JPWO2004083914A1 - 波長フィルタおよび波長モニタ装置 - Google Patents

Abstract

光を透過する固体材料と、固体材料に形成された略平行に対向する平面と、略平行に対向する平面以外の面で固体材料を接続剤で保持し、上記固体材料よりも強い剛性を有する保持材と、を備え、略平行に対向する平面間で光を共振させ、対向平面間の光路長できまる波長を周期的に選択する波長フィルタであって、固体材料が複屈折材料であるとともに、その光学軸が略平行に対向する平面の法線と所定の角度を有することを特徴とする。これによって、固体材料が保持材に保持された状態であっても、安定した波長弁別特性を得ることが可能となる。

Description

この発明は、波長分割多重伝送（以下、ＷＤＭという）方式などに用いられる半導体レーザモジュールから出力されるレーザ光の波長を選択する波長フィルタおよび該波長フィルタを用いてレーザ光の発振波長を測定する波長モニタ装置に関するものである。

半導体レーザの出力波長を検知する波長モニタ装置として、エタロンフィルタを用いる方式がある。エタロンフィルタは２枚の平行な反射面から構成され、その反射面間で光を共振させることによって特定の波長を透過または反射させる特徴をもつ。特に、ソリッドエタロンフィルタは光学的に透明な材料を用いて光の入出力端面に反射膜をコーティングする構成が可能なため、１つの部品で構成することが可能である。以下では、このソリッドエタロンフィルタを用いた場合の波長モニタ装置について説明する。
上述したように、エタロンフィルタは波長によって透過率が異なる特性を持つため、レーザ光をエタロンに通過させることによって波長情報を強度情報に変換した波長弁別信号が得られる。その際、環境温度変化等の外部環境変化に対し、その波長弁別特性が変化しないことが、高精度に波長をモニタする重要な条件となる。しかし、この波長弁別特性の温度依存性はエタロンフィルタの材料特性によって決まるものであり、屈折率の温度変化ｄｎ／ｄＴおよび線膨張係数αを用いて式（１）のように表される。

一般に用いられるエタロン材料としてガラスを挙げることができるが、現状で知られているガラスでは式（１）の右辺の分子がゼロにならない。そのため、エタロン材料としてのガラスは、温度変化により波長弁別特性が変化してしまう問題があった。
そこで、現在までエタロンフィルタの温度無依存化についての様々な研究がなされてきた。このエタロンフィルタの温度無依存化を実現する１つの従来例として、線膨張係数が屈折率の温度に対する変化率を補償するような材料を用いる方法がある（たとえば、特許文献１参照）。図１は、この特許文献１に記載されているエタロンフィルタの軸構造と入射軸方向を示した図である。ここでは、線膨張係数が屈折率の温度に対する変化率を補償するような材料として、エタロンフィルタ１００は、たとえば複屈折結晶ＬｉＳＡＦ（ＬｉＳｒＡｌＦ_６）が用いられている。そして、このエタロンフィルタ１００のレーザ光入射表面および出射表面には反射ミラー機構が施されている。ＬｉＳＡＦ結晶は、一軸性複屈折結晶であるため光学的異方性を示し、光学軸（以下、ｃ軸という）と、このｃ軸とは屈折率および線膨張係数が異なる２つの軸（以下、ａ軸、ｂ軸という）を有する。したがって、ｃ軸に対するレーザ光入射角度をθとすると、温度変化によるエタロンフィルタ１００の光学長変化は式（２）で表される。

ここで、ｎＬは光学長、ｎ_ｃはｃ軸と光軸方向によって作られる面と平行な偏光面をもつレーザ光が感じる屈折率、ｎ_ａｂはｎ_ｃに垂直な面と同じ偏光面をもつレーザ光が感じる屈折率、ΔＴは温度変化量、ｄｎ_ｃは単位温度変化あたりの屈折率ｎ_ｃの変動量、ｄｎ_ａｂは単位温度変化あたりの屈折率ｎ_ａｂの変動量である。ここで、ｃ軸に対するレーザ光入射角度θを変化させて式（２）がゼロとなる光学長ｎＬが、温度によって変化しない条件、すなわち温度変化によって波長弁別特性が変化しない条件となる。この従来例において、エタロン材料にＬｉＳＡＦ結晶を用いてθ＝３６．５５°に設定することによってエタロンフィルタ１００の温度無依存化条件を満たしている。
米国特許第６，４５２，７２５号明細書

しかし、このエタロンフィルタ１００を波長モニタ装置やこの波長モニタ装置を有する半導体レーザモジュールの装置内に組み込む際に、固定されることによってエタロンフィルタ１００本体の光学特性が変化してしまう。その結果、エタロンフィルタ１００の温度無依存化条件から外れてしまい、波長モニタ装置として用いた場合に温度変化によって波長弁別信号が変化してしまうという問題があった。
また、上記のｃ軸に対するレーザ光入射角度θによる温度特性の変化は、エタロンフィルタ１００の温度無依存化条件を満たす角度θ近辺で大きく変動しているために、入射レーザ光の微細な角度によって容易に温度無依存化条件から外れてしまうという問題点もあった。
この発明は上記に鑑みてなされたもので、ホルダに固定した場合でも温度無依存化条件を満たす波長フィルタおよび該波長フィルタを用いた波長モニタ装置を得ることを目的とする。

この発明にかかる波長フィルタは、光を透過する固体材料と、前記固体材料に形成された略平行に対向する平面と、前記略平行に対向する平面以外の面で前記固体材料を接続剤で保持し、前記固体材料よりも強い剛性を有する保持材と、を備え、前記略平行に対向する平面間で光を共振させ、対向平面間の光路長できまる波長を周期的に選択する波長フィルタであって、前記固体材料が複屈折材料であるとともに、その光学軸が前記略平行に対向する平面の法線と所定の角度を有することを特徴とする。
また、この発明にかかる波長モニタ装置は、レーザ光を透過する固体材料と、前記固体材料に形成された略平行に対向する平面と、を有し、前記略平行に対向する平面間で光を共振させ、対向平面間の光路長できまる波長を周期的に選択する波長フィルタと、前記波長フィルタの透過光に基づきレーザ光の発振波長を測定する波長検出手段と、前記波長検出手段と前記略平行に対向する平面以外の面で前記波長フィルタを接続剤で保持し、前記固体材料よりも強い剛性を有する保持材と、を備え、半導体レーザから出力されるレーザ光の波長を検知する波長モニタ装置であって、前記固体材料が複屈折材料であるとともに、その光学軸が前記略平行に対向する平面の法線と所定の角度を有することを特徴とする。

第１図は、従来の光フィルタの構成を示す図であり、第２図は、この発明の実施の形態１による波長フィルタを示す構成図であり、第３図は、この発明の実施の形態１によるフィルタ単体の状態における光軸とフィルタのｃ軸との間の角度φ_ｃと波長特性の温度特性の関係図であり、第４図は、この発明の実施の形態１によるエタロンフィルタ単体の温度特性を示す図であり、第５図は、この発明の実施の形態１によるエタロンフィルタ単体をホルダに固定した場合の温度特性を示す図であり、第６図は、この発明の実施の形態１による光軸とフィルタのｃ軸との間の角度φ_ｃと波長特性の温度依存性を示す拡大図であり、第７図は、この発明の実施の形態２による波長モニタ装置を備える半導体レーザモジュールの構成を示す図であり、そして、第８図は、この発明の実施の形態２によるエタロンフィルタ単体の光軸とフィルタのｃ軸との間の角度φ_ｃと波長特性の温度依存性を示す図であり、第９図は、この発明の実施の形態２による半導体レーザモジュールの波長モニタ信号特性を示す図である。

以下、添付図面を参照して、この発明にかかる波長フィルタおよび波長モニタ装置の好適な実施の形態を詳細に説明する。
実施の形態１．
第２図は、この発明の実施の形態１による波長フィルタを示す構成図である。この第２図に示されるように、波長フィルタは、エタロンフィルタ１が接着剤３によってホルダ２上に保持される構成を有する。本実施の形態１では、レーザ光の進行方向（光軸方向）を空間座標においてｚ軸の方向と定め、空間における上方向をｙ軸と定め、ｚ軸およびｙ軸に直交する方向をｘ軸と定める。
エタロンフィルタ１は、レーザ光の入射面と出射面に反射膜５，６を有し、その材料としては、１種類の一軸性複屈折結晶（たとえば、α−ＢＢＯ（ＢａＢ_２Ｏ_４）結晶、ＬｉＩＯ_３結晶、ＣａＣＯ_３結晶、β−ＢＢＯ結晶）で形成されている。エタロンフィルタ１として用いられる一軸性複屈折結晶のｃ軸は、レーザ光の光軸（ｚ軸）に対して所定角度φ_ｃ傾斜して配置されるように切り出され、その切り出し面は、光軸（ｚ軸）に直交するｘｙ面に平行になるように配置される。
ホルダ２は、エタロンフィルタ１を保持する基板であり、エタロンフィルタ１より大きく、かつエタロンフィルタ１に比して剛性がある素材で形成されている。このようなホルダ２の材料としては、たとえば、ＣｕＷ基板などを使用することができる。なお、ホルダ２は、エタロンフィルタ１の反射膜５，６が形成される面以外の面を保持する（すなわち、エタロンフィルタ１の光路を塞がない面であればいずれの面でもよい）。
接着剤３は、ホルダ２とエタロンフィルタ１とを接着して固定する。この接着剤３の材料として、たとえば、ＥＭＥＲＳＯＮ社製の導電性接着剤エコボンドＳＯＬＤＥＲ５６Ｃ（商品名）などを用いることができる。
ここで、エタロンフィルタ１を透過したレーザ光の波長に対する透過特性は、エタロンフィルタ１、接着剤３およびホルダ２の温度変化に関係なく一定に保たれる。
つぎに、ホルダ２に接着剤３で固定されたエタロンフィルタ１の温度無依存化条件について説明する。第２図に示されるホルダ２に固定されたエタロンフィルタ１の入斜面５に入射するレーザ光４Ａは、ｘ軸に平行なｐ偏光を有するものとする。また、エタロンフィルタ１において、一軸性複屈折結晶のｃ軸はｙｚ平面内にあり、光軸はｚ軸に対して平行であり、ｃ軸は光軸に対して所定の角度（以下、光学軸角度という）φ_ｃ傾いている。常光線は、ｃ軸と光軸方向によって作られる面に垂直で、しかも光軸に平行な面と同じ振動面を持つので、この場合、レーザ光４Ａはエタロンフィルタ１内を常光線として伝播する。
まず、ホルダ２に固定された状態におけるエタロンフィルタ１の温度特性を説明する前に、エタロンフィルタ１単体の温度特性について説明する。エタロンフィルタ１を通過するレーザ光が感じる屈折率の温度特性は常光軸屈折率ｎ_ｏを用いて、ｄｎ_ｏ／ｄＴと表すものとする。また、α_ｃをｃ軸に平行な方向の線膨張係数、α_ａはｃ軸に垂直な方向の線膨張係数とすると、光軸方向の線膨張係数α（φ_ｃ）は、式（３）のように表される。

上記ｄｎ_ｏ／ｄＴおよびα（φ_ｃ）を用いると、常光線に対する波長特性の温度依存性は、式（４）のように表される。

なお、エタロンフィルタ１から出力されるレーザ光４Ｂの偏光が、ｙ軸に平行なｓ偏光を有している場合には、レーザ光４Ａは、エタロンフィルタ１内を異常光線として伝播している場合である。この場合、レーザ光が感じる屈折率はｃ軸と光軸との間の角度φ_ｃの関数で表され、波長特性の温度依存性は式（５）のように表される。

ここで、ｄｎ（φ_ｃ）／ｄＴは異常光線が感じる屈折率ｎ（φ_ｃ）の温度係数であり、式（６）で表される。

第３図は、エタロンフィルタ１の材料としてＣａＣＯ_３結晶を用いた場合における式（４）および式（５）を用いて算出した異常光線と常光線における光学軸角度φ_ｃと波長特性の温度特性の関係を示す図である。この計算に用いたＣａＣＯ_３の物性定数は、異常光屈折率ｎ_ｅが１．４７７１で、常光屈折率ｎ_ｏが１．６３３７で、異常光軸方向の屈折率の温度係数ｄｎ_ｅ／ｄＴが１．１９×１０^−５／Ｋで、常光軸方向の屈折率の温度係数ｄｎ_ｏ／ｄＴが２．１０×１０^−６／Ｋで、線膨張係数α_ａが−５．７０×１０^−６／Ｋで、線膨張係数α_ｃが２．４４×１０^−６／Ｋである。この第３図から、光学軸角度φ_ｃを変化させることによって異常光軸方向は＋４ｐｍ／℃から＋４０ｐｍ／℃まで、常光軸方向は−７ｐｍ／℃から＋４０ｐｍ／℃まで自由に温度特性を設定することができる。たとえば、常光線を用いる場合のＣａＣＯ_３結晶の温度無依存化条件は、常光線の温度特性が０となる点、すなわち光学軸角度φ_ｃが６３度付近として求めることができる。
つぎに、ホルダ２に接着剤３によって固定された状態における一軸性複屈折結晶単体であるエタロンフィルタ１の光学軸角度φ_ｃに対する温度特性について説明する。ここで、接着剤３の厚さは十分薄いと考えて接着剤３の熱特性を無視した場合を想定する。また、ホルダ２の線膨張係数をα_２とする。ホルダ２はエタロンフィルタ１より剛性が強いために、エタロンフィルタ１で生じる実効的な線膨張係数α’は、式（７）で表される。

また、ひずみによる屈折率変化（光弾性効果）を考慮するために、常光線が入射した場合のｚ軸方向の光弾性定数をＰ_ｚｏ、ｘ軸方向の光弾性定数をＰ_ｘｏとし（異常光線が入射した場合には、ｚ軸方向の光弾性定数をＰ_ｚｅ、ｘ軸方向の光弾性定数をＰ_ｘｅとする）、熱膨張によるひずみ量は、エタロンフィルタ１とホルダ２の線膨張係数の差で表されるのでｚ軸方向のひずみによる屈折率の変化は、常光線の場合には、

と表され、異常光線の場合には、

と表される。また、ｘ軸方向のひずみによる屈折率の変化は、常光線の場合には、

と表され、異常光線の場合には、

と表される。
ｙ軸方向のひずみは無視できるほど小さいと仮定すると、常光線の場合にはΔｎ_ｘｏとΔｎ_ｚｏが屈折率の温度係数に加えられると考えて、常光軸方向の屈折率の温度係数ｄｎ’／ｄＴは式（１０）で表される。

また、異常光軸方向の屈折率の温度係数の場合も同様に考えて、式（１１）で表される。

これらの式より、エタロンフィルタ１がホルダ２に固定されている場合の波長特性の温度依存性は、常光線の場合には式（１２）で表される。

また、異常光線の場合には式（１３）で表される。

これらの式（１２）および式（１３）から、波長特性の温度依存性はともに光学軸角度φ_ｃの関数であるため、右辺分子をゼロとするような光学軸角度φ_ｃを選ぶことによって温度無依存化条件を満たすことが可能となる。また、光学軸角度φ_ｃを調節することによって、エタロンフィルタ１単体ではその温度特性を第３図で示される範囲内で自由に変更することが可能なため、任意の接着剤３およびホルダ２の材料を用いた場合でも、温度無依存化条件を満たすまたは温度無依存化条件に近い条件でエタロンフィルタ１を固定させることができる。さらに、この実施の形態１では、エタロンフィルタ１の下面のみがホルダ２と接続される構成としているが、エタロンフィルタ１への接続は光路を塞がなければどの場所で接続してもよく、たとえば、光軸に対して側面を全て覆うホルダ形状にしても同様の効果を得ることができる。
以上では、ホルダ２に固定されたエタロンフィルタ１の温度無依存化条件を、上記の式（１２）および式（１３）の特性式を用いて求める場合を説明したが、つぎに、上記の式（１２）および式（１３）の特性式を用いずに、実験によりホルダ固定時の温度無依存化条件を求める方法について説明する。
第４図は、エタロンフィルタ単体（ホルダに固定していない状態）の温度が変化した場合の波長特性を示しており、また、第５図は、同じエタロンフィルタをホルダに固定した状態における温度が変化した場合の波長特性を示している。これらの図の波長特性を求める実験にあたって、エタロンフィルタ１の材料に、光学軸角度φ_ｃ＝６５．７度、厚さ（ｚ軸方向の結晶長さ）約３．６ｍｍのＣａＣＯ_３結晶を用い、ホルダ２の材料として、アルミニウム基板を用い、接着剤３の材料として、ＥＭＥＲＳＯＮ社製の導電性接着剤エコボンドＳＯＬＤＥＲ５６Ｃ（商品名）を適用した。これらの図から、それぞれの温度特性は、０．２３ｐｍ／℃，０．４５ｐｍ／℃と求められる。
第６図は、第３図における光学軸角度φ_ｃ＝６６度付近の拡大図と、第４図および第５図から得られる温度特性のデータを同時にプロットした図を示している。この第６図から、エタロンフィルタ１をホルダ２に固定したことによって温度無依存化条件を満たす光学軸角度φ_ｃがずれたことがわかる。すなわち、エタロンフィルタ１単体で求まる温度無依存化条件を満たす光学軸角度φ_ｃ０＝６６．０度から、ホルダ２に固定したエタロンフィルタ１の温度無依存化条件を満たす光学軸角度φ_ｃ１＝６６．３度へと光学軸角度をずらすことによって、温度変化によって変化しない波長特性を有する構成のホルダ２に固定したエタロンフィルタ１を得ることができる。
なお、この実験では、上述したようにホルダ２としてアルミニウム基板を用い、接着剤３として導電性接着剤を用いたが、これ以外の他の材料からなるホルダ２や他の接着剤３を用いた場合であっても、エタロンフィルタ１のホルダ２への固定による波長特性の温度依存性を測定することによって、上記のように温度無依存化条件を満たす光学軸角度φ_ｃを求めることができる。
また、この実施の形態１ではエタロンフィルタ１の材料にＣａＣＯ_３結晶を用いた場合を例に挙げて説明したが、他のα・ＢＢＯ結晶、β・ＢＢＯ結晶、ＬｉＩＯ_３結晶などの一軸性複屈折結晶を用いてもよい。その場合でも第３図で示したように、光学軸角度φ_ｃに対する温度依存性を求めることができ、また式（１２）および式（１３）を用いてエタロンフィルタ１のホルダ２への固定した場合の温度無依存化条件を満たす光学軸角度φ_ｃを求めることが可能である。
さらに、この実施の形態１ではホルダ２とエタロンフィルタ１との接続を、接着剤３を用いて行う方法を示したが、他の固定方法として、半田固定やＹＡＧ溶接固定でもよい。これらの場合でも、ホルダ２に固定後のエタロンフィルタ１の光学軸角度φ_ｃを調節することによってホルダ２に固定されたエタロンフィルタ１の温度無依存化を達成することができる。
以上説明したように、この実施の形態１によれば、エタロンフィルタ１単体の光学軸角度φ_ｃに対する温度特性の変化に、エタロンフィルタ１とホルダ２との剛性の違いによる実効的な線膨張係数とひずみによる光弾性効果による屈折率変化を考慮することによって、エタロンフィルタ１をホルダ２に固定した場合についての温度無依存化条件を満たす構成を得ることが可能になる。つまり、任意の線膨張係数をもつホルダ２の材料や接着剤３の材料をエタロンフィルタ１の固定に使用しても、それぞれの組合せで固定されたエタロンフィルタ１の温度特性から、温度無依存化条件を満たす光学軸角度φ_ｃを求めることによって、その組合せで固定されるエタロンフィルタ１の温度無依存化条件を得ることができる。これによって、結晶単体の状態においては温度依存性を有するエタロンフィルタ１であっても、ホルダ２に固定された状態では温度無依存化条件を満たす構成にすることも可能である。したがって、このような構成から得られるエタロンフィルタ１の波長特性は温度変化によって影響されることがない。
なお、この実施の形態１では半導体レーザからのレーザ光をｐ偏光に設定し、エタロンフィルタ１へ常光線として入射した場合を説明したが、半導体レーザからのレーザ光をｓ偏光に設定し異常光線として入射させてもよい。この場合には、式（１３）を満たす光学軸角度φ_ｃを用いることによって、つまりホルダ２に固定された状態における温度無依存化条件を満たす光学軸角度φ_ｃを用いることによって、同様の効果を得ることができる。
実施の形態２．
この実施の形態２では、実施の形態１に記載のホルダに固定された温度無依存化されたエタロンフィルタを実装した波長モニタ装置を含む半導体レーザモジュールについて説明する。
第７図は、この発明の実施の形態の２による波長モニタ装置を有する半導体レーザモジュールの概略構成を示す模式図である。なお、この実施の形態２では、レーザ光の進行方向（光軸方向）を空間座標においてｚ軸の方向と定め、空間における上方向を（第３図において紙面に垂直で、手前に向かう方向）ｙ軸と定め、ｚ軸およびｙ軸に直交する方向をｘ軸と定め、そして、半導体レーザ１０が設置される位置（半導体レーザ１０の中心位置）をｚ軸の原点と定める。
この半導体レーザモジュールは、実施の形態１で説明したホルダに固定されたエタロンフィルタ１を含む波長モニタ装置２０と、波長モニタ装置２０の下面に接続されるペルチェクーラ１６が、外気と遮断させるモジュールパッケージ１７内に組み込まれた構成を有する。
波長モニタ装置２０は、特定の波長のみを透過させるエタロンフィルタ１、レーザ光を出力する半導体レーザ１０、半導体レーザ１０の前方（ｚ軸正方向）に設置され、半導体レーザ１０から出力されるレーザ光（このレーザ光を以下では、光信号という）のビーム径を調節する第１のレンズ１１、半導体レーザ１０の後方（ｚ軸負方向）に設置され、半導体レーザ１０から出力されるレーザ光のビーム径を調節する第２のレンズ１８を有して構成される。
エタロンフィルタ１は、実施の形態１で説明した一軸性複屈折結晶を母材とするエタロンであり、たとえばα−ＢＢＯ結晶、ＣａＣＯ_３結晶、ＬｉＩＯ_３結晶、β−ＢＢＯ結晶などで形成されている。また、エタロンフィルタ１のレーザ光入出力端面には反射膜が形成されており、レーザ光入出力端面が光軸に対して垂直となるように設置されている。エタロンフィルタ１のｃ軸は第２図に示されるようにｙｚ平面内にあり、光軸に対して所定の角度φ_ｃ傾くように設置されている。
半導体レーザ１０は、注入電流または温度を調節することによって波長を変えることができるレーザであり、たとえば活性層中に回折格子を有する分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ、注入電流または温度によって波長を変えることができる波長可変レーザ（ＤＢＲレーザ、ＶＣＳＥＬ等）、または、電界吸収素子とレーザダイオードを集積したＥＡ・ＬＤなどを採用することができる。エタロンフィルタ１の光信号の入出射面は、光軸に略垂直となるように設けられている。
また、波長モニタ装置２０は、第１のレンズ１１を通過して入力した光信号を電気信号に変換する第１の受光素子１２、第１のレンズ１１とエタロンフィルタ１を通過して入力した光信号を電気信号に変換する第２の受光素子１３を有して構成される。
これらのエタロンフィルタ１、第１のレンズ１１、第１の受光素子１２、第２の受光素子１３、第２のレンズ１８は、キャリア１４上に固定されている。このキャリア１４は、エタロンフィルタ１より十分に大きく、そして剛性が強い材料によって構成され、実施の形態１でのホルダ２に相当する。
さらにまた、波長モニタ装置２０は、温度信号を検出するサーミスタ１５を有して構成される。このサーミスタ１５は、キャリア１４上に直接固定されている。
ペルチェクーラ１６は、キャリア１４の下面に接続されている。サーミスタ１５からの温度信号を用いてペルチェクーラ１６を駆動させることによって、キャリア１４ごと温度制御を行うことが可能である。これによって、半導体レーザ１０の波長を変えることができる。
モジュールパッケージ１７の壁には、波長モニタ装置２０内の半導体レーザ１０から出力され、第２のレンズ１８を通過してきたレーザ光を外部に取り出すためのウインドウ１９が備えられている。
つぎに、このような構成を有する半導体レーザモジュールの動作について説明する。半導体レーザ１０からは、ｘ軸方向に振動する偏光面を有するレーザ光が、ｚ軸の正負両方向に出力される。ｚ軸正方向に出力されるレーザ光（光信号）は、第１のレンズ１１によって平行光に調節される。ここで、半導体レーザ１０と第１のレンズ１１の中心を通る軸が光軸となる。一方のｚ軸負方向に出力されるレーザ光は、第２のレンズ１９によって平行光に調節され、ウインドウ１９を通過してモジュールパッケージ１７の外部に信号光として出力される。以下では、第１のレンズ１１側に出力される光信号をモニタする場合を説明する。
第１のレンズ１１を通過したレーザ光（光信号）は、そのビーム断面の半分（図７において、光軸よりｘ軸正方向側の信号光の領域）は直接に第１の受光素子１２に入力される。第１の受光素子１２は、ｚ軸方向に沿って第１のレンズ１１とエタロンフィルタ１との間に、光信号のビーム断面の半分が入力されるように、かつ光軸に対して入力端面が傾いて配置されている。第１の受光素子１２は、エタロンフィルタ１を通過しない半導体レーザ１０からの光信号を受光してその強度を検知し、パワーモニタ信号を出力する。このパワーモニタ信号は半導体レーザ１０の出力強度に比例しているため、この信号を用いて半導体レーザ１０への注入電流を制御することによって、半導体レーザ１０から出力されるレーザ光を任意の出力強度に安定化することができる。また、図に示されるように第１の受光素子１２はエタロンフィルタ１に比して半導体レーザ１０側に配置されるため、エタロンフィルタ１から出力される所定の波長特性を有する透過光が入力端面に入射することのない構成となっている。
第２の受光素子１３は、エタロンフィルタ１の後段（ｚ軸正方向）に光軸に対して入力端面を傾けて配置されている。第２の受光素子１３は、半導体レーザ１０から出力され、第１の受光素子によって受光されなかった信号光の残りのビーム断面成分のうち、エタロンフィルタ１を通過する成分を受光する。そして、その強度を検知し、波長モニタ信号を出力する。この波長モニタ信号は、通過したエタロンフィルタ１の波長特性に基づいた波長弁別特性を示す。したがって、この波長モニタ信号によって求まる波長と安定化させたい目標波長との誤差信号を用い、半導体レーザ１０への注入電流または温度を制御することによって、半導体レーザ１０から出力されるレーザ光の波長を安定化することができる。また、この波長モニタ信号を第１の受光素子１２で出力されるパワーモニタ信号で規格化することによって、半導体レーザ１０からのレーザ光強度変化に依存しない規格化波長モニタ信号が得られ、この規格化波長モニタ信号を用いることで一層高精度な半導体レーザ１０から出力されるレーザ光の波長安定化を実現することができる。
第８図は、エタロンフィルタ１としてα−ＢＢＯ結晶単体を用いたときの常光線と異常光線についての光学軸角度φ_ｃに対する波長特性の温度依存性を示す図である。用いた物性定数は、異常光屈折率ｎ_ｅは１．５３００３で、常光屈折率ｎ_ｏは１．６５０２で、異常光軸方向の屈折率の温度係数ｄｎ_ｅ／ｄＴは−１．６０×１０^−５／Ｋで、常光軸方向の屈折率の温度係数ｄｎ_ｏ／ｄＴは−９．１５×１０^−６／Ｋで、線膨張係数α_ａは７．１７×１０^−６／Ｋで、線膨張係数α_ｃは１．９２×１０^−６／Ｋである。
この第８図からα−ＢＢＯ結晶の光学軸角度φ_ｃをｙｚ面内で０度〜９０度変化させることによって、異常光軸方向は＋９．５ｐｍ／℃から＋２１ｐｍ／℃まで、常光軸方向は＋２．５ｐｍ／℃から＋２１ｐｍ／℃まで自由にその温度特性を設定することができる。以下の説明では、エタロンフィルタ１の光学軸角度φ_ｃとして、９０度に設定した場合を例に挙げる。
この実施の形態２では、エタロンフィルタ１内に入射するレーザ光（光信号）は、実施の形態１と同様にエタロンフィルタ１内を常光線として伝播するので、上記条件においては、エタロンフィルタ１の結晶単体は２．５ｐｍ／℃と低い温度特性を有する。また、この光学軸角度φ_ｃ（＝９０度）では光学軸角度φ_ｃの変化による温度依存性が少ないため、レーザ光角度ずれによる温度特性の変化が少ない。さらに、エタロンフィルタ１の光学軸角度φ_ｃが垂直に設定されており、かつ入射端面もまた垂直に配置されているために、光軸ずれに対する波長特性の変化も抑制されている。
また、エタロンフィルタ１の厚さ（ｚ軸方向の結晶長さ）を約３．６ｍｍとし、波長特性の周期間隔であるＦＳＲ（自由スペクトル間隔）を２５ＧＨｚに設定することによって、ＩＴＵ・Ｔ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｕｎｉｏｎ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ Ｓｅｃｔｏｒ）グリッドの２５ＧＨｚ間隔に対応させることができる。
さらに、エタロンフィルタ１はキャリア１４上に接着剤（たとえば、ＥＭＥＲＳＯＮ社製の導電性接着剤エコボンドＳＯＬＤＥＲ５６Ｃ（商品名））で固定されているので、実施の形態１で説明したように、エタロンフィルタ１とキャリア１４との剛性の違いによる実効的な線膨張係数とひずみによる光弾性効果による屈折率変化を考慮すると、この状態においては温度無依存化条件付近にある。
サーミスタ１５とペルチェクーラ１６によってキャリア１４上の部品が所定の温度に制御されている状態で、モジュールパッケージ１７外の温度を変化させても、モジュールパッケージ１７の温度は外部の温度変化に沿って変化していくが、モジュールパッケージ１７内のキャリア１４上では、その構成から理想的には温度変化は起こらない。しかし、実際にはサーミスタ１５と各部品との間に熱抵抗が存在するために各部品で微量の温度変化が生じる。
この実施の形態２の波長モニタ装置２０の構成では、外気を−２０℃から＋７０℃まで変化させた場合には、エタロンフィルタ１上で約２℃の温度変化が生じる。そのため、エタロンフィルタ１に温度依存性がある場合には、その波長特性が変化してしまい、波長モニタ信号が正確な値を示さなくなる。
第９図は、外気を−２０℃，＋２５℃，＋７０℃とした場合の波長モニタ信号を示す図である。キャリア１４に固定されたエタロンフィルタ１は、結晶単体では２．５ｐｍ／℃の温度依存性を示す。しかし、実施の形態１で説明したように温度無依存化条件付近にあるキャリア１４に固定されたエタロンフィルタ１では、外気を−２０℃から＋７０℃に変化させて、エタロンフィルタ１自体が約２℃変化した場合でも、キャリア１４に固定されたエタロンフィルタ１全体（すなわち、波長モニタ装置全体）では、±１ｐｍ以下の波長ドリフトしか生じさせないようにすることができる。
以上説明したように、この実施の形態２によれば、実施の形態１で示したエタロンフィルタ１をキャリア１４に接着した状態で波長特性の温度依存性をなくすように、エタロンフィルタ１の材料である一軸性の複屈折結晶のｃ軸角度を調整した波長モニタ装置２０を構成したので、このエタロンフィルタ１は温度無依存化条件またはそれに近い条件を満たすことができる。その結果、波長モニタ信号は、エタロンフィルタ１の温度による変化を除去することができ、半導体レーザ１０の発振波長のみに依存した高精度な信号となる。
また、エタロンフィルタ１のα−ＢＢＯ結晶の光学軸角度φ_ｃは９０度に設定されているため、第８図から明らかなようにこの付近での光学軸角度φ_ｃの変化による温度特性の変化を少なくすることができるので、レーザ光角度ずれによる温度特性の変化を抑制することができる。さらに、光軸ずれに対する波長特性の変化も抑制することができる。
なお、本実施の形態２におけるエタロンフィルタ１は光軸に対して入出力端面が垂直になるように設置してあるが、垂直でない角度に傾けて設置してもよい。その場合、エタロンフィルタ１の屈折率のため入射光軸に対してエタロンフィルタ１内を伝播する光軸が傾くが、その傾きを考慮して実施の形態１記載の温度無依存化条件を満たすような光学軸角度φ_ｃに設定すればよい。このように光軸に対して入射面を傾けてエタロンフィルタ１を設置した場合、エタロンフィルタ１からの波長特性をもった反射光が半導体レーザ１０に戻らなくなり、より安定したレーザ発振が得られるという効果を有する。また、第１のレンズ１１および半導体レーザ１０の端面を介した第１の受光素子１２および第２の受光素子１３への迷光が抑制されるため、パワーモニタ信号および波長モニタ信号も上記反射光の影響を受けない構成となる。
さらに、第１の受光素子１２および第２の受光素子１３の入力端面を光軸に対して傾けているため、第１の受光素子１２および第２の受光素子１３からの微量の反射光が第１のレンズ１１および半導体レーザ１０に戻らなくなり、第１の受光素子１２および第２の受光素子１３の各入射端面と第１のレンズ１１または半導体レーザ１０間のエタロン効果を抑制することができる。したがって、より安定なパワーモニタ信号および波長モニタ信号が得られる。
さらにまた、この他にも、実施の形態１に記載の無依存化条件を満たす材料であれば、ＣａＣＯ_３結晶、ＬｉＩＯ_３結晶、β−ＢＢＯ結晶などの他の任意の一軸性複屈折結晶を用いてもよい。この場合、光学軸角度φ_ｃを変えることによって、任意に結晶単体の温度依存性を調節することができるため、任意のキャリア１４と固定するための手段（たとえば接着剤３）を用いても温度無依存化条件を満足することが可能である。
さらにまた、この実施の形態２では半導体レーザからのレーザ光をｐ偏光に設定し、エタロンフィルタ１へ常光線として入射した場合を説明したが、半導体レーザからのレーザ光をｓ偏光に設定し異常光線として入射させてもよい。この場合、式（１３）を満たす光学軸角度φ_ｃを用いる、つまりホルダ固定状態における温度無依存化条件を満たす光学軸角度φ_ｃを用いることによって、同様の効果を得ることができる。
以上説明したように、この発明によれば、エタロンフィルタ単体のｃ軸と光学軸角度φ_ｃに対する温度特性の変化に、エタロンフィルタとホルダとの剛性の違いによる実効的な線膨張係数とひずみによる光弾性効果による屈折率変化を考慮することによって、ホルダに固定されたエタロンフィルタについての温度無依存化条件を満たす構成を得ることができる。

この発明は、光ファイバを利用した波長分割多重通信、高密度波長分割多重通信に用いられる光源としての半導体レーザの波長モニタ装置に用いられ、また、この波長モニタ装置に使用される波長フィルタとして用いる場合に適している。

Claims (12)

1. 光を透過する固体材料と、
   前記固体材料に形成された略平行に対向する平面と、
   前記略平行に対向する平面以外の面で前記固体材料を接続剤で保持し、前記固体材料よりも強い剛性を有する保持材と、
   を備え、前記略平行に対向する平面間で光を共振させ、対向平面間の光路長できまる波長を周期的に選択する波長フィルタであって、
   前記固体材料が複屈折材料であるとともに、その光学軸が前記略平行に対向する平面の法線と所定の角度を有することを特徴とする波長フィルタ。
2. 前記略平行に対向する平面の法線と光学軸との間の所定の角度は、前記保持材と前記複屈折材料と固定されている状態で前記平面間の光路長の温度係数が所定の値を有するように設定されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の波長フィルタ。
3. 前記波長フィルタは、前記複屈折材料と前記保持材の線膨張係数の差と前記複屈折材料の屈折率との積と、前記複屈折材料の熱光学係数と、前記保持材と前記複屈折材料間で発生する熱ひずみによる屈折率変化との和の絶対値が最小となるように前記略平行に対向する平面の法線と光学軸との角度が設定されていることを特徴とする請求の範囲第２項に記載の波長フィルタ。
4. 前記複屈折材料は、α−ＢＢＯ結晶、ＬｉＩＯ_３結晶、ＣａＣＯ_３結晶、β−ＢＢＯ結晶のいずれかであることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の波長フィルタ。
5. 前記複屈折材料に入射する光は常光軸に揃えた偏光を用い、
   複屈折材料がＣａＣＯ_３結晶の場合は、光学軸の光軸に対する角度を約６７度付近とし、
   複屈折材料がα−ＢＢＯ結晶の場合は、光学軸の光軸に対する角度を約９０度付近とすることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の波長フィルタ。
6. レーザ光を透過する固体材料と、
   前記固体材料に形成された略平行に対向する平面と、
   を有し、前記略平行に対向する平面間で光を共振させ、対向平面間の光路長できまる波長を周期的に選択する波長フィルタと、
   前記波長フィルタの透過光に基づきレーザ光の発振波長を測定する波長検出手段と、
   前記波長検出手段と前記略平行に対向する平面以外の面で前記波長フィルタを接続剤で保持し、前記固体材料よりも強い剛性を有する保持材と、
   を備え、半導体レーザから出力されるレーザ光の波長を検知する波長モニタ装置であって、
   前記固体材料が複屈折材料であるとともに、その光学軸が前記略平行に対向する平面の法線と所定の角度を有することを特徴とする波長モニタ装置。
7. 前記半導体レーザから出力されるレーザ光は、１方向に偏光されたものであり、
   前記略平行に対向する平面の法線と光学軸との間の所定の角度は、前記保持材と前記複屈折材料と固定されている状態で前記平面間の光路長の温度係数が所定の値を有するように設定されていることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の波長モニタ装置。
8. 前記複屈折材料と前記保持材の線膨張係数との差と前記複屈折材料の屈折率との積と、前記複屈折材料の熱光学係数と、前記保持材と前記複屈折材料間で発生する熱ひずみによる屈折率変化との和の絶対値が最小となるように前記略平行に対向する平面の法線と光学軸との角度が設定されていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の波長モニタ装置。
9. 前記波長フィルタを構成する前記複屈折材料は、α−ＢＢＯ結晶、ＬｉＩＯ_３結晶、ＣａＣＯ_３結晶、β−ＢＢＯ結晶のいずれかであることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の波長モニタ装置。
10. 前記複屈折材料に入射する光は常光軸に揃えた偏光を用い、
    前記複屈折材料がＣａＣＯ_３結晶の場合は、その光学軸の光軸に対する角度を約６７度付近とし、
    前記複屈折材料がα−ＢＢＯ結晶の場合は、その光学軸の光軸に対する角度を約９０度付近とすることを特徴とする請求の範囲第９項に記載の波長モニタ装置。
11. 前記半導体レーザから出射されるレーザ光のビームサイズを調節し、調節されたレーザ光を前記波長フィルタに出力するレンズを備えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の波長モニタ装置
12. 前記波長検出手段は、
    前記波長フィルタの透過光を検出する第１の光検出器と、
    前記半導体レーザから出力されるレーザ光を直接検出する第２の光検出器と、
    前記第１および第２の光検出器の検出信号の比を用いて前記レーザ光の発振波長を検出する波長検出部と、
    を備えることを特徴とする請求の範囲第６項に記載の波長モニタ装置。

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