(57)【要約】【課題】半導体レーザと回折格子との間で外部共振器を構成し、波長引き込み状態が安定なレーザ装置を提供する。【解決手段】半導体レーザと、半導体レーザからのレーザ光を分光して複数の回折光を出力する回折格子と、複数の回折光の一部が入射し、入射した回折光の回折光スペクトル及び回折光強度を検出する光検出装置と、半導体レーザの温度を制御して、回折光スペクトルを設定された基準スペクトルに近づけるようにレーザ光のスペクトルを調整する温度制御装置と、回折光強度が一定であるように半導体レーザの駆動電流を制御する電流制御装置とを備え、複数の回折光の他の一部が半導体レーザに帰還されて半導体レーザと回折格子により外部共振器が構成され、複数の回折光の更に他の一部を外部に出力する。【選択図】図１
2014063940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザと、
前記半導体レーザからのレーザ光を分光して複数の回折光を出力する回折格子と、
前記複数の回折光の一部が入射し、入射した前記回折光の回折光スペクトル及び回折光強度を検出する光検出装置と、
前記半導体レーザの温度を制御して、前記回折光スペクトルを設定された基準スペクトルに近づけるように前記レーザ光のスペクトルを調整する温度制御装置と、
前記回折光強度が一定であるように前記半導体レーザの駆動電流を制御する電流制御装置と
を備え、前記複数の回折光の他の一部が前記半導体レーザに帰還されて前記半導体レーザと前記回折格子により外部共振器が構成され、前記複数の回折光の更に他の一部を外部に出力することを特徴とするレーザ装置。
【請求項２】
前記回折格子が、前記回折光の前記一部として波長の互いに異なる複数の解析用回折光を前記光検出装置に出射し、
前記光検出装置が、前記複数の解析用回折光のそれぞれが入射されるように配列された複数の光センサによって構成された光センサアレイを備える
ことを特徴とする請求項１に記載のレーザ装置。
【請求項３】
前記温度制御装置が、
前記半導体レーザの温度を変化させるサーモモジュールと、
前記半導体レーザの温度を検出する温度センサと、
前記回折光スペクトルと前記基準スペクトルとを比較して、前記回折光スペクトルと前記基準スペクトルとの差分に基づいて前記半導体レーザの温度変化量を設定し、前記温度センサによって検出される温度をモニタしながら、前記半導体レーザの温度を前記温度変化量だけ変化させるように前記サーモモジュールを制御する温度調整装置と
を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のレーザ装置。
【請求項４】
前記温度調整装置が、
前記回折光スペクトルを変換した電気信号と前記基準スペクトルを変換した電気信号との差分に応じた差分電圧値を出力する差分検出装置と、
前記差分電圧値に応じて前記温度変化量を設定し、前記半導体レーザの温度が前記温度変化量だけ変化するように前記サーモモジュールを制御する温調ドライバと
を備え、前記差分電圧値が最小になるまで前記半導体レーザの温度を調整することを特徴とする請求項３に記載のレーザ装置。
【請求項５】
前記半導体レーザの出射するレーザ光を整形する光学素子を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体レーザと回折格子との間で外部共振器を構成するレーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
分析装置、波長多重（ＷＤＭ）システム、波長変換レーザ装置などに使用されるレーザ光源は、狭線幅の縦単一モードで発振することが望ましい。これを実現するには、半導体レーザと共に波長選択素子を用いて外部共振器を構成し、半導体レーザの波長を安定化する方法などがある。
【０００３】
例えば、平面型のグレーティング素子を波長選択素子として使用し、半導体レーザの端面反射率、光結合系、外部共振器長、及び回折効率を最適化して安定した縦単一モードで発振させる方法が提案されている（例えば特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０８５９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
外部共振器を用いて半導体レーザの波長を波長選択素子の中心波長に安定させようとする場合、半導体レーザ自体の発振波長と波長選択素子の中心波長の偏差が大きくなるにつれ、波長選択素子による波長の引き込みが困難になる。その結果、半導体レーザと波長選択素子の発振モードが競合した状態で発振を開始したり、若しくは半導体レーザ自体のモードで発振を開始したりする。
【０００６】
波長選択素子による波長引き込みが可能な、波長選択素子と半導体レーザの中心波長の偏差（以下において、「波長引き込み幅」という。）は、半導体レーザ共振器の出射ミラーの反射率及び波長選択素子の回折効率によって決定される。例えば、波長選択素子の回折効率が高いほど波長引き込み幅が広くなることが知られている。しかし、回折効率が高くなるほど外部共振器から出射される光の出力が低下する。このため、波長引き込み幅は、必要とする光出力との関係で一定の範囲に限定される。
【０００７】
ところで、半導体レーザの発振波長には温度依存性がある。このため、波長選択素子の中心波長との偏差が最小になるように半導体レーザの温度を制御することによって、波長選択素子による波長引き込み状態を安定させることができる。
【０００８】
しかしながら、半導体レーザの発振波長は駆動電流によっても変化する。このため、光出力を一定に保つように制御されたレーザ装置では、効率の低下などによって駆動電流が変化して、波長引き込み状態が不安定になりかねない。
【０００９】
また、波長選択素子からの回折光が効率良く半導体レーザに帰還されるように、波長選択素子のアライメント調整が行われる。しかし、環境温度変化などの外乱によってアライメントが乱された場合、等価的に波長選択素子の回折効率が低下することになる。これにより、波長引き込み幅が狭くなり、波長引き込み状態が不安定になる。
【００１０】
更に、半導体レーザの経時変化による波長シフトも波長引き込み状態を不安定にする。このため、長期的な信頼性の観点からも波長引き込み状態を安定化させる対策が必要である。
【００１１】
本発明は、半導体レーザと回折格子との間で外部共振器を構成し、波長引き込み状態が安定なレーザ装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一態様によれば、（イ）半導体レーザと、（ロ）半導体レーザからのレーザ光を分光して複数の回折光を出力する回折格子と、（ハ）複数の回折光の一部が入射し、入射した回折光の回折光スペクトル及び回折光強度を検出する光検出装置と、（ニ）半導体レーザの温度を制御して、回折光スペクトルを設定された基準スペクトルに近づけるようにレーザ光のスペクトルを調整する温度制御装置と、（ホ）回折光強度が一定であるように半導体レーザの駆動電流を制御する電流制御装置とを備え、複数の回折光の他の一部が半導体レーザに帰還されて半導体レーザと回折格子により外部共振器が構成され、複数の回折光の更に他の一部を外部に出力するレーザ装置が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、半導体レーザと回折格子との間で外部共振器を構成し、波長引き込み状態が安定なレーザ装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るレーザ装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の実施形態に係るレーザ装置の回折格子が出力する第１の回折光の例を示すグラフである。
【図３】本発明の実施形態に係るレーザ装置の光検出装置の構成例を示す模式図である。
【図４】波長引き込みを説明するためのグラフであり、図４（ａ）は安定した波長引き込み状態の例を示し、図４（ｂ）は不安定な波長引き込み状態の例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置などを下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１６】
本発明の実施形態に係るレーザ装置１は、図１に示すように、半導体レーザ１０と、半導体レーザ１０からのレーザ光Ｌを分光して複数の回折光を出力する回折格子３０と、複数の回折光の一部が入射し、入射した回折光の回折光スペクトル及び回折光強度を検出する光検出装置４０と、半導体レーザ１０の温度を制御してレーザ光Ｌのスペクトルを調整する温度制御装置５０と、回折光強度が一定であるように半導体レーザ１０の駆動電流を制御する電流制御装置６０とを備える。
【００１７】
温度制御装置５０は、半導体レーザ１０の温度を制御して、光検出装置４０に入射した回折光（以下において「第１の回折光Ｄ１」という。）の回折光スペクトルを設定された基準スペクトルに近づけるようにレーザ光Ｌのスペクトルを調整する。温度制御装置５０の詳細は後述する。
【００１８】
レーザ装置１では、半導体レーザ１０の出射するレーザ光Ｌが、光学素子２０を透過して回折格子３０に入射する。光学素子２０によって、レーザ光Ｌの光径と出射方向が調整される。光学素子２０は例えば整形レンズであり、レーザ光Ｌが光学素子２０によって平行光にされる。平行光にされた光学素子２０の出射光が回折格子３０に入射される。
【００１９】
回折格子３０は、光検出装置４０に入射される第１の回折光Ｄ１のほかに、レーザ光Ｌと平行に回折されて半導体レーザ１０に反射される第２の回折光Ｄ２、及び、レーザ装置１の外部に出力される第３の回折光Ｄ３を出力する。
【００２０】
回折格子３０は、光学素子２０を経由して第２の回折光Ｄ２を半導体レーザ１０に帰還させることで、半導体レーザ１０との間で外部共振器を構成する。つまり、回折格子３０は、波長選択素子として機能する。回折格子３０には、例えば平面型グレーティングなどを利用可能である。回折格子３０の中心波長近辺で発振が開始され、第３の回折光Ｄ３がレーザ装置１の出力光として取り出される。第３の回折光Ｄ３の波長は、レーザ装置１の出力光として所望の波長が選択される。
【００２１】
光検出装置４０は、回折光スペクトルを検出するために第１の回折光Ｄ１の波長情報を取得する必要があり、例えば一定の波長間隔で光強度の情報を取得する。このため、回折格子３０は、波長の互いに異なる複数の解析用回折光を第１の回折光Ｄ１として光検出装置４０に出射する。例えば図２に示す波長λ０、λ１、λ２の解析用回折光Ｄ１０、Ｄ１１、Ｄ１２を第１の回折光Ｄ１として、回折格子３０が光検出装置４０に出射する。解析用回折光Ｄ１０〜Ｄ１２は同じ次数であるが波長が異なるため、異なる角度で回折される。
【００２２】
これに対応し、光検出装置４０は、例えば図３に示すように、解析用回折光Ｄ１０〜Ｄ１２のそれぞれが入射されるように配列された複数の光センサによって構成された光センサアレイ４１を備える。光センサアレイ４１は、例えば一定の波長間隔でフォトダイオードを一次元に配置した構成である。これにより、光検出装置４０は第１の回折光Ｄ１のスペクトルを検出できる。検出された回折光スペクトルは、例えばアナログデジタルコンバータ（ＡＤＣ）によって波形処理され、電気信号の回折光スペクトル情報Ｓｄに変換される。
【００２３】
光検出装置４０は更に、光センサアレイ４１により検出された解析用回折光Ｄ１０〜Ｄ１２の出力を検出する。そして、検出された光出力の総和を、第１の回折光Ｄ１の回折光強度Ｐｄとして電流制御装置６０に出力する。
【００２４】
したがって、光検出装置４０には、第１の回折光Ｄ１のスペクトルの情報と光強度の情報を独立に取得できる受光素子を採用する。
【００２５】
電流制御装置６０は、光検出装置４０によって検出された回折光強度Ｐｄが一定であるように半導体レーザ１０の駆動電流を制御する。このために、例えば、電流制御装置６０は半導体レーザ１０に駆動電流Ｉｄを供給する駆動装置を内蔵し、この駆動装置によって半導体レーザ１０の駆動電流Ｉｄを制御する。これにより、半導体レーザ１０の光出力が安定化される。なお、光ノイズの低減及び高速制御の観点から、光出力の安定化にはアナログ回路のみで電流制御装置６０を構成することが好ましい。
【００２６】
以下に、温度制御装置５０について説明する。温度制御装置５０は、光検出装置４０によって検出された回折光スペクトルを予め設定された基準スペクトルに近づけるように、半導体レーザ１０の出射するレーザ光Ｌのスペクトルを調整する。
【００２７】
温度制御装置５０は、半導体レーザ１０の温度を変化させるサーモモジュール５１と、半導体レーザ１０の温度を検出する温度センサ５２と、回折光スペクトルと基準スペクトルとを比較した結果に応じてサーモモジュール５１を制御して、半導体レーザ１０の温度を調整する温度調整装置５３とを備える。サーモモジュール５１には、例えばゼーベック効果を利用した熱電変換素子などを採用可能である。
【００２８】
温度調整装置５３は、回折光スペクトルと基準スペクトルとを比較して、回折光スペクトルと基準スペクトルとの差分に基づいて半導体レーザ１０の温度変化量を設定する。そして温度調整装置５３は、温度センサ５２によって検出される温度をモニタしながら、半導体レーザ１０の温度を設定された温度変化量だけ変化させるようにサーモモジュール５１を制御する。温度調整装置５３の詳細を以下に説明する。
【００２９】
回折光スペクトルを電気信号に変換した回折光スペクトル情報Ｓｄと基準スペクトルを電気信号に変換した基準スペクトル情報Ｓｓとが、温度調整装置５３の差分検出装置５３１に入力される。差分検出装置５３１は、回折光スペクトル情報Ｓｄと基準スペクトル情報Ｓｓとの差分に応じた差分電圧値Ｖｓを算出し、差分電圧値Ｖｓを温調ドライバ５３２に出力する。差分検出装置５３１には、例えばエラーアンプなどを採用可能である。
【００３０】
なお、基準スペクトル情報Ｓｓは、外乱や半導体レーザ１０の経年変化などの影響を受けていない最適な波長安定状態における第１の回折光Ｄ１の回折光スペクトルを電気信号に変換した情報である。例えば、レーザ装置１を組み立てた直後における第１の回折光Ｄ１の回折光スペクトルの電気信号が、図１に破線で示したように、基準スペクトル情報Ｓｓとして記録される。
【００３１】
温度調整装置５３の温調ドライバ５３２は、差分電圧値Ｖｓに応じて温度変化量を設定し、温度変化量だけ半導体レーザ１０の温度が変化するようにサーモモジュールを制御する。つまり、温度調整装置５３によって設定される半導体レーザ１０の温度変化量は、回折光スペクトルを基準スペクトルに近づけるために必要な半導体レーザ１０の温度変化量である。
【００３２】
半導体レーザ１０の温度が調整された後、更に回折光スペクトルと基準スペクトルとが比較されて、新たに差分電圧値Ｖｓが算出され、半導体レーザ１０の温度が調整される。このようにして、回折光スペクトルと基準スペクトルとの比較と半導体レーザ１０の温度調整とが繰り返されて、差分電圧値Ｖｓが最小になるまで温度調整装置５３が半導体レーザ１０の温度を調整する。
【００３３】
上記のように半導体レーザ１０の温度を調整することにより、半導体レーザ１０の発振波長が半導体レーザ１０に帰還される第２の回折光Ｄ２の波長に近づく。これにより、回折格子３０による波長引き込みが十分に行われ、レーザ光Ｌに関して目標のスペクトルに近い状態を維持することができる。その結果、波長引き込み状態が安定する。半導体レーザ１０の温度による波長シフト量は例えば０．４ｎｍ／℃であり、２５℃の温度可変幅があれば、１０ｎｍの波長シフト量を調整することができる。
【００３４】
図４（ａ）、図４（ｂ）に、波長引き込みの例を示す。図４（ａ）、図４（ｂ）の横軸は波長、縦軸は光強度である。外部共振器のスペクトルを実線Ａ、半導体レーザのスペクトルを破線Ｂで示している。
【００３５】
図４（ａ）では、外部共振器のピーク波長λGと半導体レーザのピーク波長λLDとが比較的近いため、外部共振器を構成する波長選択素子による波長引き込みが確実に行われる。このため、波長引き込み状態は安定である。
【００３６】
一方、図４（ｂ）では、半導体レーザの駆動電流増加などにより、ピーク波長λLDがΔλだけシフトしている。このため、波長の引き込みが不十分であり、外部共振器を構成した後においても、半導体レーザのピーク波長付近にサイドモードが残っている。つまり、波長引き込み状態が不安定である。
【００３７】
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るレーザ装置１では、回折格子３０によって、レーザ光Ｌを半導体レーザ１０に帰還させて中心波長を安定化すると共に、中心波長と側波モードの光を分離する。そして、側波モードの回折光を光センサによって電気信号に変換して得られるスペクトルを、目標とする基準スペクトルに近づけるために必要な半導体レーザ１０の温度変化量が設定される。設定された温度変化量だけ半導体レーザ１０の温度を変化させることにより、半導体レーザ１０のレーザ光Ｌの波長と波長選択素子である回折格子３０の中心波長との偏差（波長引き込み幅）が最小に保たれる。これにより、レーザ装置１における波長引き込み状態を安定に維持することができる。
【００３８】
したがって、レーザ装置１によれば、環境温度変化などの外乱があった場合でも、安定した波長制御状態を維持することができる。また、半導体レーザ１０の駆動電流が変化した場合や、半導体レーザ１０の経時変化による波長シフトが起こった場合でも、安定した波長制御状態が維持される。その結果、レーザ装置１からは、第３の回折光Ｄ３が所望の波長で安定して出力される。
【００３９】
更に、波長安定化と出力安定化に用いる回折光を１つの回折格子３０から生成するため、レーザ装置１の小型化が可能である。
【００４０】
（その他の実施形態）
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００４１】
例えば、上記では、差分電圧値Ｖｓが最小となるまで回折光スペクトルと基準スペクトルの比較を繰り返す例を説明した。しかし、他の方法によって半導体レーザ１０の温度を調整してもよい。例えば、回折光スペクトルと基準スペクトルとの差が許容範囲であるような差分電圧値Ｖｓの範囲を予め設定する。そして、差分電圧値Ｖｓが、設定された範囲に収まるまで回折光スペクトルと基準スペクトルの比較を繰り返すようにしてもよい。
【００４２】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００４３】
１…レーザ装置
１０…半導体レーザ
２０…光学素子
３０…回折格子
４０…光検出装置
４１…光センサアレイ
５０…温度制御装置
５１…サーモモジュール
５２…温度センサ
５３…温度調整装置
５３１…差分検出装置
５３２…温調ドライバ
６０…電流制御装置
Ｄ１…第１の回折光
Ｄ２…第２の回折光
Ｄ３…第３の回折光
Ｌ…レーザ光
Ｓｄ…回折光スペクトル情報
Ｓｓ…基準スペクトル情報
【図１】
2014063940.tif 000003
【図２】
2014063940.tif 000004
【図３】
2014063940.tif 000005
【図４】
2014063940.tif 000006