(57)【要約】  【課題】  広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことができる波長可変ミラーと、ＷＤＭ通信に用いることができる波長可変レーザとを提供すること。  【解決手段】  一対の高反射ミラー５、６の間の液晶層９に一対の透明電極３、４を介して電圧を印加して屈折率を制御し、所定の波長の光を透過させる液晶エタロン２０と、第３の高反射ミラー１０とを備え、第３の高反射ミラー１０の反射面が一対の高反射ミラー５、６の各反射面に対して傾斜し、３つの高反射ミラー５、６、１０のうちの少なくとも一つは、入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域で他の波長帯域より反射率が高い構成を有している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶層と、前記液晶層に電圧を印加するための第１の透明電極および第２の透明電極と、所定の波長の光を反射する第１の高反射ミラーおよび第２の高反射ミラーとを有し、所定の波長の光を透過させる液晶エタロンと、
所定の波長の光を反射する第３の高反射ミラーとを備え、
前記第１の高反射ミラーの反射面と前記第２の高反射ミラーの反射面とが互いに平行であり、前記第３の高反射ミラーの反射面が前記第１の高反射ミラーの反射面および前記第２の高反射ミラーの反射面に対して傾斜し、
前記第１の高反射ミラーと前記第２の高反射ミラーと前記第３の高反射ミラーのうちの少なくとも一つは、入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域での反射率が、前記入射光の波長帯域のうちの他の波長帯域での反射率に比して高い分光反射率を有することを特徴とする波長可変ミラー。
【請求項２】
前記第１の高反射ミラーと前記第２の高反射ミラーは、前記入射光の全波長帯域で光を反射し、前記第３の高反射ミラーは、前記入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域での反射率が、前記入射光の波長帯域のうちの他の波長帯域での反射率に比して高い分光反射率を有する請求項１に記載の波長可変ミラー。
【請求項３】
前記第１の高反射ミラーは、前記入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域での反射率が、前記入射光の波長帯域のうちの他の波長帯域での反射率に比して高い分光反射率を有し、前記第２の高反射ミラーは、前記入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域での反射率が、前記入射光の波長帯域のうちの他の波長帯域での反射率に比して高い分光反射率を有し、前記第３の高反射ミラーは、前記入射光の全波長帯域の光を反射する請求項１に記載の波長可変ミラー。
【請求項４】
前記液晶エタロンは、前記液晶層の液晶を配向させるための第１の配向膜および第２の配向膜を有し、前記第１の高反射ミラーと前記第２の高反射ミラーのうちの少なくとも一方の高反射ミラーは、前記第１または／および第２の配向膜に面する側に、前記液晶の屈折率と同一または近い屈折率を有してフレネル反射を抑制する透明膜が形成されている請求項１から３までのいずれか１項に記載の波長可変ミラー。
【請求項５】
２つの反射面を有する共振器と、
光増幅を行う利得媒体とを備え、
前記共振器は、請求項１から４までのいずれか１項に記載の波長可変ミラーを有し、前記共振器が有する２つの前記反射面のうち少なくとも１つの前記反射面が、前記波長可変ミラーが有する第３の高反射ミラーの反射面で構成され、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に印加する電圧に応じて選択的に出射光の波長を制御することを特徴とする波長可変レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことができる波長可変ミラー、および、波長可変ミラーを用いた波長可変レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の通信需要の飛躍的な増大に伴う大容量伝送を可能にすべく、波長分割多重通信システム（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ通信システム）の開発が行われている。波長分割多重通信システムは、波長が異なる複数の信号光の波長チャネルを多重化して１本の光ファイバで送信することによって大容量伝送を可能にする通信システムである。
【０００３】
このような波長分割多重通信システムの実現には、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を正確に選択できる波長可変ミラーが必要になる。以下、所望の波長の光を選択することを波長選択という。また、ＷＤＭ通信システム用のレーザ光源として、単一素子で、ＷＤＭ通信の多数の波長チャネルのうちの所望の単一波長チャネルに波長域を有するレーザ光を出射できる波長可変レーザが望まれていた。
【０００４】
このような波長可変レーザとして、従来、光増幅機能を有する利得媒体と、ファイバブラッグ格子によって構成された複数の反射フィルタと、バンドパスフィルタと、単一モード用の光ファイバとで構成され、バンドパスフィルタの伝送ピークであり、かつ、ファイバグラッグ格子による反射ピークでもある、波長ピークの周波数でレーザ発振するレーザを用いることが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
特許文献１に開示された構成では、広い波長帯域を有するレーザ光に対して波長選択を行うのに、帯域が狭いファイバブラッグ格子を各波長チャネル毎に設け、ファイバブラッグ格子によって反射されたレーザ光中の所定のスペクトルのレーザ光をバンドパスフィルタを用いて選択的に透過させる方法がとられている。しかしながら、この構成では、所望の波長チャネル数だけのファイバグラッグ格子が必要となるため、共振器が長くなってしまい、装置規模が大型化すると共に高価なものになる。
【０００６】
また、別の波長可変レーザとして、利得媒体と、回折格子からなる反射格子とを組み合わせた構成のものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。特許文献２に開示された構成では、反射格子を機械的に回転させて波長選択を行うようになっているため、波長制御用の大きな機械的構成部が必要になるという問題を有する。
【０００７】
一方、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を可変に波長選択して透過させる素子として、ファブリペローエタロンをなすミラー間キャビティ内に液晶を充填し、液晶に電圧を印加して屈折率を変化させることによって、ミラー間キャビティの光路長を変化させることができる波長可変フィルタ（以下、液晶エタロンという。）が提案されている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００８】
ここで、液晶エタロンの透過率は、複数の波長で透過率のピーク（以下、透過率ピークという。）を有することが知られている。この液晶エタロンを波長選択用の素子として用い、利得媒体と共にレーザ共振器内に配置することによって、印加電圧の大きさに応じて所望の波長チャネルのみのレーザ光を選択して出射することが可能な、小型の波長可変レーザを得ることが期待できる。
【０００９】
ここで、ＩＴＵ（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｕｎｉｏｎ）グリッドで規定されるＷＤＭ通信の使用波長チャネルの半値全幅は、約０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）以下である。また、Ｌバンド、ＣバンドおよびＳバンドには、それぞれ、１５６９．８０ｎｍから１６１１．７９ｎｍまでの波長帯（帯域幅Δλ＝４１．９９ｎｍ）、１５２９．７５ｎｍから１５６９．５９ｎｍまでの波長帯（帯域幅Δλ＝３９．８４ｎｍ）、および、１４９１．６９ｎｍから１５２９．５５ｎｍまでの波長帯（帯域幅Δλ＝３７．８６ｎｍ）が割り当てられ、各バンドはそれぞれ５０の波長チャネルを有する。
【００１０】
したがって、液晶エタロンを用いた波長可変レーザが上記の各バンドの波長帯域で利用可能となるためには、液晶エタロンが以下の条件を満たす必要がある。第１の条件は、液晶エタロンを往復した透過光についての透過率ピークの半値全幅が０．８ｎｍ以下であることである。第２の条件は、液晶エタロンの透過率ピーク間の波長間隔（ＦＳＲ：Ｆｒｅｅ  Ｓｐｅｃｔｒｕｍ  Ｒａｎｇｅ）が各バンドの帯域幅Δλ以上であることである。第３の条件は、液晶エタロンでの損失がレーザ発振を起こすことが可能な程度の低損失であることである。
【００１１】
液晶エタロンを往復した透過光の透過率ピークの半値全幅を０．８ｎｍ以下とするには、往路のみで透過率ピークの半値全幅δが１．２ｎｍ以下であることが必要となる。ここで、エタロンの波長分解能を表す指標として、フィネスＦ（＝ＦＳＲ／δ）が用いられ、フィネスＦが大きいほど分解能が高い。
【００１２】
利得媒体として用いられる半導体光増幅素子は、広い波長帯域で利得を有するため、液晶エタロンの透過率ピーク間の波長間隔ＦＳＲがＷＤＭ通信の各バンドの帯域幅程度の場合、所望のバンド以外の不要な波長チャネルのレーザ光も出射されることになるため、ＷＤＭ通信用の波長可変レーザとして使用できない。ＷＤＭ通信の各バンドの波長帯と異なる波長の余分な透過率ピークを出現させないためには、透過率ピーク間の波長間隔ＦＳＲが１００ｎｍ以上で、８０以上の大きなフィネスＦを有する液晶エタロンが必要となる。
【特許文献１】米国特許６，０９１，７４４号公報
【特許文献２】米国特許５，９７０，０７６号公報
【特許文献３】特開平２−２０１９４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、このような従来の液晶エタロンでは、液晶エタロンを構成するミラー間キャビティ内で光損失が存在するため、５０％以上の透過率ピークを維持して８０以上のフィネスＦを達成することはきわめて困難である問題があった。そのため、液晶エタロンを用いたＷＤＭ通信用の波長可変ミラーおよび波長可変レーザを実現することはきわめて困難であった。
【００１４】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことができる波長可変ミラーと、ＷＤＭ通信に用いることができる波長可変レーザとを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
以上の点を考慮して、請求項１に係る発明は、液晶層と、前記液晶層に電圧を印加するための第１の透明電極および第２の透明電極と、所定の波長の光を反射する第１の高反射ミラーおよび第２の高反射ミラーとを有し、所定の波長の光を透過させる液晶エタロンと、所定の波長の光を反射する第３の高反射ミラーとを備え、前記第１の高反射ミラーの反射面と前記第２の高反射ミラーの反射面とが互いに平行であり、前記第３の高反射ミラーの反射面が前記第１の高反射ミラーの反射面および前記第２の高反射ミラーの反射面に対して傾斜し、前記第１の高反射ミラーと前記第２の高反射ミラーと前記第３の高反射ミラーのうちの少なくとも一つは、入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域での反射率が、前記入射光の波長帯域のうちの他の波長帯域での反射率に比して高い分光反射率を有する構成をなしている。
【００１６】
この構成により、入射光が液晶エタロンを往復透過することにより、透過率ピークの半値全幅を狭帯域化できると共に、３枚の高反射ミラーを組み合わせて不必要な透過率ピークで透過する光を除去し実効的にＦＳＲが拡張できるため、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことが可能な波長可変ミラーを実現できる。
【００１７】
また、請求項２に係る発明は、請求項１において、前記第１の高反射ミラーと前記第２の高反射ミラーが、前記入射光の全波長帯域で光を反射し、前記第３の高反射ミラーは、前記入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域での反射率が、前記入射光の波長帯域のうちの他の波長帯域での反射率に比して高い分光反射率を有する構成をなしている。
【００１８】
この構成により、請求項１の効果に加え、第３の高反射ミラーに反射波長帯と透過波長帯とからなる分光特性を持たせ、第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーが入射光の全波長帯域で光を反射させるようにできるため、第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーとの分光特性を単純化することが可能で、特性が安定した波長可変ミラーを実現できる。
【００１９】
また、請求項３に係る発明は、請求項１において、前記第１の高反射ミラーは、前記入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域での反射率が、前記入射光の波長帯域のうちの他の波長帯域での反射率に比して高い分光反射率を有し、前記第２の高反射ミラーは、前記入射光の波長帯域のうちの所定の一部の波長帯域での反射率が、前記入射光の波長帯域のうちの他の波長帯域での反射率に比して高い分光反射率を有し、前記第３の高反射ミラーは、前記入射光の全波長帯域の光を反射する構成を有している。
【００２０】
この構成により、請求項１の効果に加え、第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーはそれぞれ別個の分光反射率持たせられるため、第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーとを組み合わせて波長選択を行う波長帯域を決定することが可能な波長可変ミラーを実現できる。
【００２１】
また、請求項４に係る発明は、請求項１から３までのいずれか１項において、前記液晶エタロンは、前記液晶層の液晶を配向させるための第１の配向膜および第２の配向膜を有し、前記第１の高反射ミラーと前記第２の高反射ミラーのうちの少なくとも一方の高反射ミラーは、前記第１または／および第２の配向膜に面する側に、前記液晶の屈折率と同一または近い屈折率を有してフレネル反射を抑制する透明膜が形成されている構成を有している。
【００２２】
この構成により、請求項１から３までのいずれか１項の効果に加え、透明膜が液晶の屈折率と同一または近い屈折率を有するため、液晶層界面でのフレネル反射を抑制することが可能な波長可変ミラーを実現できる。さらに、液晶エタロンのミラー間キャビティの光路長を一定としたまま、液晶層の層厚を薄くできるため、温度変化に伴う液晶層の光路長変動に起因する透過率ピークの波長変動を低減できる。
【００２３】
また、請求項５に係る発明は、２つの反射面を有する共振器と、光増幅を行う利得媒体とを備え、前記共振器は、請求項１から４までのいずれか１項に記載の波長可変ミラーを有し、前記共振器が有する２つの前記反射面のうち少なくとも１つの前記反射面が、前記波長可変ミラーが有する第３の高反射ミラーの反射面で構成され、前記第１の透明電極と前記第２の透明電極との間に印加する電圧に応じて選択的に出射光の波長を制御する構成を有している。
【００２４】
この構成により、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出せる波長可変ミラーを用いて波長選択を行うことによって、広い波長帯域を有するレーザ発振光からＷＤＭ通信に用いる所望の波長チャネルの光を選択的かつ可変に取り出して出射できるため、ＷＤＭ通信に用いることができる波長可変レーザを実現できる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、入射光が液晶エタロンを往復透過することにより透過率ピークの半値全幅を狭帯域化できると共に、３枚の高反射ミラーを組み合わせて不必要な波長帯の透過率ピークで透過する光を除去し実効的にＦＳＲが拡張できるため、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことが可能な波長可変ミラーと、係る波長可変ミラーを用いることによってＷＤＭ通信に用いることができる波長可変レーザとを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変ミラーの一構成例を示した断面図である。図１において、波長可変ミラー１００は、基板１、２、透明電極３、４、高反射ミラー５、６、１０、配向膜７、８、液晶層９、シール１１、透明誘電体層１２、および、反射防止膜１３を備え、第１の基板１上に、第１の透明電極３、第１の高反射ミラー５、透明誘電体層１２、第１の配向膜７、液晶層９、第２の配向膜８、第２の高反射ミラー６、第２の透明電極４、第２の基板２、および、第３の高反射ミラー１０が、この順番で重ねて配置された構成を有する。
【００２８】
ここで、基板１、２は、例えば、透明なガラス等からなり、第１の基板１と空気とが接する面上には反射防止膜１３が形成されている。また、第２の基板２は、第３の高反射ミラー１０が形成される面が第２の透明電極４が形成される面に対して１〜８°程度の傾斜角θで傾斜したウェッジ基板の形状となっている。
【００２９】
なお、図１に示す構成では、屈折率がｎｓで膜厚がｄsの透明誘電体層１２が、第１の高反射ミラー５と第１の配向膜７との間に設けられている例が示されているが、透明誘電体層１２を設ける位置は、第２の高反射ミラー６と第２の配向膜８との間に設けるのでも、第１の高反射ミラー５と第１の配向膜７との間、および、第２の高反射ミラー６と第２の配向膜８との間の両方に設けるのでもよい。
【００３０】
ただし、いずれの場合でも、透明誘電体層１２の光路長（複数箇所に分けて透明誘電体層１２を設ける場合は、合計の光路長。）は、予め決められた値（屈折率ｎｓ×膜厚ｄs）になっているものとする。以下、透明誘電体層１２は、図１に示すように、第１の高反射ミラー５と第１の配向膜７との間に設けられているものとして説明する。
【００３１】
以下に、波長可変ミラー１００の作成方法について説明する。まず、第１の基板１の、反射防止膜１３が形成された面と対向する面に、第１の透明電極３、第１の高反射ミラー５、透明誘電体層１２、および、第１の配向膜７をこの順番で形成する。次に、第２の基板２の、第３の高反射ミラー１０が形成された面と対向する面に、第２の透明電極４、第２の高反射ミラー６、および、第２の配向膜８をこの順番で形成する。
【００３２】
ここで、第２の基板２は、第２の透明電極４が形成される面と第３の高反射ミラー１０が形成される面とが、１〜８°程度の傾斜角θをなすように、予め傾斜加工されているものとする。図２は、上記で説明したように作製した波長可変ミラー１００を図１に示すＺ軸方向から見たときの図である。図２に示すように、透明電極３、４は、不図示の外部の電源に接続するための領域を有し、この領域上には、高反射ミラー５、６、および、透明誘電体層１２が形成されていないものとする。さらに、配向膜７、８は、液晶分子を配向させる領域に設けられているものとする。
【００３３】
次に、第１の配向膜７および第２の配向膜８を形成した後、第１の基板１側の透明誘電体層１２上に、ギャップ制御材が混入された不図示の接着剤を印刷でパターニングしてシール１１を形成し、第２の基板２側の第２の高反射ミラー６とシール１１とが接触するように重ねあわせ、圧着して液晶を保持させるための空セルを作製する。
【００３４】
ここで、シール１１の厚さは、セルに保持される液晶の厚さがｄＬＣとなる厚さとなっている。上記で空セルが作製されした後、シール１１の一部に設けられた不図示の注入口から、常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ（ただし、ｎｏ≠ｎｅ）を有する液晶を注入する。注入が完了したら、この注入口を封止して液晶層９をセルを密閉する。
【００３５】
なお、第２の透明電極４、第２の高反射ミラー６、および、第２の配向膜８が上記のように片面に形成された平行平面基板と、第３の高反射ミラー１０が片面に形成されたウェッジ基板とを別々に作製し、両基板を透明接着材を用いて接着固定して第２の基板２としてもよい。
【００３６】
ここで、配向膜７、８は、液晶層９の液晶分子の配向が一方向に揃うように配向処理されている。配向膜７、８として、ポリイミドなどの配向材を基板に塗布しその表面をラビングにより配向処理した配向膜、ＳｉＯ膜などの無機膜を基板面に対して斜め蒸着した配向膜、または、有機物を基板に塗布した後紫外線などを照射することにより配向能を発現させる光配向膜などを用いるのでもよい。
【００３７】
液晶層９は、配向膜７、８によって配向膜界面における液晶分子の配向が一方向に揃い、第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に印加される矩形波の交流電圧により、液晶層９の液晶分子の配向が変化し、液晶層９の実質的な屈折率が変化する。その結果、印加電圧の大きさに応じて液晶層９の光路長が変化する。ここで、液晶層９の実質的な屈折率とは、入射光の偏光方向に対する液晶層の平均屈折率を意味し、液晶層の光路長を液晶層厚ｄＬＣで割った値をいう。
【００３８】
一般に、液晶は誘電率異方性を有し、液晶分子の長軸方向の比誘電率ε//と液晶分子の短軸方向の比誘電率ε⊥とが異なる。誘電率異方性△ε（＝ε//−ε⊥）が正の場合、電圧が印加されていない状態で基板面に平行な方向（例えば、図１に示すＸ軸方向等）に分子配向させたホモジニアス配向液晶は、電圧印加に伴い液晶分子の配向がＺ軸方向に変化し、Ｘ軸方向の偏波面の直線偏光である異常光偏光の入射光に対して、液晶層９の実質的な屈折率がｎｅからｎｏまで変化する。
【００３９】
一方、誘電率異方性△εが負の場合、電圧が印加されていない状態で基板面に垂直な方向（図１に示すＺ軸方向）に分子配向させた垂直配向液晶は、電圧印加に伴い液晶分子の配向が、基板面に平行な方向（例えば、図１に示すＸ軸方向等）に変化し、液晶層９の実質的な屈折率がｎｏからｎｅまで変化する。ここで、液晶層９は、印加電圧に応じて実質的に屈折率変化が生じる材料で構成されていればよく、ネマティック液晶、スメクティック液晶等の液晶の他に、液晶モノマーを高分子化した高分子液晶や、ＬｉＮｂＯ３等の電気光学結晶等を用いて形成されるのでもよい。
【００４０】
透明誘電体層１２としては、透明誘電体層１２と液晶層９との界面におけるフレネル反射を抑制するため、透明誘電体層１２の屈折率ｎｓが液晶層９の屈折率に略等しくなるよう、屈折率ｎｓがｎｏからｎｅまでの間のいずれかの値をとる透明誘電体層１２を用いる。透明誘電体層１２用の材料としては、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂、感光性樹脂等の有機材料を用いるのでも、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯｘＮｙ（但し、ｘ，ｙはＯとＮの元素比率を示す）等の無機材料を用いるのでもよい。また、高分子液晶等の複屈折材料を用いるのでもよい。
【００４１】
透明電極３、４としては、ＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＳｎＯ２（酸化スズ）等のＷＤＭ通信の使用波長域で光吸収の少ない透明導電膜を用い、透明導電膜を例えば５ｎｍから２０ｎｍ程度の範囲内の膜厚となるように極力薄く成膜するのが、光吸収損失を低減できて好適である。
【００４２】
高反射ミラー５、６、１０は、いずれも、以下の使用波長域で光吸収の低い高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層した光学多層膜からなるものとする。ここで、高屈折率誘電体としては、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、ＨｆＯ２、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｓｉ、Ｇｅ等が用いられ、低屈折率誘電体としては、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６等が用いられる。いずれの誘電体の膜も、真空蒸着法やスパッタ法等の一般的な成膜方法で形成できる。
【００４３】
第１の高反射ミラー５と第２の高反射ミラー６は、間隔Ｇおいて互いに平行になるように配置される。液晶エタロン２０の分光特性は、第１の高反射ミラー５の反射率Ｒ１と第２の高反射ミラー６の反射率Ｒ２、第１の高反射ミラー５と第２の高反射ミラー６との間のキャビティ（以下、ミラー間キャビティという。）の光路長Ｌ、および光吸収係数αによって決定される。ここで、光吸収係数αは、ミラー間キャビティ内を占める材料に起因する光吸収以外に、界面反射や光散乱による光損失をも含む係数である。
【００４４】
第１の高反射ミラー５と第２の高反射ミラー６とは、同一の構成の誘電体多層膜からなり、ＩＴＵグリッドで規定されるＷＤＭ通信用の波長帯（すなわち、上記のＬバンド、ＣバンドおよびＳバンド）において、光吸収が無視できると共に、反射率Ｒ１と反射率Ｒ２とがほぼ同じ値で波長依存性のほとんど無い一定の反射率とみなせるものとする。以下、ＷＤＭ通信用の波長帯における反射率Ｒ１と反射率Ｒ２とは等しいものとし、その値をＲとする。
【００４５】
このとき、波長λの入射光に対する液晶エタロン２０の透過率Ｔ（λ）は、以下の式（１）によって表される。
Ｔ（λ）＝（１−Ｒ）２×Ｅ／｛（１−Ｒ×Ｅ）２＋４×Ｒ×Ｅ×Ｓ｝        （１）
ここで、
Ｅ＝ｅｘｐ（−α×Ｇ）                                         （２）
Ｓ＝ｓｉｎ２（２π×Ｌ／λ）                                    （３）
である。
【００４６】
液晶エタロン２０の透過率ピークを与える波長λｍは、上記の式（１）中のＳ（式（３）参照。）がゼロになる点として与えられ、以下の式（４）によって表される。
λｍ＝２×Ｌ／ｍ                                                        （４）
ここで、ｍは自然数である。
【００４７】
ミラー間キャビティの光路長Ｌは、第１の配向膜７と第２の配向膜８の膜厚が液晶層９および透明誘電体層１２に比して充分薄いため、実質的に透明誘電体層１２の光路長と液晶層９の光路長との和とみなすことができる。液晶層９に電圧ＶＬＣを印加したときの液晶層９の実質的な屈折率をｎ（ＶＬＣ）とすると、ミラー間キャビティの光路長Ｌは、以下の式（５）によって表される。
Ｌ＝ｎ（ＶＬＣ）×ｄＬＣ＋ｎｓ×ｄｓ＝Ｎ（Ｖ）×Ｇ                          （５）
ここで、Ｖは第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に外部の交流電源より印加される交流電圧の実効値で、Ｎ（Ｖ）は間隔Ｇのミラー間キャビティの平均屈折率を示す。
【００４８】
液晶エタロン２０の透過率ピーク間の波長間隔ＦＳＲ（以下、単に透過率ピーク間隔という。）およびフィネスＦ（＝ＦＳＲ／δ）は、以下の式（６）および式（７）によって表される。
ＦＳＲ＝λ２／（２×Ｌ）                                                  （６）
Ｆ＝π×（Ｒ×Ｅ）０．５ ／（１−Ｒ×Ｅ）                                （７）
ここで、Ｅは上記の式（２）で表される。
【００４９】
したがって、透過率ピークの半値全幅δ（＝ＦＳＲ／Ｆ）は、以下の式（８）によって表される。
δ＝λ２×（１−Ｒ×Ｅ）／｛２π×Ｌ×（Ｒ×Ｅ）０．５｝                    （８）
ここで、Ｅは上記の式（２）で表される。
【００５０】
また、波長λｍの透過率ピークにおける透過率の最大値である最大透過率Ｔｍａｘは、以下の式（９）によって表される。
Ｔｍａｘ＝（１−Ｒ）２×Ｅ／（１−Ｒ×Ｅ）２                              （９）
ここで、ＷＤＭ通信の使用波長チャネルの半値全幅は、約０．８ｎｍ（１００ＧＨｚ）である。また、ＷＤＭ通信のＬバンド、ＣバンドおよびＳバンドには、それぞれ、１５６９．８０ｎｍから１６１１．７９ｎｍまでの波長帯（帯域幅Δλ＝４１．９９ｎｍ）、１５２９．７５ｎｍから１５６９．５９ｎｍまでの波長帯（帯域幅Δλ＝３９．８４ｎｍ）、および１４９１．６９ｎｍから１５２９．５５ｎｍまでの波長帯（帯域幅Δλ＝３７．８６ｎｍ）が割り当てられ、各バンドはそれぞれ５０の波長チャネルを有する。
【００５１】
各バンドの波長帯で利用可能な波長可変レーザを得るためには、液晶エタロンを往復する透過光についての透過率ピークの半値全幅が０．８ｎｍ以下で、かつ、各バンドの帯域幅Δλ以上の透過率ピーク間隔を有する液晶エタロンが必要となる。液晶エタロンを往復する透過光の透過率ピークの半値全幅を０．８ｎｍ以下とするには、往路のみで透過率ピークの半値全幅δが１．２ｎｍ以下であることが必要となる。
【００５２】
ここで、上記の式（８）に基づいて、ＩＴＵグリッドで規定されるＷＤＭ通信の各バンド（以下、ＷＤＭ通信の各バンドをＷＤＭバンドという。）の波長帯で透過率ピークの半値全幅δを１．２ｎｍ以下とするためには、キャビティ内の光損失を低減すると共に、光路長Ｌを長く、反射率Ｒを高くする必要があることがわかる。また、上記の式（６）に基づいて、光路長Ｌを長くすると透過率ピーク間隔ＦＳＲが減少し複数の波長で透過率ピークが生じることがわかる。
【００５３】
そのため、ＷＤＭバンドの波長帯で単一の透過率ピークが発生するように、透過率ピーク間隔ＦＳＲがＷＤＭバンドの帯域幅△λ以上になるように光路長Ｌを設定する。ＷＤＭバンドの帯域幅△λは最大４２ｎｍ程度であるため、透過率ピーク間隔ＦＳＲを４２ｎｍとすると、光吸収係数αがゼロのときの液晶エタロン２０のフィネスＦ（＝ＦＳＲ／δ）は、３５以上となる必要がある。
【００５４】
透過率ピークの半値全幅δが１．２ｎｍ以下、かつ、透過率ピーク間隔ＦＳＲが４２ｎｍ以上の液晶エタロン２０を得るには、第１の高反射ミラー５と第２の高反射ミラー６の反射率Ｒを９２％以上とする必要がある。上記のように、反射率Ｒを９２％以上の高い値にする必要があるが、反射率Ｒが高いほど光吸収係数αの値が僅かであっても最大透過率Ｔｍａｘが低下するため、反射率Ｒの値が問題となる。
【００５５】
ここで、ＷＤＭ通信の波長帯における反射率Ｒは、９２％以上９５％以下であることが好ましい。反射率Ｒの値をこのようにとると、上記の式（７）に基づいて、フィネスＦが３５から６０程度の液晶エタロン２０とし、ミラー間キャビティ内の光損失を０．５％以下に抑制することによって、８０％以上の最大透過率Ｔｍａｘが得られる。
【００５６】
なお、透過率ピークの半値全幅δが１．２ｎｍで、フィネスＦが３５から６０までの間のいずれかの値のとき、透過率ピーク間隔ＦＳＲは４２ｎｍから７２ｎｍまでの間のいずれかの値をとる。透過率ピーク間隔ＦＳＲを４２ｎｍから７２ｎｍまでの範囲内にするには、上記の式（６）に基づいて、ミラー間キャビティの光路長Ｌを１５μｍから３０μｍ程度までの範囲内にすればよい。
【００５７】
ここで、液晶エタロン２０の透過波長をＷＤＭバンドの各波長帯の全波長域で変えられるようにするために必要な光路長Ｌの変化量は、上記の式（５）に基づいて決定される。すなわち、液晶層９の実質的な屈折率ｎ（ＶＬＣ）は、第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に印加する電圧Ｖにより変化し、この変化は、等価的にミラー間キャビティ内の媒質の平均屈折率Ｎ（Ｖ）の変化として表される。ＷＤＭバンドの波長帯で透過率ピーク間隔ＦＳＲ（＝４２ｎｍ）程度にわたって、透過ピークの波長λｍを変化させるのに必要な平均屈折率Ｎ（Ｖ）の変化割合は、ＦＳＲ／λｍに相当し、僅か３％程度である。
【００５８】
液晶層９は固体材料に比して屈折率の温度変化および体積熱膨張率が大きいため、ミラー間キャビティを液晶層９のみで構成した場合、透過率ピークの波長λｍが温度変化に伴い変動しやすい。また、液晶の複屈折量△ｎ（＝ｎｅ―ｎｏ）は０．１から０．３程度であり、１０Ｖ以下の印加電圧で液晶の平均屈折率（ｎｅ＋ｎｏ）／２の１０％前後の大きな屈折率変化割合で屈折率が変化する。したがって、図１に示すように、ミラー間キャビティ内の媒質を液晶層９と透明誘電体層１２とで構成し、平均屈折率Ｎ（Ｖ）の屈折率変化割合が３％程度となるように液晶層９を薄くすることが好ましい。その結果、透過率ピークの波長λｍの温度変化も減少する。
【００５９】
また、液晶層９と透明誘電体層１２との界面でのフレネル反射を低減するため、透明誘電体層１２の屈折率ｎｓを液晶層９に電圧を印加しないときの屈折率と略等しくすることが好ましい。このとき、平均屈折率Ｎ（Ｖ）の屈折率変化割合を３％程度とするためには、液晶層９の層厚ｄＬＣをキャビティ間隔Ｇの１／２から１／４程度とすればよい。
【００６０】
第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に印加する電圧Ｖのうち、液晶層９に印加される電圧ＶＬＣは、透明誘電体層１２の比誘電率εｓと液晶の比誘電率εＬＣを用いて、以下の式（１０）によって表される。
ＶＬＣ／Ｖ＝εｓ／（εｓ＋εＬＣ）                                      （１０）
したがって、透明誘電体層１２の比誘電率εｓが大きいほど液晶層９に有効に電圧が印加されるため、低い電圧で大きな屈折率変化（すなわち、透過率ピークの波長変化）を得ようとする場合は、比誘電率εｓの大きな透明誘電体層１２を用いるのが好ましい。一方、印加電圧Ｖに対する透過率ピークの波長変化を緩やかにして波長制御性を向上させるには、比誘電率εｓの比較的小さな透明誘電体層１２を用いるのが好ましい。
【００６１】
上記の液晶エタロン２０を波長可変フィルタとして用いる場合、ＷＤＭバンドの波長帯以外にも透過率ピーク間隔ＦＳＲの波長間隔で透過率ピークが発生するため、上記の液晶エタロン２０をそのままＷＤＭ通信用の波長選択素子として用いることはできない。特に、半導体光増幅素子を利得媒体として用いる波長可変レーザにおいて、レーザ共振器内に液晶エタロン２０を配置した場合、半導体光増幅素子は１００ｎｍ程度の広い波長幅で利得を有するため、所望のＷＤＭバンドの波長帯内の波長チャネルの発振光以外に波長帯外の波長の発振光も発生してしまい、ＷＤＭ通信用の波長可変レーザとしては使用できない。
【００６２】
そのため、波長可変ミラー１００は、このような所望のＷＤＭバンドの波長帯外の波長の発振光を生成させないように、第３の高反射ミラー１０に以下の光学特性を持たせている。すなわち、第３の高反射ミラー１０は、ＷＤＭバンドの波長帯内の波長に対しては反射率が発振閾値条件を満たすように高い反射率ＲＨをとり、それ以外の波長域では発振閾値条件を満たさない程度の低い反射率ＲＬをとる分光反射率を有する。係る分光反射率は、第３の高反射ミラー１０を光学多層膜ミラーとすることによって実現されている。
【００６３】
その結果、波長可変ミラー１００は、液晶エタロン２０を透過した光を第３の高反射ミラー１０で反射させ、再び液晶エタロン２０を透過させる構成を有し、所望のＷＤＭバンドの波長帯内で印加電圧Ｖに応じて反射率ピークの波長を変化させ、かつ、この反射率ピークの半値全幅を狭くできるようになる。また、このように構成された波長可変ミラー１００は、所望のＷＤＭバンドの波長帯以外の波長光をほとんど反射しないものとなる。ここで、液晶エタロン２０の往路透過光の透過率ピークの半値全幅δが１．２ｎｍ程度でも、往復透過することにより透過率ピークの半値全幅はδ／√２＝０．８ｎｍ程度に狭帯域化され、ＩＴＵグリッドで規定されるＷＤＭ通信の使用波長チャネルの半値全幅１００ＧＨｚ程度となる。
【００６４】
第１の高反射ミラー５の反射面および第２の高反射ミラー６の反射面と、第３の高反射ミラー１０の反射面とは、傾斜角θを成すため、液晶エタロン２０の第１の高反射ミラー５の反射面および第２の高反射ミラー６の反射面で反射された光と、第３の高反射ミラー１０で反射された光の進行方向は異なる。図３に、第３の高反射ミラー１０の反射面に対して垂直入射となるように波長可変ミラー１００に平行光を入射させたときに、第３の高反射ミラー１０で反射されて入射光と同じ光路を経て波長可変ミラー１００から出射する光線を実線で、液晶エタロン２０の第１の高反射ミラー５の反射面および第２の高反射ミラー６の反射面等で反射されて波長可変ミラー１００から出射する光線を破線で示す。
【００６５】
第１の高反射ミラー５と第３の高反射ミラー１０とによる多重反射光、および、第２の高反射ミラー６と第３の高反射ミラー１０とによる多重反射光も同様に、第３の高反射ミラー１０で反射された光とは、進行方向が異なる。したがって、第３の高反射ミラー１０に垂直に入射し、入射光と同じ光路に反射された光のみを分離して取り出すことができ、波長選択ができる波長可変ミラーの機能が実現できる。
【００６６】
第１の高反射ミラー５および第２の高反射ミラー６は、高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを、それぞれの光学膜厚がＷＤＭバンドの波長帯の中心波長λ０に対してλ０／４程度となるように交互に積層したものとして構成され、広い波長帯域で反射率Ｒが９２％以上９５％以下の分光特性を有するものである。
【００６７】
一方、第３の高反射ミラー１０は、ＷＤＭバンドの帯域幅Δλにわたり高い反射率ＲＨを有し、このＷＤＭバンドの周辺波長域で光を透過させる低い反射率ＲＬを有する分光特性とする。例えば、Ｍを３以上の奇数とし、高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とをそれぞれの光学膜厚が、Ｍ×λ０／４程度となるように高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層することにより、所望の分光反射率が得られる。
【００６８】
高屈折率誘電体膜の屈折率、低屈折率誘電体膜の屈折率、反射率ＲＨの波長帯域（以下、反射波長帯という。）の帯域幅、および、反射波長帯における反射率ＲＨに応じて、Ｍの適した値および多層膜の層数が定まる。なお、以下では、反射率がＲＬの波長帯域を透過波長帯という。
【００６９】
半導体光増幅素子を利得媒体とする波長可変レーザでは、第３の高反射ミラー１０を共振器用ミラーとして用いて、ＷＤＭバンドの波長帯内の波長チャネルの発振光のみを得るためには、第３の高反射ミラー１０の反射波長帯の反射率ＲＨが８０％以上で、透過波長帯の反射率ＲＬが２０％程度以下となるようにすることが好ましい。なお、第３の高反射ミラー１０は、反射波長帯と透過波長帯の境界域の１０ｎｍ程度の波長幅で反射率が急激に変化する分光特性となっている。また、反射率ＲＨを９５％以下とすることにより、第３の高反射ミラー１０から光を取り出し光量を検出し、利得媒体の利得制御に利用できる。
【００７０】
以下に、本発明の波長可変ミラー１００の作用について説明する。図４は、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変ミラー１００を構成する液晶エタロン２０の光学特性を説明するための図である。図４（Ａ）は、波長可変ミラー１００を構成する液晶エタロン２０の分光透過率の一例を示す図である。また、図４（Ｂ）は、波長可変ミラー１００を構成する第３の高反射ミラー１０の分光反射率の一例を示す図である。さらに、図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す分光透過率と、図４（Ｂ）に示す分光反射率と、図４（Ａ）に示す分光透過率との積に相当する、波長可変ミラー１００の分光反射率を示す図である。
【００７１】
図４（Ａ）に示すように、液晶エタロン２０単独では、透過率ピーク間隔ＦＳＲの波長間隔で透過率ピークが発生し単一の透過光を選択することはできない。しかし、図４（Ｂ）に示す分光反射率を有する第３の高反射ミラー１０と、図４（Ａ）に示す分光透過率を有する液晶エタロン２０とを一体化して、波長可変ミラー１００とすることにより、図４（Ｃ）に示す分光反射率を有することとなる。すなわち、図４（Ｃ）に示すように、反射率ピークが存在する波長域は、ＷＤＭバンドの帯域幅△λに相当する波長λＬから波長λＨまでの領域に限定される。
【００７２】
また、光が液晶エタロン２０中を往復することにより、反射率ピークの半値全幅がδ／√２に狭められ、大幅な波長分解能の向上となる。また、波長可変ミラー１００としての光損失は、液晶エタロン２０のフィネスＦが３５から６０程度と比較的小さなため、キャビティ内に光損失が残留しても抑制できる。さらに、第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に印加する電圧に応じて、反射率ピークの波長をλＬからλＨ程度までの範囲で変化させることができる。
【００７３】
なお、本発明の第１の実施の形態では、波長可変ミラー１００を構成する３つの高反射ミラー５、６、１０のうち、第３の高反射ミラー１０が、ＷＤＭバンドの帯域幅Δλの特定の波長域の光を反射し、この反射波長帯の周辺の波長域の光を透過する分光特性を有する構成としたが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、他の構成でもよい。
【００７４】
すなわち、以下の第１の他の構成でもよい。第１の他の構成では、第１の高反射ミラー５と第２の高反射ミラー６のうちのいずれか一方が、ＷＤＭバンドの帯域幅Δλ（４２ｎｍ程度）の波長域において、反射率ＲＨが９２％以上９５％以下で、かつ、この周辺の波長域では反射率ＲＬが２０％程度以下の分光特性を有する。一方、第３の高反射ミラー１０は、その反射率ＲＨが少なくともＷＤＭバンドの帯域幅Δλ（４２ｎｍ程度）の波長域において８０％から９５％程度であればよく、その周辺の波長域での反射率に制約はない。
【００７５】
上記の第１の他の構成を有する波長可変ミラーでは、ＷＤＭバンドの波長帯の外の波長域の入射光は、液晶エタロン２０の第１の高反射ミラー５または第２の高反射ミラー６により大半が反射され、第３の高反射ミラー１０にほとんど到達しない。その結果、所望の波長チャネルの光を選択できる波長可変ミラーが得られる。
【００７６】
また、第２の他の構成として、例えばＣバンドの波長帯の波長チャネルを選択するために、第１の高反射ミラー５と第２の高反射ミラー６とを以下のようにするのでもよい。すなわち、第１の高反射ミラー５の分光特性を、Ｃバンドの波長帯を含みＣバンドより長波長側の帯域（帯域幅Δλが例えば４２ｎｍ程度またはこれ以上とする。以下、第１の長波長帯域という。）での反射率ＲＨが９２％以上９５％以下で、Ｃバンドより短波長側の帯域（以下、第１の短波長帯域という。）での反射率ＲＬが２０％程度以下とする。これによって、上記の第１の長波長帯域では反射波長帯が得られ、上記の第１の短波長帯域では透過波長帯が得られる。
【００７７】
そして、第２の高反射ミラー６の分光特性を、Ｃバンドの波長帯を含みＣバンドより短波長側の帯域（帯域幅Δλが例えば４２ｎｍ程度またはこれ以上とする。以下、第２の短波長帯域という。）での反射率ＲＨが９２％以上で９５％以下で、Ｃバンドより長波長側の帯域（以下、第２の長波長帯域という。）での反射率ＲＬが２０％程度以下とする。
【００７８】
これによって、上記の第２の短波長帯域では反射波長帯が得られ、上記の第２の長波長帯域では透過波長帯が得られる。この場合も、第３の高反射ミラー１０は、その反射率ＲＨが少なくともＣバンドの波長帯の帯域幅（４２ｎｍ程度）の波長域において８０％から９５％程度であればよく、その周辺の波長域での反射率に制約はない。
【００７９】
上記の第２の他の構成を有する波長可変ミラーでも、ＷＤＭバンドの波長帯の外の波長域の入射光は、液晶エタロン２０の第１の高反射ミラー５または第２の高反射ミラー６により大半が反射され、第３の高反射ミラー１０にほとんど到達しない。その結果、所望の波長の光を選択できる波長可変ミラーが得られる。
【００８０】
以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変ミラーは、入射光が液晶エタロンを往復透過することにより、透過率ピークの半値全幅を狭帯域化できると共に、３枚の高反射ミラーを組み合わせて不必要な透過率ピークで透過する光を除去し実効的にＦＳＲが拡張できるため、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことができる。
【００８１】
また、第３の高反射ミラーに反射波長帯と透過波長帯とからなる分光特性を持たせ、第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーが入射光の全波長帯域で光を反射させるようにできるため、第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーとの分光特性を単純化できる。
【００８２】
また、第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーはそれぞれ別個の分光反射率持たせられるため、第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーとを組み合わせて波長選択を行う波長帯域を決定できる。
【００８３】
また、透明膜である透明誘電体層が液晶の屈折率と同一または近い屈折率を有するため、液晶層界面でのフレネル反射を抑制できる。さらに、液晶層を薄くできるため、温度変化に対する透過率ピークの変動が減少する。
【００８４】
（第２の実施の形態）
以下では、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変ミラーを用いた波長可変レーザについて説明する。図５は、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザ２００の構成を示す模式図である。本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザ２００は、波長可変ミラー１００と、波長可変ミラー１００を制御するための交流電源１６と、レーザ共振器用の光出力ミラー１４と、光増幅用の利得媒体１５とを備える。
【００８５】
利得媒体１５は、波長可変ミラー１００と光出力ミラー１４との間に設けられ、例えば、半導体光増幅素子によって構成される。光出力ミラー１４は、波長可変域であるＷＤＭバンドの波長帯で、光を部分的に透過させ、部分的に反射する分光特性を有する。ここで、波長可変ミラー１００の第１の高反射ミラー５が利得媒体１５側に面するとともに、第３の高反射ミラー１０と光出力ミラー１４とによってレーザ共振器が構成されるように、これらの反射面を略平行に配置する。また、交流電源１６は、矩形波形の交流電圧を発生し、発生した交流電圧が波長可変ミラー１００の第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に印加されるようになっている。
【００８６】
なお、必要に応じて、レーザ発振波長をモニタするために、利得媒体１５と波長可変ミラー１００との間に不図示のファブリペロ−エタロンフィルタを配置してもよい。また、利得媒体１５として半導体光増幅素子を用いるとき、半導体光増幅素子との結合効率を所定値以上に確保するため、集光レンズ等をレーザ共振器内に配置してもよい。さらに、利得媒体１５の光出力ミラー１４側の面を、光出力ミラー１４の反射面と同様の反射を起こさせる面とし、光出射ミラー１４を省いて波長可変レーザ２００を小型化してもよい。
【００８７】
以下、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザ２００の作用について説明する。図６は、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザ２００の光学特性を説明するための図である。図６（Ａ）は、波長可変レーザ２００を構成する利得媒体１５で得られる利得の波長依存性の一例を示す図である。また、図６（Ｂ）は、波長可変ミラー１００の分光反射率を示す図である。さらに、図６（Ｃ）は、波長可変レーザ２００のレーザ出射光の分光スペクトルを示す図である。利得媒体はＷＤＭバンドの波長帯である波長λＬから波長λＨの領域を含む広い波長帯域で発振閾値より高い利得を有する。
【００８８】
波長可変ミラー１００を波長可変レーザ２００の共振器用のミラーとして用いることにより、波長λＬからλＨの領域に限定して発振閾値を超える利得が得られるようにできる。その結果、波長可変レーザ２００は、所望のＷＤＭバンドの波長帯の波長のみのレーザ光を出射することとなる。ここで、波長可変ミラー１００を構成する第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に交流電源１６が発生した交流電圧を印加し、その印加電圧を調整することにより、図６（Ｂ）に示す透過率ピークの波長が変化するため、レーザ出射光の波長を波長λＬから波長λＨまでの範囲内で変化させることができる。
【００８９】
このように、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザ２００では、従来の波長可変レーザに比して、可動部のない波長可変ミラー１００を共振器用のミラーとして用いるため、小型・軽量化が図れるとともに、安定した動作と高い信頼性が得られる。また、波長可変ミラー１００に用いられる液晶は、比較的低電圧で駆動し、電流がほとんど流れないため低消費電力で動作できる。
【００９０】
以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザは、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出せる波長可変ミラーを用いて波長選択を行うことによって、広い波長帯域を有するレーザ発振光からＷＤＭ通信に用いる所望の波長チャネルの光を選択的かつ可変に取り出して出射できるため、ＷＤＭ通信に用いることができる。
【００９１】
以下、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変ミラー１００および本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザ２００の具体的な実施例について、図面を用いて説明する。
【実施例】
【００９２】
「例１」
本実施例１では、第２の基板２を、平行平面基板と傾斜角θが３°のウェッジ基板とで構成した。そして、第３の高反射ミラー１０を液晶エタロン２０とは別個に作製し、第３の高反射ミラー１０と液晶エタロン２０とを作製した後に、これらを光学接着材を用いて接着して一体化し、波長可変ミラー１００とする。以下、第２の基板２を構成する平行平面基板を第２の平行平面基板といい、第２の基板２を構成するウェッジ基板を第２のウェッジ基板という。
【００９３】
まず、第１の基板１および第２の平行平面基板として平行平板の石英を用い、第１の基板１および第２の平行平面基板の片面に膜厚１０ｎｍのＩＴＯ膜を成膜し、第１の透明電極３および第２の透明電極４とする。さらに、第１の基板１の他方の面に反射防止膜１３を形成する。
【００９４】
次に、第１の基板１および第２の平行平面基板における透明電極３、４が形成された面に、波長λ０が１５５０ｎｍで、屈折率が２．１０のＴａ２Ｏ５と、屈折率が１．４５のＳｉＯ２とを交互に真空蒸着法により成膜して光学多層膜を形成し、第１の高反射ミラー５および第２の高反射ミラー６とする。ここで、電源を印加するための透明電極３、４の一部の領域には成膜しない（図２参照）。光学多層膜の各膜の光学膜厚をλ０／４程度とすることで、１５００ｎｍから１６００ｎｍの広い波長帯域で反射率が９２．５％程度となる。
【００９５】
次に、第１の基板１の第１の高反射ミラー５が形成された面に、プラズマＣＶＤ法により、屈折率ｎｓが１．６０、非誘電率εｓが５、膜厚ｄｓが１０μｍのＳｉＯｘＮｙ膜を透明誘電体層１２として形成する。
【００９６】
次に、第１の基板１上に形成された透明誘電体層１２の表面および第２の平行平面基板上に形成された第２の高反射ミラー６の表面における光入射有効領域に、ポリイミドを膜厚５ｎｍ程度となるように塗布して硬化させる。ポリイミドの膜が硬化したら、図１に示すＸ軸方向にラビング処理して第１の配向膜７および第２の配向膜８とする。
【００９７】
次に、第２の平行平面基板上に形成された第２の高反射ミラー６の表面に、直径６．１μｍのギャップ制御材が混入された接着材を印刷でパターニングしてシール１１を形成する。シール１１を形成したら、第１の基板１上の透明誘電体層１２の表面とシール１１とが接触するように第１の基板１と第２の平行平面基板とを重ね合わせて圧着し、第２の高反射ミラー６と透明誘電体層１２との間隔ｄＬＣが６．１μｍの空セルを作製する。その結果、第１の高反射ミラー５と第２の高反射ミラー６との間隔Ｇは、１６．１μｍとなる。
【００９８】
その後、液晶を空セルの不図示の注入口から注入し、その注入口を封止して液晶層９を形成し、図１および図２に示す液晶エタロン２０とする。
【００９９】
図７は、本発明の実施例１に係る波長可変ミラー１００を構成する液晶エタロン２０の光学特性を説明するための図である。図７（Ａ）は、上記で説明した方法で作製された液晶エタロン２０の、分光透過率の計算結果示す図である。図７（Ａ）には、第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に交流電源を用いて矩形波の交流電圧Ｖを印加するときの透過率ピークの波長λｍの変化も示されている。図７（Ａ）に示すように、液晶エタロン２０は、透過率ピーク間隔ＦＳＲが約４５ｎｍ、透過率ピークの半値全幅δが１．２ｎｍ程度、最大透過率Ｔｍａｘが約９０％の分光特性を有する。
【０１００】
液晶エタロン２０の最大透過率Ｔｍａｘは、第１の高反射ミラー５、第２の高反射ミラー６、ミラー間キャビティ内の液晶層９等による光損失、第１の透明電極３および第２の透明電極４の光吸収等によって制限される。また、印加電圧Ｖを０Ｖから１７Ｖまで変化させることにより、図７（Ａ）中に記号ａ〜ｅを用いて示すように、透過率ピークの波長λｍが１５７０ｎｍから１５２５ｎｍまで変化する。
【０１０１】
しかし、図７（Ａ）中には、透過率ピーク間隔ＦＳＲの波長間隔で他の透過率ピークも存在する。ここで、記号ａ〜ｅは、それぞれ、印加電圧Ｖを０Ｖ、４Ｖ、８Ｖ、１２Ｖ、１６Ｖとしたときの透過率ピークの位置を示す。また、透過率ピークの波長λｍは、印加電圧Ｖを連続的に変化させることによって連続的に変化する。
【０１０２】
次に、傾斜角θが３°のウェッジ付き石英基板である第２のウェッジ基板の片面に、波長λ０が１５５０ｎｍで、屈折率が２．１０のＴａ２Ｏ５と、屈折率が１．４５のＳｉＯ２とを交互に真空蒸着法により成膜して光学多層膜を形成し、第３の高反射ミラー１０とする。第３の高反射ミラー１０は、ＷＤＭ通信のＣバンドにほぼ対応する１５３０ｎｍから１５６５ｎｍまでの波長域で反射率ＲＨが８０％から９６％となり、この波長域の周辺（１５００ｎｍから１５２０ｎｍまでの波長域および１５７５から１６００ｎｍまでの波長域）で反射率ＲＬが２０％以下となるように各層の膜厚を設計する。ここで、反射率ＲＨを１００％としていないのは、波長可変ミラーの透過光の光量を検知し、レーザ発振状態をモニタするためである。
【０１０３】
具体的には、各層の光学膜厚をλ０／４の奇数倍（７から１５倍程度）の厚膜とすることにより、反射率ＲＨの反射波長帯の狭帯域化と、反射率ＲＬの透過波長帯を有する分光特性が得られる。実際には、反射率ＲＨの反射波長帯および反射率ＲＬの透過波長帯における反射率の波長依存性を平坦化するために、各層の膜厚を調整したり、層間に薄膜層を付加して分光特性を調整する。表１に、２３層膜から成る第３の高反射ミラー１０の多層膜構成の一例を示す。また、図７（Ｂ）に、この第３の高反射ミラー１０の分光反射率の計算結果を示す。
【０１０４】
【表１】
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【０１０５】
次に、液晶エタロン２０の第２の平行平面基板と第３の高反射ミラー１０の第２のウェッジ基板とを光学接着剤を用いて接着固定し、波長可変ミラー１００とする。図７（Ｃ）は、上記のように作製した波長可変ミラー１００に、第３の高反射ミラー１０の反射面に対して垂直入射となるよう平行光が入射され、第３の高反射ミラー１０で反射されて入射光と同じ光路を経て波長可変ミラー１００から出射するときの、分光反射率の計算結果を示す図である。
【０１０６】
図７（Ｃ）に示す分光反射率は、液晶エタロン２０を往路で透過し、第３の高反射ミラー１０で反射され、液晶エタロン２０を復路で透過する光についてのものであるため、図７（Ａ）に示す分光透過率と、図７（Ｂ）に示す分光反射率と、図７（Ａ）に示す分光透過率とを掛け合わせたものに相当する。また、反射率ピークの半値全幅は０．８ｎｍ程度に狭帯域化され、ＩＴＵグリッドで規定されるＷＤＭ通信の使用波長チャネルの半値全幅１００ＧＨｚ相当となる。
【０１０７】
印加電圧Ｖを０Ｖから１７Ｖまで変化させると、図７（Ｃ）に記号ｂ〜ｅを付したピークと包絡線とで示すように、１５２５ｎｍから１５６５ｎｍまでの波長域で、６０％以上の反射率の反射率ピークが得られ、印加電圧の連続な変化に応じて反射率ピークの波長も連続的に変化する。また、１５００ｎｍから１５２０ｎｍまでの波長域および１５７０ｎｍから１６００ｎｍまでの波長域で出現する反射光の反射率ピークは、反射率が２０％以下に抑制されている。
【０１０８】
したがって、１５２５ｎｍから１５６５ｎｍまでの波長域において、反射率ピークの反射率が６０％以上８０％以下で、反射率ピークの半値全幅が０．８ｎｍ程度と狭い分光特性を有し、印加電圧に応じて反射率ピークの波長が変化する波長可変ミラー１００が実現される。
【０１０９】
本発明の実施例１では、波長可変ミラー１００が、分光透過率の印加電圧依存性が図７（Ａ）に示す液晶エタロン２０と、分光反射率が図７（Ｂ）に示す第３の高反射ミラー１０とによって構成される例について説明したが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、他の構成でも電圧依存性を有する種々の分光反射特性を実現できる。いずれの場合も、液晶エタロン２０を単独で用いた場合に透過率ピーク間隔ＦＳＲの間隔で発生する所望のＷＤＭバンドの波長帯外の波長光を、反射率に大きな波長依存性を有する第３の高反射ミラー１０を用いることによって抑制できる。
【０１１０】
「例２」
以下では、図５に示すように、本発明の第１の実施の形態に係る波長可変ミラー１００または本発明の実施例１に係る波長可変ミラー１００を、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザ２００の波長可変ミラーとして搭載した実施例について説明する。
【０１１１】
レーザ共振器用の光出力ミラー１４として、１５００ｎｍから１６００ｎｍまでの波長域で、反射率が１０％前後で大半の光を透過する分光特性を有するものを用いる。また、利得媒体１５として、図６（Ａ）に示すように、１５００ｎｍから１６００ｎｍまでの波長域で高い利得を有する半導体光増幅素子を用いる。
【０１１２】
利得媒体１５としての半導体光増幅素子に電流を注入し注入電流を増加させると、利得媒体１５の利得が増加してレーザ共振器内の光損失と利得媒体１５の利得とによって決まるレーザ発振閾値に達し、レーザ発振が起こり、レーザ発振光が光出力ミラー１４から出射する。レーザ発振閾値は、図７（Ｃ）に示す波長可変ミラー１００の分光反射率に依存し、反射率が６０％のときにレーザ発振するように注入電流を設定しておくと、反射率が６０％以上の波長域ではレーザ発振するが、反射率が６０％未満の波長域ではレーザ発振しない。
【０１１３】
図８は、波長可変ミラー１００を構成する第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に印加する電圧Ｖを変化させたときのレーザ出力光の波長変化の計算値を示す図である。図８に基づいて、ＷＤＭ通信のＣバンドの波長帯に対応する１５２５ｎｍから１５６５ｎｍまでの波長域において、半値全幅１００ＧＨｚ相当の波長幅０．８ｎｍ程度の単一波長のレーザ出力光が得られ、波長可変ミラー１００の印加電圧に応じてレーザ出力光の波長が１５２５ｎｍから１５６５ｎｍまで変化する波長可変レーザ２００が実現できることが示される。
【産業上の利用可能性】
【０１１４】
本発明に係る波長可変ミラーおよび波長可変レーザは、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を選択的かつ可変に取り出すことできるという効果と、ＷＤＭ通信用のレーザ光源として使用できるという効果が有用な波長可変ミラーおよび波長可変レーザ等として利用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る波長可変ミラーの一構成例を示した断面図
【図２】図１に示す波長可変ミラーを図１に示すＺ軸方向から見たときの図。
【図３】第３の高反射ミラーの反射面に対して垂直入射となるように波長可変ミラーに平行光を入射させたときに、各部から反射される光の光路を説明するための図
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る波長可変ミラーを構成する液晶エタロンの光学特性を説明するための図
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザの構成を示す模式図
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザの光学特性を説明するための図
【図７】本発明の実施例１に係る波長可変ミラーを構成する液晶エタロンの光学特性を説明するための図
【図８】波長可変ミラーを構成する第１の透明電極３と第２の透明電極４との間に印加する電圧Ｖを変化させたときのレーザ出力光の波長変化の計算値を示す図
【符号の説明】
【０１１６】
１、２  基板
３、４  透明電極
５、６、１０  高反射ミラー
７、８  配向膜
９  液晶層
１１  シール
１２  透明誘電体層
１３  反射防止膜
１４  光出力ミラー
１５  利得媒体
１６  交流電源
２０  液晶エタロン
１００  波長可変ミラー
２００  波長可変レーザ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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