JPH0663866B2 - 波長検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、半導体レーザの如き、周囲温度や注入電流に
よって揺動する発振波長を安定化する装置に関する。

（従来技術とその問題点） 半導体レーザは小型で消費電力が小さく、比較的高い光
出力を得られ、直接に高速変調が可能であるなどの幾多
の特長を有し、光通信装置や光ディスク等の光情報処理
など広く応用が拡がりつゝある。周知のごとく半導体レ
ーザは、周囲温度や注入電流による発熱などにより結晶
の屈折率が変化し、光学的な共振器長が変わり、発振波
長が変化しやすいという特性を有する。通常、波長の変
化率は温度１度当り３〜４オングストローム程度ある。
半導体レーザ光をエネルギーとして使用する通常の光通
信装置や、光ディスク装置などでは上記の波長の温度変
動がシステム性能に与える影響は大きくない。しかしな
がら、波長に対して特性が依存する光学現象、例えば格
子による光の回折効果や光波の干渉効果等を利用する場
合には、上記の半導体レーザのもつ発振波長の温度依存
性は影響が大きすぎ使用しにくい。例えば、音波による
光の回折効果を使った装置の一例、超音波セルに印加す
る高周波信号の周波数スペクトルをセルによって回折さ
れる光の回折位置によって検出する音響光学スペクトラ
ムアナライザーのスペクトル解析の分解能は光波の波長
の安定度の影響を受けるため、半導体レーザを光源とし
て用いることは難かしい。更に光の干渉を使う光センサ
ー、例えば円形状に巻かれた光ファイバ中をこの円形ル
ープに対して右回りに透過する光波と左回りに透過する
光波とを干渉させ、ファイバループの作る面内で発生す
る回転角速度を２つの光波の位相差を干渉光強度変化と
して検出する光ファイバジャイロ装置では、左右両回り
の光の光路差は全く同一に設定するのは難しい。光源の
波長の揺動は光路差を介して干渉光強度の変化を招来す
る。即ち、検出信号にドリフトが付加され、測定精度の
低下を来たす。

波長を検出する方法として良く知られている技術として
は、分光器の技術がある。空間周波数の稠密な鋸歯状反
射格子に被測定光を照射し反射回折させ、定められた方
向に位置するスリットを透過するように、前記反射格子
を回転させ、その回転角度から波長を知るものである。

半導体レーザを光学装置の光源に用いる利点の１つは、
それが小型であり、装置全体が小型化することにある。
光ディスク装置の光ピックアップに観られるように、半
導体レーザ放射光を平行光束化し、偏光分離する等の周
辺光回路を含めても煙草箱大の大きさ程度にしか過ぎな
い。このような小型装置における半導体レーザの波長揺
動を検出するのに前述の分光器の技術を用いることは困
難である、反射格子の回折角度から波長変化を検出する
本方法では、波長弁別分解能を高めるのには反射格子か
らスリットまでの光路長を長大にとらなければならない
からである。このため装置サイズが大型化することを免
れることは出来ない。

（発明の目的） 本発明の目的は、上述のような従来の欠点を除去せしめ
て、小型で量産性に優れる波長検出装置を提供すること
にある。

（発明の構成） 本発明によれば、中心波長λのレーザ光を平行光束化し
た光束の一部を光路より分離し、格子ピッチαの透過型
回折格子にほぼ sinθ_ｉ＋１＝λ／α なる入射角θ_ｉで入射し、前記回折格子の透過回折光、
反射回折光の強度の差を測定することにより、前記レー
ザ光の波長λの変化を検出する波長検出装置が得られ
る。

（本発明の作用原理） 次に図面を参照して、この発明を詳細に説明する。第２
図は、この発明の原理を説明するために回折格子に対す
る光の入射、回折の関係を示す断面図である。

図においては、11が格子面であることを示すために、格
子を実際よりも拡大してある。第２図では入射光12が図
に示した入射角θ_１で格子の基板面13から入射する。基
板面では入射光は屈折し、基板の屈折率をｎとすると屈
折角θ_２は、次式の開係となる。

sinθ_１＝nsinθ_２ ……(1) 屈折光14は、格子面11で次式に従い回折して、点線で示
した回折光15となって空気中に出る。

nsinθ_２＋sinθ_３＝λ／α ……(2) こゝに、λは光の波長、αは格子のピッチを表わす。
(2)式に(1)式を代入すると、次式となる。

sinθ_１＋sinθ_３＝λ／α ……(3) (3)式で、λ／αが１よりも大きい場合について考察す
る。入射角θ_１を90゜から０゜の方向へ小さくして行く
と、回折角θ_３は、大きくなって行き、入射角θ_１が sinθ_１＝λ／α−１ ……(4) の時、θ_３は90゜になり、回折光は空気中に出て来なく
なる。この時、基板内では、次式が成立する。

nsinθ_２＋nsinθ_４＝λ／α ……(5) したがってnsinθ_４＝１となり、16で示す反射回折光が
生じる。ところが、sinθ_４＝１／ｎであるから、回折
光16は基板面13で全反射し、反射光17となる。反射光17
は回折光16と鏡面対称であるから格子面11で反射回折光
18を生じる。反射回折光18は基板面13で屈折し、屈折光
19となり空気中に出る。以上説明したように(4)式のθ
_１を境としてsinθ_１＋１＞λ／αの時は回折光19は生
じず格子面側から回折光15を生じる。

sinθ_１＋１＜λ／αの時は、回折光19を生じ、格子面
側の回折光15は生じない。従って、回折光19と回折光15
とを差動で検出することにより、レーザ光の波長λのλ
／α＝sinθ_１＋１を満たす値からのずれを検出するこ
とができる。また、異なる検出法として回折光15を生じ
る条件、すなわちsinθ_１＋１＞λ／αとなるように格
子へ光ビームの入射角θ_１を設定しておく。

回折光15の出射角度θ_３は(3)式より θ_３＝sin^-1（λ／α−sinθ_１） ……(6) から、波長λの変化により回折光15の出射角度θ_３が変
化するため、２分割光検出器によってこの角度変化、即
ち波長変化を検出することができる。

以上が本発明の原理である。

本発明に用いる回折格子の表裏を逆転しても、同様の効
果が得られる。

第３図は、第２図の回折格子の表裏を逆転した場合の本
発明の原理を示す断面図である。本図においても21が格
子面であることを示すために、格子を実際よりも拡大し
てある。第３図では入射光20が図に示したθ_５で格子の
格子面21から入射する。

格子面では入射光は回折し、基板の屈折率をｎとする
と、回折角θ_６は次式の関係となる。

sinθ_５＋nsinθ_６＝λ／α ……(7) 回折光22は、基板面23で次式に従い屈折して点線で示し
た屈折光24となって空気中に出る。

nsinθ_６＝sinθ_７ ……(8) (7)式を(6)式に代入すると、次式となる。

sinθ_５＋sinθ_７＝λ／α ……(9) こゝでも、(8)式でλ／αが１よりも大きい場合につい
て考察する。

入射角θ_５を90゜から０゜の方向へ小さくして行くと屈
折角θ_７は大きくなって行き、入射角θ_５が sinθ_５＝λ／α−１ ……(10) の時、θ_７は90゜になり、屈折光は空気中に出て来なく
なり、基板面23で全反射する。全反射した光25は格子面
21で再び回折し、回折光26となって空気中に出る。以上
説明したように(9)式のθ_５を境として、sinθ_５＋１＞
λ／αの時は回折光26は生じず、基板面側から屈折光24
を生じる。sinθ_５＋１＜λ／αの時は、回折光26を生
じ、基板面側の屈折光24は生じない。従って、前述と同
様回折光26と屈折光24とを差動で検出、または屈折光24
の角度変化を検出することにより光源の波長変化を検出
することができる。

（実施例） 第１図は本発明の装置を波長安定化装置に応用した実施
例を示す構成図である。光源である半導体レーザ１の放
射光はコリメーティングレンズ２によって平行ビームに
される。平行ビームの光路中に挿入されたビームスブリ
ッタ３によって光束の一部が分離され回折格子４へ入射
される。回折格子４の格子ピッチα、半導体レーザ１の
中心波長λ_０、回折格子への入射角θ_ｉはほぼ sinθ_ｉ＋１＝λ_０／α を満たすように設定させられている。周囲温度の変動等
によって半導体レーザ１の発振波長は変化する。周囲温
度が低下し、発振波長が短波長にずれたとき、前述の如
く回折格子４の光入射側とは反対側の面から出射する光
９が現われる。波長が長波長にずれたとき、光入射側の
面から出射する光10が現われる。各々を光検出器５及び
６によって受光され増幅器７によって差動増幅され、半
導体レーザ１に設置されているペルチェ素子８への注入
電流が与えられる。この帰還系により発振波長がλ_０と
なるように安定化される。

回折格子の数値例としては、λ＝780nmで使う場合、入
射角をほぼ45゜とすると(4)式から格子ピッチは0.4569
μｍとなる。このようなピッチ格子は２光束干渉で容易
に製作できる。ホトレジストに直接記録するためには、
波長441.6μｍのHe−Cdレーザを用いて、入射角28.897
゜の等入射角で２光束を干渉させれば得られる。

周知の如く半導体レーザは温度のみならず、注入電流に
よっても波長が変化する。２分割検出器の差動出力を注
入電流に帰還を掛けても波長安定化を実現できる。

（発明の効果） 本発明に用いる回折格子は表面レリーフ格子として上記
に述べたようにホトレジストに製作した後、ニッケル電
鋳法で金型を製作することで、圧縮成形や射出成形によ
ってプラスチックに安価に量産できる。又ホトリソグラ
フィによってガラス表面をエッチングしても製作でき
る。

以上述べたように本発明により小型で安価で量産性にす
ぐれた波長検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す構成図、第２図，
第３図は本発明の原理を示す回折格子の断面図である。 図において、１……半導体レーザ、２……コリメーティ
ングレンズ、３……ビームスプリッタ、４……回折格
子、5,6……光検出器、７……増幅器、８……ペルチェ
素子、11,21……格子面、13,23……基板面。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】中心波長λのレーザ光を格子ピッチαの透
   過型回折格子に、ほぼ、 sinθ_ｉ＋１＝λ／α なる入射角θ_ｉで入射し、該回折格子の透過回折光及び
   反射回折光の強度の差を測定することにより、前記レー
   ザ光の波長の変化を検出することを特徴とする波長検出
   装置。