波長走査光源
【課題】 小型化を維持したまま、高速大掃引幅を有する波長走査光源を提供する。
【解決手段】 レーザ光を発振する半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射端面１１ａに設けられる無反射コート１２と、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射端面１１ａから出射された光が入射する光ファイバ１３と、光ファイバ１３から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射された光が入射する外部共振器１５と、光ファイバ１３に設けられ、光ファイバ１３のコリメートレンズ１４側の端部１３ａを振動させる振動手段１６とを備える。
【解決手段】 レーザ光を発振する半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射端面１１ａに設けられる無反射コート１２と、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射端面１１ａから出射された光が入射する光ファイバ１３と、光ファイバ１３から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射された光が入射する外部共振器１５と、光ファイバ１３に設けられ、光ファイバ１３のコリメートレンズ１４側の端部１３ａを振動させる振動手段１６とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバをたわみ振動させ、出射される光の波長を走査する波長走査光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザの一方の端面に無反射コーティングを施し、この端面から出射される光を外部の共振器に導く、いわゆる外部共振型の波長走査光源が提案されていた。具体的には、図８に示すように、この従来からの外部共振型波長走査光源１００は、一方の端面に無反射コーティング１０２が施された半導体レーザ１０１と、半導体レーザ１０１から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１０３と、コリメートレンズ１０３から出射された光が入射する外部共振器１０４とから構成されている。この外部共振器１０４には、半導体レーザ１０１からの出射光が入射する回折格子１０５と、回折格子１０５からの回折光が入射し、再び回折格子１０５に出射するミラー１０６と、ミラー１０６の反射角度を可変とするミラー駆動手段１０７とから構成されている。外部共振型波長走査光源１００は、外部共振器１０４内のミラー駆動手段１０７を駆動させることによりミラー１０６の角度を変化させ、レーザ発振波長を変化させている。
【０００３】
このような構成を有する外部共振型波長走査光源１００では、ミラー駆動手段１０７が、モータからなり、このモータを用いてミラー１０６を駆動する場合、半導体レーザ１０１の利得帯域に亘って掃引幅を広げることができるが、その掃引速度は遅いものであった。
【０００４】
そこで、掃引手段としてのミラー駆動手段１０７を改良したものとして、ガルバノミラー、レゾナントミラー、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）ミラー等を用いたものが提案されている。これらのミラーを用いた波長走査光源は、ミラーの角度を変更するものではなく、ミラーを振動させることによりレーザ光の波長を走査するものである。
【０００５】
しかしながら、このミラー振動方式を用いた波長走査光源では、例えば中心波長を１５５０［ｎｍ］とした場合、掃引幅としては数１０［ｎｍ］から１００［ｎｍ］しか得られず、すなわち、掃引周波数としては数［ｋＨｚ］から２０［ｋＨｚ］程度にとどまっていた。
【０００６】
ところで、上述の波長走査光源は、光計測や光ファイバセンサの光源として用いられるが、一般に、波長走査光源の掃引幅が、光計測の分解能や光ファイバセンサの測定点数を決定するものであり、掃引速度に応じて測定時間が決定されるものである。したがって、リアルタイム測定を行う場合の光センサとしては、搭載される波長走査光源が、大きい掃引幅を有するとともに、速い掃引速度を有する必要がある。しかし、上述の波長走査光源においては、外部共振器のミラーを振動等、駆動させる必要があることから、装置が大型化しており、そのため、掃引速度の向上の妨げとなっていた。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１８０３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、小型化を維持したまま、高速大掃引幅を有する波長走査光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る波長走査光源は、レーザ光を発振する半導体レーザと、上記半導体レーザの一方のレーザ光出射端面に設けられる無反射コートと、上記半導体レーザの一方のレーザ光出射端面から出射された光が入射する光ファイバと、上記光ファイバから出射された光をコリメートするコリメートレンズと、上記コリメートレンズから出射された光が入射する外部共振器と、上記光ファイバに設けられ、該光ファイバの上記コリメートレンズ側の端部を振動させる振動手段とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、従来の外部共振器内において、モータ等により発振波長の掃引幅を可変としていたものと比較して、簡易な構成とすることができ、小型化を維持しながら、掃引幅が大きく、かつ、掃引速度を高速なものを実現することができる。具体的には、本発明は、光ファイバをたわみ振動させ波長走査を実現するので、小型化を維持しながら、大きな掃引幅を実現することできるとともに、光ファイバ内部の振動応力による光弾性効果を得ることができるので、光ファイバから外部共振器への出射光の出射方向を大きくすることができ、発振波長の掃引幅をさらに広げることができる。また、本発明は、光ファイバを振動させることで波長走査を実現することから、掃引時間を速くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る波長走査光源について図面を参照して詳細に説明をする。本発明に係る波長走査光源１は、図１に示すように、レーザ光を発振する半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射端面１１ａに設けられる無反射コート１２と、半導体レーザ１１のレーザ光出射端面１１ａから出射された光が入射する光ファイバ１３と、光ファイバ１３から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射された光が入射する外部共振器１５と、光ファイバ１３に設けられ、コリメートレンズ１４を介して外部共振器１５に入射する光の波長を走査するために光ファイバ１３を振動させる振動手段１６とから構成されている。
【００１２】
波長走査光源１は、いわゆるリトロー型の波長走査光源であり、半導体レーザ１１の無反射コート１２された端面１１ａから出射された光を光ファイバ１３及びコリメートレンズ１４を介して外部共振器１５に入射し、その入射光の所望とする波長の光を再びコリメートレンズ１４及び光ファイバ１３を介して半導体レーザ１１に戻す。半導体レーザ１１に戻る光は、端面１１ａから出射された光の波長成分のうち、所望とする波長の戻り光であり、この戻り光で共振されてその共振波長の光を出力光として、端面１１ａとは反対側の端面１１ｂから出射する。
【００１３】
半導体レーザ１１は、図示しない電源により駆動され、例えば、半導体の再結合発光を利用したレーザ光発生手段である。波長走査光源１に用いられる半導体レーザ１１は、小型化、簡易な構成から適宜選択されるものであり、所定のレーザ光を発振することができるものであればいかなるものであってもよい。
【００１４】
無反射コート１２は、いわゆるＡＲ（Anti-Reflection）コートであり、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射面である端面１１ａに施されるコーティングである。無反射コート１２は、外部共振器１５からの戻り光を端面１１ａにおいて、反射せず、特定波長の光を半導体レーザ１１に戻すために設けられるものである。
【００１５】
光ファイバ１３は、半導体レーザ１１の端面１１ａから無反射コート１２を介して出射された光が入射され、所定の長さ伝送して、後段に設けられるコリメートレンズ１４に出射する。この光ファイバ１３は、半導体レーザ１１からの出射光を所定の距離伝送するとともに、後述する振動手段１６により、たわみ振動され出射方向を可変とし、出射光の波長を可変とするものである。光ファイバ１３は、例えば、偏波コントローラ付きのシングルモード光ファイバ又は偏波面保存光ファイバであり、回折効率の大きいＳ波を出射するものである。
【００１６】
コリメートレンズ１４は、光ファイバ１３からの出射光が入射され、その入射光を平行光（コリメート光）に変換するレンズである。
【００１７】
波長走査光源１に設けられる外部共振器１５は、半導体レーザ１１から出射される光の光軸に対して所定角度に傾斜されて設けられる回折格子１５ａから構成されている。外部共振器１５を構成する回折格子１５ａは、コリメートレンズ１４からの平行光が入射され、所定の波長、すなわち共振波長の光を再びコリメートレンズ１４へ出射する。
【００１８】
振動手段１６は、半導体レーザ１１からの光を所定の掃引幅で波長走査する手段であり、光ファイバ１３に取り付けられる。具体的には、振動手段１６は、半導体レーザ１１からの入射光を光ファイバ１３のコリメートレンズ１４へ出射する側の端部１３ａから所定の距離離れた位置に圧電振動子１７が設けられ、この圧電振動子１７により、光ファイバ１３の端部１３ａ側をたわみ振動させ発振波長を光ファイバ１３の振動周波数で掃引させる部材である。振動手段１６は、光ファイバ１３の外部共振器１５側の端部１３ａを片持ち梁状に支持し、端部１３ａをたわみ振動させる。
【００１９】
振動手段１６を構成する圧電振動子１７は、例えば、ステップホーン付きボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）からなり、ホーン先端と光ファイバ１３とを接着することにより、発生する振動を光ファイバ１３に伝達する。なお、圧電振動子１７は、上述に限らず、光ファイバ１３を片持ち梁状に支持し、光ファイバ１３の共振周波数振動を発生させ、光ファイバ１３をたわみ振動させることができるものであれば、いかなるものであってもよい。
【００２０】
このような構成を有する波長走査光源１は、半導体レーザ１１からの出射光が光ファイバ１３に取り付けられる振動手段１６によりたわみ振動をし、外部共振器１５に入射され、外部共振器１５からの所定の波長の反射光が、再び半導体レーザ１１に戻り、この戻り光に基づいて共振波長としての出力光を、半導体レーザ１１の端面１１ｂから出射する。したがって、波長走査光源１は、光ファイバ１３の端部１３ａにたわみ振動を発生させる振動手段１６により、出力光の波長を所定の波長に掃引することができる。また、波長走査光源１は、圧電振動子１７からなる振動手段１６によりたわみ振動を発生させ、この発生するたわみ振動の特性により、光源としての掃引できる幅を決定することができる。さらに、波長走査光源１は、光ファイバ１３を振動させることにより出力光の波長を掃引することができるので、波長を変更するのに要する時間、すなわち掃引時間を高速なものとすることができる。
【００２１】
さらに、波長走査光源１は、光ファイバ１３をたわみ振動させるので、振動手段１６による光ファイバ１３の変位量のみならず、光ファイバ１３内部の振動応力による光弾性効果により、光ファイバ１３から外部共振器１５への出射光の出射方向を大きくすることができ、発振波長の掃引幅を広げることができる。
【００２２】
以上のことから、波長走査光源１は、従来の外部共振器内において、モータ等により発振波長の掃引幅を可変としていたものと比較して、簡易な構成とすることができ、小型化を維持しながら、掃引幅が大きく、かつ、掃引速度を高速なものを実現することができる。
【００２３】
次に、本発明に係る波長走査光源の第２の実施の形態について説明をする。なお、上述の波長走査光源１と同様の構成については、同様の符号を付し、その説明は省略をする。
【００２４】
第２の実施の形態として示す波長走査光源２０は、図２に示すように、レーザ光を発振する半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射端面１１ａに設けられる無反射コート１２と、半導体レーザ１１のレーザ光出射端面１１ａから出射された光が入射する光ファイバ１３と、光ファイバ１３から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射された光が入射する外部共振器２１と、光ファイバ１３に設けられ、コリメートレンズ１４を介して外部共振器２１に入射する光を波長走査するために光ファイバ１３を振動させる振動手段１６とから構成されている。すなわち、波長走査光源２０は、第１の実施の形態として示した波長走査光源１と、外部共振器が異なるのみである。
【００２５】
波長走査光源２０は、いわゆるリットマン型の波長走査光源であり、波長走査光源１と同様に、半導体レーザ１１の端面１１ａから出射され、たわみ振動された光ファイバ１３から出射された光を外部共振器２１に出射し、その戻り光を再び半導体レーザ１１に導き、端面１１ｂから出力光を出射する。
【００２６】
波長走査光源２０に設けられる外部共振器２１は、図２に示すように、半導体レーザ１１から出射される光の光軸に対して所定角度に傾斜されて設けられる回折格子２２と、回折格子２２からの回折光が入射され、この入射光を反射し、再び回折格子２２に出射する反射ミラー２３とから構成されている。
【００２７】
外部共振器２１を構成する回折格子２２は、コリメートレンズ１４からの平行光が入射され、波長に応じて異なった角度に回折する。回折格子２２からの回折光のうち、所定の波長、すなわち共振波長の光のみが反射ミラー２３により同一光路を逆向きに伝搬され、再び回折格子２２を介して半導体レーザ１１に入射する。
【００２８】
このような構成を有する波長走査光源２０は、波長走査光源１と同様に、半導体レーザ１１からの出射光が光ファイバ１３に取り付けられる振動手段１６によりたわみ振動をし、外部共振器２１に入射され、外部共振器２１からの所定の波長の反射光が、再び半導体レーザ１１に戻り、この戻り光に基づいて共振波長としての出力光を、半導体レーザ１１の端面１１ｂから出射する。したがって、波長走査光源２０は、光ファイバ１３の端部１３ａにたわみ振動を発生させる振動手段１６により、出力光の波長を所定の波長に掃引することができる。また、波長走査光源２０は、圧電振動子１７からなる振動手段１６によりたわみ振動を発生させ、この発生するたわみ振動の特性により、光源としての掃引できる幅を決定することができる。さらに、波長走査光源２０は、光ファイバ１３を振動させることにより出力光の波長を掃引することができるので、波長を変更するのに要する時間、すなわち掃引時間を高速なものとすることができる。
【００２９】
さらに、波長走査光源２０は、光ファイバ１３をたわみ振動させるので、振動手段１６による光ファイバ１３の変位量のみならず、光ファイバ１３内部の振動応力による光弾性効果により、光ファイバ１３から外部共振器２１への出射光の出射方向を大きくすることができ、発振波長の掃引幅を広げることができる。
【００３０】
以上のことから、波長走査光源２０は、波長走査光源１と同様に、従来の外部共振器内において、モータ等により発振波長の掃引幅を可変としていたものと比較して、簡易な構成とすることができ、小型化を維持しながら、掃引幅が大きく、かつ、掃引速度を高速なものを実現することができる。
【００３１】
続いて、波長走査光源１を用いて、振動手段１６による光ファイバ１３のたわみ振動を用いて波長走査した実施例について説明をする。
【００３２】
波長走査光源１は、具体的には、振動手段１６の圧電振動子１７としては、８６［ｋＨｚ］付近で共振するステップホーン付きボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）を用いた。また、外部共振器１５の回折格子１５ａとしては、溝本数６００［本／ｍｍ］、ブレーズ角２８．４１［°］、波長分散１．４６［ｎｍ／ｍｒａｄ］のブレーズド・グレーティングを用い、光波長１５３０［ｎｍ］で入射角と一次回折角とが等しくなるように、所定角度で所定位置に配置した。
【００３３】
波長走査光源１は、振動手段１６の圧電振動子１７を駆動することにより片持ち梁状に支持された光ファイバ１３に振動が伝搬され、たわみ振動が発生する。この片持ち梁のたわみ振動の共振周波数の関係式は、ベルヌーイ−オイラーの式より以下のような式（１）が導かれる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、ＥＩは曲げ剛さ、ρは密度、Ａは断面積、βｎＬは周波数定数である。また、Ｌは、光ファイバ１３の端部１３ａから振動手段１６が設けられる位置までの距離である。
【００３６】
波長走査光源１では、式（１）を用いて、光ファイバ１３の端部１３ａを５次モードで共振するように、長さＬを８．２［ｍｍ］とした。
【００３７】
以上のような波長走査光源１において、半導体レーザ１１からの出力を測定すると、図３に示すような結果が得られた。なお、図３は、半導体レーザ１１の出力について、光スペクトラムアナライザにより光スペクトルの時間平均値を測定したものであり、比較のために、振動手段１６を有しない、すなわちたわみ振動させない場合における光スペクトルも測定したものも示す。
【００３８】
図３に示すように、波長走査光源１では、掃引幅７０［ｎｍ］の波長走査を実現することができることが分かり、波長走査光源として有効であることが分かる。
【００３９】
次に、波長走査光源１に用いられるレンズ（コリメートレンズ１４）の曲率による掃引幅の変化について検討するために光ファイバ１３の端部１３ａの振動変位を計測した。本検討は、波長走査光源１において、光ファイバ１３の共振周波数を８３．６［ｋＨｚ］として振動手段１６を駆動したときの圧電振動子１７の先端の振動変位に対する光ファイバ１３の端部１３ａの振動変位をＬＤＶ（Laser Doppler velocimeter）を用いて測定することにより行った。この測定結果を図４に示す。
【００４０】
また、半導体レーザ１１の出力を、上述の光スペクトラムアナライザを用いて観測し、光ファイバ１３の端部１３ａの振動変位に対する波長掃引幅を測定した結果を、幾何光学計算から見積もった値とともに、図５に示す。なお、本測定においては、種々の曲率を有するコリメート用のレンズとして直径の異なるボールレンズ（屈折率１．７７）、具体的には、当該直径が０．５［ｍｍ］、０．８［ｍｍ］、１．０［ｍｍ］、５．０［ｍｍ］であるボールレンズを用いて測定を行い、さらに、比較対象として、倍率が２０倍の対物レンズを用いた場合について測定を行った。また、各レンズにおける光ファイバ１３を振動させない状態での発振スペクトルの線幅と光出力を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
図４、図５及び表１に示す測定結果から、どのレンズを用いたときも波長走査光源１における掃引幅は、線幅の６０倍程度で一定であり、最大掃引幅と線幅とは二律背反の関係にあることが分かる。また、より曲率の小さなボールレンズを用いた方が偏向角が大きくなり、掃引幅も大きくなるが、平行光を出射するレンズとしてのコリメート性が悪くなるため発振線幅が広がり、光出力も小さくなることが分かる。一例としては、直径１［ｍｍ］のボールレンズを用いたとき、線幅１．１［ｎｍ］で７０［ｎｍ］の掃引幅を得ることができた。
【００４３】
次に、波長走査光源１における発振波長の時間的変化について検討する。波長走査光源１の発振波長の時間的変化を測定するため、波長多重された光信号を波長ごとに異なる出力ポートに導くアレイ導波路格子（ＡＷＧ）を用いた。この測定は、０．８［ｎｍ］間隔で通過中心波長の異なる３２ｃｈの出力を持つアレイ導波路格子に半導体レーザ１１の出力光を入力し、各出力ポートからの出射光をＰＤにより受光し、オシロスコープで観測した。なお、この測定は、ＰＤの出力と圧電振動子１７への印加電圧の時間位相を測定することにより、波長走査光源１の出射波長と時間との関係を導くことができる。光ファイバ１３の端部１３ａの共振周波数が９．５７［ｋＨｚ］における５１．４０［ｎｍ］及び２９．２４［ｎｍ］を波長走査したときのそれぞれの時間的変化について測定した結果を図６、図７に示す。なお、図６、７中の曲線は、光スペクトラムアナライザにより測定した掃引幅を正弦波状に走査した場合における理論値である。
【００４４】
図６、７に示す測定結果から、圧電振動子１７を正弦波駆動させた場合において、出射波長も正弦波状に時間掃引されていることが分かる。
【００４５】
以上の検討から、光ファイバをたわみ振動することにより、波長走査を行う本発明は、波長走査光源として有効であることが分かる。
【００４６】
また、本発明に係る波長走査光源は、従来の外部共振器内において、モータ等により発振波長の掃引幅を可変としていたものと比較して、簡易な構成とすることができ、小型化を維持しながら、掃引幅が大きく、かつ、掃引速度を高速なものを実現することができる。
【００４７】
さらに、本発明に係る波長走査光源は、光ファイバをたわみ振動させ波長走査を実現するので、光ファイバ内部の振動応力による光弾性効果を得ることができるので、光ファイバから外部共振器への出射光の出射方向を大きくすることができ、発振波長の掃引幅を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明が適用された波長走査光源の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態として示す波長走査光源の概略図である。
【図３】半導体レーザの出力光の光スペクトルの時間平均値を測定した結果を示すグラフである。
【図４】圧電振動子の先端の振動変位に対する光ファイバの端部の振動変位を測定した結果を示すグラフである。
【図５】光ファイバの端部の振動変位に対する波長掃引幅を測定した結果を示すグラフである。
【図６】５１．４０［ｎｍ］波長走査した場合における発振波長の時間的変化を測定した結果を示すグラフである。
【図７】２９．２４［ｎｍ］波長走査した場合における発振波長の時間的変化を測定した結果を示すグラフである。
【図８】従来の波長走査光源を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、２０、１００ 波長走査光源、１１、１０４ 半導体レーザ、１１ａ、１１ｂ 端面、１２、１０２ 無反射コート、１３ 光ファイバ、１３ａ 端部、１４、１０３ コリメートレンズ、１５、２１、１０４ 外部共振器、１５ａ、２２、１０５ 回折格子、１６ 振動手段、１７ 圧電振動子、２３ 反射ミラー、１０７ ミラー駆動手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバをたわみ振動させ、出射される光の波長を走査する波長走査光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体レーザの一方の端面に無反射コーティングを施し、この端面から出射される光を外部の共振器に導く、いわゆる外部共振型の波長走査光源が提案されていた。具体的には、図８に示すように、この従来からの外部共振型波長走査光源１００は、一方の端面に無反射コーティング１０２が施された半導体レーザ１０１と、半導体レーザ１０１から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１０３と、コリメートレンズ１０３から出射された光が入射する外部共振器１０４とから構成されている。この外部共振器１０４には、半導体レーザ１０１からの出射光が入射する回折格子１０５と、回折格子１０５からの回折光が入射し、再び回折格子１０５に出射するミラー１０６と、ミラー１０６の反射角度を可変とするミラー駆動手段１０７とから構成されている。外部共振型波長走査光源１００は、外部共振器１０４内のミラー駆動手段１０７を駆動させることによりミラー１０６の角度を変化させ、レーザ発振波長を変化させている。
【０００３】
このような構成を有する外部共振型波長走査光源１００では、ミラー駆動手段１０７が、モータからなり、このモータを用いてミラー１０６を駆動する場合、半導体レーザ１０１の利得帯域に亘って掃引幅を広げることができるが、その掃引速度は遅いものであった。
【０００４】
そこで、掃引手段としてのミラー駆動手段１０７を改良したものとして、ガルバノミラー、レゾナントミラー、ＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）ミラー等を用いたものが提案されている。これらのミラーを用いた波長走査光源は、ミラーの角度を変更するものではなく、ミラーを振動させることによりレーザ光の波長を走査するものである。
【０００５】
しかしながら、このミラー振動方式を用いた波長走査光源では、例えば中心波長を１５５０［ｎｍ］とした場合、掃引幅としては数１０［ｎｍ］から１００［ｎｍ］しか得られず、すなわち、掃引周波数としては数［ｋＨｚ］から２０［ｋＨｚ］程度にとどまっていた。
【０００６】
ところで、上述の波長走査光源は、光計測や光ファイバセンサの光源として用いられるが、一般に、波長走査光源の掃引幅が、光計測の分解能や光ファイバセンサの測定点数を決定するものであり、掃引速度に応じて測定時間が決定されるものである。したがって、リアルタイム測定を行う場合の光センサとしては、搭載される波長走査光源が、大きい掃引幅を有するとともに、速い掃引速度を有する必要がある。しかし、上述の波長走査光源においては、外部共振器のミラーを振動等、駆動させる必要があることから、装置が大型化しており、そのため、掃引速度の向上の妨げとなっていた。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−１８０３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、小型化を維持したまま、高速大掃引幅を有する波長走査光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る波長走査光源は、レーザ光を発振する半導体レーザと、上記半導体レーザの一方のレーザ光出射端面に設けられる無反射コートと、上記半導体レーザの一方のレーザ光出射端面から出射された光が入射する光ファイバと、上記光ファイバから出射された光をコリメートするコリメートレンズと、上記コリメートレンズから出射された光が入射する外部共振器と、上記光ファイバに設けられ、該光ファイバの上記コリメートレンズ側の端部を振動させる振動手段とを備える。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、従来の外部共振器内において、モータ等により発振波長の掃引幅を可変としていたものと比較して、簡易な構成とすることができ、小型化を維持しながら、掃引幅が大きく、かつ、掃引速度を高速なものを実現することができる。具体的には、本発明は、光ファイバをたわみ振動させ波長走査を実現するので、小型化を維持しながら、大きな掃引幅を実現することできるとともに、光ファイバ内部の振動応力による光弾性効果を得ることができるので、光ファイバから外部共振器への出射光の出射方向を大きくすることができ、発振波長の掃引幅をさらに広げることができる。また、本発明は、光ファイバを振動させることで波長走査を実現することから、掃引時間を速くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明に係る波長走査光源について図面を参照して詳細に説明をする。本発明に係る波長走査光源１は、図１に示すように、レーザ光を発振する半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射端面１１ａに設けられる無反射コート１２と、半導体レーザ１１のレーザ光出射端面１１ａから出射された光が入射する光ファイバ１３と、光ファイバ１３から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射された光が入射する外部共振器１５と、光ファイバ１３に設けられ、コリメートレンズ１４を介して外部共振器１５に入射する光の波長を走査するために光ファイバ１３を振動させる振動手段１６とから構成されている。
【００１２】
波長走査光源１は、いわゆるリトロー型の波長走査光源であり、半導体レーザ１１の無反射コート１２された端面１１ａから出射された光を光ファイバ１３及びコリメートレンズ１４を介して外部共振器１５に入射し、その入射光の所望とする波長の光を再びコリメートレンズ１４及び光ファイバ１３を介して半導体レーザ１１に戻す。半導体レーザ１１に戻る光は、端面１１ａから出射された光の波長成分のうち、所望とする波長の戻り光であり、この戻り光で共振されてその共振波長の光を出力光として、端面１１ａとは反対側の端面１１ｂから出射する。
【００１３】
半導体レーザ１１は、図示しない電源により駆動され、例えば、半導体の再結合発光を利用したレーザ光発生手段である。波長走査光源１に用いられる半導体レーザ１１は、小型化、簡易な構成から適宜選択されるものであり、所定のレーザ光を発振することができるものであればいかなるものであってもよい。
【００１４】
無反射コート１２は、いわゆるＡＲ（Anti-Reflection）コートであり、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射面である端面１１ａに施されるコーティングである。無反射コート１２は、外部共振器１５からの戻り光を端面１１ａにおいて、反射せず、特定波長の光を半導体レーザ１１に戻すために設けられるものである。
【００１５】
光ファイバ１３は、半導体レーザ１１の端面１１ａから無反射コート１２を介して出射された光が入射され、所定の長さ伝送して、後段に設けられるコリメートレンズ１４に出射する。この光ファイバ１３は、半導体レーザ１１からの出射光を所定の距離伝送するとともに、後述する振動手段１６により、たわみ振動され出射方向を可変とし、出射光の波長を可変とするものである。光ファイバ１３は、例えば、偏波コントローラ付きのシングルモード光ファイバ又は偏波面保存光ファイバであり、回折効率の大きいＳ波を出射するものである。
【００１６】
コリメートレンズ１４は、光ファイバ１３からの出射光が入射され、その入射光を平行光（コリメート光）に変換するレンズである。
【００１７】
波長走査光源１に設けられる外部共振器１５は、半導体レーザ１１から出射される光の光軸に対して所定角度に傾斜されて設けられる回折格子１５ａから構成されている。外部共振器１５を構成する回折格子１５ａは、コリメートレンズ１４からの平行光が入射され、所定の波長、すなわち共振波長の光を再びコリメートレンズ１４へ出射する。
【００１８】
振動手段１６は、半導体レーザ１１からの光を所定の掃引幅で波長走査する手段であり、光ファイバ１３に取り付けられる。具体的には、振動手段１６は、半導体レーザ１１からの入射光を光ファイバ１３のコリメートレンズ１４へ出射する側の端部１３ａから所定の距離離れた位置に圧電振動子１７が設けられ、この圧電振動子１７により、光ファイバ１３の端部１３ａ側をたわみ振動させ発振波長を光ファイバ１３の振動周波数で掃引させる部材である。振動手段１６は、光ファイバ１３の外部共振器１５側の端部１３ａを片持ち梁状に支持し、端部１３ａをたわみ振動させる。
【００１９】
振動手段１６を構成する圧電振動子１７は、例えば、ステップホーン付きボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）からなり、ホーン先端と光ファイバ１３とを接着することにより、発生する振動を光ファイバ１３に伝達する。なお、圧電振動子１７は、上述に限らず、光ファイバ１３を片持ち梁状に支持し、光ファイバ１３の共振周波数振動を発生させ、光ファイバ１３をたわみ振動させることができるものであれば、いかなるものであってもよい。
【００２０】
このような構成を有する波長走査光源１は、半導体レーザ１１からの出射光が光ファイバ１３に取り付けられる振動手段１６によりたわみ振動をし、外部共振器１５に入射され、外部共振器１５からの所定の波長の反射光が、再び半導体レーザ１１に戻り、この戻り光に基づいて共振波長としての出力光を、半導体レーザ１１の端面１１ｂから出射する。したがって、波長走査光源１は、光ファイバ１３の端部１３ａにたわみ振動を発生させる振動手段１６により、出力光の波長を所定の波長に掃引することができる。また、波長走査光源１は、圧電振動子１７からなる振動手段１６によりたわみ振動を発生させ、この発生するたわみ振動の特性により、光源としての掃引できる幅を決定することができる。さらに、波長走査光源１は、光ファイバ１３を振動させることにより出力光の波長を掃引することができるので、波長を変更するのに要する時間、すなわち掃引時間を高速なものとすることができる。
【００２１】
さらに、波長走査光源１は、光ファイバ１３をたわみ振動させるので、振動手段１６による光ファイバ１３の変位量のみならず、光ファイバ１３内部の振動応力による光弾性効果により、光ファイバ１３から外部共振器１５への出射光の出射方向を大きくすることができ、発振波長の掃引幅を広げることができる。
【００２２】
以上のことから、波長走査光源１は、従来の外部共振器内において、モータ等により発振波長の掃引幅を可変としていたものと比較して、簡易な構成とすることができ、小型化を維持しながら、掃引幅が大きく、かつ、掃引速度を高速なものを実現することができる。
【００２３】
次に、本発明に係る波長走査光源の第２の実施の形態について説明をする。なお、上述の波長走査光源１と同様の構成については、同様の符号を付し、その説明は省略をする。
【００２４】
第２の実施の形態として示す波長走査光源２０は、図２に示すように、レーザ光を発振する半導体レーザ１１と、半導体レーザ１１の一方のレーザ光出射端面１１ａに設けられる無反射コート１２と、半導体レーザ１１のレーザ光出射端面１１ａから出射された光が入射する光ファイバ１３と、光ファイバ１３から出射された光をコリメートするコリメートレンズ１４と、コリメートレンズ１４から出射された光が入射する外部共振器２１と、光ファイバ１３に設けられ、コリメートレンズ１４を介して外部共振器２１に入射する光を波長走査するために光ファイバ１３を振動させる振動手段１６とから構成されている。すなわち、波長走査光源２０は、第１の実施の形態として示した波長走査光源１と、外部共振器が異なるのみである。
【００２５】
波長走査光源２０は、いわゆるリットマン型の波長走査光源であり、波長走査光源１と同様に、半導体レーザ１１の端面１１ａから出射され、たわみ振動された光ファイバ１３から出射された光を外部共振器２１に出射し、その戻り光を再び半導体レーザ１１に導き、端面１１ｂから出力光を出射する。
【００２６】
波長走査光源２０に設けられる外部共振器２１は、図２に示すように、半導体レーザ１１から出射される光の光軸に対して所定角度に傾斜されて設けられる回折格子２２と、回折格子２２からの回折光が入射され、この入射光を反射し、再び回折格子２２に出射する反射ミラー２３とから構成されている。
【００２７】
外部共振器２１を構成する回折格子２２は、コリメートレンズ１４からの平行光が入射され、波長に応じて異なった角度に回折する。回折格子２２からの回折光のうち、所定の波長、すなわち共振波長の光のみが反射ミラー２３により同一光路を逆向きに伝搬され、再び回折格子２２を介して半導体レーザ１１に入射する。
【００２８】
このような構成を有する波長走査光源２０は、波長走査光源１と同様に、半導体レーザ１１からの出射光が光ファイバ１３に取り付けられる振動手段１６によりたわみ振動をし、外部共振器２１に入射され、外部共振器２１からの所定の波長の反射光が、再び半導体レーザ１１に戻り、この戻り光に基づいて共振波長としての出力光を、半導体レーザ１１の端面１１ｂから出射する。したがって、波長走査光源２０は、光ファイバ１３の端部１３ａにたわみ振動を発生させる振動手段１６により、出力光の波長を所定の波長に掃引することができる。また、波長走査光源２０は、圧電振動子１７からなる振動手段１６によりたわみ振動を発生させ、この発生するたわみ振動の特性により、光源としての掃引できる幅を決定することができる。さらに、波長走査光源２０は、光ファイバ１３を振動させることにより出力光の波長を掃引することができるので、波長を変更するのに要する時間、すなわち掃引時間を高速なものとすることができる。
【００２９】
さらに、波長走査光源２０は、光ファイバ１３をたわみ振動させるので、振動手段１６による光ファイバ１３の変位量のみならず、光ファイバ１３内部の振動応力による光弾性効果により、光ファイバ１３から外部共振器２１への出射光の出射方向を大きくすることができ、発振波長の掃引幅を広げることができる。
【００３０】
以上のことから、波長走査光源２０は、波長走査光源１と同様に、従来の外部共振器内において、モータ等により発振波長の掃引幅を可変としていたものと比較して、簡易な構成とすることができ、小型化を維持しながら、掃引幅が大きく、かつ、掃引速度を高速なものを実現することができる。
【００３１】
続いて、波長走査光源１を用いて、振動手段１６による光ファイバ１３のたわみ振動を用いて波長走査した実施例について説明をする。
【００３２】
波長走査光源１は、具体的には、振動手段１６の圧電振動子１７としては、８６［ｋＨｚ］付近で共振するステップホーン付きボルト締めランジュバン振動子（ＢＬＴ）を用いた。また、外部共振器１５の回折格子１５ａとしては、溝本数６００［本／ｍｍ］、ブレーズ角２８．４１［°］、波長分散１．４６［ｎｍ／ｍｒａｄ］のブレーズド・グレーティングを用い、光波長１５３０［ｎｍ］で入射角と一次回折角とが等しくなるように、所定角度で所定位置に配置した。
【００３３】
波長走査光源１は、振動手段１６の圧電振動子１７を駆動することにより片持ち梁状に支持された光ファイバ１３に振動が伝搬され、たわみ振動が発生する。この片持ち梁のたわみ振動の共振周波数の関係式は、ベルヌーイ−オイラーの式より以下のような式（１）が導かれる。
【００３４】
【数１】
【００３５】
ここで、ＥＩは曲げ剛さ、ρは密度、Ａは断面積、βｎＬは周波数定数である。また、Ｌは、光ファイバ１３の端部１３ａから振動手段１６が設けられる位置までの距離である。
【００３６】
波長走査光源１では、式（１）を用いて、光ファイバ１３の端部１３ａを５次モードで共振するように、長さＬを８．２［ｍｍ］とした。
【００３７】
以上のような波長走査光源１において、半導体レーザ１１からの出力を測定すると、図３に示すような結果が得られた。なお、図３は、半導体レーザ１１の出力について、光スペクトラムアナライザにより光スペクトルの時間平均値を測定したものであり、比較のために、振動手段１６を有しない、すなわちたわみ振動させない場合における光スペクトルも測定したものも示す。
【００３８】
図３に示すように、波長走査光源１では、掃引幅７０［ｎｍ］の波長走査を実現することができることが分かり、波長走査光源として有効であることが分かる。
【００３９】
次に、波長走査光源１に用いられるレンズ（コリメートレンズ１４）の曲率による掃引幅の変化について検討するために光ファイバ１３の端部１３ａの振動変位を計測した。本検討は、波長走査光源１において、光ファイバ１３の共振周波数を８３．６［ｋＨｚ］として振動手段１６を駆動したときの圧電振動子１７の先端の振動変位に対する光ファイバ１３の端部１３ａの振動変位をＬＤＶ（Laser Doppler velocimeter）を用いて測定することにより行った。この測定結果を図４に示す。
【００４０】
また、半導体レーザ１１の出力を、上述の光スペクトラムアナライザを用いて観測し、光ファイバ１３の端部１３ａの振動変位に対する波長掃引幅を測定した結果を、幾何光学計算から見積もった値とともに、図５に示す。なお、本測定においては、種々の曲率を有するコリメート用のレンズとして直径の異なるボールレンズ（屈折率１．７７）、具体的には、当該直径が０．５［ｍｍ］、０．８［ｍｍ］、１．０［ｍｍ］、５．０［ｍｍ］であるボールレンズを用いて測定を行い、さらに、比較対象として、倍率が２０倍の対物レンズを用いた場合について測定を行った。また、各レンズにおける光ファイバ１３を振動させない状態での発振スペクトルの線幅と光出力を表１に示す。
【００４１】
【表１】
【００４２】
図４、図５及び表１に示す測定結果から、どのレンズを用いたときも波長走査光源１における掃引幅は、線幅の６０倍程度で一定であり、最大掃引幅と線幅とは二律背反の関係にあることが分かる。また、より曲率の小さなボールレンズを用いた方が偏向角が大きくなり、掃引幅も大きくなるが、平行光を出射するレンズとしてのコリメート性が悪くなるため発振線幅が広がり、光出力も小さくなることが分かる。一例としては、直径１［ｍｍ］のボールレンズを用いたとき、線幅１．１［ｎｍ］で７０［ｎｍ］の掃引幅を得ることができた。
【００４３】
次に、波長走査光源１における発振波長の時間的変化について検討する。波長走査光源１の発振波長の時間的変化を測定するため、波長多重された光信号を波長ごとに異なる出力ポートに導くアレイ導波路格子（ＡＷＧ）を用いた。この測定は、０．８［ｎｍ］間隔で通過中心波長の異なる３２ｃｈの出力を持つアレイ導波路格子に半導体レーザ１１の出力光を入力し、各出力ポートからの出射光をＰＤにより受光し、オシロスコープで観測した。なお、この測定は、ＰＤの出力と圧電振動子１７への印加電圧の時間位相を測定することにより、波長走査光源１の出射波長と時間との関係を導くことができる。光ファイバ１３の端部１３ａの共振周波数が９．５７［ｋＨｚ］における５１．４０［ｎｍ］及び２９．２４［ｎｍ］を波長走査したときのそれぞれの時間的変化について測定した結果を図６、図７に示す。なお、図６、７中の曲線は、光スペクトラムアナライザにより測定した掃引幅を正弦波状に走査した場合における理論値である。
【００４４】
図６、７に示す測定結果から、圧電振動子１７を正弦波駆動させた場合において、出射波長も正弦波状に時間掃引されていることが分かる。
【００４５】
以上の検討から、光ファイバをたわみ振動することにより、波長走査を行う本発明は、波長走査光源として有効であることが分かる。
【００４６】
また、本発明に係る波長走査光源は、従来の外部共振器内において、モータ等により発振波長の掃引幅を可変としていたものと比較して、簡易な構成とすることができ、小型化を維持しながら、掃引幅が大きく、かつ、掃引速度を高速なものを実現することができる。
【００４７】
さらに、本発明に係る波長走査光源は、光ファイバをたわみ振動させ波長走査を実現するので、光ファイバ内部の振動応力による光弾性効果を得ることができるので、光ファイバから外部共振器への出射光の出射方向を大きくすることができ、発振波長の掃引幅を広げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明が適用された波長走査光源の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態として示す波長走査光源の概略図である。
【図３】半導体レーザの出力光の光スペクトルの時間平均値を測定した結果を示すグラフである。
【図４】圧電振動子の先端の振動変位に対する光ファイバの端部の振動変位を測定した結果を示すグラフである。
【図５】光ファイバの端部の振動変位に対する波長掃引幅を測定した結果を示すグラフである。
【図６】５１．４０［ｎｍ］波長走査した場合における発振波長の時間的変化を測定した結果を示すグラフである。
【図７】２９．２４［ｎｍ］波長走査した場合における発振波長の時間的変化を測定した結果を示すグラフである。
【図８】従来の波長走査光源を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４９】
１、２０、１００ 波長走査光源、１１、１０４ 半導体レーザ、１１ａ、１１ｂ 端面、１２、１０２ 無反射コート、１３ 光ファイバ、１３ａ 端部、１４、１０３ コリメートレンズ、１５、２１、１０４ 外部共振器、１５ａ、２２、１０５ 回折格子、１６ 振動手段、１７ 圧電振動子、２３ 反射ミラー、１０７ ミラー駆動手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発振する半導体レーザと、
上記半導体レーザの一方のレーザ光出射端面に設けられる無反射コートと、
上記半導体レーザの一方のレーザ光出射端面から出射された光が入射する光ファイバと、
上記光ファイバから出射された光をコリメートするコリメートレンズと、
上記コリメートレンズから出射された光が入射する外部共振器と、
上記光ファイバに設けられ、該光ファイバの上記コリメートレンズ側の端部を振動させる振動手段とを備える波長走査光源。
【請求項２】
上記外部共振器は、上記コリメートレンズからの入射光を回折し、該回折された回折光を再び該コリメートレンズに出射する回折格子からなることを特徴とする請求項１記載の波長走査光源。
【請求項３】
上記外部共振器は、上記コリメートレンズからの入射光を回折する回折格子と、該回折格子から出射された回折光を再び該回折格子に反射するミラーとからなることを特徴とする請求項１記載の波長走査光源。
【請求項４】
上記振動手段は、上記光ファイバの上記コリメートレンズが設けられる側の端部を振動させる圧電振動子からなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の波長走査光源。
【請求項５】
上記振動手段は、上記光ファイバの上記コリメートレンズ側の端部を片持ち支持し、該端部を該光ファイバの共振周波数で振動させることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の波長走査光源。
【請求項１】
レーザ光を発振する半導体レーザと、
上記半導体レーザの一方のレーザ光出射端面に設けられる無反射コートと、
上記半導体レーザの一方のレーザ光出射端面から出射された光が入射する光ファイバと、
上記光ファイバから出射された光をコリメートするコリメートレンズと、
上記コリメートレンズから出射された光が入射する外部共振器と、
上記光ファイバに設けられ、該光ファイバの上記コリメートレンズ側の端部を振動させる振動手段とを備える波長走査光源。
【請求項２】
上記外部共振器は、上記コリメートレンズからの入射光を回折し、該回折された回折光を再び該コリメートレンズに出射する回折格子からなることを特徴とする請求項１記載の波長走査光源。
【請求項３】
上記外部共振器は、上記コリメートレンズからの入射光を回折する回折格子と、該回折格子から出射された回折光を再び該回折格子に反射するミラーとからなることを特徴とする請求項１記載の波長走査光源。
【請求項４】
上記振動手段は、上記光ファイバの上記コリメートレンズが設けられる側の端部を振動させる圧電振動子からなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の波長走査光源。
【請求項５】
上記振動手段は、上記光ファイバの上記コリメートレンズ側の端部を片持ち支持し、該端部を該光ファイバの共振周波数で振動させることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項記載の波長走査光源。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−６５０５４（Ｐ２００９−６５０５４Ａ）
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２３３１８１（Ｐ２００７−２３３１８１）
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年３月２６日（２００９．３．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月７日（２００７．９．７）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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