JP2004193556A - 単一モード動作を向上させた外部キャビティレーザー - Google Patents

Abstract

【課題】外部キャビティ半導体レーザーに安定した単一モード動作を獲得する。
【解決手段】レーザーキャビティ内の波長選択要素からの反射により生じた少なくとも１つの光学ビームを監視するというレーザー制御方法により、外部キャビティ半導体レーザーの安定した単一モード動作を獲得する。本発明の方法では、レーザーキャビティ内の波長選択要素からの反射により獲得された信号が、直後に発生するモードホップを明示するので、安定した単一モード動作が提供され、モードホップの回数が大幅に低減する。
【選択図】 図２

Description

本発明はレーザーに関し、より詳細には単一モードで安定して動作するレーザーに関する。

レーザーは、光共振器内に位置するポンピングされた利得素子から成る。ポンピングされた利得素子は光を増幅し、光共振器は光を帰還させて、光が光共振器内で往復ビーム経路に沿って循環し、利得素子で繰り返し増幅されるようにする。光共振器（レーザーキャビティとも呼ばれる）は、リングキャビティまたは定在波ができるキャビティのどちらでもよい。該レーザーキャビティにより、レーザーキャビティの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）と呼ばれる波長幅を空けて等間隔で配置される縦方向のキャビティモードのセットが決まる。キャビティの自由スペクトル領域は該キャビティ内の往復経路の光路長（すなわち物理的な距離×屈折率）に依存する。さらに一般的には、エタロン（すなわち２枚の反射面から形成される光共振器）の自由スペクトル領域は、隣接する２つの透過ピークの波長間隔である。レーザー放射は、通常、１つ以上のキャビティモード波長で起こる。利得素子をポンピングする方法として光ポンピングおよび電流注入による電気ポンピングが知られている。

光共振器内の要素の１つは出力カプラとして機能し、それにより循環している光の一部が光共振器から放射されて有効なレーザー出力を提供する。放射された光は電磁スペクトルの可視部分であっても、可視部分でなくともよい。部分的に透過する鏡は出力カプラとして知られている。半導体レーザーの場合、出力カプラは通常半導体利得素子の端面であり、そこを被覆して性能が最適となる反射の状態にしてもよい。半導体利得媒体は通常エピタキシャル成長させた多層構造を含み、放射された光の伝搬方向によって分類される。放射された光が該層の面に垂直に伝搬する場合、利得素子は面放射型エミッタである。放射された光が該層の面内を伝搬するとき、利得素子はエッジエミッタである。エッジエミッタ型の半導体利得媒体は、通常、単一モードの光導波路を含む。

一部のレーザー応用例では、レーザーは特定の波長（例えば９７６．０ｎｍ）で放射することが必要である。通常、半導体利得素子は広い範囲（例えば１０ｎｍより大きい範囲）の波長に亘って大きな利得を提供するので、一般に利得素子自体はそのような応用のために十分な精度でレーザー放射波長を選択することはない。レーザー放射波長を選択するための１つの方法は、レーザーキャビティ内に光学帯域フィルタを挿入することである。帯域フィルタは、狭い波長域（中央波長λ_cを中央とする）で比較的損失が少なく、利得の大きな他のすべての波長で比較的損失が大きい。レーザー放射波長は標準的には純利得（すなわち利得―損失）が最大になる波長、または該波長の近傍にあるので、波長によるフィルタ損失の変位が波長による利得の変位より大きい場合、帯域フィルタは波長選択要素として適切である。帯域フィルタを作る１つの方法は、損失の小さい光学材料からなる複数の層を含む干渉フィルタを構成することであり、該構成内において複数の境界面からの反射光が互いに干渉し合うことにより、多様なフィルタ応答（帯域応答を含む）が得られる。所望の多様なフィルタリング仕様を達成するための、干渉フィルタの設計および組立の方法は、先行技術に周知である。

レーザーの特定の放射波長を選択するために、外部キャビティの形態を用いるのが望ましい場合があり、その場合レーザーキャビティは利得素子から離間した１つ以上の光学要素を含む。半導体レーザーに外部キャビティを用いると、モノリシック半導体構造では組立が難しい波長選択要素を使用することができる。半導体レーザーの場合、外部キャビティ構造による柔軟性のために、モノリシック半導体レーザーに比べて光学的性能が通常向上する（例えば、放射波長の精度が向上する、および/またはサイドモード抑圧比が増加する）。

多くのレーザー応用例では、モノモード動作を確実にすることが所望されており、そうなるとレーザー出力は原則的に単一波長になり、出力および/または波長が長時間実質的に固定される。サイドモード抑圧比（ＳＭＳＲ）は、レーザーにより提供されるモノモード動作の程度を示す。ＳＭＳＲは、任意の非発振モードでの最大出力に対する発振モードでの出力の比である。単一モードで自由に稼働するレーザーの動作は、しばしば１つのキャビティモードから他のキャビティモードへ「ホップ」する傾向があり、そのようなモードホップのために出力波長および/または出力パワーに好ましくない変化が生じる。したがって、モードホップの回数は、レーザーにより提供されるモノモード動作の程度を示すまた別の指標である。モノモードレーザーのＳＭＳＲおよびモードホップの回数に関する要件は用途によって大きく異なるが、応用分野の多くで高いＳＭＳＲ（例えば３０ｄＢより大きな）、及び少ないモードホップ回数（例えば、好ましくは毎分１回未満、より好ましくは毎時間１回未満）所望される。用途によっては、モードホップをほぼ完全に除去することが必要である。

レーザーは、通常適切な制御システムにより安定化される。周知の方法の１つでは、レーザーの出力および/または波長を計測し、レーザーパラメータを変えるために使用される制御信号を得て、出力および/または波長を所望の固定値に保つ。例えば、電気ポンピングされた半導体レーザーの出力および波長は、レーザー温度およびポンピング電流に依存するので、出力および波長を固定値に維持するためにこれらの２つのパラメータを制御することができる。しかし、レーザー出力だけを監視しても、直後に発生するモードホップを避けられるように制御システムに対し明確に「警告する」情報を得ることができないので、そのような制御システムでは効果的にモードホップを抑圧するのが難しい。

本発明によると、レーザーキャビティ内の波長選択要素からの反射により発生した少なくとも１つの光ビームを監視するレーザー制御方法により、外部キャビティ半導体レーザーの安定した単一モード動作が獲得できる。本発明による方法は、レーザーキャビティ内の波長選択要素からの反射により獲得した信号が、直後に発生するモードホップを明示（または警告）するので、単一モード動作を安定させ、およびモードホップを大幅に抑制する。

図１および図２は、ともに本発明の好ましい実施形態を示している。図２は本発明による外部キャビティ半導体レーザー１０の概略を示しており、この実施形態の内部要素の側面図を示している。図１はこれらの内部要素の概略平面図である。

初めに、図１の半導体利得素子１２の出力面１４−１について述べ、次にレーザキャビティ内の往復運動について述べるのが適切であろう。出力面１４−１は、反射率が小さくなるように被覆してレーザー出力を最適化するのが好ましい。出力面１４−１の反射率は、通常約０．５から１０パーセントの範囲である。利得素子１２は好ましくは電流ポンピングされる半導体の単一または多重の量子井戸構造体で、単一モードの光導波路１４を含む。出力面１４−１で反射された光は利得素子１２の光導波路１４を通って伝搬し、利得素子１２の内側面１４−２から放射される。面１４−１および１４−２により形成されるエタロンの影響を低減するために、内側面１４−２は通常反射防止（ＡＲ）塗装が施されている。内側面１４−２の通常の反射率は約０．０５から１パーセントの範囲である。また、導波路１４の軸を内側面１４−２と鋭角をなして交差するように構成することができる。（そのような構成も面１４−１および１４−２により形成されるエタロンの影響を低減する効果がある。）利得素子エタロンは、利得素子の面１４−１と１４―２との間の光路長に依存する自由スペクトル領域（ＦＳＲ）を有する。適切な利得素子１２はＪＤＳＵ６５６０チップである（水平方向の反値全幅（ＦＷＨＭ）ビームの広がり角が８．８５度、垂直方向のＦＷＨＭビームの広がり角が２０．５度、および利得素子ＦＳＲが約１６．７ＧＨｚである）。本発明はもちろん他の利得素子でも実施できる。

利得素子１２の内側面１４―２から発散ビームとして発せられた光学的放射は、レンズ１６で受光され平行ビームにされる。好適には、レンズ１６の両面はＡＲ塗装されており、各表面の反射率が０．５パーセント未満である。適切なレンズはＧｅｌｔｅｃｈモデル３５０１４０（焦点距離１．４５ｍｍ、開口数０．５５の非球面レンズ）であるが、異なる焦点距離および/または開口数を有する他のレンズも本発明を実施するのに用いることができる。平行ビームはレンズ１６から波長選択要素１８に伝搬する。

好適には、波長選択要素１８は中央波長λ_cに集中している約０．１ｎｍの透過ＦＷＨＭを有する帯域干渉フィルタである。帯域幅が約０．０５から２ｎｍの範囲にあるフィルタもまた本発明を実施するのに適している。λ_cにおける透過損失は、好ましくは５０パーセント未満であり、さらに好ましくは１０パーセント未満である。利得素子１２により増幅されているが十分にフィルタ帯域幅の外側にある波長（すなわちλ_cからＦＷＨＭの数倍分離れている波長）における透過損失は、好ましくは９０パーセントより大きい。これらの仕様を満たす干渉フィルタを製造する方法は従来技術に周知である。通常波長選択要素１８は２つの表面１８−１および１８−２を有する基材を含む。上述の帯域干渉フィルタは、通常、波長選択要素１８の表面１８−１または表面１８−２に多層被覆として配置される。波長選択要素１８の他の表面は、通常、反射率を好適には０．１パーセント未満にするためにＡＲ被覆される。波長選択要素１８の基材は、フィルタ被覆を力学的に支持している。波長選択要素１８によりλ_cの損失が比較的少なくなり、利得素子１２により増幅された他の全波長に対して損失が比較的大きくなるので、レーザー１０は中央波長λ_c、またはそれに近い（すなわち実質的にキャビティＦＳＲ内の）波長を発する。λ_cの選択は用途によって決まる。好ましくは波長選択要素１８の帯域幅は狭く（例えばこの場合０．１ｎｍ）、波長が発振モードに隣接しているキャビティモードにおけるレーザー放射を抑制する。本発明を実施するのに、上述のフィルタ仕様および形態は適しているが、異なる仕様および/または形態の他の波長選択要素を用いることもできる。

波長選択要素１８は、その表面からの反射が利得素子１２の導波路１４内に入らないように、キャビティ往復経路３２の軸に対して傾いているのが好ましい。傾き４．２５度が適していることが分かっているが、本発明は他の傾きでも実施することができる。帯域フィルタの中央波長λ_cは、一般に該フィルタへの光ビームの入射角によって決定するので、傾斜角はλ_cの仕様に含まれていなくてはならない（例えば、入射角４．２５度の場合のλ_c＝９７６．０ｎｍ）。

波長選択要素１８から発せられたビームは、反射鏡２０により受光および反射される。反射鏡２０は、好ましくは、反射率が高くなるように（すなわち反射率＞９０パーセント）前面が被覆された平面鏡である。反射鏡２０は、鏡２０で受光するビームの縁が遮断されることがないように、十分に大きな開放口を有するのが好ましい。ガウスビームが反射鏡２０の位置で１／ｅの増幅半径ｗを有するために、好ましい開放口は直径が４ｗより大きく、確実に遮断を無視できる範囲に留める。場合によっては反射鏡２０により受光されたガウスビームは断面が円形ではなく、その場合は、好ましい開放口の４ｗという基準にはより大きなｗ_hおよびｗ_vを適用する（ｗ_hおよびｗ_vは、反射鏡２０の位置におけるそれぞれ水平方向および鉛直方向の１／ｅガウスビーム半径である）。上述の好ましい反射鏡とは異なる反射鏡も本発明を実施するのに用いることができる。

鏡２０から反射されたビームは、波長選択要素１８、レンズ１６、および利得素子１２の導波路１４を順に伝搬して戻り、キャビティ往復を完了する。キャビティ往復経路３２は図１および図２に示されている。導波路１４から端面１４−１に入射した光の一部が出力ビーム３０として発せられる。利得素子１２、レンズ１６、波長選択要素１８および鏡２０は、レーザーを力学的に安定させるために、ベンチとも呼ばれている一体構造の支持部材２８（任意的）に適切なハードウェアおよび方法を用いて固定されているのが好ましい。適切なハードウェアおよび方法は従来技術に周知であるので特に図示および説明しない。ベンチ２８は、剛性が大きく熱膨張が小さい窒化アルミニウムのような材料で作るのが好ましい。他のベンチ材料および形態も、本発明を実施するのに用いることができる。例えば、図２に示したような平らなベンチの代わりに、円筒形のベンチを用いることができる。あるいは、ベンチを使用せずに本発明を実施することもできる。

ここまで、図１を参照してキャビティ往復運動の経路内にある要素について説明した。次に、図２について述べる。図２は、図１で示した相互作用する要素と、一緒に単一モード外部キャビティレーザー１０を構成する他の要素を概略的に示した側面図である。

波長選択要素１８が傾いている場合、この傾きの方向は、図２に示されているように、波長選択要素１８の表面１８−２から利得素子１２に向けて反射されたビーム３３が利得素子１２に当たらないように選択されることが好ましい。この好ましい傾斜方向は、反射されたビーム３３が利得素子１２に損傷を与える可能性を除去する。往復経路３２上を進む光の一部は波長選択要素１８の表面１８−２から鏡２０の方へ反射され、その一部はビーム３４として鏡２０を透過して検出器２２で受光される。往復経路３２上を進む光の一部はまた、ビーム３６として鏡２０を透過する。波長選択要素１８は傾いているために、ビーム３４はキャビティ往復経路３２とは異なる経路を進み、図２に示されているようにビーム３４とビーム３６は確実に空間的に分離する。検出器２２はビーム３４を受光するように配置され、ビーム３６は受光しない。

波長選択要素１８は、表面１８−１および１８−２により形成されるエタロンの影響を低減するために、好ましくはくさび形である。０．２度のくさびが適切であるが、他の角度のくさびもまた本発明を実施するのに用いることができる。このくさびの適切な向きを図１に示す。波長選択要素１８の表面１８−１から反射され、検出器２２で受光される光量は、好ましくは無視できる範囲内である。表面１８−１をＡＲ塗装する、および/または表面１８−１で反射されたビームが検出器２２に当たらないように表面１８−１と１８−２との間のくさびの角度を選択することにより、このような状態をつくることができる。表面１８−１の反射率が十分に小さい場合（すなわち反射率が約０．１パーセント未満）、（表面１８−１と１８−２とがつくる角度を十分大きくすることにより）表面１８−１からの反射が検出器２２に当たらないようにする必要はない。

図１および図２に示した実施形態では、波長選択要素１８の表面１８−２に帯域フィルタが配置されており、表面１８−１にＡＲ塗装が施されているが、本発明は表面１８−１および１８−２の役割を逆にして実施することもできる。

波長選択要素１８の表面１８−２から反射された光は鏡２０を透過し検出器２２で受光されるので、鏡２０の吸光度は小さいほうがが好ましい（すなわち０．５パーセント未満）。ここで、吸光度とは反射も透過もしない入射光の割合である。波長選択要素１８から反射されたビームが鏡２０に当たらない場合には、鏡２０は吸光度が小さくなくてもよい。

検出器２２（例えば光検出器）は光ビーム３４を受光し、電気信号３８を処理ロジック２６に供給する。鏡２０の透過率は、電気信号３８がビームの強度に実質的に比例することを確実にするように選択するのが好ましい（すなわち、検出器２２上への光出力の入射は、検出器の飽和度が無視できる程度であることを確実にするに十分小さい）。電気信号３８は、波長選択要素１８によりレーザー内に導入された損失を直接測定したものである。例えば、レーザー放射波長が波長選択要素１８に対してずれると（逆の場合もまた同様に）、電気信号３８はレーザー放射波長とフィルタ中央波長の間の距離に応じて増加または減少する。この波長間距離が増加すると、波長選択要素１８によって導入される損失は増加し、したがって電気信号３８が増加する。この距離がさらに増加すると、レーザーは最終的にフィルタ中央波長により近い新しい波長におけるモードへとホップする。これは、新しい波長における往復の損失が低減するためである。したがって、電気信号３８の増加は直後にモードホップが起こることを明示し、したがってこの信号はモードホップの回数を低減するために設計された制御システム内で使用するのに適している。

処理ロジック２６は電気信号３８に基づいて単一モード操作を確実にするために制御方法を実行する。ハードウエアおよび/またはソフトウエアにおける（処理ロジック２６内での）そのような方法の実行は従来技術に周知であるので、後述では複数の制御方法に焦点を当てる。処理ロジック２６は電気信号３８を受信し、好適には制御出力４２によって利得素子１２に供給された電流を制御する。随意で、処理ロジック２６はまた電気信号４０を受信してもよく、および/または制御出力４２によって利得素子１２の温度を制御してもよく、および/または制御出力４４によってベンチ２８の温度を制御してもよく、および/または制御出力４６によって波長選択要素１８の光路長を制御してもよい。処理ロジック２６により制御することができる様々なパラメータについて後述する。

電気信号３８に基づいて処理ロジック２６により実行されるモードホップの回数を低減するための多様な制御方法がある。そのような方法は、３つの要素：１）制御信号を電気信号３８から導く方法、２）該制御信号に影響を及ぼす１つ以上のレーザーパラメータの同定（すなわち、レーザーはモードホップからどのくらい離れているか）、および３）該制御信号上の状態を指定する制御アルゴリズム（例えば、制御信号の最小化）、の組み合わせと考えることができる。これらの３要素それぞれには多様な選択肢があるので、各要素について別々に考慮する。

電気信号３８から制御信号を導くための１つの方法は、制御信号と電気信号３８とを等しくすることである。別の方法は、レーザー出力（または循環出力）が変化しても変化しない電気信号３８から制御信号を導くことである。このような標準化を行う方法の１つを図２に示した。図では、往復経路３２を進む光の一部が鏡２０から基準ビーム線３６として放射されており、該基準ビーム３６は検出器２４で受光される。検出器２４は電気信号４０を処理ロジック２６に供給する。電気信号４０に対する電気信号３８の比に等しい制御信号はレーザー出力が変化しても変化しない。このため、そのような標準化された制御信号は信号３８にのみ基づく制御信号より好ましいが、いずれの方法も本発明を実施するのに用いることができる。適切な制御信号を導くために他の方法を用いることもまた可能である。例えば、迷光が検出器２２に当たる場合、電気信号３８から実験に基づいて決定したバックグラウンドレベルを差し引くことにより制御信号を導くことができる。同様に、検出器２４があり、迷光がそれに当たる場合、訂正された電気信号４０（検出器２４のバックグラウンドを除いたもの）に対する訂正された電気信号３８（検出器２２のバックグラウンドを除いたもの）の比率を計算することにより制御信号を導くことができる。

適切なレーザー制御パラメータは、レーザー共振器内の往復光路長に影響を及ぼす任意のパラメータを含む。往復経路長が変化すると各キャビティモード（発振モードを含む）の波長が変わるので、そのようなパラメータが変化すると、レーザー放射波長と波長選択要素１８の中央波長との間の波長間距離が変化する。したがって、適切な制御パラメータは、レーザー内の任意の要素の温度、往復経路長を確定する任意の要素（例えばベンチ２８）の温度、電気ポンピングされる場合の利得素子１２に供給される電流、光ポンポングされる場合の利得素子１２に供給される光出力、またはレーザーキャビティ内の位相調整要素に供給される信号を含むが、これらに限定されるものではない。
第２の熱電冷却機（ＴＥＣ）が（ベンチ２８の下に配置される第１のＴＥＣに加えて）利得素子１２とベンチ２８の間に配置される場合、ベンチ２８の温度および利得素子１２の温度は、独立して制御できる。位相調整要素を使用する場合、（例えば分布ブラッグ反射型レーザーの相制御セクションと同様の方法で）利得素子１２と一体化させてよく、または（例えば電気―光学基板を含む波長選択要素１８のように）波長選択要素１８と結合させてもよく、または光共振器内の分離した要素でもよい。電気的にポンピングされた利得素子１２の場合、制御パラメータとしてレーザー電流を用いるのが好ましい。

計測された制御信号に応答する制御パラメータを調整するために様々なアルゴリズムを実施することができる。１つのアルゴリズムは、制御信号を最小化するために制御パラメータを調整するものである。パラメータの変化に対応して信号を最小化する方法は従来技術に知られている。このアルゴリズムは、レーザー放射波長が、波長選択要素１８により誘発された損失が最小となる波長であることを確実にする。他の全てのキャビティモードは往復の損失がより大きいので、利得素子１２がモード選択プロセスに影響を及ぼさない場合には、このアルゴリズムはモードホップの回数を低減するのに適している。第２のアルゴリズムは制御信号を規定の閾値より低く維持するために制御パラメータを調整するものである。信号に影響するパラメータを変化させて信号を閾値より低く維持する方法は、従来技術に知られている。この第２のアルゴリズムもまた、利得素子１２がモード選択プロセスに影響を及ぼさない場合にモードホップの回数を低減するのに適している。

しかし、利得素子１２はモード選択プロセスに影響する場合があることがわかった。利得素子１２とレーザー放射波長の間のこの相互作用は次の２通りに現れる：１）ポンピングレベルが増加し、その後減少するとき、レーザーは出力対ポンピングレベル曲線（通常ＬＩ曲線と呼ばれる）で著しいヒステリシスを示す、２）レーザー放射波長が波長選択要素１８により誘導される最小損失の波長であるときも、安定した単一モードレーザー動作が必ずしも得られるわけではない。これらの特徴のどちらか、または両方が現れるレーザーでは、好ましい制御アルゴリズムは、制御パラメータを変化させることにより制御信号を規定の値（通常は最小ではない）に固定されるように維持するものである。

図３は、制御信号のそのような値をどのように決定できるかを示している。この図は、わずかに異なる２つの温度（×：２５．０Ｃ、□：２５．８Ｃ）における、波長選択要素１８からの標準化された反射（すなわち制御信号は電気信号４０に対する電気信号３８の比に等しい）の計測値（任意のユニット内での）と、利得素子１２に供給された電流（すなわち制御パラメータ）との対比を示す図である。図３のデータは、図１および図２に示した本発明による実施形態から得た。図３で、計測信号の縦方向の急激な変化はモードホップによるものであり、このような変化の間の領域はモノモードで動作していることを示す。図３の曲線は、最小制御信号で、または最小制御信号の近くでモードホップが発生することを示し、よって制御信号の最小化はこのレーザーに不適切な制御アルゴリズムであることを示している。このレーザーに好ましい制御アルゴリズムは、利得素子１２に供給される電流を変化させることにより、制御信号を約０．６７（図３の２本の太破線の概ね中間点）の値に維持するものである。図３の太破線は、モノモード動作に対応する制御信号値の領域を囲むように描かれているので、制御信号をこの範囲の中央に位置させるように電流を調整することは（すなわち制御信号を約０．６７に維持する）、モードホップの回数を減少させるために効果的な方法である。この実施例で得られた特定の数値は、レーザーの仕様および/または制御信号の計算が変わると変化するものであるが、この測定手順は、他のレーザーおよび/または他の制御信号の計算方法を使用した場合に、同様の値を決定するために用いることができる。

上述したように、利得素子１２とレーザー放射波長との間の相互作用も、図４に示すようにＬＩ曲線のヒステリシスを誘発する傾向がある。図４の実線は、走査する電流を小さい値から大きな値に変化させたとき計測されたＬＩ曲線であり、破線は同じレーザーで走査する電流を大きな値から小さな値へ変化させたときに計測されたＬＩ曲線である。このヒステリシスがある状態でレーザーの動作を一定にするために、所望の動作ポイントに「上の方から」近づくのが多くの場合好ましい。例えば、レーザーを７００ｍＡの電流で動作させたい場合を考える。電流を（７００ｍＡ未満の値から）７００ｍＡに設定するのに好ましい方法は、最初に電流を実質的に７００ｍＡより大きな値に設定し（例えば７５０から８５０ｍＡ）、次にこの高い値から７００ｍＡへ電流を一定の調子で下げることである。したがって、７００ｍＡの動作ポイントに上から近づくことになる。図３の制御信号曲線は、走査電流を電流目盛りの最大値から電流目盛りの最小値へと変化させることにより得られたものであるので、ヒステリシスに対処するのにこの方法を取った場合の数値を示している。

上述の説明をまとめると、外部キャビティレーザー１０のモノモード動作を確実にする好ましい制御方法は、３つの要素：１）電気信号３８対電気信号４０の比に基づく好ましい制御信号、２）利得素子１２に供給された電流である好ましい制御パラメータ、および３）制御信号を規定値に維持する好ましい制御アルゴリズム、を含む。制御信号のこの規定値は、好ましくは図３についての説明で示唆した計測を行い、次いでモノモード動作の領域の実質的に中央にある値を選択することにより選ばれる。

名目上同一の部品および手順を使用して複数のモノモード外部キャビティレーザーが製造される場合、適切な規定の制御信号レベルを決定するための計測をレーザ毎に行う必要はない。かわりに、これらの名目上同一のレーザーすべてに適する規定の制御信号は、周知の統計的サンプリング法を用いてレーザーのサンプルセットの計測から得ることができる。

図１および図２の実施形態では、利得素子１２の面１４−１および１４−２により形成されるエタロンの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）が、キャビティＦＳＲの概ね整数倍であることが好ましい。このように利得素子ＦＳＲとキャビティＦＳＲが適合することにより、２００２年１２月２０日に出願された同一出願人による出願中の米国特許出願第１０／３２７５７６号（表題「「Laser with reduced parasitic etalon effect」」に記載されたようにレーザーの動作が向上する。ここで参照した特許文献を本明細書に取り込むものとする。

図１および図２の実施形態に関する上述の説明で、好ましい波長選択要素１８は、固定波長（すなわち波長を調整できない）の帯域干渉フィルタである。調整可能な（すなわち波長を変えることができる）レーザーの単一モード制御は固定波長レーザーの単一モード制御と類似しているので、本発明は調整可能な波長選択要素１８を用いても実施できる。そのような実施形態での使用に適切な調整要素は、機械的に回転可能なフィルタまたはエタロン、および電気的に調整可能なフィルタまたはエタロンを含むが、それらに限定されるものではない。適切な電気的に調整可能なフィルタまたはエタロンは、鏡の間の物理的分離が電気的に調整可能であるエタロン（例えば鏡の分離を静電気的に変化させるエタロン）、および鏡の間の光路長が電気的に調整可能であるエタロン（例えば、強誘電体結晶または液晶などの電気光学材料により鏡を分離するエタロン）を含む。

図５は本発明の第２の実施形態の概略を示している。図５のモノモード外部キャビティレーザー５０は、図２の波長選択要素１８が図５の波長選択要素１８’に交換された点と、図５のレーザー５０にはフィルタ１９が加わっている点とを除き、図２のレーザー１０と同じである。機能上、図５のフィルタ１９がレーザー５０の放射波長を選択する一方で、波長選択要素１８’はレーザー放射波長に隣接するキャビティモードにおけるレーザー放射を抑制し、したがって、モノモードの性能が向上する。換言すれば、波長選択および隣接するキャビティモードの抑圧という機能は図２では波長選択要素１８により行われるが、図５の実施形態では２つの分離した要素（すなわち１８’と１９）により行われる。この追加された要素（すなわち要素１９）のために図５の実施形態は図２の実施形態より複雑になっており、波長の選択と隣接するキャビティモードの抑圧の両方を行う１つの光学要素（すなわち図２の１８）ではモノモードレーザー性能の必要なレベルを獲得するのが難しいか、または不可能である場合に図５の実施形態は最適である。

図５のフィルタ１９は、好ましくは用途に応じた中央波長λ_cを有する帯域フィルタである。図１の好ましい波長選択要素１８（帯域フィルタであった）についての前述の説明を図５のフィルタ１９にも適用できるが、フィルタ１９の帯域幅は波長選択要素１８の好ましい帯域幅ほど狭くする必要はない。このようにフィルタ１９の帯域幅についての要件が減少する理由は、図５の実施形態では他の要素（すなわち図５の波長選択要素１８’）もまた隣接するキャビティモードを抑圧するように働くからである。フィルタ１９と鏡２０の機能を組み合わせて１つの光学要素にすることができる（例えば、回折格子が狭い波長範囲にのみ逆反射作用を提供する実施形態）場合もある。

適切な波長選択要素１８’は次の：１）波長選択要素１８’がフィルタ１９の中央波長λ_c、または該中央波長λ_c近傍で透過ピーク（ピークＡと呼ぶ）を有する、２）ピークＡの帯域幅は実質的にフィルタ１９の帯域幅より小さい、３）波長選択要素１８’はピークＡ内にはないがフィルタ１９の透過ピークの近傍にある全波長に比較的大きな損失を導く、という３つの要素を満足するものである。言い換えれば、波長選択要素１８’はフィルタ１９の帯域幅内で１つの波長を選択する。これらの３つの要素を満足するための好ましい方法は、波長選択要素１８’をモード抑制エラトンとして制作することであるので、次の２つの段落では「図５の好ましい波長選択要素１８’であるモード抑制エラトン」の省略として「エラトン１８’」という表現を用いる。

上記に示したように、フィルタ１９により提供される抑制に加えて、エラトン１８’が隣接するキャビティモードを大幅に抑制するように、エラトン１８’は好ましくは実質的にフィルタ１９の帯域幅より狭い透過ピーク帯域幅を有する。エタロン１８’の透過ピーク（すなわちピークＡ）をフィルタ１９の中央波長λ_cと揃えるための方法は、往復経路３２とエタロン１８’の表面間の角度を調整するなど、従来技術に知られている。エタロン１８’のＦＳＲは、少なくともフィルタ１９の帯域幅にほぼ等いのが好ましく、それによりピークＡの波長（λ_c）における損失とエタロン１８’の隣接する透過ピークの波長における損失の間に著しい差異が確実に生まれる。図５のエタロン１８’は、好ましくは傾いた状態でレーザーキャビティ内に挿入され（すなわち、その表面の法線は往復経路３２に対して小さな角度、好ましくは０．１−２度をなす）、それによりその表面から反射されたビームがレーザーキャビティ内に効果的に結合しないことを確実にする。エラトン１８’のフィネスは好ましくは中程度で（例えば、２＜フィネス＜１０）であり、傾いたエタロンを透過する際の損失が小さくなり、スペクトル選択性が所望のレベルとなるようなフィネスが選択される。このエラトンがレーザーの絶対波長基準となるので、石英ガラスのように力学的に安定し、温度に鈍感な材料を用いて組立てられるのが好ましい。加えて、縦方向のキャビティモード（レーザー共振器により定義されたような）波長が、波長調整領域（すなわち、レーザー５０が組立てられる時、フィルタ１９により放射波長が選択される波長領域）内のエタロン１８’の各透過ピーク、または各透過ピークの近傍に存在することが好ましい。縦方向のモードをエタロン１８’の透過のピークに揃えるための好ましい方法は、エタロン１８’のＦＳＲが実質的にキャビティＦＳＲの整数倍となり、エタロン１８’の波長調整領域内の透過ピークの１つがレーザー共振器により定義される縦方向モードと実質的に揃うように、レーザーを設計することである。

図５に示したように、エタロン１８’の傾きの方向は、エタロン１８’から反射されたビームが利得素子１２に当たらないことを確実にするように選択するのが好ましい。ビーム３４は、検出器２２で受光され、該検出器はそれに応じて電気信号３８を提供する。電気信号３８は発振波長においてエタロン１８’により導かれた損失の直接の測定値を供給するので、モードホップの回数を低減するための制御システムで用いるのに適しており、図２，図３，および図４に関して述べた多様な制御方法を図５の実施形態にも適用することが可能である。

図５の実施形態では、エタロン１８’の自由スペクトル領域（ＦＳＲ）は、好ましくは、利得素子１２の面１４−１と１４−２により形成されるエタロンのＦＳＲの、概ね整数倍である。このように利得素子ＦＳＲがエタロン１８’と適合することにより、２００２年１２月２０日に出願された同一出願人による出願中の米国特許出願第１０／３２７５７６号（表題「「Laser with reduced parasitic etalon effect」」に記載されたようにレーザーの動作が向上する。ここで参照した特許文献を本明細書に取り込むものとする。

図５の実施形態についての上記説明において、好適なフィルタ１９は固定された（すなわち、波長を変えることができない）波長帯域干渉フィルタである。調整可能なレーザーの単一モード制御は、固定波長レーザーの単一モード制御に類似しているので、本発明は調整可能フィルタ１９を用いて実施することもできる。そのような実施形態での使用に適切な調整要素は、機械的に回転可能なフィルタまたはエタロン、あるいは回折格子、および電気的に調整可能なフィルタまたはエタロンを含むが、それらに限定されるものではない。適切な電気的に調整可能なフィルタまたはエタロンは、鏡の間の物理的分離が電気的に調整可能であるエタロン（例えば鏡の分離を静電気的に変化させるエタロン）、鏡の間の光路長（すなわち、経路×屈折率）が電気的に調整可能であるエタロン（例えば、強誘電体結晶または液晶などの電気光学材料により鏡を分離するエタロン）、および音響光学的に調整されたフィルタを含む。

図２および図５の可変波長、および固定波長の実施形態に共通の特徴は、その表面から反射されたビームの経路が共振器の往復光路とは異なるように、共振器内に置かれた波長選択要素（図２の実施形態では好ましくは帯域フィルタであり、図４では好ましくはモード抑制エタロン）である。この反射ビームの経路が往復経路から空間的に離間していることにより、実質的に他のビームを受光せずに反射ビームを受光するように検出器を配置することができる。反射されたビームの強度は、レーザー放射波長において波長選択要素により導かれた損失の直接的な測定値であるので、モードホップの回数を低減するために設計された制御方法で用いるのに適切な信号となる。

モノモード動作を提供するための上述の制御方法は、他の制御方法（例えば、一定出力を確実にする方法）と組み合わせることができる。例えば、利得素子１２への電流を制御入力として用いてモノモード動作を提供するとき、実質的に一定の出力を提供するために利得素子１２の温度を第２の制御ループ内で制御できる。第２の制御ループがモノモード制御ループに加えて用いられるとき、ループ間の相互作用を低減するために、２つのループは実質的に異なる時定数を有するのが好ましい。上記の例では、温度変化および出力のドリフトが両方とも遅い傾向があるので、出力制御ループはモノモード安定化ループより自然に遅くなる傾向がある。

本発明の実施形態の、キャビティ内の光学要素を示す概略的平面図である。 本発明の好ましい実施形態の概略側面図である。 本発明の実施形態に計測された制御信号のグラフである。 本発明の実施形態に計測されたヒステリシスのグラフである。 本発明の第２の実施形態の概略図である。

符号の説明

１０ 外部キャビティ半導体レーザー
１２ 半導体利得素子
１４ 光導波路
１４−１ 出力面
１４−２ 内側面
１６ レンズ
１８、１８’ 波長選択要素
１９ フィルタ
２０ 反射鏡
２２、２４ 検出器
２６ 処理ロジック
２８ 一体構造の支持部材、ベンチ
３０ 出力ビーム
３２ キャビティ往復経路
３３ 反射されたビーム
３４ ビーム
３６ ビーム、基準ビーム
３８、４０ 電気信号
４２、４４、４６ 制御出力
５０ モノモード外部キャビティレーザー

Claims (51)

1. 往復経路を有する光共振器を備える外部キャビティレーザーからモノモード光学ビームを放射する方法であって、
   ａ）該光学ビームをポンピングされた半導体利得素子を通過させることにより、該往復経路を伝播する該光を増幅させることと、
   ｂ）該往復経路を伝播する光を、該利得素子から離間して配置した波長選択要素に透過させることと、
   ｃ）該往復経路を伝播する光の一部分を、該波長選択要素から反射させ、該反射された光の一部分は該往復経路とは異なる経路を進ませることと、
   ｄ）電気信号を提供するために、該反射された光の一部分を検出することと
   ｅ）該電気信号から制御信号を導くことと、
   ｆ）該レーザーのモノモード動作を提供するために、該制御信号に応じて該レーザーのパラメータを制御することと
   を含む方法。
2. 前記利得素子は、電気的にポンピングされた利得素子および光学的にポンピングされた利得素子からなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
3. 前記利得素子は、エッジエミッタ型利得素子および面放射型利得素子からなるグループから選択される請求項１に記載の方法。
4. 前記波長選択要素は固定した中央波長を有する請求項１に記載の方法。
5. 前記波長選択要素は調整可能な中央波長を有する請求項１に記載の方法。
6. 前記共振器は前記往復経路の光路長により決定される共振器自由スペクトル領域を有し、前記利得素子は前記利得素子の光路長により決定される利得素子自由スペクトル領域を有し、前記利得素子自由スペクトル領域を前記共振器自由スペクトル領域の概ね整数倍とする請求項１に記載の方法。
7. 前記波長選択要素を干渉フィルタとする請求項１に記載の方法。
8. 前記干渉フィルタを帯域干渉フィルタとする請求項７に記載の方法。
9. 前記波長選択要素をエタロンとする請求項１に記載の方法。
10. 前記エタロンは前記エタロンの光路長により決定されるエタロン自由スペクトル領域を有し、前記利得素子は前記利得素子の光路長により決定される利得素子自由スペクトル領域を有し、前記エタロン自由スペクトル領域を前記利得素子自由スペクトル領域の概ね整数倍とする請求項９に記載の方法。
11. 前記電気信号から制御信号を導くことは、
    ｉ）基準ビームを提供するために、該往復経路を伝播する光の一部分を、該共振器から放射することと
    ｉｉ）基準信号を提供するために、該基準ビームの一部を検出することと、
    ｉｉｉ）該電気信号から得た該基準信号から、該制御信号を導くことと
    を含む請求項１に記載の方法。
12. 前記制御信号を電気信号から導くことは、前記基準信号に対する前記電気信号の比に実質的に等しい制御信号を設定することを含む請求項１１に記載の方法。
13. 前記制御信号を電気信号から導くことは、実質的に前記電気信号に等しい制御信号を設定することを含む請求項１に記載の方法。
14. 前記制御信号を既定の固定値に維持するように前記パラメータを制御する請求項１に記載の方法。
15. 前記制御信号を実質的に最小化するように前記パラメータを制御する請求項１に記載の方法。
16. 前記制御信号を実質的に既定の閾値未満に維持するように前記パラメータを制御する請求項１に記載の方法。
17. 前記利得素子を電気的にポンピングし、前記パラメータを前記利得素子に供給された電流とする請求項１に記載の方法。
18. 前記パラメータを前記利得素子の温度とする請求項１に記載の方法。
19. 前記レーザーは、さらに、
    ｉ）前記利得素子に取り付けたベンチと、
    ｉｉ）該ベンチに取り付けた反射鏡と
    を含み、該反射鏡が前記共振器の一方の端を、前記利得素子が他方の端を構成する構造において、前記パラメータをベンチの温度とする請求項１に記載の方法。
20. 前記パラメータを電気的に駆動される位相調整機に供給される電流とする請求項１に記載の方法。
21. ｇ）前記利得素子が受けるポンピングの作動レベルを選択することと、
    ｈ）前記利得素子が受けるポンピングの実行レベルを、前記ポンピングの作動レベルより実質的に大きな第２のレベルに設定することと、
    ｉ）前記利得素子が受けるポンピングのレベルを、第２のレベルから前記ポンピングの作動レベルに下げること
    をさらに含む請求項１に記載の方法。
22. 前記光学ビームの出力を実質的に既定値に確実に維持するために、前記利得素子の温度を制御することをさらに含む請求項１に記載の方法。
23. 前記往復経路を伝播する光をフィルタに透過させることをさらに含む請求項１に記載の方法。
24. 前記フィルタが固定された中央波長を有する請求項２３に記載の方法。
25. 前記フィルタが調整可能な中央波長を有する請求項２３に記載の方法。
26. 前記波長選択要素をエタロンとする請求項２３に記載の方法。
27. 往復経路を有する光共振器を備える外部キャビティレーザーであって、該共振器は
    ａ）ポンピングされた半導体利得素子と
    ｂ）該利得素子と離間して配置された波長選択要素と
    を備え、
    該往復経路を伝播する光の一部は該波長選択要素で反射され、該反射された光の一部分は該往復経路とは異なる経路を進み、
    該レーザーは、さらに、
    ｃ）光の反射された該反射された光の一部分を受光し、該反射された光の一部分に応じた電気信号を提供する第１検出器と、
    ｄ）該電気信号から制御信号を導く処理ロジックと
    を備え、
    該レーザーのモノモード動作を提供するために、該レーザーのパラメータが該制御信号に応じて該処理ロジックにより制御される、外部キャビティレーザー。
28. 前記利得素子は、電気的にポンピングされた利得素子および光学的にポンピングされた利得素子からなるグループから選択される請求項２７に記載のレーザー。
29. 前記利得素子は、エッジエミッタ型利得素子および面放射型利得素子からなるグループから選択される請求項２７に記載のレーザー。
30. 前記波長選択要素は固定した中央波長を有する請求項２７に記載のレーザー。
31. 前記波長選択要素は調整可能な中央波長を有する請求項２７に記載のレーザー。
32. 前記共振器は前記往復経路の光路長により決定される共振器自由スペクトル領域を有し、前記利得素子は前記利得素子の光路長により決定される利得素子自由スペクトル領域を有し、前記利得素子自由スペクトル領域は前記共振器自由スペクトル領域の概ね整数倍である請求項２７に記載のレーザー。
33. 前記波長選択要素は干渉フィルタである請求項２７に記載のレーザー。
34. 前記干渉フィルタは帯域干渉フィルタである請求項３３に記載のレーザー。
35. 前記波長選択要素はエタロンである請求項２７に記載のレーザー。
36. 前記エタロンは前記エタロンの光路長により決定されるエタロン自由スペクトル領域を有し、前記利得素子は前記利得素子の光路長により決定される利得素子自由スペクトル領域を有し、前記エタロン自由スペクトル領域は前記利得素子自由スペクトル領域の概ね整数倍である請求項３５に記載のレーザー。
37. 前記往復経路上を伝播する光の一部分を受光し、基準信号を提供するために配置された第２検出器をさらに備える請求項２７に記載のレーザー。
38. 前記処理ロジックにより提供される前記制御信号は、実質的に前記基準信号に対する前記電気信号の比である請求項３７に記載のレーザー。
39. 前記処理ロジックにより提供される前記制御信号は前記電気信号に実質的に等しい請求項２７に記載のレーザー。
40. 既定の固定値に前記制御信号を維持するように前記処理ロジックにより前記パラメータが制御される請求項２７に記載のレーザー。
41. 前記制御信号を実質的に最小化するように前記処理ロジックにより前記パラメータが制御される請求項２７に記載のレーザー。
42. 前記制御信号を実質的に既定の閾値未満に維持するように前記処理ロジックにより前記パラメータが制御される請求項２７に記載のレーザー。
43. 前記利得素子は電気的にポンピングされ、前記パラメータは前記利得素子に供給された電流である請求項２７に記載のレーザー。
44. 前記パラメータは前記利得素子の温度である請求項２７に記載のレーザー。
45. 前記レーザーは、さらに、
    ｉ）前記利得素子に取り付けられたベンチと
    ｉｉ）前記ベンチに取り付けられた反射鏡と
    を備え、該反射鏡が前記共振器の一方の端を、前記利得素子が他方の端を構成する構造において、前記パラメータはベンチの温度である請求項２７に記載のレーザー。
46. 前記パラメータは電気的に駆動される位相調整機に供給される電流である請求項２７に記載のレーザー。
47. 前記光学ビームの出力を確実に既定値に実質的に等しく保つように、前記処理ロジックは該利得素子の温度を制御する請求項２７に記載のレーザー。
48. 前記共振器内に配置されたフィルタをさらに備える請求項２７に記載のレーザー。
49. 前記フィルタは固定された中央波長を有する請求項４８に記載のフィルタ。
50. 該フィルタは調整可能な中央波長を有する請求項４８に記載のレーザー。
51. 前記波長選択要素はエタロンである請求項４８に記載のレーザー。

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