JPH11289118A

JPH11289118A - 波長可変レーザ光源装置

Info

Publication number: JPH11289118A
Application number: JP10105589A
Authority: JP
Inventors: Seihan Machitori; 誠範待鳥; Shigeru Kinugawa; 茂衣川; Takanori Saito; 崇記斉藤
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1998-03-31
Filing date: 1998-03-31
Publication date: 1999-10-19
Anticipated expiration: 2018-03-31
Also published as: JP3197869B2; US6081539A; DE69902963T2; DE69902963D1; EP0951112A3; EP0951112A2; EP0951112B1

Abstract

(57)【要約】【課題】モードホップを抑止して、光増幅素子によって
発振可能な全帯域にわたって所望の波長付近で発振波長
の連続掃引が可能な波長可変レーザ光源装置を提供す
る。【解決手段】回折格子２１と第１の反射器２２とを含む
回折手段２と、光増幅部１と第１の反射器３とで外部共
振型レーザが構成される。ＬＤ１１から回折手段２に向
かう光の光軸が、回折手段２からＬＤ１１に向かう光の
光軸となす角度を角度検出手段４で検出し、それを誤差
信号として制御部５を介し、共振器長を制御する。

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、半導体レーザ（以後、
ＬＤという。）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。最も広く用いられている波長選択素子は
回折格子であり、光の入射方向に対する回折格子の角度
を変化させて選択する波長を変化することが行われてい
る。

【０００４】図９（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９（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）、（ｅ）に発振波長決定の原理を示す。このよう
な外部共振型レーザは図９（ａ）に示すように一方の端
面１１ｂがＡＲ（低反射率）コートされたＬＤ１１とレ
ンズ１３ａ、１３ｂとＡＲコートされた端面側に配置さ
れた回折格子２１とから構成されている。前記回折格子
２１は回転及び並進が可能となっており、該回折格子２
１と前記ＬＤ１１の他方の端面（ＡＲコートされていな
い方の端面）１１ａとで外部共振器を構成している。な
お、このようにＬＤからの光を受けた回折格子によって
直接ＬＤに向けて回折される光の波長が選択波長となる
ような回折格子の配置はリトロー配置と呼ばれている。

【０００５】リトロー配置を用いた場合に限らず、波長
選択素子を含む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。一つは、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９（ｂ）に示すような
光共振器で、共振器全体の光学的長さ（以後、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（以後、ＦＳＲという。ＦＳＲ；
ＦｒｅｅＳｐｅｃｔｒａｌＲａｎｇｅ）は（ＦＳ
Ｒ）＝ｃ／（２Ｌ）であり、図９（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。ここでは、このような共振周波数に対応する波
長を共振波長と呼ぶことにする。

【０００６】もう一つは、図９（ｄ）に示したような回
折格子、あるいは一般に波長選択素子、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、回折格子の選択波
長域内での利得は一定と考えてよいため、帯域制限され
た利得分布と回折格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９（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１０に共振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１０（ｅ）に模式的
に示している共振器長Ｌと回折格子への光の入射角θを
減少させていくと、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、
（ｄ）のように共振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共振波長と選択
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、発振してい
る共振波長と選択波長とを連動させて、つまり、リトロ
ー配置の外部共振型レーザでは共振器長と回折格子の角
度を適切な関係を保持しながら同時に変化させて、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
係を保持しながら共振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。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回
折格子の角度変化と共振器長変化と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、共振
波長と選択波長の制御の自由度を増すものである。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
る制御量の組み合わせに基づいて個別に行うものであ
る。

【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
が波長分散性を有しているので、回折格子の角度変化と
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
では波長連続掃引範囲が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、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ものの、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
制御量の組み合わせを見いだして、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、特定の波長では多モード発
振や発振不可能となる場合もある。そして、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。さらに、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
ても弱い欠点がある。

【００１０】また、従来の外部共振型レーザでは、その
調整段階において、所望の波長付近で発振波長が変化す
るように回折格子等を支持している可動部を動かしなが
ら、モードホップが発生する波長を調べ、その波長間隔
つまり連続掃引範囲が広がるように調整が進められてい
る。この際、調整すべき方向を示す観測量がないため
に、試行錯誤による連続掃引範囲の最大点探索が行われ
ており、生産性の向上を阻害している。

【００１１】本発明の第１の目的はモードホップを生じ
させる発振波長と選択波長のずれを符号も含めて検出す
る有効な手段を含み、モードホップ抑止のために試行錯
誤に依らない系統的な調整が可能な波長可変レーザ光源
装置を提供することである。第２の目的は、モードホッ
プを抑止して、光増幅素子によって発振可能な全帯域に
わたって所望の波長付近で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
可変レーザ光源装置を提供することにある。このこと
は、発振可能な全帯域において波長連続掃引が可能であ
る波長可変レーザ光源装置を提供することとも同義であ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような欠点は主とし
て２つの原因から生じている。第１の原因はモードホッ
プを生じさせる発振波長と選択波長のずれを符号も含め
て検出する有効な手法が存在しなかったことである。第
２の原因は、第１の原因から派生して、従来から採用さ
れてきたモ−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
御の考え方に基づかざるを得なかったためである。そこ
で、請求項１の発明では、発振波長と選択波長との差の
情報を含んだ観測量として、回折格子からＬＤに帰還さ
れる光の光軸の角度変化を観測量として採用することと
した。すなわち、請求項１の波長可変レーザ光源装置
は、レーザ光を発振する半導体レーザと、該レーザ光を
回折し、その回折したレーザ光のうち所定の波長のレー
ザ光を前記半導体レーザに帰還するための回折手段と、
前記半導体レーザに帰還するレーザ光の一部を受光し、
前記半導体レーザに帰還するレーザ光の光軸と前記半導
体レーザが発振したレーザ光の光軸とのなす角度を検出
する角度検出手段とを備えている。

【００１３】次に請求項２の発明では、この観測量に基
づいて帰還する制御量を決める閉ループ制御を採用する
こととした。すなわち、請求項２の波長可変レーザ光源
装置は、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、第一の反射器及び回折格
子を含んでいて、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所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
する回折手段とを備えた外部共振器を含む波長可変レー
ザ光源装置において、前記半導体レーザから出射された
光の光軸と前記回折手段から反射された回折光の光軸の
なす角度を検出する角度検出手段と、検出された前記角
度を零とするように前記外部共振器の共振器長と前記反
射装置の選択波長と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。

【００１４】閉ループ制御が最も標準的な工学的手段と
し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等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。前者について
は、後述するように回折格子から帰還される光の角度変
化を検出することで容易に解決される。また、後者につ
いては近年のＬＤの特性改善により、共振器内に片道９
０％（１０ｄＢ）以上の損失があっても注入電流を増せ
ば十分発振するものが多く、技術上の問題はない。

【００１５】ここでリトロー配置の外部共振型レーザを
例にとって発振波長と選択波長との差が回折方向に与え
る影響と制御の手法を説明する。図３はリトロー配置の
外部共振型レーザと、その発振波長の光の回折方向を模
式的に示した説明図である。まず、図３（ａ）の状態で
は発振波長λ0 と選択波長λg とが一致しているものと
し、これを初期状態とする。つまり、図のように、ＬＤ
から回折格子へ向かう光の光軸から上向きに計った角度
をψとすると、この状態での回折光はψ＝０の方向に向
かう。図３（ｂ）は、初期状態から回折格子の角度を変
えずに共振器長だけが短くなった場合である。発振波長
λ1 は共振器長に伴って λ1 ＜λg となる。回折格
子の角度は不変であるから、回折光は図示したようにψ
＞０の方向に向かう。なお、本明細書中の回折光の角度
に関する表記は紙面上への射影の面内での角度を意味す
るものとし、紙面と垂直な方向の偏角は無視できるもの
として議論する。また、図３では誇張して描いている
が、現実には僅かな角度変化が対象であり、図３（ａ2
）〜（ｃ2 ）に示したように、回折光の大部分はＬＤ
に帰還され、レーザ発振は維持される。図３（ｂ）とは
逆に、共振器長だけが長くなった場合には、発振波長λ
2 はλ2 ＞λg となり、図３（ｃ）に示すように回折光
はψ＜０の方向に向かう。したがって、回折格子からＬ
Ｄへ向かう光の角度ψは、そのときの選択波長λg と発
振波長λとの差 λg −λ に対してほぼ比例すること
になる。

【００１６】そこで、例えば、回折格子の角度を固定し
て共振器長を調整する場合、上向きの偏角をもつ場合に
共振器長を長くし、下向きの偏角をもつ場合に短くする
ように調整を進めれば、系統的かつ容易に選択波長と発
振波長とを一致させることができる。同様に、このよう
な調整を自動制御手段によって行えば、閉ループ制御が
実現できる。このようにして選択波長に対して発振波長
が一致するように調整あるいは制御を施すことによっ
て、結果的にモードホップを抑止することができる。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は請求項１に対応する本発明
の第一の実施の形態を示す構成図、図２は請求項２に対
応する本発明の第二の実施の形態を示す構成図である。
請求項１及び請求項２の発明について、その実施の形態
は帰還制御の有無を除いて同一であるから、以下、主と
して請求項２の発明に関して、図２に基づいて全体的な
形態を説明する。回折格子２１と第１の反射器２２とを
含む回折手段２と、光増幅部１と、第２の反射器３とは
外部共振型レーザを構成するものである。光増幅部１は
ＬＤ１１及びＬＤを駆動するための電流源１２とレンズ
１３ａ、ｂからなり、この場合、ＬＤ１１の入出射端面
１１ａ、ｂにはＡＲコートが施されている。リトロー配
置では回折格子２１が第１の反射器２２を兼ねることに
なる。回折手段２には制御部５からの信号を受けて、回
折格子２１または第１の反射器２２を回転させる選択波
長可変手段２３及びこれらを並進させる共振器長可変手
段２４が含まれる。以上が従来と同様の波長可変レーザ
光源装置である。

【００１８】本発明では、これに加えて、回折格子２１
からＬＤ１１へ向かう光の光軸がＬＤ１１から回折格子
２１へ向かう光の光軸となす角度を検出する角度検出手
段４を導入する。偏角に基づいて検出された信号は帰還
制御のための誤差信号として制御部５に入力される。制
御部５は、従来のように外部から入力される波長設定信
号に基づいて電流源１２、選択波長可変手段２３、共振
器長可変手段２４に対して所定の制御信号を出力するこ
とに加え、角度検出手段４で検出された誤差信号に基づ
いて、これらの制御対象の少なくとも１つに対する帰還
制御信号を前記所定の制御信号に付加して出力する。

【００１９】角度検出手段４は分波器４１と受光器４２
ａ、ｂ及び演算器４３とからなる。分波器４１は回折手
段２から光増幅部１に向かう光の一部を取り出し、受光
器４２ａ、ｂに入射させる。受光器４２ａ、ｂは、回折
格子２１からＬＤ１１へ向かう光の光軸とＬＤ１１から
回折格子２１へ向かう光の光軸とのなす角度が０°のと
き、分波器４１によって分波された光束の半分づつを受
光するように配置する。演算器４３は、受光器４２ａ、
ｂの受光信号に基づいて、光増幅部１から回折手段２に
向かう光の光軸と回折手段２から光増幅部１に戻る光の
光軸とのなす角度に相当する量を検出するものである。
ここでは、単純に２つの受光信号の差を誤差信号として
出力する例を示している。

【００２０】共振器長を可変とするには、この例のよう
に、回折手段２の内部に共振器長可変手段２４を設ける
ほか、第２の反射器３を並進させる方法、ＬＤの駆動電
流を変化させる方法、外部共振器内に光路長を変化させ
るための透過性の媒質を挿入して、その厚みや屈折率を
変化させる方法等を採ってもよい。この実施の形態から
制御部５の中で角度検出手段４からの誤差信号を帰還す
る部分を除いたものが、請求項１の発明の実施の形態で
ある。前記誤差信号が取り出せるようになっているの
で、該誤差信号を用いて、例えば波長と回折格子の角度
との調整などができる。

【００２１】ここで例示した角度検出手段４の動作につ
いて、図４に基づいて説明する。図４（ａ）は角度検出
手段４の構成とその内部での光束の位置を模式的に示す
ものである。図４（ｂ）は受光面と光束との位置及び大
小関係を示すものである。上述の通り、選択波長λg と
発振波長λの大小関係により、回折格子からＬＤへ向か
う光の光軸の角度が変化する。そこで図４（ａ）のよう
な位置関係で、分波器４１、受光器４２ａ、ｂを配置し
て、演算器４３で２つの受光信号の差を演算して偏角を
検出する。受光器の受光面と光束との関係は図４（ｂ）
のように、例えば、光束の太さよりも大きな有効受光面
をもつ２つの受光器を、発振波長λが選択波長λg と一
致したときに、つまりモードホップが生じにくい波長で
発振しているときに、２つの受光器の受光量が等しくな
るように配置すればよい。実際の受光面の大きさが、光
束の太さに対して小さ過ぎる場合などには適当なレンズ
等を用いて、光束の太さを調整すればよい。

【００２２】このような配置において、図４（ｃ）は偏
角つまり選択波長λg と発振波長λの差に対する受光器
４２ａ、ｂの受光信号を示すものであり、図４（ｄ）は
選択波長λg と発振波長λの差に対する演算器４３の出
力つまり誤差信号を示すものである。受光器に向かう光
束の全光量が一定とすれば、当然、図４（ｃ）のように
光束が中央から左に動けば、左の受光器４２ａの受光量
増加に伴い受光信号Ｓa が増加し、右の受光器４２ｂの
受光信号Ｓb は減少する。したがって、この２つの受光
信号の差Ｓb −Ｓa を演算器４３で算出すれば、図４
（ｄ）のような誤差信号が得られることになる。受光器
に向かう光束の全光量の変動を除去したければ、演算器
４３で（Ｓb −Ｓa ）／（Ｓb ＋Ｓa ）を算出すればよ
い。

【００２３】ここで、図５を参照して前記誤差信号の弁
別感度について検討する。光束はガウス型光束であると
仮定し、該光束の太さより十分広い２分割受光器を考え
る。図５（ｂ）は、ガウス型光束の強度分布を示すもの
であり、横軸の単位として、ビーム半径を採っている。
ビーム半径の定義として、強度が光束の中心の１／ｅ
（ｅは自然対数）に減少する距離の場合と、強度が光束
の中心の１／２に減少する距離（半値半幅）の場合とを
併記している。図５（ｃ）、（ｄ）は、分割受光器の受
光領域の形状の例である。図５（ｃ）は仮想的に分割さ
れた２つの受光領域に間隙がない場合を、図５（ｄ）は
間隙が光束の強度1/e で定義されたビーム半径と等しい
場合を示している。図５（ｃ）、（ｄ）の中の円は、光
束の強度1/e で定義されたビーム半径をもって描いてあ
り、間隙の広さと光束の太さとの関係を示すものであ
る。

【００２４】図５（ａ）は弁別信号（Ｓb −Ｓａ）／
（Ｓb ＋Ｓａ）を示すものであり、実線は図５（ｃ）の
場合，破線は図５（ｄ）の場合である。横軸の原点は分
割線上に光束の中央が位置する場合にとっている。実線
の原点付近での傾き、つまり、ビーム半径を単位とした
弁別感度は，上横軸に示した半値半幅（ＨＷＨＭ）を単
位とすると、約０．９４（２√（log ２／π））であ
る。現実には受光領域の間隙によって、この傾きが緩や
かになるが、破線のようにビーム半径だけの間隙がある
場合でも、原点付近の傾き０．８程度を得ることができ
る。受光器に入射する光束の太さはレンズ等によって自
由に変えることができるから、受光領域の形状に合う適
切な太さとすれば、この間隙による弁別感度の低下は問
題とならない。一方、回折格子の波長分解能は、回折方
向がビームの半値半幅だけ偏位する波長変化量である。
したがって、発振波長と選択波長の差が回折格子の分解
能の１／１０のときに、弁別信号は０．０８程度とな
り、これはフルスケール（図の縦軸の0 〜1 ）の８％程
度に相当し、十分な弁別感度ということができる。

【００２５】ＬＤを用いた外部共振型レーザで多用され
ているリトロー配置の構成では、回折格子の分解能と共
振器のＦＳＲの比は、およそ５以上である。したがっ
て、この構成について有効な制御を施すには、発振波長
λと選択波長λg の差を回折格子の分解能の１／１０程
度以下で十分に検出できるだけの弁別感度が必要にな
る。上述の誤差信号の値は、ＳＮ比の低い観測でも十分
弁別可能な信号が得られることを意味している。

【００２６】受光器の位置については、図４（ａ）の場
合、モードホップが生じにくい条件下で２つの受光信号
ができる限り等しくなるように初期調整しておくことが
望ましいが、本発明では受光器の位置調整が不完全であ
っても、あるいは経時変化が生じても、受光信号から誤
差信号を得る電気的な処理によって補償を行うことがで
きる。例えば、演算器４３で、Ｓb −ｇ・Ｓa を算出す
るものとして、係数ｇを１の前後で変化させることは、
受光器４２ａ、ｂを同時に左右に動かすことと、ほぼ同
等である。したがって、従来のように開封、分解して機
械的な調整を行う必要はない。

【００２７】受光器４２ａ、ｂの配置については、図４
（ａ）のように同一の回折光束を分割して受光する方法
以外にも様々な方法が考えられる。図６はその一例の構
成図である。分波器４１で分波された光を、さらに第２
の分波器４４で分波して、分波された２つの光束中に遮
蔽板４５ａ、ｂを配置して、それぞれの光束を受光器４
２ａ、ｂで受光する構成である。遮蔽板４５ａ、ｂで各
々の光束の左右半分を遮れば、この構成は図４（ａ）と
等価である。遮蔽板４５ａがない場合には、例えば第２
の分波器４４の分岐比が１：１であれば、受光信号Ｓa
、Ｓb に基づいて、演算器４３でＳb −Ｓa ／2 を
算出することにより、図４（ａ）の場合と同様な誤差信
号が得られる。この場合、Ｓaに対応する全光量が変化
しても誤差信号に対する影響がでない。あるいは、受光
器４２ａは分波器４１で分波された全光量に比例した受
光信号Ｓa を出力するから、これを一定値Ｓ0 に保つよ
うにＬＤの注入電流を制御しておけば、演算器４３は受
光信号Ｓb だけを受けて、Ｓb −Ｓ0 ／2 を算出する構
成でもよい。また、遮蔽板４５ａ、ｂを置かずに、受光
器４２ａ、ｂの位置を光束の中心からずらして、光束の
半分が有効受光面に入射するようにしてもよい。

【００２８】ここでは帰還制御を前提としたため、観測
信号から誤差信号を生成する処理が単純になるように２
つの受光器を用いる例を示したが、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇ
ｅ−ＣｏｕｐｌｅｄＤｅｖｉｃｅ；電荷結合素子）ア
レイのように光束の強度分布を１次元ないし２次元的に
検出するものを利用して、その強度分布の重心移動を検
出する手法や、照射点の位置を電気抵抗に変換する素子
などを利用する手法を採ってもよい。なお、図４（ａ）
で分波器４１から上向きに分波された光、つまりＬＤか
ら回折格子へ向かう光や出力光など、を受光してその光
量と図４（ａ）の受光器４２ａ、ｂのいずれか一方とを
用いる方法や、図４（ａ）の受光器４２ａ、ｂのいずれ
か一方しか用いない方法も原理的には考えられるが、回
折効率や全光量の変動の影響が誤差信号に現れやすい難
点がある。また、分波器４１を用いずに外部共振器内の
光束の一部に受光器４２ａ、ｂを挿入することも考えら
れるが、光束の強度分布が乱されて回折格子の分解能を
落とす恐れや迷光がＬＤに帰還されて発振が不安定にな
る恐れがある。

【００２９】帰還制御の制御対象は、共振器長つまり発
振波長と、選択波長の一方または両方とすることができ
るが、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、選択波長を設定し、その選択波長に共振
波長を追従させる方法が自然なためである。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
追従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
械的な変位を利用し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、選択波長の追従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。

【００３０】

【実施例】請求項１及び請求項２の発明について、その
実施例は帰還制御の有無を除いて同一であるから、以
下、請求項２の発明に関して記述する。図５は本発明の
第一の実施例を示す構成図である。本実施例はリトロー
配置の回折格子を用いた外部共振型レーザに角度検出手
段４を付加して、帰還制御を行う構成を採用したもので
ある。光増幅部１はＬＤ１１と電流源１２及びレンズ１
３ｂとを含んでいる。ＬＤ１１の一方のレーザ光出射端
面１１ｂはＡＲコートされ、他方のレーザ光出射端面１
１ａは第２の反射器３として用いられている。前記ＬＤ
１１は電流源１２によって駆動される。レンズ１３ｂは
前記ＬＤ１１のＡＲコートされている端面１１ｂから出
射される発散性の光を平行光に変換して回折手段２に入
射する。回折手段２は第１の反射器２２を兼ねるリトロ
ー配置された回折格子２１と該回折格子２１の回転及び
並進を行う機構（選択波長可変手段２３及び共振器長可
変手段２４）とを含んでいる。角度検出手段４は分波器
４１と、レンズ４６と受光器４２ａ、ｂと、演算器４３
とを含んでいる。分波器４１は、前記ＬＤ１１のＡＲコ
ートされている端面１１ｂと前記回折手段２との間に配
置され、回折手段２からＬＤ１１へ向かう光の一部を分
岐する。レンズ４６は、この分岐された光を集光する。
本実施例ではレンズ４６への入射光は平行光であるか
ら、レンズ４６の出射光束は焦点付近で最も細くなる。
受光器４２ａ、ｂは、レンズ４６の焦点付近に、モード
ホップが生じにくい発振波長の下で、前記分波器４１に
よって分岐された光束の左右半分ずつの光量を検出する
ように配置されている。演算器４３は該受光器４２ａ、
ｂからの信号を受けて、その差を誤差信号として出力す
る差動増幅器である。制御部５は外部からの波長設定信
号に基づいて電流源１２及び回折手段２を所定の動作条
件に設定する他、前記角度検出手段４から出力される誤
差信号を受け、回折手段２を制御するようになってい
る。

【００３１】ＬＤ１１の光出射端面１１ａと回折手段２
の回折格子２１との間に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つの共振モード波長でレ
ーザ発振が生じる。この外部共振器内に設けられた分波
器４１によって、回折手段２からＬＤ１１へ帰還する光
の一部が分岐され、その分岐された光束のほぼ左右半分
ずつの光量が受光器４２ａ、ｂ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２つの信号は演算器４
３に入力され、その差が算出されて、ＬＤ１１から回折
手段２に向かう光の光軸と回折手段２からＬＤ１１に向
かう光の光軸とのなす角にほぼ比例した信号に変換され
る。この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。これを制御部５によって共振器長
可変手段（回折格子並進機構）２４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従することに
なる。受光器４２ａ、ｂとしては、２つの受光面が近接
していることが望ましいため、本実施例では受光面２分
割型のフォトダイオードを採用している。

【００３２】本実施例において、レンズ４６を設けて、
その焦点近傍に受光器４２ａ、ｂを配置した理由は、角
度検出手段４の弁別感度を最大とし、かつ、分波器４１
から受光器４２ａ、ｂまでの距離を短くするためであ
る。一般に光束の角度変化を観測面上での光束の変位か
ら検出する場合、角度変化を生じる部分から観測面まで
の距離と観測面上での光束の変位は比例する。一方、ビ
ームウエスト位置から観測面までの距離を大きくするほ
ど、光束のビーム径が大きくなるが、その拡がり方は単
純な比例関係ではない。（外部共振器型レーザの場合に
は、角度変化を生じる部分の光束は、通常、平行光であ
るから、角度変化を生じる部分とビームウエスト位置と
は同一視できる。）ビームウエスト位置から十分遠方で
は観測面までの距離とビーム径はほぼ比例するが、ビー
ムウエスト付近では緩やかに拡大していく。従って、ビ
ーム径を単位として、光束の変位を計る場合、角度変化
を生じる部分から観測面までの距離は大きいほどよい。

【００３３】数値例として、波長1.55μｍ、ビーム半径
１ｍｍのガウス型光束では、フレネル領域の遠端はビー
ムウエストから約４ｍ離れた位置である。ここでのビー
ム径を単位とした光束の変位は、無限遠での約０．７
（＝１／√２）倍であり、観測面は１０ｍ以上離すこと
が望ましい。現実に、このように遠く離れた位置に観測
面を置くことは、装置の大型化を招くばかりでなく、振
動や光路中の空気のゆらぎや散乱などの影響を受けやす
い難点がある。

【００３４】そこで、本実施例ではレンズ４６によっ
て、その後焦点面に縮小された遠視野像を得て、そこで
受光を行うこととしている。前述の数値例で観測面を１
０ｍ離した場合、そこでのビーム半径は約２．７ｍｍと
なり、０．１ｍｒａｄの角度変化による観測面上の光束
の変位は１ｍｍとなる。従って、ビーム径を単位とした
光束の変位は、１／２．７≒０．３７となる。一方、焦
点距離１０ｃｍのレンズを用いた場合、焦点面でのビー
ム半径は２５μｍとなり、０．１ｍｒａｄの角度変化に
よる観測面上の光束の変位は１０μｍとなる。従って、
ビーム径を単位とした光束の変位は、１０／２５＝０．
４となる。これらの数値例を比較すれば明らかなよう
に、レンズを用いれば、最良の弁別感度を短い距離で得
ることができる。

【００３５】この他、レンズ４６を使用する理由は、受
光器４２ａ、ｂの受光領域の大きさや間隙に、光束の太
さを適合させるためでもある。また、受光器４２ａ、ｂ
の表面反射光がレーザ共振器に戻ると発振が不安定にな
るため、分波器４１によって分岐した光路中に光アイソ
レ−タを挿入する場合もある。このようなときに、レン
ズ４６は光アイソレ−タの挿入を容易にする目的でも有
用である。一般に回折格子２１に向かう光束の太さは、
回折格子２１の波長分解能を高くとるため、数ｍｍのビ
ーム半径を持っている。一方、市販の受光器や光アイソ
レータの有効半径は１ｍｍ以下のものが多い。従って、
レンズによって光束を細くすることにより、ビーム径の
不適合から生じる弁別感度の低下や光アイソレータによ
るケラレを防ぐことができる。なお、本実施例では簡単
のため、１枚の凸レンズを用いた例を示したが、複数枚
のレンズや曲面ミラーを組み合わせて使用することも可
能であり、ビーム径の調整が必要な場合などに有効であ
る。

【００３６】図８は本発明の第二の実施例を示す図であ
る。本実施例はリットマン配置の回折格子及びミラーを
用いた外部共振型レーザに角度検出手段４を付加して、
帰還制御を行う構成を採用したものである。光増幅部１
から回折格子２１に入射した光を一度回折させ、その回
折光（０次回折光以外）を第１の反射器であるミラー２
２によって反射し、再び回折格子２１に入射して、その
回折光を光増幅部１に帰還する。したがって、レーザ発
振は、第２の反射器３であるＬＤ１１の片端面１１ａ、
光増幅器１、回折格子２１、ミラー２２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２２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２２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５の構成と動作については、移動対
象をミラー２２とすることと、低周波成分の制御信号を
共振器長可変手段２４に、高周波成分の制御信号を電流
源１２に帰還すること以外、第一の実施例と同様であ
る。ＬＤは活性領域または位相制御領域を流れる電流に
よって内部の屈折率が変化する性質を有するため、駆動
電流を変化することによって外部共振器の共振器長を変
化することができる。したがって、共振器長は共振器長
可変手段２４と、ＬＤ１１への電流源１２からの駆動電
流とによって決まる。

【００３７】本実施例のような共振器構造をとると、第
一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回折角
が大きく変化するため、発振波長変化の弁別感度が高く
なり、より確実なモードホップ抑止が実現できる。さら
に、制御信号の高周波成分をＬＤの駆動電流として帰還
することによって、外部共振器の共振器長を高速に制御
できる。このため、振動によるモードホップのように、
機械的には追従できない高周波の外乱に起因するモード
ホップを抑止する効果がある。また、波長掃引を行う場
合、選択波長の掃引に追従して、共振波長が変化しなけ
ればならない。ＬＤへの電流帰還を利用すれば、この追
従速度が速いため、波長掃引速度を速く設定することが
できる。

【００３８】

【発明の効果】請求項１の発明により、外部共振型レー
ザ光源にモードホップの原因となる発振波長と選択波長
との差を検出する手段を導入したことで、所望の波長付
近でモードホップを抑止する調整が容易かつ系統的に行
える波長可変レーザ光源装置が実現された。さらに請求
項２の発明により、外部共振型レーザ光源のモードホッ
プ抑止について、モードホップの原因となる発振波長と
選択波長との差を検出する手段とその検出信号に基づい
て発振波長と選択波長とが一致するように帰還制御する
手段から成る閉ループ制御の手法を取り入れることで、
使用される光増幅器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
装置が実現された。また、波及効果として、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波長設定信号を補正するような帰
還制御を施せば容易に解決できる。これは本発明によっ
て、外部からの波長設定信号に対する制御性が向上した
結果である。なぜならば、このような利用形態では、前
提としてモードホップが生じないことを要するためであ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図２】本発明の第二の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図３】発振波長と回折格子による回折方向との関係を
説明するための図であり、（ａ）は発振波長と選択波長
が一致している場合、（ｂ）は発振波長が選択波長より
小さい場合、（ｃ）は発振波長が選択波長より大きい場
合を示す図である。

【図４】角度検出手段の動作を説明するための図であ
り、（ａ）は角度検出手段の構成図、（ｂ）は受光器と
光束との位置関係を示す図、（ｃ）及び（ｄ）は受光器
と光束との各位置関係と検出信号との関係を説明するた
めの図である。

【図５】角度検出手段の誤差信号の弁別感度について説
明するための図であり、（ａ）は規格化弁別信号と照射
点変位との関係を示す図、（ｂ）は規格化光強度と距離
との関係を示す図、（ｃ）及び（ｄ）は分割受光器の受
光領域の形状の例で、間に隙間のない場合とある場合を
示す図である。

【図６】角度検出手段の他の実施の形態を示す構成図で
ある。

【図７】本発明の第一の実施例を示す構成図である。

【図８】本発明の第二の実施例を示す構成図である。

【図９】回折格子を用いた外部共振型レーザの発振波長
決定の原理を説明するための図であり、（ａ）は回折格
子を用いた外部共振型レーザの構成図、（ｂ）は光共振
器を示す図、（ｃ）は透過率を示す図、（ｄ）は波長と
利得の関係を示す図、（ｅ）は発振波長、選択波長、共
振波長の関係を示す図である。

【図１０】共振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説明するための図であり、
（ａ）〜（ｄ）は共振器長Ｌ、入射角θが変化していく
各段階での発振波長、選択波長、共振波長の関係を示す
図、（ｅ）は共振器長Ｌと入射角θを模式的に示す図で
ある。

【符号の説明】

１光増幅部２回折手段３第２の反射器４角度検出手段５制御部１１半導体レーザ（ＬＤ）１１ａ出射端面１１ｂ出射端面１２電流源１３ａレンズ１３ｂレンズ２１回折格子２２第１の反射器２３選択波長可変手段２４共振器長可変手段４１分波器４２ａ受光器４２ｂ受光器４３演算器４４第２の分波器４５ａ遮蔽板４５ｂ遮蔽板４６レンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０４Ｂ 10/06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ光を発振する半導体レーザ（１１）
と、該レーザ光を回折し、その回折したレーザ光のうち所定
の波長のレーザ光を前記半導体レーザに帰還するための
回折手段（２）と、前記半導体レーザに帰還するレーザ光の一部を受光し、
前記半導体レーザに帰還するレーザ光の光軸と前記半導
体レーザが発振したレーザ光の光軸とのなす角度を検出
する角度検出手段（４）とを備えた波長可変レーザ光源
装置。
【請求項２】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（１１）と、第一の反射器（２２）及び回折格子（２１）を含んでい
て、該半導体レーザのＡＲコートされている端面から出
射された光を受け所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回折手段
（２）とを備えた外部共振器を含む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の光軸と前記回折手
段から反射された回折光の光軸のなす角度を検出する角
度検出手段（４）と、検出された前記角度を零とするように前記外部共振器の
共振器長と前記反射装置の選択波長とのうち少なくとも
一方を変化させる制御部（５）とを備えたことを特徴と
する波長可変レーザ光源装置。