JP2006139135A - 可変波長フィルタおよび可変波長光源 - Google Patents

Abstract

【課題】 広い波長範囲を高速に且つ高精度に変化させることができるようにする。
【解決手段】 広帯域光源２１から出射された広帯域光を可変波長フィルタ３０の回折格子３１に入射し、その入射光に含まれる光の各波長成分を、その波長に対応した方向に出射させる。回動ミラー３５は、一面側に反射面が形成された平板状のミラー本体３６をその反射面と平行な軸を中心に回動させて、回折格子３１から出射された光を反射して、回折格子３１に折り返し入射する。このミラー本体３６の角度は、モニタ光源６１、コリメートレンズ６２、６３および光学位置センサ６４によって検出される。波長制御部７０は、ミラー本体３６の検出角度に基づいて、回動ミラー３５から折り返し入射された光に対して回折格子３１が特定方向に出射する光の波長が所望波長となるように制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光から所望波長の光を抽出する可変波長フィルタにおいて、広い波長範囲を高速に変えられるようにするための技術に関する。

未知の光に含まれる波長成分を解析したり、あるいは広帯域光から所望波長の光を抽出するために従来から可変波長フィルタが用いられている。

この種の可変波長フィルタとしては、ファブリペローフィルタが知られている。ファブリペローフィルタは、図８に示すように、平行に対向する一対の光学素子１、２を有し、その一方の光学素子１の外側から入射された光Ｐａのうち、光学素子１、２の隙間ｄによって決まる波長成分を他方の光学素子２の外側へ選択的に出射させる所謂キャビティ構成であり、光学素子１、２の隙間ｄを可変することにより、出射光Ｐｂの波長を変化させることができる。

この構成の可変波長フィルタの場合、光学素子１、２の屈折率をｎとすると、隙間ｄと出射光波長λとの間には、２ｎｄ＝ｍλ（ｍは整数）の関係が成立することが知られている。

上記構造の可変波長フィルタを実際に構成する場合、光学素子の一方に対して他方を微細に平行移動する機構が必要となる。

この移動機構としては、半導体基板等に対するエッチング技術、所謂ＭＥＭＳの技術を適用して構成したものが知られている（特許文献１）。

米国特許第６３７３６３２号明細書

図９はその例を示すものであり、平板枠状の基板５の中央に、前記光学素子の一方となる円板６を形成し、さらに基板５の内縁と円板６の外縁の間を、可撓性を有する複数（図９では４つ）の細い梁部７、７、……により連結している。

そして、例えばこの円板６に対向する固定電極（図示せず）と円板６との間に電圧を印加して、その静電的な引力により、円板６を前または後ろ（図９では紙面に直交する方向）に移動させて、固定された光学素子との隙間を変化させる。

しかしながら、上記構成の可変波長フィルタでは、原理的に波長可変範囲を広くすることができないという問題がある。

即ち、前記した隙間ｄと波長λとの関係から、出射光波長λは、
λ＝２ｎｄ／ｍ
と表され、同一の隙間ｄに対して出射波長λは、ｍの値により複数存在し、一義的に定まらない。

図１０は、ｍ＝１〜４までの波長λと隙間ｄの関係を表しており、所望の波長範囲をλ１〜λ２とし、ｍ＝１において波長λ１〜λ２を実現する隙間の範囲をｄ１〜ｄ２としたとき、隙間がｄ２に近い部分では、同一の隙間ｄに対して異なる３つの波長２ｎｄ、ｎｄ、２ｎｄ／３の成分が選択されてしまう。

これを防ぐためには、波長の下限をλ１からλ１′＝ｎｄ２まで引き上げなければならず、可変範囲が大幅に減少してしまう。

また、前記した可変波長光源において波長選択特性を狭帯域にするためには、一対の光学素子に高い平行度が要求されるが、前記したように、複数の細い梁部７を介して光学素子に相当する円板６を支持する構造では、梁部７の僅かな特性の違いにより、円板６に傾きが生じてしまい、狭帯域特性を得ることが困難となる。

これを解決するためは、円板６を移動させるための電極数を増加して、その姿勢を細かく制御する必要があり、構造が複雑化するとともに、高速な波長可変が困難になる。

また、温度や湿度の変化によって円板６の姿勢が変動し、出射波長の精度が低下するという問題もある。

本発明は、この問題を解決して、広い波長範囲を高速に且つ高精度に変化させることができる可変波長フィルタおよびそれを用いた可変波長光源を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１の可変波長フィルタは、
入射光を受け、該入射光に含まれる光の各波長成分を、該各波長に対応した方向に出射する回折格子（３１）と、
一面側に反射面が形成された平板状のミラー本体（３６）を有し、該ミラー本体をその反射面と平行な軸を中心に回動させるように構成され、前記入射光に対して前記回折格子から出射された光を前記反射面で反射して、前記回折格子に折り返し入射する回動ミラー（３５）と、
前記回動ミラーのミラー本体の角度を検出するミラー角度検出手段（６１〜６４、６５、６６）と、
前記ミラー角度検出手段の出力に基づいて、前記回動ミラーから折り返し入射された光に対して前記回折格子が特定方向に出射する光の波長が所望波長となるように前記回動ミラーの角度を制御する波長制御部（７０）とを備えている。

また、本発明の請求項２の可変波長フィルタは、請求項１記載の可変波長フィルタにおいて、
前記回動ミラーは、
前記ミラー本体（３６）と、固定基板（３８、３９）と、前記固定基板の縁部と前記ミラー本体の外縁との間を連結し且つ長さ方向に捩れ変形して、前記ミラー本体を回動自在に支持する軸（３７）と、前記ミラー本体を回動させる回動駆動手段（４０、４４、４５、４９）とを有していることを特徴としている。

また、本発明の請求項３の可変波長フィルタは、請求項１または請求項２記載の可変波長フィルタにおいて、
前記ミラー角度検出手段は、
前記モニタ光源（６１）から出射した光を前記ミラー本体の反射面に入射し、その反射光を光学位置センサ（６４）で受けるように構成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項４の可変波長フィルタは、請求項１または請求項２記載の可変波長フィルタにおいて、
前記ミラー角度検出手段は、
前記回動ミラーの前記軸の歪みを検出する歪みセンサ（６５、６６）によって構成されていることを特徴としている。

また、本発明の請求項５の可変波長光源は、
広帯域光源（２１）から出射された広帯域光を可変波長フィルタ（３０）に入射し、前記広帯域光から所望波長の光を選択的に出射する可変波長光源において、
前記可変波長フィルタが、請求項１〜４のいずれかに記載の可変波長フィルタであることを特徴としている。

上記したように、本発明の可変波長フィルタは、入射光に対して回折格子が出射する光を回動ミラーで折り返すように構成され、その回動ミラーの角度を変化させることにより、回折格子から特定方向に出射される光の波長を変化させているので、複雑な制御をすることなく、選択波長を広い範囲にわたって高速に変化させることができる。また、ミラー本体の角度を検出する手段を有しているので、環境変化等による出射光波長の変動を正確に把握でき、出射光波長の精度が高い。

また、この可変波長フィルタに広帯域光源からの光を入射する可変波長光源では、出射光波長を広い範囲にわたって高速に且つ高精度に変化させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用した可変波長光源２０の構成を示している。

この可変波長光源２０は、広帯域光源２１と可変波長フィルタ３０とを有している。
広帯域光源２１は例えばＳＬＤ（Super Luminescence Diode）やＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）等からなり、例えば、波長範囲λ１〜λ２の広帯域光Ｐを出射する。

この広帯域光Ｐは、コリメートレンズ２２により平行な光Ｐ′に変換されて、可変波長フィルタ３０に入射される。なお、広帯域光源２１にコリメートレンズが含まれている場合には、コリメートレンズ２２を省略できる。

可変波長フィルタ３０は、回折格子３１および回動ミラー３５を有している。
回折格子３１は、回折用の溝３２が所定間隔で平行に設けられた回折面３１ａを有し、溝３２と直交する光軸に沿って所定の入射角度αで入射される広帯域光Ｐ′を回折面３１ａで受けて、その広帯域光Ｐ′に含まれる光の各波長成分を各波長に対応した方向に出射する。

ここで、回折格子３１の溝３２の間隔および広帯域光Ｐ′の入射角αは、波長範囲λ１〜λ２の光が回動ミラー３５方向に広がって出射されるように設定されているものとする。

回動ミラー３５は、一面側に反射面３６ａが形成された平板状のミラー本体３６をその反射面３６ａと平行な軸３７を中心に回動させるように構成され、広帯域光Ｐ′に対して回折格子３１が出射する光Ｐ１を軸３３に直交する平面に沿って受け入れミラー本体３６の反射面３６ａで反射し、回折格子３１の回折面３１ａへ再入射する。

この回動ミラー３５は、所謂ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical
System）技術により形成され、半導体基板のエッチング技術を利用して小型に且つ高い寸法精度で構成されている。

図２は、回動ミラー３５の詳細な構成例を示したものである。図２において、ミラー本体３６は横長矩形の平板状に形成され、その一面側に反射面３６ａが形成されている。ミラー本体３６の上下には、横長矩形の固定基板３８、３９が平行に配置されている。

上側の固定基板３８の下縁中央とミラー本体３６の上縁中央の間および下側の固定基板３９の上縁中央とミラー本体３６の下縁中央の間は、互いに一直線状に並んだ軸３７、３７によって連結されている。

この軸３７の幅および厚さは、長さ方向に所望の回動角度範囲において捩れ変形し、またその変形状態から復帰できるように設定されており、この上下一対の軸３７の捩れ変形により、ミラー本体３６は、固定基板３８、３９に対してその軸３７を中心に往復回動できるようになっている。ただし、ミラー本体３６、軸３７、３７および固定基板３８、３９からなるブロックを、一枚の半導体基板に対するエッチング処理で形成しているので、軸３７の厚さは、ミラー本体３６、固定基板３８、３９の厚さと共通である。

また、このようにミラー本体３６、軸３７、３７および固定基板３８、３９で一体的に形成されたブロックは、回転駆動力を静電的に与えるために導電性を有している。

なお、ここでは２つの互いに分離した固定基板３８、３９を用いているが、この固定基板３８、３９の両端間を連結して枠状に形成した一つの固定基板の内側に、２本の軸３７を介してミラー本体３６を回動自在に支持する構造であってもよい。

固定基板３８、３９は、絶縁性を有する支持基板４０の一面側に互いに平行に設けられたスペーサ４１、４２の上に重なり合うように固定されている。また、支持基板４０の一面側で、ミラー本体３６の背面の両端に対向する位置には、電極板４４、４５が固定されている。

そして、この一対の電極板４４、４５とミラー本体３６を含むブロックの間に、駆動信号発生器４９から、例えば図３の（ａ）、（ｂ）のように、互いに電圧レベルが反転する駆動信号Ｖａ、Ｖｂを周期的に印加すれば、電極板４４、４５とミラー本体３６の背面両端との間に、静電的な吸引力が交互に生じ、ミラー本体３６が連続的に往復回動する。

ここで、駆動信号Ｖａ、Ｖｂの周波数を、ミラー本体３６の形状や重さ、軸３７のバネ定数などで決まるミラー本体３６の固有振動数に対応した値に設定すれば、少ない駆動電力で大きな回動振幅が得られる。

また、前記したように、この回動ミラー３５は、ＭＥＭＳ技術によりミラー本体３６を含めて全体的に非常に小型且つ軽量に形成され、しかも、ミラー本体３６の形状を限定する要素はないので、この例のように軸３７に対して左右対称に形成できる。したがって、振動を生じることなく、ミラー本体３６を数１００Ｈｚ〜数１０ｋＨｚで高速に往復回動させることが可能であり、高速な波長掃引が実現できる。

また、回動ミラー３５を任意の角度で一時的に停止させる動作モードの場合には、駆動信号発生器４９からいずれか一方の電極板に一定電圧を印加すればよく、その電圧を変えることで、回動ミラー３５の角度を可変できる。

なお、回動ミラー３５の構造は上記のものに限定されるものではなく、種々の形状変更が可能であり、また、駆動方式も前記した静電的な力だけでなく、磁石やコイルを用いて得られる磁気的な力を用いてもよい。また、圧電素子等を用いて機械的な力を与えてもよい。

この回動ミラー３５によって反射された光Ｐ２は回折格子３１に再入射され、その入射角と波長に応じた角度方向へ出射される。

光Ｐ２に対する回折光のうち、回折格子３１から特定の出射角βで出射される光Ｐ３は、コリメートレンズ５０により収束されて、光出射端子５１から出射される。

このような構成の可変波長光源２０では、回折格子３１から出射角βで出射される光Ｐ３の中心波長λは、回折格子３１に対する回動ミラー３５の角度に応じて変化する。

例えば、図１に示した状態から、図４に示すように、ミラー本体３６を反時計回りに所定角度回動して、その反射面３６ａを、回折格子３１から出射される中心波長λ１の光Ｐ１（λ１）の光軸と直交させると、光Ｐ１（λ１）に対する反射光Ｐ２（λ１）が回折格子３１に折り返し入射され、特定の出射角βで回折される。したがって、光出射端子５１からは、図６の（ａ）に示すように、広帯域光Ｐｍのうち、中心波長λ１の光Ｐ３（λ１）が選択的に出射されることになる。

また、図１に示した状態から、図５に示すように、ミラー本体３６を時計回りに所定角度回動して、その反射面３６ａを、回折格子３１から出射される中心波長λ２の光Ｐ１（λ２）の光軸と直交させると、光Ｐ１（λ２）に対する反射光Ｐ２（λ２）が回折格子３１に折り返し入射され、特定の出射角βで回折される。したがって、光出射端子５１からは、図６の（ｂ）に示すように、広帯域光Ｐｍのうち、中心波長λ２の光Ｐ３（λ３）が選択的に出射されることになる。

また、同様に、波長λ１〜λ２の間の光についても、回動ミラー３５の角度を変化させることで選択的に出射させることができる。

前記したように、回動ミラー３５の角度は、駆動信号発生器４９から印加される駆動信号の電圧に依存して任意に可変できる。よって、電圧対波長の関係を予め測定し、記憶しておき、広帯域光Ｐ′に含まれる光のうち所望の波長に対応した電圧の駆動信号を印加することで、その所望波長を中心とする波長帯域の光を選択的に出射させることが可能である。

また、前記したような２相の駆動信号Ｖａ、Ｖｂを与えて、出射光波長を連続的に且つ周期的に掃引する場合、駆動信号の電圧と出射波長とは対応しないので、例えば、駆動信号の位相と波長との関係を予め求めておき、駆動信号の位相から出射光波長を求める必要がある。

ただし、上記のように、信号の電圧や位相と出射光波長とを対応付けて制御する方法では、温度、湿度などの環境変化により、駆動信号と出射光波長との対応関係が変動し、精度の点で問題がある。

そこで、この可変波長光源２０の可変波長フィルタ３０では、回動ミラー３５のミラー本体３６の角度そのものを検出するミラー角度検出手段を設け、このミラー角度検出手段によって検出される角度情報に基づいて出射光波長を制御している。

即ち、図１に示しているように、モニタ光源６１から出射された任意波長の光Ｐｍを、コリメートレンズ６２を介して回動ミラー３５に入射させ、その反射光Ｐｍ′を、コリメートレンズ６３を介して光学位置センサ（ＰＳＤ）６４で受ける。

光学位置センサ６４は、回動ミラー３５の角度変化による反射光のＰｍ′の出射角の変化方向に沿った長い受光面を有しており、その受光面に照射される光の位置の変化に応じた信号を出射する。

例えば、前記図１の状態から図４の状態に変化したとき、光学位置センサ６４に対する反射光Ｐｍ′の照射位置は、中央部から一端側（図では上側）に移動し、光学位置センサ６４からはその移動した照射位置に応じた信号Ｓ（λ１）が出力される。また、前記図１の状態から図５の状態に変化したとき、反射光Ｐｍ′の照射位置は、光学位置センサ６４の中央部から他端側（図では下側）に移動し、その移動した照射位置に応じた信号Ｓ（λ２）が出力される。この照射位置の変化は、ミラー本体３６の角度にのみ依存しているから、信号Ｓはミラー本体３６の角度と正確に対応している。

光学位置センサ６４の出力Ｓは波長制御部７０に入力される。
波長制御部７０には、光出射端子５１から出射される光の波長と光学位置センサ６４から出力される信号Ｓとの対応関係を表すデータをメモリ７０ａに記憶しており、図示しない操作部や外部装置等から指定される波長情報とメモリ７０ａに記憶されているデータとに基づいて駆動信号発生器４９を制御し、出射波長の可変制御を行う。

なお、出射光波長と信号Ｓとの対応関係を表すデータは、例えば出射光の波長を波長測定器（図示せず）で求めて信号Ｓに対応づけて記憶する。また、この実施形態では、この波長測定器を含まない構成を示しているが、波長測定器を内蔵させ、出射光Ｐ３を分岐手段で分岐して波長測定器に入射し、その測定結果を波長制御部７０に出力するように構成してもよい。

波長制御部７０による波長制御には、スポット的に指定された波長の光を出射させる制御モードと、指定された波長範囲を掃引させ、その掃引中の波長情報を連続的に出力する制御モードとが含まれている。

前者の制御モードの場合、光学位置センサ６４から指定波長λｘに対応する信号Ｓ（λｘ）が出力されるように回動ミラー３５の角度を制御し、環境変化による回動ミラー３５の角度変動を、光学位置センサ６４から出力される信号に基づいてフィードバック制御し、出射波長を安定化する。

また、後者の制御モードで連続掃引が指定された場合には、指定された範囲で波長が連続掃引されるように駆動信号の電圧を設定し、掃引中は、光学位置センサ６４の出力信号に対応した波長情報を順次出力する。また、ステップ掃引が指定された場合には、指定された波長範囲の下限（または上限）から上限（または下限）まで所定ステップで波長が変化するように駆動信号の電圧を可変制御する。

このように回動ミラー３５の角度そのものに対応した信号を用いて出射光波長を制御しているので、温度や湿度等の変化による出射光波長の変動を防ぐことができ、広い可変波長範囲の光を高い波長精度で出射させることができる。

なお、前記実施形態では、ミラー角度検出手段として、回動ミラー３５にモニタ光Ｐｍを入射し、その反射光Ｐｍ′の出射角の変化を光学位置センサ６４で検出する構成について説明したが、図７に示すように、回動ミラー３５の軸３７の捩れ量を歪みセンサ６５、６６で検出し、その検出信号を波長制御部７０へ出力する構成であってもよい。歪みセンサ６５、６６としては圧電センサ等種々のものが使用できる。また、ここでは、上下２つの軸３７、３７にそれぞれ歪みセンサ６５、６６を設けているので、両歪みセンサ６５、６６の出力の平均値をミラー本体３６の角度に対応した値として取得することで、精度がさらに高くすることができる。ただし、ミラー角度検出手段を一つの歪みセンサで構成してもよい。

また、前記実施形態では、可変波長光源２０に本発明の可変波長フィルタ３０を用いていたが、光スペクトラムアナライザ等にも使用可能である。

本発明の実施形態の構成を示す図 実施形態の要部の構成例を示す図 実施形態の要部に対する駆動信号例を示す図 実施形態の動作説明図 実施形態の動作説明図 広帯域光源と出射光のスペクトラム図 本発明の要部の他の実施形態を示す図 従来装置の概略構成図 従来装置の要部の構成例を示す図 従来装置の隙間と波長との関係を示す図

符号の説明

２０……可変波長光源、２１……広帯域光源、２２……コリメートレンズ、３０……可変波長フィルタ、３１……回折格子、３５……回動ミラー、３６……ミラー本体、３７……軸、３８、３９……固定基板、４０……支持基板、４１、４２……スペーサ、４４、４５……電極板、４９……駆動信号発生器、５０……コリメートレンズ、５１……光出射端子、６１……モニタ光源、６２、６３……コリメートレンズ、６４……光学位置センサ、６５、６６……歪みセンサ、７０……波長制御部

Claims (5)

1. 入射光を受け、該入射光に含まれる光の各波長成分を、該各波長に対応した方向に出射する回折格子（３１）と、
   一面側に反射面が形成された平板状のミラー本体（３６）を有し、該ミラー本体をその反射面と平行な軸を中心に回動させるように構成され、前記入射光に対して前記回折格子から出射された光を前記反射面で反射して、前記回折格子に折り返し入射する回動ミラー（３５）と、
   前記回動ミラーのミラー本体の角度を検出するミラー角度検出手段（６１〜６４、６５、６６）と、
   前記ミラー角度検出手の出力に基づいて、前記回動ミラーから折り返し入射された光に対して前記回折格子が特定方向に出射する光の波長が所望波長となるように前記回動ミラーの角度を制御する波長制御部（７０）とを備えた可変波長フィルタ。
2. 前記回動ミラーは、
   前記ミラー本体（３６）と、固定基板（３８、３９）と、前記固定基板の縁部と前記ミラー本体の外縁との間を連結し且つ長さ方向に捩れ変形して、前記ミラー本体を回動自在に支持する軸（３７）と、前記ミラー本体を回動させる回動駆動手段（４０、４４、４５、４９）とを有していることを特徴とする請求項１記載の可変波長フィルタ。
3. 前記ミラー角度検出手段は、
   前記モニタ光源（６１）から出射した光を前記ミラー本体の反射面に入射し、その反射光を光学位置センサ（６４）で受けるように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の可変波長フィルタ。
4. 前記ミラー角度検出手段は、
   前記回動ミラーの前記軸の歪みを検出する歪みセンサ（６５、６６）によって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の可変波長フィルタ。
5. 広帯域光源（２１）から出射された広帯域光を可変波長フィルタ（３０）に入射し、前記広帯域光から所望波長の光を選択的に出射する可変波長光源において、
   前記可変波長フィルタが、請求項１〜４のいずれかに記載の可変波長フィルタであることを特徴とする可変波長光源。

Images