特許 6193773 波長掃引光源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6193773

(24)【登録日】2017年8月18日

(45)【発行日】2017年9月6日

(54)【発明の名称】波長掃引光源

(51)【国際特許分類】

   H01S 5/14 20060101AFI20170828BHJP

   G02F 1/29 20060101ALI20170828BHJP

【ＦＩ】

   H01S5/14

   G02F1/29

【請求項の数】4

【全頁数】13

(21)【出願番号】特願2014-15953(P2014-15953)

(22)【出願日】2014年1月30日

(65)【公開番号】特開2015-142111(P2015-142111A)

(43)【公開日】2015年8月3日

【審査請求日】2016年2月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000102739

【氏名又は名称】エヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001243

【氏名又は名称】特許業務法人 谷・阿部特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】佐々木 雄三

(72)【発明者】

【氏名】豊田 誠治

(72)【発明者】

【氏名】坂本 尊

(72)【発明者】

【氏名】上野 雅浩

(72)【発明者】

【氏名】小林 潤也

(72)【発明者】

【氏名】藤本 正俊

(72)【発明者】

【氏名】山田 真広

(72)【発明者】

【氏名】菅井 栄一

(72)【発明者】

【氏名】八木 生剛

(72)【発明者】

【氏名】長沼 和則

(72)【発明者】

【氏名】米山 幸司

(72)【発明者】

【氏名】小平 徹

(72)【発明者】

【氏名】藤浦 和夫

【審査官】 佐藤 俊彦

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／０９３６５４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−１８６２１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７４５９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２３４７８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭５８−０５７８２４（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｓ ５／００−５／５０

Ｇ０２Ｆ １／００−１／１２５

Ｇ０２Ｆ １／２１−７／００

Ｈ０１Ｌ ３３／００−３３／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方の端面が光偏向器を介して回折格子および端面鏡から構成される波長フィルタに結合され、他方の端面が出力結合鏡に相対している利得媒質を含み、前記端面鏡と前記出力結合鏡との間で光共振器を構成する波長掃引光源であって、
前記光偏向器は、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された少なくとも２つの電極と、前記電極を介して前記電気光学結晶内に電界を形成するための制御電圧を出力する制御電圧源とを備え、前記制御電圧により形成される電界の方向に略垂直な光軸に沿って入射される入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させ、
前記制御電圧源は、前記制御電圧として、偏向のための交流電圧を印加している間、一定の正極性または負極性の直流バイアス電圧を連続して重畳することを特徴とする波長掃引光源。

【請求項2】

一方の端面が光偏向器を介して回折格子および端面鏡から構成される波長フィルタに結合され、他方の端面が出力結合鏡に相対している利得媒質を含み、前記端面鏡と前記出力結合鏡との間で光共振器を構成する波長掃引光源であって、
前記光偏向器は、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された少なくとも２つの電極と、前記電極を介して前記電気光学結晶内に電界を形成するための制御電圧を出力する制御電圧源とを備え、前記制御電圧により形成される電界の方向に略垂直な光軸に沿って入射される入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させ、
前記制御電圧源は、前記制御電圧として、正極性または負極性の直流バイアス電圧が重畳された交流電圧からなる駆動電圧を出力し、
前記光偏向器は、前記利得媒質からの入射光の光軸に対して、前記直流バイアス電圧により偏向される角度と等しい角度で、前記制御電圧により形成される電界の方向に、傾けて配置されていることを特徴とする波長掃引光源。

【請求項3】

前記制御電圧源は、前記制御電圧として、前記電気光学結晶のトラップ準位に電子を捕捉させるための直流電圧を出力した後、前記直流バイアス電圧が重畳された交流電圧からなる前記制御電圧を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の波長掃引光源。

【請求項4】

前記電気光学結晶は、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１）：タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶、またはＫＴＮ結晶にリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））結晶であることを特徴とする請求項１、２または３に記載の波長掃引光源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、波長掃引光源に関し、より詳細には、ＫＴＮを使用した光偏向器を用いた波長掃引光源であって、長時間安定動作が可能な波長掃引光源に関する。

【背景技術】

【0002】

波長掃引型レーザ光源は、例えば、ミクロンオーダーの空間分解能で生体表皮下の断層イメージを取得できる計測技術として知られている光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ：Optical Coherence Tomography）に適用することができる。ＯＣＴには、断層イメージを取得する複数の方法が存在する。そのうち、光源の波長掃引を行う波長掃引型レーザ光源を用いたＯＣＴ（ＳＳ−ＯＣＴ：Swept Source-OCT）は、イメージ取得の高速性において大きな利点を有する。ＳＳ−ＯＣＴでは、光源の波長が連続的に掃引される。光源からの光の波長掃引を行うことによって、１つの検出器を使用して、時分割で各波長の信号を検出できる。すなわち、時間によって波長分割を行って、検出器を１つで済ませることができる。

【0003】

波長掃引型レーザ光源を用いたＯＣＴ用光源は、高速で波長を変化させることが必要であるとともに、瞬時発振スペクトルの幅を狭くすること、および、波長掃引範囲が広いことが必要である。ＳＳ−ＯＣＴにおいて、高速の波長掃引が可能になると、高速の画像処理、血流観測、および酸素飽和濃度の変化等の動的解析ができる。また、ＳＳ−ＯＣＴにおいては、瞬時の発振スペクトルが狭線幅化することによって、生体表皮下の観察可能な深度を深くすることができる（例えば、非特許文献１参照）。ＳＳ−ＯＣＴでは、広範囲の波長掃引によって高分解のイメージを取得することができる。

【0004】

さらに、臨床診断においては、観察対象の動きの影響を受けずに、鮮明な断層イメージを得るために、上記の高速性とともに、長時間安定動作する波長掃引型レーザ光源が求められている。

【0005】

高速で広帯域の走査が可能なレーザ光源として、外部共振器型レーザ光源が知られている。一般的な外部共振器型レーザ光源は、半導体等の利得媒質と、外部ミラーとを配置し、これらが外部共振器を構成している。そして、利得媒質と外部ミラーとの間に設けられたバンドパスフィルターを利用して、特定の波長のみを発振させている。バンドパスフィルターでは、透過波長を連続的に変化させてレーザ発振波長を連続的に掃引している。レーザ共振器内に備えられている波長分散素子と光偏向器との機能によって、バンドパスフィルターの透過波長は、変化するように制御される。波長分散素子としては、例えば、回折格子やプリズムがある。光偏向器としては、ポリゴンミラー、ガルバノミラー、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）、音響光学偏向器、電気光学偏向器等がある。

【0006】

電気光学偏向器の一つである、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）、Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１）：以下、総称してＫＴＮという）結晶を用いたＫＴＮ光偏向器は、高速で偏向動作し、かつ低電圧動作が可能である。ＫＴＮ光偏向器と回折格子とを組み合わせ、高速な波長掃引光源が実現されている。

【0007】

図１に、従来のＫＴＮ光偏向器を用いた波長掃引光源の構成を示す。この波長可変光源は、ＫＴＮ光偏向器により光の進行方向を変えることによって、発振波長を切換える構成であり、例えば、非特許文献２に開示されている。この波長可変光源は、利得媒質として光半導体増幅素子（ＳＯＡ）が用いられている。以下、波長可変光源の構成と動作について説明する。

【0008】

波長可変光源１００において、利得媒質１０１は、集光レンズ１０３およびコリメートレンズ１０２の間に配置されている。利得媒質１０１は、コリメートレンズ１０２、電気光学偏向器１０６を経て、回折格子１０４および直入射する端面鏡１０８から構成される波長フィルタに結合されている。集光レンズ１０３は、出力結合鏡１０５に相対している。出力結合鏡１０５と端面鏡１０８とを両端部とする光共振器が構成される。出力結合鏡１０５から、光共振器のレーザ作用による出力光１０７が得られる。出力光１０７の波長を、電気光学偏向器１０６により光の進行方向を変え、波長分散素子である回折格子１０４への入射角θを変えることによって、可変することができる。

【0009】

出力光１０７の波長選択は、電気光学偏向器１０６に結線された制御電圧源１０９の電圧により行われる。電気光学偏向器１０６に対する印加電圧を制御して、図１のｘ軸方向（出力光１０７の光軸（ｚ軸）に垂直な方向）の電界を変化させることによって行われる。すなわち、電気光学偏向器１０６に与えられる電界により電気光学偏向器１０６で屈折率の変化が誘起される。その結果、利得媒質１０１から回折格子１０４へ出力される光束が、電気光学偏向器１０６を通過する際に、屈折率の高い方へ曲がり、光束の回折格子１０４への入射角が変化する。このようにして、電気光学偏向器１０６への印加電圧を変えることによって、可動部の介在なしに高速な波長変化が実現されている。

【0010】

ＫＴＮ光偏向器を用いて、回折格子の波長選択性を利用した波長掃引光源では、ＫＴＮ光偏向器による偏向角δによって、回折格子への入射角θはθ−δに変じ、これに伴って選択波長λが、下記の回折格子公式（１）に従って変化する。

【0011】

【数1】

【0012】

Λは回折格子のピッチ、ｍは回折次数、φは回折格子からの出射光の出射角を示す。従って、ＫＴＮ光偏向器の高速偏向動作を利用することによって、波長掃引光源では、それに追随する高速な波長掃引が可能となる。

【0013】

ＫＴＮ光偏向器の高速偏向動作のために、偏向動作のための電圧印加を行う前に、ＤＣ電圧を印加することにより、結晶中への電子の注入およびトラップへの電子の捕獲を行っておく（例えば、非特許文献３）。偏向動作のための電圧印加中に電子が注入されなくても、トラップに捕獲された電子により電界の傾斜が発生し、その結果、電気光学効果による屈折率の傾斜が生じるため、高速で広角な光スキャンが実現されている。

【0014】

波長分散素子と光偏向器によって波長掃引を実現する外部共振器型の波長掃引光源においては、式（１）で表されるように、瞬時の発振波長は、回折格子への入射角に依存し、光偏向器にて入射角を変化させることで波長掃引を行っている。光偏向器によるスキャン角度が大きいほど、ＯＣＴ用の波長掃引光源に求められる広帯域な波長掃引が可能となる。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0015】

【非特許文献1】S. H. Yun, et al. "High-speed optical frequency-domain imaging," Opt. Express 11, 2953-2963 (2003).

【非特許文献2】Y. Okabe, et al. "200 kHz swept light source equipped with KTN deflector for optical coherence tomography," Electron. Lett. 48, 201-202 (2012).

【非特許文献3】J. Miyazu et al. “New beam scanning model for high-speed operation using KTa1-xNbxO3 Crystals”, APEX, Vol. 4, Issue 11, pp. 115101-1-111501-3, 2011.

【非特許文献4】S. Yagi, et al. "Improvement of coherence length in a 200-kHz swept light source equipped with a KTN deflector," Proc. SPIE 8213, 821333-821333-6 (2012).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0016】

ＯＣＴ用波長掃引光源に求められるもう一つの重要な特性に、コヒーレンス長が挙げられる。ＯＣＴ計測時においては、生体からの信号光と、参照光の各々がたどる光路長に差が生じる。コヒーレンス長が長いほど、大きな光路長差の計測が可能となり、光路長差が大きな生体奥の計測が可能となる。コヒーレンス長は、波長掃引時の瞬時発振スペクトル幅に反比例するので、瞬時発振スペクトルが狭線幅であることが望ましい。瞬時発振スペクトルの狭線幅化は、レーザ共振器内での高い波長選択性によって実現される。レーザ共振器での波長選択性を良好にするためには、回折格子に平行光を入射することが望ましい。

【0017】

図２に、従来のＫＴＮ光偏向器に対する印加電圧波形を示す。ＫＴＮ光偏向器に印加する制御電圧は、最初に正負交互のトラップ充填用のＤＣ電圧を印加した後に、高速偏向のためのＡＣ電圧を印加する。このとき、偏向動作の経過時間に伴って偏向角度が減少してしまうという課題があった。これは、トラップ充填時間においてトラップされた電子が、熱的に励起されて束縛状態から解放され、トラップされた電子が減少するためと考えられている。従って、数時間以上という長時間で偏向動作させた場合、ＫＴＮ光偏向器の動作状態が徐々に変化し、光出力、波長掃引光源の掃引帯域、コヒーレンス長が減少してしまうという問題があった。

【0018】

ＫＴＮ結晶内にトラップされた電荷密度Ｎとすると、ＫＴＮ結晶を透過する光波の偏向角θ（ｘ）は、結晶内を伝搬するのに伴って累積される偏向と、結晶出射端での屈折による偏向とによって式（２）の通りに表すことができる。

【0019】

【数2】

【0020】

ここで、Ｌは結晶長、ｄは結晶厚、ｎは結晶の屈折率、εは結晶の誘電率、ｇ_１１は電気光学定数、Ｎはトラップ電荷密度、ｅは電気素量を示す。

【0021】

トラップ電荷によって一様でない電界分布が形成され、電界分布の変化に応じた屈折率分布が生じる。この一様でない屈折率分布の中を光が透過すると、光の進路が屈曲する。このとき、結晶の中央付近では、屈折率が高い二次関数の屈折率分布となるので、光偏向器を透過した出射光は、スキャンされると同時に集光され、焦点以降は発散する（以下、レンズ効果という）。式（２）から明らかなように、ＫＴＮ結晶内のトラップ電荷密度Ｎが減少すると、偏向角θ（ｘ）および回折格子への入射角変化が減少し、掃引波長帯域が狭窄化されてしまう。

【0022】

一方、偏向現象と同時に発現するレンズ効果による焦点距離は、結晶内に一様に電荷がトラップされているとすると、

【0023】

【数3】

【0024】

と表される。ここで、ｎ_０は結晶の屈折率、Ｌは結晶長であり、Ａは、

【0025】

【数4】

【0026】

である。

【0027】

結晶長Ｌ、屈折率ｎ₀、電気光学定数ｇ₁₁は、既に形成されたＫＴＮ光偏向器では不変であるので、焦点距離は、結晶内のトラップ電荷密度Ｎによってのみ決定されることになる。非特許文献４では、回折格子に平行光を入射するために、電気光学偏向器と回折格子との間に、上述した電気光学結晶が有する凸レンズ効果を打ち消すためのシリンドリカル凹レンズを配置している。しかしながら、トラップ電荷密度Ｎが熱励起等によって減少するとＫＴＮ結晶によるレンズ効果も変化するので、平行光が得られなくなってしまう。これによって、回折格子に対して様々な角度からの光が入射するため、結果として、波長選択性が劣化し、狭線幅な瞬時発振スペクトルが得られなくなっていた。

【0028】

上述したように、従来のＫＴＮ光偏向器を用いた波長可変光源では、ＫＴＮ光偏向器を長時間で偏向動作させた場合、ＫＴＮ光偏向器の動作状態が徐々に変化し、波長掃引光源の光出力、掃引波長帯域、コヒーレンス長が減少してしまう課題があった。

【課題を解決するための手段】

【0029】

本発明の目的は、光出力、掃引波長帯域、コヒーレンス長の時間的安定性に優れた波長掃引光源を提供することにある。

【0030】

本発明は、このような目的を達成するために、第１の実施態様は、一方の端面が光偏向器を介して回折格子および端面鏡から構成される波長フィルタに結合され、他方の端面が出力結合鏡に相対している利得媒質を含み、前記端面鏡と前記出力結合鏡との間で光共振器を構成する波長掃引光源であって、前記光偏向器は、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された少なくとも２つの電極と、前記電極を介して前記電気光学結晶内に電界を形成するための制御電圧を出力する制御電圧源とを備え、前記制御電圧により形成される電界の方向に略垂直な光軸に沿って入射される入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させ、前記制御電圧源は、前記制御電圧として、偏向のための交流電圧を印加している間、一定の正極性または負極性の直流バイアス電圧を連続して重畳することを特徴とする。

【0031】

第２の実施態様は、一方の端面が光偏向器を介して回折格子および端面鏡から構成される波長フィルタに結合され、他方の端面が出力結合鏡に相対している利得媒質を含み、前記端面鏡と前記出力結合鏡との間で光共振器を構成する波長掃引光源であって、前記光偏向器は、電気光学結晶と、前記電気光学結晶の対向する面に形成された少なくとも２つの電極と、前記電極を介して前記電気光学結晶内に電界を形成するための制御電圧を出力する制御電圧源とを備え、前記制御電圧により形成される電界の方向に略垂直な光軸に沿って入射される入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させ、前記制御電圧源は、前記制御電圧として、正極性または負極性の直流バイアス電圧が重畳された交流電圧からなる駆動電圧を出力し、前記光偏向器は、前記利得媒質からの入射光の光軸に対して、前記直流バイアス電圧により偏向される角度と等しい角度で、前記制御電圧により形成される電界の方向に、傾けて配置されていることを特徴とする。

【発明の効果】

【0032】

以上述べたように、本発明によれば、偏向動作のための制御電圧として、正極性または負極性の直流バイアス電圧が重畳された交流電圧からなる駆動電圧を出力するので、長期間にわたり光出力、掃引波長帯域、コヒーレンス長の変動を抑制することができ、時間的安定性に優れた波長掃引光源を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0033】

【図1】従来のＫＴＮ光偏向器を用いた波長掃引光源の構成を示す図である。

【図2】従来のＫＴＮ光偏向器に対する印加電圧波形を示す図である。

【図3】本発明の一実施形態にかかる波長掃引光源の構成を示す図である。

【図4】本発明の一実施形態にかかり、電気光学結晶に対する印加電圧波形を示す図である。

【図5】従来と本実施形態の印加電圧波形による偏向角の経時変化を比較した図である。

【図6】従来と本実施形態の印加電圧波形による光出力の経時変化を比較した図である。

【図7】本実施形態の印加電圧波形による波長掃引帯域の経時変化を示す図である。

【図8】本実施形態の印加電圧波形によるコヒーレンス長の経時変化を示す図である。

【図9】実施例１におけるＫＴＮ光偏向器の光入射および偏向幅を示す図である。

【図10】実施例２におけるＫＴＮ光偏向器の光入射および偏向幅を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0034】

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

【0035】

図３に、本発明の一実施形態にかかる波長掃引光源の構成を示す。波長可変光源３００において、利得媒質３０１は、集光レンズ３０３およびコリメートレンズ３０２の間に配置されている。利得媒質３０１は、一方の端面が、コリメートレンズ３０２、光偏向器３０６を介して、回折格子３０４および直入射する端面鏡３０８から構成される波長フィルタに結合され、他方の端面が、集光レンズ３０３を介して、出力結合鏡３０５に相対している。出力結合鏡３０５と端面鏡３０８とを両端部とする光共振器が構成される。出力結合鏡３０５から、光共振器のレーザ作用による出力光３０７が得られる。

【0036】

回折格子３０４で回折された光のうち、端面鏡３０８によってレーザ共振器内に帰還される波長の光が発振可能であり、出力光３０７としてレーザ共振器から取り出される。光偏向器３０６の偏向動作によって、回折格子３０４への入射角が変化する。この入射角の変化に伴い、レーザ共振器内に帰還される波長も変化するので、連続的な出力光３０７の波長掃引が可能となる。光偏向器３０６は、電気光学偏向器であるので、制御電圧源３０９により、光偏向器３０６に印加する電圧を変えることによって、可動部の介在なしに高速に波長を変化させることができる。

【0037】

本実施形態の波長掃引光源３００は、回折格子を含む外部共振器型の波長掃引光源において、光偏向器３０６への印加電圧波形が、従来の波長掃引光源とは異なる。すなわち、波長掃引光源３００は、高速偏向のためのＡＣ電圧を印加する際に、トラップ充填用ＤＣ電圧をバイアス電圧として重畳している。これにより、光出力、波長掃引帯域および狭線幅化したときの瞬時発振スペクトルの時間的安定性に優れた動作を実現することができる（図４，５を参照して後述する）。レンズ効果を有する電気光学偏向器としては、電気光学結晶として、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１）：ＫＴＮ）結晶、またはＫＴＮ結晶にリチウムを添加した（Ｋ_１−ｙＬｉ_ｙＴａ_１−ｘＮｂ_ｘＯ_３（０＜ｘ＜１、０＜ｙ＜１））結晶を用いた光偏向器が知られている。

【0038】

本実施形態の光偏向器３０６は、電気光学結晶と、結晶の上下面に形成された電極からなる。具体的には、光偏向器３０６は、矩形状のＫＴＮ結晶チップを用いた光偏向器である。２つの電極間には、ＫＴＮ結晶に印加する制御電圧を供給する制御電圧電源３０９が接続される。制御電圧電源３０９は、電気光学結晶に対して実用的な偏向角を生じ得るような数百Ｖ程度の電圧を印加することできる駆動能力を有する。電気光学結晶の一方の端面から入射された光は、偏向を受けて、対向する端面から出射される。

【0039】

さらに、波長掃引光源３００は、温度制御ステージを有している。温度制御ステージは、電気光学結晶の温度を任意の温度に設定することが可能なものであって、所定の温度に、所定の変化速度で制御することができる。

【0040】

図４に、電気光学結晶に対する印加電圧波形を示す。横軸は経過時間を示し、縦軸は電圧値を示している。制御電圧源３０９は、光偏向器３０６に対して、最初に所定の時間（トラップ充填時間）トラップ充填用のＤＣ電圧を正負交互に印加した後、ＤＣバイアス電圧を重畳したＡＣ電圧を印加して偏向器として動作させる。トラップ充填時間において、制御電圧源３０９は、光偏向器３０６の電気光学結晶のトラップ準位に電子を捕捉させる。もし、この電圧をｏｆｆするとこのトラップされた電子は熱再放出によって束縛状態から解放されて、トラップ電子は消失してしまう。しかし、ＤＣバイアス電圧を印加し続けると、熱再放出された電子を補うように電子が負電極から供給されるため、長時間経過しても一定の電子が結晶内に残留することになる。従って、長時間経過しても偏向角が減少しない偏向器を実現することができる。

【0041】

図５は、従来と本実施形態の印加電圧波形による偏向角の経時変化を比較した図である。本実施形態においては、最初に、トラップ充填時間（Ｔｔｒａｐ）において、正負同じ値の３００ＶのＤＣ電圧を交互に６０秒間印加して、ＫＴＮ結晶を初期トラップ充填状態に設定した。ここでは、正負交互に印加したが、正の電圧のみないし負の電圧のみであってもよい。続いて、ＤＣバイアス電圧３００Ｖを重畳したＡＣ電圧（振幅３００Ｖ）を印加し、高速偏向器として動作させた。時間安定性を確認するために、Ｔｓｃａｎ＝７２時間以上動作させた。

【0042】

本実施形態では、Ｔｓｃａｎの間、偏向角θ２で一定であり、波長掃引帯域、コヒーレンス長を測定したところほぼ一定の値が得られ、各々の時間的変動が極めて少ないことを確認した。同じＫＴＮ結晶チップを用いても、従来のように、ＤＣバイアス電圧を印加しない場合は、偏向角θ１から減少し、波長掃引帯域、コヒーレンス長もともに徐々に減少した。

【0043】

ここで、ＤＣバイアス電圧は、トラップ充填用のＤＣ電圧と同じ電圧に設定したが、より低い電圧でも時間的安定性は向上した。また、トラップ充填用のＤＣ電圧を印加しなくてもＤＣバイアス電圧を重畳したＡＣ電圧を印加した場合には、初期的変動時間を経過した後は、出力、波長掃引帯域、コヒーレンス長は長期的に安定した。

【実施例1】

【0044】

図３に示した波長掃引光源を、１．３μｍ帯の波長可変光源となるように構築した。利得媒質３０１として、半導体光増幅チップを用い、集光レンズ３０３、コリメートレンズ３０２として、非球面レンズを用いた。

【0045】

光偏向器３０６は、電極間隔が１．２ｍｍのとなる矩形状のＫＴＮ結晶チップを用いたＫＴＮ光偏向器を用いた。ＫＴＮ結晶チップのサイズは、４．０ｘ３．２ｘ１．２ｍｍ^３となるよう加工し、４．０ｘ３．２ｍｍ^２の面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極膜を蒸着した。このＫＴＮ結晶チップの誘電率が立方晶の領域で１７，５００となるように、温度制御ステージにより制御する。温度制御後に、ＫＴＮ結晶チップに制御信号電圧を印加した。

【0046】

光偏向器３０６の入出射端面は、反射膜と反射防止膜の両方を有しており、折り返し光路により入射光が偏向される距離は、１２ｍｍとなる。入出射端面における光束の直径は１．０ｍｍとし、電界に平行な直線偏光でＫＴＮ結晶チップに入射される。

【0047】

なお、ＫＴＮ光偏向器には後述のとおりＤＣバイアス電圧を重畳したＡＣ電圧が印加されるため、ＫＴＮ光偏向器からの出力光の出射角は、所定の角度を中心としてＤＣバイアス電圧の印加分偏向される。すなわち、ＫＴＮ光偏向器の出力光の出射角は、所定の角度のオフセットを有することになる。そこで、回折格子３０４は、従来の光偏向器と回折格子との配置よりも、このオフセット角度分だけ傾けて配置すればよい。

【0048】

光偏向器３０１からの出射光は、平行光を生成するための凸レンズであるコリメートレンズ３０２を透過後、刻線数６００ｍｍ−１、ブレーズ波長１．６μｍの回折格子３０４に入射される。回折格子３０４への入射角θは、ＫＴＮ光偏向器が下記の電圧印加条件で駆動している際の偏向範囲の中心が６３．１°となるように設定した。回折格子３０４によって回折した光のうち、端面鏡３０８によってレーザ共振器内に帰還される波長が発振される。

【0049】

ＫＴＮ光偏向器への印加電圧条件は次の通りである。最初に、トラップ充填時間において、正負同じ値の３００ＶのＤＣ電圧を交互に６０秒間印加して、ＫＴＮ結晶チップを初期トラップ充填状態に設定した。ここでは、正負交互に印加したが、正の電圧のみないし負の電圧のみであってもよい。続いて、ＤＣバイアス電圧３００Ｖを重畳した２００ｋＨｚのＡＣ電圧（振幅３００Ｖ）を印加し、高速偏向器として動作させた。

【0050】

図６は、従来と本実施形態の印加電圧波形による光出力の経時変化を比較した図である。波長掃引光源の動作開始から７２時間にわたって光出力を測定したところ、ほぼ一定の値が得られ、おのおのについて時間的変動が極めて少ないことを確認した。同じＫＴＮ結晶チップを用いても、従来のように、ＤＣバイアス電圧を印加しない場合は、徐々に偏向角は減少した。具体的に、ＤＣバイアス電圧を印加しない場合は、図６の「●」に示す通り、動作開始後一時間で光出力がおおよそ半分まで減少した。

【0051】

図７に、本実施形態の印加電圧波形による波長掃引帯域の経時変化を示す。波長可変光源３００の波長掃引帯域の安定性を示しており、中心波長を１３２０ｎｍとして、７２時間にわたって、１００ｎｍ以上の波長掃引帯域が得られた。

【0052】

図８に、本実施形態の印加電圧波形によるコヒーレンス長の経時変化を示す。コヒーレンス長の値は、ＤＣバイアス電圧を印加しない従来の構成においても、一時的に８ｍｍ程度が得られるが、その後時間の経過とともに減少していた。本実施形態においては、動作開始５分後から７２時間にわたってコヒーレンス長を測定したところ、コヒーレンス長８ｍｍ以上が得られ、測定時間内においてその変動は５％以内に抑制できた。

【実施例2】

【0053】

実施例１と同様に、図３に示した波長掃引光源を、１．３μｍ帯の波長可変光源となるように構築した。

【0054】

光偏向器３０６のＫＴＮ結晶チップのサイズは、４．０ｘ３．２ｘ１．２ｍｍ^３となるよう加工し、４．０ｘ３．２ｍｍ^２の面にＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ電極膜を蒸着した。このＫＴＮ結晶チップの誘電率が立方晶の領域で１７，５００となるように、温度制御ステージにより制御する。温度制御後に、ＫＴＮ結晶チップに制御信号電圧を印加した。光偏向器３０６の入出射端面は、反射膜と反射防止膜の両方を有しており、折り返し光路により入射光が偏向される距離は、１２ｍｍとなる。

【0055】

実施例１では、入射光は電極面に平行に入射されていたのに対して、実施例２では、出射時の偏向幅の中心軸が電極面に平行となるように、入射面に対して３０ｍｒａｄの角度を有して、入射光を入射した。図９，１０を参照して詳しく説明する。

【0056】

実施例１で使用されているＫＴＮ光偏向器（図９）においては、光偏向器３０６のＫＴＮ結晶チップ４０１にＤＣバイアス電圧を重畳したＡＣ電圧を印加したことによって、光出力は安定に保たれていた。しかしながら、ＡＣ電圧がゼロの場合であっても、ＤＣバイアス電圧が印加されていることにより、ＫＴＮ結晶チップ４０１内で光は偏向され、出射面４０５では、偏向幅の中心軸Ｃ１自体が、入射面４０４における入射光４０６の光軸から３０ｍｒａｄの角度を有することになる。このため、図９に示すように、偏向された光が、下部電極４０３の電極面にぶつかるのを回避する、すなわち出射面４０５での偏向幅ｗ１が出射面内に収まるようにするため、光偏向の最大角度が制限されていた。

【0057】

一方、実施例２で使用されているＫＴＮ光偏向器（図１０）においては、予め入射面５０４における入射光５０６の光軸に対して、制御電圧源３０９により形成される電界の方向に、光偏向器３０６を傾けておく。すなわち、ＤＣバイアス電圧により偏向される角度と等しい角度で、入射光５０６が入射面５０４に入射するように、波長可変光源５００内の光偏向器３０６を傾けて配置する。実施例１と同じＫＴＮ結晶チップであれば、光偏向器３０６を３０ｍｒａｄ傾けて配置する。これにより、出射面５０５では、偏向幅の中心軸Ｃ２が、上部電極５０２および下部電極５０３の電極面と平行となり、出射面５０５での偏向幅ｗ２が出射面内に収まる。

【0058】

ＫＴＮ結晶チップ５０１の入射面５０４付近では、入射光が電極面に対して角度を有しているが偏向幅は小さく、出射面５０５付近では、入射光が電極面に対して平行に近づき、偏向幅が大きくなる。実施例２によれば、入射光５０６が結晶内を伝搬するに伴って、結晶内の空間を有効に利用することができる。

【0059】

ＫＴＮ光偏向器への印加電圧条件は、最初に、トラップ充填時間において、正負同じ値の３００ＶのＤＣ電圧を交互に６０秒間印加して、ＫＴＮ結晶チップを初期トラップ充填状態に設定した。ここでは、正負交互に印加したが、正の電圧のみないし負の電圧のみであってもよい。続いて、ＤＣバイアス電圧３００Ｖを重畳した２００ｋＨｚのＡＣ電圧（振幅３００Ｖ）を印加し、高速偏向器として動作させた。７２時間にわたって光出力、掃引波長帯域、コヒーレンス長を測定したところ、ほぼ一定の値が得られた。

【0060】

また、２００ｋＨｚのＡＣ電圧を、振幅３６０Ｖとしたところ、光偏向器３０６による偏向角の拡大により、波長掃引光源３００の波長掃引帯域を１００ｎｍから１１０ｎｍまで拡大することができた。

【0061】

以上述べたように、本実施形態の波長掃引光源は、高速偏向のためのＡＣ電圧を印加する際に、トラップ充填用ＤＣ電圧をバイアス電圧として重畳することによって、長期間にわたり光出力、掃引波長帯域、コヒーレンス長の変動を抑制することができ、時間的安定性に優れた波長掃引光源を実現することができる。

【産業上の利用可能性】

【0062】

本発明は、光学機器に利用することができる。

【符号の説明】

【0063】

１００，３００ 波長可変光源
１０１，３０１ 利得媒質
１０２，３０２ コリメートレンズ
１０３，３０３ 集光レンズ
１０４，３０４ 回折格子
１０５，３０５ 出力結合鏡
２０６，３０６ 電気光学偏向器
１０７，３０７ 出力光
１０８，３０８ 端面鏡
１０９，３０９ 制御電圧源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】