JP2011091209A - 波長走査型レーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】単色光を発生してその発振波長を高速で走査することができる波長可変型レーザ光源を実現できること。
【解決手段】半導体レーザ１１、ＭＥＭＳミラー１３、回折格子１５を設け、ＭＥＭＳミラーを高速で偏向させて回折格子への入射角を変化させる。ＭＥＭＳミラー１３と回折格子１５との間隔を適宜設定することによって、外部共振器長の変化と、選択波長の変化とを同期させる。こうすれば高速でＭＥＭＳミラー１３を駆動し、狭線幅を保ちながら波長を高速に走査することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は単色光を発生してその発光波長を走査する波長走査型レーザ光源に関するものである。

光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）や光ファイバセンシングの分野では、検出対象を高速且つ感度よく検出する要求が高まっている。例えば、２次元の生体診断画像などを表示するＯＣＴなどのイメージングの用途では、イメージングの画像表示レートを上げるために、ｋＨｚオーダーの高速の波長走査が必要となる。さらにこのＯＣＴ以外にも高速に波長を掃引し、ガスや物質の分光特性やセンサの波長依存性を動的に解析することが必要とされる分野は数多い。エンジンの開発では、燃焼機関の燃焼プロセスをリアルタイムで計測することが必要である。又ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）センサシステムでは、振動や温度などの時間変動を計測できればより確実な構造の保安管理などに応用することができ、用途の拡大が期待される。

特許文献１には狭線幅で広帯域の波長掃引の可変を可能とするレーザ光源が提案されている。このレーザ光源は外部共振器長を多数の縦モード発振可能な長さに選択しておき、波長の掃引に応じて外部共振器長自体を変化させ、回折格子により選択される回折波長の波長変化と外部共振器長とを同期させることによって、外部共振器のモードのうちの１部の光をそのまま波長変化に応じて移動させるようにした狭線幅の波長走査レーザ光源である。

特開２００８−３０５９９７号公報

しかし特許文献１では発振波長の走査に同期して光を偏向し、外部共振器長を異ならせるために何らかの偏向手段が必要となる。偏向手段には例えばガルバノミラーやポリゴンミラーが用いられる。しかしミラーの傾き角を変化させて走査しているため、光を５０ＫＨｚ以上の高速で走査しようとすると、真空軸受けを用いたポリゴンミラー等の特殊な部品が必要となる。これらはサイズも大きく価格が高価なため、実質的に外部共振器長を変化させた高速の波長走査型レーザ光源の実用化を妨げていた。

本発明はこのような従来の問題点に着目してなされたものであって、ＭＥＭＳミラーを用いることによって高速で走査が可能な波長走査型レーザ光源を実現することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の波長走査型レーザ光源は、発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、前記ゲイン媒体を含む外部共振器の一端を構成する反射部と、前記ゲイン媒体からの光ビームを偏向するＭＥＭＳミラーと、前記ＭＥＭＳミラーに交流電圧及び交番電圧のいずれかを印加することによって光ビームを偏向させる駆動部と、前記ＭＥＭＳミラーからの光を同一行路でゲイン媒体の側に回折して戻す回折格子と、を具備し、前記外部共振器長は数１０ｃｍ以上、１０ｍ以下とし、前記ＭＥＭＳミラーは、支持基板と、前記支持基板上に設けられたスペーサと、前記スペーサを介して前記支持基板に固定された一対の第１の支持部と、前記一対の第１の支持部に対し夫々回動可能とするように、前記第１の支持部に第１の弾性連結部を介して連結され、可動側櫛歯状電極を有する一対の第１の質量部と、前記第１の質量部に対し回動可能とするように、前記第１の質量部に第２の弾性連結部を介して連結され、その表面をミラー面とする第２の質量部と、前記スペーサを介して前記支持基板に固定された第２の支持部と、前記スペーサを介さずに前記支持基板に固着されている固着部と、前記固着部に一体形成または接続され、第１の質量部の前記可動側櫛歯状電極に間隔を隔てて噛み合う少なくとも一対の固定側櫛歯状電極と、前記固着部を前記第２の支持部に直接的または間接的に接続する接続部とを具備し、前記固着部は、前記接続部を撓ませながら前記第２の支持部に対し前記支持基板側に変位した状態で前記支持基板に固着し、これにより、前記固定側櫛歯状電極を前記可動側櫛歯状電極に対し前記支持基板の板厚方向でずれるように初期変位させたものであり、駆動部は、前記ＭＥＭＳミラーの前記可動側櫛歯状電極と前記固定側櫛歯状電極との間に電圧を印加することによって、前記第１の質量部を回動させ、これに伴い前記第２の質量部を回動させるものであり、前記回折格子への入射角によって決まる外部共振器モードの波長変化と前記回折格子により選択される回折波長の波長変化とが同期し、外部共振器モードの少なくとも６０％が波長変化に応じてそのまま移動するようにしたものである。

ここで前記回折格子への光の入射角をθ、波長可変範囲の中心波長付近の入射角をθcとし、前記反射部と前記ＭＥＭＳミラーまでの光行路をＬ１、前記ＭＥＭＳミラーから前記回折格子までの垂線での距離をＨ、偏向部から回折格子までの光行路をＬ２（θ）とすると、外部共振器長Ｌは
Ｌ＝Ｌ１＋Ｈ／ｃｏｓ（θ）
で表され、前記ＨとＬ１の比Ｈ／Ｌ１は式（１２）
で与えられる値を中心として±３０％の範囲となるようにしてもよい。

この課題を解決するために、本発明の波長走査型レーザ光源は、発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、前記ゲイン媒体を含む光ファイバループと、前記光ファイバループの光の抽出するサーキュレータと、前記サーキュレータから得られた光ビームを外部からの信号によって偏向するＭＥＭＳミラーと、前記ＭＥＭＳミラーに交流電圧及び交番電圧のいずれかを印加することによって光ビームを偏向させる駆動部と、前記ＭＥＭＳミラーからの光を同一行路でゲイン媒体の側に回折して戻す回折格子と、を具備し、前記外部共振器長は数１０ｃｍ以上、１０ｍ以下とし、前記ＭＥＭＳミラーは、支持基板と、前記支持基板上に設けられたスペーサと、前記スペーサを介して前記支持基板に固定された一対の第１の支持部と、前記一対の第１の支持部に対し夫々回動可能とするように、前記第１の支持部に第１の弾性連結部を介して連結され、可動側櫛歯状電極を有する一対の第１の質量部と、前記第１の質量部に対し回動可能とするように、前記第１の質量部に第２の弾性連結部を介して連結され、その表面をミラー面とする第２の質量部と、前記スペーサを介して前記支持基板に固定された第２の支持部と、前記スペーサを介さずに前記支持基板に固着されている固着部と、前記固着部に一体形成または接続され、第１の質量部の前記可動側櫛歯状電極に間隔を隔てて噛み合う少なくとも一対の固定側櫛歯状電極と、前記固着部を前記第２の支持部に直接的または間接的に接続する接続部とを具備し、前記固着部は、前記接続部を撓ませながら前記第２の支持部に対し前記支持基板側に変位した状態で前記支持基板に固着し、これにより、前記固定側櫛歯状電極を前記可動側櫛歯状電極に対し前記支持基板の板厚方向でずれるように初期変位させたものであり、駆動部は、前記ＭＥＭＳミラーの前記可動側櫛歯状電極と前記固定側櫛歯状電極との間に電圧を印加することによって、前記第１の質量部を回動させ、これに伴い前記第２の質量部を回動させるものであり、前記回折格子への入射角によって決まる外部共振器モードの波長変化と前記回折格子により選択される回折波長の波長変化とが同期し、外部共振器モードの少なくとも６０％が波長変化に応じてそのまま移動するようにしたものである。

ここで前記回折格子への光の入射角をθ、波長可変範囲の中心波長付近の入射角をθcとし、前記サーキュレータから前記ＭＥＭＳミラーまでの光行路をＬ３、前記光ファイバループの光路長をＬ４，前記ＭＥＭＳミラーから前記回折格子までの垂線での距離をＨ、偏向部から回折格子までの光行路をＬ２（θ）とすると、外部共振器長Ｌは
Ｌ＝Ｌ３＋Ｌ４／２＋Ｈ／ｃｏｓ（θ）
で表され、前記ＨとＬ３＋Ｌ４／２との比は式（１３）で与えられる値を中心として±３０％の範囲となるようにしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、波長の掃引に応じて外部共振器長自体を変化させ、回折格子により選択される回折波長の波長変化と外部共振器長とを同期させることによって、狭線幅の波長掃引を可能とし、光を偏向させるためにＭＥＭＳミラーを用いることにより高速で走査が可能な波長走査型レーザ光源を実現することができる。又ＭＥＭＳミラーとして２自由度を有する振動系を用いているため、高速で且つ角度変化の大きい偏向光を得ることができ、広帯域での波長走査が可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態による波長走査型レーザ光源の全体構成を示す概略図である。 図２は本実施の形態による波長走査型レーザ光源の寸法を示す図である。 図３は本実施の形態の波長走査型レーザ光源のフィルタ特性及び外部共振器モードを示すグラフである。 図４はフィルタの中心波長に対するＨ／Ｌ１の関係を示すグラフである。 図５は本実施の形態に用いるＭＥＭＳミラーの平面図である。 図６は本実施の形態に用いるＭＥＭＳミラーの断面図である。 図７は本発明の第２の実施の形態による波長走査型レーザ光源を示す概略図である。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態による波長走査型レーザ光源の基本構成を示す図である。本図においてゲイン素子として半導体レーザ１１を用いる。この例では半導体レーザ１１の一端１１ａをミラー面として外部共振器を構成する第１の反射部とし、他方の面１１ｂにはＡＲコート（反射防止コート）を施す。そして半導体レーザ１１の面１１ｂからの出射光をコリメートレンズ１２を介してＭＥＭＳミラー１３に導く。ＭＥＭＳミラー１３は駆動部１４からの信号に応じて紙面に垂直な軸に沿って一定の角度範囲で光の偏向方向を変化させる光偏向部である。駆動部１４はサイン波又はのこぎり波状の交流電圧又は交番電圧を印加することにより、ＭＥＭＳミラー１３を振動させて光の偏向方向を変化させるものである。そしてこの偏向した光を受光する位置に回折格子１５を設ける。回折格子１５は一定の格子ピッチで連続的に三角波状の格子が形成された光学素子であり、この実施の形態では、リトロー配置によって入射方向が変わっても入射光は同じ光路を通って投射方向に戻るように構成されている。そしてこの入射角度によって選択波長が変化する。回折格子１５は外部共振器の第２の反射部と光バンドパスフィルタとの機能を備えたものである。

ここでリトロー配置について説明する。回折格子１５に対する光ビームの入射角をθ、反射角をδとすると、以下の式によって回折光が得られる。
ａ（sinθ＋sinδ）＝ｋλ ・・・（１）
ここでｋは次数であり、０，±１，±２・・・の値となる。ａは回折格子の格子ピッチ（μｍ）、即ち単位長さ当たりの格子線数（回折格子定数）Λ（本／ｍｍ）の逆数である。

さて回折格子にはリトロー配置とリットマン配置とがある。リトロー配置では−１次の回折光と入射光の角度が等しく、θ＝δとなる。

ここでＭＥＭＳミラー１３は、図２に示すように直線ＡとＢとの間で連続的に光を偏向させるものである。直線Ａに示す偏向状態を基準として偏向角φを定義する。又回折格子１５への入射光は直線Ａに示すようにＭＥＭＳミラー１３で光の偏向角φ＝０の状態での入射角をθ_H、ＭＥＭＳミラー１３の偏向角φ１の状態（直線Ｂ）での入射角θ_Lとすると、入射角θはθ_H〜θ_Lの間で変化する。この場合は回折格子１５で選択される反射光の波長λ_Gは、θを用いて次式で表せる。
λ_G（θ）＝２ａsinθ ・・・（２）

さてＭＥＭＳミラー１３における偏向によって回折格子１５の選択波長が変化する。図３（ａ）に示すように、この可変範囲の中央付近の回折格子１５の中心波長をλ_G0とする。このとき回折格子１５によるこのフィルタのピークとほぼ一致する外部共振器モードの次数をｎ₀、その次数で定まる外部共振器による波長をλ_Lとする。このとき図３（ｂ）に示すように外部共振器長Ｌでの波長と次数との関係は次式で示される。
λ_L＝２Ｌ／ｎ₀ ・・・（３）
尚ｎ₀は外部共振器モードの波長λでの次数である。そしてＭＥＭＳミラー１３の偏向によって、外部共振器長が図３（ｃ）に示すようにＬ’に変化し、同時に回折格子１５の選択波長が図３（ｄ）に示すように変化する。ここで同じ次数ｎ₀で決まる波長λ_L’は次式に示されるものとなる。
λ_L’＝２Ｌ’／ｎ₀ ・・・（４）

さて外部共振器長Ｌは図２に示すように、半導体レーザ１１の一方の端部１１ａからＭＥＭＳミラー１３までの距離Ｌ１と、ＭＥＭＳミラー１３から回折格子１５までの距離Ｌ２との和によって決定される。距離Ｌ２は入射角θの変数である。
Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２（θ） ・・・（５）
更に半導体レーザ１１からＭＥＭＳミラー１３までの光軸に沿ったライン上で、ＭＥＭＳミラー１３の反射点と回折格子１５の面までの距離をＨとすると、外部共振器長Ｌは次式で示される。
Ｌ＝Ｌ１＋Ｈ／cosθ ・・・（６）

ここで外部共振器長Ｌとして、回折格子１５によるバンドパスフィルタの半値全幅中に数十〜数百の外部共振器モードが含まれるような長さを選択する。このような条件を満たす外部共振器長は、およそ１０ｃｍ以上であり、好ましくは２０ｃｍ以上、更に好ましくは５０ｃｍ以上である。又この外部共振器長の上限は１０ｍ以下であり、好ましくは５ｍ以下、更に好ましくは３ｍ以下である。そして本実施の形態においては、光の偏向によって回折格子１５に対する光の入射角θの変化に同期させて、外部共振器長自体を変化させ、数十〜数百の外部共振器モード群がフィルタ幅の微小な半値全幅の中で、例えば６０％以上の割合でそのまま移動させる。このように外部共振器モード群を同期させることによって、共振増幅が助長され、狭線幅を保ちながら高速で波長を走査することができる。ここでゲイン素子である半導体レーザ１１の端面からＭＥＭＳミラー１３の偏向点までの距離Ｌ１とＭＥＭＳミラー１３から回折格子１５の面までの距離Ｈの比Ｈ：Ｌ１は、例えば１：１とすることにより、１２７０〜１３６０ｎｍの波長の範囲内で波長変動量分に占めるモード数の変化は２０％程度以下となる。

次にこのような同期変化をさせるための条件について説明する。波長変化範囲の両端である短波長をλ_H、長波長をλ_Lとすると、式（３）より次式が成り立つ。
λ_H＝２ａsinθ_H
λ_L＝２ａsinθ_L ・・・（７）
ここで長波と短波とで縦モードの次数ｎ_L，ｎ_Hが同じになるとすると、以下の式（８）が得られる。
ｎ_L＝ｎ_H＝２Ｌ（θ_L）／λ_L＝２Ｌ（θ_H）／λ_H ・・・（８）
更にこの式（８）を式（３）〜（６）を用いてＨについて解き、式（７）を代入すると、次式（９）が得られる。

一方、波長範囲の中心の波長をλc、角度をθcとし、夫々の傾きをｄλＧ／ｄθ，ｄλＬ／ｄθとすると、式（２），（３），（６）よりそれぞれ
ｄλＧ／ｄθ＝２ａcosθc
ｄλＬ／ｄθ＝λcＨtanθc／（Ｌ１cosθc＋Ｈ）・・・（１０）
と表される。ここでλc＝２ａsinθcである。これらの二つの式を等しいとすると、次式（１１）が得られる。

更に中心波長λに対して１００ｎｍの可変幅（±５０ｎｍ）をとったとき、その中心の上下の短波長λ_H及び長波長λ_Lの間でモード次数が一致する解、あるいは中心波長での波長と位相の傾きが一致する解が得られるＨ／Ｌ１の値と回折格子１５の格子定数Λとの関係を図４に示す。このグラフでは、回折格子定数Λが１１００本／ｍｍから１４００本／ｍｍの４つの回折格子について夫々曲線Ａ〜Ｄで表している。そしてこのように回折格子定数Λによって最適な解が存在する領域が制限される。例えば１３００ｎｍが中心波長であれば、１２００本／ｍｍ以上の回折格子定数を持つ回折格子を選択する必要がある。又中心波長が１０６０ｎｍであれば、１４００本／ｍｍ以上の回折格子定数を持つ回折格子が必要となる。そしてここで選択されたＨ／Ｌ１の比を前述した外部共振器長で適宜分割したものが実際のＬ１，Ｈの値となる。図４に示すグラフで得られる最適値の±３０％、好ましくは±２０％の範囲が、６０％程度以上の割合で外部共振器モード群を同期させる条件となる。

尚前述した図４のグラフでは波長可変幅を１００ｎｍとしているが、この可変幅は任意、例えば１０ｎｍであってもよく、使用対象によって適宜選択することができる。

次に本実施の形態に用いるＭＥＭＳミラーについて説明する。図５は、本発明の第１の実施の形態に用いるＭＥＭＳミラーを示す平面図、図６は、図５のＡ−Ａ線断面図である。このＭＥＭＳミラー１３は、２自由度振動系のＭＥＭＳミラーであり、第１の振動系と、この第１の振動系の振動に伴って振動する第２の振動系を有するものである。

図６に示すようにＭＥＭＳミラー１３は、支持基板２１にスペーサ２２を介して２自由度振動系を有する構造体２３が支持されている。構造体２３は、例えば１つのシリコン層に対しパターンニングを施すことにより、得られるものである。構造体２３は図５に示すように左右両側に第１の支持部３２，３３が設けられ、その両側に隣接して第１の質量部３１Ａ，３１Ｂが設けられる。第１の質量部３１Ａ，３１Ｂの間には第２の質量部３６が設けられる。第１の弾性連結部３４Ａは第１の支持部３２と第１の質量部３１Ａとを連結するものである。第１の弾性連結部３５Ａは第１の支持部３３と第１の質量部３１Ｂとを連結するものである。第１の弾性連結部３４Ａ，３５Ａは第１の質量部３１Ａ，３１Ｂを第１の支持部３２，３３に対して回動可能となるように保持している。

第２の弾性連結部３４Ｂは第２の質量部３６と第１の質量部３１Ａとを連結するものである。第２の弾性連結部３５Ｂは第２の質量部３６と第１の質量部３１Ｂとを連結するものである。第２の弾性連結部３４Ｂ，３５Ｂは第２の質量部３６を第１の質量部３１Ａ，３１Ｂに対して回動可能となるように保持している。また構造体２３Ｂの両側には第２の支持部４１，４２と、固着部４３Ｂ，４３Ｃ，４４Ｂ，４４Ｃと、接続部４５Ｂ，４５Ｃ，４６Ｂ，４６Ｃとを有している。接続部４５Ｂ，４５Ｃ，４６Ｂ，４６Ｃは固着部４３Ｂ，４３Ｃ，４４Ｂ，４４Ｃを第２の支持部４１，４２に接続するものである。

このように構造体２３のほぼ中央には、第２の質量部３６が位置するとともに、この第２の質量部３６を介し、その一端側（右側）に第１の質量部３１Ａが設けられ、他端側（左側）に第１の質量部３１Ｂが設けられている。第１の質量部３１Ａ，３１Ｂおよび第２の質量部３６は、いずれも、ほぼ平板状をなしている。本実施の形態では、第１の質量部３１Ａ，３１Ｂは、互いにほぼ同一形状かつほぼ同一寸法で、第２の質量部３６に対してほぼ対称に設けられている。また、第１の弾性連結部３４Ａ，３５Ａと、第２の弾性連結部３４Ｂ，３５Ｂとは同軸的に設けられており、これらが回動中心軸（回転軸）となる。このように、構造体２３は、第１の質量部３１Ａ，３１Ｂとその外側の第１の弾性連結部３４Ａ，３５Ａとで構成された第１の振動系と、第２の質量部３６とその外側の第２の弾性連結部３４Ｂ，３５Ｂとで構成された第２の振動系とを有する。すなわち、構造体２３は、第１の振動系および第２の振動系からなる２自由度振動系を有する。第２の質量部３６の上面には、光反射部３６１が設けられている。

弾性連結部３４Ａ，３４Ｂ，３５Ａ，３５Ｂのばね定数ｋ１は、それぞれ、１×１０^-4〜１×１０⁴Ｎｍ/ｒａｄであるのが好ましく、１×１０^-2〜１×１０³Ｎｍ/ｒａｄであるのがより好ましく、１×１０^-1〜１×１０²Ｎｍ/ｒａｄであるのがさらに好ましい。

支持基板２１は、例えば、各種ガラスやシリコン等を主材料として構成されている。
支持基板２１には、図６に示すように、第１，第２の質量部３１Ａ，３１Ｂ，３６の回動を許容するように、開口部２４が形成されている。この開口部２４は、第１，第２の質量部３１Ａ，３１Ｂ，３６が回動（振動）する際に、支持基板２１に接触するのを防止する逃げ部を構成する。この開口部２４を設けることにより、ＭＥＭＳミラー１３全体の大型化を防止しつつ、質量部３１Ａ，３１Ｂ，３６の振れ角（振幅）をより大きく設定することができる。なお、質量部３１Ａ，３１Ｂ，３６の回動を許容できれば、支持基板２１に、開口部２４に代えて凹部を形成し、これを逃げ部としてもよい。

スペーサ２２は、支持基板２１上に設けられ、前述した第２の支持部４１，４２を支持するための第１の部分５１，５２と、前述した第１の支持部３２，３３を支持するための第２の部分（図示せず）とを有している。すなわち、第１の支持部３２，３３は、スペーサ２２の第２の部分（図示せず）を介して支持基板２１に固定され、第２の支持部４１，４２は、スペーサ２２の第１の部分５１，５２を介して支持基板２１に固定されている。

第１の質量部３１Ａには、前記回動中心軸を介して第１の質量部３１Ａの両側に１対の可動側櫛歯状電極３１１Ａ，３１２Ａが設けられている。これと同様に、回動中心軸を介して第１の質量部３１Ｂの両側に１対の可動側櫛歯状電極３１１Ｂ，３１２Ｂが設けられている。

固着部４３Ｂ，４４Ｂには、可動側櫛歯状電極３１１Ａ，３１２Ａに間隔を隔てて噛み合う固定側櫛歯状電極４３１Ｂ，４４１Ｂが一体成形されている。これと同様に、固着部４３Ｃ，４４Ｃには、可動側櫛歯状電極３１１Ｂ，３１２Ｂに間隔を隔てて噛み合う固定側櫛歯状電極４３１Ｃ，４４１Ｃが一体成形されている。

すなわち、可動側櫛歯状電極３１１Ａ，３１２Ａに対応して、１対の固定側櫛歯状電極４３１Ｂ，４４１Ｂが設けられ、可動側櫛歯状電極３１１Ｂ，３１２Ｂに対応して、１対の固定側櫛歯状電極４３１Ｃ，４４１Ｃが設けられている。また、固着部４３Ｂ，４３Ｃ，４４Ｂ，４４Ｃは、それぞれ、板状をなしており、スペーサ２２を介さずに直接的に支持基板２１に固着している。これにより、固定側櫛歯状電極４３１Ｂ，４３１Ｃ，４４１Ｂ，４４１Ｃは、それぞれ、前述した固定側櫛歯状電極４３１，４４１と同様に、スペーサ２２の厚さ分だけ支持基板２１側へずれるように、初期変位している。

また、固着部４３Ｂ，４３Ｃ，４４Ｂ，４４Ｃは、その板厚方向に貫通する複数の開口部４３２Ｂ，４３２Ｃ，４４２Ｂ，４４２Ｃを有している。これにより、ＭＥＭＳミラー１の製造に際し、固着部４３Ｂ，４３Ｃ，４４Ｂ，４４Ｃを支持基板２１に簡単に固着させることができる。なお、固着部４３Ｂ，４３Ｃ，４４Ｂ、４４Ｃに形成する開口部は、初期変位を生じさせつつ、前述した効果を得ることができるものであれば、前述したものに限定されず、例えば、開口部の形状、位置、数は任意である。

このような固着部４３Ｂ，４３Ｃは、接続部４５Ｂ，４５Ｃを介して、第２の支持部４１に、固着部４４Ｂ，４４Ｃは、接続部４６Ｂ，４６Ｃを介して、第２の支持部４２に接続されている。すなわち、接続部４５Ｂ，４５Ｃは、固着部４３Ｂ，４３Ｃを第２の支持部４１に直接的に接続し、接続部４６Ｂ，４６Ｃは、固着部４４Ｂ，４４Ｃを第２の支持部４２に直接的に接続している。

第２の支持部４１，４２は、スペーサ２２を介して支持基板２１に固定されている。したがって、前述した固着部４３Ｂ，４３Ｃは、接続部４５Ｂ，４５Ｃを撓ませながら第２の支持部４１に対し支持基板２１側に変位した状態で支持基板２１に固着している。また、固着部４４Ｂ，４４Ｃは、接続部４６Ｂ，４６Ｃを撓ませながら第２の支持部４２に対し支持基板２１側に変位した状態で支持基板２１に固着している。これにより、前述したように、固定側櫛歯状電極４３１Ｂ，４３１Ｃ，４４１Ｂ，４４１Ｃを可動側櫛歯状電極３１１Ａ，３１１Ｂ，３１２Ａ，３１２Ｂに対し支持基板２１の板厚方向でずれるように初期変位を生じさせている。

次に、本実施形態のＭＥＭＳミラー１３の動作を説明する。駆動部１４より可動側櫛歯状電極３１１Ａと固定側櫛歯状電極４３１Ｂとの間と、可動側櫛歯状電極３１２Ａと固定側櫛歯状電極４４１Ｂとの間とに交互に電圧、例えば位相を１８０°ずらした交流電圧又は交番電圧を印加する。またこれと同期して、駆動部１４より可動側櫛歯状電極３１１Ｂと固定側櫛歯状電極４３１Ｃとの間と、可動側櫛歯状電極３１２Ｂと固定側櫛歯状電極４４１Ｃとの間とに交互に電圧、例えば位相を１８０°ずらした交流電圧又は交番電圧を印加する。すると、可動側櫛歯状電極３１１Ａと固定側櫛歯状電極４３１Ｂとの間と、可動側櫛歯状電極３１２Ａと固定側櫛歯状電極４４１Ｂとの間とに交互に静電気力（クーロン力）が生じる。また、これと同期して、可動側櫛歯状電極３１１Ｂと固定側櫛歯状電極４３１Ｃとの間と、可動側櫛歯状電極３１２Ｂと固定側櫛歯状電極４４１Ｃとの間とに交互に静電気力（クーロン力）が生じる。

この静電気力により、第１の質量部３１Ａ，３１Ｂが、第１の弾性連結部３４Ａ，３５Ａを回動中心軸として、支持基板２１の板面（図５における紙面に平行な面）に対して傾斜するように振動（回動）する。これに伴い第２の質量部３６が第２の弾性連結部３４Ｂ，３５Ｂを回動中心軸として支持基板２１の板面（図５における紙面に平行な面）に対して傾斜するように振動（回動）する。これによりミラーを回動させることができる。

このようなＭＥＭＳミラー１３にあっては、固定側櫛歯状電極４３１が可動側櫛歯状電極３１１に対し、固定側櫛歯状電極４４１が可動側櫛歯状電極３１２に対し支持基板２１の板厚方向でずれるように初期変位しているので、ＭＥＭＳミラー１３の駆動を円滑に開始することができる。また、後述するように、ＭＥＭＳミラー１３の製造に際し、固定側櫛歯状電極４３１、４４１および可動側櫛歯状電極３１１、３１２を同一のマスクを用いて同一層に対し一括してパターンニングすることができるので、固定側櫛歯状電極４３１と可動側櫛歯状電極３１１との間と、固定側櫛歯状電極４４１と可動側櫛歯状電極３１２との間のギャップの高精度化を図るとともに、ＭＥＭＳミラー１３の製造工程の簡略化を図ることができる。そのため、当該ギャップを小さくして、ＭＥＭＳミラー１３の低駆動電圧化を図ることができる。また、固定側櫛歯状電極４３１、４４１および可動側櫛歯状電極３１１、３１２のパターンニングを行った後に、固着部４３、４４を支持基板２１に固着させるだけで、前述したような初期変位を生じさせることができるので、この点でも、ＭＥＭＳミラー１の製造工程の簡略化を図ることができる。これに加えて、第１の質量部３１Ａ、３１Ｂの振幅を抑えつつ、第２の質量部３６の振幅を大きくすることができる。すなわち、より低電圧駆動化を図りつつ、第２の質量部３６の振幅を大きくすることができる。

このようにＭＥＭＳミラーによれば高速でミラー部を振動させることができる。ここでＭＥＭＳミラーには外部より振動等が加わらなければ、ミラー部３６１で反射された光は正確に図１に示す回折格子１５に加えられることとなり、光のぶれがなく高速での掃引が可能となる。従って図３に示すようにある外部共振器モードの波長を外部共振器長と同時に変化させることによって、例えば１００ＫＨｚの高速でほぼ単一波長で広帯域で走査することができるレーザ光源が得られる。

ここで説明したＭＥＭＳミラーの構造は一例であって、２つの振動系を有するＭＥＭＳミラーであればよい。例えば本実施の形態においては、２対の固定側櫛歯状電極４３１Ｂ，４４１Ｂと４３１Ｃ，４４１Ｃとはいずれも支持基板側にずれるように初期変位するようにしているが、一方の一対の固定側櫛歯状電極は支持基板２１側に、他方の一対の固定側櫛歯状電極は支持基板２１と反対側にずれるように初期変位するものであってもよい。

（第２の実施の形態）
前述した図１，図２では、半導体レーザの反射面と回折格子とによって外部共振器を構成しているが、光ファイバループを用いて外部共振器を構成するようにしてもよい。図７は第２の実施の形態による外部共振器型の波長走査型レーザ光源を示す概略図である。本図に示すように、光ファイバループ６１には半導体増幅器６２と光サーキュレータ６３及び光カップラ６４が設けられている。光サーキュレータ６３は光ファイバループの一端に入射する光をコリメートレンズ６７を介して波長可変フィルタ６５に与え、選択された光を光ファイバループに戻すものである。波長可変フィルタ６５は図１のものと同様に、ＭＥＭＳミラー１３、駆動部１４及び回折格子１５を含んで構成されている。これらの構成については前述した第１の実施の形態と同様である。この実施の形態ではＭＥＭＳミラー１３の反射点から光サーキュレータ６３までの光学長をＬ３と光ファイバループの全長をＬ４とすると、Ｌ３＋Ｌ４／２が前述したＬ１に相当する。即ち、外部共振器長Ｌは次式で示されることとなる。
Ｌ＝Ｌ４／２＋Ｌ３＋Ｈ／ｃｏｓθ
従って式（９），（１１）のＬ１を（Ｌ３＋Ｌ４／２）で置き換えた式（１２），（１３）により、必要な値が得られる。

この場合には外部共振器長を容易に大きくすることが可能となる。

本発明は、光を偏向させるためにＭＥＭＳミラーを用いることにより高速で走査が可能な波長走査型レーザ光源を実現することができ、ＯＣＴや種々の光センサの光源として有用である

１１ 半導体レーザ
１１ａ ミラー面
１１ｂ ＡＲコート
１２ コリメートレンズ
１３ ＭＥＭＳミラー
１４ 駆動部
１５ 回折格子
６１ 光ファイバループ
６２ 半導体増幅器
６３ 光サーキュレータ
６４ 光カップラ
６５ 波長可変フィルタ

Claims (4)

1. 発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、
   前記ゲイン媒体を含む外部共振器の一端を構成する反射部と、
   前記ゲイン媒体からの光ビームを偏向するＭＥＭＳミラーと、
   前記ＭＥＭＳミラーに交流電圧及び交番電圧のいずれかを印加することによって光ビームを偏向させる駆動部と、
   前記ＭＥＭＳミラーからの光を同一行路でゲイン媒体の側に回折して戻す回折格子と、を具備し、
   前記外部共振器長は数１０ｃｍ以上、１０ｍ以下とし、
   前記ＭＥＭＳミラーは、
   支持基板と、
   前記支持基板上に設けられたスペーサと、
   前記スペーサを介して前記支持基板に固定された一対の第１の支持部と、
   前記一対の第１の支持部に対し夫々回動可能とするように、前記第１の支持部に第１の弾性連結部を介して連結され、可動側櫛歯状電極を有する一対の第１の質量部と、
   前記第１の質量部に対し回動可能とするように、前記第１の質量部に第２の弾性連結部を介して連結され、その表面をミラー面とする第２の質量部と、
   前記スペーサを介して前記支持基板に固定された第２の支持部と、
   前記スペーサを介さずに前記支持基板に固着されている固着部と、
   前記固着部に一体形成または接続され、第１の質量部の前記可動側櫛歯状電極に間隔を隔てて噛み合う少なくとも一対の固定側櫛歯状電極と、
   前記固着部を前記第２の支持部に直接的または間接的に接続する接続部とを具備し、
   前記固着部は、前記接続部を撓ませながら前記第２の支持部に対し前記支持基板側に変位した状態で前記支持基板に固着し、これにより、前記固定側櫛歯状電極を前記可動側櫛歯状電極に対し前記支持基板の板厚方向でずれるように初期変位させたものであり、
   駆動部は、前記ＭＥＭＳミラーの前記可動側櫛歯状電極と前記固定側櫛歯状電極との間に電圧を印加することによって、前記第１の質量部を回動させ、これに伴い前記第２の質量部を回動させるものであり、
   前記回折格子への入射角によって決まる外部共振器モードの波長変化と前記回折格子により選択される回折波長の波長変化とが同期し、外部共振器モードの少なくとも６０％が波長変化に応じてそのまま移動するようにした波長走査型レーザ光源。
2. 前記回折格子への光の入射角をθ、波長可変範囲の中心波長付近の入射角をθcとし、前記反射部と前記ＭＥＭＳミラーまでの光行路をＬ１、前記ＭＥＭＳミラーから前記回折格子までの垂線での距離をＨ、偏向部から回折格子までの光行路をＬ２（θ）とすると、外部共振器長Ｌは
   Ｌ＝Ｌ１＋Ｈ／ｃｏｓ（θ）
   で表され、前記ＨとＬ１の比Ｈ／Ｌ１は次式
   

   

   で与えられる値を中心として±３０％の範囲となるようにした請求項１記載の波長走査型レーザ光源。
3. 発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、
   前記ゲイン媒体を含む光ファイバループと、
   前記光ファイバループの光の抽出するサーキュレータと、
   前記サーキュレータから得られた光ビームを外部からの信号によって偏向するＭＥＭＳミラーと、
   前記ＭＥＭＳミラーに交流電圧及び交番電圧のいずれかを印加することによって光ビームを偏向させる駆動部と、
   前記ＭＥＭＳミラーからの光を同一行路でゲイン媒体の側に回折して戻す回折格子と、を具備し、
   前記外部共振器長は数１０ｃｍ以上、１０ｍ以下とし、
   前記ＭＥＭＳミラーは、
   支持基板と、
   前記支持基板上に設けられたスペーサと、
   前記スペーサを介して前記支持基板に固定された一対の第１の支持部と、
   前記一対の第１の支持部に対し夫々回動可能とするように、前記第１の支持部に第１の弾性連結部を介して連結され、可動側櫛歯状電極を有する一対の第１の質量部と、
   前記第１の質量部に対し回動可能とするように、前記第１の質量部に第２の弾性連結部を介して連結され、その表面をミラー面とする第２の質量部と、
   前記スペーサを介して前記支持基板に固定された第２の支持部と、
   前記スペーサを介さずに前記支持基板に固着されている固着部と、
   前記固着部に一体形成または接続され、第１の質量部の前記可動側櫛歯状電極に間隔を隔てて噛み合う少なくとも一対の固定側櫛歯状電極と、
   前記固着部を前記第２の支持部に直接的または間接的に接続する接続部とを具備し、
   前記固着部は、前記接続部を撓ませながら前記第２の支持部に対し前記支持基板側に変位した状態で前記支持基板に固着し、これにより、前記固定側櫛歯状電極を前記可動側櫛歯状電極に対し前記支持基板の板厚方向でずれるように初期変位させたものであり、
   駆動部は、前記ＭＥＭＳミラーの前記可動側櫛歯状電極と前記固定側櫛歯状電極との間に電圧を印加することによって、前記第１の質量部を回動させ、これに伴い前記第２の質量部を回動させるものであり、
   前記回折格子への入射角によって決まる外部共振器モードの波長変化と前記回折格子により選択される回折波長の波長変化とが同期し、外部共振器モードの少なくとも６０％が波長変化に応じてそのまま移動するようにした波長走査型レーザ光源。
4. 前記回折格子への光の入射角をθ、波長可変範囲の中心波長付近の入射角をθcとし、前記サーキュレータから前記ＭＥＭＳミラーまでの光行路をＬ３、前記光ファイバループの光路長をＬ４，前記ＭＥＭＳミラーから前記回折格子までの垂線での距離をＨ、偏向部から回折格子までの光行路をＬ２（θ）とすると、外部共振器長Ｌは
   Ｌ＝Ｌ３＋Ｌ４／２＋Ｈ／ｃｏｓ（θ）
   で表され、前記ＨとＬ３＋Ｌ４／２との比は次式
   

   

   で与えられる値を中心として±３０％の範囲となるようにした請求項３記載の波長走査型レーザ光源。

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