JP2004157217A - 波長変換レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の縦モードを含む基本波を発する半導体レーザと、この半導体レーザから出射した基本波を波長変換する光波長変換素子とから成る波長変換レーザ光源において、波長変換光のノイズ発生を抑える。
【解決手段】複数の縦モードを含む基本波１１を発する半導体レーザ１０と、この半導体レーザ１０から出射した基本波１１を波長変換する光波長変換素子２０とから成る波長変換レーザ光源において、半導体レーザ１０の縦モード波長間隔を、光波長変換素子２０の位相整合波長半値幅より狭くしておく。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザ光源に関し、特に詳細には、半導体レーザから発せられた複数の縦モードを含む基本波を、光波長変換素子によって波長変換するレーザ光源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光波長変換技術の進展、特に反転ドメイン形成技術を中心とした光波長変換技術の進展により、波長変換によって短波長化したレーザ光を発する光源の普及が進んでいる。特に青・緑の波長域では、直接青・緑光を発振する安価な半導体レーザが実用化されていないため、例えばレーザカラープリンタの青・緑光の光源として、波長変換を用いたレーザ光源が利用されている。特許文献１には、その種のレーザ光源の一つが記載されている。ここに示されたレーザ光源において波長変換光は一定出力で出射し、ＡＯＭ（音響光学光変調器）等の光変調器により変調されるようになっている。
【０００３】
また、上記のように波長変換するレーザ光源においては、例えば特許文献２に示されているように、滑らかなＩＬ（電流−光出力）特性を得るために、半導体レーザ駆動電流に高周波を重畳することも提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１８３９６号公報
【０００５】
【特許文献２】
特開２００１−２４２５００号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、このように高周波重畳駆動する波長変換レーザ光源においては、半導体レーザがマルチ縦モード発振するため、単一縦モード発振時に比べて大きな、しかも駆動電流値依存性の高いノイズが発生する。
【０００７】
以下、このノイズについて詳しく説明する。なおここでは、素子長が０．７５ｍｍ、縦モード間隔が０．１７ｎｍの半導体レーザを基本波光源とし、基本波波長９４０ｎｍで位相整合する、結合長が８ｍｍで位相整合波長幅（半値全幅）が０．１３ｎｍである周期ドメイン反転構造を有する導波路型光波長変換素子を用いて、複数の縦モードで発振した半導体レーザを基本波として第２高調波および和周波に波長変換した場合について説明する。図８は、このレーザ光源の位相整合温度付近での半導体レーザ駆動電流値（ＬＤ電流値）と、上記波長変換光のノイズとの関係を示すものである。なお本例では、帯域０Ｈｚ〜１ＭＨｚの検出装置で検出した（ＡＣ出力のＲＭＳ値）／（ＤＣ出力）をノイズとして規定し、％で表示している。
【０００８】
このときの波長変換光のノイズは、周波数依存性の無い、いわゆるホワイトノイズであった。また最大ノイズは約２％と、レーザ光源としては大きな値である。そしてノイズ量はＬＤ電流値に依存し、大きく波打つ。使用初期にはノイズの小さな電流値に設定することもできるが、半導体レーザの経時劣化などによって縦モード条件が変わって行くという事情があるので、そのようにするのは好ましくない。
【０００９】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、ノイズが小さく、そしてノイズ量が基本波光源である半導体レーザの駆動電流値に依存しない波長変換レーザ光源を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明による波長変換レーザ光源は、複数の縦モードを含む基本波を発する半導体レーザと、この半導体レーザから出射した基本波を波長変換する光波長変換素子とから成る波長変換レーザ光源において、半導体レーザの縦モード波長間隔が光波長変換素子の位相整合波長半値幅より狭いことを特徴とするものである。
【００１１】
なお上記の光波長変換素子としては、複数の縦モードで発振した基本波としての各レーザビームをそれらの第２高調波および和周波に変換するもの等を好適に用いることができる。また光波長変換素子は、導波路型の素子であることが望ましい。
【００１２】
【発明の効果】
本発明者は、従来装置における前述のノイズは、半導体レーザの出力強度の変動（半導体レーザの強度ノイズ）による部分と、縦モード間の出力変動による部分とがあり、特に波長変換光に対しては後者が大きな影響を与えていることを見出した。すなわち、図９に示すように、波長変換効率は位相整合波長をピークとする急峻な波長依存性があるため、波長の異なる縦モード間でのパワーのやりとりが波長変換効率の変化を引き起こし、波長変換光の強度のゆらぎが生じるのである。なお図９において、縦軸の光出力および波長変換効率は相対値で示してある（後述の図１０および１１も同様）。
【００１３】
また、このノイズ量がＬＤ電流値に大きく依存する原因は、ＬＤ電流値が変化することにより半導体レーザの温度が変化し、それにより半導体レーザの共振器長が変化して発振波長が変化し、その結果、光波長変換素子の変換効率と半導体レーザの各発振モードとの重なりが変化することにあることが、本発明者らの研究で明らかとなった。すなわち、波長変換光のノイズが比較的大きい状況下では、半導体レーザの発振波長と光波長変換素子の変換効率の波長依存性とは図１０のような関係になっており、主発振モードと変換効率が低い周囲のモードとの間でのパワーのやり取りが、波長変換光のノイズとなる。その状態から、上述のような原因で発振波長が変化して、図１１のような関係になると、パワーの大きな２つの発振モード間のパワーのやり取りがあっても変換効率に差は無いので、波長変換光のノイズは小さくなる。
【００１４】
本発明は上述の知見に基づいて、半導体レーザの縦モード波長間隔を光波長変換素子の位相整合波長半値幅より狭くしたものであり、これにより、半導体レーザの２つの発振モード間のパワーのやり取りがあっても変換効率に差は無いか、あるいはその差が極く小さくなるので、波長変換光のノイズを小さく抑えることが可能になる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施の形態による波長変換レーザ光源の概略側面形状を示すものである。図示の通りこの波長変換レーザ光源は、基本波としてのレーザビーム１１を発する半導体レーザ１０と、この半導体レーザ１０の一端側に直接結合された導波路型の光波長変換素子２０と、半導体レーザ１０から発せられた後方出射光１１Ｒを平行光化するコリメーターレンズ３０と、平行光となった後方出射光１１Ｒを反射させて半導体レーザ１０に帰還させるミラー３１と、このミラー３１およびコリメーターレンズ３０の間の光路に挿入された波長選択素子としての狭帯域バンドパスフィルター３２とから構成されている。
【００１７】
半導体レーザ１０としては、素子長が１．１ｍｍ、中心発振波長が９４０ｎｍ、縦モード間隔が０．１１ｎｍのものが用いられている。この半導体レーザ１０は高周波重畳駆動され、したがってマルチ縦モードで発振する。
【００１８】
光波長変換素子２０は、非線形光学効果を有する強誘電体であるＬｉＮｂＯ_３ にＭｇＯが例えば５ ｍｏｌ％ドープされたものの結晶からなる基板２１に、そのＺ軸と平行な自発分極の向きを反転させたドメイン反転部２２が周期的に形成されてなる周期ドメイン反転構造と、この周期ドメイン反転構造に沿って延びるチャンネル光導波路２３が形成されてなるものである。またこの光波長変換素子２０は、結合長が８ｍｍで、基本波波長９４０ｎｍに対して位相整合するように形成されている。
【００１９】
以下、この波長変換レーザ光源の作用について説明する。高周波重畳駆動される半導体レーザ１０はマルチ縦モードで発振し、その前方端面（図１中の右端面）から発せられた中心波長９５０ｎｍのレーザビーム１１は、光波長変換素子２０の光導波路端面２３ａから該光導波路２３内に入射する。このレーザビーム１１はチャンネル光導波路２３をＴＥモードで導波し、各縦モードを基本波としてそれらの第２高調波および和周波である波長変換光１２に変換される。その際、周期ドメイン反転領域で位相整合（いわゆる疑似位相整合）が取られ、この波長変換光１２もチャンネル光導波路２３を導波モードで伝搬して、光導波路２３の端面２３ｂから出射する。
【００２０】
なお、狭帯域バンドパスフィルター３２で波長選択された後方出射光１１Ｒが半導体レーザ１０に帰還されることにより、該半導体レーザ１０の発振波長の中央値が所望値に制御される。
【００２１】
この第１の実施の形態の波長変換レーザ光源における波長変換光のノイズ特性を、図２に示す。なおこの場合のノイズの定義は、前述した図８におけるものと同じであり、図８の従来例と比較して明らかにノイズは小さくなり、ノイズ量のＬＤ電流値への依存性も小さくなっている。これは、該光波長変換素子２０の位相整合波長幅（半値全幅）０．１３ｎｍに対して、半導体レーザ１０の縦モード間隔を０．１１ｎｍとそれよりも狭くしていることによる効果であり、その詳しい理由は先に述べた通りである。
【００２２】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態による波長変換レーザ光源は、上述した第１の実施の形態による波長変換レーザ光源と同様の基本構成を有するものであるが、半導体レーザとしては、素子長が０．７５ｍｍ、中心発振波長が９４０ｎｍ、縦モード間隔が０．１７ｎｍのものが用いられ、また光波長変換素子としては、結合長が４ｍｍで、基本波波長９４０ｎｍに対して位相整合し、位相整合波長幅（半値全幅）が０．２４ｎｍのものが用いられている。上述の通り本例でも、半導体レーザの縦モード間隔：０．１７ｎｍは、光波長変換素子の位相整合波長幅（半値全幅）：０．２４ｎｍより狭くなっている。
【００２３】
この第２の実施の形態の波長変換レーザ光源における波長変換光のノイズ特性を、図３に◆印の点でプロットして示す。なおこの場合のノイズの定義も、前述した図８におけるものと同じである。
【００２４】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態による波長変換レーザ光源も、上述した第１の実施の形態による波長変換レーザ光源と同様の基本構成を有するものであるが、半導体レーザとしては第２の実施の形態で用いられたものと同じものが用いられ、また光波長変換素子としては、結合長が６ｍｍで、基本波波長９４０ｎｍに対して位相整合し、位相整合波長幅（半値全幅）が０．１８ｎｍのものが用いられている。上述の通り本例でも、半導体レーザの縦モード間隔：０．１７ｎｍは、光波長変換素子の位相整合波長幅（半値全幅）：０．１８ｎｍより狭くなっている。
【００２５】
この第３の実施の形態の波長変換レーザ光源における波長変換光のノイズ特性を、図３に■印の点でプロットして示す。なおこの場合のノイズの定義も、前述した図８におけるものと同じである。
【００２６】
以上説明した第２および第３の実施の形態においても、図８の従来例と比較して明らかにノイズは小さくなり、ノイズ量のＬＤ電流値への依存性も小さくなっており、特に光波長変換素子の位相整合波長幅（半値全幅）と半導体レーザの縦モード間隔との差がより大きい第２の実施の形態において、より良好な結果が得られている。
【００２７】
次に、本発明の第４の実施の形態について説明する。この第４の実施の形態による波長変換レーザ光源は、上述した第１の実施の形態による波長変換レーザ光源とほぼ同様の基本構成を有するものであるが、半導体レーザとしては、素子長が１．５ｍｍ、中心発振波長が１０８０ｎｍ、縦モード間隔が０．１０ｎｍのものが用いられ、また光波長変換素子としては、結合長が１０ｍｍで、基本波波長１０８０ｎｍに対して位相整合し、位相整合波長幅（半値全幅）が０．２０ｎｍのものが用いられている。なおここでは、光波長変換素子として特に、例えば特開平１０−１０３４８号公報に記載されているようなリッジ構造の光導波路を有する素子が用いられている。上述の通り本例でも、半導体レーザの縦モード間隔：０．１０ｎｍは、光波長変換素子の位相整合波長幅（半値全幅）：０．２０ｎｍより狭くなっている。
【００２８】
この第４の実施の形態の波長変換レーザ光源における波長変換光のノイズ特性を、図４に◆印の点でプロットして示す。なおこの場合のノイズの定義も、前述した図８におけるものと同じである。
【００２９】
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。この第５の実施の形態による波長変換レーザ光源も、上述した第１の実施の形態による波長変換レーザ光源とほぼ同様の基本構成を有するものであるが、半導体レーザとしては、素子長が１．１ｍｍ、中心発振波長が１０８０ｎｍ、縦モード間隔が０．１４ｎｍのものが用いられ、また光波長変換素子としては第４の実施の形態で用いられたものと同じものが用いられている。上述の通り本例でも、半導体レーザの縦モード間隔：０．１４ｎｍは、光波長変換素子の位相整合波長幅（半値全幅）：０．２０ｎｍより狭くなっている。
【００３０】
この第５の実施の形態の波長変換レーザ光源における波長変換光のノイズ特性を、図４に■印の点でプロットして示す。なおこの場合のノイズの定義も、前述した図８におけるものと同じである。
【００３１】
以上説明した第４および第５の実施の形態においても、図８の従来例と比較して明らかにノイズは小さくなり、ノイズ量のＬＤ電流値への依存性も小さくなっており、特に光波長変換素子の位相整合波長幅（半値全幅）と半導体レーザの縦モード間隔との差がより大きい第４の実施の形態において、より良好な結果が得られている。
【００３２】
また、これら第４および第５の実施の形態においては、半導体レーザの素子長を比較的大きく設定してその縦モード間隔を狭くしているので、光波長変換素子の結合長は１０ｍｍと、第２および第３の実施の形態の各４ｍｍ、６ｍｍと比べて長く設定したまま、半導体レーザの縦モード間隔を光波長変換素子の位相整合波長幅（半値全幅）より狭くすることが可能になっている。このように、光波長変換素子の結合長を比較的長くすることができれば、より大きな波長変換光出力を得ることができるので、この点から考えれば、光波長変換素子の結合長を短くしてその位相整合波長幅（半値全幅）を広くするよりも、半導体レーザの素子長を大きくしてその縦モード間隔を狭くする方が望ましいと言える。
【００３３】
次に図５を参照して、以上説明した各実施の形態および図８にノイズ特性を示した従来装置における、位相整合波長幅（半値全幅）と半導体レーザの縦モード間隔とノイズ量との関係について説明する。この図５は、上記位相整合波長幅（半値全幅）／半導体レーザ縦モード間隔の値を横軸に、所定の電流範囲での最大ノイズ量を縦軸に示すものである。
【００３４】
ノイズの大きさはマルチモード発振の強度分布、半導体レーザの構造や高周波重畳レベル等の条件次第で若干差異が生じるが、位相整合波長幅に比べて縦モード問隔が小さくなると、ノイズの電流値依存性が減少することで最大ノイズが減少することがこの図５から見て取れる。また最大ノイズ量は、位相整合波長幅（半値全幅）／半導体レーザ縦モード間隔の値が１より小さくなると急激に増加する。
【００３５】
次に図６は、図８にノイズ特性を示した従来装置における、半導体レーザ駆動電流値（ＬＤ電流値）と波長変換光出力との関係を示すものである。また図７は、上述した第１の実施の形態における同様の関係を示すものである。これらの図を比較すれば、ＬＤ電流値に対する波長変換光出力のゆらぎも、本発明によって抑止できることが分かる。
【００３６】
なお上に説明した各実施の形態では、半導体レーザの発振波長を波長選択素子で制御し、高周波重畳でマルチ縦モード化した各レーザビームを基本波として波長変換しているが、結果としてマルチ縦モードのレーザ光源を用いて波長変換する場合は、全て本発明を適用することができる。例えば、高周波重畳駆動せずにマルチ縦モード発振する半導体レーザ、ブロードエリア半導体レーザ、マルチ縦モード発振する固体レーザ（例えば固体レーザ媒質としてＮｄ：ＹＡＧ、Ｎｄ：ＹＶＯ_４、Ｃｒ：ＬｉＳＡＦ等を用いるもの）、さらにはファイバーレーザ等、マルチ縦モードのレーザ光源を用いる波長変換レーザの全てに、本発明を適用可能である。
【００３７】
また、さらに小さなノイズとするためには、本発明の条件に加えて、マルチ縦モード発振の波長範囲を位相整合波長幅内に制限することが好ましい。これは、半導体レーザの場合には、端面反射率、導波路構造（寸法、材質）、波長制御のための帰還光の波長強度分布、高周波重畳の強度・周波数などを適宜設定することで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による波長変換レーザ光源を示す概略側面図
【図２】図１に示した波長変換レーザ光源のノイズ特性を示すグラフ
【図３】本発明の第２、第３の実施の形態による波長変換レーザ光源のノイズ特性を示すグラフ
【図４】本発明の第４、第５の実施の形態による波長変換レーザ光源のノイズ特性を示すグラフ
【図５】本発明による波長変換レーザ光源並びに従来装置における半導体レーザの縦モード波長間隔、光波長変換素子の位相整合波長半値幅および最大ノイズ量の関係を示すグラフ
【図６】図１に示した波長変換レーザ光源における半導体レーザ駆動電流値と、波長変換光出力との関係を示すグラフ
【図７】従来の波長変換レーザ光源における半導体レーザ駆動電流値と、波長変換光出力との関係を示すグラフ
【図８】従来の波長変換レーザ光源のノイズ特性を示すグラフ
【図９】本発明の効果を説明するための説明図
【図１０】本発明の効果を説明するための説明図
【図１１】本発明の効果を説明するための説明図
【符号の説明】
１０ 半導体レーザ
１１ レーザビーム（基本波）
１２ 波長変換光
２０ 光波長変換素子

Claims (3)

1. 複数の縦モードを含む基本波を発する半導体レーザと、この半導体レーザから出射した基本波を波長変換する光波長変換素子とから成る波長変換レーザ光源において、前記半導体レーザの縦モード波長間隔が前記光波長変換素子の位相整合波長半値幅より狭いことを特徴とする波長変換レーザ光源。
2. 前記光波長変換素子が、前記複数の縦モードで発振した各レーザビームをそれらの第２高調波および和周波に波長変換するものであることを特徴とする請求項１記載の波長変換レーザ光源。
3. 前記光波長変換素子が、導波路型の素子であることを特徴とする請求項１または２記載の波長変換レーザ光源。

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