JP6554070B2 - 波長掃引光源およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、波長掃引光源およびその制御方法に関し、より詳細には、ＫＴＮ光偏向器を用いた波長掃引光源およびその制御方法に関する。

モレキュラーイメージングの分野では、光情報を利用してターゲット分子を高感度に検出する方法が主力となっている。そのなかで、低干渉光を利用して深さ方向の情報を高分解能で取得することができるＯＣＴ装置（Optical Coherent Tomography：光干渉断層撮影）が注目されている。

ＯＣＴ装置で３次元情報を収集するためには、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）と呼ばれる光源から出力される光ビームを、水平・垂直方向に走査する必要がある。ＯＣＴ装置では、ＳＬＤ光源からコリメータを介して出力された光ビームを、ビームスプリッタで参照光と測定光に分離し、分離された測定光に対して２軸ガルバノミラーを利用して機械的に光ビームを水平・垂直方向に走査している。走査された測定光は、対物レンズを介して入力された測定対象物Ｔの各層で反射して、駆動信号Ｓとして再びビームスプリッタまで戻る。ビームスプリッタにおいて、駆動信号として戻ってきた測定光が可動ミラーで反射されて戻ってきた参照光と再び合流し、ＰＤ（Photo Diode）に入力される。

ＯＣＴ装置の信号処理部において、測定光と参照光の合流により生じる干渉現象に基づいて、測定光の強度と時間ずれを検知し、空間的位置関係（３次元情報）を導いている。低コヒーレンス干渉を利用して断層画像と取得するＯＣＴ装置には、ＴＤ−ＯＣＴ(Time Domain Optical Coherence Tomography)、ＦＤ−ＯＣＴ(Fourier Domain Optical Coherence Tomography)がある。ＦＤ−ＯＣＴは、ＳＤ−ＯＣＴ(Spectral Domain Optical Coherence Tomography)と、ＳＳ−ＯＣＴ(Swept-source Optical Coherence Tomography)に分類される。ＳＳ−ＯＣＴのうち波長掃引光源を用いた方法は、特に、高速応答に優れ、種々の方式の高速広帯域光源の開発が加速している。

光の進行方向を変える光偏向器のうち、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶またはリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１））結晶を用いた光偏向器は、ガルバノミラーやポリゴンミラー、ＭＥＭＳミラー等と異なり、可動部を持たない固体素子である（例えば、特許文献１参照）。ＫＴＮ結晶は、比較的低い電圧を印加することによって、その屈折率が大きく変わる電気光学効果が大きい物質として知られている。さらに、ＴｉやＣｒ電極を用いると、ＫＴＮ結晶内に電荷を注入することができる。注入された電荷によって生じる内部電界を利用することにより、高速・広角な光偏向器を実現することができる。従って、レンズ、プリズム、ミラーといった一般的な光学部品を高速で動作させる必要がある用途では、光学部品をＫＴＮ結晶に置き換えたＫＴＮ光偏向器を適用することができる（例えば、特許文献１参照）。

近年、ＫＴＮ結晶またはＫＬＴＮ結晶における屈折率制御の高速性を利用して、光偏向器を外部共振器に組み込んだ高速の波長掃引光源を用いた医療用光断層撮像システムに注目が集まっている。上述したＯＣＴ装置の中で、ＫＴＮ光偏向器は、高速性を実現するためのキーデバイスであって、高速性とともに安定に動作することが求められている。特に、必要十分な最大偏向角が安定して得られることが重要である。

図１に、従来のＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の構成を示す。ＫＴＮ結晶１０１の上面および下面には、電極１０２、１０３が形成されている。２つの電極間には、制御電圧源１０４から制御電圧が印加される。入射光１０５は、ＫＴＮ結晶１０１の左側の側面に入射され、ｚ軸（光軸）方向に進みながら、ＫＴＮ結晶１０１内において偏向を受ける。光は、ｘ軸方向に進行方向を変えて、出射光１０６として、ＫＴＮ結晶１０１の右側の側面から出射される。このとき、印加電圧に応じた偏向角θが得られる。

制御電圧源１０４からは、光偏向器の用途に応じた制御信号が与えられる。例えば、正弦波、鋸波状の制御信号が、光偏向器の用途に応じて印加される。適切な最大偏向角を得るためには、ＫＴＮ結晶１０１へは、概ね数百Ｖ程度の駆動電圧を印加する。しかしながら、偏向を生じさせるための駆動電圧のみで光偏向器を制御する場合、駆動速度の高速化に伴う問題が生じてきた。すなわち、制御信号によって電極から注入された電子の移動距離が電極間の距離より短いために、理想的な空間電荷制御状態が実現されず、偏向角が減少するという問題があった。

この問題点に対しては、交流駆動電圧に直流バイアス電圧を付与して、ＫＴＮ結晶中へ電子を注入し、トラップに電子を捕獲させる制御法が提案されている。すなわち、直流バイアス電圧を印加して常に結晶中のトラップに電子を充填することによって、ＫＴＮ結晶中に安定的に電界の分布または傾斜を生じさせることが可能となり、長期的に安定な光偏向を実現することができる（例えば、特許文献２参照）。

図２に、従来のＫＴＮ光偏向器の駆動電圧波形の一例を示す。図２（ａ）は、一定電圧の負の直流バイアス電圧に、正弦波が重畳された電圧波形である。なお、正弦波の代わりに三角波、鋸波を使用することもできる。さらに、直流バイアス電圧に重畳された交流電圧からなる駆動電圧を印加する前に、直流電圧を印加しておき、予め結晶中のトラップに電子を充填することも行われている。図２（ｂ）は、駆動電圧を印加する前にトラップ充填電圧として直流電圧を印加するときの電圧波形である（例えば、特許文献３参照）。

国際公開第２００６/１３７４０８号 特開２０１５−１４２１１１号公報 特開２０１５−０６８９３３号公報 特開２０１２−２４２６１２号公報（特許５２８５１２０号公報） 特開２０１４−２０２７８７号公報

しかしながら、交流駆動電圧に直流バイアス電圧を付与して偏向動作を開始した場合、トラップされた電子量が定常状態になるまでに時間がかかるため、偏向角が安定するまでに時間がかかるという問題があった。

ＫＴＮ結晶のトラップに一様に充填された電子密度をＮ_trapとすると、このＫＴＮ結晶を入射光が通過するときに得られる偏向角は、次式で表される（例えば、特許文献３参照）。

図１を参照してパラメータを説明すると、偏向角θp-pは、駆動電圧として正弦波を印加したとき、出射光１０６のｘ軸方向の最大偏向角の振れ幅である。ｎはＫＴＮ結晶１０１の屈折率であり、Ｌはｚ軸方向のＫＴＮ結晶１０１の長さである。ｇ₁₁は電気光学定数であり、ｅは電気素量、εは誘電率である。Ｖは駆動電圧の最大振幅電圧であり、ｄはｚ軸方向のＫＴＮ結晶の厚さである。式（１）からわかるように、偏向角θｐ−ｐは、ＫＴＮ結晶内部のトラップに充填された電子密度Ｎ_trapに比例する。

交流駆動電圧に直流バイアス電圧を付与した場合、トラップに一様に充填されないため、上式とは完全に一致しないが、偏向角はトラップされた電子密度と相関があることがわかっている。すなわち、交流駆動電圧に直流バイアス電圧を付与した場合に、偏向特性が早期に安定しないのは、トラップへの電子注入に時間がかかるからと考えられる。

本発明の目的は、所望の偏向特性へと早期に立ち上がり、かつ長期的に安定な偏向特性を有する光偏向器を用いた波長掃引光源とその制御方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、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１つの電極対と、前記電極対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、前記電気光学結晶に光を照射する光照射器とを含み、前記制御電圧源により前記電極対に、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、前記駆動電圧を出力している期間中に前記光照射器から前記電気光学結晶に光を照射して、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前記利得媒質からの入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させて、波長掃引を行うことを特徴とする。

本発明によれば、電気光学結晶への電圧印加中に光照射器からの光を照射することにより、トラップへの電子注入が定常状態に達するまでの時間を短縮できるため、波長掃引光源を、所望の特性へと早期に到達させることができるとともに、長期間安定して動作させることができる。

従来のＫＴＮ結晶を用いた光偏向器の構成を示す図である。 従来のＫＴＮ光偏向器の駆動電圧波形の一例を示す図である。 屈折率分布からトラップ電子密度を求める方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構成を示す図である。 レンズパワーの直流バイアス電圧および光照射強度依存性を示す図である。 本発明の実施例１にかかる波長掃引光源の構成を示す図である。 波長掃引光源における共振器のパワーの時間依存を示す図ある。 本発明の実施例２にかかる波長掃引光源の構成を示す図である。 実施例３において制御電圧源からの駆動電圧の印加と光照射器からの光照射のタイミングを示す図である。 実施例４において制御電圧源からの駆動電圧の印加と光照射器からの光照射のタイミングを示す図である。

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。
最初に、ＫＴＮ結晶に対して光照射器（例えば、ＬＥＤ光源）から紫色光を照射することにより、ＫＴＮ結晶中のトラップに捕獲された電子を励起して除去できることを述べる。２次の電気光学効果を有する電気光学結晶では、電気光学結晶内のトラップ電子密度Ｎ_trap（真電荷）と屈折率分布に以下の関係がある（例えば、特許文献４参照）。

Δｎは屈折率変化量、ｎは屈折率、ｘは片側の電極面を０とした電気光学結晶の厚み方向の座標、ｄは電気光学結晶の厚みである。

図３は、屈折率分布からトラップ電子密度を求める方法を説明するための概念図である。ＬＥＤ光源からＫＴＮ結晶に対して紫色光を照射する前（図３の「ＬＥＤ照射前」）は、一様にトラップに電子が充填されている。このとき、ｘに対してΔｎが２次関数となっており、式（２）を用いてトラップ電子密度Ｎ_trapを求めることができる。この場合、電気光学結晶はレンズ効果を有し、その焦点距離ｆの逆数にあたるレンズパワー（１／ｆ）は下記となる。

ここで、Ａ＝ｎ²ｇ₁₁Ｎ_trap ²であり、Ｌは電気光学結晶の長さである。このように、電気光学結晶内のトラップ電荷密度が安定すれば、レンズパワーも安定することがわかり、電気光学結晶のレンズパワーの安定性を評価すれば、トラップの時間安定性を評価できることになる。

一様にトラップに電子が充填されている状態において、光照射器から電気光学結晶に紫色光を照射すると（図３の「ＬＥＤ照射後」）、屈折率分布はなくなる。つまり、トラップされた電子は解放され結晶内に電子（真電荷）がなくなっている。なお、この測定では、直流バイアス電圧を一定時間ＫＴＮ結晶に印加した後にＯＦＦした状態で、屈折率分布を測定した。光照射器からＫＴＮ結晶に紫色光を照射しているときには、直流バイアス電圧をＯＦＦしている。

このことから、特許文献４の光偏向器においては、偏向動作が継続すると結晶中のトラップに電子が残り、その後の偏向動作にばらつきが生じるため、偏向動作後に紫色光を照射して、トラップ中に捕獲された電子を除去している。また、上述したように、駆動電圧を印加する前にトラップ充填電圧として直流電圧を印加する際にも、紫色光を照射することが行われている（例えば、特許文献５参照）。結晶内のトラップに捕獲される電子は、陰極側に片寄るので、光照射により一部励起した電子を再配置して、結晶内の電界の分布が均一になるようにしている。

一方、本実施形態においては、光照射器から照射した光を、直流バイアス電圧が重畳された交流電圧である駆動電圧を光偏向器へ印加すると同時に照射する。電気光学結晶への光照射は、光照射強度に応じで結晶内にトラップされた電子を励起して電気光学結晶の外に追い出す可能性もある。すなわち、光偏向器の特性を劣化させる可能性があるので、上述した従来の光偏向器では、駆動電圧の印加と同時に紫色光の照射は行っていない。

しかし、ＫＴＮまたはＫＴＬＮなどの電気光学結晶においては、駆動電圧を印加中に光照射を行った場合、電気光学結晶中のトラップに捕獲された電子が、光照射によって一部励起され再配置される。これは、光を照射せずに、トラップに捕獲された電子が励起され、再配置する時間と比較すると極めて短時間で完了する。また、光照射により除去された電子は、直流バイアス電圧の値を増加させれば、除去された分を補償するだけの注入電子を供給することができる。

このように、光照射は、電気光学結晶内の電子を、完全に追い出したり、電荷の注入量を可変にすることができるので、直流バイアス電圧の値ならびに光照射強度を調整して、所望の特性を有する偏向器を実現することができる。その結果、所望の偏向特性へと早期に到達させることが可能となり、かつ長期間安定して動作させることができるという、従来にない効果を奏することができる。

図４に、本発明の一実施形態にかかる光偏向器の構成を示す。電気光学結晶であるＫＴＮ結晶２０１の上面および下面には、結晶内部に電界を発生させるための正極と負極とからなる電極対として、電極２０２、２０３が形成されている。２つの電極間には、制御電圧源２０４からの制御信号として、直流バイアス電圧を付与した交流駆動電圧が印加される。入射光２０５は、電界の方向と直交するように、ＫＴＮ結晶２０１の左側の側面（ｘｙ平面）から入射され、ｚ軸（光軸）方向に進みながら、ＫＴＮ結晶２０１内において偏向を受ける。光は、ｘ軸方向に進行方向を変えて、出射光２０６として、ＫＴＮ結晶２０１の右側の側面から出射される。さらに、ＫＴＮ結晶２０１の光軸に沿った側面（ｘｚ平面）に対して、１０ｍｍ離れた位置に、波長４０５ｎｍの紫色光を照射する光照射器２０７を配置している。

図５に、電気光学結晶へ直流バイアス電圧を印加しながら光照射器で紫色光を照射したときのレンズパワーの時間変化を示す。直流バイアス電圧（凡例のＤＣ−＊＊＊Ｖ）と光照射器を駆動するための電流値（凡例のＵＶ＊＊ｍＡ）を変化させている。直流バイアス電圧印加直後より、レンズパワーの時間依存性がほぼなく、光偏向器として安定していることがわかる。また、直流バイアス電圧および光照射器を駆動するための電流値を変えるとレンズパワーを変化させることができ、共振器として最適なレンズパワーを選択できることがわかる。

なお、光照射器から照射する光は、電気光学結晶に入射する入射光の波長よりも短い波長の光を用い、通信波長帯の１．３μｍ帯の波長可変光源を構築する場合には、紫色光を用いればよい。光照射器としては、例えばＬＥＤ光源、ＬＤ光源、タングステンランプ、重水素ランプ、水銀ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプなどを用いることができる。また、光照射器とＫＴＮ結晶の間に散乱体を設置して均一にＫＴＮ結晶の側面に光を照射できれば、なお好適である。拡散の方法は、拡散レンズを用いてもよく、ＫＴＮ結晶の側面を砂面研磨し散乱させてもよい。

図６に、本発明の実施例１にかかる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、いわゆるリットマン型の波長掃引光源を示す。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。

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、コリメートレンズ３０２と、電気光学偏向器３０６を経て、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とに結合されている。集光レンズ３０３は、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射光３０７が得られる。出射光３０７の波長を、電気光学偏向器３０６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３０４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。

出射光３０７の波長選択は、電気光学偏向器３０６に結線された制御電圧源３０９の電圧により行われる。電気光学偏向器３０６に対する印加電圧を制御して、図６のｘ軸方向（出射光３０７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３０６に与えられる電界により電気光学偏向器３０６で屈折率の変化が誘起される。その結果、利得媒質３０１から回折格子３０４へ出力される光束が、電気光学偏向器３０６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３０４への入射角が変化する。このようにして、電気光学偏向器３０６への駆動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。

コリメートレンズ３０２、集光レンズ３０３として、非球面レンズを用いた。電気光学偏向器３０６は、電極間隔が１．２ｍｍ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、４．０ｘ３．２ｘ１．２ｍｍ³となるよう加工し、４．０ｘ３．２ｍｍ²の面上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極膜を蒸着した。ＫＴＮ結晶チップの誘電率は、立方晶の領域で１７，５００となるように、温度制御する。温度制御後に、ＫＴＮ結晶チップに、制御電圧源３０９から駆動電圧を印加する。ＫＴＮ光偏向器の入出射端面は、反射膜と反射防止膜の両方を有し、ＫＴＮ結晶内で２回反射されたあと出射される。このような構成とすることにより、実効的な結晶長は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。

なお、ＫＴＮ光偏向器には、後述のとおり直流バイアス電圧を重畳した交流電圧が印加される。このため、ＫＴＮ光偏向器からの出射光の出射角は、所定の角度を中心として直流バイアス電圧の印加分偏向される。すなわち、ＫＴＮ光偏向器の出射光の出射角は、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（例えば、特許文献２参照）。

電気光学偏向器３０６からの出射光は、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。ＫＴＮ光偏向器への印加電圧条件は次の通りである。電気光学偏向器３０６に含まれる光照射器（不図示）は、４０５ｎｍのピーク波長を有するＬＥＤ光源を有し、駆動電流値３ｍＡにて、ＫＴＮ結晶チップに紫色光を照射し続ける。制御電圧源３０９から、直流バイアス電圧３００Ｖを重畳した２０ｋＨｚの交流電圧（振幅３００Ｖ）を印加し、高速偏向器として動作させる。すなわち、制御電圧源３０９から駆動電圧を出力すると同時に、光照射器からＫＴＮ結晶チップに紫色光を照射する。

図７に、波長掃引光源における共振器のパワーの時間依存を示す。波長掃引光源の動作開始から１３０時間以上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、時間的変動が少ないことを確認した。なお、必要に応じて、光偏向動作のための制御電圧を印加する前に、ＫＴＮ結晶内の電子トラップ密度を調整するための電圧を所望の時間印加しても良い。

図８に、本発明の実施例２にかかる波長掃引光源の構成を示す。この波長可変光源も、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、いわゆるリトロー型の波長掃引光源を示す。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。

波長可変光源４００において、利得媒質４０１は、集光レンズ４０３およびコリメートレンズ４０２の間に配置されている。利得媒質４０１は、コリメートレンズ４０２と、電気光学偏向器４０６を介して、回折格子４０４から構成される波長フィルタとに結合されている。回折格子４０４は、１次回折光と０次回折光とを生じさせ、１次回折光が、利得媒質４０１に帰還され、集光レンズ４０３を介して、出力結合鏡４０５と回折格子４０４との間で共振器を形成する。出力結合鏡４０５から、光共振器のレーザ作用による出射光４０７が得られる。出射光４０７の波長を、電気光学偏向器４０６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４０４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。

出射光４０７の波長選択は、実施例１と同様に、制御電圧源４０９の電圧制御により行われる。

コリメートレンズ４０２、集光レンズ４０３として、非球面レンズを用いた。電気光学偏向器４０６は、電極間隔が１．２ｍｍ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、４．０ｘ３．２ｘ１．２ｍｍ³となるよう加工し、４．０ｘ３．２ｍｍ²の面上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極膜を蒸着した。ＫＴＮ結晶チップの誘電率は、立方晶の領域で１７，５００となるように、温度制御する。温度制御後に、ＫＴＮ結晶チップに、制御電圧源４０９から駆動電圧を印加する。ＫＴＮ光偏向器の入出射端面は、反射膜と反射防止膜の両方を有し、ＫＴＮ結晶内で２回反射されたあと出射される。このような構成とすることにより、実効的な結晶長は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。

なお、ＫＴＮ光偏向器には、後述のとおり直流バイアス電圧を重畳した交流電圧が印加される。このため、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直流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。

電気光学偏向器４０６からの出射光は、刻線数１２００ｍｍ^-1、ブレーズ波長１．６μｍの回折格子に入射される。回折格子４０４によって回折した光のうち、レーザ共振器内に帰還される１次回折光の波長が発振される。ＫＴＮ光偏向器への駆動電圧条件は次の通りである。電気光学偏向器４０６に含まれる光照射器（不図示）は、４０５ｎｍのピーク波長を有するＬＥＤ光源を有し、駆動電流値３ｍＡにて、ＫＴＮ結晶チップに紫色光を照射し続ける。制御電圧源４０９から、直流バイアス電圧３００Ｖを重畳した２０ｋＨｚの交流電圧（振幅３００Ｖ）を印加し、高速偏向器として動作させる。すなわち、制御電圧源４０９から駆動電圧を出力すると同時に、光照射器からＫＴＮ結晶チップに紫色光を照射する。

実施例１同様に、波長掃引光源の動作開始から１３０時間以上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、時間的変動が少ないことを確認した。なお、必要に応じて、光偏向動作のための制御電圧を印加する前に、ＫＴＮ結晶内の電子トラップ密度を調整するための電圧を所望の時間印加しても良い。

実施例２と同様に、図８に示したリトロー型波長掃引光源を、１．３μｍ帯の波長可変光源となるように構築した。

利得媒質として光半導体増幅素子（ＳＯＡ）が用いられている。コリメートレンズ４０２、集光レンズ４０３として、非球面レンズを用いた。電気光学偏向器４０６は、電極間隔が１．２ｍｍ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、４．０ｘ３．２ｘ１．２ｍｍ³となるよう加工し、４．０ｘ３．２ｍｍ²の面上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極膜を蒸着した。ＫＴＮ結晶チップの誘電率は、立方晶の領域で１７，５００となるように、温度制御する。温度制御後に、ＫＴＮ結晶チップに、制御電圧源４０９から駆動電圧を印加する。ＫＴＮ光偏向器の入出射端面は、反射膜と反射防止膜の両方を有し、ＫＴＮ結晶内で２回反射されたあと出射される。このような構成とすることにより、実効的な結晶長は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。

なお、ＫＴＮ光偏向器には、後述のとおり直流バイアス電圧を重畳した交流電圧が印加される。このため、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直流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。

電気光学偏向器４０６からの出射光は、刻線数１２００ｍｍ^-1、ブレーズ波長１．６μｍの回折格子に入射される。回折格子４０４によって回折した光のうち、レーザ共振器内に帰還される１次回折光の波長が発振される。ＫＴＮ光偏向器への印加電圧条件は次の通りである。

図９に、実施例３において制御電圧源からの駆動電圧の印加と光照射器からの光照射のタイミングを示す。電気光学偏向器４０６に含まれる光照射器として用いる４０５ｎｍのピーク波長を有するＬＥＤ光源からの光照射時間と、ＫＴＮ光偏向器への制御電圧源からの駆動電圧のタイミングとを調整する。ＫＴＮ光偏向器への制御電圧源からの駆動電圧波形において、正弦波の極大値から極小値に変化する下り掃引時間帯（図９の「Ｄｏｗｎ」）では、ＬＥＤ光源を駆動電流値３ｍＡにて駆動して紫色光を照射し続け、極小値から極大値へと変化する上り掃引時間帯（図９の「Ｕｐ」）では、ＬＥＤ光源からの照射を止めた。制御電圧源４０９からの駆動電圧は、直流バイアス電圧３００Ｖを重畳した２０ｋＨｚの交流電圧（振幅３００Ｖ）を印加する。すなわち、交流電圧の周期の半分の周期の間にのみ、光照射器からＫＴＮ結晶チップに紫色光を照射する。

このような制御方法により、所望の偏向特性へと早期に立ち上がると同時に長期的に安定な偏向特性を維持しつつ、ＬＥＤ照射によるＫＴＮの特性変化を抑えることができる。波長掃引光源の動作開始から１３０時間以上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、時間的変動が少ないことを確認した。なお、必要に応じて、光偏向動作のための制御電圧を印加する前に、ＫＴＮ結晶内の電子トラップ密度を調整するための電圧を所望の時間印加しても良い。

実施例２と同様に、図８に示したリトロー型波長掃引光源を、１．３μｍ帯の波長可変光源となるように構築した。

利得媒質として光半導体増幅素子（ＳＯＡ）が用いられている。コリメートレンズ４０２、集光レンズ４０３として、非球面レンズを用いた。電気光学偏向器４０６は、電極間隔が１．２ｍｍ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、４．０ｘ３．２ｘ１．２ｍｍ³となるよう加工し、４．０ｘ３．２ｍｍ²の面上に、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕからなる電極膜を蒸着した。ＫＴＮ結晶チップの誘電率は、立方晶の領域で１７，５００となるように、温度制御する。温度制御後に、ＫＴＮ結晶チップに、制御電圧源４０９から駆動電圧を印加する。ＫＴＮ光偏向器の入出射端面は、反射膜と反射防止膜の両方を有し、ＫＴＮ結晶内で２回反射されたあと出射される。このような構成とすることにより、実効的な結晶長は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。

なお、ＫＴＮ光偏向器には、後述のとおり直流バイアス電圧を重畳した交流電圧が印加される。このため、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直流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。

電気光学偏向器４０６からの出射光は、刻線数１２００ｍｍ^-1、ブレーズ波長１．６μｍの回折格子に入射される。回折格子４０４によって回折した光のうち、レーザ共振器内に帰還される１次回折光の波長が発振される。ＫＴＮ光偏向器への印加電圧条件は次の通りである。

図１０に、実施例４において制御電圧源からの駆動電圧の印加と光照射器からの光照射のタイミングを示す。電気光学偏向器４０６に含まれる光照射器として用いる４０５ｎｍのピーク波長を有するＬＥＤ光源からの光照射時間と、ＫＴＮ光偏向器への制御電圧源からの駆動電圧のタイミングとを調整する。ＫＴＮ光偏向器を駆動するため、制御電圧源から制御電圧を印加すると同時に、ＬＥＤ光源をパルス電流最大値３ｍＡにて駆動して、光照射器からパルス状の紫色光を照射し、その後、一定時間間隔でパルス状の紫色光を照射する。許容される偏向特性の変化量に応じて、パルス状の紫色光を照射する時間（図１０の「Ｔ_D」）と、パルス状の紫色光を照射する間隔（図１０の「Ｔ_S」）とを調整する。例えば、パルス状の紫色光を照射する時間Ｔ_Dは数ｍｓｅｃ、パルス状の紫色光を照射する間隔Ｔ_Sは数時間程度とすればよい。

このような制御方法により、所望の偏向特性へと早期に立ち上がると同時に長期的に安定な偏向特性を維持しつつ、ＬＥＤ照射によるＫＴＮの特性変化を抑えることができる。波長掃引光源の動作開始から１３０時間以上にわたって光出力を測定したところ、パルス状の紫色光を照射していない期間内で、ほぼ一定の値が得られることを確認した。なお、必要に応じて、光偏向動作のための制御電圧を印加する前に、ＫＴＮ結晶内の電子トラップ密度を調整するための電圧を所望の時間印加しても良い。

１０１，２０１ ＫＴＮ結晶
１０２，１０３，２０２，２０３ 電極
１０４，２０４，３０９ 制御電圧源
１０５，２０５ 入射光
１０６，２０６，３０７ 出射光
２０７ 光照射器
３０１ 利得媒質
３０２ コリメートレンズ
３０３ 集光レンズ
３０４ 回折格子
３０５ 出力結合鏡
３０６ 電気光学偏向器
３０８ 端面鏡

Claims (8)

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１つの電極対と、
   前記電極対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、
   前記電気光学結晶に光を照射する光照射器とを含み、
   前記制御電圧源により前記電極対に、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、前記駆動電圧を出力している期間中に前記光照射器から前記電気光学結晶に光を照射して、
   前記制御電圧により形成される電界の方向に垂直な光軸に沿って入射される前記利得媒質からの入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させて、波長掃引を行うことを特徴とする波長掃引光源。
2. 一方の端面が光偏向器を介して回折格子より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、前記回折格子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１つの電極対と、
   前記電極対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、
   前記電気光学結晶に光を照射する光照射器とを含み、
   前記制御電圧源により前記電極対に、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、前記駆動電圧を出力している期間中に前記光照射器から前記電気光学結晶に光を照射して、
   前記制御電圧により形成される電界の方向に垂直な光軸に沿って入射される前記利得媒質からの入射光を、前記電界に平行な方向に偏向させて、波長掃引を行うことを特徴とする波長掃引光源。
3. 前記制御電圧源により前記電極対に前記駆動電圧を出力すると同時に、前記光照射器から前記電気光学結晶に光を照射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。
4. 前記制御電圧源から出力される前記制御電圧の前記交流電圧の波形において、前記交流電圧の周期の半分の周期の間にのみ、前記光照射器から前記電気光学結晶に光を照射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。
5. 前記制御電圧源により前記電極対に前記駆動電圧を出力すると同時に、前記光照射器から前記電気光学結晶にパルス状の光を、一定時間間隔で照射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。
6. 前記光照射器から照射する光の波長は、前記入射光の波長よりも短いことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の波長掃引光源。
7. 前記電気光学結晶は、ＫＴＮ（ＫＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１））結晶、またはリチウムを添加したＫＬＴＮ（Ｋ_1-yＬｉ_yＴａ_1-xＮｂ_xＯ₃（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１））結晶のいずれかであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の波長掃引光源。
8. 一方の端面が光偏向器を介して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、前記波長フィルタ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の制御方法であって、
   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１つの電極対と、前記電極対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、前記電気光学結晶に光を照射する光照射器とを備え、
   前記制御電圧源により前記電極対に、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て、前記電気光学結晶内に電子を注入すること、
   前記駆動電圧を出力している期間中に前記光照射器から前記電気光学結晶に光を照射して、前記電気光学結晶中のトラップに捕獲された電子を励起して、前記電気光学結晶内に注入された電荷量を可変すること、および
   前記制御電圧源からの前記駆動電圧と、前記光照射器からの光照射時間とを調整して、所望の偏向角を得ること
   を備えたことを特徴とする波長掃引光源の制御方法。

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