JP2010272823A

JP2010272823A - 波長可変光源装置

Info

Publication number: JP2010272823A
Application number: JP2009125714A
Authority: JP
Inventors: Seiji Nogiwa; 誠二野極
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2009-05-25
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】共振器損失のピーク波長と外部共振器縦モードとを精度良く同期させ、広い波長範囲においてモード跳びを起こさず波長を連続的に可変できる波長可変光源装置を提供する。
【解決手段】半導体ゲインチップ１のＡＲコートされていない端面１ｂには特定の波長を適量に反射させる波長選択コート膜１１が貼り付けられており、可動ミラー４との間で共振器（外部共振器）を形成し、共振器長Ｌで決まる波長のレーザ発振を行う。波長選択コート膜１１は半導体ゲインチップ１の利得波長特性を相殺する反射率特性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、利得媒質と、利得媒質から生ずる光のうち特定波長の光を共振させる共振器とを備える外部共振器型の可変波長光源装置に関する。

半導体レーザや半導体光増幅器などの利得媒質を用いた外部共振型の可変波長光源装置の１つとして、外部回折格子により波長選択を行うものが知られている（例えば、特許文献１、特許文献２参照）。

図９は従来の可変波長光源装置の構成を示す図である。図９に示すように、半導体ゲインチップ１の無反射（ＡＲ；Anti-Reflection）コートされた端面１ａから出射した光は、レンズ２で平行ビームとなって回折格子３へ入射し、分光分散されて可動ミラー４の方向へ回折される。可動ミラー４は分光分散された光のうち、垂直に入射された波長の光だけを回折格子３へ戻し、その光は回折格子３で半導体ゲインチップ１の方向へ回折される。このように、特定の波長のみが半導体ゲインチップ１に戻るため、半導体ゲインチップ１の無反射コートされていない端面１ｂと可動ミラー４との間で共振器（外部共振器）を形成し、共振器長Ｌで決まる波長のレーザ発振を行う。出力レーザ光は、半導体ゲインチップ１の端面１ｂから出射する。

ここで、上記レーザ発振の原理について詳述する。回折格子３に入射した光は、回折の原理に従って、その波長によって回折される角度が異なる。図１０に示すように、回折格子３の格子定数をｄ、回折格子３への入射角をαとした場合、出射角がβとなる波長λは、

ｍλ＝ｄ（ｓｉｎα＋ｓｉｎβ）・・・（１）式
ただし、ｍ＝０，±１，±２，・・・

の関係を満たす。回折格子３から回折された光のうち、可動ミラー４へ垂直入射された波長の光だけが、反射によって回折格子３の同じ位置へ、かつ出射角βと等しい入射角度で戻される。その光は回折格子３で（１）式に従って角度αで出射され、再び半導体ゲインチップ１へ戻り、半導体ゲインチップ１の端面１ｂを一方の反射面として外部共振器（共振器長Ｌ）を形成する。

このとき発振する波長は、図１１（ａ）で示すように、（イ）半導体ゲインチップ１の利得スペクトル、主に回折格子３の特性できまる、（ロ）共振器損失の波長特性、及び光の位相条件できまる、（ハ）外部共振器縦モードによって決定される。すなわち、（イ）の利得から（ロ）の損失を引いた値が一番大きくなるような外部共振器縦モードで発振する。図１１（ａ）の場合には、（ハ）外部共振器縦モードのうち、（ホ）発振モードで示すモードが発振縦モードとなる。

この外部共振器縦モードとは、光が共振器内を往復したときに定在波ができるための条件であり、次式で与えられる。

ｎλ＝２Ｌ・・・（２）式
ただし、ｎは自然数、Ｌは共振器長である。

また、このときのそれぞれの外部共振器縦モード間隔Δλは、

Δλ＝λ^２／２Ｌ・・・（３）式
である。なお、上述の、（ロ）共振器損失の波長特性は、可動ミラー４へ垂直入射させる為の波長の回折格子３の出射角βを変えることにより、また、（ハ）外部共振器縦モードの波長は可動ミラー４の回転動作に伴って共振器長Ｌが変化することにより、それぞれ変化する。

ここで、回折格子３の回折面３ａを延長した平面１０と、半導体ゲインチップ１の屈折率を考慮した半導体ゲインチップ１の実効的な共振端面を延長した平面２０とが交わって形成される直線を可動ミラー４の回転中心線Ｒとし、可動ミラー４の反射面４ａを延長した平面３０がこの回転中心線Ｒを通過するように設定することによって、波長掃引時に（ロ）共振器損失の波長特性のピーク波長と（ハ）外部共振器縦モードの波長が同期して掃引され、モード跳びが生じ難く波長を連続的に可変できる様にすることが知られている。実際には、半導体ゲインチップ１やレンズ２などのレーザ共振器を構成している各部品の屈折率の分散を考慮して、可動ミラー４の回転中心を回転中心線Ｒからずらすことで、広い波長範囲においてモード跳びを起こさず波長を連続的に可変している。

特開２０００−３５３８５４号公報特開２００５−１４２１９７号公報

しかしながら、一般に半導体ゲインチップ１の利得は波長可変範囲の中央部の波長で高く、波長可変範囲の両端の波長で低い。従って、従来の可変波長光源では、波長可変範囲の中央部の波長でしきい値電流が低く、波長可変範囲の両端の波長でしきい値電流が高くなっている。図１１（ｂ）は外部共振器型の可変波長光源装置の発振しきい値電流の波長依存性の一例を示す図である。しきい値電流の高低に伴い、半導体ゲインチップ１内のキャリア密度は波長可変範囲の中央部の波長で低く、波長可変範囲の両端の波長で高くなる。半導体ゲインチップ１を構成している半導体はプラズマ効果によって、屈折率の変化量とキャリア密度の関係が次式で関係付けられている。

ここで、ｅは電子の電荷量、Ｎは注入キャリア密度、ωは光の角周波数、ε_０は真空誘電率、ｍ_ｃは伝導帯自由電子の有効質量、ｎは屈折率の初期値（Ｎ＝０の時の屈折率）である。

図１１（ｃ）は、プラズマ効果による半導体ゲインチップ１の活性層における屈折率変化の波長依存性の一例を示す図である。図１１（ｃ）に示すように、半導体ゲインチップ１の活性層の屈折率は相対的に波長可変範囲の中央部の波長で高く、波長可変範囲の両端の波長で低くなる。このように、波長掃引時の半導体ゲインチップ１の屈折率は非線形に変化するため、ミラー４の回転中心が固定された場合は、半導体ゲインチップ１の屈折率変化によって共振器損失のピーク波長と外部共振器縦モードの同期条件がずれ、広い波長範囲においてモード跳びを起こさず波長を連続的に可変することは困難である。

本発明の目的は、共振器損失のピーク波長と外部共振器縦モードとを精度良く同期させ、広い波長範囲においてモード跳びを起こさず波長を連続的に可変できる波長可変光源装置を提供することにある。

本発明の可変波長光源装置は、利得媒質と、前記利得媒質から生ずる光のうち特定波長の光を共振させる共振器とを備える外部共振器型の可変波長光源装置において、前記共振器内に前記利得媒体の利得波長特性を相殺するような波長特性を有する光学要素を挿入したことを特徴とする。
この可変波長光源装置によれば、共振器内に利得媒体の利得波長特性を相殺するような波長特性を有する光学要素を挿入するので、共振器損失のピーク波長と外部共振器縦モードとを精度良く同期させることができる。

前記光学要素は、前記共振器を構成するミラーの一方あるいは両方であってもよい。

前記ミラーの反射率に波長選択性をもたせてもよい。

前記反射率の波長選択性は、前記利得媒体の利得波長特性を相殺するような反射損失の波長特性を与えてもよい。

前記光学要素は前記利得媒体としての半導体利得媒体の一方の端面に形成された、波長選択性を有するミラーであってもよい。

本発明の可変波長光源装置によれば、共振器内に利得媒体の利得波長特性を相殺するような波長特性を有する光学要素を挿入するので、共振器損失のピーク波長と外部共振器縦モードとを精度良く同期させることができる。

一実施形態の波長可変光源装置の構成を示す図。波長可変光源装置の動作を示す図であり、（ａ）は半導体ゲインチップの単位長さ当たりの利得スペクトルＧ(λ)を例示する図、（ｂ）は波長選択コート膜の反射率を例示する図、（ｃ）は発振しきい値電流の波長依存性をフラット化した例を示す図である。共振器内に光分岐器を挿入した構成を示す図。共振器内に光分岐器を挿入した構成を示す図。波長選択性を有した可動ミラーを使用した構成を示す図。波長選択性を有したフィルタを使用した構成を示す図。波長選択性のある回折効率を有した回折格子を使用した構成を示す図。従来の波長可変光源装置の構成を示す図。回折格子への入出射光の関係を示す図。（ａ）は発振波長の一例を示す図、（ｂ）は発振しきい値電流の波長依存性の一例を示す図、（ｃ）はプラズマ効果による半導体ゲインチップ１の活性層における屈折率変化の波長依存性の一例を示す図

以下、本発明による波長可変光源装置の実施形態について説明する。

図１は、一実施形態の波長可変光源装置の構成を示す図である。図１に示すように、半導体ゲインチップ１の無反射（ＡＲ；Anti-Reflection）コートされた端面１ａから出射した光は、レンズ２で平行ビームとなって回折格子３へ入射し、分光分散されて可動ミラー４の方向へ回折される。可動ミラー４は分光分散された光のうち、垂直に入射された波長の光だけを回折格子３へ戻し、この特定波長の光は回折格子３で半導体ゲインチップ１の方向へ回折される。

半導体ゲインチップ１のＡＲコートされていない端面１ｂには特定の波長を適量に反射させる波長選択コート膜１１が貼り付けられており、可動ミラー４との間で共振器（外部共振器）を形成し、共振器長Ｌで決まる波長のレーザ発振を行う。出力レーザ光は、半導体ゲインチップ１の波長選択コート膜１１から出射する。

図１において、平面１０は回折格子３の回折面３ａを延長した面を、平面２０は半導体ゲインチップ１の屈折率を考慮した半導体ゲインチップ１の実効的な共振端面を延長した面を、平面３０は可動ミラー４の反射面４ａを延長した面を、それぞれ示している。また、平面１０と平面２０とが交わって形成される直線を可動ミラー４の回転中心線Ｒとして示しており、平面３０が回転中心線Ｒを包含する状態にある。

図２（ａ）は、ある注入電流時の半導体ゲインチップ１の単位長さ当たりの利得スペクトルＧ(λ)の実測結果の一例を示している。ここで、可動ミラー４の反射率をｒ_１、回折格子３の回折効率をｄ、半導体ゲインチップ１の長さをｌと置くと、理想的には、波長選択コート膜１１の反射率ｒ_２（λ）を以下の関係となるような波長特性を有するように半導体ゲインチップ１の端面１ｂの側に形成する。

図２（ｂ）は（５）式を用いて図２（ａ）に示す利得スペクトルＧ(λ)とし、可動ミラー４の反射率をｒ_１＝０．９８、回折格子３の回折効率をＤ＝０．８１、半導体ゲインチップ１の長さをｌ＝１ｍｍとした場合の波長選択コート膜１１の反射率ｒ_２（λ）を計算した結果を示している。この様な波長選択コート膜１１の反射率ｒ_２（λ）を選ぶことにより、図２（ｃ）に示すように、可変波長光源の利得と損失が広い波長範囲において釣り合い、発振しきい値電流の波長依存性を広い波長範囲においてフラット化することができる。

さらに、図３に示すように、波長可変光源の出力光として回折格子３で反射される０次回折光を用いると、回折格子３における０次回折光の回折効率の波長依存性は平坦化しているため、出力パワーの波長依存性も平坦化できる。

このように、波長選択コート膜１１により、広い波長範囲において半導体ゲインチップ１のキャリア密度は均一化され、プラズマ効果による屈折率の変化は抑圧される。このため、波長掃引時に半導体ゲインチップ１の屈折率変化の非線形性が抑圧されるため、ミラー４の回転中心が回転中心線Ｒに固定された場合でも、共振器損失のピーク波長と外部共振器縦モードの同期条件がとれ、極めて広い波長範囲においてモード跳びを起こさず波長を連続的に可変することができる。また、回折格子３で反射される０次回折光を出力光として用いると、出力パワーの波長依存性も平坦化できる（図３）。

図４は、共振器内に光分岐器５を挿入した構成を示す図である。回折格子３から半導体ゲインチップ１側へ戻ってくる光の一部を光分岐器５により分岐して出力する。この構成においても、波長選択コート膜１１により、図１および図３に示す構成と同様の効果を得ることができる。

図５は共振器内に光分岐器６を挿入した構成を示す図である。回折格子３から半導体ゲインチップ１側へ戻ってくる光の一部を光分岐器６により分岐して出力する。図４の例とは光の出力方向が異なるが、この構成においても、波長選択コート膜１１により、図１および図３に示す構成と同様の効果を得ることができる。

図６の構成では、反射率に波長選択コート膜１１と同様の波長選択性を持たせた可動ミラー７を使用している。波長選択可動ミラー７を可動ミラー４に代えて用いることにより、波長選択コート膜１１を用いた上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。なお、外部共振器を構成する両方のミラーのそれぞれに波長選択性を持たせるようにしてもよい。この場合、共振器全体として波長選択コート膜１１と同様の波長選択性を持たせるようにすればよい。

図７の構成では、共振器内に透過率の波長選択性を有したフィルタ８を挿入している。この場合にも、フィルタ８の透過率に波長選択コート膜１１と同様の波長選択性をもたせることで、波長選択コート膜１１を用いた上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

図８の構成では、波長選択性のある回折効率を有した回折格子９を用いている。この場合にも、回折格子９の反射率に波長選択コート膜１１と同様の波長選択性をもたせることで、波長選択コート膜１１を用いた上記各実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上説明したように、本発明の可変波長光源装置によれば、共振器内に利得媒体の利得波長特性を相殺するような波長特性を有する光学要素を挿入するので、共振器損失のピーク波長と外部共振器縦モードとを精度良く同期させることができる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、利得媒質と、利得媒質から生ずる光のうち特定波長の光を共振させる共振器とを備える外部共振器型の可変波長光源装置に対し、広く適用することができる。

１半導体ゲインチップ（利得媒質）
７波長選択可動ミラー（光学素子）
９回折格子（光学素子）
１１波長選択コート膜（光学素子）

Claims

利得媒質と、前記利得媒質から生ずる光のうち特定波長の光を共振させる共振器とを備える外部共振器型の可変波長光源装置において、
前記共振器内に前記利得媒体の利得波長特性を相殺するような波長特性を有する光学要素を挿入したことを特徴とする可変波長光源装置。
前記光学要素は、前記共振器を構成するミラーの一方あるいは両方であることを特徴とする請求項１に記載の可変波長光源装置。
前記ミラーの反射率に波長選択性をもたせることを特徴とする請求項２に記載の可変波長光源装置。
前記反射率の波長選択性は、前記利得媒体の利得波長特性を相殺するような反射損失の波長特性を与えることを特徴とする請求項３に記載の可変波長光源装置。
前記光学要素は前記利得媒体としての半導体利得媒体の一方の端面に形成された、波長選択性を有するミラーであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の可変波長光源装置。