JP2017228792A - 外部共振器レーザ - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域にわたってモードホップフリーな波長同調を可能にする波長可変レーザを提供する。【解決手段】Ｌｉｔｔｍａｎ型外部共振器半導体レーザにおいて、回転軸と回折格子面に一定のオフセットを与えることにより、レーザチップの群速度分散を補償し、広帯域なモードホップフリー同調を可能にする。より具体的には、光を放出するレーザチップと、レーザチップから放出されたビームをコリメートするレンズと、コリメートされた光を回折させる回折格子が固定されてなる支持体と、回折格子で回折されたビームを反射する可動ミラーと、を有し、可動ミラーを前記可動ミラーの表面が属する面と回折格子の表面が属する面の交線を回転軸として回転させるＬｉｔｔｍａｎ型の外部共振器レーザ配置から、回折格子を前記可動ミラーから遠ざかる方向に所定量平行移動させた外部共振器レーザとする。【選択図】図１

Description

本発明は、外部共振器レーザに関し、より詳細には群速度分散を補正したモードホップフリー同調外部共振器レーザに関する。

波長可変レーザは様々な物質や光学素子の分光測定や環境・医療計測等の分野において非常に有用である。波長可変レーザの一つとして外部共振器型半導体レーザがある。外部共振器型波長可変レーザは、半導体レーザチップ等の光学利得媒質を用い、回折格子などの周波数弁別機能を有する光学素子を用いて外部共振器を構成することにより、自由に発振波長を調整できるようにしたものである。特に、レーザダイオードを利得媒体に用いる外部共振器半導体レーザは殆どの波長領域に対応でき、かつ、小型、堅牢で比較的安価に製造することができるといった利点があるため、様々な応用に適している。

外部共振器型レーザには様々な型が存在するが、波長をモードホップなしに連続的に変えることの出来るモードホップフリー・レーザは分光測定において特に重要である。モードホップを防止することで高分解能で精密な分光が可能になるだけでなく、モードホップに伴うノイズの発生等を抑制できるからである。また、モードホップフリー同調はソリッドエタロンなどのファブリペロ共鳴パターンを用いて波長可変レーザの発振波長を自動較正する場合、外部の光学共振器へ波長可変レーザの発振周波数をロックする場合などにおいても不可欠である。

モードホップフリー・レーザとして、Ｌｉｔｔｒｏｗ型とＬｉｔｔｍａｎ型が知られている。Ｌｉｔｔｍａｎ型もＬｉｔｔｒｏｗ型と同じように、回折格子を用いて外部共振器に構成するが、Ｌｉｔｔｒｏｗ型ではレーザビームに対して回折格子を回転させるのに対し、Ｌｉｔｔｍａｎ型ではビームに対して回折格子が固定されている。このため、回折格子に照射するレーザ光の面積を広くとることができ、小型で分解能の高い共振器配置を実現できる、また、波長を変える際に出力光の出射方向が変化しないといったこと等の利点があるため、波長可変レーザとして広く用いられている。

Ｌｉｔｔｒｏｗ型の外部共振器型レーザに関する技術が記載された文献としては、下記の非特許文献１がある。

また、Ｌｉｔｔｍａｎ型の外部共振器型レーザに関する技術が記載された文献としては、非特許文献２、及び、特許文献１乃至３に記載がある。Ｌｉｔｔｍａｎ型の外部共振器型レーザは、広帯域に連続波長同調可能で、出力ビームが波長同調によりぶれないため、波長可変レーザで用いられている代表的な外部共振器配置である。

米国特許第５３１９６６８号明細書 米国特許第６６２５１８３号明細書 米国特許第６６１４８２９号明細書 ＷＯ／２０１１／０８１２１２号

Ｍ． ｄｅ Ｌａｂａｃｈｅｌｅｒｉｅ ａｎｄ Ｇ． Ｐａｓｓｅｄａｔ "Ｍｏｄｅ−ｈｏｐ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｔｔｒｏｗ ｇｒａｔｉｎｇ-ｔｕｎｅｄ ｌａｓｅｒｓ"，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ．３２，ｎｏ．３，２６９（１９９３），Ｖｏｌ．３３，ｎｏ．１８，３８１７（１９９４） Ｌｉｕ ａｎｄ Ｌｉｔｔｍａｎ，"Ｎｏｖｅｌ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ｆｏｒ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｏｆ ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒｓ"，Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．６，ｎｏ．３，１１７（１９８１） Ａ． Ｔ． Ｓｅｍｅｎｏｖ，Ｖ． Ｒ． Ｓｈｉｄｏｌｏｖｓｋｉ ａｎｄ Ｓ． Ａ． Ｓａｆｉｎ，"Ｗｉｄｅ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ Ｓｉｎｇｌｅ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｗｅｌｌ Ｓｕｐｅｒｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｄｉｏｄｅｓ ａｔ ０．８ｍｍ ｗｉｔｈ Ｂｅｎｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ"，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．２９，８５４−８５６（１９９３） Ｄ．Ｅ．Ａｓｐｅｎｅｓ ｅｔ． ａｌ．，"Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ＡｌｘＧａ１-ｘＡｓ"，Ｊ． Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ．，６０，ｐ．７５４（１９８６） Ｔ． Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，Ｙ． Ｙａｍａｄａ，Ｙ． Ｙａｍａｄａ， Ａ． Ｏｋｕｂｏ，Ｙ． Ｏｅｄａ ａｎｄ Ｋ． Ｍｕｒｏ，"Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ ｗｉｔｈ Ｄｅｃｏｕｐｌｅｄ Ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ Ｈｅｔｅｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ"，ＳＰＩＥ ３６２５， ｐ．３８〜４５（１９９９） Ｋ． Ｍｕｒｏ，Ｙ． Ｓｈｉｍａｄａ，Ｋ． Ｋｉｔａｈａｒａ，Ｔ． Ｅｎｄｏ，Ｙ． Ｙａｍａｇａｔａ，Ｙ． Ｙｍａｍａｄａ ａｎｄ Ｔ．Ｆｕｊｉｍｏｔｏ，"Ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｗｉｄｅｌｙ ｔｕｎａｂｌｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｃａｖｉｔｙ ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｓｉｎｇｌｅ−ａｎｇｌｅｄ−ｆａｃｅｔ ｌａｓｅｒ ｃｈｉｐ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎ． Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ，ＣＷＮ４，Ｍａｙ ５，２０１０，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ． Ｋ． Ｍｕｒｏ， Ｔ． Ｅｎｄｏ， Ａ． Ｔｅｒａｙａｍａ， Ｋ． Ｋｉｔａｈａｒａ， Ｙ． Ｓｈｉｍａｄａ ａｎｄ Ｄ． Ｆｕｋｕｏｋａ，"ＡＳＥ−ｆｒｅｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ Ｔｕｎａｂｌｅ Ｄｉｏｄｅ Ｌａｓｅｒ ｗｉｔｈ ａ Ｎｏｖｅｌ Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ Ｉｎｔｅｒｎ． Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｆ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃｓ，ＣＴｕ３．３，Ｍａｙ ８，２０１２，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ．

連続波長同調可能にするために考案されたＬｉｔｔｎａｎ型の外部共振器レーザは共振波長と共振器長が、その比を一定に保ちながら変化する幾何学配置を構成している。しかし、実際のレーザでは共振器内に利得媒質である色素や半導体を配置するため、その屈折率分散の影響をうける。色素レーザでは活性媒質である色素の厚みも薄く、屈折率も小さいため、大きな問題にはならなかったが、半導体を活性媒質に用いるレーザダイオードは大きな屈折率分散と光学厚みを有するため、広帯域なモードホップフリー同調には困難が生じる。光通信の１．５μｍ帯では１００ナノメートル程度のモードホップフリー同調領域を持つ製品も市販されているが、これは長波長であるため光路変化に対する許容度が高く、比較的屈折率分散も小さいという状況において、１ｍｍ以下の短いレーザチップを用いることにより可能になっている。そのため、その出力は１０ｍＷ程度に制限されている。
短波長になると、モードホップを引き起こす共振器長のズレが小さくなることに加え、屈折率分散が増加することから、モードホップフリー同調は飛躍的に困難になる。実際、市販の波長可変レーザのモードホップフリー同調領域は１μｍ帯で３０ｎｍ程度、可視光域ではモードホップフリー同調は１０ｎｍ以下に制限されている。
どの波長域においても高出力で広帯域に同調可能な波長可変レーザが求められている。しかし、高出力動作や広い利得帯域を得るためにはチップ長の長いレーザダイオードを用いる必要があるが、長いチップ長は屈折率の波長分散による光路長の変化が大きくなるた
め、モードホップフリー同調域は狭くなってしまうという問題があった。

そこで本発明は、上記課題を鑑み、屈折率分散の大きな短波長領域においても、また、長いレーザチップを必要とする高出力で広帯域に波長可変なレーザにおいても、モードホップを引き起こすレーザダイオードやコリメーションレンズの群速度分散を補償できる波長可変の外部共振器レーザを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の第一の観点に係る外部共振器レーザは、光を放出するレーザチップと、レーザチップから放出されたビームをコリメートするレンズと、コリメートされた前記光を回折させる回折格子が固定されてなる支持体と、回折格子で回折されたビームを反射する可動ミラーと、を有し、可動ミラーを可動ミラーの表面が属する面と回折格子の表面が属する面の交線を回転軸として回転させるＬｉｔｔｍａｎ型の外部共振器レーザ配置から、回折格子を前記可動ミラーから遠ざかる方向に所定量平行移動させたことを特徴の一つとする。

また、本発明の第二の観点に係る外部共振器レーザは、光を放出するレーザチップと、レーザチップから放出されたビームをコリメートするレンズと、コリメートされた前記光を回折させる回折格子が固定されてなる支持体と、回折格子で回折されたビームを反射する可動ミラーと、を有し、可動ミラーを回折格子面とミラー面の交線に平行な回転軸の周りで回転させる外部共振器レーザ配置から、回転軸をグレーティング面から一定量ミラーの方向へ所定量平行移動させたことを特徴の一つとする。

また、上記第一又は第二の観点において、限定されるわけではないが、入射される光を一部反射し、一部を透過するハーフミラーを共振器端に用い、前記ハーフミラーを固定し、前記レーザチップ、前記レンズ、及び、前記支持体を、前記回転軸の周りに回転させることが好ましい。

また、上記第一又は第二の観点において、限定されるわけではないが、グレーティング面と回転軸のオフセットＤＧが、下記式で与えられることが好ましい。

なお、上記式中、λ_０は設計の中心波長、ｎ_１（λ）はレーザチップの導波モードの実効屈折率、ｎ_２（λ）はコリメーションレンズの屈折率、ｄ^２ｎ_１（λ）／ｄλ^２、ｄ^２ｎ_２（λ）／ｄλ^２はそれぞれの屈折率の波長に対する２次微分係数である。また、ｌはレーザチップのチップ長、ｔはコリメーションレンズの実効厚み、ｄは回折格子の溝間隔、αはレーザチップからのコリメートビームが回折格子に入射する入射角である。

また、上記第一又は第二の観点において、限定されるわけではないが、回折格子を実質的にビーム中心のまわりに入射角に垂直に回転調節できる機構、及び、ミラーまたはレーザダイオードを光軸に沿って並進移動させるための機構を有することが好ましい。

以上、本発明により、モードホップを引き起こすレーザダイオードやコリメーションレンズの群速度分散を補償できる波長可変の外部共振器レーザを提供することを目的とする。

Ｌｉｔｔｍａｎ型外部共振器の構成を示す図である。 レーザダイオードを用いるＬｉｔｔｍａｎ共振器配置を示す図である。 ＧａＡｓ屈折率の波長依存性を示す図である。 屈折率の波長微分の波長依存性を示す図である。 屈折率の波長２次微分の波長依存性を示す図である。 ＥＣＯ５５０の屈折率の波長依存性を示す図である。 ＥＣＯ５５０の屈折率の波長微分の波長依存性を示す図である。 ＥＣＯ５５０の屈折率の波長２次微分の波長依存性を示す図である。 変形Ｌｉｔｔｍａｎ型共振器配置の概略を示す図である。 レーザダイオードを用いる変形Ｌｉｔｔｍａｎ型共振器配置を示す図である。 本実施形態に係る外部共振器レーザの光学系を示す図である。 本実施形態に係る外部共振器レーザの構成の概略を示す図である。 実施例に係る転置変形Ｌｉｔｔｍａｎ型外部共振器レーザの光学配置を示す図である。 ＤＧ＝０，ＤＭ＝−８．６６／−８．７１／−８．７６ｍｍでのモードホップを示す図である。 ＤＧ＝１．０ｍｍ，ＤＭ＝−１０．１５／−１０．２０／−１０．２５ｍｍでのモードホップを示す図である。 ＤＧ＝２．０ｍｍ，ＤＭ＝−１１．６３／−１１．６８／−１．７３ｍｍでのモードホップを示す図である。 ＤＧ＝３．０ｍｍ，ＤＭ＝−１３．１１／−１３．１６／−１３．２１ｍｍでのモードホップを示す図である。 Ｌｉｔｔｍａｎ型外部共振器レーザ出力のエタロン透過信号を示す図である。 Ｌｉｔｔｍａｎ型外部共振器レーザにおけるモードホップを示す図である。 実施例の外部共振器レーザ出力のエタロン透過信号を示す図である。 実施例の外部共振器レーザのモードホップを示す図である。 実施例の外部共振器レーザ出力のエタロン透過信号を示す図である。 実施例の外部共振器レーザのモードホップを示す図である。

以下、本発明の原理及び実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、実施例の記載にのみ限定されるわけではない。

図１は、非特許文献２に記載されるＬｉｔｔｍａｎ型外部共振器の構成図である。このＬｉｔｔｍａｎ型外部共振器は、この回折格子と可動ミラーともう一枚のミラーによって構成されている。より具体的には、横方向に回折格子に入射角αで入射するビームの一次回折光を可動ミラーで正反射し、再度、回折格子で回折された逆進ビームを反対側に置かれたミラーで正反射し、共振器を構成している。このとき、回折ビームに入射するビームの進行方向は回折格子溝に垂直である。この配置において、回折格子面と２つのミラー反射面の延長が１つの線で交わるように共振器を構成し、この交線を回転軸とし可動ミラーを回転させたとき、回折格子面とミラー反射面のなす角をβとして、溝間隔がｄの回折格子の１次回折光に対して共振器を構成する波長は下記式で表される。

またこのとき、本図の幾何学的考察からわかるように、共振器長（Ｌ＝ＰＱ＋ＲＱ）は回転軸Ｏと回折格子面でのビームの中心Ｑの距離をＬ０として次式で与えられる。

以上のとおり、回折格子面と可動ミラーのなす角bを変えて共振器の共振波長を変えたとき、共振器長は波長に比例して変化するため、共振器内に形成される電磁波の節の数は一定に保たれる。すなわちモードホップフリーな波長同調が可能になる。

ところで、利得媒体としてレーザダイオードを用いる場合、通常、図２に示すような配置になる。この配置では、一方の端面に高反射率コーティングを他方の端面に無反射コーティングを施したレーザダイオードチップ又は曲り導波路構造により一方を傾斜端面とし残留反射率を低減したレーザダイオードを共振器端にセットし、レーザダイオードからのビームをコリメートレンズで集光して回折格子に導いている。この場合、共振器はレーザダイオードの高反射端面と可動ミラーの間で、回折格子の１次回折光に対して構成するのが一般的である。

この場合、レーザダイオードの導波モードの実効屈折率ｎ１（λ）やコリメーションレンズの屈折率ｎ２（λ）は１より大きいので、モードホップフリー同調を実現するためにはレーザダイオードの高反射面を本図で示すように、Δだけ共振器長が短くなる方向に移動させる必要がある。レーザダイオードやコリメーションレンズの屈折率分散が無視できる場合はこの値は次式で与えられる。

しかしながら、実際には、レーザダイオードの導波モードやコリメーションレンズ、特にレーザダイオードの導波モードは強い波長分散を持つため、広帯域にわたってモードホップフリー同調を実現することは困難である。

ところで、レーザダイオードの導波モードの実効屈折率を中心波長の周りにテーラー展開すると次式のようになる。

半導体レーザの導波モードの実効屈折率は、導波路を構成する材料の屈折率を用いて固有値解析により簡単に求めることができる。また、半導体材料の屈折率の波長依存性は正確に測定されており、例えば、実施例に用いるＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ混晶系の屈折率の波長依存性は上記非特許文献４に記載されている。実施例に用いる１μｍ帯レーザダイオードチップの導波構造の詳細は上記非特許文献５に記載されているが、その導波モード実効屈折率はレーザチップの導波層に使用しているＧａＡｓの屈折率で近似できる。

バルクＧａＡｓの１μｍ波長帯での屈折率の波長依存性を図３に示す。半導体の屈折率は一般に短波長になるに従い、バンドギャップに近づくに従い強い波長依存性を呈する。

また、図４に、屈折率の波長に対する微分係数を［１／μｍ］の単位で計算したものを、図５に、屈折率の波長に対する２次微分係数を[１／mｍ２]の単位で計算したものを示す。

これらの図から、ある波長での屈折率の波長に対する１次微分係数、２次微分係数を読み取ることが出来る。

ところで、コリメーションレンズの屈折率も同様に、次式で与えられる。

コリメーションレンズの屈折率分散のデータは各製造元より提供されているが、例えば、実施例に使用するガラスモールド材料ＥＣＯ５５０の屈折率の波長依存性を図６に、波長に対する１次微分係数を図７に、２次微分係数を図８に示す。

これらの図で示されるように、レーザチップの屈折率分散はモールドガラスの屈折率分散より一桁ほど大きな値になり共振器の屈折率分散を支配している。ここで、レーザダイオードチップの長さをｌ、コリメーションレンズの有効厚みをｔとすると、図２の共振器の光学長は次式で表される。

そしてこの式をΔλのべき乗で整理すると、次式になる。

またこの式は、次式が成り立つ場合、

以下のように整理できる。

上記式において、第１項、第２項は波長λに比例している。すなわち、エンドミラーのオフセット値を次式で与えられる様に調整することにより、屈折率の線形分散がモードホップに及ぼす効果を相殺することが出来る。

しかし、共振器長Δを調整して、Δλ比例する屈折率の線形分散を補正したとしても、（Δλ）の２乗に比例する群速度分散項は補正することが出来ず、この値がλ／２超えると、モードホップを引き起こしてしまう。したがって、モードホップフリーの帯域幅ＢＭＨＦは、概ね次式で制限される。

つまり、例えば実施例における値、ｌ＝２１００μｍ、ｔ＝３５００μｍを用いて、λ＝１μｍに対して計算すると、モードホップフリーの帯域幅は概ね、２０ｎｍになる。この帯域幅は短波長になるほど、λ項の減少と群速度分散の増加により増々小さくなる。また、一般に長いチップ長が必要な高出力・広帯域波長可変レーザにおいては、Ｌｉｔｔｍａｎ型共振器配置において、広いモードホップフリー同調を得ることがますます困難になることを示している。実際、光通信帯域と異なり、１μｍより短波長において数十ナノメーターを超えるようなモードホップフリー領域を持つようなレーザは製品化されていないし、報告もされていない。

レーザチップの群速度分散の大きな短波長帯においても、また長いレーザチップを必要とする高出力・広帯域波長可変レーザにおいても、広帯域なモードホップフリー同調を実減するため、本実施形態に係る外部共振器レーザでは図９に示すようなレーザダイオードを用いる変形Ｌｉｔｔｍａｎ型共振器配置を提案する。

可動ミラーの回転軸となる一本の平行線を共有しお互いの間の角度がα、βであらわされる、図９に示すようなＬｉｔｔｎｍａｎ型共振器配置において、紙面横方向にはしるビームと回転軸の距離ＯＰと回折格子の溝間隔、ｄ、使用する回折の次数を決めれば、共振器波長、共振器長はすべて決まる。今、回折格子と可動ミラーのなす角βを変えて、共振波長をチューニングしたとき、レーザチップの群速度分散によるモードホップを抑制するように共振器長が変化する様な共振器配置にＬｉｔｔｍａｎ配置を変形したい。この共振器配置において、考えられる変形のパラメーターはミラーの平行移動、可動ミラーの平行移動、回折格子の平行移動だけである。しかしながら、ミラー、可動ミラーの平行移動は共振器長に一定のオフセットを与えるだけで、共振器長のβ依存性を変更するものではない。実際、共振器長が変化しないように、同じ距離だけミラーと可動ミラーを前後に平行移動させた配置は上記のＬｉｔｔｍａｎ配置のモードホップフリー同調条件を満足する。

こう考えると、実はＬｉｔｔｍａｎ型共振器配置においてモードホップフリー同調に影響を与える唯一のパラメーターは可動ミラーの回転軸と回折格子面の距離であることが分かる。このパラメーターを図９に示す様にＤＧとする変形Ｌｉｔｔｍａｎ型共振器配置について考える。この幾何学問題を解くとこの変形Ｌｉｔｔｍａｎ配置における共振器長Ｌは次式で与えられる。

この式において角度βを共振波長λで表すと、次式をうる。

本式において、第１項、第２項は共振波長λに比例しており、第４項は定数である。第３項をλ_０のまわりでテーラー展開し、２次の項までとると以下の式になる。

従って、図１０に示すレーザダイオードチップとコリメーションレンズを用いるＬｉｔｔｍａｎ型外部共振器配置において、回折格子の回転軸に対するオフセット、ＤＧとレーザチップの後端面ミラーのオフセットΔを適切に選ぶことにより、レーザダイオードチップの群速度分散を補正し、広帯域にモードホップフリー同調が可能な波長可変レーザを実現できる。もちろん、先に述べたようにレーザチップの後端面ミラーのオフセットΔは可動ミラーのオフセットに振り分けることもできる。

具体的には群速度分散を補正するグレーティング面の回転軸に対するオフセット値は次式で表される。

また、Δλに比例する項を補正するためのミラーによる共振器長のオッフセット値、Δは字式で表される。

通常、レーザダイオードの導波モードの群速度分散やレンズ用材料の群速度分散は正となるため、ＤＧの値は正である。すなわち、回折格子を対向するミラーから遠ざける方向に平行移動することにより、群速度分散によるモードホップを抑制することが出来る。尚、図５と図８の比較から分かるように、レーザダイオードの実効屈折率の群速度分散は光学材料の群速度分散に比べて２桁ほど大きくなっており、実質的にはレーザダイオードの群速度分散だけを考えればよい。

本実施形態に係る外部共振器は、上記特許文献４に記載される波長可変レーザの形態を基礎として用いることができる。特許文献４記載の外部共振器は通常のＬｉｔｔｍａｎ型外部共振器を転置し、ハーフミラーから自然放射光を取り除いた高スペクトル純度出力を得る構成となっているが、モードホップフリー同調を達成するためのメカニズムそのものは従来型のＬｉｔｔｍａｎレーザと同様のものを用いることができる。

図１１は、本実施形態に係る外部共振器レーザ１の光学系の概略を示す図である。本実施形態にかかる外部共振器レーザ１は、光を放出するレーザチップ２と、レーザチップ２から放出された光を回折させる回折格子３と、回折格子３からの光を一部反射し、一部を透過するハーフミラー４と、を有する。なお本実施形態において、レーザチップ２と回折格子３との間には、レーザチップ２から放出された光を平行光にするコリメートレンズ９が配置されている。また本実施形態に係る外部共振器レーザは、レーザチップ、回折格子及びハーフミラーから構成される外部共振器がＬｉｔｔｍａｎ型の配置となっている。

図１２は、本実施形態に係る外部共振器レーザ１の構成についての概略図である。上述の記載及び本図で示すように本実施形態に係る外部共振器レーザ１において、ハーフミラー４は固定支持体５に固定されており、レーザチップ２、コリメートレンズ９及び回折格子３は、固定支持体５に軸６を介して回転可能に支持される回転支持体７に固定されている。なお、回転支持体７は、固定支持体５に設置される駆動機構８により軸６を中心に回転する。

図１３は本実施形態に係る変形転置Ｌｉｔｔｍａｎ配置における光学配置を示している。従来型レーザの可動ミラーをハーフミラーとして固定し、レーザダイオード、コリメーションレンズ、回折格子を保持する支持体全体を回転軸の周りに回転する本構造においても、その幾何学的な関係は図１０と同じである。

本構造において、レーザダイオードは上記特許文献４と同じ１０４０ｎｍ帯に利得中心を持つオプトエナジー社が開発した曲り導波路構造のレーザダイオードを用いた。曲り導波路構造の一方の垂直にビームが出射される端面には９０％以上の反射率の高反射コーティングを施し、他方の傾斜端面には２％以下の低反射コーティングを施した。傾斜端面における導波路は垂直から４度傾いており、端面での反射ビームは導波路外へ散逸するため、端面でのモード反射率は極めて低く、外部共振器型半導体レーザに好適である。曲り導波路チップの詳細については限定されるわけではないが、例えば上記非特許文献３に記載のものを採用することができ、用いたレーザダイオードの具体的なエピ構造は、上記非特許文献５に記載の構造を用いた。このレーザチップの導波路はＧａＡｓで構成されており、導波モードの実効屈折率は図３に示すＧａＡｓの屈折率で近似できることが分かっている。なお、実施例に用いたレーザチップの長さは２．１ｍｍである。コリメーションレンズには、Ｔｈｏｒｌａｂｓ， Ｉｎｃ．販売の非球面レンズＣ２４０ＴＭＥ−１０６４を用いた。このレンズは焦点距離８ｍｍ、開口０．５の非球面レンズで１０６４ｎｍを中心に無反射コーティングが施されている。また、このレンズはＥＣＯ-５５０のモールドガラス材でつくられておりその屈折率を図６に示す。ちなみにこのレンズの中心での厚みは３．６９ｍｍである。

また本構造において、回折格子は１ｍｍ当たりの溝本数が１２００本の金コートされた反射型回折格子で、Ｎｅｗｐｏｒｔ社の製品モデル１０ＲＧ１２００−１０００−２を用いた。また、ハーフミラーには１０４０ｎｍ近傍の波長に対して、３０％の反射率を持つハーフミラーを用い、透過光をレーザ出力として取り出した。ハーフミラーは約３０秒のウエッジのついたミラーを用い、後面には無反射コーティングを施すと同時に、後面での反射光がレーザダイオードにフィートバックされることがないようにした。回折格子はビーム中心を実質的に固定した状態で回転を調節できるようにし、結果としてＤＧの値を変えて実験を行った。また、レーザダイオードとコリメーションレンズを一体化したユニットを光軸に沿って前後に移動調節ができるようにし、また、ハーフミラーも前後に平行移動を調節できるようにし、これによって、共振器長のオフセットをモードホップが起こらないように調節することを可能にした。

また本構造において、回転軸から回折格子面のビーム中心までの距離は４２ｍｍで、角度αは約８０度で、角度βは１４度のまわりに±４度回転させることにより、１００ｎｍ程度の波長可変域にわたって波長を同調できる。

上記のパラメーターでレーザの設計・製作に先立って行ったシミュレーション結果について説明する。本シミュレーションにおいて、レーザダイオードチップの分散は高次も含めて数値計算により取り入れた。また、コリメーションレンズの群速度分散はチップの群速度分散より２桁程度小さいため無視した。

図１４にグレーティングオフセットＤＧ＝０、すなわち通常のＬｉｔｔｍａｎ型配置の場合について、波長掃引に対するモードホップの状況を示す。縦軸には中心波長の１０４０ｎｍからの縦モード数の変化をプロットしている。太い実線はレーザチップやレンズの中心波長での屈折率や、線形分散を補正して、モードホップを最少にするように共振器長の補正を行った場合の計算結果を示す。空のＬｉｔｔｍａｎ共振器の場合に比べて共振器長は８．７１ｍｍだけ短くした場合で、ミラーによる共振長のオッフセット、ＤＭ＝−８．７１ｍｍの場合である。因みに、この内訳はレーザダイオードの中心波長での屈折率補正：５．２０ｍｍ、屈折率の線形分散分の補正：０．７５ｍｍ、コリメーションレンズの中心波長での屈折率補正：２．１８ｍｍ、屈折率の線形分散分の補正：０．５８ｍｍとなっている。参考のため、共振器長のオッフセットＤＭを最適値８．７１から、０．０５ｍｍ増やした場合の様子を細い実線で、０．０５ｍｍ減らした場合の様子を細い点線で示す。この計算はモードジャンプの波長掃引に対する頻度を調べるためのもので、個々のモードジャンプがどこで起こるかを観るものではない。中心波長を挟んでモードジャンプが逆の方向に起こるように共振器長を調節しても、モードホップフリー同調波長域は精々２０〜３０ｎｍであることが分かる。この値は外部共振器の長さに依存せず、レーザダイオードの有効屈折率の群速度分散とチップ長の積の平方根に比例している。

図１５、図１６、図１７にそれぞれ、グレーティングオフセットをＤＧ＝１．０ｍｍ，ＤＧ＝２．０ｍｍ，ＤＧ＝３．０ｍｍとした場合のモードホップのシミュレーション結果を示す。それぞれ、最適条件に対応するミラーオフセットはＤＭ＝１０．２０ｍｍ、ＤＭ＝１１．６８ｍｍ、ＤＭ＝１３．１６ｍｍになっている。ＤＧの変化とともに最適のＤＭが変化するのはＤＭの導入による共振器長の変化の補正に加え、中心波長λ０からの共振波長の差に比例する共振器長の変化を補正する必要があるためである。図１５、図１６、図１７においても図１４と同様に最適な共振器長のオフセット長から０．０５ｍｍだけ、前後にずらせた場合のシミュレーション結果を示している。

これらの図から、ＤＭの増加とともに、チップの群速度分散による有効共振器長の増加が補正されモードホップが抑制されていることが分かる。グレーティング面を回転軸との距離が３．０ｍｍとなるようにミラーから遠ざけた配置においてモードホップは著しく抑制され、１００ｎｍ程度のモードホップフリー同調域が得られることが分かる。残留するモードホップは３次の屈折率分散によると考えられ、２次の項は回折格子面を適当にオフセットすることにより完全に補償できることが分かる。

外部共振器レーザの波長掃引における出力光の１０ＧＨｚのソリッドエタロンの透過信号を調べることにより発振周波数のモードホップを調べた。単一周波数で発振する狭線幅レーザ出力のエタロン透過率は１０ＧＨｚごとに周期的に振動する。モードホップは外部共振器レーザのモード間隔である２．５ＧＨｚの大きさで起こるため、エタロン透過率の周期的な振動の乱れを測定することによりモードホップの発生をモニターできると同時に、モードホップにともなう位相シフトの方向からモード数の増減を判定することができる。

図１８に通常のＬｉｔｔｍａｎ型外部共振器レーザにおいて、モードホップを最少にするように共振器長を最適化した状態での、出力のエタロン透過信号の波長依存性を示す。図１８の上部には９８０ｎｍから９８２ｎｍの間のエタロン透過信号を拡大したものを示す。９８１ｎｍ近傍に、振動の周期の乱れが観測され、モードホップが起こっていることが分かる。また、その位相関係より、波長の増加に伴い、縦モード数は減少していることが分かる。

図１９にＬｉｔｔｍａｎ型外部共振器レーザにおいて観測したモードホップの発生波長とモード数の変化を図１９に示す。モード数の変化は折り返し点である１０１０ｎｍを基準に示してある。図１４のシミュレーション結果と比較すると、最適化波長が実験では若干短波長側にずれているものの、レーザダイオードの群速度分散がＬｉｔｔｍａｎ型波長可変レーザのモードホップを支配しており、得られるモードホップフリー領域は最大でも３０ｎｍ程度に制限されていることが分かる。

シミュレーション結果にならって、グレーティング面の回転軸に対するオフセットＤＧ＝２ｍｍにして共振器長を最適化した実施例におけるエタロン透過信号の波長依存性を図２０に示す。また、この１０ＧＨｚのエタロン透過信号からモードホップをモニターした結果を図２１に示す。また、オフセットＤＧ＝３ｍｍにして共振器長を最適化した実施例におけるエタロン透過信号の波長依存性を図２２に示す。また、この１０ＧＨｚのエタロン透過信号からモードホップをモニターした結果を図２３に示す。シミュレーションで得られた結果と同じように、DG=３ｍｍでは１００ｎｍにも及ぶモードホップフリー同調が実現できた。本発明により、モードホップフリー同調が困難な短波長領域においても、また、長いレーザダイオードチップを用いる必要がある高出力な外部共振器型波長可変レーザにおいても広い波長域にわたるモードホップフリー同調が可能となった。

本発明は、広帯域にわたるモードホップフリー同調が必要な高分解能分光や低ノイズな高精度分光を必要とする、先端計測、医療・環境計測、産業計測において利用される可能性がある。

１…外部共振器レーザ、２…レーザチップ、３…回折格子、４…ハーフミラー、５…固定支持体、６…軸、７…回転支持体

Claims (6)

1. 光を放出するレーザチップと、
   前記レーザチップから放出されたビームをコリメートするレンズと、
   コリメートされた前記光を回折させる回折格子が固定されてなる支持体と、
   回折格子で回折されたビームを反射する可動ミラーと、を有し、
   前記可動ミラーを前記可動ミラーの表面が属する面と前記回折格子の表面が属する面の交線を回転軸として回転させるＬｉｔｔｍａｎ型の外部共振器レーザ配置から、前記回折格子を前記可動ミラーから遠ざかる方向に所定量平行移動させ、モードホップを抑制した外部共振器レーザ。
2. 光を放出するレーザチップと、
   前記レーザチップから放出されたビームをコリメートするレンズと、
   コリメートされた前記光を回折させる回折格子が固定されてなる支持体と、
   回折格子で回折されたビームを反射する可動ミラーと、を有し、
   前記可動ミラーを回折格子面とミラー面の交線に平行な回転軸のまわりで回転させる外部共振器レーザ配置において、前記回転軸を回折格子面からミラーの方向へ所定量だけ平行移動させ、モードホップを抑制した外部共振器レーザ。
3. 光を放出するレーザチップと、前記レーザチップから放出されたビームをコリメートするレンズと、コリメートされた前記光を回折させる回折格子を取り付けた支持体と、入射される光を一部反射し、一部を透過するハーフミラーを具備し、前記ハーフミラーを固定し、前記ハーフミラーのミラー面と前記回折格子の回折格子面の交線に平行な回転軸の周りに前記支持体を回転させる外部共振器型レーザにおいて、前記回転軸を回折格子面からハーフミラーの方向へ所定量平行移動させ、モードホップを抑制した外部共振器レーザ。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の外部共振器レーザにおいて、
   回折格子面と回転軸のオフセットＤＧが、下記式で与えられる外部共振器レーザ。
   
   （λ_０は設計の中心波長、ｎ_１（λ）はレーザチップの導波モードの実効屈折率、ｎ_２（λ）はコリメーションレンズの屈折率、ｄ^２ｎ_１（λ）／ｄλ^２、ｄ^２ｎ_２（λ）／ｄλ^２はそれぞれの屈折率の波長に対する２次微分係数である。また、ｌはレーザチップのチップ長、ｔはコリメーションレンズの実効厚み、ｄは回折格子の溝間隔、αはレーザチップからのコリメートビームが回折格子に入射する入射角である。）
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載の外部共振器レーザにおいて、
   回折格子をビーム中心のまわりに前記回転軸に平行な軸のまわりに回転調節できる機構、を有する外部共振器型レーザ。
6. 請求項１〜５記載の外部共振器レーザにおいて、ミラーまたはレーザダイオードを光軸に沿って並進移動させる機構を持つ外部共振器型レーザ。