JPH0945983A - 波長可変半導体レーザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 波長ごとの補正を必要とせず、単純な機構調
整のみで、位相連続波長可変幅を拡大できる波長可変半
導体レーザを提供する。 【解決手段】 半導体レーザ１の一端面から出射され光
分波器３１によって分岐されたレーザ光の一部が制御部
３２に入射され、制御部３２は入射されるレーザ光の強
度が一定値になるように、共振器あるいは共振器と半導
体レーザ１との間に挿入された光減衰器３０の減衰量を
制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば光コヒー
レント通信や光コヒーレント計測の光源として用いて好
適な波長可変半導体レーザ光源に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にレーザ励振器（以降、レーザと称
する）は、発振利得が極小値になる波長で発振する。即
ち外部共振器型半導体レーザでは、その発振利得は外部
共振器の光損失から半導体レーザの光利得を減じた値で
あり、半導体レーザの光利得は波長変化に伴って緩やか
に変化し、外部共振器の光損失が最小となる波長におい
て発振する。

【０００３】ところで平面鏡２枚から構成された共振器
には、反射率が最大となるモード、即ち光損失が最小と
なる多数の共振モードが存在する。そこで、平面鏡の一
方に回折格子等の波長フィルタを用いると、この回折格
子等で定まる光損失が最小となる波長帯の、数本以下の
共振モードにおいて発振する。

【０００４】以下に、回折格子を用いた単一モード発振
の外部共振器型半導体レーザを光源とし、その波長を可
変する場合を考える。この場合、回折格子により得られ
る最小光損失となる波長の変化機構は、一般に共振モー
ドの波長の変化機構と独立であり、波長可変には２つの
可変機構が必要となる。このため、これら２つの変化量
の差による発振モード飛びが必然的に生じ、これを避け
ることは困難である。即ち、波長可変半導体レーザの多
くは、こうしたモード飛びを伴うために、その波長の連
続可変は不可能である。

【０００５】そこで一般には、本来は独立した２つの変
化機構によって可変されるべき波長を、１つの可変機構
によって、数十ｎｍに亙って連続可変させている。これ
以降、このように可変である波長の連続性を位相連続性
と称する。例えば、従来の波長可変半導体レーザの例と
しては、特開平７−７４４２１号公報に示される様なも
のがある。

【０００６】図６に、従来技術による位相連続な波長可
変半導体レーザの構成例を示す。なお図６に示す波長可
変半導体レーザは、特開平７−７４４２１号公報の図１
に示すものと同一であるので、その動作の詳細な説明は
省略し、以下に構成のみを簡単に説明する。

【０００７】図６において、１２は集積型半導体レーザ
であり、その一端面には無反射膜２が設けられており、
駆動回路１０により駆動されるとともに、屈折率可変回
路１３によって共振器長の調整も可能に構成されてい
る。この集積型半導体レーザ１２の他端面Ｃから回折格
子７までの間は、レンズ３ａを介した共振器になってお
り、この共振器内で励起されたレーザ光は、上述の面Ｃ
からレンズ３ｂ、光アイソレータ４および集光用のレン
ズ５を介して、光ファイバ６へと出力される。

【０００８】図６に示す集積型半導体レーザ１２におい
て、無反射膜２側から出射された光は、レンズ３ａによ
り平行光に変換されて回折格子７に入射する。回折格子
７は棒８の一端部Ｂに固定されており、この棒８の一端
部Ｂおよび他端部Ａは、それぞれ直交するＹ軸、および
光軸と等しいＸ軸上を移動できる平行移動機構９ａ、９
ｂにより移動可能となっている。またＹ軸上の平行移動
機構９ａは、共振器長調整機構１１を備えている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】一般に半導体レーザ
（１２）は、広い波長範囲にわたる光利得を持っている
が、図７に示すように、その値は波長によって緩やかに
変化する。これに比べて、波長可変半導体レーザにおけ
る共振器の光損失は、図８に示すように波長に対してほ
ぼ一定である。一方、発振利得は光損失から光利得を減
算したものであるから、発振利得にほぼ比例する閾値電
流は、図９に示すように、図７とは逆の特性を示す。

【００１０】さらに閾値電流が上昇すると、半導体レー
ザの屈折率は減少するので、発振利得による屈折率の変
化量は、図１０に示すような特性となる。このとき図１
０に比例して共振器長が波長により変化し、非線形誤差
を生じる。ただし、以上の説明は定性的なものであり、
例えば閾値電流を測定して、非線形誤差を見積もる場合
等は、正確には行えない。

【００１１】もちろん共振器長調整機構１１以外にも調
整機構の設定は可能である。さらに、波長によらずに一
定の屈折率値になるように、屈折率可変回路１３を用い
ることでも可能となり、こうすることにより調整分解能
は、共振器長調整機構１１による場合より高くなる。

【００１２】ただし、何れにしても非線形誤差は、これ
らの調整によっては相殺できない。したがって従来は、
例えば機構的調整を行いながら位相連続波長可変幅がさ
らに広がるように、屈折率可変回路１３により波長毎に
光学補正し、その値を記憶しておき、さらに波長可変毎
に補正をする方法が考えられている。しかしこの方法に
あっては、調整に時間がかかる上に補正値はモード飛び
がないというだけで最適値である保証はなかった。

【００１３】以上説明したように従来は、位相連続波長
可変幅を広げるために、非線形誤差を見積り、波長ごと
に補正を行うために、調整に時間がかかり、さらに上述
のような理由から補正値は不正確であった。

【００１４】この発明は、上述のような背景の下になさ
れたもので、波長ごとの補正を必要とせず、単純な機構
調整のみで、位相連続波長可変幅を拡大できる波長可変
半導体レーザを提供することを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ために、請求項１に記載の発明にあっては、一端面が出
力側共振器鏡であり、前記一端面と他端面の両側にレー
ザ光を出射する半導体レーザ発振手段と、前記他端面側
の前記レーザ光の光軸上に配置され、前記半導体レーザ
発振手段とによって共振器を形成し、前記レーザ光を所
定の角度で入射し、前記光軸上に反射する回折格子と、
前記光軸上において前記回折格子の角度と前記共振器長
を変化させる平行移動手段と、前記半導体レーザと前記
回折格子との間の前記光軸上に挿入され、減衰量が変更
自在に形成された光減衰器と、前記半導体レーザ発振手
段の前記出力側共振器鏡から出射された前記レーザ光を
２分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された
前記レーザ光の一方が入射され、前記入射レーザ光強度
に基づいて前記光減衰器の減衰量を制御する制御部とを
具備することを特徴とする。

【００１６】また、請求項２に記載の発明にあっては、
一端面が出力側共振器鏡であり、前記一端面と他端面の
両側にレーザ光を出射する半導体レーザ発振手段と、前
記半導体レーザ発振手段の他端面から出射された前記レ
ーザ光が入射される共振器と、前記半導体レーザと前記
共振器との間の前記光軸上に挿入され、減衰量が変更自
在に形成された光減衰器と、前記半導体レーザ発振手段
の前記出力側共振器鏡から出射された前記レーザ光を２
分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された前
記レーザ光の一方が入射され、前記入射レーザ光強度に
基づいて前記光減衰器の減衰量を制御する制御部とを具
備することを特徴とする。

【００１７】また、請求項３に記載の発明にあっては、
請求項２に記載の波長可変半導体レーザでは、前記共振
器は、前記レーザ光が入射されるハーフミラーと、前記
入射するレーザ光の光軸の直交軸上に、前記ハーフミラ
ーを挟んで対向する全反射鏡、および前記レーザ光を所
定の角度で入射し前記直交軸上に反射する回折格子と、
前記全反射鏡を前記直交軸方向に平行移動させる平行移
動手段と、前記回折格子の角度を変化させる回転手段と
から構成され、前記半導体レーザ発振手段から前記ハー
フミラーに入射した前記レーザ光の一部は前記全反射鏡
側に反射され、前記全反射鏡によって反射された前記レ
ーザ光の一部は前記ハーフミラーによって前記光軸側に
反射されるとともに一部は透過して前記回折格子に入射
し、前記回折格子によって反射された前記レーザ光は一
部が前記ハーフミラーを透過することを特徴とする。

【００１８】また、請求項４に記載の発明にあっては、
請求項１ないし請求項３の何れかに記載の波長可変半導
体レーザでは、前記制御部は、前記入射レーザ光強度が
一定値になるよう前記光減衰器の減衰量を制御すること
を特徴とする。

【００１９】

【作用】この発明によれば、半導体レーザ発振手段の一
端面から出射され分岐部によって分岐されたレーザ光の
一部が制御部に入射され、制御部は入射されるレーザ光
の強度が一定値になるように、共振器あるいは共振器と
半導体レーザ発振手段との間に挿入された光減衰器の減
衰量を制御する。

【００２０】

【発明の実施の形態】

Ａ．第１の実施の形態 以下に、本発明の第１の実施の形態について説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態にかかる波長可変半導
体レーザの構成を示す構成図である。なお図１におい
て、図６に示す各部と対応する部分には同一の符号を付
し、その説明は省略する。

【００２１】図１において、１は半導体レーザ、３０は
半導体レーザ１と回折格子７との間に構成された共振器
に挿入された光減衰器である。本実施の形態において光
減衰器３０には、一例としてガラス板に金属膜を膜厚を
変えながら蒸着したものを用いており、この光減衰器３
０の減衰量は、後述の制御部３２によって制御される。

【００２２】３１は光分波器であり、半導体レーザ１か
らレンズ３ｂおよび光アイソレータ４を介して出力され
たレーザ光を分岐させて、レンズ５と制御部３２とに入
射させる。さらに３２は制御部であり、入射された光強
度が一定値になるように光減衰器の減衰量を制御する。
この制御部３２は一種の自動光出力制御であり、共振器
内の光損失を制御することで閾値電流を一定に制御し、
非線形誤差ΔＬ2(θ)（後述する）が０になるように制
御する。

【００２３】図１に示す構成において、回折格子７の法
線Ｎと光軸とは角度π−θ[rad] をなす。この時、角Ｏ
ＡＢは角θである。ここで、回折格子７の最大反射率に
相当する波長を、角θの関数としてλGR(θ)とし、また
回折格子７の格子間隔をｄとすると、ブラッグの回折の
条件より、 λGR(θ)＝２・ｄ・sin θ ・・・（１） となる。また共振器長に比例する発振縦モードの波長
を、同様に角θの関数としてλFP(θ)とし、またモード
次数をｍとする。また、棒８（即ち線分ＡＢ）の長さを
Ｌ0とすると、 λFP(θ)＝２{Ｌ0・sin θ−Ｌ(θ)}／ｍ ・・・（２） となる。

【００２４】ここで、実際の共振器長とＬ0・sin θとの
差をＬ（θ）とおく。この場合、屈折率を考慮しなけれ
ば、Ｌ（θ）は線分ＯＣによって一定であるが、実際に
は屈折率が波長により変化するので、Ｌ（θ）は波長θ
の関数となる。光学上、共振器長は物理長と屈折率との
積となるので、光学部品等は屈折率分を換算して考える
必要があり、例えば物理長３００μｍ且つ屈折率３.３
の半導体レーザの共振器長は、３００μｍ×３.３＝９
９０μｍである。以下同様に換算し、特に断らないかぎ
り共振器長は屈折率換算で表す。

【００２５】ここで、（２）式よりモード間隔はλFP／
ｍである。これはモード飛びの目安ともなり、（１）式
と（２）式の差、即ちλGR−λFPがモード間隔λFP／ｍ
を超える場合に、モード飛びが生じると考えることがで
きる。

【００２６】そこで初期条件として、θ＝θ0である場
合にλGR−λFP＝０となると仮定する。即ち、 λGR(θ0)＝λFP(θ0) ・・・（３） である。次に、波長Δλの変化、角度Δθの変化があっ
た場合を考える。ここでΔλとΔθとの関係は、 Δλ＝２・ｄ・cos θ0・Δθ ・・・（４） と、計算される。

【００２７】（４）式において、Δλが１００ｎｍ程度
ならば、Δθの１次近似が成り立つので、（１）式ない
し（３）式より、

【数１】 となる。なおここでは、Ｌ(θ0＋Δθ)＝Ｌ(θ0)＋ΔＬ
とおいた。

【００２８】また、ΔＬは波長変化に伴う屈折率の変化
によるものである。しかしながら、レンズ等の光学部品
の屈折率は１００ｎｍ程度の波長範囲では波長に比例す
る。一方、波長変化に伴う半導体レーザの発振利得の変
化による屈折率変化は、波長に比例しない非線形な値な
ので、さらにΔＬを以下で表現する。 ΔＬ＝Ｌ1・Δθ＋ΔＬ2(θ) ・・・（６） さらに（６）式を（５）式に代入して、

【数２】 がモード間隔λFP／ｍ以内となるように調整すればよ
い。

【００２９】またさらに（７）式において、Ｌ(θ0)を
共振器長調整機構１１により可変してＬ1の項と相殺す
るように調整し、（７）式における−２・Ｌ(θ0)／(ｍ・
tanθ0)＋２・Ｌ1／ｍの部分を０に近づければよい。

【００３０】即ち制御部３２は、光減衰器３０によって
共振器の光損失を、光利得に対応して図２に示すように
変化させる。この結果、図３に示すように閾値電流が一
定となり、従って図４に示すように、発振利得による屈
折率の変化量を０、即ちΔＬ2(θ)＝０とすることが可
能となる。

【００３１】以上のように、半導体レーザの駆動電流を
一定に保ちながら、光出力が一定になるように共振器の
光損失を制御すれば、結果として閾値電流も一定とな
り、ΔＬ2(θ)＝０が実現できる。この状態で機構調整
を行うことで比較的容易に位相連続性が向上する。

【００３２】Ｂ．第２の実施の形態 次に、この発明の第２の実施の形態について説明する。
図５は本発明の第２の実施の形態にかかる波長可変半導
体レーザの構成を示す構成図である。なお図５におい
て、図１あるいは図６に示す各部と対応する部分には同
一の符号を付し、その説明は省略する。

【００３３】図５において２１はハーフミラー、２２は
全反射鏡、また２３は点Ｂを中心に回折格子７を回転自
在に支持する回転機構である。さらに２４は平行移動機
構であり、この実施の形態では点Ｃが移動する。本実施
の形態では、回折格子７と全反射鏡２２との間に光共鳴
反射鏡を構成し、この間にハーフミラー２１が挿入され
ている。

【００３４】図５に示す構成において、ハーフミラー２
１の位置をＳ、半導体レーザ１の出力側端面をＢ'とす
ると、物理的共振器長は線分ＣＳ＋ＳＢ'となる。また
線分ＣＢは、光共鳴反射鏡の物理的共振器長である。本
実施の形態では、以上のような構成により、短共振器長
でも狭線幅化が可能な光共鳴反射鏡を用いた外部共振器
型半導体レーザにおいて、容易に広帯域位相連続波長可
変ができる。

【００３５】なお、上述の各実施の形態において光減衰
器３０には、ガラス板に金属膜を膜厚を変えながら蒸着
したものを用いた例を挙げたが、例えばこの他に偏光板
等であってもよい。

【００３６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
半導体レーザ発振手段の一端面から出射され分岐部によ
って分岐されたレーザ光の一部が制御部に入射され、制
御部は入射されるレーザ光の強度が一定値になるよう
に、共振器あるいは共振器と半導体レーザ発振手段との
間に挿入された光減衰器の減衰量を制御するので、時間
がかかる上に不正確な波長ごとの補正をすることなく非
線形誤差をなくし、単純な機構調整のみで位相連続波長
可変幅を拡大できる波長可変半導体レーザが実現可能で
あるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態にかかる波長可変半導体
レーザの概略構成を示す構成図である。

【図２】同実施の形態における、レーザ光の波長と共振
器の光損失との関係を示す図である。

【図３】同実施の形態における、レーザ光の波長と共振
器の閾値電流との関係を示す図である。

【図４】同実施の形態における、レーザ光の波長と共振
器の屈折率の変化量との関係を示す図である。

【図５】本発明の他の実施の形態にかかる波長可変半導
体レーザの概略構成を示す構成図である。

【図６】従来技術による波長可変半導体レーザの概略構
成を示す構成図である。

【図７】従来技術における、レーザ光の波長と半導体レ
ーザの光利得との関係を示す図である。

【図８】従来技術における、レーザ光の波長と共振器の
光損失との関係を示す図である。

【図９】従来技術における、レーザ光の波長と共振器の
閾値電流との関係を示す図である。

【図１０】従来技術における、レーザ光の波長と共振器
の屈折率の変化量との関係を示す図である。

【符号の説明】

１ 半導体レーザ ７ 回折格子 ８ 棒 ９ａ、９ｂ 平行移動機構 １１ 共振器長調整機構 ２４ 平行移動機構 ３０ 光減衰器 ３１ 光分波器 ３２ 制御部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端面が出力側共振器鏡であり、前記一
   端面と他端面の両側にレーザ光を出射する半導体レーザ
   発振手段（１）と、 前記他端面側の前記レーザ光の光軸上に配置され、前記
   半導体レーザ発振手段とによって共振器を形成し、前記
   レーザ光を所定の角度で入射し、前記光軸上に反射する
   回折格子（７）と、 前記光軸上において前記回折格子の角度と前記共振器長
   を変化させる平行移動手段（９ａ、９ｂ）と、 前記半導体レーザと前記回折格子との間の前記光軸上に
   挿入され、減衰量が変更自在に形成された光減衰器（３
   ０）と、 前記半導体レーザ発振手段の前記出力側共振器鏡から出
   射された前記レーザ光を２分岐する分岐手段（３１）
   と、 前記分岐手段により分岐された前記レーザ光の一方が入
   射され、前記入射レーザ光強度に基づいて前記光減衰器
   の減衰量を制御する制御部（３２）とを具備することを
   特徴とする波長可変半導体レーザ。
2. 【請求項２】 一端面が出力側共振器鏡であり、前記一
   端面と他端面の両側にレーザ光を出射する半導体レーザ
   発振手段（１）と、 前記半導体レーザ発振手段の他端面から出射された前記
   レーザ光が入射される共振器と、 前記半導体レーザと前記共振器との間の前記光軸上に挿
   入され、減衰量が変更自在に形成された光減衰器（３
   ０）と、 前記半導体レーザ発振手段の前記出力側共振器鏡から出
   射された前記レーザ光を２分岐する分岐手段（３１）
   と、 前記分岐手段により分岐された前記レーザ光の一方が入
   射され、前記入射レーザ光強度に基づいて前記光減衰器
   の減衰量を制御する制御部（３２）とを具備することを
   特徴とする波長可変半導体レーザ。
3. 【請求項３】 前記共振器は、 前記レーザ光が入射されるハーフミラー（２１）と、 前記入射するレーザ光の光軸の直交軸上に、前記ハーフ
   ミラーを挟んで対向する全反射鏡（２２）、および前記
   レーザ光を所定の角度で入射し前記直交軸上に反射する
   回折格子（７）と、 前記全反射鏡を前記直交軸方向に平行移動させる平行移
   動手段（２４）と、 前記回折格子の角度を変化させる回転手段（２３）とか
   ら構成され、 前記半導体レーザ発振手段から前記ハーフミラーに入射
   した前記レーザ光の一部は前記全反射鏡側に反射され、 前記全反射鏡によって反射された前記レーザ光の一部は
   前記ハーフミラーによって前記光軸側に反射されるとと
   もに一部は透過して前記回折格子に入射し、 前記回折格子によって反射された前記レーザ光は一部が
   前記ハーフミラーを透過することを特徴とする請求項２
   に記載の波長可変半導体レーザ。
4. 【請求項４】 前記制御部は、 前記入射レーザ光強度が一定値になるよう前記光減衰器
   の減衰量を制御することを特徴とする請求項１ないし請
   求項３の何れかに記載の波長可変半導体レーザ。