JP3145504B2

JP3145504B2 - レーザ周波数掃引装置

Info

Publication number: JP3145504B2
Application number: JP26805692A
Authority: JP
Inventors: 功小林; 茂衣川
Original assignee: Anritsu Corp
Current assignee: Anritsu Corp
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 2001-03-12
Anticipated expiration: 2016-03-12
Also published as: JPH0697557A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、例えば、光通信、光
波計測等の分野において光源として用いられる、狭いス
ペクトル線幅を維持しつつ、広帯域の周波数掃引が行え
るレーザ周波数掃引装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】発振波長が可変であり、発振スペクトル
線幅が狭窄化される半導体レーザ装置として、例えば特
開平２−１５６６９１号公報にあるような半導体レーザ
装置が提案されている。図８に前記特開平２−１５６６
９１号公報に開示された発振波長が可変の半導体レーザ
装置の断面構成図を示す。図８の半導体レーザ装置は、
活性領域１１と、境界１８を挟んで該活性領域１１に連
続して成る位相制御領域１２と、位相制御領域１２側か
ら出射した光を再び位相制御領域１２へ戻すための反射
鏡（反射手段）２０と、位相制御領域１２から出射した
光を反射鏡２０に入射させるとともに、反射鏡２０で反
射された光を再び位相制御領域１２に結合するためのレ
ンズ２１からなっている。前記活性領域１１には活性層
１５が形成され、該活性層１５にはその全域にわたって
回折格子１４が形成されている。また、前記活性領域１
１には前記活性層１５に電流を注入するための電極１６
が設けられており、活性領域１１の出射端面１９ａには
ＡＲコートが施されている。そして、前記位相制御領域
１２には前記活性層１５に連続して光導波路層１３が形
成されており、また、該光導波路層１３に電流を注入す
るための電極１７が設けられている。位相制御領域１２
の出射端面１９ｂにはＡＲコートが施されている。

【０００３】次に、この半導体レーザ装置の動作につい
て説明する。活性領域１１の電極１６に電流Ｉｄを注入
することにより活性層１５の利得が増加し、共振器の損
失を上回るとレーザ発振が生じる。ここで、端面１９
ａ、１９ｂにＡＲコートが施されているので、共振器は
回折格子１４と反射鏡２０とで構成される。この時回折
格子１４はブラッグ波長λ_g近傍の波長の光に対しての
み反射鏡として作用するので、ブラッグ波長λ_g近傍の
波長で単一モード発振が生じる。ここで、ｎ_p（Ｉ_p）
を注入電流Ｉ_pに依存する光導波路層１３の屈折率、Ｌ
_pを光導波路層１３の長さ、ｎ_eを端面１９ｂと反射鏡
２０との間の屈折率、Ｌ_eを端面１９ｂと反射鏡２０と
の距離とおくと、次式の関係を満足する場合はブラッグ
波長λ_gでレーザ発振する。Ｎ＋３／４＝〔２ｎ_p（Ｉ_p）Ｌ_p＋２ｎ_eＬ_e〕／λ_g ………（１）ここで、Ｎは整数である。

【０００４】従って、位相制御領域１２に注入する電流
Ｉ_pを式（１）を満足するように設定すれば、レーザの
発振波長をブラッグ波長λ_gに設定することができる。
また、電流Ｉ_pの値をこの設定値からずらすことによ
り、レーザの発振波長をブラッグ波長λ_gからずらすこ
とができる。つまり、位相制御領域１２に注入する電流
Ｉ_pによりレーザの発振波長を可変することができる。
また、従来の半導体レーザ装置は反射鏡２０を外に設定
しているため、共振器長を長くすることができ共振器の
Ｑ値を高くすることができる。従って、発振スペクトル
線幅をより狭窄化することができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来の半導体レーザ装
置は、前述のように、位相制御領域１２に注入する電流
Ｉ_pによりレーザの発振波長を可変することができ、ま
た、発振スペクトル線幅が狭窄化される半導体レーザ装
置である。しかし、従来の半導体レーザ装置を用いてレ
ーザ周波数の掃引を行う場合、位相制御領域１２に注入
する電流Ｉ_pを変化させて行うが、電流Ｉ_pの変化によ
りブラッグ波長の発振モードの発振しきい値ゲインが増
加し、活性層端面１９ａと反射鏡２０とで構成されるフ
ァブリペローモードの発振しきい値ゲインが低下するた
め、発振モードがファブリペローモードに変化する現象
が発生する。このため、従来の半導体レーザ装置は、
位相連続で周波数掃引できる帯域が狭い、発振モード
が飛び飛びになるので連続的な掃引ができない、周波
数が安定しない、等の問題が有った。この発明の目的
は、前述の問題を解決し、狭いスペクトル線幅を維持し
つつ、広い帯域にわたって位相連続で周波数を掃引でき
るレーザ周波数掃引装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明のレーザ周波数掃引装置は、レーザ装置を出
力光の強さを変えずに出力光の周波数を可変できる周波
数設定手段を備えたレーザ装置とし、該レーザ装置の出
力光のスペクトル線幅を狭窄化するため、及び、前記出
力光の周波数を連続的に変化させるために周波数可変周
波数弁別器を設けて光自己注入同期を発生させ、該光自
己注入同期状態を維持するために制御装置を設けて前記
周波数可変周波数弁別器の出力光の強さを電気信号に変
換する受光器の出力を参照して前記周波数設定手段を制
御するようにしている。

【０００７】即ち、出力光の強さを変えずに出力光の周
波数を可変できる周波数設定手段を備えたレーザ装置
と、該レーザ装置からの光を受けて特定周波数の光自己
注入同期を発生させるための光を生成する周波数可変周
波数弁別器と、該周波数可変周波数弁別器を駆動して前
記特定周波数を連続的に掃引する駆動装置と、前記周波
数可変周波数弁別器の出力光の強さを電気信号に変換す
る受光器と、該受光器の出力を参照して光自己注入同期
の状態を維持するように前記周波数設定手段を制御する
制御装置とを備えている。

【０００８】

【作用】半導体レーザは、発振したレーザ光が再度入射
すると、入射したレーザ光の周波数に発振周波数が引き
込まれ、かつ、発振線幅が狭窄化される。この現象を光
自己注入同期という。本発明では、特定周波数において
のみ共振したレーザ光を半導体レーザに注入し、かつ、
前記特定周波数を可変できる周波数可変周波数弁別器を
用いる。発振周波数掃引時は、駆動装置で周波数可変周
波数弁別器を駆動し、周波数可変周波数弁別器で弁別さ
れる周波数を変える。このとき、弁別される前記特定周
波数と、周波数可変周波数弁別器からの戻り光がないと
きの注入電流で決定される半導体レーザの発振周波数と
の間にある程度以上の差が発生すると光自己注入同期の
状態が発生しなくなるため、周波数可変周波数弁別器の
出力光の強さを受光器で電気信号に変換し、該受光器の
出力を参照しながら制御装置で周波数設定手段を制御す
る。その結果、光自己注入同期の状態が維持される。

【０００９】つまり、この発明の装置では、従来技術に
おいて生じた、周波数掃引時に発生するモード間のゲイ
ンプロファイルの変化に起因したモード変化の発生を抑
制することができるので、位相連続で周波数掃引が可能
になる。また、レーザ装置は周波数設定手段により出力
光の強さを変えずに出力光の周波数を可変できるので、
周波数掃引時に広い光周波数範囲で光自己注入同期の状
態が安定して維持され、広帯域の周波数掃引が可能にな
る。

【００１０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１はこの発明の第１の実施例を示す概略構成図
である。第１の実施例のレーザ周波数掃引装置はＤＢＲ
（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇＲｅｆｌｅｃ
ｔｏｒ：分布反射型）レーザ（レーザ装置）１、該ＤＢ
Ｒレーザ１の出力光を受ける位置に配置された共振周波
数可変のエタロン（周波数可変周波数弁別器）２、該エ
タロン２を構成するミラーに設けられたピエゾ素子３ａ
を含むピエゾ制御器（駆動装置）３、前記エタロン２の
出力光を受ける位置に配置された受光器４、該受光器４
の出力を受ける制御装置５から構成され、該制御装置５
は前記受光器４の出力を受ける位相検波器５ａ、該位相
検波器５ａの出力を受ける注入電流源５ｂ、並びに、該
注入電流源５ｂ及び前記位相検波器５ａに変調信号を印
加する変調信号源５ｃを備えている。

【００１１】第１の実施例のレーザ装置として用いたＤ
ＢＲレーザ１は、例えば図３に示すような構造のもので
ある。図３のＤＢＲレーザは、出力パワーを変えること
ができる活性領域、ＤＢＲレーザ内部の光の位相を調整
する位相制御領域、出力パワーを変えることなしに発振
周波数を変えることができるＤＢＲ領域より形成されて
いる。各領域へ独立して電流を注入することで、前記出
力パワー、位相、発振周波数をそれぞれ独立して調整で
きる。ＤＢＲ領域は前記周波数設定手段に相当する。な
お、図１では活性領域及び位相制御領域への注入電流源
は省略してある。

【００１２】第１の実施例の動作を説明する。ＤＢＲレ
ーザ１から出射された光はエタロン２で共振し、一方の
光は再びＤＢＲレーザ１に戻り、また、もう一方の光は
エタロン２を透過し受光器４で受光される。エタロン２
はミラーを２枚対向させたもので、ミラーの間隔によっ
てのみ反射及び透過する光の周波数（共振周波数）が決
まる共振器である。半導体レーザは、発振したレーザ光
が再び半導体レーザに入射すると該入射したレーザ光の
周波数に発振周波数が引き込まれ、かつ、発振線幅が狭
窄化される（この現象を光自己注入同期という）という
性質を有する。従って、ＤＢＲレーザ１の発振周波数は
エタロン２の共振周波数に安定化され、かつ、発振線幅
は狭窄化される。

【００１３】光自己注入同期が発生しているときに、Ｄ
ＢＲレーザ１のＤＢＲ領域への注入電流を掃引すると受
光器４で得られるエタロン２からの反射光量及び透過光
量は図４のようになる。光自己注入同期を発生させるた
めの戻り光を施していないときの出力光量は図５のよう
になる。図５ではエタロン２の共振周波数に対応する注
入電流値において急峻なピークが見られるが、光自己注
入同期が発生している図４の場合は矩形状になってい
る。この矩形状の部分（Ａの部分）は、ＤＢＲ領域への
注入電流を変化させても、エタロン２からの反射光量及
び透過光量が変化しないことを意味している。即ち、Ｄ
ＢＲレーザ１の発振周波数が安定化されていることを意
味する。前記矩形状の部分はロッキングレンジと呼ばれ
る。

【００１４】発振周波数の掃引は、光自己注入同期を発
生させた状態を維持したまま、ピエゾ制御器３でエタロ
ン２のミラーの間隔を連続的に変えることで行われる。
エタロン２のミラー間隔が変わると、共振周波数が変わ
る。このとき、戻り光のないときにＤＢＲ領域への注入
電流で決定される半導体レーザの発振周波数が前記ロッ
キングレンジの範囲から外れると、光自己注入同期の状
態が発生しなくなる。従って、周波数掃引時には発振周
波数を、ＤＢＲ領域への注入電流を制御することによっ
て、前記変化する共振周波数にロッキングレンジの範囲
内で追随させる必要がある。この周波数追随制御は、受
光器４で検出されるエタロン２からの透過光量を参照し
つつＤＢＲレーザ１のＤＢＲ領域への注入電流を制御す
ることで行われる。

【００１５】即ち、前記注入電流源５ｂからの注入電流
は変調信号源５ｃからの信号で変調されＤＢＲレーザ１
のＤＢＲ領域へ注入される。ＤＢＲレーザ１からは前記
変調された注入電流と戻り光の周波数に応じた周波数の
レーザ光が出射される。出射されたレーザ光のうちエタ
ロン２で共振し、エタロン２を透過した光は受光器４で
受光される。受光器４は受光した光のパワーに応じた信
号を位相検波器５ａへ出力する。位相検波器５ａは受光
器４の出力から、変調された注入電流の最大値に対応す
るエタロン２の透過光量と最小値に対応するエタロン２
の透過光量との差を検出し注入電流源５ｂへ出力する。

【００１６】位相検波器５ａの出力は図７に示すような
ものであり、図４で示した光自己注入同期時におけるエ
タロン２からの反射及び透過光量の微分波形に対応し、
出力が零の部分（Ｂの部分）は図４における矩形状の部
分（Ａの部分）に対応する。変調されている注入電流の
最小値側が図４の矩形状の領域から外れると、位相検波
器５ａの出力は図７に示すようにプラス側に振れ、最大
値側が図４の矩形状の領域から外れると、位相検波器５
ａの出力は図７に示すようにマイナス側に振れる。

【００１７】また、前記矩形状の領域は共振周波数の変
化に応じて図６のように変化する。つまり、注入電流を
変化させずに（例えばｉａに固定したまま）エタロン２
のミラーの間隔をＬａ、Ｌｂ、Ｌｃと変化（共振周波数
を変化）させていけば、やがて矩形状の部分Ａ（光自己
注入同期の状態）から外れてしまう。注入電流源５ｂは
位相検波器５ａの出力を受けて該出力が零となるように
ＤＢＲ領域への注入電流を増減する。このように制御す
ることで、エタロン２のミラーの間隔を変化（共振周波
数を変化）させても、矩形状の領域（光自己注入同期の
状態）から外れないようにしている。このような、位相
検波器５ａ、注入電流源５ｂ、変調信号源５ｃから成る
制御装置５を用いて行う電気的制御方法は、本発明に適
用できる注入電流を制御する方法の一例である。

【００１８】図２はこの発明の第２の実施例を示す概略
構成図である。第２の実施例のレーザ周波数掃引装置
は、実質的には、第１の実施例のレーザ周波数掃引装置
のＤＢＲレーザ１と該ＤＢＲレーザ１の出力光を受ける
位置に配置された共振周波数可変のエタロン２との間
に、光路長を変えるためのコーナーミラー６及び該コー
ナーミラー６に設けられた第二のピエゾ素子７ｄを含む
第二のピエゾ制御器７が追加されたものである。前記コ
ーナーミラー６と第二のピエゾ制御器７とでＤＢＲレー
ザ１からエタロン２までの光路長を可変する手段を構成
しており、第二のピエゾ制御器７はマイクロコンピュー
タ７ａと後述の印加電圧Ｖ_e−印加電圧Ｖ_cテーブルを
記憶したメモリ７ｂと印加電圧源７ｃと第二のピエゾ素
子７ｄとを備えている。

【００１９】第２の実施例の動作を説明する。ＤＢＲレ
ーザ１から出射された光はコーナーミラー６で反射され
エタロン２に入射する。入射した光はエタロン２で共振
し一方の光はコーナーミラー６を経由してＤＢＲレーザ
１に戻るとともに、エタロン２で共振したもう一方の光
はエタロン２を透過し受光器４で受光される。以下、Ｄ
ＢＲレーザ１の発振周波数がエタロン２の共振周波数に
安定化され、かつ、発振線幅が狭窄化されること、レー
ザ周波数の掃引は光自己注入同期を発生させた状態を維
持したまま第一のピエゾ制御器３でエタロン２のミラー
の間隔を連続的に変えることで行われること、光自己注
入同期を発生させた状態の維持は受光器４で検出される
エタロン２からの透過光量を参照しつつＤＢＲレーザ１
のＤＢＲ領域への注入電流を制御することで行われるこ
と等は第１の実施例と同じである。

【００２０】ここで、前記コーナーミラー６と第二のピ
エゾ制御器７の働きについて述べる。ＤＢＲレーザ１の
発振周波数を掃引するためにエタロン２のミラー間隔を
ピエゾ素子３ａにより変えていくと、エタロン２で共振
したＤＢＲレーザ１への帰還レーザ光とＤＢＲレーザ１
内部のレーザ光との間に位相ずれが生じてしまう。その
位相ずれによりエタロン２の透過スペクトルの形状が変
化する。エタロン２の透過スペクトルの形状が変化する
と光自己注入同期の状態が不安定になる。そこで、コー
ナーミラー６と第二のピエゾ制御器７とでＤＢＲレーザ
１の出射端面からエタロン２の入射端面までの光路長を
変化させ位相ずれが生じないように補正している。

【００２１】前記補正は、エタロン２のミラー間隔を変
化させるピエゾ素子３ａへ電圧Ｖ_eが印加されたとき、
前記位相ずれを補正するのに必要なコーナーミラー６に
設けられたピエゾ素子７ｄへの印加電圧Ｖ_cを予め測定
しておき、エタロン２のミラー間隔を変化させるピエゾ
素子３ａへの印加電圧Ｖ_eに応じて、第二のピエゾ制御
器７内に設けられたマイクロコンピュータ７ａがメモリ
７ｂに記憶されている印加電圧Ｖ_e−印加電圧Ｖ_cテー
ブルを参照し、印加電圧源７ｃにコーナーミラー６のピ
エゾ素子７ｄへ電圧Ｖ_cを印加させるようにして行われ
る。

【００２２】第１及び第２の実施例ではレーザ装置とし
てＤＢＲレーザを用いたが、温度を変えることで出力光
の強さを変えずに出力光の周波数を可変できるレーザ装
置等を用いてもよい。

【００２３】この発明の装置では、従来技術において生
じた、周波数掃引時に発生するモード間のゲインプロフ
ァイルの変化に起因したモード変化の発生を抑制するこ
とができるので、位相連続で周波数掃引が可能になる。
また、レーザ装置は周波数設定手段により出力光の強さ
を変えずに出力光の周波数を可変できるので、周波数掃
引時に広い光周波数範囲で光自己注入同期の状態が安定
して維持され、広帯域の周波数掃引が可能になる。具体
的に述べると、ＤＦＢ（ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＦｅ
ｅｄｂａｃｋ：分布帰還型）レーザを用いた場合には、
周波数掃引の際に行う注入電流制御に起因する出力光の
強さの変化のため、周波数掃引幅は高々数１０ＧＨｚ程
度であるのに対し、ＤＢＲレーザを用いた場合には、前
記注入電流制御を行っても出力光の強さが変化しないた
め、ＤＢＲレーザの屈折率変化幅に対応する数１００Ｇ
Ｈｚ程度の周波数掃引が可能になる。

【００２４】この発明によれば、第１の実施例のように
位相ずれの補正がなかったとしても、狭いスペクトル線
幅を維持しつつ、広い帯域にわたって位相連続で周波数
を掃引できるが、第２の実施例のように位相ずれの補正
をすることで、更に、周波数掃引時の各周波数における
光自己注入同期状態の安定性が向上し、周波数掃引時に
おける発振線幅及び出力パワーの変動が零になる。

【００２５】

【発明の効果】この発明のレーザ周波数掃引装置は、レ
ーザ装置を出力光の強さを変えずに出力光の周波数を可
変できる周波数設定手段を備えたレーザ装置とし、該レ
ーザ装置の出力光のスペクトル線幅を狭窄化するため、
及び、前記出力光の周波数を連続的に変化させるために
周波数可変周波数弁別器を設けて光自己注入同期を発生
させ、該光自己注入同期の状態を維持するために制御装
置を設けて前記周波数可変周波数弁別器の出力光の強さ
を電気信号に変換する受光器の出力を参照して前記周波
数設定手段を制御することとしたから、狭いスペクトル
線幅を維持しつつ、広い帯域にわたって位相連続で周波
数を掃引できるレーザ周波数掃引装置が得られた。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施例を示す概略構成図。

【図２】この発明の第２の実施例を示す概略構成図。

【図３】ＤＢＲレーザの構造を示す図。

【図４】光自己注入同期が発生しているときのエタロン
の透過スペクトルを示す図。

【図５】光自己注入同期を発生させるための戻り光を施
していないときのエタロンの透過スペクトルを示す図。

【図６】共振周波数の変化に伴って光自己注入同期の状
態の領域が変化することを説明するための図であり、
（ａ）はエタロンのミラー間隔がＬａのとき、（ｂ）は
エタロンのミラー間隔がＬｂのとき、（ｃ）はエタロン
のミラー間隔がＬｃのときの光自己注入同期の状態の領
域と注入電流ｉａとの関係をそれぞれ示す図。

【図７】位相検波器の出力を示す図。

【図８】従来の半導体レーザ装置の断面構成図。

【符号の説明】

１レーザ装置（ＤＢＲレーザ）２周波数可変周波数弁別器（エタロン）３駆動装置（ピエゾ制御器）４受光器５制御装置６コーナーミラー７第二のピエゾ制御器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−14274（ＪＰ，Ａ) 特開平４−115584（ＪＰ，Ａ) 特開平２−106083（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−230073（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−156380（ＪＰ，Ａ) 特開平２−260480（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01S 5/00 - 5/50

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】出力光の強さを変えずに出力光の周波数
を可変できる周波数設定手段を備えたレーザ装置（１）
と、該レーザ装置からの光を受けて特定周波数の光自己
注入同期を発生させるための光を生成する周波数可変周
波数弁別器（２）と、該周波数可変周波数弁別器を駆動
して前記特定周波数を連続的に掃引する駆動装置（３）
と、前記周波数可変周波数弁別器の出力光の強さを電気
信号に変換する受光器（４）と、該受光器の出力を参照
して光自己注入同期の状態を維持するように前記周波数
設定手段を制御する制御装置（５）とを備えたレーザ周
波数掃引装置。