KR910000827B1

KR910000827B1 - 주파수 안정화광원

Info

Publication number: KR910000827B1
Application number: KR1019870002915A
Authority: KR
Inventors: 히로유끼 아사쿠라; 키요카즈 하기와라; 미노루 니시오카
Original assignee: 마쯔시다덴기산교 가부시기가이샤; 다나이 아끼오
Priority date: 1986-03-31
Filing date: 1987-03-30
Publication date: 1991-02-09
Also published as: EP0240293A2; US4913525A; DE3782355D1; EP0240293A3; KR870009248A; EP0240293B1; DE3782355T2

Abstract

내용 없음.

Description

주파수 안정화광원

제1a도 및 b도는 각각 반도체 레이져 칩의 발진스펙트럼 및 종래 주파수 안정화광원의 발진스펙트럼을 도시하는 스펙트럼도.

제2도는 종래 주파수 안정화광원의 구조를 나타내는 사시도.

제3도는 제2도에 도시한 종래 광원에 있어서 반도체 레이져칩의 활성층상의 귀환비임스포트를 나타내는 개략도.

제4도는 본 발명의 제1실시예의 사시도.

제5a,b도 및 c도는 각각 연속일차 미분계수를 가진 대칭 주름형상, 비대칭 주름형상 및 사인파 주름 형상의 유한푸우리에 회절격자의 단면도.

제6도는 에셀레트격자 및 유한푸우리에 격자의 효율의 극의존성을 도시하는 그래프.

제7도는 유한푸우리에 격자의 극특성을 나타내는 그래프.

제8a도 및 b도는 본 발명에 의한 반도체 레이져칩에 있어서 귀환 비임스포트와 활성층간의 위치관계를 나타내는 개략도.

제9도는 본 발명에 의한 주파수 안정화광원의 발진스펙트럼을 나타내는 스펙트럼도.

제10도는 본 발명의 제2실시예의 사시도.

제11도는 본 발명의 제3실시예의 사시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 반도체 레이져칩 2 : 렌즈

3 : 유한푸우리에 격자 5 : 반사방지막

13 : 활성층 16 : 귀환광

20 : 출력광

본 발명은 광통신, 광기록 및 광계측용의 광원에 관한 것이다.

종래, 광통신 및 광기록장치용 광원으로서 반도체 레이져가 이용되어 왔으나, 반도체 레이져는 온도 및 주사전류량에 따라 그 발진파장이 변화하기 때문에, 제1a도에 도시한 바와 같이 다중모우드로 발진하게 된다. 이와 같은 광원제작시의 상기 문제점에 대처하기 위해서는, 반도체 레이져칩에 주파수선별용 외측통공을 결합시켜서, 제1b도에 도시한 바와 같이 특정파장에서 발진하도록 제어된 광원을 구성하고, 외측통공으로서는 톱니형 단면을 가진 에셀레트격자가 사용되어 왔다.

제2도는 종래 광비임의 구조로서, 반도체 레이져칩(1)의 일면에서 발사된 광비임(19)는 렌즈(2)에 의해 집속되어 에셀레트격자(12)상에 입사된다. 입사광(19)은 그 파장에 따라 분산되고, 에셀레트격자(12)의 각도로 결정된 특정파장을 가진 광비임(16)은 반도체 레이져칩(1)의 활성층(13)으로 귀환한다. 반도체 레이져칩(1)은 귀환광(16)의 파장에서 발진하여 안정화된 주파수를 가진 출력광비임(20)을 다른면으로부터 방사한다. 반도체 레이져칩(1)의 발진주파수는 에셀레트격자(12)를 회전시켜서 변화시킬 수 있다. 상술한 안정화광원에 관하여는, 1985년 7월 18일자 "일렉트로닉스 레터스(ELECTRONICS LETTERS)" 제21권 15호 658-659페이지와, 1974년 12월 15일자 "어플라이드 피직스 레터스(Applied Physics Letters)" 제25권 12호 744-746페이지, 및 일본국 특허공개공보 소 57-85281호에 상세하게 설명되어 있다.

그러나, 에셀레트격자(12)의 극의존성 때문에, 종래의 주파수 안정화광원은 반도체 레이져칩(1) 및 에셀레트격자(12)의 배치에 제약을 받았다. 에셀레트격자(12)는 홈방향(N)에 수직한 즉, S극의 전기장을 가지는 분극광에 대하여는 회절효율이 큰 반면, 홈방향(N)에 평행한, 즉 P극의 전기장을 가지는 분극광에 대하여는 회절효율이 낮다. 반도체 레이져칩(1)은 그 pn 접합면에 평행한 Y방향으로 분극된 출력광(19)을 가지므로, 그 부품은 반도체 레이져칩(1)의 pn 접합면(14)이 에셀레트격자(12)의 홈방향(N)과 직각을 이루도록 배치되어야 한다. 이러한 구성에 있어서는 에셀레트격자(12)로부터의 귀환방비임(15)(16)이 pn 접합면(14)을 따라 정렬되므로 제3도에 도시한 바와 같이 활성층(13)상에 입사될 불필요한 인접모우드와 광비임(15)이 발생한다. 이 결과, 제1b도에 도시한 바와 같이 의사모우드가 발생하여, 파장선별특성, 조정정도 및 파장순도가 악화된다.

반도체 레이져칩(1)의 pn 접합면(14)이 에셀레트격자(12)의 홈방향(N)에 평행한 경우에 있어서는, P극 입사로 인하여 매우 약한 귀환광(16)이 반도체 레이져칩(1)상에 입사되고, 그 결과 주파수 안정성 및 동조범위가 악화된다. 특히, 반도체 레이져칩(1)의 이득중심에서 멀리 떨어진 파장을 가진 광비임이 귀환할 경우에는, 의사모우드의 억제가 곤란하고 발진이 불안정해진다. 따라서 이러한 위치구성으로는 실용적인 광원을 실현할 수 없다.

본 발명의 목적은 높은 주파수순도 및 조정정도와 넓은 주파수 동조범위를 가지는 고도의 주파수 안정화광원을 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주파수 안정화광원은 반도체 레이져칩과, 연속일차 미분계수를 가진 주름이 형성된 유한푸우리에 회절격자로 구성된다. 작동에 있어서, 반도체 레이져칩은 그 일면으로부터 광비임을 유한푸우리에 회절격자로 방사하고, 당해 회절격자로부터의 회절광비임은 반도체 레이져칩으로 귀환하므로써 레이져칩의 다른면에서는 안정된 파장을 가진 출력광비임이 얻어진다. 각 부품은 반도체 레이져칩의 pn 접합면이 유한푸우리에 회절격자의 흠방향과 대략 평행을 이루도록 배치하는 것이 바람직하다.

제4도에 도시한 본 발명의 제1실시예는 반도체 레이져칩(1), 렌즈(2), 유한푸우리에 회전격자(3) 및 반사방지막(5)으로 구성된다. 반도체 레이져칩(1)의 일면으로부터 방사된 광비임(19)은 렌즈(2)에 의해 집속되어 유한푸우리에 격자(3)상에 입사한다. 입사광은 그 파장에 따라 분산되고, 유한푸우리에 격자(3)의 각도에 의해 결정된 특정파장을 가지는 광은 반도체 레이져칩(1)의 활성층(13)으로 귀환한다. 반도체 레이져칩(1)은 귀환광(16)의 파장에서 안정적으로 발진하여 그것의 다른면으로부터 주파수 안정화출력광(20)을 방사한다. 반도체 레이져칩(1)으로부터의 출력광(20)은 그 파장이 격자(3)의 회전에 따라 변화하게 된다.

반사방지막(5)은 반도체 레이져칩(1)과 격자(3)으로부터의 귀환광(16)간의 접속효율을 증진하는 역할을 한다.

제4도의 실시예에서는 격자(3)의 분산방향(X)과 레이져칩(1)의 pn 접합면 방향(Y)이 직교관계에 있다.

유한푸우리에 격자(3)는, 제5a,b,c도에 도시한 바와 같이, 1차 미분계수에 있어서 불연속점이 없기 때문에 완만하게 형성된 단면을 가지며, 유한고조파가 중첩된 기본사인파로 표시할 수 있다. 제5a도의 형상은 산마루중심에 대하여 대칭인 반면 제5b도의 형상은 비대칭이고, 이들의 차이는 고조파성분의 위상차로부터 도출할 수 있다. 제5c도의 형상은 단일의 기본사인파의 경우이다.

유한푸우리에 격자는 에셀레트격자에 의해서는 달성할 수 없는 고도의 편극특성효율을 가진다. 제6도는 종래의 에셀레트격자 및 유한푸우리에격자에 의한 편극광에 대한 회절효율의 측정결과를 나타낸다. 양자의 회절효율은 수직축에 표시하는 한편, 격자의 분산방향(X)과 pn접합면의 방향(Y)간의 각도(θ)은 수평축에 표시하고, 측정파장 λ는 0.83㎛이고 격자홈의 피치는 0.83㎛이다. 유한푸우리에 격자는 낮은 극의존성과 높은 효율을 가진다. P극에 있어서 유한푸우리에 격자의 효율은 에셀레트격자의 효율보다 40%크다.

P편극광이 에셀레트격자상에 입사되는 경우에는, 각 산마루의 상부에서 홈방향으로의 전류가 유도되고, 그 결과 손실이 증가하고 효율이 저하된다. 한편, 유한푸우리에 격자는 완만한 형상으로 되어 있기 때문에 농축 전류가 유도되는 일은 없고, 따라서 효율이 저하되지도 않는다. 유한푸우리에 격자는 광파장 λ와 격자홈피치 d가 0.2＜λ/d＜1.7의 관계를 가질 때 특히 효율이 크다.

효율특정에 매개변수 λ/d의 값을 선택하여 변화시킬 수 있다. 따라서, 광입사계를 S극광에만 한정시킬 필요는 없는 것이다.

그리하여, 격자(3)의 분산방향(X)을 pn접합면(14) 또는 활성층(13)의 방향(Y)에 대하여 경사시키므로써, 활성층(13)에 의사귀환광스포트(15)가 생기는 것을 방지할 수 있고, 강렬한 광귀환을 행할 수 있다. 다시 말해서, 격자(3)의 법선과 렌즈(2)의 광축간의 각도는 θ, 렌즈(2)의 초점거리가 f, 렌즈(2)의 조리개수가 NAmax, 종방향 모우드간격이 δλ일 때, 발진파장 λ에 대한 X와 Y간의 각도조건 ψ는 다음식으로 표시된다.

식 1을 만족하는 한, 반도체 레이져칩(1)의 발진에 의해서는 의사광(15)이 발생하지 않는다. 특히, 격자분산방향(X)과 pn 접합면(Y)을 직교시키면, 제8b도에 도시한 바와 같이, 의사광스포트(15)를 최대한 격리시킬 수 있고, 그 결과 파장조정 정도를 극대화할 수 있다.

제9도는 본 발명에 의한 주파수 안정화광원의 발진스펙트럼으로서, 인접의사모우드는 완전히 억제되고, 레이져는 단일파장으로 발진한다. 유한푸우리에 격자(3)는 P극으로 인하여 높은 회절광강도를 제공하게 되므로, 광귀환효과가 크고, 파장동조범위가 넓으며, 출력광(20)이 강해진다. 반도체 레이져칩(1)의 이득중심부근에서 발진이 행하여지는 경우에는, 반사방지막(5)이 반드시 필요하지는 않다.

제5c도에 도시한 사인파주름의 회절격자를 유한푸우리에 격자(3)로서 사용하면, 그것을 홀로그래피방법에 의해 용이하고도 정확하게 제조할 수 있으며, 형상이 완만한 대칭형으로 되어 있으므로 대량으로 복제하기가 용이하다. 따라서, 이 격자는 주파수 안정화광원의 원가절감면에서 유리하다.

제10도는 본 발명의 제2실시예를 도시한다. 이 실시예의 구성은, 유한푸우리에 곡선주름격자(9)를 유한푸우리에 격자(3)로서 사용한점에서 제1실시예와 다르다. 유한푸우리에 곡선주름격자(9)는 그 홈이 구역판의 형상으로 만곡되어 있으며, 집광기능과 분광기능을 겸한다. 유한푸우리에 곡선주름격자(9)는 그 자체가 렌즈의 역할을 하게 되므로 접속렌즈가 필요없고, 구조를 간략화하여 콤팩트한 광원을 실현할 수 있다. 기타 특징 및 효과는 제1실시예와 동일하다.

제11도는 본 발명의 제3실시예를 도시한다. 이 실시예의 구성은, 유한푸우리에 오목회절격자(10)를 유한회절격자(3)로서 사용한점에서 제1실시예와 구별된다. 유한푸우리에 오목회절격자(10)은 분산기능을 할 뿐만 아니라, 그 자체가 오목거울이기 때문에 집광기능도 겸한다. 유한푸우리에 오목격자(10)의 곡률 및 격자매개변수를 최적조건으로 설정하면, 뛰어난 집광성능이 발휘되고, 렌즈를 생략하여 광원을 콤팩트화 할 수 있다. 기타 특정 및 효과는 제1실시예와 동일하다.

Claims

반도체 레이져소자(1)와, 연속일자 미분계수를 가진 주름형상의 유한푸우리에 회절격자(3)를 구비하고, 상기 반도체 레이져소자(1)은 그 일면에서 푸우리에 회절격자(3)를 향하여 광을 방사하고, 상기 푸우리에 회절격자(3)으로부터의 회절광은 상기 반도체 레이져소자(1)로 귀환하므로써 당해 반도체 레이져소자가 그 타면에서 단일 스펙트럼출력광을 방사하도록 된 주파수 안정화광원.
제1항에 있어서, 상기 유한푸우리에 회절격자(3)는 선형주름을 가진 평면회절격자(3)이고, 상기 반도체 레이져소자(1)와 상기 회절격자(3) 사이에는 상기 반도체 레이져소자(1)의 일면으로부터의 광을 집속하는 렌즈(2)가 배치된 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
제1항에 있어서, 상기 유한푸우리에 회절격자(3)는 곡선형주름을 가진 평면회절격자(9)인 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
제1항에 있어서, 상기 유한푸우리에 회절격자(3)는 오목회절격자(10)인 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
반도체 레이져소자(1)와, 사인파주름형 회절격자(3)를 구비하고, 상기 반도체 레이져소자(1)는 그 일면에서 사인파주름형 회절격자(3)를 향하여 광을 방사하고, 상기 회절격자(3)로부터의 회절광은 상기 반도체 레이져소자(1)로 귀환하므로써 당해 반도체 레이져소자(1)가 그 타면에서 단일 스펙트럼출력광을 방사하도록 하는 주파수 안정화광원.
제5항에 있어서, 상기 사인파주름형 회절격자(3)는 선형주름을 가진 평면회절격자(3)이고, 상기 반도체 레이져소자(1)와 상기 회절격자(3) 사이에는 상기 반도체 레이져소자(1)의 일면으로부터의 광을 집속하는 렌즈(2)가 배치된 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
제5항에 있어서, 상기 사인파주름형 회절격자(3)는 곡선형 주름을 가진 평면회절격자(9)인 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
제5항에 있어서, 상기 사인파주름형 회절격자(3)는 오목회절격자(10)인 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
반도체 레이져소자(1)와, 이 반도체 레이져소자(1)의 활성층에 대하여 일정한 각도로 경사진 분산방향을 가지도록 배치된 사인파주름형 회절격자(3)을 구비하고, 상기 반도체 레이져소자(1)는 그 일면에서 상기회절격자(3)을 향하여 광을 발사하고, 상기 회절격자(3)로부터의 회절광은 상기 반도체 레이져소자(1)로 귀환하고, 의사광성분은 상기 활성층(13)으로부터 격리되므로써 상기 반도체 레이져소자(1)는 그것의 다른면에서 단일 스펙트럼출력광을 방사하는 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
제9항에 있어서, 상기 사인파주름형 회절격자(3)는 선형주름을 가진 평면회절격자(3)이고, 상기 반도체 레이져소자(1)와 상기 회절격자(3) 사이에는 상기 일면으로부터의 광을 집속하는 렌즈(2)가 배치된 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
제9항에 있어서, 상기 사인파주름형 회절격자(3)는 곡선형주름을 가진 평면회절격자(9)인 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
제9항에 있어서, 상기 사인파주름형 회절격자(3)는 오목회절격자(10)인 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.
제9항에 있어서, 상기 경사각은 90°인 것을 특징으로 하는 주파수 안정화광원.