JP5775325B2

JP5775325B2 - 波長可変光源

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Publication number: JP5775325B2
Application number: JP2011040256A
Authority: JP
Inventors: 龍男道垣内; 和上藤田; 忠孝枝村; 直大秋草
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
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Priority date: 2011-02-25
Filing date: 2011-02-25
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2031-02-25
Also published as: US8594142B2; JP2012178436A; US20120219022A1

Description

本発明は、波長可変光源に関するものである。

中赤外領域（波長２μｍ以上）には多くの分子に強い吸収が見られることから、この波長領域は指紋領域として知られている。特に近年では、環境計測に対する関心が高まっており、中赤外領域の吸収に基づいて各種の温室効果ガスの濃度を測定することが行われている。また、波長領域２μｍ〜５μｍには大気に対して透過率が高い領域が存在し、この波長領域は大気の窓と呼ばれている。

量子カスケードレーザは、電子のサブバンド間遷移を利用した中赤外光源として研究開発されており、上記のような中赤外領域の特徴を活かした環境計測や生体計測を可能にする。一般的な半導体レーザの発光特性が材料の物性により決まるのに対して、量子カスケードレーザの発光特性は人工的に設計し制御することができる。したがって、量子カスケードレーザは、巧妙な設計によって同時に複数の波長で発光することも可能であり、中赤外領域において帯域幅が数μｍに及ぶ広帯域（例えば２μｍ〜２０μｍ）でゲインを有することができる。

このような広帯域ゲインを有する量子カスケードレーザと外部共振器とを組み合わせることにより、広帯域の波長チューニングが可能な小型の波長可変光源が実現され得る（特許文献１，２を参照）。このような１台の波長可変光源を用いることで、様々な用途への応用が可能となる。

量子カスケードレーザと外部共振器とを組み合わせた波長可変光源において、量子カスケードレーザの第１端から出射された光は、光学系によりコリメートされた後に回折格子に入射され、その回折格子への入射光のうち特定波長の光は、入射方向と逆の方向に回折されて量子カスケードレーザの第１端に帰還される。量子カスケードレーザの第２端から出射された光は、回折格子とともに外部共振器を構成する反射鏡に入射されて、この反射鏡により一部が反射され残部が透過する。この反射鏡を透過した光は、波長可変光源の出力光となる。回折格子の格子面の方位を調整することで、回折格子から量子カスケードレーザの第１端に帰還される光（すなわち波長可変光源の出力光）の波長を調整することができる。このような外部共振器はリトロー型の配置として知られている。

欧州特許出願公開第２０８１２６５号明細書国際公開第２００８／０３６８８４号

上記のような波長可変光源において達成可能な波長チューニングの範囲は、量子カスケードレーザのゲイン帯域および回折格子の高い回折効率が得られる帯域の重なる範囲となり、これら２つの帯域のうち狭い方に制限される。現状では、量子カスケードレーザのゲイン帯域幅より、回折格子の高い回折効率が得られる帯域幅が狭い。したがって、波長可変光源において達成可能な波長チューニングの範囲は、回折格子によって制限される。

また、上記のような波長可変光源においては、回折格子の回折効率の問題に加えて、フリースペクトルレンジも大きな制約となる。例えば、波長範囲４μｍ〜８μｍで波長チューニングする場合を考えると、仮にこの範囲で充分に高い回折効率が得られる回折格子が存在したとしても、その回折格子から波長８μｍの１次回折光と波長４μｍの２次回折光とは同じ方向に出射されるので、波長可変光源は２波長で発振することになる。チューニングする波長範囲が広いほど、このような問題は顕著になる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、広帯域で波長チューニングおよび単一波長発振が可能な波長可変光源を提供することを目的とする。

本発明の波長可変光源は、(1) 中心波長が互いに異なる複数の活性層をスタック状に積層した構造を有し、第１端および第２端それぞれから光を出射する量子カスケードレーザと、(2) 量子カスケードレーザの第１端から出射される光をコリメートする光学系と、(3) 光学系によりコリメートされた光が入射され、この入射光のうち特定波長の光を当該入射方向と逆の方向に回折させて量子カスケードレーザの第１端に帰還させる第１反射部と、(4) 量子カスケードレーザの第２端から出射される光の一部を反射させ残部を透過させて、第１反射部とともに外部共振器を構成する第２反射部と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明では、第１反射部は、格子周期が互いに等しく溝深さが互いに異なるブレーズド回折格子であって回折特性が互いに異なり格子面方位が可変である複数個の回折格子を含み、複数個の回折格子から選択される何れかの回折格子に光学系によりコリメートされた光が回折格子毎に異なる入射角で入射され、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を当該入射方向と逆の方向に回折させることを特徴とする。

本発明の波長可変光源では、第１反射部は、所定の回転中心軸の周りに回転自在な回転部材の一方の面に複数個の回折格子が設けられており、回転部材の回転位置に応じて、複数個の回折格子から選択される何れかの回折格子に光学系によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の格子面方位が設定されてもよい。或いは、第１反射部は、所定の回転中心軸の周りに回転自在な回転部材の複数個の側面それぞれに回折格子が設けられており、回転部材の回転位置に応じて、複数個の回折格子から選択される何れかの回折格子に光学系によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の格子面方位が設定されてもよい。或いは、第１反射部は、所定の回転中心軸の周りに回転自在な回転部材の一方の面に複数個の回折格子が設けられており、回転部材の面上で複数個の回折格子をスライドさせることで、複数個の回折格子から選択される何れかの回折格子に光学系によりコリメートされた光が入射され、回転部材の回転位置に応じて、その選択された回折格子の格子面方位が設定されてもよい。

本発明の波長可変光源では、光学系は放物面鏡であるのが好適である。

本発明の波長可変光源は、広帯域で波長チューニングが可能であり、単一波長で発振が可能である。

第１実施形態の波長可変光源１の構成を示す図である。ブレーズド回折格子における各格子の断面形状を説明する図である。回折格子１１１〜１１３の配置および大きさを説明する図である。第１実施形態の波長可変光源１の第１反射部１１０の詳細構成を示す図である。第１実施形態の波長可変光源１において回折格子１１１に入射角１５度で光が入射した際の回折効率の波長依存性を示すグラフである。第１実施形態の波長可変光源１において回折格子１１２に入射角２５度で光が入射した際の回折効率の波長依存性を示すグラフである。第１実施形態の波長可変光源１において回折格子１１３に入射角３５度で光が入射した際の回折効率の波長依存性を示すグラフである。第２実施形態の波長可変光源の第１反射部１２０の構成を示す図である。第３実施形態の波長可変光源の第１反射部１３０の構成を示す図である。第４実施形態の波長可変光源の第１反射部１４０の構成を示す図である。第５実施形態の波長可変光源の第１反射部１５０の構成を示す図である。第６実施形態の波長可変光源の第１反射部１６０の構成を示す図である。第７実施形態の波長可変光源７の構成を示す図である。放物面鏡７０の詳細な構成を説明する図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

図１は、第１実施形態の波長可変光源１の構成を示す図である。第１実施形態の波長可変光源１は、筐体１０、量子カスケードレーザ２０、反射低減膜３０、第２反射部４０、レンズ５０、レンズ６０および第１反射部１１０を備える。

量子カスケードレーザ２０は、互いに対向する第１端２１および第２端２２を有し、中赤外領域の広帯域の光を第１端２１および第２端２２それぞれから出射することができる。量子カスケードレーザ２０は、中心波長が互いに異なる複数の活性層をスタック状に積層した構造を有することで、上記のような広帯域の光を出射することができる。例えば、量子カスケードレーザ２０が波長領域４μｍ〜１２μｍの光を出射するためには、各々の中心波長が５μｍ，７μｍ，９μｍ，１１μｍである４種の活性層をスタック状に積層すればよい。また、量子カスケードレーザ２０のデバイス長は例えば３ｍｍであり、リッジ幅は例えば１２μｍである。

量子カスケードレーザ２０の第１端２１には反射低減膜３０が設けられている。この反射低減膜３０は、量子カスケードレーザ２０の第１端２１から外部へ光が出射する際の反射率を例えば５％以下に低減し、また、外部から量子カスケードレーザ２０の第１端２１へ光が入射する際の反射率を例えば５％以下に低減する。

量子カスケードレーザ２０の第２端２２には第２反射部４０が設けられている。この第２反射部４０は、量子カスケードレーザ２０の第２端２２から外部へ光が出射する際の反射率を５０％〜９０％とする。第２反射部４０は、量子カスケードレーザ２０の第２端２２から出射される光の一部を反射させ残部を透過させる。

レンズ５０は、量子カスケードレーザ２０の第１端２１から出射される光をコリメートする。レンズ６０は、量子カスケードレーザ２０の第２端２２から出射される光をコリメートする。レンズ５０，６０は、発振波長において透明な材料（例えばＺｎＳｅ）からなる。レンズ５０，６０は、球面収差低減のために非球面レンズであるのが好適である。レンズ５０，６０は、発振波長において反射率を例えば５％以下に低減する反射低減膜が両面に設けられているのが好適である。レンズ５０，６０は、例えば、直径５ｍｍ以下であり、焦点距離１ｍｍ以下であり、開口数０.９以上である。

第１反射部１１０は、レンズ５０によりコリメートされた光が入射され、この入射光のうち特定波長の光を当該入射方向と逆の方向に回折させて量子カスケードレーザ２０の第１端２１に帰還させる。第１反射部１１０と第２反射部４０とはリトロー型の外部共振器を構成している。このような構成とすることで、光学系を単純化することができ、装置を小型化・安定化することができる。

筐体１０は、量子カスケードレーザ２０、反射低減膜３０、第２反射部４０、レンズ５０、レンズ６０および第１反射部１１０を内部に収納する。筐体１０は、量子カスケードレーザ２０の第２端２２から出射されレンズ６０によりコリメートされた光を外部へ出力するための窓１１を有する。窓１１は、発振波長において透明な材料（例えばＺｎＳｅ）からなり、発振波長において反射率を例えば５％以下に低減する反射低減膜が両面に設けられているのが好適である。

温度変動に因る量子カスケードレーザ２０の出力光波長の揺らぎを抑制するために、量子カスケードレーザ２０の温度を一定に保つ温度調整機構が筐体１０内に設けられているのが好適である。また、量子カスケードレーザ２０の低温での駆動を可能にするため、筐体１０内は真空状態または低圧状態を保てるよう密閉されているのが好適である。

第１反射部１１０について更に詳細に説明する。第１反射部１１０は、回折特性が互いに異なり格子面方位が可変である３個の回折格子１１１〜１１３を含む。回折格子１１１〜１１３は、所定の回転中心軸１１６の周りにアーム１１５を介して回転自在な回転部材１１４の一方の面に設けられている。回転部材１１４の回転位置に応じて、回折格子１１１〜１１３から選択される何れかの回折格子にレンズ５０によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の格子面方位が設定される。そして、第１反射部材１１０は、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を、当該入射方向と逆の方向に回折させて、量子カスケードレーザ２０の第１端２１に帰還させることができる。

回折格子１１１〜１１３は、図２に示されるように、各格子の断面が鋸歯形状であるブレーズド回折格子であるであるのが好適である。回折格子１１１〜１１３は、格子周期（溝間隔）が互いに等しく、溝深さが互いに異なるものとすることができる。例えば、回折格子１１１〜１１３それぞれの溝密度を１２０本／ｍｍとして、回折格子１１１の使用波長範囲を４μｍ〜７μｍとし、回折格子１１２の使用波長範囲を７μｍ〜１０μｍとし、回折格子１１３の使用波長範囲を１０μｍ〜１２μｍとする。溝密度ｄを決定すれば、下記（１）式によって、帰還させるべき光の波長λに対する回折角αが一意に決まる。リトロー配置であるから、回折次数ｍは１とする。
ｍλ＝２ｄ・sinα …（１）

この式から判るように、波長λが長いほど回折角αは大きい。したがって、回折角が大きい領域で長波長側の波長チューニングを行い、回折角が小さい領域で短波長側の波長チューニングを行うように、回折格子１１１〜１１３は配列される。ただし、回折格子への光の入射角θが大きいほど、単位角度当りの光点の移動距離が長くなるので、入射角θが大きい範囲で使用する長波長用の回折格子１１３は、他の回折格子１１１，１１２と比べて面積が大きいのが好ましい。したがって、図３に示されるように、例えば、回折格子１１１の幅を８ｍｍとし、回折格子１１２の幅を１０ｍｍとし、回折格子１１３の幅を１２ｍｍとすればよい。

図４は、第１実施形態の波長可変光源１の第１反射部１１０の詳細構成を示す図である。回転中心軸１１６は、レンズ５０によりコリメートされて第１反射部１１０に入射される光の主光線に対して、距離Ｄ＝２５ｍｍだけ離間している。回折格子１１１〜１１３は、アーム１１５により回転中心軸１１６から５０ｍｍだけ離間していて、回転中心軸１１６の周りに回転自在である。この場合、アームの回転角θ（すなわち、回折格子への光の入射角θ＝回折角α）を１０度から４０度まで変化させたとき、回折格子の格子面上の光入射位置を２５ｍｍの範囲で移動させることができる。

そして、回折格子１１１は、入射角θが１０度〜２０度の範囲で且つ波長λが４μｍ〜７μｍの範囲において回折効率が高くなるように鋸歯形状が決定される。回折格子１１２は、入射角θが２０度〜３０度の範囲で且つ波長λが７μｍ〜１０μｍの範囲において回折効率が高くなるように鋸歯形状が決定される。また、回折格子１１３は、入射角θが３０度〜４０度の範囲で且つ波長λが１０μｍ〜１２μｍの範囲において回折効率が高くなるように鋸歯形状が決定される。

回折格子１１１〜１１３の鋸歯形状の決定に際しては、格子周期（溝間隔）を各々の値に設定してもよいが、格子周期（溝間隔）を共通にして溝深さを各々の値に設定してもよい。リトロー配置の場合、帰還させるべき光の波長λおよび入射角θに対して、溝深さは下記（２）式で表される。この（２）式を満たす溝深さを選ぶことで、回折効率は最大になる。
溝深さ＝λ／（２cosθ） …（２）

回折格子１１１において、用いる入射角範囲の中心値である１５度を入射角θとし、ブレーズド波長を５.１μｍとすると、上記（２）式を満たす溝深さは２.７μｍとなる。これらの値を採用することにより、回折格子１１１が担当する波長範囲４μｍ〜７μｍの両端において略同じ回折効率が得られ、この波長範囲で高い回折効率が得られる。図５は、第１実施形態の波長可変光源１において回折格子１１１に入射角１５度で光が入射した際の回折効率の波長依存性を示すグラフである。この図に示されるように、波長範囲４μｍ〜７μｍにおいて回折効率は０.７以上となる。

回折格子１１２において、用いる入射角範囲の中心値である２５度を入射角θとし、ブレーズド波長を８.４μｍとすると、上記（２）式を満たす溝深さは４.８５μｍとなる。これらの値を採用することにより、回折格子１１２が担当する波長範囲７μｍ〜１０μｍの両端において略同じ回折効率が得られ、この波長範囲で高い回折効率が得られる。図６は、第１実施形態の波長可変光源１において回折格子１１２に入射角２５度で光が入射した際の回折効率の波長依存性を示すグラフである。この図に示されるように、波長範囲７μｍ〜１０μｍにおいて回折効率は０.８以上となる。

回折格子１１３において、用いる入射角範囲の中心値である３５度を入射角θとし、ブレーズド波長を１１μｍとすると、上記（２）式を満たす溝深さは７.４μｍとなる。これらの値を採用することにより、回折格子１１３が担当する波長範囲１０μｍ〜１２μｍの両端において略同じ回折効率が得られ、この波長範囲で高い回折効率が得られる。図７は、第１実施形態の波長可変光源１において回折格子１１３に入射角３５度で光が入射した際の回折効率の波長依存性を示すグラフである。この図に示されるように、波長範囲１０μｍ〜１２μｍにおいて回折効率は略０.９以上となる。

図５〜図７に示されるように、回折格子１１１〜１１３それぞれは、担当する波長帯に対し高い回折効率が得られるように設計されているのに対して、担当する波長帯以外の波長帯に対しては回折効率が十分に低くなっており、これにより、二次の回折光の影響を受けないようにすることができる。例えば図７では、帰還させるべき波長として１０μｍを選択したとき、波長５μｍの光に対する二次回折の効率は非常に小さいので、波長５μｍの光がもたらす二次回折光の影響を抑えられることが判る。

なお、回折格子１１１〜１１３は、反射効率を高めるため、反射面が金でコーティングされていることが好ましい。回折格子１１１〜１１３を回転中心軸１１６の周りに回転させて回折格子１１１〜１１３の格子面方位を調整するには、モータを用いればよく、所望の発振波長λに応じて回転位置を自動制御するのが好ましい。これまでの説明で述べた各構成要素の寸法例に加えて、レンズ５０と第１反射部１１１との間の距離を２０ｍｍ程度にすれば、筐体１０は縦１００ｍｍ×横８０ｍｍ×高さ７０ｍｍ程度の大きさにすることができる。このような装置の小型化は、単一の回転機構を用いて回折格子の選択および格子面方位の設定を行うこととしたことに因る。

第１実施形態では、第２反射部４０とともに外部共振器を構成する一方の第１反射部１１０は、回折特性が互いに異なり格子面方位が可変である回折格子１１１〜１１３を含み、回折格子１１１〜１１３から選択される何れかの回折格子にレンズ４０によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を当該入射方向と逆の方向に回折させて量子カスケードレーザ２０の第１端２１に帰還させる。このような構成としたことにより、第１実施形態の波長可変光源１は、広帯域で波長チューニングが可能であり、単一波長で発振が可能である。

第２反射部４０とともに外部共振器を構成する一方の第１反射部の構成としては、第１実施形態における第１反射部１１０の構成の他に、様々な構成の態様があり得る。以下の第２〜第６の実施形態では、図１に示された波長可変光源において第１反射部１１０に替えて採用され得る他の第１反射部の構成について説明する。

（第２実施形態）

図８は、第２実施形態の波長可変光源の第１反射部１２０の構成を示す図である。第１実施形態における第１反射部１１０では、回転中心軸１１６に対してアーム１１５を介して接続された回転部材１１４の面に回折格子１１１〜１１３が設けられていたのに対して、第２実施形態における第１反射部１２０では、回転中心軸１２５に直接に接続された回転部材１２４の面に回折格子１２１〜１２３が設けられている。

回折格子１２１〜１２３は、回転中心軸１２５の周りに回転自在な回転部材１２４の一方の面に設けられている。第２実施形態における回折格子１２１〜１２３は、第１実施形態における回折格子１１１〜１１３と同様に設計される。回転中心軸１２５は、レンズ５０によりコリメートされて第１反射部１２０に入射される光の主光線に対して或る距離だけ離間している。

回転部材１２４の回転位置に応じて、回折格子１２１〜１２３から選択される何れかの回折格子にレンズ５０によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の格子面方位が設定される。そして、第１反射部材１２０は、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を、当該入射方向と逆の方向に回折させて、量子カスケードレーザ２０の第１端２１に帰還させることができる。

第２実施形態の波長可変光源も、第１実施形態の波長可変光源１と同様に、単一の回転機構を用いて回折格子の選択および格子面方位の設定を行うことから、小型化が可能である。また、第２実施形態の波長可変光源も、広帯域で波長チューニングが可能であり、単一波長で発振が可能である。

（第３実施形態）

図９は、第３実施形態の波長可変光源の第１反射部１３０の構成を示す図である。第３実施形態における第１反射部１３０では、４個の回折格子１３１〜１３４は、回転中心軸１３６の周りに回転自在な四角柱形状の回転部材１３５の４個の側面それぞれに設けられている。第３実施形態における回折格子１３１〜１３４は、第１実施形態における回折格子１１１〜１１３と同様に溝間隔一定で設計されても構わないし、溝間隔が互いに異なるように設計されても構わない。

回転部材１３５の回転位置に応じて、４個の回折格子１３１〜１３４から選択される何れかの回折格子にレンズ５０によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の格子面方位が設定される。そして、第１反射部材１３０は、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を、当該入射方向と逆の方向に回折させて、量子カスケードレーザ２０の第１端２１に帰還させることができる。

第３実施形態の波長可変光源も、第１実施形態の波長可変光源１と同様に、単一の回転機構を用いて回折格子の選択および格子面方位の設定を行うことから、小型化が可能である。また、第３実施形態の波長可変光源も、広帯域で波長チューニングが可能であり、単一波長で発振が可能である。

なお、回転部材１３５は、四角柱形状に限られることはなく、一般に多角柱形状であればよい。回転部材１３５が六角柱形状である場合には、６個の回折格子を設けることができる。

（第４実施形態）

図１０は、第４実施形態の波長可変光源の第１反射部１４０の構成を示す図である。第４実施形態における第１反射部１４０では、２個の回折格子１４１，１４２は、回転中心軸１４４の周りに回転自在な平板形状の回転部材１４３の２つの面それぞれに設けられている。第４実施形態における回折格子１４１，１４２は、第１実施形態における回折格子１１１〜１１３と同様に溝間隔一定で設計されても構わないし、溝間隔が互いに異なるように設計されても構わない。

回転部材１４３の回転位置に応じて、２個の回折格子１４１，１４２から選択される何れかの回折格子にレンズ５０によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の格子面方位が設定される。そして、第１反射部材１４０は、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を、当該入射方向と逆の方向に回折させて、量子カスケードレーザ２０の第１端２１に帰還させることができる。

第４実施形態の波長可変光源も、第１実施形態の波長可変光源１と同様に、単一の回転機構を用いて回折格子の選択および格子面方位の設定を行うことから、小型化が可能である。また、第４実施形態の波長可変光源も、広帯域で波長チューニングが可能であり、単一波長で発振が可能である。本実施形態では、回転部材の回転位置に依らず共振器長を一定にする（或いは、共振器長の変動を小さくする）ことができる。

（第５実施形態）

図１１は、第５実施形態の波長可変光源の第１反射部１５０の構成を示す図である。第５実施形態の波長可変光源の第１反射部１５０では、４個の回折格子１５１〜１５４は、回転中心軸１５６の周りに回転自在な回転部材１５５の一方の面に設けられており、また、その回転部材１５５の面上で中心点１５７の周りに回転移動してスライドすることができる。第５実施形態における回折格子１５１〜１５４は、第１実施形態における回折格子１１１〜１１３と同様に溝間隔一定で設計されても構わないし、溝間隔が互いに異なるように設計されても構わない。

回転部材１５５の面上で中心点１５７の周りに回折格子１５１〜１５４が回転移動してスライドすることで、４個の回折格子１５１〜１５４から選択される何れかの回折格子にレンズ５０によりコリメートされた光が入射される。また、回転部材１５５の回転位置に応じて、その選択された回折格子の格子面方位が設定される。そして、第１反射部材１５０は、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を、当該入射方向と逆の方向に回折させて、量子カスケードレーザ２０の第１端２１に帰還させることができる。

第５実施形態の波長可変光源も、第１実施形態の波長可変光源１と同様に、広帯域で波長チューニングが可能であり、単一波長で発振が可能である。本実施形態では、回転部材の回転位置に依らず共振器長を一定にする（或いは、共振器長の変動を小さくする）ことができる。また、本実施形態では、回折格子の個数を容易に拡張することができる。

（第６実施形態）

図１２は、第６実施形態の波長可変光源の第１反射部１６０の構成を示す図である。第６実施形態の波長可変光源の第１反射部１６０では、３個の回折格子１６１〜１６３は、回転中心軸１６５の周りに回転自在な回転部材１６４の一方の面に設けられており、また、その回転部材１６４の面上で平行移動してスライドすることができる。第６実施形態における回折格子１６１〜１６３は、第１実施形態における回折格子１１１〜１１３と同様に溝間隔一定で設計されても構わないし、溝間隔が互いに異なるように設計されても構わない。

回転部材１６４の面上で回折格子１６１〜１６３が平行移動してスライドすることで、３個の回折格子１６１〜１６３から選択される何れかの回折格子にレンズ５０によりコリメートされた光が入射される。また、回転部材１６４の回転位置に応じて、その選択された回折格子の格子面方位が設定される。そして、第１反射部材１６０は、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を、当該入射方向と逆の方向に回折させて、量子カスケードレーザ２０の第１端２１に帰還させることができる。

第６実施形態の波長可変光源も、第１実施形態の波長可変光源１と同様に、広帯域で波長チューニングが可能であり、単一波長で発振が可能である。本実施形態では、回転部材の回転位置に依らず共振器長を一定にする（或いは、共振器長の変動を小さくする）ことができる。また、本実施形態では、回折格子の個数を任意に拡張することができる。

（第７実施形態）

これまでに説明した第１〜第６の実施形態では、量子カスケードレーザ２０から出射される光をコリメートする光学系としてレンズ５０，６０を用いた。これに対して、第７実施形態では、量子カスケードレーザ２０から出射される光をコリメートする光学系として放物面鏡７０，８０を用いる。

図１３は、第７実施形態の波長可変光源７の構成を示す図である。第７実施形態の波長可変光源７は、筐体１０、量子カスケードレーザ２０、反射低減膜３０、第２反射部４０、放物面鏡７０、放物面鏡８０および第１反射部１１０を備える。図１に示された第１実施形態の波長可変光源１の構成と比較すると、図１３に示された第７実施形態の波長可変光源７は、レンズ５０に替えて放物面鏡７０を備える点で相違し、レンズ６０に替えて放物面鏡８０を備える点で相違する。

放物面鏡７０は、量子カスケードレーザ２０の第１端２１から出射される光をコリメートする。放物面鏡８０は、量子カスケードレーザ２０の第２端２２から出射される光をコリメートする。一般に、レンズは色収差により波長によって焦点距離が異なるのに対して、放物面鏡は波長によらず焦点距離が一定である。したがって、本実施形態のように広帯域で光をコリメートする光学系としてはレンズより放物面鏡が用いられるのが好ましい。

図１４は、放物面鏡７０の詳細な構成を説明する図である。コリメート光は６０度から９０度の方向に偏向させるよう、放物面７１を設計する。第１反射部１１０の回折格子上で光点位置を動かすという観点では、量子カスケードレーザ２０からの出射光を９０度方向に偏向させて光束を絞り、光点を小さくした方がよい。また、同じく、第１反射部１１０の回折格子上での光点を小さくするために、外径ａは５ｍｍ程度であることが望ましい。

量子カスケードレーザ２０からの出射光は片側に略６０度の広がりを持って放射するので、その出射光が大きく散乱する前に放物面鏡７０によりコリメートすることが重要となり、したがって、軸外焦点距離ＥＦＬは可能な限り短い方が良い。これに伴って、片側６０度の広がりを持つ出射光を全て受けとめられるよう、同図中のＬ１，Ｌ２及びＰＦＬは適切な大きさに定める。

第７実施形態の波長可変光源７も、第１実施形態の波長可変光源１と同様に、単一の回転機構を用いて回折格子の選択および格子面方位の設定を行うことから、小型化が可能である。また、第７実施形態の波長可変光源７も、広帯域で波長チューニングが可能であり、単一波長で発振が可能である。また、第７実施形態の波長可変光源７は、量子カスケードレーザ２０から出射される光をコリメートする光学系として放物面鏡を用いることから、広帯域で高効率のレーザ発振をすることができる。

なお、第１反射部１１０に替えて、第１反射部１２０，１３０，１４０，１５０，１６０の何れかが用いられてもよい。

１，７…波長可変光源、１０…筐体、１１…窓、２０…量子カスケードレーザ、２１…第１端、２２…第２端、３０…反射低減膜、４０…第２反射部、５０，６０…レンズ、７０，８０…放物面鏡、１１０…第１反射部、１１１〜１１３…回折格子、１１４…回転部材、１１５…アーム、１１６…回転中心軸、１２０…第１反射部、１２１〜１２３…回折格子、１２４…回転部材、１２５…回転中心軸、１３０…第１反射部、１３１〜１３４…回折格子、１３５…回転部材、１３６…回転中心軸、１４０…第１反射部、１４１，１４２…回折格子、１４３…回転部材、１４４…回転中心軸、１５０…第１反射部、１５１〜１５４…回折格子、１５５…回転部材、１５６…回転中心軸、１５７…中心点、１６０…第１反射部、１６１〜１６３…回折格子、１６４…回転部材、１６５…回転中心軸。

Claims

中心波長が互いに異なる複数の活性層をスタック状に積層した構造を有し、第１端および第２端それぞれから光を出射する量子カスケードレーザと、
前記量子カスケードレーザの前記第１端から出射される光をコリメートする光学系と、
前記光学系によりコリメートされた光が入射され、この入射光のうち特定波長の光を当該入射方向と逆の方向に回折させて前記量子カスケードレーザの前記第１端に帰還させる第１反射部と、
前記量子カスケードレーザの前記第２端から出射される光の一部を反射させ残部を透過させて、前記第１反射部とともに外部共振器を構成する第２反射部と、
を備え、
前記第１反射部は、格子周期が互いに等しく溝深さが互いに異なるブレーズド回折格子であって回折特性が互いに異なり格子面方位が可変である複数個の回折格子を含み、前記複数個の回折格子から選択される何れかの回折格子に前記光学系によりコリメートされた光が回折格子毎に異なる入射角で入射され、その選択された回折格子の回折特性および格子面方位に応じた特定波長の光を当該入射方向と逆の方向に回折させる、
ことを特徴とする波長可変光源。
前記第１反射部は、
所定の回転中心軸の周りに回転自在な回転部材の一方の面に前記複数個の回折格子が設けられており、
前記回転部材の回転位置に応じて、前記複数個の回折格子から選択される何れかの回折格子に前記光学系によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の格子面方位が設定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
前記第１反射部は、
所定の回転中心軸の周りに回転自在な回転部材の複数個の側面それぞれに回折格子が設けられており、
前記回転部材の回転位置に応じて、前記複数個の回折格子から選択される何れかの回折格子に前記光学系によりコリメートされた光が入射され、その選択された回折格子の格子面方位が設定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
前記第１反射部は、
所定の回転中心軸の周りに回転自在な回転部材の一方の面に前記複数個の回折格子が設けられており、
前記回転部材の前記面上で前記複数個の回折格子をスライドさせることで、前記複数個の回折格子から選択される何れかの回折格子に前記光学系によりコリメートされた光が入射され、
前記回転部材の回転位置に応じて、その選択された回折格子の格子面方位が設定される、
ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
前記光学系は放物面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。