(57)【要約】      （修正有）【課題】広い波長帯域において精度よく波長ロックが可能となる波長ロッカーモジュール及びこれに用いられるエタロンを提供する。【解決手段】ファブリペロー・エタロン２は、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子３ａ，３ｂが向かい合いかつ平行に設置され、二つの部分反射素子３ａ，３ｂの間に位相板４を有するものである。また、波長ロッカーモジュール１は、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子３ａ，３ｂが向かい合いかつ平行に設置され、二つの部分反射素子３ａ，３ｂの間に位相板４を有するファブリペロー・エタロン２と、ファブリペロー・エタロン２から出射される光を偏光状態に応じて分離する偏光型光路分離素子５と、偏光型光路分離素子５のそれぞれの出射面側に配置される二つの光電変換素子６ａ，６ｂを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子が向かい合いかつ平行に設置され、前記二つの部分反射素子の間に位相板を有するファブリペロー・エタロン。
【請求項２】
前記位相板は、遅延軸に平行な偏光成分と直交な偏光成分の光に対するフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）が有限の差異を持つことを特徴とする請求項１記載のファブリペロー・エタロン。
【請求項３】
前記位相板がλ／８波長板である請求項１記載のファブリペロー・エタロン。
【請求項４】
入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子が向かい合いかつ平行に設置され、前記二つの部分反射素子の間に位相板を有するファブリペロー・エタロンと、
前記ファブリペロー・エタロンから出射される光を偏光状態に応じて分離する偏光型光路分離素子と、
前記偏光型光路分離素子のそれぞれの出射面側に配置される二つの光電変換素子を備える波長ロッカーモジュール。
【請求項５】
前記二つの光電変換素子のそれぞれに接続され、前記二つの光電変換素子の出力信号処理を行う制御装置を備える請求項４記載の波長ロッカーモジュール。
【請求項６】
入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子が向かい合いかつ平行に設置され、該部分反射素子の間にλ／８波長板を有するファブリペロー・エタロンと、
前記λ／８波長板の遅延軸に対して４５度をなす角度の直線偏光をもつレーザ光が前記エタロンを透過又は反射した後に前記波長板の遅延軸に対して平行及び直交の偏光成分へとそれぞれ分離させる偏光型光路分岐素子と、
前記偏光型光路分岐素子により分離された各々の偏光成分の光量に対応する信号を出力する光電変換素子と、
前記光電変換素子の信号を処理する制御装置と、を有し、
前記出力を用いて前記レーザ光の発振波長を安定化させる波長ロッカーモジュールであって、波長安定化可能な波長が概ね等間隔の波長ピッチで存在する波長ロッカーモジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はファブリペロー・エタロン（エタロン）を用いた波長ロッカーモジュールに関する。波長ロッカーモジュールは、レーザ光源の発振波長の安定化装置、波長較正装置として有用である。
【背景技術】
【０００２】
近年、分光計測の分野において、発振する光の波長を可変することができる波長可変光源が注目されている。そして波長可変光源においては、分光領域の拡大を目的として波長可変範囲の広帯域化が求められており、また、計測の信頼性・定量性向上を目的として発振波長の時間的安定化、及び波長変化量の高確度化が求められている。
【０００３】
ところで、広帯域に波長可変が可能な波長可変光源としては、外部共振器を用いた半導体レーザ（ＥＣＤＬ）が用いられているが、ＥＣＤＬは温度変化などの外乱によりその発振波長が変動するという性質がある。そのため、ＥＣＤＬの出力光を検出し、その発振波長を安定化させる波長ロッカーモジュールが必要である。
【０００４】
また、ＥＣＤＬの発振波長は外部共振器を構成する波長分散素子の角度で規定されているが、常に外部共振器モードの数倍程度（数〜１０ＧＨｚ程度）の不定性を含んでおり、波長変化に際して、その変化量の目盛りとなる波長校正モジュールが必要である。
【０００５】
ところで、ある波長において波長変動を是正してレーザの発振波長を安定させる場合、波長変化に対して透過率等が変化する光学素子（バンドパスフィルタやエタロン等）の透過信号を用いることが一般的である。
【０００６】
例えば、下記特許文献１には、バンドパスフィルタを用いた特定の１波長だけで波長安定化が可能な方法が開示されており、下記特許文献２には、エタロンを用いた幅広い複数の波長で波長安定化が可能な方法が記載されている。どちらの方法でも、透過率が変化する素子を透過した光Ａと、該素子に入射しない光Ｂの出力を光電変換素子（ＰＤ）で受光し、その２つの信号の差を利用し、特定の波長において０を横切る信号を生成し、それを誤差信号として利用したＰＩＤ制御により波長安定化を行うことを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１０−２０９５４６公報
【特許文献２】特開２００３−２０４１１１公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術の波長ロッカーモジュールにおいては、特定の波長において安定した波長ロックを行うことは可能であるが、幅広い波長帯域に対応することにおいて課題がある。例えば、上記特許文献１に記載のバンドパスフィルタを用いる方法では特定の１波長のみで有効であるにすぎない。また、上記特許文献２に記載のエタロンを用いた方法であっても、幅広い波長帯域に対応することは困難である。これは、
エタロンを透過する信号Ａとエタロンに入射しない信号Ｂの差分を用いた方法の場合、波長が数十ｎｍを超えて大きく変化した際は、エタロンやその導入光学系の色収差や透過特性の変化により、ＡとＢの強度比やエタロン透過信号の振幅が変化するため、波長ロックを行う各々の波長でＡ、Ｂ信号の強度比のトリミングが必要となる。これでは、広帯域に波長を変化させる光源での使用に適しているとはいえない。
【０００９】
そこで、本発明は、上述の諸問題を解決し、広い波長帯域において精度よく波長ロックが可能となる波長ロッカーモジュール及びこれに用いられるエタロン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】
【００１０】
上記課題を解決する本発明の一観点に係るファブリペロー・エタロンは、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子が向かい合いかつ平行に設置されたファブリペロー・エタロンであり、部分反射素子の間に位相板を有することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の他の一観点に係る波長ロッカーモジュールは、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子が向かい合いかつ平行に設置され、二つの部分反射素子の間に位相板を有するファブリペロー・エタロンと、ファブリペロー・エタロンから出射される光を偏光状態に応じて分離する偏光型光路分離素子と、偏光型光路分離素子のそれぞれの出射面側に配置される二つの光電変換素子を備えるものである。
【００１２】
また、本発明の他の一観点に係る波長ロッカーモジュールは、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子が向かい合いかつ平行に設置され、該ビームスプリッタの間にλ／８波長板を有するファブリペロー・エタロンと、λ／８波長板の遅延軸に対して４５度をなす角度の直線偏光をもつレーザ光が前記ファブリペロー・エタロンを透過又は反射した後に波長板の遅延軸に対して平行及び直交の偏光成分へとそれぞれ分離させる偏光型光路分岐素子と、偏光型光路分岐素子により分離された各々の偏光成分の光量に対応する信号を出力する光電変換素子と、光電変換素子の信号を処理する制御装置と、を有し、出力を用いてレーザ光の発振波長を安定化させる波長ロッカーモジュールであって、波長安定化可能な波長が概ね等間隔の波長ピッチで存在するものである。
【発明の効果】
【００１３】
以上、本発明によって、広い波長帯域において精度よく波長ロックが可能となる波長ロッカーモジュール及びこれに用いられるファブリペロー・エタロンを提供することが可能となる。これにより、波長可変光源の発振波長の長期安定化が可能となり、また、波長可変レーザの発振波長を変化させた際の波長変化量を高確度に得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施形態１に係るファブリペロー・エタロンの光学配置の概略を示す図である。
【図２】実施形態１に係るファブリペロー・エタロンによって得られる透過光の波長依存性を示す図である。
【図３】実施形態１に係るファブリペロー・エタロンによって得られる透過光の強度における和と差の商の例を示す図である。
【図４】実施形態２に係るファブリペロー・エタロンの光学配置の概略を示す図である。
【図５】実施例において作製したファブリペロー・エタロンの写真図である。
【図６】実施例において作製したファブリペロー・エタロンにより得られたｘ偏光の出力ＰＤａ、ｙ偏光の出力ＰＤｂの１０６０ｎｍ近傍での値を示すグラフである。
【図７】実施例において作製したファブリペロー・エタロンにより得られた誤差信号波形を示す図である。
【図８】実施例において作製したファブリペロー・エタロンにより得られる９９０ｎｍ〜１０８０ｎｍまでのＰＤａ，ｂそれぞれの出力を示す図である。
【図９】実施例において作製したファブリペロー・エタロンにより得られる９９０ｎｍ〜１０８０ｎｍまでのＰＤａ，ｂそれぞれの出力を示す図である。
【図１０】実施例において、１０６４ｎｍに波長ロックした際の波長変化を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態による実施が可能であり、以下に示す実施形態、応用例の記載に限定されるものではない。
【００１６】
（実施形態１）
図１は、本実施形態に係るファブリペロー・エタロン（以下「本エタロン」という。２を用いた波長ロックモジュール（以下「本モジュール」という。）１の光学配置の概略を示す図である。本図で示されるように、本モジュール１における本エタロン２は、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面を有する二つの部分反射素子３ａ、３ｂが向かい合いかつ平行に設置されており、二つの部分反射素子３ａ、３ｂの間に位相板４を有している。
【００１７】
また、本エタロン２では、更に、一対の部分反射素子３ａ、３ｂの外、かつ、光が入射される側とは反対側に、偏光型光路分離素子５を備えており、さらに、この偏光型光路分離素子５によって分離された光のそれぞれの光の量を電気信号に変換する光電変換素子６ａ、６ｂとを備えている。
【００１８】
さらに、本エタロン２では、光電変換素子６ａ，６ｂに電気的に接続される制御装置７を備えており、後述するような所定の処理を行い、その結果を外部に出力することができる。
【００１９】
本エタロン２において、部分反射素子３ａ、３ｂは、上記の通り、入射した光の一部を反射させ一部を透過させる部分反射面３１ａ、３１ｂを有するものである。本エタロン２において、部分反射素子３ａ，３ｂは、部分反射面３１ａ、３１ｂが向かい合い、かつ正対して設置され、中空のファブリペロー・エタロンを構成する。部分反射素子３ａ、３ｂの例としては上記機能を有するものである限りにおいて限定されるわけではないが、例えばハーフミラー、ビームスプリッタ、ビームサンプラ等を挙げることができる。
【００２０】
また、本エタロン２において、部分反射面３１ａ、３１ｂの裏面３２ａ、３２ｂは無反射コート面及びウェッジの少なくともいずれかを有することが望ましい。このようにすることで、一度一対の部分反射素子３ａ、３ｂの外部に出た光が再び一対の部分反射素子３ａ、３ｂ内に入ってしまうことを防止できる。
【００２１】
また、本エタロン２において、部分反射面３１ａ、３１ｂ間の距離は、本エタロン２の効果を得ることができる限りにおいて限定されるわけではなく適宜調整可能である。
【００２２】
また、本エタロン２における部分反射素子３ａ、３ｂの材料は、上記の機能を有する限りにおいて特に限定されるわけではないが、熱的に安定な材料で規定されていることが望ましく、例えばスーパーインバー等が好適である。
【００２３】
また、本エタロン１において位相板４は、入射される光の位相に対し変化を与えることができる部材であり、この位相の変化を利用することで上述及び後述の本エタロンの効果を達成することができる。
【００２４】
具体的に、本エタロン２において、位相板４は、位相板４の遅延軸に平行な偏光成分と直交な偏光成分の光に対するフリースペクトラルレンジ（ＦＳＲ）が有限の差異を持つものとなっていることが好ましい。ここで「有限の差異を持つ」とは、入射される光のスペクトル応答が異なること、すなわち、強め合い・弱め合い干渉が生じる波長が異なることを意味する。
【００２５】
また、本エタロン２において、位相板４は、遅延軸に平行な偏光を１／８波長だけ遅延させるλ／８波長板であることが好ましい。これによる効果については改めて後述する。
【００２６】
また、本エタロン２において、位相板４の遅延軸は、偏光型光路分離素子５の入射面に対して直交又は平行に設置されることが好ましい。本図では便宜上、波長板の遅延軸がｙ方向となるように記述しておく。
【００２７】
また、本モジュール１において、偏光型光路分離素子５は、入射される光の偏光状態に応じて光の進行方向を異ならせて光を分離することができる部材である。偏光型光路分離素子５の構成としては、上記機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、偏光ビームスプリッタ、ビームディスプレーサ、グラントムソン等を例示することができる。
【００２８】
また、本モジュール１において、偏光型光路分離素子５は、入射面が上記位相板４の遅延軸に対して平行又は垂直に配置されていることが好ましい。このようにすることで、より確実に位相変化を受けた光をそれぞれ異なる偏光として分離することができる。
【００２９】
また、本モジュール１では、更に、上記偏光型光路分離素子５によって分離された光それぞれに対し、その光量を電気信号に変換する光電変換素子６ａ、６ｂを有する。光電変換素子６ａ、６ｂとしては、この機能を有する限りにおいて限定されるわけではないが、例えばフォトダイオードであることが好ましい。
【００３０】
また、本モジュール１の本エタロン２に入射される光（入射光）８は、レーザ光であり、かつ、偏光型光路分離素子５の入射面と４５度の角度を為す直線偏光であることが好ましい。このようにすることで、偏光型分離素子５で分離された後に光電変換素子６ａ，６ｂに到達するそれぞれの光の強度が１：１となり、雑音の影響が最小化されるとともに信号処理が簡便になる。部分反射素子３ａ，３ｂの部分反射面３１ａ、３１ｂで一度も反射されず透過した光と、１回ずつ反射された光が偏光型光路分離素子５でｘ、ｙ偏光成分に分離された後に光電変換素子６ａ，６ｂにおいて干渉し、エタロン透過波形を生じさせる。このとき、波長板の遅延軸に沿った偏光成分に対するエタロンの光路長は、遅延軸に垂直な偏光成分の光路長に対してλ／４だけ長くなるため、光電変換素子６ａ，６ｂで得られる透過光の波長依存性は、図２に示すごとく相対的に半ＦＳＲだけずれることとなる。そして、この信号の差と和の商は図３のごとく０を横切る信号となるため、負帰還によるＰＩＤ制御が可能となる。
【００３１】
上記誤差信号は、ＦＳＲがλ／４だけ異なる２台のエタロンの透過信号の差分を得ることに相当する。これを１台のエタロンに波長板を挿入することで実現しているため、経済的かつ省スペースなことはいうまでもない。また、偏光型光路分離素子５で分岐する直前まで全く同じ光軸を共有するため、熱や振動等の外乱に対する変化が全く等しく、各オプティクスが有する波長依存性も等しい。このため安定した波長ロック及び波長較正が可能となる。
【００３２】
上記の信号処理は、上記制御装置７によって実現できる。制御装置７の例としては上記処理を行うことができる限りにおいて限定されるわけではないが、例えばＣＰＵ、ハードディスク、メモリ等を備えたコンピュータ等の情報処理装置や、上記処理が可能なＩＣ等を積層した専用装置等が好適である。
【００３３】
（実施形態２）
本実施形態では、ほぼ上記実施形態１と同様であるが、ファブリペロー・エタロンから出射される光の方向及びそのための光学配置が異なる。以下主として異なる点について説明する。説明が省略されている部分については上記実施形態１と同様である。
【００３４】
図４は、本実施形態に係る波長ロックモジュール１の光学系を示す。本図で示すように、本モジュールにおいては、上記実施形態１に係るように、部分反射面３１ａ、３１ｂを有する二つの部分反射素子３ａ，３ｂと、この間に配置される位相板４を備えた中空のファブリペロー・エタロンと、このファブリペロー・エタロンの外側に設けられる無偏光型光路分離素子９、偏光型光路分離素子５、光量を電気信号に変換する光電変換素子６ａ，６ｂ、を含んで構成される。上記実施形態１と同様、部分反射素子３ａ，３ｂは、部分反射面３１ａ、３１ｂが向かい合い、かつ正対して設置されている。
【００３５】
また、本ロックモジュールでは、光を入射する側に無偏光型光路分離素子９が設けられており、この本エタロンから出射される光が無偏光型光路分離素子９によって反射される先（側）に、偏光型光路分離素子５が設けられている点が上記実施形態１と大きく異なる。
【００３６】
また、本モジュール１では上記と同様、制御装置７が光電変換素子６ａ、６ｂに接続され、所定の処理を行った後、信号として出力される。
【００３７】
また、本モジュール１では、偏光型光路分離素子５の入射面に対する入射光８の偏光や位相板４の遅延軸は実施形態１と同様の関係とすることが好ましい。
【００３８】
また位相板４は、上記実施形態１と同様、遅延軸に平行な偏光を１／８波長だけ遅延させるλ／８波長板となっていることが好ましい。
【００３９】
本モジュール１では、入射光８を本エタロン２に入射させる前に一度無偏光型光路分離素子９に入射させる。そして、一方の部分反射素子３ａの部分反射面で反射された光と、他方の部分反射素子３ｂの部分反射面で反射された光とが無偏光型光路分離素子９によって入射光軸から分離し、偏光型光路分離素子５によってｘ、ｙ偏光成分に分岐された後に光電変換素子６ａ，６ｂ上において干渉しエタロン透過波形を生じさせる。
【００４０】
すなわち本実施形態では、光電変換素子６ａ，６ｂで得られる透過光の波長依存性は、実施形態１と同様に図２に示すごとく相対的に半ＦＳＲだけずれることとなる。この信号の差と和の商は図３のごとく０を横切る信号となるため、負帰還によるＰＩＤ制御が可能となる。
【００４１】
この配置ではエタロン反射光を用いるため、部分反射面の反射率によらず、干渉波形の暗部をゼロにすることが可能となる。そのため、４％程度の反射率を持つ無コート面等を部分反射面として用いることで、サインカーブに近似した誤差信号を得ることが可能になる。これにより、誤差信号の上昇／下降スロープのどちらの点で波長ロックしたとしても等間隔な波長ロックが可能となるため、２倍の長さのエタロンを用いたと同様の効果が得られる。
【実施例】
【００４２】
ここで、上記実施形態に係るファブリペロー・エタロンに関し、実際に作製しその効果を確認した。なお、本実施例では上記実施形態２に記載の光学配置のものを作製した。
【００４３】
図５に実施例の写真を示す。波長ロックのターゲットとなるレーザはスペクトラ・クエスト・ラボ社製λ−Ｍａｓｔｅｒ１０４０を用い、直線偏光出力を偏波面保存ファイバで波長ロッカーモジュール系へ導入した。
【００４４】
部分反射素子３ａ、３ｂとしてＴｈｏｒｌａｂｓ社製ビームサンプラＢＳＦ０５−Ｂを用い、無コート面（反射率４％）を部分反射面としてエタロンを構成した。エタロン間の距離は低熱膨張材であるスーパーインバー線板棒を用いた鏡筒により規定した。エタロンの部分反射面間の距離は１５ｃｍ程度であり、このときのＦＳＲは１ＧＨｚ（３．３ｐｍ）である。
【００４５】
位相板２として１／８波長板を用い、１０４０ｎｍゼロ次波長板を中国ＣＲＹＳＬＡＳＥＲ社で特注し用いた。
【００４６】
偏光無依存光路分岐光学素子８としてＴｈｏｒｌａｂｓ社製偏光無依存ハーフビームスプリッターキューブＢＳ０１４を用いた。
【００４７】
また、偏光型光路分岐光学素子３としては、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製広帯域偏光ビームスプリッタキューブＣＣＭ５−ＰＢＳ２０３を用いた。
【００４８】
そして、Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製フォトディテクタＰＤＡ１００Ａを用いて光量検知を行い、専用の回路等で誤差信号を算出し波長ロックのターゲットであるλ−Ｍａｓｔｅｒ１０４０の発振波長に対してフィードバック制御を行った。λ−Ｍａｓｔｅｒ１０４０はＬＤ電流値の外部変調機能を有しており、誤差信号に適切なゲインを付加することで容易にフィードバック制御を行うことが可能である。
【００４９】
図６に、ｘ偏光の出力ＰＤａ、ｙ偏光の出力ＰＤｂの１０６０ｎｍ近傍での値を示す。ＰＤａ，ｂの波長依存性は同じ周期で半山だけずれており、λ／８波長板によりＦＳＲに有限の差異が生じていることがわかる。
【００５０】
また、実際に（ＰＤａ−ＰＤｂ）／（ＰＤａ＋ＰＤｂ）を計算して出力される誤差信号を図７に示す。ゼロに対して正負に振れる誤差信号が得られており、これを用いてフィードバックによる波長ロックを行うことは容易である。また、４％反射面を部分反射面として用いたことで、サインカーブに類似した信号が得られ、アップ／ダウンスロープに係わらずゼロを横切る波長が等間隔に整列している。これにより、２倍の波長ピッチで等間隔な波長ロックが可能である。
【００５１】
また、図８、図９に９９０ｎｍ〜１０８０ｎｍまでのＰＤａ，ｂそれぞれの出力を示す。両者ほぼ同じ波長依存性を示しており、ＰＤａ，ｂそれぞれのゲイン調整等の必要なく、λ−Ｍａｓｔｅｒ１０４０の発振波長全域で波長ロックが可能である。エタロンのＦＳＲ３．３ｐｍよりも大きな１ｎｍ程度の周期でみられる強度変動はビームスプリッタ等の干渉によるものであるが、ＰＤａ，ｂで全く同じ依存性を示すことから誤差信号の演算で相殺され波長ロックには何らの支障も与えない。
【００５２】
また、図１０に、本波長ロッカーモジュールを用いて、１０６４ｎｍに波長ロックした際の波長変化を示す。波長変化はＢｒｉｓｔｏｌ社製波長計Ａ７７１（波長確度：６０ＭＨｚ）を用いて計測した。黒実線が波長ロック時のデータを、灰色実線が波長ロックなしのデータを示している。ロックなしでは外気温等の変化により出力波長がドリフトしているが、波長ロックにより波長計の精度の範囲内で安定した発振波長が得られている。
【００５３】
以上、本実施例により、本発明の効果を確認することができた。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、ファブリペロー・エタロン及びこれを用いた波長ロッカーモジュールとして産業上の利用可能性がある。
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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