JP4372440B2 - 発振波長可変セル及びそれを用いた発振波長可変レーザ装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる波長の光を出力する波長可変方法及び装置と波長可変セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力する光の波長を制御できる波長可変装置、例えば波長可変レーザ装置が種々提案されている。これら既存の波長可変装置は、発振波長を切り換えるために、例えば、１対の共振器ミラーの一方に回折格子を利用すると共にこの回折格子の角度を機械的に変化させる方式、又は共振器内に光学部品（例えば、プリズム、フィルタ、エタロン、複屈折板）を配置すると共にこの光学部品の位置や角度を機械的に変化させる方式を採用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の波長可変装置は、回折格子や光学部品を機械装置によって回転又は移動している。そのために、波長可変装置の構成が複雑になり、また大型化するという問題があった。また、回折格子や光学部品を機械的に移動させているため、波長掃引速度が遅く（例えば、数ミリ秒〜数秒）、光通信などの高速性が要求される分野に利用できないという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は従来の波長可変装置が抱えているこれらの問題を解消し、出力する波長の切り換えを短時間で行うことができる新たな方法及び装置を提供することを目的としてなされたものである。
【０００５】
具体的に説明すると、本発明に係る第１の発振波長可変セルは、屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、一次元周期構造の中に導入され、置かれている場（例えば、電場、磁場、光場、温度場）の強度に応じて屈折率が変化する第１の物質を含む欠陥構造層とを備えており、一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化する。欠陥構造層は、さらに、入射光によって励起される第２の物質を含み、前記第２の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる。また、本発明に係る第２の発振波長可変セルは、屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、一次元周期構造の中に導入され、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化する第１の物質を含む欠陥構造層と、一次元周期構造内に導入され、入射光により励起される第２の物質を含む活性媒質層とを備えており、一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有する。欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化し、前記第２の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる。本発明の好ましい形態において、欠陥構造は、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化する第１の物質を有する。この第１の物質には、液晶（ＬＣ）、π共役系高分子、電気光学効果を示す材料、サーモクロミズム材料、フォトクロミック分子、非線形光学材料、フォトリフラクティブ材料又は光反応性液体材料が利用される。第２の物質には、発光性色素又はπ共役系高分子が含まれる。
【０００６】
本発明に係る第３の発振波長可変セルは、屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、前記一次元周期構造の中に導入され、第１の物質を含む欠陥構造層とを備えており、前記一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、前記欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化する。前記第１の物質は、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化するとともに、入射光によって励起される物質であり、前記第１の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる。前記第１の物質はフォトクロミック分子および非線形光学材料のいずれか一つである。
【０００７】
本発明の発振波長可変レーザ装置は、（ａ）場の強度に応じてレーザ発振の波長を変化できる上述の発振波長可変セルと、（ｂ）前記波長可変セル内の前記一次元周期構造と欠陥構造層を透過する励起光を前記発振波長可変セルに出射する光源と、（ｃ）前記光源と前記波長可変セルとの間の光路に配置される第１偏光素子と、（ｄ）前記発振波長可変セルが置かれている前記場の強度を調整する強度調整装置と、（ｅ）前記発振波長可変セルの出射側光路に配置される第２偏光素子、および、（ｆ）前記発振波長可変セルの出射側光路に配置され、出射された前記励起光をカットする励起光カットフィルタとを備え、前記場の強度に応じてレーザ発振の波長を変化できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【０００９】
図１は、本発明に係る波長可変セルの断面を示す。この図に示すように、波長可変セル１０は、透光性の一次元周期構造（一次元フォトニック結晶構造）１２と、この周期構造１２の中に組み込まれた透光性の欠陥構造（欠陥層）１４を備えている。周期構造１２は、第１の屈折率を有する第１の誘電体層１６と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第２の誘電体層１８とを交互に配置して誘電体多層膜に形成されており、これにより周期構造１２にフォトニックバンドギャップ特性が与えられている。当業者には良く知られていることであるが、フォトニックバンドギャップの波長領域は、誘電体層の屈折率、厚さ、配列数によって決まる。本実施の形態において、欠陥構造１４は、周期構造１２のほぼ中央に位置する第１の誘電体層１６又は第２の誘電体層１８のいずれか一方に置換された状態で配置されている。また、本実施の形態では、欠陥構造１４を挟んでその両側にそれぞれ５つの誘電体層１６，１８を交互に配置しているが、両側の誘電体層の数や順序は図示する例に限るものでない。
【００１０】
欠陥構造１４は、周期構造１２の周期性に乱れを与えることでフォトニックバンドギャップの波長領域に欠陥モード（この波長領域に透過スペクトル）を発現させる。欠陥モードの波長や数は、欠陥構造の屈折率、厚さによって変化する。本実施の形態において、欠陥構造１４は、その物の置かれている場（例えば、電場、磁場、光場、温度場）の強度に応じて屈折率が変化する物質（第１の物質）を含む。例えば、第１の物質として、液晶、π共役系高分子、電気光学効果を示す材料、サーモクロミズム材料、フォトクロミック分子、非線形光学材料、フォトリフラクティブ材料、光反応性液体材料が利用できる。
【００１１】
図示する例では、欠陥モードを制御するために電場の強度を変化させる方法を採用している。そのため、周期構造１２の両最外層上にそれぞれ透光性の電極２０，２２が配置されており、これらの電極２０，２２に印加する電圧を調整することで欠陥構造１２に含まれる第１の物質の屈折率を変化させるようにしてある。電極２０，２２の配置場所は図示する実施例に限るものでなく、周期構造１２の内部に設けてもよい。電極には櫛状電極を用いることもでき、その場合は欠陥構造１４の中に正極電極と負極電極が交互に並ぶように、櫛状電極を配置するのが好ましい。この場合、櫛状電極は、透明電極である必要はない。
【００１２】
また、磁場の強度を変化させる場合は、電極２０，２２に代えてセル１０の周囲にコイルを配置すればよい。同様に、光場や温度場を変化させる場合は、欠陥構造１４に加える光や熱の強度を調整できる装置をセル１０の周囲又は内部に配置すればよい。
【００１３】
欠陥構造１４はまた、第１の物質に入射された光によってレーザ光を発振させるように、光によって励起される第２の物質（活性媒質）を含む。例えば、第２の物質として、発光性色素、π共役系高分子がある。上述のように、第１の物質として液晶を用いる場合、第２の物質として色素が液晶中に添加（溶解）される。この色素は、セル１０に入射される励起光に応じて適当な材料が選択される。
【００１４】
本実施の形態のセル１０はまた、電極２０，２２を保護するためにその外側に透明基板２４，２６を備えている。
【００１５】
このような構成を有する波長可変セル１０によれば、透明基板２４，２６からセル１０に入射された光は、周期構造１２と欠陥構造１４を透過する。このとき、欠陥構造１４が無ければ、周期構造１２の特性によって定まるフォトニックバンドギャップの波長領域にある光の透過が遮断される。しかし、欠陥構造１４が存在することにより、その欠陥構造１４の性質などから定まる特定の波長の光がセル１０から出力する欠陥モードが発現する。また、例えば、電極２０，２２の間に印加する電圧を調整することによって場の強度を変化させると、それに応じてセル１０から出力する光の波長が変化する。さらに、欠陥構造１４が第２の物質を含む場合、欠陥モード波長のレーザ光が発振する。したがって、この波長可変セル１０によれば、場の強度を調整することによってセルから出力される光又はレーザ光の波長を変化させることができる。当然、場の強度を変化させる速度は高速で行えるため、波長の切換は高速で行える。
【００１６】
【実施例１】
波長可変セルを作成し、このセルから出力される光の波長が変化することを確認した。試験に用いたセルは、まず、透明ガラス基板の表面に、透明電極層と、透明電極層の上に二酸化ケイ素ＳｉＯ２（屈折率 ｎ１＝１．４６）と酸化チタンＴｉＯ２（屈折率 ｎ２＝２．３５）を交互に５層づつ積層した積層誘電体層と、配向膜としてのポリイミド層を配置したセルブロック（図１に符号１２ａ，１２ｂで示されている。）を２つ用意し、次に、これらの２つのセルブロックをガラス基板の反対側にある配向膜を所定の大きさの隙間をあけて対向するように配置し、最後にその隙間に液晶を充填して作成した。
【００１７】
二酸化ケイ素と酸化チタンの厚さ（ｄ１，ｄ２）はそれぞれ１０３ｎｍ、６４ｎｍとした。ここで、フォトニックバンドギャップの波長領域における中心波長（λ０）は、２種類の誘電体層の屈折率（ｎ１，ｎ２）と厚さ（ｄ１，ｄ２）を用いて、以下の式（１）で表わされる。
【数１】
この式（１）によれば、誘電体層として二酸化ケイ素ＳｉＯ２（屈折率 ｎ１＝１．４６、厚さ ｄ１＝１０３ｎｍ）と酸化チタンＴｉＯ２（屈折率 ｎ２＝２．３５、厚さ ｄ２＝６４ｎｍ）を用いた場合、フォトニックバンドギャップの波長領域の中心波長λ０は約６００ｎｍである。
【００１８】
電極にはインジウム-スズ酸化物（ＩＴＯ）を用いた。欠陥構造の厚さ（隙間）は１μｍとし、そこにはネマチック液晶（メルク社製、製品番号Ｅ４７）を充填した。また、セルを二つ用意し、一方のセルに充填された液晶には、色素［２−［２−［４−ジメチルアミノフェニル］エテニル］−６−メチル−４Ｈ−ピラン−４−イリデン］プロパンジニトリル（以下、「ＤＣＭ」という。）を０．５ｗｔ％の割合で添加した。
【００１９】
ＩＴＯ透明電極層は、ガラス基板の上にスパッタリングで成膜した。同様に、二酸化ケイ素と酸化チタンの誘電体層もスパッタリングで成膜した。配向膜は、誘電体層上にポリイミドをスピンコートした後、所定の温度条件で焼成し、ラビング処理を施した。ポリイミドには日本合成ゴム社製のＡＬ１２５４を使用し、１５０℃で１時間焼成した。
【００２０】
ガラス基板に電極層、誘電体層、配向膜を形成した２つのセルブロックを対向させ、両者の間にスペーサボールを挟持して１μｍの隙間を形成した。液晶は、毛細管現象を利用して常温で隙間に充填した。その後、液晶分子をラビング方向に平行に配向するために、液晶が等方相（等方性液体相）となる温度まで加熱し、再び室温まで徐冷した。
【００２１】
このようにして形成されたセルのうち、液晶に色素を添加していないセルを、図２及び図３に示す波長可変装置に組み入れた。図２（ａ）に示されるように、この波長可変装置３０において、光源には白色光源（タングステンランプなど）３２を使用した。電極層２０，２２に電圧を印加するために、ファンクションジェネレータ３４を用いた。光源３２から出射された光をセル３６に導く入射光学系３８には、偏光素子４２を組み入れた。その他、波長可変レーザ装置波長変換装置３０のセル３６から出射した光の分光特性を測定するために、ＣＣＤマルチチャンネル分光器（分解能３ｎｍ）４４を利用した。
【００２２】
図２（ｂ）は、セル３６の断面を示す。図２（ｂ）において、図１の波長可変セル１０と同一の構成要素には同一の符号を付す。図２（ｂ）のセル３６において、欠陥層１４は、液晶とその液晶を配向させる配向膜４８，５０を含むことが明示されている。
【００２３】
図３は、図２（ａ）に示された波長可変装置３０の構成要素のうち、セル３６と、偏光素子４２と、ファンクションジェネレータ３４を抽出して示す。セル３６に電圧を印加しない場合、欠陥層１４中の液晶は、セル面に平行な方向（ラビング方向）に配向されている。
【００２４】
液晶に色素を添加していないセルに対し、１ｋＨｚの矩形波を利用して電極層２０，２２に印加する電圧を０Ｖ〜９Ｖまで連続的に変化させ、セルを透過した光のスペクトルを測定した。図４は、透過スペクトルの電圧依存性を示す。この図から明らかなように、いずれの電圧条件においても、ストップバンドは５２０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲に現れ、バンド幅は変化しなかった。しかし、電圧０Ｖでは欠陥モードが４箇所存在したが、電圧８Ｖでは欠陥モードが３箇所に減少した。これは、電圧印加によって、ネマチック液晶がセル面に垂直方向に再配向することにより屈折率が減少して光学距離が短くなり、そのためにモードの数が減少したものと考えられる。同様に、電圧が２Ｖ、４Ｖの透過スペクトルも図４に示す。これらの結果より、欠陥モード波長が印加電圧に応じて変化することが確認できた。
【００２５】
図５は、印加電圧と欠陥モード波長（局在モード波長）との関係を示すグラフである。この図に示すように、入射光の偏光方向がラビング方向に平行な場合、印加電圧が１Ｖまで局在モード波長がシフトせず、１Ｖを超えてから局在モード波長のシフトが始まった。局在モード波長は約４Ｖまで大きく変化し、４Ｖを超えるとなだらかに変化した。この減少傾向は、フレデリクス転移と一致していると考えられる。また、偏光板を回転させて偏光方向を変化させ、ラビング方向と垂直に偏光した光をセルに入射した場合、印加電圧に対してピーク波長は応答せず、ほぼ一定であった。これは光が常に液晶の常光屈折率を感じ、印加電圧の変化によって液晶の屈折率が変化しないためと考えられる。
【００２６】
これらの結果より、液晶欠陥構造を有するフォトニック結晶構造に生じる局在モードは場（例えば、電場）の強度調整によって制御可能であることが明らかになった。また、欠陥構造の液晶に色素を添加したセルの場合、光励起により局在モードからのレーザ発振も観察された。また、レーザ発振波長の電界変調も可能であることが確認された。
【００２７】
なお、比較のために、欠陥構造を除いたセルを作成し、波長−透過スペクトル特性を調べた。結果を図６に示す。
【００２８】
上述した色素入りのセルを用い、レーザの発振を確認した。そのために使用した設備を図７に示す。この設備において、ファンクションジェネレータ３４、偏光素子４２、分光器４４は上述の設備（図２）と同一とした。図７の設備が図２の設備と異なる点は、光源として、励起光源６０、例えば、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ（出力波長５３２ｎｍ、パルス幅８ｎｍ）を使用したこと、励起光源６０と偏光素子４２との間に集光レンズ６２を配置したこと、及び、セル３６と分光計４４との間に、偏光板６４と励起光カットフィルタ６６を配置したことである。励起光カットフィルタ６６は、セル３６から出射した光のうち励起光成分を除去する。
【００２９】
実験の結果を、図８〜図１０に示す。まず、図８は、励起光源６０から出力される励起光の強度を増大させていったときにセル３６から出力される光の発光スペクトルの励起光強度（横軸）、半値幅（左縦軸）、発光強度（右縦軸）の関係を示す。この図に示されているように、発光強度（右側縦軸）は、励起光強度が３μＪより小さい場合はほぼ０に等しいが、励起光強度が３μＪを越えると励起光強度に比例して増加した。発光スペクトルの半値幅（左縦軸）は、励起光強度が３μＪ以下のとき、１０ｎｍ程度であった。なお、セル３６からの発光は、フォトニックバンドギャップ内の欠陥モードを抜けてくるものであるため、励起光強度が低い場合でも１０ｎｍ程度と比較的狭いものである。また、励起光強度が３μＪ以上では、分光器４４の波長分解能（３ｎｍ）まで急激に減少した。これは、セル３６が、閾値励起光強度（３μＪ）以上でレーザ発振したことを意味する。
【００３０】
図９（ａ）〜（ｃ）及び図１０（ａ）、（ｂ）は、セルに印加する矩形型パルス（周波数１ｋＨｚ）の電圧を変化させたときに現れた、レーザ発光スペクトルの電圧依存性を示す。この図に示すように、印加電圧を増加すると、同一欠陥モードのレーザ発光ピーク波長が短波長側にシフトした。これは、電圧を印加すると、欠陥層におけるネマチック液晶の配向方向（長軸方向）が光の伝搬方向に平行になろうとして、光の伝搬方向における液晶の屈折率が減少したことに起因する。特に図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、波長の移動は、電圧が１．１Ｖ以上のときに発生する。この電圧１．１Ｖは、使用した液晶（メルク社、Ｅ４７）のフレデリクス転移の閾値電圧に対応している。したがって、レーザ発振波長のシフトは、電圧印加により誘起された液晶の再配列に基づく欠陥層の屈折率の減少に起因することが理解できる。
【００３１】
なお、図９（ａ）に示すように、セルに電圧を印加しない場合（印加電圧が０Ｖの場合）、発光スペクトルの波長は約６１８ｎｍである。この波長は、色素ＤＣＭに波長５３２ｎｍ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波）の励起光を照射したときにＤＣＭが発する光の波長と同一である。したがって、波長可変セルにおける誘電体積層を適宜設計してフォトニックバンドギャップの中心波長λ０を６００ｎｍに設定することにより、印加電圧が０Ｖのときの発光スペクトル波長を、フォトニックバンドギャップのほぼ中央に出現させることができた。
【００３２】
また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、印加電圧を僅か０Ｖから２．２Ｖまで変化させるだけで、レーザ発振波長を約２６ｎｍの範囲で制御できた。そして、電圧によるレーザ発振波長の制御は可逆的であり、シフト可能な発振波長の範囲において約１００μｓの掃引速度を実現できることが確認できた。
【００３３】
なお、以上の実施例では、ネマチック液晶（メルク社のＥ４７）に対するＤＣＭの添加量を０．５ｗｔ％とした。しかし、添加量はその値に限るものでなく、添加量を変えても以上の実験と同様の傾向（すなわち、発振波長の電圧依存性）が得られることは明らかである。ただし、液晶に溶解できる色素ＤＣＭの量には限りがあるので、実質的にその添加量は、０．１ｗｔ％から数ｗｔ％の範囲で選択される。
【００３４】
また、上述の実験では電圧を０Ｖから２．２Ｖまで変化させたときにレーザ発振波長が２６ｎｍ変化することを示したが、レーザ色素の種類や欠陥層の厚さを最適化すれば、他の構成が同一のセルであっても、５Ｖ以下の範囲の電圧制御によって５０ｎｍ以上の波長制御が可能であるものと思われる。これは、発振波長の制御範囲が、レーザ色素の発光波長範囲に依存することによる。
【００３５】
このように、実施例１によれば、種々の作用効果が得られることが確認できた。例えば、実施例１の波長可変セル及びそれを用いた波長可変レーザ装置では、欠陥構造としてレーザ活性媒質（色素）を添加した液晶を用いており、この液晶は屈折率について異方性を有し且つ印加電圧に応じてその配向方向を変化させる。したがって、実施例１の波長可変セル及びそれを用いた波長可変レーザ装置では、セルの印加電圧を制御することによりレーザ発振波長を制御することが可能となる。
【００３６】
また、波長可変セル及びそれを用いた波長可変レーザ装置は、従来の波長可変装置のように機械的な回転機構や移動構造を必要としないので、波長可変レーザ装置を小型にすることができる。さらに、電気信号を機械的信号に変換するモータを必要としないため、コスト及び消費電力を低減できる。さらにまた、レーザ波長の掃引速度は１００μ秒程度であり、高速で波長を切り換えることができるため、高速通信の光スイッチとして応用することができる。そして、上述の波長可変セル及びそれを用いた波長可変レーザ装置によれば、数Ｖ以下の低電圧を用いて、レーザ発振波長を数十ｎｍ以上の広い範囲に渡って連続的に制御できる。
【００３７】
以上の実施例では、レーザ活性媒質としてＤＣＭを挙げたが、それは一例であってレーザ活性媒質はそれに限るものでないことは当然である。例えば、ＤＣＭの他に、ローダミン、クマリンなどの発光性色素、及びポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリフルオレンなどのπ共役系高分子を用いることができる。なお、π共役系高分子は、蛍光量子効率の高い材料が好ましい。
【００３８】
液晶の種類も同様で、使用する液晶はネマチック液晶以外の液晶であってもよい。例えば、カイラルスメクチック液晶は、電圧を印加したときにネマチック液晶よりも応答速度が速いという効果がある。これは、カイラルスメクチック液晶が、カイラルスメクチックＣ相において強誘電性を示す強誘電性液晶であることに起因する。ネマチック液晶に電圧を印加した場合は、液晶分子の再配列がネマチック液晶の誘電異方性に起因しているため、その駆動トルクが小さく、液晶分子自身の応答時間が数十ミリ秒と遅いのに対し、強誘電性液晶に電圧を印加した場合、自発分極と電界との相互作用を駆動力とするため、数μ秒〜数十μ秒の高速応答が実現できる。特に、欠陥層中の液晶としてカイラルスメクチック液晶を用いた場合、キュリー温度直上でのエレクトロクリニック効果を利用して、サブマイクロ秒の応答を実現することもできる。したがって、本実施例で示した波長可変装置を用いることにより、数十〜数百ｎｓでの波長制御が可能である。
【００３９】
誘電体層の種類数も限定的ではなく、屈折率の異なる３種類以上の層を周期的に配列してもよい。各種類の層の屈折率、配列方向における厚さ及び配列数も任意に選択できる。
【００４０】
さらに、屈折率が一方向に周期的に変化する材料を用いれば、種類の異なる層を積層することなく、１種類の層だけで一次元周期構造を構成できる。そのような材料として、例えばカイラルネマチック（ＣＮ）液晶やカイラルスメクチック液晶が挙げられる。
【００４１】
なお、フォトニックバンドギャップの波長領域及びその中心波長（λ０）は、誘電体層の屈折率、厚さ、配列数を選択することにより、紫外域から赤外域にわたる広い範囲で任意に選択可能である。また、欠陥モード波長の制御領域は、欠陥層の厚さを変えることにより、紫外域から赤外域にわたる広い範囲で任意に選択可能である。ここで、欠陥層がレーザ活性媒質を含む場合、レーザ活性媒質の種類を選択することにより、レーザ発振波長の制御領域を任意に設定できる。また、レーザ活性媒質の発光波長領域と欠陥モード波長の制御領域が広い範囲で重なるように、レーザ活性媒質の種類や欠陥層の厚さを設定すれば、レーザ発振波長を広い範囲で制御することが可能となる。加えて、欠陥層中の液晶に発光波長領域の異なる複数のレーザ活性媒質を添加すれば、レーザ発振波長をより広い範囲で制御することも可能である。
【００４２】
また、本実施例では、第１の物質として液晶を用いたが、電界を印加することにより屈折率が変化するその他の材料、例えば、電気光学効果を示す高分子を用いても本実施例と同一の作用効果が得られる。
【００４３】
なお、本実施例の波長可変レーザ装置においては、励起光源としてＹＡＧレーザを用いたが、レーザ活性媒質を励起できるものであれば任意の光源を使用できる。
【００４４】
また、本実施例の波長可変レーザ装置において、励起光源をセルの外部ではなく内部に設けることもできる。図１１は、内部に励起光源を含む波長可変セルの断面を示す。図１１に示されるように、励起光源６８は、２つの電極層２２，７０と、その間に挟まれたＥＬ（エレクトロルミネセンス）材料を含むＥＬ層７２から成る。電極層２２は、図１２に示されるように、欠陥層１４に電圧を印加する際にも使用される共通電極として機能する。ＥＬ層７２は、直流電源７３を用いて、電極２２と電極７２の間に電圧を印加することによって発光する。ＥＬ層７２から放出された光は、欠陥層１４中のレーザ活性媒質を励起する。上述のように、内部に励起光源を含む波長可変セルを用いれば、波長可変レーザ装置をさらに小型にすることができる。なお、上記のＥＬ材料は、無機又は有機の別を問わない。
【００４５】
また、図１１の実施例では、光源６８としてＥＬ素子を導入したが、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子を導入してもよい。ＥＬ素子や半導体発光素子は、種々の改良形を含み、その構造は限定されない。また、光源６８の位置は、図示したものに限られず、周期構造１２の任意の位置に設けられてよい。例えば、図１３に示すように、周期構造１２のほぼ中央に挿入してもよい。さらには、欠陥層１４と同じ層内にＥＬ素子又は半導体発光素子の発光層（光が出力される層のことであり、上記ＥＬ層や半導体レーザの活性層等を含む。）を設けて、欠陥層１４に導波光を照射することにより、レーザ活性媒質を励起する構成にすることもできる。
【００４６】
加えて、欠陥層が発光波長領域の異なる複数のレーザ活性媒質を含むとき、複数の発光層を設けることにより、それぞれのレーザ活性媒質を励起できる複数の励起光源をセル内に導入すれば、より広い範囲でレーザ発振波長を制御できる波長可変レーザ装置を実現できる。
【００４７】
波長可変セルを用いれば、特定の範囲の印加電圧についてのみレーザが発振するように構成することも可能である。これは、上述のように、レーザ発振波長がフォトニックバンドギャップの範囲内でのみ移動する性質を利用するもので、例えば、印加電圧が０Ｖのときには欠陥モードがフォトニックバンドギャップ波長領域に現れず、特定の値（液晶のフレデリックス転移の閾値電圧の値）以上の電圧を印加することにより初めて欠陥モードがフォトニックバンドギャップ波長領域に現れるようにするものである。これは、レーザ活性媒質の種類や欠陥層の厚さなどを選択することにより実現できる。
【００４８】
【実施例２】
図１４は、実施例２の波長可変セルを示す。図示する実施例において、図１の波長可変セル１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。本実施例のセル７４が、実施例１のセルと異なる点は、欠陥構造１４が、液晶層７６とレーザ活性媒質層７８の２つの独立した層で構成されていることである。
【００４９】
この波長可変セル７４の製造方法は、上述した実施例１の波長可変セルの製造方法と異なり、一方のセルブロックにおいて誘電体層を積層した後、誘電体層の上にπ共役系高分子などのレーザ活性媒質を例えばクロロフォルム溶液などからスピンコート法により塗布して活性媒質層７８を形成する。活性媒質層７８を積層した後、この活性媒質層７８の表面に液晶配向膜を生成する。そして、２つのセルブロックを液晶配向膜を対向させて配置し、これら液晶配向膜の間に形成された隙間に毛細管現象を利用して液晶を充填し液晶層７６を形成する。このようにして形成された波長可変セル７４は、図７に示す波長可変レーザ装置に組み込まれ、実施例１で説明したように利用される。また、実施例１と同一の作用効果が得られる。なお、図１５は、活性媒質層７８としてポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いた波長可変セル７４を波長可変レーザ装置（図７）に組み込んでレーザ発振させた場合のレーザ発光スペクトルを示す。図１５により、約６２０ｎｍの波長付近で、レーザ発振していることが確認できた。
【００５０】
この実施例において、液晶層と活性媒質層は隣接している必要はなく、両者の間に別の層が介在してもよい。例えば、液晶層を挟むように配置される２つの電極層の一方を液晶層と活性媒質層との間に配置してもよい。また、電極の位置も任意で、一対の電極の間に印加される電圧を変化させることによって両者の間に形成されている電界の変化が液晶の配向に影響を及ぼすものであればよい。さらに、レーザ活性媒質は光励起によりレーザ発振する材料であればよく、無機又は有機の別は問わない。
【００５１】
また、本実施例では、第１の物質として液晶を用いたが、電界を印加することにより屈折率が変化するその他の材料、例えば、電気光学効果を示す結晶または高分子を用いても本実施例と同一の作用効果が得られる。
【００５２】
なお、本実施例においても、実施例１で述べたように、励起光源をセルの内部に設けることができる。特に、活性媒質層と同じ層内に半導体レーザを作り込んで導波光によりレーザ活性媒質を励起することも可能である。また、発光層を複数設けて、セル内に出力波長の異なる複数の励起光源を導入し、かつ、同じセル内にそれぞれの励起光源に対応した種類の異なる複数の活性媒質層を導入すれば、より広い範囲でレーザ発振波長を制御できる波長可変レーザ装置を実現することも可能である。
【００５３】
【実施例３】
図１６は、実施例３の波長可変セルを示す。図示する実施例において、図１の波長可変セル１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。本実施例のセル８０は、温度の変化によって欠陥層の屈折率を制御するもので、電極が省かれている点で実施例１のセルと異なる。したがって、波長可変セル８０の製造方法は、ガラス基板２２の上に直接セルブロック１２ａ，１２ｂを形成する点を除いて実施例１の波長可変セルの製造方法と同一である。欠陥層の液晶にレーザ活性媒質を添加することは任意である。
【００５４】
この波長可変セルを波長可変装置に使用する場合、図１７に示されるように、波長可変セル８０上又はその近傍に加熱源８２を配置し、その発熱温度を温度制御装置８４で制御して液晶欠陥層１４の温度を調整する。その結果、例えば温度を上昇させると欠陥層１４の液晶が等方相（等方性液体層）になり、欠陥層１４の屈折率が変化する。この欠陥層１４の屈折率の変化は、欠陥モードの波長を変化させる。したがって、加熱源８２の温度、すなわち伝熱ヒータを用いる場合にはその印加電圧を制御することにより、欠陥モード波長（欠陥モードからのレーザ発振波長）を変化させることができる。
【００５５】
具体的に、実施例１で用いた具体的構成の波長可変セルから電極層を除いた波長可変セルを用い、これに実施例１と同一の励起用Ｎｄ：ＹＡＧレーザを照射し、セルの温度を変化させた。その結果、セルの温度が６１℃を超えたときからレーザ発振波長のシフトが測定された。このシフトが測定される温度は、ネマチック液晶が等方相になる温度である。
【００５６】
この温度の変化を利用した波長可変セルにおいて、波長シフトが発現する温度は欠陥層内の液晶の種類に依存する。例えば、ある液晶は室温近くで等方相になり、別の液晶は非常に高温（例えば、１００℃以上）で等方相になる。したがって、液晶の種類を選択することにより、欠陥モード波長（欠陥モードからのレーザ発振波長）を制御できる温度範囲を任意に選択することができる。
【００５７】
周囲の温度に応じて欠陥モード波長（レーザ発振波長）が変化するという特性を利用し、波長可変セルを温度センサに利用することも考えられる。例えば、温度を測定したい場所に設置された波長可変セルに励起光源を照射し、セルから出力される光の波長をモニタすることにより、セルの設置されている場所の温度を検出することができる。この場合、セルとモニタを適当な光導波路（例えば、光ファイバ）で光学的に接続すれば、遠隔地で温度をモニタすることができる。
【００５８】
なお、本実施例の波長可変レーザ装置では、欠陥構造を液晶欠陥層のみで形成したが、図１８に示すように、欠陥構造を液晶層と活性媒質層の２つの層で形成してもよい。また、以上の説明では加熱源をセルの外部に設けたが、液晶欠陥層の近傍に透明電極材料からなる発熱抵抗層を配置し、この発熱抵抗層に印加する電圧を制御することによって欠陥モード波長をシフトしてもよい。
【００５９】
また、本実施例の波長可変レーザ装置では、励起光源をセルの外部に設けたが、実施例１で述べたように、励起光源をセルの内部に設けてもよい。その場合には、例えば、図１１で示されるように、２つの電極層とそれらの間に挟まれた発光層とから成る励起光源を周期構造の任意の位置に挿入すればよい。
【００６０】
なお、本実施例では、ネマチック液晶のネマチック相−等方相転移を利用したが、カイラルスメスチック液晶の配向方向の温度依存性を利用することも可能である。具体的に説明すると、カイラルスメスチック液晶は、キュリー温度以下での温度変化により、スメスチック層の法線から傾く角度（チルト角）が連続的にかつ可逆的に変化する（図１９参照）。この特性を利用すれば、温度変化によって欠陥層の屈折率を連続的に制御できる。
【００６１】
また、本実施例では、第１の物質として液晶を用いたが、サーモクロミズム材料などの、温度変化によって屈折率が変化するその他の材料を用いても同一の作用効果が得られる。
【００６２】
【実施例４】
磁場の変化により欠陥層の屈折率を制御することもできる。この実施例には、実施例３で説明した波長可変セル（図１６と図１８参照）が利用できる。この波長可変セルを用いた波長可変装置が実施例３の波長可変装置と異なる点は、波長可変セル上又はその近傍に磁界形成手段として例えばコイルや電磁石（図１６，図１８において点線８６で示される。）が配置されることである。この波長可変装置において、コイル８６に印加する電圧を制御することにより欠陥構造１４を含む空間の磁界強度を変化させると、欠陥構造１４内の液晶の配向方向とその屈折率が変化し、結果として、波長可変装置から出力される光の波長が変化（シフト）する。
【００６３】
したがって、この波長可変セルは磁場センサとして利用できる。特に、波長可変セルは金属部品を含まないので、磁場を乱すことなく正確にその大きさを検出できるという利点ある。そのため、例えば、超伝導磁石によって作られる磁場をモニタするセンサとして好適に利用できる。
【００６４】
なお、本実施例において、出力される光のシフトが起こる磁界の強さは、欠陥構造１４に含まれる液晶の種類に依存する。従って、液晶を適当に選択することにより、出力光の波長範囲を任意に選択することができる。
【００６５】
また、本実施例の波長可変レーザ装置では、励起光源がセルの外部に設けられるが、実施例１で述べたように、励起光源がセルの内部に設けられてもよい。その場合は、例えば、図１１で示されるように、２つの電極層とそれらの間に挟まれた発光層とから成る励起光源が周期構造の任意の位置に挿入される。
【００６６】
【実施例５】
光の強度変化により欠陥層の屈折率を制御することもできる。この実施例には、実施例３で説明した波長可変セル（図１６と図１８参照）が利用できる。この波長可変セルを用いた波長可変装置が実施例３の波長可変装置と異なる点は、波長可変セル上又はその近傍に別の光源が配置されることである。このように構成された波長可変装置によれば、光源に印加する電圧を制御することによって欠陥構造１４を含む空間を照射する光の強度を変化させると、欠陥構造１４内の液晶の配向方向とその屈折率が変化し、波長可変装置から出力される光の波長が変化（シフト）する。したがって、この波長可変セルは光センサとしても利用できる。
【００６７】
なお、本実施例において、欠陥構造１４に含まれる屈折率可変物質（置かれている場の強度に応じて屈折率が変化する物質）を液晶としたが、フォトクロミック分子、非線形光学材料又はフォトリフラクティブ材料を用いることもできる。また、液晶の代わりに、光によって屈折率の変化するニトロベンゼンや二硫化炭素（ＣＳ２）などの光反応性液体材料を用いることもできる。それらの場合にも、欠陥構造１４を含む空間を照射する光の強度を変化させると、欠陥構造１４内の屈折率が変化し、結果として、波長可変装置から出力される光の波長が変化（シフト）する。
【００６８】
なお、フォトクロミック分子のなかには、それ自体が強い蛍光を示してレーザ活性媒質として働くものがある。そのようなフォトクロミック分子が欠陥構造１４に含まれる場合、そのフォトクロミック分子は、屈折率可変物質として働くと同時にレーザ活性媒質としても働き、欠陥構造１４は、別個にレーザ活性媒質を含む必要がない。この欠陥構造１４は、図１６における欠陥層１４として、２つのセルブロック（１２ａ，１２ｂ）の誘電体層の隙間にフォトクロミック分子を分散（溶解）させたマトリックス材料（ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などの透明高分子）又はフォトクロミック高分子を充填することにより作成できる。
【００６９】
同様に、非線形光学材料のなかにも、屈折率可変物質及びレーザ活性媒質として働くものがある。例えば、ＰＰＶ、置換ポリアセチレン、ポリフルオレンなどの共役系高分子は、ＥＬ材料にも使用できるほど強い蛍光を示し、レーザ活性媒質になると同時に、大きな三次の非線形光学効果を示す。このような非線形光学材料を欠陥層１４として用いれば、別個にレーザ活性媒質を含む必要がなくなる。また、そのような非線形光学材料が、レーザ発振によりその屈折率を自ら変化させるという現象（非線形現象）を利用して、波長可変装置のレーザ発振波長を自動的に変化させることも可能である。さらには、非線形現象を利用して、光双安定、カオスなどの現象を利用した素子への応用も可能である。
【００７０】
以上のような屈折率可変物質でもありレーザ活性媒質でもあるフォトクロミック分子及び非線形光学材料を欠陥層１４として含む場合、この波長可変セルを用いた波長可変レーザ装置は、その欠陥構造において非線形光学材料とレーザ活性媒質とを別々に含む波長可変セルを用いた波長可変レーザ装置と同一の作用効果を示す。
【００７１】
また、フォトクロミック分子が、照射される光の波長に応じて２つの異性体間を転移する（屈折率が非連続的に変化する）という性質を利用し、特定波長の光を照射する場合についてのみ光が出力されるように波長可変セルを構成することも可能である。その場合には、異性体間の遷移のために、波長可変セルに、特定波長の光又は異なる波長の２つの光を照射する必要があるので、実施例３の波長可変装置において、波長可変セル上又はその近傍に、特定波長の光源又は出力光の波長を制御できる光源を配置する必要がある。
【００７２】
なお、その特定波長の光源又は出力光の波長を制御できる光源を、波長可変セルの内部に設けることもできる。図２０は、特定波長の光源を内部に備える波長可変セルの断面を示す。図２０に示されるように光源９０は、２つの電極層９２，９４と、その間に挟まれたＥＬ（エレクトロルミネセンス）材料を含むＥＬ層９６から成る。これは、図１１や図１３で示された励起光源６８の構成と同一である。以上のように、光源が波長可変セルの内部に含まれる場合、波長可変装置をさらに小型にすることができる。なお、光源９０として、ＥＬ素子の代わりに、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子を導入することもできる。さらには、欠陥層１４と同じ層内にＥＬ素子又は半導体発光素子の発光層を設けて、欠陥層１４に導波光を照射することにより、レーザ活性媒質を励起することもできる。
【００７３】
また、波長可変セル内に複数の発光層を設けて、出力波長の異なる複数の光源をセル内に導入することにより、出力光の波長を制御できる光源を含む波長可変セルを実現することも可能である。その場合には、一方の異性体への遷移および他方の異性体への遷移の両方の遷移（光異性化）をそれぞれ制御できる。
【００７４】
また、本実施例の波長可変レーザ装置では、励起光源をセルの外部に設けたが、実施例１で述べたように、励起光源をセルの内部に設けてもよい。また、上述した特定波長の光源又は出力光の波長を制御できる光源と、レーザ活性媒質の励起光源とを、同時に波長可変セルの内部に含むことも可能である。
【００７５】
以上の実施例で説明された波長可変装置は、出力する光の波長を外場により任意にかつ高速に制御でき、種々の分野への応用が期待できる。特に、波長可変レーザ装置は、レーザ発振波長又はレーザ発振自体を外場により任意かつ高速に制御できるため、光通信分野への応用が期待できる。例えば、ＷＤＭ（波長分割多重）装置のレーザ光源として用いれば、１台で複数の光波長を送出できるため、ＷＤＭ装置全体の低コスト化が可能となる。また、本発明による波長可変レーザ装置を、レーザ送出装置の故障時の代替用光源として活用すれば、これまでそれぞれの波長毎に用意していたバックアップ用のレーザ送出装置が不要となるとともに、あらかじめＷＤＭ装置にバックアップ用として搭載することで、システムダウンの際の迅速な復旧を可能とするなど、コストダウン以外のメリットも期待できる。
【００７６】
また、上述の波長可変レーザ装置は、リモートセンシング（地球環境、気象、防災）分野にも応用できる。この分野においては、レーザを光源とするレーダー手法（ライダー）を用いて、大気中のエアロゾル（浮遊粒子状物質）、水蒸気、汚染気体、大気構造、気温、気圧、風向風速、成層圏オゾン層、中間圏金属原子層などの観測を行う。本発明による波長可変レーザ装置は、共鳴散乱ライダーや２波長の信号の違いを解析する差分吸収ライダーの波長可変光源として使用でき、小型で信頼性が高いことから、航空機、人工衛星、スペースシャトルなどへの搭載も期待できる。
【００７７】
また、本発明による波長可変レーザ装置は、医療分野にも応用できる。例えば、血液中又は筋肉中の酸素濃度分布の無侵襲イメージング（ＣＴ画像）用の光源として利用でき（例えば、脳内酸素分布など）、虚血症、脳梗塞、心筋梗塞などの診断、癌の診断への応用が期待できる。また、レーザの波長を医療行為の種類に応じて変化させるレーザメスとしても利用できる。さらに、本発明による波長可変レーザ装置は、記録デバイス分野におけるＣＤ−Ｒ、ＤＶＤなどの光記録媒体への書き込み光源として利用可能であり、光感応性色素などの記録媒体の応答波長選択制を利用した多重記録や、媒質の深さ方向への浸透距離の波長依存性を利用した三次元記録など、高密度光記録への応用が期待される。
【００７８】
本発明による波長可変レーザ装置は、その他にも、高分解能分光や気体分子種分析の光源として利用でき、例えば共鳴散乱を利用したＳ／Ｎ比の高いガスの成分・濃度計測を可能にする。また、レーザ同位体分離に用いるレーザ光源としても利用できる。さらに、コヒ−レント光を利用する光応用計測分野にも応用が可能である。
【００７９】
【発明の効果】
本発明による波長可変方法及び装置によれば、出力する光の波長の切り換えを短時間に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態による波長可変セルを示す断面図である。
【図２】 （ａ）は、本発明の実施の形態による波長可変装置の構成を示す図であり、（ｂ）は、図２（ａ）の波長可変装置に組み込まれた波長可変セルを示す断面図である。
【図３】 図２（ａ）に示された波長可変装置の一部を示す図である。
【図４】 液晶に色素を添加していない波長可変セルに電圧を印加した場合の透過スペクトルの電圧依存性を示す図である。
【図５】 液晶に色素を添加していない波長可変セルに対する印加電圧と欠陥モード波長との関係を示す図である。
【図６】 欠陥構造を除いた波長可変セルの波長−透過スペクトルを示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態による波長可変レーザ装置を示す図である。
【図８】 液晶に色素を添加した波長可変セルの発振レーザスペクトルのピーク強度と半値幅の励起光強度依存性を示す図である。
【図９】 液晶に色素を添加した波長可変セルのレーザ発光スペクトルの電圧依存性を示す図であり、（ａ）０Ｖ、（ｂ）１．５Ｖ、（ｃ）２．０Ｖの電圧を印加した場合のレーザ発光スペクトルを示す。
【図１０】 液晶に色素を添加した波長可変セルのレーザ発振波長の電圧依存性を示す図であり、（ａ）は、欠陥モード波長の電圧依存性を示し、（ｂ）は、レーザ発振波長の電圧依存性を示す。
【図１１】 内部に光源を導入した波長可変セルを示す断面図である。
【図１２】 図１１の波長可変セルの電極と電源との接続を示す図である。
【図１３】 図１１の波長可変セルの変形例を示す断面図である。
【図１４】 本発明による実施例２の波長可変セルを示す断面図である。
【図１５】 実施例２の波長可変セルのレーザ発光スペクトル示す図である。
【図１６】 本発明による実施例３の波長可変セルを示す断面図である。
【図１７】 図１６の波長可変セルの温度制御装置を示す図である。
【図１８】 図１７の波長可変セルの変形例を示す図である。
【図１９】 カイラルスメスチック液晶の配向方向の温度依存性を示す図である。
【図２０】 特定波長の光源を内部に備える波長可変セルを示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 波長可変セル
１２ 一次元周期構造
１４ 欠陥構造
１６，１８ 誘電体層
２０，２２ 電極
２４，２６ 透明基板
【発明の属する技術分野】
本発明は、異なる波長の光を出力する波長可変方法及び装置と波長可変セルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力する光の波長を制御できる波長可変装置、例えば波長可変レーザ装置が種々提案されている。これら既存の波長可変装置は、発振波長を切り換えるために、例えば、１対の共振器ミラーの一方に回折格子を利用すると共にこの回折格子の角度を機械的に変化させる方式、又は共振器内に光学部品（例えば、プリズム、フィルタ、エタロン、複屈折板）を配置すると共にこの光学部品の位置や角度を機械的に変化させる方式を採用している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の波長可変装置は、回折格子や光学部品を機械装置によって回転又は移動している。そのために、波長可変装置の構成が複雑になり、また大型化するという問題があった。また、回折格子や光学部品を機械的に移動させているため、波長掃引速度が遅く（例えば、数ミリ秒〜数秒）、光通信などの高速性が要求される分野に利用できないという問題があった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は従来の波長可変装置が抱えているこれらの問題を解消し、出力する波長の切り換えを短時間で行うことができる新たな方法及び装置を提供することを目的としてなされたものである。
【０００５】
具体的に説明すると、本発明に係る第１の発振波長可変セルは、屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、一次元周期構造の中に導入され、置かれている場（例えば、電場、磁場、光場、温度場）の強度に応じて屈折率が変化する第１の物質を含む欠陥構造層とを備えており、一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化する。欠陥構造層は、さらに、入射光によって励起される第２の物質を含み、前記第２の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる。また、本発明に係る第２の発振波長可変セルは、屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、一次元周期構造の中に導入され、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化する第１の物質を含む欠陥構造層と、一次元周期構造内に導入され、入射光により励起される第２の物質を含む活性媒質層とを備えており、一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有する。欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化し、前記第２の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる。本発明の好ましい形態において、欠陥構造は、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化する第１の物質を有する。この第１の物質には、液晶（ＬＣ）、π共役系高分子、電気光学効果を示す材料、サーモクロミズム材料、フォトクロミック分子、非線形光学材料、フォトリフラクティブ材料又は光反応性液体材料が利用される。第２の物質には、発光性色素又はπ共役系高分子が含まれる。
【０００６】
本発明に係る第３の発振波長可変セルは、屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、前記一次元周期構造の中に導入され、第１の物質を含む欠陥構造層とを備えており、前記一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、前記欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化する。前記第１の物質は、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化するとともに、入射光によって励起される物質であり、前記第１の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる。前記第１の物質はフォトクロミック分子および非線形光学材料のいずれか一つである。
【０００７】
本発明の発振波長可変レーザ装置は、（ａ）場の強度に応じてレーザ発振の波長を変化できる上述の発振波長可変セルと、（ｂ）前記波長可変セル内の前記一次元周期構造と欠陥構造層を透過する励起光を前記発振波長可変セルに出射する光源と、（ｃ）前記光源と前記波長可変セルとの間の光路に配置される第１偏光素子と、（ｄ）前記発振波長可変セルが置かれている前記場の強度を調整する強度調整装置と、（ｅ）前記発振波長可変セルの出射側光路に配置される第２偏光素子、および、（ｆ）前記発振波長可変セルの出射側光路に配置され、出射された前記励起光をカットする励起光カットフィルタとを備え、前記場の強度に応じてレーザ発振の波長を変化できる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を具体的に説明する。
【０００９】
図１は、本発明に係る波長可変セルの断面を示す。この図に示すように、波長可変セル１０は、透光性の一次元周期構造（一次元フォトニック結晶構造）１２と、この周期構造１２の中に組み込まれた透光性の欠陥構造（欠陥層）１４を備えている。周期構造１２は、第１の屈折率を有する第１の誘電体層１６と、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有する第２の誘電体層１８とを交互に配置して誘電体多層膜に形成されており、これにより周期構造１２にフォトニックバンドギャップ特性が与えられている。当業者には良く知られていることであるが、フォトニックバンドギャップの波長領域は、誘電体層の屈折率、厚さ、配列数によって決まる。本実施の形態において、欠陥構造１４は、周期構造１２のほぼ中央に位置する第１の誘電体層１６又は第２の誘電体層１８のいずれか一方に置換された状態で配置されている。また、本実施の形態では、欠陥構造１４を挟んでその両側にそれぞれ５つの誘電体層１６，１８を交互に配置しているが、両側の誘電体層の数や順序は図示する例に限るものでない。
【００１０】
欠陥構造１４は、周期構造１２の周期性に乱れを与えることでフォトニックバンドギャップの波長領域に欠陥モード（この波長領域に透過スペクトル）を発現させる。欠陥モードの波長や数は、欠陥構造の屈折率、厚さによって変化する。本実施の形態において、欠陥構造１４は、その物の置かれている場（例えば、電場、磁場、光場、温度場）の強度に応じて屈折率が変化する物質（第１の物質）を含む。例えば、第１の物質として、液晶、π共役系高分子、電気光学効果を示す材料、サーモクロミズム材料、フォトクロミック分子、非線形光学材料、フォトリフラクティブ材料、光反応性液体材料が利用できる。
【００１１】
図示する例では、欠陥モードを制御するために電場の強度を変化させる方法を採用している。そのため、周期構造１２の両最外層上にそれぞれ透光性の電極２０，２２が配置されており、これらの電極２０，２２に印加する電圧を調整することで欠陥構造１２に含まれる第１の物質の屈折率を変化させるようにしてある。電極２０，２２の配置場所は図示する実施例に限るものでなく、周期構造１２の内部に設けてもよい。電極には櫛状電極を用いることもでき、その場合は欠陥構造１４の中に正極電極と負極電極が交互に並ぶように、櫛状電極を配置するのが好ましい。この場合、櫛状電極は、透明電極である必要はない。
【００１２】
また、磁場の強度を変化させる場合は、電極２０，２２に代えてセル１０の周囲にコイルを配置すればよい。同様に、光場や温度場を変化させる場合は、欠陥構造１４に加える光や熱の強度を調整できる装置をセル１０の周囲又は内部に配置すればよい。
【００１３】
欠陥構造１４はまた、第１の物質に入射された光によってレーザ光を発振させるように、光によって励起される第２の物質（活性媒質）を含む。例えば、第２の物質として、発光性色素、π共役系高分子がある。上述のように、第１の物質として液晶を用いる場合、第２の物質として色素が液晶中に添加（溶解）される。この色素は、セル１０に入射される励起光に応じて適当な材料が選択される。
【００１４】
本実施の形態のセル１０はまた、電極２０，２２を保護するためにその外側に透明基板２４，２６を備えている。
【００１５】
このような構成を有する波長可変セル１０によれば、透明基板２４，２６からセル１０に入射された光は、周期構造１２と欠陥構造１４を透過する。このとき、欠陥構造１４が無ければ、周期構造１２の特性によって定まるフォトニックバンドギャップの波長領域にある光の透過が遮断される。しかし、欠陥構造１４が存在することにより、その欠陥構造１４の性質などから定まる特定の波長の光がセル１０から出力する欠陥モードが発現する。また、例えば、電極２０，２２の間に印加する電圧を調整することによって場の強度を変化させると、それに応じてセル１０から出力する光の波長が変化する。さらに、欠陥構造１４が第２の物質を含む場合、欠陥モード波長のレーザ光が発振する。したがって、この波長可変セル１０によれば、場の強度を調整することによってセルから出力される光又はレーザ光の波長を変化させることができる。当然、場の強度を変化させる速度は高速で行えるため、波長の切換は高速で行える。
【００１６】
【実施例１】
波長可変セルを作成し、このセルから出力される光の波長が変化することを確認した。試験に用いたセルは、まず、透明ガラス基板の表面に、透明電極層と、透明電極層の上に二酸化ケイ素ＳｉＯ２（屈折率 ｎ１＝１．４６）と酸化チタンＴｉＯ２（屈折率 ｎ２＝２．３５）を交互に５層づつ積層した積層誘電体層と、配向膜としてのポリイミド層を配置したセルブロック（図１に符号１２ａ，１２ｂで示されている。）を２つ用意し、次に、これらの２つのセルブロックをガラス基板の反対側にある配向膜を所定の大きさの隙間をあけて対向するように配置し、最後にその隙間に液晶を充填して作成した。
【００１７】
二酸化ケイ素と酸化チタンの厚さ（ｄ１，ｄ２）はそれぞれ１０３ｎｍ、６４ｎｍとした。ここで、フォトニックバンドギャップの波長領域における中心波長（λ０）は、２種類の誘電体層の屈折率（ｎ１，ｎ２）と厚さ（ｄ１，ｄ２）を用いて、以下の式（１）で表わされる。
【数１】
【００１８】
電極にはインジウム-スズ酸化物（ＩＴＯ）を用いた。欠陥構造の厚さ（隙間）は１μｍとし、そこにはネマチック液晶（メルク社製、製品番号Ｅ４７）を充填した。また、セルを二つ用意し、一方のセルに充填された液晶には、色素［２−［２−［４−ジメチルアミノフェニル］エテニル］−６−メチル−４Ｈ−ピラン−４−イリデン］プロパンジニトリル（以下、「ＤＣＭ」という。）を０．５ｗｔ％の割合で添加した。
【００１９】
ＩＴＯ透明電極層は、ガラス基板の上にスパッタリングで成膜した。同様に、二酸化ケイ素と酸化チタンの誘電体層もスパッタリングで成膜した。配向膜は、誘電体層上にポリイミドをスピンコートした後、所定の温度条件で焼成し、ラビング処理を施した。ポリイミドには日本合成ゴム社製のＡＬ１２５４を使用し、１５０℃で１時間焼成した。
【００２０】
ガラス基板に電極層、誘電体層、配向膜を形成した２つのセルブロックを対向させ、両者の間にスペーサボールを挟持して１μｍの隙間を形成した。液晶は、毛細管現象を利用して常温で隙間に充填した。その後、液晶分子をラビング方向に平行に配向するために、液晶が等方相（等方性液体相）となる温度まで加熱し、再び室温まで徐冷した。
【００２１】
このようにして形成されたセルのうち、液晶に色素を添加していないセルを、図２及び図３に示す波長可変装置に組み入れた。図２（ａ）に示されるように、この波長可変装置３０において、光源には白色光源（タングステンランプなど）３２を使用した。電極層２０，２２に電圧を印加するために、ファンクションジェネレータ３４を用いた。光源３２から出射された光をセル３６に導く入射光学系３８には、偏光素子４２を組み入れた。その他、波長可変レーザ装置波長変換装置３０のセル３６から出射した光の分光特性を測定するために、ＣＣＤマルチチャンネル分光器（分解能３ｎｍ）４４を利用した。
【００２２】
図２（ｂ）は、セル３６の断面を示す。図２（ｂ）において、図１の波長可変セル１０と同一の構成要素には同一の符号を付す。図２（ｂ）のセル３６において、欠陥層１４は、液晶とその液晶を配向させる配向膜４８，５０を含むことが明示されている。
【００２３】
図３は、図２（ａ）に示された波長可変装置３０の構成要素のうち、セル３６と、偏光素子４２と、ファンクションジェネレータ３４を抽出して示す。セル３６に電圧を印加しない場合、欠陥層１４中の液晶は、セル面に平行な方向（ラビング方向）に配向されている。
【００２４】
液晶に色素を添加していないセルに対し、１ｋＨｚの矩形波を利用して電極層２０，２２に印加する電圧を０Ｖ〜９Ｖまで連続的に変化させ、セルを透過した光のスペクトルを測定した。図４は、透過スペクトルの電圧依存性を示す。この図から明らかなように、いずれの電圧条件においても、ストップバンドは５２０ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲に現れ、バンド幅は変化しなかった。しかし、電圧０Ｖでは欠陥モードが４箇所存在したが、電圧８Ｖでは欠陥モードが３箇所に減少した。これは、電圧印加によって、ネマチック液晶がセル面に垂直方向に再配向することにより屈折率が減少して光学距離が短くなり、そのためにモードの数が減少したものと考えられる。同様に、電圧が２Ｖ、４Ｖの透過スペクトルも図４に示す。これらの結果より、欠陥モード波長が印加電圧に応じて変化することが確認できた。
【００２５】
図５は、印加電圧と欠陥モード波長（局在モード波長）との関係を示すグラフである。この図に示すように、入射光の偏光方向がラビング方向に平行な場合、印加電圧が１Ｖまで局在モード波長がシフトせず、１Ｖを超えてから局在モード波長のシフトが始まった。局在モード波長は約４Ｖまで大きく変化し、４Ｖを超えるとなだらかに変化した。この減少傾向は、フレデリクス転移と一致していると考えられる。また、偏光板を回転させて偏光方向を変化させ、ラビング方向と垂直に偏光した光をセルに入射した場合、印加電圧に対してピーク波長は応答せず、ほぼ一定であった。これは光が常に液晶の常光屈折率を感じ、印加電圧の変化によって液晶の屈折率が変化しないためと考えられる。
【００２６】
これらの結果より、液晶欠陥構造を有するフォトニック結晶構造に生じる局在モードは場（例えば、電場）の強度調整によって制御可能であることが明らかになった。また、欠陥構造の液晶に色素を添加したセルの場合、光励起により局在モードからのレーザ発振も観察された。また、レーザ発振波長の電界変調も可能であることが確認された。
【００２７】
なお、比較のために、欠陥構造を除いたセルを作成し、波長−透過スペクトル特性を調べた。結果を図６に示す。
【００２８】
上述した色素入りのセルを用い、レーザの発振を確認した。そのために使用した設備を図７に示す。この設備において、ファンクションジェネレータ３４、偏光素子４２、分光器４４は上述の設備（図２）と同一とした。図７の設備が図２の設備と異なる点は、光源として、励起光源６０、例えば、ＱスイッチＮｄ：ＹＡＧ（ネオジウム：イットリウム・アルミニウム・ガーネット）レーザ（出力波長５３２ｎｍ、パルス幅８ｎｍ）を使用したこと、励起光源６０と偏光素子４２との間に集光レンズ６２を配置したこと、及び、セル３６と分光計４４との間に、偏光板６４と励起光カットフィルタ６６を配置したことである。励起光カットフィルタ６６は、セル３６から出射した光のうち励起光成分を除去する。
【００２９】
実験の結果を、図８〜図１０に示す。まず、図８は、励起光源６０から出力される励起光の強度を増大させていったときにセル３６から出力される光の発光スペクトルの励起光強度（横軸）、半値幅（左縦軸）、発光強度（右縦軸）の関係を示す。この図に示されているように、発光強度（右側縦軸）は、励起光強度が３μＪより小さい場合はほぼ０に等しいが、励起光強度が３μＪを越えると励起光強度に比例して増加した。発光スペクトルの半値幅（左縦軸）は、励起光強度が３μＪ以下のとき、１０ｎｍ程度であった。なお、セル３６からの発光は、フォトニックバンドギャップ内の欠陥モードを抜けてくるものであるため、励起光強度が低い場合でも１０ｎｍ程度と比較的狭いものである。また、励起光強度が３μＪ以上では、分光器４４の波長分解能（３ｎｍ）まで急激に減少した。これは、セル３６が、閾値励起光強度（３μＪ）以上でレーザ発振したことを意味する。
【００３０】
図９（ａ）〜（ｃ）及び図１０（ａ）、（ｂ）は、セルに印加する矩形型パルス（周波数１ｋＨｚ）の電圧を変化させたときに現れた、レーザ発光スペクトルの電圧依存性を示す。この図に示すように、印加電圧を増加すると、同一欠陥モードのレーザ発光ピーク波長が短波長側にシフトした。これは、電圧を印加すると、欠陥層におけるネマチック液晶の配向方向（長軸方向）が光の伝搬方向に平行になろうとして、光の伝搬方向における液晶の屈折率が減少したことに起因する。特に図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、波長の移動は、電圧が１．１Ｖ以上のときに発生する。この電圧１．１Ｖは、使用した液晶（メルク社、Ｅ４７）のフレデリクス転移の閾値電圧に対応している。したがって、レーザ発振波長のシフトは、電圧印加により誘起された液晶の再配列に基づく欠陥層の屈折率の減少に起因することが理解できる。
【００３１】
なお、図９（ａ）に示すように、セルに電圧を印加しない場合（印加電圧が０Ｖの場合）、発光スペクトルの波長は約６１８ｎｍである。この波長は、色素ＤＣＭに波長５３２ｎｍ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザの第二高調波）の励起光を照射したときにＤＣＭが発する光の波長と同一である。したがって、波長可変セルにおける誘電体積層を適宜設計してフォトニックバンドギャップの中心波長λ０を６００ｎｍに設定することにより、印加電圧が０Ｖのときの発光スペクトル波長を、フォトニックバンドギャップのほぼ中央に出現させることができた。
【００３２】
また、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、印加電圧を僅か０Ｖから２．２Ｖまで変化させるだけで、レーザ発振波長を約２６ｎｍの範囲で制御できた。そして、電圧によるレーザ発振波長の制御は可逆的であり、シフト可能な発振波長の範囲において約１００μｓの掃引速度を実現できることが確認できた。
【００３３】
なお、以上の実施例では、ネマチック液晶（メルク社のＥ４７）に対するＤＣＭの添加量を０．５ｗｔ％とした。しかし、添加量はその値に限るものでなく、添加量を変えても以上の実験と同様の傾向（すなわち、発振波長の電圧依存性）が得られることは明らかである。ただし、液晶に溶解できる色素ＤＣＭの量には限りがあるので、実質的にその添加量は、０．１ｗｔ％から数ｗｔ％の範囲で選択される。
【００３４】
また、上述の実験では電圧を０Ｖから２．２Ｖまで変化させたときにレーザ発振波長が２６ｎｍ変化することを示したが、レーザ色素の種類や欠陥層の厚さを最適化すれば、他の構成が同一のセルであっても、５Ｖ以下の範囲の電圧制御によって５０ｎｍ以上の波長制御が可能であるものと思われる。これは、発振波長の制御範囲が、レーザ色素の発光波長範囲に依存することによる。
【００３５】
このように、実施例１によれば、種々の作用効果が得られることが確認できた。例えば、実施例１の波長可変セル及びそれを用いた波長可変レーザ装置では、欠陥構造としてレーザ活性媒質（色素）を添加した液晶を用いており、この液晶は屈折率について異方性を有し且つ印加電圧に応じてその配向方向を変化させる。したがって、実施例１の波長可変セル及びそれを用いた波長可変レーザ装置では、セルの印加電圧を制御することによりレーザ発振波長を制御することが可能となる。
【００３６】
また、波長可変セル及びそれを用いた波長可変レーザ装置は、従来の波長可変装置のように機械的な回転機構や移動構造を必要としないので、波長可変レーザ装置を小型にすることができる。さらに、電気信号を機械的信号に変換するモータを必要としないため、コスト及び消費電力を低減できる。さらにまた、レーザ波長の掃引速度は１００μ秒程度であり、高速で波長を切り換えることができるため、高速通信の光スイッチとして応用することができる。そして、上述の波長可変セル及びそれを用いた波長可変レーザ装置によれば、数Ｖ以下の低電圧を用いて、レーザ発振波長を数十ｎｍ以上の広い範囲に渡って連続的に制御できる。
【００３７】
以上の実施例では、レーザ活性媒質としてＤＣＭを挙げたが、それは一例であってレーザ活性媒質はそれに限るものでないことは当然である。例えば、ＤＣＭの他に、ローダミン、クマリンなどの発光性色素、及びポリパラフェニレンビニレン（ＰＰＶ）、ポリフルオレンなどのπ共役系高分子を用いることができる。なお、π共役系高分子は、蛍光量子効率の高い材料が好ましい。
【００３８】
液晶の種類も同様で、使用する液晶はネマチック液晶以外の液晶であってもよい。例えば、カイラルスメクチック液晶は、電圧を印加したときにネマチック液晶よりも応答速度が速いという効果がある。これは、カイラルスメクチック液晶が、カイラルスメクチックＣ相において強誘電性を示す強誘電性液晶であることに起因する。ネマチック液晶に電圧を印加した場合は、液晶分子の再配列がネマチック液晶の誘電異方性に起因しているため、その駆動トルクが小さく、液晶分子自身の応答時間が数十ミリ秒と遅いのに対し、強誘電性液晶に電圧を印加した場合、自発分極と電界との相互作用を駆動力とするため、数μ秒〜数十μ秒の高速応答が実現できる。特に、欠陥層中の液晶としてカイラルスメクチック液晶を用いた場合、キュリー温度直上でのエレクトロクリニック効果を利用して、サブマイクロ秒の応答を実現することもできる。したがって、本実施例で示した波長可変装置を用いることにより、数十〜数百ｎｓでの波長制御が可能である。
【００３９】
誘電体層の種類数も限定的ではなく、屈折率の異なる３種類以上の層を周期的に配列してもよい。各種類の層の屈折率、配列方向における厚さ及び配列数も任意に選択できる。
【００４０】
さらに、屈折率が一方向に周期的に変化する材料を用いれば、種類の異なる層を積層することなく、１種類の層だけで一次元周期構造を構成できる。そのような材料として、例えばカイラルネマチック（ＣＮ）液晶やカイラルスメクチック液晶が挙げられる。
【００４１】
なお、フォトニックバンドギャップの波長領域及びその中心波長（λ０）は、誘電体層の屈折率、厚さ、配列数を選択することにより、紫外域から赤外域にわたる広い範囲で任意に選択可能である。また、欠陥モード波長の制御領域は、欠陥層の厚さを変えることにより、紫外域から赤外域にわたる広い範囲で任意に選択可能である。ここで、欠陥層がレーザ活性媒質を含む場合、レーザ活性媒質の種類を選択することにより、レーザ発振波長の制御領域を任意に設定できる。また、レーザ活性媒質の発光波長領域と欠陥モード波長の制御領域が広い範囲で重なるように、レーザ活性媒質の種類や欠陥層の厚さを設定すれば、レーザ発振波長を広い範囲で制御することが可能となる。加えて、欠陥層中の液晶に発光波長領域の異なる複数のレーザ活性媒質を添加すれば、レーザ発振波長をより広い範囲で制御することも可能である。
【００４２】
また、本実施例では、第１の物質として液晶を用いたが、電界を印加することにより屈折率が変化するその他の材料、例えば、電気光学効果を示す高分子を用いても本実施例と同一の作用効果が得られる。
【００４３】
なお、本実施例の波長可変レーザ装置においては、励起光源としてＹＡＧレーザを用いたが、レーザ活性媒質を励起できるものであれば任意の光源を使用できる。
【００４４】
また、本実施例の波長可変レーザ装置において、励起光源をセルの外部ではなく内部に設けることもできる。図１１は、内部に励起光源を含む波長可変セルの断面を示す。図１１に示されるように、励起光源６８は、２つの電極層２２，７０と、その間に挟まれたＥＬ（エレクトロルミネセンス）材料を含むＥＬ層７２から成る。電極層２２は、図１２に示されるように、欠陥層１４に電圧を印加する際にも使用される共通電極として機能する。ＥＬ層７２は、直流電源７３を用いて、電極２２と電極７２の間に電圧を印加することによって発光する。ＥＬ層７２から放出された光は、欠陥層１４中のレーザ活性媒質を励起する。上述のように、内部に励起光源を含む波長可変セルを用いれば、波長可変レーザ装置をさらに小型にすることができる。なお、上記のＥＬ材料は、無機又は有機の別を問わない。
【００４５】
また、図１１の実施例では、光源６８としてＥＬ素子を導入したが、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子を導入してもよい。ＥＬ素子や半導体発光素子は、種々の改良形を含み、その構造は限定されない。また、光源６８の位置は、図示したものに限られず、周期構造１２の任意の位置に設けられてよい。例えば、図１３に示すように、周期構造１２のほぼ中央に挿入してもよい。さらには、欠陥層１４と同じ層内にＥＬ素子又は半導体発光素子の発光層（光が出力される層のことであり、上記ＥＬ層や半導体レーザの活性層等を含む。）を設けて、欠陥層１４に導波光を照射することにより、レーザ活性媒質を励起する構成にすることもできる。
【００４６】
加えて、欠陥層が発光波長領域の異なる複数のレーザ活性媒質を含むとき、複数の発光層を設けることにより、それぞれのレーザ活性媒質を励起できる複数の励起光源をセル内に導入すれば、より広い範囲でレーザ発振波長を制御できる波長可変レーザ装置を実現できる。
【００４７】
波長可変セルを用いれば、特定の範囲の印加電圧についてのみレーザが発振するように構成することも可能である。これは、上述のように、レーザ発振波長がフォトニックバンドギャップの範囲内でのみ移動する性質を利用するもので、例えば、印加電圧が０Ｖのときには欠陥モードがフォトニックバンドギャップ波長領域に現れず、特定の値（液晶のフレデリックス転移の閾値電圧の値）以上の電圧を印加することにより初めて欠陥モードがフォトニックバンドギャップ波長領域に現れるようにするものである。これは、レーザ活性媒質の種類や欠陥層の厚さなどを選択することにより実現できる。
【００４８】
【実施例２】
図１４は、実施例２の波長可変セルを示す。図示する実施例において、図１の波長可変セル１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。本実施例のセル７４が、実施例１のセルと異なる点は、欠陥構造１４が、液晶層７６とレーザ活性媒質層７８の２つの独立した層で構成されていることである。
【００４９】
この波長可変セル７４の製造方法は、上述した実施例１の波長可変セルの製造方法と異なり、一方のセルブロックにおいて誘電体層を積層した後、誘電体層の上にπ共役系高分子などのレーザ活性媒質を例えばクロロフォルム溶液などからスピンコート法により塗布して活性媒質層７８を形成する。活性媒質層７８を積層した後、この活性媒質層７８の表面に液晶配向膜を生成する。そして、２つのセルブロックを液晶配向膜を対向させて配置し、これら液晶配向膜の間に形成された隙間に毛細管現象を利用して液晶を充填し液晶層７６を形成する。このようにして形成された波長可変セル７４は、図７に示す波長可変レーザ装置に組み込まれ、実施例１で説明したように利用される。また、実施例１と同一の作用効果が得られる。なお、図１５は、活性媒質層７８としてポリパラフェニレンビニレン誘導体を用いた波長可変セル７４を波長可変レーザ装置（図７）に組み込んでレーザ発振させた場合のレーザ発光スペクトルを示す。図１５により、約６２０ｎｍの波長付近で、レーザ発振していることが確認できた。
【００５０】
この実施例において、液晶層と活性媒質層は隣接している必要はなく、両者の間に別の層が介在してもよい。例えば、液晶層を挟むように配置される２つの電極層の一方を液晶層と活性媒質層との間に配置してもよい。また、電極の位置も任意で、一対の電極の間に印加される電圧を変化させることによって両者の間に形成されている電界の変化が液晶の配向に影響を及ぼすものであればよい。さらに、レーザ活性媒質は光励起によりレーザ発振する材料であればよく、無機又は有機の別は問わない。
【００５１】
また、本実施例では、第１の物質として液晶を用いたが、電界を印加することにより屈折率が変化するその他の材料、例えば、電気光学効果を示す結晶または高分子を用いても本実施例と同一の作用効果が得られる。
【００５２】
なお、本実施例においても、実施例１で述べたように、励起光源をセルの内部に設けることができる。特に、活性媒質層と同じ層内に半導体レーザを作り込んで導波光によりレーザ活性媒質を励起することも可能である。また、発光層を複数設けて、セル内に出力波長の異なる複数の励起光源を導入し、かつ、同じセル内にそれぞれの励起光源に対応した種類の異なる複数の活性媒質層を導入すれば、より広い範囲でレーザ発振波長を制御できる波長可変レーザ装置を実現することも可能である。
【００５３】
【実施例３】
図１６は、実施例３の波長可変セルを示す。図示する実施例において、図１の波長可変セル１０と同一の構成要素には同一の符号を付し、それらの説明は省略する。本実施例のセル８０は、温度の変化によって欠陥層の屈折率を制御するもので、電極が省かれている点で実施例１のセルと異なる。したがって、波長可変セル８０の製造方法は、ガラス基板２２の上に直接セルブロック１２ａ，１２ｂを形成する点を除いて実施例１の波長可変セルの製造方法と同一である。欠陥層の液晶にレーザ活性媒質を添加することは任意である。
【００５４】
この波長可変セルを波長可変装置に使用する場合、図１７に示されるように、波長可変セル８０上又はその近傍に加熱源８２を配置し、その発熱温度を温度制御装置８４で制御して液晶欠陥層１４の温度を調整する。その結果、例えば温度を上昇させると欠陥層１４の液晶が等方相（等方性液体層）になり、欠陥層１４の屈折率が変化する。この欠陥層１４の屈折率の変化は、欠陥モードの波長を変化させる。したがって、加熱源８２の温度、すなわち伝熱ヒータを用いる場合にはその印加電圧を制御することにより、欠陥モード波長（欠陥モードからのレーザ発振波長）を変化させることができる。
【００５５】
具体的に、実施例１で用いた具体的構成の波長可変セルから電極層を除いた波長可変セルを用い、これに実施例１と同一の励起用Ｎｄ：ＹＡＧレーザを照射し、セルの温度を変化させた。その結果、セルの温度が６１℃を超えたときからレーザ発振波長のシフトが測定された。このシフトが測定される温度は、ネマチック液晶が等方相になる温度である。
【００５６】
この温度の変化を利用した波長可変セルにおいて、波長シフトが発現する温度は欠陥層内の液晶の種類に依存する。例えば、ある液晶は室温近くで等方相になり、別の液晶は非常に高温（例えば、１００℃以上）で等方相になる。したがって、液晶の種類を選択することにより、欠陥モード波長（欠陥モードからのレーザ発振波長）を制御できる温度範囲を任意に選択することができる。
【００５７】
周囲の温度に応じて欠陥モード波長（レーザ発振波長）が変化するという特性を利用し、波長可変セルを温度センサに利用することも考えられる。例えば、温度を測定したい場所に設置された波長可変セルに励起光源を照射し、セルから出力される光の波長をモニタすることにより、セルの設置されている場所の温度を検出することができる。この場合、セルとモニタを適当な光導波路（例えば、光ファイバ）で光学的に接続すれば、遠隔地で温度をモニタすることができる。
【００５８】
なお、本実施例の波長可変レーザ装置では、欠陥構造を液晶欠陥層のみで形成したが、図１８に示すように、欠陥構造を液晶層と活性媒質層の２つの層で形成してもよい。また、以上の説明では加熱源をセルの外部に設けたが、液晶欠陥層の近傍に透明電極材料からなる発熱抵抗層を配置し、この発熱抵抗層に印加する電圧を制御することによって欠陥モード波長をシフトしてもよい。
【００５９】
また、本実施例の波長可変レーザ装置では、励起光源をセルの外部に設けたが、実施例１で述べたように、励起光源をセルの内部に設けてもよい。その場合には、例えば、図１１で示されるように、２つの電極層とそれらの間に挟まれた発光層とから成る励起光源を周期構造の任意の位置に挿入すればよい。
【００６０】
なお、本実施例では、ネマチック液晶のネマチック相−等方相転移を利用したが、カイラルスメスチック液晶の配向方向の温度依存性を利用することも可能である。具体的に説明すると、カイラルスメスチック液晶は、キュリー温度以下での温度変化により、スメスチック層の法線から傾く角度（チルト角）が連続的にかつ可逆的に変化する（図１９参照）。この特性を利用すれば、温度変化によって欠陥層の屈折率を連続的に制御できる。
【００６１】
また、本実施例では、第１の物質として液晶を用いたが、サーモクロミズム材料などの、温度変化によって屈折率が変化するその他の材料を用いても同一の作用効果が得られる。
【００６２】
【実施例４】
磁場の変化により欠陥層の屈折率を制御することもできる。この実施例には、実施例３で説明した波長可変セル（図１６と図１８参照）が利用できる。この波長可変セルを用いた波長可変装置が実施例３の波長可変装置と異なる点は、波長可変セル上又はその近傍に磁界形成手段として例えばコイルや電磁石（図１６，図１８において点線８６で示される。）が配置されることである。この波長可変装置において、コイル８６に印加する電圧を制御することにより欠陥構造１４を含む空間の磁界強度を変化させると、欠陥構造１４内の液晶の配向方向とその屈折率が変化し、結果として、波長可変装置から出力される光の波長が変化（シフト）する。
【００６３】
したがって、この波長可変セルは磁場センサとして利用できる。特に、波長可変セルは金属部品を含まないので、磁場を乱すことなく正確にその大きさを検出できるという利点ある。そのため、例えば、超伝導磁石によって作られる磁場をモニタするセンサとして好適に利用できる。
【００６４】
なお、本実施例において、出力される光のシフトが起こる磁界の強さは、欠陥構造１４に含まれる液晶の種類に依存する。従って、液晶を適当に選択することにより、出力光の波長範囲を任意に選択することができる。
【００６５】
また、本実施例の波長可変レーザ装置では、励起光源がセルの外部に設けられるが、実施例１で述べたように、励起光源がセルの内部に設けられてもよい。その場合は、例えば、図１１で示されるように、２つの電極層とそれらの間に挟まれた発光層とから成る励起光源が周期構造の任意の位置に挿入される。
【００６６】
【実施例５】
光の強度変化により欠陥層の屈折率を制御することもできる。この実施例には、実施例３で説明した波長可変セル（図１６と図１８参照）が利用できる。この波長可変セルを用いた波長可変装置が実施例３の波長可変装置と異なる点は、波長可変セル上又はその近傍に別の光源が配置されることである。このように構成された波長可変装置によれば、光源に印加する電圧を制御することによって欠陥構造１４を含む空間を照射する光の強度を変化させると、欠陥構造１４内の液晶の配向方向とその屈折率が変化し、波長可変装置から出力される光の波長が変化（シフト）する。したがって、この波長可変セルは光センサとしても利用できる。
【００６７】
なお、本実施例において、欠陥構造１４に含まれる屈折率可変物質（置かれている場の強度に応じて屈折率が変化する物質）を液晶としたが、フォトクロミック分子、非線形光学材料又はフォトリフラクティブ材料を用いることもできる。また、液晶の代わりに、光によって屈折率の変化するニトロベンゼンや二硫化炭素（ＣＳ２）などの光反応性液体材料を用いることもできる。それらの場合にも、欠陥構造１４を含む空間を照射する光の強度を変化させると、欠陥構造１４内の屈折率が変化し、結果として、波長可変装置から出力される光の波長が変化（シフト）する。
【００６８】
なお、フォトクロミック分子のなかには、それ自体が強い蛍光を示してレーザ活性媒質として働くものがある。そのようなフォトクロミック分子が欠陥構造１４に含まれる場合、そのフォトクロミック分子は、屈折率可変物質として働くと同時にレーザ活性媒質としても働き、欠陥構造１４は、別個にレーザ活性媒質を含む必要がない。この欠陥構造１４は、図１６における欠陥層１４として、２つのセルブロック（１２ａ，１２ｂ）の誘電体層の隙間にフォトクロミック分子を分散（溶解）させたマトリックス材料（ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などの透明高分子）又はフォトクロミック高分子を充填することにより作成できる。
【００６９】
同様に、非線形光学材料のなかにも、屈折率可変物質及びレーザ活性媒質として働くものがある。例えば、ＰＰＶ、置換ポリアセチレン、ポリフルオレンなどの共役系高分子は、ＥＬ材料にも使用できるほど強い蛍光を示し、レーザ活性媒質になると同時に、大きな三次の非線形光学効果を示す。このような非線形光学材料を欠陥層１４として用いれば、別個にレーザ活性媒質を含む必要がなくなる。また、そのような非線形光学材料が、レーザ発振によりその屈折率を自ら変化させるという現象（非線形現象）を利用して、波長可変装置のレーザ発振波長を自動的に変化させることも可能である。さらには、非線形現象を利用して、光双安定、カオスなどの現象を利用した素子への応用も可能である。
【００７０】
以上のような屈折率可変物質でもありレーザ活性媒質でもあるフォトクロミック分子及び非線形光学材料を欠陥層１４として含む場合、この波長可変セルを用いた波長可変レーザ装置は、その欠陥構造において非線形光学材料とレーザ活性媒質とを別々に含む波長可変セルを用いた波長可変レーザ装置と同一の作用効果を示す。
【００７１】
また、フォトクロミック分子が、照射される光の波長に応じて２つの異性体間を転移する（屈折率が非連続的に変化する）という性質を利用し、特定波長の光を照射する場合についてのみ光が出力されるように波長可変セルを構成することも可能である。その場合には、異性体間の遷移のために、波長可変セルに、特定波長の光又は異なる波長の２つの光を照射する必要があるので、実施例３の波長可変装置において、波長可変セル上又はその近傍に、特定波長の光源又は出力光の波長を制御できる光源を配置する必要がある。
【００７２】
なお、その特定波長の光源又は出力光の波長を制御できる光源を、波長可変セルの内部に設けることもできる。図２０は、特定波長の光源を内部に備える波長可変セルの断面を示す。図２０に示されるように光源９０は、２つの電極層９２，９４と、その間に挟まれたＥＬ（エレクトロルミネセンス）材料を含むＥＬ層９６から成る。これは、図１１や図１３で示された励起光源６８の構成と同一である。以上のように、光源が波長可変セルの内部に含まれる場合、波長可変装置をさらに小型にすることができる。なお、光源９０として、ＥＬ素子の代わりに、発光ダイオードや半導体レーザなどの半導体発光素子を導入することもできる。さらには、欠陥層１４と同じ層内にＥＬ素子又は半導体発光素子の発光層を設けて、欠陥層１４に導波光を照射することにより、レーザ活性媒質を励起することもできる。
【００７３】
また、波長可変セル内に複数の発光層を設けて、出力波長の異なる複数の光源をセル内に導入することにより、出力光の波長を制御できる光源を含む波長可変セルを実現することも可能である。その場合には、一方の異性体への遷移および他方の異性体への遷移の両方の遷移（光異性化）をそれぞれ制御できる。
【００７４】
また、本実施例の波長可変レーザ装置では、励起光源をセルの外部に設けたが、実施例１で述べたように、励起光源をセルの内部に設けてもよい。また、上述した特定波長の光源又は出力光の波長を制御できる光源と、レーザ活性媒質の励起光源とを、同時に波長可変セルの内部に含むことも可能である。
【００７５】
以上の実施例で説明された波長可変装置は、出力する光の波長を外場により任意にかつ高速に制御でき、種々の分野への応用が期待できる。特に、波長可変レーザ装置は、レーザ発振波長又はレーザ発振自体を外場により任意かつ高速に制御できるため、光通信分野への応用が期待できる。例えば、ＷＤＭ（波長分割多重）装置のレーザ光源として用いれば、１台で複数の光波長を送出できるため、ＷＤＭ装置全体の低コスト化が可能となる。また、本発明による波長可変レーザ装置を、レーザ送出装置の故障時の代替用光源として活用すれば、これまでそれぞれの波長毎に用意していたバックアップ用のレーザ送出装置が不要となるとともに、あらかじめＷＤＭ装置にバックアップ用として搭載することで、システムダウンの際の迅速な復旧を可能とするなど、コストダウン以外のメリットも期待できる。
【００７６】
また、上述の波長可変レーザ装置は、リモートセンシング（地球環境、気象、防災）分野にも応用できる。この分野においては、レーザを光源とするレーダー手法（ライダー）を用いて、大気中のエアロゾル（浮遊粒子状物質）、水蒸気、汚染気体、大気構造、気温、気圧、風向風速、成層圏オゾン層、中間圏金属原子層などの観測を行う。本発明による波長可変レーザ装置は、共鳴散乱ライダーや２波長の信号の違いを解析する差分吸収ライダーの波長可変光源として使用でき、小型で信頼性が高いことから、航空機、人工衛星、スペースシャトルなどへの搭載も期待できる。
【００７７】
また、本発明による波長可変レーザ装置は、医療分野にも応用できる。例えば、血液中又は筋肉中の酸素濃度分布の無侵襲イメージング（ＣＴ画像）用の光源として利用でき（例えば、脳内酸素分布など）、虚血症、脳梗塞、心筋梗塞などの診断、癌の診断への応用が期待できる。また、レーザの波長を医療行為の種類に応じて変化させるレーザメスとしても利用できる。さらに、本発明による波長可変レーザ装置は、記録デバイス分野におけるＣＤ−Ｒ、ＤＶＤなどの光記録媒体への書き込み光源として利用可能であり、光感応性色素などの記録媒体の応答波長選択制を利用した多重記録や、媒質の深さ方向への浸透距離の波長依存性を利用した三次元記録など、高密度光記録への応用が期待される。
【００７８】
本発明による波長可変レーザ装置は、その他にも、高分解能分光や気体分子種分析の光源として利用でき、例えば共鳴散乱を利用したＳ／Ｎ比の高いガスの成分・濃度計測を可能にする。また、レーザ同位体分離に用いるレーザ光源としても利用できる。さらに、コヒ−レント光を利用する光応用計測分野にも応用が可能である。
【００７９】
【発明の効果】
本発明による波長可変方法及び装置によれば、出力する光の波長の切り換えを短時間に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態による波長可変セルを示す断面図である。
【図２】 （ａ）は、本発明の実施の形態による波長可変装置の構成を示す図であり、（ｂ）は、図２（ａ）の波長可変装置に組み込まれた波長可変セルを示す断面図である。
【図３】 図２（ａ）に示された波長可変装置の一部を示す図である。
【図４】 液晶に色素を添加していない波長可変セルに電圧を印加した場合の透過スペクトルの電圧依存性を示す図である。
【図５】 液晶に色素を添加していない波長可変セルに対する印加電圧と欠陥モード波長との関係を示す図である。
【図６】 欠陥構造を除いた波長可変セルの波長−透過スペクトルを示す図である。
【図７】 本発明の実施の形態による波長可変レーザ装置を示す図である。
【図８】 液晶に色素を添加した波長可変セルの発振レーザスペクトルのピーク強度と半値幅の励起光強度依存性を示す図である。
【図９】 液晶に色素を添加した波長可変セルのレーザ発光スペクトルの電圧依存性を示す図であり、（ａ）０Ｖ、（ｂ）１．５Ｖ、（ｃ）２．０Ｖの電圧を印加した場合のレーザ発光スペクトルを示す。
【図１０】 液晶に色素を添加した波長可変セルのレーザ発振波長の電圧依存性を示す図であり、（ａ）は、欠陥モード波長の電圧依存性を示し、（ｂ）は、レーザ発振波長の電圧依存性を示す。
【図１１】 内部に光源を導入した波長可変セルを示す断面図である。
【図１２】 図１１の波長可変セルの電極と電源との接続を示す図である。
【図１３】 図１１の波長可変セルの変形例を示す断面図である。
【図１４】 本発明による実施例２の波長可変セルを示す断面図である。
【図１５】 実施例２の波長可変セルのレーザ発光スペクトル示す図である。
【図１６】 本発明による実施例３の波長可変セルを示す断面図である。
【図１７】 図１６の波長可変セルの温度制御装置を示す図である。
【図１８】 図１７の波長可変セルの変形例を示す図である。
【図１９】 カイラルスメスチック液晶の配向方向の温度依存性を示す図である。
【図２０】 特定波長の光源を内部に備える波長可変セルを示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 波長可変セル
１２ 一次元周期構造
１４ 欠陥構造
１６，１８ 誘電体層
２０，２２ 電極
２４，２６ 透明基板
Claims (10)
- 屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、
前記一次元周期構造の中に導入され、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化する第１の物質を含む欠陥構造層とを備えており、
前記一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化し、
前記欠陥構造層は、さらに、入射光によって励起される第２の物質を含み、
前記第２の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる発振波長可変セル。 - 屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、
前記一次元周期構造の中に導入され、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化する第１の物質を含む欠陥構造層と、
前記一次元周期構造内に導入され、入射光により励起される第２の物質を含む活性媒質層とを備えており、
前記一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化し、
前記第２の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる発振波長可変セル。 - 前記第１の物質が、液晶、π共役系高分子、電気光学効果を示す材料、サーモクロミズム材料、フォトクロミック分子、非線形光学材料、フォトリフラクティブ材料、光反応性液体材料のいずれか一つであることを特徴とする請求項１または２に記載の発振波長可変セル。
- 前記第２の物質が、発光性色素、π共役系高分子のいずれか一つである請求項１から３のいずれか一に記載の発振波長可変セル。
- 屈折率の異なる複数の層を積層した一次元周期構造と、
前記一次元周期構造の中に導入され、第１の物質を含む欠陥構造層とを備えており、
前記一次元周期構造はフォトニックバンドギャップを有し、
前記欠陥構造層は、フォトニックバンドギャップ内で局在モードを有し、前記場の強度に応じて前記局在モードの光の波長を変化し、
前記第１の物質は、置かれている場の強度に応じて屈折率が変化するとともに、入射光によって励起される物質であり、
前記第１の物質の励起によるレーザ発振の波長を前記場の強度に応じて変化できる発振波長可変セル。 - 前記第１の物質がフォトクロミック分子および非線形光学材料のいずれか一つであることを特徴とする請求項５に記載の発振波長可変セル。
- 前記場が、電場、磁場、光場、温度場のいずれかであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一に記載の発振波長可変セル。
- さらに、前記一次元周期構造と前記欠陥構造層を透過する入射光を発生する光源を備え、前記光源は前記一次元周期構造と一体化されている、請求項１から７のいずれか一に記載の発振波長可変セル。
- （ａ） 請求項１から６のいずれか一に記載の、場の強度に応じてレーザ発振の波長を変化できる発振波長可変セルと、
（ｂ）前記波長可変セル内の前記一次元周期構造と欠陥構造層を透過する励起光を前記発振波長可変セルに出射する光源と、
（ｃ）前記光源と前記波長可変セルとの間の光路に配置される第１偏光素子と、
（ｄ）前記発振波長可変セルが置かれている前記場の強度を調整する強度調整装置と、
（ｅ）前記発振波長可変セルの出射側光路に配置される第２偏光素子、および
（ｆ）前記発振波長可変セルの出射側光路に配置され、出射された前記励起光をカットする励起光カットフィルタと
を備え、前記場の強度に応じてレーザ発振の波長を変化できる発振波長可変レーザ装置。 - 前記光源と前記波長可変セルが一体化されたことを特徴とする請求項９に記載の発振波長可変レーザ装置。
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