(57)【要約】  本発明は、波長選択同調可能ミラーを備える外部空洞同調可能レーザを制御する方法に関し、波長選択性は交流電圧で供給される電気信号で実現される。本発明の同調可能ミラーは、液晶材料、回折格子および回折格子と光学的に相互作用する平面導波路を備える。回折格子および導波路は、入射する他の全ての波長の中から選択された共振波長だけを反射する共振構造を形成する。同調可能ミラーに加えられた電圧ＶＴＭの振幅に依存して、同調可能ミラーは所与の波長λＴＭだけで放射を反射する。レーザのレイジング出力波長は、同調可能ミラーの共振波長λＴＭに対応するように選ばれる。同調可能ミラーによる同調可能レーザの発光波長（周波数）の正確な選択は、同調可能ミラーに加えられた交流電圧によって引き起こされた信号変調の分析から得ることができる。
2007524215.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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の発光波長を選択する方法であって、回折格子および前記回折格子と光学的に相互作用する平面導波路を備える同調可能ミラーによって選択が行われ、前記回折格子および前記平面導波路が共振構造を形成し、前記同調可能ミラーが、光透過材料に加えられる電界に応じて変化する屈折率を有し、前記同調可能ミラーを電気的に同調可能にする光透過材料をさらに備え、
利得媒体によって光ビームを前記外部空洞に放射するステップと、
周波数ｆＡで振幅ＶＴＭの交流電圧を前記同調可能ミラーの前記光透過材料に加え、それによって、前記共振構造の共振波長λＴＭを選択し、かつ前記同調可能ミラーによって反射または透過された前記光ビームの振幅を変調するステップと、
前記同調可能ミラーで反射または透過された前記光ビームの前記変調成分を分析することによって、前記同調可能ミラーの前記共振波長λＴＭを少なくとも１つの前記空洞モードに合わせるステップと、を備える方法。
【請求項２】
前記共振波長を合わせる前記ステップが、前記同調可能ミラーで反射されたか、または前記同調可能ミラーを透過したかどちらかの前記光ビームの前記変調成分の振幅を最小にするように、前記同調可能ミラーに加えられた前記電圧の前記振幅ＶＴＭを変えることによって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記同調可能ミラーで反射されたか、または前記同調可能ミラーを透過した前記光ビームの前記振幅変調が、±２％よりも大きくないように制御される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記同調可能ミラーで反射されたか、または前記同調可能ミラーを透過した前記光ビームの前記振幅変調が、±１％よりも大きくないように制御される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記分析された変調成分が、周波数ｆＡである、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記分析された変調成分が、周波数２ｆＡである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記同調可能ミラーによる選択が、前記利得媒体と前記同調可能ミラーの間にフィルタ処理要素を挿入することを含み、前記スペクトル選択損失要素が前記少なくとも１つの前記空洞モードを含む通過帯域を少なくとも確定する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記スペクトル選択損失要素が、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グリッド要素である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記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、前記スペクトル選択損失要素の通過帯域を前記少なくとも１つの前記空洞モードに合わせるステップをさらに備える、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記スペクトル選択損失要素の通過帯域を前記少なくとも１つの前記空洞モードに合わせる前記ステップ、および前記同調可能ミラーの前記共振波長λＴＭを前記少なくとも１つの前記空洞モードに合わせる前記ステップが、連続して行われる、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
レーザ発光波長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モジュールであって、
複数の空洞モードを確定する外部空洞と、
光ビームを前記外部空洞に放射するための利得媒体と、
回折格子および前記回折格子と光学的に相互作用する平面導波路を備える同調可能ミラーと、を具備し、前記回折格子および前記平面導波路は共振構造を形成し、前記同調可能ミラーは、光透過材料に加えられた電界に応じて変化する屈折率を有する前記光透過材料をさらに備え、振幅ＶＴＭおよび周波数ｆＡの交流電圧に応じて前記同調可能ミラーを電気的に同調可能にして、共振波長λＴＭを選択しかつ前記同調可能ミラーによって反射または透過された前記光ビームの振幅を変調するものであり、さらに、
前記同調可能ミラーで反射または透過された前記光ビームの前記変調成分を分析することによって、前記同調可能ミラーの前記共振波長λＴＭを少なくとも１つの前記空洞モードに合わせる制御デバイスを具備するレーザモジュール。
【請求項１２】
前記制御デバイスが、前記光ビームの前記変調成分の振幅を最小にするように、前記同調可能ミラーに加えられた前記電圧の前記振幅ＶＴＭを変えることによって、前記同調可能ミラーで反射されたか、または前記同調可能ミラーを透過したかどちらかの前記光ビームの前記変調成分を分析する機能を行う、請求項１１に記載の同調可能レーザモジュール。
【請求項１３】
前記制御デバイスが、電子回路カードに含まれている、請求項１１に記載の同調可能レーザモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長分割多重光通信ネットワークに特に適合された外部空洞同調可能レーザに関する。特に、本発明は、外部空洞同調可能レーザの同調可能要素の位置を選択し、制御する方法に関する。
【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）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】
同調可能レーザ、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。５０ＧＨｚチャネル間隔を有するＤＷＤＭシステムは、一般に、±２．５ＧＨｚの周波数精度を必要とするが、２５ＧＨｚのシステムは±１．２５ＧＨｚの精度を一般に必要とする。ＤＷＤＭがいっそう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て送信機レーザに関連した同調可能要素の位置付けの精度および制御は重要な問題になっている。同調可能要素の最適でない位置付けは、送信機の空間損失および出力パワー減少をもたらす。したがって、同調可能レーザに関連した同調可能要素の組立て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ための信頼性の高い波長監視方法が望まれる。
【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２００３／００１２２３９号は、利得媒体の両端間の電圧を監視し、かつ監視された電圧に従って損失特性を調節することによって、レーザ空洞を制御する方法を記載している。電気光学同調要素は、周波数変調信号またはディサを、外部空洞と、同調要素の両端間に加えられた電圧によって外部空洞光路長を調整する機構と、に供給する。
【００１０】
外部空洞損失を調べるために利得媒体の両端間の電圧を監視することは、レーザの光学特性の挙動の直接的な測定ではなく、その挙動は光信号に無関係な他の要素の影響を受けることがあることに、発明者は気付いた。
【００１１】
米国特許出願第２００３／０００７５２２号は、波長選択チューナおよび外部空洞チューナを備える外部空洞レーザを開示し、波長チューナは外部空洞チューナから結合されていない。周波数ディサによる外部空洞の光路長の変調は、外部空洞損失を評価するために空洞の出力パワーの強度変動を生成するように発生させることができる。
【００１２】
レーザ組立品の様々な機能を監視する制御装置を含んだレーザシステムが、米国特許出願第２００３／０００７５２６号に記載されている。レーザ制御装置は、外部空洞の波長の調節またはロッキングを行うための波長同調回路を含むことができる。この同調回路は、レーザ外部空洞の光路の対応する変調を引き起こす選択された透過要素に変調信号を供給するための変調信号発生器を含むことができる。
【００１３】
グリッドエタロンの透過スペクトルの局所極大に波長を持って行くように空洞長を調節することは、レーザ空洞の少なくとも１つの要素例えば端部ミラーの機械的な動きを伴い、この機械的な動きはレーザシステムの信頼性に影響を及ぼすことがあることに、発明者は気付いた。
【００１４】
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（１９９２）、ページ２４６４〜６６に発表された「Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｌｏｃｋｉｎｇ  ｏｆ  ａ  ｔｕｎａｂｌｅ  ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ  ｆｉｌｔｅｒ」に、ＤＷＤＭシステムに使用される同調可能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。
【００１５】
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。外部空洞モードの位相を静的エタロン透過に結合するために、光路長は、静的エタロンで選択された透過波長の倍数の半波長に等しくなるように調節される。これは、光路長を調節するかまたは圧電トランスデューサで空洞長を機械的に変えるようにＬＣ位相調整器を使用して行うことができる。
【００１６】
発明者は、印加電圧の周波数変調はＬＣ材料の屈折率の変化を引き起こすことに気付いた。位相変化は、光ビームが通過するＬＣ材料の厚さに比例する。ＦＰフィルタの場合には、光ビームは、ＦＰフィルタを通過するときに多重反射を受ける。言い換えると、光ビームは、ＬＣ材料を何度も、通常数十回または数百回通過する。光ビームの多重通過は比較的大きな位相変化を引き起こし、この位相変化が、今度は、変調信号のリプルを増大させる。発明者は、単一モード同調可能レーザへの応用の場合、比較的大きな位相変化は比較的大きな波長振動および強度変化を引き起こし、これらはレーザ出力信号の不安定性および／またはスペクトル線幅の広がりを引き起こすことがあることに気付いた。
【００１７】
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。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、波長選択同調可能ミラーを備える外部空洞同調可能レーザを制御する方法に関し、ここで、波長選択は電気信号によって実現される。同調可能ミラーの動作のために供給される電気信号は、交流電圧である。本発明の同調可能ミラーは、電気光学的に同調可能な材料、好ましくは液晶（ＬＣ）材料、回折格子およびこの回折格子と光学的に相互作用する平面導波路を備える。回折格子および導波路は、入射する全ての他の波長の中から選択された共振波長だけを反射する共振構造を形成する。
【００１９】
同調可能ミラーに加えられた電圧の振幅ＶＴＭ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。同調可能ミラーのスペクトル応答は、一般に、例えばローレンツ曲線の形に似た形を有し、λＴＭに中心があり、なかんずくＦＷＨＭの帯域幅を特徴とする曲線である。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、振幅ＶＴＭおよび周波数ｆＡの交流電圧で駆動される。
【００２０】
レーザのレイジング出力波長は、同調可能ミラーの共振波長λＴＭに対応するように選択される。
同調可能ミラーによる同調可能レーザの放射波長（周波数）の正確な選択は、同調可能ミラーに加えられた交流電圧で引き起こされた信号変調の分析から得ることができることを、発明者は見出した。発明者は、波長整合不良は変調信号の変調深さに関係し、波長整合条件は変調深さの最小に対応することを確認した。
【００２１】
印加電圧の周波数変調は、ＬＣ材料の屈折率の変化を引き起こし、この変化が今度は、ＬＣ材料と相互作用した光ビームの位相シフトを引き起こす。第１近似で、位相シフトは、光ビームが通過したＬＣ材料の厚さに比例する。単一モード同調可能レーザでは、比較的高い位相シフトが、レーザ出力信号の比較的大きな周波数変調を引き起こす。グリッドエタロンのようなスペクトル選択損失要素がレーザ空洞中に存在する場合に、この効果は特に有害である。というのは、スペクトル選択損失要素はレーザ出力信号の振幅変調を増大させるからである。
【００２２】
同調可能材料を備え、かつ交流電圧で動作する同調可能ミラーの効果を理解するために、５０ＫＨｚのＦＷＨＭのスペクトル線幅を有する単一縦モードを放射するように構成された同調可能レーザを考える。同調可能ミラーに加えられた交流電圧は、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。この振動は、レーザの放射スペクトル線の振幅変調を引き起こす。ＬＣ材料との相互作用による位相シフトは、レーザスペクトル線の周波数変調を引き起こす。すなわち、縦モードは、結果として生じる効果が、例えば１００ＭＨｚ以上程度の広がったスペクトル線であるように前後に振動する。ここでは議論しないが、スペクトル線の位相シフトへの寄与は、レーザ空洞に含まれた他の光学要素からも生じることがある。
【００２３】
発明者は、格子、導波路およびＬＣ材料を備える同調可能ミラーの場合、交流電圧によって生じる位相シフトは比較的小さいままであることを理解した。光入射が、光ビームが最初に格子に当たりそれからＬＣ材料に当たるようなものである場合に、特にそうである。この場合、入射ビームは、格子で反射される前にＬＣ膜の最初の薄い層とだけ相互作用し、ＬＣ材料の全厚さのかなり確実に１０〜２０％だけをビームは通過する。また、光が格子に当たる前にＬＣを通過するような光ビーム入射の場合、光ビームは、ミラーを出る前にせいぜい２度ＬＣを通過する。すなわち、例えばファブリ−ペロＬＣフィルタの場合のように多重反射を受けない。
【００２４】
入射ビームと相互作用するＬＣ材料の比較的小さな厚さのために、印加交流電圧で引き起こされる、反射信号の位相変化および強度変化は、比較的小さいことが分かる。
ＬＣ材料の厚さは、好ましくは、約２μｍよりも大きくなく、より好ましくは約１μｍである。
【００２５】
好ましい実施形態では、同調可能ミラーは、４５ｎｍの波長同調範囲（ミラー同調可能性）に対して０．２の屈折率の変化を有し、例えば、ＬＣ材料に加えられた０Ｖから５Ｖに及ぶ電圧振幅に対して１．６から１．８に変化する。同調可能ミラーのスペクトル応答のＦＷＨＭの帯域幅は、１００ＧＨｚである。３．５ＧＨｚの空洞モード間隔を有するレーザでは、レーザのスペクトル線幅は約１００ＭＨｚと測定され、これは約０．１８ラジアンの位相シフトに対応する。
【００２６】
比較のために、発明者は、１００ＧＨｚのＦＷＨＭの同じ帯域幅および４５ｎｍの同じ同調範囲を有するＦＰフィルタを考えた。ＦＰフィルタは、互いに向かい合い、かつ同調範囲で０．０５の屈折率変化を有するＬＣ材料で満たされたギャップで隔てられている２つの反射ミラーを備える。上で説明した好ましい実施形態の同調可能ミラーのそれと同様なスペクトル特性を有するために、ミラーの反射率は９８．２％であり、ＬＣ厚さは５μｍである。光ビームは、ＦＰフィルタを通過するときに少なくとも１００の反射を受ける。シミュレーションで、透過光ビームの結果として生じる位相シフトは０．８ラジアンであることが示され、この０．８ラジアンは、３．５ＧＨｚの空洞モード間隔を有するレーザにおいて、約４００ＭＨｚのレーザスペクトル線幅の広がりに対応し、ＬＣを有しかつ同様なスペクトル特性を有する同調可能ミラーで引き起こされるもの４倍の値である。
【００２７】
変調深さはＶＴＭの大きさへの相当な依存性を示し、したがって変調深さは異なるチャネル対して僅かに変化することに、発明者は気付いた。印加電圧の振幅のより大きな値で、ＬＣ材料の屈折率変化はより顕著になる。
【００２８】
態様の１つで、発明は、例えば制御アルゴリズムで実現される方法に関し、このアルゴリズムは、レーザ出力信号の変調深さが全レーザ同調範囲で、例えば１５３０ｎｍから１５６５ｎｍで、約±２％よりも大きくないことを制御する。好ましくは、変調深さは、約１％よりも大きくないように制御される。
【００２９】
光帰還の様々な構成および変調信号分析が示される。好ましい実施形態では、同調可能ミラーの共振波長のレイジング波長への整合は、レーザ出力安定性例えば出力パワー安定性の監視と同時に行うことができる。
【００３０】
さらに他の好ましい実施形態では、例えばレーザ出力に配置されたフォトダイオードによって、同調可能ミラーの共振波長を選択された空洞モードに合わせるために、レーザ出力の光パワーの変調成分が分析される。好ましくは、共振波長の整合は、同調可能ミラーに加えられた電圧の振幅を僅かに変えることによって行われる。
【００３１】
グリッドエタロンのようなスペクトル選択損失要素の中心と空洞モードを合わせるために、レーザ出力パワーの変調成分の分析を、出力パワー（変調成分も含む全出力信号）の分析と共に（または、連続して）行うことができる。好ましい実施形態では、損失要素は、波長グリッドの対応するチャネルと実質的に合わされた複数の通過帯域を確定するグリッドエタロンである。スペクトル選択損失要素の通過帯域の中心に空洞モードを合わせること、すなわちレーザ出力信号のモード安定化は、レーザ出力パワーを最大にすることによって達成することができる。変調成分および「全」出力パワーの測定は、有利なことに、レーザ出力に配置された同じフォトダイオードによって行うことができる。
【００３２】
有利なことに、チャネル選別器として同調可能ミラーを使用することは、比較的短いレーザ空洞を可能にすることができる。というのは、より少ない要素がレーザ空洞の中に必要であるからである。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短いレーザ空洞が好ましいことがある。さらに、次の議論から明らかになるように、短い空洞は、長い空洞に比べて、エタロンを透過する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する空洞モードの、エタロンによる抑制を、以下で、スペクトルエタロン側抑制（ＥＳＳ）と呼ぶ。好ましくは、本発明の同調可能レーザは、約１５ｍｍ以下、もっと好ましくは約１２ｍｍ以下の空洞長を有する。しかし、理解すべきことであるが、本発明はもっと長いレーザ空洞に一般化することができる。
【００３３】
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。
【００３４】
【数１】
2007524215.tif 000003
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
式（１）を次のように書き直すことができる。
【００３８】
【数２】
2007524215.tif 000004
【００３９】
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。
態様の１つでは、本発明は、レーザ発光波長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モジュールに関し、このレーザモジュールは、
複数の空洞モードを確定する外部空洞と、
光ビームを外部空洞に放射するための利得媒体と、
回折格子および前記回折格子と光学的に相互作用する平面導波路を備える同調可能ミラーと、を具備し、回折格子および平面導波路は共振構造を形成し、同調可能ミラーは、光透過材料に加えられた電界に応じて変化する屈折率を有する光透過材料をさらに備え、同調可能ミラーを振幅ＶＴＭおよび周波数ｆＡの交流電圧に応じて電気的に同調可能にして、共振波長λＴＭを選択しかつ同調可能ミラーによって反射または透過された光ビームの振幅を変調するものであり、さらに、
同調可能ミラーで反射または透過された光ビームの変調成分を分析することによって、同調可能ミラーの共振波長λＴＭを少なくとも１つの空洞モードに合わせる傾向がある制御デバイス、を具備する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
同調可能ミラーは電気光学要素であり、この電気光学要素では、電圧依存屈折率を有する材料、好ましくは液晶（ＬＣ）材料を使用して同調可能性が達成される。同調可能ミラーの好ましい実施形態が図１に示されている。同調可能ミラー１は、基板３の上に形成された導波路２および導波路２の上に形成された回折格子４を備える。回折格子４を覆って、少なくとも回折格子の隙間を埋める被覆層５が形成され、前記被覆層はＬＣ材料で作られている。ＬＣ材料の厚さは、好ましくは２μｍよりも大きくなく、もっと好ましくは約１μｍである。場合によっては、被膜層を覆って反射防止皮膜６、および／または導波路と反対側の基板３の表面に反射防止皮膜７があることがある。２つの透明導体８および９が液晶層の相対する表面に配置されている。本発明のこの好ましい実施形態に従った同調可能ミラーの構造のもっと詳細な説明は、米国特許第６，２１５，９２８号に示されている。
【００４１】
光ビーム１０、例えば利得媒体（図示しない）で放射されたビームは、好ましくはシリコンで作られた基板３の側で同調可能ミラーに当たる。同調可能ミラーは、そのとき、変調されたビーム２１を反射し、ビームの変調が印加交流電圧によって引き起こされる。理解すべきことであるが、基板の側への光ビーム入射が好ましいが、光入射はミラーの反対側にも起こることができる。
【００４２】
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。同調可能ミラーは、レーザ空洞端の１つに配置される。すなわち、外部空洞の長さを確定する２つの反射面のうちの１つを形成する。したがって、同調可能ミラーは、波長選択要素としてもまた空洞端ミラーとしても機能する。
【００４３】
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ＦＰエタロンフィルタ１２であるスペクトル選択損失要素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。
【００４４】
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１２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、以後（ＦＷＨＭ）ＦＰと呼ばれるＦＰエタロンのＦＷＨＭの帯域幅によって、またはエタロンのＦＳＲとＦＷＨＭ帯域幅の比であるフィネスによって表される。
【００４５】
好ましくは、ＦＰエタロンは、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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
２ｊΦＬＤ＋２ｊΦＦＳ＋２ｊΦＦＰ＋ｊΦＲ２＝２ｊＮπ      （４）
【００５１】
【数３】
2007524215.tif 000005
【００５２】
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ＦＰ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ＦＰ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。（４）と（５）を組み合わせることによって、次式が得られる。
【００５３】
【数４】
2007524215.tif 000006
【００５４】
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。
【００５５】
図２は、スペクトル選択損失要素としてＩＴＵチャネルグリッドに合わされた複数の通過帯域を有するファブリ−ペロ（ＦＰ）エタロンを備えるレーザ空洞内の様々なモードを示す図である。（Ａ）には、共振外部空洞で引き起こされた空洞モード、すなわち（ＦＳＲ）空洞の相互間隔が示されている。（Ｂ）には、標準ＩＴＵグリッドにロックされたピークの位置を有するＦＰエタロンのモードが示され、そして、（Ｃ）は同調可能要素すなわち同調可能ミラーの通過帯域である。図示の例では、以後（ＦＳＲ）ＦＰと呼ばれる、グリッドＦＰエタロンのＦＳＲは、１００ＧＨｚＩＴＵグリッドのグリッド線間の間隔に対応する。
【００５６】
所与の「固有」空洞モード間隔（ＦＳＲ）空洞では、エタロン位相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３（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３（ａ）に、白抜きの正方形で示されている。
【００５７】
図３（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に対応する。
【００５８】
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。
【００５９】
Ｓｍｉｎ≦２Δν                          （７）
式（７）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満たすことで、レーザ設計の柔軟性が可能になり、レーザ設計を、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。
【００６０】
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。
【００６１】
式（６）によって、ＦＰ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Ｓｍｉｎの所望の値について得ることができる。Ｓｍｉｎの所望の値は、同調可能レーザの必要なまたは望ましい周波数精度と関係付けられる。
【００６２】
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（７）によってレーザの必要周波数精度Δνと関係付けられる。
【００６３】
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（６）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帯域幅（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。
【００６４】
【表１】
2007524215.tif 000007
【００６５】
【表２】
2007524215.tif 000008
【００６６】
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。
【００６７】
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、ＦＰエタロンのようなスペクトル選択損失要素は、より短いレーザ空洞でより優れたスペクトル選択性を有する。好ましくは、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を可能にするために、空洞長は、約１５ｍｍよりも長くてはならない。
【００６８】
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。
【００６９】
【表３】
2007524215.tif 000009
【００７０】
【表４】
2007524215.tif 000010
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
【表５】
2007524215.tif 000011
【００７４】
（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。
【００７５】
（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７から）、（ＦＷＨＭ）ＦＰ≒３．３ＧＨｚである。
【００７６】
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。
【００７７】
（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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
レーザ空洞の同調可能ミラーは、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。
【００８８】
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、図１に示されている。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で振幅ＶＴＭの交流電圧で駆動される。印加電圧の周波数は、２０ＫＨｚから２００ＫＨｚまで変化することができる。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形を有しλＴＭに中心があり約５０ＧＨｚから約２５０ＧＨｚの範囲の（ＦＷＨＭ）ＴＭ帯域幅を有した曲線である。特定の実施形態では、λＴＭは８０ｎｍの範囲にわたって調整することができる。
【００８９】
好ましい実施形態では、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。同調可能ミラーで反射されたビームは、周波数ｆＡおよび、印加交流電圧のためにそれに関連したより高次の高調波２ｆＡ、３ｆＡ、．．．、ｎｆＡで、振幅が変調されている。
【００９０】
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、ミラーのスペクトル応答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。スペクトル曲線は、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に中心のある曲線を表すが、破線はλＴＭｍｉｎおよびλＴＭｍａｘに中心のある曲線を表す。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、スペクトル曲線の振動は、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、スペクトル曲線の振動は、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。
【００９１】
変調深さは、２０から２００ＫＨｚの間の周波数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、電圧振幅ＶＴＭの関数であり、電圧振幅の増加と共に変調は深くなる。電圧振幅は、３Ｖから３０ＶＲＭＳに及ぶことができる。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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。理解すべきことであるが、変調成分の分析はフォトダイオードに接続された電子回路で行うことができ、この電子回路は、交流電圧の変調成分を選択する電子フィルタおよび、場合によっては、フォトダイードと電子フィルタの間の前置増幅器を含むことができる。
【００９５】
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全測定パワーＰｉ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。出力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。
【００９６】
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。この目的のために、電子帰還ループを実現することができる。
【００９７】
同調可能ミラーの整合のための制御アルゴリズムは、レーザ出力信号の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１００ＭＨｚよりも大きくない。
【００９８】
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。
【００９９】
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振幅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。
【０１００】
好ましくは、レーザ空洞のモード安定化は、λＣＭの空洞モードを、λＦＰのエタロンの透過ピークの中心と合わせることによって実現される。上で説明したように、エタロンピークの空洞モードとの中心合わせは、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フォトダイオードによって測定することができる。ルックアップテーブルは、また、チャネル周波数と関連付けられた注入電流ＩＬＤの初期動作値を格納することができる。
【０１０１】
好ましい実施形態では、空洞モードをエタロンピークに合わせ、かつ同調可能ミラーを空洞モードに合わせるために、レーザ全パワーとそれの変調成分の１つとの両方の監視が、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、全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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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、駆動装置およびＰＣ、すなわち制御デバイスによって行われる機能は、同調可能レーザモジュールに一体化することができる単一電子回路カードに一体化することができる。この背景におけるレーザモジュールに関して、パッケージ容器中に光学的にパッケージされたレーザ組立品と、同調可能ミラーで反射または透過された光ビームの変調成分を分析して同調可能ミラーの共振波長λＴＭを空洞モードのうちの少なくとも１つに合わせる傾向がある、電子回路カードのような制御デバイスとを備えるシステムを、我々は意味する。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。この場合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が、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】
【０１０８】
【図１】本発明の好ましい実施形態に従った同調可能ミラーを示す簡略化図である。
【図２】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３（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３（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４（ａ）】本発明の他の好ましい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）】本発明の他の好ましい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２】
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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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