JP5357195B2

JP5357195B2 - 波長可変光源

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Publication number: JP5357195B2
Application number: JP2011010927A
Authority: JP
Inventors: 茂雄石橋; 和則長沼
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2011-01-21
Filing date: 2011-01-21
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2031-01-21
Also published as: JP2012151419A

Description

本発明は波長可変光源に関し、特に、広い波長範囲にわたって波長を制御するレーザ光源に関する。本発明により、電気信号によってその波長を迅速かつ正確に制御することができる波長可変光源を提供することができる。
有機色素、また半導体に代表される広帯域の利得媒質を有するレーザ発振器では、その利得帯域内から１つの発振波長を選択して、発振動作させることが可能である。この選択波長を再現性良く切換えることができれば、分光器を用いないレーザ分光が実現される。また、選択波長の切換えを十分迅速に行うことができれば、波長掃引測距あるいは電子デバイスまた取分け生体の断面像を非破壊に観測する光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）などの新たな応用を開くことができる。したがって、このような波長可変光源に対しては、純粋科学から日常医療にわたる広い技術分野の発展への寄与が期待されている。

波長可変光源として、現在までに、共振器内に回折格子による波長フィルタを備える構成が、広く用いられている。
図５は、従来技術の波長可変光源の第１の例の構成を示す図である。図５に示された波長可変光源は、共振器の片端にある反射鏡の傾きを変えることによって、発振波長を切換える構成の例である。例えば、非特許文献１に開示されている。この構成例では、利得媒質として有機色素が用いられている。以下、まず従来技術の第１の例の構成と動作について説明する。

第１の構成例において、利得媒質６０１は、第１の集光レンズ６１１および第２の集光レンズ６０２の間に配置されている。利得媒質６０１は、第２の集光レンズ６０２を経て、回折格子６０６および直入射する端面鏡６１０から構成される波長フィルタに結合されている。第１の集光レンズ６１１は、出力結合鏡６１２に相対しており、このようにして出力結合鏡６１２と端面鏡６１０を両端とする光共振器が構成される。出力結合鏡６１２から、この光共振器によるレーザ作用による出力光６１３が得られる。

上述の波長フィルタにおいて、回折格子６０６への第２の集光レンズ６０２に面する側からの入射角θは、端面鏡６１０に面する側からの入射角φと比較して、通常、その絶対値が大きく設定される。その結果、回折格子６０６への回折格子入射光束６０７と比べて、回折格子出射光束６０８が伸張され、太く広がり角の小さい光束として端面鏡６１０で反射される。このため、波長フィルタの選択波長幅を狭窄化することができる。選択波長の変化は、端面鏡６１０の傾きを変えて、回折格子６０６への入射角φを変えることによって行われる。

さらに、本構成例において波長を変化させる時は、回折格子６０６上の反射面の延長と出力結合鏡６１２の反射面の延長とによってできる交線の周りに、端面鏡６１０を回転させることによって、端面鏡６１０の傾きを変える。このような波長可変光源の共振器構成は、非特許文献１の著者の名を冠してLittman-Metcalf共振器と呼ばれ、今日広く用いられている。

第１の構成例の波長可変光源では、波長を変化させるために、端面鏡６１０の傾きを変えるという動作を行う必要がある。このような力学的運動は、端面鏡６１０の質量、さらには空気より受ける抵抗によってその速度を制限され、迅速に行うことは難しい。そこで、可動部の介在なしに波長変化をより高速に行うために、別の構成例として、電気光学偏向器を用いる波長可変光源が開示されている。

図６は、従来技術の波長可変光源の第２の例の構成を示す図である。本構成では、端面鏡６１０の傾きを変える代わりに、その前面に電気光学結晶をプリズム型に加工した電気光学偏向器６０９を設置した点に特徴がある。例えば、非特許文献２に開示されている。

本構成例でも、利得媒質としては有機色素が用いられている。
第１の構成と異なる波長フィルタ部について説明すれば、回折格子６０６への第２の集光レンズ６０２に面する側からの入射角θは、端面鏡６１０に面する側からの入射角φと比較して、その絶対値が大きく設定され、その結果、波長フィルタの選択波長幅を狭窄化することができる。選択波長の変化は、電気光学偏向器６０９に結線された制御電圧源６０４の電圧により、電気光学偏向器６０９に対して付与される図５の紙面に垂直な方向の電界を変化させることによって行われる。

すなわち、電気光学偏向器６０９に与えられる電界により電気光学偏向器６０９で形成されるプリズムの屈折率の一様な変化が惹起される。その結果、このプリズムの回折格子６０６に相対する側の空気界面において光束が受ける屈折量が変化する。他方、光束が端面鏡６１０による反射を受けた後、往路を逆行して共振器に戻るためには、端面鏡６１０に密着する側の界面には、光束が直入射（入射角を零と）する必要がある。この束縛条件のために、電界印加時に光束が共振器に帰還するためには、プリズム型の電気光学偏向器６０９に、無電界時とは異なる角を持って入射する必要がある。これは即ち、第１の構成例の場合と同様に回折格子６０６への入射角φを変化させることとなる。このようにして、第２の構成例においては、電気光学偏向器６０９に印可する電圧を変えることによって、可動部の介在なしに高速な波長変化が実現されている。

国際公開公報ＷＯ２００６／１３７４０８明細書

Michael G. Littman and Harold J. Metcalf「Spectrally narrow pulsed dye laser without beam expander」（Applied Optics誌、17巻 2224-2227頁、1978年） S. V. Vasil’ev, L. I. Ivleva and V. A. Sychugov「Frequency scanning of a laser with a Littman-Metcalf cavity using an electrooptic deflector」（Quantum Electronics誌、31巻 825-828頁、2001年） S. H. Yun, C. Boudoux, G. J. Tearnet and B. E. Bouma, "High-speed wavelength-swept semiconductor laser with a polygon-scanner-based wavelength filter", Optics Letters, vol. 28 (20), pp.1981 (2003) Changho Chong, Takuya Suzuki, Atsushi Morosawa, and Tooru Sakai, "Spectral narrowing effect by quasi-phase continuous tuning in high-speed wavelength-swept light source", OPTICS EXPRESS, Vol. 16, No. 25, p.21108, ２００８年１２月８日

しかしながら、上述の第２の構成例による可動部を持たない波長可変光源には、以下のような問題があり、依然として十分に満足できるものではなかった。
第１の問題は、上述の第２の構成例において、印加電圧を通じて変化できる波長の範囲が狭いことである。非特許文献２によれば、電気光学材料ＳＢＮをプリズム型に加工して用いる場合、電極間間隔（プリズム厚）３ｍｍの時、５００Ｖの印加電圧に対して１００ＧＨｚの光周波数変化が見込まれている。これは、１．３μｍ帯における波長にして、僅かに０．５６ｎｍの波長範囲に過ぎない。たとえ、プリズム厚を１ｍｍまで狭めたとしても、波長範囲は３倍に増えて１．６９ｎｍ程度が望めるのみである。ところがこの場合でも、ＳＢＮの屈折率変化は既に０．１７％に達している。これを越えるような大きい屈折率変化を実現するのは、他の電気光学材料を使用したとしても期待できない。

さらに、第２の問題、すなわち大寸法の電気光学偏向器を用いるために、高速動作が困難であって光学的均一性の確保も難しい問題があった。上述の波長フィルタ構成では、その選択波長幅の狭窄化のために、回折格子６０６への回折格子入射光束６０７と比較して、回折格子出射光束６０８は、太く広がり角の小さい光束となっている。非特許文献２において、電気光学偏向器６０９はこの光束が伸張され太い箇所に挿入されている。このために、電気光学偏向器６０９のプリズムの辺長（≒プリズム高さ）に対して、太い光束を受容する大きさが要求される。その結果、偏向器のサイズが大きくなって電気光学偏向器６０９の静電容量が増してしまう。さらには、電気光学偏向器６０９を駆動する制御電圧源６０４に対して要求される皮相電力が増える。このような状況において特に高速動作時には、制御電圧源６０４が大きな過渡電流をはき出し吸入しなければならない。制御電圧源６０４に要求される駆動能力の制限により、波長変化の高速性が阻害される事態も生じる。

第２の構成例においては、電気光学偏向器６０９の寸法が大きいため、光学的一様性の問題も伴う。これは、電気光学偏向器の材料である電気光学結晶を大きく均一に結晶成長することが、そもそも困難だからである。実際、非特許文献２において、上で見込んだ光周波数変化が現実には得られなかった理由が、電気光学偏向器の不均一性の問題に帰されている。
本発明は、従来技術の波長可変光源における上述の各問題を解決して、波長可変範囲が広く、高速に可変することができる波長可変光源を提供する。

本発明は、上述の目的を達成するために、請求項１の発明は、利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する回折格子と、前記回折格子への前記入射光の回折光が直入射する端面鏡とを含み、前記回折格子を介して前記利得媒質と前記端面鏡を包含する共振器を備えた波長可変光源において、前記利得媒質と前記回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置され、第１の方向について光路を偏向して前記回折格子への入射角を変化させる第１の電気光学偏向器と、前記第１の電気光学偏向器と前記回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置され、前記第１の方向に垂直な第２の方向について、複数の離散的な偏向角で光路を偏向する第２の電気光学偏向器と、前記第１の電気光学偏向器と前記第２の電気光学偏向器との間に挿入された偏波面回転手段とを備え、前記第２の電気光学偏向器から前記端面鏡までの共振器光路が、前記複数の離散的な偏向角に対応した複数のチャネルの別個の共振器を構成し、前記第１の電気光学偏向器によって設定される前記第１の方向の同一の偏向角に対して、前記別個の共振器のそれぞれが相異なる発振波長に対応していることを特徴とする波長可変光源である。

請求項２の発明は、請求項１の波長可変光源であって、前記複数のチャネルの別個の共振器は、前記回折格子への入射角が異なるように、前記第２の方向に並置された複数の別個の端面鏡によって形成されることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１の波長可変光源であって、前記複数のチャネルの別個の共振器は、前記第２の電気光学偏向器からの入射光を前記回折格子へ向かって反射させ、前記第２の電気光学偏向器と前記回折格子との間で、前記回折格子への入射角が異なるように前記第２の方向に並置された複数の別個のミラーによって形成されることを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１乃至３いずれかの波長可変光源であって、前記複数のチャネルの数は２であることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項２の波長可変光源であって、前記複数のチャネルの数は２であって、前記別個の端面鏡は、発振波長が相対的に小さい第１の波長帯域に対応した第１の端面鏡と、発振波長が相対的に大きい第２の波長帯域に対応した第２の端面鏡とから構成され、前記第２の電気光学偏向器の偏向角を切替えることによって、前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域とが連続した波長帯域に発振波長を可変できることを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項３の波長可変光源であって、前記複数のチャネルの数は２であって、前記別個のミラーは、発振波長が相対的に小さい第１の波長帯域に対応した第１のミラーと、発振波長が相対的に大きい第２の波長帯域に対応した第２のミラーとから構成され、前記第２の電気光学偏向器の偏向角を切替えることによって、前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域とが連続した波長帯域に発振波長を可変できることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１乃至３いずれかの波長可変光源であって、前記回折格子への前記電気光学偏向器側からの光入射角θと、前記回折格子への前記端面鏡側からの光入射角φとの間に、｜θ｜＞｜φ｜の関係が存することを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、発振波長が広範囲に高速に可変可能な波長可変光源を提供することができる。さらに、十分な長さのコヒーレント長を実現できる波長可変光源を提供することもできる。

図１は、本発明の波長可変光源の基本構成を示す図である。図２は、変形した本発明の波長可変光源の第１の構成を示す図である。図３は、本発明における波長可変光源の全体動作を説明する概念図である図４は、変形した本発明の波長可変光源の第２の構成を示す図である。図５は、従来技術の波長可変光源の第１の例の構成を示す図である。図６は、従来技術の波長可変光源の第２の例の構成を示す図である。

本発明では、上述の問題を解決するものとして、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）などを含む電気光学偏向器を用いた、新たな構成の波長可変光源を提案する。

図１は、本発明の電気光学偏向器を用いた波長可変光源の基本的な構成を示す図である。
図１において、利得媒質１０１は、第１の集光レンズ１１１および第２の集光レンズ１０２の間に配置される。利得媒質１０１は、第２の集光レンズ１０２を経て、電気光学偏向器１０３、回折格子１０６および直入射する端面鏡１１０から構成される波長フィルタに結合されている。第１の集光レンズ１１１は、出力結合鏡１１２に相対し、このようにして出力結合鏡１１２と端面鏡１１０を両端とする光共振器が構成される。出力結合鏡１１２からは、この光共振器によるレーザ作用による出力光１１３が得られる。

上述の波長フィルタにおいて、回折格子１０６への集光レンズ１０２に面する側からの入射角θは、端面鏡１１０に面する側からの入射角φと比較して、絶対値が大きく設定される。その結果、回折格子１０６への回折格子入射光束１０７に比して、回折格子出射光束１０８が伸張され、太く広がり角の小さい光束として端面鏡１１０で反射される。したがって、波長フィルタの選択波長幅を狭窄化することができる。選択波長の変化は、電気光学偏向器１０３に結線された制御電圧源１０４を通じ、回折格子入射光束１０７を偏向して、回折格子１０６への入射角θを変化させることによって行われる。電気光学偏向器１０３に印可する電圧を変えることによって、可動部の介在なしに高速に波長を変化させることができる。

本発明の図１の波長可変光源では、特許文献１に詳細が開示されている電荷注入を伴う電気光学偏向器を利用している。この電気光学偏向器に使用される電気光学結晶として、タンタル酸ニオブ酸カリウム(ＫＴａ_1-x Ｎｂ_xＯ₃ （０＜ｘ＜１）：ＫＴＮ)や、さらにリチウムをドープした（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））が知られている。

図１の波長可変光源で使用される電気光学偏向器では、１００ｍｒａｄ程度の偏向角範囲が得られる。この偏向角範囲は、従来技術のプリズム型の偏向器での偏向角範囲が、高々０．５ｍｒａｄ程度に留まるのと比較して、極めて大きい。電荷注入を伴う電気光学偏向器による偏向は、従来技術のプリズム型の場合と異なり、電界と共面方向に生じる。従って、太い光束を偏向するのは現実的でない。電極間隔が広くなってしまい、必要な電圧が非現実的に高くなってしまうからである。しかしながら、電荷注入を伴う電気光学偏向器は光束が細い箇所には挿入可能である。電荷注入を伴う電気光学偏向器の上述のような巨大な偏向角範囲は、回折格子への入射角が大きいことに伴う入射角に対する波長変化感度の低下を補って余りある。

電極間隔が狭く自ずと小寸法である電荷注入を伴う電気光学偏向器を、回折格子への入射角が大きくその結果光束が細い側に配置することで、従来技術の可動部を持たない波長可変光源に関る第１の問題および第２の問題が解決される。

図１に示した電気光学偏向器を使用した波長可変光源では、上述の第１の問題および第２の問題を解決することができる。ここで、電気光学偏向器として使用されるＫＴＮ結晶は、作製上の技術的な制限などから現実的に作製可能な結晶の厚みには限界がある。また印加電圧の大きさの制限もあいまって、先にも述べたように偏向角範囲は１００ｍｒａｄ程度に抑えられている。

この偏向角範囲の制限のために、図１の構成による波長可変光源において波長可変範囲を広い範囲に設定した場合、得られる波長フィルター帯域が広すぎて、コヒーレント長が短くなり得る。ＫＴＮなどを利用した電気光学偏向器において、偏向角の最大振り幅をＤとし、発振最小波長をλ_ｓａ、発振最大波長をλ_ｌａとすると、実用上必要となる波長可変帯域と、電気光学偏向器の最大偏向角の振り幅Ｄで可変できる発振波長帯域（λ_ｓａ〜λ_ｌａ）が同一になるように設計されている。

波長可変光源をＯＣＴなどに利用使用する場合、ＯＣＴにおける深さ方向の測定可能な距離を制限するコヒーレント長を十分に長く取れないと、実用上の問題が生じる。コヒーレント長とは光の可干渉距離である。レーザ光を干渉計で干渉させた場合、光路長差に依存して合波光の強度が変化する干渉フリンジが現れるが、その大きさが光路長差ゼロのときの半分になる光路長差をコヒーレント長という。コヒーレント長は、光源をＯＣＴに適用した場合に、測定可能深さを制限する。６ｍｍ以上の長さが必要とされている。コヒーレント長は、後述するように回折格子波長フィルタの全半値幅と関連しており、必要なコヒーレント長を得るためには、偏向角の最大振り幅Ｄを拡大する必要がある。波長フィルタの帯域幅とコヒーレント長との関係については、非特許文献４に開示されており、フィルタ帯域が狭いときにコヒーレント長が長くなることが知られている。

本発明の波長可変光源は、図１の構成にさらに以下に説明する変形を加えることによって、発振波長が広範囲に可変可能であって、かつ、十分な長さのコヒーレント長を実現することもできる。本発明の変形した波長可変光源においては、第１の電気光学偏向器によって発振波長を可変するとともに、さらに第２の電気光学偏向器によって光路のチャンネルを切り替える。２つの電気光学偏向器によって２次元構成された電気光学偏向器を利用して、複数のチャネルから構成される波長可変光源を提供する。波長可変光源内の発振器における波長フィルタ内に、複数の端面鏡または複数の反射鏡を備え、チャネルごとに光路を切替えることを特徴とする。従来技術と比べて、電気光学偏向器の偏向角最大振り幅Ｄが同一で、かつ波長可変範囲も維持したままで、コヒーレント長を拡大できる。

ここでまず、電気光学偏向器を用いた波長可変光源において、波長フィルタの全半値幅と、電気光学偏向器の偏向角の最大振り幅との関係について検討する。図１に示した波長可変光源のリトマン（Littman−Metcalf）型発振器において、回折格子を含む波長フィルタの全半値幅Δλ_ｗは、非特許文献３より、次式で表される。

ここで、θは回折格子への入射角であり、ｗは回折格子への入射光のビーム半径であり、λは発振波長である。

波長可変光源の最大波長λ_ｌのときの回折格子入射角をθ_ｌ、最小波長λ_ｓのときの入射角をθ_ｓとおき、θ_ｌとθ_ｓとの差を次式のようにＦとする。
Ｆ≡θ_ｌ−θ_ｓ
また、θ_ｌとθ_ｓとの中間角を、次式のようにθ_ｍとする。
θ_ｍ≡（θ_ｌ＋θ_ｓ)／２
ここで、Ｆ＜＜πが成り立つため次式が得られる。
ｓｉｎθ_ｌ-ｓｉｎθ_ｓ≒Ｆ・ｃｏｓθ_ｍ式（２）
一方、Littman−Metcalf 型発振器についての１次の回折格子方程式は、端面鏡側からの入射角をφ、回折格子のピッチをΛとすると、以下の通りである。
ｓｉｎθ_ｌ＋ｓｉｎφ＝λ_ｌ／Λ
ｓｉｎθ_ｓ＋ｓｉｎφ＝λ_ｓ／Λ
上記１次の回折格子方程式より、次式が得られる。
ｓｉｎθ_ｌ−ｓｉｎθ_ｓ＝（λ_ｌ−λ_ｓ）／Λ 式（３）
式（２）、式（３）からさらに、次式が得られる。
Ｆ・ｃｏｓθ_ｍ≒（λ_ｌ−λ_ｓ）／Λ
さらに変形すれば、
Λ・ｃｏｓθ_ｍ≒（λ_ｌ−λ_ｓ）／Ｆ式（４）
式（４）を式（１）に入れて、入射角がθｍのときの全半値幅Δλ_ｗを求めると次式となる。

従ってｗが決まっている場合、全半値幅Δλ_ｗを小さくするには、回折格子への入射角の差Ｆを大きくするか（条件１）、または、波長可変光源の最大波長と最小波長との差（λ_ｌ−λ_ｓ）を小さくすれば良い（条件２）。

上記のように、リトマン（Littman−Metcalf）型発振器において、回折格子を含む波長フィルタの全半値幅Δλ_ｗは、上記の条件１または／および条件２を実現すれば良い。ここで、図１に示した基本構成の波長可変光源について考えると、電気光学偏向器によって得られる偏向角の最大振り幅をＤ、発振最小波長をλ_ｓａ、発振最大波長をλ_ｌａとすると、波長可変光源で実用上必要となる波長帯域と、電気光学偏向器による偏向角の最大振れ角範囲Ｄ内で発振する波長帯域とが同一になるように装置が構成されることになる。すなわち、回折格子のピッチΛ、および端面鏡からの入射角φ、および最大波長、最小波長時の回折格子への入射角θ_ｌおよびθ_ｓを選び、かつ、電気光学偏向器によって得られる偏向角の最大振り幅をＤと、Ｆ≡θ_ｌ−θ_ｓとが一致し、Ｄ＝Ｆが成り立つように構成される。

本発明の波長可変光源では、上記の検討を踏まえて、さらに第２の電気光学偏向を含んだ２次元の電気光学偏向器を利用して、複数のチャネルから構成される波長可変光源に変形する。波長可変光源内の発振器における波長フィルタ内に、複数の端面鏡または複数の反射鏡を備え、チャネルごとに光路を切替える。電気光学偏向器の偏向角の最大振り幅をＤを維持したままで、波長フィルタの全半値幅Δλ_ｗを小さくして、コヒーレント長を拡大する。また、偏向角の最大振り幅をＤを実効的に拡大する。次に、変形した本発明の構成および動作について説明する。

図２は、変形した本発明の波長可変光源のより具体的な第１の構成を示す図である。本発明の波長可変光源１００は、回折格子を含むリトマン配置で構成されたレーザ発振器を含む点において、図１の構成と同様である。すなわち、波長可変光源１００において、利得媒質１０１は、第１の集光レンズ１１１および第２の集光レンズ１０２の間に配置される。利得媒質１０１は、第２の集光レンズ１０２を経て、電気光学偏向器１０３、回折格子１０６および直入射する端面鏡から構成される波長フィルタに結合されている。第１の集光レンズ１１１は、出力結合鏡１１２に相対し、このようにして出力結合鏡１１２と端面鏡を両端とする光共振器が構成される。出力結合鏡１１２からは、この光共振器によるレーザ作用による出力光１１３が得られる。

一方、上記構成は、次に述べる点で図１の波長可変光源の構成と相違している。端面鏡は、図面の手前側に配置された第１の端面鏡１１０ａと図面の奥側に回折格子１０６に対して第１の端面鏡１１０ａとは異なる入射角となるように配置された第２の端面鏡１１０ｂとから構成される。すなわち、第１の端面鏡１１０ａと第２の端面鏡１１０ｂとは、第２の電気光学偏向器の偏向方向と同じｚ軸方向に、回折格子への入射角（φ_１、φ_２）が異なるようにして並置されている。すなわち、回折格子１０６からの出射光１０８ａが手前の端面鏡１０８ａに直入射し、回折格子１０６からの出射光１０８ｂが奥の端面鏡１１０ｂに直入射する。２つの異なる出射光１０８ａ、１０８ｂは、２次元に偏向するように構成された２つの電気光学偏向器１０３、１２３によって生じる。

図１の構成と同様に図２のｙ軸方向については、発振光は、第２の集光レンズを経由し、第１の制御電圧１０４によって第１の電気光学偏向器１０３で偏向が生じる。本発明では、さらにｙ軸に垂直なｚ軸方向について発振光を偏向するために、第２の制御電圧１２４によって駆動される第２の電気光学偏向器１２３を備えている点で、図１の構成と相違する。すなわち、第２の電気光学偏向器１２３は、ｚ軸方向に２つ離散的な偏向角のいずれかに光路を偏向する。ＫＴＮなどを用いた電気光学偏向器の偏向作用は、偏光方向の依存性がある。多くの場合、電気光学定数は電界方向と光の電界方向が一致する場合に最大となる。このため、第１の電気光学偏向器１０３と第２の電気光学偏向器１２３との間には、偏光を９０度回転させるために１／２波長板１０５が挿入されている。

第１の電気光学偏向器１０３は、上下の電極間に所定の範囲の制御電圧を印加されて、図１の構成の場合と同様に、最大振れ角Ｄの偏向を生じる。一方、第２の電気光学偏向器１２３は、離散的な異なる制御電圧によって制御して、図面の手前および奥の方向のｚ軸方向に光路を切替えて、２つのチャネルの波長フィルタを構成する。２つのチャネルの波長フィルタは、波長可変光源で実用上必要な波長可変範囲を２つの範囲に分割して、各々の波長範囲が割り当てられるように、端面鏡の回折格子に対する配置角度を決定する。ここで、端面鏡１１０ａを使用する第１チャネルについては、端面鏡１１０ａ側からの回折格子１０６への入射角をφ_１とし、端面鏡１１０ｂを使用する第２チャネルについては、端面鏡１１０ｂ側からの回折格子１０６への入射角をφ_２とする。

本発明の波長可変光源では、それぞれのチャネルにおいて、第１の電気光学偏向器の偏向角の最大振れ角Ｄを利用することで、２つのチャネル全体では図１の構成と同様の波長可変幅を維持しつつ、概ね１／２の波長フィルター帯域を持つ構成を実現することができる。

より具体的には、第１チャンネルでは偏向角の最大振り幅Ｄで、最小発振波長λ_ｓａから中間発振波長λ_ｓａ +（λ_ｌａ―λ_ｓａ)／２までの波長をスキャンし、第２チャンネルではやはり偏向角の最大振り幅Ｄで、中間発振波長λ_ｓａ +（λ_ｌａ―λ_ｓａ)／２から最大波長λ_ｌａまでの波長をスキャンするよう、各々の端面鏡の法線の角度（φ_１、φ_２）および装置構成（Λ、θ_ｌ、θ_ｓ）を設定する。尚、角入射角θ、φは、回折格子面の法線に対して、回折格子の利得媒質側からの角度を正の値としている。従って、図２においてφは負の値となる。

図３は、本発明における、波長可変光源の全体動作を説明する概念図である。図３は、電気光学偏向器の電圧、振れ角と発振波長の状態遷移を説明している。横軸の第１の電気光学偏向器１０３の制御電圧をＶ_ＬからＶ_Ｈまで変化させることによって、第１の電気光学偏向器１０３偏向角は−Ｄ／２から＋Ｄ／２まで偏向する。第２の電気光学偏向器に制御電圧Ｖ_１を印加することでチャネル１の光路が選択され点Ａから点Ｂの間を遷移して発振波長はλ_ｓａから中間波長まで可変される。第２の電気光学偏向器に制御電圧Ｖ_２を印加することでチャネル２の光路が選択され点Ｄから点Ｃの間を遷移して、発振波長は中間波長からλ_ｌａまで可変される。

チャネル１およびチャネル２の間で波長可変範囲を連続とするためには、チャネル１における第１の電気光学偏向器１０３の偏向角が＋Ｄ／２のときの発振波長と、チャネル２における偏向角が−Ｄ／２のときの発振波長とが、一致している必要がある。また、ＯＣＴのイメージ取得は計算処理が可能なので、チャネル１による波長可変範囲に引き続いて、チャンネル２において同じ増減方向で波長掃引する必要は無い。従って、第２の電気光学偏向器の偏向角を切替えることによって、チャネル１の第１の波長帯域とチャネル２の第２の波長帯域とが連続した波長帯域に発振波長を可変できれば、本発明のコヒーレント長の拡大の効果が得られる。

尚、ＯＣＴへの応用では、ＯＣＴイメージが計算処理されるため第１の制御電圧の変化の方向は問わない。したがって、第１の電気光学偏向器の偏向角にジャンプが生じないように、Ａ、Ｂ、Ｄ、Ｃの順序、もしくはＢ、Ａ、Ｃ、Ｄの順序で第１の制御電圧、第２の制御電圧を変化させる。

図２の第１の構成によれば、それぞれのチャネルにおいて従来と同じ偏向角の最大振り幅Ｄを与えた場合、得られる波長可変幅は、（λ_ｌａ―λ_ｓａ)／２となる。このため、１つのチャネルについては、図１で示した構成の場合と比較して、最大発振波長と最小発振波長との差が１／２となる。したがって、式（５）から求めた条件２に適合することになり、図１の構成の場合よりもより長いコヒーレント長を得ることができる。

図４は、変形した本発明の波長可変光源の第２の構成を示す図である。図４の波長可変光源２００は、２つのチャネルを構成するために別個の分割された反射鏡を回折格子の電気光学偏向器側に挿入している点で、第１の構成と相違している。以下、第１の構成との相違点に絞って説明をする。第１の構成においては回折格子１０６への入射角度が異なる２つの端面鏡を備えていたのに対し、第２の構成においては、回折格子１０６と第２の電気光学偏向器１２３との間の光路中に配置した、回折格子１０６への入射角度が異なる２つのミラー１１４ａ、１１４ｂを備えている。

図２の構成の場合と同様に、第２の電気光学偏向器１２３によって、図面の手前および奥の方向（ｚ軸方向）に光路を切替えて、２つのチャネルの別個の波長フィルタを構成する。図４の手前側にあるミラー１１４ａを利用することで光路１０８ａを経由する第１チャネルを構成し、奥側にあるミラー１１４ｂを利用することで光路１０８ｂを経由する第２チャネルを構成する。第１の電気光学偏向器１０３の偏向角の最大振り幅をＤとすると、第１のチャネルでミラー１１４ａから回折格子１０６への入射角がθ_ｓ２からθ_ｓ２＋Ｄに変化したときに、第２のチャネルでミラー１１４ｂから回折格子１０６への入射角がθ_ｓ２＋Ｄからθ_ｓ２＋２Ｄに変化するように、ミラー１１４ａ、１１４ｂを設置する。

２つのチャネルを合計した時の発振波長可変範囲を図１の構成の場合と同じく最小発振波長をλ_ｓａ、最大発振波長をλ_ｌａとして、最小発振波長をλ_ｓａのときのミラー１１４ａから回折格子１０６への入射角がθ_ｓ２となり、最大発振波長をλ_ｌａのときのミラー１１４ｂから回折格子１０６への入射角がθ_ｌ２となるようにθ_ｓ２およびθ_ｌ２を設定する。

図４に示した第２の構成によれば、第２の電気光学偏向器による偏向によって生じる、ｚ軸方向の角度をミラー１１４ａ、１１４ｂによって補正して、z軸に対して垂直な光線を回折格子１０６に入射させることができる。第２の電気光学偏向器によって偏向する場合、例えばチャネル１のミラー１１４ａについては、紙面の手前方向にやや偏向するため、光路１０８ａは回折格子１０６に対してもｚ軸に角度を持ったものとなる。しかし、１１４ａによって反射後に、あおり角補正をして光路１０８ａがｘｙ面に平行となるように調整ができる。従って、回折格子１０６にｚ軸方向について斜めに入射することによる回折効率の損失を最小化することができる。

図４の第２の構成によれば、２つのチャネル全体で最小発振波長をλ_ｓａ、最大発振波長をλ_ｌａの同じ波長可変範囲を得る一方で、回折格子への入射角の範囲は、θ_ｓ２からθ_ｓ２＋２Ｄまで変化する。従って、図１に示した構成の場合と比較して、入射角の差異Ｆ＝２Ｄとなる。式（５）から求めた条件１に適合するので、全半値幅Δλ_ｗが半分となり図１の構成の場合と比べてより長いコヒーレント長を得ることができる。

尚、また、ＯＣＴのイメージ取得は計算処理が可能なので、チャンネル１による波長可変範囲に引き続いて、チャンネル２において同じ増減方向で波長を掃引する必要はない。従って、第２の電気光学偏向器の偏向角を切替えることによって、チャネル１の第１の波長帯域と、チャネル２の第２の波長帯域とが連続した波長帯域に発振波長を可変できれば、本発明のコヒーレント長の拡大の効果が得られる。

次に、本発明の波長可変光源の第１の構成および第２の構成について、さらに具体的な構成例を述べる。

図１に示した従来の構成の波長可変光源を基準として、比較をしながら説明する。図１の構成において、最小発振波長λ_ｓは１１５０ｎｍ、最大発振波長λ_ｌは１３５０ｎｍ、回折格子のピッチΛは１０００／３００μｍ、回折格子への端面鏡からの入射角φは −０．４３８ｒａｄ（−２５．１°）のときに、最小発振波長に対応する電気光学偏向器側から回折格子への入射角θ_ｓ＝０．８７７ｒａｄ(５０．２°)、最大発振波長に対応する電気光学偏向器側から回折格子への入射角θ_ｌ＝０．９７８ｒａｄ(５６．０°)となる。したがって、第１の電気光学偏向器により最大の振れ角は約１００ｍｒａｄである。この時の波長フィルター帯域の全半値幅の波長平均をΔλ_ｗｏとする。

図２に示した第１の構成による具体的な構成は、以下の通りである。回折格子のピッチΛは１０００／６００μｍ、チャンネル１の端面鏡から回折格子への入射角φ_１を−０．０７８９ｒａｄ（−４．５°）、チャンネル２の端面鏡から回折格子への入射角φ_２を −０．０１８８ｒａｄ（−１．１°）とする。このときに、最小発振波長に対応する電気光学偏向器側から回折格子への入射角θ_ｓ＝０．８７７ｒａｄ(５０．２°)、最大発振波長に対応する電気光学偏向器側から回折格子への入射角θ_ｓ＝０．９７８ｒａｄ(５６．０°)に対して、チャンネル１において１１５０ｎｍから１２５０ｎｍまで、チャンネル２においてが１２５０ｎｍから１３５０ｎｍまで波長を可変できる。波長フィルターの全半値幅の波長平均はおおむねΔλ_ｗｏ／２となる。

図４に示した第２の構成による具体的な構成は、以下の通りである。回折格子のピッチΛ１０００／６００μｍ、端面鏡から回折格子への入射角φを−０．０４５９ｒａｄ（−２．６°）として、チャネル１のミラーとチャネル２のミラーを次の条件を満たすように配置する。すなわち、チャンネル１においてミラー１１４ａから回折格子への入射角がθ_ｓ２＝０．８２７ｒａｄ(４７．４°)からθ_ｓ２＋Ｄ＝０．９２７ｒａｄ(５３．１°)まで変化し、チャンネル１においてミラー１１４ｂから回折格子への入射角がθ_ｓ２＋Ｄ＝０．９２７ｒａｄ(５３．１°)からθ_ｓ２＋２Ｄ＝１．０２７ｒａｄ(５８．９°)まで変化するようにミラー１１４ａ、１１４ｂを設定した。このとき、チャンネル１において発振波長が１１５０ｎｍから１２５７ｎｍまで、チャンネル２において１２５７ｎｍから１３５０ｎｍまで波長を可変できる。波長フィルター帯域の波長平均はおおむねΔλ_ｗｏ／２となる。

上記実施例において、第２の電気光学偏向器によるｚ軸方向の偏向は、約１０ｍｒａｄである。利得媒質としては、半導体レーザを使用した。上記２つの実施例では、ＫＴＮなどを使用する電気光学偏向器による偏向角の最大振れ角Ｄを維持して発振波長可変幅を維持したままで、コヒーレント長を長くするものである。これにより、ＯＣＴへの適用にあたって、十分なコヒーレント長を確保できる。電気光学偏向器の偏向角がさらに拡大されれば、発振波長可変幅を同時に拡大することも可能である。

上記の半導体レーザを使用した構成では、第１の構成および第２の構成いずれにおいても、１つのチャネルあたり波長可変幅を１００ｎｍを想定している。したがって、２つのチャネルを用いる場合は、全体で２００ｎｍの発振波長可変幅が得られる。半導体レーザに比べて波長可変幅の広いＴｉサファイアレーザやＣｒ：ＹＡＧレーザ、色素レーザを使用することもできる。これらの場合には、より広い発振波長可変幅が得られるので、チャネル数を３、４などと増加させて、３以上の端面鏡または３以上のミラーを使用することも可能である。発振波長可変帯域を固定した場合を想定すると、２チャンネルの場合と同様の考察で、さらに多数のチャンネルの場合は、波長フィルター帯域の波長平均が、従来例の値をチャンネル数で除したものにおおむね一致することがわかる。したがって従来例よりもさらに長いコヒーレント長が得られる。

以上詳細に述べたように、本発明は、従来技術の波長可変光源における問題を解決し、波長可変範囲が広く、高速に可変することができる波長可変光源を提供する。さらに、電気光学偏向器の最大振れ角の制限を緩和し、発振波長が広範囲に変化可能であって、かつ、十分な長さのコヒーレント長も実現できる波長可変光源を提供することができる。

本発明は、光学装置に利用できる。さらに、波長掃引測距あるいは電子デバイス光コヒーレンストモグラフィなどにも利用できる。

１００、２００波長可変光源
１０１、６０１利得媒質
１０２、１１１、６０２、６１１集光レンズ
１０３、１２３、６０９電気光学偏向器
１０４、１２４制御電圧源
１０５２分の１波長板
１０６、６０６回折格子
１１０、１１０ａ、１１０ｂ、６１０端面鏡
１１２、６１２出力結合鏡
１１４ａ、１１４ｂミラー

Claims

利得媒質と、前記利得媒質の一端からの光が入射する回折格子と、前記回折格子への前記入射光の回折光が直入射する端面鏡とを含み、前記回折格子を介して前記利得媒質と前記端面鏡を包含する共振器を備えた波長可変光源において、
前記利得媒質と前記回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置され、第１の方向について光路を偏向して前記回折格子への入射角を変化させる第１の電気光学偏向器と、
前記第１の電気光学偏向器と前記回折格子との間であって、前記共振器により形成される光路上に配置され、前記第１の方向に垂直な第２の方向について、複数の離散的な偏向角で光路を偏向する第２の電気光学偏向器と、
前記第１の電気光学偏向器と前記第２の電気光学偏向器との間に挿入された偏波面回転手段と
を備え、
前記第２の電気光学偏向器から前記端面鏡までの共振器光路が、前記複数の離散的な偏向角に対応した複数のチャネルの別個の共振器を構成し、前記第１の電気光学偏向器によって設定される前記第１の方向の同一の偏向角に対して、前記別個の共振器のそれぞれが相異なる発振波長に対応していること
を特徴とする波長可変光源。
前記複数のチャネルの別個の共振器は、前記回折格子への入射角が異なるように、前記第２の方向に並置された複数の別個の端面鏡によって形成されることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
前記複数のチャネルの別個の共振器は、前記第２の電気光学偏向器からの入射光を前記回折格子へ向かって反射させ、前記第２の電気光学偏向器と前記回折格子との間で、前記回折格子への入射角が異なるように前記第２の方向に並置された複数の別個のミラーによって形成されることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
前記複数のチャネルの数は２であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の波長可変光源。
前記複数のチャネルの数は２であって、前記別個の端面鏡は、発振波長が相対的に小さい第１の波長帯域に対応した第１の端面鏡と、発振波長が相対的に大きい第２の波長帯域に対応した第２の端面鏡とから構成され、前記第２の電気光学偏向器の偏向角を切替えることによって、前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域とが連続した波長帯域に発振波長を可変できることを特徴とする請求項２に記載の波長可変光源。
前記複数のチャネルの数は２であって、前記別個のミラーは、発振波長が相対的に小さい第１の波長帯域に対応した第１のミラーと、発振波長が相対的に大きい第２の波長帯域に対応した第２のミラーとから構成され、前記第２の電気光学偏向器の偏向角を切替えることによって、前記第１の波長帯域と前記第２の波長帯域とが連続した波長帯域に発振波長を可変できることを特徴とする請求項３に記載の波長可変光源。
前記回折格子への前記電気光学偏向器側からの光入射角θと、前記回折格子への前記端面鏡側からの光入射角φとの間に、｜θ｜＞｜φ｜の関係が存すること
を特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の波長可変光源。