青色波長可変レーザの光品質の安定化

卒業研究報告
題目
青色波長可変レーザの光品質の安定化
指導教員
野中　弘二
報告者
１１００２６０　米田　琢真
２０１１　年　２　月　１４　日
高知工科大学　フロンティア工学コース　目次
１章　序論.............................................................................................................................6
１．１　本研究の背景.............................................................................................6
１．２　本研究の目的.............................................................................................7
１．３　論文構成....................................................................................................7
２章　半導体レーザの基礎....................................................................................................8
２．１　半導体レーザの特徴..................................................................................8
２．２　半導体レーザの原理..................................................................................9
２．２．１　レーザ発振器の基本構成.....................................................9
２．２．２　光の吸収と放出..................................................................10
２．３　本研究で使用する青色半導体レーザの発光波長.....................................12
３章　波長可変レーザの試作と特性評価............................................................................14
３．１　波長選択共振器.......................................................................................14
３．１．１　回折格子による波長分離...................................................14
３．１．２　レンズによる光の制御.......................................................15
３．１．３　反射鏡による光帰還..........................................................16
３．２　外部共振器型波長可変レーザ..................................................................17
３．２．１　波長可変の仕組み..............................................................17
４章　実験結果....................................................................................................................18
４．１　外部共振器での増幅のされかた..............................................................18
４．２　波長の可変..............................................................................................20
４．３　各電流での最大可変幅............................................................................22
４．４　単色光としての限界................................................................................23
５章　改善案........................................................................................................................24
５．１　問題点......................................................................................................24
５．２　改善案......................................................................................................25
５．３　改善案で期待される結果.........................................................................26
５．４　予想される問題点....................................................................................27
2
６章　改善案の実験
６．１　実験機器の製作.......................................................................................28
６．２　実験の進め方...........................................................................................29
６．３　実験結果..................................................................................................30
６．４　波長選択性の追加実験............................................................................31
６．５　追加実験の考察.......................................................................................32
７章　結論...........................................................................................................................33
７．１　結論.........................................................................................................33
７．２　今後の展望..............................................................................................33
参考文献...............................................................................................................................34
謝辞......................................................................................................................................35
3
図目次
図１....................................................................................................................................9
図２..................................................................................................................................10
図３..................................................................................................................................13
図４..................................................................................................................................15
図５..................................................................................................................................16
図６..................................................................................................................................17
図７..................................................................................................................................18
図８..................................................................................................................................19
図９..................................................................................................................................20
図１０...............................................................................................................................21
図１１...............................................................................................................................21
図１２...............................................................................................................................22
図１３...............................................................................................................................23
図１４...............................................................................................................................24
図１５...............................................................................................................................25
図１６...............................................................................................................................26
図１７...............................................................................................................................27
図１８...............................................................................................................................28
図１９...............................................................................................................................29
図２０...............................................................................................................................30
図２１...............................................................................................................................31
図２２...............................................................................................................................32
4
表目次
表１..................................................................................................................................12
5
１章　序論
１．１　本研究の背景
近年、様々な分野でレーザー光が使われている。可視光レーザの応用分野の中で生物学・
医学における研究、臨床検査、浸透探傷検査で断層像を映し出すための検査機器の一つとし
て、蛍光顕微鏡の光源としての利用がある。
蛍光顕微鏡とは、生体または非生体資料からの蛍光・燐光現象を観察することによって、
対象を観察する顕微鏡である。通常の光学顕微鏡はタングステンランプ・ハロゲンランプ
などを光源として観察を行うが、蛍光顕微鏡は蛍光性をもった試料を観察するために 超高
圧水銀灯やキセノンランプ・紫外線 LED、レーザー光などを用いて蛍光物質の励起波長で
の照明を必要としている。励起光には近紫外線（UV 励起・334/365nm）・青色光（B 励
起・405/435/490nm ）・緑色光（G 励起・546nm）などが用いられる。
しかし、紫外線を用いる場合には被曝によって人体への悪影響が発生する可能性がある。
そこで、光子エネルギーが高く、物質と相互作用し易い、かつ紫外線よりも扱いやすい青色
の光源の重要性は高い。
また、蛍光顕微鏡は蛍光やリン光と呼ばれる現象を利用して注目する生体の発光の観測
を行なっている。これは物質に外部からレーザー光を当てたときに、特定の波長の光を出す
現象である。物質にレーザー光が照射されると、その物質の原子がそのエネルギーを吸収す
ることによって電子が基底状態から励起状態に遷移し、その後安定を保てなくなった電子
が、吸収したエネルギーを光として放出して再び基底状態に戻るのである。このときに照射
する光のことを励起光と呼ぶ。蛍光顕微鏡はこの励起光を観測することで検査を行ってい
る。この時に使用される励起光源はその物質の特性に合った波長の光源が必要になってく
る。
ここで重要なのが、検査する物質により異なる波長の光源が必要になってくることであ
る。もし、簡単に光源の特性を変えることが出来れば複数の対象を同時に検出・可視化でき
る。
そこで光源として、広い可変幅を実現する事ができる波長可変レーザーの必要性が考え
られる。波長可変レーザーとは、通常の半導体レーザーの発光可能な波長が固定されている
のに対し、半導体材料の利得波長の範囲内であれば、増幅・発振する波長を任意で変えられ
るレーザーのことである。
6
１．２　本研究の目的
本研究では、青色半導体レーザーを用いて、安定した強い単色光が様々な波長で得られ、
広い可変幅が実現できる波長可変レーザー光源を構成することを目的とする。
１つのレーザで広く波長を変化させることが出来ればレーザーを複数個用意する必要が
無くなり多くの波長が利用出来るという利点がある。これにより、計測装置のコスト削減や
システムのコンパクト化が期待できる。
１．３　論文構成
本論文では、２章で半導体レーザーの基本的な知識として、半導体レーザーの発光原理や
光源としての特徴についての説明を行う。３章では、波長可変を行うための手段として外部
共振器の構成と使用した光学アライメント機器について説明する。４章では、外部共振器を
用いた実験の結果と考察を述べ、５章では実験結果より判明した問題点を改善する手法を
論ずる。最後に、６章で本研究のまとめと今後の展望について述べる。
7
２章　半導体レーザの基礎
半導体レーザ（LD：Laser Diode）とは、レーザの活性媒質に化合物半導体を用いたレ
ーザの事である。1957 年に半導体メーザ（マイクロ波レーザ）の提案が西沢潤一氏らによ
って発表された後、1962 年に IBM 研究所で半導体レーザは誕生した。しかし、初期の半導体
レーザは液体窒素によって摂氏マイナス 196 度に冷やしての発振で、室温では発振するこ
とが出来なかった。その後、種類の異なる化合物半導体を用いたダブルヘテロ構造の研究に
より、1970 年には室温での連続発振が実現可能となった。その後、改良が加えられ、赤外線
LD（1970 年に発振）、可視光の赤色 LD（1985 年）、緑色 LD（1993 年）、青色 LD（1996
年）と短波長レーザが次々と開発されてきた。この章では、半導体レーザの構造や発振の仕
組み、特性などについて説明する。
２．１　半導体レーザの特徴
半導体レーザには、以下のような特徴が挙げられる。
1) 小型軽量
2) 低価格
3) 高いエネルギー変換効率
4) 長寿命
このような特性を生かして、光通信や光計測、光記録、レーザ加工、レーザ医療に至るまで幅
広い分野で応用されている。近年では、発振波長を高度に制御した複数の半導体レーザを用
いた波長多重通信や、青色半導体レーザの開発で可能になった次世代 データ記録光ディス
クであるブルーレイディスクなどが注目を集めている。
半導体レーザの発振波長は、使用する化合物半導体材料のバンドギャップによって異な
ってくる。化合物 InGaAsP を用いた発振波長が 1.3μm や 1.55μm の半導体レーザは、長距
離光通信に利用されている。化合物 GaALAs を用いた発振波長が 0.65～0.84μm の半導体
レーザは、CD や DVD などに応用されている。化合物 GaN 系の材料を活性層として用いた
発振波長が 0.4μm 波長帯の青紫～青色の半導体レーザは、次世代光ディスクの光源として
利用されている。
8
２．２　半導体レーザの原理
２．２．１　レーザ発振器の基本構成
図１にレーザ発振器の基本構成について示す。レーザ発振を実現しコヒーレントなレー
ザ光を発生させるには、その源になる物質が必要になる。この物質をレーザ媒質①という。
次に、内部もしくは外部から原子や分子、もしくはキャリアを励起するための励起媒体②、
そしてレーザ媒質中で効率よく光増幅を行うための共振器③から構成される。
図１において、励起媒体からのエネルギーによって、レーザ媒質の中に発生した励起原子
による誘導放出光は、共振器の両側の鏡を往復するにしたがって増幅され、ある一定の大き
さになるとレーザ光として出射される。
ここで、半導体レーザにおける基本構成は、具体的に以下のようになる。
①　レーザ媒質
GaAs、ALGaAs、InGaAsP などのキャリアを注入、発光再結合可能な化合物半導体
②　励起媒体
pn ジャンクションへの電流注入による励起キャリア注入
③　共振器
屈折率の異なる半導体でサンドイッチされた光導波路とその両端面に 半導体結晶のへき
開面とその表面への誘電体膜のコーティングを反射鏡として用いたファブリペロー型共振
器を構成している
② 励起媒体
（エネルギー）
へき開面
レーザ光
導波路
全反射鏡
① レーザ媒質
一部透過鏡
（出力鏡）
③ 共振器
図１　レーザ発振器の基本構成
9
２．２．２　光の吸収と放出
レーザ媒質を構成する原子には、固有の波長をもつ光子や電磁波を吸収したり、放出した
りする性質がある。原子の内部エネルギー（束縛されている電子のエネルギー）はとびと
びの値（固有値）を持っていて、図２（ａ）のように原子が高いエネルギー準位（励起準
位）にある状態から低いエネルギー準位（基底準位）の状態に移動する時、このエネルギ
ー差 ΔE=E₂-E₁ を光エネルギーとして放出する。これを自然放出と呼ぶ。
これとは逆の現象で、図２（ｂ）のように低いエネルギー準位にある原子が ΔE=E₂-E₁
に相当する光を吸収し、高いエネルギーに移動するとき、これを共鳴吸収という。
また、図２（ｃ）のように原子が高いエネルギー準位にある状態で、ΔE=E₂-E₁ に相当す
るエネルギーの光子を入射させると、原子が入射された光に誘導され、同じ波長（周波数）
同じ位相、そして同じ偏光状態の光を同時に放出する。これを誘導放出と呼ぶ。レーザは、こ
の媒質により共振器内で光増幅するしくみを積極的に利用したものである。
高い
エネルギー準位 E 2
光
放出
光
光
吸収
光
増幅
低い
エネルギー準位 E1
（ａ）自然放出
（ｂ）共鳴吸収
（ｃ）誘導放出
図２　エネルギー準位とその移動の様子
10
しかし、通常では高いエネルギー準位に存在する原子は不安定であり、一定の緩和時間で
自然放出をおこない低いエネルギー準位に移動するため、低いエネルギー準位の原子がよ
り多く存在する状態が一般的である。そのため、誘導放出が起きる確率よりも共鳴吸収が起
きる確率の方が高くなり、結果として誘導放出よりも共鳴吸収の方が優先的に働いて光吸
収が支配的になってしまうことになる。
そこで、緩和時間よりも早いペースで励起エネルギーを注入することにより、低いエネル
ギー準位よりも高いエネルギー準位に原子が多く存在している状態を作り出す。共鳴吸収
や自然放出よりも誘導放出の方が優先的に働くようにすることで、誘導放出による光の増
幅を積極的に行うことが可能になる。この状態を反転分布状態という。半導体レーザでは小
さな領域に高い電流密度で電流を流すことにより強制的に反転分布状態を作り出す方法が
取られている。
この状態の実現のため、レーザ媒質は通常 LED などの発光素子に比べ、励起キャリア寿
命が長い品質の高い結晶が求められている。
11
２．３　本研究で使用する青色半導体レーザの発光特性
本研究では、日亜化学工業製の NDB7352 という高出力青色半導体レーザを波長可変レー
ザの種となる LD として使用している。表１は NDB7352 の仕様について示したものである。
発光波長〔nm〕
440～455 の間の 1 波長
最大出力〔mW〕
1000
発振モード
マルチモード
発振しきい値電流
～300
ビーム広がり角
平行　7
垂直　30 - 50
表１　NDB7352 の仕様
この青色半導体レーザに電流を印加した時の光パワーを測定した。半導体レーザは発振
しきい値が温度により変化する。そこで、温度を 25℃に固定した状態で電流を 100mA から
10mA ずつ 400mA まで変化させ、その時の青色半導体レーザの出力光パワーの変化を光パ
ワーメータで測定した。表２は電流を変化させた時の青色半導体レーザの光パワー、図２は
青色半導体レーザの I-P 特性（縦軸を光出力パワーを「Ｐ」、横軸を注入電力を「Ｉ」の関係で
表したグラフ）を示したものである。
12
500
450
400
光パワー 〔mW〕
350
300
250
200
150
100
50
0
100
140
180
184
188
200
240
270
274
278
300
340
380
電流〔mA〕
図３　NDB7352 の青色半導体レーザの I-P 特性
図２のグラフを見ると、電流が 280mA まではレーザの光パワーにあまり変化は見られな
いが、電流 280mA 以降はレーザ発振により光パワーが右肩上がりに 1mA あたり 3.7mW 上
昇しているのがわかる。このようにレーザの光パワーが急激に大きくなり始める電流をし
きい値電流という。レーザはこのしきい値電流を超えると、レーザ発振をし始める。つまり、
このレーザは電流が 280mA 以降はレーザ発振しているということになる。
13
３章　波長可変レーザの試作と特性評価
３．１　波長選択共振器
本 LD は空間的（横モード）にも、発光波長的（縦モード）にもマルチモード LD である
半導体レーザを用いて波長可変レーザを構成するに当たって、半導体レーザから出力され
る様々なレーザ光や増強自然放出光（ASE）の中から必要な波長の光を選択し、その光を
LD 導波路内で再び増幅させレーザ光として出力させる必要がある。その役割を果たしてい
るのが波長選択共振器である。本研究では、回折格子、レンズ、反射鏡という３つの光学素子
を用いて波長選択共振器を構成している。以下では、この３つの光学素子の性質と役割につ
いて説明する。
３．１．１　回折格子による波長分離
回折とは、媒質中を伝わる波に対し障害物が存在する時、波がその障害物の背後に回りこ
んで伝わっていく現象のことである。回折格子とは、この性質を利用して作られた波長選択
性のある光学素子のことである。
「　」のように、格子間隔ｄの回折格子に波長 λ の光を垂直に入射させると、透過光の進行
方向と格子面に立てた垂線のなす角度が次の条件を満たすところで光が明るくなる。この
角度 θ を回折角という。
ｄ・sinθ＝mλ（m＝0 , ±1 , ±2 ・・・）　―――　式１
式１より、回折格子の間隔により回折角が変化し、間隔ｄが狭くなるほど回折角 θ が大き
くなることが分かる。また、波長が長い光ほど回折角が大きくなることが分かる。このよう
に入射する光の波長の違いよって回折角が変化することから、回折格子は波長分離性のあ
る光学素子であることがある。
14
レーザ光
透過光
図４　回折格子を通過したレーザの進み方
回折格子には透過型と反射型の２種類のものがあるが、本研究では回折効率が高い透過
型の回折格子を使用することによって、レーザ光やその背景 ASE 光に含まれる波長ごとに
光を分ける作業を行っている。
３．１．２　レンズによる光の制御
本研究では、非球面レンズ、シリンドリカルレンズ、アロマティックレンズという３種類
のレンズを使用している。以下では、この３つのレンズの特徴について説明する。
１）非球面レンズ
一般的な凸レンズや凹レンズと呼ばれるレンズは、表面のカーブが球の一部を切り取っ
た形をしているので、球面レンズという。これと対称的なレンズを非球面レンズという。
理論上はレンズの焦点は１点であるが、現実には厚みのあるレンズでは光は１点には集
まらない。例えば、太陽光を凸レンズに当てると光は１点に集まるはずであるが、実際には
点にならず、ある面積を持った円となる。これはレンズの収差によるものである。収差とは
光が１点に集まらなかったり、像が広がったり歪んだりする現象のことである。
この収差を和らげるためのレンズが非球面レンズである。「　」は非球面レンズを通る光
の進み方である。しかし、本研究では光を１点に集めるのではなく、光線逆光の原理により
レーザ光が到達した回折格子を起点として１点から波長ごとに広がった光を平行ビームに
するために非球面レンズを使用している。
15
２）シリンドリカルレンズ
シリンドリカルレンズには凸型のものと凹型のものがある。本研究では、この両方を用い
てビームエキスパンダーとして使用している。横長の長方形ビームをシリンドリカルレン
ズを用いたビームエキスパンダーに通すことにより、正方形のビームに成形している。
３）アロマティックレンズ
本研究でのアロマティックレンズレンズの役割は、回折格子より波長ごとに分かれた光
がアロマティックレンズを通ることにより平行光となり、反射鏡によって波長選択を行い
やすいようにしている。
３．１．３　反射鏡による光帰還
本研究では、回折格子によって波長ごとに分かれた光を非球面レンズにより平行光に加
工し、垂直に設置した反射鏡で選択して LD へ光帰還させることによって、選択した波長の
光を増幅させている。つまり、LD 内部の利得導波路と反射鏡の間が光を増幅させる共振器
となっているわけである。
さらに、反射鏡には図５のように幅の狭いスリットを設置してある。これにより、選択し
た波長の光はスリットの隙間から反射鏡に当たることで LD へ帰還する。一方、選択した波
長以外の余計な波長の光はスリットに当たることで別の方向に反射し、LD へ帰還しないよ
うな仕組みになっている。
図５　スリットを設置した反射鏡
16
３．２　外部共振器型波長可変レーザ
３．２．１　波長可変の仕組み
本研究で試作した外部共振器型波長可変レーザの構成図を図６に示す。外部共振器には
3.1 節説明した波長選択共振器を使用している。以下では、どのような流れで波長可変が行
われているか説明する。
回折格子
レンズ
ファイバ
コネクタ
レンズ
光
ア
ナス
ペ
ラ
イク
ト
ザ
ーラ
ム
半導体
レーザ
レンズ
光ファイバ
反射鏡
外部共振器
図６　実験構成図
まず、２章で説明したような動作原理で LD からレーザ光が出力される。そのレーザ光が
非球面レンズを通ることにより、レーザビームが広げられる。広がったレーザビームはシリ
ンドリカルレンズで構成されたビームエクスパンダーによって正方形のビームに成形され
る。このレーザ光が回折格子に入射する事により、波長ごとに光が屈折して分かれる。波長
ごとに分かれた光はアロマティックレンズを通ることにより、平行光となり反射鏡の方向
へ向かう。その光の中から波長を選択し反射鏡で LD へ光帰還させる。この時、反射鏡によっ
て反射された光は、今まで通った道筋と逆の順序で LD へ帰還される。
LD へ帰還された選択した波長の光は、外部共振器の間を何回も往復することによりその
パワーが徐々に増幅される。そして、その光パワーが一定の値を超えると、選択した波長の
光がレーザ光として出力される。これが波長可変のメカニズムである。
実際に波長が変化している様子は目で見ることが出来ないので、その様子を調べるため
にレーザ光をレンズで集光し、光ファイバに入射させ光スペクトラムアナライザで測定す
る。
17
４章　実験結果
この章では、本研究で得られた実験の結果と考察を示す。
４．１　外部共振器での増幅されかた
まず、外部共振器でどのように光が増幅をされるのか測定を行う。
反射鏡の位置を固定して、波長が変動しないようにする。その状態で注入電流の値を変え
て外部共振器の I-P 特性を測定した。固定した波長は 441nm、電流は 100mA から 700mA
まで 10mA ずつ変化させ測定している。
1800
1600
①
1400
光パワー〔μW〕
1200
1000
光帰還あり
光帰還なし
800
600
400
200
0
100
140
180
220
260
300
340
380 420
電流〔mA〕
460
500
540
580
620
660
700
図７　外部共振器の光帰還ありとなしの I-P 特性
図７の「光帰還あり」のグラフのように、外部共振器で増幅させた光のパワーは電流
180mA より増幅が始まり、その値は徐々に大きくなりなっている。その後、電流 370mA を
境に「光帰還なし」のグラフの増幅のされ方と横並びになる。
このように、外部共振器を使うことで、本来 LD が発振しない波長での発振を可能にする
ことが出来る。
18
25dBm
-60dBm
11dBm
-60dBm
442nm
442nm
(b) 電流 290mA 、光帰還なし
(a) 電流 290mA 、光帰還あり
図８　外部共振器で光帰還された光のスペクトルの比較
また、外部共振器を用いて光帰還を行うことで、その光は強く安定した単色光の性質を持
つようになる。図８は電流 290mA で外部共振器で光帰還させ、増幅された光のスペクトル
（ａ）と、LD の自己発振のスペクトル（ｂ）である。図７のグラフ内の点線で示している
①の部分がこの両方のスペクトルにあたる。
光帰還なし（ｂ）と比べると、光帰還させている（ａ）は高いパワーと単色性の強い安
定した光を発振しているのがスペクトルより分かる。
19
４．２　波長の可変
本研究の目的である波長の可変について説明する。
LD は自己発振波長 441nm でレーザを発振する。この波長を基準に、短波長側又は長波長
側にどれだけ変化できるかというのを可変幅と定義している。
441nm
可変幅
-55dBm
438nm
443nm
448nm
図９　波長の可変のイメージ
また、最大の可変幅を設定する場合、どこまでを雑音として扱うのかで可変幅は変わって
くる。この研究では、使用している光スペクトルアナライザで測定した際に、スペクトル上
でのパワーが-40dBm 以下を雑音として扱っている。　４．３　各電流での最大可変幅
ここでは前節４．１で測定した結果の上に、さらに各電流ごとに波長を可変させた場合
の光パワーを 3D グラフ上に表したものを示す。測定範囲は電流 180mA から 340mA まで
10mA 刻みで測定している。この測定結果から、各電流の時にどれ程の可変幅を持つのかと
いう結果が分かる。
20
120
100
80
光
パ
ワ
ー［
60
n
W
］
40
20
340
310
280
0
250
437
438
439
440
電流［mA］
220
441
442
443
444
波長［nm］
190
445
446
447
448
160
図１０　光帰還をさせた各電流ごとの波長可変幅とその光パワー
120
100
80
光
パ
ワ
ー［
60
n
W
］
40
20
340
310
280
0
250
437
438
439
440
電流［mA］
220
441
442
443
444
波長［nm］
190
445
446
447
448
160
図１１　光帰還をさせなかった各電流での波長可変幅とその光パワー
21
図１０より、電流が大きくなればなるほど可変できる幅が広くなっているのが分かる。ま
た、電流 290mA からは可変幅はあまり変化はないが、出力は飛び抜けて大きくなっている。
これは、電流 280mA 以降から LD の自己発振が始まるため、帰還させた光が本来の LD の持
つパワーで増幅されるためである。
４．３　可変できる最大の幅と状態
前節４．２の測定結果から、各電流ごとに最大可変幅をグラフ化したものを以下に示す。
12
10.3nm
10
波長可変幅［ｎｍ］
8
6
4
2
0
160
180
200
220
240
260
電流［ｍＡ］
280
300
320
340
図１２　各電流での最大可変幅
図１２より、電流 280mA までは注入電流を大きくするごとに最大可変幅は広がっていく。
しかし、電流 290mA 先は不安定に狭まっており、現状電流 280mA が最大の 10.3nm の可変
幅を持つ。
22
４．４　単色光としての限界
電流 290mA より高い電流では可変幅は不安定に変動し、それ以上の可変幅は測定できな
かった。原因は、LD の自己発振波長が光の中に含まれてしまい、その発振が利得を奪ってし
まうことにより制御すべき波長の出力が低下してしまうと予想している。また、この状態で
は発振波長が２つ検出される状態があり、単色光として扱えない。
選択した制御発振波長
半導体レーザの
自己発振波長
図１３　電流 290mA の長波長側の最大可変幅付近のスペクトル
図１３は電流 290mA の長波長側の最大の可変幅付近でのスペクトルである。外部共振器
で制御した発振波長と、LD の自己発振波長の２波長現れているのが分かる。
本研究では、
「安定した単色光」であることが光品質の安定化の定義の一つである。つまり
単一モードでのレーザ発振が必要となる。この状態では、マルチモードであるため、単色光
源としての利用ができない状態である。
23
５章　改善案
この章では、４章での実験結果より浮上した問題点を解消する案をここで論ずる。
５．１　問題点
現在、図１４のように可変幅を大きくとり利得の中心付近から離れた波長での発振を試
みると出力が大きく下がってしまう。
60
10.3nm
50
パワー［ｎＷ］
40
30
20
10
448
448
447
447
446
446
445
445
444
444
443
443
442
442
441
441
440
440
439
439
438
438
437
0
波長［ｎｍ］
図１４　電流 280mA での各波長ごとの光パワー
原因は、この波長帯では発振の種となる利得、ASE 発光が少ないため LD に帰還する光の
量も少なく、LD 共振器で十分に増幅がなされていないと予想している。
24
５．２　改善案
外部共振器の光パワーは帰還する光の量で決まる。その量を調整しているのはスリット
の幅である。つまり、スリットの幅を広げる構造を取り付けることで、この問題点は改善さ
れる可能性がある。以下に、その改善案を示す。
（ａ）改善前の反射鏡のイメージ　（ｂ）改善後の反射鏡のイメージ
図１５　改善方法のイメージ
まず、現在一体化されているスリットとミラーを独立させ、ミラーは固定しスリットのみ
を動かせる機構を取り付ける。さらに、スリットには幅を調整出来る機構を取り付ける。こ
の改良を施すことで、光パワーが低下する両端の可変幅に合わせる場合、スリットの幅を広
げることで光の帰還量が多くなり、増幅に十分な光が確保され、光パワーが低下する問題を
改善できると期待される。
25
５．３　改善案で期待される結果
前節５．２の改善案を行うことで、光の帰還量が多くなり可変幅の両端の光パワーが上
昇する。これにより、自励発振に消費されていた利得が利用でき、全体的に出力が上昇する
と考えている。光パワーが上昇することで今までは雑音の中に紛れて測定できなかった利
得エッジ付近の波長が測定することができ、可変幅を大きくできることも期待する。
60
50
パワー［ｎＷ］
40
30
20
10
448
448
447
447
446
446
445
445
444
444
443
443
442
442
441
441
440
440
439
439
438
438
437
0
波長［ｎｍ］
図１６　改善後の各波長ごとの光パワーの上昇の期待イメージ
26
５．４　予想される問題点
提案した改善案を行うことで発生すると思われる新たな問題もある。それは、光の帰還量
を増やすことで選択した波長以外の光も LD に帰還してしまい、スペクトルの幅が広がりマ
ルチモードへと品質が劣化することも懸念される。
図１７　予想される広がりによるマルチモード発振スペクトルイメージ
現在は、スリットとミラーは固定してあるため、帰還させる波長の量は常に一定である。
そのため、品質の定義は設定していない。今後、この改善案を実行する場合には品質を保つ
定義の一つとして、スペクトルの幅（帰還させる波長の量）を設定する必要がある。
27
６章　改善案の実験
６．１　実験機器の製作
５章で示した改善案の効果の有無を実験的に検証したので、６章で解説する。
帰還する光の量を調整するために、幅を自由に変えれるスリットが必要である。そこで工
具のノギスを改良し、可変スリットとして利用可能な状態にした。そしてミラーの手前で制
動台に固定し、ミラーに近い位置でレーザビームに対して垂直にスライド出来るような機
構に取り付けた。
図１８　可変スリットのイメージ
これで前章５．２で提案した案を確認できる機構が完成した。
28
６．２　実験の進め方
まず、今まで実験で使用していたスリットとミラーの前に新しいスリットを重ねる。その
状態で可変スリットの幅を狭め、①旧スリットを通って反射したビームの出力がわずかに
低下する値まで可変スリットの幅を調整する。つまり、旧スリットと可変スリットを同軸に
設定し、幅が同じになるくらいの状態に幅を調整する。
その後、②旧スリットよりも少し広い幅になるよう可変スリット調整し、可変スリットと
ミラーで計測する。
①両スリットの幅はほぼ同じ状態　②可変スリットの方が幅が広い状態
図１９　実験の手順のイメージ
29
６．３　実験結果
実験は注入電流 290mA で測定している。
25
パワー［nW］
20
15
旧スリット
可変スリット
10
5
0
437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449
注入電流［mA］
図２０　旧スリットと可変スリットの各波長ごとの出力分布
実験で行った計測結果のグラフと変わらない推移となっている。つまりこれは、スリット
の幅を広く取り、帰還する光の量を多くしても光帰還により制御されるレーザビームの光
量やスペクトルはさほど変化しない。つまり帰還光の全てがレーザ発振の種となり十分な
増幅がなされるという訳ではない事が考えられる。
30
６．４　波長選択性の追加実験
実験結果で浮上した「スリット幅を広く取っても、レーザ発振に寄与する光パワーは変わ
らない」という結果を確認するために、波長選択法を工夫して追加の実験を行った。追加実
験は、以下のような実験である。
図２１　追加実験の手順のイメージ
図２１のように。２つあるスリットの片方だけを使い、レーザを発振させてみる。この実
験の結果により、改善案として提案したものが本当に効果のあるもであるかを確認する。
31
25
パワー［nW］
20
15
旧スリット
右スリット
左スリット
10
5
0
437 438 439 440 441 442 443 444 445 446 447 448 449
注入電流［mA］
図２２　片方のスリットだけを使って測定した各波長ごとの出力分布
図２２より、片方のスリットのみで光帰還を行うと右スリット場合は 443mA 以降、左ス
リットは 444mA 以降はスリットによる波長選択性が失われてしまい、スリットを介さない
場合の出力になってしまう。
この結果より、通常の狭いスリットの状態と有為な差は見られなかった。この実験により
提案した広い波長幅の光帰還でも改善効果がないことが分かった。
６．５　追加実験の考察
この追加実験の結果により提案した「スリットの幅を広げることで光の帰還量が多くな
り、増幅に十分な光が確保され両端の波長域の光パワーが上昇する」という効果が得られな
いことが分かった。これは、スリットで特定の幅の波長を選択して帰還させた場合でも、半
導体レーザがその波長の中から最も増幅しやすい利得中心に近い側のエッジの波長を自ら
選択して増幅させて、その他の光帰還光より支配的になり、結局狭い波長の光帰還による発
振と同じ共振器とレーザ発光波長に収れんするという仕組みになっている事も分かった。
32
７章　結論
７．１　結論
本研究では、波長可変選択光帰還法を用いてファブリペロー型共振器の青色半導体レー
ザの発振波長を変化させることが出来る波長可変レーザを構成し、その特性評価を行った。
その結果、この波長可変レーザは今の状態では電流 280mA が単色光としての状態が保てる
ということが分かった。
また、その電流の状態での波長選択光帰還による最大の波長で可変幅を測定すると
10.3nm という結果になった。これは、使用した半導体レーザの全周波数の比として約
2.35%という大きな可変域の達成である。
現在、可変幅を広く長波長側や短波長側に操作すると制御する発振波長の出力が著しく
低下して、LD の利得ピークに近いファブリペロー LD 本来の 441nm の発光が支配的にな
るこの問題を、反射鏡のスリットとミラーの機構の改善で解決を目指した。しかし、光帰還
波長域の拡張による制御は利得と出力の向上には効果がなかった。
７．２　今後の展望
光帰還帯域の拡大の効果両端の波長域の出力向上には寄与しなかった。
波長選択・調整時にミラーとスリットの光軸が変動しない、且つスリットの幅を自由に
調整出来る機構を構築することで、光帰還のパワーを最適化しロスを低減することで発光
波長の両端の領域の出力を上昇させることが期待される。一方、中心波長の自励発振を抑圧
することも、利得の少ない両端の波長域で単一モードで発振しやすくするには重要である。
今後は、電流ごとのレーザ発振可能な利得領域の波長範囲をまず確かめ、次にその両端の
領域の制御した波長の光帰還の改良により選択波長の出力を上げた場合、LD の自己発振に
よる利得消費を抑え、発振可能な波長がどこまでなのか予測することが必要である。
33
参考文献
［１］門田竜也，“波長選択光帰還法を用いた青色半導体レーザの波長可変性の拡張と操
作性の向上”，学部卒業研究報告，2010
34
謝辞
本研究の遂行と論文の作成にあたり、熱心な御指導、助言を賜りました高知工科大学
工学部　電子・光システム工学科　フロンティア工学コース　野中弘二教授に心より感謝
申し上げます。
お忙しい中、本論文の副査を引き受けて下さった高知工科大学　工学部　物質・環境シ
ステム工学科　フロンティア工学コース　古沢浩准教授に心より感謝申し上げます。
本研究を進めるにあたり、多くの助言を賜りました野中研究室の方々に心より感謝申し
上げます。
また、本研究で使用した青色半導体レーザは日亜化学工業様より提供して頂きました。心
より感謝申し上げます。
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