JPH06268303A - 光カオス発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】光学系の調整を容易にし、戻り光量の微妙な調
整を可能にする光カオス発生装置の提供にある。 【構成】本発明の光カオス発生装置は、レーザ共振器１
０と、このレーザ共振器１０からの出射光を光共振させ
ると共にレーザ共振器１０に入射して光カオスを発生さ
せる外部共振器と、この外部共振器内の光軸上に配置さ
れ前記出射光を反射して拡がり角又は絞り角を持った反
射光を前記レーザ共振器へ返す光学部材１３とを具備し
て構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体レーザの複合共
振器を用いて光カオスを発生させる光カオス発生装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、非線形情報処理の基本素子として
光カオス発生装置が注目されている。カオスとは決定論
的な力学系に支配されているにも拘らず、その振舞いが
非決定論的な現象をいう。ここで述べる光カオスは、半
導体レーザの光非線形性を利用した現象の一つを対象と
している。

【０００３】かかる光カオスは、ＣＯ₂ レーザなどでレ
ーザ動作の力学系に由来する不安定発振や、リング共振
器中に非線形光学素子を配した受動型共振器に見られる
不安定発振が主に研究されてきた。実用面においては、
そのような不安定発振を抑制して、安定に動作させるた
めの研究が不可欠であるからである。

【０００４】一方、半導体レーザにおいては戻り光ノイ
ズの問題は古くから知られており、実用面においてはこ
れを制御し、安定に動作させるためにの研究が不可欠で
ある。その反面、戻り光ノイズの振舞いがカオスである
ことに興味をもたれ、盛んに研究が行われている。将来
の非線形情報処理の基本素子として、光カオスが注目さ
れている。図１０は半導体レーザを用いた光カオス発生
系の構成図を示している。

【０００５】この光カオス発生系は、半導体レーザ１の
一端面から出射した出射光をコリメータレンズ２で平行
光にしてから平面反射鏡からなる外部鏡３に入射し、そ
の反射光を再び半導体レーザ１の端面に入射し、光カオ
スを発生させている。

【０００６】上記光カオス発生系において、外部鏡３か
ら返ってきた反射光のうち半導体レーザ１の端面から内
部に入射する光（戻り光）の光量を変化させると、戻り
光の光強度，位相，キャリア密度の時間変化にカオス的
な振舞が観察される。

【０００７】戻り光の光量調節は、一般には、図１１
（ａ）に示すように外部鏡３の傾き角度を調節する方法
が考えられる。外部鏡３を光軸に対して垂直に配してい
る場合は、その反射光は図１１（ｂ）に示すように半導
体レーザ１の出射位置に焦点を結ぶ。また外部鏡３の傾
き角度に応じて光軸に対して所定の角度で反射した反射
光は出射位置とは異なる位置に焦点を結ぶ（図１１
（ｃ））。一般に、レンズ系で絞った光線はガウスビー
ムと考えられるので、焦点でのビーム径は有限の領域を
持っている。

【０００８】図１２，図１３は、図１１（ｂ），（ｃ）
に示す各反射光の半導体レーザ端面での形状を示してい
る。半導体レーザ１に再入射する戻り光量は、半導体レ
ーザ端面の活性層１ａと、各反射光Ａ，Ｂのビームスポ
ットＡ′，Ｂ′との重なりで決まる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところが、平面鏡３の
煽りによって半導体レーザ１の活性層１ａとビームスポ
ットＡ′，Ｂ′との重なり具合を変化させて戻り光の光
量を調整しようとすると、半導体レーザ１の活性層１ａ
の厚さが0.05〜0.1 μｍ程度と薄く、かつ戻り光量が外
部鏡３の煽り角度の微小な変化に対して大きく変化して
しまうことから、戻り光量の微妙な調整が極めて困難で
ある。

【００１０】また半導体レーザ１，コリメータレンズ
２，外部鏡３の間の光学配置のずれが戻り光強度に大き
く影響する。図１０に示すような複合共振器で光カオス
を発生させる場合、光強度の揺らぎに対し戻り光強度の
影響が大きく、外部鏡３の配置には微妙な調節を要す
る。特に外部共振器長が大きい場合には、高い再現性で
戻り光量を調節することは困難である。

【００１１】本発明は以上のような実情に鑑みてなされ
たもので、光学系の調整が容易であり、戻り光量の微妙
な調整を可能にし、高い制御性を実現した光カオス発生
装置を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明の光カオス発生装置は、レーザ共振器と、この
レーザ共振器からの出射光を光共振させると共に前記レ
ーザ共振器に入射して光カオスを発生させる外部共振器
と、この外部共振器内の光軸上に配置され前記出射光を
反射して拡がり角又は絞り角を持った反射光を前記レー
ザ共振器へ返す光学部材とを具備して構成した。

【００１３】

【作用】本発明の光カオス発生装置では、レーザ共振器
からの出射光が外部共振器に入射し、そこで光共振せし
められ外部共振器内の光学部材で反射してレーザ共振器
に入射する。レーザ共振器に入射する反射光のうち実際
にレーザ共振器内に戻る戻り光量は光学部材での反射角
によって決まる。本発明では光学部材が拡がり角或いは
絞り角を持った反射光を発生させてレーザ共振器へ返
す。このような反射光は、光学部材の配置状態の変化に
対し、戻り光の光軸と平行或いはその近傍の光線の変化
量が、平面鏡を煽る場合に比べて少ない。そのため光学
部材の状態変化に対する戻り光の光量変化が緩和され戻
り光の微妙な光量調節を容易に行うことが可能になる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第１実施例に係る光カオス発
生装置について図１に基づいて説明する。この光カオス
発生装置は、双方向に光を出射する半導体レーザ１０
と、この半導体レーザ１０の一方の端面１１ａから出射
された光を平行光に整形するコリメータレンズ１２と、
このコリメータレンズ１２からの平行光を反射しその反
射光を半導体レーザ１０の端面１１ａにコリメータレン
ズ１２を介し入射する反射鏡１３とを備えている。コリ
メータレンズ１２及び反射鏡１３から外部共振器を構成
し、半導体レーザ１０と外部共振器とで複合共振器を構
成している。

【００１５】半導体レーザ１０は活性層１１を有してお
り、その活性層１１の一方の端面１１ａからレーザ光を
出射すると共に、端面１１ａに外部共振器からの反射光
が入射する。コリメータレンズ１２により端面１１ａに
形成されるビームスポットは端面１１ａの厚さと略同一
径を有し、かつ端面１１ａ上に重ねて投影されるように
設定されているものとする。反射光のビームスポットと
端面１１ａとの重なり具合で戻り光の光量が決まるのは
上述した通りである。

【００１６】反射鏡１３はコリメータレンズ１２からの
光を反射する反射面１４を有している。この反射面１４
はコリメータレンズ１２側に凸で一定の曲率を有する球
面で形成されている。

【００１７】このような凸面鏡を用いることによって、
外部鏡１３の光学配置のずれに対して戻り光強度が急激
に変化しない理由を図９を参照して説明する。戻り光の
焦点でのビームウェストと半導体レーザの活性層１１の
重なり具合いで、戻り光強度が決まるので、戻り光線の
光軸に対する広がり角はある程度許容範囲があると考え
られる（図２）。図９（ａ）で、凸鏡面１４は反射広が
り角を持っているため、ミラー１３の半導体レーザの出
射端面に対する平行度が変わっても、反射光の中で、光
軸に対して平行あるいは平行に近い成分は必ず残るの
で、ミラー１３の平行度の変化に対して、半導体レーザ
１０への戻り光量は急激には変化しない（図９
（ｂ））。また、ミラー１３の光軸に垂直な面内の位置
ずれに対してもやはり、凸鏡面１４は反射広がり角を持
っているので、急激に戻り光量が変化することはない
（図９（ｃ））。

【００１８】図２は、光線の種類とコリメータレンズを
通して結ばれる焦点距離との関係を示している。反射光
が完全に平行な光線（ａ）に対する焦点距離に比べて、
拡がり角を持った反射光（ｂ）に対する焦点距離の方が
長くなる。従って、反射鏡１３を光軸と直交する方向へ
移動させた際の戻り光の光量変化は、平行な光線に比べ
て拡がり角を持った反射光の方が小さくなる。すなわ
ち、反射鏡１３の動きに対する戻り光の減少の割合が平
行光束に比べて緩やかになる。

【００１９】この様に本実施例によれば、所定の曲率面
からなる反射面１４を持つ反射鏡１３を外部共振器の光
学系内に配置し、その反射鏡１３を光軸と直交する方向
へ移動可能に構成し、所定の角度で拡散する反射光をコ
リメータレンズ２を介して半導体レーザ１０の端面１１
ａに入射させるようにしたので、半導体レーザ１０の端
面１１ａに入射する戻り光の強度を、連続的にかつ微小
量だけ変化させることができる。その結果、光学系の調
整が容易となり、カオスの制御を向上することができ
る。

【００２０】なお、反射鏡の反射面として凹面状の曲率
面を用いることもできる。凹面状の曲率面を反射鏡の反
射面として用いた場合は、反射光の光束は図２（ｃ）に
示すように絞り角を持った反射光となる。絞り角を持っ
た反射光（ｃ）に対する焦点距離は、平行な光線（ａ）
に対する焦点距離に比べて、コリメータレンズ１２に近
いところで焦点を結ぶので、やはり戻り光量は減少す
る。従って、上記実施例と同様に戻り光の微妙な光量調
節が可能になる。以上の光学系を用いて、戻り光量を微
調整する方法について説明する。反射鏡１３は光軸に対
して垂直に配置され、光軸と直交する平面内で移動可能
に保持されている。

【００２１】図１（ａ）は、反射鏡１３の反射面１４の
中心（曲率中心に相当）を光軸と一致させた状態での反
射光の状態を示している。反射鏡１３で反射した反射光
は、光軸を中心に該光軸と直交する面方向に一様に発散
する光線となる。この状態では、反射光のうち光軸と平
行及びその近傍の光線がコリメータレンズ１２に入射
し、半導体レーザ１０の端面１１ａに集光する。

【００２２】反射鏡１３の反射面１４は、反射面１４の
中央部で反射した反射光の拡がり角が最も小さく、その
周辺で反射する反射光の拡がり角は大きくなっているの
で、同図（ａ）が最も戻り光の光量が多い状態である。

【００２３】反射鏡１３を、図１（ａ）の状態から光軸
と直交する方向へ所定距離Δｘ１だけ移動した状態が図
１（ｂ）に示されている。反射鏡１３が光軸と直交する
上方向へ移動すると、反射面１４上での入射位置が周辺
部へずれて、反射光の反射角が変化し戻り光の光量が減
少する。曲面（反射面１４）で反射した反射光は拡がり
角を持っているので、反射鏡１３が移動しても必ず戻り
光の光軸に対して平行及びその近傍の光線が存在する。
そのため反射鏡１３の移動に伴う戻り光の光量減少は極
めて緩やかな割合で減少する。

【００２４】反射鏡１３を、図１（ａ）の状態から光軸
と直交する同一方向へ所定距離Δｘ２だけ移動した状態
が図１（ｃ）に示されている。この場合、反射鏡１３の
移動に伴い戻り光の光量が減少するが、その減少の割合
は上述した理由から緩やかなものとなる。次に、本発明
の第２実施例について図３を参照して説明する。

【００２５】本実施例は、第１実施例と同様に一定の曲
率の反射面１４を有する反射鏡１３′を、戻り光の光軸
と出射光の光軸とのなす角が連続的に変化するように回
転自在に保持した例である。本実施例では、反射鏡１
３′を戻り光の光軸と垂直に交差する回転軸で回転自在
に支持している。

【００２６】本実施例によれば、反射鏡１３′を回転さ
せて反射面１４と光軸に直交する平面とがなす角を連続
的に変化させると、反射面１４における光の入射位置に
応じて反射角が緩やかに変化し、戻り光の光量が微小量
変化する。

【００２７】図３（ａ）は反射体１３′の中心軸と戻り
光の光軸とを一致させた状態であり、同図（ｂ），
（ｃ）は反射体１３′の回転角（煽り角）Ｍ，Ｎの場合
の光量変化を示している。

【００２８】この様な本実施例によっても、反射鏡１
３′の回転が、反射鏡１３を平行移動させたのと同等に
作用するので上記第１実施例と同様の効果を得ることが
できる。次に、本発明の第３実施例について図４，図５
を参照して説明する。本実施例は反射鏡の反射面を非球
面とし、反射光の平行度は変化させず、広がり角のみの
変化によって戻り光強度を調節した例である。

【００２９】２１は外部共振器内に反射体として配置さ
れる非球面反射鏡であり、反射光の広がり角が連続的に
変化するように設計されている。この反射鏡２１の反射
面２２は、例えば、図５（ｃ）に示すような非球面とな
っている。反射面２１は、連続的にかつ緩やかに曲率が
変化する曲面からなる鏡面である。図５に示すように、
反射面２１は楕円体の回転によって得られる曲面であ
り、同図（ａ）は曲率変化が小さいもの、同図（ｂ）は
曲率変化が大きいものを示している。

【００３０】この様な反射面２１に入射する光は、図５
（ｃ）に示すように同図ア方向からの入射光に対しては
反射光の拡がり角が大きく、同図イ方向からの入射光に
対しては反射光の拡がり角が小さくなる。従って、この
様な非球面状の反射面２２を持った反射鏡２１を回転さ
せると、反射光の拡がり角を連続的に変化させることが
できる。

【００３１】例えば、図４（ａ）に示すように反射鏡２
１の回転角度を調整してコリメータレンズ１２からの平
行光束が曲率の大きい、反射面２２の中心部に入射する
ように調整すれば、反射光の拡がり角が大きいのでコリ
メータレンズ１２に入射する戻り光の光軸と平行および
その近傍の光束数が減少して戻り光の光量が減少する。

【００３２】また図４（ｂ）に示すように反射鏡２１の
回転角度を調整してコリメータレンズ１２からの平行光
束が曲率の小さい、反射面２２の周辺部に入射するよう
に調整すれば、反射光の拡がり角が小さいのでコリメー
タレンズ１２に入射する戻り光の光軸と平行およびその
近傍の光束数が増加し戻り光の光量が増大する。

【００３３】この様に本実施例によれば、曲率が連続的
に変化する非球面からなる反射面２２を有する反射鏡２
１を設け、その反射鏡２１を回転自在に支持する構成と
したので、反射鏡２１の回転により反射光の拡がり角を
連続的に変化させることができ、拡がり角を持った反射
光であることから反射鏡２１の回転に伴う戻り光の光量
変化が微小量なものとなり、戻り光の微妙な光量調節が
可能になる。

【００３４】なお、反射鏡の反射面の形状は上述したも
のに限定されるものではなく、例えば図６に示すように
１つの楕円体によって得られるものであってもよい。こ
の例では、反射鏡面の中心部に最小曲率を持っているの
で、反射鏡の中心部を光軸に合わせることによって最も
大きい戻り光量が得られる。

【００３５】次に、本発明の第４実施例について図７を
参照して説明する。同図に示す本実施例はリング構造を
有する複合共振器において反射鏡のアライメントを容易
にした例である。

【００３６】本実施例は、４つのミラーＭ１〜Ｍ４でリ
ングを構成し、コリメータレンズ１２で平行光束とされ
た光は半透過ミラーＭ１を通り、リングに入射し、最終
的に該ミラーＭ１で反射した反射光を半導体レーザ１０
へコリメータレンズ１２を介して返している。リング内
での光の巡行方向はアイソレータによって制御し、光は
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３、Ｍ４と巡行するようにしている。半
透過ミラーＭ１は、非平面構造を有し、前述の説明のと
おり、Ｍ４で反射した光を半導体レーザの出射端面にア
ライメントすることを容易に、かつ、微調整可能として
いる。このミラーＭ１が上述した各実施例における反射
鏡と同等に機能する。

【００３７】また図８に示すように、図７に示す構成に
加え、外部共振器のリング内に変調素子３０を挿入した
構成とすることもできる。変調素子３０は、電気光学変
調素子、音響光学変調素子、或いは半導体等を用いるこ
とができ、外部から電気，音波，光等によって光変調を
かけるようにする。本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々変
形実施可能である。

【００３８】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、光
学系の調整が容易であり、戻り光量の微妙な調整を可能
にし、高い制御性を実現した光カオス発生装置を提供で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例に係る光カオス発生装置の
構成及び動作状態を示す図である。

【図２】複数種類の光束と焦点距離との関係を示す図で
ある。

【図３】本発明の第２実施例に係る光カオス発生装置の
構成及び動作状態を示す図である。

【図４】本発明の第３実施例に係る光カオス発生装置の
構成及び動作状態を示す図である。

【図５】図４に示す光カオス発生装置で用いられる反射
鏡の形状を示す図である。

【図６】光カオス発生装置で用いられる反射鏡の他の形
状を示す図である。

【図７】本発明の第４実施例に係る光カオス発生装置の
構成及び動作状態を示す図である。

【図８】図７に示す第４実施例の変形例を示す図であ
る。

【図９】本発明の構造が外部鏡の位置ずれに対して安定
であることを説明する図である。

【図１０】半導体レーザを用いた従来の光カオス発生系
の構成図である。

【図１１】図１０に示す光カオス発生系において反射鏡
の状態変化に対応した戻り光の変化を示す図である。

【図１２】図１１に示す状態変化に対応した反射光の状
態を示す斜視図である。

【図１３】図１１に示す状態変化に対応した反射光のス
ポット位置を示す平面図である。

【符号の説明】

１０…半導体レーザ、１１…活性層、１２…コリメータ
レンズ、１３…反射鏡、１４…反射面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 レーザ共振器と、このレーザ共振器から
   の出射光を共振させると共に前記レーザ共振器に入射し
   て光カオスを発生させる外部共振器と、この外部共振器
   内の光軸上に配置され前記出射光を反射して拡がり角又
   は絞り角を持った反射光を前記レーザ共振器へ返す光学
   部材とを具備して構成することを特徴とする光カオス発
   生装置。