JP2005142197A

JP2005142197A - 波長可変光源

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Publication number: JP2005142197A
Application number: JP2003374158A
Authority: JP
Inventors: Shiyousuke Miyaki; 將介宮木; Keisuke Asami; 圭助浅見
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2003-11-04
Publication date: 2005-06-02
Also published as: US20050094681A1

Abstract

【課題】自然放出光が少なく高出力な光を安定して出力する波長可変光源を実現することを目的にする。
【解決手段】本発明は、外部共振器型の波長可変光源に改良を加えたものである。本装置は、入射された光を波長選択し、出射する波長選択部と、一端から波長選択部に光を入射する光増幅部と、この光増幅部の他端からの光を波長選択部に直接反射するミラーとを設け、波長選択部は、光増幅部の一端からの光を光増幅部に帰還し、ミラーからの光を出力光として出射することを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体レーザを用いた外部共振器型の波長可変光源に関し、詳しくは、自然放出光が少なく高出力な光を安定して出力する波長可変光源に関するものである。

従来から用いられているリットマン配置型の波長可変光源の構成を図４に示す（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。図４において、光増幅部１０は、半導体レーザ１１、第１のレンズ１２、第２のレンズ１３を有する。半導体レーザ１１は、一端に反射防止膜１１ａを有する。第１のレンズ１１は、半導体レーザ１１の一端（反射防止膜１１ａのある端面）から出射される光を平行光にし出射する。第２のレンズ１３は、半導体レーザ１１の他端から出射される光を平行光にし出射する。

波長選択部２０は、回折格子２１、波長選択ミラー２２、ミラー回転手段２３とを有し、光増幅部１０の一端から入射される光を波長選択し、光増幅部１１に帰還する。回折格子２１は、光増幅部１０からの光および波長選択ミラー２２からの光を波長分散する。波長選択ミラー２２は、回折格子２１が波長分散した光を回折格子２１に反射する。ミラー回転手段２３は、波長選択ミラー２２を回転し、回折格子２１が光増幅部１０に帰還する光の波長選択を行う。なお、ミラー回転手段２３が波長選択ミラー２２を回転させる回転軸は、回折格子２１の溝に沿った方向と平行な軸となる。また、波長選択ミラー２２の回転中心は、回折格子２１の回折面の延長線と波長選択ミラー２２の反射面の延長線とが交差する点に、さらに外部共振器を形成する面の延長線が交差するが、これらの交差点である。

光アイソレータ３０は、光増幅部１０の他端から入射される光を透過し、透過した光を出力光として出射する。なお、光アイソレータ３０は、光増幅１０から出射され光アイソレータ３０を透過した光が、再び光増幅部１０に戻る光（いわゆる戻り光）を減少させる。

このような装置の動作を説明する。
半導体レーザ１１の一端から出射された光は、第１のレンズ１２で平行光にされ回折格子２１に入射する。そして、回折格子２１に入射した光は回折格子２１によって回折され、波長ごとに異なる角度に波長分散され、波長選択ミラー２２に入射する。さらに波長選択ミラー２２に入射した光のうち、所望の波長の光のみが、同一の光路で回折格子２１に反射される。なお、ミラー回転手段２３によって、同一光路で反射する波長の選択を行う。

そして、回折格子２１に入射された光は再度波長分散され、波長選択部２０で選択された波長の光のみが第１のレンズ１２によって半導体レーザ１１で収束し、帰還する。ここで、半導体レーザ１１の他端と波長選択ミラー２２とにより外部共振器が形成され、レーザ発振が行われる。

一方、反射防止膜１１ａの施されていない他端から出射した光は、第２のレンズ１３によって平行光にされ、光アイソレータ３０を透過し出力光として出射される。さらに、ミラー回転手段２３によって波長選択ミラー２２を回転することにより、波長選択部２０から光増幅部１０に帰還する光の波長を可変でき、必要に応じて出力光の波長掃引を行う。

このような、図４に示すリットマン配置型にすることにより、波長可変時のモードホップを抑えることができる。また、出力光は、波長選択部２２で波長選択された単一の波長が支配的となる。しかし、出力光には、この他に半導体レーザ１１自身から直接第２のレンズ１３に出射した広波長帯域の自然放出光も含まれることとなり、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。そのため、例えば、ノッチフィルタ等の高いダイナミックレンジを必要とする光通信用光コンポーネントの波長損失特性測定の利用には適さないという問題があった。

そこで、自然放出光を削減した出力光とするため、回折光を出力光とする波長可変光源や波長可変フィルタを用いた波長可変光源がある。

まず、回折光出力型の波長可変光源を説明する（例えば、特許文献２参照）。
図５は、従来の回折光出力型の波長可変光源の構成を示した図である。ここで、図４と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。図５において、第１のレンズ１２と回折格子２１との間に、回折格子２１からの回折光を２分岐するビームスプリッタ４０が設けられる。また、光増幅部１０の第２のレンズ１３、光アイソレータ３０が取外される。

このような装置の動作は図４に示す装置とほぼ同様であるが、異なる動作は、回折格子２１からの回折光をビームスプリッタ４０が分岐する。そして、一方の光が図４に示す装置と同様に第１のレンズ１２を介して半導体レーザ１１に帰還する。そして、ビームスプリッタ４０によって９０°方向に反射された他方の光のうち、図示しない光アイソレータ、図示しないスリットを透過する所望の波長のみが出力光として出射される。

続いて、波長可変フィルタ型の波長可変光源を説明する（例えば、特許文献３参照）。
図６は、従来の波長可変フィルタ型の波長可変光源の構成を示した図である。ここで、図４と同一のものは同一符号を付し説明を省略する。図６において、光アイソレータ３０から出力される光を波長選択する第２の波長選択部５０が設けられる。

第２の波長選択部５０は、回折格子５１、回折格子回転手段５２とを有し、光アイソレータ３０から出力される光を波長選択し、出力光として出射する。回折格子５１は、光アイソレータ５０からの光を波長分散する。回折格子回転手段５２は、回折格子５２を回転し、回折格子５１が所望の波長の光を出射する方向を調整し、波長選択を行う。なお、回折格子回転手段５２が回折格子５１を回転させる回転軸は、ミラー回転手段２２の回転軸と平行である。

このような装置の動作は、図４に示す装置とほぼ同様であるが、異なる動作は、自然放出光を含む光アイソレータ３０からの光を、回折格子５１が波長分散する。そして、所望の波長の光のみが図示しないスリットを透過する。これにより、不要な自然放出光が除かれた所望の波長のみが出力光として出射される。なお、図示しない同期手段によって、ミラー回転手段２３と回折格子回転手段５２との回転の同期をとって、出力光の波長選択を行う。

このような図５に示す装置は、波長選択部２０の回折格子２１からの回折光をビームスプリッタ４０で分岐し出力光とするので、不要な自然放出光を除くことができる。また、図６に示す装置は、第２の波長選択部５０で波長選択を行うので、不要な自然放出光を除くことができる。

しかし、図５に示す装置は、波長選択部２０から光増幅部１０へ帰還する光の一部をビームスプリッタ４０で分岐して出力光とするので、多くの光を分岐し出力光にすると安定したレーザ発振を行うことができない。そのため、現実的には、波長選択部２０から光のうち約２０％程しか出力光として得ることができず、出力光が低出力になるという問題があった。

一方、図６に示す装置は、波長選択部２０、５０で選択される光の波長の同期をとる必要があり、図示しない同期手段を必要とする。さらに、可動部が２個となるので構成が複雑になるという問題があった。

続いて、少ない可動部で図４よりも高い出力をえる構成の波長可変光源を説明する（例えば、特許文献４）。このような装置は、図４に示す装置において、光アイソレータ３０からの光をレンズを用いて伝送用の光ファイバの入射口に入射する。そして、光ファイバで光を伝送し、光ファイバの出射口から出射される光をレンズを用いて平行光にして、回折格子２１に入射する。そして、回折格子２１で回折された回折光のうち所望の波長の光のみが図示しないスリットを透過する。これにより、不要な自然放出光が除かれた所望の波長のみが出力光として出射される。

特開２０００−１６４９８０号公報（段落番号０００２、第４図）特開平１１−１２６９４３号公報（段落番号００２１−００３１、第１−２図）特開２００３−６９１４６号公報（段落番号００１４−００１７、第４図）特開平５−７２４９９号公報（段落番号０００９−００１４、第１図）ジー・リットマン（G.Littman）、他１名、「ノーベル・ジオメトリー・フォー・シングルモード・スキャニング・オブ・チューナブル・レーザー（Novel Geometry for single-mode scanning of tunable lasers）」、オプティクス・レターズ（OPTICS LATTERS）、オプティカル・ソサイエティ・オブ・アメリカ（Optical Society of America）、１９８１年３月、第６巻、第３号、ｐ１１７−１１８

しかしながら、アイソレータ３０からの光を光ファイバを用いて伝送することにより、以下の問題がある。
（１）光ファイバに光を入射するので、レンズを用いたとしても挿入損失（約２〜３[ｄＢ]）が発生し、高出力をえることができない。
（２）回折格子２１自体に偏光依存性があるため、光ファイバに応力や温度等が加わると伝送される光の偏光状態が変わり、出力光の強さが変わる。すなわち、光増幅部１０の他端から出力される光の強さが一定でも、出力光の強さが安定しない。偏波保持ファイバを用いる構成もあるが、コストが高い。
（３）光ファイバに応力や温度等が加わると偏光状態が変わり、回折格子２１の波長分散の効果が変動し、不要な自然放出光が出力光に含まれ、Ｓ／Ｎ比が悪くなる。
（４）光ファイバ（特に、シングルモードファイバ）への入射には、数[μｍ]単位での調整が必要であり、調整が難しく、経時変化にも弱い。

そこで本発明の目的は、自然放出光が少なく高出力な光を安定して出力する波長可変光源を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
入射された光を波長選択し、出射する波長選択部と、
一端から前記波長選択部に光を入射する光増幅部と、
この光増幅部の他端からの光を前記波長選択部に直接反射するミラーと
を設け、前記波長選択部は、前記光増幅部の一端からの光を前記光増幅部に帰還し、前記ミラーからの光を出力光として出射することを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
光増幅部は、
一端に反射防止膜を有する半導体レーザと、
この半導体レーザの一端から出射される光を平行光にして前記波長選択部に入射し、前記波長選択部から帰還した光を前記半導体レーザの一端に収束させる第１のレンズと、
前記半導体レーザの他端から出射される光を平行光にして出射する第２のレンズと
を設けたことを特徴とするものである。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、
前記光増幅部と前記ミラーとの間に、前記光増幅部への戻り光を減少する光アイソレータを設けたことを特徴とするものである。

請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
波長選択部は、
入射された光を波長分散する回折格子と、
この回折格子が波長分散した光を前記回折格子に反射する波長選択ミラーと、
この波長選択ミラーを回転し、前記回折格子が前記光増幅部に帰還する光の波長選択および出力光の波長選択を行うミラー回転手段と
を設けたことを特徴とするものである。

請求項５記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
波長選択部は、
入射された光を波長分散する回折格子と、
この回折格子が波長分散した前記光増幅部の一端からの光を、前記回折格子に反射する波長選択ミラーと、
この波長選択ミラーを回転し、前記回折格子が前記光増幅部に帰還する光の波長選択および出力光の波長選択を行うミラー回転手段と
を設けたことを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
波長選択部は、
入射された光を波長分散する回折格子と、
この回折格子を回転し、前記回折格子が前記光増幅部に帰還する光の波長選択および出力光の波長選択を行う回折格子回転手段と
を設けたことを特徴とするものである。

以上説明したことから明らかなように、本発明によれば次のような効果がある。
請求項１〜６によれば、ミラーが、光増幅部の他端からの光を波長選択部に直接反射する。そして、波長選択部が、ミラーからの光を波長選択し、出力光として出射するので、不要な自然放出光を除くことができる。これにより、自然放出光が少なく高出力な光を安定して出力することができる。

請求項３によれば、光アイソレータが、光増幅部への戻り光を減少するので、レーザ発振を安定させることができる。

また、請求項４、６によれば、１個の波長選択部で発振波長の選択と、発振波長に同期した自然放出光のフィルタリングが共用できるので、可動部がある波長選択部を２個設ける必要がなく、簡単な構成となり低コストにできる。これにより、少ない可動部で自然放出光が少なく高出力な光を安定して出力することができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１、図２は本発明の一実施例を示す構成図である。図１は斜視図であり、図２は、図１に示す装置を別の角度から示した図であり、図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は側面図である。ここで、図４と同一のものは同一符号を付し、説明を省略する。また、図２において、ミラー回転手段２３の図示は省略している。もちろん、波長選択ミラー２２の回転中心は、回折格子２１の回折面の延長線、波長選択ミラー２２の反射面の延長線、外部共振器を形成する面（厳密には半導体レーザ１１の屈折率の影響により半導体レーザ１１の他端である反射面よりも、やや第２のレンズ１３側）の延長線のそれぞれが交差する点となる（図２（ａ）参照）。

図１において、光アイソレータ３０から入射された光を波長選択部２０に、光増幅部１０を介さずに直接反射するミラー６０が新たに設けられる。ミラー６０は、光アイソレータ３０の光軸に対して傾けて設置され、光アイソレータ３０からの光を、上方向（回折格子２１の溝に沿った方向）にのみずらして反射する。また、ミラー６０の反射面は、例えば、金属コート（アルミニウム、銀等）や、誘電体多層膜等である。また、膜の厚さを調整し、所定の波長領域（例えば、光通信で用いられる１５００［ｎｍ］近傍）のみを反射するとよい。

一方、半導体レーザの他端（反射防止膜１１ａの施されていない端面）から出射した光は、第２のレンズ１３によって平行光にされ、光アイソレータ３０を透過しミラー６０に入射される。そして、ミラー６０によってほぼ全反射され、光アイソレータ３０、光増幅部１０を介さず、直接波長選択部２０の回折格子２１に入射される。なお、ミラー６０からの反射光は、第１のレンズ１２からの透過光が回折格子２１に入射する位置よりも、回折格子２１の上方向にのみずれた位置に入射する。

そして、回折格子２１に入射した光は回折格子２１によって回折され、波長ごとに異なる角度に波長分散され、波長選択ミラー２２に入射する。さらに波長選択ミラー２２に入射した光のうち、所望の波長の光のみが、回折格子２１の上方向にのみずれた光路で反射される。さらに、回折格子２１に入射された光は再度波長分散されて出射し、所望の波長の光のみが図示しない固定されたスリットを透過する。これにより、不要な自然放出光が除かれた所望の波長のみが出力光として出射される。

また、ミラー回転手段２３によって波長選択ミラー２２を回転することにより、波長選択部２０から光増幅部１０に帰還する光の波長選択および波長選択部２０からの出射される出力光の波長選択を可変でき、必要に応じて出力光の波長掃引を行う。

このように、ミラー６０が、光アイソレータ３０を介して光増幅部１０の他端から入射された光を波長選択部２０に直接反射する。そして、波長選択部２０が、ミラー６０からの光を波長選択し、出力光として出射するので、不要な自然放出光を除くことができる。これにより、少ない可動部で自然放出光が少なく高出力な光を安定して出力することができる。

また、１個の波長選択部２０で発振波長の選択と、発振波長に同期した自然放出光のフィルタリングが共用できるので、可動部のある波長選択部を２個設ける必要がなく簡単な構成となり、低コストにできる。

さらに、光ファイバが光アイソレータ３０からの光を回折格子２１に伝送する場合と比較して、
（１）ミラー６０が光アイソレータ３０からの光を回折格子２１に反射するので、ほぼ全反射でき損失が少なく、高出力を得ることができる。
（２）ミラー６０が光アイソレータ３０からの光を回折格子２１に反射するので、偏光状態が変わらず、出力光の強さも一定となり、出力光の強さが安定する。また、光ファイバよりもミラーの方が、一般的にコストを低くすることができる。
（３）ミラー６０が光アイソレータ３０からの光を回折格子２１に反射するので、偏光状態が変わらず、回折格子２１の波長分散の効果も一定となり、不要な自然放出光を除くことができ、Ｓ／Ｎ比をよくできる。
（４）ミラー６０が光アイソレータ３０からの光を回折格子２１に反射するので、調整が容易となり、経時変化にも強い。

そして、光アイソレータ３０が、光増幅部１０への戻り光を減少するので、レーザ発振を安定させることができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下のようなものでもよい。
図１に示す装置において、光アイソレータ３０を用いて光増幅部１０への戻り光を減少する構成を示したが、光アイソレータ３０を設けず、光増幅部１０の他端から出射される光を、ミラー６０に直接入射する構成としてもよい。

また、図１に示す装置において、回折格子２１が反射光を波長分散した光を図示しないスリットに入射する構成を示したが、光ファイバに入射させ、入射した光を出力光としてもよい。

また、図１に示す装置において、回折格子２１が、ミラー６０からの反射光を２度回折し、出力光として出射する構成を示したが、図３に示すようにミラー６０からの光を回折格子２１で１度回折し、出力光として出射してもよい。具体的には、回折格子２１がミラー６０からの反射光を波長分散し、所望の波長の光のみが図示しないスリットを透過する。つまり、波長選択部２０は、光増幅部１０の一端からの光のみを回折格子２１で２度回折して光増幅部１０に帰還し、ミラー６０からの光を回折格子２１で一度だけ回折して出力光として出射する。なお、図示しないスリットは、ミラー回転手段２３に同期し、選択した波長の光路上に移動する。

このように、ミラー６０が、光アイソレータ３０を介して光増幅部１０の他端から入射された光を波長選択部２０に直接反射する。そして、波長選択部２０が、ミラー６０からの光を波長選択し、出力光として出射するので、不要な自然放出光を除くことができる。これにより、自然放出光が少なく高出力な光を安定して出力することができる。

さらに、図１に示す装置において、波長選択部２０は回折格子２１からの回折光を波長選択ミラー２２で、再度回折格子２１に反射する構成を示したが、波長選択ミラー２２を設けずに、回折格子２１の回折光を直接光増幅部１０に帰還する構成としてもよい。もちろん、ミラー回転手段２３の代わりに、回折格子２１を回転させる回折格子回転手段を設ける。そして、この回折格子回転手段が、回折格子２１が光増幅部１０に帰還する光の波長選択および回折格子２１が出射する出力光の波長選択を行う。

本発明の第１の実施例（斜視図）を示した構成図である。本発明の第１の実施例（上面図、側面図）を示した構成図である。本発明の第２の実施例を示した構成図である。従来の波長可変光源（リットマン配置型）の構成図である。従来の波長可変光源（回折光出力型）の構成図である。従来の波長可変光源（波長可変フィルタ型）の構成図である。

符号の説明

１０光増幅部
１１半導体レーザ
１２第１のレンズ
１３第２のレンズ
２０波長選択部
２１回折格子２１
２２波長選択ミラー
２３ミラー回転手段
３０アイソレータ
６０ミラー

Claims

入射された光を波長選択し、出射する波長選択部と、
一端から前記波長選択部に光を入射する光増幅部と、
この光増幅部の他端からの光を前記波長選択部に直接反射するミラーと
を設け、前記波長選択部は、前記光増幅部の一端からの光を前記光増幅部に帰還し、前記ミラーからの光を出力光として出射することを特徴とする波長可変光源。
光増幅部は、
一端に反射防止膜を有する半導体レーザと、
この半導体レーザの一端から出射される光を平行光にして前記波長選択部に入射し、前記波長選択部から帰還した光を前記半導体レーザの一端に収束させる第１のレンズと、
前記半導体レーザの他端から出射される光を平行光にして出射する第２のレンズと
を設けたことを特徴とする請求項１記載の波長可変光源。
前記光増幅部と前記ミラーとの間に、前記光増幅部への戻り光を減少する光アイソレータを設けたことを特徴とする請求項１または２記載の波長可変光源。
波長選択部は、
入射された光を波長分散する回折格子と、
この回折格子が波長分散した光を前記回折格子に反射する波長選択ミラーと、
この波長選択ミラーを回転し、前記回折格子が前記光増幅部に帰還する光の波長選択および出力光の波長選択を行うミラー回転手段と
を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長可変光源。
波長選択部は、
入射された光を波長分散する回折格子と、
この回折格子が波長分散した前記光増幅部の一端からの光を、前記回折格子に反射する波長選択ミラーと、
この波長選択ミラーを回転し、前記回折格子が前記光増幅部に帰還する光の波長選択および出力光の波長選択を行うミラー回転手段と
を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長可変光源。
波長選択部は、
入射された光を波長分散する回折格子と、
この回折格子を回転し、前記回折格子が前記光増幅部に帰還する光の波長選択および出力光の波長選択を行う回折格子回転手段と
を設けたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の波長可変光源。