(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳ可動ミラーの振動を抑圧することにより、面発光型レーザから出射されるレーザ光のスペクトル線幅の広がりを狭くできる面発光型レーザ装置を提供すること。【解決手段】可動ミラーを有する面発光型レーザを用いた波長可変レーザ装置において、  前記面発光型レーザのレーザ出力光の出力波長変動を打ち消すように、前記可動ミラーの制御電圧に帰還電圧を供給する電圧帰還手段を設けたことを特徴とするもの。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動ミラーを有する面発光型レーザを用いた波長可変レーザ装置において、
前記面発光型レーザのレーザ出力光の出力波長変動を打ち消すように、前記可動ミラーの制御電圧に帰還電圧を供給する電圧帰還手段を設けたことを特徴とする波長可変レーザ装置。
【請求項２】
前記面発光型レーザは、
可動ミラーを有するシリコン基板と多層膜ミラーを有する化合物半導体基板を活性層を介して対向させ、この活性層と前記可動ミラーおよび前記多層膜ミラーにより光共振器を形成し、前記活性層に電流を流すことにより前記光共振器から光が出射され、前記シリコン基板に電圧を印加して静電気力で前記可動ミラーを動作させて波長を変化させることを特徴とする請求項１記載の波長可変レーザ装置。
【請求項３】
前記光共振器から出射された光の波長変動をモニタリングする波長モニタ回路と、
この波長モニタ回路の測定値により前記光共振器から出射される任意の光波長の波長変化を演算する波長制御手段と、
この波長制御手段により算出された高周波の制御電圧が印加される電圧回路と
を備え、
この電圧回路の低周波波長制御電圧に前記波長制御手段により算出された前記高周波波長制御電圧信号を重畳することを特徴とする請求項２記載の波長可変レーザ装置。
【請求項４】
前記波長制御手段は、少なくとも、Ａ／Ｄ変換器と位相積算器とハイパスデジタルフィルタと波長制御回路とから構成されることを特徴とする請求項３記載の波長可変レーザ装置。
【請求項５】
前記光共振器から出射された光の波長変動をモニタリングする波長モニタ回路と、
この波長モニタ回路の測定値により前記光共振器から出射される任意の光波長の波長変化を演算する波長制御手段と、
この波長制御手段により算出された任意の制御電圧が印加される電圧回路と
を備え、
この電圧回路に前記波長制御手段により前記光共振器から出射された光の波長変動の高周波成分がゼロとなるように算出された電圧信号をフィードバックすることを特徴とする請求項２記載の波長可変レーザ装置。
【請求項６】
前記波長制御手段に、目標波長データを入力し、この目標波長データと前記位相積算器の演算結果との差から波長制御信号を出力することを特徴とする請求項５記載の波長可変レーザ装置。
【請求項７】
前記波長制御手段は、Ａ／Ｄ変換器と位相積算器とハイパスデジタルフィルタとローパスデジタルフィルタと波長制御回路とから構成されることを特徴とする請求項６記載の波長可変レーザ装置。
【請求項８】
前記ハイパスデジタルフィルタおよび前記ローパスデジタルフィルタの出力信号は、それぞれ前記波長制御回路およびＤ／Ａ変換器および増幅器に入力され、前記波長制御手段によって計算された積算値をゼロにすることを特徴とする請求項４または７記載の波長可変レーザ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変レーザ装置に関し、詳しくは、ＭＥＭＳ可動ミラーを有する面発光型波長可変レーザ(以下面発光型レーザという)を用いた波長可変レーザ装置におけるＭＥＭＳ可動ミラーの振動抑圧に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、従来のＭＥＭＳ可動ミラーを有する面発光型レーザを用いた波長可変レーザ装置の一例を示す構成図である。図３において、波長可変レーザ装置は、印加電圧Ｅ１に応じて出射光の波長が変わる面発光型レーザ１と、この面発光型レーザ１からの出射光を収束するレンズ２と、ユーザーに面発光型レーザ１の光を出力する光ファイバ３と、面発光型レーザ１に電圧を印加する電圧回路４などで構成されている。
【０００３】
はじめに、面発光型レーザ１の構成について説明する。面発光型レーザ１は、ＩｎＰ基板１０１とＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板１０７で構成されている。
【０００４】
ＩｎＰ基板１０１の一方の表面には多層膜ミラー１０３が結晶成長され、多層膜ミラー１０３の表面には活性層１０４が結晶成長され、活性層１０４の中央部分を除いた表面には電極１０５が形成されている。ＩｎＰ基板１０１の他方の表面には電極１０２が形成されている。
【０００５】
ＳＯＩ基板１０７は、シリコン基板１０７ａ上に絶縁層１０７ｂとシリコン層１０７ｃが積層されたものである。シリコン層１０７ｃの表面を研磨することにより凹部が形成され、この凹部には可動ミラー１０９が設けられる。また、このシリコン層１０７ｃのＩｎＰ基板１０１の両端と対向する部分にはシリコン結晶を成長させて、スペーサ１０６が形成される。そして、スペーサ１０６を含むシリコン層１０７ｃの表面には、電極１０８が形成される。
【０００６】
一方、シリコン基板１０７ａの表面の中央部分を異方性エッチングや等方性エッチングで絶縁層１０７ｂに達するまで取り除くことにより、四角錐状のレーザ光取り出し口１１０が形成される。このレーザ光取り出し口１１０の外周には電極１１１が形成される。
【０００７】
さらに、絶縁層１０７ｂに対して選択エッチングを行い、絶縁層１０７ｂを部分的に除去する。これにより、絶縁層１０７ｂの膜厚よりなる空間が形成されてシリコン層１０７ｃはダイヤフラムとして機能することになる。以下、シリコン層１０７ｃをダイヤフラムともいう。
【０００８】
これらＩｎＰ基板１０１の電極１０５とＳＯＩ基板１０７のスペーサ１０６の表面に形成されている電極１０８との位置合わせを行ってチップボンディングすることにより、面発光型レーザ１が形成される。これにより、ＩｎＰ基板１０１とＳＯＩ基板１０７との間にはスペーサ１０６と電極１０５および１０８の膜厚よりなる空間が形成される。ダイヤフラム１０７ｃと可動ミラー１０９は、これらの両面に形成された空間内で変位することになる。
【０００９】
また、レーザ光取り出し口１１０には、可動ミラー１０９とレーザを集光するレンズ２と光ファイバ３が出射されるレーザ光の光軸の中心線上に並ぶように配置される。
【００１０】
ＳＯＩ基板１０７の両面に形成された電極１０８、１１１間には第１の直流電源Ｅ１が接続され、ＩｎＰ基板１０１に形成された電極１０２とＳＯＩ基板１０７に形成された電極１０８間には第２の直流電源Ｅ２が接続されている。
【００１１】
これら多層膜ミラー１０３と活性層１０４と可動ミラー１０９で光共振器を構成している。ＳＯＩ基板１０７の両面に形成された電極１０８、１１１の間は絶縁層１０７ｂで絶縁されているので、可動ミラー１０９が設けられたダイヤフラム１０７ｃを変位させる直流電源Ｅ１の電圧を制御することができる。
【００１２】
このような構成において、ＩｎＰ基板１０１に形成された電極１０２とＳＯＩ基板１０７に形成された電極１０８間に第２の直流電源Ｅ２の出力電圧を印加することにより活性層１０４に電流が注入されて活性層１０４に含まれる電子が励起状態になり、光が出射される。この出力光が可動ミラー１０９と多層膜ミラー１０３の間を反射してレーザ発振を行う。すなわち、電流注入による励起方式を採っている。そして、レーザ出力光はレンズ２を経由して光ファイバ３に入射される。
【００１３】
出射されるレーザ光の発振波長は、可動ミラー１０９と多層膜ミラー１０３の間の距離で決定される。すなわち、ＳＯＩ基板１０７の両面に形成された電極１０８と電極１１１間に電圧Ｅ１を印加することにより、電圧Ｅ１に応じた静電気力でダイヤフラム１０７ｃとともに可動ミラー１０９が変位して多層膜ミラー１０３との間の距離が変化し、レーザ光の発振波長を変えることができる。そして、ＳＯＩ基板１０７に四角錐状のレーザ光取り出し口１１０を設けていることにより、レンズ２および光ファイバ３に効率良くレーザ光を取り入れることができる。
【００１４】
図４は、図３の面発光型レーザ１から出力されるレーザ光のスペクトル線幅と光出力の関係を示す光出力依存特性例図である。一般に、この種の面発光型レーザのスペクトル線幅は光出力に反比例するものとされているが、図４の特性図では光出力の大きさには関係なく一定の周波数値を保っていて、通常の面発光型レーザにはない何らかの原因で出力レーザ光のスペクトル線幅が拡大されていることを示している。
【００１５】
図５は、面発光型レーザ１の波長変動特性例のリサージュ波形例図であり、光路長差１ｍの波長モニタ回路で、リサージュ波形の一周（ＦＳＲ）を２．４ｐｍ、つまり周波数３００ＭＨｚとして、１ｍｓ間の波長変動を表したものである。図５のリサージュ波形は、円の一周が３００ＭＨｚであることから、最大１００ＭＨｚの変動があることを示している。
【００１６】
図６は、図５に示す波長変動をフーリエ変換した周波数特性例図である。図６から、ＭＥＭＳ可動ミラー１０９の共振周波数である４００ｋＨｚ以下の周波数成分が大きいことが分かる。
【００１７】
特許文献１は、面発光型レーザから出射されるレーザ光を効率よく光ファイバに入れ、損失を軽減することが可能な面発光型レーザに関するものである。
【００１８】
【特許文献１】特開２００７−１７３５５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかし、図３のような従来のＭＥＭＳ可動ミラーを有する面発光型レーザを用いた波長可変レーザ装置は、ＭＥＭＳ可動ミラーが振動することから、面発光型レーザから出射されるレーザ光のスペクトル線幅（波長変動）が広く（大きく）なってしまうという問題がある。
【００２０】
本発明は、上記のような問題点を解決するものであり、ＭＥＭＳ可動ミラーの振動を抑圧することにより、面発光型レーザから出射されるレーザ光のスペクトル線幅の広がりを狭くできる波長可変レーザ装置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】
【００２１】
上記のような目的を達成するために、本発明の請求項１では、
可動ミラーを有する面発光型レーザを用いた波長可変レーザ装置において、
前記面発光型レーザのレーザ出力光の出力波長変動を打ち消すように、前記可動ミラーの制御電圧に帰還電圧を供給する電圧帰還手段を設けたことを特徴とする。
【００２２】
請求項２では、請求項１記載の波長可変レーザ装置において、
前記面発光型レーザは、
可動ミラーを有するシリコン基板と多層膜ミラーを有する化合物半導体基板を活性層を介して対向させ、この活性層と前記可動ミラーおよび前記多層膜ミラーにより光共振器を形成し、前記活性層に電流を流すことにより前記光共振器から光が出射され、前記シリコン基板に電圧を印加して静電気力で前記可動ミラーを動作させて波長を変化させることを特徴とする。
【００２３】
請求項３では、請求項２記載の波長可変レーザ装置において、
前記光共振器から出射された光の波長変動をモニタリングする波長モニタ回路と、
この波長モニタ回路の測定値により前記光共振器から出射される任意の光波長の波長変化を演算する波長制御手段と、
この波長制御手段により算出された高周波の制御電圧が印加される電圧回路と
を備え、
この電圧回路の低周波波長制御電圧に前記波長制御手段により算出された前記高周波波長制御電圧信号を重畳することを特徴とする。
【００２４】
請求項４では、請求項３記載の波長可変レーザ装置において、
前記波長制御手段は、少なくとも、Ａ／Ｄ変換器と位相積算器とハイパスデジタルフィルタと波長制御回路とから構成されることを特徴とする。
【００２５】
請求項５では、請求項２記載の波長可変レーザ装置において、
前記光共振器から出射された光の波長変動をモニタリングする波長モニタ回路と、
この波長モニタ回路の測定値により前記光共振器から出射される任意の光波長の波長変化を演算する波長制御手段と、
この波長制御手段により算出された任意の制御電圧が印加される電圧回路と
を備え、
この電圧回路に前記波長制御手段により前記光共振器から出射された光の波長変動の高周波成分がゼロとなるように算出された電圧信号をフィードバックすることを特徴とする。
【００２６】
請求項６では、請求項５記載の波長可変レーザ装置において、
前記波長制御手段に、目標波長データを入力し、この目標波長データと前記位相積算器の演算結果との差から波長制御信号を出力することを特徴とする。
【００２７】
請求項７では、請求項６記載の波長可変レーザ装置において、
前記波長制御手段は、Ａ／Ｄ変換器と位相積算器とハイパスデジタルフィルタとローパスデジタルフィルタと波長制御回路とから構成されることを特徴とする。
【００２８】
請求項８では、請求項４または７記載の波長可変レーザ装置において、
前記ハイパスデジタルフィルタおよび前記ローパスデジタルフィルタの出力信号は、それぞれ前記波長制御回路およびＤ／Ａ変換器および増幅器に入力され、前記波長制御手段によって計算された積算値をゼロにすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
面発光型レーザのＭＥＭＳ可動ミラーの振動を抑えたことにより、波長可変レーザ装置における出力光のスペクトル線幅の狭窄化を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、図面を用いて、本発明の面発光型レーザ装置を説明する。図１は、本発明の一実施例を示す構成図であり、図３と共通する部分には同一符号を付している。
【実施例１】
【００３１】
図１において、面発光型レーザ１には、可動ミラー１０９が設けられたダイヤフラム１０７ｃを変位させて所望の波長のレーザ光を出力するための電圧回路４の電圧Ｅ１を波長制御回路６の制御により直流電源Ｅ１からＳＯＩ基板１０７の両面に形成された電極１０８、１１１の間に印加するように構成されるとともに、電圧帰還回路７からも帰還電圧を供給するように構成されている。
【００３２】
図１の動作について説明する。
面発光型レーザ１の電極１０２と電極１０８に電圧Ｅ２を印加することにより活性層１０５に電流が注入され、活性層１０５から光が出射される。この光が、可動ミラー１０９と多層膜ミラー１０３との間で反射することにより、レーザ発振を行う。
【００３３】
一方、波長制御回路６は、たとえば波長を１０ｋＨｚ以下の帯域で制御する波長制御信号を電圧回路４の第１の直流電源Ｅ１に入力し、面発光型レーザ１の電極１０８と電極１１１に波長帯域に対応した電圧回路４の電圧Ｅ１を印加して可動ミラー１０９を移動させて、所定の発振波長のレーザ光を出射させる。
【００３４】
面発光型レーザ１から出射されるレーザ光を集光するレンズ２からの出力光はファイバカップラ５に入射され、ユーザーにより実際に使用される使用光Ｌ１と、この実際に使用される使用光Ｌ１を所定の波長に制御するための制御光Ｌ２とに分岐される。
【００３５】
ファイバカップラ５で分岐された使用光Ｌ１は光ファイバ３に入射され、制御光Ｌ２は電圧帰還回路７に入射される。
【００３６】
電圧帰還回路７は、波長モニタ回路７１と波長制御回路７２とＤ／Ａ変換器７３と増幅器７４とで構成されていて、その出力はコンデンサ８を介して電圧回路４の直流電源Ｅ１の負極側に印加される。
【００３７】
波長モニタ回路７１としては、たとえばリサージュ波形の一周（ＦＳＲ）が２．４ｐｍのものを用いる。波長モニタ回路７１から、面発光型レーザ１の出射光の波長に対するリサージュ信号であるＡ相Ｂ相信号Ｓ１（ｓｉｎ（θ）、ｃｏｓ（θ）)が出力される。
【００３８】
このＡ相Ｂ相信号Ｓ１は、たとえば８０ＭＨｚのクロックで動作する波長制御回路７２に入力される。波長制御回路７２は、たとえばＦＰＧＡ(Field Programmable Gate Array)ボード化されたものであり、波長モニタ回路７１から出力されたアナログ信号のＡ相Ｂ相信号Ｓ１はＡ／Ｄ変換器７２ａでデジタル信号に変換された後、位相積算器７２ｂによりリサージュ信号の位相変化が計算されるとともに、その位相変化が積算され、さらに積算された位相積算信号はハイパスデジタルフィルタ７２ｃに入力されて低周波成分が除かれ、高周波波長制御回路７２ｄに入力され、デジタル信号としてＤ／Ａ変換器７３に出力される。
【００３９】
ここで、ハイパスデジタルフィルタ７２ｃから出力される位相積算信号は波長変動の高周波成分に比例しているため、この信号を基に高周波波長制御回路７２ｄが波長制御信号を出力する。高周波波長制御回路７２ｄのデジタル出力信号は、Ｄ／Ａ変換器７３でアナログ信号に変換されて増幅器７４で増幅され、位相積算値がゼロとなるように可動ミラー１０９の変位を制御する高周波の波長制御電圧信号としてコンデンサ８を介して電圧回路４の直流電源Ｅ１の負極側にフィードバックされる。
【００４０】
具体的には、波長モニタ回路７１のリサージュ信号の高周波変動成分から、波長を制御させたい周波数以上の帯域でのみフィードバックし、バイアスティ(Bias Tee)などを用いて高周波波長制御回路７２ｄから出力される高周波のフィードバック電圧信号を波長制御電圧に重畳する。
【００４１】
このように、波長制御電圧に波長制御回路７２から出力される高周波のフィードバック電圧信号を重畳することにより可動ミラー１０９の振動を抑えることができ、可動ミラー１０９の振動を抑えることにより、レーザ出力光のスペクトル線幅を狭窄化できる。
【００４２】
なお、帯域は、１０ｋＨｚに限るものではない。
【００４３】
なお、シリコン基板は、ＳＯＩ基板、シリコン結晶成長基板などであり、化合物半導体基板はＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板などである。
たとえば、シリコン結晶成長基板の例としては、シリコン層の表面にＰ型の高濃度ドーピングした層を積層し、この層の表面に低ドーピングのシリコンを結晶成長したものをいう。
【実施例２】
【００４４】
図２は、本発明の面発光型レーザ装置の他の実施例を示す構成図であり、図１と共通する部分には同一符号を付して示す。
【００４５】
図２の波長制御回路７２には、図１の構成の他に、加算器７２ｅとローパスデジタルフィルタ７２ｆと低周波波長制御回路７２ｇが設けられている。加算器７２ｅの一方の入力端子には位相積算器７２ｂの出力信号が入力され、他方の入力端子にはユーザーにより所望の波長に設定される波長設定部７７の出力信号が入力され、出力端子はローパスデジタルフィルタ７２ｆに接続されている。
【００４６】
ローパスデジタルフィルタ７２ｆは、加算器７２ｅの出力信号の高周波成分を除いて低周波波長制御回路７２ｇに出力する。低周波波長制御回路７２ｇがこの信号を基に波長制御信号を出力する。低周波波長制御回路７２ｇのデジタル出力信号は、Ｄ／Ａ変換器７５に入力する。低周波波長制御回路７２ｇの出力信号はＤ／Ａ変換器７５でアナログ信号に変換されて増幅器７６で増幅され、電圧回路４の直流電源Ｅ１の出力電圧として用いられる。
【００４７】
図２の構成において、面発光型レーザ１から出射されるレーザ光の波長を波長モニタ回路７１で測定したデータに基づく位相積算器７２ｂの出力信号は、フィードバック電圧信号による周波数制御帯域幅に応じて、たとえば１０ｋＨｚ以上の場合にはハイパスデジタルフィルタ７２ｃ→高周波波長制御回路７２ｄ→Ｄ／Ａ変換器７３→増幅器７４の系統に入力されて、１０ｋＨｚ未満の場合にはローパスデジタルフィルタ７２ｆ→低周波波長制御回路７２ｇ→Ｄ／Ａ変換器７５→増幅器７６の系統に入力され、位相がゼロとなるように電圧回路４の直流電源Ｅ１にフィードバックする構成になっている。
【００４８】
図２のように構成することにより、波長モニタ回路７１で面発光型レーザ１から出射されるレーザ光の発振波長を確認し、波長設定部７７からユーザーが任意の目標波長（位相）データを入力することによって、波長制御回路７２内で任意の発振波長に制御することができる。
【００４９】
なお、図２のフィードバック電圧信号による周波数制御帯域幅も１０ｋＨｚに限るものではなく、目的に応じて任意の値にしてもよい。
【００５０】
なお、シリコン基板は、ＳＯＩ基板、シリコン結晶成長基板などであり、化合物半導体基板はＩｎＰ基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板などである。
たとえば、シリコン結晶成長基板の例としては、シリコン層の表面にＰ型の高濃度ドーピングした層を積層し、この層の表面に低ドーピングのシリコンを結晶成長したものをいう。
【００５１】
以上説明したように、本発明によれば、面発光型レーザにおける可動ミラーの振動を抑えることができ、レーザ出力光のスペクトル線幅を狭窄化できる面発光型レーザを用いた波長可変レーザ装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の面発光型レーザ装置の他の実施例を示す構成図である。
【図３】従来のＭＥＭＳ可動ミラーを有する面発光型レーザを用いた波長可変レーザ装置の一例を示す構成図である。
【図４】図３の面発光型レーザ１から出力されるレーザ光のスペクトル線幅と光出力の関係を示す光出力依存特性例図である。
【図５】図４の光出力依存特性例のリサージュ波形例図である。
【図６】図５に示す波長変動をフーリエ変換した周波数特性例図である。
【符号の説明】
【００５３】
１  面発光型レーザ
２  レンズ
３  光ファイバ
４  電圧回路
５  ファイバカップラ
６  波長制御回路
７  電圧帰還回路
７１  波長モニタ回路
７２  波長制御回路
７２ａ  Ａ／Ｄ変換器
７２ｂ  位相積算器
７２ｃ  ハイパスデジタルフィルタ
７２ｄ  高周波波長制御回路
７２ｅ  加算器
７２ｆ  ローパスデジタルフィルタ
７２ｇ  低周波波長制御回路
７３、７５  Ｄ／Ａ変換器
７４、７６  増幅器
７７  波長設定部
８  コンデンサ
【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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