JP2916528B2

JP2916528B2 - 波長安定化レーザ装置

Info

Publication number: JP2916528B2
Application number: JP31809690A
Authority: JP
Inventors: 義久界; 隆志黒川; 裕之津田; 克彦平林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-11-26
Filing date: 1990-11-26
Publication date: 1999-07-05
Anticipated expiration: 2014-07-05
Also published as: JPH04196188A

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］本発明は、光通信および光計測における波長基準とし
て用いるために、原子または分子気体の共鳴線および吸
収線や光干渉計の波長を基準にとり、レーザ光をその基
準に同期させることによって構成された波長安定化レー
ザ装置に関するものである。

［従来の技術］この種の従来の波長安定化レーザ装置の一例の構成を
第11図に示す。第11図において、１は半導体レーザ、２
は波長基準吸収媒体、３は受光器、４はロックインアン
プ、５は発振器である。発振器５によって直接変調され
た半導体レーザ１の片端面からの微小量の出射光６を波
長基準吸収媒体２に通過させた後、受光器３で光電変換
する。この電気信号を発振器５の出力とロックインアン
プ４で比較して処理した後、半導体レーザ１に帰還させ
てその駆動電流を変えることにより、この半導体レーザ
１の発振波長を安定化させる。波長基準吸収媒体２とし
ては、クリプトンなどの原子の共鳴線やアンモニウムな
どの分子の吸収線あるいは光ファブリペロ干渉計などの
光干渉計などが使われている。７は半導体レーザ１から
のレーザ出力光である。

［発明が解決しようとする課題］しかしながら、かかる従来の波長安定化レーザ装置で
は、半導体レーザ１の発振波長の粗い調整は、半導体レ
ーザ１の周囲温度を変化させることによって行ってい
る。通常の半導体レーザでは、１℃あたり約0.1nmだけ
発振波長が変化するので、例えば５℃から55℃まで50゜
変化させたとしても、高々5nmしか可変させることがで
きない。しかも、温度を変化させたとき、半導体レーザ
の端面間の距離に起因する発振縦モードとレーザ媒質の
利得分布との相関関係から縦多モード化や、モードホッ
ピングなどの不安定な状態に陥ることがある。したがっ
て、広い波長帯域にわたって複数の発振波長で安定した
レーザ光を得るためには、発振波長を選りすぐった複数
の半導体レーザが必要であった。

本発明はこのような問題点を解決するためになされた
もので、１台の半導体レーザで、複数の波長で安定化す
ることができ、かつ極めて高い波長安定度のレーザ光が
得られる実用的な波長安定化レーザ装置を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するため、本発明は、少なくとも一方
の光出射面が低反射加工された半導体レーザと、当該加
工の施された光出射面側からの出射光を受けて反射し、
前記半導体レーザに戻すようになして当該半導体レーザ
に対する外部共振器を構成するミラー手段と、透明電
極，高反射ミラー，配向膜，液晶，配向膜，高反射ミラ
ーおよび透明電極をこの順序に配置して構成され、前記
半導体レーザと前記ミラー手段との間に配設された可変
波長フィルタと、透明電極，配向膜，液晶，配向膜およ
び透明電極をこの順序に配置して構成され、前記半導体
レーザと前記ミラー手段との間に配設された可変位相シ
フタと、前記半導体レーザの発振波長を設定するための
電圧を少なくとも前記可変波長フィルタに印加する電圧
源と、前記半導体レーザの残余の光出射面側からの出射
光を受けて、所定の波長の光のみを吸収する波長基準吸
収媒体と、該波長基準媒体を通過した光を電気信号に変
換する受光手段と、所定波長の電気発振出力を発振する
発振手段と、前記受光手段からの電気信号と前記発振手
段からの電気発振出力を受け、前記半導体レーザの発振
波長と前記波長基準吸収媒体による基準吸収線とのずれ
を誤差信号として検出するロックインアンプと、該ロッ
クインアンプからの誤差信号を前記可変波長フィルタお
よび前記可変位相シフタにフィードバックすると共に、
前記発振器の電気発振出力を前記可変位相シフタに供給
する手段とを備えたことを特徴とする。

［作用］本発明では、半導体レーザの外部共振器内に、主に液
晶からなり、電圧印加により半導体レーザの発振波長を
設定する可変波長フィルタと可変位相シフタとを配設
し、半導体レーザの出力光から所定の波長の光のみを波
長基準吸収媒体で吸収し、この媒体を通過した光に対応
する電気信号と発振器の発振出力をロックインアンプに
供給して得た誤差信号を可変波長フィルタおよび可変位
相シフタにフィードバックし、可変波長フィルタで発振
波長の粗調整を行い、可変位相シフタで発振波長の微調
整を行なうようにしたので、半導体レーザの発振波長を
従来よりはるかに広範囲の波長域で可変させ、半導体レ
ーザの発振波長を安定化できる。

［実施例］以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。

第１図は本発明の波長安定化レーザ装置の一実施例を
示す構成ブロック図である。第１図において、11は片方
の光出射端面が低反射加工された半導体レーザであり、
その低反射コーティング加工された端面側からの出射光
をレンズ12でコリメートする。レンズ12の出射光を、ガ
ラス基板，透明電極，高反射ミラー，配向膜，液晶，配
向膜，高反射ミラー，透明電極，ガラス基板をこの順序
に積層して構成した可変波長フィルタ13、およびガラス
基板，透明電極，配向膜，液晶，配向膜，透明電極，ガ
ラス基板をこの順序に積層して構成した可変位相シフタ
14を介して、凹面ないし平面ミラー15に導く。

半導体レーザ11のレーザ出力光20は、コリメートレン
ズ16からハーフミラー17を介して取り出す。ハーフミラ
ー17からの他方の出力光を波長基準吸収媒体としての吸
収セル18を介して受光器110に導く。発振器19および受
光器110の出力をロックインアンプ111に供給して比較処
理し、発振器19の発振波長と波長基準吸収媒体18の基準
吸収線とのずれを示す誤差信号を得、その誤差信号を可
変波長フィルタ13および可変位相シフタ14の各印加電圧
にフィードバックする。ここで、ロックインアンプと
は、発振器19からの発振出力を参照信号として、受光器
110からの電気信号出力を、この参照信号にロックした
状態で、増幅する。すなわちこの電気信号出力のうち参
照信号に同期した成分のみを増幅する増幅器を意味し、
得られた増幅出力電圧レベルを可変波長フィルタ13およ
び可変位相シフタ14に印加する。可変位相シフタ14には
発振器19からの発振出力をも印加する。40は可変波長フ
ィルタ13に所望する発振波長に対応する設定電圧を印加
するための電圧源である。なお、電圧源40から可変位相
シフタ14にも電圧を印加してフィルタ13と共に電圧を設
定することもできる。

なお、可変波長フィルタ13のガラス基板上に可変位相
シフタ14およびミラー15を一体化して配置することがで
きるのは言うまでもない。

可変波長フィルタ13を光軸に対して垂直な軸から傾け
て配置してあるのは、可変波長フィルタ13からの不要な
反射光を半導体レーザ11に帰還させないためである。

次に、第２図に可変波長フィルタ13の一例の断面図を
示す。ここで、21Aおよび21Bは無反射コーティング層、
22Aおよび22Bはインジウムチンオキサイド（ITO）ある
いは酸化錫などの透明電極層、23Aおよび23Bは高反射ミ
ラー、24Aおよび24Bはポリイミドなどの配向膜、25Aお
よび25Bはガラス基板、26は液晶層である。ガラス基板2
5Aおよび25B上に、それぞれ、層22A,23A,24Aおよび層22
B,23B,24Bを配置する。層24Aと24Bとの間に液晶層26を
配置する。ガラス基板25Aおよび25Bの外側表面には、無
反射コーティング層21Aおよび21Bをそれぞれ配置する。
27Aおよび27Bは配線であり、透明電極層22Aおよび22Bに
それぞれ接続する。

まず、可変波長フィルタの動作原理について説明す
る。第３図（ａ）および（ｂ）には、液晶に電界を印加
しない場合および印加した場合の液晶分子の配向を、そ
れぞれ、示す。ここで、31は液晶層26の液晶分子、32は
配向膜24A,24Bに対応する配向膜であり、配向膜32に示
してある矢印は配向方向である。例えば、液晶としてネ
マティック液晶、配向膜として厚さ数十から1000オング
ストロームの高分子膜を用い、配向処理（ラビングな
ど）を行うか、あるいは同様な厚さのSiOの斜方蒸着膜
を用いると、電界の無印加状態で、液晶分子31は配向膜
32の配向方向に基板25A,25Bに平行に配位する。

これは配向処理にともない、（液晶の位置エネルギ）
＋（配向膜との相互作用エネルギ）が液晶分子31が配向
方向に配位した時に最小となるからである。ところが、
基板25A,25Bに垂直に電界を印加すると、液晶分子31が
双極子モーメントを持つことに起因して、電界との相互
作用が生じ、この系は液晶が電界方向に回転することに
よって、エネルギ的に安定となる。このとき、対向する
配向膜32の配向方向は反対の向きになっているため、液
晶分子31の回転方向は一意的に定まり、光の散乱要因で
あるディスクリネーションを避けることができる。

ここで、液晶の配向方向に偏光した平行光を基板25A,
25Bに垂直に入射する場合を考える。液晶分子31は異方
性の大きい形状から推察される通り、光学的にも異方性
が極めて大きい。このため、電界印加時に液晶分子31の
回転と共に偏光面の方向の屈折率（ｎ）が大きく変化す
る。屈折率変化は最大十数％にも及ぶ。ここで、屈折率
ｎは電界Ｅの関数となり、次式で表される。

ｎ（Ｅ）＝n₀＋Δｎ（Ｅ）（１）ここで、n₀は電界無印加時の屈折率である。

可変波長フィルタ13では、対向するミラー23Aおよび2
3Bにこれら液晶層26と配向膜24Aおよび24Bとを挟んで、
光共振器を構成している。ミラー23A,23Bの反射率を
ｒ、入射光の波長をλ、ミラー23Aと23Bとの間隔をＬと
すると、共振器の透過率Ｔ、共鳴波長λ_resは次式で表
される。

Ｔ＝1/［１＋Fsin²（２πｎ（Ｅ）L/λ）］（２）Ｆ＝4r/（１−ｒ）^２（３） λ_res＝m/2n（Ｅ）Ｌ（ｍ＝1,2,…）（４）１つの共鳴ピークに注目して透過スペクトルを図示す
ると、第４図のようになる。ここで、実線は電界無印加
時、破線は電界印加時の透過スペクトルである。（４）
式から明らかなように、電界印加時に液晶層26の屈折率
変化にともない共鳴ピークは移動する。すなわち、共振
器外側の透明電極22Aと22B間の電位差を制御することに
よって、共振器の共鳴波長を制御し可変波長フィルタと
して動作させることができる。可変波長フィルタの動作
波長の上限と下限をそれぞれλ_max、λ_minとすると、ｍ
の値の上限は次式で与えられる。この式は動作波長範囲
にただ１つの共鳴ピークが存在する条件を表す。

ｍ＜１＋λ_max/（λ_max−λ_min）（５）例えば、ミラー23A,23Bの反射率を99.0％、共振器長
Ｌを1.5μｍとすれば、半値幅0.22nmで約50nmの波長掃
引が可能である。

次に、半導体レーザ11としての波長可変レーザダイオ
ードの動作について説明する。可変波長フィルタ13を挿
入しない場合と、挿入した場合のレーザ共振器の利得ス
ペクトルの模式図を第５図に示す。フィルタ13のない場
合、利得スペクトルはレーザダイオードチップのコーテ
ィングのない出射端面と外部ミラー16との間での外部共
振器モードによる線状の鋭いピークを持つスペクトルと
レーザチップの両端面間での緩いピークを持つスペクト
ルとの重ね合せとなる。この結果、フィルタ13のない場
合には利得の大きいＰ_k,1,P_ｋ＋1,1,P_ｋ＋2,1,P_ｋ＋3,1
等に対応する波長で多モード発振をする。ところが、こ
こに可変波長フィルタ13を挿入すると、外部共振器モー
ドに基づく１つの利得ピークを選択し、それに対応する
波長の光で発振させることが可能になる。ここでは、可
変波長フィルタ13への印加電圧を制御し、Ｐ_ｋ＋1,4の
波長を選択していることを図示している。すなわち、可
変波長フィルタ13への印加電圧を制御することで任意の
外部共振器モード波長での発振が可能となる。また、波
長の掃引速度は液晶の応答速度で決まるが、一般的には
数ミリ秒であり、機械的な掃引に比較すれば３桁以上高
速である。

第６図に可変位相シフタ14の構造の一例を示す。ここ
で、61Aおよび61Bは無反射コーティング層、62Aおよび6
2Bはインジウムチンオキサイド（ITO）あるいは酸化錫
などの透明電極層、63Aおよび63Bはポリイミドなどの配
向膜、64は液晶層、65Aおよび65Bはガラス基板である。
ガラス基板65Aおよび65B上に、それぞれ、層62A,63Aお
よび層62B,63Bを配置する。層63Aと63Bとの間に液晶層6
4を配置する。ガラス基板65Aおよび65Bの外側表面に
は、それぞれ、無反射コーティング層61Aおよび61Bを配
置する。66Aおよび66Bは配線であり、透明電極層62Aお
よび62Bにそれぞれ接続する。この可変位相シフタ14で
は、電圧印加にともない、液晶層64の屈折率が第１式の
ように変化するため、印加電圧を制御し、外部共振器長
を変えることで、外部共振器モードに基づく利得ピーク
を数モード間隔分微調できる。

次に、第１図に示した実施例の波長安定化レーザ装置
の動作を説明する。まず、電圧源40により可変波長フィ
ルタ13の印加電圧を設定する。その状態で、所望の発振
波長に近い波長で発振している半導体レーザ11より出射
した光はレンズ16を経てハーフミラー17で２分され、一
方の光は所定の波長の光のみを吸収する波長基準媒体18
を透過し、その透過光は受光器110で光電変換される。

第７図は波長基準媒体18の吸収特性を示すものであ
る。

ここで、可変位相シフタ14の印加電圧は発振器19で変
調されており、これにより半導体レーザ11の発振波長が
僅かに変化し、その出力光は周波数変調されている。さ
らに、半導体レーザ11の発振波長と基準吸収線からのず
れをロックインアンプ111で検出し、その誤差信号を可
変波長フィルタ13および可変位相シフタ14の各印加電圧
にフィードバックして発振波長を安定化する。なお、可
変波長フィルタ13は発振波長の粗い調整に用いられ、可
変位相シフタ14は微調整に用いられる。

また、可変波長フィルタ13と可変位相シフタ14の動作
条件によって、半導体レーザ11との光結合条件が変化す
ることにより、出力光の強度が変化する場合は、第８図
に示す実施例の構成にすればよい。第８図において、第
１図と同様の個所には同一符号を付す。112はハーフミ
ラー17からの出力光20を受けるハーフミラー、113はハ
ーフミラー112からの一方の光を受ける受光器である。
この受光器113からの電気信号出力をロックインアンプ1
11に供給し、それにより受光器113で半導体レーザ11の
出力光20の強度の変動を監視する。吸収線からのずれの
信号は受光器110と113との出力を比較することにより容
易に得ることができる。

さらに、レーザ共振器のＱ値をあげるため、リング共
振器の構造にした実施例を第９図に示す。ここで、第１
図と同様の個所には同一符号を付す。本実施例では外部
ミラー114および115とハーフミラー116とを追加し、こ
れらミラー114,115,116とミラー15とによりリング共振
器を構成する。すなわち、ミラー15の反射光を、ミラー
114および115を介して、ハーフミラー17とレンズ16との
間に配置したハーフミラー116に戻す。半導体レーザ11
は両面とも低反射加工されている。第９図に示したミラ
ーによるリング共振器に代えて、リング共振器を光ファ
イバで構成しても同様の効果が得られる。

ここで、本発明の具体例について述べる。例えば、第
１図の装置構成において、半導体レーザ11として波長1.
55μｍで発振するInGaAsP系の分布帰還型半導体レーザ
（DFB型LD）を使用し、その片端面の反射率を１％以下
に加工して使用した。外部共振器で決定されるレーザ光
の線幅は100MHzであった。セル長5cmの吸収セル18に
は、光吸収媒体として同位体置換アセチレンガス（¹³C₂
H₂）を圧力500Torr封入した。

第10図はアセチレンガスと同位体置換アセチレンガス
の光吸収特性を示す図である。ここで、吸収セル18のセ
ル長は10cm、圧力は760Torrとした。

そのうち、1.54949μｍの吸収線（半値全幅10GHz、吸
収強度30％）を利用して前記半導体レーザ11をこの吸収
線に波長同期させた。発振器19の周波数を500Hzとし、
可変位相シフタ14を用いた周波数変調変位量は500MHzに
設定した。このようにして、第１図の構成を用いた場合
に、半導体レーザ11の中心発振波長の変動は１×10^-4nm
（光周波数にして10MHz）以下に抑えられた。

次に、電圧源40により可変波長フィルタ13の印加電圧
を調整して、1.52125μｍの吸収線（半値全幅12GHz、吸
収強度50％）を利用して前記半導体レーザ11をこの吸収
線に波長同期させた。同様に、半導体レーザ11の中心発
振波長の変動は１×10^-4nm（光周波数にして10MHz）以
下に抑えられた。

第１図の実施例では、約30nmの広範囲にわたって、約
0.6nmごとに存在する吸収線のいずれの波長においても
半導体レーザの発振波長を安定化することができた。

特に、第10図に示したアセチレンガスおよび同位体置
換アセチレンガスを用いれば1.50μｍから1.56μｍの広
範囲にわたって局在する多数の波長で安定化が可能であ
る。

光吸収性ガスとして、アンモニウムガス，メタンガ
ス，二酸化炭素などを用いても前述した実施例と同様の
動作原理によって発振波長を安定化することができる。

以上、本発明を実施例に基づき具体的に説明したが、
本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その
要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であること
は言うまでもない。

［発明の効果］以上説明したように、本発明によれば、半導体レーザ
の外部共振器内に、可変波長フィルタと可変位相シフタ
とを配設し、半導体レーザの出力光から所定の波長の光
のみを波長基準吸収媒体で吸収し、この媒体を通過した
光に対応する電気信号と発振器の発振出力をロックイン
アンプに供給して得た誤差信号を可変波長フィルタおよ
び可変位相シフタにフィードバックし、可変波長フィル
タで発振波長の粗調整を行い、可変位相シフタで発振波
長の微調整を行なうようにしたので、半導体レーザの発
振波長を従来よりはるかに広範囲の波長域で可変させ、
半導体レーザの発振波長を安定化できる。

このように、本発明では、半導体レーザの発振波長を
極めて高精度で広範囲の波長に同期，安定化することが
できるので、コヒーレント光通信における波長標準光源
や光計測における光源として利用できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明波長安定化レーザ装置の一実施例を示す
構成ブロック図、第２図は液晶を用いた可変波長フィルタの一例を示す断
面図、第３図は可変波長フィルタにおける液晶分子の配位図、第４図は電界の印加に伴う可変波長フィルタの透過スペ
クトルの変化を示す透過スペクトル図、第５図はレーザ共振器の波長選択原理の説明用利得スペ
クトル図、第６図は可変位相シフタの一例を示す断面図、第７図は吸収セルの入出力特性として光吸収性ガスを透
過した光の光強度を示す特性図、第８図および第９図は本発明の他の２つの実施例を示す
ブロック図、第10図はアセチレンガスと同位体置換アセチレンガスの
光吸収特性図、第11図は従来の波長安定化レーザ装置の一例を示す構成
ブロック図である。 1,11……半導体レーザ、 2,18……吸収セル、 3,110,113……受光器、 4,111……ロックインアンプ、 5,19……発振器、 12,16……レンズ、 13……可変波長フィルタ、 14……可変位相シフタ、 15,114,115……ミラー、 17,112,116……ハーフミラー、 20……レーザ出力光、 21A,21B,61A,61B……無反射コーティング層、 22A,22B,62A,62B……透明電極層、 24A,24B,63A,63B……配向膜、 25A,25B,65A,65B……ガラス基板、 26,64……液晶層、 27A,27B,66A,66B……配線、 31……液晶分子、 32……配向方向、 40……設定電圧源。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平林克彦東京都千代田区内幸町１丁目１番６号日本電信電話株式会社内 (56)参考文献特開平４−142090（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−157488（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01S 3/133

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも一方の光出射面が低反射加工さ
れた半導体レーザと、当該加工の施された光出射面側からの出射光を受けて反
射し、前記半導体レーザに戻すようになして当該半導体
レーザに対する外部共振器を構成するミラー手段と、透明電極，高反射ミラー，配向膜，液晶，配向膜，高反
射ミラーおよび透明電極をこの順序に配置して構成さ
れ、前記半導体レーザと前記ミラー手段との間に配設さ
れた可変波長フィルタと、透明電極，配向膜，液晶，配向膜および透明電極をこの
順序に配置して構成され、前記半導体レーザと前記ミラ
ー手段との間に配設された可変位相シフタと、前記半導体レーザの発振波長を設定するための電圧を少
なくとも前記可変波長フィルタに印加する電圧源と、前記半導体レーザの残余の光出射面側からの出射光を受
けて、所定の波長の光のみを吸収する波長基準吸収媒体
と、該波長基準媒体を通過した光を電気信号に変換する受光
手段と、所定波長の電気発振出力を発振する発振手段と、前記受光手段からの電気信号と前記発振手段からの電気
発振出力を受け、前記半導体レーザの発振波長と前記波
長基準吸収媒体による基準吸収線とのずれを誤差信号と
して検出するロックインアンプと、該ロックインアンプからの誤差信号を前記可変波長フィ
ルタおよび前記可変位相シフタにフィードバックすると
共に、前記発振器の電気発振出力を前記可変位相シフタ
に供給する手段とを備えたことを特徴とする波長安定化レーザ装置。