(57)【要約】【課題】広波長帯域の入射光から所望の波長の光を高速に高フィネスで選択的に取り出すことができる波長可変ミラーを実現して高速の波長可変レーザを実現する。【解決手段】エアギャップを挟んで平行に対向する第１の高反射ミラーおよび第２の高反射ミラーを有し、所定の波長の入射光を透過させるエアエタロンと、  前記エアエタロンを透過した入射光を反射する第３の高反射ミラーと、  前記第１の高反射ミラーまたは前記第２の高反射ミラーを入射光の光軸方向に機械的に駆動する機構とを備えた波長可変ミラーであって、  前記第３の高反射ミラーの反射面が前記入射光の光軸に垂直であり、前記第１の高反射ミラーの反射面および前記第２の高反射ミラーの反射面は前記入射光の光軸に垂直な面に対して傾斜して配置される波長可変ミラーとした。【選択図】図１
2018085416.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアギャップを挟んで平行に対向する第１の高反射ミラーおよび第２の高反射ミラーを有し、所定の波長の入射光を透過させるエアエタロンと、
前記エアエタロンを透過した入射光を反射する第３の高反射ミラーと、
前記第１の高反射ミラーまたは前記第２の高反射ミラーを入射光の光軸方向に機械的に駆動する機構とを備えた波長可変ミラーであって、
前記第３の高反射ミラーの反射面が前記入射光の光軸に垂直であり、前記第１の高反射ミラーの反射面および前記第２の高反射ミラーの反射面は前記入射光の光軸に垂直な面に対して傾斜して配置される
ことを特徴とする波長可変ミラー。
【請求項２】
前記第１から第３の高反射ミラーのうちの少なくとも一つは、前記入射光に対して前記エアエタロンのＦＳＲの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の波長可変ミラー。
【請求項３】
前記駆動する機構は、
電歪効果ないし逆圧電効果を有する強誘電体材料を有し、前記強誘電体材料に電圧を印加して前記入射光の光軸方向に発生する機械的歪みにより、前記エアエタロンの前記エアギャップの間隔を変化させる
ことを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変ミラー。
【請求項４】
前記第１の高反射ミラーは、前記入射光の光軸垂直面に対して傾斜支持された平行平面基板上に設けられ、
前記第２の高反射ミラーは、楔形基板の光入射側の面上に設けられ、
前記第３の高反射ミラーは、前記楔形基板の前記光入射側の面に対向する面に設けられた
ことを特徴とする請求項３に記載の波長可変ミラー。
【請求項５】
前記強誘電体材料はＫＴＮ結晶であり、
前記ＫＴＮ結晶を立方晶に保つように温度制御する温度制御手段をさらに備えた
ことを特徴とする請求項３ないし４のいずれか１項に記載の波長可変ミラー。
【請求項６】
前記第１の高反射ミラーと前記第２の高反射ミラーは、前記入射光の全波長帯域で光を反射する分光反射率特性を有し、
前記第３の高反射ミラーは、前記入射光に対して前記エアエタロンのＦＳＲの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有する
ことを特徴とする請求項２ないし５のいずれか１項に記載の波長可変ミラー。
【請求項７】
平行に対向する２つの反射面を有する共振器と、前記２つの反射面の間の光路上に設けられて光増幅を行う利得媒体とを備え、
前記共振器は、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の波長可変ミラーを有し、前記共振器が有する２つの前記反射面のうち少なくとも１つの前記反射面が、前記波長可変ミラーが有する第３の高反射ミラーの反射面で構成され、印加する電圧に応じて選択的に出射光の波長を制御することを特徴とする波長可変レーザ。
【請求項８】
前記共振器が有する２つの前記反射面のうち光出力側の反射面が、所定の波長帯域幅で透過する分光反射率特性を有する光出力ミラーで構成される
ことを特徴とする請求項７に記載の波長可変レーザ。
【請求項９】
前記利得媒体が所定の波長帯域で高い光利得を有する半導体光増幅素子で構成される
ことを特徴とする請求項７または８記載の波長可変レーザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電歪効果ないし逆圧電効果を有する強誘電体材料を用いた波長可変の光反射特性を有する波長可変ミラーおよびそれを用いた波長可変レーザに関する。
【背景技術】
【０００２】
狭帯域の高速波長可変光フィルタは近年、多様な分野でその実現が望まれている。例えば、通信分野においては、現在、光通信システムの大容量化、高速化及び高機能化に加え、各家庭にまで光ファイバが導入されるなど、アクセス系ネットワークにも光通信が適用されるようになってきた。今後さらに、ネットワークの高機能性が求められ、波長の有効利用が進展すると期待されている。
【０００３】
高密度波長多重通信では、極めて短い波長間隔で異なる複数の光を多重化し、一つの導波路で伝送することによって、通信容量の増大を図っている。送信側では、例えば、0.8 ｎｍといった極めて短い間隔で波長が異なる複数の光が数十ｎｍ 程度の範囲にわたって多重化され、これにより、複数の信号が高密度に送信される。それに対応して受信側では、これら複数の光から所定の波長を有する光のみを選択的に受信することによって、必要な信号を取り出す。
【０００４】
このように高い密度で送られてくる光信号から特定の信号だけを精度よく得るためには、透過帯域を十分に確保し、且つ隣接チャンネルとのクロストークが十分小さいような急峻なスペクトルを有する光フィルタを用いなければならない。このような光フィルタは、波長が異なる多くの光が伝送されるネットワークから所望の波長を有する光のみを取り出す場合に限らず、複数の光を多重化する場合、特定の波長を有する光の送信状況を監視する場合などにおいても欠くことはできない。さらに、高速に特定の波長をフィルタリングし、切り替えることができれば、より大容量で高速なネットワークを実現することができる。
【０００５】
また、非通信分野においては、例えば光を用いた可視化技術が複数開発されているが、低コヒーレンス干渉を利用して生体や電子デバイス等の断面を非破壊に観測する光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）は、表面より深さ方向に約数ｍｍの範囲で細胞レベルの数十μｍ程度の分解能を有する解像度で高品質な画像を得ることができる。
【０００６】
ＯＣＴ像を得る方式としては、ＴＤ−ＯＣＴ（Time  domain  optical  coherence  tomography)とＦＤ−ＯＣＴ（Spectral  domain  optical  coherence  tomography）が知られている。ＴＤ−ＯＣＴ方式しては、光源としてＳＬＤ（Super Luminescent Diode ） を用いて観測対象の面内に照射し面内の情報を取り出し、奥行方向にさらにスキャンして３次元情報を得る方式が一般的である。
【０００７】
一方、ＦＤ−ＯＣＴ方式としては、高速波長掃引光源を用い奥行方向の情報を得て、残りの２軸方向にスキャンすることによって３次元画像を得ることができる。
【０００８】
近年数百ｋＨｚ以上の高速波長掃引光源技術が急速に発展したため、画像取得スピードの観点からＦＤ−ＯＣＴ方式が優勢である。用いられる高速波長掃引光源の構成としては、帯域幅の広いブロード光源の波長を高速にフィルタリングする構成が典型的であるが、そこでも急峻にフィルタリングする波長可変光フィルタが求められている。
【０００９】
このような波長可変光フィルタとして、２枚の半透明なミラーを平行対向させたときに起こる多重干渉を利用したエタロン（etalon）と呼ばれる光学素子が従来より公知である。エタロンの透過率特性は、複数の波長で透過率のピークを有することが知られている。エタロンを構成するミラー間の空間（キャビティ、ギャップ）は空洞であってもよい（エアエタロン）が、所定の屈折率を有する透明媒質で充填してもよい。
【００１０】
例えば具体的には、広い波長帯域の入射光から所望の波長の光を可変に波長選択して透過させる素子として、ファブリペローエタロンをなすミラー間キャビティ内に液晶を充填し、液晶に電圧を印加して屈折率を変化させることによって、ミラー間キャビティの光学的な光路長を変化させることができる波長可変フィルタ（以下、液晶エタロンという。）が提案されている（例えば、下記特許文献１参照）。
【００１１】
この液晶エタロンを波長選択用の素子として用い、利得媒体と共にレーザ共振器内に配置することによって、印加電圧の大きさに応じて所望の波長チャネルのみのレーザ光を選択して出射することが可能な波長可変レーザが報告されている。
【００１２】
また、電気光学効果を有するＫＴＮ（ＫＴａ1-xＮｂxＯ3）結晶を用いて偏向器を作製し、回折格子への入射角度を変えることより反射型のフィルタとし、利得媒体と共にレーザ共振器内に配置することによっても、波長可変レーザが実現できる。ＫＴＮ結晶への印加電圧の大きさに応じて所望の波長チャネルのみのレーザ光を選択して出射することが可能な広帯域波長可変レーザが実現され、200 kHzの高速動作が報告されている（例えば、下記特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００６−１９５１４号公報
【特許文献２】特開２０１２−７４５９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、上記特許文献１のような液晶エタロンでは、液晶エタロンを構成するミラー間キャビティ内で光損失が存在するため、フィネス（Finess：エタロンの波長分解能を表す指標、光フィルタの透過波長の周期ＦＳＲ（Free Spectral Range）を透過波長ピークの半値幅で割った値）としては100以下にとどまっていた。さらに液晶の応答速度は材料特性から決まっていて、波長変化速度もミリ秒〜サブミリ秒にとどまっていた。
【００１５】
また、上記特許文献２のようなＫＴＮ偏向方式では高速性は要求を満たすものの、高フィネスのものは報告されていない。従って、これら従来のデバイスを用いて実現された波長可変レーザのコヒーレンス長特性としては、数ｃｍ以上に及ぶものは報告されていない。
【００１６】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、広波長帯域の入射光から所望の波長の光を高速に高フィネスで選択的に取り出すことができる波長可変ミラーと、これを用いた高速の波長可変レーザを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、このような目的を達成するために、以下のような構成を備えることを特徴とする。
【００１８】
（発明の構成１）
エアギャップを挟んで平行に対向する第１の高反射ミラーおよび第２の高反射ミラーを有し、所定の波長の入射光を透過させるエアエタロンと、
前記エアエタロンを透過した入射光を反射する第３の高反射ミラーと、
前記第１の高反射ミラーまたは前記第２の高反射ミラーを入射光の光軸方向に機械的に駆動する機構とを備えた波長可変ミラーであって、
前記第３の高反射ミラーの反射面が前記入射光の光軸に垂直であり、前記第１の高反射ミラーの反射面および前記第２の高反射ミラーの反射面は前記入射光の光軸に垂直な面に対して傾斜して配置される
ことを特徴とする波長可変ミラー。
【００１９】
（発明の構成２）
前記第１から第３の高反射ミラーのうちの少なくとも一つは、前記入射光に対して前記エアエタロンのＦＳＲの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有する
ことを特徴とする発明の構成１に記載の波長可変ミラー。
【００２０】
（発明の構成３）
前記駆動する機構は、
電歪効果ないし逆圧電効果を有する強誘電体材料を有し、前記強誘電体材料に電圧を印加して前記入射光の光軸方向に発生する機械的歪みにより、前記エアエタロンの前記エアギャップの間隔を変化させる
ことを特徴とする発明の構成１または２に記載の波長可変ミラー。
【００２１】
（発明の構成４）
前記第１の高反射ミラーは、前記入射光の光軸垂直面に対して傾斜支持された平行平面基板上に設けられ、
前記第２の高反射ミラーは、楔形基板の光入射側の面上に設けられ、
前記第３の高反射ミラーは、前記楔形基板の前記光入射側の面に対向する面に設けられた
ことを特徴とする発明の構成３に記載の波長可変ミラー。
【００２２】
（発明の構成５）
前記強誘電体材料はＫＴＮ結晶であり、
前記ＫＴＮ結晶を立方晶に保つように温度制御する温度制御手段をさらに備えた
ことを特徴とする発明の構成３ないし４のいずれか１項に記載の波長可変ミラー。
【００２３】
（発明の構成６）
前記第１の高反射ミラーと前記第２の高反射ミラーは、前記入射光の全波長帯域で光を反射する分光反射率特性を有し、
前記第３の高反射ミラーは、前記入射光に対して前記エアエタロンのＦＳＲの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有する
ことを特徴とする発明の構成２ないし５のいずれか１項に記載の波長可変ミラー。
【００２４】
（発明の構成７）
平行に対向する２つの反射面を有する共振器と、前記２つの反射面の間の光路上に設けられて光増幅を行う利得媒体とを備え、
前記共振器は、発明の構成１ないし６のいずれか１項に記載の波長可変ミラーを有し、前記共振器が有する２つの前記反射面のうち少なくとも１つの前記反射面が、前記波長可変ミラーが有する第３の高反射ミラーの反射面で構成され、印加する電圧に応じて選択的に出射光の波長を制御することを特徴とする波長可変レーザ。
【００２５】
（発明の構成８）
前記共振器が有する２つの前記反射面のうち光出力側の反射面が、所定の波長帯域幅で透過する分光反射率特性を有する光出力ミラーで構成される
ことを特徴とする発明の構成７に記載の波長可変レーザ。
【００２６】
（発明の構成９）
前記利得媒体が所定の波長帯域で高い光利得を有する半導体光増幅素子で構成される
ことを特徴とする発明の構成７または８記載の波長可変レーザ。
【発明の効果】
【００２７】
本発明に係る波長可変ミラーおよび波長可変レーザにより高フィネスな高速広帯域波長可変ミラー、広帯域で高コヒーレンス長を有する高速の波長掃引光源を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態１に係る波長可変ミラーの一構成例の断面図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る波長可変レーザの一構成例の断面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る波長可変ミラーの光学特性を説明する図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る波長可変レーザの光学特性を説明する図である。
【図５】本発明の実施形態１に係る波長可変ミラーの別の実施例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。実施の形態は、エアエタロンを構成する２枚の対向ミラーの一方を機械的に駆動する電歪効果ないし逆圧電効果を有する強誘電体材料を設けている。強誘電体材料の例として、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：ＫＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫ1-yＬｉyＴａ1-xＮｂxＯ3（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）なる組成を有する結晶材料（これらを、以下ＫＴＮ結晶と総称する）で構成されたファブリペローエタロン型フィルタを用いることを特徴としている。
【００３０】
ＫＴＮ結晶は、温度の上昇とともに正方晶から立方晶へと結晶系を変え、立方晶において、大きな電歪効果を有する。特に、正方晶への相転移温度に近い温度領域では、比誘電率が発散する現象が起こり、誘電率の２乗に比例する電歪効果はきわめて大きく発揮され有利である。大きな電歪効果を発揮する材料であれば、ＫＴＮに限らないことはもちろんである。
【００３１】
（実施形態１：波長可変ミラー）
図１に、本発明の実施形態１に係る波長可変ミラー１０を示す。
【００３２】
図１において、波長可変ミラー１０の筐体１６の光学窓１５から入射した光は、平行平面基板５を傾斜支持する固定部材１３，１４の間の空間を通過して、平行平面基板５に入射する。固定部材１３，１４を透明部材として一体の固定部材で構成し、入射光の光路を固定部材の内部に確保してもよい。
【００３３】
入射光は、高反射ミラー１、エアギャップ９、高反射ミラー２で構成されたエアエタロンで波長選択的に透過され、楔形基板８の光入射側の面に対向する面に設けられた高反射ミラー３に至る。高反射ミラー３は入射光の光軸に垂直な反射面を形成しており、ここで反射された入射光は、反射光として入射光と逆の経路をたどり、左側の光学窓１５から出射する。
【００３４】
エアエタロンの一方のミラーは、固定部材１３，１４によって支持された透明な平行平面基板５上に、第１の高反射ミラー１として形成されている。平行平面基板５は入射光の光軸に垂直な面に対して、わずかに角度θだけ傾斜して支持されている。
【００３５】
エアエタロンの対となるもう一方のミラーは、エアギャップ９をはさんで第１の高反射ミラー１と平行に対向して、楔形基板８の光入射側の面上に第２の高反射ミラー２として形成されている。
【００３６】
したがって、第１の高反射ミラーの反射面および第２の高反射ミラーの反射面は、入射光の光軸に垂直な面に対して角度θで傾斜して配置されている、
平行平面基板５の光学窓１５側の面には反射防止膜４が形成され、楔形基板８のＫＴＮ結晶６側の面には、第３の高反射ミラー３が入射光の光軸に垂直に形成されている。したがって、楔形基板８の頂角はθとなっている。
【００３７】
ミラーの駆動機構となるＫＴＮ結晶６の両側面には、駆動用の電圧を印加する電極１１，１２が形成されている。ＫＴＮ結晶６の電極面と垂直な面には、楔形基板８に形成された第３の高反射ミラー３が接合されている。ＫＴＮ結晶６には光は入射しないので、接合法としては直接接合法でも接着剤を用いた接着でもかまわない。
【００３８】
ＫＴＮ結晶６に図示しない電源より電極１１，１２を介して駆動用の電圧を印加することによって、強誘電体材料であるＫＴＮ結晶６の電歪効果ないし逆圧電効果により発生する機械的歪みを利用して、ＫＴＮ結晶６を入射光の光軸方向に伸縮変形させる。すると、ＫＴＮ結晶６に接合された楔形基板８上の高反射ミラー２および高反射ミラー３が、入射光の光軸方向に機械的に駆動される。高反射ミラー２は、高反射ミラー１に対してエアギャップ９の平行性を保ちつつ光軸方向に前後駆動されるので、エアギャップ９の大きさを可変として、エアエタロンの透過波長を可変制御できる。
【００３９】
ここで、特に記載は省略するが、電歪効果を最大限に発揮するため、ＫＴＮ結晶６は立方晶を保つように温度制御手段により温度制御され、所望の誘電率を保つようにしてある。温度制御の方法としては、図１に記載のようにＫＴＮ結晶６に直接、例えばペルチェ素子７などの温度制御手段を接着して熱的に接続して筐体１６に固定してもよいし、筐体１６全体を密閉し、筐体１６内の空間ごと温調してもよい。
【００４０】
（実施形態１の別の実施例）
エアギャップ９の大きさ（間隔）を調整するためには、高反射ミラー１側を駆動しても良い。図５に示す実施形態１の別の実施例のように、ＫＴＮ結晶６を光学窓１５側に移動して筐体１６の壁面に設置し、平行平面基板５と高反射ミラー１を光軸方向に機械的に駆動しても良い。ＫＴＮ結晶６を台形の断面形状にして平行平面基板５を固定し、傾斜角を保持してもよいが、図５のようにＫＴＮ結晶６の断面形状は矩形として、楔形基板８と同じ頂角θの形状の楔形基板８ａを逆向きに設けて保持してもよい。
【００４１】
この場合、高反射ミラー２、楔形基板８、高反射ミラー３は筐体１６の壁面に直接固定されるので、これらのミラーの反射面を光軸に対し機械的に安定して保持可能である。ＫＴＮ結晶６は透明なので、光学窓１５から平行平面基板５までの光経路は、ＫＴＮ結晶６内に確保しても良い。ＫＴＮ結晶６を温度調整する温度制御手段（図５には図示せず）は、ＫＴＮ結晶６の側面に、電気的絶縁と結晶の機械的変形を配慮しつつ熱結合する手段で接続してもよい。
【００４２】
（エアエタロンの設計パラメータの関係式と数値例）
エアエタロンのエアギャップ９の大きさＬは、必要とされる波長可変幅に応じて決定される。例えば100 ｎｍの波長可変幅を必要とする場合は、ＦＳＲ（Free Spectral Range）も100 ｎｍ以上が必要となる。ＦＳＲは、波長をλ、エアギャップ長をＬ、θを第１、２の高反射ミラーの反射面と第３の高反射ミラーの反射面とが成す角度（図１の、楔形基板８（光学ガラス）の頂角θ）として、下記（式１）に従う。
【００４３】
例えばＦＳＲ＝100 ｎｍでcosθ≒１とすると、波長λ＝1.3μｍ において、エアギャップ長Ｌは8.45 μｍ、波長λ＝1.06μｍ においてはＬ＝5.5μｍ、と計算される。
【００４４】
【数１】
2018085416.tif 000003
【００４５】
また、エアエタロンのフィネス（Finess：波長分解能を表す指標、ＦＳＲ／透過波長ピークの半値幅）は下記（式２）で与えられ、（式２）から判るように高フィネスを必要とする場合は、エアエタロンを構成する高反射ミラー１，２には１に近い高い反射率Ｒが要求される。
【００４６】
【数２】
2018085416.tif 000004
【００４７】
図１に示したエアエタロンの透過スペクトルＴ（λ）は（式３）で示される。
【００４８】
【数３】
2018085416.tif 000005
【００４９】
上記（式３）に従うエアエタロンの透過率Ｔ（λ）の最大のピークを与える波長λmは、回折次数をｍとして下記（式４）で与えられるので、波長変化Δλmに必要なギャップ変化量ΔＬは、下記（式５）で与えられる。
【００５０】
【数４】
2018085416.tif 000006
【００５１】
【数５】
2018085416.tif 000007
【００５２】
例えば、Δλm＝108 ｎｍ、λm＝1300ｎｍ、Ｌ＝7.8μｍ、θ＝3°として、必要なギャップ変化量ΔＬ＝0.6μｍとなる。
【００５３】
また、Δλm＝100 ｎｍ、λm＝1060ｎｍ、Ｌ＝5μｍ、θ＝3°として、必要なギャップ変化量ΔＬ＝0.47μｍとなる。
【００５４】
Ｌ＝7.8μｍのときＦＳＲ＝108 ｎｍで、ギャップ長Ｌが変化してＬ＝8.4μｍの時、ＦＳＲ＝100 ｎｍとなり、ギャップ長が変化しても全可変範囲で常にＦＳＲは100 ｎｍ以上を確保できる。
【００５５】
また、Ｌ＝5μｍのときＦＳＲ＝112 ｎｍで、ギャップ長Ｌが変化してＬ＝5.47μｍの時、ＦＳＲ＝102 ｎｍとなり、ギャップ長が変化しても全可変範囲で常にＦＳＲは100 ｎｍ以上を確保できる。
【００５６】
なお、上記式１〜５で表れる変数をまとめると以下の通りである。  
λ：入射光の波長
Ｒ：（第１、第２高反射ミラーの）反射率
Ｌ：エアギャップ長
ΔＬ：エアギャップ変化量
θ：第１、２の高反射ミラーの反射面と第３の高反射ミラーの反射面とが成す角度（図１の、楔形基板８（光学ガラス）の頂角）
ｍ：回折次数
λｍ：エアエタロンの透過率の最大のピークを与える波長
Δλｍ：波長変化量（エアギャップ変化量にともなう波長変化量）
Ｔ（λ）：エアエタロンの透過スペクトル
【００５７】
（ＫＴＮ結晶の電歪係数と変位量）
ところで、立方晶ＫＴＮ結晶の電歪係数をＱ、分極をＰ、電界をＥ、誘電率をεとすると、歪ベクトルｘは下記（式６）で表される。
【００５８】
【数６】
2018085416.tif 000008
【００５９】
ここで、
【００６０】
【数７】
2018085416.tif 000009
【００６１】
【数８】
2018085416.tif 000010
【００６２】
上記（式６）のＫＴＮ結晶の電歪係数の値としては、Q11 ＝7.3X10-2 m4C-2 、Q12 ＝-4.7X10-2が知られている。
【００６３】
ＫＴＮ結晶の主軸方向に電界を印加した場合、Q11は電界方向の結晶変位を与え、Q12は電界に垂直な方向の変位を与える。符号の関係から、電界方向の変位は結晶が伸びる方向で、電界に垂直な方向の変位は結晶が縮む方向となる。
【００６４】
例えば、ＫＴＮ結晶の正負電極間の厚み１ｍｍ、比誘電率εr＝17500とし、正負電極間に400 Ｖの電圧を印加すると、結晶内厚み方向に400 Ｖ／ｍｍの一様な電界が発生する。このとき、ＫＴＮ結晶の電界に垂直な方向（光軸方向）の変位量は、Q12を用いて0.72 μｍと求められ、100 ｎｍの波長可変に十分な変位量ΔＬを与えることができる。
【００６５】
（エアエタロンを傾ける効果）
実施形態１において、光軸に対してエアエタロンを傾ける効果について説明する。
【００６６】
図１において、第３の高反射ミラー３の反射面に対して垂直入射となるように波長可変ミラー１０に平行光を入射させたときに、第３の高反射ミラー３で反射されて入射光と同じ光路を経て波長可変ミラー１０から出射する光線を実線の矢印で、また、エアエタロンの第１の高反射ミラー１の反射面および第２の高反射ミラー２の反射面等で反射されて波長可変ミラーから出射する光線を破線で示している。
【００６７】
第１の高反射ミラー１の反射面および第２の高反射ミラー２の反射面と、第３の高反射ミラー３の反射面とは、傾斜角θを成すため、エアエタロンの第１の高反射ミラー１の反射面および第２の高反射ミラー２の反射面で反射された光と、第３の高反射ミラー３で反射された光の進行方向は異なる。
【００６８】
第１の高反射ミラー１と第３の高反射ミラー３とによる多重反射光、および、第２の高反射ミラー２と第３の高反射ミラー３とによる多重反射光も同様に、第３の高反射ミラー３で反射された光とは、進行方向が異なる。したがって、第３の高反射ミラー３に垂直に入射し、入射光と同じ光路に反射された光のみを分離して取り出すことができ、高精度な波長選択ができる波長可変ミラー１０が実現できる。
【００６９】
第１の高反射ミラー１および第２の高反射ミラー２は、高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層した多層反射膜として構成され、広い波長帯域でフィネスに応じて反射率は決定される。第１の高反射ミラーと第２の高反射ミラーは、入射光の全波長帯域で光を反射するような特性を持つ。
【００７０】
第３の高反射ミラー３も同様に高屈折率誘電体膜と低屈折率誘電体膜とを交互に積層した多層反射膜として構成される。高反射ミラー３は、ＦＳＲの波長幅以下の通過帯域幅で所望の高反射率（分光反射率特性）を有する、エアエタロンとは別の反射型のバンドパスフィルターとして設計することができる。
【００７１】
あるいは、このようなバンドパスフィルタ特性に対応する分光反射率特性を、同様に多層反射膜で構成した第１または第２の高反射ミラーのいずれかに設けて設計しても良い。
【００７２】
すなわち、第１から第３の高反射ミラーのうちの少なくとも一つは、入射光に対してＦＳＲの波長幅以下の所望の通過帯域幅の分光反射率特性を有するものとできる。
【００７３】
(実施形態２：波長可変レーザ）
以下では、本発明の実施形態２として、本発明の実施形態１に係る波長可変ミラー１０を用いた波長可変レーザ２０について説明する。図２は、本発明の実施形態２に係る波長可変レーザ２０の構成を示す模式図である。
【００７４】
本発明の実施形態に係る波長可変レーザ２０は、レーザ共振器の２つの反射面を構成する波長可変ミラー１０およびレーザ共振器用の光出力ミラー２１ と、２つの反射面の間の光路上に設けられて光増幅を行う光増幅用の利得媒体２３とを備える。
【００７５】
利得媒体２３は波長可変ミラー１０と光出力ミラー２１との間に設けられ、例えば、半導体光増幅素子によって構成される。光出力ミラー２１は、波長可変帯域で光を部分的に透過させ、部分的に反射する分光特性（分光反射率特性）を有する。
【００７６】
ここで、波長可変ミラー１０の第１の高反射ミラー１が利得媒体２３側に面するとともに、第３の高反射ミラー３と光出力ミラー２１とによってレーザ共振器が構成されるように、これらの反射面を平行に配置する。また、図示しない交流電源は、交流電圧を発生し、発生した交流電圧を電極１１，１２を介して強誘電体結晶（ＫＴＮ結晶６）に印加する。
【００７７】
なお、利得媒体２３に半導体光増幅素子を用いるとき、半導体光増幅素子と光ビームの結合効率を所定値以上に確保するため、集光レンズ等をレーザ共振器内に配置してもよい。また、利得媒体２３の波長可変ミラー１０側の面には、反射防止膜２２を設けている。
【００７８】
波長可変ミラー１０を波長可変レーザ２０の共振器用のミラーとして用いることにより、所望の波長帯域に限定して発振閾値を超える利得が得られるようにできる。その結果、波長可変レーザ２０は、所望の波長帯の波長のみのレーザ光を出射することとなる。ここで、波長可変ミラー１０を構成する強誘電体結晶６に交流電圧を印加し、その印加電圧を調整することにより、レーザ出射光の波長を変化させる波長可変レーザ２０とすることができる。
【００７９】
このように、本発明の第２の実施の形態に係る波長可変レーザ２０では、従来の波長可変レーザに比して、高速波長可変かつ高コヒーレンス長を有する波長可変レーザを実現できる。
【００８０】
以下、本発明の実施形態１に係る波長可変ミラー１０および本発明の実施形態２に係る波長可変レーザ２０の具体的な実施例について、さらに説明する。
【００８１】
（実施例１：波長可変ミラー）
図１の、本発明の実施形態１である波長可変ミラー１０の実施例１を説明する。前述のようにエアエタロンを構成する一方のミラーは、透明な石英で構成された平行平面基板５上に誘電多層膜からなる第１の高反射ミラー１として形成した。もう一方の第２の高反射ミラー２は、透明な石英で構成された楔形基板８に同様の誘電多層膜からなる高反射ミラー２として形成した。ここで楔形基板８の頂角θは3°とした。
【００８２】
平行平面基板５の他方の面には反射防止膜４が形成され、楔形基板８にはバンドパスフィルタ高反射ミラー（第３の高反射ミラー３）を形成した。第１と第２の反射ミラーの反射率Ｒとしては、フィネス1000を実現するために0.997とした。
【００８３】
図１に示すように、ＫＴＮ結晶６の両側面には駆動用の電極１１，１２（Ｐｔ／Ａｕ）を、蒸着法ないしはスパッタ法により形成した。電極付ＫＴＮ結晶６の電極に垂直な面には、楔形基板８の底面に形成されたバンドパスフィルタ特性を有する第３の高反射ミラー３を接合した。ここでは接着剤を用いて接着した。ＫＴＮ結晶６は立方晶を保つように温度制御され所望の誘電率を保つようにしてある。温度制御の方法としては、ＫＴＮ結晶６に直接ペルチェ素子７を接着し、結晶温度を約30℃にて温調した。この時の比誘電率は17500であった。
【００８４】
ＫＴＮ結晶６の具体的な結晶サイズとしては、３ｍｍ Ｘ ４ｍｍ Ｘ １ｍｍｔとし、１ｍｍｔの方向に電圧を印加するため、３ｍｍ Ｘ ４ｍｍの面に上記の電極１１，１２を全面に具備させた。
【００８５】
第１の高反射ミラー１と、第２の高反射ミラー２間のエアギャップ９を7.8μmにするため、ミラー間の平行度およびギャップ長さをモニタしながら、第１のミラー１が形成された石英製の平行平面基板５を支持する固定部材１３，１４と、第２のミラー２が形成された石英製の楔形基板８を支持するＫＴＮ結晶６を、各々筐体１６の対向する内面の壁に固定した。
【００８６】
平行平面基板５を支持する固定部材１３，１４は、筐体１６の光学窓１５を塞がない位置に固定する。あるいは、透明部材で一体の固定部材として構成して、入射光の光路を固定部材の内部に確保してもよい。あるいは、図５の別の実施例と同様に、楔形基板８と同様な形状の石英製の楔形基板８ａを逆向きに取り付けてもよい。
【００８７】
また、図１のようにＫＴＮ結晶６と筐体１６の間には、温度制御手段として温度調整用のペルチェ素子７を介挿して固定してもよい。ペルチェ素子７はＫＴＮ結晶６の側面に配置してもよい。
【００８８】
（波長可変ミラーの光学特性）
図３(a)は、バンドパスフィルタ特性のない通常のエアエタロンの波長対透過率の光学特性を示す図である。ＦＳＲの間隔で離れた波長位置に、複数の透過率ピークを有する。
【００８９】
一方、図３(b)は、上記で説明した方法で作製された本発明の実施形態１の、バンドパスフィルタ特性を有する第３の高反射ミラー３を設けた波長可変エタロン（波長可変ミラー１０）の光透過特性示す図である。第３の高反射ミラーによる点線に図示したＦＳＲの波長幅以下の所望の通過帯域幅のバンドパスフィルタ特性（分光反射率特性）があることで、中央のピーク以外は抑圧されており、波長を変えても唯一の透過率ピークしか示さない。ＫＴＮ結晶への印加電圧を０Ｖ〜４００Ｖまで変化させることにより、この透過率ピークはフィネス約1000で1250 ｎｍから1350 ｎｍ まで変化することができる。
【００９０】
（実施例２：波長可変レーザの特性）
図４に、本発明の実施例２に係る波長可変レーザ２０（図２）の特性について説明する。
【００９１】
この実施例２では、レーザ共振器用の光出力ミラー２１として、1250 ｎｍ から1350 ｎｍ までの波長域で、反射率が10％で残りの90％は透過する分光特性（バンドパスフィルタ特性、分光反射率特性）を有するものを用いる。
【００９２】
また、利得媒体２３として、図４(a) に示すように、1230 ｎｍ から1370 ｎｍ までの波長帯域で高い光利得を有する半導体光増幅素子を用いる。
【００９３】
光増幅を行う利得媒体２３の半導体光増幅素子に、図示しない電極より電流を注入し注入電流を増加させると、利得媒体２３の光利得が増加してレーザ共振器内の光損失と利得媒体の光利得とによって決まるレーザ発振閾値に達し、レーザ発振が起こり、レーザ発振光が光出力ミラー２１側から出射する。
【００９４】
従って、この光出力ミラー２１の波長範囲を、図４(b)の点線ように1250 ｎｍ から1350 ｎｍに設定しておくと、この範囲でのみレーザ発振するようにできる。
【００９５】
図４(ｃ)は、波長可変ミラー１０を構成するＫＴＮ結晶６に印加する電圧Ｖを変化させたときの、レーザ出力光の波長変化を示す図である。電圧を印加するとギャップ長は伸びるため電圧を印加するにつれて短波長から長波長への掃引がおきる。本発明では、ＫＴＮ結晶６に周波数200ｋＨｚのノコギリ波を印加し波長掃引を行うことができた。
【００９６】
印加する電界の２乗に比例してギャップ長は伸長するため、電圧の２乗に比例した波長掃引を確認できた。400 Ｖの電圧印加で100 ｎｍを超える波長可変特性を実現可能なことを確認できた。さらに、コヒーレンス長は、数ｃｍ以上であることを確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の波長可変ミラーおよび波長可変レーザにより、高フィネスで高速広帯域の波長可変ミラー、高コヒーレンス長を有し高速広帯域の波長可変レーザ、波長掃引光源を実現でき、レーザ加工、顕微鏡、プリンタ、ディスプレイ、光通信、センシング、医療計測のなどの光学機器に利用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１  第１の高反射ミラー
２  第２の高反射ミラー
３  第３の高反射ミラー
４  反射防止膜
５  平行平面基板
６  ＫＴＮ結晶
７  ペルチェ素子
８、８ａ  楔形基板
９  エアギャップ
１０  波長可変ミラー
１１，１２  電極
１３，１４  固定部材
１５  光学窓
１６  筐体
２０  波長可変レーザ
２１  光出力ミラー
２２  反射防止膜
２３  利得媒体
【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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