JP2005303309A - 波長可変光源、及び波長可変光源を動作させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モードホッピングなしに、所定の周波数範囲にわたって迅速に、且つ連続的に掃引可能な出力ビームを生成することができる光源の実現
【解決手段】一態様では、波長可変光源(10)は、共振光経路、光学利得媒体(18)、光学回折格子(20)、第1の音響光学偏向器(24)、及び第2の音響光学偏向器(26)を含む。別の態様では、光源は、所定の周波数範囲にわたって出力波長プロファイルを有する出力光ビームをチューニングするための第1及び第2の音響光学装置(24,26)を含む共振光経路を有する。第1の音響光学装置(24)は、第1の時変周波数プロファイルを有する第1の信号で駆動される。第2の音響光学装置(26)は、第2の時変周波数プロファイルを有する第2の信号で駆動され、この場合、第2の時変周波数プロファイルは、出力波長プロファイルの時間変化率に実質的に比例する量だけ、第1の時変周波数プロファイルと異なる。
【選択図】図１

Description

本願発明は、波長可変光源、及び波長可変光源を動作させる方法に関する。

多くの波長可変光源には、１つの光学利得要素と、１つ又は複数のフィルタ要素を含む共振光空洞が含まれる。光学共振光空洞により、光の発振が、均等な間隔を有する光学モードの別個の組に量子化され、この大部分がフィルタ要素によって消滅する。多くの用途において、指定された範囲の周波数にわたって、モードホッピングなしに光源を連続的にチューニング（同調）できるように、単一光学モードにおいて単一波長の出力ビームを生成することが望ましい。この結果を得るためには、光源の共振空洞の光学モードとフィルタ要素の周波数応答を同時にチューニングしなければならない。また、高いモード安定性を実現するには、光学モードの間隔に対するフィルタの帯域幅の比率を比較的小さくする必要がある。

いくつかのタイプの波長可変光源は、可動ミラー回折格子を使用して光源をチューニングし、特定波長の出力ビームを生成する。例えば、いわゆる「リトロー（Littrow）」構成という一手法では、半導体レーザのファセットと回折格子との間に光共振器が形成される。レーザによって生成される光ビームは、コリメーティングレンズによって回折格子（グレーティング）上に集束される。ファセットと回折格子によって形成された共振器内には、回折格子に入射する光の角度が回折格子から回折される光の角度と同一であるという条件を正確に満足する単一波長（即ち、「リトロー波長」）の光だけが存在する。このように、リトロー波長、又はこの波長に非常に近い波長の光のみが、ファセットと回折格子との間で発振する。このリトロー波長は、回折格子を回転させると同時に、ファセットに向かって又はファセットから離れる方向に回折格子を移動させることにより、変化する。

他のタイプの光源は、可変音響光学装置を使用して特定波長の出力ビームを生成する。音響光学装置は一般に、光学媒体内において音波を生成するためのトランスデューサを含む。光学媒体内に導入された光は、これらの音波と相互作用し、導入された光の特性が変更される。例えば、音響光学変調器では、光学媒体内を伝播する音波を使用して、導入された光の強度を変調する。音響光学偏向器の場合には、音波により、その音響周波数と共に変化する量だけ、導入された光ビームが偏向される。音響光学波長可変フィルタの場合には、狭い波長通過帯域内の導入光のみが１つの偏光から別の偏光に変換され、偏光フィルタが、この変換された偏光を有する光を選択的に通過させる。この波長通過帯域は、音響光学偏向器に適用される音響周波数によって決定される。

上述した音響光学装置のそれぞれは、ビームにおけるドップラー周波数シフトを含んでおり、この場合、シフトの方向は、光ビームに対する音波の伝播方向によって決まる。単一の音響光学装置によって引き起こされるドップラー周波数シフトは、光ビームが光源の共振空洞内で発振する際に蓄積され、光源の単一周波数動作が妨げられる。このため、多くの音響光学方式の光源には、実質的に相殺するドップラー周波数シフトを生成する、少なくとも一対の音響光学装置が含まれる。

一手法において、レーザ又は他の光共振器内に一対の音響光学装置を使用して、正味の周波数シフトを招くことなく、波長に依存する光の偏向を生成する。この手法では、透過の際の音響光学装置の分散特性が、反射回折格子の代わりとして使用される。それぞれの音響光学装置ごとに、入射及び回折ビームがほぼブラッグ角になるように、２つのミラー、１つの出力カプラ、利得媒体、及び２つの音響光学装置は、最大効率を得るために構成される。このように、音響光学装置の音響周波数により、出力波長が決定される。

別の手法では、光をレーザから２つ以上の音響光学波長可変フィルタを介してレーザに戻すように供給することにより、外部共振器レーザが形成される。フィルタによって導入されるドップラーシフトは完全に相殺されない。フィルタによって生じた正味のドップラーシフトは、連続的にチューニングされ、レーザの共振周波数のシフトにフィルタの帯域通過が追従するようにしてモードホッピングを減少させている。

従って、本発明の課題は、上述した技術的な課題を克服、或いは少なくとも緩和することにある。

本発明は、波長可変光源、及び波長可変光源を動作させる方法を特徴とする。本発明によれば、モードホッピングなしに、所定の周波数範囲にわたって迅速に、且つ連続的に掃引可能な出力ビームを生成することができる光源を設計することが可能になる。また、本発明によれば、光源の光学モードとフィルタ周波数応答を同時にチューニングし、所定の周波数範囲にわたって光源の連続的なチューニングを実現する光源を動作させる方法も可能になる。

一態様において、本発明は、共振光経路、光学利得媒体、１つ又は複数の光学回折格子、第１の音響光学偏向器、及び第２の音響光学偏向器を含む波長可変光源を特徴にしている。共振光経路は、少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする。光学利得媒体は、共振光経路内に配置される。光学回折格子は、回折格子表面に対してある入射角で光経路に沿って入射光を受光し、この入射角とは異なる、回折格子表面に対する回折角で光経路に沿って光を回折するように構成された回折格子表面を有する。第１の音響光学偏向器は、光経路に沿って光を遮るように配置される。第１の音響光学偏向器は、この遮られた光を偏向させ、縦モード周波数の第１のドップラーシフトを生じさせるように動作可能である。第２の音響光学偏向器は光経路に沿って光を遮るように配置される。第２の音響光学偏向器は、この遮られた光を偏向させ、縦モード周波数の第２のドップラーシフトを生じさせるように動作可能であり、この場合、第１及び第２のドップラーシフトは方向が反対である。

別の態様において、本発明は、光源を波長チューニングする方法を特徴にしている。この光源は、少なくとも１つの縦モードをサポートする共振光経路を有する。この共振光経路には、所定の周波数範囲にわたって出力波長プロファイルを有する出力光ビームをチューニングするための第１及び第２の音響光学装置が含まれる。それぞれの音響光学装置は、共振光経路によってサポートされている縦モード周波数の個々のドップラー周波数シフトを生じさせ、この場合、第１の音響光学装置によって生じたドップラー周波数シフトは、第２の音響光学装置によって生じたドップラー周波数シフトを実質的に相殺する。本発明の方法によれば、第１の音響光学装置は、第１の時変周波数プロファイルを有する第１の信号で駆動される。第２の音響光学装置は、第２の時変周波数プロファイルを有する第２の信号で駆動され、この場合、第２の時変周波数プロファイルは、出力波長プロファイルの時間変化率に実質的に比例する量だけ、第１の時変周波数プロファイルと異なっている。このように、出力光ビームは、縦モード間における観察可能なホッピングなしに、所定の周波数範囲にわたってチューニング可能である。

本発明の他の特徴及び利点は、添付図面、及び特許請求の範囲を含む以下の説明から明らかになろう。

本発明によれば、モードホッピングなしに、所定の周波数範囲にわたって迅速に、且つ連続的に掃引可能な出力ビームを生成することができる光源を設計することが可能になる。また、本発明によれば、光源の光学モードとフィルタ周波数応答を同時にチューニングし、所定の周波数範囲にわたって光源の連続的なチューニングを実現する光源を動作させる方法も可能になる。

以下の説明においては、同様の参照符号を使用して類似の要素を特定する。更に、図面は、例示的な実施形態の主要な特徴を図によって示すことを意図している。これらの図面は、実際の実施形態のすべての特徴、又は図示された要素の相対的な寸法を図示することを意図するものではなく、一律の縮尺に従わずに描かれている。

図１は、波長可変光源１０の実施形態を示し、その波長可変光源１０は、第１のミラー１４と第２のミラー１６との間に画定された共振光経路１２を含み、光学利得媒体１８、第１及び第２の光学回折格子２０、２２、並びに第１及び第２の音響光学偏向器２４、２６を含む。

光学利得媒体１８は、光経路１２に沿って発振する光を増幅するように構成された任意のタイプの光学利得媒体とすることができる。例示された実施形態において、光学利得媒体は、半導体増幅器であり、これは、ＰＮ接合部内の正孔と電子の光学的誘導再結合により、光を増幅する。この半導体増幅器から放出された光は、半導体増幅器の活性領域材料のバンドギャップエネルギーの近くに中心がある光子エネルギーの有限な広がりによって特徴付けられる。第１のコリメーティングレンズ２は、利得媒体からの発散光ビーム４を平行光ビームに変換する。同様に、第２のコリメーティングレンズ６は、発散光ビーム８を平行光ビームに変換する。

例示された実施形態において、光学回折格子２０、２２のそれぞれは、微細で平行であり均等に間隔を置いて配置された溝（「刻線（ruling）」）のアレイを含む回折表面を有する反射性基板を含む。入射光ビームに応答して、これらの溝は、反射光を離散的な方向（しばしば、「次数」又は「スペクトル次数」と呼ばれる）に集中させる回折および相互干渉の効果を生じる。溝の寸法と溝の間隔（又は、「ピッチ」）は、光源１０によって生成される出力光のターゲット波長の大きさである。他の実施形態では、図１に示されている反射タイプの光学回折格子を透過タイプの光学回折格子によって置換することができる。

音響光学偏向器２４、２６のそれぞれは、複屈折結晶基板２８、３０（例えば、二酸化テルル、又はニオブ酸リチウム）と、例えば、単一の圧電トランスデューサ又は圧電トランスデューサのアレイによって実施可能な電気機械式トランスデューサ３２、３４とを個々に含む。これらのトランスデューサ３２、３４は、単一のＲＦ発生器または複数の個々のＲＦ発生器によって駆動され得る。トランスデューサ３２、３４は、整合回路によって１つ又は複数のＲＦ発生器に結合される。受信したＲＦ駆動信号に応答して、トランスデューサ３２、３４はそれぞれ、複屈折結晶基板２８、３０において、そのＲＦ駆動信号の周波数に対応する音響周波数の音波３６、３８を生成する。音響光学偏向器２４、２６は、これらの音波３６、３８によって基板２８、３０を通じて伝わる光に生じた光の偏向とドップラー周波数シフトの方向が反対になるように、構成される。

また、例示された実施形態には、図示されたように、図１の面に平行なものから図１の面に垂直なもの（及び逆もまた同じ）に発振光の偏光を回転させるように光経路１２内に配置された第１及び第２の半波長板４０、４２も含まれる。更に、第１の音響光学偏向器２４と第２の音響光学偏向器２６との間には、オプションの偏光子４４が配置されている。他の実施形態は、第１及び第２の半波長板４０、４２、並びに偏光子４４を含まなくてもよい。

例示された実施形態において、第１の回折格子２０と第１の音響光学偏向器２４は、第１の光周波数関数を生成するように、光経路１２の第１のセグメント内に配列されており、第２の回折格子２２及び第２の音響光学偏向器２６は、第１の光周波数フィルタ関数と実質的に同一の第２の光周波数関数を生成するように、光経路１２の第２のセグメント内に配列される。この実施形態においては、第１の光経路セグメントは、図１の面に垂直であって偏光子４４の場所において光ビームに垂直に向けられている鏡面４５によって反射された第２の光経路の鏡像に実質的に対応する。第１及び第２の光セグメントの対称的な構成により、もしそうでなければ光経路１２に沿った適切な光の発振を妨げることになる音響光学偏向器２４、２６による光の分散が補正される。

動作中、半導体増幅器の利得媒体１８が、水平偏光を有する光を生成し、この光は、図１の面に平行である。この水平に偏光された光は、コリメーティングレンズ２に向かって発散し、このレンズにより、光は平行なビームに変換される。第１の光学回折格子２０は、回折格子表面に対して入射角θ_１で、入射平行ビームを遮り、回折格子表面に対して回折角α_１で、光経路１２に沿って光を回折する。この場合、回折角α_１は、入射角θ_１とは異なっている。入射および回折光ビームに対する第１の光学回折格子２０のこの構成により、モードホッピングに対する光源１０の全体的な抵抗力に寄与する狭いフィルタ通過帯域が生じる。第１の半波長板４０は、第１の光学回折格子２０から回折されたビームの偏光を垂直偏光に回転させ、この垂直偏光は、図１の面に対して垂直である。

垂直に偏光したビームは、第１の音響光学偏向器２４に入射し、この偏向器により、ビームは、トランスデューサ３２から離れるように偏向され、音波３６の音響周波数に対応する量だけ、垂直偏光ビームの周波数がシフトアップされる。偏向及びシフトアップされたビームは、垂直入射で第１の音響光学偏向器２４の平らな面５０を出射して、偏光フィルタ４４を通過する。次いで、フィルタリングされたビームは、垂直入射で第２の音響光学偏向器２４の平らな面５２に入る。この第２の音響光学偏向器２４は、トランスデューサ３４の方へビームを偏向させ、音波３８の音響周波数に対応する量だけ、ビームの周波数をシフトダウンする。いくつかの具現化形態では、第１の音響光学偏向器２４による光ビームのスペクトルのシフティングを実質的に相殺するように、第２の音響光学偏向器２４が駆動される。

第２の半波長板４２は、第２の音響光学偏向器２６によって偏向されたビームの垂直偏光を水平偏光に回転させ、この水平偏光は、図１の面に平行である。第２の光学回折格子２２は、回折格子表面に対して入射角α_２で、入射平行ビームを遮り、入射角α_２とは異なる回折角θ_２で、光経路１２に沿って光を回折する。このような入射および回折光ビームに対する第２の光学回折格子２２の構成により、マルチモード発振に対する光源１０の全体的な抵抗力に寄与する狭いフィルタ通過帯域が生成される。第２のミラー１６は、第２の光学回折格子２２によって回折されたビームを遮り、この遮られたビームを第２の光学回折格子２２に向かって反射して戻す。

復路においては、光ビームは、同一の光ビーム経路１２を通過して利得媒体１８に戻り、利得媒体１８により、リターンビームが増幅される。この増幅されたビームは、半導体増幅器の利得媒体１８から第２のコリメーティングレンズ６に向かって発散し、第２のコリメーティングレンズ６により、光は平行ビームに変換される。第１のミラー１４は、この平行ビームを遮り、この遮られたビームを同一のビーム経路に沿って第２のコリメーティングレンズ６に向かって反射して戻し、これにより共振光経路１２が完成する。出力ビームは、任意の好都合な場所において光経路から抽出され得る。一具現化形態において、抽出された出力ビームは、第２の光学回折格子２２からの鏡面反射に対応する。

第１及び第２のミラー１４、１６は、共振光経路１２に沿って前後に動いて光を発振させる高い反射性ミラーである。光学場の位相が１回の往復伝播の後に連続していなければならないので、共振光経路１２により、発振している光（以降、発振光と称する）は、共振光周波数の別個の組に制約される。これらの共振周波数は、間隔ｃ／（Ｌ）だけ均等に間隔を置かれ、ここで、ｃは光の速度であり、Ｌは光経路１２の往復伝播光路長である。本明細書において、「縦モード」及び「光学モード」という用語は、共振光経路１２の共振周波数を意味するように交換可能に使用される。図２Ａは、発振光の波長の関数として規定された例示的な縦モードの組を示す。

１つの動作モードにおいて、音響光学偏向器２４、２６及びこれらの結果として起こるドップラーシフトにより、非常に好都合な態様で、共振器モードをチューニングすることが可能になる。特に、同一音響周波数の駆動信号を第１及び第２のトランスデューサ３２、３４に印加し、駆動信号間の位相差を調節することにより、共振器モードはチューニングされる。ミラー１４、１６によって画定される定在波共振器の場合には、πラジアンの位相差ごとに、共振器は、１つのモード間隔だけチューニングされる。一方、図５に示されているようなリング共振器の場合には、２πラジアンの位相差ごとに、共振器モードは、１つのモード間隔だけチューニングされる。この「位相チューニング」技術は、例えば、１００又は１００未満のモード間隔などの限定されたチューニング範囲にわたって動作することが既に実証済みである。しかしながら、モードホッピングが不可避的に発生し、即ち、この時に、それまで発振していたモードが消滅し、別のモードが始動する。この種のモードホッピングを防止するために、音響光学装置用の２つの駆動周波数が等しいという制約を排除する。これらの周波数の等しくない駆動信号は、発振している光学モードの位相チューニングと同期してチューニングされる。これらの等しくない駆動周波数を後述する態様で変化させた場合には、広範囲の周波数範囲にわたってモードホッピングのない連続的なチューニングが結果として生じ、この後述する態様によれば、任意の所与の時点において、第１及び第２の音響光学偏向器２４、２６のトランスデューサ３２、３４に対して異なる周波数が適用される。

第１及び第２の音響光学偏向器２４、２６による組み合わされたビーム偏向と、第１及び第２の光学回折格子２０、２２による波長に依存したビームの回折とが、ビーム経路１２を構成し、それにより単一波長の光のみが増幅用の利得媒体１８の最適な場所に正確に投影される。異なる波長の光の像は、利得媒体１８の最適な増幅場所から変位する。ひとたびこの変位が利得媒体１８の横断面を越えれば、もはやそれは増幅されない。このように、フィルタ通過帯域は、第１及び第２の光学回折格子２０、２２のピッチ、共振光経路内のコンポーネントの物理的なレイアウト、並びに第１及び第２の音響光学偏向器２４、２６の音響光学特性と連係してこの横断面により、設定される。

図２Ｂは、利得媒体１８の全体的な利得４６の例示的なプロットを示す。更に、図２Ｂは、光経路の往復伝播ごとの正味の光学利得４８の例示的なプロットも示し、これは、光学回折格子２０、２２及び音響光学偏向器２４、２６によって生成されるフィルタ関数と全体的な利得４６との積である。図２Ｂに示されるように、フィルタ関数により、光源１０によって増幅される波長の狭い通過帯域が生成される。この通過帯域には、図２Ｂに図示されているように、限られた数の縦モードのみが含まれる。多くの場合、任意の所与の時点において共振光経路１２内で発振する、フィルタ関数通過帯域内の共振器モードが、１つのみであることが望ましい。フィルタ関数通過帯域内の光学モードの数が比較的少ない（例えば、１〜１０個の光学モード）ことにより、光源１０の能力が向上し、単一の縦モードに対応する出力が確実に生成される。

第１及び第２の音響光学偏向器２４、２６に印加されるＲＦ駆動信号により、フィルタ関数通過帯域がチューニングされる。従って、第１及び第２の音響光学偏向器２４、２６をチューニングすることにより、光源１０内で発振する光のモードが選択される。例えば、例示的な一具現化形態において、共振光経路および音響光学偏向器の幾何学的な形態は、両方の音響トランスデューサ３２、３４が５０ＭＨｚで振動している場合に、発振光の波長が約１５５０ｎｍになるように構成される。発振光の周波数は、音響光学偏向器のチューニングを変化させることにより、周波数の所定の範囲にわたって連続的にチューニングされ得る。例えば、上述した例示的な具現化形態においては、音響周波数が３０ＭＨｚである場合に、発振光の波長は約１６００ｎｍであり、音響周波数が７０ＭＨｚの場合には、発振光の波長は約１５００ｎｍである。発振光の周波数は、共振縦モードがフィルタ透過スペクトル内の同一ポイントに常に留まるように、共振器モードとフィルタ周波数を同時にチューニングすることにより、モードホッピングなしに連続的にチューニングされ得る。

いくつかの具現化形態においては、それぞれわずかに異なる音響周波数ｆ_１及びｆ_２で第１及び第２の音響光学偏向器を駆動することにより、発振光の連続した周波数チューニングを実現することができる。これらの具現化形態においては、音響光学偏向器２４、２６による発振光のドップラーシフトは、正確に相殺されない。駆動周波数ｆ_１及びｆ_２が一定に（しかし、異なって）保持された場合には、共振モードは、最終的にフィルタ関数通過帯域外でチューニングすることになる。従って、連続的なチューニングを実現するために、共振モードを追跡するように、第１及び第２の音響光学偏向器２４、２６の絶対駆動周波数を同時に調節しなければならない。

図３は、光源１０内で発振している光の波長を連続的にチューニングする方法を示す。この方法によれば、第１の音響光学偏向器２４は、第１の時変周波数プロファイル（又は、シグネチャー）を有する第１の信号でもって駆動される（ブロック６０）。第２の音響光学偏向器２６は、第２の時変周波数プロファイルを有する第２の信号でもって駆動される（ブロック６２）。第１及び第２の時変周波数プロファイルは、以下に詳細に説明されるように、所望の出力波長プロファイルの時間変化率に比例した量だけ異なる。例えば、出力波長プロファイルの時間変化率が一定である（例えば、ランプ波長プロファイル）具現化形態の場合には、第２の時変周波数プロファイルは、第１の時変周波数プロファイルの時間シフトされたバージョンに対応することができる。

「線形」又は「定在波」光源１０の場合の連続チューニング条件は、式（１）によって与えられる。即ち、
ｄν／ｄｔ＝２（ｆ_１−ｆ_２）／Ｔ （１）
この式において、ｆ_１及びｆ_２は、２つの音響光学偏向器の音響周波数であり、Ｔは、ビームが共振器を１回進む（所与の開始位置から同じ位置に戻る）ための時間であり、ｄν／ｄｔは、光周波数の時間に応じた変化率である。従って、安定状態においては、２つの音響光学偏向器は、同一周波数で動作するが、光周波数を変更しながら連続チューニングを維持するべきである場合には、音響光学偏向器は、異なる周波数で動作しなければならず、これらの周波数は、上記の式（１）を満足しなければならない。光学波長（λ）の観点から、式（１）は、次のように書き換えられ得る。即ち、
α（ｄλ／ｄｔ）＝２・（ｆ_２−ｆ_１） （２）
ここで、αは、次のとおりである。即ち、
α＝Ｌ／λ^２ （３）

Ｌは、光往復伝播の共振器長である。４５０ｍｍの往復伝播の共振器長と１．５μｍの発振光の波長の場合には、α＝２×１０^５μｍ^−１である。従って、所望の波長プロファイルが時間の関数として与えられた場合に、この式は、連続チューニングを確保するのに必要な２つの音響周波数間の差を指定する。

フィルタの光通過周波数と音響ＡＯＤ駆動周波数との間の関係を記述する第２の式も、λをｆ_１及びｆ_２に関連付ける。この第２の式は、次の形態を有する。即ち、
（１／２）（ｆ_２＋ｆ_１）＝Ａ＋Ｂλ （４）
ここで、Ａ及びＢは、共振器および音響光学偏向器の設計によって決定される定数である。これらの定数Ａ及びＢは、同じ駆動周波数（ｆ_{ＤＲＩＶＥ}）をトランスデューサ３２、３４のそれぞれに適用し、選択された周波数範囲にわたってｆ_{ＤＲＩＶＥ}を変化させた際に出力波長（λ_ＯＵＴ）を監視することにより、求められ得る。駆動周波数および出力波長は、次の線形関係に準拠しなくてはならない。即ち、
ｆ_{ＤＲＩＶＥ}＝Ａ＋Ｂλ_ＯＵＴ （５）
従って、定数Ａ及びＢは、式（５）から直接的に取得可能である。３０ＭＨｚの音響周波数が１６００ｎｍの波長に対応し、７０ＭＨｚの周波数が１５００ｎｍの波長に対応している上述した例示的な具現化形態においては、Ａ＝６７０ＭＨｚであり、Ｂ＝−４００ＭＨｚ／μｍである。

式（２）及び式（４）を同時に解いて、音響駆動周波数ｆ_１及びｆ_２の直接的な式を与えることができる。これらの結果は、次のとおりである。即ち、
ｆ_２＝Ａ＋Ｂλ＋（α／４）（ｄλ／ｄｔ） （６）
ｆ_１＝Ａ＋Ｂλ−（α／４）（ｄλ／ｄｔ） （７）
従って、式（６）及び式（７）は、所与の波長プロファル（時間の関数としてのλ）の場合に、如何にして連続チューニングを保証する一対の音響周波数プロファイルを算出するかを規定する。第１及び第２の周波数プロファイルは、ｄλ／ｄｔに比例する量だけ異なり、これは、所望の出力波長プロファイルλの時間変化率である。

第１の例として、光源は、連続線形チャープである出力を供給することが必要とされる。即ち、瞬間波長が、次の関係に従って、時間と共に直線的に増大する。

ここで、λｍ及びλのドットは、時間ｔ＝０における波長とチャープレートをそれぞれ表す定数である。これらの条件の下に、第１の音響光学偏向器に適用される駆動波形は、単純に第２の音響光学偏向器に適用される駆動波形の時間がずれたバージョン、即ち次式となる。
ｆ_２（ｔ）＝ｆ_１（ｔ＋Δｔ） （９）
ここで、Δｔは、２つの波形間における時間遅延である。これを実証するために、式（６）及び式（７）に、式（８）及び式（９）を代入すると、次式が得られる。

この式を単純化することにより、以下の結果になる。即ち、
Δｔ＝α／２Ｂ （１１）
α及びＢはいずれも定数であるので、これは、線形チャープの場合に、駆動波形間の遅延が、実際に（α／２Ｂ）という大きさを有する定数であることを証明する。一般的な場合には、２つの音響光学偏向器の１つに適用される駆動波形が、もう一方の音響光学偏向器に適用される波形の時間がずれたバージョンであるということは、必ずしも当てはまらない。しかしながら、実際には、これは、ほとんど変わらずにほぼその状態である。

この点を例証する第２の例として、波長が式（１２）に従って時間と共に正弦波的に変化すると仮定する。即ち、
λ＝λ_ｍ＋（Δλ／２）ｓｉｎΩｔ （１２）
ここで、λ_ｍは中心波長であり、Δλは波長範囲であり、Ωは波長変動の角周波数である。この場合、必要な音響周波数プロファイルは、次のとおりである。即ち、
ｆ_２＝Ａ＋Ｂλ_ｍ＋Ｃｓｉｎ（Ωｔ＋φ） （１３）
ｆ_１＝Ａ＋Ｂλ_ｍ＋Ｃｓｉｎ（Ωｔ−φ） （１４）
ここで、Ｃ及びφは次のとおりである。即ち、
Ｃ＝（Δλ／２）（Ｂ^２＋（αΩ／４）^２）^１／２ （１５）
φ＝ｔａｎ^−１（αΩ／４Ｂ） （１６）

実際には、位相角度φは、９０°よりも格段に小さいことが非常に多い。これにより、音響周波数は、次式のように厳密に近似することが可能になる。即ち、
ｆ_２＝Ａ＋Ｂ［λｍ＋（Δλ／２）ｓｉｎΩ（ｔ＋α／４Ｂ）］ （１７）
ｆ_１＝Ａ＋Ｂ［λｍ＋（Δλ／２）ｓｉｎΩ（ｔ−α／４Ｂ）］ （１８）

従って、図４に示されるように、２つの音響周波数は、いずれも、正弦波的に変化する。これらの正弦波的な変動は、位相がずれており、時間差は、（α／２Ｂ）である。ここで仮定されている値の場合には、この時間差は、２×１０^５／（２×４００）＝２５０μｓである。５ｍｓの走査時間（Ω＝２００πラジアン／秒に対応する）について、音響駆動の周波数プロファイルが下に示されている。

上述した例においては、トランスデューサ駆動信号に正弦波の波長プロファイルを使用していた。所定の連続的にチューニングされる波長プロファイルを生成する音響周波数プロファイルを算出するための前述した技術は、一般的である。従って、音響周波数駆動信号プロファイルは、以下に限定されないが、正弦波、鋸歯、及び線形ランプのプロファイルを含む任意のタイプの時変プロファイルとすることができる。

図３に示された波長チューニング方法は、音響光学偏向器、音響光学変調器、及び音響光学透過フィルタを含む任意のタイプの音響光学チューニング装置を有する共振光経路を含む任意のタイプの光源に適用され得る。

図５は、光学利得媒体７４、第１及び第２の光学回折格子７６、７８、並びに第１及び第２の音響光学偏向器８０、８２を含む循環（又は、リング形状）共振光経路７２を含む波長可変光源７０の実施形態を示す。第１のコリメーティングレンズ８４は、光学利得媒体７４から出射する発散光ビームを平行ビームに変換し、第２のコリメーティングレンズ８６は、到来する平行光ビームを光学利得媒体７４上に集束させる。光アイソレータ８８により、矢印９０の方向に進む光のみが共振光経路７２を循環することが可能になる。また、この例示された実施形態には、図示のように、発振光の偏光を図５の面に平行なものから図５の面に垂直なものに、及び図５の面に垂直なものから図５の面に平行なものに回転させるように、光経路７２内に配置された第１及び第２の半波長板９２、９４も含まれる。他の実施形態は、これらの第１及び第２の半波長板９２、９４を含まない場合もある。更に、第１及び第２の折り返しミラー９６、９８が、循環する共振光経路７２の光を折り返すために、第１の音響光学偏向器８０と第２の音響光学偏向器８２との間に配置される。光源７０のコンポーネントは、光源１０に関連して上述した対応するコンポーネントと同じ態様で実施され得る。

動作中、光が利得媒体７４の右側の面から発散して第１のコリメーティングレンズ８４に入射し、このレンズにより、発散光が平行ビームに変換される。この平行ビームはアイソレータ８８を通過し、このアイソレータは、光が反時計方向にのみ共振光経路７２を循環するように、矢印９０の方向に進む光のみを透過することを許容する。

次に、このビームは、回折格子表面に対して約１３．５°の入射角で第１の回折格子７６に当たる。例示的な一具現化形態において、光源７０は、１５５０ｎｍの波長（これは、約１９３．４ＴＨｚの光周波数に対応する）で発振するようにチューニングされ、回折格子７６は、９００溝／ｍｍで刻線されている。従って、この例示的な具現化形態の場合には、１次回折ビーム（図５に示されている）は、回折格子表面に対して約６５°の角度をなす。入射光の約９０％は、この１次ビームに回折され、約１０％が、出力ビーム１００として反射され、出力ビーム１００は入射ビームの０次反射に対応する。

この段階において、これらの光ビームはすべて、図５の面に平行な面において水平に偏光されている。例示された実施形態において、第１の半波長板９２が、水平に偏光された光の偏光を図５の面に垂直な面において偏光された垂直ビームに回転させる。

次いで、垂直に偏光されたビームは、約４４°の角度で、第１の音響光学偏向器８０の表面に入射する。第１の音響光学偏向器８０の音響トランスデューサ１０２は、整合回路を介して印加されるＲＦ信号によってパワーを供給されている。このＲＦ信号の周波数は、音響周波数に等しい。一具現化形態において、印加されるＲＦパワーは、約２ワットである。光経路７２内において、１５５０ｎｍで光を発振させる場合には、ＲＦ信号の周波数を約５０ＭＨｚに設定する。音響光学偏向器８０内において誘導される音波１０４の１つの効果は、図５に概略的に示されているように、約４．６°だけ入力光ビームを偏向することである。この偏向された光は、光が共振光経路７２内で発振するすべての波長に対して、垂直の入射角で第１の音響光学偏向器８０の出射面を通過する。

上述したように、入力光ビームと音波１０４との間の相互作用の第２の効果は、入力光ビームの光周波数のシフティングである。上述した例示的な具現化形態においては、音波１０４と遭遇する前の光の光周波数は、正確に１９３．４ＴＨｚ、即ち１９３，４００，０００ＭＨｚである。第１の音響光学偏向器８０内において、音波１０４は、超音波源から離れるように光ビームを偏向させるように、光ビームと相互作用する。その結果、偏向された光ビームの光周波数は、５０ＭＨｚだけ上昇（又は、シフトアップ）し、１９３，４００，０５０ＭＨｚになる。

２つの折り返しミラー９６、９８から反射された後に、光は、共振光経路７２の左側半分を通過し、これは、図５の面に垂直な鏡面１０６によって反射された右側半分の「鏡像」に実質的に対応する。対称になっていないのは、共振器の左側半分にはアイソレータ８８に対応するアイソレータが存在していないこと、及び第２の音響光学偏向器８２のトランスデューサ１０８の場所が非対称になっていることのみである。第２の音響光学偏向器８２において、光ビームは、超音波源の方へ偏向される。従って、上述した例示的な具現化形態に関して、５０ＭＨｚの音響周波数の場合には、到来する１９３，４００，０５０ＭＨｚの光の光周波数は、１９３，４００，０００ＭＨｚに減少する。従って、利得媒体７４に戻ってきた光の光周波数は、利得媒体７４から出て行った光の光周波数と同じである。

上述したように、光は、反時計方向において共振光経路７２を循環する。一具現化形態において、共振器および音響光学偏向器の幾何学的な形態は、両方の音響トランスデューサ１０２、１０４が５０ＭＨｚで振動している場合に発振光の波長が約１５５０ｎｍとなるように設計される。音響光学偏向器内における光ビームの偏向は、この音響周波数において約４．６°である。

発振光の波長は、音響トランスデューサ１０２、１０８に適用されるＲＦ信号の周波数によって制御される。上述した例示的な具現化形態においては、３０ＭＨｚの駆動信号がトランスデューサ１０２、１０８に印加された場合に、発振光の波長は、約１６００ｎｍであり、音響光学偏向器内の偏向は、約３．６°である。７０ＭＨｚの駆動信号をトランスデューサ１０２、１０８に印加した場合には、発振光の波長は、約１５００ｎｍであり、音響光学偏向器内の偏向は、約５．５°である。

光源７０によって生成される出力光の波長は、光源１０に関連して上述したチューニング方法のいずれかに従ってチューニングされ得る。特に、音響光学偏向器は、連続チューニングを保証するために特に選択された同一でない駆動信号によって駆動され得る。

図６は、光学利得媒体１１４、第１及び第２の光学回折格子１１６、１１８、並びに第１及び第２の音響光学偏向器１２０、１２２を包含する共振光経路１１２を含む波長可変光源１１０の実施形態を示す。第１及び第２のコリメーティングレンズ１２４、１２６は、光学利得媒体１１４から発散する光を平行ビームに変換し、到来する平行光ビームを光学利得媒体１１４上に集束させる。また、この例示された実施形態には、図示のように、図６の面に平行なものから図６の面に垂直なものに、及び図６の面に垂直なものから図６の面に平行なものに発振光の偏光を回転させるように、光経路１１２内に配置された第１及び第２の半波長板１２８、１３０も含まれる。他の実施形態は、第１及び第２の半波長板１２８、１３０を含まない場合もある。更に、第１及び第２のミラー１３２、１３４がそれぞれ、第１及び第２の音響光学偏向器１２０、１２２の背後に配置され、共振光経路１１２の端部において光を反射する。

図６に例示された実施形態において、第１の回折格子１１６及び第１の音響光学偏向器１２０は、光経路１１２の第１のセグメント内に配置されており、第２の回折格子１１８及び第２の音響光学偏向器１２２は、光経路１１２の第２のセグメント内に配置される。この実施形態においては、第１の光経路セグメントは、図６の面に垂直であって利得媒体１１４の場所において光ビームに対して垂直に向けられた鏡面１３６によって反射された第２の光経路の鏡像に実質的に対応する。対称になっていないのは、第１及び第２の音響光学駆動トランスデューサの非対称な配置のみである。光源１１０のコンポーネントは、光源１０に関連して上述した対応するコンポーネントと同じ態様で実施され得る。更に、光源１１０によって生成される出力光の波長は、光源１０に関連して上述したチューニング方法のいずれかに従ってチューニングされ得る。

図７は、共振光経路１１２の第２のセグメントが、第２のコリメーティングレンズ１２６と第２の光学回折格子１１８との間の光の進行方向に対応する軸を中心としてひっくり返されていることを除いて、光源１１０と全く同じである波長可変光源１４０の実施形態を示す。この実施形態においては、第１の光経路セグメントは、図６の面に垂直であって利得媒体１１４の場所において交差する一対の直交鏡面１４２、１４４によって反射された第２の光経路の鏡像に実質的に対応する。対称になっていないのは、第１及び第２の音響光学駆動トランスデューサの非対称な配置のみである。図８は、図６に示された波長可変光源１１０の第１の光経路セグメントと同じである第１の光経路セグメント１５２を含む波長可変光源１５０の実施形態を示す。この実施形態には、第２のコリメーティングレンズ１５６、第２の音響光学偏向器１５８、及び再帰反射器１６０を含む第２の光経路セグメント１５４が更に含まれる。光源１６０の動作は、フィルタ関数が第１及び第２の音響光学偏向器１２０、１５８及び単一の光学回折格子１１６によって決定されることを除いて、光源１１０の動作と非常に類似する。

他の実施形態も、特許請求の範囲内にある。

波長可変光源の実施形態の平面図である。 図１の波長可変光源の具現化形態における共振光経路の例示的な光共振器モードを示す図である。 図１の波長可変光源の具現化形態に関するスペクトルのグラフ図である。 図１の波長可変光源を動作させる方法の実施形態のフローチャートである。 図３の方法に従って図１の波長可変光源の具現化形態に適用される駆動波形のグラフ図である。 波長可変光源の第２の実施形態の平面図である。 波長可変光源の第３の実施形態の平面図である。 波長可変光源の第４の実施形態の平面図である。 波長可変光源の第５の実施形態の平面図である。

符号の説明

10、70、110、140 波長可変光源
18、74、114 光学利得媒体
20、22、76、78、116、118 光学回折格子
24、26、80、82、120、122、158 音響光学偏向器
96、98、132、134 ミラー
160 再帰反射器

Claims (10)

1. 波長可変光源（１０）であって、
   少なくとも１つの縦モードの光発振をサポートする共振光経路と、
   前記共振光経路内に配置された光学利得媒体（１８）と、
   回折格子表面に対する入射角で前記光経路に沿って入射光を受光し、前記入射角とは異なる、前記回折格子表面に対する回折角で前記光経路に沿って光を回折するように構成された前記回折格子表面を有する光学回折格子（２０）と、
   前記光経路に沿って光を遮るように配置され、前記遮られた光を偏向し、縦モード周波数の第１のドップラーシフトを生じさせるように動作可能な第１の音響光学偏向器（２４）と、
   前記光経路に沿って光を遮るように配置され、前記遮られた光を偏向し、縦モード周波数の第２のドップラーシフトを生じさせるように動作可能な第２の音響光学偏向器（２６）とを含み、
   前記第１及び第２のドップラーシフトは、方向が反対である、波長可変光源（１０）。
2. 回折格子表面に対して第２の入射角で前記光経路に沿って入射光を受光し、前記第２の入射角とは異なる、前記回折格子表面に対する第２の回折角で前記光経路に沿って光を回折するように構成された前記回折格子表面を有する第２の光学回折格子（２２）を更に含む、請求項１に記載の波長可変光源。
3. 前記第１の回折格子（２０）及び前記第１の音響光学偏向器（２４）が、協働して第１の光周波数フィルタ関数を生成し、前記第２の回折格子（２２）及び前記第２の音響光学偏向器（２６）が、協働して前記第１の光周波数フィルタ関数に実質的に等しい第２の光周波数フィルタ関数を生成する、請求項２に記載の波長可変光源。
4. 前記第１の回折格子（２０）と前記第１の音響光学偏向器（２４）が、前記光経路の第１のセグメント内に配置され、前記第２の回折格子（２２）と前記第２の音響光学偏向器（２６）が、前記光経路の第２のセグメント内に配置されており、前記第１の光経路セグメントが、鏡面によって反射された前記第２の光経路の鏡像に実質的に対応する、請求項２に記載の波長可変光源。
5. 前記利得媒体（１８）、前記第１の回折格子（２０）、前記第１の音響光学偏向器（２４）、前記第２の音響光学偏向器（２６）、及び前記第２の回折格子（２２）が、第１のミラーから第２のミラーまで前記光経路に沿って順番に配列されている、請求項２に記載の波長可変光源。
6. 前記第１の音響光学偏向器（１０２、１２０）、前記第１の回折格子（７６、１１６）、前記利得媒体（７４、１１４）、前記第２の回折格子（７８、１１８）、及び前記第２の音響光学偏向器（８２、１２２）が、第１のミラー（９６、１３２）から第２のミラー（９８、１３４）まで前記光経路に沿って順番に配列されている、請求項２に記載の波長可変光源。
7. 前記光経路が、循環光経路であり、前記利得媒体（７４）、前記第１の回折格子（７６）、前記第１の音響光学偏向器（８０）、前記第２の音響光学偏向器（８２）、及び前記第２の回折格子（７８）が、前記循環光経路に沿って順番に配列されており、前記第１の音響光学偏向器（８０）と前記第２の音響光学偏向器（８２）との間の前記循環光経路内に配置された第１及び第２のミラー（９６、９８）を更に含む、請求項２に記載の波長可変光源。
8. 前記光学共振光経路が、第１のミラー（１６０）と第２のミラー（１３２）との間に画定されており、前記第１及び第２のミラーの少なくとも１つ（１６０）が、再帰反射器であり、前記第１の音響光学偏向器（１５８）、前記利得媒体（１１４）、前記回折格子（１１６）、及び前記第２の音響光学偏向器（１２０）が、前記第１のミラー（１６０）から前記第２のミラー（１３２）まで前記光経路に沿って順番に配列されている、請求項１に記載の波長可変光源。
9. 少なくとも１つの縦モードをサポートする共振光経路を有し、所定の周波数範囲にわたって出力波長プロファイルを有する出力光ビームをチューニングするための第１及び第２の音響光学装置（２４、２６）を含む光源（１０）を波長チューニングする方法であって、それぞれの音響光学装置（２４、２６）が、前記共振光経路によってサポートされている縦モード周波数の個々のドップラー周波数シフトを生じさせ、前記第１の音響光学装置（２４）によって生じるドップラー周波数シフトが、前記第２の音響光学装置（２６）によって生じるドップラー周波数シフトを実質的に相殺する、方法において、
   第１の時変周波数プロファイルを有する第１の信号でもって前記第１の音響光学装置（２４）を駆動するステップと、及び
   第２の時変周波数プロファイルを有する第２の信号でもって前記第２の音響光学装置（２６）を駆動するステップであって、前記第２の時変周波数プロファイルが、前記出力波長プロフィルの時間変化率に実質的に比例する量だけ、前記第１の時変周波数プロファイルと異なっている、ステップとを含み、
   前記出力光ビームが、縦モード間における観察可能なホッピングなしに、前記所定の周波数範囲にわたってチューニング可能である、方法。
10. 前記第１及び前記第２の時変周波数プロファイル（ｆ_１及びｆ_２）が、次式によって与えられ、
    ｆ_２＝Ａ＋Ｂλ＋（α／４）（ｄλ／ｄｔ）
    ｆ_１＝Ａ＋Ｂλ−（α／４）（ｄλ／ｄｔ）
    ここで、Ａ、Ｂ、及びαは、定数であり、ｄλ／ｄｔは、出力波長プロファイルλの変化の時間範囲である、請求項９に記載の方法。

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