JP2018085416A - Wavelength-variable mirror and wavelength-variable laser - Google Patents

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豊田 誠治
Seiji Toyoda
誠治 豊田
匡 阪本
Tadashi Sakamoto
匡 阪本
今井 欽之
Kaneyuki Imai
欽之 今井
山口 城治
Joji Yamaguchi
城治 山口
明晨 陳
Mingchen Chen
明晨 陳
宗範 川村
Munenori Kawamura
宗範 川村
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To materialize a wavelength-variable mirror which enables high-speed and high-finesse selective extraction of light with a desired wavelength from incident light of a wide wavelength band and to realize a high-speed wavelength-variable laser.SOLUTION: A wavelength-variable mirror comprises: an air etalon having a first high-reflection mirror and a second high-reflection mirror which are opposed to each other through an air gap located therebetween in parallel and arranged to allow a predetermined wavelength of incident light to pass therethrough; a third high-reflection mirror operable to reflect the incident light having passed through the air etalon; and a mechanism operable to mechanically drive the first high-reflection mirror or the second high-reflection mirror in an optical axial direction of the incident light. In the wavelength-variable mirror, a reflection surface of the third high-reflection mirror is perpendicular to the optical axis of the incident light; and a reflection surface of the first high-reflection mirror, and a reflection surface of the second high-reflection mirror are arranged to be inclined to a plane perpendicular to the optical axis of the incident light.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、電歪効果ないし逆圧電効果を有する強誘電体材料を用いた波長可変の光反射特性を有する波長可変ミラーおよびそれを用いた波長可変レーザに関する。   The present invention relates to a tunable mirror having a tunable light reflection characteristic using a ferroelectric material having an electrostrictive effect or an inverse piezoelectric effect, and a tunable laser using the same.

狭帯域の高速波長可変光フィルタは近年、多様な分野でその実現が望まれている。例えば、通信分野においては、現在、光通信システムの大容量化、高速化及び高機能化に加え、各家庭にまで光ファイバが導入されるなど、アクセス系ネットワークにも光通信が適用されるようになってきた。今後さらに、ネットワークの高機能性が求められ、波長の有効利用が進展すると期待されている。   In recent years, it has been desired to realize a narrow-band high-speed tunable optical filter in various fields. For example, in the communication field, optical communication is now applied to access networks, such as the introduction of optical fibers to homes in addition to the increase in capacity, speed and functionality of optical communication systems. It has become. In the future, higher functionality of the network will be required, and it is expected that effective use of wavelengths will advance.

高密度波長多重通信では、極めて短い波長間隔で異なる複数の光を多重化し、一つの導波路で伝送することによって、通信容量の増大を図っている。送信側では、例えば、0.8 nmといった極めて短い間隔で波長が異なる複数の光が数十nm 程度の範囲にわたって多重化され、これにより、複数の信号が高密度に送信される。それに対応して受信側では、これら複数の光から所定の波長を有する光のみを選択的に受信することによって、必要な信号を取り出す。   In high-density wavelength division multiplexing communication, communication capacity is increased by multiplexing a plurality of different lights at very short wavelength intervals and transmitting them through a single waveguide. On the transmission side, for example, a plurality of lights having different wavelengths at very short intervals of 0.8 nm are multiplexed over a range of about several tens of nanometers, whereby a plurality of signals are transmitted with high density. Correspondingly, on the receiving side, a necessary signal is extracted by selectively receiving only light having a predetermined wavelength from the plurality of lights.

このように高い密度で送られてくる光信号から特定の信号だけを精度よく得るためには、透過帯域を十分に確保し、且つ隣接チャンネルとのクロストークが十分小さいような急峻なスペクトルを有する光フィルタを用いなければならない。このような光フィルタは、波長が異なる多くの光が伝送されるネットワークから所望の波長を有する光のみを取り出す場合に限らず、複数の光を多重化する場合、特定の波長を有する光の送信状況を監視する場合などにおいても欠くことはできない。さらに、高速に特定の波長をフィルタリングし、切り替えることができれば、より大容量で高速なネットワークを実現することができる。   In order to obtain only a specific signal from an optical signal transmitted at such a high density with a high degree of accuracy, the transmission band is sufficiently secured and the cross spectrum with the adjacent channel is sufficiently small. An optical filter must be used. Such an optical filter is not limited to extracting only light having a desired wavelength from a network in which a large amount of light having different wavelengths is transmitted, and transmitting light having a specific wavelength when multiplexing a plurality of lights. It is indispensable even when monitoring the situation. Furthermore, if a specific wavelength can be filtered and switched at high speed, a large-capacity and high-speed network can be realized.

また、非通信分野においては、例えば光を用いた可視化技術が複数開発されているが、低コヒーレンス干渉を利用して生体や電子デバイス等の断面を非破壊に観測する光コヒーレンストモグラフィー(OCT)は、表面より深さ方向に約数mmの範囲で細胞レベルの数十μm程度の分解能を有する解像度で高品質な画像を得ることができる。   In the non-communication field, for example, a plurality of visualization techniques using light have been developed. Optical coherence tomography (OCT) for non-destructively observing a cross section of a living body or an electronic device using low coherence interference is used. A high-quality image can be obtained with a resolution having a resolution of about several tens of μm at the cell level within a range of about several mm in the depth direction from the surface.

OCT像を得る方式としては、TD−OCT(Time domain optical coherence tomography)とFD−OCT(Spectral domain optical coherence tomography)が知られている。TD−OCT方式しては、光源としてSLD(Super Luminescent Diode ) を用いて観測対象の面内に照射し面内の情報を取り出し、奥行方向にさらにスキャンして3次元情報を得る方式が一般的である。   As methods for obtaining an OCT image, TD-OCT (Time domain optical coherence tomography) and FD-OCT (Spectral domain optical coherence tomography) are known. The TD-OCT method is generally a method in which an SLD (Super Luminescent Diode) is used as a light source to irradiate the surface to be observed to extract information in the surface and further scan in the depth direction to obtain three-dimensional information. It is.

一方、FD−OCT方式としては、高速波長掃引光源を用い奥行方向の情報を得て、残りの2軸方向にスキャンすることによって3次元画像を得ることができる。   On the other hand, as the FD-OCT method, a three-dimensional image can be obtained by obtaining information in the depth direction using a high-speed wavelength swept light source and scanning in the remaining two axial directions.

近年数百kHz以上の高速波長掃引光源技術が急速に発展したため、画像取得スピードの観点からFD−OCT方式が優勢である。用いられる高速波長掃引光源の構成としては、帯域幅の広いブロード光源の波長を高速にフィルタリングする構成が典型的であるが、そこでも急峻にフィルタリングする波長可変光フィルタが求められている。   In recent years, high-speed wavelength swept light source technology of several hundred kHz or more has rapidly developed, and the FD-OCT method is dominant from the viewpoint of image acquisition speed. As a configuration of a high-speed wavelength swept light source used, a configuration that filters the wavelength of a broad light source with a wide bandwidth at high speed is typical, but there is also a demand for a wavelength-tunable optical filter that performs sharp filtering.

このような波長可変光フィルタとして、2枚の半透明なミラーを平行対向させたときに起こる多重干渉を利用したエタロン(etalon)と呼ばれる光学素子が従来より公知である。エタロンの透過率特性は、複数の波長で透過率のピークを有することが知られている。エタロンを構成するミラー間の空間(キャビティ、ギャップ)は空洞であってもよい(エアエタロン)が、所定の屈折率を有する透明媒質で充填してもよい。   As such a wavelength tunable optical filter, an optical element called an etalon that utilizes multiple interference that occurs when two translucent mirrors face each other in parallel has been known. It is known that the transmittance characteristic of etalon has transmittance peaks at a plurality of wavelengths. The space (cavity, gap) between the mirrors constituting the etalon may be a cavity (air etalon) or may be filled with a transparent medium having a predetermined refractive index.

例えば具体的には、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を可変に波長選択して透過させる素子として、ファブリペローエタロンをなすミラー間キャビティ内に液晶を充填し、液晶に電圧を印加して屈折率を変化させることによって、ミラー間キャビティの光学的な光路長を変化させることができる波長可変フィルタ(以下、液晶エタロンという。)が提案されている(例えば、下記特許文献1参照)。   For example, as a device that variably selects and transmits light of a desired wavelength from incident light in a wide wavelength band, liquid crystal is filled in a cavity between mirrors forming a Fabry-Perot etalon, and voltage is applied to the liquid crystal. Thus, there has been proposed a wavelength tunable filter (hereinafter referred to as a liquid crystal etalon) that can change the optical optical path length of the inter-mirror cavity by changing the refractive index (see, for example, Patent Document 1 below). .

この液晶エタロンを波長選択用の素子として用い、利得媒体と共にレーザ共振器内に配置することによって、印加電圧の大きさに応じて所望の波長チャネルのみのレーザ光を選択して出射することが可能な波長可変レーザが報告されている。   By using this liquid crystal etalon as an element for wavelength selection and placing it in the laser resonator together with the gain medium, it is possible to select and emit laser light of only the desired wavelength channel according to the magnitude of the applied voltage Tunable lasers have been reported.

また、電気光学効果を有するKTN(KTa1-xNbx3)結晶を用いて偏向器を作製し、回折格子への入射角度を変えることより反射型のフィルタとし、利得媒体と共にレーザ共振器内に配置することによっても、波長可変レーザが実現できる。KTN結晶への印加電圧の大きさに応じて所望の波長チャネルのみのレーザ光を選択して出射することが可能な広帯域波長可変レーザが実現され、200 kHzの高速動作が報告されている(例えば、下記特許文献2参照)。 In addition, a deflector is manufactured using a KTN (KTa 1-x Nb x O 3 ) crystal having an electro-optic effect, and a reflection type filter is formed by changing an incident angle to the diffraction grating. A wavelength tunable laser can also be realized by disposing it inside. A broadband wavelength tunable laser capable of selecting and emitting laser light of only a desired wavelength channel according to the magnitude of the voltage applied to the KTN crystal has been realized, and high-speed operation at 200 kHz has been reported (for example, , See Patent Document 2 below).

特開2006−19514号公報JP 2006-19514 A 特開2012−74597号公報JP 2012-74597 A

しかし、上記特許文献1のような液晶エタロンでは、液晶エタロンを構成するミラー間キャビティ内で光損失が存在するため、フィネス(Finess:エタロンの波長分解能を表す指標、光フィルタの透過波長の周期FSR(Free Spectral Range)を透過波長ピークの半値幅で割った値)としては100以下にとどまっていた。さらに液晶の応答速度は材料特性から決まっていて、波長変化速度もミリ秒〜サブミリ秒にとどまっていた。   However, in the liquid crystal etalon as in Patent Document 1, since there is optical loss in the cavity between the mirrors constituting the liquid crystal etalon, the Finesse (index indicating the wavelength resolution of the etalon, the transmission wavelength period FSR of the optical filter). (Free Spectral Range) divided by the half-value width of the transmission wavelength peak) was 100 or less. Furthermore, the response speed of the liquid crystal was determined from the material characteristics, and the wavelength change speed was also limited to milliseconds to sub-milliseconds.

また、上記特許文献2のようなKTN偏向方式では高速性は要求を満たすものの、高フィネスのものは報告されていない。従って、これら従来のデバイスを用いて実現された波長可変レーザのコヒーレンス長特性としては、数cm以上に及ぶものは報告されていない。   Further, although the KTN deflection method as in Patent Document 2 satisfies the requirements for high speed, a high finesse type has not been reported. Accordingly, no coherence length characteristic of a wavelength tunable laser realized by using these conventional devices has been reported to extend over several centimeters.

本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、広波長帯域の入射光から所望の波長の光を高速に高フィネスで選択的に取り出すことができる波長可変ミラーと、これを用いた高速の波長可変レーザを提供するものである。   The present invention has been made to solve such problems, and includes a tunable mirror that can selectively extract light of a desired wavelength from incident light in a wide wavelength band at high speed with high finesse, and The present invention provides a high-speed wavelength tunable laser used.

本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。   In order to achieve such an object, the present invention is characterized by having the following configuration.

(発明の構成1)
エアギャップを挟んで平行に対向する第1の高反射ミラーおよび第2の高反射ミラーを有し、所定の波長の入射光を透過させるエアエタロンと、
前記エアエタロンを透過した入射光を反射する第3の高反射ミラーと、
前記第1の高反射ミラーまたは前記第2の高反射ミラーを入射光の光軸方向に機械的に駆動する機構とを備えた波長可変ミラーであって、
前記第3の高反射ミラーの反射面が前記入射光の光軸に垂直であり、前記第1の高反射ミラーの反射面および前記第2の高反射ミラーの反射面は前記入射光の光軸に垂直な面に対して傾斜して配置される
ことを特徴とする波長可変ミラー。
(Structure 1 of the invention)
An air etalon having a first high reflection mirror and a second high reflection mirror facing in parallel across an air gap and transmitting incident light of a predetermined wavelength;
A third highly reflective mirror that reflects incident light transmitted through the air etalon;
A wavelength tunable mirror comprising: a mechanism for mechanically driving the first high reflection mirror or the second high reflection mirror in an optical axis direction of incident light,
The reflective surface of the third highly reflective mirror is perpendicular to the optical axis of the incident light, and the reflective surface of the first highly reflective mirror and the reflective surface of the second highly reflective mirror are the optical axes of the incident light. A wavelength tunable mirror, wherein the mirror is arranged to be inclined with respect to a plane perpendicular to.

(発明の構成2)
前記第1から第3の高反射ミラーのうちの少なくとも一つは、前記入射光に対して前記エアエタロンのFSRの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有する
ことを特徴とする発明の構成1に記載の波長可変ミラー。
(Configuration 2)
At least one of the first to third high-reflection mirrors has a spectral reflectance characteristic of a desired pass bandwidth that is equal to or less than the wavelength width of the FSR of the air etalon with respect to the incident light. The wavelength tunable mirror according to Configuration 1 of the invention.

(発明の構成3)
前記駆動する機構は、
電歪効果ないし逆圧電効果を有する強誘電体材料を有し、前記強誘電体材料に電圧を印加して前記入射光の光軸方向に発生する機械的歪みにより、前記エアエタロンの前記エアギャップの間隔を変化させる
ことを特徴とする発明の構成1または2に記載の波長可変ミラー。
(Structure 3 of the invention)
The driving mechanism is
A ferroelectric material having an electrostrictive effect or an inverse piezoelectric effect, and a mechanical strain generated in an optical axis direction of the incident light by applying a voltage to the ferroelectric material, thereby causing the air gap of the air etalon to The wavelength tunable mirror according to Configuration 1 or 2, wherein the interval is changed.

(発明の構成4)
前記第1の高反射ミラーは、前記入射光の光軸垂直面に対して傾斜支持された平行平面基板上に設けられ、
前記第2の高反射ミラーは、楔形基板の光入射側の面上に設けられ、
前記第3の高反射ミラーは、前記楔形基板の前記光入射側の面に対向する面に設けられた
ことを特徴とする発明の構成3に記載の波長可変ミラー。
(Configuration 4)
The first high-reflection mirror is provided on a parallel plane substrate that is tilted and supported with respect to a plane perpendicular to the optical axis of the incident light,
The second high reflection mirror is provided on the light incident side surface of the wedge-shaped substrate,
The wavelength tunable mirror according to Configuration 3 of the invention, wherein the third high reflection mirror is provided on a surface of the wedge-shaped substrate facing the surface on the light incident side.

(発明の構成5)
前記強誘電体材料はKTN結晶であり、
前記KTN結晶を立方晶に保つように温度制御する温度制御手段をさらに備えた
ことを特徴とする発明の構成3ないし4のいずれか1項に記載の波長可変ミラー。
(Structure 5 of the invention)
The ferroelectric material is a KTN crystal;
5. The wavelength tunable mirror according to any one of Structures 3 to 4, further comprising temperature control means for controlling the temperature of the KTN crystal so as to maintain a cubic crystal.

(発明の構成6)
前記第1の高反射ミラーと前記第2の高反射ミラーは、前記入射光の全波長帯域で光を反射する分光反射率特性を有し、
前記第3の高反射ミラーは、前記入射光に対して前記エアエタロンのFSRの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有する
ことを特徴とする発明の構成2ないし5のいずれか1項に記載の波長可変ミラー。
(Structure 6 of the invention)
The first high reflection mirror and the second high reflection mirror have spectral reflectance characteristics that reflect light in the entire wavelength band of the incident light,
Any one of configurations 2 to 5 according to the invention, wherein the third high reflection mirror has a spectral reflectance characteristic of a desired pass bandwidth that is equal to or less than a wavelength width of the FSR of the air etalon with respect to the incident light. The wavelength tunable mirror according to item 1.

(発明の構成7)
平行に対向する2つの反射面を有する共振器と、前記2つの反射面の間の光路上に設けられて光増幅を行う利得媒体とを備え、
前記共振器は、発明の構成1ないし6のいずれか1項に記載の波長可変ミラーを有し、前記共振器が有する2つの前記反射面のうち少なくとも1つの前記反射面が、前記波長可変ミラーが有する第3の高反射ミラーの反射面で構成され、印加する電圧に応じて選択的に出射光の波長を制御することを特徴とする波長可変レーザ。
(Configuration 7)
A resonator having two reflective surfaces opposed in parallel, and a gain medium provided on the optical path between the two reflective surfaces for performing optical amplification;
The resonator includes the wavelength tunable mirror according to any one of configurations 1 to 6, and at least one of the two reflecting surfaces of the resonator includes the wavelength tunable mirror. A wavelength tunable laser comprising: a third reflective surface of a third highly reflective mirror, wherein the wavelength of emitted light is selectively controlled according to an applied voltage.

(発明の構成8)
前記共振器が有する2つの前記反射面のうち光出力側の反射面が、所定の波長帯域幅で透過する分光反射率特性を有する光出力ミラーで構成される
ことを特徴とする発明の構成7に記載の波長可変レーザ。
(Configuration 8)
Of the two reflection surfaces of the resonator, the reflection surface on the light output side is composed of a light output mirror having a spectral reflectance characteristic that transmits in a predetermined wavelength bandwidth. The wavelength tunable laser described in 1.

(発明の構成9)
前記利得媒体が所定の波長帯域で高い光利得を有する半導体光増幅素子で構成される
ことを特徴とする発明の構成7または8記載の波長可変レーザ。
(Configuration 9)
9. The wavelength tunable laser according to Configuration 7 or 8, wherein the gain medium is composed of a semiconductor optical amplifier having a high optical gain in a predetermined wavelength band.

本発明に係る波長可変ミラーおよび波長可変レーザにより高フィネスな高速広帯域波長可変ミラー、広帯域で高コヒーレンス長を有する高速の波長掃引光源を実現できる。   The wavelength tunable mirror and wavelength tunable laser according to the present invention can realize a high-speed wide-band wavelength tunable mirror with high finesse and a high-speed wavelength swept light source having a wide band and a high coherence length.

本発明の実施形態1に係る波長可変ミラーの一構成例の断面図である。It is sectional drawing of the example of 1 structure of the wavelength variable mirror which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2に係る波長可変レーザの一構成例の断面図である。It is sectional drawing of the example of 1 structure of the wavelength variable laser which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態1に係る波長可変ミラーの光学特性を説明する図である。It is a figure explaining the optical characteristic of the wavelength variable mirror which concerns on Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施形態2に係る波長可変レーザの光学特性を説明する図である。It is a figure explaining the optical characteristic of the wavelength variable laser which concerns on Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施形態1に係る波長可変ミラーの別の実施例の断面図である。It is sectional drawing of another Example of the wavelength tunable mirror which concerns on Embodiment 1 of this invention.

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。実施の形態は、エアエタロンを構成する2枚の対向ミラーの一方を機械的に駆動する電歪効果ないし逆圧電効果を有する強誘電体材料を設けている。強誘電体材料の例として、タンタル酸ニオブ酸カリウム(KTN:KTa1-xNbxO3(0<x<1))結晶、またはリチウムを添加したK1-yLiyTa1-xNbx3(0<x<1、0<y<1)なる組成を有する結晶材料(これらを、以下KTN結晶と総称する)で構成されたファブリペローエタロン型フィルタを用いることを特徴としている。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the embodiment, a ferroelectric material having an electrostrictive effect or a reverse piezoelectric effect for mechanically driving one of two opposing mirrors constituting an air etalon is provided. Examples of ferroelectric materials include potassium tantalate niobate (KTN: KTa 1-x NbxO 3 (0 <x <1)) crystal, or K 1-y Li y Ta 1-x Nb x O doped with lithium. 3 is characterized by using a Fabry-Perot etalon type filter made of a crystal material having a composition of 0 <x <1, 0 <y <1 (hereinafter collectively referred to as KTN crystal).

KTN結晶は、温度の上昇とともに正方晶から立方晶へと結晶系を変え、立方晶において、大きな電歪効果を有する。特に、正方晶への相転移温度に近い温度領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、誘電率の2乗に比例する電歪効果はきわめて大きく発揮され有利である。大きな電歪効果を発揮する材料であれば、KTNに限らないことはもちろんである。   The KTN crystal changes the crystal system from tetragonal to cubic with increasing temperature, and has a large electrostrictive effect in the cubic. In particular, in a temperature range close to the phase transition temperature to tetragonal crystal, a phenomenon in which the relative permittivity diverges occurs, and the electrostrictive effect proportional to the square of the permittivity is very large and advantageous. Of course, the material is not limited to KTN as long as it exhibits a large electrostrictive effect.

(実施形態1:波長可変ミラー)
図1に、本発明の実施形態1に係る波長可変ミラー10を示す。
(Embodiment 1: Wavelength variable mirror)
FIG. 1 shows a tunable mirror 10 according to Embodiment 1 of the present invention.

図1において、波長可変ミラー10の筐体16の光学窓15から入射した光は、平行平面基板5を傾斜支持する固定部材13,14の間の空間を通過して、平行平面基板5に入射する。固定部材13,14を透明部材として一体の固定部材で構成し、入射光の光路を固定部材の内部に確保してもよい。   In FIG. 1, the light incident from the optical window 15 of the casing 16 of the wavelength tunable mirror 10 passes through the space between the fixing members 13 and 14 that support the parallel plane substrate 5 to be inclined and enters the parallel plane substrate 5. To do. The fixing members 13 and 14 may be configured as an integral fixing member as a transparent member, and the optical path of incident light may be secured inside the fixing member.

入射光は、高反射ミラー1、エアギャップ9、高反射ミラー2で構成されたエアエタロンで波長選択的に透過され、楔形基板8の光入射側の面に対向する面に設けられた高反射ミラー3に至る。高反射ミラー3は入射光の光軸に垂直な反射面を形成しており、ここで反射された入射光は、反射光として入射光と逆の経路をたどり、左側の光学窓15から出射する。   Incident light is wavelength-selectively transmitted by an air etalon including the high reflection mirror 1, the air gap 9, and the high reflection mirror 2, and is provided on a surface facing the light incident side surface of the wedge-shaped substrate 8. To 3. The high reflection mirror 3 forms a reflection surface perpendicular to the optical axis of the incident light, and the incident light reflected here follows a path opposite to that of the incident light as reflected light and exits from the left optical window 15. .

エアエタロンの一方のミラーは、固定部材13,14によって支持された透明な平行平面基板5上に、第1の高反射ミラー1として形成されている。平行平面基板5は入射光の光軸に垂直な面に対して、わずかに角度θだけ傾斜して支持されている。   One mirror of the air etalon is formed as the first high reflection mirror 1 on the transparent parallel flat substrate 5 supported by the fixing members 13 and 14. The parallel plane substrate 5 is supported by being slightly inclined by an angle θ with respect to a plane perpendicular to the optical axis of incident light.

エアエタロンの対となるもう一方のミラーは、エアギャップ9をはさんで第1の高反射ミラー1と平行に対向して、楔形基板8の光入射側の面上に第2の高反射ミラー2として形成されている。   The other mirror that forms a pair of air etalons faces the first high-reflection mirror 1 across the air gap 9 and faces the second high-reflection mirror 2 on the light incident side surface of the wedge-shaped substrate 8. It is formed as.

したがって、第1の高反射ミラーの反射面および第2の高反射ミラーの反射面は、入射光の光軸に垂直な面に対して角度θで傾斜して配置されている、
平行平面基板5の光学窓15側の面には反射防止膜4が形成され、楔形基板8のKTN結晶6側の面には、第3の高反射ミラー3が入射光の光軸に垂直に形成されている。したがって、楔形基板8の頂角はθとなっている。
Therefore, the reflection surface of the first high reflection mirror and the reflection surface of the second high reflection mirror are disposed so as to be inclined at an angle θ with respect to a surface perpendicular to the optical axis of the incident light.
An antireflection film 4 is formed on the surface of the parallel flat substrate 5 on the optical window 15 side, and a third highly reflective mirror 3 is perpendicular to the optical axis of incident light on the surface of the wedge-shaped substrate 8 on the KTN crystal 6 side. Is formed. Therefore, the apex angle of the wedge-shaped substrate 8 is θ.

ミラーの駆動機構となるKTN結晶6の両側面には、駆動用の電圧を印加する電極11,12が形成されている。KTN結晶6の電極面と垂直な面には、楔形基板8に形成された第3の高反射ミラー3が接合されている。KTN結晶6には光は入射しないので、接合法としては直接接合法でも接着剤を用いた接着でもかまわない。   Electrodes 11 and 12 for applying a driving voltage are formed on both side surfaces of the KTN crystal 6 serving as a mirror driving mechanism. The third highly reflective mirror 3 formed on the wedge-shaped substrate 8 is joined to a surface perpendicular to the electrode surface of the KTN crystal 6. Since no light is incident on the KTN crystal 6, the bonding method may be a direct bonding method or bonding using an adhesive.

KTN結晶6に図示しない電源より電極11,12を介して駆動用の電圧を印加することによって、強誘電体材料であるKTN結晶6の電歪効果ないし逆圧電効果により発生する機械的歪みを利用して、KTN結晶6を入射光の光軸方向に伸縮変形させる。すると、KTN結晶6に接合された楔形基板8上の高反射ミラー2および高反射ミラー3が、入射光の光軸方向に機械的に駆動される。高反射ミラー2は、高反射ミラー1に対してエアギャップ9の平行性を保ちつつ光軸方向に前後駆動されるので、エアギャップ9の大きさを可変として、エアエタロンの透過波長を可変制御できる。   By applying a driving voltage to the KTN crystal 6 from the power source (not shown) via the electrodes 11 and 12, the mechanical strain generated by the electrostrictive effect or the inverse piezoelectric effect of the KTN crystal 6 which is a ferroelectric material is used. Then, the KTN crystal 6 is stretched and deformed in the optical axis direction of the incident light. Then, the high reflection mirror 2 and the high reflection mirror 3 on the wedge-shaped substrate 8 bonded to the KTN crystal 6 are mechanically driven in the optical axis direction of incident light. Since the high reflection mirror 2 is driven back and forth in the optical axis direction while maintaining the parallelism of the air gap 9 with respect to the high reflection mirror 1, the size of the air gap 9 can be varied and the transmission wavelength of the air etalon can be variably controlled. .

ここで、特に記載は省略するが、電歪効果を最大限に発揮するため、KTN結晶6は立方晶を保つように温度制御手段により温度制御され、所望の誘電率を保つようにしてある。温度制御の方法としては、図1に記載のようにKTN結晶6に直接、例えばペルチェ素子7などの温度制御手段を接着して熱的に接続して筐体16に固定してもよいし、筐体16全体を密閉し、筐体16内の空間ごと温調してもよい。   Here, although not specifically described, in order to maximize the electrostrictive effect, the temperature of the KTN crystal 6 is controlled by the temperature control means so as to maintain a cubic crystal, and a desired dielectric constant is maintained. As a temperature control method, as shown in FIG. 1, a temperature control means such as a Peltier element 7 may be bonded directly to the KTN crystal 6 and thermally connected thereto, and fixed to the housing 16. The entire housing 16 may be sealed and the temperature of the entire space in the housing 16 may be adjusted.

(実施形態1の別の実施例)
エアギャップ9の大きさ(間隔)を調整するためには、高反射ミラー1側を駆動しても良い。図5に示す実施形態1の別の実施例のように、KTN結晶6を光学窓15側に移動して筐体16の壁面に設置し、平行平面基板5と高反射ミラー1を光軸方向に機械的に駆動しても良い。KTN結晶6を台形の断面形状にして平行平面基板5を固定し、傾斜角を保持してもよいが、図5のようにKTN結晶6の断面形状は矩形として、楔形基板8と同じ頂角θの形状の楔形基板8aを逆向きに設けて保持してもよい。
(Another example of Embodiment 1)
In order to adjust the size (interval) of the air gap 9, the high reflection mirror 1 side may be driven. As in another example of the embodiment 1 shown in FIG. 5, the KTN crystal 6 is moved to the optical window 15 side and installed on the wall surface of the casing 16, and the parallel flat substrate 5 and the high reflection mirror 1 are arranged in the optical axis direction. It may be mechanically driven. The KTN crystal 6 may be trapezoidal in cross-sectional shape, and the parallel plane substrate 5 may be fixed to maintain the tilt angle. However, the cross-sectional shape of the KTN crystal 6 is rectangular as shown in FIG. A wedge-shaped substrate 8a having a θ shape may be provided and held in the opposite direction.

この場合、高反射ミラー2、楔形基板8、高反射ミラー3は筐体16の壁面に直接固定されるので、これらのミラーの反射面を光軸に対し機械的に安定して保持可能である。KTN結晶6は透明なので、光学窓15から平行平面基板5までの光経路は、KTN結晶6内に確保しても良い。KTN結晶6を温度調整する温度制御手段(図5には図示せず)は、KTN結晶6の側面に、電気的絶縁と結晶の機械的変形を配慮しつつ熱結合する手段で接続してもよい。   In this case, since the high reflection mirror 2, the wedge-shaped substrate 8, and the high reflection mirror 3 are directly fixed to the wall surface of the housing 16, the reflection surfaces of these mirrors can be mechanically stably held with respect to the optical axis. . Since the KTN crystal 6 is transparent, an optical path from the optical window 15 to the parallel plane substrate 5 may be secured in the KTN crystal 6. The temperature control means (not shown in FIG. 5) for adjusting the temperature of the KTN crystal 6 may be connected to the side surface of the KTN crystal 6 by means of thermal coupling in consideration of electrical insulation and mechanical deformation of the crystal. Good.

(エアエタロンの設計パラメータの関係式と数値例)
エアエタロンのエアギャップ9の大きさLは、必要とされる波長可変幅に応じて決定される。例えば100 nmの波長可変幅を必要とする場合は、FSR(Free Spectral Range)も100 nm以上が必要となる。FSRは、波長をλ、エアギャップ長をL、θを第1、2の高反射ミラーの反射面と第3の高反射ミラーの反射面とが成す角度(図1の、楔形基板8(光学ガラス)の頂角θ)として、下記(式1)に従う。
(Relationships and numerical examples of air etalon design parameters)
The size L of the air gap 9 of the air etalon is determined according to the required wavelength variable width. For example, when a wavelength variable width of 100 nm is required, the FSR (Free Spectral Range) also needs to be 100 nm or more. In the FSR, the wavelength is λ, the air gap length is L, and θ is an angle formed by the reflection surfaces of the first and second high reflection mirrors and the reflection surface of the third high reflection mirror (the wedge-shaped substrate 8 (optical According to the following (Formula 1) as the apex angle θ) of the glass).

例えばFSR=100 nmでcosθ≒1とすると、波長λ=1.3μm において、エアギャップ長Lは8.45 μm、波長λ=1.06μm においてはL=5.5μm、と計算される。   For example, when FSR = 100 nm and cos θ≈1, the air gap length L is calculated to be 8.45 μm at the wavelength λ = 1.3 μm, and L = 5.5 μm at the wavelength λ = 1.06 μm.

また、エアエタロンのフィネス(Finess:波長分解能を表す指標、FSR/透過波長ピークの半値幅)は下記(式2)で与えられ、(式2)から判るように高フィネスを必要とする場合は、エアエタロンを構成する高反射ミラー1,2には1に近い高い反射率Rが要求される。   In addition, the finesse of air etalon (Finess: an index representing wavelength resolution, FSR / half-value width of transmission wavelength peak) is given by the following (Equation 2). High reflectivity R close to 1 is required for the high reflection mirrors 1 and 2 constituting the air etalon.

図1に示したエアエタロンの透過スペクトルT(λ)は(式3)で示される。 The transmission spectrum T (λ) of the air etalon shown in FIG. 1 is expressed by (Equation 3).

上記(式3)に従うエアエタロンの透過率T(λ)の最大のピークを与える波長λmは、回折次数をmとして下記(式4)で与えられるので、波長変化Δλmに必要なギャップ変化量ΔLは、下記(式5)で与えられる。 The wavelength λ m that gives the maximum peak of the transmittance T (λ) of the air etalon according to the above (Equation 3) is given by the following (Equation 4) where the diffraction order is m, so the amount of gap change necessary for the wavelength change Δλ m ΔL is given by the following (formula 5).

例えば、Δλm=108 nm、λm=1300nm、L=7.8μm、θ=3°として、必要なギャップ変化量ΔL=0.6μmとなる。 For example, if Δλ m = 108 nm, λ m = 1300 nm, L = 7.8 μm, θ = 3 °, the required gap change amount ΔL = 0.6 μm.

また、Δλm=100 nm、λm=1060nm、L=5μm、θ=3°として、必要なギャップ変化量ΔL=0.47μmとなる。 Further, if Δλ m = 100 nm, λ m = 1060 nm, L = 5 μm, θ = 3 °, the required gap change amount ΔL = 0.47 μm.

L=7.8μmのときFSR=108 nmで、ギャップ長Lが変化してL=8.4μmの時、FSR=100 nmとなり、ギャップ長が変化しても全可変範囲で常にFSRは100 nm以上を確保できる。   When L = 7.8 μm, FSR = 108 nm, and the gap length L changes. When L = 8.4 μm, FSR = 100 nm. Even if the gap length changes, the FSR always exceeds 100 nm over the entire variable range. It can be secured.

また、L=5μmのときFSR=112 nmで、ギャップ長Lが変化してL=5.47μmの時、FSR=102 nmとなり、ギャップ長が変化しても全可変範囲で常にFSRは100 nm以上を確保できる。   When L = 5 μm, FSR = 112 nm, and the gap length L changes. When L = 5.47 μm, FSR = 102 nm. Even if the gap length changes, the FSR is always 100 nm or more in the entire variable range. Can be secured.

なお、上記式1〜5で表れる変数をまとめると以下の通りである。
λ:入射光の波長
R:(第1、第2高反射ミラーの)反射率
L:エアギャップ長
ΔL:エアギャップ変化量
θ:第1、2の高反射ミラーの反射面と第3の高反射ミラーの反射面とが成す角度(図1の、楔形基板8(光学ガラス)の頂角)
m:回折次数
λm:エアエタロンの透過率の最大のピークを与える波長
Δλm:波長変化量(エアギャップ変化量にともなう波長変化量)
T(λ):エアエタロンの透過スペクトル
The variables represented by the above formulas 1 to 5 are summarized as follows.
λ: wavelength of incident light R: reflectance L (of the first and second high reflection mirrors) L: air gap length ΔL: air gap change amount θ: reflection surface of the first and second high reflection mirrors and the third height Angle formed by the reflecting surface of the reflecting mirror (vertical angle of the wedge-shaped substrate 8 (optical glass) in FIG. 1)
m: Diffraction order λm: Wavelength giving the maximum peak of air etalon transmittance Δλm: Wavelength change (wavelength change with air gap change)
T (λ): Air etalon transmission spectrum

(KTN結晶の電歪係数と変位量)
ところで、立方晶KTN結晶の電歪係数をQ、分極をP、電界をE、誘電率をεとすると、歪ベクトルxは下記(式6)で表される。
(Electrostriction coefficient and displacement of KTN crystal)
By the way, when the electrostriction coefficient of the cubic KTN crystal is Q, the polarization is P, the electric field is E, and the dielectric constant is ε, the strain vector x is expressed by the following (formula 6).

ここで、 here,

上記(式6)のKTN結晶の電歪係数の値としては、Q11 =7.3X10-2 m4C-2 、Q12 =-4.7X10-2が知られている。 As values of the electrostriction coefficient of the KTN crystal of the above (formula 6), Q 11 = 7.3 × 10 −2 m 4 C −2 and Q 12 = −4.7 × 10 −2 are known.

KTN結晶の主軸方向に電界を印加した場合、Q11は電界方向の結晶変位を与え、Q12は電界に垂直な方向の変位を与える。符号の関係から、電界方向の変位は結晶が伸びる方向で、電界に垂直な方向の変位は結晶が縮む方向となる。 When an electric field is applied in the principal axis direction of the KTN crystal, Q 11 gives a crystal displacement in the electric field direction, and Q 12 gives a displacement in a direction perpendicular to the electric field. From the relationship of the signs, the displacement in the electric field direction is the direction in which the crystal extends, and the displacement in the direction perpendicular to the electric field is in the direction in which the crystal shrinks.

例えば、KTN結晶の正負電極間の厚み1mm、比誘電率εr=17500とし、正負電極間に400 Vの電圧を印加すると、結晶内厚み方向に400 V/mmの一様な電界が発生する。このとき、KTN結晶の電界に垂直な方向(光軸方向)の変位量は、Q12を用いて0.72 μmと求められ、100 nmの波長可変に十分な変位量ΔLを与えることができる。 For example, when a thickness of 1 mm between the positive and negative electrodes of the KTN crystal and a relative dielectric constant εr = 17500 and a voltage of 400 V is applied between the positive and negative electrodes, a uniform electric field of 400 V / mm is generated in the thickness direction within the crystal. At this time, the amount of displacement of the electric field perpendicular to the direction of KTN crystal (optical axis direction) determined to be 0.72 [mu] m using a Q 12, can provide a sufficient amount of displacement ΔL of the wavelength variable 100 nm.

(エアエタロンを傾ける効果)
実施形態1において、光軸に対してエアエタロンを傾ける効果について説明する。
(Effect of tilting the air etalon)
In the first embodiment, the effect of tilting the air etalon with respect to the optical axis will be described.

図1において、第3の高反射ミラー3の反射面に対して垂直入射となるように波長可変ミラー10に平行光を入射させたときに、第3の高反射ミラー3で反射されて入射光と同じ光路を経て波長可変ミラー10から出射する光線を実線の矢印で、また、エアエタロンの第1の高反射ミラー1の反射面および第2の高反射ミラー2の反射面等で反射されて波長可変ミラーから出射する光線を破線で示している。   In FIG. 1, when parallel light is incident on the wavelength tunable mirror 10 so as to be perpendicularly incident on the reflection surface of the third high reflection mirror 3, the incident light is reflected by the third high reflection mirror 3. The light beam emitted from the wavelength tunable mirror 10 through the same optical path is reflected by a solid arrow, the reflection surface of the first high reflection mirror 1 of the air etalon, the reflection surface of the second high reflection mirror 2, and the like. Light rays emitted from the variable mirror are indicated by broken lines.

第1の高反射ミラー1の反射面および第2の高反射ミラー2の反射面と、第3の高反射ミラー3の反射面とは、傾斜角θを成すため、エアエタロンの第1の高反射ミラー1の反射面および第2の高反射ミラー2の反射面で反射された光と、第3の高反射ミラー3で反射された光の進行方向は異なる。   Since the reflection surface of the first high reflection mirror 1 and the reflection surface of the second high reflection mirror 2 and the reflection surface of the third high reflection mirror 3 form an inclination angle θ, the first high reflection of the air etalon is performed. The traveling direction of the light reflected by the reflecting surface of the mirror 1 and the reflecting surface of the second highly reflecting mirror 2 is different from that of the light reflected by the third highly reflecting mirror 3.

第1の高反射ミラー1と第3の高反射ミラー3とによる多重反射光、および、第2の高反射ミラー2と第3の高反射ミラー3とによる多重反射光も同様に、第3の高反射ミラー3で反射された光とは、進行方向が異なる。したがって、第3の高反射ミラー3に垂直に入射し、入射光と同じ光路に反射された光のみを分離して取り出すことができ、高精度な波長選択ができる波長可変ミラー10が実現できる。   Similarly, the multiple reflection light by the first high reflection mirror 1 and the third high reflection mirror 3 and the multiple reflection light by the second high reflection mirror 2 and the third high reflection mirror 3 are the same as the third reflection light. The traveling direction is different from the light reflected by the high reflection mirror 3. Therefore, it is possible to realize the wavelength tunable mirror 10 that can separate and extract only the light that is perpendicularly incident on the third high-reflecting mirror 3 and reflected on the same optical path as the incident light, and can perform wavelength selection with high accuracy.

第1の高反射ミラー1および第2の高反射ミラー2は、高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層した多層反射膜として構成され、広い波長帯域でフィネスに応じて反射率は決定される。第1の高反射ミラーと第2の高反射ミラーは、入射光の全波長帯域で光を反射するような特性を持つ。   The first high-reflection mirror 1 and the second high-reflection mirror 2 are configured as multilayer reflection films in which high-refractive index dielectric films and low-refractive index dielectric films are alternately stacked, and according to finesse in a wide wavelength band. Thus, the reflectance is determined. The first high reflection mirror and the second high reflection mirror have characteristics that reflect light in the entire wavelength band of incident light.

第3の高反射ミラー3も同様に高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層した多層反射膜として構成される。高反射ミラー3は、FSRの波長幅以下の通過帯域幅で所望の高反射率(分光反射率特性)を有する、エアエタロンとは別の反射型のバンドパスフィルターとして設計することができる。   Similarly, the third high reflection mirror 3 is configured as a multilayer reflection film in which high refractive index dielectric films and low refractive index dielectric films are alternately laminated. The high reflection mirror 3 can be designed as a reflection type bandpass filter different from the air etalon, having a desired high reflectance (spectral reflectance characteristic) with a pass band width equal to or smaller than the wavelength width of the FSR.

あるいは、このようなバンドパスフィルタ特性に対応する分光反射率特性を、同様に多層反射膜で構成した第1または第2の高反射ミラーのいずれかに設けて設計しても良い。   Alternatively, a spectral reflectance characteristic corresponding to such a bandpass filter characteristic may be provided in either the first or second high-reflecting mirror that is similarly configured with a multilayer reflective film.

すなわち、第1から第3の高反射ミラーのうちの少なくとも一つは、入射光に対してFSRの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有するものとできる。   That is, at least one of the first to third high reflection mirrors can have a spectral reflectance characteristic of a desired pass bandwidth that is equal to or smaller than the wavelength width of the FSR with respect to incident light.

(実施形態2:波長可変レーザ)
以下では、本発明の実施形態2として、本発明の実施形態1に係る波長可変ミラー10を用いた波長可変レーザ20について説明する。図2は、本発明の実施形態2に係る波長可変レーザ20の構成を示す模式図である。
(Embodiment 2: wavelength tunable laser)
Hereinafter, a tunable laser 20 using the tunable mirror 10 according to the first embodiment of the present invention will be described as a second embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration of the wavelength tunable laser 20 according to the second embodiment of the present invention.

本発明の実施形態に係る波長可変レーザ20は、レーザ共振器の2つの反射面を構成する波長可変ミラー10およびレーザ共振器用の光出力ミラー21 と、2つの反射面の間の光路上に設けられて光増幅を行う光増幅用の利得媒体23とを備える。   The tunable laser 20 according to the embodiment of the present invention is provided on the optical path between the tunable mirror 10 and the laser output optical mirror 21 constituting the two reflecting surfaces of the laser resonator, and the two reflecting surfaces. And an optical gain medium 23 for optical amplification.

利得媒体23は波長可変ミラー10と光出力ミラー21との間に設けられ、例えば、半導体光増幅素子によって構成される。光出力ミラー21は、波長可変帯域で光を部分的に透過させ、部分的に反射する分光特性(分光反射率特性)を有する。   The gain medium 23 is provided between the wavelength tunable mirror 10 and the optical output mirror 21, and is configured by, for example, a semiconductor optical amplifier. The light output mirror 21 has spectral characteristics (spectral reflectance characteristics) that partially transmit and partially reflect light in the wavelength variable band.

ここで、波長可変ミラー10の第1の高反射ミラー1が利得媒体23側に面するとともに、第3の高反射ミラー3と光出力ミラー21とによってレーザ共振器が構成されるように、これらの反射面を平行に配置する。また、図示しない交流電源は、交流電圧を発生し、発生した交流電圧を電極11,12を介して強誘電体結晶(KTN結晶6)に印加する。   Here, the first high reflection mirror 1 of the wavelength tunable mirror 10 faces the gain medium 23 side, and the third high reflection mirror 3 and the light output mirror 21 constitute a laser resonator. Are arranged in parallel. An AC power source (not shown) generates an AC voltage and applies the generated AC voltage to the ferroelectric crystal (KTN crystal 6) via the electrodes 11 and 12.

なお、利得媒体23に半導体光増幅素子を用いるとき、半導体光増幅素子と光ビームの結合効率を所定値以上に確保するため、集光レンズ等をレーザ共振器内に配置してもよい。また、利得媒体23の波長可変ミラー10側の面には、反射防止膜22を設けている。   When a semiconductor optical amplifying element is used as the gain medium 23, a condensing lens or the like may be disposed in the laser resonator in order to ensure the coupling efficiency between the semiconductor optical amplifying element and the light beam above a predetermined value. An antireflection film 22 is provided on the surface of the gain medium 23 on the wavelength tunable mirror 10 side.

波長可変ミラー10を波長可変レーザ20の共振器用のミラーとして用いることにより、所望の波長帯域に限定して発振閾値を超える利得が得られるようにできる。その結果、波長可変レーザ20は、所望の波長帯の波長のみのレーザ光を出射することとなる。ここで、波長可変ミラー10を構成する強誘電体結晶6に交流電圧を印加し、その印加電圧を調整することにより、レーザ出射光の波長を変化させる波長可変レーザ20とすることができる。   By using the wavelength tunable mirror 10 as a mirror mirror for the resonator of the wavelength tunable laser 20, it is possible to obtain a gain exceeding the oscillation threshold only in a desired wavelength band. As a result, the wavelength tunable laser 20 emits laser light having only a wavelength in a desired wavelength band. Here, by applying an AC voltage to the ferroelectric crystal 6 constituting the wavelength tunable mirror 10 and adjusting the applied voltage, the wavelength tunable laser 20 that changes the wavelength of the laser emission light can be obtained.

このように、本発明の第2の実施の形態に係る波長可変レーザ20では、従来の波長可変レーザに比して、高速波長可変かつ高コヒーレンス長を有する波長可変レーザを実現できる。   As described above, the wavelength tunable laser 20 according to the second embodiment of the present invention can realize a wavelength tunable laser having a high speed wavelength tunable and a high coherence length as compared with the conventional wavelength tunable laser.

以下、本発明の実施形態1に係る波長可変ミラー10および本発明の実施形態2に係る波長可変レーザ20の具体的な実施例について、さらに説明する。   Specific examples of the wavelength tunable mirror 10 according to the first embodiment of the present invention and the wavelength tunable laser 20 according to the second embodiment of the present invention will be further described below.

(実施例1:波長可変ミラー)
図1の、本発明の実施形態1である波長可変ミラー10の実施例1を説明する。前述のようにエアエタロンを構成する一方のミラーは、透明な石英で構成された平行平面基板5上に誘電多層膜からなる第1の高反射ミラー1として形成した。もう一方の第2の高反射ミラー2は、透明な石英で構成された楔形基板8に同様の誘電多層膜からなる高反射ミラー2として形成した。ここで楔形基板8の頂角θは3°とした。
(Example 1: Variable wavelength mirror)
Example 1 of the wavelength tunable mirror 10 according to Embodiment 1 of the present invention shown in FIG. 1 will be described. As described above, one of the mirrors constituting the air etalon was formed as the first highly reflective mirror 1 made of a dielectric multilayer film on the parallel flat substrate 5 made of transparent quartz. The other second high reflection mirror 2 was formed as a high reflection mirror 2 made of a similar dielectric multilayer film on a wedge-shaped substrate 8 made of transparent quartz. Here, the apex angle θ of the wedge-shaped substrate 8 was 3 °.

平行平面基板5の他方の面には反射防止膜4が形成され、楔形基板8にはバンドパスフィルタ高反射ミラー(第3の高反射ミラー3)を形成した。第1と第2の反射ミラーの反射率Rとしては、フィネス1000を実現するために0.997とした。   An antireflection film 4 was formed on the other surface of the parallel plane substrate 5, and a bandpass filter high reflection mirror (third high reflection mirror 3) was formed on the wedge-shaped substrate 8. The reflectivity R of the first and second reflecting mirrors was set to 0.997 in order to realize the finesse 1000.

図1に示すように、KTN結晶6の両側面には駆動用の電極11,12(Pt/Au)を、蒸着法ないしはスパッタ法により形成した。電極付KTN結晶6の電極に垂直な面には、楔形基板8の底面に形成されたバンドパスフィルタ特性を有する第3の高反射ミラー3を接合した。ここでは接着剤を用いて接着した。KTN結晶6は立方晶を保つように温度制御され所望の誘電率を保つようにしてある。温度制御の方法としては、KTN結晶6に直接ペルチェ素子7を接着し、結晶温度を約30℃にて温調した。この時の比誘電率は17500であった。   As shown in FIG. 1, driving electrodes 11 and 12 (Pt / Au) were formed on both sides of the KTN crystal 6 by vapor deposition or sputtering. A third high reflection mirror 3 having a bandpass filter characteristic formed on the bottom surface of the wedge-shaped substrate 8 was joined to a surface perpendicular to the electrode of the electrode-attached KTN crystal 6. Here, bonding was performed using an adhesive. The temperature of the KTN crystal 6 is controlled so as to maintain a cubic crystal so as to maintain a desired dielectric constant. As a temperature control method, the Peltier element 7 was directly bonded to the KTN crystal 6 and the crystal temperature was controlled at about 30 ° C. The relative dielectric constant at this time was 17500.

KTN結晶6の具体的な結晶サイズとしては、3mm X 4mm X 1mmtとし、1mmtの方向に電圧を印加するため、3mm X 4mmの面に上記の電極11,12を全面に具備させた。   The specific crystal size of the KTN crystal 6 was 3 mm × 4 mm × 1 mmt, and the electrodes 11 and 12 were provided on the entire surface of 3 mm × 4 mm in order to apply a voltage in the direction of 1 mmt.

第1の高反射ミラー1と、第2の高反射ミラー2間のエアギャップ9を7.8μmにするため、ミラー間の平行度およびギャップ長さをモニタしながら、第1のミラー1が形成された石英製の平行平面基板5を支持する固定部材13,14と、第2のミラー2が形成された石英製の楔形基板8を支持するKTN結晶6を、各々筐体16の対向する内面の壁に固定した。   In order to set the air gap 9 between the first high reflection mirror 1 and the second high reflection mirror 2 to 7.8 μm, the first mirror 1 is formed while monitoring the parallelism and the gap length between the mirrors. The fixing members 13 and 14 for supporting the parallel plane substrate 5 made of quartz and the KTN crystal 6 for supporting the wedge-shaped substrate 8 made of quartz on which the second mirror 2 is formed are respectively provided on the opposing inner surfaces of the housing 16. Fixed to the wall.

平行平面基板5を支持する固定部材13,14は、筐体16の光学窓15を塞がない位置に固定する。あるいは、透明部材で一体の固定部材として構成して、入射光の光路を固定部材の内部に確保してもよい。あるいは、図5の別の実施例と同様に、楔形基板8と同様な形状の石英製の楔形基板8aを逆向きに取り付けてもよい。   The fixing members 13 and 14 that support the parallel flat substrate 5 fix the optical window 15 of the housing 16 at a position where the optical window 15 is not blocked. Alternatively, a transparent member may be configured as an integral fixing member, and an optical path of incident light may be secured inside the fixing member. Alternatively, a quartz wedge-shaped substrate 8a having the same shape as the wedge-shaped substrate 8 may be attached in the reverse direction, as in the other embodiment of FIG.

また、図1のようにKTN結晶6と筐体16の間には、温度制御手段として温度調整用のペルチェ素子7を介挿して固定してもよい。ペルチェ素子7はKTN結晶6の側面に配置してもよい。   Further, as shown in FIG. 1, a temperature adjusting Peltier element 7 may be interposed between the KTN crystal 6 and the housing 16 as a temperature control means. The Peltier element 7 may be disposed on the side surface of the KTN crystal 6.

(波長可変ミラーの光学特性)
図3(a)は、バンドパスフィルタ特性のない通常のエアエタロンの波長対透過率の光学特性を示す図である。FSRの間隔で離れた波長位置に、複数の透過率ピークを有する。
(Optical characteristics of tunable mirror)
FIG. 3 (a) is a diagram showing the optical characteristics of wavelength versus transmittance of a normal air etalon without bandpass filter characteristics. It has a plurality of transmittance peaks at wavelength positions separated by the FSR interval.

一方、図3(b)は、上記で説明した方法で作製された本発明の実施形態1の、バンドパスフィルタ特性を有する第3の高反射ミラー3を設けた波長可変エタロン(波長可変ミラー10)の光透過特性示す図である。第3の高反射ミラーによる点線に図示したFSRの波長幅以下の所望の通過帯域幅のバンドパスフィルタ特性(分光反射率特性)があることで、中央のピーク以外は抑圧されており、波長を変えても唯一の透過率ピークしか示さない。KTN結晶への印加電圧を0V〜400Vまで変化させることにより、この透過率ピークはフィネス約1000で1250 nmから1350 nm まで変化することができる。   On the other hand, FIG. 3 (b) shows a wavelength tunable etalon (wavelength tunable mirror 10) provided with a third highly reflective mirror 3 having bandpass filter characteristics according to the first embodiment of the present invention manufactured by the method described above. FIG. Since there is a bandpass filter characteristic (spectral reflectance characteristic) of a desired pass bandwidth equal to or smaller than the wavelength width of the FSR shown in the dotted line by the third high reflection mirror, the peaks other than the central peak are suppressed, and the wavelength is suppressed. Even if it is changed, only the transmittance peak is shown. By changing the voltage applied to the KTN crystal from 0 V to 400 V, this transmittance peak can vary from 1250 nm to 1350 nm with a finesse of about 1000.

(実施例2:波長可変レーザの特性)
図4に、本発明の実施例2に係る波長可変レーザ20(図2)の特性について説明する。
(Example 2: Characteristics of wavelength tunable laser)
FIG. 4 illustrates characteristics of the wavelength tunable laser 20 (FIG. 2) according to the second embodiment of the present invention.

この実施例2では、レーザ共振器用の光出力ミラー21として、1250 nm から1350 nm までの波長域で、反射率が10%で残りの90%は透過する分光特性(バンドパスフィルタ特性、分光反射率特性)を有するものを用いる。   In the second embodiment, the optical output mirror 21 for the laser resonator is a spectral characteristic (bandpass filter characteristic, spectral reflection) in which the reflectance is 10% and the remaining 90% is transmitted in the wavelength region from 1250 nm to 1350 nm. The one having a rate characteristic) is used.

また、利得媒体23として、図4(a) に示すように、1230 nm から1370 nm までの波長帯域で高い光利得を有する半導体光増幅素子を用いる。   Further, as the gain medium 23, as shown in FIG. 4A, a semiconductor optical amplifying element having a high optical gain in a wavelength band from 1230 nm to 1370 nm is used.

光増幅を行う利得媒体23の半導体光増幅素子に、図示しない電極より電流を注入し注入電流を増加させると、利得媒体23の光利得が増加してレーザ共振器内の光損失と利得媒体の光利得とによって決まるレーザ発振閾値に達し、レーザ発振が起こり、レーザ発振光が光出力ミラー21側から出射する。   When a current is injected from an electrode (not shown) into the semiconductor optical amplifying element of the gain medium 23 that performs optical amplification to increase the injection current, the optical gain of the gain medium 23 increases, and the optical loss in the laser resonator and the gain medium A laser oscillation threshold determined by the optical gain is reached, laser oscillation occurs, and laser oscillation light is emitted from the light output mirror 21 side.

従って、この光出力ミラー21の波長範囲を、図4(b)の点線ように1250 nm から1350 nmに設定しておくと、この範囲でのみレーザ発振するようにできる。   Therefore, if the wavelength range of the light output mirror 21 is set from 1250 nm to 1350 nm as shown by the dotted line in FIG. 4B, laser oscillation can be performed only in this range.

図4(c)は、波長可変ミラー10を構成するKTN結晶6に印加する電圧Vを変化させたときの、レーザ出力光の波長変化を示す図である。電圧を印加するとギャップ長は伸びるため電圧を印加するにつれて短波長から長波長への掃引がおきる。本発明では、KTN結晶6に周波数200kHzのノコギリ波を印加し波長掃引を行うことができた。   FIG. 4C is a diagram showing the wavelength change of the laser output light when the voltage V applied to the KTN crystal 6 constituting the wavelength tunable mirror 10 is changed. When a voltage is applied, the gap length increases, so that a sweep from a short wavelength to a long wavelength occurs as the voltage is applied. In the present invention, a wavelength sweep can be performed by applying a sawtooth wave having a frequency of 200 kHz to the KTN crystal 6.

印加する電界の2乗に比例してギャップ長は伸長するため、電圧の2乗に比例した波長掃引を確認できた。400 Vの電圧印加で100 nmを超える波長可変特性を実現可能なことを確認できた。さらに、コヒーレンス長は、数cm以上であることを確認できた。   Since the gap length increased in proportion to the square of the applied electric field, wavelength sweeping proportional to the square of the voltage could be confirmed. It was confirmed that a wavelength variable characteristic exceeding 100 nm can be realized by applying a voltage of 400 V. Furthermore, it was confirmed that the coherence length was several cm or more.

本発明の波長可変ミラーおよび波長可変レーザにより、高フィネスで高速広帯域の波長可変ミラー、高コヒーレンス長を有し高速広帯域の波長可変レーザ、波長掃引光源を実現でき、レーザ加工、顕微鏡、プリンタ、ディスプレイ、光通信、センシング、医療計測のなどの光学機器に利用することができる。   The wavelength tunable mirror and wavelength tunable laser of the present invention can realize a high-finesse, high-speed wide-band tunable mirror, a high-speed wide-band tunable laser and a wavelength swept light source with a high coherence length, laser processing, microscope, printer, display It can be used for optical devices such as optical communication, sensing, and medical measurement.

1 第1の高反射ミラー
2 第2の高反射ミラー
3 第3の高反射ミラー
4 反射防止膜
5 平行平面基板
6 KTN結晶
7 ペルチェ素子
8、8a 楔形基板
9 エアギャップ
10 波長可変ミラー
11,12 電極
13,14 固定部材
15 光学窓
16 筐体
20 波長可変レーザ
21 光出力ミラー
22 反射防止膜
23 利得媒体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st high reflection mirror 2 2nd high reflection mirror 3 3rd high reflection mirror 4 Antireflection film 5 Parallel plane substrate 6 KTN crystal 7 Peltier device 8, 8a Wedge-shaped substrate 9 Air gap 10 Wavelength variable mirrors 11, 12 Electrodes 13 and 14 Fixing member 15 Optical window 16 Housing 20 Wavelength variable laser 21 Optical output mirror 22 Antireflection film 23 Gain medium

Claims (9)

エアギャップを挟んで平行に対向する第1の高反射ミラーおよび第2の高反射ミラーを有し、所定の波長の入射光を透過させるエアエタロンと、
前記エアエタロンを透過した入射光を反射する第3の高反射ミラーと、
前記第1の高反射ミラーまたは前記第2の高反射ミラーを入射光の光軸方向に機械的に駆動する機構とを備えた波長可変ミラーであって、
前記第3の高反射ミラーの反射面が前記入射光の光軸に垂直であり、前記第1の高反射ミラーの反射面および前記第2の高反射ミラーの反射面は前記入射光の光軸に垂直な面に対して傾斜して配置される
ことを特徴とする波長可変ミラー。
An air etalon having a first high reflection mirror and a second high reflection mirror facing in parallel across an air gap and transmitting incident light of a predetermined wavelength;
A third highly reflective mirror that reflects incident light transmitted through the air etalon;
A wavelength tunable mirror comprising: a mechanism for mechanically driving the first high reflection mirror or the second high reflection mirror in an optical axis direction of incident light,
The reflective surface of the third highly reflective mirror is perpendicular to the optical axis of the incident light, and the reflective surface of the first highly reflective mirror and the reflective surface of the second highly reflective mirror are the optical axes of the incident light. A wavelength tunable mirror, wherein the mirror is arranged to be inclined with respect to a plane perpendicular to.
前記第1から第3の高反射ミラーのうちの少なくとも一つは、前記入射光に対して前記エアエタロンのFSRの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の波長可変ミラー。
At least one of the first to third high-reflection mirrors has a spectral reflectance characteristic of a desired pass bandwidth that is equal to or less than the wavelength width of the FSR of the air etalon with respect to the incident light. The tunable mirror according to claim 1.
前記駆動する機構は、
電歪効果ないし逆圧電効果を有する強誘電体材料を有し、前記強誘電体材料に電圧を印加して前記入射光の光軸方向に発生する機械的歪みにより、前記エアエタロンの前記エアギャップの間隔を変化させる
ことを特徴とする請求項1または2に記載の波長可変ミラー。
The driving mechanism is
A ferroelectric material having an electrostrictive effect or an inverse piezoelectric effect, and a mechanical strain generated in an optical axis direction of the incident light by applying a voltage to the ferroelectric material, thereby causing the air gap of the air etalon to The wavelength tunable mirror according to claim 1, wherein the interval is changed.
前記第1の高反射ミラーは、前記入射光の光軸垂直面に対して傾斜支持された平行平面基板上に設けられ、
前記第2の高反射ミラーは、楔形基板の光入射側の面上に設けられ、
前記第3の高反射ミラーは、前記楔形基板の前記光入射側の面に対向する面に設けられた
ことを特徴とする請求項3に記載の波長可変ミラー。
The first high-reflection mirror is provided on a parallel plane substrate that is tilted and supported with respect to a plane perpendicular to the optical axis of the incident light,
The second high reflection mirror is provided on the light incident side surface of the wedge-shaped substrate,
4. The wavelength tunable mirror according to claim 3, wherein the third high reflection mirror is provided on a surface of the wedge-shaped substrate facing the light incident side surface. 5.
前記強誘電体材料はKTN結晶であり、
前記KTN結晶を立方晶に保つように温度制御する温度制御手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項3ないし4のいずれか1項に記載の波長可変ミラー。
The ferroelectric material is a KTN crystal;
5. The wavelength tunable mirror according to claim 3, further comprising a temperature control unit configured to control the temperature of the KTN crystal so as to maintain a cubic crystal.
前記第1の高反射ミラーと前記第2の高反射ミラーは、前記入射光の全波長帯域で光を反射する分光反射率特性を有し、
前記第3の高反射ミラーは、前記入射光に対して前記エアエタロンのFSRの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有する
ことを特徴とする請求項2ないし5のいずれか1項に記載の波長可変ミラー。
The first high reflection mirror and the second high reflection mirror have spectral reflectance characteristics that reflect light in the entire wavelength band of the incident light,
6. The third high-reflection mirror according to claim 2, wherein the third high-reflection mirror has a spectral reflectance characteristic of a desired pass bandwidth that is equal to or less than a wavelength width of the FSR of the air etalon with respect to the incident light. The wavelength tunable mirror described in the item.
平行に対向する2つの反射面を有する共振器と、前記2つの反射面の間の光路上に設けられて光増幅を行う利得媒体とを備え、
前記共振器は、請求項1ないし6のいずれか1項に記載の波長可変ミラーを有し、前記共振器が有する2つの前記反射面のうち少なくとも1つの前記反射面が、前記波長可変ミラーが有する第3の高反射ミラーの反射面で構成され、印加する電圧に応じて選択的に出射光の波長を制御することを特徴とする波長可変レーザ。
A resonator having two reflective surfaces opposed in parallel, and a gain medium provided on the optical path between the two reflective surfaces for performing optical amplification;
The resonator includes the tunable mirror according to any one of claims 1 to 6, wherein at least one of the two reflecting surfaces of the resonator includes the tunable mirror. A wavelength tunable laser comprising a reflecting surface of a third highly reflecting mirror having a wavelength, and selectively controlling the wavelength of emitted light in accordance with an applied voltage.
前記共振器が有する2つの前記反射面のうち光出力側の反射面が、所定の波長帯域幅で透過する分光反射率特性を有する光出力ミラーで構成される
ことを特徴とする請求項7に記載の波長可変レーザ。
8. The light output side reflection surface of the two reflection surfaces of the resonator is composed of a light output mirror having a spectral reflectance characteristic that transmits in a predetermined wavelength bandwidth. The tunable laser described.
前記利得媒体が所定の波長帯域で高い光利得を有する半導体光増幅素子で構成される
ことを特徴とする請求項7または8記載の波長可変レーザ。
9. The wavelength tunable laser according to claim 7, wherein the gain medium comprises a semiconductor optical amplifying element having a high optical gain in a predetermined wavelength band.
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