JPH10107354A - 半導体レーザ光源のスペクトル線幅制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部共振器型の半導体レーザ光源において、
光学系の構成が簡易で、調整工数の増加がなく、安価な
スペクトル線幅制御装置を提供する。 【解決手段】 無反射膜１２を有する半導体レーザ１１
による半導体レーザ発振手段、この半導体レーザ発振手
段とにより共振器を構成する反射鏡６、レーザ駆動回路
１４によって外部共振器型半導体レーザ光源を構成し、
さらに、レーザ駆動電流に出力電流を重畳するランダム
ノイズ発生器３、そのノイズ電流をレーザ駆動電流に重
畳・遮断するスイッチ１５、そのスイッチ切換動作およ
びランダムノイズ発生器３のノイズ電流を制御する制御
部１６を備える。これにより、ランダムノイズ発生器３
によるノイズ電流を、制御部１６によりスイッチ１５を
介して任意振幅でレーザ駆動電流に重畳する。そのノイ
ズ電流によるレーザ駆動電流の変動は光周波数変動とな
り、等価的にスペクトル線幅が広がる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、外部共振器型の
半導体レーザ光源のスペクトル線幅制御装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】広範囲な波長可変光源として、外部共振
器型半導体レーザ光源がある（以下では、半導体レーザ
をＬＤと略称する）。このような外部共振器型ＬＤ光源
のスペクトル線幅は、長共振器化に伴い、１００ｋＨｚ
以下が得られている。これに対して、通常のＬＤ単体で
のスペクトル線幅は、１０ＭＨｚオーダーである。

【０００３】しかし、前記のような外部共振器型ＬＤ光
源を用いた測定においては、狭スペクトル線幅による可
干渉性（以下、コヒーレンシという）の良さが、逆に、
干渉ノイズとして測定誤差要因になることがある。通
常、測定系には反射点が存在し、測定光と反射光で干渉
が生じる。その干渉光強度は２光の光路差に依存し、光
路差は常に変動するので、干渉ノイズとして測定光強度
変動が生じる。なお、光路差変動としては、温度変化等
によるゆっくりした変化も伴うので、測定条件によって
は、平均化処理によっても低減できない場合がある。

【０００４】ところで、同一光源からの出力光を２つに
分岐し、互いに異なる光路長を経由した後、再度合波し
たときに、干渉縞が得られる最大の光路長差を可干渉距
離（以下、コヒーレンス長という）という。このコヒー
レンス長Ｄは、スペクトル線幅をΔνとすると、次の
（１）式で与えられる。 Ｄ＝ｃ／Δν ・・・（１） ここで、ｃは光速である。

【０００５】この（１）式から、例えば、スペクトル線
幅Δνが１００ｋＨｚのとき、干渉可能なコヒーレンス
長Ｄは約３ｋｍで、１０ＭＨｚのときは３０ｍである。
すなわち、測定系の光路長条件によっては、従来ＬＤ単
体で測定した時には観測されなかった干渉ノイズが、外
部共振器型ＬＤを使用したために顕著になることがあ
る。また、最近では、単体でも狭スペクトル線幅化した
ＬＤが報告されているので、これを使用しても干渉ノイ
ズが現れる。

【０００６】そして、その干渉ノイズを低減する方法と
して、光源の出力光ファイバに応力を加えて出力光の偏
波状態を変動させる方法がある。しかし、この方法は光
周波数が変化するわけではないので、前記の平均化処理
と同様の効果しか望めない。そこで、従来からＬＤ光源
の光周波数を変動させてスペクトル線幅を制御する方法
が用いられている。そのようなスペクトル線幅制御装置
として、例えば、特開平６−３７３８２号公報に示され
る様なものがある。

【０００７】次に、従来技術によるＬＤ光源のスペクト
ル線幅制御装置の構成例を図３に示す。なお、この図３
に示すスペクトル線幅制御装置は、前記特開平６−３７
３８２号公報の図２に示すものと同一であるので、その
動作の詳細な説明は省略し、以下に構成のみを簡単に説
明する。すなわち、図３において、反射鏡５と反射鏡６
により共振器が構成されており、その共振器中にゲイン
媒質１を有することで、レーザ発振を得ている。ここ
で、共振器長をＬとすると、光周波数ｆは次の（２）式
で与えられる。 ｆ＝Ｎｃ／（２Ｌ） ・・・（２） ここで、Ｎは整数である。

【０００８】この（２）式より、共振器長変化ΔＬに対
する光周波数変化Δｆは次の（３）式となる。 Δｆ＝−ｆΔＬ／Ｌ ・・・（３） この（３）式より、例えば、光周波数ｆを２００ＴＨ
ｚ、共振器長Ｌを５０ｍｍとし、共振器長変化ΔＬが振
幅±２．５ｎｍの振動であるとすれば、光周波数変化Δ
ｆは±１０ＭＨｚ程度となる。また、共振器長変化ΔＬ
の振動がランダムであれば、測定側では光周波数変化Δ
ｆが等価的にスペクトル線幅Δνに相当し、従来のＬＤ
単体の場合とほぼ同条件になる。なお、図３に示したよ
うに、反射鏡６には微小変位アクチュエータ２が取り付
けられ、ランダムノイズ発生器３からの信号により、微
小変位アクチュエータ２が反射鏡６に光軸方向のランダ
ムな振動を与える。反射鏡６の振動に伴い共振器長が変
動し、光周波数が変動する。

【０００９】次に、従来技術によるＬＤ光源の他のスペ
クトル線幅制御装置の構成例を図４示す。なお、この図
４に示すスペクトル線幅制御装置は、前記特開平６−３
７３８２号公報の図３に示すものと同一であるので、そ
の動作の詳細な説明は省略し、以下に構成のみを簡単に
説明する。すなわち、図４において、反射鏡５と反射鏡
６により共振器が構成されており、その共振器中にゲイ
ン媒質１を有することで、レーザ発振を得ている。その
共振器中に有する位相変調器４をランダムノイズ発生器
３により駆動することで、共振器の屈折率が変動する。
その共振器内屈折率の変動は共振器長の変動となり、光
周波数が変動する。なお、位相変調器としては、ＬＤに
集積された構成のものもある。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかし、先ず、図３に
示した従来例では、振動を発生させるために、微小変位
アクチュエータ２が新たに必要となる。さらに、この微
小変位アクチュエータ２を光学系の反射鏡６に取り付け
るために、光源部の組立調整工数が増加してしまう。な
お、ランダムノイズ発生器３の周波数帯域は数１０ＭＨ
ｚ以上であっても、機械的振動の周波数帯域は数１０ｋ
Ｈｚまでであるために、高速な測定条件の場合には、光
周波数変動による干渉ノイズ低減効果が減少するといっ
た問題もある。

【００１１】また、図４に示した従来例では、共振器中
に位相変調器４を設定するために、光学調整が複雑にな
る。その点、位相変調器集積型ＬＤを使用すれば、調整
工数の増加は抑えられるが、このような集積型ＬＤは、
製造工程が複雑で、通常のＬＤより高価になるといった
問題がある。なお、狭スペクトル線幅のＬＤ単体の場合
には、位相変調器集積型でなければならないという問題
もある。

【００１２】そこで、この発明は、外部共振器型のＬＤ
光源において、光学系の構成が簡易で、調整工数の増加
がなく、しかも、安価なスペクトル線幅制御装置を提供
することを目的としている。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決すべく
請求項１記載の発明は、一端面に出力側共振器鏡を有
し、この出力側共振器鏡を有する一端面とその反対側の
無反射膜等の他端面との両側からレーザ光を出射するＬ
Ｄ発振手段と、このＬＤ発振手段の前記他端面側の前記
レーザ光の光軸上に配置され、前記ＬＤ発振手段とによ
って共振器を構成する反射鏡と、前記ＬＤ発振手段にレ
ーザ駆動電流を供給するレーザ駆動回路と、を備えるＬ
Ｄ光源において、例えば、ランダムノイズ発生器等によ
る発振器と、この発振器の出力に基づき前記レーザ駆動
電流を変化させて制御する、例えば、スイッチおよび制
御部等からなる駆動電流可変制御手段と、を備えるよう
にした、ＬＤ光源のスペクトル線幅制御装置の構成を特
徴としている。

【００１４】ここで、ＬＤ発振手段としては、例えば、
出力側共振器鏡とは反対側の他端面に無反射膜を有する
ＬＤにより構成されるが、他の構成によるものでもよ
い。また、駆動電流可変制御手段としては、例えば、ラ
ンダムノイズ発生器等の発振器からの出力電流をレーザ
駆動電流に重畳・遮断するスイッチと、そのスイッチの
切換動作および発振器の出力電流を制御する制御部とに
より構成されるが、他の構成によるものでもよい。

【００１５】以上のように、請求項１記載の発明によれ
ば、ＬＤ光源において、駆動電流可変制御手段によっ
て、発振器の出力に基づきレーザ駆動電流を変化させて
制御するようにしたスペクトル線幅制御装置なので、発
振器の出力に基づくレーザ駆動電流の可変制御により、
光周波数を変動させて、スペクトル線幅を等価的に広げ
ることができる。しかも、発振器の出力に基づきレーザ
駆動電流を変化させて制御する駆動電流可変制御手段を
設けるだけなので、ＬＤ光源の改造を伴わずに、光学系
を簡易に構成したままで、調整工数の増加もなく、安価
に提供できる。

【００１６】なお、請求項２記載の発明は、請求項１記
載のＬＤ光源のスペクトル線幅制御装置であって、前記
駆動電流可変制御手段は、例えば、ランダムノイズ発生
器等の前記発振器からのノイズ電流等による出力電流を
前記レーザ駆動電流に重畳・遮断可能とするように切換
動作するスイッチと、このスイッチの切換動作および前
記発振器（ランダムノイズ発生器等）の出力電流（ノイ
ズ電流等）を制御する制御部と、からなる構成を特徴と
している。

【００１７】このように、請求項２記載の発明によれ
ば、請求項１記載の駆動電流可変制御手段が、発振器か
らの出力電流をレーザ駆動電流に重畳・遮断可能とする
スイッチの切換動作を制御部により制御し、かつ、この
制御部により発振器の出力電流を制御するので、制御部
によって、発振器の出力電流を制御しながら、その電流
をスイッチを介してレーザ駆動電流に重畳できる。従っ
て、発振器の出力に基づいてレーザ駆動電流を可変制御
できる。

【００１８】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは２記載のＬＤ光源のスペクトル線幅制御装置であっ
て、前記発振器は、前記レーザ駆動電流に重畳するノイ
ズ電流を生成するランダムノイズ発生器である構成を特
徴としている。

【００１９】このように、請求項３記載の発明によれ
ば、請求項１または２記載の発振器としてのランダムノ
イズ発生器によって、レーザ駆動電流に重畳するノイズ
電流を生成するので、レーザ駆動電流にノイズ電流を重
畳して、レーザ駆動電流を変動できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下に、この発明に係るＬＤ光源
のスペクトル線幅制御装置の実施の形態例を図１および
図２に基づいて説明する。先ず、図１はこの発明を適用
した一例としてのＬＤ光源のスペクトル線幅制御装置の
構成を示すブロック図である。ただし、この図１におい
て、前述した図３の各部と共通する部分には同一の符号
を付して示し、その説明を省略する。

【００２１】この図１において、１１はＬＤ、１２は無
反射膜、１３はレンズ、１４はレーザ駆動回路、１５は
スイッチ、１６は制御部である。すなわち、先ず、ＬＤ
１１には、図示のように、その一方の端面にコーティン
グ等による無反射膜１２が形成されている。また、ＬＤ
１１の無反射膜１２と反対側の他方の端面と、そのＬＤ
１１の無反射膜１２側の光軸上に配置される前述した反
射鏡６とで共振器が構成されている。つまり、ＬＤ１１
の無反射膜１２と反対側の他方の端面が出力側共振器鏡
となっており、このような出力側共振器鏡および無反射
膜１２を互いの端面に有するＬＤ１１によりＬＤ発振手
段が構成されている。なお、ＬＤ１１と反射鏡６との間
の光軸上に配置されたレンズ１３は、ＬＤ１１の共振器
内への出射光を平行光に変換するコリメータである。

【００２２】従って、以上の無反射膜１２および出力側
共振器鏡を有するＬＤ１１によるＬＤ発振手段と、反射
鏡６と、コリメータレンズ１３とによって、外部共振器
型ＬＤ光源が構成されている。さらに、レーザ駆動回路
１４は、ＬＤ１１に一定のレーザ駆動電流を供給するも
のである。そして、スイッチ１５は、レーザ駆動回路１
４からＬＤ１１に出力されるレーザ駆動電流に、発振器
であるランダムノイズ発生器３から出力されるノイズ電
流を重畳させたり遮断させたりするために切換動作する
ものである。また、制御部１６は、ランダムノイズ発生
器３の出力電流（ノイズ電流）を制御すると共に、スイ
ッチ１５の切換動作も制御する。これらのスイッチ１５
および制御部１６から駆動電流可変制御手段が構成され
る。

【００２３】以上によって、外部共振器型ＬＤ光源のス
ペクトル線幅制御装置が構成されている。従って、以上
のような構成による外部共振器型ＬＤ光源のスペクトル
線幅制御装置によれば、ランダムノイズ発生器３からの
ノイズ電流は、制御部１６により出力値を制御され、こ
の制御部１６により切り換えられるスイッチ１５によっ
て、レーザ駆動回路１４から出力されるレーザ駆動電流
への重畳を制御される。

【００２４】ところで、一般に、レーザ駆動電流、すな
わち、ＬＤへの注入電流の変動は、光出力および電子密
度の変動を伴う。図２はＬＤ光源の注入電流と光出力お
よび電子密度の関係を示す特性図である。この図２の特
性図に示されるように、注入電流が閾値電流Ｉthに達す
るまで、光出力はほぼ零で、電子密度は注入電流に比例
して閾値電子密度Ｎthまで増加する。そして、閾値電流
Ｉthを越えると、注入電流は光として消化されるため、
光出力が比例的に増加し、電子密度はわずかに増加して
ゆく。この電子密度の変化は屈折率の変化と温度変化を
伴い、結果として光周波数の変化が生じる。

【００２５】ここで、一般に、ＩｎＧａＡｓＰ系のＬＤ
の特性は、注入電流による光出力の変化が約０．１ｍＷ
／ｍＡで、注入電流による光周波数変化は、Ｎth以降の
変化量が鈍った後でも数ＧＨｚ／ｍＡである。ただし、
外部共振器型ＬＤでは、光周波数変化への電子密度変化
の寄与が外部共振器の分だけ減少するので、注入電流に
よる光周波数変化はおよそ数１００ＭＨｚ／ｍＡとな
る。例えば、数１０ＭＨｚの光周波数変化に相当する光
出力変化は、０．０１ｍＷ程度であり、光出力１０ｍＷ
時における光出力変動に換算して、約０．００５ｄＢと
なる。光周波数をさらに変化させると、測定側での光強
度変動が大きくなり、ノイズとして観測されるが、この
場合は、干渉ノイズに観られるゆっくりとした変動等は
ないので、平均化処理により簡単に低減できる。

【００２６】また、ＬＤの注入電流による変調周波数帯
域は、通常で１ＧＨｚ程度であるから、光周波数変動幅
をそのままスペクトル線幅とみなしてよい。ここで、ラ
ンダムノイズ発生器３は、熱ノイズやショットノイズの
ような白色ノイズ、例えば、ツェナーダイオード等によ
り発生させたノイズを、数１０ＭＨｚ以上の帯域で、出
力電流振幅数ｍＡまで任意増幅できるものが好ましい。
また、スイッチ１５は、通常オフ状態で、スペクトル線
幅は制御していない。従って、スペクトル線幅を等価的
に広げて、コヒーレンシを劣化させたいときには、制御
部１６によって、スイッチ１５をオン状態に切り換え、
さらに必要に応じて、ランダムノイズ発生器３の出力電
流振幅を制御する。

【００２７】以上の通り、本発明の実施の形態例に係る
ＬＤ光源のスペクトル線幅制御装置によれば、制御部１
６によりスイッチ１５を切換動作して、ランダムノイズ
発生器３の出力に基づき、レーザ駆動電流を可変制御す
ることによって、光周波数を変動させることができ、従
って、スペクトル線幅を等価的に広げることができる。
しかも、ランダムノイズ発生器３の出力に基づきレーザ
駆動電流を可変制御するスイッチ１５および制御部１６
を設けただけのため、ＬＤ光源の改造を伴わずに、光学
系を簡易に構成したままで、調整工数の増加もなく、ス
ペクトル線幅を拡大する装置を安価に提供できる。ま
た、反射鏡６を回折格子とすれば、前述した（２）式に
おいて、Ｎをある特定値とする単一モードのレーザ光が
得られ、さらに、ＬＤ１１と回折格子の相対位置を適当
に変えることにより、光周波数を広範囲に可変できる波
長可変光源のスペクトル線幅制御装置も構成できる。

【００２８】なお、以上の実施の形態例において、発振
器としては、ホワイトノイズのランダムノイズ発生器と
したが、そのランダムノイズ発生器はピンクノイズ等で
もよく、さらに、固定周波数スペクトルではない種種の
発振器が用いられる。そして、その他の部品構成や具体
的な細部構造等についても適宜に変更可能であることは
勿論である。

【００２９】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載の発明に係
るＬＤ光源のスペクトル線幅制御装置によれば、駆動電
流可変制御手段により、発振器の出力に基づきレーザ駆
動電流を変化させて制御するため、発振器の出力に基づ
くレーザ駆動電流の可変制御によって、光周波数を変動
させることができ、従って、スペクトル線幅を等価的に
広げることができる。しかも、発振器の出力に基づきレ
ーザ駆動電流を変化させて制御する駆動電流可変制御手
段を設けるだけのため、ＬＤ光源の改造を伴わずに、光
学系を簡易に構成したままで、調整工数の増加もなく、
スペクトル線幅を拡大できる装置を安価に実現すること
ができるという効果がある。

【００３０】なお、請求項２記載の発明に係るＬＤ光源
のスペクトル線幅制御装置によれば、制御部によって、
発振器とその出力電流をレーザ駆動電流に重畳・遮断す
るスイッチとを制御するため、発振器の出力電流を制御
しながら、その電流をスイッチを介してレーザ駆動電流
に重畳できるものとなり、従って、請求項１記載の発明
のように、発振器の出力に基づいてレーザ駆動電流を可
変制御することができる。

【００３１】また、請求項３記載の発明に係るＬＤ光源
のスペクトル線幅制御装置によれば、発振器としてのラ
ンダムノイズ発生器によって、レーザ駆動電流に重畳す
るノイズ電流を生成するため、レーザ駆動電流にノイズ
電流を重畳して、請求項１または２記載の発明のよう
に、レーザ駆動電流を変動させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明を適用した一例としてのＬＤ光源のス
ペクトル線幅制御装置の概略構成を示すブロック図であ
る。

【図２】ＬＤ光源の注入電流と光出力および電子密度の
関係を示す特性図である。

【図３】従来のＬＤ光源のスペクトル線幅制御装置の概
略構成を示すブロック図である。

【図４】従来の他のＬＤ光源のスペクトル線幅制御装置
の概略構成を示すブロック図である。

【符号の説明】

３ ランダムノイズ発生器（発振器） ６ 反射鏡 １１ 半導体レーザ １２ 無反射膜 １３ レンズ １４ レーザ駆動回路 １５ スイッチ １６ 制御部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】一端面に出力側共振器鏡を有し、この出力
   側共振器鏡を有する一端面とその反対側の他端面との両
   側からレーザ光を出射する半導体レーザ発振手段と、 この半導体レーザ発振手段の前記他端面側の前記レーザ
   光の光軸上に配置され、前記半導体レーザ発振手段とに
   よって共振器を構成する反射鏡と、 前記半導体レーザ発振手段にレーザ駆動電流を供給する
   レーザ駆動回路と、を備える半導体レーザ光源におい
   て、 発振器と、 この発振器の出力に基づき前記レーザ駆動電流を変化さ
   せて制御する駆動電流可変制御手段と、を備えることを
   特徴とする半導体レーザ光源のスペクトル線幅制御装
   置。
2. 【請求項２】前記駆動電流可変制御手段は、 前記発振器からの出力電流を前記レーザ駆動電流に重畳
   ・遮断可能とするように切換動作するスイッチと、 このスイッチの切換動作および前記発振器の出力電流を
   制御する制御部と、からなることを特徴とする請求項１
   記載の半導体レーザ光源のスペクトル線幅制御装置。
3. 【請求項３】前記発振器は、前記レーザ駆動電流に重畳
   するノイズ電流を生成するランダムノイズ発生器である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の半導体レーザ
   光源のスペクトル線幅制御装置。