(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に光学的に結合し、着脱自在に設けた偏光保存光ファイバとで共振器を構成し、前記共振器内に波長選択素子と光路長調整器とを備え、モード同期発振周波数が１ＧＨｚ以下となるように前記偏光保存光ファイバの長さが設定されていることを特徴とする外部共振器型モード同期半導体レーザ装置。
【請求項２】
半導体レーザ素子と、一方の端面を前記半導体レーザ素子の一方の端面に光学的に結合し、他方の端面を前記半導体レーザ素子の他方の端面に光学的に結合して着脱自在に設けた偏光保存光ファイバとでリング共振器を構成し、前記リング共振器内に波長選択素子と光路長調整器と前記リング共振器から出力光を取り出す手段とを備え、モード同期発振周波数が１ＧＨｚ以下となるように前記偏光保存光ファイバの長さが設定されていることを特徴とする外部共振器型モード同期半導体レーザ装置。
【請求項３】
半導体レーザ素子と偏光保存光ファイバとを１つの筐体に収納したことを特徴とする請求項１又は２記載の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置。
【請求項４】
半導体レーザ素子と偏光保存光ファイバとを別々の筐体に収納し、半導体レーザ素子を収納した筐体と偏光保存光ファイバを収納した筐体を上下に着脱自在に結合したことを特徴とする請求項１又は２記載の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置。
【請求項５】
半導体レーザ素子と偏光保存光ファイバとを別々の筐体に収納し、半導体レーザ素子を収納した筐体と偏光保存光ファイバを収納した筐体を互いに側面で着脱自在に結合したことを特徴とする請求項１又は２記載の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置。
【請求項６】
半導体レーザ素子は、電流注入により発光・光増幅する利得領域と、入射光強度の増加に伴い光吸収が減少する可飽和吸収領域とを有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置。
【請求項７】
モード同期用の高周波電圧を半導体レーザ素子に印加する手段を有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モード同期半導体レーザ装置に係り、特に、超高速の光信号波形計測等、光計測技術において利用される超短光パルス発生光源に適した外部共振器型のモード同期半導体レーザ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、光技術の進歩により、フェムト秒オーダーの超短光パルスの発生が可能になったことから、従来のサンプリングオシロスコープ等の電気的手法に換えて、超短光パルスをサンプリングゲートパルスとして超高速現象を測定する試みがなされている。
【０００３】
超短光パルスをサンプリングゲートパルスに用いた光サンプリング波形計測、例えば、光波形のアイパターン測定などの光計測においては、個々のサンプリング値を測定するために、個々の相互相関信号光パルスを隣接パルスとの干渉なしに光電変換する必要がある。そのため、相互相関信号光パルスの繰り返し周波数、即ち、サンプリング光パルスの繰り返し周波数を受光系の帯域以下に設定する必要上、光通信の場合と異なり、１ＧＨｚ以下の低い繰り返し周波数の光パルス列が要求される。また、分解能の向上を図るために数ピコ秒〜数フェムト秒の超短光パルスが求められている。このような繰り返し周波数が低い超短光パルス列を発生する手段の１つとして、図８に示す外部共振器を用いたモード同期半導体レーザ装置がある。
【０００４】
図８の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置は、可飽和吸収領域１ｂ並びに利得領域１ａを有する半導体レーザ素子１と、この半導体レーザ素子１の可飽和吸収領域側端面１１ｂとの間で外部共振器を構成する反射鏡8と、これら半導体レーザ素子１と反射鏡8との間に設けられ、両者を光学的に結合するためのコリメートレンズ２ａと、このコリメートレンズ２ａと反射鏡８との間に設けられた波長選択素子３及び折り返し反射鏡７とを有し、可飽和吸収領域側端面１１ｂからコリメートレンズ２ｂを介して光出力を取り出す構成である。レーザ発振波長は、外部共振器の内部に設けられている波長選択素子３の、外部共振器の光学軸とのなす角度を調節することにより任意の波長に設定する。
【０００５】
折り返し反射鏡７は、モード同期半導体レーザ装置の小型化のために設けたのであって、無くてもよい。この折り返し反射鏡７は、半導体レーザ素子１の可飽和吸収領域１ｂの端面１１ｂと反射鏡８とで構成する外部共振器の共振器長を可変できるように半導体レーザ素子１の光学軸に沿って矢印Ａの如く移動可能に構成されている。折り返し反射鏡７を移動することで共振器長を可変し、光パルスが共振器を往復する周期（繰り返し発振周波数）を変化させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
光計測においては、発振波長、繰り返し周波数、偏光状態、光出力強度等の高度の安定性が要求される。例えば、偏波面の状態を被測定回路の動作電圧に応じて変化させて偏波面の変化を検出する場合、偏波面が変動すると正確な測定ができなくなるので、偏波面が一定に保たれている必要がある。また、時系列に沿ったサンプリングを行うためには、繰り返し周波数が安定しているサンプリングパルスが必要となる。例えば、１ＧＨｚの繰り返し周波数で、その揺らぎを数十Ｈｚオーダー以下とする場合、１０-7〜１０-8のオーダーの周波数安定度が必要である。さらに、被測定光（被測定信号）の繰り返し周波数の揺動に対してサンプリング光の繰り返し周波数を追従させることも必要である。しかし、図８に示した従来の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置ではこれらの対策が不十分で、温度変化に伴う共振器長変化でモード同期周波数が目的とする周波数から許容範囲を超えて大きく変化する。
【０００７】
１ＧＨｚ以下の繰り返し周波数（モード同期発振周波数）を有するモード同期半導体レーザ装置では、十数ｃｍ〜数十ｃｍの外部共振器が必要である。図８に示す外部共振器構成のモード同期半導体レーザ装置では、自由空間の光路を用いているために共振器長が長く、例えば、繰り返し周波数が１ＧＨｚの場合、共振器長は１５ｃｍ、２５０ＭＨｚの場合は６０ｃｍにもなり、光路を狭い空間に納めるのが難しく、小形化が難しく、サイズの大きな筐体が必要になる。この結果、僅かの振動や歪みでも部品の位置が大きく変位し、温度変化や機械的振動の影響を受けやすく、発振波長、繰り返し周波数、偏光状態、光出力強度等が許容範囲を超えて変動して、長時間の高安定動作が難しい。さらに、共振器長が長いのに加えて、折り返し反射鏡７を有しているため、共振器の光軸調整等の光学整合や取り扱いが煩雑で困難であると共に、外部共振器型モード同期半導体レーザ装置を計測装置に組み込む場合、計測装置全体のサイズを大きくすることにもなる。
【０００８】
本発明は、外部共振器型モード同期半導体レーザの小形化を図り、温度変化や機械的振動に強く、発振波長、繰り返し周波数、偏波面等の安定性に優れ、長時間安定に動作し、且つ、発振波長可変、繰り返し周波数可変の、光計測に適した外部共振器型モード同期半導体レーザ装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子に光結合し、着脱自在に設けた偏光保存光ファイバとで共振器を構成し、共振器内に波長選択素子と光路長調整器とを備え、モード同期発振周波数が１ＧＨｚ以下となるように偏光保存光ファイバの長さが設定されていることを特徴とする外部共振器型モード同期半導体レーザ装置である。
【００１０】
本発明のもう１つの外部共振器型モード同期半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子と、一方の端面を前記半導体レーザ素子の一方の端面に光結合し、他方の端面を前記半導体レーザ素子の他方の端面に光結合して着脱自在に設けた偏光保存光ファイバとでリング共振器を構成し、前記リング共振器内に波長選択素子と光路長調整器と前記リング共振器から出力光を取り出す手段とを備え、モード同期発振周波数が１ＧＨｚ以下となるように前記偏光保存光ファイバの長さが設定されていることを特徴とする構成である。
【００１１】
上記外部共振器型モード同期半導体レーザ装置の何れも、半導体レーザ素子と偏光保存光ファイバとを同一の筐体に収納しているが、半導体レーザ素子と偏光保存光ファイバとを別々の筐体に収納し、これら２つの筐体を互いに着脱自在に結合した構成とすると、結合した筐体の何れか一方を交換することで、発振波長やモード同期発振周波数（繰り返し周波数）を容易に変更できる。２つの筐体を結合する構造は、半導体レーザ素子を収納した筐体と偏光保存光ファイバを収納した筐体を上下に着脱自在に結合する構造、或いは、２つの筐体を互いに側面で着脱自在に結合した構造の何れでもよい。半導体レーザ素子と偏光保存光ファイバとを別々の筐体に収納した構成は、半導体レーザ素子と偏光保存光ファイバとを独立に温度調整でき、温度制御の精度が向上し、安定性のよい外部共振器型モード同期半導体レーザ装置が得られる。
【００１２】
さらに、本発明の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置に用いる半導体レーザ素子を、電流注入により発光・光増幅する利得領域に加え、入射光強度の増加に伴い光吸収が減少する可飽和吸収領域を有する構成にすると、パルス幅の狭い光パルスが得られる。
【００１３】
本発明の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置においては、モード同期用の高周波電圧印加手段と発光・光増幅のための電流注入手段により、半導体レーザ素子１にモード同期周波数の高周波電圧印加と発光・光増幅のための電流注入が行われ、モード同期レーザ発振する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置は、図１に示すように、半導体レーザ素子１と、コリメートレンズ２ａ、２ｂと、波長選択素子３と、光路長調整器４と、集光レンズ５と、光学部品（コリメートレンズ、波長選択素子、光路長調整器、集光レンズ等を総称して光学部品と記す）を介して半導体レーザ素子１に光学的に結合された偏光保存光ファイバ６とを有し、半導体レーザ素子端面１１ｂと偏光保存光ファイバの端面（高反射率端面））６ｂとで共振器を構成している。半導体レーザ素子１には発光・光増幅のための電流注入と高周波電源１２０によるモード同期周波数の高周波電圧印加とが行われる。
【００１５】
電流注入とモード同期周波数の高周波電圧印加により半導体レーザ素子１で発生したレーザ光１００は、共振器端面６ｂ、１１ｂで反射し、周期Ｔ（Ｔ＝２Ｌ／ｃ、Ｌは真空長換算の共振器長、ｃは光速）で共振器内を繰り返し往復することで光増幅され、その周期Ｔに同期した繰り返し周波数（モード同期周波数）ｆ（ｆ＝ｃ／２Ｌ）でレーザ発振し、一部が共振器端面（本実施形態では半導体レーザ素子端面１１ｂ）を透過して出力される。
【００１６】
半導体レーザ素子１はどの様な構造のものでもよい。本実施形態の半導体レーザ素子１は、電流注入により発光・光増幅に与る利得領域１ａと、光強度の増加に伴い光吸収が減少する可飽和吸収領域１ｂとを有し、利得領域１ａの活性層と可飽和吸収領域１ｂの可飽和吸収層はバンドギャップ波長が１．５５μｍ組成のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造（バルクの活性層、可飽和吸収層でもよい）で構成し、ストライプ状の活性層並びに可飽和吸収層の両側に電流ブロック層が設けられた埋め込み構造になっている。利得領域１ａ及び可飽和吸収領域１ｂの各端面１１ａ、１１ｂには誘電体多層膜、例えば、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2多層膜或いはＳｉ／ＳｉＯ2多層膜がコーティングされて、可飽和吸収領域側の端面１１ｂが高反射率面、利得領域側の端面１１ａが低反射率面（無反射端面）になっている。高反射率面の反射率Ｒ１はＲ１≒０．８程度、低反射率面の反射率Ｒ２はＲ２≦１０-4程度に設定されている。利得領域１ａと可飽和吸収領域１ｂには相互に独立に電力の供給が可能に電極（図示省略）が設けられて、これら電極を介して利得領域１ａに直流電流が、可飽和吸収領域１ｂに逆バイアス電圧及びモード同期周波数のモード同期用高周波信号が供給される。可飽和吸収領域１ｂに電力を供給せずに、利得領域１ａのみにモード同期周波数で変調した電流を注入する構成にしてもよい。また、可飽和吸収領域を設けずに、利得領域のみから成る半導体レーザ素子を用いた場合は、利得領域に注入する電流に重畳して高周波信号を印加する構成となる。
【００１７】
可飽和吸収領域１ｂは、光パルスが入射されるとその前半部（低光強度の部分）は吸収し、光パルスのピーク近傍（高光強度の部分）では吸収が飽和するためそのまま通過させる。この結果通過する光パルスの急峻化が行われ、光パルスが可飽和吸収領域１ｂを通過するたびに急峻化されて狭い光パルスを得ることができる。また、可飽和吸収領域１ｂの自己吸収変調効果によりレーザ発振縦モード間の位相が同期する。この可飽和吸収領域１ｂに高周波信号を供給すると、モード同期による光パルス発生タイミングが供給された高周波信号に同期する。
【００１８】
波長選択素子３は、一例としてファブリー・ペロエタロン（以下、エタロンと記す）で構成されている。図１に示すように、エタロンは石英やガラスの平行平面板の両面に誘電体多層膜或いは金属膜を形成して互いに対向する２つの面の反射率を高めた構成になっていて、所定間隔で平行に対向配置された２つの反射面の反射率と間隔により決定される波長間隔で透過率が最大となる。このエタロンを光軸に対して傾けることによって透過率が最大となる波長を制御して、レーザ光の波長を任意の波長に設定する。
【００１９】
上記の構成に替えて、２枚の平面鏡を、圧電素子を間に挾んで貼り合わせてエタロンを構成とすると、圧電素子に電圧を印加することで平面鏡間の距離を変化できるので、透過率が最大となる波長を制御できる。また、２枚の平面鏡の間に液晶を挾んでエタロンを構成した場合、液晶に電圧を印加することにより、液晶の屈折率を変えることができるので、印加電圧を制御することで透過率が最大となる波長を制御できる。
【００２０】
光路長調整器４は、光ファイバ長さの誤差を補償するために設けたもので、図１、図２（ａ）に示す如く、石英やガラス等の透明な材質から成る２つの楔形のプリズム２１、２２で構成されている。これら２つの楔形プリズム２１、２２は屈折率が等しく、同じ頂角を有し、傾斜面２１ａ、２２ａ同士を互いに対向或いは接触させ、垂直面２１ｂ、２２ｂを光軸２０に対して直角に配置され、矢印方向に移動可能になっている。楔形プリズム２１、２２の移動により、レーザ光が通過する部分の厚さｄ１、ｄ２が変化して、その部分の光路長が変化する。この結果、光ファイバ長さの誤差を光路長調整器４で補償することができる。
【００２１】
図２（ｂ）に、もう１つの光路長調整器４の例を示す。この光路長調整器４は、２つの二等辺直角プリズム２３、２４から成り、これら２つの二等辺直角プリズム２３、２４は、それぞれ、直角に組み合わされた反射面２３ａ、２３ｂ、２４ａ、２４ｂを有している。これら２つの二等辺直角プリズムの内の一方の二等辺直角プリズム（第１二等辺直角プリズム）２３は、斜辺（底辺）２３ｃを光軸２０に平行にして光軸上に固定されている。もう一方の二等辺直角プリズム（第２二等辺直角プリズム）２４は、その底辺２４ｃが光軸上に固定された第１二等辺直角プリズム２３の頂角Ａに対向し、且つ、第１二等辺直角プリズム３３の底辺２３ｃに平行に配置され、矢印の方向に移動可能、即ち、光軸２０に直交する方向に移動可能になっている。第２二等辺直角プリズム２４が矢印方向に移動することで、２つの二等辺直角プリズム間の距離が調整され、光路長が調整される。第２二等辺直角プリズム２４の変位δに対して光路長は２δ変化する。この光路調整器に入射したレーザ光１００は、図に示す如く、反射面２３ａ、２４ａ、２４ｂ、２３ｂを経由して偏光保存光ファイバ６に出射する。
【００２２】
光導波路を形成する偏光保存光ファイバ６は、一方の端面が誘電体多層膜や金属膜が被着された高反射率端面６ｂで、他方の端面６ａが誘電体多層膜から成る無反射コーティング（反射防止膜）が施されている。反射防止膜が施された端面（無反射端面）６ａは光学部品（コリメートレンズ、波長選択素子、光路長調整器、集光レンズを総称して光学部品と記す）を介して半導体レーザ素子１の低反射率端面（利得領域側の端面）１１ａに光学的に結合され、高反射率端面６ｂと半導体レーザ素子１の高反射率端面（可飽和吸収領域側の端面）１１ｂとでファブリー・ペロ型の共振器を構成している。かかる構成において、半導体レーザ素子１の高反射率端面１１ｂと偏光保存光ファイバ６の高反射率端面６ｂとの距離が共振器長となり、モード同期発振の繰り返し周波数が１ＧＨｚ以下になるようにファイバ長が設定されている。例えば、繰り返し周波数が１ＧＨｚの場合は１５ｃｍ、５００ＭＨｚの場合は３０ｃｍ、２５０ＭＨｚの場合は６０ｃｍにファイバ長が設定され、さらに低い繰り返し周波数が必要な場合は、さらに長い偏光保存光ファイバを用いる構成になる。
【００２３】
偏光保存光ファイバ６は、図３に示すように、リング状に巻かれて半導体レーザ素子１等その他の光学部品と共に１つの筐体１７に収められ、コンパクトな構成の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置を構成している。このように、偏光保存光ファイバをリング状に巻いて半導体レーザ素子等その他の部品と共にケースに収めると従来よりもコンパクトになり、空間的な温度揺らぎの影響が小さく、従来よりも特性が安定するので、温度調節しなくてもよいが、本実施形態では筐体内に温度制御素子を具備して温度調節し、安定性をさらに高めている。なお、図３（ａ）は筐体の蓋を開けた状態の平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ´線に沿う断面図である。
【００２４】
大きさが数ｃｍ×数ｃｍ、厚さ数ｍｍの熱伝導率のよい、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミック基板１４（あるいは金属基板）が筐体内に設置・固定され、セラミック基板１４上に、例えば、シリコンや銅タングステン（ＣｕＷ）、ステンレス等で成る基板１３と偏光保存光ファイバ６が載置・固定されている。ＣｕＷ基板１３上には、半導体レーザ素子１、コリメートレンズ２ａ、２ｂ、波長選択素子３、光路長調整器４、集光レンズ５が互いに光軸を一致させて搭載・固定されている。半導体レーザ素子１はヒートシンク１２を介してＣｕＷ基板上に固定されている。偏光保存光ファイバ６は無反射コーティングが施された先端部が光コネクタ１６ａを介してＣｕＷ基板１３に着脱自在に装着されて、光学部品を介して半導体レーザ素子１と光学的に結合されている。残余の部分はリング状に巻かれてセラミック基板１４に固定部材（図示省略）により着脱可能に固定されている。セラミック基板１４は温度制御素子１５、例えばペルチエ素子上に載置されて、半導体レーザ素子１をはじめとする各部品の温度およびその周囲の筐体内の温度、即ち、共振器の温度が一定になるようコントロールされ、共振器長、発光強度、発振波長等の安定化が図られている。モード同期光出力は半導体レーザ素子１の可飽和吸収領域１ｂの高反射率端面１１ｂ（図１参照）から取り出す構成で、半導体レーザ素子１の出力面側（高反射率端面側）の筐体側面には、外部ファイバと接続して出力光パルス列を取り出せるように、光コネクタ１６ｂが設けられている。光コネクタ１６ｂと半導体レーザ素子１との間に光アイソレータ（図示省略）、コリメートレンズ２ｂが設けられている。かかる構成によれば、例えば繰り返し周波数２５０ＭＨｚでモード同期発振させるには、光路長が６０ｃｍの共振器長が必要となるが、偏光保存光ファイバ６をリング状に巻いてセラミック基板１４に固定しているので、筐体１７の大きさが最長で１０ｃｍ程度となりコンパクトな構成になっている。また、偏光保存光ファイバ６が光コネクタ１６ａを介して着脱自在に取り付けられているので、長さの違う偏光保存光ファイバに容易に交換でき、繰り返し周波数の変更が容易に行える。
【００２５】
偏光保存光ファイバ６の無反射コーティングが施された先端部を、光コネクタ１６ａを介してＣｕＷ基板１３に着脱自在に装着した構成に替えて、保持部材で無反射コーティングが施された先端部を挾んで偏光保存光ファイバ先端部をＣｕＷ基板１３に着脱自在に固定しても良い。この場合、ＣｕＷ基板１３や保持部材にＶ溝を設けると偏光保存光ファイバの位置決めが容易となる。また、保持部材はネジ等でＣｕＷ基板１３やセラミック基板１４に固定する構成とすればよい。
【００２６】
図４に本発明の第２の実施の形態を示す。この実施形態の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子１と偏光保存光ファイバ６を別々の筐体１７ａ、１７ｂに収納した例である。
【００２７】
図４（ａ）（筐体側面を一部切り欠いた側面図）の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置は、半導体レーザ素子１と結合光学系１１０（コリメートレンズ２ａ、波長選択素子３、光路長調整器４、集光レンズ５で構成された部分）とをシリコン基板１３ａを介して温度制御素子１５（ペルチエ素子）上に載置・固定して１つの筐体１７ａ（第１の筐体）に収納し、偏光保存光ファイバ６をリング状に巻いてセラミック基板１４を介して温度制御素子１５（ペルチエ素子）上に載置・固定して別の筐体１７ｂ（第２の筐体）に収納して、これら２つの筐体１７ａ、１７ｂを着脱可能に重ね合わせ、固定した重箱構造である。第１の筐体１７ａの上面と第２の筐体１７ｂの底面にはそれぞれ光コネクタ１８ａ、１８ｂが設けられており、筐体１７ａ、１７ｂを重ね合わせて結合した際にこれら光コネクタ１８ａ、１８ｂが嵌合し、偏光保存光ファイバ６と半導体レーザ素子１が光学的に結合する。半導体レーザ素子１と光コネクタ１８ａとの光学的結合には、一端が保持部材１９０でシリコン基板１３ａに固定され、他端が光コネクタに接続している接続用の短い偏光保存光ファイバ１９を用いている。また、図４（ｂ）に示すように、筐体側面にそれぞれ光コネクタ１８ａ、１８ｂを設け、筐体１７ａ、１７ｂを重ね合わせて結合した際にそれら光コネクタ１８ａ、１８ｂを接続用の短い偏光保存光ファイバ１９ａで接続した構成としてもよい。
【００２８】
図４（ｃ）の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置は、２つの筐体１７ａ、１７ｂを筐体側面で着脱自在に結合した構成である。この場合、接合面となる側面にそれぞれ光コネクタ１８ａ、１８ｂを設け、筐体１７ａ、１７ｂを結合したときに光コネクタ同士が嵌合し、偏光保存光ファイバ６と半導体レーザ素子１が光学的に結合する構成になっている。なお、上記（ａ）、（ｂ）、（ｃ）何れの場合も２つの筐体間はネジやクランプ等（図示省略）で固定している。
【００２９】
第２実施形態においては、半導体レーザ素子１や光学部品の配置を考慮することなく偏光保存光ファイバ６を筐体内に収納できるので、繰り返し周波数が低く共振器長が長い場合に特に有効な構成である。また、異なる発振波長の半導体レーザ素子１を収納した筐体１７ａやファイバ長の異なる偏光保存光ファイバ６が収納された筐体１７ｂを多数用意すれば、筐体を取り替えるだけで繰り返し周波数や発振波長を容易に変更できる。
【００３０】
上記何れの実施形態においても、出力光は半導体レーザ素子端面から取り出したが、偏光保存光ファイバ端面（高反射率端面６ｂ）から光出力を取り出す構成としてもよい。この場合、半導体レーザ素子１を収納した筐体１７ａにではなく、偏光保存光ファイバ６を収納した筐体１７ｂに出力用の光コネクタを設け、偏光保存光ファイバ６の高反射率端面６ｂを筐体１７ｂに設けた出力用の光コネクタに接続した構成にすればよい。半導体レーザ素子１の高反射率端面側に設けたコリメートレンズ２ｂ（図１参照）は不要となる。
【００３１】
図５に本発明の第３の実施の形態を示す。この外部共振器型モード同期半導体レーザ装置は、リング共振器構造とした例である。
【００３２】
本実施形態の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置は、図５に示すように、両端面に誘電体多層膜（例えば、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2）による無反射コーティングを施した半導体レーザ素子１と、コリメートレンズ２ａ、２ｂと、波長選択素子３と、光路長調整器４と、集光レンズ５ａ、５ｂと、偏光保存光ファイバ６と、光アイソレータ９とを有し、これら部品が、第１実施形態と同様にして、基板上（図示省略、必要なら図３参照）に載置・固定され、温度制御素子（図示省略、必要なら図３参照）と共に筐体内（図示省略、必要なら図３参照）に収納されて温度制御されたコンパクトな構成になっている。偏光保存光ファイバ６は、繰り返し発振周波数が１ＧＨｚ以下になる長さに設定され、その両端面は、半導体レーザ素子１と同様、無反射コーティングが施され、その一方の端面がコリメートレンズ２ａ、波長選択素子３、光路長調整器４、集光レンズ５ａを介して半導体レーザ素子１に光学的に結合され、他方の端面がコリメートレンズ２ｂ、集光レンズ５ｂを介して半導体レーザ素子１に結合されてリング共振器を構成している。リング共振器中には光アイソレータ９が設けられ（共振器中の設置位置はどこでもよい）、時計回り進行波、反時計回り進行波の共振モードの内の何れか一方の進行波共振モード（本実施形態は時計回りの進行波共振モードを選択）のみが発振するようになっている。光パルスを外部に取り出す手段は偏光保存光ファイバ６の中程に取り出し用光ファイバ６０を接触させて設けた方向性光結合器１０を用いている。また、方向性光結合器１０に替えてＹ分岐からなる光分波器を用いて光パルスを外部に取り出す構成、或いは、リング共振器中に半透明鏡を設けてこの半透明鏡から取り出す構成としてもよい。なお、本実施形態では光アイソレータ９を共振器中に設けたが、この光アイソレータ９を設けない構成としてもよい。
【００３３】
半導体レーザ素子１は、第１実施形態と同様のものでもよいが、本実施形態においては、図６に示すように、２つの利得領域１ａとその間に挾まれた可飽和吸収領域１ｂを有するものを用いている。可飽和吸収領域１ｂには、第１実施形態と同様、逆バイアスと高周波電圧（周回するレーザ光に同期した変調信号）が印加され、利得領域１ａには直流電流が注入される。
【００３４】
利得領域１ａへの電流注入によって発生した光は、可飽和吸収領域１ｂで変調された光となって出力され、光学部品、偏光保存光ファイバ６等で構成されたリング共振器を周回する。周回した光が半導体レーザ素子１に入射した際に、可飽和吸収領域１ｂに印加した高周波信号により、その光がリング共振器を一周する時間またはその整数分の一の周期で変調を受けて周回周期に同期した繰り返し周波数の短光パルスに成長する。この短光パルスが方向性光結合器１０で取り出し用偏光保存光ファイバ６０に分岐され、取り出し用偏光保存光ファイバ６０から出力光パルス列となって出力される。
【００３５】
上記の構成に替えて、第２実施形態（図４）のように、半導体レーザ素子１と偏光保存光ファイバ６とを別々の筐体１７ａ、１７ｂに収納し、これら２つの筐体１７ａ、１７ｂを着脱自在に接合した構成としてもよい。この場合、図７に示すように、半導体レーザ素子１と偏光保存光ファイバと６を光学的に結合するための光コネクタ１８ａ、１８ｂが第２実施形態の場合よりも１つずつ加え、偏光保存光ファイバを収納した筐体１７ｂに光出力用の光コネクタ１６ｂを設けた構成になる。なお、図７の例は、２つの筐体１７ａ、１７ｂを上下に重ね合わせる構成であるが、この構成に替えて、図４（ｃ）のように、２つの筐体を側面で着脱可能に接続する構成としてもよい。
【００３６】
上記何れの実施の形態も、可飽和吸収領域を有する半導体レーザ素子を用いたが、可飽和吸収領域のない利得領域のみの半導体レーザ素子でもよい。この場合は利得領域に注入する電流にモード同期周波数の電流を重畳すればよい。さらに、実施形態の半導体レーザ素子に替えて、分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザ素子、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体レーザ素子、変調器を集積化した半導体レーザ素子（変調器にモード同期周波数の高周波電圧を印加する）等を用いてもよい。なお、ＤＦＢ半導体レーザ素子やＤＢＲ半導体レーザ素子を用いた場合は、波長選択素子は不要となる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明は、外部共振器を構成する光導波路に偏光保存光ファイバを用いているので偏光状態が一定に保たれる。また、長尺の偏光保存光ファイバをリング状に巻いて半導体レーザ素子等その他の部品と共に筐体に収め、温度調節しているので、筐体は大きくても２０ｃｍ程度となり、共振器長が長くてもコンパクトになる。このように、従来のものよりも狭い空間に全ての部品が納められているので、空間的な温度分布揺らぎの影響が小さいのに加え、温度制御する空間が狭いので、精密な温度調節ができる。この結果、温度制御の精度が向上し、レーザ発振波長、繰り返し周波数、偏光状態、発光光強度等の特性が機械的振動や周囲の温度変動、部品を設置した基板の歪みに対して安定で、信頼性が向上する。
【００３８】
また、従来は、外部共振器の光導波路に自由空間の長い光路を利用しているため、僅かの振動や歪みでも共振器の反射鏡位置が大きく変位し、光軸がずれて特性が変動するが、本発明は、光導波路に光ファイバを用いているため、共振器の反射面となる光ファイバ端面位置が変動しても、光ファイバを伝搬する光は確実にファイバ端面に達するから、従来と異なり、振動や、基板の歪みに対しても安定な特性が得られる。
【００３９】
さらに、本発明は、波長選択素子と光路長調整器とを備え、且つ、光ファイバが交換可能な構造になっているので、発振波長や繰り返し周波数の微調整ができると共に、種々のファイバ長の光ファイバと発振波長の異なる種々の半導体レーザ素子の組み合わせが自在にでき、繰り返し周波数の変更や発振波長の変更が容易に行える。
【００４０】
特に、半導体レーザ素子と光ファイバとを別々の筐体に収納した構造では、それぞれの筐体毎に独立に温度制御できるので、さらに精密な温度管理が実現でき、より安定な装置が得られる。また、光コネクタは嵌合するだけで接続でき、ネジやクランプ等で筐体が固定できて筐体の着脱も容易であるので、１つの筐体に全ての部品を収納した場合よりも容易に繰り返し周波数や発振波長を容易に変更できる。
【００４１】
以上のように、本発明は共振器長が長く、小型、且つ、高安定な外部共振器型モード同期半導体レーザ装置を得ることができる。また、偏光保存光ファイバを用いて共振器長が長い共振器を構成し、１ＧＨｚ以下の低い繰り返し周波数を実現しているので光計測に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】    本発明の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置の概略構成図。
【図２】    光路長調整器の概略図。
【図３】    第１の実施の形態を示す図。（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡＡ’線に沿った断面図。
【図４】    第２の実施の形態を示す側面図。
【図５】    第３の実施の形態を示す概略図。
【図６】    第３の実施の形態で用いた半導体レーザ素子の概略側面図。
【図７】    第３の実施の形態の側面図。
【図８】    従来の外部共振器型モード同期半導体レーザ装置の概略構成図。
【符号の説明】
１    半導体レーザ素子
１ａ    利得領域
１ｂ    可飽和吸収領域
２ａ    コリメートレンズ
２ｂ    コリメートレンズ
３    波長選択素子
４    光路長調整器
５    集光レンズ
５ａ    集光レンズ
５ｂ    集光レンズ
６    偏光保存光ファイバ
６ａ    無反射端面
６ｂ    高反射率端面（共振器端面、ファイバ端面）
７    折り返し反射鏡
８    反射鏡
９    光アイソレータ
１０    方向性光結合器
１１ａ    無反射端面
１１ｂ    高反射率端面
１２    ヒートシンク
１３    ＣｕＷ基板
１４    セラミック基板
１５    温度制御素子
１６ａ    光コネクタ
１６ｂ    光コネクタ
１７    筐体
１７ａ    筐体
１７ｂ    筐体
１８ａ    光コネクタ
１８ｂ    光コネクタ
１９    接続用光ファイバ
１９ａ    接続用光ファイバ
２０  光軸
２１    楔形プリズム
２１ａ    傾斜面
２１ｂ    垂直面
２２    楔形プリズム
２２ａ    傾斜面
２２ｂ    垂直面
２３    二等辺直角プリズム
２３ａ    反射面
２３ｂ    反射面
２３ｃ    底辺
２４    二等辺直角プリズム
２４ａ    反射面
２４ｂ    反射面
２４ｃ    底辺
６０    取り出し用光ファイバ
１００    レーザ光
１１０    結合光学系
１２０    モード同期用高周波電源
１９０    保持部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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