整する信号を生成する手段と、 を備えることを特徴とする波長安定化レーザ。 ２１．前記フィルタ手段は、クロスオーバ・フィルタの特性を有する格子の対を 含むことを特徴とする請求項２０に記載の波長安定化レーザ。 ２２．前記フィルタ手段は、単一の波長を選択する格子を含むことを特徴とする 請求項２０に記載の波長安定化レーザ。 ２３．各レーザが近接した他の１つのレーザから約２Å相違する名目上の動作波 長を有する複数の半導体レーザと、 分離したデータ信号を有する前記レーザの夫々を変調する手段と、 前記レーザの夫々に接続され、前記レーザの動作波長をその名目上の動作波長 点の約２Åまたはそれ未満に安定化する制御手段であって、そのクロスド・スペ クトル応答特性に従って前記レーザを制御する複数のホログラフィック反射フィ ルタを含む制御手段と、 レーザの変調した安定化出力の波長をマルチプレクスする手段と、 を備えることを特徴とするマルチ・チャネル転送システム。 ２４．前記レーザの出力波長は、前記フィルタにおけるボリューム・ホログラフ ィック格子から生成された波長制御デバイスに対するフィードバック信号を使用 して、指定された波長で固定されることを特徴とする請求項２３に記載の装置。 ２５．温度を変更することにより前記レーザの出力波長を制御する手段と、ボリ ューム・ホログラフィック反射格子を使用して、前記レーザの出力の波長のずれ を検知する手段とをさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載の装置。 ２６．前記レーザの出力波長を、ボリューム・ホログラム反射器からの光学フィ ードバックを使用して所望の値で固定する手段をさらに備えることを特徴とする 請求項２３に記載の装置。 ２７．レーザから精密な所望の波長出力を獲得する装置であって、 格納された２または３以上の格子の対を有するホログラフィック記録エレメン トであって、各格子の対は、前記レーザの所望の動作点波長を定義し、前記格子 の対はそれらのクロストークを無視可能なように実質的に分離されたホログラフ ィック記録エレメントと、 前記格子の対の付近における波長で出力ビームを生成すべく、前記レーザを調 整する手段と、 を備えることを特徴とする装置。 ２８．各格子の対における前記格子は、その格子の対によって定義された所望の 動作点の上及び下に僅かにシフトした波長に中心を有することを特徴とする請求 項２７に記載の装置。 ２９．前記ホログラフィック格子の対は、ディスクリートに調整可能な分配フィ ードバック・レーザを提供すべく、前記記録エレメントにおける規則的な波長の 間隔で分配されることを特徴とする請求項２８に記載の装置。 ３０．前記レーザは、温度調整型の分配フィードバック・レーザであることを特 徴とする請求項２９に記載の装置。 ３１．所望の動作点波長の間のスペースは、少なくとも前記格子の１つの全体幅 の２分の１の幅よりも大きい規模のオーダーであることを特徴とする請求項２７ に記載の装置。 ３２．前記調整する手段は、 前記格子の対から反射された出力ビームの特性を解析し、それを示す検知器の 出力信号を生成する１つまたはそれ以上の検知器と、 前記検知器に接続され、検知器の出力信号間の差分を決定し、それに基づいて 前記出力ビームの波長を制御し、これにより、前記検知器の出力信号間の前記差 分を予め定められた値にする制御手段と、 を備えることを特徴とする請求項２７に記載の装置。 ３３．第１の組の光ビームを発生する外部波長スタンダードとしてボリューム・ ホログラフィック格子を使用する複数の正確な波長レーザと、 前記第１の組の光ビームを第２のマルチプレクスされた光ビームと合成する手 段と、 前記第２のマルチプレクスされた光ビームを転送する手段と、 前記第２のマルチプレクスされた光ビームを第３の独立した波長の光ビームに 分離する、光屈折材料における複数のボリューム・ホログラフィック格子と、 分離された第３の独立した光ビームを検知する手段と、 を備えることを特徴とする波長分割マルチプレクシング通信システム。 ３４．前記第１の組の光ビームは、夫々互いに異なる波長で動作することを特徴 とする請求項３３に記載の装置。 ３５．前記第１の組の光ビームを前記第２のマルチプレクスされた光ビームと合 成する手段は、前記第２のマルチプレクスされた光ビームを生成すべく、前記第 １の組の光を波長マルチプレクスする手段を含むことを特徴とする請求項３３に 記載の装置。 ３６．前記第３の独立した波長の光ビームは、夫々互いに異なる波長で動作する ことを特徴とする請求項３３に記載の装置。 ３７．前記レーザは、クロスド・ホログラフィック・フィルタ型の分布フィード バック・レーザであることを特徴とする請求項３３に記載の装置。 ３８．前記レーザは、夫々が単一のホログラフィック格子波長標準にロックする 分布フィードバックレーザを含むことを特徴とする請求項３３に記載の装置。 ３９．前記レーザは、波長選択ボリューム・ホログラフィック反射器を有する複 数の外部空洞・レーザを含むことを特徴とする請求項３３に記載の装置。 ４０．前記第１の組の光ビームを前記第２のマルチプレクスされた光ビームと合 成する手段は、光屈折クリスタル中に複数のボリューム・ホログラム格子を含む ことを特徴とする請求項３３に記載の装置。 ４１．光学的増幅システムにおけるノイズレベルを低減するシステムであって、 波長λ０で光学的出力を発生する正確な波長レーザと、 前記レーザに接続され、前記光学的な出力を増幅する光学的な増幅器と、 前記光学的な増幅器に接続され、前記光学的出力からの所望の波長以外の全て をフィルタリングする狭小な幅のホログラフィック・フィルタであって、該フィ ルタは、λ０の中心波長を有する１つまたはそれ以上のホログラフィック格子を 含み、該格子は、前記光学的な出力の全スペクトラムを反射するのに十分な幅で あるが、ノイズを取り巻かない、 ことを特徴とするシステム。 ４２．前記レーザは、前記光学的出力を波長λ０に維持すべく、前記フィルタか らのフィードバックを使用することを特徴とする請求項４１に記載の装置。 ４３．前記レーザは、交差フィルタ型の分布フィードバック・レーザと、ボリュ ーム・ホログラム・フィルタにロックした分布フィードバック・レーザと、ボリ ューム・ホログラムの外部空洞・レーザとを含むグループから選択されたレーザ を含むことを特徴とする請求項４２に記載の装置。 ４４．第１の周波数ｆ１に対応する第１の波長λ１で第１の光学的出力を発生す る第１の正確な波長レーザと、 第２の周波数ｆ２に対応する第２の波長λ２で第２の光学的出力を発生する第 ２の正確な波長レーザと、 周波数差ｆ１−ｆ２を含む第３の周波数ｆ３に対応する第３の波長λ３で第３ の光学的出力を生成すべく、前記第１及び第２の光学的出力を光学的にヘテロダ インを発生させる手段と、 を備えることを特徴とするシステム。 ４５．前記第１及び第２のレーザは、夫々１つまたはそれ以上のボリューム・ホ ログラムからのフィードバックを用いたレーザを含むことを特徴とする請求項４ ４に記載の装置。 ４６．前記第１及び第２のレーザは、交差フィルタ型の分布フィードバック・レ ーザと、ホログラフィック・フィルタ・ロック型の分布フィードバック・レーザ と、ボリューム・ホログラムの外部空洞・レーザとを含むグループから選択され ることを特徴とする請求項４４に記載の装置。 ４７．前記波長λ１は、波長λ３が約９ｍｍになるように、６７０ｍｍ周辺で０ ．５Åの波長から分離されることを特徴とする請求項４４に記載の装置。 ４８．前記第３の波長λ３は、マイクロメートルの範囲であることを特徴とする 請求項４４に記載の装置。 ４９．前記第３の波長λ３は、ミリメートルの範囲であることを特徴とする請求 項４４に記載の装置。 ５０．前記だ１及び第２のレーザは、夫々ホログラフィック反射器を含み、該装 置は、前記ホログラフィック反射器の波長を変更することにより、波長λ１及び 波長λ２を調整する手段をさらに備えることを特徴とする請求項４４に記載の装 置。 ５１．反射器の一面を境界としたレーザ媒体を有するレーザ照射デバイスの出力 波長を制御する方法であって、 前記反射器を境界としたビーム軸に沿って前記デバイスからのレーザ照射を方 向付ける工程と、 選択された出力波長で、前記ビームの狭小な幅成分のみ前記軸に沿って前記反 射器前方へ反射する工程と、 前記レーザ照射デバイスからのコヒーレントな波エネルギーを前記軸に沿って 転送する 工程と、 を備えることを特徴とする方法。 ５２．前記選択された出力波長は、可視光の範囲であることを特徴とする請求項 ５１に記載の方法。 ５３．レーザ利得媒体と、第１の空洞境界を定義する高反射面を有する第１の面 と、前記レーザ利得媒体と前記第１の面とに調節された非反射面を有する第２の 面とを有するレーザと、 外部空洞を定義すべく、前記レーザから選択された距離に配置され、前記レー ザ利得媒体と前記第１の面とに調節された光学的に無感度なホログラフィック反 射画像デバイスであって、約１．０Å以下のスペクトラム範囲の所望の動作周波 数での体積分布格子反射性と、少なくとも約１０％のオーダーでの回折効果とを 有するホログラフィック反射デバイスと、 レーザ照射を発生すべく前記レーザを励起する手段と、 を備えることを特徴とする外部空洞・レーザ。 ５４．前記ホログラフィック反射画像デバイスの波長は、赤外光であることを特 徴とする請求項５３に記載のレーザ。 ５５．前記ホログラフィック反射画像デバイスは、電磁気スペクトラムの赤領域 における光感度を増加すべく、高濃度のＦｅをドープしたＬｉＮｂＯ３のクリス タルを含むことを特徴とする請求項５３に記載のレーザ。 ５６．波長を調整するために前記ホログラフィック反射画像デバイスに接続され た手段を含み、前記レーザ利得媒体は、ファブリ・ペロー・レーザをさらに含む ことを特徴とする請求項５３に記載のレーザ。 ５７．複数の半導体レーザから１つまたはそれ以上の正確な波長のレーザビーム を発生するシステムであって、 アレイ状に配置された複数のレーザ利得デバイスであって、その夫々がレーザ ビームの軸と、前記ビームの軸に垂直な実質的に非反射の面とを含む複数のレー ザ利得デバイスと、 前記非反射の面から距離をもって配置された平面的な波長選択光反射器であっ て、該反射器は、レーザ利得媒体からの投射にブラッグ整合し、他の全波長を透 過する永続的なホログラフィック格子を含み、反射された放射は、ホログラフィ ック格子によって定義される波長で前記レーザ利得デバイスからのコヒーレント なビームを補強し、これにより、選択された波長で複数の空間的にコヒーレント なビームが生成される、 ことを特徴とするシステム。 ５８．前記反射器は、単一の波長の出力を生成するため、特定の波長で単一のホ ログラフィック格子であることを特徴とする請求項５７に記載のシステム。 ５９．前記反射器は、互いに異なる投射波長で夫々反射する別個独立したホログ ラフィック格子に含まれることを特徴とする請求項５７に記載のシステム。 ６０． 未知媒体の分析を行う示差吸収スペクトロスコピー装置であって、 前記未知媒体を通過するように方向づけられる出力ビームを生成するために、 １つかそれ以上のボリュームホログラフィック格子からのフィードバックを利用 するレーザを備える精密波長レーザと、 前記未知媒体による出力ビームの放出と吸収を検出する検出器と を備えることを特徴とする示差吸収スペクトロスコピー装置。 ６１． 前記精密波長レーザは、ボリュームホログラフィックフィルターロック ド分布フィードバックレーザと、交差フィルタ分布フィードバックレーザと、ホ ログラフィック格子外部空洞レーザとを備えるグループから選ばれたレーザを備 えることを特徴とする請求項６０に記載の示差吸収スペクトロスコピー装置。 ６２． 前記出力ビームを異なる波長に調整するために、前記レーザの波長を変 える手段をさらに備えることを特徴とする請求項６１に記載の示差吸収スペクト ロスコピー装置。 ６３． 前記変える手段は、前記ボリュームホログラフィック格子の温度を制御 する温度制御手段を備えることを特徴とする請求項６２に記載の示差吸収スペク トロスコピー装置。 ６４． 前記変える手段は、前記ボリュームホログラフィック格子を含む媒体上 に交差透過電極が適用された電気的フィールドを備えることを特徴とする請求項 ６２に記載の示差吸収スペクトロスコピー装置。 ６５． 複数の精密な波長レーザと１つかそれ以上の検出器をさらに備え、 前記レーザによって生成された出力ビームは、互いに異なる既知の固定波長を 有し、 前記レーザからの出力ビームは、未知の媒体を通過して、各々の検出器に向か い、異なる波長で放出と吸収を同時に獲得することを特徴とする請求項６０に記 載の示差吸収スペクトロスコピー装置。 ６６． ボリュームホログラフィック反射格子を用いて、レーザからの出力ビー ムの波長を、外部波長標準にロックする方法であって、 前記レーザの出力ビームの一部を、既知の格子周期を有するボリュームホログ ラム反射格子に方向づけし、 前記ボリュームホログラム反射格子を通じて伝送される前記出力ビームの光学 的パワーを測定し、 最小パワーが、前記ボリュームホログラム反射格子を通じて伝送されるまで、 前記出力ビームの波長を調整し、前記ボリュームホログラム反射格子でのブラッ グ（Bragg）条件を満足させる 各工程を備えることを特徴とする方法。 ６７． 前記ボリュームホログラム反射格子のブラッグ（Bragg）条件を満足さ せる中心波長は調整可能であり、それによって、可変波長のレファレンスを提供 することを特徴とする請求項６６に記載の方法。 ６８． 前記ボリュームホログラム反射格子の波長は、前記ボリュームホログラ ム反射格子を含む媒体を傾けることによって調整され、前記中心波長をより短い 波長にシフトすることを特徴とする請求項６７に記載の方法。 ６９． ボリュームホログラフィック反射格子を用いて、レーザからの出力ビー ムの波長を、外部波長標準にロックする方法であって、 前記レーザの出力ビームの一部を、既知の格子周期を有するボリュームホログ ラム反射格子に方向づけし、 前記ボリュームホログラム反射格子を通じて伝送される前記出力ビームの光学 的パワーを測定し、 最大パワーが、前記ボリュームホログラム反射格子から反射されるまで、前記 出力ビームの波長を調整し、前記ボリュームホログラム反射格子でのブラッグ（ Bragg）条件を満足させる 各工程を備えることを特徴とする方法。 ７０． 前記ボリュームホログラム反射のブラッグ（Bragg）条件を満足させる 中心波長は調整可能であり、それによって、可変波長のレファレンスを提供する ことを特徴とする請求項６９に記載の方法。 ７１． 前記ボリュームホログラム反射格子の波長は、前記ボリュームホログラ ム反射格子を含む媒体を傾けることによって調整され、前記中心波長をより短い 波長にシフトすることを特徴とする請求項７０に記載の方法。 ７２． 外部波長レファレンスとしてのボリュームホログラム反射格子を用いる レーザであって、 前記レーザの出力の一部が、前記ボリュームホログラム反射格子に方向づけら れる、波長制御機構を含む可変波長レーザと、 前記ボリュームホログラム反射格子の反射波長を調整する手段と、 前記ボリュームホログラム反射格子によって反射されるパワーが極小値になる まで、前記レーザの出力の波長を調整する手段と を備えることを特徴とする方法。 ７３． 前記ボリュームホログラム反射格子の反射波長は、前記ボリュームホロ グラム反射格子への、前記出力の投射角を変えることによって調整されることを 特徴とする請求項７２に記載の方法。 ７４． 前記レーザは、調整可能外部空洞半導体レーザと色素レーザと調整可能 個体レーザと電流調整分布フィードバックレーザと温度調整分布フィードバック レーザとを備えるグループから選ばれることを特徴とする請求項７２に記載の示 差吸収スペクトロスコピー装置。 ７５． レーザ出力波長を、固定で既知の標準に制御する調整可能な波長標準デ バイスであって、 前記レーザ出力を、通常投射で、かつ、固定波長で反射するために構成された ボリュームホログラム反射格子と、 反射された出力を生成するために、前記レーザ出力の一部を、前記ボリューム ホログラム反射格子に方向づけし、 前記ボリュームホログラム反射格子からの反射出力の中心波形を変える手段と 、 前記反射出力の伝送パワーを検出し、前記伝送パワーが極小になるまで、前記 レーザの出力波長を制御する手段と を備えることを特徴とする波長標準デバイス。 ７６． 前記中心波形を変える手段は、前記レーザ出力の投射に対して、前記ボ リュームホログラム反射格子を含む媒体を傾け、前記反射出力の中心波長をシフ トさせる手段を備えることを特徴とする請求項７５に記載の波長標準デバイス。