(57)【要約】      （修正有）【課題】広範囲の波長にわたって位相連続レーザを同調させるために、より効率的で、融通性があり、費用対効果が高い波長可変レーザを提供する。【解決手段】波長可変レーザは、このレーザの放射波長を選択するように構成される第１の同調器２１０と、このレーザの共振器２００の光路長を変更することによって、この共振器のモードを調整するように構成される第２の同調器２１５とを備える。第２の同調器２１５は限られた同調範囲によって制限される。波長可変レーザは、第１の同調器及び第２の同調器を制御して、放射波長を選択し、かつ同期して共振器のモードを調整し、第２の同調器２１５の限られた同調範囲によってサポートされる範囲よりも広い範囲にわたって位相連続同調を実行するように構成されるコントローラも備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長可変レーザであって、
該レーザの放射波長を選択するように構成される第１の同調器（２１０）と、
該レーザの共振器（１００）の光路長を変更することによって、該共振器モードを調整するように構成される第２の同調器（２１５）であって、該第２の同調器（２１５）は限られた同調範囲によって制限される、第２の同調器と、
前記第１の同調器及び前記第２の同調器を制御して、前記放射波長を選択し、かつ同期して前記共振器（１００）のモードを調整し、前記第２の同調器（２１５）の前記限られた同調範囲によってサポートされる範囲よりも広い範囲にわたって位相連続同調を実行するように構成されるコントローラとを備える、波長可変レーザ。
【請求項２】
前記第１の同調器（２１０）は、回折格子（８２０）、ミラー及びプリズムのうちの少なくとも１つを含む、機械的に同調するフィルタを備える、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項３】
前記回折格子（８２０）、前記ミラー及び前記プリズムをその中心の回りに回転させるように構成されるダイレクトドライブモータを更に備える、請求項２に記載の波長可変レーザ。
【請求項４】
前記第２の同調器（２１５）は偏光コントローラを備え、該偏光コントローラは、正弦波駆動電圧の連続した駆動周期において入力波長の位相を０から２πまで線形に進める、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項５】
前記偏光コントローラは複数の波長板を含み、該波長板のうちの少なくとも１つは軸の回りに回転し、正弦波駆動電圧の連続した駆動周期において前記入力波長の前記位相を０から２πまで線形に進める、請求項４に記載の波長可変レーザ。
【請求項６】
前記波長板は電気光学波長板を含む、請求項５に記載の波長可変レーザ。
【請求項７】
前記波長板はバルク光学波長板を含む、請求項５に記載の波長可変レーザ。
【請求項８】
前記波長板はバルク光学波長板及び電気光学波長板の組み合わせを含む、請求項５に記載の波長可変レーザ。
【請求項９】
前記第２の同調器（２１５）はプッシュプルＩ−Ｑ変調器（７０５）を含む、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１０】
前記第１の同調器（２１０）は電気光学同調器を含む、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１１】
前記第１の同調器及び前記第２の同調器は、並列に配置されるとともに、バーニア同調方式を用いて粗い波長同調及び細かい波長同調を実行するように構成される第１の共振器モード同調器（９２０）及び第２の共振器モード同調器（９２５）を含む、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１２】
前記第２の同調器（２１５）はニオブ酸リチウム偏光コントローラを含む、請求項６に記載の波長可変レーザ。
【請求項１３】
前記波長板は光学セラミック波長板を含む、請求項６に記載の波長可変レーザ。
【請求項１４】
前記波長板は液晶波長板を含む、請求項６に記載の波長可変レーザ。
【請求項１５】
光場を増幅するように構成される利得ステージ（９１５）を更に備え、該利得ステージ（９１５）並びに前記第１の同調器及び前記第２の同調器は単一のチップ上で電子的に同調可能なレーザ共振器（５００）を形成する、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１６】
前記チップはニオブ酸リチウム基板を含み、前記利得ステージ（９１５）は前記基板のエルビウムドープ導波路部分を含む、請求項１５に記載の波長可変レーザ。
【請求項１７】
前記チップは半導体を含み、前記第１の同調器及び前記第２の同調器はＩ−Ｑ変調器を含む、請求項１５に記載の波長可変レーザ。
【請求項１８】
前記第１の同調器（２１０）は前記レーザの光場を分散させるように構成される第１の回折格子（８２０）と、該第１の回折格子（８２０）によって分散した前記光場のための再帰反射器としての役割を果たし、かつ前記光場を更に分散させるように構成される第２の回折格子（８２０）とを備える、請求項１に記載の波長可変レーザ。
【請求項１９】
第１の同調器（２１０）及び第２の同調器（２１５）を備える波長可変レーザを動作させる方法（１０００）であって、
前記第１の同調器（２１０）を制御して、前記レーザの放射波長を選択する、前記第１の同調器を制御するステップと、
前記第２の同調器（２１５）を制御して、前記レーザの共振器（１００）の光路長を変更することによって前記共振器（１００）のモードを調整する、前記第２の同調器を制御するステップであって、前記第２の同調器（２１５）は限られた同調範囲によって制限される、前記第２の同調器を制御するステップと、
前記第１の同調器及び前記第２の同調器を互いに同期して制御して、前記選択された放射波長を、前記第２の同調器（２１５）の前記限られた同調範囲によってサポートされる範囲よりも広い範囲にわたって位相が連続するように（１０１５）変更する（１０１０）、同期して制御するステップとを含む、第１の同調器及び第２の同調器を備える波長可変レーザを動作させる方法。
【請求項２０】
方法（１０００）であって、前記第１の同調器（２１０）は回折格子（８２０）、ミラー及びプリズムのうちの少なくとも１つを含む、機械的に同調するフィルタを備え、前記第１の同調器（２１０）を制御するステップは、それ自体の中心の回りに前記回折格子（８２０）、前記ミラー又は前記プリズムを回転させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
方法（１０００）であって、前記第１の同調器（２１０）及び前記第２の同調器（２１５）のうちの一方の同調誤差を検出するステップと、他方の同調器を同調させて、前記同調誤差を補償する、同調させるステップとを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
方法（１０００）であって、前記第２の同調器（２１５）を制御するステップは、正弦波駆動電圧を生成するステップを含み、前記共振器（１００）のモードを調整することは、該正弦波駆動電圧の連続した駆動周期において前記レーザの共振器（１００）内位相を０から２πまで線形に進めることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
方法（１０００）であって、前記第２の同調器（２１５）は波長板を含み、前記共振器（１００）のモードを調整することは、前記レーザの前記放射波長の選択と同期して、前記波長板のうちの少なくとも１つを回転させることを含む、請求項２２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
種々の波長においてレーザ光を生成するために波長可変レーザが用いられる。そのようなレーザは、数例を挙げると、光通信、分光法及び光化学のような種々の技術的な応用形態において用いることができる。一例として、光通信システムが、波長分割多重を用いて種々の通信チャネルを通してデータを送信するのに波長可変レーザを利用することができる。
【０００２】
波長可変レーザは通常、共振器を備えており、共振器は光場の選択された波長を再循環させ、増幅して、レーザビームを生成する。共振器は通常、共振器によって増幅されることになる波長を選択する波長フィルタと、選択された波長を増幅する利得素子とを備える。例として、波長フィルタは回折格子によって実現することができ、利得素子は半導体光増幅器（ＳＯＡ）によって実現することができる。
【０００３】
レーザの同調範囲は一般的に、そのレーザの利得スペクトル及び共振器モードのような共振器の特性によって決まる。共振器の利得スペクトルは、光場が再循環するのに応じて増幅される１組の波長を規定する。レージング動作を生み出すために、波長が再循環中に増幅されるように、その波長は利得スペクトルの範囲に入らなければならない。利得スペクトルは一般的に共振器内の利得素子及び任意の損失性素子の特性によって決まる。一方、共振器モードは、共振器の光路距離との関係に基づいて共振器内で共振する離散した１組の波長を規定する。レージング動作を生み出すために、波長は、利得スペクトルの範囲に入ることに加えて、共振器の共振器モードのうちの１つに属さなければならない。共振器の中を通る往復経路が波長の整数倍に等しい場合には、その波長は共振器モードに属する。共振器モードは共振器の光路距離に関連するので、共振器モードはこの波長を調整することによって変更することができる。
【０００４】
レーザが異なる波長間で同調するとき、その出力は、異なる共振器モード間のいわゆる「モードホップ」に起因して不連続を示す場合がある。例えば、レーザが第１の共振器モードに対応する第１の波長から第２の共振器モードに対応する第２の波長に同調する場合には、同調がレーザの共振器モードのいずれにも属さない中間波長を通過するので、レーザの出力は遮断される場合がある。また、レーザは、連続的に出力される波長間の位相差に起因する不連続も受ける可能性がある。例えば、レーザが、互いに位相が合っていない連続的な波長間から同調する場合には、結果として生成される出力は、或る地点において歪むか、又は不明確になる場合がある。
【０００５】
モードホップ又は位相差によって引き起こされる不連続は、或る応用形態の性能の妨げとなる可能性がある。例えば、光学試験計測では、全波長範囲の波長にわたって光学デバイスの性能を試験するために、波長可変レーザを用いて連続的な波長掃引を実行することが有益なことがある。しかしながら、これらの不連続は一般的に全ての波長にわたって掃引が実行されるのを妨げ、結果として生成される測定値に雑音を導入する可能性がある。
【０００６】
これらの制限及び他の制限を回避するために、研究者たちは、レーザの共振器モードを調整して波長の変化を補償することによって位相が連続するように（すなわち、モードホップを生じることなく、同相になるように）同調することができるレーザを開発してきた。例えば、位相連続波長可変レーザが第１の波長から第２の波長に同調するとき、モードホップを回避するために、かつ第２の波長が第１の波長と同相で出力されるのを確実にするために、選択された波長とともに共振器の光路距離を調整することができる。
【０００７】
図１は、連続波長可変レーザを実現するために用いることができる従来の共振器を示す図である。図１の例では、共振器はリトロー（Littrow）構成を有するが、リットマン−メトカフ（Littman-Metcalf）構成のような他の構成を有するように変更することができる。
【０００８】
図１を参照すると、共振器１００は、光増幅器１０５と、コリメーティングレンズ１１０と、回折格子１１５とを備える。光増幅器１０５は、一端に部分反射ミラー１２５を有し、他端に反射防止膜１３０を有する。共振器１００の放射波長は、正確に規定された旋回点１３５の回りに回折格子１１５を回転させることによって同調する。
【０００９】
動作中に、光増幅器１０５が光学軸１２０に沿って進行する光場を増幅する。光場はコリメーティングレンズ１１０によってコリメートされ、回折格子１１５から反射される。反射された光場はコリメーティングレンズ１１０を通って再循環して戻り、反射防止膜１３０を通り抜けて、その後、部分反射ミラー１２５に達する。光場の電力の一部が部分反射ミラー１２５を透過し、レーザの光出力として収集される。
【００１０】
回折格子１１５は通常、旋回点１３５の回りに回折格子を回転させるモータ作動ステージに取り付けられる。回折格子１１５は波長可変フィルタとしての役割を果たし、レージング波長を粗く選択するとともに、共振器モード同調器としての役割を果たし、レージング波長を細かく選択する。回折格子１１５は光学軸１２０に対する入射角を変更することによって異なる粗い波長を選択し、共振器１００の長さを変更する並進を通じて異なる細かい波長を選択する。一度の作動によって、位相が連続するようにして出力レーザ波長が掃引されるように、正確に規定された旋回点１３５の回りに回転させることによって、適切な量の角度同調及び並進同調が同時に生み出される。この設計の一例が、Trutna, W.R.、及び、L.F. Stokes著、「Continuously tuned external cavity semiconductor laser」、Journal of Lightwave Technology, v 11, n 8, 1279-1286 (1993)、において開示されており、その開示内容は引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００１１】
共振器１００の設計は、１つには機械的に単純であること、詳細には、一度の機械的動きを用いてレーザを連続的に同調させることができることに起因して魅力的である。それにもかかわらず、共振器１００の設計は著しい欠点も有する。
【００１２】
共振器１００の１つの欠点は、回折格子１１５の位置決めに関して最小の誤差許容範囲しかないことである。詳細には、回折格子１１５は旋回点１３５に対して正確な位置合わせを保持しなければならず、さもなければ同調機構は劣化することになる。これは、時間の経過、デバイスの環境の変化、及び輸送のような破壊する可能性がある活動によって、達成するのが難しい可能性がある。したがって、位置合わせ不良が生じる可能性を回避するために、共振器１００は一般的に、高精度ではあるが、依然として費用及び時間がかかるプロセスを通して組み立てられなければならない。
【００１３】
共振器１００の別の欠点は、機械的な同調機構が同調速度を制限する傾向があることである。詳細には、オフセットされた旋回点１３５は、間接的なモータドライブ機構を必要とし、その機構は通常、機械式のレベルアームのような、かなり大きな慣性と低い共振周波数とを有する機械的構成要素を含む。これらの特徴によって、必然的に掃引速度が低下し、繰返し率が小さくなるという結果を伴う。
【００１４】
共振器１００の更に別の欠点は、レーザが広いスペクトル範囲にわたって同調するのに応じて、必要とされる旋回点がシフトする場合があることである。これは、１つには、同調が行われるときに、共振器がばらつきを補償できないことに起因する。結果として、全スペクトル範囲にわたって位相連続同調を保持するために、更に複雑な機械方式が必要になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
従来技術のこれらの欠点及び他の欠点に照らして、広範囲の波長にわたって位相連続レーザを同調させるために、より効率的で、融通性があり、費用対効果が高い手法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
一代表的な実施の形態によれば、波長可変レーザが、このレーザの放射波長を選択するように構成される第１の同調器と、このレーザの共振器の光路長を変更することによって、この共振器のモードを調整するように構成される第２の同調器とを備える。第２の同調器は限られた同調範囲によって制限される。本波長可変レーザは、第１の同調器及び第２の同調器を制御して、放射波長を選択し、かつ同期して共振器のモードを調整し、第２の同調器の限られた同調範囲によってサポートされる範囲よりも広い範囲にわたって位相連続同調を実行するように構成されるコントローラも備える。
【００１７】
別の代表的な実施の形態によれば、第１の同調器及び第２の同調器を備える波長可変レーザを動作させる方法が、第１の同調器を制御し、レーザの放射波長を選択する、第１の同調器を制御するステップと、第２の同調器を制御して、レーザの共振器の光路長を変更することによって共振器のモードを調整する、第２の同調器を制御するステップとを含む。第２の同調器は限られた同調範囲によって制限される。本方法は、第１の同調器及び第２の同調器を互いに同期して制御して、選択された放射波長を、第２の同調器の限られた同調範囲によってサポートされる範囲よりも広い範囲にわたって位相が連続するように変更する、同期して制御するステップも含む。
【００１８】
説明される実施形態は、添付図面とともに読まれると、以下の詳細な説明から最も良く理解される。適用可能でありかつ実用的である場合はいつも、同様な参照符号は同様な要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】連続波長可変レーザのための従来のレーザ共振器の図である。
【図２】代表的な実施形態による、連続波長可変レーザのためのレーザ共振器の簡易図である。
【図３】代表的な実施形態による、レーザ共振器の同調動作のグラフである。
【図４】別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図５】別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図６】別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図７】別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図８Ａ】更に別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図８Ｂ】更に別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図８Ｃ】更に別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図８Ｄ】更に別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図９】別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。
【図１０】代表的な実施形態による、連続波長可変レーザを同調させる方法を示す流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下の詳細な説明では、限定ではなく説明のために、特定の詳細を開示する代表的な実施形態が、本教示の完全な理解を提供するために説明される。しかし、本明細書で開示される特定の詳細から逸脱する本教示による他の実施形態が、添付の特許請求の範囲の範囲内に留まることが本開示の利益を受ける当業者に明らかであろう。さらに、よく知られている装置及び方法の説明は、代表的な実施形態の説明を不明瞭にしないために省略される場合がある。こうした方法及び装置は、明らかに本教示の範囲内にある。
【００２１】
本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を説明するためだけのものであり、制限的であることを意図するものではない。規定される用語は、規定される用語の技術的意味及び科学的意味に加えて、本教示の技術分野で一般に理解され受容されるものである。
【００２２】
明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるように、数量を特定していないもの（the terms 'a', 'an' and 'the'）は、文脈が別途明確に指示しない限り、単数の指示対象と複数の指示対象の両方を含む。そのため、例えば、「デバイス」は、１つのデバイス及び複数のデバイスを含む。
【００２３】
本明細書及び添付の特許請求の範囲において用いられるときに、用語「実質的な」又は「実質的に」は、その通常の意味に加えて、許容可能な限度又は程度内にあることを意味する。
【００２４】
本発明の教示は包括的には波長可変レーザ及び関連する動作方法に関する。例えば、幾つかの実施形態において、位相連続波長可変レーザは、粗同調機構(coarse tuning mechanism)（又は第１の同調器）と、微同調機構(fine tuning mechanism)（又は第２の同調器）と、粗同調機構及び微同調機構を制御して、同期して同調を実行するコントローラとを有するレーザ共振器を備える。粗同調機構は、例えば、波長フィルタを含むことができ、微同調機構は、例えば、共振器モード同調器を含むことができ、コントローラは波長フィルタ及び共振器モード同調器を電子制御して、波長選択及び共振器モード調整を同期して実行することができる。これらの機構を組み合わせ、その動作を同期させることによって、そのレーザはモードホップ又は位相不連続を生じることなく実質的に同調できるようになる。
【００２５】
或る実施形態では、波長フィルタ及び共振器モード同調器は機械的に別々の構成要素として実現され、図１の例の場合のように、正確に規定された旋回点の回りに波長フィルタ及び共振器モード同調器を回転させる必要がなくなる。旋回の制約をなくすことによって、波長フィルタを機械的技法、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技法、圧電技法及び電気光学技法のような種々の代替の制御技法を通して作動できるようになるので、この機械的な分離によって同調速度を高めることができるようになる。さらに、同調速度を高めることは、遠隔した旋回点ではなく、中心軸の回りに波長フィルタを回転させることによって達成することもできる。言い換えると、その同調は、それ自体の中心の回りに回折格子、ミラー又はプリズムを回転させるように構成されるダイレクトドライブモータによって実行することができる。これは、図１の例のように、延長されたレバーアームのような、或る形の慣性を排除することができる。
【００２６】
加えて、波長フィルタと共振器モード同調器との分離は、一方の構成要素が他方の構成要素内の残差誤差を補償できるようにすることによって、誤差許容範囲を改善することもできる。言い換えると、波長フィルタの残差誤差を共振器モード同調器によって補償することができ、その逆も成り立つ。一方の同調器を他方の同調器に対して適合させることができることは、共振器内のばらつきを処理しやすくするための仕組みを提供する。
【００２７】
或る実施形態では、共振器モード同調器は、限られた位相範囲を有し、その駆動信号にリセット又は不連続を生じることなく、周期的な変調を生み出すように構成される位相変調器を備える。駆動信号がリセットされると、その時間中にレーザ出力は一般的に不確定となるので、駆動リセットをなくすことによって、レーザの性能を改善することができる。
【００２８】
種々の代替の実施形態において、粗同調器（coarse tuner）及び微同調器（fine tuner）は、種々の代替の同調機構及び構成を用いて実現することができる。例えば、粗同調器及び微同調器はいずれも電子構成要素、機械構成要素、又は機械構成要素及び電子構成要素の組み合わせを用いて実現することができる。したがって、或る実施形態は、例えば、完全に電子式の同調機構を用いて実現することができる。さらに、幾つかの実施形態では、レーザ共振器全体を単一の電子チップ内で実現することができる。これらの、そして数多くの他の代替の実施形態は、以下の説明から明らかになるであろう。
【００２９】
以下の説明では、外部共振器レーザ（ＥＣＬ）との関連において或る概念が説明されることになる。それにもかかわらず、これらの概念は線形ＥＣＬには限定されず、リング共振器レーザ、二重拡張共振器レーザ（double extended cavity laser）等の他のタイプのレーザにおいても具現することができる。
【００３０】
図２は、代表的な実施形態による、連続波長可変レーザのためのレーザ共振器の簡易図である。この図は、共振器の簡略化された表現を提供するものであり、他の実施形態のいずれについても具体的な細部を限定するものと解釈されるべきではない。
【００３１】
図２を参照すると、共振器２００は、増幅器２０５と、第１の粗同調器２１０（これ以降、粗同調器２１０）と、第２の同調器２１５（これ以降、微同調器２１５）とを備える。粗同調器２１０は、例えば、回折格子、ミラー及びプリズムのうちの少なくとも１つを含む、機械的に同調するフィルタを含むことができる。図示されないが、共振器２００は通常、その端部の一方又は両方に、光場を再循環させるためのミラーを更に含む。
【００３２】
増幅器２０５は、例えば、ダイオードレーザチップのようなＳＯＡを含むことができる。増幅器２０５は通常、共振器２００の内部に面する側に反射防止膜を有し、共振器２００の外部に面する側に部分反射ミラー又は完全反射ミラーを有する。増幅器２０５は、粗同調器２１０及び微同調器２１５によって選択された１組の波長に利得を与える。
【００３３】
粗同調器２１０は、共振器２００の放射波長を粗く選択し、微同調器２１５は選択された波長に基づいて微同調を実行する。例えば、粗同調器２１０は、回折格子又は幾つかの他の技法を用いて狭い帯域の波長を選択する波長フィルタとすることができ、微同調器２１５は、選択された波長に従って、共振器２００の光路長を調整する共振器モード同調器とすることができる。これら２つの同調動作の組み合わせを用いて、連続した波長を互いに同相に維持しながら、連続した波長範囲にわたって放射波長を掃引することができる。しかしながら、そのためには、それらの動作は同期しなければならない。
【００３４】
粗同調器２１０及び微同調器２１５は独立して制御されるので、各同調器は他の同調器内の残差誤差を補償することができる。結果として、共振器２００は、図１の共振器１００と比べて、不完全な組み立てに耐えることができる。しかしながら、粗同調器２１０及び微同調器２１５は同期しなければならないので、その制御は共振器１００の制御よりも複雑になる場合がある。
【００３５】
図３は、代表的な実施形態による、レーザ共振器の同調動作のグラフである。説明のために、同調動作は図２の共振器２００によって実行されると仮定される。しかしながら、代替的には、同調動作は別のタイプの共振器又は異なる構成を有する共振器によって実行することもできる。
【００３６】
図３を参照すると、波長帯３０５は粗同調器２１０によって選択される１組の波長を表し、Ａ〜Ｇを付される１組のラインは共振器２００の共振器モードを表す。これらの記号は、両方向矢印によって示される波長スペクトルに沿って示される。
【００３７】
第１の時点ｔ０では、粗同調器２１０が波長帯３０５を選択する。これは、例えば、回折格子をこの特定の波長帯に対応する角度まで回転させることによって成し遂げることができる。その第１の時点ｔ０では、波長帯３０５は共振器２００の共振器モードＤに中心を有する。共振器モードＤの位置は共振器２００の光路距離によって決定され、光路距離は微同調器２１５の動作を通して調整することができる。
【００３８】
第１の時点ｔ０と第２の時点ｔ１との間に、選択された波長帯３０５は片方向矢印によって示されるように、左に動かされる。言い換えると、粗同調器２１０は共振器２００の選択された波長帯を低い範囲に調整する。同時に、微同調器２１５は、共振器２００の長さを変更することによって、共振器モードを調整して、この波長同調を補償する。詳細には、微同調器２１５は、選択された波長の同調と協調して、共振器長を調整して、共振器モードを元のラインＡ〜Ｇから対応する新たなラインＡ’〜Ｇ’にシフトする。結果として、第１の時点ｔ０において波長帯３０５と位置合わせされた共振器モードＤは、第２の時点ｔ１において共振器モードＤ’になるようにシフトされ、その共振器モードＤ’はシフト後に依然として波長帯３０５と位置合わせされている。共振器モードＤ’及びＣは縮退であり、周期的な限られた範囲の微同調器２１５は増分シフトを累積することによって無限の同調範囲を有することができるようになる。
【００３９】
共振器モードは常に波長帯３０５と位置合わせされたままであるので、共振器２００の放射波長は、同調するときに、異なる共振器モード間で「ホップ」しない。したがって、図３に示されるように、粗同調器２１０及び微同調器２１５の同期した同調動作を通して、放射波長は、単に離散した共振器モードに対応する値ではなく、連続体に沿った任意の値に設定することができる。これにより、共振器２００は、連続的な同調、すなわち掃引波長同調を実行できるようになる。
【００４０】
図４は、別の代表的な実施形態による、レーザ共振器の図である。この図は共振器２００の更に具体的な例を表す。したがって、異なる機構又は固有の機構に焦点を合わせるために、類似の機能的特徴の説明は省略される場合がある。
【００４１】
図４を参照すると、共振器４００は、端面ミラー４０５と、ＳＯＡ４１０と、第１の結合レンズ４１５と、共振器モード同調器４２０と、第２の結合レンズ４２５と、波長フィルタ４３０とを備える。
【００４２】
波長フィルタ４３０は、端面ミラー及び粗同調器の両方としての役割を果たす回折格子（三角形の歯によって示される）を備える。回折格子は、例えば、金コーティングを有し、効率が高く、リトロー角において入射する、１１００ライン／ｍｍの単一偏光のブレーズド(blazed)格子とすることができる。両方向矢印によって示されるように、回折格子は、図１と同様のオフセットされた旋回点ではなく、中心点の回りに回転させることができる。例示的な応用形態では、波長フィルタ４３０は、例えば、約１０度〜約２５度の角度範囲にわたって回転し、光通信波長にわたって約２００ｎｍの同調範囲を達成することができる。中心点は静止しているので、回折格子が回転しても、共振器４００の光路距離に変化はなく、それゆえ、共振器４００の共振器モードは変化しない。さらに、波長フィルタ４３０はオフセットされた旋回点を有しないので、波長フィルタはゴニオメータ又はステッパモータのようなダイレクトドライブモータによって駆動することができる。
【００４３】
代表的な実施形態によれば、共振器モード同調器４２０は、３ステージニオブ酸リチウム偏光コントローラを備えており、それは電気光学同調器である。１つのそのようなステージの一例が、Thaniyavarn, S.著、「Wavelength-independent, optical-damage-immune LiNbO3 TE-TM mode converter」、Optics Letters, volume 11, number 1, 39-41, (1986)、において記述されており、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。そのコントローラはポッケルス効果又は線形電気光学効果を用いて、正弦波駆動電圧によって電子的に同調する。駆動電圧が一周期だけ循環すると、共振器４００内に位相が線形に加えられ、共振器モードの細かい波長値が絶えず調整される。言い換えると、偏光コントローラは、入力波長の位相を線形に進め、その進みは正弦波駆動電圧を適切に生成することによって制御される。
【００４４】
単一の駆動周期後に、共振器内位相は０から２πまで進んでいる。０及び２π位相は縮退であり、駆動信号も同じ開始点に戻されているので、位相変調は再び繰返し循環することができ、リセットのない駆動信号を用いて、２πを法として無限に位相を進めることができる。言い換えると、偏光コントローラは、正弦波駆動電圧の複数の連続した駆動周期のそれぞれにおいて、入力波長の位相を０から２πまで線形に進めることができる。したがって、共振器４００は、駆動信号の単一の周期によってサポートされる範囲よりも大きな範囲にわたって、その放射波長が連続的に、かつ同相で変化するように同調することができる。言い換えると、その共振器は位相が連続するようにして同調することができる。
【００４５】
偏光コントローラのステージは、対応する電極に印加される電圧に応答して、位相変調を実行するように構成される電気光学波長板を備える。特に、電気光学波長板はバルク材料を含む場合があるか、又は導波路を含むように処理される場合がある。第１のステージ４３５は±４５度において透過軸を有する４分の１波長板として構成され、第２のステージ４４０は回転する透過軸を有する半波長板として構成され、第３のステージ４４５は±４５度において透過軸を有する４分の１波長板として構成される。これらの波長板角度はレーザビームの直線偏光状態の軸に対して規定される。レーザ関連以外で同様に構成されるデバイスの一例が、Noe, R.、及び、D.A. Smith著、「Integrated-optic rotating waveplate frequency shifter」、Electronics Letters, v 24, n 21, 1348-1349, (1988)、に記述されており、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。ニオブ酸リチウムの結晶構造（三方晶系、３ｍ）は、第２のステージ４４０の回転する波長板を実現するのに魅力的である。しかしながら、ニオブ酸リチウムの代わりに、タンタル酸リチウムのような同じ結晶構造を有する別の材料を用いることもできる。
【００４６】
共振器モード同調器４２０に入射する光は直線偏光される。その光は、第１のステージ４３５の４分の１波長板を横切った後に、円偏光になる。次に、その光は第２のステージ４４０の回転する半波長板を通り抜け、その波長板は偏光ベクトルの向きを変更し（すなわち、偏光ベクトルの回転方向を変更し）、ジョーンズ行列によって数学的に記述することができる位相シフトを引き起こす。位相シフトの大きさは一般的に半波長板の透過軸の角度を変更することによって制御することができる。したがって、必要に応じて回転角を制御して、波長フィルタ４３０によって選択された波長内のシフトを補償することができる。上記光は、第２のステージ４４０を出射した後に、共振器４００内を進むのに応じて直線偏光されるように、第３のステージ４４５の４分の１波長板内で再び調整される。
【００４７】
電気光学波長板を使用することに対する代替形態として、共振器モード同調器４２０は、バルク光学波長板（例えば、複屈折結晶）を用いて実現することができる。例えば、共振器モード同調器４２０は、４分の１波長板と、その後に、半波長板と、更にその後、別の４分の１波長板とを用いて、図４と同様の機械的な構成を用いて実現することができる。そのような構成における位相遅延は、半波長板を、そして結果として半波長板の透過軸を機械的に回転させることによって調整することができる。更に他の代替の実施形態では、共振器モード同調器４２０は、バルク光学波長板及び電気光学波長板の組み合わせによって実現することができる。さらに、波長板は、直列に配列される３つ以上の波長板ステージを備えることができる。更に他の実施形態では、波長板は、光学セラミック波長板、液晶波長板、又は種々の他のタイプの波長板とすることができる。
【００４８】
機械式波長板ではなく電気光学波長板を用いる１つの利点は、電気光学波長板が機械的に調整される波長板と比べてはるかに速い変調速度（＞１０００ｘ）を有することである。加えて、電気光学波長板は収色性を確保するように能動的に制御することができ、少ない表面／エタロンとともに単一のデバイスに組み込むことができ、共振器内導波路がフィルタ幅を狭くし、かつレーザサイドモード抑圧比を高めるのを助けることができる。
【００４９】
電気光学構成及びバルク光学構成いずれにおいても、半波長板は共振器モードの位置を変更し、それは図３に示される離散した櫛形ラインをシフトすることと概念的に等価である。これは、電気光学半波長板の電子制御を通して、又はバルク光学半波長板をその軸の回りに回転させることを通して成し遂げられる。同時に、波長フィルタ４３０の位置は、任意の時点において共振器モードのうちのいずれがアクティブであるかを決定する。したがって、電子制御方式又は機械制御方式を通じて、波長フィルタ４３０及び共振器モード同調器４２０の同調を同期させることによって、連続波長掃引を成し遂げることができる。
【００５０】
共振器モード同調器４２０の動作を考える別の方法は、周波数変換の概念による。詳細には、光が波長板を通り抜けるときに、中央の波長板の回転が経時的に光の位相を変更し、周波数シフトに相当するものを生成する。したがって、中央の波長板の回転の方向及び速度に基づいて、光の周波数を上方にシフトするか、又は下方にシフトすることができる。周波数シフトの大きさは、例えば、１ＭＨｚとすることができる。さらに、同調動作中に、光が共振器４００の中を通って再循環する度にわずかな周波数シフトを受ける場合には、そのシフトに応じて、波長を絶えず掃引することができる。言い換えると、増分シフトを累積することによって波長が掃引される。
【００５１】
位相連続同調を容易にすることに加えて、共振器モード同調器４２０を用いて、共振器４００のレージング波長を能動的に安定させることもできる。例えば、振動及び熱運動がレーザ共振器の光路距離を摂動させるのに応じて、その出力において波長変動が見られる場合がある。したがって、共振器モード同調器４２０を能動的に同調させて、これらの共振器長変化を補償及び相殺し、より安定した波長出力をもたらすことができる。
【００５２】
上記のように、位相連続同調を実行するために、波長フィルタ４３０の同調を共振器モード同調器４２０の同調と同期させなければならない。これは、図３に示されるように、選択された波長と共振器モードとの間の位置合わせを保持する任意の方法において成し遂げることができる。例えば、これは、回折格子及びニオブ酸リチウム偏光コントローラに同時に制御信号を加え、較正を用いて、適切な位置合わせを達成するのに必要であるそれらの制御信号の値を特定することによって成し遂げることができる。このプロセスは、例えば、種々の形のフィードバック、及び／又は所定の同調器軌道による試行錯誤法を用いて実行することができる。
【００５３】
粗同調器及び微同調器の同調を同期させる別の方法は、波長フィルタ４３０のためのモータ位置軌道を固定し、その後、共振器モード同調器４２０の周波数シフト挙動を制御して、エンコーダホイールのような測定デバイスによって示されるようなモータ位置に追従することである。代替的には、波長フィルタ４３０は、同様の機構を通して、共振器モード同調器４２０の挙動に追従するように設計することができる。粗同調器及び微同調器の同調を同期させる更に別の方法は、同期外れを受けている時点を示すエラー信号を生成し、エラー信号に関するフィードバックループを用いて、他方に対して一方又は両方の構成要素の同調を調整することによる。
【００５４】
共振器４００の構成要素及び構成を種々の方法において変更して、代替的な実施形態を生み出すことができる。例えば、その回折格子の代わりに、複合回折格子又はポリゴンスキャナのような別のタイプの回折格子フィルタを用いることができる。また、その回折格子は、リトロー構成ではなく、リットマン−メトカフ構成のような代替の構成において配置することもできる。また、その回折格子の代わりに、波長可変アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）、波長可変ファブリ−ペロー（ＦＰ）フィルタ、波長可変バーチャリ・イメージド・フェーズド・アレイ（ＶＩＰＡ）、波長可変リオ／ソルク（Lyot/Solc）フィルタ、音響光学フィルタ、又は波長可変干渉フィルタのような、別のタイプの波長フィルタを用いることもできる。別の例として、代替的には、回折格子によって実行される波長同調を、図６を参照して後に説明されるようなバーニア同調方式を用いて、２つの共振器モード同調器によって並列に実行することができる。
【００５５】
図５〜図９は位相連続波長可変レーザのためのレーザ共振器の更なる実施形態を示す。これらの実施形態は、機械的な駆動機構を用いることなく同調を実行できること、又は単一のチップ上に電子的に同調可能なレーザ共振器を形成できること等の利点を提供することができる。例えば、幾つかの実施形態では、利得ステージ並びに第１の同調器及び第２の同調器が、単一のチップ上に電子的に同調可能なレーザ共振器を形成する。図５〜図９の実施形態は、共振器４００との関連で既に説明された幾つかの機構を用いて示されるので、それぞれの説明において違いに焦点を合わせるために、これらの機構の余分な説明は省略される場合がある。さらに、これらの実施形態の或る機能的態様は、図４との関連で説明された機能と同じ、又は類似とすることができる。したがって、概して、これらの機能の反復的な説明も繰り返されない。
【００５６】
図５は、別の代表的な実施形態による、レーザ共振器５００の図である。この実施形態では、共振器４００の回折格子フィルタの代わりに、別の波長可変波長フィルタ５０５が用いられ、第２の端面ミラー５１０が共振器モード同調器４２０に隣接して配置される。
【００５７】
波長可変波長フィルタ５０５は波長可変ＡＷＧ、波長可変ＦＰフィルタ、波長可変ＶＩＰＡ、波長可変リオ／ソルクフィルタ、又は波長可変干渉フィルタのような種々の代替的な形をとることができる。これらの代替の技術を用いることによって、粗い波長を選択するために電子的に同調できるようになり、共振器４００と比べてレーザ共振器５００の動作を簡単にできる可能性がある。これらの代替技術の別の潜在的な利点は、それらの技術によって、掃引速度を高められるようになり、短く、より集積度の高い共振器にできる場合があることである。
【００５８】
図６は別の代表的な実施形態によるレーザ共振器６００の図である。この実施形態では、粗い波長同調及び細かい波長同調が２つの共振器モード同調器を備える単一の同調ユニット６０５によって実行され、第２の端面ミラー６１０が同調ユニット６０５に隣接して配置され、レーザ共振器６００の中を通って光を再循環させる。
【００５９】
２つの共振器モード同調器はニオブ酸リチウム基板内に並列に配置される。これら２つの同調器を通して、レーザ共振器６００は、直線的な共振器から、Ｙ字構成において上側アーム及び下側アームに分割される。これら２つの共振器によって、レーザ共振器６００は、バーニア同調方式を用いて電子的に同調できるようになり、その方式は、図６において上側アームに対応する上側くし型関数６１５及び下側アームに対応する下側くし型関数６２０によって示される。これらのくし型関数によって示されるように、上側アーム及び下側アームはわずかに異なる光路距離を有するので、それらのアームは一度に１つの特定のモード位置においてのみ互いに強め合う。図６において、この位置は破線の長円によって示され、上側共振器及び下側共振器を同期して同調させることによってその位置をシフトし、位相連続波長掃引を実行することができる。
【００６０】
バーニア同調によれば、自由スペクトル領域と分解能との間にトレードオフがある。したがって、それぞれを同時に、より大きくするために、更なる並列共振器を追加することができる。例えば、図３に示されるような２つの共振器のみを有するのではなく、単一の点において互いに位置合わせされる３つ以上の並列共振器を有することができるように、同調ユニット６０５を変更することができる。
【００６１】
図７は、更に別の代表的な実施形態によるレーザ共振器７００を示す。この実施形態では、共振器モード同調器はプッシュプルＩ−Ｑ変調器７０５によって実現される。
【００６２】
プッシュプルＩ−Ｑ変調器７０５はレーザ共振器７００を通る経路ごとに損失（例えば、６ｄＢ）が加わるので、一般的には、共振器４００のニオブ酸リチウム偏光コントローラほど魅力的ではない。さらに、プッシュプルＩ−Ｑ変調器７０５の駆動信号は周期性で、リセットはないが、尖点（すなわち、三角波及び不連続な一次導関数）を有する。しかしながら、１つの利点は、プッシュプルＩ−Ｑ変調器７０５はニオブ酸リチウムの結晶構造には依存せず、広範な材料内に実装できることである。例えば、ＩｎＰ及びＧａＡｓもレーザ利得チップのための基板材料として用いられるので、ＩｎＰ及びＧａＡｓは２つのそのような材料である。
【００６３】
図８Ａ〜図８Ｄは更に別の代表的な実施形態によるレーザ共振器の図である。これらの実施形態では、共振器モード同調器４２０と組み合わせて、異なる形の回折格子及び／又は回折格子構成が用いられる。
【００６４】
図８Ａを参照すると、共振器８００Ａは、端面ミラー８０５と、結合光学系８１０と、共振器モード同調器４２０と、結合光学系８１５と、再帰反射器タイプ回折格子（「回折格子」）８２０とを備える。共振器８００Ａは、図４の共振器４００と同じような役割を果たし、同じくリトロー構成を有する。
【００６５】
図８Ａ内のラベルによって示されるように、回折格子８２０はリトロー角に向けられ、約１１００ライン／メートル（ライン／ｍｍ）の溝密度を有する。この構成は、１×分解能を生成すると考えられるので、他の構成と比較する場合の基準として用いることができる。
【００６６】
図８Ｂを参照すると、共振器８００Ｂは共振器８００Ａと類似であるが、単一の回折格子８２０の代わりに、回折格子８２５及び平面ミラー８３０を用いる。この構成は、リットマン−メトカフ（Ｌ−Ｍ）構成と呼ばれる。
【００６７】
図８Ｂ内のラベルによって示されるように、回折格子８２５はかすめ入射角に向けられ、約９００ライン／ｍｍの溝密度を有し、約５ｘの分解能を有する。
【００６８】
図８Ｃを参照すると、共振器８００Ｃは共振器８００Ａと類似であるが、回折格子８２０の代わりに、回折格子８２５及び再帰反射器タイプ回折格子（「回折格子」）８３５を用いる。この構成では、回折格子８２５（第１の回折格子）は、レーザの光場を分散させるように構成され、回折格子８３５（第２の回折格子）は、回折格子８２５によって分散した光場のための再帰反射器としての役割を果たし、光場を更に分散させるように構成される。この構成は、リトロー構成及びリットマン−メトカフ構成のハイブリッドとみなすことができ、図８ＣにおいてＬ−Ｍ（＋）リトローを付される。
【００６９】
図８Ｃ内のラベルによって示されるように、回折格子８２５はかすめ入射角に向けられる。回折格子８３５は約９００ライン／ｍｍの溝密度を有し、回折格子８３５は約１１００ライン／ｍｍの溝密度を有する。組み合わせられるとき、回折格子８２５、８３５は約１０ｘの分解能を提供する。したがって、回折格子８２５、８３５の組み合わせは、回折格子８２０の場合よりも、はるかに高い分解能を提供する。
【００７０】
図８Ｄを参照すると、共振器８００Ｄは共振器８００Ａと類似であるが、回折格子８２０の代わりに、回折格子８２５及び再帰反射器タイプ回折格子（「回折格子」）８４０を用いる。この構成も、リトロー構成及びリットマン−メトカフ構成のハイブリッドとみなすことができ、図８ＤにおいてＬ−Ｍ（−）リトローを付される。
【００７１】
図８Ｄ内のラベルによって示されるように、回折格子８２５及び８４０はそれぞれ９００ライン／ｍｍ及び−１１００ライン／ｍｍの溝密度を有し、結果として−０．３ｘの分解能をもたらす。合わせて、これらの回折格子は波長可変で、広いスペクトル範囲を有する低コヒーレンスレーザ源を生成する。
【００７２】
図９は別の代表的な実施形態によるレーザ共振器９００を示す。他の実施形態とは異なり、レーザ共振器９００は単一の集積チップ内に形成される。そのレーザ共振器は、２つ以上の並列共振器を通して光を伝送することによって、図６のバーニア同調手法を用いる。
【００７３】
図９を参照すると、レーザ共振器９００は、第１の端面ミラー９０５及び第２の端面ミラー９１０と、利得ステージ９１５と、第１の共振器モード同調器９２０及び第２の共振器モード同調器９２５とを備える。第２の端面ミラー９０５は通常、選択された波長を放射できるようにする部分反射ミラーである。第１の共振器モード同調器９２０及び第２の共振器モード同調器９２５はそれぞれ図４を参照しながら説明された共振器モード同調器４２０と同じように実現することができる。したがって、それらの共振器モード同調器は電気光学波長板を用いて、図６の記述において説明されたように粗同調及び微同調の両方を実行することができる。利得ステージ９１５は、レーザ共振器９００内で光場を増幅するように構成され、例えば、ニオブ酸リチウム基板のエルビウムドープ導波路部分として実現することができる。
【００７４】
図９に示される実施形態の変形では、代替的には、利得ステージ９１５は、インジウムリン（ＩｎＰ）基板内に実装することができ、その利得はインジウム・ガリウム・ヒ素・リン（ＩｎＧａＡｓＰ）ダイオード構造によってもたらされる。そのような実施形態では、粗同調及び微同調は、図７に示されるような並列Ｉ−Ｑ変調器を用いるバーニア同調技法を用いて実行することができる。さらに、種々の代替の実施形態では、Ｉ−Ｑ変調器とともにＩＩＩ−Ｖ族半導体材料の他の基板を用いることができる。
【００７５】
図１０は、代表的な実施形態による、連続波長可変レーザを同調させるための方法１０００を示す流れ図である。この方法は、図２〜図９で説明された実施形態のいずれかとともに用いることができ、具体的なステップはそれらの実施形態に含まれる種々の構造に適合される。図１０の記述では、例示的なデバイス又はシステムの特徴と区別するために、例示的な方法ステップは括弧によって示される。
【００７６】
図１０を参照すると、その方法は、粗同調器を制御して、レーザの放射波長を選択することによって開始する。ステップ１００５と同期して、選択された放射波長に応じて、微同調器がレーザの共振器モードを調整する（１０１０）。その後、粗同調器及び微同調器を互いに同期して制御し、選択された放射波長を位相が連続するように変更する（１０１５）。
【００７７】
図１０の方法ステップは、図２〜図９との関連で上記で説明された種々の技法のいずれかを用いて実施することができる。例えば、上記のように、粗同調器は、回転中心を有する回折格子を備えることができ、選択された波長は、その回転中心の回りに回折格子を回転させることによって制御される。別の例として、上記のように、粗同調器及び微同調器をそれぞれ用いて、他方の誤差を補償することができる。例えば、微同調器は粗同調器の同調誤差を検出し、検出された誤差に応じてその同調を調整することによって誤差を補償することができる。
【００７８】
上記の事柄によって示されるように、それらの代表的な実施形態は、動作速度、誤差許容範囲のような、位相連続波長可変レーザの種々の態様を改善できる可能性がある。加えて、特定の実施形態は、分散性の高い回折格子構成を使用することによって、同調特定性（tuning specificity）を改善する。さらに、幾つかの実施形態は、単一のチップ内に共振器全体を配設し、それにより共振器の設計及び制御機構を簡単にできる可能性がある。
【００７９】
代表的な実施形態が本明細書で開示されたが、本教示による多くの変形形態が可能であり、また、添付の特許請求の範囲の範囲内に留まることを当業者は認識する。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲を除いて制限されない。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
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