JP2005033126A

JP2005033126A - 波長安定化フィルターを用いたレーザー

Info

Publication number: JP2005033126A
Application number: JP2003273403A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Kubota; 能徳久保田; Toyo Otsuki; 東洋大槻; Masaaki Yonekura; 正明米倉
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2003-07-11
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2005-02-03

Abstract

【課題】簡単な方法で、高精度に発振波長を安定化した半導体レーザーを提供する。
【解決手段】半導体レーザーの共振器ミラーの一方をウェッジ型の狭帯域反射ミラーとする。すなわち本発明は、半導体レーザーチップからの出射光をコリメートし、ウェッジ型の狭帯域反射ミラーで特定波長の光を一部帰還させ、特定波長に発振波長を固定するものであり、半導体レーザーの発振波長安定化に、ウェッジ型のフィルターを用いた波長安定化レーザーであって、ウェッジ型のフィルターの一面が狭帯域バンドパスフィルターであり、もう一方の面が反射率制御された広帯域フィルターまたは光学研磨面からなり、狭帯域バンドパスフィルター側の面が半導体レーザーと対向する側に設置される。

【選択図】なし

Description

本発明は、光通信などで用いられる半導体レーザーの発振波長を、ウェッジ型のフィルターを用いて簡便に安定化させ、素子を小型化した、波長安定化小型半導体レーザーに関するものである。

光通信では、ＤＷＤＭ技術の進歩により、半導体レーザーの波長安定化が求められるようになった。これをうけて、半導体レーザーの温度制御と、ＤＦＢ（分布帰還型）レーザーやＤＢＲ（分布ブラッグ反射型）レーザーによる波長安定化が研究、実用化されてきた。また、光増幅器用の励起レーザーに対しても、活性元素であるエルビウムなどの希土類元素の吸収波長に合わせるために、半導体レーザーチップの温度制御に加え、ファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）による波長安定化が一般的となっている。

ところが、光通信バブルの崩壊により、光部品の低価格化が求められるようになると、温度制御素子やＤＢＲ、ＤＦＢなどの高度な技術は、価格の面から使用が困難になってきた。また、光通信網に安価な部品を多用するため、伝送路の損失が大きくなり、光源のパワーが必要になってきたことから、ＤＦＢ、ＤＢＲの高出力化が求められるようになった。しかし、ＤＦＢ、ＤＢＲレーザーの高出力化を、低価格化要求と両立させることは極めて困難である。また、光増幅器用の励起レーザーのような高出力レーザーにおいては、消費電力の低減要求と小型化要求から、消費電力の大きい温度制御が許されなくなってきた。このため、高出力半導体レーザーでは、外部共振器による波長安定化が必須となっている。しかし、波長安定化のために使用しているＦＢＧは、半導体レーザーのファセット面から１ｍ程度離れた位置に接続するのが一般的であり、しかもファイバーの曲げ半径が１５ｍｍ程度であることから小型化の障害となっている。

波長安定化のための別の方法として、波長選択フィルターと反射鏡を組み合わせた方法が知られている。波長変換光導波路に最適な励起波長を選択する方法として、波長変換光導波路の端面からの反射光を波長選択する透過型波長選択フィルターの利用が開示されている。（特許文献１参照）しかし、この方法は波長変換光導波路端面の反射率によって帰還率が制限されたり、共振器が複雑になる問題がある。また、透過型波長選択フィルターと反射鏡を用いた半導体レーザーの波長を安定する方法が開示されている。（特許文献２参照）この公報には、半導体レーザーのコヒーレント長と共振器長の関係が述べられており、コヒーレント長よりも共振器長が長い場合に、出力が安定することが述べられている。しかし、コヒーレント長よりも長い共振器長にすると、波長安定化半導体レーザーの外形が大きくなると言う問題があった。
特開平２００１−３０８４５４号公報特開平２００１−２２３４３１号公報

背景技術で述べたように、周囲の温度変化による波長シフトを抑制し、非冷却、高出力、波長安定、小型、低価格を同時に満足する技術は存在しない。これらの特性を満足する高出力波長安定化レーザーが実現できれば、光通信網の投資コストを相当に削減できる上に、システム設計の柔軟性やシステム機器の小型化に貢献できる。
本発明は、簡単な方法で、高精度に発振波長を安定化した半導体レーザーを提供する事を課題とする。

本発明者らは、従来の問題を包括的に考慮し、鋭意検討の結果、半導体レーザーの共振器ミラーの一方をウェッジ型のフィルターとすることで、簡易で小型かつ高精度な波長安定化が実現できることを見いだし、本発明に到達したものである。

すなわち本発明は、半導体レーザーの発振波長安定化に、ウェッジ型のフィルターを用いた波長安定化レーザーであって、ウェッジ型のフィルターの一面が狭帯域バンドパスフィルターであり、もう一方の面が反射率制御された広帯域フィルターまたは光学研磨面からなり、狭帯域バンドパスフィルター側の面が半導体レーザーと対向する側に設置される。半導体レーザーチップからの出射光はコリメートレンズにより平行にされ、ウェッジ型のフィルターで特定波長の光を一部帰還させ、特定波長に発振波長を固定するものである。

また、半導体レーザーとウェッジ型のフィルターで構成される共振器長が２０ｍｍ以下、ウェッジ型フィルターのウェッジ角が、０．１度以上１０度以下であり、半導体レーザーとウェッジ型のフィルターで構成されるレーザー共振器の帰還率が１％以上かつ１０％以下であることを特徴とすることで簡易で小型かつ高精度な波長安定化が実現できるものである。

本発明により、非冷却半導体レーザーなどの安価な半導体レーザーを、簡単でしかも高精度に波長安定化させることができる。また、コヒーレント長以下の共振器長でも安定した動作が実現できるため、半導体レーザーモジュールを小型化できる。本発明の波長安定化レーザーにより、光通信システム低コスト化、省電力化、小型化に貢献できる。

以下、本発明について詳述する。
背景の技術で述べたように、これまでの波長安定化は、以下の３種の方法に大別できる。
ａ）ＤＦＢまたはＤＢＲにより、帰還波長を固定して発振波長の安定化を図る。
ｂ）ファブリペロー型の場合は、図２に示すように、外部共振器としてＦＢＧを設置して、発振波長の安定化を図る。
ｃ）上記に加え、ＤＦＢ、ＤＢＲの波長制御範囲を超えないように温度制御して、発振波長の安定化を図る。
ｄ）波長選択フィルターと反射鏡を用いて、コヒーレント長よりも長い共振器を構成する。
ａ）の方法は、半導体プロセスで形成可能だが、価格が高くなる上に、高出力化が難しい問題がある。ｂ）の方法は、モジュール外部にＦＢＧを接続するため、実効的なモジュールサイズが大きくなる問題がある。特に、図２に示すように、半導体レーザー６からＦＢＧ９までの距離１０は一般に１〜２ｍであり、ファイバーの収容スペースが必要になる上に、取り扱いが煩雑である。ｃ）の方法は、電子冷却素子の消費電力量が大きいため、制御電子部品に負担がかかる上に、高価になるという問題がある。ｄ）の方法では、ＦＢＧと同じようにコヒーレント長よりも長い共振器長が必要であり、モジュール長は５〜１０ｃｍ程度必要になる。また、複数の光学部品が必要であり、組立が煩雑になるという問題がある。

本発明者らは、ｄ）の方法におけるコヒーレント長や部品点数の問題を解消し、小型、簡便でしかも高精度に波長安定化する方法を見いだし、本発明に至ったものである。
本発明の特徴を以下にまとめる。
Ａ）従来は透過型波長選択フィルターと反射鏡に分かれていた光学部品を一つのウェッジ型のフィルターにまとめ、かつ、ウェッジ型とすることでコヒーレント長以下の共振器長でも安定に動作する事を見いだした。
Ｂ）ウェッジ型のフィルターは、表側の面が狭帯域バンドパスフィルター、裏面は反射率制御された広帯域フィルターまたは光学研磨面からなっており、ＤＷＤＭ用の半導体レーザーに必要な帯域幅と波長安定性を容易に実現できる。また、裏面の反射率が４％程度の場合は、光学研磨面を形成するだけで膜形成が不要となり、安価にフィルターを作製することができる。

まず、第一の特徴であるフィルターの構造と配置について説明する。フィルターの配置、構造はそれぞれ図１の（１）、図１の（２）のようになっており、図１の（２）でフィルターの表側（半導体レーザーに近い側）は狭帯域バンドパスフィルター２３、裏面は反射率制御された広帯域フィルターまたは光学研磨面２４で構成されている。図１の（１）で半導体レーザーチップ１２の放射光２６は、コリメータレンズ１３で略平行光に変換され、ウェッジ型フィルター１７に斜めから入射される。図１の（２）でウェッジ型フィルターに斜めから入射されたＬＤ放射光の内、特定波長以外の光は、フィルター表面の狭帯域バンドパスフィルター２３で反射され、反射光３０となり、半導体レーザーに戻ることはできない。一方、透過した特定波長の光２７は、裏側の面２４に垂直に入射し、一部が反射して元の光路を戻る（２９、３１）ことにより、共振器を構成する。

この構成により、特定波長以外の光は帰還しないよう阻止されており、狭帯域で安定に発振するだけでなく、得られる発振スペクトルのサイドモード抑圧比も向上する。フィルターは、非冷却の半導体レーザーの間近に設置されるため、条件によって高温にさらされるが、温度無依存に近いフィルター特性は比較的容易に実現できるため、現状の半導体レーザーと同程度以上の波長安定性を得ることは容易である。

図１の（１）で半導体レーザー１２とウェッジ型フィルター１７との間で共振し、発振したレーザー光は、一部がフィルター１７の裏面を透過し、集光レンズ１４でファイバー１５に集光される。ファイバー端の観測点１６でレーザー発振スペクトルを観測すると、狭帯域で安定に発振していることが判る。

次に、第二の特徴であるコヒーレント長以下での安定動作について説明する。従来の共振器では、全ての光路の共振器長が等しい構成が用いられてきた。このため、コヒーレント長以下では縦モードの影響が現れ、わずかな共振器長の変化が出力変動に直結する問題があった。例えば、ある温度（注入電流値）で最大出力を示していても、わずかに温度（注入電流値）が変化すると半導体レーザーチップの長さが変化し、発振条件からはずれ、出力が急激に低下する。この現象が周期的に現れ、レーザー出力と温度（注入電流）の関係を表すと、出力が安定しないという問題が生じる。一例として、コヒーレント長が１００ｍｍの半導体レーザーで、共振器長を２０ｍｍにした場合のレーザー出力と温度（注入電流）の関係を図３に示す。これに対し、本発明のウェッジ型のフィルターでは、連続的に厚みの変化するフィルターを透過するために、コヒーレンシーを制御することが可能となり、共振器長がコヒーレント長以下でも安定な動作が可能となる。本発明のウェッジ型のフィルターを用い、図３と同じ条件で測定した結果を図４に示す。図３に対して明らかに安定に動作しており、コヒーレンシー制御に成功している事が判る。

本発明の共振器長は、コヒーレント長以下という以外に制約はないが、フィルター形状を最大限に生かすために、共振器長は２０ｍｍ以下が好ましい。一般に、２０ｍｍ以上のレーザー素子サイズでは、大半の光部品のサイズより大きいので好ましくない。一方、共振器長が短すぎると、フィルター表面での反射光が半導体レーザーに戻ってしまうため、波長安定化の効果が失われる恐れがある。しかし、半導体レーザーとウェッジ型フィルターの間にはコリメーターレンズがあるので、共振器長を短くしても実質的な影響はない。

図１の（２）でウェッジ型フィルター１７の最適なウェッジ角２５は、光学系の設計、コヒーレンシー制御、ＬＤの利得係数、必要なＳ／Ｎ比などによって変化するので一概に規定できないが、０．１度から１０度の範囲が適当である。ウェッジ角０．１度以下では、必要なＳ／Ｎ比を得るためにはコリメータレンズ１４とウェッジ・フィルター１７の間隔を長くする必要があり、実用的でない。ウェッジ角１０度を超える範囲は、ウェッジ加工が困難になる上に、フィルターの傾きが大きくなり、位置調整が困難になるため、実用的でない。特に実用上好ましい角度範囲は、１度から６度の範囲である。

ウェッジ型フィルター表面の狭帯域バンドパスフィルター２３の透過帯幅は、必要な出力や波長安定度に応じて最適化する必要があるため、一概に規定できないが、半値全幅で規定する透過帯幅が０．１ｎｍから１０ｎｍの範囲が適当である。０．１ｎｍ以下では、必要な出力を得ることが困難であり、１０ｎｍ以上では必要な波長安定度を維持できなくなるので好ましくない。一般の伝送用レーザーでは、数ｍＷの出力と０．８ｎｍ程度の波長安定度が必要なので、半値全幅は１ｎｍ程度が適当である。光増幅器の励起用レーザーなど、高出力が必要な半導体レーザーでは、数ｎｍ以下の波長安定度であれば十分なので、３〜５ｎｍの半値全幅が適当である。

ウェッジ型フィルター裏面の反射率制御された広帯域フィルターまたは光学研磨面２４の反射率は、半導体レーザーの利得や共振器損失に影響されるため一概に規定できないが、安定な発振には１％以上１０％以下の帰還率が好ましい。この範囲未満では、強制的な波長安定化が困難となり、半導体レーザー端面からの帰還で発振が始まり、波長安定化の効果が得られない。この範囲を越えると、帰還率が大きすぎて半導体レーザーの出力が飽和し、高出力が得られない上に、しきい値の上昇や効率の低下などの問題が生じる。

本発明の方法を用いれば、半導体レーザーチップの構造も大幅に単純化できる。本発明では、片側のファセット面が全反射で、もう片方のファセット面が本発明の共振器よりも帰還率が小さい半導体レーザーチップであれば、原理的にどんなレーザー用チップでも波長安定化できる。チップの長さに対する制限がないことから、伝送用の低出力シングルモード半導体レーザーはもとより、光増幅器励起用の高出力半導体レーザーやマルチモードレーザーの波長安定化も容易に実現できる。

＜実施例１＞
実験の配置を図５に示す。ＬＤ４８は室温での自由発振波長が９８４ｎｍ、コヒーレント長１００ｍｍの高出力シングルモードＬＤであり、ファセット端面は後方（図のＬＤ左端）が反射率９９％以上の全反射、前方（図のＬＤ右端）が反射率１％以下の無反射にしてある。ＬＤからの放射光は、コリメートレンズ４９に入射し、平行光に変換される。コリメートレンズ４９は、非球面レンズで焦点距離１．８ｍｍ、作動距離１．１ｍｍ、ＬＤ側開口数０．３である。コリメートレンズ４９で平行光に変換されたＬＤ放射光は、ウェッジ型フィルター５０に入射し、選択波長のみが４％帰還し、ＬＤとの間で共振器を構成する。ウェッジ型フィルターのウェッジ角は４度、セッティング角は２度、ＬＤファセット面とウェッジ型フィルター裏面で構成される共振器長は２０ｍｍである。ウェッジ型フィルターの表面の狭帯域バンドパスフィルターは、中心波長９８０±１ｎｍ、半値全幅３ｎｍで、ピーク透過率９８．５％である。ウェッジ型フィルターの裏面は研磨のみであり、コーティングはないため、反射率は広帯域で４％となっている。フィルター透過後のレーザー光は、集光レンズ５１で高ＮＡファイバー５２に結合され、光スペクトラムアナライザまたはパワーメーター５３で発振スペクトル変化と発振パワーをモニターした。

注入電流値とファイバー端での発振出力の関係を図４に示す。注入電流値に対し、発振出力が直線的に変化し、コヒーレント長よりも短い共振器長でも、干渉による出力変化がない事が判る。
注入電流１７０ｍＡで、ファセット発振出力１５０ｍＷの時の発振スペクトルを図６に示す。この時のＬＤチップ温度は５７度であり、発振中心波長はウェッジ型フィルターの帰還中心波長と同じ９８０ｎｍである。ファイバー端での出力は７４ｍＷであった。
ファイバー端出力を７０ｍＷに固定し、チップ温度を−２０度から７０度まで変化させたときの発振中心波長変化を図７に示す。発振波長は、ＬＤの温度に係わらず９８０±１ｎｍ以内に収まっている事が判る。

＜実施例２＞
実験の配置を図１０に示す。ＬＤ５４は室温での自由発振波長が９８２ｎｍの高出力マルチモードＬＤであり、ファセット端面は後方（図のＬＤ左端）が反射率９９％以上の全反射、前方（図のＬＤ右端）が反射率１％以下の無反射にしてある。ＬＤからの放射光は、コリメートレンズ５５に入射し、略コリメート光に変換される。ファーフィールド測定から、略コリメート後の光は発散光で、発散角は約１度であった。コリメートレンズ５５は、非球面レンズで焦点距離１．８mm、作動距離１．１mm、ＬＤ側開口数０．３である。コリメートレンズ５５で略コリメート光に変換されたＬＤ放射光は、ウェッジ型フィルター５６に入射し、選択波長のみが６％反射し、ＬＤの発光スポット内に反射光が帰還できる立体角内で、ＬＤとの間で共振器を構成する。ウェッジ型フィルターのウェッジ角は４度、セッティング角は２度、共振器長は２０ｍｍである。ウェッジ型フィルター表面の狭帯域バンドパスフィルターは、中心波長９８０±１nmで、ピーク透過率９９％である。ウェッジ型フィルター裏面は反射率６％の広帯域部分反射膜が形成されている。フィルター透過後のレーザー光は、集光レンズ５７で高ＮＡマルチモードファイバー５８に結合され、光スペクトラムアナライザまたはパワーメーター５９で発振スペクトル変化と発振パワーをモニターした。

注入電流１Ａで、ファセット発振出力９７０ｍＷの時の発振スペクトルを図１１に示す。この時のＬＤチップ温度は５８度であり、発振中心波長は９８０ｎｍで、ファイバー端での出力は６８０ｍＷであった。
ファイバー端出力を２５０ｍＷに固定し、チップ温度を−２０度から７０度まで変化させたときの発振中心波長変化を図１２に示す。発振波長は、ＬＤの温度に係わらず９８０±１ｎｍ以内に収まっている事が判る。

＜比較例１＞
実施例１と同じ配置で、ウェッジ型フィルターを使用しないで、ファイバー端出力を７０ｍＷに固定し、ＬＤチップ温度を−２０度から７０度まで変化させた場合の、発振中心波長を計測した。結果を図８に示す。波長が９７２ｎｍから９９８ｎｍまで変化しており、波長が全く安定していないことが判る。また、室温で注入電流１７０ｍＡの時の発振スペクトルを図９に示す。波形が複数に***し、単一波長で発振していないことが判る。

＜比較例２＞
実施例２と同じ配置で、ウェッジ型フィルターを使用しないで、ファイバー端出力を２５０ｍＷに固定し、ＬＤチップ温度を−２０度から７０度まで変化させた場合の、発振中心波長を計測した。結果を図１３に示す。波長が９７０ｎｍから９９９ｎｍまで変化し、波長が全く安定していないことが判る。

本発明の構成とウェッジフィルターの機能を示す。従来の方法による波長安定化の構成を示す。従来法で共振器長がコヒーレント長よりも短い場合の出力と注入電流値の関係を示す図である。本発明の方法で共振器長がコヒーレント長よりも短い場合の出力と注入電流値の関係を示す図である。また、実施例１の出力と注入電流値の関係を示す図である。実施例１の実験配置を説明する図である実施例１のレーザー発振スペクトルを示す図である実施例１のレーザー発振中心波長の温度依存性を示す図である。比較例１のレーザー発振中心波長の温度依存性を示す図である。比較例１のレーザー発振スペクトルを示す図である。実施例２の実験配置を説明する図である。実施例２のレーザー発振スペクトルを示す図である。実施例２のレーザー発振中心波長の温度依存性を示す図である。比較例２のレーザー発振中心波長の温度依存性を示す図である。

符号の説明

６．ＬＤ（レーザー）
７．コリメートレンズ
８．集光レンズ
９．ファイバー・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）
１０．ＦＢＧまでの距離
１１．出射光観測位置
１２．ＬＤ
１３．コリメートレンズ
１４．集光レンズ
１５．ファイバー
１６．出射光観測位置
１７．ウェッジ型フィルター
２３．狭帯域バンドパスフィルター
２４．反射率制御された広帯域フィルターまたは光学研磨面
２５．ウェッジ角
２６．ＬＤ放射光（未発振）
２７．狭帯域バンドパスフィルター透過光
２８．ウェッジ型フィルター透過光
２９．部分反射光
３０．狭帯域バンドパスフィルターでの反射光
３１．ＬＤへの帰還光
４８．980nm高出力ＬＤ
４９．コリメートレンズ
５０．ウェッジ型フィルター
５１．集光レンズ
５２．ファイバー
５３．光スペアナまたはパワーメーター
５４．980nm高出力ＬＤ
５５．コリメートレンズ
５６．ウェッジ型フィルター
５７．集光レンズ
５８．ファイバー
５９．光スペクトラムアナライザまたはパワーメーター

Claims

半導体レーザーの発振波長安定化に、ウェッジ型のフィルターを用いた波長安定化レーザーであって、ウェッジ型のフィルターの一面が狭帯域バンドパスフィルターであり、もう一方の面が反射率制御された広帯域フィルターまたは光学研磨面からなり、狭帯域バンドパスフィルター側の面が半導体レーザーと対向する側に設置されていることを特徴とする、波長安定化半導体レーザー。
請求項１に記載の波長安定化レーザーにおいて、半導体レーザーとウェッジ型のフィルターで構成される共振器長が２０ｍｍ以下であることを特徴とする、波長安定化レーザー。
請求項１または請求項２に記載の、ウェッジ型のフィルターのウェッジ角が、０．１度以上１０度以下であることを特徴とする、波長安定化半導体レーザー。
請求項１から請求項３のいずれかに記載の波長安定化レーザーにおいて、半導体レーザーとウェッジ型のフィルターで構成されるレーザー共振器の帰還率が１％以上かつ１０％以下であることを特徴とする波長安定化レーザー。