(57)【要約】【課題】高周波重畳法による光ノイズの低減を安定して持続できる外部共振器型半導体レーザ装置。【解決手段】半導体レーザ１の出射光を伝達する光伝達媒質４から出射する光の一部を半導体レーザに帰還する波長選択素子５と、波長選択素子を透過した光の一部を分岐する光分岐素子６と、光分岐素子で分岐された光を電気信号に変換する光センサ７と、光センサからの電気信号に基づき半導体レーザに直流電流を供給し且つ直流電流に対する変調電流の割合を示す変調度と直流電流とに基づく変調電流の振幅と変調周波数との情報を生成するレーザコントローラ２０と、レーザコントローラからの変調電流の振幅と変調周波数との情報に基づき変調電流を生成し生成された変調電流を半導体レーザに供給する変調コントローラ２１とを備え、レーザコントローラは、変調度が所定値となるように直流電流の変化に応じて変調電流の振幅を変化させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の波長の光を出力する半導体レーザと、
前記半導体レーザの出射光を伝達する光伝達媒質と、
前記光伝達媒質から出射する光の一部を前記半導体レーザに帰還する波長選択素子と、
前記波長選択素子を透過した光の一部を分岐する光分岐素子と、
前記光分岐素子で分岐された光を電気信号に変換する光センサと、
前記光センサからの電気信号に基づき前記半導体レーザに直流電流を供給し且つ前記直流電流に対する変調電流の割合を示す変調度と前記直流電流とに基づく変調電流の振幅と変調周波数との情報を生成するレーザコントローラと、
前記レーザコントローラからの変調電流の振幅と変調周波数との情報に基づき前記変調電流を生成し生成された変調電流を前記半導体レーザに供給する変調コントローラとを備え、
前記レーザコントローラは、前記変調度が所定値となるように前記直流電流の変化に応じて前記変調電流の振幅を変化させることを特徴とする外部共振器型半導体レーザ装置。
【請求項２】
任意の波長の光を出力する半導体レーザと、
前記半導体レーザの出射光を伝達する光伝達媒質と、
前記光伝達媒質から出射する光の一部を前記半導体レーザに帰還する波長選択素子と、
前記波長選択素子を透過した光の一部を分岐する光分岐素子と、
前記光分岐素子で分岐された光を電気信号に変換する光センサと、
前記光センサからの電気信号に基づき前記半導体レーザに直流電流を供給し且つ前記直流電流に対する変調電流の割合を示す変調度と前記直流電流とに基づく変調電流の振幅と変調周波数との情報を生成するレーザコントローラと、
前記レーザコントローラからの変調電流の振幅と変調周波数との情報に基づき前記変調電流を生成し生成された変調電流を前記半導体レーザに供給する変調コントローラとを備え、
前記レーザコントローラは、前記光センサからの電気信号に基づき前記電気信号のノイズ強度が最小になるように前記変調電流の振幅を制御することを特徴とする外部共振器型半導体レーザ装置。
【請求項３】
前記半導体レーザは、熱電変換器により温度制御されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
【請求項４】
前記波長選択素子は、熱電変換器により温度制御されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
【請求項５】
前記変調電流の周波数が、当該外部共振器型半導体レーザ装置の光ノイズの周波数帯域以上の周波数において、前記半導体レーザから前記波長選択素子までの長さを表す共振器長が設定されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の外部共振器型半導体レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部共振器型半導体レーザ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体レーザの光を用いた分析・計測機器では、光の発振波長が各アプリケーションで所望の範囲に収まることが望ましい。一般的に、半導体レーザの発振波長は、駆動電流および素子温度により変動するため、素子の温度制御や波長の帰還などによる波長安定化機構を設けている。
【０００３】
また、波長を安定化させた状態でも、半導体素子に加わる微小な外乱が原因で、モードホッピングや戻り光による光ノイズが発生する。この光ノイズを抑制する方法として、数百ＭＨｚの高周波電流で半導体レーザを直接変調することにより安定した多モード発振状態を生成し、外乱の影響を低減する高周波重畳方法がある。この高周波重畳法は、光記録装置などに用いられている（特許文献１、特許文献２）。
【０００４】
半導体レーザの発振波長を精度良く安定化させるためには、素子の温度制御のみでは不十分であるため、特定の波長帯域の光を半導体レーザに帰還し、光共振器内の実効的なロスを選択的に高めることで所望の光スペクトルを得るような波長選択機構を設ける必要がある。この波長選択機構を半導体導波路内に設けたものとして、軸方向単一モード発振を得るための分布帰還型レーザ（ＤＦＢレーザ）、分布反射型レーザ（ＤＢＲレーティング）などが一般的に用いられている（特許文献３）。しかしながら、これらは、構造が複雑で高価であり、温度や電流による波長変動が大きいため、特定の用途以外のアプリケーションには向いていない。
【０００５】
これに対して、波長選択素子を半導体レーザとは別に配置した外部共振型構造による波長安定化では、任意の波長の半導体レーザと任意の波長選択性を有した波長選択素子を組み合わせることで、様々な発振スペクトルに対応したレーザ装置を構成できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−８２２５１号公報
【特許文献２】特開２００３−０６９０６号公報
【特許文献３】特開２００７−１１６２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、外部共振型構造の半導体レーザ装置でも、前述したように、素子に加わる微小な外乱が原因で、モードホッピングや戻り光による光ノイズが発生する。分析・計測装置におけるアプリケーションでは、Ｓ／Ｎ比が低下し、波長変換装置の基本波として用いる場合には、波長変換光の出力変動に繋がるなど、アプリケーションとしては好ましくない。このため、光ノイズ特性を抑制するために、高周波重畳法による発振スペクトルの多モード化により光ノイズを低減させている。
【０００８】
高周波重畳法では、直流電流に対する高周波の変調電流の割合で表される変調度が小さくなると、同一周波数でも変調の効果が低下し、多モードに至らなくなる。このため、例えば、出力一定制御の下で、直流の駆動電流が増加した場合には、相対的に変調度が小さくなり、高周波重畳法による初期の光ノイズ特性を満足できなくなる可能性があった。
【０００９】
また、高周波重畳法により、半導体レーザの縦モードを多モード化するために必要な変調電流の周波数は、数百ＭＨｚ〜ＧＨｚである。これは、半導体レーザの緩和振動周波数に依存しており、この周波数付近で大信号を直接変調することにより、多モード発振することがレート方程式から計算できる。
【００１０】
しかしながら、数百ＭＨｚ〜ＧＨｚの帯域を有する振幅の大きな高周波電流を半導体レーザに供給するためには、電子回路の物理的な寸法および配置を厳密に設定する必要がある。また、この帯域の高周波信号は、周囲の浮遊容量と容易に結合するため、放射妨害波を十分に防止することができなかった。
【００１１】
本発明の課題は、高周波重畳法による光ノイズの低減を安定して持続することができる外部共振器型半導体レーザ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明に係る外部共振器型半導体レーザ装置は、任意の波長の光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射光を伝達する光伝達媒質と、前記光伝達媒質から出射する光の一部を前記半導体レーザに帰還する波長選択素子と、前記波長選択素子を透過した光の一部を分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子で分岐された光を電気信号に変換する光センサと、前記光センサからの電気信号に基づき前記半導体レーザに直流電流を供給し且つ前記直流電流に対する変調電流の割合を示す変調度と前記直流電流とに基づく変調電流の振幅と変調周波数との情報を生成するレーザコントローラと、前記レーザコントローラからの変調電流の振幅と変調周波数との情報に基づき前記変調電流を生成し生成された変調電流を前記半導体レーザに供給する変調コントローラとを備え、前記レーザコントローラは、前記変調度が所定値となるように前記直流電流の変化に応じて前記変調電流の振幅を変化させることを特徴とする。
【００１３】
また、外部共振器型半導体レーザ装置は、任意の波長の光を出力する半導体レーザと、前記半導体レーザの出射光を伝達する光伝達媒質と、前記光伝達媒質から出射する光の一部を前記半導体レーザに帰還する波長選択素子と、前記波長選択素子を透過した光の一部を分岐する光分岐素子と、前記光分岐素子で分岐された光を電気信号に変換する光センサと、前記光センサからの電気信号に基づき前記半導体レーザに直流電流を供給し且つ前記直流電流に対する変調電流の割合を示す変調度と前記直流電流とに基づく変調電流の振幅と変調周波数との情報を生成するレーザコントローラと、前記レーザコントローラからの変調電流の振幅と変調周波数との情報に基づき前記変調電流を生成し生成された変調電流を前記半導体レーザに供給する変調コントローラとを備え、前記レーザコントローラは、前記光センサからの電気信号に基づき前記電気信号のノイズ強度が最小になるように前記変調電流の振幅を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、レーザコントローラは、変調度が所定値となるように直流電流の変化に応じて変調電流の振幅を変化させるので、高周波重畳法による光ノイズの低減を安定して持続することができる。
【００１５】
また、レーザコントローラは、光センサからの電気信号に基づき電気信号のノイズ強度が最小になるように変調電流の振幅を制御するので、高周波重畳法による光ノイズの低減を安定して持続することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施例１に係る外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施例１に係る外部共振器型半導体レーザ装置の光ノイズ帯域と緩和振動周波数と変調周波数との関係を示す図である。
【図３】外部共振器の有無によるスペクトルの変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の外部共振器型半導体レーザ装置の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１８】
図１は、本発明の実施例１に係る外部共振器型半導体レーザ装置の構成を示すブロック図である。この外部共振器型半導体レーザ装置は、半導体レーザ１、熱電変換器２、温度センサ３、光伝達媒質４、波長選択素子５、光分岐素子６、光センサ７、自動温度制御器（以下、ＡＴＣ制御器）１０、自動パワー制御器（以下、ＡＰＣ制御器）１１、記憶素子１２を備えている。
【００１９】
また、外部共振器型半導体レーザ装置は、処理装置１３、変調電流出力器１４、高周波分離素子１５、高周波結合素子１６、変調電流センサ１７、レーザコントローラ２０、変調コントローラ２１、スペクトルモニタ２２、直流抽出部２３、交流抽出部２４を備えている。
【００２０】
半導体レーザ１は、例えばレーザダイオードによって構成され、任意の波長の光を出力する。半導体レーザ１には熱電変換器２が取り付けられており、熱電変換器２は、ＡＴＣ制御器１０からの制御信号により半導体レーザ１を温度制御する。なお、波長選択素子５にも、熱電変換器を取り付け、この熱電変換器は、ＡＴＣ制御器１０からの制御信号により波長選択素子５を温度制御するようにしても良い。
【００２１】
また、半導体レーザ１には温度センサ３が取り付けられており、温度センサ３は、半導体レーザ１の温度を検出して、温度情報をＡＴＣ制御器１０に出力する。
【００２２】
光伝達媒質４は、半導体レーザ１の出射光を伝達する。波長選択素子５は、光伝達媒質４から出射する光（基本波）を高調波に変換するとともに、変換された高調波の一部を半導体レーザ１に帰還する。半導体レーザ１と光伝達媒質４と波長選択素子５とは外部共振器９を構成する。なお、半導体レーザ１から波長選択素子５までの長さが外部共振長である。
【００２３】
光分岐素子６は、波長選択素子５を透過した光の一部を分岐して、分岐された一方の光を光センサ７に出力し、分岐された他方の光をスペクトルモニタ２２に出力する。
【００２４】
光センサ７は、光分岐素子６で分岐された光を電気信号に変換して、変換された電気信号を直流抽出部２３と交流抽出部２４とに出力する。直流抽出部２３は、光センサ７からの電気信号から直流信号を抽出して、この直流信号をＡＰＣ制御器１１に出力する。交流抽出部２４は、光センサ７からの電気信号から交流信号を抽出して、この交流信号を処理装置１３に出力する。
【００２５】
レーザコントローラ２０は、ＡＴＣ制御器１０、ＡＰＣ制御器１１、記憶素子１２、処理装置１３を備えている。ＡＴＣ制御器１０は、温度センサ３からの温度情報に基づき半導体レーザ１の温度が所定の温度になるように熱電変換器２を制御する。ＡＰＣ制御器１１は、直流抽出部２３からの直流信号に基づき、所定の出力が得られるように直流電流を制御し、高周波分離素子１５を介して半導体レーザ１に直流電流ＩDC（ＡＰＣ電流１８）を供給する。
【００２６】
記憶素子１２は、ＲＯＭからなり、直流電流に対する変調電流の割合を示す変調度ｋ、変調周波数ｆｏの情報を予め記憶する。この変調度ｋ、変調周波数ｆｏの情報は、スペクトルモニタ２２の出力光のスペクトルに基づき決定される。詳細については、後述する。
【００２７】
処理装置１３は、記憶素子１２から変調度ｋ、変調周波数ｆｏの情報を読み出して、変調度ｋ、変調周波数ｆｏ、直流電流ＩDCに基づき周波数範囲ｆ＝ｆｏ±Δｆ、変調電流の振幅ｉAC＝ｋ・ＩDCの情報を変調電流出力器１４に出力する。
【００２８】
変調コントローラ２１は、半導体レーザ１に変調電流を供給するもので、変調電流出力器１４、高周波結合素子１６を備えている。変調電流出力器１４は、処理装置１３からの周波数範囲ｆ＝ｆｏ±Δｆ、変調電流の振幅ｉAC＝ｋ・ＩDCに基づき変調電流を生成し、生成された変調電流を高周波結合素子１６を介して半導体レーザ１に供給する。
【００２９】
変調電流センサ１７は、変調コントローラ２１から半導体レーザ１に供給される変調電流を検出して、検出された変調電流に処理装置１３に出力する。処理装置１３は、変調度ｋが所定値となるように直流電流の変化に応じて前記変調電流の振幅を変化させる。
【００３０】
また、レーザコントローラ２０は、光センサ７で変換した電気信号に基づき電気信号のノイズ強度が最小になるように変調電流の振幅を制御する。具体的には、処理装置１３は、交流抽出部２４で抽出された交流信号に含まれるノイズと変調電流センサ１７で検出された変調電流ｉACとに基づき、電気信号のノイズ強度が最小になるように変調電流の振幅を制御する。
【００３１】
また、変調電流の周波数が、当該外部共振器型半導体レーザ装置の光ノイズ帯域以上の値を有する範囲において、外部共振器型半導体レーザ装置の共振器長を制御することを特徴とする。
【００３２】
次にこのように構成された実施例の外部共振器型半導体レーザ装置の動作を図１を参照しながら詳細に説明する。
【００３３】
まず、半導体レーザ１から出射された光は、光伝達媒質４を介して波長変換素子５に導光され、波長変換素子５に応じた波長帯域の光の一部が光伝達媒質４を介して半導体レーザ１に帰還される。
【００３４】
半導体レーザ１の後端面と波長変換素子５の反射端面とで外部共振器が構成され、波長変換素子５の反射中心波長付近に半導体レーザ１の発振波長が引き込まれる。  
このとき、波長選択素子５を熱電変換器２により所定温度に制御することにより、レーザ光照射や環境温度の変化により波長選択素子５の選択波長がシフト（例えば０．０１ｎｍ／℃）することを防ぐことができる。
【００３５】
ＡＰＣ制御器１１は、直流抽出部２３からの直流信号に基づき、所定の出力が得られるように直流電流を制御し、高周波分離素子１５を介して半導体レーザ１に直流電流ＩDC（ＡＰＣ電流１８）を供給する。
【００３６】
変調コントローラ２１は、レーザコントローラ２０からの指示に基づき変調周波数と振幅とを有する変調電流を生成し、生成された変調電流が駆動電流（直流電流）に重畳されて、半導体レーザ１に供給される。また、変調電流センサ17で検出された変調電流の振幅が直流電流に対して所定の割合、即ち変調度が所定値になるように決定される。以下、そのシーケンスを説明する。
【００３７】
まず、変調電流の変調度および周波数を決定する。変調度について、変調コントローラ２１の能力が許容する最大値ｋｏに設定される。定格出力を満たすようにレーザコントローラ２０からＡＰＣ電流を供給し、波長変換素子５を調整して外部共振器による波長安定化を行う。その後、スペクトルモニタ２２で出射光のスペクトルを観測しながら、スペクトルの縦モード数が予め規定した条件を満たすように、周波数を調整し、調整された周波数を初期値ｆｏとする。
【００３８】
ここで、予め規定した条件とは、例えば、半導体レーザ１の温度および電流を所定の範囲で変化させたときに、スペクトルの縦モード数が所定の本数以上であることなどである。次に、上記の条件を維持することができる範囲で変調度を小さくしていき、最小値をｋとする。決定された変調度ｋおよび周波数ｆｏは、レーザコントローラ２０内部の記憶素子１２に記憶され、初期値とされる。
【００３９】
レーザ駆動開始時には、処理装置１３から変調度および変調周波数が読み出され、変調コントローラ２１は、処理装置１３からの変調度および変調周波数の情報を初期値として変調電流を生成し、変調電流を半導体レーザ１に供給する。
【００４０】
ここで、レーザ駆動時に、半導体レーザ１の効率が低下し、ＡＰＣ電流１８（直流電流）が増加したとすると、ＡＰＣ電流１８は光センサ７と直流抽出部２３とを介してＡＰＣ制御器１１によりモニタされているため、処理装置１３は、この増加したＡＰＣ電流１８に応じて、変調度が所定値となるように変調電流の振幅を変化させる指示を変調コントローラ２１に送る。
【００４１】
これにより、半導体レーザ１の効率低下などによりＡＰＣ電流が増加した場合でも高周波重畳法による光ノイズの低減を安定して持続することができる。
【００４２】
このように実施例の外部共振器型半導体レーザ装置によれば、レーザコントローラ２０は、変調度が所定値となるように直流電流の変化に応じて変調電流の振幅を変化させるので、半導体レーザ１の駆動電流が変化した場合でも、高周波重畳法による光ノイズの低減を安定して持続することができる。
【００４３】
また、レーザコントローラ２０は、光センサ７からの電気信号に基づき電気信号のノイズ強度（光ノイズ強度）が最小になるように変調電流の振幅を制御するので、高周波重畳法による光ノイズの低減を安定して持続することができる。
【００４４】
また、外部共振器長（外部共振器９の長さ）を設定制御して、縦モードの多モード化に必要な変調電流の周波数を低周波側にシフトさせることで、信号の取り扱いを容易にするとともに、放射妨害波に対する対策を有効に行うことができる。外部共振器構造を持つ半導体レーザ１の縦モードを高周波重畳法により多モード化するために必要な周波数は、対象となる半導体レーザ１の緩和振動周波数に依存している。緩和振動周波数では、共振状の応答特性を示すとともに、縦モードの多モード化が効率的に実現することができる。緩和振動周波数ｆｒは、一般的に、
ｆｒ∝（τf・τp）−１／２        ‥（１）
で表される。ここで、τfは蛍光寿命、τpは光子寿命であり、光子寿命が大きくなるにつれて緩和振動周波数が小さくなることがわかる。
【００４５】
光子寿命τpは、レーザ共振器における光子の平均寿命を示しており、共振器長が長いほど、この光子寿命τpの値は大きくなり、簡略的に
τp＝２Ｌ／（ｃ（−ｌｎＲ１＋２αｌ＋δＭ））      ‥（２）
で表される。ここで、Ｌは共振器長、ｃは光子速度、Ｒ１は出力ミラーの反射率、αは利得媒質の吸収係数、ｌは利得媒質の長さ、δＭは共振器内における利得媒質および出力ミラー以外での損失である。
【００４６】
従って、式（１）と式（２）とに基づき、共振器長を設定制御することにより緩和振動周波数を低周波側に調整することができる。これにより、従来より低い周波数の変調電流により、縦モードの多モード化を実現できる。
【００４７】
本実施例では、図２に示すように、半導体レーザ１に求められる光ノイズの周波数帯域のカットオフ周波数ｆｃを考慮して共振器長を設定する必要がある。例えば、要求される光ノイズの周波数特性が１次フィルタ特性（−２０ｄＢ／ｄｅｃ）で表されるとすると、変調周波数ｆｍは、カットオフ周波数ｆｃに対して１００倍以上であれば、変調による光ノイズの影響を少なくとも１％以下に抑えることができる。なお、図２において、カットオフ周波数ｆｃ≦変調周波数ｆｍ≦緩和振動周波数ｆｒである。
【００４８】
即ち、変調電流の周波数ｆｍが、外部共振器型半導体レーザ装置の光ノイズの周波数帯域ｆｃ以上の値を有する範囲において、外部共振器型半導体レーザ装置の共振器長を設定するので、縦モードの多モード化に必要な変調電流の周波数、即ち、緩和振動周波数ｆｒを低周波側にシフトさせることができる。これにより、半導体レーザに供給する変調電流の取り扱いを容易にすることができ、また、インピーダンス整合や放射妨害波に対する対策を容易にすることができる。
【００４９】
なお、半導体レーザ１と波長選択素子５との少なくも一方を移動機構により移動させることにより、共振器長を設定することができる。
【００５０】
また、外部共振器長が約１．５ｍのレーザ装置において、変調電流の周波数を５ＭＨｚとしたときのスペクトルを図３に示す。図３（ａ）に示すように、外部共振器を構成せずに半導体レーザ単体で動作させた場合には、シングルモードに近いスペクトルが得られている。
【００５１】
これに対して、波長選択素子５を調整し、外部共振器を構成することで、図３（ｂ）に示すように、縦モードが多モードしていることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、外部共振器型半導体レーザ装置に利用できる。
【符号の説明】
【００５３】
１  半導体レーザ
２  熱電変換器
３  温度センサ
４  光伝達媒質
５  波長選択素子
６  光分岐素子
７  光センサ
８  出射光
９  外部共振器
１０  ＡＴＣ制御器
１１  ＡＰＣ制御器
１２  記憶素子（ＲＯＭ）
１３  処理装置
１４  変調電流出力器
１５  高周波分離素子
１６  高周波結合素子
１７  変調電流センサ
１８  ＡＰＣ電流
１９  変調電流
２０  レーザコントローラ
２１  変調コントローラ
２２  スペクトルモニタ
２３  直流抽出部
２４  交流抽出部
【図１】
2015005629.tif 000003
【図２】
2015005629.tif 000004
【図３】
2015005629.tif 000005