(57)【要約】  本発明は、利得媒体、同調可能要素およびチャネル割当グリッド要素を含んだ単一モード外部空洞同調可能レーザに関する。チャネル割当グリッド要素は、好ましくは、ＦＰエタロンであり、このＦＰエタロンは、ＩＴＵチャネルグリッド、例えば２００、１００、５０または２５ＧＨｚに対応する複数の等間隔の透過ピークを確定するように構造化され、かつ構成されている。好ましくは同調可能ミラーである同調可能要素は、グリッドエタロンのピークを区別する粗同調要素として役立つ。本発明の同調可能レーザは、１５ｍｍ以下、好ましくは１２ｍｍ以下の比較的短い空洞長を有する。ＦＰエタロンは外部空洞に位相非直線性を導入し、この位相非直線性は、エタロン透過ピークに対応して、空洞モードの圧縮、すなわち空洞モード間隔の減少を引き起こすことが見出された。モード圧縮は、以下で（ＦＷＨＭ）ＦＰと呼ばれる、グリッドＦＰエタロンのＦＷＨＭ帯域幅の減少と共に、増加する。（ＦＷＨＭ）ＦＰは、約２ＧＨｚから約８ＧＨｚまでの範囲に含まれるべきである。好ましくは、（ＦＷＨＭ）ＦＰは、ほぼ３から６ＧＨｚの間に含まれる。
2007515771.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ発光周波数で単一縦モードの出力放射を放射するように構成された同調可能レーザシステムであって、
物理長Ｌ０および複数の空洞モードを有する外部空洞と、
光ビームを前記外部空洞中に放射する利得媒体と、
選択された波長グリッドの対応するチャネルに実質的に合わされた複数の通過帯域を確定するように前記外部空洞中に配列されているチャネル割当グリッド要素であって、前記通過帯域が半値全幅（ＦＷＨＭ）の帯域幅を有しているチャネル割当グリッド要素と、
前記通過帯域のうちの１つを同調可能に選択するように前記外部空洞中に配列されて、前記光ビームを同調させるチャネルを選択する同調可能要素と、を含み、
Ｌ０が１５ｍｍよりも長くなく、前記チャネル割当グリッド要素のＦＷＨＭの帯域幅が２から８ＧＨｚの間に含まれている同調可能レーザシステム。
【請求項２】
前記チャネル割当グリッド要素のＦＷＨＭの帯域幅が、３から６ＧＨｚの間に含まれている、請求項１に記載のレーザシステム。
【請求項３】
前記長さＬ０が、１２ｍｍよりも長くない、請求項１または２に記載のレーザシステム。
【請求項４】
前記レーザ発光周波数が、０．５ＧＨｚよりも小さくない所定の周波数精度Δνの範囲内で単一空洞モードに選択され、そして、前記チャネル割当グリッド要素の前記通過帯域内の前記外部空洞の２つの隣接する空洞モード間の最小間隔ｓｍｉｎが前記周波数精度Δνの２倍よりも大きくないように、前記チャネル割当グリッド要素のＦＷＨＭの帯域幅が選択される、前記請求項のいずれかに記載のレーザシステム。
【請求項５】
前記選択された波長グリッドが、２５から２００ＧＨｚまでの範囲にあるチャネル間隔を有する、前記請求項の一項に記載のレーザシステム。
【請求項６】
前記選択された波長グリッドが、２５または５０ＧＨｚのチャネル間隔を有する、前記請求項の一項に記載のレーザシステム。
【請求項７】
前記チャネル割当グリッド要素が、ファブリ−ペロエタロンを備える、前記請求項の一項に記載のレーザシステム。
【請求項８】
前記ファブリ−ペロエタロンが、前記光ビームに対する垂直面に対して０．４°から０．８°の間に含まれた傾斜角で配置されている、請求項７に記載のレーザシステム。
【請求項９】
前記ファブリ−ペロエタロンが、前記光ビームに対する垂直面に対して０．５°の傾斜角で配置されている、請求項７または８に記載のレーザシステム。
【請求項１０】
前記同調可能要素が、５０から２５０ＧＨｚまでの範囲のＦＷＨＭの帯域幅を有している、前記請求項の一項に記載のレーザシステム。
【請求項１１】
前記同調可能要素が、５０から１００ＧＨｚまでの範囲のＦＷＨＭの帯域幅を有している、請求項１０に記載のレーザシステム。
【請求項１２】
前記同調可能要素が、前記外部空洞の一端に配置された同調可能ミラーを備える、前記請求項の一項に記載のレーザシステム。
【請求項１３】
前記同調可能ミラーが、基板上に形成された導波路および前記導波路上に形成された回折格子を含む電気光学要素である、請求項１２に記載のレーザシステム。
【請求項１４】
前記同調可能ミラーが、前記回折格子の少なくとも隙間を埋める被覆層をさらに備え、前記被覆層が液晶材料を備える、請求項１３に記載のレーザシステム。
【請求項１５】
前記利得媒体が、半導体レーザダイオードである、請求項１から１４のいずれか一項に記載のレーザシステム。
【請求項１６】
前記レーザ発光周波数が、単一横空洞モードに選択される、請求項１から１５のいずれか一項に記載のレーザシステム。
【請求項１７】
互いに（ＦＳＲ）空洞だけ間隔を開けた複数の空洞モードを確定する外部空洞を有する同調可能レーザシステムのレーザ発光周波数を制御する方法であって、前記レーザ発光周波数が単一縦空洞モードに選択され、
利得媒体から放射された光ビームを、選択された波長グリッド要素の対応するチャネルに実質的に合わされた複数の通過帯域から選択された通過帯域の対応する中心周波数に同調させるステップと、
前記選択された通過帯域のＦＷＨＭの帯域幅を、
ＦＷＨＭ＜２．５（ＦＳＲ）空洞、かつ
ＦＷＨＭ≧２ＧＨｚ、
であるように選択するステップと、を含む方法。
【請求項１８】
前記選択された通過帯域のＦＷＨＭの帯域幅が、８ＧＨｚよりも大きくない、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記選択された通過帯域のＦＷＨＭの帯域幅が、３から６ＧＨｚの間に含まれる、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記選択された波長グリッド要素のチャネルが、２５から１００ＧＨｚの間に含まれたチャネル間隔を有する、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記選択された通過帯域のＦＷＨＭの帯域幅およびｓｍｉｎが、次の関係を満足し、
ＦＷＨＭ＝α＋β・ｓｍｉｎ
ここでαが−０．８から−２．７ＧＨｚまでの範囲にあり、βが１．２から２．６までの範囲にある、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
レーザ出力パワーを最大にするように、前記利得媒体の注入電流を調節することによって、前記レーザ発光周波数を前記選択された通過帯域に合わせるステップをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
互いに（ＦＳＲ）空洞だけ間隔を開けた複数の空洞モードを確定する外部空洞を有する同調可能レーザシステムのレーザ発光周波数を制御する方法であって、前記レーザ発光周波数が、所定の周波数精度Δνの範囲内で単一縦空洞モードに選択され、
利得媒体から放射された光ビームを、選択された波長グリッド要素の対応するチャネルに実質的に合わされた複数の通過帯域から選択された通過帯域の対応する中心周波数に同調させるステップと、
前記選択された通過帯域のＦＷＨＭの帯域幅を、２．５（ＦＳＲ）空洞よりも大きくないように、かつ前記通過帯域内の前記外部空洞の２つの隣接する空洞モード間の最小間隔ｓｍｉｎが前記周波数精度Δνの２倍よりも大きくないように、選択するステップと、を含む方法。
【請求項２４】
前記周波数精度Δνが、０．５ＧＨｚよりも小さくない、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信送受信装置としての外部空洞同調可能レーザに関し、この外部空洞同調可能レーザは特に波長分割多重光通信ネットワークに適合されている。
【背景技術】
【０００２】
同調可能光源としてのレーザの使用は、波長分割多重（ＷＤＭ）システムまたは新しく発展した稠密ＷＤＭ（ＤＷＤＭ）システムの再構成性を大いに改善することができる。例えば、単に波長を合わせるだけで、異なるチャネルをノードに割り当てることができる。また、同調可能レーザは、波長ルーティングに基づいて仮想専用ネットワーク、すなわち光ネットワークを形成するために使用することができる。
【０００３】
分布ブラッグ反射レーザ、移動上部ミラー付きＶＣＳＥＬレーザ、または外部空洞ダイオードレーザなどの同調可能レーザを実現するために、様々なやり方を使用することができる。外部空洞同調可能レーザは、高出力パワー、広い同調範囲、優れた副モード抑制および狭い線幅のようないくつかの有利点を提供する。機械的調節可能または電気的活動化空洞内選別器要素のような外部空洞波長選択を行うために、様々なレーザ同調機構が開発されている。
【０００４】
米国特許第６，５２６，０７１号は、国際電気通信連合（ＩＴＵ）グリッドの任意のチャネルに中心波長を生成するように電気通信用途で使用することができる外部空洞同調可能レーザを記載している。開示された同調可能レーザは、利得媒体、グリッド発生器、およびチャネル選別器を含み、グリッド発生器とチャネル選別器の両方はビームの光路の中にある。グリッド発生器は、チャネル間隔に対応する間隔で空洞の周期的な縦モードを選択し、隣接するモードを阻止する。チャネル選別器は、波長グリッド内のチャネルを選択し、他のチャネルを阻止する。
【０００５】
増加する光通信トラフィックに対応するために、５０ＧＨｚおよび最終的には２５ＧＨｚのチャネル間隔を有するＤＷＤＭシステムが開発中である。ＤＷＤＭはより狭いチャネル間隔を使用するので、全同調および動作温度範囲にわたった送信機レーザの波長（周波数）精度が重要な問題になっている。５０ＧＨｚチャネル間隔を有するＤＷＤＭシステムは、一般に、レイジング周波数について±２．５ＧＨｚの精度を必要とするが、２５ＧＨｚのシステムは一般に±１．２５ＧＨｚの周波数精度を必要とする。したがって、同調可能レーザの組立および動作において、所望の動作波長を迅速かつ正確に設定しかつ維持する信頼性の高い波長安定化方法が、非常に重要な問題である。
【０００６】
レーザ波長および他の出力パラメータの能動制御システムは、一般に、外部空洞同調可能レーザシステムで実現されている。しばしば、この能動制御システムは、レーザ波長を所望の動作波長にロックすることに依拠している。一般的なロッキング技術は、電流帰還か温度帰還かのどちらかによって、所望の値に中心のある波長を維持するように帰還信号を使用することができる。波長ロックシステムは、外部支援回路として存在するか、またはレーザモジュールに一体化することができる。
【０００７】
米国特許第６，３６６，５９２号は、同調可能ファブリ−ペロ（ＦＰ）空洞および空洞長変調器を含んだ同調可能レーザを記載し、この空洞長変調器は空洞の光学的な長さを制御する。ＦＰ空洞は、最初に所望の動作波長に合わされ、それから、空洞長変調器が、動作波長の光の１波長よりも一般に小さい量だけレーザ空洞の物理長を変えるように駆動される。精密な空洞間モード同調は、波長ロック装置で検出されるような絶対波長を基準にして実現される。もしくは、出力パワーが最大になるまで空洞長が調節され、この出力パワー最大は、空洞モードの中心がＦＰフィルタの中心波長にあるときに起こる。この特許に記載された解決策は、短いレーザ空洞、好ましくは３ｃｍ未満、好ましい実施形態では１ｃｍ未満の空洞を有する同調可能レーザに主として応用可能であると言える。
【０００８】
連続的に同調可能である空洞内要素の離散的な波長選択は、波長同調の精度を制限することができ、かつ波長を所望の動作値に維持するために波長ロックシステムの使用を必要とすることに、発明者は気付いた。一体化されていても、波長ロックシステムの使用は、レーザモジュールのコストを高くし、レーザシステムの小型に不利なことがあることに、さらに気付いた。
【０００９】
米国特許出願第２００３／００１２２３０号は、利得媒体と端部ミラーとの間の光路に位置付けされたグリッドエタロンおよびウェッジエタロンチャネル選別器を含んだ外部空洞レーザを記載している。グリッドエタロンは、ＩＴＵグリッドのグリッド線間の間隔に対応する自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）を有する。チャネル選別器の線幅の半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約１２０ＧＨｚに対応する１．０ｎｍよりも大きく、かつ約１９０ＧＨｚに対応する１．５ｎｍよりも小さいと言われている。特定の例では、グリッド発生器は、約２５ＧＨｚに対応する約０．２ｎｍのＦＷＨＭ線幅を有する。
【００１０】
出願者は、波長グリッドの各チャネルの間の外部空洞レーザの隣接モードを抑制するために、グリッド発生器の選択されたピークの中心に空洞モードを合わせることは、グリッド発生器が空洞モード間隔に対して低いフィネスを有するとき、特に困難であることに気付いた。この場合、共振波長を能動的に制御して選択されたチャネルに合わせ、かつロックする帰還システムが、一般に必要とされる。
【００１１】
いくつかの液晶（ＬＣ）デバイスが、レーザおよび他のＷＤＭシステム部品の波長選択用の電子的同調可能スペクトルフィルタとして開発された。
ＬＣフィルタは、電気化学効果による液晶の劣化を防止するために交流（ＡＣ）電圧で駆動されることが多い。Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．７１、ページ２４６４〜６６に発表された「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｌｏｃｋｉｎｇ  ｏｆ  ａ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ  ｆｉｌｔｅｒ」に、同調可能ＬＣファブリ−ペロ（ＦＰ）フィルタの周波数ロッキングの技術が述べられている。このフィルタの共振を制御するためにＬＣ−ＦＰフィルタに加えられる周波数ωの交流電圧は、透過光強度に２ωの小さな変調を引き起こす。温度変動を補償するために、２ω信号に起因する派生信号を最小にする帰還システムによって、ＦＰフィルタの周波数追跡が行われる。
【００１２】
レーザ空洞の波長選択および同調は、能動同調可能ミラーを使用して行うことができる。能動同調可能ミラーとして使用することができる、ＬＣを使用する電気光学制御要素が、米国特許第６，１２５，９２８号に開示されている。レーザのレイジング波長は、能動同調可能ミラーによって、ミラーの共振波長であるように決定される。共振波長は、電気光学制御要素に供給される電圧または電流を変えることによってシフトさせることができる。
【００１３】
米国特許第６，２０５，１５９号は、ＬＣ−ＦＰ干渉計への電圧を変えることによって離散的な波長の組に同調する外部空洞半導体レーザを開示している。同調させることができる離散的な波長の組は、静的な空洞内エタロンによって確定される。静的空洞内エタロンのＦＳＲは、ＬＣＦＰ干渉計の分解帯域幅よりも大きいように設計される。静的エタロンのＦＷＨＭ線幅は、外部空洞縦モード間隔よりも小さくなければならない。２５ｍｍの外部空洞光路長の場合、１００ＧＨｚのＦＳＲおよび３．３ＧＨｚのＦＷＨＭを有する固体エタロンは、安定動作の要求条件を満たすと言える。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、利得媒体、同調可能要素およびチャネル割当グリッド要素を含んだ単一モード外部空洞同調可能レーザに関する。チャネル割当グリッド要素は、好ましくは、ＦＰエタロンであり、このＦＰエタロンは、複数の等間隔透過ピークを確定するように構造化され、かつ構成されている。ＷＤＭまたはＤＷＤＭ電気通信システムの用途では、透過ピーク間隔、すなわちグリッド要素のＦＳＲは、ＩＴＵチャネルグリッド、例えば２００、１００、５０または２５ＧＨｚに対応する。ＦＰエタロンは、互いに向かい合い光路で隔てられた一対の部分反射ミラーを含む。ＦＰエタロンは、固体または空気スペースのエタロンであることがある。
【００１５】
好ましくは同調可能ミラーである同調可能要素は、グリッドエタロンのピークを区別する粗同調要素として役立つ。同調可能要素のＦＷＨＭ帯域幅は、グリッドエタロンのＦＷＨＭ帯域幅よりも小さくない。縦単一モード動作では、特定のチャネル周波数に対応するＦＰエタロンの透過ピークは、単一空洞モードを選択すべきである。すなわち透過すべきである。したがって、ＦＰエタロンは、各チャネル間の空洞の隣接モードを抑制するフィネスを有すべきであり、このフィネスはＦＳＲをＦＷＨＭで割ったものとして定義される。単一モードレーザ発光の場合、縦空洞モードは、エタロン透過ピークの１つ（同調可能要素で選択されたもの）の最大に対して位置付けされるべきである。このようにして、特定の周波数だけがエタロンを通過し、他の競合する隣接空洞モードは抑制される。
【００１６】
本発明の同調可能レーザは、比較的短い、すなわち約１５ｍｍ以下の空洞長を有する。短いレーザ空洞は、レーザシステムが標準的なパッケージ、例えば蝶形パッケージに組み立てられるとき、大きさの制約のために望ましい。さらに、次の議論から明らかになるように、短い空洞は、より長い空洞に比べて、エタロンを透過したモードのより優れたモード抑制を示す。レイジングモードに隣接した空洞モードの、エタロンによる抑制は、スペクトルエタロン側抑制（ＥＳＳ）と以後呼ばれる。好ましくは、空洞長は、約１２ｍｍよりも長くない。
【００１７】
レーザ空洞長を減少することは、縦空洞モードの間隔、すなわち次の関係のために以下で（ＦＳＲ）空洞と呼ばれるレーザ空洞の自由スペクトル範囲、の増加につながる。
【００１８】
【数１】
2007515771.tif 000003
【００１９】
ここで、ｃ０は真空中の光の速度、ｎｉ（ｉ＝１、．．．、ｍ）は、光が空洞中で遭遇するｉ番目の光学要素を満たす媒体または空洞自体（すなわち、自由空間）の屈折率であり、そしてＬｉはｉ番目の要素の光路の物理長である。レーザ空洞中の光の光路は、実効空洞長Ｌｅｆｆと呼ばれ、次式で定義される。
【００２０】
Ｌｅｆｆ＝ΣｉｎｉＬｉ                          （２）
実効空洞長は、もちろん、外部空洞の物理長Ｌ０に関係付けられる。レーザ外部空洞は、空洞の物理長として定義される長さＬ０で隔てられた２個の向かい合う反射性の一般に平行な表面で構成された光共振器と考えることができる。一般に、Ｌｅｆｆ≧Ｌ０。
【００２１】
式（１）を次のように書き直すことができる。
【００２２】
【数２】
2007515771.tif 000004
【００２３】
１５ｍｍよりも小さなＬ０を有する外部空洞レーザでは、（ＦＳＲ）空洞は一般に約８〜１０ＧＨｚよりも大きい。
より短い空洞が使用されるとき、基本的に、より低いフィネスのＦＰエタロンが使用されるかもしれない。より低いフィネスのＦＰエタロンを使用できることは、整合の許容範囲を緩和し、それによって、デバイスの複雑さを軽減するかもしれない。
【００２４】
発明者は、ＦＰエタロンが外部空洞に位相非直線性を導入し、この非直線性が、エタロン透過ピークに対応して空洞モードの圧縮、すなわち空洞モード間隔の減少を引き起こすことを見出した。モード圧縮は、以後（ＦＷＨＭ）ＦＰと呼ばれる、グリッドＦＰエタロンのＦＷＨＭ帯域幅の減少と共に増加する。（ＦＷＨＭ）ＦＰの十分に大きな値では、空洞長に依存する値、空洞モード圧縮は無視できるほどになる。第１の近似で、２．５（ＦＳＲ）空洞よりも小さな（ＦＷＨＭ）ＦＰの場合、モード圧縮の効果は大きく、すなわち約１０％よりも大きい。
【００２５】
モード圧縮は、ＦＰエタロンの非常に狭い帯域幅分解能に対して特に大きいが、実際には他の考慮事項が（ＦＷＨＭ）ＦＰの下限を設定する。ＦＰエタロンはレーザ空洞中に光損失を生じさせ、この光損失は（ＦＷＨＭ）ＦＰの減少と共に増加する。発明者は、光損失を抑制するために（ＦＷＨＭ）ＦＰは約２ＧＨｚ以上であるべきであることを確認した。
【００２６】
発明者は、（ＦＷＨＭ）ＦＰが約２ＧＨｚから約８ＧＨｚの範囲に含まれるべきであることを見出した。好ましくは、（ＦＷＨＭ）ＦＰは、ほぼ３から６ＧＨｚの間に含まれる。チャネル間隔、（ＦＳＲ）ＦＰは、好ましくは、２５から２００ＧＨｚの間に含まれる。
【００２７】
エタロンモード内の空洞モード圧縮の効果は、レーザ空洞の位相を制御するために使用することができる。所定の空洞長について、したがって所定の「固有の」（すなわち、エタロン非直線性を考慮に入れない）空洞モード間隔、（ＦＳＲ）空洞について、エタロンモードの中心（すなわち、ピーク値）から特定の間隔以下に位置付けされた少なくとも１つの空洞モードが１つのエタロンピーク内にあるように（ＦＷＨＭ）ＦＰを選択することができることを、発明者は確認した。言い換えると、同調可能要素によって選択された任意のチャネルについて、選択されたエタロンピークのピーク波長のまわりの特定の波長範囲内にレーザ発光波長を確定することができる。この条件を満足するレーザシステムは、レーザ空洞の形状および寸法で実現され能動制御を必要としない受動位相「擬似同期」を示す。
【００２８】
図１は、レーザ空洞内の様々なモードを示す図であり、（Ａ）に、共振外部空洞によって引き起こされた空洞モード、すなわち（ＦＳＲ）空洞を、（Ｂ）に、標準ＩＴＵチャネル間隔にロックされたピークの位置を有するＦＰエタロンのモード（示された例では、（ＦＳＲ）ＦＰは１００ＧＨｚである）を示し、そして、（Ｃ）は同調可能要素、すなわちチャネル選別器の通過帯域である。
【００２９】
所与の「固有」空洞モード間隔（ＦＳＲ）空洞では、エタロン非直線性の効果を含んだ、エタロン透過ピーク内の空洞モード間隔は、最小モード間隔Ｓｍｉｎから最大モード間隔Ｓｍａｘまで変化する。図２（ａ）を参照して、Ｓｍｉｎは、エタロン透過ピーク内に少なくとも２つの空洞モードが存在する条件に対応し、そして、（選択された）エタロンピークの最大に対応する周波数ｆＦＰに隣接した２つのモードは、前記周波数ｆＦＰから実質的に等距離にある。この条件では、必要なコヒーレントな長さを実現するのに十分な支配的な周波数はなく、縦モードホッピングが起こることがある。モードホッピング条件の下では、モードは縦空洞モード間をジャンプし、レーザ出力波長およびパワーの突然の不連続な変化をもたらす。エタロンピークの外および中の空洞モードの位置は、図２（ａ）に、白抜きの正方形で示されている。
【００３０】
図２（ｂ）を参照して、Ｓｍａｘは、１つの空洞モード周波数が最適単一モードレーザ動作に対応するｆＦＰに実質的に重なっている条件、すなわち（完全）位相同期の安定レイジングを与える。
【００３１】
発明者は、グリッドエタロンの有利なフィルタ処理特性は、同調可能レーザシステムで得たいと欲している所望の周波数（波長）精度に関係付けられることを確認した。発明者は、所定の周波数精度±Δνの場合、（ＦＷＨＭ）ＦＰは、次の関係が満足されるように選ばれるべきであることを発見した。
【００３２】
Ｓｍｉｎ≦２Δν                          （４）
式（４）で表される条件が満足されるとき、レーザ空洞の位相擬似同期が達成される。
位相擬似同期条件を理解していることで、レーザ設計の柔軟性が可能になり、レーザ設計は、例えば、様々な顧客要求に合わせて作ることができる。本発明に従って、約０．５ＧＨｚまでのレーザ出力周波数の周波数精度が実現可能である。
【００３３】
発明者は、同調可能要素すなわち同調可能ミラーの分解帯域幅へのＳｍｉｎの非常に弱い依存性に気付いた。（ＦＷＨＭ）ＦＰの０．１〜０．２ＧＨｚの範囲内の変化が、約５０から２００ＧＨｚの範囲にある同調可能要素のＦＷＨＭに見出された。
【００３４】
一態様では、本発明は、レーザ発光周波数で単一縦モードの出力放射を放出するように構成された同調可能レーザシステムに関し、このレーザシステムは、
物理長Ｌ０および複数の空洞モードを有する外部空洞と、
光ビームを外部空洞中に放出する利得媒体と、
選択された波長グリッドの対応するチャネルに実質的に合わされた複数の通過帯域を確定するように外部空洞中に配列されるチャネル割当グリッド要素であって、通過帯域が半値全幅（ＦＷＨＭ）の帯域幅を有しているチャネル割当グリッド要素と、
通過帯域のうちの１つを同調可能に選択するように外部空洞中に配列されて、光ビームを同調させるチャネルを選択する同調可能要素と、を含み、
Ｌ０は１５ｍｍよりも長くなく、チャネル割当グリッド要素のＦＷＨＭの帯域幅は２から８ＧＨｚの間に含まれている。
【００３５】
他の態様では、本発明は、互いに（ＦＳＲ）空洞だけ間隔を開けた複数の空洞モードを確定する外部空洞を有する同調可能レーザシステムのレーザ発光周波数を制御する方法に関し、レーザ発光周波数が単一縦空洞モードに選択され、前記方法は、
利得媒体から放射された光ビームを、選択された波長グリッド要素の対応するチャネルに実質的に合わされた複数の通過帯域から選択された通過帯域の対応する中心周波数に同調させるステップと、
選択された通過帯域の、ＦＷＨＭの帯域幅を、
ＦＷＨＭ＜２．５（ＦＳＲ）空洞、かつ
ＦＷＨＭ≧２ＧＨｚ、
であるように選択するステップと、を含む。
【００３６】
好ましい実施形態では、同調可能要素は同調可能ミラーであり、同調可能ミラーは、外部空洞の端部ミラーを形成し、かつ利得媒体例えば半導体レーザダイオードの反射前部ファセットと共に外部空洞の長さを画定している。図３は、同調可能ミラーを備える外部空洞レーザ構成を模式的に示す。利得媒体１は、前部ファセット２および後部ファセット３を備える。前部ファセット２は、部分反射であり、外部空洞の端部ミラーの１つとして役立つ。後部ファセット３は、低反射率を有する。後部ファセットは、一般に、反射防止皮膜（図示しない）で覆われている。コリメーティングレンズ４は、利得媒体によって放射された光ビームをＦＰエタロン５の上に集光し、ＦＰエタロン５はＩＴＵチャネルグリッドにロックされたモードを有する。ＦＰエタロン５の後で、ビームは同調可能ミラー６に衝突し、この同調可能ミラー６は、外部空洞の他方の端部ミラーを形成し、利得媒体前部ファセットと共に空洞物理長Ｌ０を画定している。同調可能ミラーは、エタロン透過ピークの１つを選択することによって、所望のチャネル周波数に同調される。同調可能ミラー６は、電圧発生器７で供給される印加電圧を変えることによって、電子的に同調される。
【００３７】
レーザ効果がレーザ空洞中で起こるためには、２つの条件が満たされなければならない。すなわち、共振の条件および利得の条件であり、これらは次式によってそれぞれ表すことができる。
【００３８】
２ｊΦＬＤ＋２ｊΦＦＳ＋２ｊΦＦＰ＋ｊΦＲ２＝２ｊＮπ      （５）
【００３９】
【数３】
2007515771.tif 000005
【００４０】
ここで、Ｎは整数、ＧＬＤはレーザダイオードのスペクトル利得、ΦＬＤはレーザダイオードによって導入された位相遅延、ΦＦＰはエタロンによって導入された位相遅延、ΦＦＳは自由空間によって導入された位相遅延、ＧＦＰはエタロンの透過スペクトル、Ｒ１はレーザダイオードの前部ファセットの反射率、Ｒ２（λ）は同調可能ミラーの反射率、そして、ΦＲ２は同調可能ミラーによって導入された位相遅延である。エタロン位相遅延ΦＦＰは、エタロンミラーの反射率に関係付けられる。知られていることであるが、フィネスで表される透過の鋭さは、エタロンのミラーの反射率と共に増加する。したがって、ΦＦＰは、適切な関数によって、（ＦＷＨＭ）ＦＰと関係付けられる。
【００４１】
式（５）および（６）を組み合わせて、レーザ空洞モードを得ることができる。
【００４２】
【数４】
2007515771.tif 000006
【００４３】
発明者は、空洞中に存在する他の要素および空洞自体による貢献と比較して、ＦＰエタロンが、レーザ空洞内の位相非直線性に対して圧倒的に大きな貢献をしていることに気付いた。同調可能要素が、エタロンピークのうちの１つを選択する。したがって、選択されたエタロンピークの位相非直線性は、同調可能要素の非直線と結合されたＦＰエタロンの非直線性と考えることができる。上で言及したように、ＦＰエタロンによって生じたモード圧縮は、同調可能要素の分解帯域幅への弱い依存性を示す。
【００４４】
式（７）によって、ｓｍｉｎの所望値について、エタロン位相遅延したがって（ＦＷＨＭ）ＦＰの値または値の範囲を得ることができる。ｓｍｉｎの所望値は、同調可能レーザの必要な、または望ましい周波数精度に関係付けられる。
【００４５】
レーザ出力パワーを監視し、かつパワーが最大になるまで、１つのレーザパラメータ、例えば利得媒体の注入電流に小さな調節を行うことによって、正確なチャネル中心合わせおよび長期の周波数安定性を達成することができる。次の議論から明らかになるように、グリッドエタロンの光透過特性の適切な選択で与えられる位相擬似同期のために、出力パワーの簡単な最大化だけを使用して、空洞モードのチャネル中心合わせは実現可能である。
【００４６】
レーザシステムは、温度安定システムを含むことができる標準１４ピン蝶形パッケージに収納することができる。本発明の実施形態に従って、利得媒体は、第１の熱電冷却器（ＴＥＣ）に取り付けることができる。
【００４７】
他の実施形態に従って、チャネル割当グリッド要素は、第２のＴＥＣに取り付けられる。
本発明のさらに他の実施形態に従って、利得媒体およびチャネル割当グリッド、そして場合によっては、同調可能ミラーは、同じＴＥＣに取り付けられる。
【００４８】
本発明のレーザシステムの１つの他の有利点は、このレーザシステムが同調可能性を実現するために可動部分を含まないことである。
本発明に従ったレーザシステムは、特に、ＩＴＵ５０ＧＨｚチャネルグリッドで全Ｃバンドにわたって高速スイッチングを実現するように設計される。本発明に従った能動制御システムでは、２５ＧＨｚＤＷＤＭチャネル間隔で周波数安定性を実現するために波長ロッカが必要とされない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
本発明の好ましい実施形態に従った同調可能レーザシステムは、模式的に図４（ａ）に示す。利得媒体１９は、半導体レーザダイオード、例えば、外部空洞レーザ用途に特別に設計されたＩｎＧａＡｓ／ＩｎＰ多重量子井戸ＦＰ利得チップによっている。このダイオードは、前部ファセット１７および後部ファセット１６を備える。ダイオードの後部ファセット１６は、空洞内ファセットであり、１０−４／１０−５程度の測定残留反射率を有する反射防止皮膜を有している。好ましくは、利得チップ導波路は、逆向き反射をさらに減らすために後部ファセットへの傾き入射を有するように曲げられている。前部ファセット１７は、部分反射であり、外部空洞の端部ミラーの１つとして働いている。前部ファセットの反射率は、５％から３０％の範囲にある。ダイオードの後部ファセットから出てくるビームは、本実施形態ではファブリプロエタロンフィルタ１２の方に向けてビームを平行にするコリメーティングレンズ１１によって平行にされる。好ましい実施形態では、レーザダイオード利得帯域幅はおおよそ１００ｎｍである。
【００５０】
レーザは、動作波長がＩＴＵチャネルグリッドに合うようなやり方で設計することができる。この場合には、レーザ波長は、ＦＰエタロン１２によってＩＴＵグリッドの中心に合わされ、このＦＰエタロンは、複数の透過ピークを確定するように構造化され、かつ構成されている。チャネル間隔に対応する透過ピーク間隔、すなわち自由スペクトル範囲（ＦＳＲ）ＦＰは、例えば、２００ＧＨｚ、１００ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、または２５ＧＨｚであることがある。透過ピーク（または、通過帯域）の鋭さは、（ＦＷＨＭ）ＦＰによって、またはエタロンのＦＳＲとＦＷＨＭの比であるフィネスによって表される。
【００５１】
好ましくは、ＦＰエタロン１２は、ＦＰエタロンの反射光がレーザダイオードに戻らないようにするために、光ビーム１５に対する垂直面に対して僅かな傾斜角を持った状態で空洞中に配置されている。ＦＰエタロンの傾斜角は、好ましくは、０．４°から０．８°の間で構成され、より好ましくは約０．５°である。
【００５２】
ＦＰエタロン１２の後で、ビームは同調可能ミラー１３に当たり、この同調可能ミラー１３は、第１の端部ミラーと共に、空洞の物理長Ｌ０を確定している。同調可能ミラー１３は、光信号を利得媒体の方に逆戻りに反射し、結果として、同調可能ミラーと利得媒体の前部ファセット１７との間の空洞で共振動作を生じさせる。言い換えると、利得媒体の後部ファセットから同調可能ミラーまでの光路は、外部空洞の実効空洞長Ｌｅｆｆ（式３）に逆比例で依存した（ＦＳＲ）空洞を有する共振器を形成する。レーザビームは、利得媒体の部分反射前部ファセット１７によって外部空洞から外に結合される。場合によっては、コリメーティングレンズ１４は、レーザ出力ビームの光路に沿って配置することができる。
【００５３】
レーザ組立品は、実質的に単一縦かつ好ましくは横モード放射を生成するように設計される。縦モードは、レーザ空洞内におけるいくつかの別個の周波数での同時レイジングを意味する。横モードは、レイジング放射の横方向におけるビーム強度断面の空間変化に対応する。一般に、利得媒体の適切な選択、例えば導波路を含んだ市販の半導体レーザダイオードは、単一空間、すなわち横、モード動作を保証する。
【００５４】
レーザは、ＷＤＭまたはＤＷＤＭシステムの等間隔チャネル周波数に一致する複数の等間隔出力周波数のうちの選ばれた１つで出力放射を放射するように構成される。レーザは、波長λＣＭ（ＣＭ＝空洞モード）で単一縦モード出力を放射するように動作し、この波長λＣＭは、空洞内の光学要素のスペクトル応答および空洞の位相に依存する。
【００５５】
ＦＰエタロンは、レーザ空洞の位相遅延を生じさせ、この位相遅延が、エタロン透過ピークに対応して、空洞モードの圧縮すなわち空洞モード間隔の減少を引き起こす。図３（ａ）を参照して、（ＦＷＨＭ）ＦＰは、空洞モード圧縮の効果を考慮に入れてＳｍｉｎの所望値を得るように選ばれる。Ｓｍｉｎの値は、式（４）によってレーザの必要周波数精度Δνと関係付けられる。
【００５６】
表ＩおよびＩＩは、（ＦＳＰ）ＦＰ＝１００ＧＨｚの場合に（ＦＷＨＭ）ＦＰの異なる値について、Ｓｍｉｎ、Ｓｍａｘおよびエタロン側抑制（ＥＳＳ）の様々な値を記録する。値は、式（７）の数値シミュレーションから得られた。表Ｉは、比較的長いレーザ空洞、すなわちＬ０＝２５ｍｍを示し、表ＩＩは、比較的短いレーザ空洞すなわちＬ０＝１２．５ｍｍを示す。表Ｉおよび表ＩＩの両方に関して、同調可能ミラーのＦＷＨＭ、（ＦＷＨＭ）ＴＭは、１００ＧＨｚである。（ＦＷＨＭ）ＦＰの値の０．１〜０．２ＧＨｚの差が、５０から２００ＧＨｚの範囲にある（ＦＷＨＭ）ＴＭについて見出され、考慮された範囲内での（ＦＷＨＭ）ＦＰの（ＦＷＨＭ）ＴＭへの弱い依存性を示している。
【００５７】
【表１】
2007515771.tif 000007
【００５８】
【表２】
2007515771.tif 000008
【００５９】
表Ｉおよび表ＩＩから明らかなように、空洞モード圧縮は、（ＦＷＨＭ）ＦＰの値の減少と共に増加し、より短い空洞長の場合に増大する。例えば、（ＦＷＨＭ）ＦＰ＝４．０７ＧＨｚでは、最小空洞モード間隔は、Ｌ０＝２５ｍｍの場合に約５７％減少するが、Ｌ０＝１２．５ｍｍの場合にはモード間隔減少は約７０％である。さらに、表ＩおよびＩＩに記録された結果は、ＥＳＳがより短いレーザ空洞でより顕著になり、他の全てのレーザパラメータは同じであることを示している。
【００６０】
したがって、比較的短い空洞長は、比較的大きなＥＳＳを有するという有利点を有している。すなわち、エタロンは、より短いレーザ空洞においてより優れたスペクトル選択性を有する。発明者は、約１５ｍｍ以下の空洞長で、グリッド要素が優れたスペクトル選択性を有するレーザ設計が可能になることに気付いた。
【００６１】
表ＩＩＩおよびＩＶは、空洞長Ｌ０＝１２．５ｍｍで、５０および２５ＧＨｚの（ＦＳＰ）ＦＰの場合の（ＦＷＨＭ）ＦＰ、フィネスおよびＳｍｉｎの値を記録する。
【００６２】
【表３】
2007515771.tif 000009
【００６３】
【表４】
2007515771.tif 000010
【００６４】
比較的高い周波数精度が実現されるべきである場合、より小さな（ＦＳＲ）ＦＰは、僅かにより大きな選択性の、すなわちより狭い透過帯域を有する、エタロンを必要とすることを、結果は示している。
【００６５】
表Ｖは、空洞長Ｌ０＝１０ｍｍのレーザ空洞の（ＦＳＲ）ＦＰの異なる値について、（ＦＷＨＭ）ＦＰおよびＳｍｉｎの値を記録する。
【００６６】
【表５】
2007515771.tif 000011
【００６７】
（ＦＷＨＭ）ＦＰとＳｍｉｎの間の可能な関係の例として、発明者は、表ＩからＶに記録された例から、次式で表すことができる（ＦＷＨＭ）ＦＰとＳｍｉｎの間のほぼ直線的な依存性を推論した。
【００６８】
（ＦＷＨＭ）ＦＰ＝α＋β・Ｓｍｉｎ              （８）
例えば、Ｌ０＝１０ｍｍおよび（ＦＳＲ）ＦＰ＝１００ＧＨｚの場合の表Ｖに記録されたデータを参照すると、α≒−１．７ＧＨｚおよびβ≒２．０である。必要なΔνは±１．２５ＧＨｚで、Ｓｍｉｎ≒２Δν（式４から）、（ＦＷＨＭ）ＦＰ≒３．３ＧＨｚである。
【００６９】
Ｌ０＝１２．５ｍｍ、（ＦＳＲ）ＦＰ＝１００ＧＨｚの場合の表ＩＩに記録された例を再び参照すると、Δνは±１．２５ＧＨｚであり、（ＦＷＨＭ）ＦＰ≒３．６ＧＨｚである。１０ｍｍから１２．５ｍｍの空洞長および２５から１００ＧＨｚの範囲の（ＦＳＲ）ＦＰの場合、表ＩからＶに示される全ての例を考えると、±１．２５ＧＨｚの周波数精度は、約２．６ＧＨｚから約３．６ＧＨｚの範囲にある（ＦＷＨＭ）ＦＰの値に対応する。
【００７０】
（ＦＷＨＭ）ＦＰ軸上の交点と傾斜は、空洞長およびチャネル間隔に依存し、α＝α［（ＦＳＲ）ＦＰ、Ｌｅｆｆ］およびβ＝β［（ＦＳＲ）ＦＰ、Ｌｅｆｆ］である。７．５と１５ｍｍの間に含まれたＬ０および２５と１００ＧＨｚの間に含まれたチャネル間隔の場合、αはほぼ−０．８から−２．７ＧＨｚの範囲にあり、βはほぼ１．２から２．６の範囲にある。傾斜および交点の絶対値は、チャネル間隔の増加と共に、およびＬｅｆｆ（Ｌ０）の増加と共に増加する。
【００７１】
発明者は、約１５ｍｍよりも長くない光路長の場合、約８ＧＨｚより大きくない（ＦＷＨＭ）ＦＰの値で位相擬似同期が達成されることを見出した。好ましくは、（ＦＷＨＭ）ＦＰは６ＧＨｚよりも大きくない。
【００７２】
最適（ＦＷＨＭ）ＦＰの選択は、また、レーザ空洞中の光損失がエタロンのスペクトル選択性と共に増加することを考慮に入れるべきである。さらに、（ＦＷＨＭ）ＦＰの減少と共に、エタロン中の光パワー密度は増加し、熱光効果によって生じるエタロンのスペクトル応答の可能な不安定につながる。これらの考慮で、実際には、（ＦＷＨＭ）ＦＰの最適値の選択の下限が設定される。
【００７３】
図５は、０．５°の傾斜角で位置付けされた、（ＦＳＲ）ＦＰ＝５０ＧＨｚおよび５００μｍのビームモード場直径（ＭＦＤ）を有するＦＰエタロンについて、減少する（ＦＷＨＭ）ＦＰと共に増加する光損失を示している。約３ＧＨｚよりも小さな（ＦＷＨＭ）ＦＰでは、光損失は２ｄＢよりも大きくなるが、２ＧＨｚの（ＦＷＨＭ）ＦＰでは、３ｄＢよりも大きい。
【００７４】
そして、（ＦＷＨＭ）ＦＰは好ましくは約２ＧＨｚよりも大きく、より好ましくは約３ＧＨｚよりも大きい。
レイジング周波数の受動位相擬似同期の条件が満たされたとき、すなわち、エタロンの（ＦＷＨＭ）ＦＰが適切に選ばれたとき、エタロンピーク（同調可能ミラーで選択されたもの）に、したがってレーザ出力パワーの局所極大に、対応する所望の波長でレーザを動作させる閉ループ制御を実現することができる。
【００７５】
レイジングモードを選択されたエタロンピークと合わせるための閉ループ制御は、例えば、利得媒体例えばレーザダイオードの注入電流を調節することによって行うことができる。レーザダイオードの注入電流の変化は、利得媒体の屈折率の変化、したがってレーザ出力の位相の変化、を引き起こす。そして、レーザダイオードの注入電流の小さな調節を使用して、出力パワーを最大にすることができる。
【００７６】
図６は、本発明に従った例示の同調可能レーザについて、注入レーザダイオード電流ＩＬＤの関数としてレーザ出力パワー（実線）を示す。出力パワーの局所極大で、空洞モードの（選択された）エタロンピークとの整合が得られる。局所極小は、モードホッピングの条件に対応する。図６は、また、ＩＬＤへのレーザ周波数依存性を示す（破線）。極大周波数と極小周波数の間の差は、選択されたエタロンピーク内の２つの隣接する空洞モード間の最小間隔、すなわちＳｍｉｎに対応する。
【００７７】
図６から、レーザの１よりも多い安定動作条件を実現することができ、その安定動作条件は出力パワーのピークに対応することが理解できる。出力パワーは、一連の別個の値のうちの１つに対応するように注入電流を変えることによって選択することができ、局所極大の近くの各パワー値は、ある期間にわたって安定である。
【００７８】
なんらかの理由のために、例えばエージングまたは熱効果によって、もしレーザがドリフトしたならば、周波数を修正するように注入電流を調節するだけで十分であり、このようにして、迅速かつ正確に周波数を中心に合わせることによってモードホッピングの発生を避けられるだろう。
【００７９】
単一モード動作を保証する範囲に含まれた特定の注入電流でレーザダイオードをオンにすることによって、同調可能レーザはオンになる。単一モード動作範囲内の注入電流の任意に初期値で、同調可能レーザ構成は、エージングまたは熱効果による可能な電流ドリフトさえ考慮して、チャネル周波数の迅速かつ正確な中心合わせを可能にする。
【００８０】
エタロンモードのピークの下で空洞モードの微同調を行うために、レーザ出力パワーを最大にする簡単なアルゴリズムを実行することができる。
レーザ空洞中の同調可能要素は、ＦＰエタロンのピークを区別する粗同調要素として役立つ。選択されたチャネル周波数に対する同調可能要素の位置付けの精度および制御は、特に、高いレーザ周波数精度が要求されるとき、非常に重要である。したがって、選択された空洞モードに合わされた同調可能要素のピークを設定し、かつ維持するために、制御ループが望ましい。
【００８１】
好ましい実施形態では、同調可能要素は、同調可能ミラーである。図４（ａ）を再び参照すると、好ましい実施形態の１つに従った同調可能ミラー１３の構造は、米国特許第６，２１５，９２８号により詳細に説明されている。簡単に言うと、同調可能ミラーは、基板上に形成された導波路を含む電気光学要素である。回折格子が、例えば導波路と同じ材料で、導波路の上に形成されている。回折格子を覆って、少なくとも回折格子の隙間を埋める被覆層が形成されている。被覆層は、電気的に選択可能な屈折率の広い範囲を有する液晶材料で作られている。また、場合によっては、被膜層を覆った反射防止皮膜、および／または導波路と反対側の基板の表面に反射防止皮膜があることがある。２つの透明導体が液晶層の相対する表面に配置されている。２つの透明導体間に、電圧または電流供給源が結合されている。導体に加えられた電圧または導体に加えられた電圧間の電流に依存して、同調可能ミラーは、所定の波長（λＴＭ）だけで放射を反射する。全ての他の波長の放射は、同調可能ミラーを通過する。したがって、本実施形態のレーザ構成では、同調可能ミラーは、同調可能選別器要素としてもまた空洞端部ミラーとしても機能する。
【００８２】
同調可能ミラーは、ｄｃストレスによる液晶の劣化を防止するために、周波数ｆＡの交流電圧ＶＴＭ［ＶＴＭ（ｆＡ）］で駆動される。印加電圧の周波数は、２０ｋＨｚから２００ｋＨｚに及ぶことができる。同調可能ミラーのスペクトル応答は、例えばローレンツ曲線の形に似た線形を有しλＴＭに中心があり約５０ＧＨｚから約２５０ＧＨｚに及ぶことができる（ＦＷＨＭ）ＴＭ帯域幅を有したスペクトル線である。特定の実施形態では、８０ｎｍの範囲にわたってλＴＭの同調をとることができる。
【００８３】
好ましくは、ビームの衝突は、同調可能ミラーの導波路表面に対して実質的に垂直である。入射波長λがλＴＭに一致しているか、または近いとき、波長λで一定パワーを有する衝突ビームはミラーで反射される。そのとき、同調可能ミラーは、印加交流電圧のために、周波数ｆＡおよびそれに関連したより高次の高調波２ｆＡ、３ｆＡ、．．．、ｎｆＡで振幅が変調されたビームを反射する。
【００８４】
交流電圧は、同調可能ミラーのスペクトル応答の中心波長λＴＭの振動を引き起こす。図７は、スペクトル線はガウス形であると仮定して、規格化反射パワーを波長の関数としてプロットして同調可能ミラーのスペクトル応答を模式的に示す。スペクトル線は、λＴＭｍｉｎのピークとλＴＭｍａｘのピークの間を周波数ｆＡで振動する。図７において、実線はλＴＭに中心のあるスペクトル線を表すが、破線はλＴＭｍｉｎおよびλＴＭｍａｘに中心のあるスペクトル線を表す。この振動は、反射ビームの振幅変調を引き起こし、この変調はλＴＭに対する入射波長λの位置に依存する。図８は、２つの入射ビームに対する反射ビームの変調の効果を示し、第１のものは同調可能ミラーの波長にほぼ等しい波長すなわちλ１≒λＴＭを有し、第２のものはλＴＭと異なる波長例えばλ２＜λＴＭを有している。λ１の入射ビームに関して、スペクトル線の振動は、反射ビームに周波数ｆＡ（およびそれの高次の高調波）の振幅変調を引き起こし、この変調は最小変調深さを有する。対照的に、入射波長λ２がλＴＭと実質的に異なる場合、スペクトル線の振動は、比較的より大きな変調深さの変調を引き起こし、この変調深さは、絶対値Δλ＝｜λ−λＴＭ｜の波長差が増加するにつれていっそう大きくなる。その結果、反射ビームの変調成分のスペクトル分析から波長差Δλを得ることができる。
【００８５】
変調深さは、２０から２００ＫＨｚの間のＶＴＭ周波数ｆＡの場合、約０．１％から約１０％に及ぶことがある。また、変調深さは、電圧ＶＴＭの関数であり、電圧の増加と共に変調は深くなり、３Ｖから３０ＶＲＭＳに及ぶことができる。
【００８６】
大きな変調深さは、入射空洞モードに対する同調可能ミラーの整合不良の条件に対応するが、最小変調深さは（最適）整合条件に対応する。
Δλ、すなわち同調可能ミラーの共振波長と入射波長の中心合わせの程度、を得る１つの方法は、反射ビームのパワーの変調成分を測定することによる。挿入損失の源となりまたは位相変動を生じさせることがある、レーザ空洞中の光学要素を減らすために、空洞の外でビームパワーを測定することが好ましい。図４（ｂ）を参照して、光検出器１８は、レーザ出力の、利得媒体１０の前に配置することができる。この実施形態に従って、レーザ出力ビームは、ビームスプリッタ２０によって、例えば９８％／２％タップで、分割された後で検出される。
【００８７】
もしくは、同調可能ミラーを透過したパワーの変調成分を測定することができる。図４（ａ）を参照して、同調可能ミラー１３は、７０％〜９５％の代表的な反射率を有し、入射光の（小）部分が透過できるようにする。明らかに、透過率の最小は、λＴＭで起こる。図４（ａ）に示すレーザ構成では、光検出器１８、例えばフォトダイオードは、同調可能ミラーを透過した光を測定するように空洞の外に配置されている。
【００８８】
図４（ａ）および４（ｂ）に示す両方の構成において、外部透過光の変調成分、例えば交流透過パワー［図４（ａ）］または交流レーザ出力パワー［図４（ｂ）］Ｐｆは、電気スペクトル分析器例えばオシロスコープ（図示しない）が後に続いている、または一体化されている光検出器によって、測定することができる。例えば、フォトダイオードをオシロスコープに直接接続することができる。
【００８９】
フォトダイオード１８で受け取られる透過またはレーザ出力パワーは、波長の関数である。図４（ｂ）の構成を考慮すると、反射ビームの波長が変化する場合、反射パワーの変化がある。図９は、反射パワー対波長の例示の測定値を示す。細い実線は、同調可能ミラーのスペクトル応答である統合検出パワーＰｉ（非変調）を表す。Ｐｉの最大は、共振波長λＴＭに対応する。太い実線は、周波数ｆＡでのレーザ出力パワーの変調成分を表し、Ｐｆ’は、共振波長に対応する鋭い最小を示す。また、より高次の高調波の変調成分を測定することもできる。図９において、周波数２ｆＡの変調成分Ｐｆ”が破線で示されている。図９は、レーザ出力パワーの変調成分が波長変化に対して総合光パワーＰｉよりも数桁敏感であることをはっきり示している。統合パワーとそれの変調成分の両方が入力パワー、すなわち衝突ビームのパワーに依存するので、波長制御のために比Ｐｉ／Ｐｆを監視することができる。
【００９０】
同調可能ミラーで反射された［図４（ｂ）］、または透過された［図４（ａ）］ビームの変調の振幅は、チャネル選別器すなわち同調可能ミラーの空洞モードとの整合のために必要な調節の大きさを示している。反射ビームまたは透過ビームの変調の位相は、調節の方向を示している。レーザ組立品において、動作的に、レーザ出力の光パワーの交流成分およびこれの関連した位相を測定して、空洞モード波長λＣＭと同調可能ミラーのピーク波長λＴＭの間の波長差、すなわちΔλ＝λＣＭ−λＴＭの大きさおよび符号を評価する。波長差Δλを減少または打ち消すために、同調可能ミラーに加えられる電圧ＶＴＭを変えることによって、光パワーの交流成分の最小化が求められる。
【００９１】
変調信号のスペクトル分析の代わりに、２つの他の方法を使用することができる。同調可能ミラーを透過したパワーを監視する場合には、λＴＭをλＣＭと合わせるために、透過された全パワーを最小にするように勾配アルゴリズムを実行することができる。例えば制御アルゴリズムを実行して図４（ａ）に示す型の構成において印加電圧ＶＴＭを変化させ、かつ透過パワーを測定することによって、透過パワーの最小化を得ることができる。レーザ出力を監視する場合［図４（ｂ）］には、レーザ出力の光パワーを最大にするように、勾配アルゴリズムを実行することができる。
【００９２】
同調可能ミラーの整合のための制御アルゴリズムは、変調深さが全レーザ同調範囲で、例えば１５３０から１５６５ｎｍのＣ帯域で、約±２％よりも大きくないことを保証する。このようにして、レーザ出力信号のスペクトル線幅の広がりは、１５３０から１５６５ｎｍの範囲の放射波長で約１０ＭＨｚよりも大きくない。
【００９３】
変調の周波数は、透過中に外部空洞レーザで供給される変調搬送波信号との干渉が起こるのを防止するように十分に低く選ばれる。好ましくは、変調周波数は、２０ＫＨｚから２００ＫＨｚの範囲に含まれる。
【００９４】
このシステムを用いて、実時間信号監視を行うことができる。ＩＴＵグリッドの全てのチャネルの初期動作点は、ルックアップテーブルに格納されている。ルックアップテーブルにおいて、全てのチャネルは、同調可能ミラーに加えられる電圧ＶＴＭに、したがって選択可能なチャネル波長λＴＭに関連付けられている。
【００９５】
レーザ空洞のモード安定化のために、λＦＰのエタロン透過ピークの中心とλＣＭの空洞モードとの整合が達成されるべきである。上で説明したように、レーザダイオードの注入電流ＩＬＤを調節し、かつレーザ出力パワーを監視することによって、空洞モードとエタロンピークの中心合わせを得ることができる。図４（ｂ）の構成に示すように、レーザ出力パワーは、レーザ出力の、利得媒体の前に配置された光検出器によって測定することができる。また、ルックアップテーブルは、注入電流ＩＬＤの初期動作値を格納することができ、この初期動作値は、チャネル周波数に関連付けられている。
【００９６】
好ましい実施形態では、同調可能ミラーを空洞モードに合わせ、かつ空洞モードをエタロンピークに合わせるためのレーザ出力パワーの監視が、図４（ｂ）に示す構成のフォトダイオードによって行われる。同調可能ミラーを選択された空洞モードに合わせるために、出力パワーの交流成分が分析されるが、一方で、空洞モードをエタロンピークに合わせるために、総合（変調されてない）出力パワーの最大化が求められる。連続して動作する２つの制御アルゴリズムを、この目的のために実行することができる。
【００９７】
留意すべきことであるが、この２つの制御アルゴリズムは、互いに独立して機能することができる。例えば、最小損失の条件すなわち空洞モードの位相同期が満たされていない場合、同調可能ミラーを空洞モードに合わせる制御アルゴリズムが機能する。
【００９８】
図１０は、本発明の実施形態に従ったレーザシステムの波長およびモード安定化のための制御回路の概略構成を示す。図４（ｂ）に示す要素に対応する同調可能レーザの要素に同じ参照数字を付与し、その詳細な説明を省略する。レーザ組立品は、リードピン５５およびファイバピグテール５１を有する１４ピン蝶形パッケージ５６にはまる。出力接続例えばリードピンおよびファイバピグテールを有するレーザ組立品を収納するパッケージは、同調可能レーザモジュール５０を形成する。光検出器１８は、駆動装置５３に電気的に接続されている。駆動装置は、周波数およびモード制御のための制御アルゴリズムを実行する。レーザがオンになるか、またはチャネルが切り換えられたとき、駆動装置は、ルックアップテーブルから、レーザダイオードに加えられるべき電流ＩＬＤおよび同調可能ミラーに加えられるべき電圧ＶＴＭを読み出す。それから、駆動装置は、選択されたエタロンピークの下に空洞モードを合わせるためのモード制御の閉ループアルゴリズムと、チャネル選別器を発振空洞モードに合わせるための周波数制御のアルゴリズムとを連続して実行し始める。この構成において、全ての電流は、ＰＣ５４を走るプログラムによって駆動装置５３を通して制御される。同調可能ミラーの整合に関する帰還情報は、実時間光パワー監視回路によって供給され、そしてＰＣは、所望の波長を実現するように同調電圧を調節する制御装置として使用される。また、ＰＣは、位相同期の条件を実現するようにレーザダイオードの注入電流を調節する制御装置としても使用される。理解すべきことであるが、ＰＣを使用する代わりに、チップカードに実装された帰還回路を使用して全てのパラメータを制御することができる。
【００９９】
好ましくは、同調可能レーザモジュールは、光空洞長のドリフトを最小限にするために、および／またはレーザ空洞の位相を安定化するために、温度が安定化される。図１０を参照して、利得媒体１０および前部レンズ１４は、約０．２℃の温度安定性を有する熱電冷却器（ＴＥＣ）（図示しない）に取り付けられる。
【０１００】
また、温度制御は、周波数安定化の微調節を可能にする。この場合には、レーザ動作の前にルックアップテーブルを作ることができ、このルックアップテーブルで、ＩＴＵグリッドの各チャネルは、レーザダイオードの注入電流とＴＥＣすなわち利得媒体の温度Ｔ１の両方に関連付けられている。Ｔ１の僅かな変化は、ファブリ−ペロエタロンの選択された波長ピークと空洞モードの波長の微同調のために、すなわちλＣＭ≒λＦＰのために調節することができる、レーザ空洞の位相に対する小さな変化に対応する。図６に示すものに似た動作を、出力パワーとレーザダイオード温度の間に見出すことができる。しかし、不安定に対するレーザの応答を一般に比較的遅くする温度変化のランプ速度のために、空洞モード整合のために電流ＩＬＤを変える方法が好ましい。
【０１０１】
好ましくは、ＦＰエタロンは、約０．２℃の温度安定性を有するＴＥＣに配置される。エタロンピークをＩＴＵ干渉縞にロックするために、ＦＰエタロンの温度安定性が重要である。一般に、市販のエタロンでは、ＩＴＵグリッドへの整合のためのピーク周波数温度敏感性は、ほぼ１．３ＧＨｚ／℃である。温度は、レーザシステムの初期特徴付け中に設定することができる。同調可能ミラーはＦＰエタロンと共にＴＥＣに配置することができる。ＬＣを含んだ同調可能ミラーの場合には、同調可能ミラーの温度安定化は特に望ましい。というのは、ＬＣの特性は温度変動によって変化することがあるからである。
【０１０２】
もしくは、利得チップ、ＦＰエタロンおよび、場合によっては、光同調可能ミラーを、同じＴＥＣに配置することができる。明らかに、温度を調節することによるレーザ空洞の位相同調が可能である。単一ＴＥＣの使用は、パッケージコストおよび温度制御簡単化の点で有利であることがある。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】外部縦空洞モード（Ａ）、チャネル割当グリッドの透過モード（Ｂ）およびチャネル選別器すなわち同調可能要素の帯域幅（Ｃ）を示すグラフによる図である。
【図２（ａ）】レーザ発振条件がモードホッピングであるとき、同調可能要素によって選択されたチャネル割当グリッドの通過帯域内の縦空洞モードを示すグラフによる図である。
【図２（ｂ）】位相同期条件で、同調可能要素で選択されたチャネル割当グリッドの通過帯域内の縦空洞モードを示すグラフによる図である。
【図３】本発明の実施形態に従った、同調可能ミラーを含んだ外部空洞同調可能レーザのブロック図である。
【図４（ａ）】本発明の別の実施形態に従った同調可能レーザ組立品を示す概略図である。
【図４（ｂ）】本発明のさらなる実施形態に従った同調可能レーザ組立品を示す概略図である。
【図５】５０ＧＨｚのＦＳＲを有し、かつ光ビームに対する垂直面に対して０．５°の傾斜角で空洞中に位置付けされたＦＰエタロンのＦＷＨＭでの帯域幅の関数として、レーザ外部空洞の光損失を示す図である。
【図６】レーザダイオードの注入電流の関数として、レーザ出力パワー（実線）および出力光周波数（破線）を示す例示の測定である。
【図７】同調可能ミラーのスペクトル応答を示す図であり、交流印加電圧による振動を示している。
【図８】同調可能ミラーのスペクトル応答を示す図であり、また変調深さの入射波長依存性を示している。
【図９】波長関数としての集積化レーザ出力パワー（細い実線）、および周波数ｆＡ（太い実線）および２ｆＡ（破線）でのレーザ出力パワーの交流成分を示す例示の測定である。
【図１０】本発明の実施形態に従った同調可能レーザの波長安定化のための制御回路を示す概略図である。
【図１】
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【図３】
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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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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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