周波数可変光を生成する周波数可変光源および方法
【課題】モードホッピングを伴わない周波数チューニングを達成する。
【解決手段】
周波数可変光源および該光源を生成する方法が提供される。周波数可変光源は、共振光空洞（１２）、光利得媒体（１８）、光学モードフィルタ（２０）、およびモード周波数チューナー（２２）を備える。共振光空洞は、対応するモード周波数を有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする。光利得媒体は、該空洞に配置され、光を増幅する。光学モードフィルタは、空洞で発振する光と交差するよう配置され、チューニング可能な中央周波数を備えた光透過通過帯域を有する。モード周波数チューナーは、発振する光と交差するよう配置され、空洞の縦モードのモード周波数を、チューニング可能なように変更する。
【解決手段】
周波数可変光源および該光源を生成する方法が提供される。周波数可変光源は、共振光空洞（１２）、光利得媒体（１８）、光学モードフィルタ（２０）、およびモード周波数チューナー（２２）を備える。共振光空洞は、対応するモード周波数を有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする。光利得媒体は、該空洞に配置され、光を増幅する。光学モードフィルタは、空洞で発振する光と交差するよう配置され、チューニング可能な中央周波数を備えた光透過通過帯域を有する。モード周波数チューナーは、発振する光と交差するよう配置され、空洞の縦モードのモード周波数を、チューニング可能なように変更する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数可変光を生成する周波数可変光源および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの周波数可変光源には、１つの光学利得要素と１つ又は複数のフィルタ要素とを含む共振光空洞（キャビティ）が含まれている。該共振光空洞により、光の発振が、均等な間隔を有する一組の離散した光学モードに量子化され、これらの大部分が、フィルタ要素によって消滅する。多くの用途では、単一の光学モードの単一波長出力ビームを生成することが望ましい。又、指定された周波数範囲にわたって、モードホッピング(mode hopping)なしに光源を連続的に調整することができることが望ましい。しかしながら、このような結果を達成するには、光源の共振光空洞の光学モードとフィルタ要素の周波数応答を、同期してチューニングしなければならない。又、高度なモード安定性を実現するには、光学モードの間隔に対するフィルタの帯域幅の比を相対的に小さくする必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
モードホッピングなしに周波数をチューニングすることが可能な光源を実現する方法には、多数の様々なものが存在している。
【０００４】
いくつかの方法においては、反射器を移動させることによって光空洞の光学的な長さを変化させ、これにより、光空洞のモード周波数を変化させる。十分な周波数チューニングの安定性と精度を有する実用的なチューニングレンジを達成するには、高精度で（例：数ピコメートルのレベル）、大きな範囲にわたって（例：５００マイクロメートル以上のレベル）、反射器を移動させる能力を有する反射器移動メカニズムを具備する必要があるが、このような反射器移動メカニズムは、まだ開発されてはいない。
【０００５】
他の方法においては、一対の音響光学装置を使用して、光空洞のモード周波数を変化させる。これらの方法においては、音響光学偏向器もまた、光空洞のモードを選択する処理に使用される。音響光学装置における機能のこのような結合により、モードホッピングを伴わない周波数チューニングを達成するのに、空洞フィルタリング機能とモードフィルタリング機能の同期化が更に困難になっている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、周波数可変光を生成する周波数可変光源及び方法を特徴とする。本発明によれば、モードホッピングなしに、指定された周波数範囲にわたって迅速かつ連続的に掃引可能な単一波長の出力ビームを生成することができる。
【０００７】
一つの側面によると、本発明は、共振光空洞、光学利得媒体、光学モードフィルタ、及びモード周波数チューナーを含む周波数可変光源を特徴とする。共振光空洞は、モード周波数をそれぞれが有する少なくとも１つの縦モードにおける光の発振をサポートする。光学利得媒体は、該共振光空洞内に配置されており、光を増幅するよう動作可能である。光学モードフィルタは、共振光空洞内で発振する光と交差するよう配置されており、チューニング可能な中央周波数を備えた光透過の通過帯域を有している。モード周波数チューナーは、共振光空洞内において発振する光と交差するよう配置されており、共振光空洞の少なくとも１つの縦モードのモード周波数を、チューニング可能なように変化させるよう動作可能である。
【０００８】
他の側面においては、本発明は、波長可変光を生成する方法を特徴とする。この本発明による方法によれば、まず、共振光空洞を提供する。この共振光空洞は、モード周波数をそれぞれが有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする。該共振光空洞内の少なくとも１つの縦モードの光を増幅する。該共振光空洞のモード周波数を変化させる。そして、この光を、透過帯域フィルタリングする。
【０００９】
尚、本発明の他の特徴および利点については、図面を含む以下の説明を参照することにより、明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の説明においては、類似の要素は類似の参照符号を使用して識別される。又、図面は、模範的な実施例の主要な特徴を示すよう意図されたものであり、これらの図面は、実際の実施例のすべての特徴を表すことを意図しておらず、また、表されている要素の相対的な寸法も正確な縮尺によって示されていない。
【００１１】
図１は、その位置が互いに固定されている第１及び第２の反射器１４および１６間に規定された共振光空洞１２を含む周波数可変光源１０の一実施例を示している。共振光空洞１２は、光学利得媒体１８、光学モードフィルタ２０、及びモード周波数チューナー２２を含む。光学利得媒体１８は、共振光空洞１２において発振する光を増幅する。光学モードフィルタ２０は、光空洞１２のモードを選択し、モード周波数チューナー２２は、該モードの実際の周波数を設定する。モード周波数チューナー２２は、共振光空洞１２のモード周波数を制御する。光学モードフィルタ２０は、或る光透過の通過帯域(optical transmission band-pass)内の限られたいくつかのものを除いてすべての光学モードを消滅させることにより、共振光空洞１２の光学モードを選択する。例えば、いくつかの実現形態においては、光学モードフィルタ２０は、共振光空洞１２によってサポートされる最大１０個の縦モード(longitudinal mode)を達成する３ｄＢの帯域幅を有する。この実施例においては、光学モードフィルタ２０によって提供される光透過帯域機能により、モードフィルタリング機能と空洞チューニング機能が分離されており（結合されていない）、これにより、モードホッピングを伴わない周波数チューニングを達成するのに、モードフィルタリング機能及び空洞チューニング機能の同期化が容易になっている。又、モード周波数チューナー２２は、可動部品なしに共振光空洞１２をチューニングし、これにより、高精度で大きな範囲にわたって反射器を移動させる能力を有する反射器移動メカニズムが不要となっている。
【００１２】
後程詳述するように、いくつかの実現形態においては、光学モードフィルタ２０を、モード周波数チューナー２２と同期するようチューニングすることにより、出力光の周波数チューニング中に、共振光空洞１２の光が、同じモードを発振するようにしている。この周波数可変光源１０は、出力光の周波数を設定する静的モードと、出力光の周波数が１つの周波数から別のものに変化する動的モード、という２つの動作モードを備えている。
【００１３】
光学利得媒体１８は、共振光空洞１２において発振する光を増幅するよう構成された、任意のタイプの光学利得媒体であってもよい。例えば、いくつかの実現形態においては、光学利得媒体１８は半導体増幅器であり、これは、ＰＮ接合において光学的に励起された正孔と電子の再結合によって光を増幅する。このような半導体増幅器から放射される光は、通常、半導体増幅器の活性領域の材料のバンドギャップエネルギーに近接した中心を有する光子エネルギーの有限の広がりによって特徴付けられる。これらの実現形態のいくつかにおいては、１つ又は複数のコリメータレンズが共振光空洞１２内に配置されており、光学利得媒体１８から発散する出力光ビームを平行な光ビームに変換すると共に、リターン光ビームを光学利得媒体１８の活性領域上に合焦する。
【００１４】
半導体増幅器の活性領域は、通常、共振光空洞１２内の光路に直交する半導体基板の一対のフェーセット(facet)間に位置している。これらのフェーセットは、共振光空洞１２における要素の配置に応じて、反射防止コーティング及び反射コーティングを含む１つ又は複数の表面処理を含むことができる。
【００１５】
第１及び第２の反射器１４および１６は、共振光空洞１２において発振する光を、少なくとも部分的に反射する。これらの第１及び第２の反射器１４および１６は、それぞれ、周波数可変光源１０の指定された光学周波数範囲内の光を少なくとも部分的に反射するようになっている。典型的な反射器には、光学利得媒体の反射フェーセット、ミラー、回折格子、及びリトロレフレクター(retororeflector)が含まれる。
【００１６】
光学モードフィルタ２０は、その中央周波数がチューニング可能である任意のタイプの、光学的に透過性を有する光学帯域（バンドパス）フィルタである。光学モードフィルタ２０は、１つ又は複数のチューニング可能な干渉(interference)タイプのフィルタ、及びチューニング可能な吸収(absorption)タイプのフィルタから形成されることができる。典型的なチューニング可能な干渉タイプのフィルタは、エタロンフィルタ(etalon filter)を含み、これは、複数の反射干渉によって狭い通過帯域を定義する間隔だけ離れた２つの（多くの場合に、平行な）部分的な反射性を有する表面を備えた干渉計である。該２つの部分的な反射性を有する表面は、両方とも平坦であってよいが、これらの表面のうちの１つ又は両方を湾曲させてもよい。エタロンフィルタは、該２つの反射表面間の間隔を変化させるか、又は、該２つの反射表面間に配置されている材料の屈折率を変化させることによって、チューニングされる。例えば、エアギャップエタロン(air gap etalon)は、機械的、熱的、電気的、又は磁気的に動作させることができる、気体が充填されたギャップを含むことができ、該ギャップを充填している材料の屈折率又はギャップの厚さのいずれか又は両方を変化させることができる。代替的に、一対の反射表面間に配置された電気光学媒体を有するエタロンを使用することもできる。該電気光学媒体は、電気的にチューニング可能な屈折率を有する。さらに、代替的に、光学モードフィルタ２０は、複屈折媒体、１つ又は複数の偏光器、及び、共振光空洞１２において発振する光の偏光面を制御可能なように回転させる可変ファラデー回転器（variable Faraday rotator）などの要素を含む複屈折フィルタを含むこともできる。該複屈折媒体は、電気刺激又は機械刺激に応答して、可変光路長を生成する「ポッケルス・セル(Ｐｏｃｋｅｔｓ Ｃｅｌｌ)」または「カー・セル（Ｋｅｒｒ ｃｅｌｌ）」などの、任意のタイプの材料であってよい。
【００１７】
モード周波数チューナー２２は、共振光空洞１２のモード周波数を、チューニング可能なように変化させることができる任意のタイプの光学装置であることができる。例えば、いくつかの実現形態においては、モード周波数チューナー２２は、音響光学偏向器、音響光学変調器、及び音響光学可変フィルタの中から選択された１つ又は複数の音響光学装置を含む。これらのタイプの音響光学装置は、いずれも、共振光空洞において発振する光に対して、ドップラー周波数シフト(Doppler frequency shift)を引き起こす。該周波数シフトの方向は、光の伝播方向に対する、音響光学装置における音波の伝播方向によって左右される。周波数可変光源１０のいくつかの実現形態においては、モード周波数チューナー２２は、第１及び第２の音響光学装置を含む。第１の音響光学装置は、共振光空洞において発振する光のモード周波数に対して第１のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能であり、第２の音響光学装置は、共振光空洞において発振する光のモード周波数に対して第２のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能であり、ここで、第１及び第２のドップラーシフトの方向は反対である。
【００１８】
第１及び第２の音響光学装置に印加される駆動周波数間の差により、共振光空洞１２のモード周波数の時間当たりの変化率を制御する。
【００１９】
静的動作モードにおいては、モードチューニングフィルタ２２に対するＲＦ駆動信号は、周波数と位相において等しくなっており、よって出力光の光学周波数は変化しない。光学モードフィルタ２０の中央周波数も静止状態にある。従って、光学モードフィルタ２０の通過帯域内の光学モードは、周波数が固定された状態にあり、共振光空洞１２において、単一の光学モードのみが、固定された光学周波数において発振することになる。
【００２０】
動的動作モードにおいては、出力光の光学周波数が変化する。この動作モードにおいては、モード周波数チューナー２２に対する駆動信号は、周波数又は位相において異なっている。共振光空洞１２によってサポートされるモードは、モード周波数チューナー２２に対する駆動信号間の周波数差又は位相差によって決定される一定のレートで、上方又は下方に周波数が変化することになる。音響光学のアップシフト側(upshifter)の駆動周波数が、音響光学ダウンシフト側(downshifter)の駆動周波数を上回っている場合には、空洞のそれぞれの往復ごとに、正味の（最終的には）周波数アップシフトが存在し、モードは、周波数の上昇方向に連続的にチューニングされることになる。一方、音響光学のダウンシフト側の駆動周波数が音響光学のアップシフト側の駆動周波数を上回っている場合には、空洞のそれぞれの往復ごとに、正味の周波数ダウンシフトが存在し、モードは、周波数の下降方向に連続的にチューニングされることになる。このような動的動作モードにおいては、変化するモード周波数に追随するよう、光学モードフィルタ２０の中央周波数が変化し、こうして、モードホッピングなしに、出力光の光学周波数を増加又は減少させることができる。この動的モードには、出力光の周波数が掃引されるチャープモード(chirp mode)と、出力光の周波数が１つの静的周波数から別の静的周波数に変化するチューニングモードという２つの動作モードが含まれている。
【００２１】
図２は、周波数可変光源１０によって周波数可変光を生成する方法の一実施例を示している。まず、モード周波数をそれぞれが有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする共振光空洞を提供する（ブロック３０）。該共振光空洞において、光学利得媒体１８により、少なくとも１つの縦モードの光を増幅する（ブロック３２）。次いで、モード周波数チューナー２２により、該共振光空洞のモード周波数を変化させる（ブロック３４）。光学モードフィルタ２０により、該共振光空洞内の光を、透過帯域フィルタリングする（ブロック３６）。光学モードフィルタ２０の光透過通過帯域は、通常、光の目標光学周波数に実質的に対応する中央周波数を有している。
【００２２】
図３は、光学モードフィルタ２０がファブリ−ペロエタロン(Fabry-Perot etalon)２５を含み、モード周波数チューナー２２が、一対の音響光学偏向器４０および４２によって実現されており、半導体増幅器の光学利得媒体４５の反射フェーセット４４が、第１の反射器１４を提供し、ミラー４６が、第２の反射器１６を提供している周波数可変光源１０の実現形態３８を示している。フェーセット４４及びミラー４６は、ファブリ−ペロエタロン２５、一対の音響光学偏向器ア４０および４２、及び、レンズ６４を有する共振光空洞４８を画定している。共振光空洞４８は、少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする。この実施例においては、ミラー４６が高反射率を呈する一方で、反射フェーセット４４が、部分的な反射性を呈することにより、共振光空洞４８において発振する光の一部が、出力ビーム５０の形態で出射することを可能にしている。
【００２３】
光学モードフィルタ２０のファブリ−ペロエタロン２５は、第１及び第２のわずかに離隔した部分的な反射性を有する表面２６および２７を有する。光が、第１及び第２の表面２６および２７に到達するたびに、該光の一部が透過し、この結果、複数のビームが互いに干渉して、高分解能を有する干渉計を生成する。例示の目的のため、ここでは、表面２６を平坦なものとし、表面２７を凹状のものとして示しているが、実際には、これらの表面のいずれか又は両方が、平坦でもよいし、凹状でもよいし、又は凸状でもよい。フィルタドライバ２８は、反射器２６、２７間の間隔を調節して、ファブリ−ペロエタロン２５の通過帯域の中央周波数を調節する。いくつかの実現形態において、ファブリーペローエタロン２５は、例えば、米国特許第６，３３９，６０３号、米国特許第６，３４５，０５９号、米国特許第６，２８２、２１５号、及び米国特許第６，５２６，０７１号の各明細書のいずれにも記述されているように、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）又はＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｏｐｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の一部である。
【００２４】
いくつかの実現形態においては、１／４波長板が、光学モードフィルタ２０のそれぞれの側に配置されており、ファブリ−ペロエタロン２５の反射面からの反射を打ち消す挙動をする。
【００２５】
音響光学偏向器４０および４２は、それぞれ、対応する複屈折水晶基板５２および５４（例：二酸化テルル又はニオブ酸リチウム）と、対応する電気機械変換器５６および５８を含む。変換器５６および５８のそれぞれは、例えば、単一の圧電変換器又は圧電変換器のアレイによって実現されることができる。該変換器５６および５８は、図３に示されているように、１つのＲＦドライバ５９（又は、それぞれが変換器に対応して設けられる複数のＲＦドライバ）によって駆動されることができる。該変換器５６および５８は、整合回路（図示されてはいない）によって、１つ又は複数のＲＦドライバに接続されている。受信したＲＦ駆動信号に応答して、該変換器５６および５８は、それぞれ、複屈折水晶基板５２および５４に、ＲＦ駆動信号の周波数に対応する音響周波数の音波６０および６２を生成する。
【００２６】
第１の音響光学偏向器４０は、共振光空洞４８を伝播する光と交差するよう配置されており、該交差した光を偏向して、共振光空洞４８の縦モードの周波数に対して第１のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能である。又、第２の音響光学偏向器４２も、共振光空洞４８を伝播する光と交差するよう配置されており、該交差した光を偏向して、共振光空洞４８の縦モードの周波数に対して第２のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能である。該第１及び第２のドップラーシフトは、その方向が反対になっている。この図示の実施例においては、図３に示されているように、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２は、交差した光を、実質的に等しく且つ反対の角度に偏向させており、この結果、該交差した光の角度偏向は、実質的に正味ゼロになっている。この結果、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２に印加される駆動信号の周波数に応じて、光ビームは、第１のミラー４６の表面上の様々な場所に入射するが、発振する光ビームは、常に、ミラー４６の表面に対して実質的に垂直になっている。
【００２７】
動作の際、光学利得媒体４５が光を増幅する。光は、レンズ６４に向かって発散し、該レンズ６４が、光を平行ビームに変換する。光学モードフィルタ２０により、この平行ビームには、モードホッピングに対する光源３８の抵抗力全体に寄与する狭いフィルタ通過帯域が適用される。フィルタリング済みのビームは、第１の音響光学偏向器４０に進入する。該偏向器は、ビームを、変換器５６に向けて偏向し、該フィルタリング済みのビームの周波数を、音波６０の音響周波数に対応する量だけ、ダウンシフトする。該偏向され且つアップシフトされたビームは、第１の音響光学偏向器４０の平坦な面６６から出射する。該偏向されたビームは、第２の音響光学偏向器４２の平坦な面６８を通過する。第２の音響光学偏向器４２は、変換器５８から離れる方向にビームを偏向させ、このビームの周波数を、音波６２の音響周波数に対応する量だけ、アップシフトする。いくつかの動作モードにおいては、第１の音響光学偏向器４０による光ビームのスペクトルシフトを実質的にキャンセルするように、第２の音響光学偏向器４２は駆動される。ミラー４６は、第２の音響光学偏向器４２によって偏向されたビームを遮り、該遮ったビームを反射して第２の音響光学偏向器４２に向かって返す。
【００２８】
復路においては、光ビームは、同一の光ビーム経路４８を通り、光学利得媒体１８に戻ってくる。レンズ６４が、この平行なリターンビームを、半導体増幅器の光学利得媒体４５の活性領域上に合焦する。次いで、反射フェーセット４４が、該リターンビームと交差し、該リターンビームを、同一のビーム経路に沿って反射してレンズ６４に向かって戻す。こうして、共振光空洞４８内における光の往復が完成することになる。この反射光は、光学利得媒体４５を通過するに伴って、該光学利得媒体４５によって増幅される。出力ビーム５０は、部分的な反射性を有するフェーセット４４を介して抽出される。
【００２９】
反射フェーセット４４及びミラー４６により、光は、共振光空洞４８内において往復伝播する。光場(optical field)の位相が１往復後に連続しているため、共振光空洞４８により、光は、一組の離散した共振光学周波数（即ち、モード周波数）に閉じ込められることになる。これらのモード周波数は、間隔ｃ／（Ｌ）だけ、等間隔で離隔しており、ここで、ｃは、光の速度であり、Ｌは、共振光空洞４８の往復光路長である。図４Ａは、発振する光の波長の関数として表された、典型的な一組の縦モードを示している。
【００３０】
第１及び第２の音響光学偏向器４０、４２によって組み合わされるビーム偏向、および光学モードフィルタ２０の通過帯域は、光学利得媒体４５によって光の単一周波数のみが増幅されるように、共振光空洞４８の光路長を構成している。図４Ｂは、光学周波数に対する光学利得媒体１８の全体的な利得７０の典型を示している。又、図４Ｂは、光学周波数に対する光空洞４８の１往復当たりの正味の光学利得７２の典型を示している。この正味光学利得は、全体利得７０と光学モードフィルタ２０の通過帯域応答との積になっている。図４Ｂに示されているように、光学モードフィルタ２０により、周波数の狭い帯域のみが光学利得媒体４５によって増幅される。この周波数帯域に含まれているのは、図４Ｂに示されているように、限られた数のモードのみである。多くの場合、所与の時点において共振光空洞４８内で発振する光学モードフィルタの通過帯域内のモードは１つのみであることが望ましい。光学モードフィルタ２０の通過帯域内のモード数が相対的に小さいことから（例：１〜１０個のモード）、シングルモードに対応する出力を確実に生成する光源３８の能力が向上することになる。
【００３１】
１つの動的動作モードにおいては、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２により、モード周波数を、非常に便利な手法でチューニングすることができる。具体的には、同一音響周波数の駆動信号を第１及び第２の変換器５６、５８に印加し、これらの駆動信号間の位相差を調節することにより、モード周波数をチューニングする。光空洞４８では、位相差πラジアンごとに、１モード間隔に対応する距離だけ、空洞の光路長がチューニングされることになる。リング(ring)空洞の場合には（例えば、図８に示されている実施例を参照されたい）、位相差２πラジアンごとに、１モード間隔に対応する距離だけ、光路長がチューニングされる。
【００３２】
他の動的動作モードにおいては、わずかに異なる音響周波数ｆ１及びｆ２において第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２を駆動して光空洞４８のモード周波数をチューニングすることにより、出力光の連続的な周波数チューニングを達成する。これらの実現形態においては、音響光学偏向器４０および４２によって引き起こされる光のドップラー周波数シフトは、正確にはキャンセルされない。駆動周波数ｆ１及びｆ２が一定に（但し、異なって）保持されている場合には、モード周波数は、最終的に、光学モードフィルタ２０の通過帯域外においてチューニングされることになり、別のモードの発振が始まることになる。これは、望ましくない。従って、連続チューニングを達成するために、変化するモード周波数に追随するように、光学モードフィルタ２０の通過帯域の中央周波数を変化させる。
【００３３】
前述したように、周波数可変光源１０は、出力光が周波数掃引(frequency sweep)を受けるチャープモード(chirp mode)において動作することができる。以下の説明においては、周波数可変光源の実現形態３８の期待される自由スペクトル領域(free spectral range)は、２ＧＨｚであると仮定しており、且つ、該光源は、レーザー公称波長が１５５０ｎｍである場合に、１０００ｎｍ／ｓ（すなわち、１２５ＴＨｚ／ｓ）のチャープスキャンレート(chirp scan rate)を有するチャープ出力を生成するものと仮定している。これらのパラメータの場合には、或る特定の設計の或る動作モードにおいては、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２に印加される駆動信号の周波数は、Δｆ＝３１．３ｋＨｚだけ異なっている。この設計のこの動作モードにおいて、周波数差Δｆによって発生するミラー４６におけるビームのずれ(deviation)ΔΦは、ΔΦ＝０．００２５４Δｆによって与えられる（この角度の計測単位は、ラジアンであり、周波数差の単位は、ＭＨｚである）。１往復後に光学利得媒体４５に戻ってきたときの角度のずれは、この値の２倍である。
【００３４】
１０００ｎｍ／ｓのスキャンレートの場合には、Δｆ＝３１．３ｋＨｚであり、この周波数差によれば、共振光空洞４８における１往復の後に、０．１６ｍｒａｄ（ミリラジアン）のビームのずれが発生する。半導体増幅器の光学利得媒体４５の角度許容値は、通常、±１ｍｒａｄであるため、このビームのずれは、この設計のこのスキャンレートにおいては、許容可能である。但し、１０００ｎｍ／ｓを大幅に上回るスキャンレートの場合には、この特定の設計においても、ビームのずれは大きなものになる。
【００３５】
図５を参照すると、このビームのずれは、リトロレフレクター９０でミラー４６（図３に示されている）を置換することにより、少なくとも部分的に低減され、リトロレフレクターは、その外に向かう経路(outward path)に平行な経路に沿ってリターンビームを反射する。但し、リターンビームが該外に向かうビームと平行である場合にも、光学周波数のチャープに伴って、リターンビームは、該外に向かうビームから離れる方向にシフトされる。この結果、リターンビームの一部が光学利得媒体４５から外れ、システムの光学利得が低下することになる。多くの場合、この影響は無視可能な程度に小さいが、常にそうであるというわけではない。このため、これらの実現形態のいくつかにおいては、チャープを生成するよう第２の音響光学偏向器４２を駆動する音響周波数を変化させることに加え、第１の音響光学偏向器を駆動する音響周波数をも変化させる。
【００３６】
図５及び図６は、音響駆動周波数の変化を見積もる方法を示している。図５は、音響光学偏向器４０および４２の両方が同一の音響周波数ｆ０（例：ｆ０≒５０ＭＨｚ）で駆動される定常状態のケースを示している。したがって、第２の音響光学偏向器４２から出るビームは、第１の音響光学偏向器４０に進入するビームと平行である。リトロレフレクター９０は、Ｒ点に配置されている。
【００３７】
図６においては、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２に対する駆動周波数を、異なる量Δｆ１及びΔｆ２だけ、それぞれ増やしている。この結果、ビーム経路が、角度Δε及びΔρだけずれている（これらの角度は、周波数の増分Δｆ１及びΔｆ２の線形関数である）。そして、この角度のずれの結果、リトロレフレクターにおいて、ビームは、距離Δｈだけ線形に変位されている。
【００３８】
駆動周波数の増分Δｆ１及びΔｆ２は、Δｈ＝０となるように選択される。これは、これらが次の式（１）を満足することを意味している。
【００３９】
Ａ×Δｆ１＋Ｂ×Δｆ２＝０ （１）
ここで、Ａ及びＢは、音響光学偏向器の特性と共振光空洞４８のレイアウトによって決まる定数である。これらの定数については、算出又は計測することができる。
【００４０】
所与のチャープレートについて、音響周波数の差は、次のように、既知の値Δｆを有する。
【００４１】
Δｆ１−Δｆ２＝Δｆ （２）
図３に示されている特定の光源の場合には、式（１）及び式（２）の解は、次の式（３）及び式（４）によって与えられる。
【００４２】
Δｆ１＝−０．９２Δｆ （３）
Δｆ２＝−１．９２Δｆ （４）
このように、ｆ０＝５０ＭＨｚであって、Δｆ＝３１．３ｋＨｚの場合、第１及び第２の音響光学偏向器を駆動する音響周波数は、４９．９７１２ＭＨｚと４９．９３９９ＭＨｚである。
【００４３】
図７は、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２の向きが異なることを除いて、実現形態３８と同一の周波数可変光源１０の実現形態８０を示している。この形態においては、フィルタリング済みのビーム８２は、第１の音響光学偏向器４０内に進入し、該偏向器は、ビームを、変換器５６に向かって偏向し、フィルタリング済みのビームの周波数は、音波６０の音響周波数に対応する量だけ、ダウンシフトされる。該偏向されダウンシフトされたビームは、第１の音響光学偏向器４０の平坦な面８４から出射する。次いで、該偏向されたビームは、第２の音響光学偏向器４２の平坦な面８６を通過する。第２の音響光学偏向器４２は、ビームを、変換器５８から離れるように偏向し、ビームの周波数は、音波６２の音響周波数に対応する量だけ、アップシフトされる。他の観点においては、この光源８０の動作は、光源３８の動作に非常に類似したものとなる。
【００４４】
図８は、光学利得媒体１８、光学モードフィルタ２０、モード周波数チューナー２２、及び、共振光空洞９４を画定する４つの反射表面９６、９８、１００、１０２を含む循環型（すなわちリング型）の共振光空洞９４を含む周波数可変光源９２の実施例を示している。光源９２の各コンポーネントは、波長光源１０と関連して前述した対応するコンポーネントと同一の手法で実現されることができる。光源９２の動作も、周波数可変光源１０の動作と実質的に同一である。
【００４５】
尚、他の実施形態も、特許請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】周波数可変光源の一実施例のブロック図。
【図２】周波数可変光を生成する方法の一実施例のフローチャート。
【図３】図１に示されている周波数可変光源の実現形態のブロック図。
【図４Ａ】図３に示されている周波数可変光源の実現形態における共振光空洞の典型的なモードを示す図。
【図４Ｂ】図３に示されている周波数可変光源の実現形態におけるスペクトルの特徴をグラフィカルに示す図。
【図５】音響光学偏向器を、同一周波数の別個の駆動信号によって駆動した場合の、図３のモード周波数チューナーを介した光の経路を示すブロック図。
【図６】音響光学偏向器を、異なる周波数の別個の駆動信号によって駆動した場合の、図３のモード周波数チューナーを介した光の経路を示すブロック図。
【図７】図１に示されている周波数可変光源の別の実現形態のブロック図。
【図８】循環型共振光空洞を有する周波数可変光源の一実施例の図。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 周波数可変光源
１２ 共振光空洞
１８ 光学利得媒体
２０ 光学モードフィルタ
２２ モード周波数チューナー
４０ 第１の音響光学装置
４２ 第２の音響光学装置
５９ ドライバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周波数可変光を生成する周波数可変光源および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの周波数可変光源には、１つの光学利得要素と１つ又は複数のフィルタ要素とを含む共振光空洞（キャビティ）が含まれている。該共振光空洞により、光の発振が、均等な間隔を有する一組の離散した光学モードに量子化され、これらの大部分が、フィルタ要素によって消滅する。多くの用途では、単一の光学モードの単一波長出力ビームを生成することが望ましい。又、指定された周波数範囲にわたって、モードホッピング(mode hopping)なしに光源を連続的に調整することができることが望ましい。しかしながら、このような結果を達成するには、光源の共振光空洞の光学モードとフィルタ要素の周波数応答を、同期してチューニングしなければならない。又、高度なモード安定性を実現するには、光学モードの間隔に対するフィルタの帯域幅の比を相対的に小さくする必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
モードホッピングなしに周波数をチューニングすることが可能な光源を実現する方法には、多数の様々なものが存在している。
【０００４】
いくつかの方法においては、反射器を移動させることによって光空洞の光学的な長さを変化させ、これにより、光空洞のモード周波数を変化させる。十分な周波数チューニングの安定性と精度を有する実用的なチューニングレンジを達成するには、高精度で（例：数ピコメートルのレベル）、大きな範囲にわたって（例：５００マイクロメートル以上のレベル）、反射器を移動させる能力を有する反射器移動メカニズムを具備する必要があるが、このような反射器移動メカニズムは、まだ開発されてはいない。
【０００５】
他の方法においては、一対の音響光学装置を使用して、光空洞のモード周波数を変化させる。これらの方法においては、音響光学偏向器もまた、光空洞のモードを選択する処理に使用される。音響光学装置における機能のこのような結合により、モードホッピングを伴わない周波数チューニングを達成するのに、空洞フィルタリング機能とモードフィルタリング機能の同期化が更に困難になっている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、周波数可変光を生成する周波数可変光源及び方法を特徴とする。本発明によれば、モードホッピングなしに、指定された周波数範囲にわたって迅速かつ連続的に掃引可能な単一波長の出力ビームを生成することができる。
【０００７】
一つの側面によると、本発明は、共振光空洞、光学利得媒体、光学モードフィルタ、及びモード周波数チューナーを含む周波数可変光源を特徴とする。共振光空洞は、モード周波数をそれぞれが有する少なくとも１つの縦モードにおける光の発振をサポートする。光学利得媒体は、該共振光空洞内に配置されており、光を増幅するよう動作可能である。光学モードフィルタは、共振光空洞内で発振する光と交差するよう配置されており、チューニング可能な中央周波数を備えた光透過の通過帯域を有している。モード周波数チューナーは、共振光空洞内において発振する光と交差するよう配置されており、共振光空洞の少なくとも１つの縦モードのモード周波数を、チューニング可能なように変化させるよう動作可能である。
【０００８】
他の側面においては、本発明は、波長可変光を生成する方法を特徴とする。この本発明による方法によれば、まず、共振光空洞を提供する。この共振光空洞は、モード周波数をそれぞれが有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする。該共振光空洞内の少なくとも１つの縦モードの光を増幅する。該共振光空洞のモード周波数を変化させる。そして、この光を、透過帯域フィルタリングする。
【０００９】
尚、本発明の他の特徴および利点については、図面を含む以下の説明を参照することにより、明らかとなろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下の説明においては、類似の要素は類似の参照符号を使用して識別される。又、図面は、模範的な実施例の主要な特徴を示すよう意図されたものであり、これらの図面は、実際の実施例のすべての特徴を表すことを意図しておらず、また、表されている要素の相対的な寸法も正確な縮尺によって示されていない。
【００１１】
図１は、その位置が互いに固定されている第１及び第２の反射器１４および１６間に規定された共振光空洞１２を含む周波数可変光源１０の一実施例を示している。共振光空洞１２は、光学利得媒体１８、光学モードフィルタ２０、及びモード周波数チューナー２２を含む。光学利得媒体１８は、共振光空洞１２において発振する光を増幅する。光学モードフィルタ２０は、光空洞１２のモードを選択し、モード周波数チューナー２２は、該モードの実際の周波数を設定する。モード周波数チューナー２２は、共振光空洞１２のモード周波数を制御する。光学モードフィルタ２０は、或る光透過の通過帯域(optical transmission band-pass)内の限られたいくつかのものを除いてすべての光学モードを消滅させることにより、共振光空洞１２の光学モードを選択する。例えば、いくつかの実現形態においては、光学モードフィルタ２０は、共振光空洞１２によってサポートされる最大１０個の縦モード(longitudinal mode)を達成する３ｄＢの帯域幅を有する。この実施例においては、光学モードフィルタ２０によって提供される光透過帯域機能により、モードフィルタリング機能と空洞チューニング機能が分離されており（結合されていない）、これにより、モードホッピングを伴わない周波数チューニングを達成するのに、モードフィルタリング機能及び空洞チューニング機能の同期化が容易になっている。又、モード周波数チューナー２２は、可動部品なしに共振光空洞１２をチューニングし、これにより、高精度で大きな範囲にわたって反射器を移動させる能力を有する反射器移動メカニズムが不要となっている。
【００１２】
後程詳述するように、いくつかの実現形態においては、光学モードフィルタ２０を、モード周波数チューナー２２と同期するようチューニングすることにより、出力光の周波数チューニング中に、共振光空洞１２の光が、同じモードを発振するようにしている。この周波数可変光源１０は、出力光の周波数を設定する静的モードと、出力光の周波数が１つの周波数から別のものに変化する動的モード、という２つの動作モードを備えている。
【００１３】
光学利得媒体１８は、共振光空洞１２において発振する光を増幅するよう構成された、任意のタイプの光学利得媒体であってもよい。例えば、いくつかの実現形態においては、光学利得媒体１８は半導体増幅器であり、これは、ＰＮ接合において光学的に励起された正孔と電子の再結合によって光を増幅する。このような半導体増幅器から放射される光は、通常、半導体増幅器の活性領域の材料のバンドギャップエネルギーに近接した中心を有する光子エネルギーの有限の広がりによって特徴付けられる。これらの実現形態のいくつかにおいては、１つ又は複数のコリメータレンズが共振光空洞１２内に配置されており、光学利得媒体１８から発散する出力光ビームを平行な光ビームに変換すると共に、リターン光ビームを光学利得媒体１８の活性領域上に合焦する。
【００１４】
半導体増幅器の活性領域は、通常、共振光空洞１２内の光路に直交する半導体基板の一対のフェーセット(facet)間に位置している。これらのフェーセットは、共振光空洞１２における要素の配置に応じて、反射防止コーティング及び反射コーティングを含む１つ又は複数の表面処理を含むことができる。
【００１５】
第１及び第２の反射器１４および１６は、共振光空洞１２において発振する光を、少なくとも部分的に反射する。これらの第１及び第２の反射器１４および１６は、それぞれ、周波数可変光源１０の指定された光学周波数範囲内の光を少なくとも部分的に反射するようになっている。典型的な反射器には、光学利得媒体の反射フェーセット、ミラー、回折格子、及びリトロレフレクター(retororeflector)が含まれる。
【００１６】
光学モードフィルタ２０は、その中央周波数がチューニング可能である任意のタイプの、光学的に透過性を有する光学帯域（バンドパス）フィルタである。光学モードフィルタ２０は、１つ又は複数のチューニング可能な干渉(interference)タイプのフィルタ、及びチューニング可能な吸収(absorption)タイプのフィルタから形成されることができる。典型的なチューニング可能な干渉タイプのフィルタは、エタロンフィルタ(etalon filter)を含み、これは、複数の反射干渉によって狭い通過帯域を定義する間隔だけ離れた２つの（多くの場合に、平行な）部分的な反射性を有する表面を備えた干渉計である。該２つの部分的な反射性を有する表面は、両方とも平坦であってよいが、これらの表面のうちの１つ又は両方を湾曲させてもよい。エタロンフィルタは、該２つの反射表面間の間隔を変化させるか、又は、該２つの反射表面間に配置されている材料の屈折率を変化させることによって、チューニングされる。例えば、エアギャップエタロン(air gap etalon)は、機械的、熱的、電気的、又は磁気的に動作させることができる、気体が充填されたギャップを含むことができ、該ギャップを充填している材料の屈折率又はギャップの厚さのいずれか又は両方を変化させることができる。代替的に、一対の反射表面間に配置された電気光学媒体を有するエタロンを使用することもできる。該電気光学媒体は、電気的にチューニング可能な屈折率を有する。さらに、代替的に、光学モードフィルタ２０は、複屈折媒体、１つ又は複数の偏光器、及び、共振光空洞１２において発振する光の偏光面を制御可能なように回転させる可変ファラデー回転器（variable Faraday rotator）などの要素を含む複屈折フィルタを含むこともできる。該複屈折媒体は、電気刺激又は機械刺激に応答して、可変光路長を生成する「ポッケルス・セル(Ｐｏｃｋｅｔｓ Ｃｅｌｌ)」または「カー・セル（Ｋｅｒｒ ｃｅｌｌ）」などの、任意のタイプの材料であってよい。
【００１７】
モード周波数チューナー２２は、共振光空洞１２のモード周波数を、チューニング可能なように変化させることができる任意のタイプの光学装置であることができる。例えば、いくつかの実現形態においては、モード周波数チューナー２２は、音響光学偏向器、音響光学変調器、及び音響光学可変フィルタの中から選択された１つ又は複数の音響光学装置を含む。これらのタイプの音響光学装置は、いずれも、共振光空洞において発振する光に対して、ドップラー周波数シフト(Doppler frequency shift)を引き起こす。該周波数シフトの方向は、光の伝播方向に対する、音響光学装置における音波の伝播方向によって左右される。周波数可変光源１０のいくつかの実現形態においては、モード周波数チューナー２２は、第１及び第２の音響光学装置を含む。第１の音響光学装置は、共振光空洞において発振する光のモード周波数に対して第１のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能であり、第２の音響光学装置は、共振光空洞において発振する光のモード周波数に対して第２のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能であり、ここで、第１及び第２のドップラーシフトの方向は反対である。
【００１８】
第１及び第２の音響光学装置に印加される駆動周波数間の差により、共振光空洞１２のモード周波数の時間当たりの変化率を制御する。
【００１９】
静的動作モードにおいては、モードチューニングフィルタ２２に対するＲＦ駆動信号は、周波数と位相において等しくなっており、よって出力光の光学周波数は変化しない。光学モードフィルタ２０の中央周波数も静止状態にある。従って、光学モードフィルタ２０の通過帯域内の光学モードは、周波数が固定された状態にあり、共振光空洞１２において、単一の光学モードのみが、固定された光学周波数において発振することになる。
【００２０】
動的動作モードにおいては、出力光の光学周波数が変化する。この動作モードにおいては、モード周波数チューナー２２に対する駆動信号は、周波数又は位相において異なっている。共振光空洞１２によってサポートされるモードは、モード周波数チューナー２２に対する駆動信号間の周波数差又は位相差によって決定される一定のレートで、上方又は下方に周波数が変化することになる。音響光学のアップシフト側(upshifter)の駆動周波数が、音響光学ダウンシフト側(downshifter)の駆動周波数を上回っている場合には、空洞のそれぞれの往復ごとに、正味の（最終的には）周波数アップシフトが存在し、モードは、周波数の上昇方向に連続的にチューニングされることになる。一方、音響光学のダウンシフト側の駆動周波数が音響光学のアップシフト側の駆動周波数を上回っている場合には、空洞のそれぞれの往復ごとに、正味の周波数ダウンシフトが存在し、モードは、周波数の下降方向に連続的にチューニングされることになる。このような動的動作モードにおいては、変化するモード周波数に追随するよう、光学モードフィルタ２０の中央周波数が変化し、こうして、モードホッピングなしに、出力光の光学周波数を増加又は減少させることができる。この動的モードには、出力光の周波数が掃引されるチャープモード(chirp mode)と、出力光の周波数が１つの静的周波数から別の静的周波数に変化するチューニングモードという２つの動作モードが含まれている。
【００２１】
図２は、周波数可変光源１０によって周波数可変光を生成する方法の一実施例を示している。まず、モード周波数をそれぞれが有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする共振光空洞を提供する（ブロック３０）。該共振光空洞において、光学利得媒体１８により、少なくとも１つの縦モードの光を増幅する（ブロック３２）。次いで、モード周波数チューナー２２により、該共振光空洞のモード周波数を変化させる（ブロック３４）。光学モードフィルタ２０により、該共振光空洞内の光を、透過帯域フィルタリングする（ブロック３６）。光学モードフィルタ２０の光透過通過帯域は、通常、光の目標光学周波数に実質的に対応する中央周波数を有している。
【００２２】
図３は、光学モードフィルタ２０がファブリ−ペロエタロン(Fabry-Perot etalon)２５を含み、モード周波数チューナー２２が、一対の音響光学偏向器４０および４２によって実現されており、半導体増幅器の光学利得媒体４５の反射フェーセット４４が、第１の反射器１４を提供し、ミラー４６が、第２の反射器１６を提供している周波数可変光源１０の実現形態３８を示している。フェーセット４４及びミラー４６は、ファブリ−ペロエタロン２５、一対の音響光学偏向器ア４０および４２、及び、レンズ６４を有する共振光空洞４８を画定している。共振光空洞４８は、少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする。この実施例においては、ミラー４６が高反射率を呈する一方で、反射フェーセット４４が、部分的な反射性を呈することにより、共振光空洞４８において発振する光の一部が、出力ビーム５０の形態で出射することを可能にしている。
【００２３】
光学モードフィルタ２０のファブリ−ペロエタロン２５は、第１及び第２のわずかに離隔した部分的な反射性を有する表面２６および２７を有する。光が、第１及び第２の表面２６および２７に到達するたびに、該光の一部が透過し、この結果、複数のビームが互いに干渉して、高分解能を有する干渉計を生成する。例示の目的のため、ここでは、表面２６を平坦なものとし、表面２７を凹状のものとして示しているが、実際には、これらの表面のいずれか又は両方が、平坦でもよいし、凹状でもよいし、又は凸状でもよい。フィルタドライバ２８は、反射器２６、２７間の間隔を調節して、ファブリ−ペロエタロン２５の通過帯域の中央周波数を調節する。いくつかの実現形態において、ファブリーペローエタロン２５は、例えば、米国特許第６，３３９，６０３号、米国特許第６，３４５，０５９号、米国特許第６，２８２、２１５号、及び米国特許第６，５２６，０７１号の各明細書のいずれにも記述されているように、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）又はＭＯＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｏｐｔｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）の一部である。
【００２４】
いくつかの実現形態においては、１／４波長板が、光学モードフィルタ２０のそれぞれの側に配置されており、ファブリ−ペロエタロン２５の反射面からの反射を打ち消す挙動をする。
【００２５】
音響光学偏向器４０および４２は、それぞれ、対応する複屈折水晶基板５２および５４（例：二酸化テルル又はニオブ酸リチウム）と、対応する電気機械変換器５６および５８を含む。変換器５６および５８のそれぞれは、例えば、単一の圧電変換器又は圧電変換器のアレイによって実現されることができる。該変換器５６および５８は、図３に示されているように、１つのＲＦドライバ５９（又は、それぞれが変換器に対応して設けられる複数のＲＦドライバ）によって駆動されることができる。該変換器５６および５８は、整合回路（図示されてはいない）によって、１つ又は複数のＲＦドライバに接続されている。受信したＲＦ駆動信号に応答して、該変換器５６および５８は、それぞれ、複屈折水晶基板５２および５４に、ＲＦ駆動信号の周波数に対応する音響周波数の音波６０および６２を生成する。
【００２６】
第１の音響光学偏向器４０は、共振光空洞４８を伝播する光と交差するよう配置されており、該交差した光を偏向して、共振光空洞４８の縦モードの周波数に対して第１のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能である。又、第２の音響光学偏向器４２も、共振光空洞４８を伝播する光と交差するよう配置されており、該交差した光を偏向して、共振光空洞４８の縦モードの周波数に対して第２のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能である。該第１及び第２のドップラーシフトは、その方向が反対になっている。この図示の実施例においては、図３に示されているように、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２は、交差した光を、実質的に等しく且つ反対の角度に偏向させており、この結果、該交差した光の角度偏向は、実質的に正味ゼロになっている。この結果、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２に印加される駆動信号の周波数に応じて、光ビームは、第１のミラー４６の表面上の様々な場所に入射するが、発振する光ビームは、常に、ミラー４６の表面に対して実質的に垂直になっている。
【００２７】
動作の際、光学利得媒体４５が光を増幅する。光は、レンズ６４に向かって発散し、該レンズ６４が、光を平行ビームに変換する。光学モードフィルタ２０により、この平行ビームには、モードホッピングに対する光源３８の抵抗力全体に寄与する狭いフィルタ通過帯域が適用される。フィルタリング済みのビームは、第１の音響光学偏向器４０に進入する。該偏向器は、ビームを、変換器５６に向けて偏向し、該フィルタリング済みのビームの周波数を、音波６０の音響周波数に対応する量だけ、ダウンシフトする。該偏向され且つアップシフトされたビームは、第１の音響光学偏向器４０の平坦な面６６から出射する。該偏向されたビームは、第２の音響光学偏向器４２の平坦な面６８を通過する。第２の音響光学偏向器４２は、変換器５８から離れる方向にビームを偏向させ、このビームの周波数を、音波６２の音響周波数に対応する量だけ、アップシフトする。いくつかの動作モードにおいては、第１の音響光学偏向器４０による光ビームのスペクトルシフトを実質的にキャンセルするように、第２の音響光学偏向器４２は駆動される。ミラー４６は、第２の音響光学偏向器４２によって偏向されたビームを遮り、該遮ったビームを反射して第２の音響光学偏向器４２に向かって返す。
【００２８】
復路においては、光ビームは、同一の光ビーム経路４８を通り、光学利得媒体１８に戻ってくる。レンズ６４が、この平行なリターンビームを、半導体増幅器の光学利得媒体４５の活性領域上に合焦する。次いで、反射フェーセット４４が、該リターンビームと交差し、該リターンビームを、同一のビーム経路に沿って反射してレンズ６４に向かって戻す。こうして、共振光空洞４８内における光の往復が完成することになる。この反射光は、光学利得媒体４５を通過するに伴って、該光学利得媒体４５によって増幅される。出力ビーム５０は、部分的な反射性を有するフェーセット４４を介して抽出される。
【００２９】
反射フェーセット４４及びミラー４６により、光は、共振光空洞４８内において往復伝播する。光場(optical field)の位相が１往復後に連続しているため、共振光空洞４８により、光は、一組の離散した共振光学周波数（即ち、モード周波数）に閉じ込められることになる。これらのモード周波数は、間隔ｃ／（Ｌ）だけ、等間隔で離隔しており、ここで、ｃは、光の速度であり、Ｌは、共振光空洞４８の往復光路長である。図４Ａは、発振する光の波長の関数として表された、典型的な一組の縦モードを示している。
【００３０】
第１及び第２の音響光学偏向器４０、４２によって組み合わされるビーム偏向、および光学モードフィルタ２０の通過帯域は、光学利得媒体４５によって光の単一周波数のみが増幅されるように、共振光空洞４８の光路長を構成している。図４Ｂは、光学周波数に対する光学利得媒体１８の全体的な利得７０の典型を示している。又、図４Ｂは、光学周波数に対する光空洞４８の１往復当たりの正味の光学利得７２の典型を示している。この正味光学利得は、全体利得７０と光学モードフィルタ２０の通過帯域応答との積になっている。図４Ｂに示されているように、光学モードフィルタ２０により、周波数の狭い帯域のみが光学利得媒体４５によって増幅される。この周波数帯域に含まれているのは、図４Ｂに示されているように、限られた数のモードのみである。多くの場合、所与の時点において共振光空洞４８内で発振する光学モードフィルタの通過帯域内のモードは１つのみであることが望ましい。光学モードフィルタ２０の通過帯域内のモード数が相対的に小さいことから（例：１〜１０個のモード）、シングルモードに対応する出力を確実に生成する光源３８の能力が向上することになる。
【００３１】
１つの動的動作モードにおいては、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２により、モード周波数を、非常に便利な手法でチューニングすることができる。具体的には、同一音響周波数の駆動信号を第１及び第２の変換器５６、５８に印加し、これらの駆動信号間の位相差を調節することにより、モード周波数をチューニングする。光空洞４８では、位相差πラジアンごとに、１モード間隔に対応する距離だけ、空洞の光路長がチューニングされることになる。リング(ring)空洞の場合には（例えば、図８に示されている実施例を参照されたい）、位相差２πラジアンごとに、１モード間隔に対応する距離だけ、光路長がチューニングされる。
【００３２】
他の動的動作モードにおいては、わずかに異なる音響周波数ｆ１及びｆ２において第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２を駆動して光空洞４８のモード周波数をチューニングすることにより、出力光の連続的な周波数チューニングを達成する。これらの実現形態においては、音響光学偏向器４０および４２によって引き起こされる光のドップラー周波数シフトは、正確にはキャンセルされない。駆動周波数ｆ１及びｆ２が一定に（但し、異なって）保持されている場合には、モード周波数は、最終的に、光学モードフィルタ２０の通過帯域外においてチューニングされることになり、別のモードの発振が始まることになる。これは、望ましくない。従って、連続チューニングを達成するために、変化するモード周波数に追随するように、光学モードフィルタ２０の通過帯域の中央周波数を変化させる。
【００３３】
前述したように、周波数可変光源１０は、出力光が周波数掃引(frequency sweep)を受けるチャープモード(chirp mode)において動作することができる。以下の説明においては、周波数可変光源の実現形態３８の期待される自由スペクトル領域(free spectral range)は、２ＧＨｚであると仮定しており、且つ、該光源は、レーザー公称波長が１５５０ｎｍである場合に、１０００ｎｍ／ｓ（すなわち、１２５ＴＨｚ／ｓ）のチャープスキャンレート(chirp scan rate)を有するチャープ出力を生成するものと仮定している。これらのパラメータの場合には、或る特定の設計の或る動作モードにおいては、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２に印加される駆動信号の周波数は、Δｆ＝３１．３ｋＨｚだけ異なっている。この設計のこの動作モードにおいて、周波数差Δｆによって発生するミラー４６におけるビームのずれ(deviation)ΔΦは、ΔΦ＝０．００２５４Δｆによって与えられる（この角度の計測単位は、ラジアンであり、周波数差の単位は、ＭＨｚである）。１往復後に光学利得媒体４５に戻ってきたときの角度のずれは、この値の２倍である。
【００３４】
１０００ｎｍ／ｓのスキャンレートの場合には、Δｆ＝３１．３ｋＨｚであり、この周波数差によれば、共振光空洞４８における１往復の後に、０．１６ｍｒａｄ（ミリラジアン）のビームのずれが発生する。半導体増幅器の光学利得媒体４５の角度許容値は、通常、±１ｍｒａｄであるため、このビームのずれは、この設計のこのスキャンレートにおいては、許容可能である。但し、１０００ｎｍ／ｓを大幅に上回るスキャンレートの場合には、この特定の設計においても、ビームのずれは大きなものになる。
【００３５】
図５を参照すると、このビームのずれは、リトロレフレクター９０でミラー４６（図３に示されている）を置換することにより、少なくとも部分的に低減され、リトロレフレクターは、その外に向かう経路(outward path)に平行な経路に沿ってリターンビームを反射する。但し、リターンビームが該外に向かうビームと平行である場合にも、光学周波数のチャープに伴って、リターンビームは、該外に向かうビームから離れる方向にシフトされる。この結果、リターンビームの一部が光学利得媒体４５から外れ、システムの光学利得が低下することになる。多くの場合、この影響は無視可能な程度に小さいが、常にそうであるというわけではない。このため、これらの実現形態のいくつかにおいては、チャープを生成するよう第２の音響光学偏向器４２を駆動する音響周波数を変化させることに加え、第１の音響光学偏向器を駆動する音響周波数をも変化させる。
【００３６】
図５及び図６は、音響駆動周波数の変化を見積もる方法を示している。図５は、音響光学偏向器４０および４２の両方が同一の音響周波数ｆ０（例：ｆ０≒５０ＭＨｚ）で駆動される定常状態のケースを示している。したがって、第２の音響光学偏向器４２から出るビームは、第１の音響光学偏向器４０に進入するビームと平行である。リトロレフレクター９０は、Ｒ点に配置されている。
【００３７】
図６においては、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２に対する駆動周波数を、異なる量Δｆ１及びΔｆ２だけ、それぞれ増やしている。この結果、ビーム経路が、角度Δε及びΔρだけずれている（これらの角度は、周波数の増分Δｆ１及びΔｆ２の線形関数である）。そして、この角度のずれの結果、リトロレフレクターにおいて、ビームは、距離Δｈだけ線形に変位されている。
【００３８】
駆動周波数の増分Δｆ１及びΔｆ２は、Δｈ＝０となるように選択される。これは、これらが次の式（１）を満足することを意味している。
【００３９】
Ａ×Δｆ１＋Ｂ×Δｆ２＝０ （１）
ここで、Ａ及びＢは、音響光学偏向器の特性と共振光空洞４８のレイアウトによって決まる定数である。これらの定数については、算出又は計測することができる。
【００４０】
所与のチャープレートについて、音響周波数の差は、次のように、既知の値Δｆを有する。
【００４１】
Δｆ１−Δｆ２＝Δｆ （２）
図３に示されている特定の光源の場合には、式（１）及び式（２）の解は、次の式（３）及び式（４）によって与えられる。
【００４２】
Δｆ１＝−０．９２Δｆ （３）
Δｆ２＝−１．９２Δｆ （４）
このように、ｆ０＝５０ＭＨｚであって、Δｆ＝３１．３ｋＨｚの場合、第１及び第２の音響光学偏向器を駆動する音響周波数は、４９．９７１２ＭＨｚと４９．９３９９ＭＨｚである。
【００４３】
図７は、第１及び第２の音響光学偏向器４０および４２の向きが異なることを除いて、実現形態３８と同一の周波数可変光源１０の実現形態８０を示している。この形態においては、フィルタリング済みのビーム８２は、第１の音響光学偏向器４０内に進入し、該偏向器は、ビームを、変換器５６に向かって偏向し、フィルタリング済みのビームの周波数は、音波６０の音響周波数に対応する量だけ、ダウンシフトされる。該偏向されダウンシフトされたビームは、第１の音響光学偏向器４０の平坦な面８４から出射する。次いで、該偏向されたビームは、第２の音響光学偏向器４２の平坦な面８６を通過する。第２の音響光学偏向器４２は、ビームを、変換器５８から離れるように偏向し、ビームの周波数は、音波６２の音響周波数に対応する量だけ、アップシフトされる。他の観点においては、この光源８０の動作は、光源３８の動作に非常に類似したものとなる。
【００４４】
図８は、光学利得媒体１８、光学モードフィルタ２０、モード周波数チューナー２２、及び、共振光空洞９４を画定する４つの反射表面９６、９８、１００、１０２を含む循環型（すなわちリング型）の共振光空洞９４を含む周波数可変光源９２の実施例を示している。光源９２の各コンポーネントは、波長光源１０と関連して前述した対応するコンポーネントと同一の手法で実現されることができる。光源９２の動作も、周波数可変光源１０の動作と実質的に同一である。
【００４５】
尚、他の実施形態も、特許請求項の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】周波数可変光源の一実施例のブロック図。
【図２】周波数可変光を生成する方法の一実施例のフローチャート。
【図３】図１に示されている周波数可変光源の実現形態のブロック図。
【図４Ａ】図３に示されている周波数可変光源の実現形態における共振光空洞の典型的なモードを示す図。
【図４Ｂ】図３に示されている周波数可変光源の実現形態におけるスペクトルの特徴をグラフィカルに示す図。
【図５】音響光学偏向器を、同一周波数の別個の駆動信号によって駆動した場合の、図３のモード周波数チューナーを介した光の経路を示すブロック図。
【図６】音響光学偏向器を、異なる周波数の別個の駆動信号によって駆動した場合の、図３のモード周波数チューナーを介した光の経路を示すブロック図。
【図７】図１に示されている周波数可変光源の別の実現形態のブロック図。
【図８】循環型共振光空洞を有する周波数可変光源の一実施例の図。
【符号の説明】
【００４７】
１０ 周波数可変光源
１２ 共振光空洞
１８ 光学利得媒体
２０ 光学モードフィルタ
２２ モード周波数チューナー
４０ 第１の音響光学装置
４２ 第２の音響光学装置
５９ ドライバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数可変光源であって、
それぞれが対応するモード周波数を有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする共振光空洞（１２）と、
前記共振光空洞（１２）内に配置され、光を増幅するよう動作可能な光学利得媒体（１８）と、
前記共振光空洞（１２）内で発振する光と交差するよう配置されており、チューニング可能な中央周波数を有する光透過通過帯域を備えた光学モードフィルタ（２０）と、
前記共振光空洞（１２）内において発振する光と交差するよう配置されており、前記共振光空洞の前記少なくとも１つの縦モードのモード周波数を変化させてチューニングするよう動作可能なモード周波数チューナー（２２）と、
を備える、周波数可変光源。
【請求項２】
前記光学モードフィルタ（２０）の前記通過帯域は、前記共振光空洞（１２）によってサポートされる最大１０個の前記縦モードを達成する３ｄＢの帯域幅を備える、
請求項１に記載の周波数可変光源。
【請求項３】
前記光学モードフィルタ（２０）は、チューニング可能な光干渉要素を有する、
請求項１に記載の周波数可変光源。
【請求項４】
前記モード周波数チューナー（２２）は、
前記共振光空洞（１２）内において発振する光と交差するよう配置される第１の音響光学装置（４０）であって、該共振光空洞（１２）の前記少なくとも１つの縦モードのモード周波数に対して第１のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能である第１の音響光学装置と、
前記共振光空洞（１２）内において発振する光と交差するよう配置される第２の音響光学装置（４２）であって、該共振光空洞（１２）の前記少なくとも１つの縦モードのモード周波数に対して第２のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能である第２の音響光学装置と、を備え、
前記第１及び第２のドップラーシフトの方向は、反対である、
請求項１に記載の周波数可変光源。
【請求項５】
前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）に接続されたドライバ（５９）を更に備え、
該ドライバ（５９）は、前記周波数可変光源の１つの動作モードにおいて、異なる駆動周波数で前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）を駆動するよう構成されている、
請求項４に記載の周波数可変光源。
【請求項６】
前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）に接続されたドライバ（５９）を更に備え、
該ドライバ（５９）は、前記周波数可変光源の１つの動作モードにおいて、実質的に等しい周波数で、かつ相対的に異なる位相により、前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）を駆動するよう構成されている、
請求項４に記載の周波数可変光源。
【請求項７】
前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）に接続されたドライバ（５９）を更に備え、
該ドライバ（５９）は、前記共振光空洞（１２）の前記縦モードの前記モード周波数を変化させた結果として、前記モード周波数チューナー（２２）による光のずれを実質的に補正するように、前記第１及び第２の駆動信号の周波数を変化させるよう構成されている、
請求項４に記載の周波数可変光源。
【請求項８】
波長可変光を生成するための方法であって、
それぞれが対応するモード周波数を有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする共振光空洞（１２）を提供するステップと、
前記共振光空洞（１２）内の少なくとも１つの縦モードの光を増幅するステップと、
前記共振光空洞（１２）の前記モード周波数を変化させるステップと、
前記光を透過帯域通過フィルタリングするステップと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記共振光空洞（１２）の前記モード周波数を変化させるステップは、反対方向に、前記光に対して第１及び第２のドップラーシフトを引き起こすステップを含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記共振光空洞（１２）の前記モード周波数を変化させるステップは、時間に依存した所望の変動を前記光の周波数において達成するよう選択された量だけ、大きさの異なる前記第１及び第２のドップラーシフトを引き起こすステップを更に含む、
請求項９に記載の方法。
【請求項１】
周波数可変光源であって、
それぞれが対応するモード周波数を有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする共振光空洞（１２）と、
前記共振光空洞（１２）内に配置され、光を増幅するよう動作可能な光学利得媒体（１８）と、
前記共振光空洞（１２）内で発振する光と交差するよう配置されており、チューニング可能な中央周波数を有する光透過通過帯域を備えた光学モードフィルタ（２０）と、
前記共振光空洞（１２）内において発振する光と交差するよう配置されており、前記共振光空洞の前記少なくとも１つの縦モードのモード周波数を変化させてチューニングするよう動作可能なモード周波数チューナー（２２）と、
を備える、周波数可変光源。
【請求項２】
前記光学モードフィルタ（２０）の前記通過帯域は、前記共振光空洞（１２）によってサポートされる最大１０個の前記縦モードを達成する３ｄＢの帯域幅を備える、
請求項１に記載の周波数可変光源。
【請求項３】
前記光学モードフィルタ（２０）は、チューニング可能な光干渉要素を有する、
請求項１に記載の周波数可変光源。
【請求項４】
前記モード周波数チューナー（２２）は、
前記共振光空洞（１２）内において発振する光と交差するよう配置される第１の音響光学装置（４０）であって、該共振光空洞（１２）の前記少なくとも１つの縦モードのモード周波数に対して第１のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能である第１の音響光学装置と、
前記共振光空洞（１２）内において発振する光と交差するよう配置される第２の音響光学装置（４２）であって、該共振光空洞（１２）の前記少なくとも１つの縦モードのモード周波数に対して第２のドップラーシフトを引き起こすよう動作可能である第２の音響光学装置と、を備え、
前記第１及び第２のドップラーシフトの方向は、反対である、
請求項１に記載の周波数可変光源。
【請求項５】
前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）に接続されたドライバ（５９）を更に備え、
該ドライバ（５９）は、前記周波数可変光源の１つの動作モードにおいて、異なる駆動周波数で前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）を駆動するよう構成されている、
請求項４に記載の周波数可変光源。
【請求項６】
前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）に接続されたドライバ（５９）を更に備え、
該ドライバ（５９）は、前記周波数可変光源の１つの動作モードにおいて、実質的に等しい周波数で、かつ相対的に異なる位相により、前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）を駆動するよう構成されている、
請求項４に記載の周波数可変光源。
【請求項７】
前記第１及び第２の音響光学装置（４０、４２）に接続されたドライバ（５９）を更に備え、
該ドライバ（５９）は、前記共振光空洞（１２）の前記縦モードの前記モード周波数を変化させた結果として、前記モード周波数チューナー（２２）による光のずれを実質的に補正するように、前記第１及び第２の駆動信号の周波数を変化させるよう構成されている、
請求項４に記載の周波数可変光源。
【請求項８】
波長可変光を生成するための方法であって、
それぞれが対応するモード周波数を有する少なくとも１つの縦モードの光の発振をサポートする共振光空洞（１２）を提供するステップと、
前記共振光空洞（１２）内の少なくとも１つの縦モードの光を増幅するステップと、
前記共振光空洞（１２）の前記モード周波数を変化させるステップと、
前記光を透過帯域通過フィルタリングするステップと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記共振光空洞（１２）の前記モード周波数を変化させるステップは、反対方向に、前記光に対して第１及び第２のドップラーシフトを引き起こすステップを含む、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記共振光空洞（１２）の前記モード周波数を変化させるステップは、時間に依存した所望の変動を前記光の周波数において達成するよう選択された量だけ、大きさの異なる前記第１及び第２のドップラーシフトを引き起こすステップを更に含む、
請求項９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００６−８０５１２（Ｐ２００６−８０５１２Ａ）
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２５３１４０（Ｐ２００５−２５３１４０）
【出願日】平成１７年９月１日（２００５．９．１）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年３月２３日（２００６．３．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年９月１日（２００５．９．１）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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