狭線幅光源のための 1.5 µm 帯外部共振器型半導体レーザー
武者研究室	  淺谷情良1. 序論	  本研究室ではレーザーに関する研究を行っているが、周波数安定化が 1 つの柱である。現在、周2.2 ECLD の種類波数安定化を行っている波長帯は、1.5 μm と	  ECLD には大きく分けて回折格子型とフィルタ

1.03 μm とがある。1.5 μm の外部共振器型半導ー型がある。

体 レ ー ザ ー (External Cavity Laser Diode ：	  回折格子型は Littrow 構成と Littman 構成があECLD)は光共振器を周波数基準として周波数安るが今回は Littrow 構成の説明をする。Littrow

定 化 し て い る 。 1.03 μ m の フ ァ イ バ ー構成の回折格子型 ECLD の概念図は Fig. 1 のようDFB(Distributed Feedback)はその第二高調波をになる。

宇宙重力波検出器(DECIGO)用の光源としてヨウ素分子の吸収線を周波数基準として周波数安定化を行う。それらの光源は CW 発振・縦横シングルモード・単一偏光・モードホップなしでの周波数の連続掃引・1 MHz 未満の線幅・周波数の高速制御性・低い強度雑音が求められており、ECLD がFig. 1

Littrow 構 成 の 回 折 格 子 型 ECLD有力な候補である。
Littrow 構成では LD の片側の劈開面を AR コーテ
2. 原理

ィングされたゲインチップから出た光はコリメー

2.1 外部共振器型半導体レーザーの原理

トレンズによりコリメートされ回折格子により 1	  半導体レーザー(Laser Diode:LD)は劈開面でフ次光がゲインチップに戻って、もう片方の劈開面レネル反射をしてレーザー発振するため 2 つの劈と回折格子とで共振器が組まれる。1 次光が共振開面が共振器になっており小型で消費電力が低くするので回折格子の角度を変えることにより発振安価であるが、共振器長が非常に短いため FSR が波長を選択することができる。

大きく、線幅が太いという欠点がある。そこで共	  フィルター型 ECLD の概念図は Fig. 2 のように振器を LD の外部に伸ばすことで FSR が小さくななる。

り線幅が狭くなる。しかし今度は LD の利得の中に多くの縦モードが含まれるようになりマルチモード発振をしてしまうので、フィルターなどの波長選択素子により 1 つの縦モードを切り出すことにより狭線幅なシングルモード発振を得ることがFig. 2フ ィ ル タ ー 型 ECLDできる。これが外部共振器型半導体レーザー(External Cavity Laser Diode:ECLD)である。

フィルター型 ECLD では LD の片側の劈開面とミラーによって共振器を組み、フィルターの角度をチップを使用した。ゲインチップから出た光はコ変えることで波長選択を行う。フィルター型

リメートレンズによりコリメートするが共振器のECLD では光軸のずれなどによるアライメントの回折損を減らすためにはこのレンズの位置が非常ずれを保障するために、もう 1 つコリメートレンに重要になる。このため、Fig.4 に示すような板バズを使ってミラーに集光するキャッツアイ反射構

ネ構造のコリメートレンズマウントを自作し光軸造を用いることが多い。

方向は矢印で示す精密ネジで、光軸と垂直な方向は固定部に遊びをつけて手で微調した。回折格子

3. 回折格子型 ECLD の開発

はピエゾ圧電素子(PZT)を介してミラーマウント3.1 構成に固定し、波長の粗調はミラーマウントの調節ネ	  1.5 µm 帯のファイバー結合されたゲインチッ

ジで微調は PZT により行った。

プを用いて回折格子型とフィルター型の ECLD を作製し性能を比較した。また理論的に線幅は共振

3.2 性能評価

器長により決まるが実際には機械的安定性も大き	  ECLD の性能を評価するために、それぞれ出力な影響を与えることから、回折格子型では 21.1(P-I)特性、線幅，相対強度雑音(Relative Intensitymm と 60 mm との異なる共振器長で作製し優劣Noise:RIN)を測定した。線幅は自己遅延ヘテロダの比較を行った。

イン法により測定し、遅延ファイバーの長さは 25	  実際に作製した回折格子型 ECLD を Fig. 3 に示km にしたためそれによって決まる分解能は 8す。またゲインチップの模式図とコリメートレンkHz であった。共振器長 21.1 mm と 60 mm とでズマウントや回折格子の拡大図を Fig. 4 に示す。

比較すると P-I 特性は Table. 1 のように、線幅とRIN は Fig. 5 のようになった。
Table. 1

Fig. 3作 製 し た 回 折 格 子 型 ECLD

Fig. 4回 折 格 子 型 ECLD の 一 部 拡 大 図

閾値 [mA]

最大出力 [mW]21.1 mm63.1

13.1360 mm

56.6

13.56

Fig. 5	  ゲインチップ、コリメートレンズ、アイソレーター、ファイバーまでが一体化されているゲイン

回 折 格 子 型 ECLD の P-I 特 性

回 折 格 子 型 ECLD の 線 幅 と RIN

Table. 1 で最大出力は 300 mA における出力を表構造の板バネ構造のマウントを使い、波長を大きしている。Fig. 5 でオレンジ色は共振器長 21.1

く変えるときには固定部の遊びを使って手で動かmm を緑色は 60 mm をそれぞれ表している。

し、小さく変えるときには精密ネジを使った。ミ

Table. 1 から共振器長を伸ばしても出力は下がらラーに集光するためのレンズは市販の xy プレーなかった。Fig. 5 から RIN も共振器長を伸ばした

トで固定し光軸と垂直な方向は固定部に遊びをつことによる影響は少ないといえる。線幅は半値全けて手で光軸方向は xy プレートの中にきられて幅で共振器長 21.1 mm では 2.2 MHz で 60 mm でいるネジ穴を使って調整した。ミラーは回折格子は 450 kHz であり共振器長を伸ばしたことによっと同様に PZT を介して金属の壁に固定した。回折て 1 桁小さくなった。この結果から理論通り線幅格子型で共振器長を伸ばしても線幅が目標値 100は共振器長が長い方が狭くなると分かったので、kHz に到達しなかったので、フィルター型では共共 振 器 長 を 60 mm 程 度 に し て フ ィ ル タ ー 型

振器を 1 つの金属に固定してその金属の厚みを分ECLD を製作し回折格子型と比較することにした。

厚くすることで機械的安定性の向上を図った。

また、線幅の目標値は 100 kHz でありこれまで本研究室で作製した ECLD もそのくらいの線幅であ4.2 回折格子型との比較ったことから機械的安定性により線幅が悪化して	  回折格子型と比較する前に発振スペクトルを測いたと考えられる。

定した。Fig. 7 に示すようにフィルターを入れる
前はマルチモード発振をしていたがフィルターを

4. フィルター型 ECLD の開発入れることによりシングルモード発振を得ること4.1 構成ができた。	  実際に作製したフィルター型 ECLD を Fig. 6 に示す。

Fig. 7

発振スペクトル	  続いて、回折格子型と同様に P-I 特性、線幅，RIN を測定した。P-I 特性は Table. 2 のようになり線幅と RIN は Fig. 8 のようになった。Table. 1
Fig. 6

作 製 し た フ ィ ル タ ー 型 ECLD

で最大出力は 300 mA における出力を表しており、Fig. 8 の緑色の線は回折格子型を青色の線はフィフィルター型 ECLD はコリメートレンズマウント

ルター型を表している。P-I 特性、線幅、RIN とまでは回折格子型と同じ機構を用いた。フィルタもに回折格子型と同様に測定した。

ーマウントにはコリメートレンズマウントと同じ

Table. 2

P-I 特 性 の 比 較閾値 [mA]

最大出力 [mW]

回折格子型

56.613.56

フィルターなし

56.628.44

フィルターあり82.017.63
Fig. 9線 幅 と RIN の 電 流 源 依 存 性

Fig. 9 より定格 200 mA で線幅は 12 kHz となった。定格 2 A よりも 500 mA などの方が線幅は狭くなっており RIN の傾きも 1/f に近くなっている
ので、実際に電流源の雑音により制限されていたということが分かった。また 500 mA と 200 mA
Fig. 8線 幅 と RIN の 比 較を比較すると 200 mA の方がどちらも良くなていることから、さらに雑音が少ない電流源を使うこ

Table. 2 よりフィルターを入れることで閾値が上とで線幅や RIN のさらなる改善が見込まれるとがり最大出力が下がったが回折格子型とはほとんいうことが分かる。これまで使っていた光源の線ど変わらないといえる。Fig. 8 からフィルター型

幅と比べると RIN はほとんど変わらず、線幅も今の線幅は 350 kHz であり線幅も RIN も回折格子までの光源が 70 kHz であったので同等以上の性型とフィルター型とで有意な差はないといえる。

能を持っているといえる。Fig. 9 はフィルター型

しかし線幅は 100 kHz よりもずっと太く、RIN ものみ示したが、回折格子型でも同じようになりフ

傾き 1/f で下がらないことから何か環境的な要因ィルター型との優位な差は見られなかった。

により線幅や RIN が制限されていると考えられる。

5. まとめと展望
1.5 µm 帯のファイバー結合されているゲインチ

4.3 線幅や RIN の電流源依存性ップを用いて回折格子型、フィルター型の ECLD	  電流源に含まれる雑音により線幅や RIN が制を作製・評価した。線幅は共振器長が長い方が狭限されていると考えた。これまでは定格 2 A の電くなり、フィルター型と回折格子型で有意な差は流源を使っていたが、電流源は定格が大きいほどなくどちらも従来と同等以上の性能を確認した。

含まれる雑音が大きいことが分かったのでフィル

また線幅や RIN は電流源の雑音の影響を大きく

ター型 ECLD で電流源依存性を調べたところ Fig.

受けていることが分かった。今後は外乱を排除し9 のようになった。Fig. 9 で青色の線は定格 2 A

さらなる狭線幅化を図るとともに 1.5 µm1.03 µmの電流源を濃い緑色、赤色、黒色はそれぞれ定格帯で強固な作りの ECLD を作製し安定か実験に組

1 A、500 mA、200 mA の電流源を示している。

み込んで評価する予定である。