JP2013120873A - 波長可変レーザ光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成の波長可変レーザ光源装置を提供すること。
【解決手段】波長可変レーザ光源装置は、第１端面に反射防止膜が形成されるレーザ光源と、前記レーザ光源の前記第１端面から出射されるレーザが入射され、印加される電圧に応じて前記レーザを偏向して出力する光偏向素子と、前記光偏向素子から出力されるレーザが入射され、当該レーザの入射角に応じて当該レーザのうちの特定の波長のレーザを共鳴反射する共鳴フィルタと、前記共鳴フィルタで共鳴反射された前記特定の波長のレーザを前記共鳴フィルタに反射する反射ミラーとを含み、前記特定の波長のレーザは、前記レーザ光源の前記第１端面とは反対側の前記第２端面と、前記反射ミラーとの間で共振する。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長可変レーザ光源装置に関する。

半導体レーザの片端面と回折格子との間で外部共振器を構成し、半導体レーザと回折格子との間に配設される分波器で分岐した各光量の比に基づいて、外部共振器の共振器長と、回折格子で選択する波長とを制御装置で制御する波長可変レーザ光源装置があった。

この波長可変レーザ光源装置において、制御装置は、回折格子の角度と、レーザの光路方向における位置（並進）とを調節することにより、回折格子で反射される波長を選択するとともに、外部共振器の共振器長を調節している（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、従来の波長可変レーザ光源装置は、モードホップを回避するために、回折格子の角度と光路方向における位置を調節する機構が必要である。このような機構は複雑な構成を有するため、高速での波長の変更は困難であり、回折格子の角度調整に高度な正確性が必要になる。

このように、従来の波長可変レーザ光源装置には、構成が複雑であるという課題がある。

そこで、本発明は、簡易な構成の波長可変レーザ光源装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の一観点の波長可変レーザ光源装置は、第１端面に反射防止膜が形成されるレーザ光源と、前記レーザ光源の前記第１端面から出射されるレーザが入射され、印加される電圧に応じて前記レーザを偏向して出力する光偏向素子と、前記光偏向素子から出力されるレーザが入射され、当該レーザの入射角に応じて当該レーザのうちの特定の波長のレーザを共鳴反射する共鳴フィルタと、前記共鳴フィルタで共鳴反射された前記特定の波長のレーザを前記共鳴フィルタに反射する反射ミラーとを含み、前記特定の波長のレーザは、前記レーザ光源の前記第１端面とは反対側の前記第２端面と、前記反射ミラーとの間で共振する。

簡易な構成の波長可変レーザ光源装置を提供できる。

実施の形態１の波長可変レーザ光源装置を示す図である。 実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の光偏向素子１４を示す図である。 実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の光偏向素子１４を示す図である。 実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の反射素子１６として用いる共鳴フィルタを示す図である。 実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の反射素子１６としての共鳴フィルタにおける反射光の波長と反射率の関係を示す図である。 実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の反射素子１６として用いる共鳴フィルタにおいて、入射角度と共鳴反射したレーザの波長及び反射率との関係を示すシミュレーション結果である。 実施の形態１の変形例の反射素子１６Ａを示す図である。 実施の形態１の変形例の反射素子１６Ｂを示す図である。 実施の形態１の変形例の反射素子１６Ｃ、１６Ｄを示す図である。 実施の形態２の波長可変レーザ光源装置を示す図である。

以下、本発明の波長可変レーザ光源装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置を示す図である。

実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００は、レーザ光源１１、コリメートレンズ１２、集光レンズ１３、光偏向素子１４、集光レンズ１５、反射素子１６、反射ミラー１７、信号発生部１８、及びコリメートレンズ１９を含む。

レーザ光源１１は、半導体レーザであればよく、使用する周波数帯に応じて半導体レーザの種類を適宜選択すればよい。

レーザ光源１１の一方の端面１１Ａには、無反射膜（ＡＲ(Anti-Reflection)膜）が形成される。レーザ光源１１の端面１１Ａは、第１端面の一例であり、無反射膜は、反射防止膜の一例である。なお、無反射膜は、反射率を低下させるための無反射コーティングを施すことによって実現すればよく、例えば、屈折率の異なる多層膜を形成すればよい。

レーザ光源１１の他方の端面１１Ｂには、無反射膜は形成されず、所定の高い反射率（例えば、５０％〜９０％程度）を有するように構成される。レーザ光源１１の端面１１Ｂは、第２端面の一例である。なお、端面１１Ｂには、反射率を調整するために必要に応じて反射膜をコーティングすればよい。

実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００は、レーザ光源１１の端面１１Ｂと、反射ミラー１７との間でレーザを共振させる外部共振器を有する。外部共振器の一端は端面１１Ｂであり、他端は反射ミラー１７である。

レーザ光源１１の端面１１Ｂは、波長可変レーザ光源装置１００の外部共振器の一端になるとともに、レーザの出射面になるため、端面１１Ｂの反射率は、外部共振器でのレーザの出力の増幅度合等に応じて設定すればよい。

コリメートレンズ１２は、レーザ光源１１から出射されたレーザを平行光にするレンズである。

集光レンズ１３は、コリメートレンズ１２によって平行光にされたレーザを光偏向素子１４に入射させる前に集光して適切なビーム径にするレンズである。

光偏向素子１４は、集光レンズ１３で集光されたレーザが入射され、信号発生部１８によって印加される電圧に応じてレーザを偏向して出力する素子である。光偏向素子１４によってレーザが偏向される角度は、信号発生部１８から光偏向素子１４に入力される信号（電圧）によって調整される。

光偏向素子１４は、一端１４Ａと他端１４Ｂとの間に、電気光学効果を有する強誘電体材料で形成される光導波路１４Ｃを有し、光導波路１４Ｃ内に、強誘電体材料の一部が分極反転されたパターン部（分極反転パターン部）を備える。光偏向素子１４に入射したレーザは、光導波路１４Ｃを通過する。

光偏向素子１４の光導波路１４Ｃは、強誘電体材料の電気光学効果により、信号発生部１８から印加される電圧によって屈折率を変化させる。図１には、強誘電体の分極反転パターン部としてプリズム形状の例を示す。このような分極反転パターン部に信号発生部１８から入力される電圧を印加することにより、光導波路１４Ｃを通過するレーザを偏向する。光偏向素子１４は、信号発生部１８によって生成される電圧信号が入力されることにより、光偏向作用を示す。なお、光偏向素子１４の詳細については、図２及び図３を用いて後述する。

集光レンズ１５は、光偏向素子１４で偏向されたレーザを適切なビーム径に集光して反射素子１６に入射させる。

反射素子１６は、光偏向素子１４で偏向され、集光レンズ１５で集光されたレーザのうち、特定の波長のレーザを共鳴反射する共鳴フィルタである。反射素子１６の詳細については後述する。

反射ミラー１７は、反射素子１６で反射されたレーザが垂直に入射する反射面１７Ａを有する。反射面１７Ａには全反射コーティングが施される。全反射コーティングは、例えば、アルミの薄膜を形成するか、又は、屈折率の異なる多層膜を形成することによって行えばよい。

ここで、図１に示すようにＸＹＺ座標系を定義すると、反射面１７Ａは、ＸＺ平面に平行な断面形状は凹型の曲線であるが、Ｙ軸を含む平面に平行な断面形状は直線になるように構成されている。また、光偏向素子１４での偏向度合によって反射素子１６で反射される点は異なるが、反射面１７Ａは、反射素子１６のいずれの点で反射されたレーザであっても、反射面１７Ａに垂直に入射する形状を有する。

また、反射ミラー１７は、反射素子１６のいずれの点で反射されたレーザであっても、光偏向素子１４の他端１４Ｂと、反射面１７Ａとの間の光路が、波長の整数倍になるように構成されている。

このため、光偏向素子１４で偏向され、集光レンズ１５で集光されたレーザのうち、特定の波長のレーザは、反射素子１６で共鳴反射され、反射ミラー１７の反射面１７Ａに垂直に入射する。

反射ミラー１７で反射されたレーザは、入射時と同一の光路を辿り、集光レンズ１５から出射した後に反射素子１６で共鳴反射された点と同一点で再び共鳴反射される。反射素子１６で再び共鳴反射されたレーザは、集光レンズ１５から出射されたときの光路と同一の光路を辿り、集光レンズ１５を経て光偏向素子１４に入射する。

ここで、信号発生部１８によって生成される電圧信号の違いにより、光偏向素子１４から互いに異なる３つの方向のレーザ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃが出射される場合について説明する。レーザ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、実際には光偏向素子１４から同一のタイミングで出射されることはないが、ここでは説明の便宜上、レーザ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃのすべてを図１に示す。

レーザ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、それぞれ、図１に示すように、光偏向素子１４の他端１４Ｂから出射されてから、集光レンズ１５及び反射素子１６を経て反射ミラー１７で反射され、再び反射素子１６及び集光レンズ１５を経て光偏向素子１４の他端１４Ｂに戻るまで、同一の光路を辿る。

このとき、レーザ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、反射ミラー１７の反射面１７Ａにすべて垂直に入射し（入射角は９０度であり）、光偏向素子１４の他端１４Ｂから反射ミラー１７で反射されて再び光偏向素子１４の他端１４Ｂに戻るまでの光路は、それぞれ、レーザ３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの波長の整数倍である。

信号発生部１８は、光偏向素子１４の光導波路１４Ｃの屈折率を変化させるために、光偏向素子１４に電圧を印加する。信号発生部１８から電圧が印加されることにより、光偏向素子１４は、光導波路１４Ｃの屈折率を変化させ、光偏向作用を示す。

コリメートレンズ１９は、レーザ光源１１の端面１１Ｂから出射したレーザを平行光にして出力する。コリメートレンズ１９から出力されるレーザは、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の出力であり、外部装置に案内される。

以上のような実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００において、コリメートレンズ１２、集光レンズ１３、集光レンズ１５、及びコリメートレンズ１９は、光学素子を構成する。

次に、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の光偏向素子１４について説明する。

図２及び図３は、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の光偏向素子１４を示す図である。図２は光偏向素子１４の断面を示し、図３は平面視における光偏向素子１４を示す。図２に示す断面は、図３におけるＡ−Ａ矢視断面であり、光偏向素子１４の長手方向における中心軸における断面を示す。光偏向素子１４の長手方向における中心軸は、図３の破線上にある。

光偏向素子１４は、基板４１、接着層４２、下部電極層４３、下部クラッド層４４、コア層４５、上部クラッド層４６、上部電極層４７、及び分極反転領域４８を有する。

基板４１の上には、接着層４２により、下部電極層４３、下部クラッド層４４、コア層４５、上部クラッド層４６、及び上部電極層４７の積層体が接着されている。分極反転領域４８は、コア層４５の中央部に形成されている。下部クラッド層４４、コア層４５、上部クラッド層４６、及び分極反転領域４８は、光導波路１４Ｃ（薄膜光導波路：図３参照）を構成する。

基板４１は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）製の基板を用いることができる。これは、後述するコア層４５としてもニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いるため、両者の材料を揃えることで、熱膨張による影響を低減させるためである。

接着層４２、例えば、アクリル系の樹脂接着剤である。

下部電極層４３は、接着層４２によって基板４１に接着されており、例えば、チタン（Ｔｉ）製の電極であればよい。下部電極層４３の厚さは、例えば、２００ｎｍである。下部電極層４３は、信号発生部１８に接続されており、信号発生部１８から電圧が印加される。下部電極層４３は、後述する上部電極層４７と同様に、平面視で分極反転領域４８が形成される領域を覆うように形成されている。

下部クラッド層４４は、下部電極層４３の上に形成されている。下部クラッド層４４は、導波路の下面側において、コア層４５よりも屈折率が低い層でありコア層４５との界面でレーザを全反射して閉じこめるために設けられている。下部クラッド層４４は、例えば、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を成膜することによって作製することができ、その厚さは、例えば、１μｍでよい。

コア層４５は、下部クラッド層４４の上に形成されており、下部クラッド層４４よりも屈折率の高い層である。コア層４５としては、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）を用いることができる。コア層４５は、例えば、１０μｍ程度の厚さで形成される。

コア層４５の中央部には、図３に示すように、平面視で三角形のプリズム状の分極反転領域４８が形成されている。図３には、分極反転領域４８を７つ示す。このため、図２に示す断面では、７つの分極反転領域４８とコア層４５矢印で示すレーザの進行方向において交互に現れるように構成されている。

上部クラッド層４６は、コア層４５の上側に形成されている。上部クラッド層４６は、コア層４５よりも低い屈折率を有する。これにより、上部クラッド層４６は、コア層４５との界面でコア層４５内を伝搬するレーザを全反射して閉じこめている。上部クラッド層４６は、例えば、酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）を成膜することによって作製することができ、その厚さは、例えば、１μｍでよい。

上部電極層４７は、上部クラッド層４６の上側において、図３に示すように平面視で分極反転領域４８を覆う領域に形成されている。上部電極層４７は、例えば、チタン（Ｔｉ）製の電極であればよい。上部電極層４７の厚さは、例えば、２００ｎｍである。上部電極層４７は、信号発生部１８に接続されており、信号発生部１８から電圧が印加される。

分極反転領域４８は、コア層４５の中央部の一部が平面視で三角形のプリズム状に形成される分極反転領域である。分極反転領域４８は、電圧印加時にコア層４５とは反対の極性で屈折率が変化するように構成される領域である。このような分極反転領域４８は、例えば、電気光学結晶に分極反転技術により形成される。

分極反転領域４８の屈折率変化は、分極反転によってコア層４５とは正負逆転するので、図３に示す７つの分極反転領域４８のように三角形形状の屈折変化部分ができることにより、レーザは偏向する。

このような光偏向素子１４を作製するためには、例えば、分極反転領域４８を形成した厚さ３００μｍ程度のニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）の結晶を用意し、このニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）層の一方の面に下部クラッド層４４及び下部電極層４３を形成し、他方の面を研磨することによって厚さ１０μｍのコア層４５を作製することができる。研磨は、例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法によって行えばよい。

また、このようにして作製したコア層４５、下部クラッド層４４、下部電極層４３の積層体を接着層４２によって基板４１に接着する。

さらに、下部クラッド層４４、下部電極層４３の積層体を接着層４２によって基板４１に接着した後に、コア層４５の上に上部クラッド層４６及び上部電極層４７が形成される。以上により、光偏向素子１４が完成する。

光偏向素子１４において、導波路面内のレーザの偏向は、コア層４５及び分極反転領域４８に信号発生部１８から電圧を印加することによって行う。電圧印加時に分極反転領域４８とされていない領域（分極反転領域４８の周囲のコア層４５）に屈折率の差が生じるため、コア層４５に入射されたレーザは、導波路面内で偏向される。ここでコア層４５及び分極反転領域４８に信号発生部１８から印加される電圧による屈折率の変化分Δｎは、次の式（１）で与えられる。

Δｎ＝（−１／２）×（ｒ×ｎ^３×Ｖ／ｄ） ・・・（１）
ここで、ｒは電気光学定数（ポッケルス定数）、ｎはコア材料の屈折率、Ｖは電圧、ｄはコア層４５の厚さである。

導波路面内でのレーザの偏向を低消費電力で動作させるためにはｄを小さく、つまりコア層４５を薄くすることで達成される。そのため、実施の形態１では、コア層４５の厚さを約１０μｍに設定した。

上部電極層４７には信号発生部１８（図１参照）から下部電極層４３との間に電圧が印加される。これにより、上部電極層４７と下部電極層４３との間にある下部クラッド層４４、コア層４５、分極反転領域４８、及び上部クラッド層４６に電圧が印加され、コア層４５と分極反転領域４８の屈折率がポッケルス効果によって変化する。

これにより、導波路内を伝搬するレーザを偏向することができる。例えば、下部電極層４３を接地して上部電極層４７に−１５０Ｖから＋１５０Ｖの電圧を印加することにより、導波路の面内方向に約−５°（図３において中心軸より左側に約５°）から約＋５°（図３において中心軸より右側に約５°）の偏向角度が得られる。

このようにして作製された光偏向素子１４は、任意の周波数において複雑な偏向動作が可能であるため、１００ｋＨｚ程度までの周波数であれば、柔軟な偏向が可能になる。そのため、ある波長領域のみ挿引速度を変化させたり、飛び飛びの任意波長を出力するといった波長変化も可能となる。

次に、反射素子１６として用いる共鳴フィルタについて説明する。

実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の反射素子１６として用いる共鳴フィルタは、入射光の波長と同等程度かそれ以下のサイズの凹凸部によって、入射光のうちの特定波長のレーザを共振さることによって反射する共鳴反射を利用している。このような共鳴フィルタについては、例えば、文献（R.Magnusson and S.S.Wang, Transmission band pass guided-mode resonance filters, Appl. Opt. Vol.34, No.35, 8106(1995)）に記載されている。

この共鳴フィルタは、回折格子の寸法とレーザの波長との関係に基づく共鳴現象を利用しており、導波路の構造の最適化により、帯域の狭い反射型の波長フィルタを実現している。

図４は、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の反射素子１６として用いる共鳴フィルタを示す図であり、図４（Ａ）は側面図、図４（Ｂ）は斜視図である。

反射素子１６は、基板６１、導波路層６２、低屈折率層６３、及び周期構造層６４を含む。

基板６１は、例えば、合成石英ガラス、シリコン、石英、又はサファイア等で作製される。

導波路層６２は、屈折率の高い高屈折率材料で形成すればよく、例えば、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、五酸化二タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、又はハフニウム酸化物（ＨｆＯ_２）で形成すればよい。

低屈折率層６３は、導波路層６２よりも屈折率の低い材料で構成される層であり、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、又は酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等で作製される。

ここで、基板６１、導波路層６２、及び低屈折率層６３を上述の材料を用いて均一な層として形成することは、例えば、スパッタリングや蒸着等の一般的な薄膜形成方法で可能である。なお、基板６１、導波路層６２、及び低屈折率層６３を無機材料ではなく、有機材料で作製することも可能である。

周期構造層６４は、共鳴フィルタのサブ波長構造部であり、低屈折率層６３よりも屈折率の高い層で作製される。周期構造層６４は、例えば、導波路層６２と同様に、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、五酸化二タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）、又はハフニウム酸化物（ＨｆＯ_２）で形成すればよい。

周期構造層６４は、例えば、フォトリソグラフィーとエッチングにより形成することができる。実施の形態１では、電子ビームでの描画によってフォトレジストを用いてレーザの波長以下の周期構造をパターニングし、フォトレジストをマスクとしてドライエッチングで酸化チタンをエッチングして形成する。

上述のように、反射素子１６では、相対的に低い屈折率ｎＬを持つ低屈折率材料で構成される基板６１上に、相対的に高い屈折率ｎＨを持つ高屈折率材料で構成される導波路層６２を形成している。

基板６１と導波路層６２の屈折率は、ｎＬ＜ｎＨとなっている。図４に示す反射素子１６では、入射光が共鳴反射を起こすためには、周期構造層６４側からのレーザの入射が必要である。この微細な凹凸状の周期構造層６４により、反射素子１６に入射したレーザのうち周期構造層６４と共鳴する波長成分のみが、導波路層６２の導波モードとカップリングし、共鳴反射することになり、それ以外の波長ではレーザは透過する。

図４に示すように、周期構造層６４は、凹凸構造が周期ｐで一方向に配列した周期構造を有する。周期構造層６４のグレーティングの幅は、周期に対してＦＦ倍（０＜ＦＦ＜１）で定義する。このような周期構造層６４においては、偏向方向に対する依存性が発生するため、周期構造層６４のグレーティングに平行な電場振動を有する成分をＴＥ偏光（図４（Ｂ）参照）、グレーティングに垂直な電場振動を有する成分をＴＭ偏光（図４（Ｂ）参照）と呼ぶことにする。

実施の形態１では、波長可変レーザ光源装置１００に用いる共鳴フィルタについて、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）によって設計を行った。

図４に示すように、反射素子１６は、基板６１上に、導波路層６２、低屈折率層６３、及び周期構造層６４が積層して形成されている。

基板６１の屈折率ｎｓを＝１．５１、導波路層６２の屈折率ｎＨを２．２３、低屈折率層６３の屈折率ｎＬを１．４４、周期構造層６４は導波路層６２と同質の材料で屈折率を１．５１とした。

ここで、反射素子１６としての共鳴フィルタにおける反射光の波長と反射率の関係について説明する。

図５は、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の反射素子１６としての共鳴フィルタにおける反射光の波長と反射率の関係を示す図である。

図４に示す反射素子１６としての共鳴フィルタに角度θでレーザが入射したとする。レーザの波長は、λ０からλ２までであるとする。

このとき、図５（Ａ）に示すように、ほとんどの波長（λ０〜λ２）では共鳴フィルタをレーザが透過するのに対して、特定波長λ１（λ０＜λ１＜λ２）付近では狭帯域で共鳴を起こし、レーザが反射する。

ここで、共鳴フィルタへの入射光の角度がθ＋Δθに変わると、共鳴反射を起こす波長λ１がシフトする。

図５（Ｂ）は、入射角度がθ＋Δθに変化した場合、共鳴反射の発生するレーザの波長がλ１Ａになることを示している。すなわち、入射角度がθ＋Δθとなった場合には、λ１の波長のレーザは透過し、λ１Ａの波長のレーザが反射されることになる。

このようにして、光偏向素子１４と共鳴フィルタ３６を組み合わせることにより、光偏向素子１４によって得られる偏向角に応じて、共鳴フィルタ３６で反射させるレーザの波長を選択することが可能になる。

ここで、図４に示すような周期構造層６４のグレーティングの方向と電場の振動方向が平行になるような入射光とし、ピッチｐ＝６００ｎｍ、充填率ＦＦ＝０．５とした。また、導波路層６２の厚さをｄ１、低屈折率層６３の厚さをｄ２、周期構造層６４の厚さをｄ３としたときに、ｄ１＝３００ｎｍ、ｄ２＝５０ｎｍ、ｄ３＝５０ｎｍとしてシミュレーションを行った。

図６は、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００の反射素子１６として用いる共鳴フィルタにおいて、入射角度と共鳴反射したレーザの波長及び反射率との関係を示すシミュレーション結果である。

図６では、共鳴フィルタへの入射角度を１０°〜２０°まで１°刻みで変化させると、１０ｎｍ刻みで波長１２５０〜１３５０ｎｍの入射光の共鳴反射が生じるように設定されている。図６に示すように、入射角度に応じて共鳴反射によって反射されるレーザの波長が変化していることがわかる。

図６に示すように、共鳴波長での反射強度はほぼ１００％であるため、非常に高い効率で特定波長のレーザを出力することができ、かつ、共鳴反射による反射光のスペクトルの半値幅は１ｎｍ程度の狭帯域となっているため、共鳴フィルタから出力されるレーザの波長は、ｎｍオーダーの分解能が得られることが分かる。

ここで、図６に示す共鳴反射による反射光のスペクトル特性は一例であり、共鳴フィルタにおいて、スペクトルの線幅や中心波長の設計は、パラメータ（層の厚さ、屈折率、周期）の設定で容易に調整することが可能である。

以上のようにして作製された共鳴フィルタは、非常に狭帯域であり、入射角度に応じて特定波長のみを反射することができる。

このようにスペクトル線幅が狭く、波長安定性が良好で、かつ波長が可変である波長可変光源は、特に光通信分野、光計測分野等で要求されているため、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００は、これらの分野に最適である。

以上のような実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００では、レーザ光源１１から出射されるレーザは、コリメートレンズ１２、集光レンズ１３を通って適切なビーム径に集光され、光偏向素子１４の一端１４Ａに入射する。光偏向素子１４は、信号発生部１８からの電圧印加による電気光学効果によって強誘電体材料の屈折率を変化させ、光導波路１４Ｃ内を通過するレーザを偏向し、他端１４Ｂから出射する。

光偏向素子１４の他端１４Ｂから出射されたレーザは、集光レンズ１５で集光され、反射素子１６に入射する。反射素子１６に入射したレーザのうち、特定の波長のレーザは、反射素子１６で共鳴反射され、反射ミラー１７の反射面１７Ａに垂直に入射する。

反射ミラー１７で反射されたレーザは、入射時と同一の光路を辿り、集光レンズ１５から出射した後に反射素子１６で共鳴反射された点と同一点で再び共鳴反射される。反射素子１６で再び共鳴反射されたレーザは、集光レンズ１５から出射されたときの光路と同一の光路を辿り、集光レンズ１５を経て光偏向素子１４に入射する。

再び光偏向素子１４の他端１４Ｂに入射したレーザは、光偏向素子１４の一端１４Ａから出射され、集光レンズ１３及びコリメートレンズ１２を経て、レーザ光源１１に入射する。レーザ光源１１に入射したレーザは、レーザ光源１１の端面１１Ｂで反射され、再びレーザ光源１１から出射される。レーザは、レーザ光源１１の端面１１Ｂと、反射ミラー１７との間で繰り返し反射され、共振が生じる。

このようにして、レーザ光源１１の端面１１Ｂと、反射ミラー１７との間に、外部共振器が構築される。この外部共振器での共振によってレーザの出力が増幅され、出力が増幅されたレーザはレーザ光源１１の端面１１Ｂから出射され、コリメートレンズ１９に入射する。

従って、信号発生部１８から印加される電圧信号に応じて波長が選択されたレーザをコリメートレンズ１９から外部装置に出力することができる。外部装置としては、例えば、スペクトル線幅が狭く、波長安定性が良好で、かつ波長が可変である波長可変光源が必要になる光通信装置や光計測装置等が挙げられる。

以上、実施の形態１によれば、上述のような光偏向素子１４を用いるとともに、反射素子１６として上述のような共鳴フィルタを用いることにより、非常に波長分解能の高い波長可変レーザ光源装置１００を提供することができる。

また、薄膜光導波路を有する光偏向素子１４と、共鳴フィルタとしての反射素子１６とを用いることにより、従来のように波長可変手段（可動部）を有する光源装置に比べて、小型化を図った波長可変レーザ光源装置１００を提供することができる。

また、上述のように、光偏向素子１４の電気光学効果を利用してレーザの偏向度合いを選択するため、従来の光源装置のように物理的な可動部を有しない。従って、波長可変レーザ光源装置１００の出力として最終的にコリメートレンズ１９から出力するレーザの波長を非常に高速で変更することが可能になる。

また、これに加えて、信号発生部１８から光偏向素子１４に印加する電圧信号の電圧値をランダムに変化させることで、コリメートレンズ１９から任意の波長のレーザを出力することができる。

また、共鳴フィルタとしての反射素子１６による反射を利用することにより、特定波長のレーザを狭帯域で得ることができるとともに、ほぼ１００％での反射率が得られる。これにより、従来のように波長可変手段（可動部）等を必要としないため、装置の小型化が可能になり、精密な制御を必要としない簡易な構成で十分な光強度を有する波長可変光源を提供することができる。

なお、以上では、基板６１、導波路層６２、低屈折率層６３、及び周期構造層６４を含む反射素子１６を用いる形態について説明したが、反射素子１６としてはより簡単な構造の共鳴フィルタを用いてもよい。ここで、図７乃至図１０を用いて、反射素子１６を変形した波長可変レーザ光源装置について説明する。

図７は、実施の形態１の変形例の反射素子１６Ａを示す図である。

反射素子１６Ａとしての共鳴フィルタは、図４に示す共鳴フィルタにおける低屈折率層６３と周期構造層６４を一体化して、周期構造層７３としたものである。反射素子１６Ａは、基板７１、導波路層７２、及び周期構造層７３を含む。

基板７１及び導波路層７２は、それぞれ、図４に示す基板６１及び導波路層６２と同様である。

図７に示す反射素子１６Ａとしての共鳴フィルタは、相対的に低い屈折率ｎＬを持つ低屈折率材料で構成される基板７１上に、相対的に高い屈折率ｎＨを持つ高屈折率材料で構成される導波路層７２が形成され、さらに、導波路層７２の上面に低屈折率材料からなる周期構造層７３が形成されている。周期構造層７３は、凸部７３Ａを有する。

このように、図７に示すような反射素子１６Ａを図４に示す反射素子１６の代わりに用いてもよい。

また、図４に示す反射素子１６及び図７に示す反射素子１６Ａの代わりに、図８に示す反射素子１６Ｂを用いてもよい。

図８は、実施の形態１の変形例の反射素子１６Ｂを示す図である。

反射素子１６Ｂは、基板８１と、図７に示す導波路層７２と周期構造層７３を一体とした周期構造層８２とを含む。基板８１は、図７に示す基板７１と同様である。周期構造層８２は、基板８１よりも屈折率の高い材料で構成され、周期的に形成される凸部８２Ａを有する。

反射素子１６Ｂにある角度θでレーザが入射すると、周期構造層８２の凸部８２Ａを除いた導波路内では、周期構造層８２の上に存在する空気の屈折率が周期構造層８２の屈折率よりも低いために、導波路内で全反射が生じる。すなわち、図８に示す反射素子１６Ｂでは、周期構造層８２の上に存在する空気層が低屈折率層となる。

このため、導波路内を全反射しながら伝播するレーザのうちの特定波長の成分が共鳴反射を起こし、強い反射光となる。

このため、図８に示す反射素子１６Ｂを用いた場合においても、ほとんどの波長では反射素子１６Ｂをレーザが透過するのに対して、特定波長の付近では狭帯域で共鳴を起こし、反射する。

また、以上では、反射素子１６の周期構造層６４（図４（Ａ）、（Ｂ）参照）がストライプである形態について説明したが、周期構造層６４の構造は、ストライプ状には限られない。

図９は、実施の形態１の変形例の反射素子１６Ｃ、１６Ｄを示す図である。

図９（Ａ）に示すように、反射素子１６Ｃは、基板６１、導波路層６２、低屈折率層６３、及び周期構造層６４Ａを含む。周期構造層６４Ａは、平面視において、マトリクス状に配列された矩形状の凸部である。基板６１、導波路層６２、及び低屈折率層６３は、図４に示す反射素子１６の基板６１、導波路層６２、及び低屈折率層６３と同様である。

図９（Ｂ）に示すように、反射素子１６Ｄは、基板６１、導波路層６２、低屈折率層６３、及び周期構造層６４Ｂを含む。周期構造層６４Ｂは、平面視において、マトリクス状に円形の凹部が配列されている。基板６１、導波路層６２、及び低屈折率層６３は、図４に示す反射素子１６の基板６１、導波路層６２、及び低屈折率層６３と同様である。

図９（Ａ）に示す反射素子１６Ｃ、又は、図９（Ｂ）に示す反射素子１６Ｄを用いても、図４に示す反射素子１６を用いる場合と同様に、光偏向素子１４によって変更される角度に応じて、特定波長のレーザを反射することができる。

また、以上では、上述のような分極反転技術により屈折率が反転する分極反転領域を形成する形態について説明したが、上部電極層４７と下部電極層４３の電極形状自体を平面視で三角形形状にすることにより、電極形状に応じた屈折率変化を与える態様としてもよい。

＜実施の形態２＞
図１０は、実施の形態２の波長可変レーザ光源装置を示す図である。

実施の形態１の波長可変レーザ光源装置２００は、レーザ光源２１１、コリメートレンズ１２、集光レンズ１３、光偏向素子１４、集光レンズ１５、反射素子１６、反射ミラー２１７、信号発生部１８、集光レンズ２２０、及び光出力部２２１を含む。

実施の形態２の波長可変レーザ光源装置２００は、レーザの出力経路が実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００と異なり、反射ミラー２１７を透過したレーザを集光レンズ２２０を経て光出力部２２１から出力する。

実施の形態２の波長可変レーザ光源装置２００では、レーザ光源２１１の端面２１１Ｂを一端とし、反射ミラー２１７を他端とする外部共振器が構築される。

以下、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。また、以下では、実施の形態１の波長可変レーザ光源装置１００との相違点を中心に説明する。

レーザ光源２１１は、一方の端面２２１Ａに無反射膜が形成される点は実施の形態１のレーザ光源２１と同様であるが、他方の端面２１１Ｂには全反射コーティングが施される点が実施の形態１のレーザ光源２１と異なる。レーザ光源２１１の端面２１１Ｂは、外部共振器の共振によってレーザ光源２１１に戻ってくるレーザを全反射する。全反射コーティングは、例えば、アルミの薄膜を形成するか、又は、屈折率の異なる多層膜を形成することによって行えばよい。

反射ミラー２１７は、反射面２１７Ａの反射率が所定の高い反射率（例えば、５０％〜９０％程度）を有するように構成される点が実施の形態１の反射ミラー１７と異なる。なお、反射面２１７Ａには、反射率を調整するために必要に応じて反射膜をコーティングすればよい。

反射ミラー２１７の反射面２１７Ａは、波長可変レーザ光源装置２００の外部共振器の他端になるとともに、レーザを出射する出射面となる。このため、反射面２１７Ａの反射率は、外部共振器でのレーザの出力の増幅度合等に応じて設定すればよい。

なお、反射ミラー２１７の反射面２１７Ａは、実施の形態１の反射ミラー１７の反射面１７Ａと同様に、ＸＺ平面に平行な断面形状は凹型の曲線であるが、Ｙ軸を含む平面に平行な断面形状は直線になるように構成されている。

また、反射面２１７Ａは、反射素子１６のいずれの点で反射されたレーザであっても、反射面２１７Ａに垂直に入射する形状を有するとともに、反射素子１６のいずれの点で反射されたレーザであっても、光偏向素子１４の他端１４Ｂと、反射面２１７Ａとの間の光路が、波長の整数倍になるように構成されている。

このため、光偏向素子１４で偏向され、集光レンズ１５で集光されたレーザのうち、特定の波長のレーザは、反射素子１６で共鳴反射され、反射ミラー２１７の反射面２１７Ａに垂直に入射する。

集光レンズ２２０は、反射ミラー２１７から出射されるレーザを集光し、光出力部２２１に出力する。

光出力部２２１は、集光レンズ２２０を経て入射するレーザを外部装置に出力する。光出力部２２１としては、例えば、光ファイバを用いることができる。

以上のような実施の形態２の波長可変レーザ光源装置２００において、レーザ光源２１１から出射されるレーザは、コリメートレンズ１２、集光レンズ１３を通って適切なビーム径に集光され、光偏向素子１４の一端１４Ａに入射する。光偏向素子１４は、信号発生部１８からの電圧印加による電気光学効果によって強誘電体材料の屈折率を変化させ、光導波路１４Ｃ内を通過するレーザを偏向し、他端１４Ｂから出射する。

光偏向素子１４の他端１４Ｂから出射されたレーザは、集光レンズ１５で集光され、反射素子１６に入射する。反射素子１６に入射したレーザのうち、特定の波長のレーザは、反射素子１６で共鳴反射され、反射ミラー２１７の反射面２１７Ａに垂直に入射する。

反射ミラー２１７で反射されたレーザは、入射時と同一の光路を辿り、集光レンズ１５から出射した後に反射素子１６で共鳴反射された点と同一点で再び共鳴反射される。反射素子１６で再び共鳴反射されたレーザは、集光レンズ１５から出射されたときの光路と同一の光路を辿り、集光レンズ１５を経て光偏向素子１４に入射する。

再び光偏向素子１４の他端１４Ｂに入射したレーザは、光偏向素子１４の一端１４Ａから出射され、集光レンズ１３及びコリメートレンズ１２を経て、レーザ光源２１１に入射する。レーザ光源２１１に入射したレーザは、レーザ光源２１１の端面２１１Ｂで反射され、再びレーザ光源２１１から出射される。レーザは、レーザ光源２１１の端面２１１Ｂと、反射ミラー２１７との間で繰り返し反射され、共振が生じる。

このようにして、レーザ光源２１１の端面２１１Ｂと、反射ミラー２１７との間に、外部共振器が構築される。この外部共振器での共振によってレーザの出力が増幅され、出力が増幅されたレーザは反射ミラー２１７の反射面２１７Ａから出射され、集光レンズ２２０を経て光出力部２２１に入射する。

従って、信号発生部１８から印加される電圧信号に応じて波長が選択されたレーザを光出力部２２１から外部装置に出力することができる。

以上のように、実施の形態２によれば、実施の形態１と同様に、光偏向素子１４を用いるとともに、反射素子１６として共鳴フィルタを用いることにより、非常に波長分解能の高い波長可変レーザ光源装置２００を提供することができる。

また、薄膜光導波路を有する光偏向素子１４と、共鳴フィルタとしての反射素子１６とを用いることにより、従来のように波長可変手段（可動部）を有する光源装置に比べて、小型化を図った波長可変レーザ光源装置２００を提供することができる。

以上、本発明の例示的な実施の形態の波長可変レーザ光源装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１００ 波長可変レーザ光源装置
１１ レーザ光源
１１Ａ、１１Ｂ 端面
１２ コリメートレンズ
１３ 集光レンズ
１４ 光偏向素子
１４Ａ 一端
１４Ｂ 他端
１４Ｃ 光導波路
１５ 集光レンズ
１６ 反射素子
１７ 反射ミラー
１７Ａ 反射面
１８ 信号発生部
１９ コリメートレンズ
２００ 波長可変レーザ光源装置
２１１ レーザ光源
２１１Ａ、２１１Ｂ 端面
２１７ 反射ミラー
２１７Ａ 反射面
２２０ 集光レンズ
２２１ 光出力部

特開平０９−１０２６４５号公報

Claims (7)

1. 第１端面に反射防止膜が形成されるレーザ光源と、
   前記レーザ光源の前記第１端面から出射されるレーザが入射され、印加される電圧に応じて前記レーザを偏向して出力する光偏向素子と、
   前記光偏向素子から出力されるレーザが入射され、当該レーザの入射角に応じて当該レーザのうちの特定の波長のレーザを共鳴反射する共鳴フィルタと、
   前記共鳴フィルタで共鳴反射された前記特定の波長のレーザを前記共鳴フィルタに反射する反射ミラーと
   を含み、前記特定の波長のレーザは、前記レーザ光源の前記第１端面とは反対側の前記第２端面と、前記反射ミラーとの間で共振する、波長可変レーザ光源装置。
2. 前記反射ミラーは、前記共鳴フィルタにおける共鳴反射の反射角によらずに、入射光が垂直に入射する反射面を有する、請求項１記載の波長可変レーザ光源装置。
3. 前記レーザ光源の前記第２端面は所定の反射率を有するとともに、前記反射ミラーの反射面は全反射を行う反射面であり、前記レーザ光源の前記第２端面からレーザを出力する、請求項１又は２記載の波長可変レーザ光源装置。
4. 前記レーザ光源の前記第２端面は前記第１端面側から入射するレーザを全反射する端面であるとともに、前記反射ミラーの反射面は所定の反射率を有する反射面であり、前記反射ミラーの前記反射面からレーザを出力する、請求項１又は２記載の波長可変レーザ光源装置。
5. 前記光偏向素子は、電気光学効果を有する導波路を有し、前記導波路に印加される電圧に応じてレーザを偏向して出力する、請求項１乃至４のいずれか一項記載の波長可変レーザ光源装置。
6. 前記光偏向素子は、前記導波路内に分極反転部を有する、請求項１乃至５のいずれか一項記載の波長可変レーザ光源装置。
7. 前記共鳴フィルタは、
   基板と、
   前記基板上に形成され、前記基板よりも屈折率の高い高屈折率層と、
   前記高屈折率層の上部に所定のピッチで凹凸が形成される凹凸部と
   を有する、請求項１乃至６のいずれか一項記載の波長可変レーザ光源装置。

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