(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザから光を発生する方法であって、
該レーザからファブリ・ペロー間隔をもつ光を発生するステップと、
該光を、該ファブリ・ペロー間隔よりも約２倍ないし約４倍大きいスペクトル幅を有するようなファイバ格子にて受光するステップとを含むことを特徴とする光の発生方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光の発生方法において、
該ファイバ格子が、該レーザから約１２．７ｃｍないし約１０２ｃｍの間に配置されるようになっている光の発生方法。
【請求項３】
請求項１に記載の光の発生方法において、該ファイバ格子が、ファーストオーダー格子である光の発生方法。
【請求項４】
請求項２に記載の光の発生方法において、該格子の長さが、約１ｃｍである光の発生方法。
【請求項５】
請求項１に記載の光の発生方法において、該レーザが、約０．１７ｎｍのファブリ・ペロー間隔を有する光の発生方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光の発生方法において、該ファイバ格子の格子ピーク反射率が、約１％と約３％の間の範囲内である光の発生方法。
【請求項７】
請求項５に記載の光の発生方法において、該ファイバ格子の中心波長が、約９７８ｎｍと約９８２ｎｍの間の範囲内である光の発生方法。
【請求項８】
請求項５に記載の光の発生方法において、該ファイバ格子のスペクトル幅が、約０．４ｎｍと約０．６ｎｍの間の範囲である光の発生方法。
【請求項９】
請求項５に記載の光の発生方法において、該ファイバ格子のサイドモード抑制比が、１０ｄＢ以上である光の発生方法。
【請求項１０】
請求項５に記載の光の発生方法において、該ファイバ格子の温度同調速度が、約−０．０２ｎｍ／℃ないし約０．０２ｎｍ／℃の範囲内にある光の発生方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレーザに関する。更に詳細には、本発明はレーザの不安定性を改善する方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在のレーザ技術では、材料（例えば、半導体類、ガス、固体材料類）は、２つの正確に光軸合わせされた光ミラー間に配置される。一方のミラーの反射率はほぼ１００％（例えば、９５％）であり、他方のミラーの反射率は僅少（例えば、１％又は５％）である。２枚のミラー間に配置された材料の電子を励起するために、外部ソース（例えば、初期電流）が使用される。２枚のミラー及び該ミラー間に配置された材料は、光を前後に跳ね返らせる共振器を形成する。光が前後に跳ね返るにつれて、同じ光軸方向に移動する光が、レーザ光として共振器から放出される。
【０００３】
反射ミラー間の材料が半導体材料である場合、大部分の非励起電子は価電子帯と呼ばれる領域内に存在する。価電子帯は低エネルギー準位である。電子が励起されるにつれて、電子は、半導体のバンドギャップ（禁制帯）と呼ばれる領域から、伝導帯と呼ばれる領域にジャンプする。伝導帯は高エネルギー準位である。伝導帯において、電子は励起状態となる。
【０００４】
レーザ光が共振器から放出される時、大部分の電子は伝導帯内に存在する。レーザ光を共振器から放出させるためには、十分な量の電子を価電子帯から伝導帯に移動させなければならない。価電子帯内よりも伝導帯内の電子の密度が高い状態は、反転分布状態と呼ばれる。
【０００５】
共振器内の光のエネルギーは、波長又は周波数により記述することができる。関係式、λｘＥ＝ｈｃはエネルギー、波長及び周波数間の関係を定義する。前記関係式において、Ｅはエネルギー、λは波長、ｈはプランク定数、ｃは真空内における光速である。しかし、レーザ材料として半導体が使用される場合、光速は、半導体材料内の光の速度に変化される。従って、半導体が使用される場合、レーザは真空中の光速対半導体材料中の光速の比率により特徴付けられる。この特徴は、材料の屈折率と呼ばれている。
【０００６】
様々な波長の光が共振器内で共振するにつれて、様々の波長の光が様々な周波数で共振する。光は広い範囲の周波数又は調波の全域にわたって共振する。大抵のレーザは主周波数を有するが、代表的なレーザ共振器は主周波数の副周波数又は調波も有する。このような調波はファブリ・ペロー（ＦＰ）モードと呼ばれる。
【０００７】
図１は、ｙ軸のレーザ利得対ｘ軸のレーザ波長の関係を示すグラフ図である。図１には、主周波数２と調波４が図示されている。主周波数２と調波４のピークは利得曲線６を画成する。レーザの２つの周波数間の間隔はファブリ・ペロー間隔８である。レーザは通常、一つの主周波数（例えば、主周波数２）で動作する。しかし、動作条件（例えば、レーザ駆動電流、温度、外部反射）を選択することにより、レーザを主周波数から或る調波周波数４に切り替えることができる。モード間の切り替え（モードジャンプと呼ばれる）はレーザを不安定にする。
【０００８】
主周波数の安定性はレーザ材料及びレーザ共振器へ戻るレーザ光の外部反射に左右される。格子の無いレーザでは、共振器に戻る出力レーザ光の極く僅かな反射でさえもレーザを不安定にする。（S.Y.Huang, "Optical-feedback-induced degradations of the spectrum and the kink current of 980-nm pump lasers",CLEO'95 Technical Digest, pp.76-77, Baltimore, May 1995参照）
【０００９】
その結果、反射によるレーザの不安定性を処理するために、幾つかの技術が開発された。或る技術では、ファイバ格子と呼ばれるデバイスを使用する。ファイバ格子はレーザの出力光ストリーム内に配置され、レーザ共振器に戻る主周波数のレーザ光を可干渉的に反射する。従って、格子は主周波数のレーザ光を強め、それにより、不安定性が低下される。
【００１０】
通常、９８０ｎｍポンプレーザのような特定の波長を有するレーザでは、ファイバ格子は、格子が９８０ｎｍの波長の調波を強め、その他の調波を抑えるように、設計されている。従って、ファイバ格子が反射する波長は、通常、９８０ｎｍ周辺に集中する。大抵のファイバ格子は通常、レーザの特定の主周波数を処理するように設計されている。
【００１１】
従って、大抵のファイバ格子の帯域幅は狭い。代表的なファイバ格子について、格子の反射率（格子の光を反射する能力）を波長の関数としてプロットすると、図２に示されるようなガウス曲線が得られる。図２において、ｘ軸はファイバ格子を通り抜ける波長を示し、ｙ軸はこの波長におけるファイバ格子の反射率を示す。
【００１２】
更に、ライン１０はファイバ格子のスペクトル幅の半値全幅（ＦＷＨＭ）を示す。スペクトル幅は、ファイバ格子が反射することができる光の波長範囲を示す。ＦＷＨＭはファイバ格子の尺度であり、反射率が５０％以下に低下する際の波長に対する、立ち上がりパルスがピーク反射率の５０％を超える際の波長として定義される。
【００１３】
ファイバ格子はレーザ（例えば、半導体レーザ）と併用される。半導体レーザは活性材料を有する。この活性材料の屈折率は温度の関数である。レーザを安定化させるためには、レーザの老化、周囲温度変化及び機械的応力に対して、レーザを一定に維持しなければならない。従って、レーザの安定性を維持するために、半導体レーザではしばしばフィードバックループが使用される。
【００１４】
初期電流は初期エネルギーを供給する。この初期エネルギーは電子及びホール（正孔）を伝導帯及び価電子帯にそれぞれ注入させ、反転分布状態を生成させる。或るレーザでは、フィードバックループは、レーザの後部から放出する少量の光出力を検出する検出器（例えば、リアモニタ）を使用し、そして、この出力を初期電流に返送供給することにより達成される。その結果、レーザの前部において、一定の出力が維持される。
【００１５】
このフィードバック制御メカニズムを作用させるために、後部出力は或る電流範囲に関して線形でなければならない。しかし、電流が半導体レーザに注入されると、電力の一部は熱に変換され、その結果、レーザ材料の温度が上昇する。半導体材料の温度が上昇するにつれて、この材料の屈折率が変化する。半導体材料の屈折率の変化は結果的に、レーザの主調波周波数を変化させる。従って、レーザに供給される電流が増大するにつれて、主調波は変化する。
【００１６】
ファイバ格子が半導体レーザで使用され、そして、主周波数が格子モードと一致する場合、出力は増大する。また、主調波が格子モードから離れる場合、出力は減少する。主調波モード間のこのスイッチング現象は前記のモードジャンプに対応する。ファイバ光出力（Ｌ）と後部モニタ電流（Ｉbd）をレーザ電流（Ｉ）の関数としてプロットすると、モードジャンプは、図３のＬ対Ｉ曲線１０及びＩbd対Ｉ曲線２０における波動として表される。Ｌ対Ｉ曲線１０及びＩbd対Ｉ曲線２０の両方の波動量を減らすことによりレーザを安定させることが好ましい。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、レーザの安定性を高める方法及び装置を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
半導体レーザと、このレーザを安定化させるファイバ格子との間の配置を画定することにより、Ｌ対Ｉ曲線及びＩbd対Ｉ曲線の波動量を減少させる。特に、レーザのＦＰ間隔よりも約２倍〜約４倍大きいスペクトル幅を有する格子が画定されると、レーザ出力に一つの主調波だけが存在する。
【００１９】
または、一つの主モードから次の主モードへ遷移する間、レーザの駆動電流が増大しているとき、前部及び後部出力は線形である。格子をレーザ出力に結合させ直線状のＬ対Ｉ曲線を生成するために、ファイバ格子の帯域幅を増大させることにより、波動を減少させる。本発明では、ファイバ格子のスペクトル幅の半値全幅を、０．１７ｎｍのファブリ・ペロー間隔を有する９８０ｎｍレーザについて、約０．４ｎｍ〜約０．６ｎｍの間に設定する。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明では、ファイバ格子のスペクトル幅はレーザ共振器のＦＰ間隔よりも大きくされている。その結果、レーザ出力にモードジャンプが存在しても、レーザの調波はファイバ格子の帯域幅内に収まる。例えば、９８０ｎｍのポンプレーザでは、主周波数又はモードは９８０ｎｍに集中される。主周波数の次の調波は９８０．１７ｎｍで生じる。従って、このレーザのＦＰ間隔は０．１７ｎｍである。
【００２１】
ファイバ格子のスペクトル幅が０．１９ｎｍ（ＦＰ間隔よりも０．０２ｎｍ大きい）にまで増大すると、図４に示される曲線が得られる。Ｌ対Ｉ曲線１０及びＩbd対Ｉ曲線２０の両方の波動は減少する。ファイバ格子のスペクトル幅が０．５８ｎｍ（レーザ共振器のＦＰ間隔よりも０．４１ｎｍ大きい）にまで増大すると、図５に示されるように、Ｌ対Ｉ曲線及びＩbd対Ｉ曲線の波動は更に一層減少する。
【００２２】
容認可能と見做される、Ｌ対Ｉ曲線及びＩbd対Ｉ曲線の波動の減少量は、レーザが使用される特定の用途に応じて変化する。しかし、多くの用途において、Ｌ対Ｉ曲線及びＩbd対Ｉ曲線はできるだけ平滑であることが必要である。例えば、本発明は光増幅器のポンプ源としてレーザを使用する。従って、レーザのＦＰ間隔の約３倍のスペクトル幅を有するファイバ格子が最も望ましい。
【００２３】
なぜなら、レーザのＦＰ間隔の約３倍のスペクトル幅を有するファイバ格子は直線状のＬ対Ｉ曲線及びＩbd対Ｉ曲線を生成するからである。最後に対照サンプルを使用し、特定のＦＰ間隔及び所望の波動減少量にとって必要なスペクトル幅の半値全幅を決定する。
【００２４】
Ｌ対Ｉ曲線及びＩbd対Ｉ曲線の波動の減少は、レーザ共振器のＦＰ間隔よりも大きなスペクトル幅を有するファイバ格子を使用することにより得られる。その結果、ファイバ格子は、様々な調波のピーク間の遷移（モードジャンプ）に対して線形的に適応することができる。換言すれば、或るモードのピークと別のモードのピークとの間のレーザ遷移として、レーザ出力光はファイバ格子スペクトル幅の帯域幅内に依然として包容されている。
【００２５】
前記の格子形状（例えば、ファイバ格子のスペクトル幅が＜０．０１ｎｍである形状）では、レーザが或る調波から別の調波に移動するにつれて、レーザは格子のスペクトル幅の外側に逸脱してしまうことがある。その結果、ファイバ格子は光をレーザ共振器に向かって不均一に反射する。
【００２６】
本発明の方法及び装置では、ファイバ格子のスペクトル幅がＦＰ間隔よりも大きい場合、レーザ共振器が或るモードから別のモードにジャンプするに応じて、モード間の遷移はファイバ格子の帯域幅内に依然として含まれる。従って、一定で均一な光出力フィードバックがレーザ共振器に返送され、直線状のＬ対Ｉ曲線が得られる。
【００２７】
図６は本発明で使用される装置の一例の概要構成図である。本発明の目的のために、マルチモードレーザのようなレーザはファブリ・ペローモードを発揮しなければならない。図６において、半導体レーザチップ１００はレーザキャリア１１０に実装されている。レーザキャリア１１０は窒化アルミニウム又は酸化バリウムから構成されている。
【００２８】
しかし、レーザキャリアの使用目的の一つはレーザからの熱を放散させることなので、高熱伝導率を示す材料ならば全てレーザキャリアとして使用できる。更に、レーザキャリア１１０は、レーザチップと同じ熱膨張率を有しなければならない。これにより、レーザチップに加わる熱膨張応力を低下させることができる。
【００２９】
レーザキャリアはレーザチップ１００のビヒクルサポートを提供し、ヒートシンクとしても機能する。レーザ１００からの前方発光はマイクロレンズ１４０を通してシングルモードファイバ１５０に結合される。シングルモードファイバ１５０の終端には面取りされたコネクタ１７０が配設されている。レーザ１００の後方発光はホトダイオード１３０によりモニタされる。
【００３０】
レーザ１００、レーザキャリア１１０、ホトダイオード１３０及びマイクロレンズ１４０は全てレーザモジュール１２０内に収容されている。レーザモジュール１２０のサイズは高さ０．３インチ（７．３ｍｍ）、長さ１インチ（２４．５ｍｍ）、幅０．５インチ（１２．３ｍｍ）である。
【００３１】
長さが約１ｃｍのファーストオーダーファイバ格子はレーザチップ１００から約５インチ〜４０インチ（１２．３ｃｍ〜１０１ｃｍ）離されて配置されている。しかし、ファイバの屈折率変化が小さい場合、長い格子を使用すべきであり、反対に、ファイバの屈折率が大きい場合、短い格子を使用する事ができる。例えば、ファイバ格子１６０のパラメータを下記の表１に要約して示す。
【００３２】
0003542694.tif 000002
【００３３】
前記の表１に示された特性を有する格子を使用することにより、より一層安定な９８０ｎｍ半導体レーザが得られる。図７は、本発明で使用されるレーザ及び格子のフロントライト及びバックライト性能を示す特性図である。図７において、ファイバ格子のスペクトル幅は、光出力２００（ＤＬ’／Ｌ’）における第１導関数変化率の関数及びモニタ電流２１０（ＤＩbd／Ｉbd）の変化率の関数としてプロットされている。
【００３４】
図７から明らかなように、スペクトル幅が増大するにつれて、光出力及びモニタ電流の変化率は減少する。例えば、スペクトル幅が０ｎｍから０．２ｎｍにまで増大すると、フロントライト２００及びバックライト２１０の両方とも劇的に減少する。スペクトル幅が０．２ｎｍ〜０．６ｎｍの範囲内の場合、フロントライト２００及びバックライト２１０の両方とも減少は緩慢となる。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、レーザ共振器のＦＰ間隔よりも大きなスペクトル幅を有するファイバ格子を使用することにより優れた安定性を有するレーザが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】利得対波長の関係を示す特性図である。
【図２】ファイバ格子の反射率曲線を示す特性図である。
【図３】スペクトル幅が０．０１ｎｍ未満の場合の、ファイバ光出力対レーザ順方向電流の関係を示す特性図である。
【図４】スペクトル幅が０．１９ｎｍの場合の、ファイバ光出力対レーザ順方向電流の関係を示す特性図である。
【図５】スペクトル幅が０．５８ｎｍの場合の、ファイバ光出力対レーザ順方向電流の関係を示す特性図である。
【図６】本発明の装置の一例の概要構成図である。
【図７】ファイバ格子スペクトル幅の関数としての、フロントライト及びバックライトの線形性を示す特性図である。
【符号の説明】
１００  半導体レーザチップ
１１０  レーザキャリア
１２０  レーザモジュール
１３０  ホトダイオード
１４０  マイクロレンズ
１５０  シングルモードファイバ
１６０  ファイバ格子
１７０  面取コネクタ
【図１】
0003542694.tif 000003
【図２】
0003542694.tif 000004
【図３】
0003542694.tif 000005
【図４】
0003542694.tif 000006
【図５】
0003542694.tif 000007
【図６】
0003542694.tif 000008
【図７】
0003542694.tif 000009