(57)【要約】本発明は、有効空洞長すなわち空洞の共振モードの光ビーム経路長を決める第１、第２のミラー・エンドを有する主共振器と、対向する第１、第２のエンド表面を有する光利得エレメントであって、第２の表面が前記主共振器内に配置された光利得エレメントと、第２のミラー・エンドを構成しているミラー・エレメントと、第２のエンド表面と前記ミラー・エレメントの間のビーム経路に沿って配置された分散集束共振器エレメントとを備え、主共振器の前記有効空洞長が変化するように構成された波長可変光源に関する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
有効空洞長すなわち空洞の共振モードの光ビーム経路長を決める第１、第２のミラー・エンドを有する主共振器と、
対向する第１、第２のエンド表面を有する光利得エレメントであって、前記第２の表面が前記主共振器内に配置された光利得エレメントと、
前記第２のミラー・エンドを構成しているミラー・エレメントと、
前記第２のエンド表面と前記ミラー・エレメントの間のビーム経路に沿って配置された分散集束共振器エレメントとを備え、前記主共振器の前記有効空洞長が変化するように構成された波長可変光源。
【請求項２】
前記主共振器の前記第１のミラー・エンドが、前記光利得エレメントの前記第１のエンド表面によって構成された請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記有効空洞長が、前記第１のミラー・エンドと第２のミラー・エンドの間の、前記空洞のビーム経路に沿った距離を変化させることによって変化するように構成された請求項１または２に記載の光源。
【請求項４】
前記分散集束エレメントのその像平面までの距離が波長に依存する請求項３に記載の光源。
【請求項５】
前記第２のミラー・エンドを構成している前記ミラー・エレメントが、レーザがレーザを放出するようになされた波長に対して、前記分散集束エレメントの像平面距離上に配置するように構成された請求項４に記載の光源。
【請求項６】
第２の分散集束エレメントを備え、前記第１の集束エレメントと第２の集束エレメントの間に空間フィルタ・ユニットが配置された請求項１または２に記載の光源。
【請求項７】
前記分散集束エレメントの分散が波長依存傾斜分散である請求項１または２に記載の光源。
【請求項８】
第２の分散集束エレメントをさらに備え、偏向ミラーが、一方の前記分散集束エレメントから射出するビームを、もう一方の前記分散集束エレメントに入射する前に反射するように構成された、前記有効空洞長を変化させるべく前記偏向ミラーを移動させることができる請求項７に記載の光源。
【請求項９】
前記光利得エレメントが半導体利得エレメントによって構成された前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１０】
前記半導体利得エレメントが表面発光半導体利得エレメントによって構成された請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
自動自己整列空洞を有し、それによりレイジングが基本的に前記光源の固有コンポーネントの個々の位置に無関係に生じる請求項１０に記載の光源。
【請求項１２】
前記半導体利得エレメントが端面発光半導体エレメントによって構成された請求項９に記載の光源。
【請求項１３】
前記光源が、レイジング・モードの位相を制御するように、前記光利得エレメントの光路長を変化させるための手段を備えた請求項１２に記載の光源。
【請求項１４】
前記光利得エレメントの前記光路長が、前記利得エレメントの温度を調整することによって変化するように構成された請求項１３に記載の光源。
【請求項１５】
前記ミラー・エレメント１が、前記光利得エレメントの前記光路長を変更するように設計することができるチャープ軸回折格子を備えた請求項１３に記載の光源。
【請求項１６】
前記光利得エレメントが、前記空洞の前記光ビーム経路に沿って直列に配置された利得セクションと位相セクションに細分され、前記利得エレメントの前記光路長が、前記位相セクションの前記光路長を変更することによって変化するように構成された請求項１３に記載の光源。
【請求項１７】
前記主共振器の前記光路長が変化するように構成され、それによりレイジング波長に無関係に前記主空洞の総移相を一定の値に保持することができる前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１８】
前記光利得エレメントの前記第２の表面および前記第２のミラー・エンドが、光学的共役平面となるように構成された前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１９】
表面発光半導体エレメントの場合、前記第２のミラー・エンドが光ファイバのエンド表面、好ましくは前記光ファイバのコア・エンド表面に配置される前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項２０】
前記分散集束エレメントが単一画像化光コンポーネントによって構成された前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項２１】
前記分散集束エレメントが光コンポーネントの組合せによって構成された前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長可変光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長可変光源、主として波長同調可能レーザ源の市場は、現在、急速に増加しており、このような光源の用途は、今日、電気通信などの分野にも広がっている。したがって従来技術において様々な波長可変光源が良く知られている。
【０００３】
ＪＰ−０  ６０  ２１  ５４９に、このような光源の１つが開示されている。この文書には、反射ミラー・エンドと第２の外部ミラー・エンドを有する半導体利得エレメントを備え、これらのミラー・エンドが空洞を形成している同調可能半導体レーザが開示されている。２つの集光レンズが空洞の内部に配置され、この２つの集光レンズの間に回転可能フィルタが配置されている。フィルタを回転させることによって主レイジング・モードの波長を変更することができるが、この構成は複数のコンポーネントからなっており、したがって誤整列に対して極めて敏感であり、かつ、その製造が極めて高価である。また、長期間に渡って機械的、光学的に安定した共振器を構築することが困難であり、その上、モードをホップさせることなく波長を同調させることが面倒である。
【０００４】
また、「OFC '88/Wednesday poster/124 WQ27、Interference-filter tuning of a semiconductor laser in a misalignment-tolerant degenerate external cavity、P.Zorabedian、W.R.Trutna Jr」に、同じ基本原理を使用した従来技術によるもう１つのデバイスが開示されているが、その構造が外部ミラーの角度誤整列に対して鈍感であったとしても、このタイプの波長可変光源には、構造がある程度複雑になり、かつ、その構造がコンポーネントの個々の位置に対して敏感であるため、コンポーネントの位置の誤整列が光源の機能劣化の原因になる欠点を有している。この構成も、上記の構成と同様、複数のコンポーネントからなっており、したがってコンポーネントの位置の誤整列、すなわちシステムの光軸に沿ったコンポーネントの相対移動によって生じる誤整列に対して敏感であるばかりでなく、その製造が高価であり、また、モードをホップさせることなく波長を同調させることが面倒である。
【０００５】
「Conjugate-Concentric laser resonator、R.V.Pole、Journal of the optical society of America、Vol 55、No 3、254-260頁」に、構造がより単純な代替共振器構造が開示されている。この文書には、共役同心共振器を達成するように、共振器が球面共振器であり、能動利得媒体が空洞内の中心に置かれ、レンズのように作用するレーザ共振器が開示されているが、この光源は同調可能ではなく、したがって近代の応用に対しては、その用途が限られている。また、レンズ・エレメントと光利得エレメントが一致しているため、この構成は、半導体レーザとは使用することができない。
【０００６】
同調可能外部空洞構成の他の例は、当分野の技術者に良く知られている、いわゆるリットマン構成およびリトロー構成であるが、これらのいずれの構成も誤整列に対して敏感であるため、より安定した構成が必要である。また、従来技術による構成の多くは複数のコンポーネントからなっており、したがって誤整列損失に関連する欠点を抱えている。また、複数のコンポーネント表面が空洞内に存在しているため、上で説明した様々な空洞は、大きな共振器損失の問題を抱えており、光パワー出力が減少する原因になっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって本発明の目的は、従来技術が抱えている上記欠点のうちの少なくともいくつかを克服した波長可変光源を提供し、また、構造が単純で、かつ、安定した、費用有効性の高い方法で実現することができる光源を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的は、有効空洞長すなわち空洞のレイジング・モードの光ビーム経路長を決める第１、第２のミラー・エンドを有する主共振器と、対向する第１、第２のエンド表面を有する光利得エレメントであって、前記第２の表面が前記主共振器内に配置された光利得エレメントと、前記第２のミラー・エンドを構成しているミラー・エレメントと、前記第２のエンド表面と前記ミラー・エレメントの間のビーム経路に沿って配置された分散集束共振器エレメントとを備え、前記主共振器の前記有効空洞長が変化するように構成された波長可変光源によって達成される。それにより、誤整列に対して鈍感で、かつ、構造が単純な安定した同調可能共振器が得られる。また、モードをホップさせることなく同調させることができる。さらに、この共振器は損失が小さくなっている。また、その共振器構造により、共振器の内部表面の無反射コーティングの品質により鈍感な共振器を得ることができ、延いては低コストでの量産に適した共振器を得ることができる。
【０００９】
本発明のとりわけ好ましい実施態様によれば、光利得エレメントは、表面発光エレメントである。この場合、共振器は、本質的に自己整列することになるため、たとえば製造が容易になり、かつ、安定した動作が保証される。第２のミラー・エンドは、同じく光ファイバのコア・エンド表面に配置されることがより好ましく、その場合、共振器の構造によって自己整列が促進されるため、放出されるレーザ・ビームが自動的に光ファイバに結合される。
【００１０】
本発明による他の好ましい実施態様とその利点については、当分野の技術者には、特許請求の範囲および以下の説明から明らかになるであろう。
【００１１】
以下、本発明の現時点における好ましい実施形態について、添付の図面を参照して説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の第１の主要実施形態の第１の代替形態を開示したものである。図１には、第１、第２のミラー・エンド１、２によって形成された主共振器空洞Ｍを備えたレーザ光源が開示されている。光利得エレメント３、ここでは端面発光半導体エレメントが主共振器内に配置されている。端面発光半導体エレメントという用語は、光利得エレメントの活性物質を構成しているエピタキシャル層の表面法線に対して基本的に直角をなす方向に光ビームが伝搬する光利得エレメントとして解釈されたい。光利得エレメント３は、対向する第１、第２のエンド表面３ａ、３ｂを有しており、この代替形態では、第１のエンド表面３ａは、空洞の第１のミラー・エンド１を構成するように配置されている。第２のエンド表面３ｂは空洞内に配置されている。この第２のエンド表面３ｂは、以下で説明するように、無反射コーティングを備えていても、あるいは備えていなくても良い。空洞の第２のミラー・エンド２は、この代替形態では、部分的に透過性の広帯域反射コーティングとしてミラー・エレメント４上に設けられている。ミラー・エレメント４は、関係するすべての波長に対して、主共振器Ｍの２つのミラー・エンド間の所望する定義済み比率のパワーがミラー・エレメント４から放出されるような反射率を有している。
【００１３】
本発明によれば、空洞内には、さらに、端面発光半導体エレメント３の第２のエンド表面３ｂとミラー・エレメント４の間に分散集束エレメント５が配置されている。その構造については追って説明するが、分散集束エレメントの焦点距離は波長に依存しており、図２に示すように、光利得エレメントの第２の端部の像平面を波長に依存した位置に生成させている。図２は、第１の波長λ１を有する光が第１の平面ｚ31に集束し、第２の波長λ２を有する光が第２の平面ｚ32に集束し、第３の波長λ３を有する光が第３の平面ｚ33に集束する様子を略図で示したものである。したがって、ミラー・エレメント４を異なる長手方向の位置と位置の間、つまり当該共振器モードのビーム経路に沿って移動させることによって空洞の有効長が変化し、異なる波長のレーザを光源に放出させることができる。この分散集束エレメントにより、共振器のＱを高い値にすることができる。つまり、ミラー・エレメント４のあらゆる選択位置に対して、狭波長間隔の損失を小さくすることができる。したがって共振器は、図１または図２に示す事例の場合、共振器のｚ軸に沿ってミラー・エレメント４を単に移動させることにより、様々な波長に対して同調可能に共振する。また、ミラー・エレメント４は、主共振器内の総移相を変更することなく移動させることができる。つまり、ミラー・エレメント４は、モードをホップさせることなく移動させることができる。
【００１４】
したがって、選択された波長に対するレイジングを達成する場合、分散集束エレメント５から当該波長に対する像平面距離の位置までミラー・エレメント４を移動させることになる。したがってミラー・エレメント４を固定位置に維持し、共振器の他のコンポーネント、たとえば光利得エレメント３自体を分散集束エレメントに対して移動させることも可能であり、同じ効果を得ることができる。また、光利得エレメントと分散集束エレメントの両方をミラー・エレメント４に対して移動させることも可能であり、それにより所望する効果を得ることができる。
【００１５】
本発明の第１の主要実施形態のこの第１の代替形態の一変形例よれば、上で説明した実施形態のミラー・エレメント４は、空洞の主最低次数モードに対して高度に反射性であり、かつ、より高い次数モードに対して反射率がより小さくなるように、その断面全体に渡って反射率が変化する反射表面を有するミラー・エレメントと交換することができる。したがって、所望するレイジング波長を除く空洞内のすべての波長に対して共振器のＱ値が小さくなる。反射率は、ミラー・エレメントの中心領域とその外側で最大であり、より小さい鏡面反射率を有している。高度に反射性の表面の面積は、ミラー上の主モードの拡大に基本的に対応するように選択することができる。この方法によれば、共振周波数が主モードの共振周波数とは異なる軸モードと、より高い次数の空間モード（あれば）の両方が抑制される。ミラー・エレメントは、主要共振モードが、主要共振モードの外側の範疇に属する波長を有する光より大きい球面反射率を経る限り、様々な方法で設計することができる。上記効果は、たとえば無反射コーティング、吸収層、光を散乱させる拡散層、あるいは反射性もしくは透過性回折表面レリーフを、主モードに対して高度に反射性の領域の外側のミラー領域に施すことによって達成することができる。また、その断面全体に渡って他の方法で反射率が変化するミラー・エレメントを使用することも可能であることに留意されたい。一般的にはＲ＝Ｒ（ｘ、ｙ）であると言える。Ｒはミラー・エレメントの反射率であり、ｘおよびｙは、ミラー・エレメントの反射表面を表す座標系を形成している。ミラー・エレメントの反射率パターンを適切に設計することにより、必ずしも主モードではなく、空洞内の任意のモードを選択することができるが、その場合、損失が大きくなるため、所望するモードの伝搬を可能にする利得エレメントを選択しなければならない。
【００１６】
さらに、本発明の第１の主要実施形態の第２の代替形態によれば、図３に示すように、光ファイバのエンド表面に直接ミラー・エレメントを配置することができるため、光源の光出力を直接光ファイバに結合することができる。光ファイバは、単一モード・タイプの光ファイバであっても、多モード・タイプの光ファイバであっても良い。
【００１７】
本発明の第１の主要実施形態の第３の代替形態によれば、図４に示すように、半導体利得エレメント３の第２のエンド表面３ｂに実質的な反射率、たとえば半導体材料と空気の間の界面、つまり無反射コーティング等が施されていない界面に一般的に存在する反射率である２０％と４０％の間の反射率、一般的には約３０％の反射率を持たせることができる。この実施形態は、さらに、利得エレメントの光路長を変化させるための、利得エレメント３を加熱することによってその光路長を変化させる手段６、ここでは熱電エレメントあるいは抵抗などの加熱デバイスを備えている。この代替形態では、主共振器は２つの結合共振器からなっている。一方は、光利得エレメント３のエンド表面３ａ、３ｂによって形成された結合共振器であり、もう一方は、光利得エレメント３の第２のエンド表面３ｂとミラー・エレメント４によって形成された結合共振器である。この実施形態の場合、この２つの共振器の間の位相関係を制御する必要があるため、加熱デバイス６は、所望するレーザ波長の関数として光利得エレメントの導波路の光路を変更するように構成されている。この実施形態の場合、ミラー・エレメント４には、上で説明した任意の種類のミラー・エレメントを使用することができることに留意されたい。また、この代替形態による光利得エレメントの位相制御モードは、半導体利得エレメント３の第２のエンド表面３ｂの反射率が上記反射率範囲２０〜４０％以外の場合にも使用することができることに留意されたい。たとえば、他の好ましい実施形態では、位相制御は、広範囲の波長に渡って光源を同調させることができるよう、半導体利得エレメント３の第２のエンド表面３ｂの反射率が１０−3〜１０−2の範囲である場合に使用されている。このコンテキストにおいては、空洞内のコンポーネント、たとえば空洞内の、温度を変化させることによって、あるいは電界を変化させることによってその屈折率を変更することができる個別光プレートなどの屈折率を変更することによって、光有効空洞長を変更するための他の方法が可能であることに留意されたい。もう１つの可能性は、空洞の光ビーム経路に沿って直列に配置された利得セクションと位相セクションの２つのセクションに細分された利得エレメントを使用することである。この場合、利得セクションは、利得をもたらすべく構成され、利得電流によって制御される。一方、位相セクションは、何ら利得を提供することはなく、単に位相電流によって位相セクションを制御することにより、位相セクションの屈折率を変更することができるのみである。したがって、位相セクションの光路長を変更することにより、利得エレメントの光路長を変化させることができる。
【００１８】
さらに、本発明の第１の主要実施形態の一変形態様によれば、主空洞の第１のミラー・エンド、つまりこの場合、光利得エレメントの第１のエンド表面を介してレーザ・ビームに結合することができる。この実施形態の場合、ミラー・エレメント４は、部分的に透過性の反射型広帯域ミラーとして構成されており、一方、第１のエンド表面３ａは、パワーの一部をレーザ・ビームとして透過させるように構成されている。この変形態様は、さらに、上で説明した任意の代替実施形態に使用することができる。
【００１９】
次に、図５を参照して本発明の第２の主要実施形態の第１の代替形態について説明する。図５は、第１、第２のミラー・エンド１１、１２によって形成された主共振器空洞Ｍを備えたレーザ光源を開示したものである。光利得エレメント１３、ここでは表面発光半導体利得エレメントが主共振器Ｍ内に配置されている。表面発光半導体エレメントという用語は、光利得エレメントの活性物質を構成しているエピタキシャル層の表面法線に対して基本的に平行の方向に光ビームが伝搬する光利得エレメントとして解釈されたい。光利得エレメント１３は、対向する第１、第２のエンド部分１３ａ、１３ｂを有しており、この代替形態では、第１のエンド部分１３ａは、空洞の第１のミラー・エンド１１を構成するように配置されている。第２のエンド部分１３ｂは空洞内に配置されている。この第２のエンド部分１３ｂは、無反射コーティングを備えていても、あるいは備えていなくても良い。空洞の第２のミラー・エンド１２は、この代替形態では、部分的に透過性の広帯域反射コーティングとしてミラー・エレメント１４上に設けられている。ミラー・エレメント１４の反射率は、関係するすべての波長に対して、主共振器内で生成される総光パワーのうちの決められた比率のパワーが第２のミラー・エンドから放出されるように選択されている。本発明によれば、空洞内には、さらに、表面発光半導体利得エレメント１３の第２のエンド表面とミラー・エレメント１４の間に、上で説明した分散集束エレメント１５が配置されている。その構造については追って説明するが、図２に示すように、分散集束エレメントはその像平面までの距離が波長に依存している。図２は、第１の波長λ１を有する光が第１の平面ｚ31に集束し、第２の波長λ２を有する光が第２の平面ｚ32に集束し、第３の波長λ３を有する光が第３の平面ｚ33に集束する様子を略図で示したものである。したがって、上で説明したように、ミラー・エレメント１４を異なる位置と位置の間を共振器のビーム経路に沿って移動させることによって空洞の有効長が変化し、異なる波長のレーザを光源に放出させることができる。この分散集束エレメントにより、共振器のＱを高い値にすることができる。つまり、ミラー・エレメント１４のあらゆる選択位置に対する狭波長間隔の損失を小さくすることができる。したがって共振器は、図５に示す事例の場合、共振器のｚ軸に沿ってミラー・エレメント１４を単に移動させることにより、異なる波長で同調可能に共振する。また、ミラー・エレメント１４は、主共振器内の総移相を変更することなく移動させることができる。つまり、ミラー・エレメント１４は、モードをホップさせることなく移動させることができる。
【００２０】
したがって、選択された波長に対するレイジングを達成する場合、分散集束エレメント１５から当該波長に対する像平面距離の位置までミラー・エレメント１４を移動させることになる。また、空洞の他のコンポーネントを移動させることも可能であり、同じ効果を得ることができる。
【００２１】
この第２の主要実施形態の一代替形態によれば、上で説明した方法と同じ方法で、反射率がその断面全体に渡って変化する反射表面をミラー・エレメント１２に持たせることができ、その場合、ミラー・エレメントが横方向および／または縦方向に移動する際、つまりミラー・エレメントが当該共振器モードのビーム経路に対して直角に移動し、かつ／またはビーム経路に沿って移動する際に、共振器の誤整列を伴うことなく共振器波長を同調させることができる。
【００２２】
本発明の第２の主要実施形態の第２の代替形態によれば、図６に示すように、第２の主要実施形態のミラー・エレメントを光ファイバのコア領域のエンド表面に配置することができるため、光源の光出力を直接光ファイバに結合することができる。光ファイバは、単一モード・タイプの光ファイバであっても、多モード・タイプの光ファイバであっても良い。この構造は、光ファイバへのレーザ光の自己整列を可能にしている。レーザ・モードは、表面発光利得エレメント中を横向きに移動することができるため、上で言及したコア上に第２のミラー・エレメントを配置することにより、レイジング・モードは、ファイバ・コアの位置が共振器の損失が最も小さい位置であるため、自動的にファイバ・コアの位置に調整することになる。
【００２３】
さらに、第２の主要実施形態の一変形態様によれば、主空洞の第１のミラー・エンド、つまりこの場合、光利得エレメントの第１のエンド表面を介してレーザ・ビームを結合することができる。この実施形態の場合、ミラー・エレメント１４は、好ましくは高度に反射性の広帯域ミラーとして構成されており、一方、第１のエンド表面１３ａは、パワーのうちの所望の決められた部分をレーザ・ビームとして透過させるように構成されている。
【００２４】
本発明の構造により、第１の主要実施形態では、光利得エレメントの第２の端部が共振器の第２のミラー・エンド上に画像化され、また、第２の主要実施形態では、第１のミラー・エンドが共振器の第２にミラー・エンド上に画像化される。その画像化は共振器を安定した構造にしていることに留意されたい。したがって一方のミラー平面上の任意の物体点がもう一方のミラー平面上に画像化される。図８ｂは、この原理を第１の主要実施形態の場合について示したもので、ミラー・エレメント４が角度的に誤整列している（図８ａは、従来技術による共振器を示す参考実施例を開示したものである）。図８では、１のラベルが振られたビームがミラー・エレメント４に当たり、ミラー・エレメント４で方向が変わって共振器内を２のラベルが振られたビーム経路に沿って戻っている。２のラベルが振られたビームが表面３ｂに到達すると、モードが光利得エレメントの導波モードに巻き込まれ、第１のミラー・エンド３ａに向かってそのまま進み、光利得エレメント内で反射して表面３ｂに再度入射し、以上の動作が繰り返される。これは、共振器内を１往復する毎に１回、循環共振器モードが導波路／利得エレメント内で空間的にフィルタリングされるものと見なすことができる。図８ｃは、本発明の構造による第２の主要実施形態の、角度的に誤整列したミラー・エレメント４に対する共振器の安定性を示したものである。基本原理は、図８ｂを参照して上で説明した原理と基本的に同じである。
【００２５】
第１のミラー・エレメント１は、反射型チャープ・グレーティング、すなわち大きい屈折率と小さい屈折率が交番する反射層のスタックであって、反射層の厚さがスタック全体に渡って変化するスタックとして形成することができる。このようなチャープ・ミラー・エレメントを使用することにより、広帯域波長特性を得ることができる。このようなチャープ・グレーティングを光利得エレメントの端部に使用することにより、導波路も、光利得エレメントの導波長を波長と共に変化させることができる利点を有することになり、それにより、たとえば、導波長の長さが波長に比例して適切な量だけ増減し、光利得エレメントの総有効移相が波長に無関係に一定になるよう、チャープ・グレーティング・ミラーを設計することができる。これは、図４に示す実施形態の代替形態と見ることができる。
【００２６】
次に、上記実施形態の分散集束エレメントについてさらに詳細に説明する。分かり易い手法によれば、分散集束エレメントは、分散特性と集束特性の両方を有する単一屈折収斂レンズ・エレメントによって構成されている。屈折エレメントの屈折率は、入射する光の波長によって決まるため、それにより分散効果が得られる。別法としては、１つまたは複数のレンズの組合せが発散レンズであったとしても、収斂レンズとして作用する屈折レンズと組合せることによって分散集束エレメントを構成することも可能である。この場合、組合せレンズの焦点距離は、入射する光の波長によって変化する。適切な材料の組合せを組合せレンズとして選択することにより、波長の変化による共振器の光路長の変化を平衡させるべく、組合せレンズの分散を調整することができ、延いてはモードをホップさせることのない共振器を提供することができる。また、１つの屈折エレメントと１つの回折エレメントを使用して分散集束エレメントを構成することも可能である。これは、たとえば、１つの屈折表面と、回折表面レリーフを備えた相対する屈折表面とを有するレンズによって提供することができる。また、このようなエレメントは、屈折レンズ・エレメントおよび個別の回折エレメントとして提供することも可能である。個別の回折エレメントは、たとえば、第２のミラー・エンドを支えているエレメント（回折表面レリーフを有する一方の表面上およびミラーを備えた反対側の表面上のガラス板などの）上の回折表面レリーフとして構成することもできる。また、このような個別の回折エレメントは、第２のミラー・エンドから分離することも可能であるが、所望する機能を得るためには、ミラーと回折表面レリーフの間に一定の距離を置かなければならないことに留意されたい。折返し空洞などの非直線状空洞幾何学の場合、回折表面レリーフを備えた集束反射表面として分散集束エレメントを用意することができる。他の代替形態として、好ましくは一方の表面に回折表面レリーフを備えた、いわゆるＧＲＩＮエレメント（分布屈折率エレメント）として分散集束エレメントを構成することも可能である。もう１つの代替形態として、ミラー・エレメント２を支えているボディの一部である平らな表面上あるいは湾曲した表面上の回折表面レリーフとして分散集束エレメントを構成することも可能である。また、ホログラフィック光エレメントを分散集束エレメントとして単独で、あるいは上で言及した代替形態のうちの任意の１つと組み合わせて利用することも可能である。
【００２７】
上で説明した分散集束エレメントに関して、集束エレメントの分散が分散の符号に無関係に適切な分散になると、レーザは直ちに同調可能になることに留意されたい。しかしながら場合によってはモードのホップが問題になることがある。モードのホップを伴わないレーザは、共振器のＱ値が共振器内の一定の移相に一致する波長依存共振器長に対して最大になるように分散を平衡させることによって得ることができる。分散は、モードのウェストが空洞の光軸に沿って節パターンのストレッチと同じ速度で移動するように選択しなければならない。波長に比例したウェストの移動速度は、特定のレンズ分散に対して、光利得エレメントと分散集束エレメントの間の距離を調整することによって制御することができる。
【００２８】
本発明は、上に示した直線的な空洞の幾何学的形状に何ら限定されず、実際、任意の湾曲空洞あるいは折返し空洞を使用して実現することができる。図７は、このような空洞の一例を示したものである。この例では、空洞内に２つの分散集束エレメント５ａ、５ｂが互いに一定の距離を隔てて配置されている。分散集束エレメントの各々の分散は、元のビーム経路の方向に対して傾斜している。つまり、この分散集束エレメントは、伝搬方向が傾斜した射出ビームを提供している。伝搬方向の傾斜角度は、入射する光の波長によって決まる。前記分散集束エレメントの間に、中央可動ミラー９が、一方の分散集束エレメントからの射出ビームがもう一方の分散集束エレメントに向かって反射するように配置されており、この中央可動ミラーの位置が、反射する波長を決定している。可変有効空洞長を有する同調可能源が提供されている。この構造は、第１のミラー・エンドの任意の物体点が第２のミラー・エンド上だけでなく、この中央可動ミラー上にも画像化されるような構造であることが好ましく、それにより、はるかに安定した共振器が得られる。また、当分野の技術者には、本発明による着想を利用することができる代替折返し空洞構造が容易に思い浮かばれよう。傾斜分散は、プリズムなどの回折格子エレメントあるいは屈折エレメントによって得ることができる。また、分散エレメント（たとえば回転対称レンズ）が「オフアクシス」で使用される非折返し空洞、つまり、分散エレメントの光軸の位置とは異なる位置で分散エレメントに入射するように光学モードが構成された非折返し空洞にも傾斜分散を使用することができる。
【００２９】
さらに、本発明の他の変形態様によれば、空洞内に第２の分散集束エレメントを配置することができ、第１の集束エレメントと第２の集束エレメントの間に空間フィルタ・ユニットを配置させる。この空間フィルタ・ユニットは、たとえば、主最低次数モードを通過させ、かつ、より高い次数モードに対してはより大きく損失させる中央開口を有するピン・ホール・エレメントとして提供することができる。このピン・ホール・エレメントの位置を変化させることによって同調可能性が得られる。
【００３０】
したがって、本発明によれば、光利得エレメントのスペクトル幅によってのみ制限される同調間隔を有する同調可能レーザ源が得られる。逆に、分散集束エレメントを使用しない場合、狭く、かつ、制限された波長間隔（共振器の約１自由スペクトル幅程度）の範囲内でのみ同調可能な同調可能レーザ源が得られる。このレーザ源は、その構造が本質的に単純であり、費用有効性の高いコンパクトな製造が可能である。最も単純に実現された同調可能源は、いくつかを上で説明した様々な設計の単一回折エレメントを備えている。この単一回折エレメントは、第１、第２の反射表面の間に配置され、相俟って共振器を構成している。また、いかなる事例の場合においても（上記参照）、第１のミラー・エンド上もしくは光利得エレメントの第２の端部の任意の物体点が第２のミラー・エンド上に画像化される（およびその逆）ため、共振器は極めて安定であり、かつ、誤整列に対して鈍感である。その上、表面発光エレメントの場合、空洞が自己整列するため、製造が容易であり、長期間の使用による変化に対してより鈍感な空洞にすることができる。
【００３１】
また、分かり易くするために、全説明を通して、反射するという表現と透過させるという表現を使用して、たとえばミラー・エレメントの特性が記述されていることに留意されたい。当分野の技術者に良く知られているように、実際には、このようなエレメントは、通常、ごく部分的に反射し、また、ごく部分的に透過させており、このような部分特性は、「反射する」および「透過させる」という上記の定義に包含されている。また、上で説明した実施形態が本発明の実現方法に関する単なる実施例に過ぎないことは、当分野の技術者には容易に認識されよう。上で説明した光源は、総じて１つまたは２つ光出口を有しているが、本発明の範囲内で多重出口空洞が可能であることにとりわけ留意されたい。しかしながら、光源共振器は、総じて２つの光出力を有している。１つはレーザ・ビームを結合するためのものであり、もう１つは、たとえば、パワーおよび波長などのレーザ特性をモニタし、かつ、制御するために使用されるモニタ・ビームを結合するためのものである。
【００３２】
さらに、共振器内の開口数（ＮＡ）の選択、つまり、第２のミラー・エレメントに向かって伝搬する際のモードに対する発散角度（θ）の正弦の選択は、慎重に実施しなければならないことに留意されたい。ＮＡの値が小さい場合、共振器のモード選択性が悪くなり、また、ＮＡの値が大きい場合、モード選択性が向上する。ＮＡの値（第２のミラー・エレメント付近の）は、０．１〜０．６の範囲内で選択されることが好ましいが、特定のアプリケーションでは、この範囲外の値であっても使用することができる。
【００３３】
また、いかなる事例の場合であっても、光利得エレメントの第１、第２のエンド表面は平行であっても、非平行であっても良いこと、また、対向するという表現には、たとえば光利得エレメントが若干湾曲し、エンド表面の平面が互いに一定の角度を形成している事例など、このようなすべての事例を包含することが意図されていることに留意されたい。また、光利得エレメントのエンド表面は、その表面でモードが内部反射する表面として、あるいはその表面を貫通してモードが光利得エレメントから射出する表面のいずれかとして解釈されたい。光利得エレメントに関して、半導体材料、エルビウム・ドープ光ファイバなどのドープ導波材料、あるいはドープ固体結晶などの様々な材料を使用して光利得エレメントを製造することができることに留意されたい。しかしながら、他の材料を使用することも可能である。また、電気的もしくは光学的に光利得材料をポンピングすることができ、これは本発明の重要な本質ではないことにも留意されたい。
【００３４】
本発明による光源は、電気通信などの多くのアプリケーション分野に使用することができ、また、たとえば情報の生成および制御あるいはコンポーネントの試験および測定などのアプリケーションに使用することができる。コンポーネントの試験や測定のアプリケーションに使用する場合、本発明による光源を使用して、電気通信分野におけるコンポーネント、サブシステム、さらにはより大型のシステムの波長特性を試験し、かつ、測定することができる。本発明による光源は、本来、ＷＤＭ分野において有用であり、いわゆるＪＴＵグリッド規格による数百の標準化波長チャネルのうちの任意の１つに光源を設定することができる。また、本発明による光源は、たとえばガスを検出し、あるいはガスの含有量を測定するための分光学の分野にも等しく適用することができる。また、本発明による光源は、たとえば距離および／または速度を測定するための度量衡学の分野でも使用することができる。
【００３５】
最後に、本開示および特許請求の範囲を考察することにより、当分野の技術者には、本発明およびそのコンポーネントに対する他の多くの改変および変更が明らかであることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の第１の主要実施形態の第１の代替形態を示す略図である。
【図２】本発明の動作原理を示す略図である。
【図３】本発明の第１の主要実施形態の第２の代替形態を示す略図である。
【図４】本発明の第１の主要実施形態の第３の代替形態を示す略図である。
【図５】本発明の第２の主要実施形態の第１の代替形態を示す略図である。
【図６】本発明の第２の主要実施形態の第２の代替形態を示す略図である。
【図７】本発明の第３の実施形態を示す略図である。
【図８】ａ：従来技術による共振器内を循環するビームの多重往復経路を示す略図である。ｂ：本発明の第１の主要実施形態による共振器内を循環するビームの多重往復経路を示す略図である。ｃ：本発明の第２の主要実施形態による共振器内を循環するビームの多重往復経路を示す略図である。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成16年4月26日(2004.4.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
有効空洞長すなわち空洞の共振モードの光ビーム経路長を決める第１、第２のミラー・エンドを有する主共振器と、
対向する第１、第２のエンド表面を有する光利得エレメントであって、前記第２の表面が前記主共振器内に配置された光利得エレメントと、
前記第２のミラー・エンドを構成しているミラー・エレメントと、
前記第２のエンド表面と前記ミラー・エレメントの間のビーム経路に沿って配置された分散集束回折共振器エレメントとを備え、前記主共振器の前記有効空洞長が変化するように構成された波長可変光源。
【請求項２】
前記主共振器の前記第１のミラー・エンドが、前記光利得エレメントの前記第１のエンド表面によって構成された請求項１に記載の光源。
【請求項３】
前記有効空洞長が、前記第１のミラー・エンドと第２のミラー・エンドの間の、前記空洞のビーム経路に沿った距離を変化させることによって変化するように構成された請求項１または２に記載の光源。
【請求項４】
前記分散集束回折エレメントのその像平面までの距離が波長に依存する請求項３に記載の光源。
【請求項５】
前記第２のミラー・エンドを構成している前記ミラー・エレメントが、レーザがレーザを放出するようになされた波長に対して、前記分散集束回折エレメントの像平面距離上に配置するように構成された請求項４に記載の光源。
【請求項６】
第２の分散集束回折エレメントを備え、前記第１の集束エレメントと第２の集束エレメントの間に空間フィルタ・ユニットが配置された請求項１または２に記載の光源。
【請求項７】
前記分散集束回折エレメントの分散が波長依存傾斜分散である請求項１または２に記載の光源。
【請求項８】
第２の分散集束回折エレメントをさらに備え、偏向ミラーが、一方の前記分散集束回折エレメントから射出するビームを、もう一方の前記分散集束回折エレメントに入射する前に反射するように構成された、前記有効空洞長を変化させるべく前記偏向ミラーを移動させることができる、請求項７に記載の光源。
【請求項９】
前記光利得エレメントが半導体利得エレメントによって構成された前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１０】
前記半導体利得エレメントが表面発光半導体利得エレメントによって構成された請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
自動自己整列空洞を有し、それによりレイジングが基本的に前記光源の固有コンポーネントの個々の位置に無関係に生じる請求項１０に記載の光源。
【請求項１２】
前記半導体利得エレメントが端面発光半導体エレメントによって構成された請求項９に記載の光源。
【請求項１３】
前記光源が、レイジング・モードの位相を制御するように、前記光利得エレメントの光路長を変化させるための手段を備えた請求項１２に記載の光源。
【請求項１４】
前記光利得エレメントの前記光路長が、前記利得エレメントの温度を調整することによって変化するように構成された請求項１３に記載の光源。
【請求項１５】
前記ミラー・エレメント１が、前記光利得エレメントの前記光路長を変更するように設計することができるチャープ軸回折格子を備えた請求項１３に記載の光源。
【請求項１６】
前記光利得エレメントが、前記空洞の前記光ビーム経路に沿って直列に配置された利得セクションと位相セクションに細分され、前記利得エレメントの前記光路長が、前記位相セクションの前記光路長を変更することによって変化するように構成された請求項１３に記載の光源。
【請求項１７】
前記主共振器の前記光路長が変化するように構成され、それによりレイジング波長に無関係に前記主空洞の総移相を一定の値に保持することができる前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１８】
前記光利得エレメントの前記第２の表面および前記第２のミラー・エンドが、光学的共役平面となるように構成された前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項１９】
表面発光半導体エレメントの場合、前記第２のミラー・エンドが光ファイバのエンド表面、好ましくは前記光ファイバのコア・エンド表面に配置される前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項２０】
前記分散集束回折エレメントが単一画像化光コンポーネントによって構成された前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【請求項２１】
前記分散集束回折エレメントが光コンポーネントの組合せによって構成された前記請求項のいずれか一項に記載の光源。
【国際調査報告】
2005529498.tif 000010
2005529498.tif 000011