专利名称：波长可变光源的制作方法
技术领域：
本发明涉及波长可变光源。
背景技术：
半导体单晶体是周期且有规律地排列特定的原子而成的物质。其电子传输特性由半导体单晶体中的原子间隔所决定。即半导体具有能带间隙(禁带)，该能带间隙因电子的波动性以及原子的周期电位而确定。
另一方面，光子学晶体(photonic crystal)是按光的波长左右的周期排列、且相对于光具有电位差的物质、即具有折射率差的物质而成的3维构造体。这样的光子学晶体构成的物质是由雅毕勒诺维奇(Yablonovich)等提出来的。
在光子学晶体内，光传输特性受到光的波动性的束缚条件的限制。即，光子学晶体中的光传输与半导体中的电子传输同样地受限制。在光子学晶体中，存在对光的禁带、即所谓的光子带系，由于该带系的存在，所以，特定波长带域的光将不能传经晶体内。
以往，人们提出有各种各样的光子学晶体。例如，有按光的波长左右的周期排列亚微米尺寸的粒子而成的晶体。如果是微波波带，众所周知的则有在空间中排列作为粒子的聚合物球而成的物质。
此外，还有在金属内使聚合物球固化后通过化学地溶解聚合物球，在金属中形成周期的微小空间的物质、等间隔地在金属中穿设孔的物质、在固体材料中使用激光光形成折射率与周围不同的区域的物质、使用光刻蚀技术将光聚合性聚合物加工成了沟状的物质等。这些通过加工而形成的光子学晶体可以具有由其构造而均匀地确定的光子带系。
使用了这样的光子学晶体的波长可变光源可以选择输出输入输出光的规定波长区域。这里，在说明中将输入到光子学晶体的光作为输入光，将通过光子学晶体内并从光子学晶体输出的光作为输出光。
发明内容
但是，由于在波长可变光源中不能充分地使光子学晶体的光子带系变化，故不能其输出光的波长可变。本发明即为鉴于这样的课题而开展的工作，目的在于通过使用利用外力使之变形的光子学晶体提供可以使输出光的波长充分地变化的波长可变光源。
涉及本发明的波长可变光源通过在单元内组入可塑性的光子学晶体、对光子学晶体外加外力的外力外加装置、对光子学晶体输入具有多种波长的光的光源、输出经光子学晶体选择了的规定的波长带域的光的输出部而成。
从光源输入到光子学晶体内的光对应于通过外力外加装置施加的外力而变化其波长带域。即，对应于光子学晶体的光子带系，输出光的波长带域将发生变化。在本发明中，由于光子学晶体是可塑的，故可以使输出光的波长带域较大地产生变化，由于它们被组入在单元内，故可以集约化光源整体。
在上述光源是灯时，从灯中输出的光被导入可塑性的光子学晶体内，对应于光子学晶体的光子带系，选择规定的波长带域并中介于输出部将之输出到外部。
在上述光源是激光光源时，从激光光源输出的光被导入可塑性的光子学晶体内，对应于光子学晶体的光子带系，选择规定的波长带域并中介于输出部将之输出到外部。
特别地，在本发明中，其特征在于上述激光光源是具有出射光的2个对向端面的半导体激光器，从上述的一侧端面出射的光中介于光子学晶体被输入到反射镜，在反射面与上述端面的另一侧之间构成激光共振器(振荡器)，上述端面的另一侧光学地结合在输出部上，对应于通过外力外加装置施加的外力变化从输出部出射的光的波长带域。
此时，由于在反射面与上述端面的另一侧之间构成的激光共振器配置在光子学晶体内，故发生共振的波长受到光子学晶体选择，所选择的波长带域中介于输出部被输出到外部。
此外，上述激光光源也可以是在其共振器内配置光子学晶体而成的钛蓝宝石激光器，钛蓝宝石激光器可以发出飞秒级时间宽度的脉冲光，该波长带域可以受配置在共振器内的光子学晶体作用而变化。
图1是波长可变光源的说明图；图2是光子学晶体2的斜视图；图3所示是通过二向色镜的输出光的透过率(任意常数)的波长(nm)依存性曲线；图4是涉及其他实施形态的波长可变光源的说明图；图5是另外的涉及其他实施形态的波长可变光源的说明图。
具体实施例方式
下面，对涉及实施形态的波长可变光源进行说明。在同一要素或者具有同一功能的要素上使用同一符号并略去其重复的说明。
图1是波长可变光源的说明图。该波长可变光源在基座1上配备有出射多种波长的光的光源5，从光源5出射的光被输入到光子学晶体2中。光子学晶体2放置在基座1上。光子学晶体2被对其施加压力、或者减少对其外加的压力的压电元件(外力外加装置)3压紧。光子学晶体2从该输入光的波长带域中选择所期望的波长带域并中介于输出窗(输出部)6将之作为输出光输出。这些元件2、3、5与基座1以及输出窗6一起配置在构成外壳的壳罩构件C内被单元化。
光子学晶体2是随外加的外力而精度良好地发生变形，进而对应于变形而变化光子带系的物质。如果利用压电元件3使光子学晶体2变形，则其光子带系也将发生变化。通过压电元件3施加的外力的大小以及其外加时间由驱动装置4进行控制。
从光源5输出的输入光输入到光子学晶体2，输入光中的特定波长成分不能透过光子学晶体2，而规定的波长带域则可对应于光子带系(光学响应特性)被选择并作为输出光从光子学晶体2输出。输出光被输入到进行光传输的输出窗6，中介于输出窗6输出到本波长可变光源外部。即，通过外加外力可改变光源5以及输出窗6之间的光学结合特性。
本波长可变光源是通过对光子学晶体外加外力使光子学晶体2的光子带系发生变化的波长可变光源，其光子学晶体2是可塑性的。这里，光子学晶体2也可以具有弹性。
因为光子学晶体2是可塑性的，故如果给予其以外力使光子学晶体2产生变化，则光子带系也将较大地发生变化，实现了从光子学晶体2的输出光的波长也充分地发生变化。在这样的波长可变光源中，由于即使在减小了光子学晶体2本身的容积时也可以有效地进行波长选择，故也可以小型化装置整体。
以上，如所说明过的那样，本实施形态的波长可变光源在单元内组入了可塑性的光子学晶体2、对光子学晶体2施加外力的压电元件3、向光子学晶体2输入具有多种波长的光的光源5和输出由光子学晶体2选择的规定的波长带域的输出窗6。
从光源5输入到光子学晶体2内的光对应于通过压电元件3施加的外力变化其波长带域。即，对应于光子学晶体2的光子带系而变化其输出光的波长带域。因为光子学晶体2是可塑性的，故可以使输出光的波长带域较大地发生变化，由于将它们组入单元内，故光源整体紧凑。
在上述光源是水银灯等灯类时，从灯中输出的光被导入可塑性的光子学晶体2内，对应于光子学晶体2的光子带系，选择规定的波长带域的光，并中介于输出窗6将之输出到外部。
这里，在本例中，上述光子学晶体2是凝胶状的物质，被收容在透明容器V内。
在上述光源5是激光光源时，从激光光源输出的光被导入可塑性的光子学晶体2内，对应于光子学晶体2的光子带系，选择规定的波长带域的光并中介于输出窗6将之输出到外部。
图2是光子学晶体2的斜视图。
该光子学晶体2通过在凝胶状的物质2G内含有多个二氧化硅或者钛酸钡的微小球(光学的微晶体)2B而成。可以使该光子学晶体2容易地产生变形。微小球2B按光的波长左右的周期规则、均匀地排列在物质2G内。微小球2B的间隔为所要选择的光的波长的一般到四分之一，相对于该波长，微小球2B是透明的。如果波长带域Δλ(包含λ1)的光入射到光子学晶体2，则对应于光子带系，只有特定的波长带域λ1的成分透过光子学晶体2。
因为凝胶容易受到外力而变形，故光子学晶体2的光子带系容易发生变化。随着该变化，通过光子学晶体2的上述波长带域λ1也将变化。这里，微小球2B和物质2G折射率不同，此外，双方对所选择的光的波长都是透明的。
例如，作为溶胶的材料，使用混杂了紫外线硬化树脂的材料，通过对其照射紫外线可以进行凝胶化。代表性的紫外线硬化树脂是在丙稀酰胺中混杂了交联剂以及光聚合开始剂的材料，对此人们以往就已了解。
由于该微小球2B的周期构造数最好是50左右，故光子学晶体2最大使用100微米程度的元件即有足够的功能。因而，如果使用该光子学晶体2，将可以达成装置的小型化。这里，也可以代替微小球2B使用气泡。
图3所示是通过多层膜构造的光子学晶体、即二向色镜的输出光的透过率(任意常数)的波长(nm)依存性曲线。输入光是白光。该曲线虽然不是上述的光子学晶体2本身，但在完全等间隔地排列了微小球2B时，关于特定的方向，其光学特性与同图所示的情况一样。在本例中，波长带域400nm附近的光的透过率低于其周围的波长带域。
图4是涉及其他实施形态的波长可变光源的说明图。作为上述的激光光源5，该波长可变光源使用的是具有出射光的2个对向端面5A、5B的半导体激光器。从这些端面的一侧5A输出的光中介于光子学晶体2被输入到反射镜7中，反射镜7和上述端面的其他侧5B之间构成激光共振器。考虑激光光源的基波以及高频波设定这样的光子学晶体2的光子带系，以使共振可以由这些波长进行。
光纤的芯6插入设置在壳罩构件C上的开口内，光纤芯6的前端部配置在固定在基座1上的V型沟座1V上，半导体激光器5固定在固定在基座1上的降温装置1H上。
半导体激光器5的上述端面的另一侧5B光学地结合在作为输出部6的光纤芯6上，对应于压电元件3所施加的外力变化从光纤芯6出射的光的波长带域。
光纤芯6的周围被光纤包层6’所包围，它们构成了光纤。
在本实施形态中，由于光子学晶体2配置在构成于反射镜7和上述端面的其他侧5B之间的激光共振器内，故可由光子学晶体2选择共振的波长，并中介于输出部6将所选择的波长带域输出到外部。
这里，作为市场上销售的波长可变光源，众所周知的有通过旋转衍射光栅使之作为波长选择元件工作并选择特定波长输出的光源。与这样的市场上销售的产品其装置规模较大的情况相反，在上述实施形态的波长可变光源中，由于使用了可塑性的光子学晶体2，即由于使用了凝胶化了的光子学晶体，故与市场上销售的产品相比，可以小型化装置整体。
例如，也可以使用半导体微细加工技术(微机电MEMS技术)制造光子学晶体2。通过加工半导体电路板(没有图示)形成上述的容器V，可以在该半导体电路板上形成压电元件3。此时，因为是在形成在半导体电路板上的容器、特别是在凹部内配置光子学晶体2，在该半导体电路板上形成压电元件3，故可以使用半导体微细加工技术形成它们，小型化装置整体。当然，也可以在半导体电路板内形成压电元件3的驱动电路、电源、带波长滤光片的光电二极管等。
图5是另外的涉及其他实施形态的波长可变光源的说明图。该波长可变光源与图4所示的光源的不同之处在于作为激光光源5使用激励光源5E以及激光介质5M，并在代替光纤芯6配置了的输出镜6和反光镜7之间构成了包含激光介质5M的激光共振器。
从激励光源5E出射的激励光被输入到激光介质5M内，激励激光介质5M并从其端面出射激光光。出射的激光光连续往复、放大、振荡于对向配置在单元内的2片反射镜6、7之间，经过放大了的激光光中介于反射率低的一侧的反射镜(输出镜)6输出到外部。
可以往复于该激光共振器内的激光光波长受到光子学晶体2限制并随压电元件3所施加的外力而变化。在本例中，也对应于压电元件3的驱动量变化输出光的波长带域。
在本例中，取激光介质5M为Ti蓝宝石。使用了该激光介质5M的激光光源5是在其共振器内配置光子学晶体2而成的钛蓝宝石激光器。在钛蓝宝石激光器中，时间宽度也与波长同时变化。钛蓝宝石激光器可以产生飞秒级时间宽度的脉冲光，可以由配置在共振器内的光子学晶体2使该波长带域变化。这里，作为激光介质5M，也可以使用Cr3+LiSrAlF6晶体或Cr3+LiCaAlF6晶体。
这里，法布里珀罗干涉计或多层膜镜(二向色镜)也可以是0维或者1维的光子学晶体。光子学晶体2也可以应用于这样的用途。此外，期待上述这样的柔软的光子学晶体2今后能够随着对其微小球2B或气泡的大小或排列的稳定性、用于提高其控制性的机械精度、凝胶的长期稳定性、温度稳定性、与光纤或其他光学部件的连接方法、凝胶封入容器、可以每次都外加同样的外力的外力外加机构等的研究的进步而进步。
本发明可以利用于波长可变光源。
权利要求
1.一种波长可变光源，其特征在于在单元内组入可塑性的光子学晶体、对光子学晶体外加外力的外力外加装置、对光子学晶体输入具有多种波长的光的光源、输出经光子学晶体选择了的预定的波长带域的光的输出部。
2.根据权利要求1所记述的波长可变光源，其特征在于上述光源是灯。
3.根据权利要求1所记述的波长可变光源，其特征在于上述光源是激光光源。
4.根据权利要求3所记述的波长可变光源，其特征在于上述激光光源是具有出射光的2个对向端面的半导体激光器，从上述的一侧端面出射的光中介于上述光子学晶体被输入到反射镜，在上述反射镜与上述端面的另一侧之间构成激光共振器，上述端面的上述另一侧光学地结合在上述输出部上，对应于通过上述外力外加装置施加的外力而变化从上述输出部出射的光的波长带域。
5.根据权利要求1所记述的波长可变光源，其特征在于上述激光光源是在其共振器内配置上述光子学晶体而成的钛蓝宝石激光器。
全文摘要
本发明提供一种波长可变光源。如果利用压电元件(3)对可塑性的光子学晶体外加外力，则先子学晶体(2)将产生变形，由此可容易地变化光子带系。如果光子带系发生变化，则特定波长的光的通过将受到限制。因而，可利用光子学晶体(2)充分地变化并输出期望波长的光，该光中介于输出窗(6)被取出到外部。本发明中，在使用小型且可达成波长充分可变的可塑性的光子学晶体(2)的同时，由于单元化了它们，故可以小型化波长可变光源整体。
文档编号G02B6/12GK1466699SQ01816325
公开日2004年1月7日 申请日期2001年9月26日 优先权日2000年9月26日
发明者瀧口義浩, 伊藤研策, 山中淳平, 口 浩, 平, 策 申请人:浜松光子学株式会社