(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、前記ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段と、前記ホトニック結晶に複数波長を有する光を入力する光源と、前記ホトニック結晶によって選択された所定の波長帯域の光を出力する出力部とをユニット内に組み込んでなる波長可変光源。
【請求項２】
前記光源は、ランプであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
【請求項３】
前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
【請求項４】
前記レーザ光源は、光が出射される２つの対向端面を有する半導体レーザであり、前記端面の一方から出力された光は前記ホトニック結晶を介して反射鏡に入力され、前記反射鏡と前記端面の他方との間にレーザ共振器が構成され、前記端面の前記他方は前記出力部に光学的に結合し、前記外力印加手段による外力に応じて前記出力部から出射される光の波長帯域が変化することを特徴とする請求項３に記載の波長可変光源。
【請求項５】
前記レーザ光源は、その共振器内に前記ホトニック結晶が配置されてなるチタンサファイアレーザであることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、波長可変光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体単結晶は、特定の原子が周期的且つ規則的に配列してなる物質である。その電子伝搬特性は、半導体結晶中の原子間隔によって決定される。すなわち、半導体はエネルギーバンドギャップを有しており、このエネルギーバンドギャップは、電子の波動性及び原子の周期ポテンシャルに起因して決定される。
【０００３】
一方、ホトニック結晶は、光に対してポテンシャル差を有する物質、すなわち屈折率差を有する物質を光の波長程度の周期で配列してなる３次元構造体である。このようなホトニック結晶なる物質は、ヤブラノビッチ（Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｃｈ）氏等によって提案されてきた。
【０００４】
ホトニック結晶内においては、光の波動性の拘束条件によって光伝搬特性が制限されている。すなわち、ホトニック結晶中における光の伝搬は、半導体中の電子の伝搬と同様に制限を受ける。ホトニック結晶中においては、光に対する禁止帯、所謂ホトニックバンドギャップが存在し、このバンドギャップの存在によって、特定の波長帯域の光は結晶内を伝搬できなくなる。
【０００５】
従来、様々なホトニック結晶が提案されている。例えば、サブミクロンサイズの粒子を光の波長程度の周期で配列してなるものがある。マイクロ波帯であれば、粒子としてのポリマー球を空間中に配列するものが知られている。
【０００６】
この他、ポリマー球を金属内で固化させた後で化学的にポリマー球を溶解することにより周期的微小空間を金属中に形成するもの、金属中に等間隔で穴を穿設するもの、固体材料中にレーザを用いて屈折率が周囲と異なる領域を形成するもの、光重合性ポリマーをリソグラフィ技術を用いて溝状に加工したもの等がある。これらの加工によって形成されたホトニック結晶は、その構造によって一意的に決定されるホトニックバンドギャップを有することとなる。
【０００７】
このようなホトニック結晶を用いた波長可変光源は、入力光の所定波長領域を選択して出力することができる。なお、説明において、ホトニック結晶に入力される光を入力光、ホトニック結晶内を通過することによってホトニック結晶から出力される光を出力光とする。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、波長可変光源においては、ホトニック結晶のホトニックバンドギャップを十分に変化させることができないため、その出力光の波長を可変することができない。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、外力によって変形するホトニック結晶を用いることにより、出力光の波長を十分に変化可能な波長可変光源を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る波長可変光源は、ゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるホトニック結晶と、ホトニック結晶に外力を印加する外力印加手段と、ホトニック結晶に複数波長を有する光を入力する光源と、ホトニック結晶によって選択された所定の波長帯域の光を出力する出力部とをユニット内に組み込んでなる。
【００１０】
光源からホトニック結晶内に入力された光は、外力印加手段による外力に応じて、その波長帯域が変化する。すなわち、ホトニック結晶のホトニックバンドギャップに応じて出力光の波長帯域は変化する。本発明においては、ホトニック結晶がゲル状の物質内に微小球または気泡を含有させてなるため、出力光の波長帯域を大きく変化させることができ、これらがユニット内に組み込まれているので光源全体がコンパクトとなる。
【００１１】
上記光源がランプである場合には、ランプから出力された光は可塑性のホトニック結晶内に導入され、所定の波長帯域がホトニック結晶のホトニックバンドギャップに対応して選択され、出力部を介して外部に出力される。
【００１２】
上記光源が、レーザ光源である場合には、レーザ光源から出力された光は可塑性のホトニック結晶内に導入され、所定の波長帯域がホトニック結晶のホトニックバンドギャップに対応して選択され、出力部を介して外部に出力される。
【００１３】
特に、本発明においては、上記レーザ光源が、光が出射される２つの対向端面を有する半導体レーザであり、上記端面の一方から出力された光はホトニック結晶を介して反射鏡に入力され、反射鏡と上記端面の他方との間にレーザ共振器が構成され、上記端面の他方は出力部に光学的に結合し、外力印加手段による外力に応じて出力部から出射される光の波長帯域が変化することを特徴とする。
【００１４】
この場合、反射鏡と上記端面の他方との間に構成されるレーザ共振器内にホトニック結晶が配置されることになるので、共振する波長がホトニック結晶によって選択され、選択された波長帯域が出力部を介して外部に出力される。
【００１５】
また、上記レーザ光源は、その共振器内にホトニック結晶が配置されてなるチタンサファイアレーザであることとしてもよく、チタンサファイアレーザはフェムト秒の時間幅のパルス光を発生することができ、この波長帯域は共振器内に配置されたホトニック結晶によって変化させることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態に係る波長可変光源について説明する。同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。
【００１７】
図１は波長可変光源の説明図である。この波長可変光源は、土台１上に複数波長の光を出射する光源５を備えており、光源５から出力された光はホトニック結晶２に入力される。ホトニック結晶２は土台１の上に置かれている。ホトニック結晶２は、これに圧力を加え、また、これに印加される圧力を減少させる圧電素子（外力印加手段）３によって付勢される。ホトニック結晶２は、この入力光の波長帯域から所望の波長帯域を選択し、出力窓（出力部）６を介して出力光として出力する。これらの素子２，３，５は、土台１及び出力窓６と共にハウジングを構成するカバー部材Ｃ内に配置されており、ユニット化されている。
【００１８】
ホトニック結晶２は、外力の印加によって精度良く変形し、変形に応じてホトニックバンドギャップが変化する物質である。圧電素子３によってホトニック結晶２を変形させると、そのホトニックバンドギャップが変化する。圧電素子３による外力の大きさ及びその印加時間は、駆動装置４によって制御される。
【００１９】
光源５から出力された入力光はホトニック結晶２に入力され、入力光中の特定波長成分はホトニック結晶２を通過することができず、所定の波長帯域がホトニックバンドギャップ（光学的応答特性）に応じて選択され、出力光としてホトニック結晶２から出力される。出力光は、光を伝搬させる出力窓６に入力され、出力窓６を介して本波長可変光源外部へと出力される。すなわち、外力の印加によって、光源５及び出力窓６間の光学的結合特性が変化する。
【００２０】
本波長可変光源は、ホトニック結晶２に外力を印加することによりホトニック結晶２のホトニックバンドギャップを変化させる波長可変光源であるが、ホトニック結晶２は可塑性である。なお、ホトニック結晶２は、弾性を有していても良い。
【００２１】
ホトニック結晶２は可塑性であるため、これに外力を与えてホトニック結晶２を変形させると、ホトニックバンドギャップが大きく変化し、ホトニック結晶２からの出力光の波長が十分に変化することとなる。このような波長可変光源においては、ホトニック結晶２自体の容積を小さくした場合においても、有効に波長選択を行うことができるので、装置全体を小型化することも可能である。
【００２２】
以上、説明したように、本実施形態の波長可変光源は、可塑性のホトニック結晶２と、ホトニック結晶２に外力を印加する圧電素子３と、ホトニック結晶２に複数波長を有する光を入力する光源５と、ホトニック結晶２によって選択された所定の波長帯域を出力する出力窓６とをユニット内に組み込んでなる。
【００２３】
光源５からホトニック結晶２内に入力された光は、圧電素子３による外力に応じて、その波長帯域が変化する。すなわち、ホトニック結晶２のホトニックバンドギャップに応じて出力光の波長帯域は変化する。ホトニック結晶２は可塑性であるため、出力光の波長帯域を大きく変化させることができ、これらがユニット内に組み込まれているので光源全体がコンパクトとなる。
【００２４】
上記光源５が水銀ランプ等のランプである場合には、ランプから出力された光は可塑性のホトニック結晶２内に導入され、所定の波長帯域の光がホトニック結晶２のホトニックバンドギャップに対応して選択され、出力窓６を介して外部に出力される。
【００２５】
なお、本例においては、上記ホトニック結晶２はゲル状の物質であり、透明容器Ｖ内に収容されている。
【００２６】
上記光源５が、レーザ光源である場合には、レーザ光源から出力された光は可塑性のホトニック結晶２内に導入され、所定の波長帯域がホトニック結晶２のホトニックバンドギャップに対応して選択され、出力窓６を介して外部に出力される。
【００２７】
図２はホトニック結晶２の斜視図である。
【００２８】
このホトニック結晶２は、ゲル状の物質２Ｇ内にシリカ又はチタン酸バリウムの微小球（光学的な微結晶）２Ｂを複数含有してなる。このホトニック結晶２は容易に変形させることができる。微小球２Ｂは、物質２Ｇ内に光の波長程度の周期で規則的に均一に配列されている。微小球２Ｂの間隔は、選択しようとする光の波長の半分から四分の一であり、この波長に対して微小球２Ｂは透明である。ホトニック結晶２に波長帯域Δλ（λ1を含む）の光を入射すると、ホトニックバンドギャップに応じて、特定の波長帯域λ1の成分のみがホトニック結晶２を透過する。
【００２９】
ゲルは外力によって容易に変形するため、ホトニック結晶２のホトニックバンドギャップが容易に変化する。この変化によって、ホトニック結晶２を通過する上記波長帯域λ1が変化する。なお、微小球２Ｂと物質２Ｇとは屈折率が異なり、また、双方とも選択する光の波長に対して透明である。
【００３０】
例えば、ゾルの材料として、紫外線硬化樹脂を混ぜたものを用い、ゲル化は、これに紫外線を照射することにより行うことができる。代表的な紫外線硬化樹脂は、アクリルアミドに架橋剤及び光重合開始剤を混ぜたものであり、従来から多くのものが知られている。
【００３１】
この微小球２Ｂの周期構造数は５０程度でよいため、ホトニック結晶２は最大でも１００μｍ角の素子で十分に機能する。したがって、このホトニック結晶２を用いれば、装置の小型化を達成することができる。なお、微小球２Ｂの代わりに気泡を用いることもできる。
【００３２】
図３は、多層膜構造のホトニック結晶、すなわちダイクロイックミラーによる出力光の透過率（任意定数）の波長（ｎｍ）依存性を示すグラフである。入力光は白色光である。このグラフは、上述のホトニック結晶２のものではないが、微小球２Ｂが完全に等間隔に配列された場合には、特定の方向に関しては、その光学特性は同図に示したものと同様となる。本例においては、波長帯域４００ｎｍ近傍の光の透過率が、この周囲の波長帯域よりも低下している。
【００３３】
図４は、別の実施形態に係る波長可変光源の説明図である。この波長可変光源は、上述のレーザ光源５として、光が出射される２つの対向端面５Ａ，５Ｂを有する半導体レーザを用いたものである。これらの端面の一方５Ａから出力された光はホトニック結晶２を介して反射鏡７に入力され、反射鏡７と上記端面の他方５Ｂとの間にレーザ共振器が構成される。このようなホトニック結晶２におけるホトニックバンドギャップは、レーザ光源の基本波及び高調波を考慮し、共振がこれらの波長で行われるように設定される。
【００３４】
光ファイバのコア６が、カバー部材Ｃに設けられた開口内に挿入されており、コア６の先端部は、土台１上に固定されたＶ溝台１Ｖ上に配置され、半導体レーザ５は土台１上に固定されたヒートシンク１Ｈ上に固定されている。
【００３５】
半導体レーザ５の上記端面の他方５Ｂは、出力部６としてのコア６に光学的に結合し、圧電素子３による外力に応じてコア６から出射される光の波長帯域が変化する。
【００３６】
コア６の周囲は、クラッド６’によって囲まれており、これらは光ファイバを構成している。
【００３７】
本実施形態においては、反射鏡７と上記端面の他方５Ｂとの間に構成されるレーザ共振器内にホトニック結晶２が配置されることになるので、共振する波長がホトニック結晶２によって選択され、選択された波長帯域が出力部６を介して外部に出力される。
【００３８】
なお、市販の波長可変光源として、回折格子を回転させることにより、これを波長選択素子として機能させ、特定波長を選択して出力するものが知られている。このような市販品は、装置が大掛かりであるのに対し、上述の実施形態の波長可変光源においては、可塑性のホトニック結晶２を用いているため、すなわち、ゲル化したホトニック結晶を用いるため、装置全体を市販品と比較して小型化することができる。
【００３９】
例えば、ホトニック結晶２は、半導体微細加工技術（マイクロエレクトロメカニック：ＭＥＭＳ技術）を用いて製造することもできる。上述の容器Ｖを半導体基板（図示せず）を加工することによって形成し、圧電素子３を当該半導体基板上に形成する。この場合、半導体基板に形成された容器、特に凹部内にホトニック結晶２が配置され、この半導体基板上に圧電素子３が形成されるので、半導体微細加工技術を用いてこれらを形成することができ、装置全体を小型化することができる。もちろん、半導体基板内に圧電素子３の駆動回路、電源、波長フィルタ付きホトダイオード等を形成することもできる。
【００４０】
図５は、更に別の実施形態に係る波長可変光源の説明図である。この波長可変光源と図４に示したものとの相違点は、レーザ光源５として、励起光源５Ｅ及びレーザ媒質５Ｍを用い、レーザ媒質５Ｍを含むレーザ共振器を、光ファイバコア６の代わりに配置された出力鏡６と反射鏡７との間に構成した点である。
【００４１】
励起光源５Ｅから出射された励起光は、レーザ媒質５Ｍ内に入力され、レーザ媒質５Ｍは励起されてレーザ光を、その端面から出射する。出射されたレーザ光は、ユニット内に対向配置された２枚の反射鏡６，７間を往復しつつ増幅されて発振し、増幅されたレーザ光は、反射率が低い方の反射鏡（出力鏡）６を介して外部へと出力される。
【００４２】
このレーザ共振器内を往復可能なレーザ光波長は、ホトニック結晶２によって制限され、圧電素子３による外力によって変化する。本例においても、圧電素子３の駆動量に応じて出力光の波長帯域が変化する。
【００４３】
本例においては、レーザ媒質５ＭをＴｉ：サファイアとするものである。これを用いたレーザ光源５は、その共振器内にホトニック結晶２が配置されてなるチタンサファイアレーザである。チタンサファイアレーザにおいては、波長と同時に時間幅も変化する。チタンサファイアレーザはフェムト秒の時間幅のパルス光を発生することができ、この波長帯域は共振器内に配置されたホトニック結晶２によって変化させることができる。なお、レーザ媒質５Ｍとして、Ｃｒ3+：ＬｉＳｒＡｌＦ6結晶やＣｒ3+：ＬｉＣａＡｌＦ6結晶を用いることもできる。
【００４４】
なお、ファブリペロー干渉計や多層膜鏡（ダイクロイックミラー）も、０次元或いは１次元のホトニック結晶である。ホトニック結晶２は、このような用途にも応用できる。また、上述のような柔らかいホトニック結晶２は、今後、その微小球２Ｂや気泡の大きさや配列の安定性、その制御性を向上させるための機械的精度、ゲルの長期安定性、温度安定性、光ファイバや他の光学部品との接続方法、ゲル封入容器、毎回同様の外力を印加できる外力印加機構等について研究が進められるものと期待される。
【００４５】
【発明の効果】
本発明の波長可変光源によれば、外力によって変形することにより、出力光の波長を十分に変化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】波長可変光源の説明図である。
【図２】ホトニック結晶２の斜視図である。
【図３】ダイクロイックミラーによる出力光の透過率（任意定数）の波長（ｎｍ）依存性を示すグラフである。
【図４】別の実施形態に係る波長可変光源の説明図である。
【図５】更に別の実施形態に係る波長可変光源の説明図である。
【符号の説明】
１Ｈ…ヒートシンク、１Ｖ…Ｖ溝台、１…土台、２…ホトニック結晶、２Ｂ…微小球、２Ｇ…物質、３…圧電素子、４…駆動装置、５…光源（レーザ光源）、５Ａ，５Ｂ…対向端面、５Ｅ…励起光源、５Ｍ…レーザ媒質、６…出力部（出力窓、出力鏡、光ファイバコア）、６’…クラッド、７…反射鏡、Ｃ…カバー部材、Ｖ…容器。
【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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