ウィスパリングギャラリーモード共振器による超狭線幅半導体レーザ
光ウィスパリングギャラリーモード共振器を適用することで線幅0.6Hzの半導体レーザが実現可能になる。耐久性が高く、コンパクトな外部共振器構成で、100mW以下のアプリケーションではファイバレーザの置き換えとなり得る。
スペクトル純度は発振器の特性のひとつであり、これによって密接周波数を区別することができる。レーザの場合、通常、周波数ノイズと線幅がスペクトル純度の基準となる。特に、狭線幅レーザは、周波数（波長）差の計測で高分解能が求められるアプリケーションで使うことができる。
高いスペクトル純度を必要とするアプリケーションには、①光ファイバセンサのような干渉計測をベースにしたもの、②光検出や測距あるいはライダ（LIDAR）のような長いコヒレンス長を必要とするもの、③分光法のように近接する周波数の直接計測を必要とするものがある。狭線幅レーザは、コヒレント通信でも必要とされている。この場合、光位相ロックループ（干渉計の特殊タイプ）で局発光（LO）として使われる。
スペクトル純度に加えて、狭線幅レーザは個々のアプリケーションで必要となる特殊波長でも動作しなければならない。こうしたアプリケーションに適合するためにガスレーザ、固体レーザおよびファイバレーザの他に、狭線幅技術の進歩により半導体レーザも有効な候補となりつつある。
スペクトル純度の定義
線幅をスペクトル純度の基準に使用することはレーザ文献に広く見られ、それを明記しているベンダーは多い。しかし、これはレーザのスペクトル純度を規定する正確な方法ではない。測された線幅が計測の時間尺度（帯域）に依存するからである。したがって、ほとんどのベンダーは、瞬間的な線幅を規定している。これは本質的なレーザのシャロー・タウンズ（Schawlow-Townes）限界である。
スペクトル純度を定量化する最良の方法は、位相ノイズ、もしくは周波数ノイズのパワースペクトル密度を使用することである。このアプローチは、関心のある全フーリエ周波数、一般には1Hz〜100MHzにわたりレーザノイズと、そのスペクトル純度を表している。ここでは、レーザ線幅の慣例を使用する。
レーザのスペクトル純度の特性を表現するもう1つの方法は、そのコヒレンス長、つまりコヒレンスタイムを規定することによって行う。これは、レーザ光のコヒレンス特性が維持される間隔（タイムオブフライト、光速を距離で除したものに等しい）である。
干渉計の長さが増加してレーザのコヒレンス長に近づくにつれて、コヒレンス時間が十分に長くないと、観察される縞の品質が劣化し、最終的にはなくなる。したがって、干渉分光法を用いるセンシングなどの用途では、両方のアームを伝搬する光を結合して、位相、つまり周波数の変化（アームの一方）を観察するので、所望の分解能で計測するためには、干渉アームの長さがどの程度となるかはレーザの線幅によって決まる。
特別仕様の波長
一般に、干渉型、長コヒレンス長、分光学的アプリケーションは、特定の波長で狭線幅レーザを必要とする。例えば、ほとんどのファイバセンサは1550nm付近の波長を使うが、これはコヒレント光通信の局発光と同様である。ライダは他の波長、可視光あるいは2000nm程度の長波長とすることもできる。分光計の要件では、広い波長範囲が最も重要であるが、これは原子線がUVから近赤外範囲に広がり、分子波長が、一般に中赤外から遠赤外域まであるためである。
多くのアプリケーションで、温度、加速および振動に関して、レーザの小型、軽量および堅牢さが要求されるパラメータとなっている。半導体レーザのコンパクトで堅牢な特性は、これらのスペクトル純度の高いアプリケーションには最適であるが、半導体レーザは本質的に線幅が広い。これは、そのキャビティサイズが小さいために、外的手段で狭線幅化しなければならないからである。
線幅を狭くするための最も効果的なアプローチは、狭いパスバンドの外部フィルタやキャビティを利用することである。微小なファブリペローキャビティやブラッググレーティングの進歩により半導体レーザの線幅を狭くする効果的な手段が実現している。これは、フィルタを通した光をレーザにフィードバックする、あるいは広く採用されているPDH法（周波数安定化技術）のようなエレクトロニクス方式でレーザをロックするか、いずれかを用いる。これらの方式は、小型、低消費電力、堅牢動作、ローコストを含め、半導体レーザの望ましい特徴も維持する。
残念なことに、外的に半導体レーザの線幅を狭くする従来のアプローチは、3つの大きな難点がある。まず、パフォーマンスが、ファイバレーザやガスレーザのサブkHz線幅に対抗できない。センシング、ライダ、高分解能分光計などの新しいアプローチが要求するスペクトル純度がますます高くなっているので、これは重要な検討事項になる。次に、利用できるフィルタやキャビティは、動作波長範囲に限りがある。最後に、外部狭線幅レーザはモードホップのない可変が難しいことがよくある。
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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2015/01/LFWJ0115_ft_p16.pdf