(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
グレーティングを有し、該グレーティングによる反射光のブラッグ波長が所定波長に設定される光ファイバと、前記光ファイバと光の入出力が可能なように光結合される光結合部と、生じた光を反射する反射面を有して該反射面と前記グレーティングとの間で前記光を共振させて所定発振波長のレーザ光を発振するレーザ発光素子とを備えた外部共振器型レーザにおいて、
前記光結合部と前記グレーティングの間の前記光ファイバの長さ若しくは前記共振される光の伝搬定数又はそれら双方を調整して前記ブラッグ波長に前記レーザ発光素子の発光波長を一致させる調整手段を備えたことを特徴とする外部共振器型レーザ。
【請求項２】
前記調整手段は、前記レーザ発光素子との光結合部と前記グレーティング間の前記光ファイバに応力を加えて前記長さ及び前記伝搬定数を調整することを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項３】
前記調整手段は、前記光結合部と前記グレーティング間の前記光ファイバを屈曲させることによって、該光ファイバに前記応力を加えることを特徴とする請求項２に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項４】
前記調整手段は、前記光結合部と前記グレーティング間の前記光ファイバに所定状態で収縮又は膨張する材質の部材を取り付け、該部材を収縮又は膨張させることによって、該光ファイバに前記応力を加えることを特徴とする請求項２に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項５】
前記調整手段は、前記光結合部と前記グレーティング間の前記光ファイバに支持部材を押し当て応力を付与することを特徴とする請求項２に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項６】
前記調整手段は、前記光結合部と前記グレーティング間の前記光ファイバに圧電素子を取り付け、該圧電素子に電圧を印加して動作させることによって、前記光ファイバに前記応力を加えることを特徴とする請求項２に記載の外部共振器型レーザ。
【請求項７】
前記調整手段は、前記光結合部と前記グレーティング間の前記光ファイバに光を照射して、前記伝搬定数を調整することを特徴とする請求項１に記載の外部共振器型レーザ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ファイバーブラッググレーティング（以下、「ＦＢＧ」という）を用いて所望波長のレーザ光を出力する外部共振器型レーザに関する。
【０００２】
【関連する背景技術】
従来、この種のＦＢＧを用いた外部共振器型レーザには、例えば特開平９−１５３６５９号公報や特開平９−１６２４９１号公報に開示されたレーザモジュールがあり、これらレーザモジュールでは、レーザ発光素子とファイバとの光結合部に、ファイバ端面をレンズ加工した、いわゆるレンズドファイバを用いていた。この結果、レーザ共振器の長さは短くなり、光子寿命を短くでき、通信用レーザに必要な高い緩和振動周波数を実現していた。
【０００３】
また、特開平９−１６２４８９号公報に開示されたごとく、レーザ発光素子の光射出面と光ファイバの端部を直接接続する、いわゆるバットジョインとする構成によっても、共振器長を短くすることができる。
これらレーザは、単一縦モードで発振しており、その発振モードは、共振器構造で決まる縦モードの中で、ＦＢＧのブラッグ波長に最も近い単一のモードとなる。これらレーザにおける光源の波長選別は、ＦＢＧのブラッグ波長を規定することで決まっていた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、光源の選別は、ＦＢＧのブラッグ波長を規定することで決まるが、発振モードは、上述したごとく、共振器構造で決まるので、必ずしもブラッグ波長で発振するものではなかった。
ここで、一般的な外部共振器型レーザの構成図を図１０に示す。図において、外部共振器型レーザは、光源であるレーザダイオードからなるレーザ発光素子１０と、導光路で、かつブラッグ波長に反射のピークを有する狭帯域反射型の光ファイバであるＦＢＧ２０とを備えて構成される。レーザ発光素子１０は、活性層１１と、活性層１１を挟んで形成される無反射端面１２及び高反射端面１３とを、またＦＢＧ２０は、クラッド２１の端面２２が球面状にレンズ加工されたレンズドファイバ（先球レンズ部）と、ファイバコア２３内に形成されたグレーティング２４とをそれぞれ有し、注入される電流によって活性層１１に光が生じ、その光が高反射端面１３とグレーティング２４間で形成される共振器によって反射増幅され、レーザ光として出力している。
【０００５】
このような構成のレーザ共振器における各パラメータは、以下のように定義される。ｎ0は、空気の屈折率、β0は、空気の伝搬定数、α0は、空気の伝搬損失、Ｃoutは、上記レンズドファイバの結合係数、ｚは、上記無反射端面とレンズドファイバ（端面２２）間の距離、ｎ1は、上記活性層の実効屈折率、β1は、上記活性層内の伝搬定数、ｒhは、上記高反射端面の電界反射率、ｒaは、上記無反射端面の電界反射率、Гは、上記活性層横方向光閉じ込め係数、α1は、上記活性層内の伝搬損失、Ｌ1は、上記活性層の長さ、ｇthは、しきい利得、ｎ2は、上記ファイバコアの実効屈折率、β2は、上記ファイバコア内の伝搬定数、α2は、上記ファイバコア内の伝搬損失、Ｒは、上記レンズ半径、Ｌ2は、先球レンズ部の中心からレーザダイオード側のグレーティング２４端までの距離である。
【０００６】
このレーザ構成において、レーザ発光素子の前面（無反射端面）反射率及びレンズドファイバの端面反射率が無視できる程に十分小さいとすると、レーザ発振のしきい条件は、以下のように与えられる。
0004176860.tif 000002
ここで、φは、グレーティングによって光波が反射することによる位相遅れを表す。また、上記（１）式における伝搬定数β0，β1，β2は、波長λと屈折率ｎ0，ｎ1，ｎ2を用いて、
β0＝２πｎ0／λ，β1＝２πｎ1／λ，β2＝２πｎ2／λ    …（２）
と表されるから、次に位相条件の式を上記（２）式の波長と屈折率を用いて表現すると、
２（２πｎ0ｚ／λ＋２πｎ1Ｌ1／λ＋２πｎ2Ｒ／λ＋２πｎ2Ｌ2／λ）＋φ
＝２ｑπ    （ただし、ｑ＝１，２，３，…）          …（３）
となる。この位相条件が満たされる波長にのみ縦モードが存在する。また、ブラッグ波長において、φは、π／２となる。この位相条件において、ブラッグ波長に最も近い単一縦モードが発振モードとなる。
【０００７】
上記（３）式において、安定した結合効率を得るためには、ｚを一定にする必要がある（ｚがずれると、結合効率が低下する）。レーザモジュールパッケージでは、通常、不活性ガスが気密されている。例えば、窒素気密が為されており、屈折率ｎ0は一定となる。また、所望の温度、所望の電流を流した場合のレーザダイオードの実効屈折率ｎ1は一定となる。
【０００８】
図１１は、ブラッグ波長のグレーティング反射スペクトラムと位相条件で決まる縦モードの関係を示す図である。なお、位相条件は、共振器の長さと伝搬定数で、伝搬定数は、波長と実効屈折率でそれぞれ決まる。それゆえ、位相条件は、共振器の長さと波長の関数となり、レーザ発光素子に注入する電流で変化する。つまり、レーザ発光素子の注入電流に応じて、レーザ発光素子の実効屈折率が変化し、伝搬定数が変化するからである。従って、ある任意の注入電流の場合、図１１に示されるように、ブラッグ波長において縦モードが存在しない場合がある。このような場合、図１２に示される発振スペクトラムでは、発振波長λがブラッグ波長λBから離れたものとなる。
【０００９】
このような場合に、従来では、所定の注入電流でＦＢＧのブラッグ波長と発振波長を一致させることは難しいという問題点があった。
また、このようなレーザを波長多重伝送等の光通信に使用する場合、発振波長は、ＩＴＵ（国際電気通信連合）の勧告で制定されている。従って、レーザの発振波長とＦＢＧのブラッグ波長が一致しない場合には、この制定された発振波長からずれてしまって、勧告に合わないものとなるという問題点があった。さらに、レーザの発振波長がＦＢＧのブラッグ波長と一致しない場合には、伝送特性が悪くなるという問題点もあった。
【００１０】
本発明は、上記問題点に鑑みなされたもので、上記（３）式のカッコ内の第４項におけるファイバコアの実効屈折率ｎ2と距離Ｌ2を調整することで縦モードを調整して、ＦＢＧのブラッグ波長とレーザの発振波長を一致させる外部共振器型レーザを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、グレーティングを有し、該グレーティングによる反射光のブラッグ波長が所定波長に設定される光ファイバと、前記光ファイバと光の入出力が可能なように光結合される光結合部と、生じた光を反射する反射面を有して該反射面と前記グレーティングとの間で前記光を共振させて所定発振波長のレーザ光を発振するレーザ発光素子とを備えた外部共振器型レーザにおいて、
前記光結合部と前記グレーティングの間の前記光ファイバの長さ若しくは前記共振される光の伝搬定数又はそれら双方を調整して前記ブラッグ波長に前記レーザ発光素子の発光波長を一致させる調整手段を備えた外部共振器型レーザが提供される。
【００１２】
すなわち、前記光ファイバに応力を加えて、その長さ及びファイバコアの伝搬定数を変更させて調整することにより、共振される光の位相を調整して、発振されるレーザ光の発振波長を所望の波長に変更する。
また、前記調整手段は、前記レーザ発光素子との光結合部と該レーザ発光素子側の前記グレーティング端間の前記光ファイバに光を照射し、ファイバコアの実効屈折率を調整して、その伝搬定数を変更させて調整することによって、発振するレーザ光の位相を調整することも好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る外部共振器型レーザを図１乃至図９の図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る外部共振器型レーザの概略構成を示す構成図である。なお、図１以下の図面において、図１０と同様の構成部分については説明の都合上、同一符号を付記する。
【００１４】
図において、レーザダイオードからなるレーザ発光素子１０は、活性層１１を挟んで形成される無反射端面１２及び高反射端面１３とを有し、無反射端面１２とＦＢＧ２０の端面２２間に形成される光結合部３０で、ＦＢＧ２０と光の入出力が可能なように光結合されている。上記構成の外部共振器型レーザは、レーザ発光素子１０の高反射端面１３とＦＢＧ２０のグレーティング２４間で共振器を形成しており、注入される電流によって活性層１１に光が生じ、その光が高反射端面１３とグレーティング２４との間で反射共振されて、グレーティング２４を介してレーザ光として出力している。
【００１５】
ここで、本発明では、光結合部３０とレーザ発光素子１０側のグレーティング２４端の間に応力を加えて、ファイバコア２３の屈折率を局所的に変化させ、ファイバコア２３の実効屈折率ｎ2を変化させることによって、（２）式に示したファイバコア２３内の伝搬定数β2を調整する。これにより、上記伝搬定数β2が含まれる（３）式の光の位相条件を調整することができる。
【００１６】
また、上記応力を光結合部３０とレーザ発光素子１０側のグレーティング２４端までのＦＢＧ２０の距離Ｌ2を変化させるように加えれば、上記距離Ｌ2が含まれる（３）式の位相条件を調整することができる。
従って、図２の位相条件調整後の縦モードとＦＢＧの反射スペクトラムの関係に示すように、この応力に基づく位相条件の調整で、ブラッグ波長λBに縦モードが存在することとなり、図３の発振スペクトラムに示すように、ブラッグ波長λBにおいて発振モードが得られるので、発振波長λとブラッグ波長λBが等しくなり、レーザ光の発振波長λをＦＢＧ２０によるブラッグ波長λBに設定することが可能になる。
【００１７】
図４乃至図８は、上記伝搬定数β2又は距離Ｌ2を調整する具体的な実施例を示す図である。図４の第１実施例では、光結合部３０とレーザ発光素子１０側のグレーティング２４端までのＦＢＧ２０を曲げることによって、ＦＢＧ２０に応力を加えてファイバコアの実効屈折率ｎ2を変えるとともに、光結合部３０とレーザ発光素子１０側のグレーティング２４端までの距離Ｌ2を変える。なお、上記距離Ｌ2を変えるということは、高反射端面１３とグレーティング２４間で形成される共振器の長さが変わるということである。
【００１８】
従って、本実施例では、（２）及び（３）式の伝搬定数β2及び距離Ｌ2を調整できるので、位相条件が調整でき、これによりレーザ光の発振波長をＦＢＧによるブラッグ波長に設定することができる。
図５の第２実施例では、光結合部とレーザ発光素子側のグレーティング２４端までのＦＢＧ２０に、本発明の支持部材を構成する支持棒４０を取り付け、支持棒４０をＦＢＧ２０に押し当てて応力を加えてファイバコアの実効屈折率ｎ2を変えるとともに、距離Ｌ2を変える。
【００１９】
従って、本実施例では、伝搬定数β2及び距離Ｌ2を調整できるので、（３）式の位相条件が調整でき、これによってもレーザ光の発振波長をＦＢＧによるブラッグ波長に設定することができる。
図６の第３実施例では、所定の状態、例えば乾いた状態で収縮又は膨張する材質（樹脂又は金属）の部材４１を、例えば樹脂塗布したり、半田付けして光結合部とレーザ発光素子側のグレーティング２４端までのＦＢＧ２０に取り付け、部材４１を乾かして収縮又は膨張させることによって、ＦＢＧ２０に応力を加えてファイバコアの実効屈折率ｎ2を変えるとともに、距離Ｌ2を変える。
【００２０】
従って、本実施例でも、伝搬定数β2及び距離Ｌ2を調整できるので、（３）式の位相条件が調整でき、これによりレーザ光の発振波長をＦＢＧによるブラッグ波長に設定することができる。
図７（ａ）の第４実施例では、光結合部とレーザ発光素子側のグレーティング２４端までのＦＢＧ２０の外周面に円筒状の圧電素子４２を取り付け、圧電素子４２に直流電圧源４３から電圧を印加して動作させ、ＦＢＧ２０の長手方向に応力を加えて実効屈折率ｎ2を変えるとともに、距離Ｌ2を変える。また、図７（ｂ）に示すように、板状の圧電素子４２を取り付けてＦＢＧ２０を曲げるように構成しても良い。
【００２１】
従って、本実施例では、直流電圧源からの印加電圧を可変にすることで、ＦＢＧ２０に加わる応力が変化し、伝搬定数β2及び距離Ｌ2を調整できるので、（３）式の位相条件が調整でき、これによってもレーザ光の発振波長をＦＢＧによるブラッグ波長に設定することができる。
なお、図８の第５実施例は、図７の第４実施例に示した圧電素子の結晶方向を９０度変化させたものである。本実施例でも、圧電素子４２に直流電圧源４３から電圧を印加して動作させており、これによりＦＢＧ２０の長手方向と垂直の方向に応力を加えて実効屈折率ｎ2を変えるとともに、距離Ｌ2を変える。
【００２２】
従って、本実施例でも、第４実施例と同様に、ＦＢＧに加わる応力が変化し、伝搬定数β2及び距離Ｌ2を調整できるので、（３）式の位相条件が調整でき、これによりレーザ光の発振波長をＦＢＧによるブラッグ波長に設定することができる。
また、図９の第６実施例は、応力の代わりに光を使用した場合の一例である。第６実施例では、光結合部とレーザ発光素子側のグレーティング２４端までのＦＢＧ２０に外部の光源（図示せず）から光を照射することによって、既知の非線形効果（いわゆるカー効果）を起こさせて、ファイバコア２３の実効屈折率ｎ2を変える。すなわち、カー効果では、電界強度の２乗に比例した屈折率変化を生じる。つまり、光強度は、電界強度の２乗に比例するから、入射した光のパワーに比例して、屈折率が変化する。ここで、例えばシリカを用いた場合、ファイバコアの屈折率をｎcoreとし、カー効果による屈折率変化分をｎkerrで表すと、実効屈折率ｎ2とは次の関係がある。
【００２３】
ｎ2＝ｎcore＋ｎkerrＩ                    …（４）
なお、Ｉは光強度（インテンシティ又は光パワー密度）である。ファイバコアにおけるｎkerrの値は、一般的に、２×１０-20〜３×１０-20（ｍ2／Ｗ）からなる値が知られている。上記（４）式を入射パワーと結びつけるには、光ファイバの実効断面積Ａeffを用いて、
ｎ2＝ｎcore＋ｎkerrＰ／Ａeff             …（５）
と表される。ここで、Ａeff≒πｒ2である。また、ｒは、モードフィールド半径であり、通常シングルモードファイバであれば、４〜６μｍ程度となる。
【００２４】
従って、本実施例では、ＦＢＧに照射される光の強度を変えることで、実効屈折率ｎ2が（５）式のように変化して、（２）式の伝搬定数β2を調整できるので、（３）式の位相条件が調整でき、これによってもレーザ光の発振波長をＦＢＧによるブラッグ波長に設定することができる。
なお、これら実施例において、レーザ光の発振波長をＦＢＧによるブラッグ波長に一致される場合には、例えばＦＢＧ２０のレーザ光出力側に光カプラ（図示せず）を取り付け、出力されるレーザ光を分離し、その波長をモニタしてフィードバックし、応力又は光の強度を調整すれば、上記レーザ光の発振波長を上記ブラッグ波長に対応させることができ、実際にファイバグレーティングのブラッグ波長を選別することで、発振波長が精度良く選別することができる。
【００２５】
また、第４及び第５実施例においては、予め印加電圧と発振波長の関係が解っている場合には、印加する電圧を可変にして、上記電圧をフィードバックすれば、位相条件が調整され、上記レーザ光の発振波長を上記ブラッグ波長に対応させることができる。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、グレーティングによる反射光のブラッグ波長が所定波長に設定される光ファイバと、前記光ファイバと光の入出力が可能なように光結合される光結合部と、生じた光を反射する反射面を有して該反射面と前記グレーティングとの間で前記光を共振させて所定発振波長のレーザ光を発振するレーザ発光素子とを備えた外部共振器型レーザにおいて、前記レーザ発光素子との光結合部と前記グレーティング間の前記光ファイバに、応力を加えて又は光を照射して、前記光ファイバの長さ又は前記共振される光の伝搬定数又はこれら双方を調整する調整手段を備えたので、前記共振される光の位相を調整してＦＢＧのブラッグ波長とレーザの発振波長を一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る外部共振器型レーザの概略構成を示す構成図である。
【図２】図１に示した本発明に係る外部共振器型レーザを用いた時の位相条件調整後の縦モードとＦＢＧの反射スペクトラムの関係を示す関係図である。
【図３】同じく本発明による発振スペクトラムを示す図である。
【図４】図１に示した外部共振器型レーザの第１実施例の構成を示す構成図である。
【図５】同じく第２実施例の構成を示す構成図である。
【図６】同じく第３実施例の構成を示す構成図である。
【図７】同じく第４実施例の構成を示す構成図である。
【図８】同じく第５実施例の構成を示す構成図である。
【図９】同じく第６実施例の構成を示す構成図である。
【図１０】従来の外部共振器型レーザの概略構成を示す構成図である。
【図１１】図１０に示した外部共振器型レーザを用いた時の縦モードとＦＢＧの反射スペクトラムの関係を示す関係図である。
【図１２】同じく従来による発振スペクトラムを示す図である。
【符号の説明】
１０  レーザ発光素子
１１  活性層
１２  無反射端面
１３  高反射端面
２０  光ファイバ（ＦＢＧ）
２１  クラッド
２２  クラッド端面
２３  ファイバコア
２４  グレーティング
３０  光結合部
４０  支持棒
４１  部材
４２  圧電素子
４３  直流電圧源
【図１】
0004176860.tif 000003
【図２】
0004176860.tif 000004
【図３】
0004176860.tif 000005
【図４】
0004176860.tif 000006
【図５】
0004176860.tif 000007
【図６】
0004176860.tif 000008
【図７】
0004176860.tif 000009
【図８】
0004176860.tif 000010
【図９】
0004176860.tif 000011
【図１０】
0004176860.tif 000012
【図１１】
0004176860.tif 000013
【図１２】
0004176860.tif 000014