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JP7468148B2 - ビーム偏向システム - Google Patents

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Description

本発明は、特定の走査範囲への走査の集中を実現できるビーム偏向システムに関するものである。
従来、ビーム偏向システムとして、特許文献１に示す光偏向デバイスが提案されている。この光偏向デバイスは、複数の波長可変のレーザ光源を用いて複数の走査範囲を同時に走査できる構成とされている。波長可変レーザ光源の波長可変範囲の制約により、１つのレーザビームで広い走査範囲をカバーすることができないため、この光偏向デバイスでは、複数のレーザ光源を設けることで分担して全走査範囲をカバーしている。具体的には、異なる波長の複数のレーザ光源から出力されるレーザビームをビーム偏光器に導入し、各波長に対応する出射角で放射する出射器を構成することで、複数の走査範囲が同時に走査可能となっている。
国際特許公開第２０１８／００３８５２号明細書
複数のレーザ光源を使って複数の走査範囲を同時に走査する場合に、走査範囲をＲＯＩ（Region Of Interest）に絞り、ＲＯＩを複数のビームを使って集中的に走査できれば、ＲＯＩを通常より高い角度分解能、つまり密度で走査することができる。
しかしながら、各レーザ光源が受け持つことができる波長範囲が限られているため、特定の走査範囲にレーザビームを集中させたい場合に、そのようなビーム制御を行うことができない。
本発明は上記点に鑑みて、複数のレーザ光源で広い走査範囲をカバーしているビーム偏向システムにおいて、レーザ光源数を制限しつつ、特定の走査範囲にレーザビームを集中させるビーム制御を実現できるようにすることを目的とする。
上記目的を達成するため、請求項１に記載のビーム偏向システムは、波長の変化によってレーザビームを偏向させるビーム偏向器（５０）と、２つの異なる中心波長の切り替えが可能な複数のレーザ光源（１０）と、複数のレーザ光源から出射されるレーザ光を合波させ、ビーム偏向器へ入力する波長合波器（３０）と、を有した構成とされる。そして、複数のレーザ光源は、２つの異なる中心波長の切り替えが可能なレーザ光源をＭ種備えていると共に、Ｍ種それぞれのレーザ光源を２組ずつ備えており、波長合波器は、２組のＭ種のレーザ光源から出射されるレーザ光を合波させてビーム偏向器へ入力し、２組のＭ種のレーザ光源のＮ番目（１≦Ｎ≦Ｍ） のレーザ光源の中心波長をλＮとλＮ＋Ｍとしたとき、次式を満たすようにする。
（数１）
λ１＜λ２＜・・・＜λＮ＜・・・＜λＭ＜・・・＜λＮ＋Ｍ＜・・・＜λ２Ｍ
このような構成のビーム偏向システムによれば、通常走査時には、複数のレーザ光源それぞれを中心波長λ１～λ２Ｍとしてレーザ光を出射させることで、連続する複数の走査範囲に同時にレーザビームを照射できる。また、特定の走査範囲にレーザビームを集中させるビーム制御を行う際には、各組のＭ種のレーザ光源の対応するもの同士を同じ中心波長でレーザ発振させる。これにより、２組のＭ種のレーザ光源しか備えなくても、レーザ光源のうちの複数を用いて同じ走査範囲に同時にレーザビームを照射できる。
よって、複数のレーザ光源で広い走査範囲をカバーしているビーム偏向システムにおいて、レーザ光源の数を制限しつつ、特定の走査範囲にレーザビームを集中させるビーム制御を実現することが可能となる。
なお、各構成要素等に付された括弧付きの参照符号は、その構成要素等と後述する実施形態に記載の具体的な構成要素等との対応関係の一例を示すものである。
第１実施形態にかかるビーム偏向システムの概略構成を示した図である。 比較例である従来のビーム偏向システムの概略構成を示した図である。 比較例のビーム偏向システムに備えられる第１～第４レーザ光源の波長に対する利得媒体のゲインと波長可変範囲を示した図である。 比較例のビーム偏向システムに備えられる第１～第４レーザ光源の中心波長に対する光出力と波長可変範囲を示した図である。 比較例のビーム偏向システムの走査割当および走査範囲を示した図表である。 第１実施形態のビーム偏向システムに備えられる第１～第４レーザ光源の波長に対する利得媒体のゲインと波長可変範囲を示した図である。 第１実施形態のビーム偏向システムに備えられる第１～第４レーザ光源の中心波長に対する光出力と波長可変範囲を示した図である。 第１実施形態のビーム偏向システムの通常走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 第１実施形態のビーム偏向システムの走査範囲（１）、（２）への集中走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 第１実施形態のビーム偏向システムの走査範囲（３）、（４）への集中走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 第１実施形態のビーム偏向システムの走査範囲（２）、（３）への集中走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 第２実施形態にかかるビーム偏向システムの概略構成を示した図である。 第２実施形態のビーム偏向システムに備えられる第１～第６レーザ光源の波長に対する利得媒体のゲインと波長可変範囲を示した図である。 第２実施形態のビーム偏向システムに備えられる第１～第６レーザ光源の中心波長に対する光出力と波長可変範囲を示した図である。 第２実施形態のビーム偏向システムの通常走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 第２実施形態のビーム偏向システムの走査範囲（１）～（３）への集中走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 第２実施形態のビーム偏向システムの走査範囲（４）～（６）への集中走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 第２実施形態のビーム偏向システムの走査範囲（２）～（４）への集中走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 第２実施形態のビーム偏向システムの走査範囲（３）～（５）への集中走査時の走査割当および走査範囲を示した図表である。 外部レーザ共振器によって構成される１つのレーザ光源の概略構成を示した図である。 第１リング共振器の断面構造を示した図である。 ＳＯＡの断面構造を示した図である。 第１～第６レーザ光源の中心波長と波長可変下限および上限を示した図表である。
以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。
（第１実施形態）
第１実施形態にかかるビーム偏向システムについて説明する。このビーム偏向システムは、例えばレーザレーダやＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）などに適用される。
図１に示すように、ビーム偏向システムは、レーザ光源１０、導波路２０、波長合波器３０、導波路４０およびビーム偏向器５０を有した構成とされている。
レーザ光源１０は、例えば半導体レーザによって構成されており、本実施形態では、第１～第４レーザ光源１１～１４を有した構成とされている。このレーザ光源１０の詳細については、後述する。
導波路２０は、レーザ光源１０と波長合波器３０とを繋ぎ、レーザ光源１０から出力されたレーザ光を波長合波器３０に伝搬する光導波路としての役割を果たす。本実施形態の場合、導波路２０として、第１～第４レーザ光源１１～１４それぞれと波長合波器３０との間とを繋ぐ第１～第４導波路２１～２４が備えられ、第１～第４レーザ光源１１～１４から出力されたレーザ光を波長合波器３０に伝搬する。
波長合波器３０は、導波路２０を通じて伝搬された第１～第４レーザ光源１１～１４からのレーザ光を合波し、合波したレーザ光を導波路４０に出力する。
導波路４０は、波長合波器３０から出力された合波後のレーザ光をビーム偏向器５０に伝搬する光導波路としての役割を果たす。
ビーム偏向器５０は、例えばグレーティングカプラなどによって構成され、導波路４０から伝搬された合波後のレーザ光の波長に応じた走査範囲のレーザビームとして出射させるものである。このビーム偏向器５０から複数の波長のレーザビームが同時に出射されることで、複数の走査範囲にレーザビームを同時に出射させられるようになっている。
続いて、レーザ光源１０の詳細について、従来用いられているレーザ光源との違いを示しつつ説明する。
本実施形態では、レーザ光源１０は、第１、第２レーザ光源１１、１２を１つの組（以下、第１組という）、第３、第４レーザ光源の１３、１４をもう１つの組（以下、第２組という）として、２つの組を構成している。
第１組と第２組は、同数のレーザ光源１０を有した構成とされ、同じ組に含まれるレーザ光源１０は異なる種類の半導体レーザとされ、異なる波長のレーザ光が生成可能となっている。また、第１組を構成するレーザ光源１０と第２組を構成するレーザ光源１０は、それぞれ対となって、対となるレーザ光源１０同士が同じ種類の半導体レーザで構成されている。
具体的には、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３を同じ半導体レーザで構成しており、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４を同じ半導体レーザで構成している。そして、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３については、励起準位の波長を中心波長λ１とする場合と基底準位の波長を中心波長λ３とする場合という異なる中心波長でのレーザ発振の切替えが可能とされている。なお、励起準位の波長とは、励起準位によるゲインのピーク波長のことを指し、基底準位の波長とは、基底準位によるゲインのピーク波長のことを指す。 また、必ずしも中心波長とゲインのピーク波長を一致させる必要はない。同様に、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４については、励起準位の波長を中心波長λ２とする場合と基底準位の波長を中心波長λ４とする場合という異なる中心波長でのレーザ発振の切替えが可能とされている。中心波長λ１～λ４は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４の関係になっている。このため、一方の対となるレーザ光源１０、つまり第１、第３レーザ光源１１、１３の励起準位と基底準位との間に、もう一方の対となるレーザ光源１０、つまり第２、第４レーザ光源１２、１４の励起準位もしくは基底準位が来る構成となる。
従来では、図２に示すように、本実施形態のような第１～第４レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４を備える場合、各レーザ光源Ｊ１０はそれぞれ１つの中心波長λ１～λ４でレーザ発振させるものとして用いられる。例えば、図３に示すように、第１～第４レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４の利得媒体のゲイン、つまりレーザ発振していない状態においてレーザ光源１０の材料によって決まるゲインのピークとなる中心波長を異ならせている。図３に示す例の場合、基底準位における第１レーザ光源Ｊ１１の中心波長がλ１、第２レーザ光源Ｊ１２の中心波長がλ２、第３レーザ光源Ｊ１３の中心波長がλ３、第４レーザ光源Ｊ１４の中心波長がλ４となるようにしている。この場合、利得媒体のゲインが所定ゲイン以上となる波長域が波長可変範囲となる。そして、レーザ発振させた場合の光出力は図４のように表され、各レーザ光源について中心波長に対して所定の波長可変範囲内において波長を変化させてもレーザ発振によって所望の光出力を得ることができる。
具体的には、図２に示すように、第１～第４レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４の出力する中心波長λ１～λ４のレーザ光が第１～第４導波路Ｊ２１～Ｊ２４を介して波長合波器Ｊ３０に伝搬され、波長合波器Ｊ３０で合波される。そして、波長合波器Ｊ３０で合波された光が導波路Ｊ４０を介してビーム偏向器Ｊ５０に伝搬され、ビーム偏向器Ｊ５０を通じてレーザビームとして出射される。これにより、各レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４から出射されたレーザビームを異なる走査範囲としてビーム偏向器Ｊ５０から出射できる。具体的には、第１レーザ光源Ｊ１１が出射するレーザ光は波長λ１を中心とした走査範囲（１）のレーザビームとなる。第２レーザ光源Ｊ１２が出射するレーザ光は波長λ２を中心とした走査範囲（２）のレーザビームとなる。第３レーザ光源Ｊ１３が出射するレーザ光は波長λ３を中心とした走査範囲（３）のレーザビームとなる。第４レーザ光源Ｊ１４が出射するレーザ光は波長λ４を中心とした走査範囲（４）のレーザビームとなる。
なお、図２、図３および図４中に示したΔλ１～Δλ４は、各レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４での波長シフト量であり、波長可変範囲内において中心波長λ１～λ４からシフトさせられた量を示している。波長シフト量Δλ１～Δλ４とした場合のレーザ光は、中心波長λ１～λ４としてレーザ光を出射した場合に対して、その波長シフト量Δλ１～Δλ４に応じた角度シフト量で出射される。この角度シフト量をΔθ１～Δθ４とすると、波長シフト量Δλ１～Δλ４を波長可変範囲の下限値から上限値となるときに、角度シフト量Δθ１～Δθ４が所望の走査範囲と対応する値となるようにしている。つまり、複数のレーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４それぞれの波長可変範囲が連続するように各レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４の材料などが調整される・これにより、走査範囲（１）～（４）が連続した範囲となる。したがって、図５に示すように、各レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４それぞれで走査割り当てし、各レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４から同時にレーザ光を出射することで、複数の走査範囲（１）～（４）のレーザビームを同時に走査することが可能になる。
しかしながら、このような形態の場合、各レーザ光源Ｊ１１～Ｊ１４は、それぞれの走査範囲（１）～（４）にしかレーザビームを出射することができず、ＲＯＩを複数のビームを使って集中的に走査することができない。
そこで、本実施形態では、第１～第４レーザ光源１１～１４で２つの組を構成している。また、第１組を構成するレーザ光源１０と第２組を構成するレーザ光源１０は、それぞれ対となって、対となるレーザ光源１０同士が同じ種類の半導体レーザで構成されるようにしている。そして、第１～第４レーザ光源１１～１４を、それぞれ励起準位の波長を中心波長とする場合と基底準位の波長を中心波長とする場合の２つの異なる中心波長でのレーザ発振の切り替えが可能なものとしている。
具体的には、図６に示すように、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３については同じ半導体レーザで構成し、各レーザ光源１１、１３の利得媒体のゲインの波長依存性が極大値を２つ持つようにしている。つまり、励起準位の波長と基底準位の波長においてピークを持つようにしている。そして、励起準位の波長を第１レーザ光源１１の波長可変範囲の中心波長λ１とし、基底準位の波長を第３レーザ光源１３の波長可変範囲の中心波長λ３としている。
同様に、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４については同じ半導体レーザで構成し、各レーザ光源１２、１４の利得媒体のゲインの波長依存性が極大値を２つ持つようにしている。つまり、励起準位の波長と基底準位の波長においてピークを持つようにしている。そして、励起準位の波長を第２レーザ光源１２の波長可変範囲の中心波長λ２とし、基底準位の波長を第４レーザ光源１４の波長可変範囲の中心波長λ４としている。
これらの場合、レーザ発振させた場合の光出力は図７のように表され、各中心波長λ１～λ４を中心とした所定の波長可変範囲内において波長を変化させてもレーザ発振によって所望の光出力を得ることができる。このため、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３を同じ半導体レーザによって構成し、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４を同じ半導体レーザによって構成しても、中心波長λ１～λ４において所望の光出力を得ることが可能となる。
このため、図１に示すように、第１～第４レーザ光源１１～１４それぞれを中心波長λ１～λ４としてレーザ光を出射させることで、連続する複数の走査範囲（１）～（４）に同時にレーザビームを照射できる。したがって、連続する複数の走査範囲（１）～（４）を同時に走査できる。
一方、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３を同じ半導体レーザによって構成し、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４を同じ半導体レーザによって構成しているため、それぞれを同じ中心波長としてレーザ光を出射させることもできる。例えば、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３を共に中心波長λ１としてレーザ光を出射させる。このようにすれば、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３の両方から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（１）に集中させることが可能となる。
同様に、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３を共に中心波長λ３としてレーザ光を出射させれば、第１レーザ光源１１と第３レーザ光源１３の両方から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（３）に集中させることが可能となる。また、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４を共に中心波長λ２としてレーザ光を出射させれば、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４の両方から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（２）に集中させることが可能となる。さらに、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４を共に中心波長λ４としてレーザ光を出射させれば、第２レーザ光源１２と第４レーザ光源１４の両方から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（４）に集中させることが可能となる。
これに基づき、要望する走査範囲と第１～第４レーザ光源１１～１４の走査割り当てを図表に纏めると図８～図１１のように表される。
まず、通常走査時として、走査範囲（１）～（４）を同時に走査する際には、図８に示す走査割当てとなる。具体的には、図８に示すように、第１～第４レーザ光源１１～１４それぞれで走査割り当てし、中心波長λ１～λ４として同時にレーザ光を出射する。これにより、複数の走査範囲（１）～（４）を同時に走査することが可能になる。
また、走査範囲（１）、（２）へ集中走査を行う場合には、図９に示すように、第１、第３レーザ光源１１、１３については走査範囲（１）、第２、第４レーザ光源１２、１４については走査範囲（２）をそれぞれ走査割り当てする。そして、第１、第３レーザ光源１１、１３については中心波長λ１として、第２、第４レーザ光源１２、１４については中心波長λ２として同時にレーザ光を出射する。これにより、第１～第４レーザ光源１１～１４から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（１）、（２）に集中させることが可能となる。
同様に、走査範囲（３）、（４）へ集中走査を行う場合には、図１０に示すように、第１、第３レーザ光源１１、１３については走査範囲（３）、第２、第４レーザ光源１２、１４については走査範囲（４）をそれぞれ走査割り当てする。そして、第１、第３レーザ光源１１、１３については中心波長λ３として、第２、第４レーザ光源１２、１４については中心波長λ４として同時にレーザ光を出射する。これにより、第１～第４レーザ光源１１～１４から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（３）、（４）に集中させることが可能となる。
さらに、走査範囲（２）、（３）へ集中走査を行うこともでき、図１１に示すように、第１、第３レーザ光源１１、１３については走査範囲（３）、第２、第４レーザ光源１２、１４については走査範囲（２）をそれぞれ走査割り当てする。そして、第１、第３レーザ光源１１、１３については中心波長λ３として、第２、第４レーザ光源１２、１４については中心波長λ２として同時にレーザ光を出射する。これにより、第１～第４レーザ光源１１～１４から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（２）、（３）に集中させることが可能となる。
以上説明したように、本実施形態のビーム偏向システムでは、第１～第４レーザ光源１１～１４で２つの組を構成している。また、第１組を構成するレーザ光源１０と第２組を構成するレーザ光源１０は、それぞれ対となって、対となるレーザ光源１０同士が同じ種類の半導体レーザで構成されるようにしている。そして、第１～第４レーザ光源１１～１４を、それぞれ励起準位の波長を中心波長とする場合と基底準位の波長を中心波長とする場合の２つの異なる中心波長でのレーザ発振の切り替えが可能なものとしている。
これにより、通常走査時には、第１～第４レーザ光源１１～１４それぞれを中心波長λ１～λ４としてレーザ光を出射させることで、連続する複数の走査範囲（１）～（４）に同時にレーザビームを照射できる。また、特定の走査範囲にレーザビームを集中させるビーム制御を行う際には、第１、第３レーザ光源１１、１３を同じ中心波長でレーザ発振させ、第２、第４レーザ光源１２、１４を同じ中心波長でレーザ発振させるようにしている。これにより、第１～第４レーザ光源１１～１４という４つのレーザ光源１０しか備えなくても、レーザ光源１０のうちの複数を用いて同じ走査範囲に同時にレーザビームを照射できる。
よって、複数のレーザ光源１０で広い走査範囲をカバーしているビーム偏向システムにおいて、レーザ光源１０の数を制限しつつ、特定の走査範囲にレーザビームを集中させるビーム制御を実現することが可能となる。
（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対してレーザ光源１０の数を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、主に第１実施形態と異なる部分について説明する。
図１２に示すように、本実施形態のビーム偏向システムでは、レーザ光源１０として第１～第６レーザ光源１１～１６を備えている。また、導波路２０についても、第１～第６レーザ光源１１～１６と波長合波器３０とを繋ぐ第１～第６導波路２１～２６を備えている。
このような構成において、波長合波器３０にて、導波路２０を通じて伝搬された第１～第６レーザ光源１１～１６からのレーザ光を合波し、合波したレーザ光が導波路４０に出力されたのちビーム偏向器５０に伝えられるようにしている。これにより、ビーム偏向器５０から複数の走査範囲にレーザビームが同時に出射されるようにできる。
より詳しくは、本実施形態では、レーザ光源１０は、第１～第３レーザ光源１１～１３を１つの組となる第１組、第４～第６レーザ光源の１４～１６をもう１つの組となる第２組として、２つの組を構成している。第１組を構成するレーザ光源１０と第２組を構成するレーザ光源１０は、それぞれ対となって、対となるレーザ光源１０同士が同じ種類の半導体レーザで構成されている。具体的には、第１レーザ光源１１と第４レーザ光源１４を同じ半導体レーザで構成しており、第２レーザ光源１２と第５レーザ光源１５を同じ半導体レーザで構成している。また、第３レーザ光源１３と第６レーザ光源１６を同じ半導体レーザで構成している。つまり、本実施形態でも、第１組と第２組は、同数のレーザ光源１０を有した構成とされ、同じ組に含まれるレーザ光源１０は異なる種類の半導体レーザとされ、異なる波長のレーザ光が生成可能となっている。
そして、図１３に示すように、第１レーザ光源１１と第４レーザ光源１４については同じ半導体レーザで構成し、各レーザ光源１１、１４の利得媒体のゲインの波長依存性が極大値を２つ持つようにしている。つまり、励起準位の波長と基底準位の波長においてピークを持つようにしている。そして、通常走査時には、励起準位の波長を第１レーザ光源１１の波長可変範囲の中心波長λ１、基底準位の波長を第４レーザ光源１４の波長可変範囲の中心波長λ４としつつ、異なる中心波長でのレーザ発振の切替えも可能としている。つまり、第１レーザ光源１１と第４レーザ光源１４について、励起準位の波長を中心波長λ１とする場合と基底準位の波長を中心波長λ４とする場合という異なる中心波長でのレーザ発振の切替えを可能としている。
同様に、第２レーザ光源１２と第５レーザ光源１５については同じ半導体レーザで構成し、各レーザ光源１２、１５の利得媒体のゲインの波長依存性が極大値を２つ持つようにしている。つまり、励起準位の波長と基底準位の波長においてピークを持つようにしている。そして、通常走査時には、励起準位の波長を第２レーザ光源１２の波長可変範囲の中心波長λ２、基底準位の波長を第５レーザ光源１５の波長可変範囲の中心波長λ５としつつ、異なる中心波長でのレーザ発振の切替えも可能としている。つまり、第２レーザ光源１２と第５レーザ光源１５について、励起準位の波長を中心波長λ２とする場合と基底準位の波長を中心波長λ５とする場合という異なる中心波長でのレーザ発振の切替えを可能としている。
また、第３レーザ光源１３と第６レーザ光源１６については同じ半導体レーザで構成し、各レーザ光源１３、１６の利得媒体のゲインの波長依存性が極大値を２つ持つようにしている。つまり、励起準位の波長と基底準位の波長においてピークを持つようにしている。そして、通常走査時には、励起準位の波長を第３レーザ光源１３の波長可変範囲の中心波長λ３、基底準位の波長を第６レーザ光源１６の波長可変範囲の中心波長λ６としつつ、異なる中心波長でのレーザ発振の切替えも可能としている。つまり、第３レーザ光源１３と第６レーザ光源１６について、励起準位の波長を中心波長λ３とする場合と基底準位の波長を中心波長λ６とする場合という異なる中心波長でのレーザ発振の切替えを可能としている。
中心波長λ１～λ６は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４＜λ５＜λ６の関係になっている。このため、一つの対となるレーザ光源１０の励起準位と基底準位との間に、残りの２つの対となるレーザ光源１０の励起準位もしくは基底準位が来る構成とされている。より詳しくは、第１、第４レーザ光源１１、１４の励起準位と基底準位との間に、残りの２つの対となる第２、第５レーザ光源１２、１５や第３、第６レーザ光源１３、１６の励起準位もしくは基底準位が来る構成とされている。
これらの場合、レーザ発振させた場合の光出力は図１４のように表され、各中心波長λ１～λ６を中心とした所定の波長可変範囲内において波長を変化させてもレーザ発振によって所望の光出力を得ることができる。このため、第１レーザ光源１１と第４レーザ光源１４、第２レーザ光源１２と第５レーザ光源１５、第３レーザ光源１３と第６レーザ光源１６をそれぞれ同じ半導体レーザによって構成しても、中心波長λ１～λ６において所望の光出力が得られる。
このため、図１２に示すように、第１～第６レーザ光源１１～１６それぞれを中心波長λ１～λ６としてレーザ光を出射させることで、連続する複数の走査範囲（１）～（６）に同時にレーザビームを照射できる。したがって、連続する複数の走査範囲（１）～（６）を同時に走査できる。
また、第１、第４レーザ光源１１、１４を同じ半導体レーザによって構成し、第２、第５レーザ光源１２、１５を同じ半導体レーザによって構成し、第３、第６レーザ光源１３，１６を同じ半導体レーザによって構成している。このため、それぞれを同じ中心波長としてレーザ光を出射させることもできる。例えば、第１レーザ光源１１と第４レーザ光源１４を共に中心波長λ４としてレーザ光を出射させる。このようにすれば、第１レーザ光源１１と第４レーザ光源１４の両方から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（１）に集中させることが可能となる。
これに基づき、要望する走査範囲と第１～第６レーザ光源１１～１６の走査割り当てを図表に纏めると図１５～図１９のように表される。
まず、通常走査時として、走査範囲（１）～（６）を同時に走査する際には、図１５に示す走査割当てとなる。具体的には、図１５に示すように、第１～第６レーザ光源１１～１６それぞれで走査割り当てし、中心波長λ１～λ６として同時にレーザ光を出射する。これにより、複数の走査範囲（１）～（６）を同時に走査することが可能になる。
また、走査範囲（１）～（３）へ集中走査を行う場合には、図１６に示すように、第１、第４レーザ光源１１、１４については走査範囲（１）、第２、第５レーザ光源１２、１５については走査範囲（２）をそれぞれ走査割り当てする。さらに、第３、第６レーザ光源１３、１６については走査範囲（３）を走査割り当てする。そして、第１、第４レーザ光源１１、１４については中心波長λ１、第２、第５レーザ光源１２、１５については中心波長λ２、第３、第６レーザ光源１３、１６については中心波長λ３として、同時にレーザ光を出射する。これにより、第１～第６レーザ光源１１～１６から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（１）～（３）に集中させることが可能となる。
走査範囲（４）～（６）へ集中走査を行う場合も同様であり、図１７に示す割り当てとする。つまり、第１、第４レーザ光源１１、１４については中心波長λ４、第２、第５レーザ光源１２、１５については中心波長λ５、第３、第６レーザ光源１３、１６については中心波長λ６として、同時にレーザ光を出射する。これにより、第１～第６レーザ光源１１～１６から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（３）～（６）に集中させることが可能となる。
また、走査範囲（２）～（４）へ集中走査を行うこともでき、図１８に示す割り当てとする。この場合、第１、第４レーザ光源１１、１４については中心波長λ４、第２、第５レーザ光源１２、１５については中心波長λ２、第３、第６レーザ光源１３、１６については中心波長λ３として、同時にレーザ光を出射する。これにより、第１～第６レーザ光源１１～１６から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（２）～（４）に集中させることが可能となる。
さらに、走査範囲（３）～（５）へ集中走査を行うこともでき、図１９に示す割り当てとする。この場合、第１、第４レーザ光源１１、１４については中心波長λ４、第２、第５レーザ光源１２、１５については中心波長λ５、第３、第６レーザ光源１３、１６については中心波長λ３として、同時にレーザ光を出射する。これにより、第１～第６レーザ光源１１～１６から出射したレーザ光に基づくレーザビームを走査範囲（３）～（５）に集中させることが可能となる。
このように、６つのレーザ光源１０を用いる場合おいても、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。
（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１、第２実施形態で説明したレーザ光源１０の具体例として、波長可変機構を備えた外部共振レーザを用いる場合について説明する。
図２０は、外部レーザ共振器によって構成される１つのレーザ光源１０の概略構成を示したものであり、この図に示すレーザ光源１０が複数個、つまり第１実施形態の構成であれば４つ、第２実施形態の構成であれば６つ備えられることでビーム偏向システムが構成される。
図２０に示すように、レーザ光源１０は、光フィルタ１０１とＳＯＡ１０２とを有して構成されている。このレーザ光源は、ＳＯＡ１０２から光を光フィルタ１０１に出射し、光フィルタ１０１およびＳＯＡ１０２において共振状態とした強い光として取り出し、ＳＯＡ１０２から出射光として外部に出力するものである。このＳＯＡ１０２から外部に出力される出射光がレーザ光源１０のレーザ光に相当する。
光フィルタ１０１は、例えば半導体基板１１０を用いて半導体プロセスを施すことによって形成されている。光フィルタ１０１についてはレーザ光源１０毎に備えられることになるが、それぞれが分離した構成とされていても良いし、同じ半導体基板１１０に対して複数個が備えられて一体となった構成とされていても良い。具体的には、光フィルタ１０１を構成する半導体基板１１０には、ＳＳＣ１１１、第１導波路１１２、第１リング共振器１１３、第２導波路１１４、第２リング共振器１１５、第３導波路１１６、変調器１１７、ループミラー１１８などが備えられている。
ＳＳＣ１１１は、光スポットサイズ変換器である。ＳＳＣ１１１は、ＳＯＡ１０２と第１導波路１１２のモード径を合わせるためのものであり、一端が、半導体基板１１０の端面１１０ａから露出させられており、他端が第１導波路１１２に接続されている。例えば、ＳＳＣ１１１は、テーパ状に形成され、第１導波路１１２からＳＯＡ１０２に向けて徐々にモード径が拡径されている。また、ＳＳＣ１１１のうちの第１導波路１１２側となる他端側は、反射を防止するため、第１導波路１１２の長手方向に対して所定角度だけ傾けられている。
第１導波路１１２、第２導波路１１４および第３導波路１１６は、ＳＳＣ１１１から伝えられたＳＯＡ１０２からの光を伝搬する光導波路の役割を果たすものであり、一方向を長手方向としたライン状で構成され、互いに平行に並べられている。第１導波路１１２、第２導波路１１４および第３導波路１１６のうち先端部以外の内側部は、幅および厚みが等しくされ、一定の断面積とされている。第１導波路１１２は、光を第１リング共振器１１３に伝搬したり、第１リング共振器１１３から戻ってくる光をＳＯＡ１０２側に伝搬したりする。第２導波路１１４は、第１リング共振器１１３から伝搬された光を第２リング共振器１１５に伝搬したり、第２リング共振器１１５から戻ってくる光を第１リング共振器１１３側に伝搬したりする。第３導波路１１６は、第２リング共振器１１５から伝搬された光がループミラー１１８を介して戻されるため、これを再び第２リング共振器１１５に伝搬する。
第１導波路１１２のうちのＳＳＣ１１１と反対側の端部、第２導波路１１４の両端部、および、第３導波路１１６のうちのループミラー１１８と反対側の端部には、それぞれ、ターミネータ１１２ａ、１１４ａ、１１４ｂ、１１６ａが備えられている。これらターミネータ１１２ａ、１１４ａ、１１４ｂ、１１６ａにより、各導波路から伝搬されてきた不要な光が各導波路の外部に放出させられる。各ターミネータ１１２ａ、１１４ａ、１１４ｂ、１１６ａは、不要な光が反射して再び導波路に伝搬されることが抑制されるように、各導波路の長手方向に対して所定の角度傾斜した方向に延設され、先細りテーパ形状とされている。
また、第１導波路１１２のうちのＳＳＣ１１１と接続される側の端部も、第１導波路１１２の長手方向に対して所定の角度傾斜した方向に延設されている。そして、この端部は、先細り形状の導波路１１２ｂを含むＳＳＣ１１１に接続されることで、反射が抑制されて効率よく光がＳＳＣ１１１側に伝搬される構造とされている。
第１リング共振器１１３と第２リング共振器１１５は、光が入力されることにより、それぞれが所定の自由スペクトル間隔 (以下、ＦＳＲという)を有する透過スペクトルを生成する共振器である。
これら第１リング共振器１１３と第２リング共振器１１５それぞれで生成された透過スペクトルが重なった波長が、これらの合成スペクトルとなるダブルリングの透過スペクトルが最も高い１番目のピークとなる。この１番目のピークによって、反射鏡１２１とループミラー１１８の間で形成されるファブリペロー共振器の縦モードが選択され、レーザ発振が起こり強い光となるため、この強い光が出射光としてＳＯＡ１０２から外へ出力されるようになっている。
第１リング共振器１１３は、第１導波路１１２および第２導波路１１４の間に配置され、これらから所定距離離れた位置に配置されているが、これらに対して光結合されている。このため、第１導波路１１２から光が伝搬されてくると、第１リング共振器１１３にその光が伝搬され、第１リング共振器１１３内に伝搬された光が第２導波路１１４に伝搬される。
また、第２リング共振器１１５は、第２導波路１１４および第３導波路１１６の間に配置され、これらから所定距離離れた位置に配置されているが、これらに対して光結合されている。このため、第２導波路１１４から光が伝搬されてくると、第２リング共振器１１５にその光が伝搬され、第２リング共振器１１５内に伝搬された光が第３導波路１１６に伝搬される。
なお、第１リング共振器１１３や第２リング共振器１１５には、それぞれ、後述する図２１に示されるようなヒータ１３５が備えられている。このヒータ１３５によって加熱されることで、意図的に、透過スペクトルのＦＳＲを変化させられるようになっている。
第１導波路１１２、第２導波路１１４および第３導波路１１６は、共に幅が同じに設定されている。また、第１リング共振器１１３や第２リング共振器１１５は、長方形状の四隅を四分円としたもので構成され、幅を各導波路の幅と同じとしてある。第１リング共振器１１３のうち第１導波路１１２、第２導波路１１４と対向する直線部分や第２リング共振器１１５のうち第２導波路１１４、第３導波路１１６と対向する直線部分によって光結合され、結合効率を考慮してその長さが設定されている。また、第１リング共振器１１３と第１導波路１１２または第２導波路１１４との間隔である導波路間ギャップについても結合効率を考慮して設定されている。
図２１は、第１リング共振器１１３の断面構造を示している。第１リング共振器１１３は、支持基板１３１、アンダークラッド層１３２、コア層１３３、オーバークラッド層１３４、ヒータ１３５を積層することで構成されている。
支持基板１３１は、シリコン基板などによって構成されている。アンダークラッド層１３２は、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）などの絶縁膜によって構成され、支持基板１３１の上に成膜されている。コア層１３３は、第１リング共振器１１３の導波路を構成する部分であり、シリコンなどによって構成されていて、上面形状が第１リング共振器１１３の形状となるようにパターニングされている。コア層１３３の幅が第１リング共振器１１３の幅に相当している。オーバークラッド層１３４は、ＳｉＯ２などの絶縁膜によって構成され、コア層１３３を覆うように形成されている。ヒータ１３５は、オーバークラッド層１３４上において、コア層１３３と対応する位置に形成されている。ヒータ１３５は、例えばＴａ、ＴｉＮ、ＴａＮなどのように、通電によってコア層１３３を加熱できる発熱材料で構成されている。
なお、ここでは第１リング共振器１１３の断面構造として説明したが、第２リング共振器１１５も同様の構造とされている。また、第１～第３導波路１１２、１１４、１１６も、基本的には図２１の断面構成とされ、ここからヒータ１３５を無くした構成とされている。また、支持基板１３１、アンダークラッド層１３２およびコア層１３３として、ＳＯＩ（Silicon On Insulatorの略）基板が用いられ、ＳＯＩ基板における活性層をパターニングしてコア層１３３を形成している。
変調器１１７は、第３導波路１１６を通過する光の位相を変調するものである。変調器１１７としては、例えば熱光学効果やキャリアプラズマ効果や電気光学効果などを利用した位相変調器が用いられる。なお、変調器１１７については、第３導波路１１６に限らず、第１導波路１１２や第２導波路１１４に備えられていても良い。
ループミラー１１８は、第３導波路１１６から伝搬されてきた光をループ状に伝搬させて、再び第３導波路１１６に伝搬させる役割を果たす。
一方、ＳＯＡ１０２は、例えば、III－Ｖ族半導体構造などによって構成され、光を増幅して出力する光源となるものである。ＳＯＡ１０２は、一面１０２ａが半導体基板１１０の端面１１０ａに貼り付けられることで光フィルタ１０１に接続されて一体となっている。この一面１０２ａにおいて、第１導波路１１２と光結合されるように、図示しないマッチングオイルや紫外線硬化樹脂などを介して、ＳＯＡ１０２が端面１１０ａに接続されている。
ＳＯＡ１０２の他面１０２ｂは、光の出射面となる面である。この他面１０２ｂには、反射鏡１２１が備えられており、ＳＯＡ１０２から外部に光を取り出しつつも、内部において光を反射して光フィルタ１０１側に戻す役割を果たす。本実施形態のように、反射鏡１２１にて光を反射しつつ、外部に光を取り出す形態とする場合、一般的には、反射鏡１２１の反射率は１～１０％程度とされる。
図２２は、ＳＯＡ１０２の断面構造を示している。ＳＯＡ１０２は、下部電極１４０、基板１４１、アンダークラッド層１４２、中間層１４３、量子ドット層１４４、オーバークラッド層１４５、コンタクト層１４６、上部電極１４７の積層構造によって構成とされている。
下部電極１４０は、基板１４１の裏面側、つまりアンダークラッド層１４２と反対側に接触させられている。基板１４１は、例えばＧａＡｓ基板などによって構成されている。アンダークラッド層１４２は、ｎ型のＡｌＧａＡｓなどで構成されている。中間層１４３と量子ドット層１４４は、交互に形成されたもので、ここでは交互に繰り返し形成されたもの、例えば３段繰り返し積層した構造とされている。中間層１４３は、例えばＩｎｘＧａ１－ｘＡｓ（０≦ｘ＜１）によって構成されており、量子ドット層１４４は、例えばＩｎＡｓ、ＩｎＧａＡｓによって構成されている。量子ドット層１４４は、結晶成長や微細加工などによって形成された粒状の量子ドットを備えた構造であり、表面側および裏面側が中間層１４３によって覆われている。
オーバークラッド層１４５は、最も上層に位置している中間層１４３の表面上に形成されており、例えばＡｌＧａＡｓによって構成されている。コンタクト層１４６は、ＡｌＧａＡｓの上に形成されており、例えばＧａＡｓによって構成され、上部電極１４７とのコンタクトを取るために形成されている。上部電極１４７は、コンタクト層１４６の表面に接触させられるように形成されている。上部電極１４７とコンタクト層１４６およびオーバークラッド層１４５の表層部に至るまで凹部１４８が形成されており、凹部１４８以外の位置に上部電極１４７とコンタクト層１４６が突き出たメサ構造とされている。
このように構成されたＳＯＡ１０２により、上部電極１４７と下部電極１４０との間に所定の電位差を発生させる電圧を印加することにより、レーザ発振を生じさせ、レーザ光を出射させることができる。
このようにして、光フィルタ１０１およびそれにＳＯＡ１０２を組み合わせることで構成されたレーザ光源が構成されている。このようなレーザ光源は、反射鏡１２１とループミラー１１８とによって光が反射させられるファブリペロー共振器を構成し、反射鏡１２１とループミラー１１８との間において縦モードとなる共振状態を作り出す。そして、第１リング共振器１１３と第２リング共振器１１５の強い共振状態によって、これら縦モードのうち一つ以上が選択され、強い共振状態が生じる波長においてレーザ発振し、強い光が反射鏡１２１から誘導放出されて出射光として出力されるようになっている。
そして、第１リング共振器１１３や第２リング共振器１１５に備えられたヒータ１３５の温度調整を行うことによってレーザ光源１０を構成する外部レーザ共振器のレーザ共振器長を調整することで、レーザ光の波長を可変とすることができる。
また、レーザ光源１０における利得媒体の基底準位と励起準位の制御に基づいて、レーザ光の波長を可変とすることもできる。例えば（１）量子ドット層１４４を構成する量子ドットのサイズの調整、（２）中間層１４３の組成調整、（３）アンダークラッド層１４２の組成調整、（４）ＳＯＡ１０２の素子温度の調整の少なくとも１つによって基底準位と励起準位を制御できる。
これらレーザ共振器長の調整と基底準位と励起準位の制御を両方とも行っても良いが、少なくとも一方で良い。特に、利得媒体のゲインの波長依存性がブロードな場合には、必ずしも基底準位と励起準位の制御については必要ではない。
例えば、第２実施形態のように、６つのレーザ光源１０を用いる場合には、図２３に示すように第１～第６レーザ光源１１～１６の中心波長λ１～λ６をそれぞれ１２１５～１３６５ｎｍまで３０ｎｍ間隔で設定することができる。また、各中心波長λ１～λ６に対して波長可変下限を－１５ｎｍ、波長可変上限を＋１５ｎｍに設定することができ、第１～第６レーザ光源１１～１６の波長可変範囲を連続したものとすることが可能となる。
なお、図２３では、第２実施形態のように６つのレーザ光源１０を用いる場合の一例として示しているが、第１実施形態のように４つのレーザ光源１０を用いる場合も同様である。その場合、例えば図２３に示される６つうちの上から４つの中心波長λ１～λ４を選択すれば良いし、他の連続する４つの中心波長となるようにしても良い。
（他の実施形態）
本開示は、上記した実施形態に準拠して記述されたが、当該実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。
例えば、上記第１実施形態ではレーザ光源１０を４つ、第２実施形態ではレーザ光源１０を６つ備える場合を例に挙げて説明したが、これらに限らない。すなわち、２つの異なる中心波長に切り替えることが可能な２組のＭ種のレーザ光源１０を備えることで、合計２Ｍ個のレーザ光源１０を備える。ただし、Ｍは正の整数である。そして、２組それぞれのＭ種のレーザ光源１０のＮ番目のレーザ光源１０の中心波長をそれぞれλＮとλＮ＋Ｍとしたとき、λ１＜λ２＜・・・＜λＮ＜・・・＜λＭ＜・・・＜λＮ＋Ｍ＜・・・＜λ２Ｍを満たすようにする。ただし、Ｎは正の整数、かつ、１≦Ｎ≦Ｍを満たす数を意味している。
このようにすれば、複数のレーザ光源１０から出射されるレーザ光を波長合波器３０にて合波させ、ビーム偏向器５０より波長に応じた走査範囲のレーザビームとして出射させることが可能となる。また、特定の走査範囲にレーザビームを集中させるビーム制御を実現できる。
また、上記実施形態では、複数個のレーザ光源１０における光フィルタ１０１について、それぞれが分離した構成とされていても良いし、一体となった構成とされていても良いことに付いて説明した。さらに、導波路２０、波長合波器３０、導波路４０およびビーム偏向器５０についても一体的に形成することもできる。
１０ レーザ光源
１１～１６ 第１～第６レーザ光源
２０、４０ 導波路
２１～２６ 第１～第６導波路
３０ 波長合波器
５０ ビーム偏向器

Claims (4)

  1. 波長の変化によってレーザビームを偏向させるビーム偏向器（５０）と、
    ２つの異なる中心波長の切り替えが可能な複数のレーザ光源（１０）と、
    前記複数のレーザ光源から出射されるレーザ光を合波させ、前記ビーム偏向器へ入力する波長合波器（３０）と、を有し、
    前記複数のレーザ光源は、２つの異なる中心波長の切り替えが可能なレーザ光源をＭ種備えていると共に、Ｍ種それぞれの前記レーザ光源を２組ずつ備えており、
    前記波長合波器は、前記２組のＭ種の前記レーザ光源から出射されるレーザ光を合波させて前記ビーム偏向器へ入力し、
    前記２組のＭ種のレーザ光源のＮ番目（１≦Ｎ≦Ｍ） のレーザ光源の中心波長をλＮとλＮ＋Ｍとしたとき、
    λ１＜λ２＜・・・＜λＮ＜・・・＜λＭ＜・・・＜λＮ＋Ｍ＜・・・＜λ２Ｍ
    を満たしているビーム偏向システム。
  2. 前記レーザ光源のレーザ利得媒体のゲインの波長依存性が極大値を２つ持つ、請求項１に記載のビーム偏向システム。
  3. 前記レーザ光源の中心波長λ１～λＭがレーザ利得媒体の励起準位による発振、かつ、中心波長λＭ＋１～λ２Ｍがレーザ利得媒体の基底準位による発振である請求項１または２に記載のビーム偏向システム。
  4. 前記レーザ光源のうちレーザ利得媒体に量子ドット構造を用いている請求項１乃至３のいずれか１つに記載のビーム偏向システム。
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