(57)【要約】【課題】広範かつ微小な波長の検出であっても装置が大型化しない波長検出装置および波長検出方法を提供する。【解決手段】波長検出装置１Ａは、レーザ光ＰＬを出射する外部共振器型半導体レーザ１０と、レーザ光ＰＬの波長の微小変化を検出するとともにレーザ光ＰＬの波長を広範囲に判別して検出信号ＳＤを出力する波長検出部２０と、検出信号ＳＤに基づいて生成された制御信号ＣＴを外部共振器型半導体レーザ１０に帰還するレーザ制御部２７とを備える。波長検出部２０は、レーザ光ＰＬの一部である光ビームＰＲを回折する回折格子２Ａと、回折格子２Ａによって回折された光ビームを受光して検出信号ＳＤを出力する光検出器３Ａとを含む。波長検出部２０は、回折格子２Ａと光検出器３Ａとの間の距離の設定と、回折格子２Ａの格子ピッチの設定とに基づいてレーザ光ＰＬの波長を検出する。【選択図】図１
2008153379.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームの波長を検出する波長検出装置であって、
光ビームを出射するレーザ光源と、
前記光ビームの波長の微小変化を検出するとともに前記光ビームの波長を広範囲に判別する波長検出部とを備え、
前記波長検出部は、
前記光ビームの一部を回折する回折格子と、
前記回折格子によって回折された光ビームを受光する光検出器とを含み、
前記波長検出部は、前記回折格子と前記光検出器との間の距離の設定と、前記回折格子の格子ピッチの設定とに基づいて前記光ビームの波長を検出する、波長検出装置。
【請求項２】
前記回折格子は、前記光ビームの一部を少なくとも０次回折光および第１の１次回折光に分割する第１の回折領域を含み、
前記光検出器は、前記０次回折光と前記第１の１次回折光とによる干渉縞の光量分布を検出する第１および第２の受光素子とを含み、
前記波長検出部は、前記第１および前記第２の受光素子の差動出力に基づいて前記光ビームの波長の微小変化を検出する、請求項１に記載の波長検出装置。
【請求項３】
前記第１の受光素子と前記第２の受光素子との間の境界線は、前記レーザ光源のシングルモード発振時に前記光検出器に落射する干渉縞の強度の最大値の１／２となる位置に設けられている、請求項２に記載の波長検出装置。
【請求項４】
前記回折格子は、
前記光ビームの一部を少なくとも第２の１次回折光に分割する第２の回折領域と、
前記光ビームの一部を少なくとも第３の１次回折光に分割する第３の回折領域とを含み、
前記光検出器は、
前記第２の１次回折光を受光する第３および第４の受光素子と、
前記第３の１次回折光を受光する第５および第６の受光素子とを含み、
前記波長検出部は、前記第３および前記第４の受光素子の差動信号と前記第５および前記第６の受光素子の差動信号との和に基づいて前記光ビームの波長を広範囲に判別する、請求項１に記載の波長検出装置。
【請求項５】
前記第３の受光素子と前記第４の受光素子との間の境界線は、前記光ビームの設定波長時において前記第２の１次回折光が落射する位置に設けられており、
前記第５の受光素子と前記第６の受光素子との間の境界線は、前記光ビームの設定波長時において前記第３の１次回折光が落射する位置に設けられている、請求項４に記載の波長検出装置。
【請求項６】
前記回折格子は、
前記光ビームの一部を少なくとも０次回折光および第１の１次回折光に分割する第１の回折領域と、
前記光ビームの一部を少なくとも前記０次回折光および第２の１次回折光に分割する、前記第１の回折領域より格子ピッチの大きな第２の回折領域とを含み、
前記光検出器は、
前記０次回折光と前記第１の１次回折光とによる干渉縞の光量分布を検出する第１および第２の受光素子と、
前記０次回折光と前記第２の１次回折光とによる干渉縞の光量分布を検出する第３および第４の受光素子とを含み、
前記波長検出部は、前記第１および前記第２の受光素子の差動出力に基づいて前記光ビームの波長の微小変化を検出するとともに、前記第３および前記第４の受光素子の差動出力に基づいて前記光ビームの波長を広範囲に判別する、請求項１に記載の波長検出装置。
【請求項７】
前記レーザ光源は、外部共振器型レーザである、請求項１〜６のいずれかに記載の波長検出装置。
【請求項８】
レーザ光源から出射される光ビームの波長を検出する波長検出方法であって、
前記光ビームの一部を回折格子で回折するステップと、
前記回折格子によって回折された光ビームを光検出器で受光するステップと、
前記回折格子と前記光検出器との間の距離の設定と、前記回折格子の格子ピッチの設定とに基づいて、前記光ビームの波長の微小変化を検出するとともに前記光ビームの波長を広範囲に判別するステップとを備える、波長検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、波長検出装置および波長検出方法に関し、より特定的には、外部共振器型半導体レーザの発振モードを安定化させる波長検出装置および波長検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィーを使ってデータを記録するホログラム記録装置の研究開発が進められている。ホログラム記録装置では、変調された信号光および変調されない参照光の２つをレーザ光から生成し、これらをホログラム記録媒体の同一場所に照射する。これにより、ホログラム記録媒体上で信号光と参照光とが干渉して照射点に回折格子（ホログラム）が形成される。その結果、ホログラム記録媒体にデータが記録される。信号光が変調されると、信号光にデータが重畳される。
【０００３】
記録済みのホログラム記録媒体に参照光を照射することで、記録時に形成された回折格子から回折光（再生光）が発生する。この再生光は、記録時の信号光に重畳されたデータを含んでいるので、これを受光素子で受光することで記録された信号を再生できる。
【０００４】
ホログラム記録再生用の光源には、たとえばガスレーザ、ＳＨＧ（Second Harmonic Generation）レーザのように、極めてコヒーレンシーのよいシングルモードのレーザ光源が必要とされる。通常のレーザダイオードはマルチモードのため、ホログラム記録再生用光源としてはコヒーレンシーの点で不十分である。
【０００５】
しかしながら、レーザダイオードを外部共振型レーザとして構成すれば、コヒーレンシーの良好なホログラム記録再生用の光源を実現することができる。小型・省電力であるブルーレーザダイオードもまた、外部共振型とすることでホログラム光源として利用できるようになる。
【０００６】
レーザ光をホログラム記録に用いる時に重要なのは、波長の再現性である。特に、波長を変えて情報を記録する波長多重を行なう際には、出力光の波長を意図した長さに制御しなくてはならない。波長多重を行なう場合には、たとえば波長可変型の外部共振器レーザを用いることができる。
【０００７】
外部共振器レーザにおける外部共振器には、たとえばリトロー（Littrow）型がある。このような外部共振器では、まず、レーザダイオードから出射されたレーザビームがコリメートレンズにより平行光となり、反射型の回折格子に照射される。回折格子で反射された光ビームは、０次光と１次光とに分離される。１次光は、来た光路をそのまま通ってレーザダイオードに帰還する。
【０００８】
上記のように、外部共振器レーザは、レーザダイオードと反射型回折格子とで構成される。レーザダイオードは、反射型回折格子の格子形状、および反射型回折格子とレーザダイオードとの距離で決まる波長で発振する。このようなレーザ光源の波長を検出する手段は、たとえば特許文献１に開示されている。特許文献１では、簡略化された装置を用いて光の波長を検出する。具体的には、以下のとおりである。
【０００９】
図１３は、従来の半導体レーザシステム１００の概略的な構成を示した図である。
図１３を参照して、従来の半導体レーザシステム１００は、外部共振器型半導体レーザ５０と、波長検出部１０１と、レーザ制御部１１０とを備える。波長検出部１０１は、光検出部１０２，１０３を有する。光検出部１０２は、オプティカルウェッジ１０４と、２分割光検出器１０６とを含む。光検出部１０３は、オプティカルウェッジ１０５と、２分割光検出器１０７とを含む。
【００１０】
外部共振器型半導体レーザ５０は、波長が制御されたレーザ光ＰＬを光検出部１０２，１０３に出力する。オプティカルウェッジ１０４は、レーザ光ＰＬの一部を光ビームＰＲ１として反射する。オプティカルウェッジ１０５は、オプティカルウェッジ１０４を透過したレーザ光ＰＬの一部を光ビームＰＲ２として反射する。オプティカルウェッジ１０５を透過したレーザ光ＰＴは外部に出力される。
【００１１】
オプティカルウェッジ１０４，１０５は、両面のなす角が数十分程度のガラス板から構成されている。オプティカルウェッジ１０４，１０５にレーザ光を約４５度傾けて入射すると、ガラス板の表面と裏面とで反射した光が干渉縞を形成する。オプティカルウェッジ１０４，１０５は、互いに厚みが異なり、２分割光検出器１０６，１０７上にそれぞれ波長変化に対する縞の移動量が異なる干渉縞パターンを生成する。これにより、以下に述べるように、異なる感度および波長範囲での発振波長検出が行なわれる。
【００１２】
２分割光検出器１０６は、光ビームＰＲ１による干渉縞パターンを検出して検出信号Ｓ１を出力する。２分割光検出器１０６は、レーザパワーの変動による微小な波長変化（０．０１ｎｍ程度の範囲）の波長変動を検出する。レーザパワーの変動は、たとえばレーザチップのモードホップにより生ずる。２分割光検出器１０７は、光ビームＰＲ２による干渉縞パターンを検出して検出信号Ｓ２を出力する。２分割光検出器１０７は、外部共振器型半導体レーザ５０の発振可能波長範囲（数ｎｍ）の比較的広い範囲での波長検出を行なう。２分割光検出器１０６，１０７は、機能を逆にしてもよい。
【００１３】
レーザ制御部１１０は、検出信号Ｓ１，Ｓ２を受けて、制御信号ＣＴを外部共振器型半導体レーザ５０に帰還する。このように、半導体レーザシステム１００は、外部共振器型半導体レーザ５０の発振波長を検出し、レーザ制御部１１０により波長のフィードバックおよび波長制御を行なっている。次に、外部共振器型半導体レーザ５０の具体的な構成および動作について説明する。
【００１４】
図１４は、従来の半導体レーザシステム１００における外部共振器型半導体レーザ５０の概略的な構成を示した図である。
【００１５】
図１４を参照して、外部共振器型半導体レーザ５０は、レーザダイオード５１と、コリメートレンズ５２と、波長制御用回折格子５３と、回折格子回転機構５４とを含む。レーザダイオード５１は、マルチモードのレーザ光を発光し、たとえば４０５ｎｍ程度のブルーのレーザ光を発光する。コリメートレンズ５２は、レーザダイオード５１により発光されたレーザ光ＰＡを平行光にする。
【００１６】
波長制御用回折格子５３は、レーザ光ＰＡを受けて、波長ごとに異なる方向へ１次光を発生する。波長制御用回折格子５３は、特定波長（たとえば４０５ｎｍ）の１次光がレーザダイオード５１に戻るように、レーザダイオード５１との間の角度が設定されている。これにより、レーザダイオード５１内でその波長成分だけが増幅し、レーザ光ＰＡはシングルモードとなる。
【００１７】
回折格子回転機構５４は、波長制御用回折格子５３の角度を調整することで、レーザダイオード５１の発振波長を制御する。波長制御用回折格子５３の０次光（反射光）ＰＬは、出力光として外部共振器型半導体レーザ５０から出射される。
【００１８】
図１５は、図１３の半導体レーザシステム１００から出力されるレーザ光ＰＴのレーザパワーと波長との関係を示した図である。
【００１９】
図１５において、グラフの横軸はレーザパワー（ｍＷ）を示し、グラフの横軸は波長（ｎｍ）を示している。図１５に示すように、レーザ光ＰＴのレーザパワーが増加するのに伴い、レーザ光ＰＴの波長は概ねノコギリ状の変化を示す。
【００２０】
半導体レーザシステム１００では、レーザパワーの増加に伴ってレーザ光ＰＴの波長が徐々に大きくなる外部共振器モードホップの領域と、レーザパワーが増加した場合にレーザ光ＰＴの波長が急激に小さくなるレーザチップモードホップの領域とが存在する。このように２つのモードホップ領域が併存することで、レーザ光ＰＴの波長は、図１５に示すように、レーザパワーの増加にともない、ある程度離散的に推移する。
【００２１】
レーザチップによるモードホップは０．０４ｎｍ程度となるので、良好なホログラム記録が不可能となる。そこで、半導体レーザシステム１００では、図１３で説明したように、２つの検出系を有する波長検出部１０１において数十ｐｍから数ｎｍの範囲での波長を検出することにより発振波長の安定化を図っている。
【００２２】
特許文献２のレーザ光源装置は、微小な波長変化（０．０１ｎｍ程度の範囲）の検出には特許文献１と同様にオプティカルウェッジの干渉光を用い、数ｎｍの波長変化の検出には波長制御用回折格子の反射光の入射位置を検出する。
【特許文献１】特開２００６−１０４９９号公報
【特許文献２】特開２００６−１１４１８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
図１３〜１５で説明した従来の半導体レーザシステム１００は、２つの検出系でレーザ光ＰＴの波長を検出している。具体的には、微小な波長変化（０．０１ｎｍ程度の範囲）の波長変動の検出には、数１００μｍ程度の厚みのオプティカルウェッジを用いている。一方、比較的大きな波長変化、例えば０．０４ｎｍの１００倍の４ｎｍの範囲の波長変動の検出には、上記オプティカルウェッジの約１／１００である数μｍ程度の厚みのオプティカルウェッジが必要となる。
【００２４】
上記のように、厚みが非常に薄いオプティカルウェッジは、耐久性が低下する恐れがあり、実用的ではない。特許文献１では、２枚のガラスを傾けて重ねたものを代用として用いる案も提案されている。しかし、２枚のガラスを数μｍの間隔でかつ角度を０．０１度程度となるように構成する必要があり、製作が困難である。
【００２５】
また、２種類のオプティカルウェッジは、微小波長範囲の検出用に１枚、広い範囲の波長検出範囲に２枚の少なくとも３枚が必要となる。この場合、半導体レーザシステム１００を構成する部材数が多くなり、装置が大型化する問題がある。
【００２６】
一方、特許文献２で提案されているレーザ光源装置は、微小な波長変化（０．０４ｎｍ程度の範囲）と比較的広い数ｎｍ範囲での波長検出とで別々の検出系を必要とするため、やはり構成部材が多くなり、光学系も大型化する。このため、外部共振器型半導体レーザシステムの大型化ならびにコストアップの原因となる。
【００２７】
それゆえに、この発明の目的は、広範かつ微小な波長の検出であっても装置が大型化しない波長検出装置および波長検出方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
この発明は、光ビームの波長を検出する波長検出装置であって、光ビームを出射するレーザ光源と、光ビームの波長の微小変化を検出するとともに光ビームの波長を広範囲に判別する波長検出部とを備える。波長検出部は、光ビームの一部を回折する回折格子と、回折格子によって回折された光ビームを受光する光検出器とを含む。波長検出部は、回折格子と光検出器との間の距離の設定と、回折格子の格子ピッチの設定とに基づいて光ビームの波長を検出する。
【００２９】
好ましくは、回折格子は、光ビームの一部を少なくとも０次回折光および第１の１次回折光に分割する第１の回折領域を含む。光検出器は、０次回折光と第１の１次回折光とによる干渉縞の光量分布を検出する第１および第２の受光素子とを含む。波長検出部は、第１および第２の受光素子の差動出力に基づいて光ビームの波長の微小変化を検出する。
【００３０】
好ましくは、第１の受光素子と第２の受光素子との間の境界線は、レーザ光源のシングルモード発振時に光検出器に落射する干渉縞の強度の最大値の１／２となる位置に設けられている。
【００３１】
好ましくは、回折格子は、光ビームの一部を少なくとも第２の１次回折光に分割する第２の回折領域と、光ビームの一部を少なくとも第３の１次回折光に分割する第３の回折領域とを含む。光検出器は、第２の１次回折光を受光する第３および第４の受光素子と、第３の１次回折光を受光する第５および第６の受光素子とを含む。波長検出部は、第３および第４の受光素子の差動信号と第５および第６の受光素子の差動信号との和に基づいて光ビームの波長を広範囲に判別する。
【００３２】
好ましくは、第３の受光素子と第４の受光素子との間の境界線は、光ビームの設定波長時において、第２の１次回折光が落射する位置に設けられている。また、第５の受光素子と第６の受光素子との間の境界線は、光ビームの設定波長時において、第３の１次回折光が落射する位置に設けられている。
【００３３】
好ましくは、回折格子は、光ビームの一部を少なくとも０次回折光および第１の１次回折光に分割する第１の回折領域と、光ビームの一部を少なくとも０次回折光および第２の１次回折光に分割する、第１の回折領域より格子ピッチの大きな第２の回折領域とを含む。光検出器は、０次回折光と第１の１次回折光とによる干渉縞の光量分布を検出する第１および第２の受光素子と、０次回折光と第２の１次回折光とによる干渉縞の光量分布を検出する第３および第４の受光素子とを含む。波長検出部は、第１および第２の受光素子の差動出力に基づいて光ビームの波長の微小変化を検出するとともに、第３および第４の受光素子の差動出力に基づいて光ビームの波長を広範囲に判別する。
【００３４】
好ましくは、レーザ光源は、外部共振器型レーザである。
この発明の他の局面によれば、レーザ光源から出射される光ビームの波長を検出する波長検出方法であって、光ビームの一部を回折格子で回折するステップと、回折格子によって回折された光ビームを光検出器で受光するステップと、回折格子と光検出器との間の距離の設定と、回折格子の格子ピッチの設定とに基づいて、光ビームの波長の微小変化を検出するとともに光ビームの波長を広範囲に判別するステップとを備える。
【発明の効果】
【００３５】
この発明によれば、広範かつ微小な波長の検出であっても装置が大型化しない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００３７】
［実施の形態１］
図１は、この発明の実施の形態１による波長検出装置１Ａの概略的な構成を示した図である。
【００３８】
図１を参照して、実施の形態１の波長検出装置１Ａは、外部共振器型半導体レーザ１０と、波長検出部２０と、レーザ制御部２７とを備える。波長検出部２０は、回折格子２Ａと、光検出器３Ａと、ハーフミラー１１とを含む。
【００３９】
図２は、図１の波長検出装置１Ａにおける外部共振器型半導体レーザ１０の概略的な構成を示した図である。
【００４０】
図２を参照して、外部共振器型半導体レーザ１０は、図１４と同様に、レーザダイオード２１と、コリメートレンズ２２と、波長制御用回折格子２３と、回折格子回転機構２４とを含む。レーザダイオード２１は、マルチモードのレーザ光を発光し、たとえば４０５ｎｍ程度のブルーのレーザ光を発光する。コリメートレンズ２２は、レーザダイオード２１により発光されたレーザ光ＰＡを平行光にする。
【００４１】
波長制御用回折格子２３は、レーザ光ＰＡを受けて、波長ごとに異なる方向へ１次光を発生する。波長制御用回折格子２３は、特定波長（たとえば４０５ｎｍ）の１次光がレーザダイオード２１に戻るように、レーザダイオード２１との間の角度が設定されている。これにより、レーザダイオード２１内でその波長成分だけが増幅し、レーザ光ＰＡはシングルモードとなる。
【００４２】
回折格子回転機構２４は、波長制御用回折格子２３の角度を調整することで、レーザダイオード２１の発振波長を制御する。波長制御用回折格子２３の０次光（反射光）ＰＬは、出力光として外部共振器型半導体レーザ１０から出射される。
【００４３】
図１に戻って、外部共振器型半導体レーザ１０は、波長が制御されたレーザ光ＰＬを波長検出部２０に出力する。レーザ光ＰＬは、たとえば４０５ｎｍ程度のブルーのレーザ光である。ハーフミラー１１は、レーザ光ＰＬの一部を光ビームＰＲとして回折格子２Ａの方向へ反射する。回折格子２Ａは、入射した光ビームＰＲを回折し、光検出器３Ａ上の所望の位置に落射させる。光検出器３Ａは、回折格子２Ａによる回折光を受光して検出信号ＳＤを出力する。レーザ制御部２７は、検出信号ＳＤに基づいて生成された制御信号ＣＴを外部共振器型半導体レーザ１０に帰還する。
【００４４】
図３は、図１の波長検出装置１Ａにおける回折格子２Ａの概略的な構成を示した図である。回折格子２Ａは、３つの回折領域２ａ〜２ｃに分割されている。
【００４５】
図４は、図１の波長検出装置１Ａにおける光検出器３Ａの概略的な構成を示した図である。図４に示すように、光検出器３Ａは、受光素子３ａ１，３ａ２，３ｂ１，３ｂ２，３ｃ１，３ｃ２を含む。これらの受光素子には、フォトディテクター、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＰＳＤ（Position Sensing Detector）等を用いることができる。
【００４６】
図３，４を参照して、回折格子２Ａへ入射する光ビームＰＲは、回折領域２ａ〜２ｃの各々で回折される。回折領域２ａ〜２ｃは、共通の０次回折光Ｐ０を生成する。
【００４７】
回折領域２ａに入射した光ビームＰＲは、０次回折光Ｐ０と１次回折光Ｐａ１とに分割される。光検出器３Ａ上において、０次回折光Ｐ０と１次回折光Ｐａ１とが重なっている部分には、１次回折光Ｐａ１の回折方向であるＸ方向と垂直なＹ方向に干渉縞が形成される。受光素子３ａ１，３ａ２は、当該干渉縞が落射する位置に配置され、当該干渉縞の光量分布を検出する。
【００４８】
回折領域２ｂに入射した光ビームＰＲは、０次回折光Ｐ０と１次回折光Ｐｂとに分割される。１次回折光Ｐｂは、設定波長（４０５ｎｍ）において、受光素子３ｂ１，３ｂ２の間に集光される。また、回折領域２ｃに入射した光ビームＰＲは、０次回折光Ｐ０と１次回折光Ｐｃとに分割される。１次回折光Ｐｃは、上記と同じ設定波長において、受光素子３ｃ１，３ｃ２の間に集光される。
【００４９】
上記のような構成で、波長検出装置１Ａは、高感度および広範囲の波長検出を並列に行なう。具体的には、受光素子３ａ１，３ａ２の出力により、レーザチップのモードホップ（約０．０１ｎｍの波長変化）程度の高感度の波長検出が行なわれる。また、受光素子３ｂ１，３ｂ２，３ｃ１，３ｃ２の出力により、数ｎｍ程度の広範囲の波長検出が行なわれる。次に、これらの波長検出原理について詳しく説明する。
【００５０】
図５は、レーザ光ＰＬの波長が変化したときの受光素子３ａ１，３ａ２，３ｂ１，３ｂ２，３ｃ１，３ｃ２上でのビームスポットの変化および干渉を示した図である。
【００５１】
図５に示すように、レーザ光ＰＬの波長が増加する方向に変化すると、設定波長時の１次回折光Ｐｂ，Ｐｃのスポット形状および落射位置が１次回折光Ｐｂ＋，Ｐｃ＋のようにそれぞれ変化する。逆に、レーザ光ＰＬの波長が減少する方向に変化すると、設定波長時の１次回折光Ｐｂ，Ｐｃのスポット形状および落射位置が１次回折光Ｐｂ−，Ｐｃ−のようにそれぞれ変化する。
【００５２】
上記のように、レーザ光ＰＬの波長が変化すると、回折格子２Ａの回折角度が変化し、波長が大きくなるほど回折角度が大きくなる。受光素子３ｂ１，３ｂ２，３ｃ１，３ｃ２から出力される信号をそれぞれＳｂ１，Ｓｂ２，Ｓｃ１，Ｓｃ２とすると、検出信号ＳＤの一部である波長信号Ｓλは次式で表わされる。
【００５３】
Ｓλ＝（Ｓｂ２−Ｓｂ１）＋（Ｓｃ２−Ｓｃ１）
波長信号Ｓλは、レーザ光ＰＬの波長が設定波長（４０５ｎｍ）のときは０となり、波長の大小に応じて±方向に変化する。よって、波長検出装置１Ａは、波長信号Ｓλを演算することによって波長検出を行なうことができる。波長信号Ｓλによる波長検出では、数ｎｍ範囲での波長検出が可能である。しかし、この検出系では、レーザチップのモードホップによる微小な波長変化の検出に必要な０．０１ｎｍ程度の高感度な波長検出を行なうのは困難である。
【００５４】
次に、受光素子３ａ１，３ａ２を用いて高感度な波長検出を行なう方法を説明する。図３，４で説明したように、回折領域２ａの回折方向はＹ方向となる。このとき、図５に示すように、回折領域２ａでの０次回折光Ｐａ０と１次回折光Ｐａ１との干渉縞の強度分布は、干渉領域内において、Ｘ方向には変化がなく、Ｙ方向に回折格子２Ａの格子ピッチで決まる周期の明暗パターンが形成される。
【００５５】
図６は、受光素子３ａ１，３ａ２上で検出される０次回折光Ｐａ０と１次回折光Ｐａ１との干渉縞の強度分布を示した図である。
【００５６】
図６において、横軸はＹ方向の位置、縦軸は光強度を示す。ここでは、回折格子２Ａへ入射する光ビームＰＲが平行光であり、回折格子２Ａと受光素子３ａ１，３ａ２とが平行に配置されていると仮定する。このとき、図６に示すように、干渉縞の明部から次の明部または暗部から次の暗部までの距離Ｔは、格子ピッチＴｐと一致する。
【００５７】
図７は、モードホップが発生して設定波長４０５ｎｍのレーザ光ＰＬが波長差０．０４ｎｍの４０５．０４ｎｍに変化した場合の干渉縞の変化を示した図である。
【００５８】
図７において、レーザ光ＰＬの波長が４０５ｎｍ，４０５．０４ｎｍの場合の干渉縞の強度分布をそれぞれＰ４０５，Ｐ４０５．０４で表わす。強度分布Ｐ４０５の明暗の位置と強度分布Ｐ４０５．０４の明暗の位置との関係は、それぞれの波長での０次回折光Ｐａ０および１次回折光Ｐａ１の受光素子３ａ１，３ａ２上各位置での光路差により決まる。すなわち、両者の位置関係は、回折格子２Ａと光検出器３Ａとの間のＺ方向の距離と、回折格子２Ａの格子ピッチとにより決まる。
【００５９】
実施の形態１では、回折格子２Ａと光検出器３Ａとの間のＺ方向の距離が１００ｍｍ、回折格子２Ａの格子ピッチが３．５μｍと仮定している。このとき、図７に示すように、強度分布Ｐ４０５の明暗の位置と強度分布Ｐ４０５．０４の明暗の位置とでは、干渉縞の明暗パターンが１／２周期ずれる。次に、この干渉縞の変化から、検出信号ＳＤの一部である波長判別信号Ｓｍｈを生成する方法について説明する。
【００６０】
図８は、図６で示した干渉縞の強度分布と受光素子３ａ１，３ａ２の配置との関係を示した図である。
【００６１】
図８において、受光素子３ａ１，３ａ２のＸ方向の幅は等しいものとする。受光素子３ａ１，３ａ２のＹ方向の幅Ｗｔも等しく、以下の式で表わされる。
【００６２】
Ｗｔ＝（ｍ＋（１／２））Ｔ    （ｍ＝０，１，２，…）
図８に示すように、受光素子３ａ１，３ａ２の間の境界線は、シングルモード発振時の干渉縞の最大値の１／２となる位置に設けられる。具体的には、受光素子３ａ１，３ａ２の出力（Ｓａ１−Ｓａ２）を観測して、最大値となる位置に位置決めする。このように位置決めすることで、レーザ光ＰＬが設定波長（４０５ｎｍ）となったときには、出力（Ｓａ１−Ｓａ２）が０から大きくずれることになる。
【００６３】
上記の設定において、レーザチップのモードホップが発生すると、図７で説明したように、干渉縞の明暗パターンが１／２周期ずれる。この結果、受光素子３ａ１，３ａ２の差動出力である波長判別信号Ｓｍｈ＝Ｓａ１−Ｓａ２の値も低下する。この波長判別信号Ｓｍｈを検出することにより、−０．０４ｎｍ〜０．０４ｎｍ程度の微小範囲の波長変動を検出することが可能となる。
【００６４】
なお、実施の形態１では、波長検出範囲の広い低感度の波長検出を数ｎｍ範囲とし、高感度の波長検出を−０．０４ｎｍ〜０．０４ｎｍ程度の範囲として説明してきたが、これらの範囲に限定されるものではない。
【００６５】
また、実施の形態１では、波長検出装置１Ａが外部共振型半導体レーザの波長検出に用いられる例を示したが、これに限定されるものではなく、外部共振型半導体レーザ以外のレーザ光源の波長検出に用いることもできる。
【００６６】
以上のように、実施の形態１の波長検出装置１Ａは、光検出器３Ａの各受光素子の出力により、比較的広い範囲（たとえば数ｎｍ）での波長信号Ｓλ、および微小変化（たとえば０．０１ｎｍ程度）での波長判別信号Ｓｍｈを生成する。これにより、外部共振器型半導体レーザ１０の発振波長を所望の波長に制御することができ、かつ安定動作を実現することができる。その結果、部材数の少ない簡単な構成で、小型かつ低コストな外部共振器型半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
【００６７】
また、実施の形態１の波長検出装置１Ａは、レーザ光を回折させる回折手段と、当該回折された光ビームを受光する光検出手段とを備える。上記回折手段は、少なくとも第１および第２の回折領域を有しており、各回折領域からの回折光により第１および第２の波長判別信号を検出することを特徴とする。これにより、回折格子１つと光検出器１つという少ない構成部材で、小型かつ低コストな波長検出装置を実現できる。
【００６８】
また、実施の形態１の波長検出装置１Ａは、上記の構成において、光検出手段が、第１の回折領域からの回折光を受光する第１の受光素子群と、第２の回折領域からの回折光を受光する第２の受光素子群とを含む。これにより、光検出手段を第１および第２の回折領域という簡単な構成で実現できる。
【００６９】
また、実施の形態１の波長検出装置１Ａは、上記の構成において、第１の回折領域に入射したレーザ光が複数のビームに分割され、当該複数のビームが重ね合わされる位置に第１の受光素子群が配置され、第１の受光素子群の差動出力により、上記レーザ光の波長を検出するための第１の波長判別信号が生成されることを特徴とする。これにより、回折格子の第１の回折領域に干渉光を生成するための格子パターンを形成することができ、第１の波長判別信号生成用の回折光を発生させることができる。また、一括パターンニングによる簡易な製作工程により、第１の波長判別信号生成用の回折格子が作成できる。
【００７０】
好ましくは、実施の形態１の波長検出装置１Ａは、上記の構成において、第１の波長判別信号が第２の波長判別信号よりもレーザ光の波長の変化に対して高感度に変化することを特徴とする。これにより、第１の波長判別信号を用いて、レーザ光源の微小な波長変化（たとえば０．０１ｎｍ程度）を検出することができる。
【００７１】
好ましくは、実施の形態１の波長検出装置１Ａは、上記の構成において、第１の波長判別信号が第２の波長判別信号よりもレーザ光の波長検出範囲が狭いことを特徴とする。これにより、第２の波長判別信号を用いてレーザ光源の波長を比較的広い範囲（たとえば数ｎｍ程度）にわたって検出することができる。
【００７２】
［実施の形態２］
図９は、この発明の実施の形態２による波長検出装置１Ｂの概略的な構成を示した図である。
【００７３】
図９を参照して、実施の形態２の波長検出装置１Ｂは、回折格子２Ａおよび光検出器３Ａが回折格子２Ｂおよび光検出器３Ｂが置き換えられた点において、実施の形態１の波長検出装置１Ａと異なる。その他の構成は実施の形態１と同様なので、重複する部分の説明はここでは繰り返さない。
【００７４】
図１０は、図９の波長検出装置１Ｂにおける回折格子２Ｂの概略的な構成を示した図である。回折格子２Ｂは、２つの回折領域４ａ，４ｂに分割されており、両者の格子ピッチは互いに異なる。
【００７５】
図１１は、図９の波長検出装置１Ｂにおける光検出器３Ｂの概略的な構成を示した図である。図１１に示すように、光検出器３Ｂは、受光素子５ａ１，５ａ２，５ｂ１，５ｂ２を含む。これらの受光素子には、たとえば、フォトディテクター、ＣＣＤ、ＰＳＤを用いることができる。
【００７６】
図１０，１１を参照して、回折格子２Ｂへ入射する光ビームＰＲは、回折領域４ａ，４ｂの各々で回折される。回折領域４ａ，４ｂは、共通の０次回折光Ｐ０を生成する。
【００７７】
回折領域４ａに入射した光ビームＰＲは、０次回折光Ｐ０と１次回折光Ｐａ１とに分割される。光検出器３Ｂ上において、０次回折光Ｐ０と１次回折光Ｐａ１とが重なっている部分には、１次回折光Ｐａ１の回折方向であるＸ方向と垂直なＹ方向に干渉縞が形成される。実施の形態２では、回折格子２Ｂと光検出器３Ｂとの間のＺ方向の距離が１００ｍｍ、回折格子２Ｂのうち回折領域４ａの格子ピッチが２．１μｍと仮定している。
【００７８】
受光素子５ａ１，５ａ２は、上記干渉縞が落射する位置に配置され、当該干渉縞の光量分布を検出する。これにより、実施の形態１の受光素子３ａ１，３ａ２と同様に、レーザチップのモードホップを検出することができる。
【００７９】
回折領域４ｂに入射した光ビームＰＲは、０次回折光Ｐ０と１次回折光Ｐｂ１とに分割される。光検出器３Ｂ上において、０次回折光Ｐ０と１次回折光Ｐｂ１とが重なっている部分には、１次回折光Ｐｂ１の回折方向であるＸ方向と垂直なＹ方向に、受光素子５ａ１，５ａ２上とは異なるピッチの干渉縞が形成される。受光素子５ｂ１，５ｂ２は、当該干渉縞が落射する位置に配置され、当該干渉縞の光量分布を検出する。
【００８０】
図１２は、回折領域４ｂによる受光素子５ｂ１，５ｂ２上の干渉縞を用いてレーザ光ＰＬの波長を検出する原理を説明するための図である。
【００８１】
図１２において、横軸は回折格子２Ｂのうち回折領域４ｂの格子ピッチ、縦軸は干渉縞の周期で規格化された干渉縞の位置ずれ量を示す。レーザチップのモードホップによる波長変動に対応する０．０４ｎｍの波長差での干渉縞の位置ずれ量を０．０４Ｔ、５ｎｍの波長差での干渉縞の位置ずれ量を５Ｔで表わす。
【００８２】
図１２に示すように、波長差が０．０４ｎｍのときに干渉縞の位置ずれ量が０．５（１／２周期）となるようにするには、位置ずれ量０．０４Ｔとの交点から、回折領域４ｂの格子ピッチを３．５μｍとすればよいことが分かる。この場合には、受光素子５ｂ１，５ｂ２の差動出力を検出することで、レーザチップのモードホップのような微小変化の波長検出を行なうことができる。
【００８３】
また、±５ｎｍの範囲での波長変動を検出するためには、波長差が５ｎｍのときに干渉縞の位置ずれ量が０．５（１／２周期）となるようにすればよい。この場合、回折領域４ｂの格子ピッチは、位置ずれ量５Ｔとの交点から３８．７μｍとなる。この場合には、受光素子５ｂ１，５ｂ２の差動出力を検出することで、数ｎｍ程度の広範囲の波長検出を行なうことができる。
【００８４】
なお、実施の形態２では、波長検出範囲の広い低感度の波長検出を数ｎｍ範囲とし、高感度の波長検出を−０．０４ｎｍ〜０．０４ｎｍ程度の範囲として説明してきたが、これらの範囲に限定されるものではない。
【００８５】
また、実施の形態２では、波長検出装置１Ｂが外部共振型半導体レーザの波長検出に用いられる例を示したが、これに限定されるものではなく、外部共振型半導体レーザ以外のレーザ光源の波長検出に用いることもできる。
【００８６】
以上のように、実施の形態２の波長検出装置１Ｂは、回折格子２Ｂを回折領域４ａ，４ｂに分割し、回折領域４ａ，４ｂの格子ピッチを互いに異なる値に設定することで、レーザモードホップ（たとえば０．０４ｎｍ程度）の検出とともに、数ｎｍ範囲の波長変化を検出することができる。その結果、部材数の少ない簡単な構成で、小型かつ低コストな外部共振器型半導体レーザ装置を実現することが可能となる。
【００８７】
また、実施の形態２の波長検出装置１Ｂは、レーザ光を回折させる回折手段と、当該回折された光ビームを受光する光検出手段とを備える。上記回折手段は、少なくとも第１および第２の回折領域を有しており、各回折領域からの回折光により第１および第２の波長判別信号を検出することを特徴とする。これにより、回折格子１つと光検出器１つという少ない構成部材で、小型かつ低コストな波長検出装置を実現できる。
【００８８】
また、実施の形態２の波長検出装置１Ｂは、上記の構成において、第２の受光素子群が少なくとも１つの２分割受光素子を有する。回折格子の第２の回折領域は、入射したレーザ光が回折されて２分割受光素子の分割線上に集光するように格子形状が形成されていることを特徴とする。これにより、回折格子の第２の回折領域に第１の回折領域とは異なる格子パターン（ビーム集光用パターン）を形成することができ、第２の波長判別信号生成用の回折光を発生させることができる。回折格子は、一括パターンニングにより第１および第２の回折領域を同時に形成できるので、簡易な製作工程により第２の波長判別信号生成用の回折格子を作成できる。
【００８９】
また、実施の形態２の波長検出装置１Ｂは、上記の構成において、第２の回折領域に入射したレーザ光が複数のビームに分割され、当該複数のビームが重ね合わされる位置に第２の受光素子群が配置される。第２の受光素子群の差動出力により、レーザ光の波長を検出するための第２の波長判別信号が生成されることを特徴とする。これにより、回折格子の第２の回折領域に第１の回折領域とは格子ピッチの異なるパターンを形成することができ、第２の波長判別信号生成用の回折光を発生させることができる。回折格子は、一括パターンニングにより第１および第２の回折領域を同時に形成できるので、簡易な製作工程により第２の波長判別信号生成用の回折格子を作成できる。
【００９０】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】この発明の実施の形態１による波長検出装置１Ａの概略的な構成を示した図である。
【図２】図１の波長検出装置１Ａにおける外部共振器型半導体レーザ１０の概略的な構成を示した図である。
【図３】図１の波長検出装置１Ａにおける回折格子２Ａの概略的な構成を示した図である。
【図４】図１の波長検出装置１Ａにおける光検出器３Ａの概略的な構成を示した図である。
【図５】レーザ光ＰＬの波長が変化したときの受光素子３ａ１，３ａ２，３ｂ１，３ｂ２，３ｃ１，３ｃ２上でのビームスポットの変化および干渉を示した図である。
【図６】受光素子３ａ１，３ａ２上で検出される０次回折光Ｐａ０と１次回折光Ｐａ１との干渉縞の強度分布を示した図である。
【図７】モードホップが発生して設定波長４０５ｎｍのレーザ光ＰＬが波長差０．０４ｎｍの４０５．０４ｎｍに変化した場合の干渉縞の変化を示した図である。
【図８】図６で示した干渉縞の強度分布と受光素子３ａ１，３ａ２の配置との関係を示した図である。
【図９】この発明の実施の形態２による波長検出装置１Ｂの概略的な構成を示した図である。
【図１０】図９の波長検出装置１Ｂにおける回折格子２Ｂの概略的な構成を示した図である。
【図１１】図９の波長検出装置１Ｂにおける光検出器３Ｂの概略的な構成を示した図である。
【図１２】回折領域４ｂによる受光素子５ｂ１，５ｂ２上の干渉縞を用いてレーザ光ＰＬの波長を検出する原理を説明するための図である。
【図１３】従来の半導体レーザシステム１００の概略的な構成を示した図である。
【図１４】従来の半導体レーザシステム１００における外部共振器型半導体レーザ５０の概略的な構成を示した図である。
【図１５】図１３の半導体レーザシステム１００から出力されるレーザ光ＰＴのレーザパワーと波長との関係を示した図である。
【符号の説明】
【００９２】
１Ａ，１Ｂ  波長検出装置、２Ａ，２Ｂ  回折格子、３Ａ，３Ｂ  光検出器、２ａ〜２ｃ，４ａ，４ｂ  回折領域、３ａ１，３ａ２，３ｂ１，３ｂ２，３ｃ１，３ｃ２，５ａ１，５ａ２，５ｂ１，５ｂ２  受光素子、１０，５０  外部共振器型半導体レーザ、１１  ハーフミラー、２０，１０１  波長検出部、２１，５１  レーザダイオード、２２，５２  コリメートレンズ、２３，５３  波長制御用回折格子、２４，５４  回折格子回転機構、２７  レーザ制御部、１００  半導体レーザシステム、１０２，１０３  光検出部、１０４，１０５  オプティカルウェッジ、１０６，１０７  ２分割光検出器、１１０  レーザ制御部波長検出部。
【図１】
2008153379.tif 000003
【図２】
2008153379.tif 000004
【図３】
2008153379.tif 000005
【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】
2008153379.tif 000012
【図１１】
2008153379.tif 000013
【図１２】
2008153379.tif 000014
【図１３】
2008153379.tif 000015
【図１４】
2008153379.tif 000016
【図１５】
2008153379.tif 000017