JP2009283531A - 波長可変光源 - Google Patents

Abstract

【課題】水平方向のファーフィールドパターンが狭い半導体レーザであっても、少ない部品点数で優れた波長選択性を確保し、広い波長帯域に渡って効率よく光出力を取り出すことができる外部共振器型の波長可変光源を実現すること。
【解決手段】半導体レーザからの光を回折格子を用いて波長選択する外部共振器型の波長可変光源において、前記半導体レーザと前記回折格子との間に、アッベ数の異なる２種の硝材を貼り合わせた色消しプリズムを設けたことを特徴とするもの。
【選択図】 図１

Description

本発明は波長可変光源に関し、詳しくは、半導体レーザからの光を回折格子を用いて波長選択するリトロー配置やリットマン配置などの外部共振器型の波長可変光源の波長選択性を改善するとともに出力光を効率よく出力する波長可変光源に関するものである。

外部共振器型の波長可変光源は、半導体レーザからの光を回折格子で波長分散・波長選択し、波長選択した光を半導体レーザに帰還させて、所望の波長でレーザ発振させる。外部共振器型の波長可変光源としては、たとえば、リトロー配置の波長可変光源、リットマン配置の波長可変光源などがある。

このような外部共振器型の負帰還増幅器に用いられる半導体レーザから出射される光のファーフィールドパターンは、ほぼ真円が一般的であるが、たとえば端面反射を極力落とした特殊な半導体レーザでは楕円状の平行光で、回折格子の溝の配列方向（波長の分散方向であり、以下水平方向という）に対して短くて溝方向に対して長いビーム形状のものが用いられることがある。

ところで、回折格子による波長分散の大きさは主に回折格子の溝本数で決まり、回折格子の水平方向に対する光の照射幅が大きい（照射される溝本数が多い）ほど波長分解能（波長選択性）も高くなる。そこで、半導体レーザから出射された光のビーム形状を楕円状から円形に整形し、回折格子の波長選択性を改善している。

図７は、従来の外部共振器型の波長可変光源の構成例図である（特許文献１参照）。図７において、半導体レーザ１は、一方の端面１ａが無反射処理（たとえばＡＲコート）され、このＡＲコートされた端面１ａから光が出射される。

レンズ２は、半導体レーザ１の出力光を平行光にして出射したり、帰還された光（以下戻り光ともいう）を半導体レーザ１のＡＲコートされた端面１ａに集光させる。

回折格子３は、レンズ２からの光を波長分散してミラー４に出射したり、ミラー４からの反射光を再度波長分散してレンズ２に出射する。

ミラー４は、回折格子３で波長分散された回折光のうち所望の波長の光を選択して回折格子３に反射する。また、ミラー４は、リットマン配置となるように所定の点を中心に回転する。

ビームスプリッタ５は、レンズ２と回折格子３の間に設けられ、回折格子３からの戻り光の一部を分岐して出力光として出力し、他方をレンズ２を介して半導体レーザ１に帰還する。

ビーム拡大器６は、アナモルフィックプリズムペア（アナモルフィックプリズム６１、６２）を有し、ビームスプリッタ５と回折格子３の間に設けられ、半導体レーザ１からの光のビーム形状を円形に整形して回折格子３に出射する。

このような装置の動作を説明する。
半導体レーザ１の一方の端面１ａから出射された光はレンズ２によって平行光に変換され、ビームスプリッタ５を透過してビーム拡大器６によってビーム整形（水平方向にビーム形状を拡大）される。そして、ビーム整形された光は、回折格子３で波長分散されてミラー４に出射される。さらに、ミラー４で所望の波長の光のみが回折格子３に反射され、この反射光が再度回折格子３で波長選択される。

そして、波長選択が２回行われた光がビーム拡大器６、ビームスプリッタ５、レンズ２を介して半導体レーザ１に帰還され、半導体レーザ１の他方の端面とミラー４とで外部共振器が形成されてレーザ発振する。また、ミラー４を回転移動させることにより、共振器長・反射波長も変わり、所望の波長で安定したシングルモード発振を行う。

さらに、ビームスプリッタ５が、半導体レーザに帰還される光（つまり２回波長選択された戻り光）を分岐し、一部を出力光とする。これにより、半導体レーザ１自身で発生する自然放出光が除去された極めて単一性の高いレーザ光が出力光として出力される。

特開平５−１９８８８１号公報

このように、ビーム拡大器６を半導体レーザ１と回折格子３との間に設けることによって、回折格子３への水平方向の照射幅が改善され、波長選択性が高くなる。また、ビームスプリッタ５を半導体レーザ１と回折格子３との間に設けることにより、半導体レーザ１自身で発生する自然放出光を除去でき、極めて単一性の高い出力光が得られる。

しかしながら、ビームスプリッタ５やビーム拡大器６におけるアナモルフィックプリズム６１、６２は、空気よりも屈折率の大きいガラスなどの屈折媒体である。そのため、光路中にこれらの屈折媒体５、６１、６２を設けることにより外部共振器長が増加し、モード間隔が狭くなって波長選択性が悪くなるという問題があった。

また、光出力を取り出すためにビームスプリッタ５を設けることにより、外部共振器内の光パワーの損失が増大し、光パワーの効率が悪化するという問題があった。

さらに、図８（Ａ），（Ｂ）に示すようにアナモルフィックプリズム６１，６２を単体で用いてビーム整形を行うことにより、屈折媒体であるプリズム６１，６２の厚さを最小限に抑えることができるため、結果として外部共振器長の増加が最小限となり、図７のようにアナモルフィックプリズムペア６とビームスプリッタ５で構成する場合に比べ良好な波長選択性を得ることができる。

ところが、出力光を光ファイバに結合して取り出す際に、プリズム６１，６２で生じる屈折率の波長分散によって結合効率が低下することになり、特に広波長帯域な波長可変光源において重大な問題となる。

本発明は、これらの問題点を解決するものであり、その目的は、水平方向のファーフィールドパターンが狭い半導体レーザであっても、少ない部品点数で優れた波長選択性を確保し、広い波長帯域に渡って効率よく光出力を取り出すことができる外部共振器型の波長可変光源を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
半導体レーザからの光を回折格子を用いて波長選択する外部共振器型の波長可変光源において、
前記半導体レーザと前記回折格子との間に、アッベ数の異なる２種の硝材を貼り合わせた色消しプリズムを設けたことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記色消しプリズムの後段は高屈折材料で形成されたことを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の波長可変光源において、
前記色消しプリズムは、屈折率が同程度の２種の硝材を貼り合わせたものであることを特徴とする

本発明によれば、外部共振器内にアッベ数の異なる２種の硝材を貼り合わせた色消しプリズムを設けたことにより、半導体レーザの出力光のビーム整形を行うとともにプリズム通過時の屈折角を波長にかかわらず一定に保つことができ、回折光出力を広い波長帯域に渡って効率良く光ファイバに結合して取り出すことができる。

また、外部共振器内に入れる部品点数や光路長を少なく構成できるため、外部共振器長の増加を少なくすることができ、結果としてモード間隔が狭くなるのを抑えられ、波長選択性のマイナス要因を最小限にできる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を示した構成図であり、図７と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。図１において、図７のビームスプリッタ５およびビーム拡大器６の代わりに、色消しプリズム７が設けられている。

色消しプリズム７は、アッベ数（屈折率の波長分散）の異なる少なくとも２種の硝材からなるプリズム７１と７２を貼り合わせたものであり、レンズ２と回折格子３の光路上に設けられる。具体的な硝材例としては、たとえばプリズム７１としてはＫＶＣ８９（ウェッジ角２４．９ｄｅｇ）を用い、プリズム７２としてはＫＰＳＦＮ３（ウェッジ角１６．２ｄｅｇ）などを用いる。

色消しプリズム７において、半導体レーザ１の出力光が入射する面を入射面７ａとし、この入射面７ａからの入射光を回折格子３に出射する面（つまり、回折格子３からの戻り光が入射される面）を出射面７ｂとする。

ここで、半導体レーザ１から入射面７ａに入射される光の入射角をブリュースター角に設定することにより反射率をほぼゼロにすることができ、入射面７ａの反射防止膜および出射面７ｂの部分反射膜のコーティングを不要にできる。すなわち、半導体レーザ１からの光は直線偏光なので、半導体レーザ１から入射面７ａへの入射光は入射面７ａで反射することがなく全透過する。

図1の実施例における半導体レーザ１、回折格子３、ミラー４などは、リットマン配置となるように構成される。なお、色消しプリズム７、レンズ２などの屈折媒体が外部共振器内に存在するので、ミラー４の回転移動の基準となる位置は、これらの屈折媒体が無い場合とは異なる。

このような装置の動作を説明する。
半導体レーザ１の一方の端面（無反射端）１ａから出射された光はレンズ２によってコリメートされて平行光になり、色消しプリズム７に入射される。この際、レンズ２からのコリメート光が、色消しプリズム７の入射面７ａで反射することなく色消しプリズム７に入射される。

コリメート光は、色消しプリズム７によって水平方向にビーム形状を拡大するようにビーム整形され、出射面７ｂから回折格子３に出射される。回折格子３は、このようにビーム整形された光について１回目の波長分散を行い、ミラー４に出射する。ミラー４で所望の波長の光のみが波長選択されて回折格子３に反射され、回折格子３はこの反射光を再度波長分散させて波長選択を行い、色消しプリズム７に出射する。

回折格子３で波長選択が２回行われた戻り光が、色消しプリズム７の出射面７ｂに入射される。この際、色消しプリズム７の屈折率と空気の屈折率との屈折率差によって一部の戻り光は出射面７ｂで反射されるが、大部分の戻り光は出射面７ｂで反射されることなく色消しプリズム７に入射される。

色消しプリズム７に入射された戻り光は入射面７ａから出射されてレンズ２を介して半導体レーザ１に帰還され、半導体レーザ１の他方の端面とミラー４とで外部共振器が形成されてレーザ発振する。なお、ミラー４を回転移動させることにより、共振器長および反射波長も変わり、所望の波長で安定したシングルモード発振を行う。

図２はミラー４を波長に応じて回転移動させた場合の波長分散説明図、図３は図２のプリズム部分の説明図であって、（Ａ）はアナモルフィックプリズム６１を単体で用いた従来例を示し、（Ｂ）は色消しプリズム７を用いた本発明の例を示している。（Ａ）に示す従来例では、波長に応じてミラー４を回転移動させるとプリズム通過時の屈折角も波長に応じて変化することになり、波長分散が生じる。これに対し、（Ｂ）に示す本発明によれば、波長に応じてミラー４を回転移動させてもプリズム通過時の屈折角を波長にかかわらず一定に保つことができ、波長分散は生じない。

本発明によれば、（Ｂ）に示すように、回折格子３からの戻り光のうち、色消しプリズム７の出射面７ｂで反射された光が出力光として取り出されて出力される。この際、出力光が、回折格子３での０次光と略平行（０次光の光軸と、色消しプリズム７の反射光の光軸とが平行）に出力されるように色消しプリズム７の出射面７ｂを設定しておく。なお、回折格子３の０次光には、色消しプリズム７から回折格子３に入射する光によるものとミラー４の反射光によるものの２種類があるが、ここでの０次光は、色消しプリズム７から回折格子３に入射する光に対するものである。

図４は図２の波長可変光源の出力光を光ファイバに結合する場合の説明図であって、（Ａ）は出力光に波長分散がある従来例を示し、（Ｂ）は出力光に波長分散がない本発明の例を示している。（Ａ）に示す従来例の出力光には波長分散があることから、出力光をレンズ８で集光しても、波長の一部しか光ファイバ９に結合されない。ところが、（Ｂ）に示す本発明の出力光には波長分散がないので、出力光をレンズ８で集光することによって、ほぼ全波長を光ファイバ９に結合させることができる。

図５は図４の結合効率の説明図であって、各波長での結合効率ピークを０とした場合の比率を示したものである。出力光に波長分散がある（Ａ）に示す従来例では、特定の波長λにおいて結合効率のピークを示し、短波長側λ−αおよび長波長側λ＋αでは結合効率が低下している。これに対し、出力光に波長分散がない（Ｂ）に示す本発明の場合には、特定の波長λにおいて結合効率のピークを示すとともに、短波長側λ−αおよび長波長側λ＋αの全域でほぼ平坦な結合効率を示している。

このように構成することにより、半導体レーザ１と回折格子３との間に設けられた色消しプリズム７はコリメート光のビーム整形と２回目の回折光からの出力光の取り出しを兼ねるので、図７に示す従来の装置に比べて外部共振器内の屈折媒体の部品点数を削減できる。

したがって、図６に示すように外部共振器長の増加を少なくすることができ、モード間隔が狭くなることが抑えられ、波長選択性を向上させることができる。

さらに、屈折媒体の部品点数の減少により光パワーの損失を抑えることができ、波長選択性を改善できるとともに出力光を効率よく出力することができる。

また、従来の構成に比べて部品点数を削減できることから、コストの削減および小型化も図れる。

また、各部品間で平行平面になる部分がなくなるので、多重反射による干渉や迷光の影響を抑えることができる。

また、色消しプリズム７の入射面７ａに入射される光の入射角をブリュースター角に設定することにより、入射面７ａ側の反射防止膜コーティングを省略でき、さらに製造コストを抑えることができる。

また、色消しプリズム７は半導体レーザに帰還される光（つまり、２回波長選択された戻り光）の一部を出射面７ｂで反射させて出力光とするので、半導体レーザ１自身で発生する自然放出光が除去された極めて単一性の高いレーザ出力光が得られる。

そして、出力光を光ファイバに容易にカップリングさせることができ、構造上の簡略化および小型化を図ることができる。

以上説明したように、本発明によれば、水平方向のファーフィールドパターンが狭い半導体レーザであっても、少ない部品点数で優れた波長選択性を確保できるとともに広い波長帯域に渡って効率よく光出力を取り出すことができる外部共振器型の波長可変光源を実現することができ、光通信分野の光源などに好適である。

本発明の一実施例を示す構成図である。 色消しプリズム７によるビーム整形説明図である。 図1の動作説明図である。 図1の動作説明図である。 図1の動作説明図である。 図1の動作説明図である。 従来の外部共振器型の波長可変光源の構成例図である。 従来の動作説明図である。

符号の説明

１ 半導体レーザ
２、８ レンズ
３ 回折格子
４ ミラー
７ 色消しプリズム
７１、７２ プリズム
７ａ 入射面
７ｂ 出射面
９ 光ファイバ

Claims (3)

1. 半導体レーザの出力光を回折格子に入射して波長選択する外部共振器型の波長可変光源において、
   前記半導体レーザと前記回折格子との間に、アッベ数の異なる２種の硝材を貼り合わせた色消しプリズムを設けたことを特徴とする波長可変光源。
2. 前記色消しプリズムの後段は高屈折材料で形成されたことを特徴とする請求項１記載の波長可変光源。
3. 前記色消しプリズムは、屈折率が同程度の２種の硝材を貼り合わせたものであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の波長可変光源。

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