KR102139845B1 - 파장 가변 광원 - Google Patents
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Abstract
파장 가변 광원(1A)은, 제1 레이저 매질(M1), 전반사 미러(K1A) 및 하프 미러(K2)에 의해 구성되는 제1 광 공진기(R1)와, 제2 레이저 매질(M2), 전반사 미러(K1B) 및 하프 미러(K2)에 의해 구성되는 제2 광 공진기(R2)와, 한 쌍의 제1 미러(S1a, S1b)를 가지며, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)을 선택적으로 투과 및 반사시키는 제1 필터(FP1)와, 한 쌍의 제2 미러(S2a, S2b)를 가지며, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)을 선택적으로 투과 및 반사시키는 제2 필터(FP2)와, 제1 미러(S1a) 및 제2 미러(S2a)를 연동하여 동작시키는 제1 구동 기구(A1)와, 제2 미러(S2b)를 동작시키는 제2 구동 기구(A2)를 구비한다.
Description
본 발명은, 파장 가변 광원에 관한 것이다.
종래, 파장 가변 광원은, 파장 다중 통신용의 통신용 레이저로서 이용되며, 특정 파장으로 튜닝하여 사용되고 있었다. 파장 가변 광원은, 고효율화, 고정밀화, 소형화, 고속화가 가능하다. 파장 가변 광원은, 심플한 분광 분석기나 단층 화상 취득 장치 등의 용도에도 이용 가능하다고 하는 이유에 의해 주목되고 있다. 이러한 파장 가변 광원에 관한 기술이, 특허 문헌 1 및 특허 문헌 2에 기재되어 있다.
특허 문헌 1에는, 파장 가변 레이저가 기재되어 있다. 파장 가변 레이저는, 소형이고 제조가 용이하며, 또한 광범위한 파장 가변 범위에서 고출력을 얻을 수 있다. 이 파장 가변 레이저는, 외부 공진기(共振器)와, 투과 패브리 페로(Fabry-Perot) 간섭 필터를 구비하고 있다. 외부 공진기는, 1개의 레이저 소자 및 한 쌍의 반사경에 의해 구성되어 있다. 투과 패브리 페로 간섭 필터는, 외부 공진기 내의 광로에 대해서 경사져 배치되어 있다. 투과 패브리 페로 간섭 필터는, 마이크로 머신 기술에 의해 형성한 패브리 페로형의 필터이다. 투과 패브리 페로 간섭 필터는, 2매의 박막(薄膜) 미러 사이의 갭을 제어하여 투과 파장을 변화시킨다. 투과 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장을 제어하는 것에 의해, 파장 가변 레이저는, 출사광의 발진 파장을 변화시키고 있다.
특허 문헌 2에는, 광범위한 파장 가변 대역을 가지는 발광 장치가 기재되어 있다. 이 발광 장치는, 복수의 면발광(面發光) 레이저와, 제어부를 구비하고 있다. 복수의 면발광 레이저는, 서로 파장 대역이 다르다. 제어부는, 이들 파장 대역을 합한 전(全)파장역을 파장 가변 대역으로 하여 발광 장치로부터 출사되는 광의 파장을 가변 제어한다. 제어부는, 각 면발광 레이저로공급되는 전류량을 제어하는 것에 의해, 면발광 레이저로부터 조사되는 광의 파장을 변화시킨다.
그렇지만, 상기 특허 문헌 1에 기재된 파장 가변 레이저에서는, 파장 가변 레이저의 출사광의 파장 대역은 레이저 소자로부터 출사되는 광의 파장 대역에 근거하여 결정된다. 따라서, 파장 가변 레이저의 출사광의 파장 대역을, 레이저 소자로부터 출사되는 광의 파장 대역 이상으로 확대하는 것은 불가능하다. 상기 특허 문헌 2에 기재된 발광 장치에서는, 면발광 레이저로 공급되는 전류량을 제어하기 때문에, 면발광 레이저의 동작 상태가 일정하지 않다. 따라서, 발광 장치로부터 출사되는 출사광의 광 특성이 안정되지 않을 우려가 있다.
그래서, 본 발명은, 출사광의 광 특성을 안정화함과 아울러 출사광의 파장 대역을 확대하는 것이 가능한 파장 가변 광원을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 형태에 관한 파장 가변 광원은, 제1 파장 대역을 가지는 제1 광을 증폭하는 제1 레이저 매질과, 제1 광을 광 공진시키는 제1 광 공진기를 구성하는 제1 전반사 미러 및 제1 부분 반사 미러와, 제2 파장 대역을 가지는 제2 광을 증폭하는 제2 레이저 매질과, 제2 광을 광 공진시키는 제2 광 공진기를 구성하는 제2 전반사 미러 및 제2 부분 반사 미러와, 한 쌍의 제1 미러를 가지며, 제1 광의 제1 광로 상에서의 제1 레이저 매질과 제1 부분 반사 미러와의 사이의 위치이고 또한 제2 광의 제2 광로 상에서의 제2 레이저 매질과 제2 부분 반사 미러와의 사이의 위치인 제1 위치에 배치됨과 아울러, 제1 광 및 제2 광을 선택적으로 투과 및 반사시키는 제1 패브리 페로(Fabry-Perot) 간섭 필터와, 한 쌍의 제2 미러를 가지며, 제1 광로 상에서의 제1 레이저 매질과 제1 패브리 페로 간섭 필터와의 사이의 위치이고 또한 제2 광로 상에서의 제2 레이저 매질과 제1 패브리 페로 간섭 필터와의 사이의 위치인 제2 위치에 배치됨과 아울러, 제1 광 및 제2 광을 선택적으로 투과 및 반사시키는 제2 패브리 페로 간섭 필터와, 제1 패브리 페로 간섭 필터의 일방의 제1 미러 및 제2 패브리 페로 간섭 필터의 일방의 제2 미러를 연동하여 동작시키는 제1 구동 기구와, 제2 패브리 페로 간섭 필터의 타방의 제2 미러를 동작시키는 제2 구동 기구를 구비한다.
이 파장 가변 광원은, 파장 대역이 일치하고 있지 않은 광을 증폭하는 제1 레이저 매질 및 제2 레이저 매질을 구비하고 있다. 파장 가변 광원의 출사광의 파장 대역은, 각각의 레이저 매질로부터 출사되는 광의 파장 대역을 합한 것이 되기 때문에, 파장 가변 광원의 출사광의 파장 대역을 확대할 수 있다. 제1 구동 기구가 일방의 제1 미러와 일방의 제2 미러를 연동하여 동작시키고, 제2 구동 기구가 타방의 제2 미러를 구동시킨다. 이 구성에 의하면, 제1 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장과 제2 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장을 동일하게 하거나 다르게 하거나 할 수 있다. 제1 패브리 페로 간섭 필터 및 제2 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장의 조합에 의해, 제1 광을 광 공진시키는 제1 광 공진기와 제2 광을 광 공진시키는 제2 광 공진기가 선택적으로 구성된다. 이 때문에, 제1 레이저 매질 및 제2 레이저 매질의 동작 상태를 일정하게 유지하면서, 발진시키는 레이저 매질을 전환할 수 있다. 따라서, 파장 가변 광원은, 출사광의 광 특성을 안정화함과 아울러 출사광의 파장 대역을 확대할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 관한 파장 가변 광원은, 한 쌍의 제1 미러 사이의 제1 갭 및 한 쌍의 제2 미러 사이의 제2 갭이 주기적으로 변화하도록, 제1 구동 기구를 제어하는 제어부를 더 구비해도 괜찮다. 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장은, 패브리 페로 간섭 필터를 구성하는 한 쌍의 미러 사이의 갭에 근거하고 있다. 제1 갭 및 제2 갭을 변화시키면, 제1 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장과 제2 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장이 주기적으로 변화한다. 따라서, 파장 가변 광원의 출사광의 파장을 주기적으로 변화시킬 수 있다.
본 발명의 일 형태에 관한 파장 가변 광원에서는, 제어부는, 일방의 제1 미러 및 일방의 제2 미러를 왕복 동작시키고, 왕복 동작의 주파수를 제1 구동 기구의 공진 주파수로 설정해도 괜찮다. 이 제어부에 의하면, 제1 미러 및 제2 미러가 제1 구동 기구의 공진 주파수로 왕복 동작된다. 따라서, 제1 미러와 제2 미러를 소정 진폭으로 구동하기 위해서 필요한 에너지가 억제되며, 고효율 또한 고주파로 제1 미러와 제2 미러를 왕복 동작시킬 수 있다.
본 발명의 일 형태에 관한 파장 가변 광원에서는, 제어부는, 제2 미러의 상태가, 제2 갭이 제1 갭과 다른 제1 상태와, 제2 갭이 제1 갭과 동일한 제2 상태로 전환되도록, 제2 구동 기구를 제어해도 괜찮다. 이 제어부에 의하면, 제2 갭이 제1 갭과 다른 제1 상태에서는, 제2 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장을, 제1 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장과 다르게 할 수 있다. 한편, 제2 갭이 제1 갭과 동일한 제2 상태에서는, 제2 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장을, 제1 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장과 동일하게 할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 관한 파장 가변 광원에서는, 제1 패브리 페로 간섭 필터, 제2 패브리 페로 간섭 필터, 제1 구동 기구, 및 제2 구동 기구는, 동일한 반도체 기판에 형성되어 있어도 괜찮다. 이 구성은, 반도체 기판에 기계적 구조가 만들어 넣어진, 이른바 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 디바이스의 구성이다. 이 구성에 의하면, 제1 패브리 페로 간섭 필터, 제2 패브리 페로 간섭 필터, 제1 구동 기구 및 제2 구동 기구가 반도체 프로세스에 의해 반도체 기판에 형성된다. 따라서, 이들이 정밀도 좋게 위치 결정된 구성을 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 일 형태에 관한 파장 가변 광원은, 제1 광로 상에서의 제1 레이저 매질과 제2 패브리 페로 간섭 필터와의 사이의 위치에 배치되며, 제1 광을 콜리메이트하는 제1 광학 부품과, 제2 광로 상에서의 제2 레이저 매질과 제2 패브리 페로 간섭 필터와의 사이의 위치에 배치되며, 제2 광을 콜리메이트하는 제2 광학 부품을 더 구비해도 괜찮다. 이 구성에 의하면, 제1 레이저 매질에서 증폭된 제1 광과 제2 레이저 매질에서 증폭된 제2 광을 효율 좋게 이용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 출사광의 광 특성을 안정화함과 아울러 출사광의 파장 대역을 확대하는 것이 가능한 파장 가변 광원이 제공된다.
도 1은 제1 실시 형태의 파장 가변 광원의 기본 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 파장 가변 광원에서의 광 공진기의 기본 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 파장 가변 광원에서의 출사광의 파장 대역, 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 파장 가변 광원에서의 발진 상태를 나타내는 표이다.
도 5의 (a)는 도 1의 파장 가변 광원에서의 제1 발진 상태를 나타내는 도면이며, (b)는 제2 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)는 도 1의 파장 가변 광원의 제1 구동 기구 및 제2 구동 기구에 입력되는 제어 신호의 시간 변화를 나타내는 그래프이며, (b)는 제1 패브리 페로 간섭 필터 및 제2 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장의 시간 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7의 (a)는 도 1의 파장 가변 광원에서의 제1 발진 상태를 나타내는 도면이며, (b)는 제2 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 제1 실시 형태의 파장 가변 광원에 관한 구체적 구성의 단면도이다.
도 9는 도 8의 파장 가변 광원의 요부 단면도이다.
도 10은 도 8의 파장 가변 광원의 평면도이다.
도 11의 (a)는 도 8의 파장 가변 광원의 브래그 미러(Bragg mirror)의 파장 특성을 나타내는 그래프이며, (b)는 패브리 페로 간섭 필터의 파장 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 8의 파장 가변 광원에서의 제1 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 8의 파장 가변 광원에서의 제2 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 14는 제2 실시 형태의 파장 가변 광원에서의 구체적 구성의 평면도이다.
도 15는 도 14의 A-A선을 따른 단면도이다.
도 16은 도 14의 B-B선을 따른 단면도이다.
도 17은 변형예 1의 파장 가변 광원의 기본 구성을 나타내는 도면이다.
도 18은 변형예 1의 파장 가변 광원의 구체적 구성에서의 제1 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 19는 변형예 1의 파장 가변 광원의 구체적 구성에서의 제2 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 20은 변형예 1의 파장 가변 광원의 구체적 구성에서의 제3 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 21은 변형예 2의 파장 가변 광원의 기본 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 파장 가변 광원에서의 광 공진기의 기본 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 1의 파장 가변 광원에서의 출사광의 파장 대역, 제1 파장 대역 및 제2 파장 대역의 관계를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1의 파장 가변 광원에서의 발진 상태를 나타내는 표이다.
도 5의 (a)는 도 1의 파장 가변 광원에서의 제1 발진 상태를 나타내는 도면이며, (b)는 제2 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 6의 (a)는 도 1의 파장 가변 광원의 제1 구동 기구 및 제2 구동 기구에 입력되는 제어 신호의 시간 변화를 나타내는 그래프이며, (b)는 제1 패브리 페로 간섭 필터 및 제2 패브리 페로 간섭 필터의 투과 파장의 시간 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7의 (a)는 도 1의 파장 가변 광원에서의 제1 발진 상태를 나타내는 도면이며, (b)는 제2 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 8은 제1 실시 형태의 파장 가변 광원에 관한 구체적 구성의 단면도이다.
도 9는 도 8의 파장 가변 광원의 요부 단면도이다.
도 10은 도 8의 파장 가변 광원의 평면도이다.
도 11의 (a)는 도 8의 파장 가변 광원의 브래그 미러(Bragg mirror)의 파장 특성을 나타내는 그래프이며, (b)는 패브리 페로 간섭 필터의 파장 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 도 8의 파장 가변 광원에서의 제1 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 13은 도 8의 파장 가변 광원에서의 제2 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 14는 제2 실시 형태의 파장 가변 광원에서의 구체적 구성의 평면도이다.
도 15는 도 14의 A-A선을 따른 단면도이다.
도 16은 도 14의 B-B선을 따른 단면도이다.
도 17은 변형예 1의 파장 가변 광원의 기본 구성을 나타내는 도면이다.
도 18은 변형예 1의 파장 가변 광원의 구체적 구성에서의 제1 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 19는 변형예 1의 파장 가변 광원의 구체적 구성에서의 제2 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 20은 변형예 1의 파장 가변 광원의 구체적 구성에서의 제3 발진 상태를 나타내는 도면이다.
도 21은 변형예 2의 파장 가변 광원의 기본 구성을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명을 실시하기 위한 형태를 상세하게 설명한다. 도면의 설명에서 동일 또는 상당 부분에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다.
[제1 실시 형태]
<파장 가변 광원의 기본 구성>
파장 가변 광원의 기본 구성에 대해 설명한다. 도 1에 나타내어지는 바와 같이, 파장 가변 광원(1A)은, 레이저 발진형의 파장 가변 레이저 광원이다. 파장 가변 광원(1A)으로부터 출사되는 출사광(Lout)은 소정의 파장 대역(BL)(도 3 참조)과 소정의 파장 간격 Δλ를 가진다. 파장 가변 광원(1A)은, 제1 광 공진기(共振器)(R1)와, 제2 광 공진기(R2)와, 제3 광 공진기(R3)와, 광 제어기(C)를 구비하고 있다.
제1 광 공진기(R1)는, 제1 파장 대역(B1)(B1=λ1-1~λ1-2:도 3의 (a) 참조)을 가지는 제1 광(L1)을 출사한다. 제1 파장 대역(B1)은 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)의 일부를 이룬다(도 3 참조). 제1 광 공진기(R1)는, 제1 레이저 매질(M1)과, 전반사 미러(제1 전반사 미러)(K1A)와, 하프 미러(제1 부분 반사 미러)(K2)를 가진다. 제1 광 공진기(R1)는, 제1 광(L1)의 제1 광로(OP1)를 형성하고 있다. 하프 미러(K2)에서 반사된 후에 전반사 미러(K1A)에 도달한 제1 광(L1)의 파장이, 제1 레이저 매질(M1)의 게인(gain) 대역 내일 때, 제1 광(L1)은 전반사 미러(K1A)와 하프 미러(K2)와의 사이에서 발진한다. 그리고, 하프 미러(K2)로부터 출사광(Lout)이 출사된다.
제1 레이저 매질(M1)은, 제1 파장 대역(B1)을 가지는 제1 광(L1)을 출사 및 증폭한다. 제1 레이저 매질(M1)의 게인 대역은 제1 파장 대역(B1)과 등가이다. 전반사 미러(K1A)는, 제1 광로(OP1) 상에서 제1 레이저 매질(M1)의 광 출사면(M1a)의 반대측에 배치되어 있다. 전반사 미러(K1A)는, 제1 파장 대역(B1)의 제1 광(L1)을 반사한다. 전반사 미러(K1A)의 반사율은, 이상적으로는 제1 파장 대역(B1)에서 100%이다. 또, 전반사 미러(K1A)의 반사율은, 반드시 100%일 필요는 없다. 전반사 미러(K1A)는, 제1 레이저 매질(M1)과 일체로 형성되어 있다. 또, 전반사 미러(K1A)는, 제1 레이저 매질(M1)의 광 출사면(M1a)과 반대측의 면으로부터 이간하여 배치되어도 괜찮다. 파장 가변 광원(1A)은, 제1 광 공진기(R1)를 구성하기 위해서, 후술하는 패브리 페로(Fabry-Perot) 간섭 필터를 가진다. 파장 가변 광원(1A)은, 제1 레이저 매질(M1)로 제1 광(L1)을 되돌리기 위해서, 제1 광로(OP1) 상에 배치된 하프 미러(K2)를 가진다. 하프 미러(K2)는, 제1 파장 대역(B1)을 포함하는 파장 대역에서, 전반사 미러(K1A) 보다도 낮은 반사율을 가진다.
제2 광 공진기(R2)는, 제1 광 공진기(R1)와는 다른 제2 파장 대역(B2)(λ2-1~λ2-2:도 3의 (a) 참조)을 가지는 출사광(Lout)을 출사한다. 제2 파장 대역(B2)은 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)의 일부를 이룬다(도 3 참조). 제2 광 공진기(R2)는, 제2 레이저 매질(M2)과, 전반사 미러(제2 전반사 미러)(K1B)와, 하프 미러(제2 부분 반사 미러)(K2)를 가진다. 제2 광 공진기(R2)는, 제2 광(L2)의 제2 광로(OP2)를 형성하고 있다. 하프 미러(K2)에서 반사된 후에 전반사 미러(K1B)에 도달한 제2 광(L2)의 파장이, 제2 레이저 매질(M2)의 게인 대역 내일 때, 제2 광(L2)은 전반사 미러(K1B)와 하프 미러(K2)와의 사이에서 발진한다. 그리고, 하프 미러(K2)로부터 출사광(Lout)이 출사된다.
제2 레이저 매질(M2)은, 제2 파장 대역(B2)을 가지는 제2 광(L2)을 출사 및 증폭한다. 제2 레이저 매질(M2)의 게인 대역은 제2 파장 대역(B2)과 등가이다. 전반사 미러(K1B)는, 제2 광로(OP2) 상에서 제2 레이저 매질(M2)의 광 출사면(M2a)의 반대측에 배치되어 있다. 전반사 미러(K1B)는, 제2 파장 대역(B2)의 제2 광(L2)을 반사한다.
도 2에 나타내어지는 바와 같이, 전반사 미러(K1A)로부터 하프 미러(K2)까지의 광로 길이 PL 및 전반사 미러(K1B)로부터 하프 미러(K2)까지의 광로 길이 PL은, 파장 간격 Δλ의 범위 내에서 파장의 정수배 이상이 되는 거리로 설정된다. 예를 들면, 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)의 중심 파장 λc가 1㎛이고 파장 간격 Δλ이 0.1nm인 경우, 광의 파장이 0.9999㎛에서도 발진 가능하게 하기 위해서, 광로 길이 PL은 10mm 이상으로 설정된다.
출사광(Lout)의 파장 대역(BL), 제1 광(L1)의 제1 파장 대역(B1), 및 제2 광(L2)의 제2 파장 대역(B2)의 관계에 대해 설명한다. 도 3에 나타내어지는 바와 같이, 제1 파장 대역(B1)과 제2 파장 대역(B2)은, 서로 다르다. 예를 들면, 제1 파장 대역(B1)은 단파장측의 대역(λ1-1~λ1-2)이다. 제2 파장 대역(B2)은 장파장측의 대역(λ2-1~λ2-2)이다. 제1 파장 대역(B1)의 가장 긴 파장(λ1-2)은, 제2 파장 대역(B2)의 가장 짧은 파장(λ2-1)과 동일하다(도 3의 (a) 참조). 또, 제1 파장 대역(B1)의 가장 긴 파장(λ1-2)은, 제2 파장 대역(B2)의 가장 짧은 파장(λ2-1)보다 길어도 좋다(도 3의 (b) 참조). 제1 파장 대역(B1)과 제2 파장 대역(B2)은, 일부의 대역이 중복해도 괜찮다. 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)은, 제1 파장 대역(B1)과 제2 파장 대역(B2)을 합한 대역이다. 이 대역(λ1-1~λ2-2)은, 제1 파장 대역(B1)의 가장 짧은 파장(λ1-1)으로부터, 제2 파장 대역(B2)의 가장 긴 파장 (λ2-2)까지의 대역이다.
도 1에 나타내어지는 바와 같이, 광 제어기(C)는, 제1 패브리 페로 간섭 필터(FP1)(이하「제1 필터(FP1)」라고 함)와, 제2 패브리 페로 간섭 필터(FP2)(이하「제2 필터(FP2)」라고 함)와, 제1 구동 기구(A1)와, 제2 구동 기구(A2)와, 구동 제어부(제어부)(DC)를 가진다. 제1 패브리 페로 간섭 필터(FP1)는, 출사광(Lout)이 가지는 파장을 소인(掃引, 스위프(sweep))한다. 제2 패브리 페로 간섭 필터(FP2)는, 제1 레이저 매질(M1)의 제1 광(L1), 및 제2 레이저 매질(M2)의 제2 광(L2)을 선택적으로 반사 또는 투과하여 제1 필터(FP1)로 안내한다. 제1 구동 기구(A1)는, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1을 제어한다. 제2 구동 기구(A2)는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2를 제어한다. 구동 제어부(DC)는, 제1 구동 기구(A1)와 제2 구동 기구(A2)를 제어한다.
제1 필터(FP1)는, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)을 하프 미러(K2)로 안내하는 것이며, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)에 포함되는 특정 파장의 광을 선택적으로 투과 및 반사시키는 기능을 가진다. 패브리 페로형의 파장 선택 필터는, 2매의 미러가 병행하게 배치된 구성을 가진다. 각각의 미러는 굴절률이 다른 막을 교호로 늘어놓은 브래그 미러(Bragg mirror)이다. 제1 필터(FP1)는, 한 쌍의 제1 미러(S1a, S1b)를 가진다. 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1은 제1 미러(S1a) 및 제1 미러(S1b) 사이의 제1 갭(G1)에 의해 규정된다. 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 제1 갭(G1)과의 관계는, λp1=2×G1/m이다. m는 임의의 정수이다.
제1 필터(FP1)는, 제1 위치(E1)에 배치되어 있다. 제1 위치(E1)는, 제1 광로(OP1) 상에서의 제1 레이저 매질(M1)과 하프 미러(K2)와의 사이의 위치이며, 또한 제2 광로(OP2) 상에서의 제2 레이저 매질(M2)과 하프 미러(K2)와의 사이의 위치이다. 제1 필터(FP1)는, 제1 레이저 매질(M1) 및 제2 레이저 매질(M2)에 반사광을 되돌리지 않기 위해서, 제1 광로(OP1) 및 제2 광로(OP2)에 대해서 경사져 배치되어 있다. 제1 광로(OP1)와 제1 필터(FP1)와의 이루는 각도, 및 제2 광로(OP2)와 제1 필터(FP1)와의 이루는 각도는, 각각 90°로부터 어긋나 있으면 된다. 이 각도는, 예를 들면 45°이다.
제2 필터(FP2)는, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)을 제1 필터(FP1)로 안내하는 것이며, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)에 포함되는 특정 파장의 광을 선택적으로 투과 및 반사시키는 기능을 가진다. 제2 필터(FP2)는, 한 쌍의 제2 미러(S2a, S2b)를 가진다. 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 제2 미러(S2a, S2b) 사이의 제2 갭(G2)에 의해 규정된다. 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2와 제2 갭(G2)과의 관계는, λp2=2×G2/m이다. m는 임의의 정수이다.
제2 필터(FP2)는, 제2 위치(E2)에 배치되어 있다. 제2 위치(E2)는, 제1 광로(OP1) 상에서의 제1 레이저 매질(M1)과 제1 필터(FP1)와의 사이의 위치이며, 또한 제2 광로(OP2) 상에서의 제2 레이저 매질(M2)과 제1 필터(FP1)와의 사이의 위치이다. 제2 필터(FP2)는, 제2 레이저 매질(M2)에 반사광을 되돌리지 않기 위해서, 제2 광로(OP2)의 방향에 대해서 경사져 배치되어 있다. 제2 광로(OP2)와 제2 필터(FP2)와의 이루는 각도는, 90°로부터 어긋나 있으면 된다. 이 각도는, 예를 들면 45°이다.
렌즈(제1 광학 부품)(P1)는, 제1 광로(OP1) 상에서의 제1 레이저 매질(M1)과 제2 필터(FP2)와의 사이에 배치되어 있다. 렌즈(제2 광학 부품)(P2)는, 제2 광로(OP2) 상에서의 제2 레이저 매질(M2)과 제2 필터(FP2)와의 사이에 배치되어 있다.
제1 구동 기구(A1)는, 제1 필터(FP1)의 제1 미러(S1a)와, 제2 필터(FP2)의 제2 미러(S2a)를 연동하여 동작시킨다. 제1 구동 기구(A1)는, 프레임(F1)과 구동원(D1)을 가진다. 프레임(F1)은, 2개의 미러 접속단과, 1개의 구동원 접속단을 가진다. 미러 접속단에는 제1 미러(S1a) 및 제2 미러(S2a)가 접속되어 있다. 구동원 접속단에는 구동원(D1)이 접속되어 있다. 제1 구동 기구(A1)는, 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1) 및 제2 필터(FP2)의 제2 갭(G2)이 주기적으로 변화하도록, 제1 미러(S1a) 및 제2 미러(S2a)를 동작시킨다. 제1 갭(G1) 및 제2 갭(G2)이 변화하면 되기 때문에, 제1 미러(S1a) 및 제2 미러(S2a)를 동작시키는 방향은 상관하지 않는다. 제1 미러(S1a) 및 제2 미러(S2a)는, 제1 광로(OP1) 및 제2 광로(OP2)와 직교하는 방향으로 동작시켜도 괜찮고, 제1 광로(OP1) 및 제2 광로(OP2)를 따른 방향으로 동작시켜도 괜찮다.
제2 구동 기구(A2)는, 제2 필터(FP2)의 타방의 제2 미러(S2b)를 동작시킨다. 제2 구동 기구(A2)는, 프레임(F2)과 구동원(D2)을 가진다. 프레임(F2)의 일단측에는, 제2 미러(S2b)가 접속되어 있다. 프레임(F2)의 타단측에는, 구동원(D2)이 접속되어 있다. 제2 미러(S2b)는, 제1 상태 또는 제2 상태로 전환된다. 제1 상태는, 제2 갭(G2)이 제1 갭(G1)과 다른 상태이다. 제2 상태는, 제2 갭(G2)이 제1 갭(G1)과 동일한 상태이다.
구동 제어부(DC)는, 제1 구동 기구(A1)와 제2 구동 기구(A2)를 제어하는 것이며, 제1 구동 기구(A1)와 제2 구동 기구(A2)에 제어 신호를 입력하는 기능을 가진다. 구동 제어부(DC)는, 제1 구동 기구(A1)를 제어하는 것에 의해 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1을 제어한다. 또, 구동 제어부(DC)는, 제2 구동 기구(A2)를 제어하는 것에 의해 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2를 제어한다. 이하, 구동 제어부(DC)에 의한 제1 필터(FP1)와 제2 필터(FP2)와의 구체적인 제어에 대해 설명한다.
도 4에 나타내어지는 바와 같이, 제1 발진 상태는 제1 레이저 매질(M1)이 발진하는 상태이다. 제1 발진 상태는, 제1 파장 대역(B1)에 포함되는 파장의 광이 제1 필터(FP1)를 투과함과 아울러 제2 필터(FP2)에 의해 반사되는(투과하지 않는) 상태이다. 제1 발진 상태는, 제1 레이저 매질(M1)의 게인 대역과 제1 파장 대역(B1)이 중복하는 상태이다. 제1 발진 상태에서는, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2가 다르다. 구동 제어부(DC)는, 제1 필터(FP1)가 제1 파장 대역(B1)의 광을 투과하도록 제1 갭(G1)을 제어한다. 구동 제어부(DC)는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2가 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 다르도록 제2 갭(G2)을 제어한다. 구체적으로는, 구동 제어부(DC)는, 제2 미러(S2b)의 위치를 제어한다.
도 5의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 제1 발진 상태에서는, 제1 레이저 매질(M1), 전반사 미러(K1A) 및 하프 미러(K2)에 의해 제1 광 공진기(R1)가 형성되어 있다. 제1 레이저 매질(M1)을 발진시키기 위해서는, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이, 제1 레이저 매질(M1)의 게인 대역에 포함되어 있을 필요가 있다. 제1 레이저 매질(M1)의 게인 대역은, 제1 파장 대역(B1(λ1-1~λ1-2))이다. 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 투과 파장 λp1과는 다른 값으로 설정된다. 즉, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 대역과, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 대역은 서로 상위(相違)하다. 이 설정에 의해, 제2 필터(FP2)에서는 투과 파장 λp1의 광이 반드시 반사된다. 따라서, 제1 광(L1)에 포함되는 투과 파장 λp1의 광은, 제2 필터(FP2)에서 반사되고, 제1 필터(FP1)에서 투과되어 하프 미러(K2)에 도달한다. 그리고, 투과 파장 λp1의 광은, 하프 미러(K2)에서 반사하여, 반대의 경로를 거슬러 전반사 미러(K1A)에 도달한다. 따라서, 전반사 미러(K1A)와 하프 미러(K2)와의 사이에서 제1 광 공진기(R1)가 형성된다. 그리고, 제1 레이저 매질(M1)이 발진하여, 투과 파장 λp1의 출사광(Lout)이 출사된다. 또, 제1 발진 상태에서는, 제2 레이저 매질(M2)의 제2 광(L2)은, 광의 일부 또는 전부가 제2 필터(FP2)에서 반사된다.
도 4에 나타내어지는 바와 같이, 제2 발진 상태는, 제2 레이저 매질(M2)이 발진하는 상태이다. 제2 발진 상태는, 제2 파장 대역(B2)에 포함되는 파장의 광이 제1 필터(FP1) 및 제2 필터(FP2)를 투과하는 상태이다. 제2 발진 상태는, 제2 레이저 매질(M2)의 게인 대역과 제2 파장 대역(B2)이 중복하는 상태이다. 제2 발진 상태에서는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2가 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 동일하다. 구동 제어부(DC)는, 제1 필터(FP1)가 제2 파장 대역(B2)에 포함되는 파장의 광을 투과하도록 제1 갭(G1)을 제어한다. 구동 제어부(DC)는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2가 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 동일하게 되도록, 제2 갭(G2)을 제어한다. 구체적으로는, 구동 제어부(DC)는, 제2 미러(S2b)의 위치를 제어한다.
도 5의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 제2 발진 상태에서는, 제2 레이저 매질(M2), 전반사 미러(K1B) 및 하프 미러(K2)에 의해 제2 광 공진기(R2)가 형성되어 있다. 제2 레이저 매질(M2)을 발진시키기 위해서는, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이, 제2 레이저 매질(M2)의 게인 대역에 포함되어 있을 필요가 있다. 게인 대역은, 제2 파장 대역(B2(λ2-1~λ2-2))이다. 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 투과 파장 λp1과 동일한 값으로 설정된다. 즉, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 대역과, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 대역은 서로 동일하다. 이 설정에 의해, 투과 파장 λp1의 제2 광(L2)은, 제2 필터(FP2) 및 제1 필터(FP1)를 투과한다. 따라서, 제2 광(L2)에 포함되는 투과 파장 λp1의 광은, 제2 필터(FP2)를 투과하고, 제1 필터(FP1)를 투과하여 하프 미러(K2)에 도달한다. 그리고 투과 파장 λp1의 광은, 하프 미러(K2)에서 반사하여, 반대의 경로를 거슬러 전반사 미러(K1B)에 도달한다. 따라서, 전반사 미러(K1B)와 하프 미러(K2)와의 사이에서 제2 광 공진기(R2)가 형성된다. 그리고, 제2 레이저 매질(M2)이 발진하여 투과 파장 λp1의 출사광(Lout)이 출사된다.
제2 상태에서는, 제2 필터(FP2)의 제2 갭(G2)이 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1)과 동일하게 되도록, 제1 구동 기구(A1)와 제2 구동 기구(A2)를, 협조하여 동작시킨다. 제1 레이저 매질(M1)의 제1 광(L1)은, 제2 파장 대역(B2)의 광의 일부 또는 전부가 제2 필터(FP2)에서 반사된 후에, 제1 필터(FP1)에서 모두 반사된다.
도 4에 나타내어지는 바와 같이, 제1 필터(FP1)의 제1 파장 대역(B1) 및 제2 필터(FP2)의 제2 파장 대역(B2)의 조합에 의하면, 제1 비발진(非發振) 상태 및 제2 비발진 상태도 취할 수 있다. 제1 비발진 상태는, 제1 필터(FP1)가 제2 파장 대역(B2)에 포함되는 파장의 광을 투과하고, 제2 필터(FP2)가 제2 파장 대역(B2)에 포함되는 파장의 광을 반사하는 상태이다. 그러나, 제1 비발진 상태는, 제1 레이저 매질(M1)의 게인 대역과 제2 파장 대역(B2)이 중복하지 않은 상태이다. 따라서, 제1 비발진 상태에서는, 제1 레이저 매질(M1)은 발진하지 않는다. 제2 비발진 상태는, 제1 필터(FP1)가 제1 파장 대역(B1)에 포함되는 파장의 광을 투과하고, 제2 필터(FP2)가 제1 파장 대역(B1)에 포함되는 파장의 광을 투과하는 상태이다. 그러나, 제2 비발진 상태는, 제2 레이저 매질(M2)의 게인 대역과 제1 파장 대역(B1)이 중복 하지 않은 상태이다. 따라서, 제2 비발진 상태에서는, 제2 레이저 매질(M2)은 발진하지 않는다. 구동 제어부(DC)는, 이들 상태로 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1 및 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2를 제어하지는 않는다.
도 6의 (a)는, 구동 제어부(DC)로부터 제1 구동 기구(A1) 및 제2 구동 기구(A2)에 입력되는 제어 신호의 시간 변화를 나타낸다. 세로축은 제어 신호의 전압이다. 가로축은 시간이다. 그래프 GP1(실선)는 제1 구동 기구(A1)에 입력되는 제어 신호를 나타낸다. 그래프 GP2(파선)는 제2 구동 기구(A2)에 입력되는 제어 신호를 나타낸다. 도 6의 (b)은, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2와의 시간 변화를 나타낸다. 세로축은 투과 파장이다. 가로축은 시간이다. 그래프 GP3(실선)는 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1을 나타낸다. 그래프 GP4(파선)는 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2를 나타낸다.
도 6의 (a) 및 도 6의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1의 진폭(그래프 GP3)은, 제1 레이저 매질(M1)의 제1 광(L1)의 제1 파장 대역(B1)과, 제2 레이저 매질(M2)의 제2 광(L2)의 제2 파장 대역(B2)을 포함하고 있다. 이 파장 대역은, 파장 가변 광원(1A)으로부터 출사되는 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)에 대응하고 있다(도 3 참조). 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1은, 제1 구동 기구(A1)에 입력되는 제어 신호(그래프 GP1)에 의해 제어된다. 제1 구동 기구(A1)에 입력되는 제어 신호는, 파장 가변 광원(1A)으로부터 출사되는 출사광(Lout)의 파장 소인 속도에 대응하고 있다. 제1 구동 기구(A1)의 동작 제어는, 제어 신호의 전압에 따른 비교적 저속인 동작이라도 좋다. 제1 구동 기구(A1)의 동작 제어는, 제1 구동 기구(A1)의 공진 주파수와 일치하는 주파수의 제어 신호를 인가하는 것에 의해 실현되는 비교적 고속인 공진 동작이라도 좋다.
구동 제어부(DC)는, 구간 Z1(t0~t2)에서 제1 구동 기구(A1)에 정현파(正弦波) 모양의 제어 신호(V0~V1)를 입력한다. 구동 제어부(DC)는, 구간 Z1(t0~t2)에 포함된 구간 Z1a(t0~t1)에서 제2 구동 기구(A2)에 제어 신호(V2)를 입력한다(도 6의 (a) 참조).
제1 필터(FP1)에서는, 고정된 타방의 제1 미러(S1b)에 대해서 일방의 제1 미러(S1a)가 이간하여, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1은 λ1-1으로부터 λ1-2로 변화한다. 즉, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1은 서서히 길어진다. 제2 필터(FP2)에서는, 타방의 제2 미러(S2b)가 제어 신호(V2)에 대응하는 위치로 이동하여, 제1 상태로 되어 있다. 그리고, 제1 상태인 타방의 제2 미러(S2b)에 대해서, 일방의 제2 미러(S2a)가 왕복 동작한다. 이 제2 미러(S2a)의 동작은, 제1 필터(FP1)의 제1 미러(S1a)의 동작과 동기(同期)하고 있다. 그러나, 제2 필터(FP2)의 제2 갭(G2)은, 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1)과 동일하지 않다. 따라서, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과는 다른 값을 가지고 변화한다. 즉, 도 6의 (b)의 구간 Z1에 나타내어지는 바와 같이, 그래프 GP3와 그래프 GP4가 중복하고 있지 않다. 따라서, 구간 Z1에서는, 제1 발진 상태가 실현되고 있다.
다음으로, 구동 제어부(DC)는, 구간 Z2(t2~t3)에서, 제1 구동 기구(A1)에 정현파 모양의 제어 신호(V1~V3~V1)를 입력한다. 구동 제어부(DC)는, 제2 구동 기구(A2)에 제어 신호(V1)를 입력한다.
제1 필터(FP1)에서는, 고정된 타방의 제1 미러(S1b)에 대해서 일방의 제1 미러(S1a)가 이간한 후에 근접하도록 왕복 동작한다. 따라서, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1은 λ1-2(=λ2-1)로부터 λ2-2로 변화한 후에, 다시 λ1-2로 변화한다. 제2 필터(FP2)에서는, 타방의 제2 미러(S2b)가 제어 신호(V1)에 대응하는 위치로 이동하여 제2 상태가 된다. 그리고, 제2 상태인 타방의 제2 미러(S2b)에 대해서, 일방의 제2 미러(S2a)가 왕복 동작한다. 이 제2 미러(S2a)의 동작은, 제1 필터(FP1)의 제1 미러(S1a)의 동작과 동기하고 있다. 그리고, 제2 필터(FP2)의 제2 갭(G2)은, 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1)과 동일하다. 따라서, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 동일한 값을 가지고 변화한다. 즉, 도 6의 (b)의 구간 Z2에 나타내어지는 바와 같이, 그래프 GP3와 그래프 GP4가 중복하고 있다. 따라서, 구간 Z2에서는, 제2 발진 상태가 실현되어 있다.
이어서, 구동 제어부(DC)는, 구간 Z3에서, 제1 구동 기구(A1)에 정현파 모양의 제어 신호(V1~V0~V1)를 입력한다. 구동 제어부(DC)는, 제2 구동 기구(A2)에 제어 신호(V2)를 입력한다. 이들 제어 신호에 의하면, 구간 Z1과 마찬가지로, 제1 발진 상태가 실현된다.
상술한 바와 같이, 제1 발진 상태인 구간 Z2와, 제2 발진 상태인 구간 Z3가 교호로 반복되는 것에 의해, 파장 가변 광원(1A)으로부터 출사광(Lout)이 출사된다.
구동 제어부(DC)는, 제2 구동 기구(A2)에 입력하는 제어 신호를, 구간 Z1에 포함되는 구간 Z1a(t0~t1)에서 일정 전압의 제어 신호(V2)로 하고, 다음의 구간 Z1b(t1~t2)에서 전압의 크기를 서서히 변화시키는 제어 신호(V2~V1)로 한다.
제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 제2 구동 기구(A2)로 일정 전압의 제어 신호(V1)가 입력되었을 때, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 완전히 동일하게 된다. 한편, 제2 구동 기구(A2)로 입력되는 제어 신호가 V1 이외의 경우에는, 약간 어긋난 상태가 된다. 제2 레이저 매질(M2)이 발진하는 제2 발진 상태는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2가 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 동일하게 되어 있을 필요가 있다. 한편, 제1 레이저 매질(M1)이 발진하는 제1 발진 상태는, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2가 다르면 되기 때문에, 구간 Z1b(t1~t2) 및 구간 Z3a(t3~t4)에서도, 제1 레이저 매질(M1)은, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1에서 계속 발진한다. 따라서, 제어 신호를 입력하고 나서 제2 구동 기구(A2)의 이동이 완료하기까지 소정의 시간을 필요로 했다고 해도, 제1 발진 상태가 유지된다.
타방의 제2 미러(S2b)의 제1 상태와 제2 상태의 전환 동작을 고속으로 행하면, 공진 주파수 성분에 의해, 제어 신호를 일정 전압(V1, V2)으로 고정해도 순간적으로 제2 구동 기구(A2)가 정지(停止)하지 않고, 링깅(ringing) 등이 발생하는 경우가 있다. 그러나, 타방의 제2 미러(S2b)의 이동거리는, 패브리 페로 간섭 필터에서의 필터 반값폭의 수배(數倍)에 상당하는 파장분(예를 들면 1nm)이다. 따라서, 제어 신호의 진폭(전압폭)은 아주 작고, 또한, 매끄럽게 동작시켜도 되기 때문에, 제1 레이저 매질(M1)과 제2 레이저 매질(M2)과의 발진 전환을 스무스하게 로스없이 행할 수 있다.
이상적으로는 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1)은 제1 구동 기구(A1)의 동작 위치에 비례하여 변화하여, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1도 제1 갭(G1)에 대해서 직선적으로 변화한다. 그러나, 제1 구동 기구(A1)에 정전(靜電) 액추에이터 등을 이용한 경우에는, 액추에이터의 동작 위치는 구동 전압에 대해서 직선적이지는 않다. 예를 들면, 빗살 타입의 정전 액추에이터는, 동작 위치가 구동 전압의 제곱에 비례한다. 평행 평판형의 정전 액추에이터는, 동작 위치와 구동 전압과의 관계가 더 복잡하다. 전압 인가 후의 정전 액추에이터의 동작에서는, 액추에이터의 전기적 시정수(時定數)나 기계적 시정수에 따른 시간 지연이 발생한다. 제1 구동 기구(A1)와 제2 구동 기구(A2)가 별도의 구성요소인 한, 제조 오차 등에 의한 개체차가 존재한다. 따라서, 제1 필터(FP1)와 제2 필터(FP2) 각각의 동작 위치와 구동 전압의 관계를 교정하기 위한 데이터를 사전에 취득한다. 그리고, 교정 데이터를 이용하여 동작 위치와 구동 전압과의 관계를 보정하면서 동작시키면 좋다.
또, 각각의 미러의 구동 주파수가 수십~수백Hz 정도이면, 전기 회로적으로는, 비교적 고속처리는 아니다. 따라서, 제1 필터(FP1)와 제2 필터(FP2)를, 보정없이 협조시켜 동작시킬 수 있다.
그런데, 제1 광 공진기(R1)와 제2 광 공진기(R2)를 가지는 구성에서는, 제1 레이저 매질(M1)로부터 제2 레이저 매질(M2)로 전환할 때, 또는 제2 레이저 매질(M2)로부터 제1 레이저 매질(M1)로 전환할 때에, 파장 가변 광원(1A)으로부터의 출사광(Lout)의 광 강도가 불연속이 되는 경우가 있다.
이 광 강도의 불연속성을 일으키게 하는 한 요인으로서, 제1 레이저 매질(M1)과 제2 레이저 매질(M2)과의 게인의 상위를 들 수 있다. 출사광(Lout)은, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1의 반값폭 이외의 출사는 없기 때문에, 반값폭 내의 파장을 가지는 출사광(Lout)이 출사된다. 그러나, 제1 레이저 매질(M1)과 제2 레이저 매질(M2)에서 게인이 다른 경우에는, 출사광(Lout)의 광 강도가 급격하게 변화할 우려가 있다. 이 문제의 대응책으로서, 제1 레이저 매질(M1)의 게인과 제2 레이저 매질(M2)의 게인을 미리 평가하고, 평균적으로 동일한 게인이 되도록, 제1 레이저 매질(M1)로 인가하는 전류량과 제2 레이저 매질(M2)로 인가하는 전류량을 각각 조정하는 방법이 있다.
광 강도의 불연속성을 일으키게 하는 다른 요인을 검토한다. 예를 들면, 제1 레이저 매질(M1)이 발진하고 있는 제1 발진 상태시에, 제2 레이저 매질(M2)은, 전류 주입이 지속되고 있음에도 불구하고 발진하고 있지 않다. 따라서, 제1 발진 상태에서는, 제2 레이저 매질(M2) 내에 에너지가 축적되게 된다. 그리고, 제1 레이저 매질(M1)로부터 제2 레이저 매질(M2)로 발진이 전환한 직후, 즉 제2 레이저 매질(M2)의 최초의 발진시에, 저장된 에너지가 급격하게 방출되어, 첨두치(尖頭値)가 높은 펄스가 발생한다. 이 현상은, 이른바 Q 스위치의 원리와 동일한 현상이다. 이 펄스가 발생하는 경우, 파장 가변 광원(1A)을 이용한 측정기에서는, 검출기측의 포화 현상을 발생시켜, 측정의 방해가 될 우려가 있다.
도 1에 나타내어지는 바와 같이, 파장 가변 광원(1A)은, 제3 광 공진기(R3)를 구비하고 있다. 제3 광 공진기(R3)는, 광 강도의 불연속성을 일으키게 하는 펄스를 억제한다. 제3 광 공진기(R3)는, 2개의 형태를 가진다. 제1 형태인 제3 광 공진기(R3a)는, 제1 레이저 매질(M1)과, 전반사 미러(K1A)와, 하프 미러(K3)와, 제3 패브리 페로 간섭 필터(FP3)(이하「제3 필터(FP3)」라고 함)를 가진다. 제2 형태인 제3 광 공진기(R3b)는, 제2 레이저 매질(M2)과, 전반사 미러(K1B)와, 하프 미러(K3)와, 제3 필터(FP3)를 가진다.
제3 필터(FP3)는, 제1 필터(FP1)와 동일한 구성을 가지는 파장 선택 필터이다. 제3 필터(FP3)는, 제2 필터(FP2)를 투과한 제1 광로(OP1), 및 제2 필터(FP2)에서 반사된 제2 광로(OP2) 상에 배치되어 있다. 제3 필터(FP3)는, 제2 레이저 매질(M2)과 제3 필터(FP3)와의 사이에 제2 필터(FP2)가 위치하도록 배치되어 있다. 제3 필터(FP3)는, 한 쌍의 제3 미러(S3a, S3b)를 가진다. 제3 필터(FP3)의 일방의 제3 미러(S3a)는, 제1 구동 기구(A1)에 접속되어 있다. 따라서, 제3 미러(S3a)는, 제1 미러(S1a)와 제2 미러(S2a)와 연동하여 동작한다. 타방의 제3 미러(S3b)는, 정위치(定位置)에 고정되어 있다.
또, 제1 필터(FP1)의 타방의 제1 미러(S1b) 또는 제3 필터(FP3)의 타방의 제3 미러(S3b)에 별도의 구동 기구(미도시)를 장착해도 괜찮다. 제3 필터(FP3)의 제3 갭(G3)이 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1)과 동일하게 되도록, 제1 미러(S1b) 또는 제3 미러(S3b)의 초기 위치를 조정한다. 이 구성에 의하면, 제1 필터(FP1)와 제3 필터(FP3)가 제조 오차 등에 의해 완전하게 동일한 구성이 아닌 경우라도, 제1 필터(FP1)와 제3 필터(FP3)의 동작을 정밀도 좋게 동기시킬 수 있다.
하프 미러(K3)는, 제1 광로(OP1) 및 제2 광로(OP2) 상에 배치되어 있다. 제2 필터(FP2)와 하프 미러(K3)와의 사이에는, 제3 필터(FP3)가 배치되어 있다. 하프 미러(K3)는, 전반사 미러 혹은 하프 미러이다. 하프 미러(K3)의 반사율은, 레이저 발진에 충분한 반사율이 있으면 좋다. 하프 미러(K3)에는, 실리콘 등의 굴절률이 높은 물질을 이용한 미러를 이용할 수 있다. 굴절률이 높은 물질로서 실리콘을 이용한 미러의 경우는, 단면(端面)이 프레넬(Fresnel) 반사로 30% 정도 반사할 수 있고, 또한 파장 의존성은 거의 없기 때문에, 하프 미러(K3)로 바람직하다.
제3 광 공진기(R3)에 의한 펄스 억제 작용에 대해 설명한다. 도 3의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 제3 광 공진기(R3)를 이용하여 펄스를 억제하는 경우에는, 제1 레이저 매질(M1)의 제1 파장 대역(B1)과 제2 레이저 매질(M2)의 제2 파장 대역(B2)을 부분적으로 오버랩시킨다. 파장 전환을 스무스하게 행하기 위함이다. 이 중복 대역(BD(λ2-1~λ1-2))은, 제1 레이저 매질(M1) 및 제2 레이저 매질(M2) 중 어느 매질이라도 게인이 얻어지는 상태(즉 발진 가능한 상태)이다.
발진시키는 레이저 매질을 제1 레이저 매질(M1)로부터 제2 레이저 매질(M2)로 전환하는 경우의 동작을 설명한다. 도 7의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 제1 레이저 매질(M1)이 발진하고 있는 제1 발진 상태에서는, 제2 레이저 매질(M2)의 제2 광(L2)은, 제2 필터(FP2)에서 반사되어, 제3 필터(FP3)에 입사하고 있다. 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이 λ1-1~λ2-1일 때(도 3의 (b)의 구간 W1), 제3 필터(FP3)의 투과 파장 λp3도 λ1-1~λ2-1이다. 제2 광(L2)은, λ1-1~λ2-1의 파장의 광을 포함하지 않기 때문에, 모두 반사된다. 다음으로, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이 변화하여 중복 대역(BD) 내(도 3의 (b)의 구간 W2)의 파장이 되면, 제3 필터(FP3)의 투과 파장 λp3도 중복 대역(BD) 내(도 3의 (b)의 구간 W2)의 파장이 된다. 그러면, 제2 광(L2)에 포함되어 있는 투과 파장 λp1의 광이 제3 필터(FP3)를 투과하게 되고, 하프 미러(K3)에서 반사되어, 반대의 경로를 거슬러 전반사 미러(K1B)에 도달한다. 따라서, 전반사 미러(K1B)와 하프 미러(K3)와의 사이에서 광로가 형성된다. 게다가, 투과 파장 λp1은, 제2 레이저 매질(M2)의 게인 대역 내이므로, 제3 광 공진기(R3b)가 형성되어 제2 레이저 매질(M2)에 저장된 에너지가 해방된다.
발진시키는 레이저 매질을 제2 레이저 매질(M2)로부터 제1 레이저 매질(M1)로 전환하는 경우의 동작을 설명한다. 도 7의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 제2 레이저 매질(M2)이 발진하고 있는 제2 발진 상태에서는, 제1 레이저 매질(M1)의 제1 광(L1)은, 제2 필터(FP2)에서 반사되고 있다. 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이 λ1-2~λ2-2일 때(도 3의 (b)의 구간 W3), 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2도 λ1-2~λ2-2이다. 제1 광(L1)은, λ1-2~λ2-2의 파장의 광을 포함하지 않기 때문에, 모두 반사된다. 다음으로, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이 변화하여 중복 대역(BD) 내(도 3의 (b)의 구간 W2)의 파장이 되면, 제1 광(L1)에서의 투과 파장 λp1의 광이 제2 필터(FP2)와 제3 필터(FP3)를 투과한 후에 하프 미러(K3)에서 반사되고, 반대의 경로를 거슬러 전반사 미러(K1A)에 도달한다. 따라서, 전반사 미러(K1A)와 하프 미러(K3)와의 사이에서 광로가 형성된다. 게다가, 투과 파장 λp1은, 제1 레이저 매질(M1)의 게인 대역 내이므로, 제3 광 공진기(R3a)가 형성되어 제1 레이저 매질(M1)에 저장된 에너지가 해방된다.
상술한 바와 같이, 레이저 매질을 전환하기 조금 전에, 즉, 오버랩시킨 중복 대역(BD)에서, 비발진측의 레이저 매질에서도 발진이 시작된다. 제3 광 공진기(R3a) 및 제3 광 공진기(R3b)에서의 발진에서는, 첨두치가 높은 펄스가 발진했다고 해도 발진한 광이 출사측으로 취출되지는 않는다.
이하, 파장 가변 광원(1A)의 작용 효과에 대해 설명한다.
파장 가변 광원에 이용되고 있는 반도체 레이저 소자를 레이저 발진시키기 위해서는, 레이저 매질 내에 전자가 직접 천이(遷移)하는 준위(準位)를 형성할 필요가 있다. 반도체 레이저 소자를 효율 좋게 발진시키기 위해서, 레이저 매질이 가지는 준위의 수가 적게 되도록 결정 성장시킨다. 한편, 준위의 수가 적은 레이저 매질은, 발진 파장이 한정되기 때문에, 파장 가변 광원에 이용하는 레이저 매질로서 적당하지 않다. 따라서, 파장 가변 광원용의 레이저 매질은, 불순물 등을 늘려 결정 내에 존재하는 준위의 수가 증가하도록 한 결정 성장에 의해 제조된다. 이 결정 성장에 의하면, 결정 결함을 증가시키고 있게 되어, 무제한으로 발진폭을 늘릴 수는 없다. 따라서, 단일의 레이저 매질에서 파장 가변폭을 확대하는 방법에는 한계가 있다.
분광 분석에서 가변 파장 대역이 좁은 경우에는, 분석 대상인 파장 대역을 모두 커버하는 것이 곤란하게 되기 때문에, 복수의 광원을 준비할 필요가 있다. 예를 들면, 광 간섭 단층계(OCT)에서는, 가변 파장폭이 분해능을 결정한다. 따라서, 광 간섭 단층계(OCT)에서는, 가변 파장 대역이 넓을수록 분해능이 높게 된다. 중심 파장이 다른 광원을 복수 이용하는 경우에는, 광 커플러나, 셔터의 전환 등의 방법에 의해 복수의 광원으로부터 출사된 광을 합파(合波)한다. 예를 들면, OCT 등과 같이, 한 개의 싱글 모드 광 파이버로부터 광을 출사하는 경우에는, 파이버 커플러등에서 광을 합파한다. 그 경우에는, 원리적으로 50%의 파워 로스가 발생한다.
이상과 같이, 파장 가변 광원을 여러 가지의 계측 장치에 적용하려고 하면, 가변 파장 범위를 어떤 방법에 의해 확대할 필요가 있고, 가변 파장 범위를 염가이고 고효율로 확대할 수 있는 파장 가변 광원이 검토되고 있다.
파장 가변 광원(1A)은, 파장 대역이 서로 다른 광을 증폭하는 제1 레이저 매질(M1)과, 제2 레이저 매질(M2)을 구비하고 있다. 파장 가변 광원(1A)의 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)은, 제1 레이저 매질(M1)에서 증폭되는 제1 광(L1)의 제1 파장 대역(B1)과, 제2 레이저 매질(M2)에서 증폭되는 제2 광(L2)의 제2 파장 대역(B2)을 합한 것이 된다. 따라서, 파장 대역이 다른 광을 증폭하는 제1 레이저 매질(M1) 및 제2 레이저 매질(M2)을 구비하는 것에 의해, 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)을 확대할 수 있다. 제1 구동 기구(A1)가 일방의 제1 미러(S1a)와 일방의 제2 미러(S2a)를 연동하여 동작시키고, 제2 구동 기구(A2)가 타방의 제2 미러(S2b)를 구동시킨다. 이 구성에 의하면, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2를 동일하게 하거나 다르게 하거나 할 수 있다. 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2의 조합에 의해, 제1 레이저 매질(M1)의 제1 광(L1)을 발진시키는 제1 광 공진기(R1)와 제2 레이저 매질(M2)의 제2 광(L2)을 발진시키는 제2 광 공진기(R2)가 선택적으로 형성된다. 이 때문에, 제1 레이저 매질(M1) 및 제2 레이저 매질(M2)의 동작 상태를 일정하게 유지하면서, 발진시키는 제1 레이저 매질(M1)과 제2 레이저 매질(M2)을 전환할 수 있다. 따라서, 파장 가변 광원(1A)은, 출사광(Lout)의 광 특성을 안정화함과 아울러 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)을 확대할 수 있다.
파장 가변 광원(1A)은, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2가 주기적으로 변화되기 때문에, 파장 가변 광원(1A)의 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)을 주기적으로 변화시킬 수 있다.
파장 가변 광원(1A)의 제1 미러(S1a)와 제2 미러(S2a)는 제1 구동 기구(A1)의 공진 주파수에서 동작된다. 따라서, 제1 미러(S1a)와 제2 미러(S2a)를 소정 진폭으로 구동하기 위해서 필요한 에너지가 억제되고, 고효율 또한 고주파로 제1 미러(S1a)와 제2 미러(S2a)를 구동할 수 있다.
파장 가변 광원(1A)의 구동 제어부(DC)에 의해 행해지는 제어에 의하면, 제2 갭(G2)이 제1 갭(G1)과 다른 제1 상태에서는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2를 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 다르게 할 수 있다. 한편, 제2 갭(G2)이 제1 갭(G1)과 동일한 제2 상태에서는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2를 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1과 동일하게 할 수 있다.
파장 가변 광원(1A)은, 렌즈(P1), 렌즈(P2)를 구비하고 있다. 따라서, 제1 레이저 매질(M1)에서 증폭된 제1 광(L1)과 제2 레이저 매질(M2)에서 증폭된 제2 광(L2)을 효율 좋게 이용할 수 있다.
파장 가변 광원(1A)에 의하면, 광 커플러 등의 결합에 의한 광원 보다도 소형화가 용이하고, 또한 고속으로 고효율의 동작을 실현할 수 있다.
파장 가변 광원(1A)은, 제1 레이저 매질(M1)과 제2 레이저 매질(M2)을 항상 통전(通電) 상태로 할 수 있다. 따라서, 제1 레이저 매질(M1)과 제2 레이저 매질(M2)을 열적으로 안정된 동작 상태로 동작시킬 수 있다. 게다가, 출사광(Lout)은, 하프 미러(K2)로부터 동일 광로 상에 출사된다. 따라서, 광 파이버와 결합하는 등의 후단(後段)의 광학 설계가 용이하게 된다.
파장 가변 광원(1A)은, 제1 광(L1)을 제1 광 공진기(R1)에서 발진시키고, 제2 광(L2)을 제2 광 공진기(R2)에서 발진시키는 레이저 발진 타입의 광원이다. 여기서, 레이저 발진 타입인 파장 가변 광원(1A)을 구비한 분광 장치와, 할로겐 램프라고 하는 백색 광원을 구비한 분광 장치를 비교하면서 파장 가변 광원(1A)의 작용 효과를 더 설명한다.
백색 광원을 구비한 분광 장치에서는, 백색 광원으로부터 출사된 광을 시료에 조사하고, 그 반사광 혹은, 투과광을 분광기로 안내한다. 분광기의 광 입사구에서는 분해능을 향상시키기 위해 슬릿(slit)을 이용하여 광의 스폿(spot) 사이즈를 제한한다. 스폿 사이즈의 제한에 의하면, 신호 성분을 포함하는 광이 손실되게 된다. 슬릿을 통과한 광은, 회절 격자에서 분광되고, 파장마다의 신호로서, 이미지 센서의 각 픽셀에서 검출된다. 그 신호는 신호 독출(讀出, 읽어냄) 회로에 의해서 독출된다. 독출된 신호는, PC 등에 의해 데이터 처리되어, 스펙트럼 이미지로서 표시된다.
한편, 파장 가변 광원(1A)을 구비한 분광 장치에서는, 분광기나 이미지 센서는 불필요하기 때문에, 소형이고 염가의 검출부를 구성할 수 있다. 스펙트럼 정보를 얻는 경우에는, PC 등으로부터 출력된 제어 신호에 동기하여 파장 가변 광원(1A)의 출사광(Lout)의 파장을 스캔하여, 파장마다의 데이터를 취득한다. 또, 파장 가변 광원(1A)을 구비한 분광 장치에 의하면, 파장 스캔이 필요하지만, 분광기의 이미지 센서에서의 픽셀 정보의 독출에도 동일한 정도의 시간을 필요로 하기 때문에, 측정 시간에 관한 우열은 없다.
게다가, 레이저 발진 타입의 파장 가변 광원(1A)에서는, 주입한 에너지의 대부분이 광으로 변환되므로, 다른 방식과 비교해서 전력 이용 효율이 높고 또한 고휘도인 출사광(Lout)을 얻는 것이 가능해진다. 출사광(Lout)은, 가우시안 빔(Gaussian Beam)의 코히런트(coherent)한 광이다. 출사광(Lout)은, 비교적 넓은 콜리메이트 광으로 변환하거나, 작은 빔에 집광할 수 있다. 따라서, 파장 가변 광원(1A)은, 용도에 따라 시료에 맞춘 광의 조사 방법을 채용할 수 있다.
분광기를 구비한 분광 장치에서는, 1nm 이하의 파장 분해능을 실현하는 경우에는 슬릿폭이 가늘게 되어 광 이용 효율은 현저하게 열화(劣化)한다. 한편, 파장 가변 광원(1A)은, 레이저 발진이기 때문에, 기본적으로 1nm 이하의 파장 분해능을 용이하게 실현할 수 있다.
또, 제2 레이저 매질(M2)의 제2 광(L2)은, 제2 필터(FP2)에 직접 입사시켜도 괜찮지만, 제1 레이저 매질(M1)의 제1 광(L1)과 동일한 방향으로 출사하도록 배치하고, 전반사 미러 등의 광학 부품을 이용하여 제2 필터(FP2)로 안내하도록 배치해도 괜찮다.
<파장 가변 광원의 구체적 구성>
파장 가변 광원(1A)의 구체적 구성에 대해 설명한다. 파장 가변 광원(1A)의 제조에는, MEMS 기술인 표면 마이크로 머시닝(machining)이 이용된다. 표면 마이크로 머시닝에 의하면, 파장 가변 광원(1A)을 소형이고 또한, 염가로 제조할 수 있다.
도 8에 나타내어지는 바와 같이, 파장 가변 광원(1B)은, MEMS 구조체(3)를 가진다. 이 MEMS 구조체(3)는, 실리콘 기판(반도체 기판)(2)에, 제1 필터(FP1)와, 제2 필터(FP2)와, 제3 필터(FP3)와, 제1 구동 기구(A1)와, 제2 구동 기구(A2)가 형성된 것이다. 실리콘 기판(2)의 이면(2a)에는, 금속막으로 이루어지는 전반사 미러(4)가 형성되어 있다. 실리콘 기판(2) 상에는, 기판 전극(12)이 형성되어 있다. 이 MEMS 구조체(3) 상에는, 레이저 다이오드(LD1), 레이저 다이오드(LD2), 렌즈(P1), 렌즈(P2), 전반사 미러(6), 하프 미러(K2), 하프 미러(K3), 및 출력 렌즈(Pu)가 배치되어 있다.
MEMS 구조체(3)는, 하부 미러층(BM)과, 상부 미러층(TM)을 가진다. 하부 미러층(BM)은, 실리콘 기판(2)의 표면(2b)으로부터 상부로 이간하여 배치되어 있다. 상부 미러층(TM)은, 하부 미러층(BM)으로부터 상부로 이간하여 배치되어 있다. 하부 미러층(BM) 및 상부 미러층(TM)은, 패브리 페로형의 파장 선택 필터를 위한 브래그 미러 구조를 가진다. 실리콘 기판(2)과 하부 미러층(BM)과의 사이에는, 하부 미러층(BM)을 지지하는 지지부(7)가 복수 배치되어 있다. 복수의 지지부(7) 사이에는, 복수의 에어 갭(AG1)이 형성되어 있다. 하부 미러층(BM)과 상부 미러층(TM)과의 사이에는, 상부 미러층(TM)을 지지하는 지지부(8)가 배치되어 있다. 복수의 지지부(8) 사이에는, 에어 갭(AG2)이 형성되어 있다. 하부 미러층(BM) 상에 상부 미러층(TM)이 형성된 구성은, 패브리 페로 간섭 필터를 이루는 구조이다. 하부 미러층(BM) 및 상부 미러층(TM)은, 지지부(7)에 의해 복수의 패브리 페로 간섭 필터에로 분할되어 있다. 따라서, MEMS 구조체(3)에서는, 실리콘 기판(2)의 표면(2b)을 따른 방향으로 패브리 페로 간섭 필터가 복수 병설(竝設)되어 있다.
도 9에 나타내어지는 바와 같이, 하부 미러층(BM)은, 실리콘 기판(2)의 산화 실리콘막(T1) 상에 형성되어 있다. 하부 미러층(BM)의 두께 K1은 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)의 중심 파장 λc에 대해서 (1/4×λc/n)로 설정되어 있다. n은 각 층의 굴절률이다. 하부 미러층(BM)은, 4층의 폴리 실리콘막(T2)과 3층의 질화 실리콘막(T3)이 교호로 적층된 구조를 가진다. 하부 미러층(BM)의 표면을 이루는 폴리 실리콘막(T2a)에는 하부 전극(9)이 전기적으로 접속되어 있다.
하부 미러층(BM)은, 에어 갭(AG1)을 형성하기 위한 에칭 홀(12a)을 가진다. 제2 필터(FP2) 아래의 에어 갭(AG1)의 높이는, 하부 미러층(BM)의 일부를 이루도록, 출사광(Lout)의 중심 파장 λc에 대해서 (1/4λc)로 설정되어 있다.
도 10의 (a)에 나타내어지는 바와 같이, 하부 전극(9)은, 하부 미러층(BM)의 표면을 이루는 폴리 실리콘막(T2a)의 좌측 중앙부에 마련되어 있다. 하부 전극(9)에는 배선 패턴(11a)의 일단이 접속되어 있다. 배선 패턴(11a)의 타단은, 원형 모양의 가동부(11)에 접속되어 있다. 가동부(11)는, 주위 영역(13)으로부터 전기적으로 절연하기 위한 절연 패턴(11b)에 의해 둘러싸여 있다. 가동부(11)는, 주위 영역(13)과 전기적으로 절연되어 있다. 한편, 가동부(11)는, 주위 영역(13)에 대해서 물리적으로 일체화되어 있다.
도 9에 나타내어지는 바와 같이, 상부 미러층(TM)은, 폴리 실리콘막(T2a) 상에 형성된 산화 실리콘막(T4)을 매개로 하여 하부 미러층(BM) 상에 형성되어 있다. 상부 미러층(TM)은, 하부 미러층(BM)과 동일한 구조를 가진다. 상부 미러층(TM)의 표면을 이루는 폴리 실리콘막(T2b)에는 상부 전극(14)이 전기적으로 접속되어 있다. 상부 미러층(TM)에는, 에어 갭(AG2)을 형성하기 위한 에칭 홀(12b)이 형성되어 있다.
도 10의 (b)에 나타내어지는 바와 같이, 상부 미러층(TM)은, 원형 모양의 가동부(17)를 가진다. 가동부(17)는, 상부 전극(14)이 전기적으로 접속된 주위 영역(16)으로부터 전기적으로 절연되어 있다. 가동부(17)는, 주위 영역(16)으로부터 전기적으로 절연하기 위해서 절연 패턴(18)에 의해 둘러싸여 있다. 가동부(17)를 주위 영역(16)에 대해서 전기적으로 절연하는 것에 의해, 하부 전극(9)에 전압을 인가했을 때에, 그 전위차에 기인하는 정전력에 의해 끌어 당겨져 상부 미러층(TM)의 가동부(17)가 움직이는 것을 피할 수 있다. 가동부(17)는, 주위 영역(16)과 전기적으로 절연되어 있다. 한편, 가동부(17)는, 주위 영역(16)에 대해서 물리적으로 일체화되어 있다.
도 11의 (a)를 참조하면서, 상부 미러층(TM) 및 하부 미러층(BM)의 반사 특성의 구체예를 설명한다. 도 11의 (a)의 가로축은 파장을 나타낸다. 세로축은 반사율을 나타낸다. 그래프 GP5(실선)는 상부 미러층(TM)의 반사 특성을 나타낸다. 그래프 GP6(파선)는 하부 미러층(BM)의 반사 특성을 나타낸다. 그래프 GP5 및 그래프 GP6를 확인하면, 상부 미러층(TM)과 하부 미러층(BM)은, 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)(예를 들면 1.2㎛~1.4㎛)에서, 98% 이상의 반사율을 가지는 것을 알 수 있다. 상부 미러층(TM) 및 하부 미러층(BM)에 의하면, 중심 파장 1.3㎛이며 가변 파장 범위 ±100nm에서, 98% 이상의 광을 투과하는 패브리 페로 간섭 필터를 구성할 수 있다.
도 8에 나타내어지는 바와 같이, 하부 미러층(BM)과 상부 미러층(TM)에 의해 형성된 제1 필터(FP1) 및 제2 필터(FP2)에 대해 설명한다. 제1 필터(FP1)는, 하부 미러층(BM)의 주위 영역(13)과, 상부 미러층(TM)에 의해 형성되어 있다. MEMS 구조체(3)는, 서로 등가인 3개의 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b), 제1 필터(FP1c)를 가진다. 제2 필터(FP2)는, 하부 미러층(BM)의 가동부(11)와, 상부 미러층(TM)에 의해 형성되어 있다.
제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1 및 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 에어 갭(AG2)에 의해 결정된다. 투과 파장 λp1과 에어 갭(AG2)과의 관계는, AG2=1/2×λp1이다. 또, 투과 파장 λp2와 에어 갭(AG2)과의 관계는, AG2=1/2×λp2이다. 에어 갭(AG2)은, 하부 미러층(BM)에 대해서 상부 미러층(TM)이 근접 또는 이간하는 것에 의해 변화한다.
도 11의 (b)를 참조하면서, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1의 특성, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2의 특성, 및 제3 필터(FP3)의 투과 파장 λp3의 특성의 구체예에 대해 설명한다. 제1 필터(FP1), 제2 필터(FP2) 및 제3 필터(FP3)는, 도 11의 (a)에 나타내어진 반사 특성을 가지는 상부 미러층(TM) 및 하부 미러층(BM)에 의해 구성되어 있는 것으로 한다. 도 11의 (b)의 가로축은 투과 파장을 나타낸다. 세로축은 투과율을 나타낸다. 그래프 GP7는 에어 갭(AG2)이 1.76㎛일 때의 파장 특성을 나타낸다. 그래프 GP8는 에어 갭(AG2)이 1.9㎛일 때의 파장 특성을 나타낸다. 그래프 GP9는 에어 갭(AG2)이 2.0㎛일 때의 파장 특성을 나타낸다. 그래프 GP10는 에어 갭(AG2)이 2.13㎛일 때의 파장 특성을 나타낸다. 그래프 GP7, 그래프 GP8, 그래프 GP9, 그래프 GP10를 확인하면, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2, 및 제3 필터(FP3)의 투과 파장 λp3를 1.2㎛~1.4㎛로 설정하기 위해서는, 에어 갭(AG2)을 1.76㎛~2.13㎛의 사이에서 변화시키면 되는 것을 알 수 있다. 이들 에어 갭(AG2) 중 어느 것에서도 투과 파장은 피크점에서 98% 이상의 투과율이 얻어지는 것을 알 수 있다.
상부 미러층(TM)은, 상부 미러층(TM)과 하부 미러층(BM)과의 사이에 발생시키는 정전력에 의해 구동된다. 예를 들면, 상부 전극(14)에 도 6의 (a)의 그래프 GP1에 나타내어지는 제어 신호가 입력되고, 하부 전극(9)에 도 6의 (b)의 그래프 GP2에 나타내어지는 제어 신호가 입력되며, 기판 전극(12)에는 기준 전위(GND)의 제어 신호가 입력되는 것으로 한다. 이 때, 상부 미러층(TM)과 하부 미러층(BM)과의 사이에 소정의 전위차가 생기고, 평행 평판 콘덴서의 원리에 의해 이 전위차에 대응하는 정전력이 발생한다. 따라서, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2 및 제3 필터(FP3)의 투과 파장 λp3가 주기적으로 변화한다. 파장 가변 광원(1B)에서는, 상부 미러층(TM)이 제1 미러(S1a), 제2 미러(S2a), 제3 미러(S3a)에 대응한다. 또, 상부 미러층(TM)은, 각각의 미러를 동작시키는 제1 구동 기구(A1)의 프레임(F1), 및 구동원(D1)에 대응한다. 하부 미러층(BM)은, 제2 미러(S2b)에 대응한다. 또, 하부 미러층(BM)은, 제2 미러(S2b)를 동작시키는 제2 구동 기구(A2)의 프레임(F2), 및 구동원(D2)에 대응한다.
하부 전극(9)에 입력되는 제어 신호의 전압이, 기판 전극(12)에 입력되는 제어 신호의 전압과 다른 경우에는, 하부 미러층(BM)의 가동부(11)와 실리콘 기판(2)과의 사이에 전위차가 발생한다. 따라서, 하부 미러층(BM)의 가동부(11)와 실리콘 기판(2)과의 사이에 정전력이 발생하여, 하부 미러층(BM)의 가동부(11)와 실리콘 기판(2)과의 사이의 에어 갭(AG1)이 변화한다. 그러나, 하부 미러층(BM)의 주위 영역(13)과 실리콘 기판(2)과의 사이에는 전위차가 발생하고 있지 않기 때문에, 하부 미러층(BM)이 동작하지는 않는다. 따라서, 이 상태는, 제2 필터(FP2)의 제2 갭(G2)이 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1)과 다른 제1 상태이다. 즉, 하부 전극(9)에 입력된 제어 신호의 전압과, 기판 전극(12)에 입력된 제어 신호의 전압이 서로 다를 때, 제2 미러(S2b)는 제1 상태가 된다.
한편, 하부 전극(9)에 입력되는 제어 신호의 전압이, 기판 전극(12)에 입력되는 제어 신호의 전압과 동일한 경우, 즉 접지 전위(GND)인 경우에는, 하부 미러층(BM)의 전체와 실리콘 기판(2)과의 사이에는 전위차가 발생하지 않기 때문에, 정전력이 발생하지 않는다. 이 때문에, 하부 미러층(BM)이 동작하지는 않는다. 이 상태일 때, 하부 미러층(BM)과 상부 미러층(TM)과의 사이의 에어 갭(AG2)은, 장소마다 다르지는 않고, 서로 동일한 폭이 된다. 따라서, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b) 및 제1 필터(FP1c)의 투과 파장 λp1 및 제3 필터(FP3)의 투과 파장 λp3와 동일하게 된다. 즉, 하부 전극(9)에 입력된 제어 신호의 전압과, 기판 전극(12)에 입력된 제어 신호의 전압이 서로 동일할 때, 제2 미러(S2b)는 제2 상태가 된다.
도 8에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 다이오드(LD1)는 제1 레이저 매질(M1)과 전반사 미러(K1A)가 일체화된 것이다. 예를 들면, 레이저 다이오드(LD1)에는, 표면 발광 레이저 소자(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting LASER)를 이용할 수 있다. 레이저 다이오드(LD1)는, 제1 광(L1)의 출사 방향이 제1 필터(FP1a)에 대해서 경사지도록, MEMS 구조체(3) 상에 배치되어 있다. 레이저 다이오드(LD1)와 제1 필터(FP1a)와의 사이에서의 제1 광로(OP1) 상에는, 렌즈(P1)가 배치되어 있다.
레이저 다이오드(LD2)는 제2 레이저 매질(M2)과 전반사 미러(K1B)가 일체화된 것이다. 레이저 다이오드(LD2)는, 제2 광(L2)의 출사 방향이 제2 필터(FP2)에 대해서 경사지도록, MEMS 구조체(3) 상에 배치되어 있다. 레이저 다이오드(LD2)의 제2 광(L2)의 출사 방향과 실리콘 기판(2)의 표면이 이루는 각도는, 레이저 다이오드(LD1)의 제1 광(L1)의 출사 방향과 MEMS 구조체(3)의 표면(3a)이 이루는 각도와 동일하다. 레이저 다이오드(LD2)와 제2 필터(FP2)와의 사이에서의 제2 광로(OP2) 상에는, 렌즈(P2)가 배치되어 있다.
하프 미러(K2)는, 제1 광 공진기(R1) 또는 제2 광 공진기(R2)를 위한 것이다. 하프 미러(K2)는, MEMS 구조체(3) 상으로서 제1 필터(FP1b)를 투과한 광의 진행 방향 상에 배치되어 있다. 하프 미러(K2)에는, 제1 필터(FP1b)를 투과한 제1 광(L1) 또는 제2 광(L2)이 입사된다. 하프 미러(K2)를 투과한 광을 콜리메이트하기 위한 출력 렌즈(Pu)가 하프 미러(K2)를 투과한 광의 진행 방향 상에 배치되어 있다. 하프 미러(K3)는, 제3 광 공진기(R3)를 위한 것이다. 하프 미러(K3)는, MEMS 구조체(3) 상으로서 제3 필터(FP3)를 투과한 광의 진행 방향 상에 배치되어 있다. 하프 미러(K3)에는 제3 필터(FP3)를 투과한 제1 광(L1) 또는 제2 광(L2)이 입사된다.
하프 미러(K2) 및 하프 미러(K3)가 MEMS 구조체(3)의 표면(3a)이 이루는 경사 각도는, 레이저 다이오드(LD1) 및 레이저 다이오드(LD2)의 광 출사 방향이 MEMS 구조체(3)의 표면(3a)과 이루는 경사 각도에 대해서 -90°로 되어 있다. 다만, 레이저 다이오드(LD1) 및 레이저 다이오드(LD2)의 경사 각도와, 하프 미러(K2) 및 하프 미러(K3)의 경사 각도 그 자체는, 본질적이지는 않다. 각각의 배치 각도는, 0°(제1 필터(FP1) 및 제2 필터(FP2)에 대해서 수직으로 입사하는 경우) 이외의 소망의 각도로 설정할 수 있다. 그러나, 경사 각도가 크게 되면, 제1 필터(FP1) 및 제2 필터(FP2)의 투과 파장 특성에 대한 각도 의존성이 크게 되는 경우가 있다. 따라서, 경사 각도는 45°이하인 것이 바람직하다.
레이저 다이오드(LD1), 제1 필터(FP1a) 및 레이저 다이오드(LD2)는, 레이저 다이오드(LD1)의 제1 광(L1)이 제1 필터(FP1a)에서 반사하여 레이저 다이오드(LD2)에 입사하지 않도록 배치되어 있다.
레이저 다이오드(LD1), 제1 필터(FP1a) 및 전반사 미러(6)는, 레이저 다이오드(LD1)의 제1 광(L1)이 제1 필터(FP1a)에서 반사하여 전반사 미러(6)에 입사하지 않도록 배치되어 있다. 이러한 배치에 의하면, 제1 필터(FP1a)에서 제1 광(L1)이 반사되는 것에 의해 의도하지 않은 광 공진기가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
하프 미러(K2)와 하프 미러(K3)는, 서로 이간하여 배치된다. 이 배치에 의하면, 제2 필터(FP2)에서 반사된 레이저 다이오드(LD2)의 제2 광(L2)은, 전반사 미러(6) 및 제1 필터(FP1c)에서 반사되어, 하프 미러(K2)와 하프 미러(K3)와의 사이를 진행한다. 따라서, 제1 필터(FP1c)에서 반사된 제2 광(L2)이 반대의 경로를 거슬러 레이저 다이오드(LD2)에 입사되는 것에 의해 의도하지 않은 광 공진기가 형성되는 것을 방지할 수 있다.
전반사 미러(6)는, 표면(3a)에 대해서 평행이 되도록, 레이저 다이오드(LD2)와 하프 미러(K2)와의 사이에 배치되어 있다. 전반사 미러(6)에는, 제2 필터(FP2)를 투과한 제1 광(L1) 또는 제2 필터(FP2)에서 반사된 제2 광(L2)이 입사된다. 전반사 미러(6)는, 제1 광(L1) 및 제2 광(L2)을 제1 필터(FP1c)로 반사한다.
전반사 미러(4)는, 금속막으로 이루어지며, 실리콘 기판(2)의 이면(2a)에 형성되어 있다. 전반사 미러(4)에는, 제1 필터(FP1a)를 투과한 제1 광(L1)이 입사되고, 제2 필터(FP2)로 향하여 반사한다. 전반사 미러(4)에는, 제2 필터(FP2)에서 반사된 제1 광(L1)이 입사된다. 전반사 미러(4)는, 제1 광(L1)을 제1 필터(FP1b)로 향하여 반사한다. 전반사 미러(4)에는, 제2 필터(FP2)를 투과한 제2 광(L2)이 입사된다. 전반사 미러(4)는, 제2 광(L2)을 제1 필터(FP1b)로 향하여 반사한다. 전반사 미러(4)에는, 전반사 미러(6)에서 반사된 후에 제1 필터(FP1c)를 투과한 제1 광(L1) 또는 제2 광(L2)이 입사된다. 전반사 미러(4)는, 제1 광(L1) 또는 제2 광(L2)을 제1 필터(FP1)의 방향을 향해서 반사한다.
파장 가변 광원(1B)의 동작에 대해 설명한다. 제1 발진 상태(도 4 참조)인 구간 Z1, Z3(도 6의 (a) 참조)에서, 상부 전극(14)에 제어 신호(도 6의 (a)의 그래프 GP1)를 입력하고, 하부 전극(9)에 제어 신호(도 6의 (a)의 그래프 GP2)를 입력하며, 기판 전극(12)을 접지 전위(GND)에 접속한다. 도 12에 나타내어지는 바와 같이, 하부 미러층(BM)의 가동부(11)(도 10의 (a) 참조)는, 실리콘 기판(2)의 전위가 GND이기 때문에, 실리콘 기판(2) 측으로 끌어 당겨져, 상부 미러층(TM)과의 에어 갭(AG2)이 확대된다. 즉, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b) 및 제1 필터(FP1c)의 에어 갭(AG2)과, 제2 필터(FP2)의 에어 갭(AG2)이 다르다. 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b), 제1 필터(FP1c) 및 제1 필터(FP1d)의 투과 파장 λp1과 다르다. 따라서, 제1 필터(FP1)에서 투과하는 광은, 제2 필터(FP2)에서 반사된다.
도 12에 나타내어지는 바와 같이, 제1 발진 상태에서, 레이저 다이오드(LD1)의 제1 광(L1)은, 제1 필터(FP1a)를 투과하고, 전반사 미러(4)에서 반사되고, 또 제2 필터(FP2)에서 반사된다. 그리고, 제1 광(L1)은, 다시 전반사 미러(4)에서 반사되고, 제1 필터(FP1b)를 투과하여 하프 미러(K2)에 도달한다. 따라서, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이, 레이저 다이오드(LD1)의 게인 대역일 때, 레이저 다이오드(LD1)가 발진하는 제1 광 공진기(R1)가 형성된다. 그리고, 제1 광 공진기(R1)로부터 출사광(Lout)이 출사된다.
한편, 레이저 다이오드(LD2)는, 하프 미러(K3)와의 사이에서 제3 광 공진기(R3)를 형성하고 있다. 보다 상세하게는, 레이저 다이오드(LD2)의 제2 광(L2)은, 제2 필터(FP2)에서 반사된 후에, 전반사 미러(6)에서 다시 반사된다. 그리고, 제2 광(L2)은, 제1 필터(FP1c)를 투과하고, 전반사 미러(4)에서 반사된 후에 제3 필터(FP3)를 투과하여 하프 미러(K3)에 도달한다. 여기서, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b) 및 제1 필터(FP1c)의 투과 파장 λp1이 레이저 다이오드(LD2)의 게인 대역 내일 때 레이저 발진한다. 이 레이저 발진에 의해, 레이저 다이오드(LD2)로부터 레이저 다이오드(LD1)로의 전환시에 첨두치가 높은 펄스의 발생이 억제된다.
제2 발진 상태(도 4 참조)인 구간 Z2(도 6의 (a) 참조)에서, 상부 전극(14)에 제어 신호(도 6의 (a)의 그래프 GP1)를 입력하고, 하부 전극(9)에 제어 신호(도 6의 (a)의 그래프 GP2)를 입력한다. 그래프 GP2의 전압값 V1은, 접지 전위이다. 이 상태에서, 도 13에 나타내어지는 바와 같이, 하부 미러층(BM)의 가동부(11)는, 소정 위치에 고정된다. 제2 필터(FP2)의 에어 갭(AG2)은, 제1 필터(FP1)의 에어 갭(AG2)과 동일하다. 따라서, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2는, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b) 및 제1 필터(FP1c)의 투과 파장 λp1과 동일하다.
제2 발진 상태에서, 레이저 다이오드(LD2)의 제2 광(L2)은, 제2 필터(FP2)를 투과하고, 전반사 미러(4)에서 반사되어, 제1 필터(FP1b)를 투과하여 하프 미러(K2)에 도달한다. 따라서, 레이저 다이오드(LD2)가 발진하는 제2 광 공진기(R2)가 형성된다.
한편, 레이저 다이오드(LD1)는, 하프 미러(K3)와의 사이에서 제3 광 공진기(R3)를 형성하고 있다. 보다 상세하게는, 레이저 다이오드(LD1)의 제1 광(L1)은, 제1 필터(FP1a)를 투과하고, 전반사 미러(4)에서 반사되어, 제2 필터(FP2)를 투과한 후에, 전반사 미러(6)에서 반사된다. 그리고, 제1 광(L1)은, 제1 필터(FP1c)를 투과하고, 다시 전반사 미러(4)에서 반사된 후에, 제3 필터(FP3)를 투과하여 하프 미러(K3)에 도달한다. 여기서, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b) 및 제1 필터(FP1c)의 투과 파장 λp1이 레이저 다이오드(LD1)의 게인 대역 내일 때, 레이저 다이오드(LD1)는 레이저 발진한다. 이 레이저 발진에 의해, 레이저 다이오드(LD1)로부터 레이저 다이오드(LD2)로의 전환시에 첨두치가 높은 펄스의 발생이 억제된다.
[제2 실시 형태]
제2 실시 형태에 관한 파장 가변 광원에 대해서 설명한다. 도 14, 도 15 및 도 16에 나타내어지는 바와 같이, 제2 실시 형태에 관한 파장 가변 광원(1C)은, 파장 가변 광원(1A)의 기본 구성에 근거하여 동작하는 것이다. 이하, 파장 가변 광원(1C)의 구체적 구성에 대해 설명한다. 파장 가변 광원(1C)은, 실리콘 심굴(深堀) 에칭(DRIE: Deep Reactive Ion Etching) 기술이나 알칼리 에칭 기술을 이용한 벌크 마이크로 머시닝에 의해 제조되는 점에서, 파장 가변 광원(1B)과 상위하다.
패브리 페로형의 파장 선택 필터는, 2매의 브래그 미러 사이의 에어 갭을 제어 신호의 전압값으로 변화시켜 투과 파장을 제어한다. 브래그 미러는, 굴절률이 서로 다른 층을 교호로 배치하고 있다. 그리고, 각 층의 굴절률을 고려한 투과 중심 파장 λn과 각 층의 두께 t와의 관계를 (λn=1/4×t)로 설정하고 있다. 또, 투과 중심 파장 λn과 각 층의 두께 t와의 관계는, (2×t=n+1/2×λn)(n는 1 이상의 정수)로 되어도 괜찮다. 그렇지만, n을 크게 하면 반사 파장 대역이 좁게 된다. 그래서, 투과 중심 파장 λn이 파장 가변 광원의 출사광(Lout)의 파장 대역(BL) 이하가 되지 않도록 n을 설정한다. 에어 갭(AG)과 패브리 페로 간섭 필터를 투과하는 투과 파장 λn과의 관계는, (2×AG=n×λp)이면 된다. 그러나, n을 크게 하면, 패브리 페로 간섭 필터의 투과 대역에 고차(高次)의 파장 λn이 존재한다. 따라서, 파장 가변 광원에서의 출사광(Lout)의 파장 대역(BL) 내에서, 투과 파장 λn이 복수 존재하지 않도록 n을 설정한다.
표면 마이크로 머시닝을 이용한 경우, 화학 기상 성장 장치(CVD: chemical vapor deposition) 등에 의해 브래그 미러를 구성하는 막을 형성하기 위해, 성막 제어성이나 실용면으로부터 각 층의 두께는 1㎛ 이하로 설정되어 있다. 파장 가변 광원(1B)은, 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)이 예를 들면 1.3㎛대였다. 그 경우, 폴리 실리콘막(T2)의 두께, 에어 갭(AG1) 및 에어 갭(AG2)은, 모두 대체로 수백 nm이다. 한편, 보다 장파장인 수 ㎛의 파장을 가지는 광을 대상으로 한 파장 선택 필터를 형성하는 경우에는, 각 층의 두께는 1㎛를 넘는다. 따라서, 표면 마이크로 머시닝에서는, 제조의 난이도가 높게 된다. 이러한 장파장 대역을 대상으로 한 파장 가변 광원에는, 벌크 마이크로 머시닝을 이용한 제조 방법이 적합하다.
도 14에 나타내어지는 바와 같이, 파장 가변 광원(1C)은, MEMS 구조체(21)와, 커버(22)(도 15 참조)를 가진다. 커버(22)는, MEMS 구조체(21) 상에 배치되어 있다. MEMS 구조체(21)는, 실리콘 기판(23)을 가지고 있다. 이 실리콘 기판(23)에는, 제1 필터(FP1), 제2 필터(FP2), 제3 필터(FP3), 제1 구동 기구(A1), 제2 구동 기구(A2), 및 제3 구동 기구(A3)가 형성되어 있다. 게다가, 실리콘 기판(23)에는, 하프 미러(K8), 하프 미러(K9), 제1 방향 전환 미러(K5), 제2 방향 전환 미러(K6) 및 제3 방향 전환 미러(K7)가 형성되어 있다. 한편, 커버(22)에는, 레이저 다이오드(LD1), 레이저 다이오드(LD2), 렌즈(P1), 렌즈(P2), 및 출력 렌즈(Pu)가 마련되어 있다.
도 15에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 다이오드(LD1)는, 제1 광로(OP1)에 제1 광(L1)을 출사하는 면발광 레이저 소자이다. 레이저 다이오드(LD1)는, 커버(22)의 외표면(22a)에 배치되어 있다. 제1 광로(OP1) 상의 커버(22)의 내표면(22b)에는, 렌즈(P1)가 배치되어 있다. 도 16에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 다이오드(LD2)는, 제2 광로(OP2)에 제2 광(L2)을 출사하는 면발광 레이저 소자이다. 레이저 다이오드(LD2)는, 커버(22)의 외표면(22a)에 배치되어 있다. 제2 광로(OP2) 상의 내표면(22b)에는, 렌즈(P2)가 배치되어 있다.
도 15에 나타내어지는 바와 같이, 제1 방향 전환 미러(K5)는, 실리콘 기판(23)의 표면(23a)과 직교하는 방향 N1을 따른 제1 광로(OP1)의 방향을, 실리콘 기판(23)의 표면(23a)을 따른 방향 N2로 90°전환한다. 따라서, 제1 방향 전환 미러(K5)는, 방향 N1에 대해서 45°경사진 반사면(K5a)을 가진다.
도 16에 나타내어지는 바와 같이, 제2 방향 전환 미러(K6)는, 실리콘 기판(23)의 표면(23a)과 직교하는 방향 N1을 따른 제2 광로(OP2)의 방향을, 실리콘 기판(23)의 표면(23a)을 따른 방향 N2로 90°전환한다. 따라서, 제2 방향 전환 미러(K6)는, 방향 N1에 대해서 45°경사진 반사면(K6a)을 가진다.
도 14에 나타내어지는 바와 같이, 제1 방향 전환 미러(K5) 및 제2 방향 전환 미러(K6)는, 제1 방향 전환 미러(K5)에서 방향 전환된 제1 광로(OP1a)가 제2 방향 전환 미러(K6)에서 방향 전환된 제2 광로(OP2a)에 대해서 90°가 되도록 각각 배치되어 있다.
도 16에 나타내어지는 바와 같이, 제2 방향 전환 미러(K6)에서 방향 전환된 제2 광로(OP2a) 상에는, 제3 방향 전환 미러(K7)가 배치되어 있다. 제3 방향 전환 미러(K7)는, 입사한 광이 출력 렌즈(Pu)로 진행하도록, 제1 광로(OP1) 및 제2 광로(OP2)의 방향을 90°전환한다.
심굴 에칭(DRIE:Deep Reactive Ion Etching)법을 이용하여, 제1 방향 전환 미러(K5), 제2 방향 전환 미러(K6) 및 제3 방향 전환 미러(K7)를 형성하는 것은 곤란하다. 그러나, 알칼리액에 의한 결정 이방성 에칭법을 병용함으로써, 방향 N1에 대한 반사면(K5a), 반사면(K6a) 및 반사면(K7a)의 각도가 고정밀도로 제어된 제1 방향 전환 미러(K5), 제2 방향 전환 미러(K6) 및 제3 방향 전환 미러(K7)를 형성할 수 있다.
제3 방향 전환 미러(K7)에서 방향이 전환된 제1 광로(OP1) 및 제2 광로(OP2) 상에는, 출력 렌즈(Pu)가 커버(22)의 내표면(22b)에 마련되어 있다.
도 14에 나타내어지는 바와 같이, 하프 미러(K8)는, 제1 광 공진기(R1) 및 제2 광 공진기(R2)를 형성하는 것이다. 하프 미러(K8)는, 제2 방향 전환 미러(K6)에서 방향 전환된 제2 광로(OP2) 상에서, 제2 방향 전환 미러(K6)와 제3 방향 전환 미러(K7)와의 사이에 배치되어 있다. 하프 미러(K9)는, 제3 광 공진기(R3)를 형성하는 것이다. 하프 미러(K9)는, 제1 방향 전환 미러(K5)에서 방향 전환된 제1 광로(OP1a) 상에 배치되어 있다.
하프 미러(K8) 및 하프 미러(K9)는, 실리콘과 공기의 굴절률차에 의한 단면(端面)에서의 프레넬 반사를 이용한 구성을 가진다. 하프 미러(K8) 및 하프 미러(K9)의 반사율은, 수 ㎛에서의 파장 대역에서는 파장에 의한 의존성은 매우 작으며, 거의 30% 정도이다. 하프 미러(K8) 및 하프 미러(K9)는, 입사면 및 출사면 중 어느 일방의 면은 타방의 면에 대해, 경사져 있다. 이 구조에 의하면, 하프 미러(K8) 및 하프 미러(K9)의 입사면 및 출사면이 서로 평행인 경우에 다중 반사가 발생하고, 파장마다 반사율이 변화하는 현상을 억제할 수 있다. 이 경사 각도에 의해, 하프 미러(K8)의 출사광은, 약간 휘어지지만, 출사측에서의 취출 위치와 각도가 변할 뿐이며, 파장 가변 광원(1C)의 동작에는 영향이 없다. 또, 하프 미러(K8) 및 하프 미러(K9)는, DRIE법에 의해 형성할 수 있다.
MEMS 구조체(21)에는, 제1 필터(FP1), 제2 필터(FP2) 및 제3 필터(FP3)가 형성되어 있다. 제2 필터(FP2)는, 제1 방향 전환 미러(K5)에서 방향 전환된 제1 광로(OP1a)와, 제2 방향 전환 미러(K6)에서 방향 전환된 제2 광로(OP2a)와의 교점에 배치되어 있다. 제1 필터(FP1)는, 제2 방향 전환 미러(K6)에서 방향 전환된 제2 광로(OP2a) 상에서 제2 필터(FP2)와 하프 미러(K8)와의 사이에 배치되어 있다. 제3 필터(FP3)는, 제1 방향 전환 미러(K5)에서 방향 전환된 제1 광로(OP1a)에서 제2 필터(FP2)와 하프 미러(K9)와의 사이에 배치되어 있다.
제1 필터(FP1)의 제1 미러(S1a), 제2 필터(FP2)의 제2 미러(S2a) 및 제3 필터(FP3)의 제3 미러(S3a)는, 모두 제1 구동 기구(A1)에 접속되어 있다. 따라서, 제1 미러(S1a), 제2 미러(S2a) 및 제3 미러(S3a)는, 항상 동일한 동작을 한다. 제1 필터(FP1)의 타방의 제1 미러(S1b)는, 제3 구동 기구(A3)에 접속되어 있다. 따라서, 타방의 제1 미러(S1b)는, 일방의 제1 미러(S1a)에 대해서 독립하여 동작 가능하다. 제2 필터(FP2)의 타방의 제2 미러(S2b)는, 제2 구동 기구(A2)에 접속되어 있다. 따라서, 타방의 제2 미러(S2b)는, 일방의 제2 미러(S2a)에 대해서 독립하여 동작 가능하다. 제3 필터(FP3)의 타방의 제3 미러(S3b)는, 실리콘 기판(23)에 대해서 고정되어 있다.
제1 구동 기구(A1)에 장착된 제1 미러(S1a), 제2 미러(S2a) 및 제3 미러(S3a)는, 파장 소인때문에 고속으로 왕복 동작한다. 이 동작에 의하면 각각의 미러가 관성에 의해 휨을 일으키는 경우가 있다. 따라서, 제1 미러(S1a), 제2 미러(S2a) 및 제3 미러(S3a)는, 제1 구동 기구(A1)에 대해서 각각의 미러의 양단이 연결된 양단 지지 구조로 되어 있다.
한편, 제2 구동 기구(A2)에 연결된 타방의 제2 미러(S2b) 및 제3 구동 기구(A3)에 연결된 타방의 제1 미러(S1b)의 동작은, 제1 구동 기구(A1)에 장착된 각각의 미러의 동작 보다도 훨씬 저속이고, 또한 이동량도 적다. 이 동작에 의하면, 제2 미러(S2b) 및 제1 미러(S1b)를 동작시켰을 때의 휨은 무시할 수 있을 정도로 작다. 따라서, 제2 미러(S2b)는, 제2 구동 기구(A2)에 대해서 미러의 일단이 연결된 편(片)지지 구조로 되어 있다. 마찬가지로, 제1 미러(S1b)는, 제3 구동 기구(A3)에 대해서 미러의 일단이 연결된 편지지 구조로 되어 있다.
제1 필터(FP1), 제2 필터(FP2) 및 제3 필터(FP3)에 실리콘을 포함하는 반도체층을 이용할 수 있는 것은, 실리콘이 적외광에 대해서 투명하기 때문이다.
벌크 마이크로 머시닝에 의해 형성되는 파장 가변 광원(1C)에는, 구동 기구로서 정전 액추에이터가 이용된다. 제1 구동 기구(A1), 제2 구동 기구(A2) 및 제3 구동 기구(A3)는, 정전 액추에이터이다. 제1 구동 기구(A1), 제2 구동 기구(A2) 및 제3 구동 기구(A3)는, 빗살 구조의 고정 전극(24a)과 가동 전극(24b)을 가진다. 고정 전극(24a)은, 실리콘 기판(23)에 대해서 고정되어 있다. 한편, 가동 전극(24b)은, 실리콘 기판(23)으로부터 상부로 이간하고, 실리콘 기판(23)에 대해서 움직일 수 있다. 이들 고정 전극(24a) 및 가동 전극(24b)에 전압을 인가하는 것에 의해, 정전력을 발생시켜 가동 전극(24b)을 구동한다. 가동 전극(24b)에는, 스프링(24d)과 프레임(24f)이 접속되어 있다. 스프링(24d)은, MEMS 구조체(21)에 고정된 앵커(anchor)(24c)로부터 연장하고 있다. 프레임(24f)은, 패브리 페로 간섭 필터를 구성하는 미러를 연결하고 있다. 이들 가동 전극(24b), 앵커(24c), 스프링(24d) 및 프레임(24f)은 일체로 형성되어 있다.
제1 구동 기구(A1)에는, 제1 미러(S1a), 제2 미러(S2a) 및 제3 미러(S3a)가 연결되어 있다. 그리고, 제1 구동 기구(A1)는, 제1 방향 전환 미러(K5)에서 방향 전환된 제1 광로(OP1)의 방향으로 제1 미러(S1a), 제2 미러(S2a) 및 제3 미러(S3a)를 동작시킨다. 제2 구동 기구(A2)에는, 타방의 제2 미러(S2b)가 연결되어 있다. 그리고, 제2 구동 기구(A2)는, 제2 방향 전환 미러(K6)에서 방향 전환된 제2 광로(OP2)의 방향으로 제2 미러(S2b)를 동작시킨다. 제3 구동 기구(A3)에는, 타방의 제1 미러(S1b)가 연결되어 있다. 그리고, 제3 구동 기구(A3)는, 제2 방향 전환 미러(K6)에서 방향 전환된 제2 광로(OP2)의 방향으로 제1 미러(S1b)를 동작시킨다.
제1 구동 기구(A1)는, 스프링-매스 진동계를 구성하고 있다. 프레임(24f), 제1 미러(S1a), 제2 미러(S2a) 및 제3 미러(S3a)는, 질량계를 구성하고 있다. 스프링(24d)은, 스프링계를 구성하고 있다. 따라서, 제1 구동 기구(A1)의 공진 주파수는, 프레임(24f), 제1 미러(S1a), 제2 미러(S2a) 및 제3 미러(S3a)의 합계 질량 m과, 스프링(24d)의 탄성 계수 k와, 감쇠(減衰) 계수 ξ에 의해, 규정된다. 제1 구동 기구(A1)의 공진 주파수는, 프레임(24f) 등의 질량, 스프링(24d)의 치수 등을 설계 파라미터로서 소망의 값으로 설정된다.
제3 구동 기구(A3)는, 제1 필터(FP1)의 제1 미러(S1a)와 제1 미러(S1b)와의 사이의 제1 갭(G1)을 조정한다. 이상적으로는, 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1)과, 제2 필터(FP2)의 제2 갭(G2)은 동일하게 되도록 설계되어 있다. 그러나, 제조상의 편차에 의해 완전히 일치시키는 것은 곤란하다. 그래서, 파장 가변 광원(1C)은, 이 편차를 보정하기 위해서 제3 구동 기구(A3)를 구비하고 있다. 또, 제1 필터(FP1)의 제1 갭(G1)과, 제2 필터(FP2)의 제2 갭(G2)을 정밀도 좋게 일치하도록 제조할 수 있는 경우에는, 파장 가변 광원(1C)은, 제3 구동 기구(A3)를 구비하지 않아도 좋다. 이 경우에는, 제1 필터(FP1)의 타방의 제1 미러(S1b)는, 실리콘 기판(23)에 고정된다.
파장 가변 광원(1C)의 동작에 대해 설명한다. 제1 발진 상태(도 4 참조)인 구간 Z1, Z3(도 6의 (a) 참조)에서, 제2 구동 기구(A2)의 고정 전극(24a)과 가동 전극(24b)과의 사이에 제어 신호(도 6의 (a)의 그래프 GP2)를 입력함과 아울러, 제1 구동 기구(A1)의 고정 전극(24a)과 가동 전극(24b)과의 사이에 제어 신호(도 6의 (a)의 그래프 GP1)를 입력한다. 이들 제어 신호에 의하면, 제1 필터(FP1)를 투과하는 광이, 제2 필터(FP2)에서 반사되는 상태가 된다. 그리고, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이 레이저 다이오드(LD1)의 게인 대역 내에서 변화하기 때문에, 제1 광 공진기(R1)가 형성된다. 따라서, 레이저 다이오드(LD1)가 발진하여, 파장 가변 광원(1C)으로부터 출사광(Lout)이 출사된다.
또, 제1 발진 상태에서, 레이저 다이오드(LD2)는, 하프 미러(K9)와의 사이에서 제3 광 공진기(R3)를 형성하고 있다. 이 레이저 발진에 의해, 레이저 다이오드(LD2)로부터 레이저 다이오드(LD1)로의 전환시에 첨두치가 높은 펄스의 발생이 억제된다.
다음으로, 제2 발진 상태(도 4 참조)인 구간 Z2(도 6의 (a) 참조)에서, 제2 구동 기구(A2)의 고정 전극(24a)에 제어 신호(도 6의 (a)의 그래프 GP2)를 입력함과 아울러, 제1 구동 기구(A1)의 고정 전극(24a)과 가동 전극(24b)과의 사이에 제어 신호(도 6의 (a)의 그래프 GP1)를 입력한다. 이들 제어 신호에 의하면, 제1 필터(FP1)를 투과하는 광이, 제2 필터(FP2)도 투과하는 상태가 된다. 그리고, 제1 필터(FP1)의 투과 파장 λp1이 레이저 다이오드(LD2)의 게인 대역 내에서 변화하기 때문에, 제2 광 공진기(R2)가 형성된다. 따라서, 레이저 다이오드(LD2)가 발진하여, 파장 가변 광원(1C)으로부터 출사광(Lout)이 출사된다.
또, 제2 발진 상태에서, 레이저 다이오드(LD1)는, 하프 미러(K9)와의 사이에서 제3 광 공진기(R3)를 형성하고 있다. 이 레이저 발진에 의해, 레이저 다이오드(LD1)로부터 레이저 다이오드(LD2)로의 전환시에 첨두치가 높은 펄스의 발생이 억제된다.
상술한 파장 가변 광원(1C)은, 파장 가변 광원(1A)과 동일한 효과를 나타낼 수 있다.
게다가, 파장 가변 광원(1C)은, 벌크 마이크로 머시닝에 의해 제조되기 때문에, 표면 마이크로 머시닝에 의해 제조된 파장 가변 광원(1B) 보다도 장파장의 출사광(Lout)을 출사할 수 있다. 예를 들면, 실리콘층의 두께가 2㎛~3㎛이며, 제1 갭(G1), 제2 갭(G2) 및 제3 갭(G3)이 3㎛~7㎛인 패브리 페로형의 파장 선택 필터를 제조할 수 있다. 이러한 두께 및 갭 길이를 가지는 파장 선택 필터에 의하면, 투과 파장을 수 ㎛의 파장 대역으로 설정하여, 파장이 수 ㎛(예를 들면 5㎛)의 출사광(Lout)을 출사시킬 수 있다.
파장 가변 광원(1C)은, 레이저 매질로서 VCSEL 등의 면발광 레이저 소자를 이용하고, 실리콘 기판으로 이루어지는 렌즈를 성형 또는 장착한 커버를 MEMS 구조체(21) 상에 배치하고 있다. 이러한 구성에 의하면, 파장 가변 광원(1C)이 보다 소형화됨과 아울러 용이하게 조립할 수 있다.
파장 가변 광원(1C)의 MEMS 구조체(21)는, SOI(Silicon On Insulator) 기판에 대해서, 실리콘 심굴 에칭법을 이용함으로써 작성할 수 있다. 패브리 페로형의 파장 선택 필터를 위한 브래그 미러는, DRIE법에 의해, 실리콘층과 공기층을 교호로 배치함으로써 실현할 수 있다. 이 때, 정전 액추에이터와 브래그 미러는 동일한 포토마스크(photomask)를 이용하여, 1회의 실리콘 심굴 에칭에 의해 작성할 수 있기 때문에, 고정밀도로 또한 적은 공정에 의해 작성할 수 있다.
제1 방향 전환 미러(K5), 제2 방향 전환 미러(K6) 및 제3 방향 전환 미러(K7) 이외의 구성부품은, 모두 1회의 DRIE법에 의해 작성할 수 있다. 따라서, 상대적인 위치 관계를 고정밀도로 제어할 수 있다. 이 때문에, 레이저 다이오드(LD1)와 출력 렌즈(Pu)의 위치 맞춤, 및 레이저 다이오드(LD2)와 출력 렌즈(Pu)의 위치 맞춤 이외의 조정은 불필요해진다.
이상, 본 발명의 일 실시 형태에 대해 설명했지만, 본 발명은, 상기 실시 형태로 한정되는 것은 아니다.
도 17에 나타내어지는 바와 같이, 변형예 1의 파장 가변 광원(1D)은, 3개의 제1 레이저 매질(M1), 제2 레이저 매질(M2) 및 제3 레이저 매질(M3)을 구비하고 있어도 괜찮다.
도 18 및 도 19에 나타내어지는 바와 같이, 표면 마이크로 머시닝에 의해 형성된 파장 가변 광원(1D)은, 제1 필터(FP1)와, 제2 필터(FP2)와, 제3 필터(FP3)를 구비하고 있다. 제1 필터(FP1a)에는, 레이저 다이오드(LD1)의 제1 광(L1)이 입사된다. 제2 필터(FP2)에는, 레이저 다이오드(LD2)의 제2 광(L2)이 입사된다. 제3 필터(FP3)에는, 레이저 다이오드(LD3)의 제3 광(L3)이 입사된다.
패브리 페로 간섭 필터는, 제1 필터(FP1a), 제2 필터(FP2), 제3 필터(FP3)의 순서로 병설되어 있다. 제3 필터(FP3)에 대해서 제1 필터(FP1b), 제4 패브리 페로 간섭 필터(FP4)(이하「제4 필터(FP4)」라고 함) 및 제5 패브리 페로 간섭 필터(FP5)(이하「제5 필터(FP5)」라고 함)가 이 순서로 인접하고 있다.
제2 필터(FP2)를 구성하는 하부 미러층(BM)에는, 절연 영역에 의해 둘러싸인 복수의 가동부(26a), 가동부(26b) 및 가동부(26c)가 형성되어 있다. 제2 필터(FP2)를 구성하는 하부 미러층(BM)의 영역에는, 절연 영역에 의해 둘러싸인 가동부(26a)가 형성되어 있다. 가동부(26a)에는 제1 하부 전극(9a)이 전기적으로 접속되어, 가동부(26a)에 소정의 전압을 부여하는 것이 가능하다. 제3 필터(FP3)를 구성하는 하부 미러층(BM)의 영역에는, 절연 영역에 의해 둘러싸인 가동부(26b)가 형성되어 있다. 가동부(26b)에는 제2 하부 전극(9b)이 전기적으로 접속되어, 가동부(26b)에 소정의 전압을 부여하는 것이 가능하다. 제4 필터(FP4)를 구성하는 하부 미러층(BM)의 영역에는, 절연 영역에 의해 둘러싸인 가동부(26c)가 형성되어 있다. 가동부(26c)에는 제3 하부 전극(9c)가 전기적으로 접속되어, 가동부(26c)에 소정의 전압을 부여하는 것이 가능하다.
파장 가변 광원(1D)의 동작에 대해 설명한다. 제1 발진 상태로 하기 위해서는, 제2 필터(FP2)의 가동부(26a), 제3 필터(FP3)의 가동부(26b) 및 제4 필터(FP4)의 가동부(26c) 각각에 접지 전위(GND)가 아닌 전압을 인가한다. 이 경우, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b) 및 제5 필터(FP5)를 투과하는 광은, 제2 필터(FP2), 제3 필터(FP3) 및 제4 필터(FP4)에서 반사된다. 따라서, 도 18에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 다이오드(LD1)는 하프 미러(K2)와의 사이에서 제1 광 공진기(R1)를 형성하고, 제1 필터(FP1a, FP1b) 및 제5 필터(FP5)를 투과하는 투과 파장 λp1에 의해 레이저 발진한다.
레이저 다이오드(LD1) 다음에, 레이저 다이오드(LD2)가 발진된다. 레이저 다이오드(LD1)로부터 레이저 다이오드(LD2)로의 전환 부근에서는, 레이저 다이오드(LD2)는, 하프 미러(K3)와의 사이에서 제3 광 공진기(R3)를 구성하기 때문에, 첨두치가 높은 레이저 발진은 억제된다.
레이저 다이오드(LD3)의 제3 광(L3)은, 제3 필터(FP3)에서 반사한 후에, 전반사 미러(6)에서 반사되고, 제4 필터(FP4)에서 또 반사된다. 그러나, 제4 필터(FP4)에서 반사된 광의 광로 상에는 반사 미러가 배치되지 않는다. 따라서, 레이저 다이오드(LD3)의 제3 광(L3)은 발진할 수 없다. 즉, 레이저 다이오드(LD1)가 발진하는 제1 발진 상태에서는, 레이저 다이오드(LD3)는 항상 비발진 상태이다. 다만, 발진하는 레이저 다이오드(LD1), 레이저 다이오드(LD2) 및 레이저 다이오드(LD3)는, 레이저 다이오드(LD1), 레이저 다이오드(LD2), 레이저 다이오드(LD3), 레이저 다이오드(LD2), 레이저 다이오드(LD1)의 순서로 전환된다. 즉, 레이저 다이오드(LD1) 다음에 레이저 다이오드(LD3)로 전환되지 않기 때문에, 제1 발진 상태 일 때에 레이저 다이오드(LD3)에 대해 첨두치가 높은 레이저 발진의 문제를 고려할 필요는 없다.
레이저 다이오드(LD2)가 발진하고 있는 제2 발진 상태로 하기 위해서는, 제2 필터(FP2)의 가동부(26a)에 접지 전위(GND)를 인가한다. 또, 제3 필터(FP3) 및 제4 필터(FP4) 각각의 가동부(26b, 26c)에는 접지 전위(GND)가 아닌 전압을 인가한다. 이 상태에서는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2가, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b) 및 제5 필터(FP5)의 투과 파장 λp1과 동일하게 된다. 따라서, 도 19에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 다이오드(LD2)는 하프 미러(K2)와의 사이에서 제2 광 공진기(R2)를 형성하고, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2에서 레이저 발진한다.
레이저 다이오드(LD3)가 발진하고 있는 제3 발진 상태로 하기 위해서는, 제2 필터(FP2)의 가동부(26a) 및 제3 필터(FP3)의 가동부(26b)에 접지 전위(GND)를 인가한다. 제4 필터(FP4)의 가동부(26c)에는 접지 전위(GND)가 아닌 전압을 인가한다. 이 상태에서는, 제2 필터(FP2)의 투과 파장 λp2 및 제3 필터(FP3)의 투과 파장 λp3가, 제1 필터(FP1a), 제1 필터(FP1b) 및 제5 필터(FP5)의 투과 파장 λp1과 동일하게 된다. 따라서, 도 20에 나타내어지는 바와 같이, 레이저 다이오드(LD3)는 하프 미러(K2)와의 사이에서 제4 광 공진기(R4)를 형성하고, 제3 필터(FP3)의 투과 파장 λp3에 의해 레이저 발진한다.
레이저 다이오드(LD1), 레이저 다이오드(LD2) 및 레이저 다이오드(LD3)를 구비하는 구성이라도, 출사광(Lout)의 파장을 소인하기 위해서 고속으로 동작시키는 미러는 상부 미러층(TM)이다. 하부 미러층(BM) 각각의 가동부(26a), 가동부(26b) 및 가동부(26c)는, 저속이고, 또한 조금 변화시키면 되어, 용이하게 제어할 수 있다.
파장 가변 광원(1D)에 의하면, 3개의 제1 레이저 매질(M1), 제2 레이저 매질(M2) 및 제3 레이저 매질(M3)을 전환하는 것이 가능하게 되며, 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)을 한층 확대할 수 있다.
또, 파장 가변 광원은, 상술한 구성을 응용하는 것에 의해, 원리상은 3개 이상 레이저 매질을 구비할 수 있다. 그러나, 레이저 매질의 수가 증가하면, 광 공진기의 광로 길이가 길어진다. 패브리 페로 간섭 필터에서의 선택 파장의 순도를 향상시키기 위해서는, 패브리 페로 간섭 필터에 입사되는 빔은, 평행광인 것이 바람직하다. 그러나, 빔은 회절 확대를 가지기 때문에, 광 공진기의 광로 길이가 길어지면 평행광으로부터의 어긋남이 커지게 된다. 따라서, 광 공진기의 광로 길이가 길어지면 파장 선택성이 나빠진다. 패브리 페로 간섭 필터에도 유효 파장 대역이 존재하기 때문에, 무한으로 레이저 매질을 늘릴 수는 없다. 따라서, 파장 가변 광원을 구비할 수 있는 레이저 매질의 수는 3개 정도이다.
도 21에 나타내어지는 바와 같이, 변형예 2의 파장 가변 광원(1E)은, 첨두치가 높은 펄스의 발생을 억제하기 위한 제3 광 공진기(R3)를 구비하고 있지 않은 구성이라도 좋다. 이 파장 가변 광원(1E)에 의하면, 파장 가변 광원(1A)과 마찬가지로 출사광(Lout)의 파장 대역(BL)이 넓은 파장 가변 레이저 광원을 작성하는 것이 가능해진다. 파장 가변 광원(1A) 보다도 구조가 간소화되어 있기 때문에, 용이하게 제조할 수 있다.
상기 제1 및 제2 실시 형태에서는, 제1 및 제2 부분 반사 미러는, 일체의 하프 미러(K2)였지만, 제1 및 제2 부분 반사 미러는, 서로 별개의 하프 미러라도 좋다.
[산업상의 이용 가능성]
본 발명에 의하면, 출사광의 광 특성을 안정화함과 아울러 출사광의 파장 대역을 확대하는 것이 가능한 파장 가변 광원이 제공된다.
1A~1E - 파장 가변 광원 2, 23 - 실리콘 기판(반도체 기판)
A1 - 제1 구동 기구 A2 - 제2 구동 기구
B1 - 제1 파장 대역 B2 - 제2 파장 대역
DC - 구동 제어부(제어부)
FP1 - 제1 필터(제1 패브리 페로 간섭 필터)
FP2 - 제2 필터(제2 패브리 페로 간섭 필터)
G1 - 제1 갭 G2 - 제2 갭
K1A - 전반사 미러(제1 전반사 미러)
K1B - 전반사 미러(제2 전반사 미러)
K2 - 하프 미러(제1 부분 반사 미러, 제2 부분 반사 미러)
L1 - 제1 광 L2 - 제2 광
L3 - 제3 광 Lout - 출사광
M1 - 제1 레이저 매질 M2 - 제2 레이저 매질
OP1 - 제1 광로 OP2 - 제2 광로
P1 - 렌즈(제1 광학 부품) P2 - 렌즈(제2 광학 부품)
R1 - 제1 광 공진기 R2 - 제2 광 공진기
S1a, S1b - 제1 미러 S2a, S2b - 제2 미러
S3a, S3b - 제3 미러
A1 - 제1 구동 기구 A2 - 제2 구동 기구
B1 - 제1 파장 대역 B2 - 제2 파장 대역
DC - 구동 제어부(제어부)
FP1 - 제1 필터(제1 패브리 페로 간섭 필터)
FP2 - 제2 필터(제2 패브리 페로 간섭 필터)
G1 - 제1 갭 G2 - 제2 갭
K1A - 전반사 미러(제1 전반사 미러)
K1B - 전반사 미러(제2 전반사 미러)
K2 - 하프 미러(제1 부분 반사 미러, 제2 부분 반사 미러)
L1 - 제1 광 L2 - 제2 광
L3 - 제3 광 Lout - 출사광
M1 - 제1 레이저 매질 M2 - 제2 레이저 매질
OP1 - 제1 광로 OP2 - 제2 광로
P1 - 렌즈(제1 광학 부품) P2 - 렌즈(제2 광학 부품)
R1 - 제1 광 공진기 R2 - 제2 광 공진기
S1a, S1b - 제1 미러 S2a, S2b - 제2 미러
S3a, S3b - 제3 미러
Claims (6)
- 제1 파장 대역을 가지는 제1 광을 증폭하는 제1 레이저 매질과,
상기 제1 광을 광 공진시키는 제1 광 공진기를 구성하는 제1 전반사 미러 및 제1 부분 반사 미러와,
제2 파장 대역을 가지는 제2 광을 증폭하는 제2 레이저 매질과,
상기 제2 광을 광 공진시키는 제2 광 공진기를 구성하는 제2 전반사 미러 및 제2 부분 반사 미러와,
한 쌍의 제1 미러를 가지며, 상기 제1 광의 제1 광로 상에서의 상기 제1 레이저 매질과 상기 제1 부분 반사 미러와의 사이의 위치이고 또한 상기 제2 광의 제2 광로 상에서의 상기 제2 레이저 매질과 상기 제2 부분 반사 미러와의 사이의 위치인 제1 위치에 배치됨과 아울러, 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선택적으로 투과 및 반사시키는 제1 패브리 페로(Fabry-Perot) 간섭 필터와,
한 쌍의 제2 미러를 가지며, 상기 제1 광로 상에서의 상기 제1 레이저 매질과 상기 제1 패브리 페로 간섭 필터와의 사이의 위치이고 또한 상기 제2 광로 상에서의 상기 제2 레이저 매질과 상기 제1 패브리 페로 간섭 필터와의 사이의 위치인 제2 위치에 배치됨과 아울러, 상기 제1 광 및 상기 제2 광을 선택적으로 투과 및 반사시키는 제2 패브리 페로 간섭 필터와,
상기 제1 패브리 페로 간섭 필터의 일방의 상기 제1 미러 및 상기 제2 패브리 페로 간섭 필터의 일방의 상기 제2 미러를 연동하여 동작시키는 제1 구동 기구와,
상기 제2 패브리 페로 간섭 필터의 타방의 상기 제2 미러를 동작시키는 제2 구동 기구를 구비하는 파장 가변 광원. - 청구항 1에 있어서,
한 쌍의 상기 제1 미러 사이의 제1 갭 및 한 쌍의 상기 제2 미러 사이의 제2 갭이 주기적으로 변화하도록, 상기 제1 구동 기구를 제어하는 제어부를 더 구비하는 파장 가변 광원. - 청구항 2에 있어서,
상기 제어부는, 일방의 상기 제1 미러 및 일방의 상기 제2 미러를 왕복 동작시키고, 상기 왕복 동작의 주파수를 상기 제1 구동 기구의 공진 주파수로 설정하는 파장 가변 광원. - 청구항 2 또는 청구항 3에 있어서,
상기 제어부는, 상기 제2 미러의 상태가, 상기 제2 갭이 상기 제1 갭과 다른 제1 상태와, 상기 제2 갭이 상기 제1 갭과 동일한 제2 상태로 전환되도록, 상기 제2 구동 기구를 제어하는 파장 가변 광원. - 청구항 2에 있어서,
상기 제1 패브리 페로 간섭 필터, 상기 제2 패브리 페로 간섭 필터, 상기 제1 구동 기구, 및 상기 제2 구동 기구는, 동일한 반도체 기판에 형성되어 있는 파장 가변 광원. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 광로 상에서의 상기 제1 레이저 매질과 상기 제2 패브리 페로 간섭 필터와의 사이의 위치에 배치되며, 상기 제1 광을 콜리메이트하는 제1 광학 부품과,
상기 제2 광로 상에서의 상기 제2 레이저 매질과 상기 제2 패브리 페로 간섭 필터와의 사이의 위치에 배치되며, 상기 제2 광을 콜리메이트하는 제2 광학 부품을 더 구비하는 파장 가변 광원.
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