JP5550040B2

JP5550040B2 - 光制御遅延器及び分光装置

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Publication number: JP5550040B2
Application number: JP2009250898A
Authority: JP
Inventors: 功諸橋; 徳彦関根; 直克山本; 巌寳迫
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2009-10-30
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2029-10-30
Also published as: JP2011095609A

Description

本発明は，光制御遅延器などに関する。具体的に説明すると，本発明は，入射光の波長を制御することで遅延量を制御できる，光制御遅延器や分光装置に関する。また本発明は，超短光パルスを用いてテラヘルツ領域（１００ＧＨｚから１０ＴＨｚ）の電磁波の発生・検出及び分光にも用いることのできる光制御遅延器及び分光装置に関する。

光通信や物性研究等の分野において，フェムト秒（１０^−１５秒）〜ピコ秒（１０^−１２秒）オーダの時間内で変化する光信号の利用が盛んに行われている。そして，このような光信号の変化は，時間分解能の高い時間分解分光計測により測定することができる。そこで，精度の高い分光装置が望まれる。

図１は，従来の光遅延制御器の構成例を示すブロック図である。図１に示されるように，従来の光遅延制御器１０１は，超短光パルスレーザであるモード同期レーザ１０２，レーザ光を分岐するビームスプリッタ１０３，機械的に駆動される可動鏡１０４，および光強度変調器１０５を含む。そして，１台の超短光パルスレーザからのパルス光を，ビームスプリッタにより２つあるいはそれ以上に分岐させる。そして，片方のパルス光を可動鏡で反射させることにより，他方の光パルスに対して任意の位置での到達時間を変化させる(非特許文献１)。この光遅延制御器は，可動ステージの機械精度に起因するタイミング制御の不正確さや，測定時間が長時間になること，あるいは分岐したすべてのパルス光が同一の波長であるという問題があった。

図２は，従来の光遅延制御器の構成例であって，図１に示されるものとは異なるものを示すブロック図である。図２に示されるように，従来の光遅延制御器１１１として，２台の超短光パルスレーザ１１２，１１３を有するものがある。この光遅延制御器は，超短光パルスレーザの片方あるいは双方のレーザのキャビティ長を精密に制御し，互いに異なる繰返し周波数で動作させることにより，任意の位置での光パルスの到達時間を変化させる (非特許文献２)。この光遅延制御器は，異なる繰返し周波数を得るためのキャビティ長の制御機構が複雑であること，それぞれの光パルスレーザに独立にタイミングジッタが存在し，エネルギー分解能，精度およびＳＮ比に難点があり，それを制御する機構が複雑であるという問題点があった。

さらに，これら従来の光遅延制御器は，光学系の精密な制御が必要であったため，環境の変化（たとえば，温度変化や振動）による外乱に弱いという欠点があり，さらには繰返し周波数がほぼ固定であること，および装置が大きいという欠点があった。
Ultra fast Spectroscopy of Semiconductors and Semiconductor Nanostructures, 1.3節 Applied Physics Letters, vol. 87, p061101 (2005)

本発明は，外乱の影響を受けにくい光制御遅延器，分光装置を提供することを目的とする。

本発明は，精度を保ちつつ，小型で簡便に遅延時間調整を行うことができる光制御遅延器，分光装置を提供することを目的とする。

本発明は，基本的には，遅延量を波長により変化させることのできる光遅延器を用いることで，遅延量を簡便に制御できる光制御遅延器を提供できるという知見に基づくものである。特に，本発明では，分散媒質中の群速度分散を利用することで遅延を生成する光遅延器を用いることで，外乱の影響を受けにくい光制御遅延器を提供できるという知見に基づくものである。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器は，光を分波する分波器５と，分波器５により分波された一方の光が入射する第１の波長変換器１と，第１の波長変換器１により波長が変換されたパルス光が入力される光遅延器２と，光遅延器２により遅延が与えられたパルス光の波長を変換するための第２の波長変換器３とをふくむ。そして，光遅延器２は，入射光の波長により，入射光に与える遅延量が異なるものであり，分波器５により分波された残りの光と，第１の波長変換器１に入射され，光遅延器２及び第２の波長変換器３を経て出力された光との間の遅延時間を制御できる。

このように，入射光の波長により，入射光に与える遅延量が異なる光遅延器を用いることで，光学系の精密な制御を行う必要がないため，小型で簡便な光制御遅延器を提供できる。また，外乱の影響を受けにくい，光制御遅延器を提供できる。さらには，分波器５で分波された残りの光と，第１の波長変換器１に入射され，光遅延器２及び第２の波長変換器３を経て出力された光との間の遅延時間を制御できる光制御遅延器を提供できるため，簡便な時間分解計測を実現できる。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，第２の波長変換器３は，出力光の波長が，第１の波長変換器１に入射した光の波長となるように，入射光の波長を変化する，上記に記載の光制御遅延器である。

第２の波長変換器３が，出力光の波長を第１の波長変換器１に入射した光と同じとなるように入射光の波長を変化させることで，分波器５により分波された一方の光の波長と同じとなるため，本発明の光制御遅延器により時間分解計測を行うことができる。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，分波器５に入射するパルス光を生成するための光パルス発生器４をさらに有し，光パルス発生器４は，モード同期ファイバレーザを含む，上記いずれかに記載の光制御遅延器である。

モード同期ファイバレーザを光パルス発生器４として用いることで，発振周波数やパルスの繰り返し周波数が正確に固定された光パルス発生器を得ることができる。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，分波器５に入射するパルス光を生成するための光パルス発生器４をさらに有し，光パルス発生器４は，光コム発生器を含む，上記いずれかに記載の光制御遅延器である。

光コム発生器を光パルス発生器４として用いることで，等間隔の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成することができ，正確に固定された光パルス発生器を得ることができる。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，分波器５に入射するパルス光を生成するための光パルス発生器４をさらに有し，光パルス発生器４は，半導体量子ドットコムレーザを含む，上記いずれかに記載の光制御遅延器である。

半導体量子ドットコムレーザを光パルス発生器４として用いることで，発振周波数やパルスの繰り返し周波数が正確に固定された光パルス発生器を得ることができる。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，さらに，第１の波長変換器１が，半導体光増幅器を用いた波長変換器である，上記いずれかに記載の光制御遅延器である。

第１の波長変換器１として，半導体光増幅器を用いることで，パルス光と調整光とで相互位相変調を行い，波長変換を行うことができる。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，第１の波長変換器１が，半導体光増幅器を含み，周波数が制御された調整光と入射光とを混合することで，出力光の波長を変換する波長変換器である，上記いずれかに記載の光制御遅延器である。調整光の周波数を制御することで，出力光の波長を制御し，これにより光遅延器２により与えられる遅延量を制御する。

半導体光増幅器を含む第１の波長変換器１は，波長変換のために入射する調整光の周波数を制御し，周波数を変化させる。調整光の周波数を変化させることにより，光遅延器に与えられる遅延量を変化させることができるため，容易に遅延時間を制御することができる光制御遅延器を提供できる。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，第１の波長変換器１が，光ファイバである，上記いずれかに記載の光制御遅延器である。

第１の波長変換器１として光ファイバを用いることで，四光波混合，自己位相変調，相互位相変調，又はラマン分光といった非線形光学効果により波長変換を行うことができる。

本発明の第１の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，第１の波長変換器１が，四光波混合により入射光の波長を変換する，半導体素子を用いた波長変換器である，上記いずれかに記載の光制御遅延器である。

半導体素子として，例えば，ガリウム・アルミニウム砒素（ＧａＡｌＡｓ）の半導体素子，分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ，分布反射型（ＤＢＲ）レーザや，量子ドットレーザがある。これらの半導体素子を非線形光学素子として用いることで，四光波混合により波長変換を行うことができる。

本発明の第２の側面に係る光制御遅延器は，第１の波長変換器１と，第１の波長変換器１により波長が変換されたパルス光が入力される光遅延器２と，光遅延器２により遅延が与えられたパルス光の波長を変換するための第２の波長変換器３とを含む。そして，光遅延器２は，入射光の波長により，入射光に与える遅延量が異なるものである。

第１の波長変換器１による波長変換で，入射光の波長を変化させることにより，光遅延器２で入射光に与える遅延量を異ならせることができ，簡便に遅延量を制御することができる。

本発明の第２の側面に係る光制御遅延器の好ましい態様は，パルス光の波長を変換するために第１の波長変換器１に入射される調整光と，第２の波長変換器３に入射される調整光の波長は同じである，上記に記載の光制御遅延器である。

第１の波長変換器１に入射される調整光と，第２の波長変換器３に入射される調整光の波長を同じに構成しても，第２の波長変換器３から出力されるパルス光の波長は，第１の波長変換器に入射されるパルス光の波長である。従って，より簡便な光制御遅延器を得ることができる。

本発明の第３の側面は，折り返し手段２２を有する光制御遅延器に関する。具体的に説明すると，この光制御遅延器は，光を分波及び合波する分波・合波器２０と，分波・合波器２０により分波された一方の光が入射する波長変換器２１と，波長変換器２１により波長が変換された光が入力される光遅延器２と，光遅延器２からの出力光を折り返すための第１の折り返し手段２２と，分波・合波器２０により分波された残りの光を，分波・合波器２０へ向けて折り返すための第２の折り返し手段２３とを有する。

このような構成を有するため，分波・合波器２０により分波され，第２の折り返し手段２３により前記分波・合波器２０へ向けて折り返された光（第１の光）と；波長変換器２１に入射され，光遅延器２を経て，折り返し手段２２により折り返され，光遅延器２及び波長変換器２１を経て，分波・合波器２０へ向けて出力された光（第２の光）とが，分波・合波器２０において合波される。そして，これらの光（第１の光及び第２の光）の間の遅延時間を制御できる。

本発明の第４の側面の光制御遅延器は，光を分波する分波器５と，分波器５により分波された一方の光が入射する波長変換器２１と，波長変換器２１により波長が変換されたパルス光が入力される光遅延器２と，光遅延器２からの出力光を折り返すための折り返し手段２２と，分波器５と波長変換器２１の間に位置するサーキュレータ２５を有する。そして，光遅延器２は，入射光の波長により，入射光に与える遅延量が異なるものである。このような構成を有するため，分波器５により分波された残りの光と；波長変換器２１に入射され，光遅延器２を経て，折り返し手段２２により折り返され，光遅延器２及び波長変換器２１を経て，分波器５へ向けて出力された光との間の遅延時間を制御できる。そして，サーキュレータ２５は，分波器５により分波された一方の光がサーキュレータ２５へ入射した場合，この入射光を波長変換器２１へ向けて出力する。一方，サーキュレータ２５は，折り返し手段２２により折り返され，波長変換器２１に再度光遅延器２を経て出力された光がサーキュレータ２５へ入射した場合，波長変換器２１へ戻らないように出力する。

本発明の第５の側面は，上記いずれかに記載の光制御遅延器を含む分光装置である。上記いずれかに記載の光制御遅延器を適用した分光装置であれば，任意に遅延時間を設定して時間分解分光計測を行うことができる分光装置を得ることができる。

本発明によれば，外乱の影響を受けにくい光制御遅延器，及び分光装置を提供することができる。

本発明によれば，精度を保ちつつ，小型で簡便に遅延量を制御できる光制御遅延器，及び分光装置を提供することができる。

図１は，従来の光遅延制御器の構成例を示すブロック図である。図２は，従来の光遅延制御器の構成例であって，図１に示されるものとは異なるものを示すブロック図である。図３は，本発明に係る光遅延制御器の基本構成を説明するためのブロック図である。図４は，本発明の第１の実施形態に係る光遅延制御器を説明するためのブロック図である。図５は，本発明の第２の実施形態に係る光遅延制御器を説明するためのブロック図である。図６は，波長変換の原理を説明するための図である。図７は，本発明のある光遅延制御器の基本構成を説明するためのブロック図である。図８は，本発明のある光遅延制御器の基本構成を説明するためのブロック図である。

以下，図面を用いて本発明を具体的に説明する。本発明は，以下に説明する本発明の実施の形態に限定されず，当業者に自明な範囲で適宜修正しうる構成をも含む。図３は，本発明に係る光遅延制御器の基本構成を説明するためのブロック図である。図３に示されるように，本発明は，光を分波する分波器５と，分波器５により分波された一方の光が入射する第１の波長変換器１と，第１の波長変換器１により波長が変換されたパルス光が入力される光遅延器２と，光遅延器２により遅延が与えられたパルス光の波長を変換するための第２の波長変換器３とを有する。そして，光遅延器２は，入射光の波長により，入射光に与える遅延量が異なるものであり，分波器５により分波された残りの光と，第１の波長変換器１に入射され，光遅延器２及び第２の波長変換器３を経て出力された光との間の遅延時間を制御できる，光制御遅延器である。

光遅延制御器は，光信号に制御された時間遅延を与えることができる装置である。光遅延制御器は，たとえば，上記非特許文献１及び２に開示されたものや，特開２００９−６５５７０号公報及び特開平１０−２２４３２５号公報に開示されたものがあげられる。これらは参照することにより，本明細書に取り込まれるものである。本発明の光遅延制御器は，特に２つの光信号の一方に制御された時間遅延を与えることができる装置に好ましく用いることができる。

分波器５は，入射された光を２つに分け，一方の光は第１の波長変換器１に入射し，他方は，そのまま出力されるようにする。ポンプ・プローブ測定による時間分解分光システムに本発明を適用する場合，第１の波長変換器１に入射される光が，プローブ光，そのまま出力される他方の光がポンプ光となる。分波器５は，例えば，ビームスプリッタである。

第１の波長変換器１は，分波器５による分波された一方の光が入射され，入射された光の波長を変換する。具体的には，入射されたパルス光（λ_１）の周波数を制御するための調整光（λ_ｐ1）を用いて，パルス光（λ₁）の波長を変化させ，波長が変換された光（λ_２）を出力する。第１の波長変換器１は，例えば，半導体光増幅器により構成される。

半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いた波長変換器は，たとえば，波長多重通信システムにおいて用いられている。半導体光増幅器（ＳＯＡ）を用いた波長変換器の例は，特開２００８−２２４８６２号公報又は特開２００６−７８５３０号公報に開示されたものである。これらの文献は参照することにより本明細書に組み込まれるものである。

第１の波長変換器１は，複屈折率を有する非線形光学結晶を用いたものであってもよい。このような複屈折率を有する非線形光学結晶を用いた波長変換器は，たとえば波長変換レーザ光源において広く用いられている。複屈折率を有する非線形光学結晶の例は，ＬｉＢ_３Ｏ_５（リチウムトリボレート：ＬＢＯ），ＫＴｉＯＰＯ_４（リン酸チタニルカリウム：ＫＴＰ），ＣｓＬｉＢ_６Ｏ_１０（セシウムリチウムボレート：ＣＬＢＯ）分極反転構造を形成したＬｉＮｂＯ_３（ニオブ酸リチウム：ＰＰＬＮ）及びＬｉＴａＯ_３（タンタル酸リチウム：ＰＰＬＴ）である。これらの中では，ＰＰＬＮが好ましい。ＰＰＬＮを用いた波長変換装置の例は，特開２００９−１２２６０６号公報又は特開２００８−０８９８７３号公報に開示されたものである。これらの文献は参照することにより本明細書に組み込まれるものである。

第１の波長変換器１は，シリコン系半導体を用い，和周波,差周波数,又はパラメトリック効果を利用したものであっても良い。シリコン系半導体を用いた波長変換器の例は，特開２００８−２０９５２２号公報又は特開２００４−７０３３８号公報に開示されたものである。これらの文献は参照することにより本明細書に組み込まれるものである。

光遅延器２は，光遅延器２に入射された光に遅延を与える。光遅延器２として分散媒質があげられ，具体的には光ファイバがあげられる。光遅延器２は，分散媒質中の群速度分散を利用して時間遅延を生成する。つまり，分散媒質にパルス光を入射すると，分散媒質中の群速度分散により所望の時間遅延を得ることができる。分散媒質中の群遅延をＧ（ｐｓ／ｋｍ），媒質の長さをＬ（ｋｍ）とすると，遅延量Ｄ（ｐｓ）は，下記式（１）のように表すことができる。
Ｄ＝Ｇ×Ｌ（１）

従って，第１の波長変換器１を経て光遅延器２の分散媒質中を通ったパルス光は，分波器５により分波された残りのパルス光と比較して，Ｄ（ｐｓ）だけ遅延して出射することとなる。また，分散媒質の屈折率は，分散媒質に入射される光の波長により変化するため，遅延量Ｄも変化する。つまり，同じ長さＬの分散媒質であっても，分散媒質に入射する光の波長を変化させることにより，遅延量Ｄを変化させることができる。このため，第１の波長変換器１で光遅延器２に入射するパルス光の波長を変化させることで，遅延量Ｄを制御することが可能となる。

このように，入射光の波長により，入射光に与える遅延量が異なる光遅延器を用いることで，機械的に光学系の精密な制御を行う必要がないため，小型で簡便な光制御遅延器を提供できる。また，外乱の影響を受けにくい，光制御遅延器を提供できる。さらには，分波器５で分波された残りの光と，第１の波長変換器１に入射され，光遅延器２及び第２の波長変換器３を経て出力された光との間の遅延時間を任意に設定できる光制御遅延器を提供できる。また，分散媒質として光ファイバを用いるので光の引き回しを自由に行うことができる。

光遅延器２の上記と別の例は，誘電体又は半導体上に作製された導波路，フォトニック結晶導波路，フォトニック結晶ファイバ，グレーティングペアあるいはプリズムペア(例えば，特表２００８−５３７３４２号公報や特開平６−０８８９７６号公報の中のグレーティングペア)，及びアレイ導波路グレーティングである。

アレイ導波路グレーティング（ＡＷＧ）の例は特開２００９−２００７３３号公報に開示されたものである。ＡＷＧは，入力スラブカプラと，出力スラブカプラと，複数の光導波路とを有する。入力スラブカプラは，複数の入力ポートと接続されたスラブ導波路である。また，出力スラブカプラは，入力スラブカプラからの光が入力するスラブ導波路である。そして，入力スラブカプラと出力スラブカプラとは，複数の光導波路によって光学的に接続されている。また，それぞれの光導波路は，所定量ずつ長さが異なっており，経路長の差に応じた時間遅延を通過する光信号に与えることができる。この際与える時間遅延は波長に依存する。

第２の波長変換器３は，光遅延器２より出力されたパルス光が入射され，入射された光の波長を変換する。具体的には，入射されたパルス光（λ_２）の周波数を制御するための調整光（λ_ｐ２）を用いて，パルス光（λ_２）の波長を変化させ，波長が変換された光を出力する。第２の波長変換器３は，例えば，半導体光増幅器や光ファイバ，量子ドットレーザなどの半導体素子により構成される。また，好ましくは，第２の波長変換器３は，出力光の波長が，第１の波長変換器１に入射した光の波長となるように，入射光の波長を変化させる。第２の波長変換器３が，出力光の波長を第１の波長変換器１に入射した光（λ_１）と同じとなるように入射光の波長を変化させることで，分波器５により分波された一方の光の波長と同じとなるため，本発明の光制御遅延器により分光装置を構成して時間分解計測を行うことができる。

好ましい態様では，パルス光の波長を変換するために第１の波長変換器１に入射される調整光（λ_ｐ１）と，第２の波長変換器３に入射される調整光（λ_ｐ２）の波長とを同じとする。第１の波長変換器１に入射される調整光と，第２の波長変換器３に入射される調整光の波長を同じに構成することで，より簡便な光制御遅延器を得ることができる。

また，図３に示されるように，本発明の好ましい態様は，さらに，分波器５に入射するパルス光を生成するための光パルス発生器４を有する上記に記載の光制御遅延器である。光パルス発生器４から発生されたパルス光は，分波器５で分波され，第１の波長変換器１に入射され，光遅延器２及び第２の波長変換器３を経て出力された一方の光と，分波器で分波された残りの光とで時間分解計測を行う。

パルス光光源として，連続光（ＣＷ）光源を用いたものがあげられる。光の帯域として，Ｃ−ｂａｎｄのみならず，その長波側のＬ−ｂａｎｄ又はその短波側のＳ−ｂａｎｄであってもよい。光強度として，１ｍＷ〜５０ｍＷがあげられる。

具体的には，パルス光光源の例は，モード同期ファイバレーザを用いたものである。モード同期ファイバレーザの例は，フェムト秒レーザなどの超短光パルスレーザである。光パルスレーザの例は，Ｅｒでドープしたファイバモード同期レーザ，Ｙｂでドープしたファイバモード同期レーザである。モード同期ファイバレーザを光パルス発生器４として用いることで，発振周波数やパルスの繰り返し周波数が正確に固定された光パルス発生器を得ることができる。モード同期ファイバレーザを用いたパルス光光源の例は，特開２００９−０６４９４０号公報又は特開２００８−３１１６２９号公報に開示されたものである。これらは参照することにより本明細書に取り込まれるものである。

光パルス発生器４の別の好ましい態様は，光コム発生器を含むものである。光コム発生器は，等間隔の周波数差を有する複数の光周波数成分を同時に生成する。光周波数コム発生装置は既に知られている。光コム発生器を含む光パルス発生器の例は，特開２００７−２１９３２３号公報又は特開平１０−０８３００４号公報に開示されたものである。これらは参照することにより本明細書に取り込まれるものである。

光パルス発生器４のさらに別の好ましい態様は，半導体量子ドットコムレーザを含むものである。半導体量子ドットコムレーザは，活性層に歪み量子井戸を導入した，量子井戸構造を有する半導体レーザである。半導体量子ドットコムレーザは，半導体量子ドットレーザともよばれる。例えば，ＩｎＧａＡｓやＩｎＧａＡｓＰを用いた量子井戸構造を有する半導体レーザがあげられる。また，量子井戸構造を有すればよく，分布帰還型半導体レーザ（ＤＦＢレーザ）であってもよい。半導体量子ドットコムレーザを含む光パルス発生器４の例は，半導体量子ドットコムレーザと特表２００７−５２５０１２号公報に開示された回路とを含むものである。この文献は参照することにより本明細書に取り込まれるものである。

本発明に係る光制御遅延器の動作を図３に基づいて説明する。光パルス発生器４で生成されたパルス光（λ₁）が分波器５で分波され，一方の波が第１の波長変換器１に入力される。第１の波長変換器１では，調整光（λ_ｐ１）を用いてパルス光（λ₁）の波長を変化させ，波長が変換された光（λ_２）を出力する。光遅延器２には，変換された光（λ_２）が入射する。光遅延器２は，前述した式により定められる遅延量Ｄを光（λ_２）に与えて，出力する。出力された光（λ_２）は，第２の波長変換器３に入力され，調整光（λ_ｐ２）を用いてパルス光（λ_２）の波長を変化させ，波長が変換された光（λ_１）を出力する。第２の波長変換器２により波長変換され，出力された光は，第１の波長変換器に入射された光と同じ波長であるが，光遅延器２により遅延量Ｄだけ遅延した光となる。つまり，分波器５で分波され，第１の波長変換器３に入射されなかった残りの光と比較して，遅延量Ｄだけ遅延した同じ波長の光が出力されるため，時間分解分光を簡便に行うことができるようになる。

図４は，本発明の第１の実施形態に係る光遅延制御器を説明するためのブロック図である。なお，光パルス発生器４，分波器５，光遅延器２の構成は，図３と同様である。本実施形態に係る光制御遅延器は，第１の波長変換器１が，半導体光増幅器６を含む波長変換器である。第１の波長変換器１として，半導体光増幅器を含むもの用いることで，パルス光と調整光とで相互位相変調を行い，波長変換を行うことができる。

また，第１の波長変換器１は，調整光の周波数を制御することで，出力光の波長を制御し，これにより光遅延器２により与えられる遅延量を制御する。半導体光増幅器を含む第１の波長変換器１は，波長変換のために入射する調整光の周波数を制御し，周波数を変化させる。調整光の周波数を変化させることにより，光遅延器に与えられる遅延量を変化させることができるため，容易に遅延時間を制御することができる光制御遅延器を提供できる。

図４の示すとおり，本実施形態の光遅延制御器における第１の波長変換器１は，第１の半導体光増幅器６とサーキュレータ７とを含む。半導体光増幅器（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＯｐｔｉｃａｌＡｍｐｌｉｆｅｒ；ＳＯＡ）６は，広い波長可変範囲を有するため，遅延量の可変範囲も大きくできる。さらに，半導体光増幅器から出力される光を増幅することもできる。

本実施形態に係る光遅延制御器の動作を説明する。パルス発生器４で生成されたパルス光（λ₁）が分波器５で分波され，一方の波が第１の波長変換器１の第１の半導体光増幅器６に入力される。第１の半導体光増幅器６は，サーキュレータ７と接続されており，第１の半導体光増幅器６にパルス光（λ_１）が入力される。光遅延器２に入射するパルス光の波長を調整するために，周波数が制御された調整光（λ_ｐ1）が，サーキュレータ７に入力される。サーキュレータ７に入力された調整光（λ_ｐ1）は，パルス光に対向するように第１の半導体光増幅器６に入力される。第１の半導体光増幅器６内で，パルス光と調整光とで相互利得変調が生じて波長変換が行われ，パルス光と論理反転した光（λ_２）が第１の半導体光増幅器６より出力される。出力された光（λ_２）は，サーキュレータ７を介して，光遅延器２に入力される。なお，調整光（λ_ｐ1）が，第１の半導体光増幅器６に入力される前に，例えば，偏波制御器によって波長変換の効率が最適になるように調整してもよい。また，サーキュレータ７からの出力光のうち出力された光（λ_２）のみを効果的に光遅延器２に入射させるため，サーキュレータ７と光遅延器２との間には，光（λ_２）を含む領域に透過領域を有するバンドパスフィルタが設けられていても良い。

第２の波長変換器３は，光遅延器から出力されたパルス光（λ_２）と調整光（λ_ｐ２）とが入力される合波器８と，パルス光（λ_２）と調整光（λ_ｐ２）とから相互位相変調を行う第２の半導体光増幅器９と，第２の半導体光増幅器９から出力された光が入力される第１の偏光子１０と，偏光子１０を通過した光に遅延を与える複屈折素子１１と，複屈折素子から出力された光を通す第２の偏光子１２とを有するものがあげられる。出力光の波長が，第１の波長変換器１に入射されたパルス光（λ_１）と同じ波長となるように波長変換する。

第２の半導体光増幅器９は，パルス光（λ_２）と調整光（λ_ｐ２）との相互位相変調を行う。このため，第２の半導体光増幅器９から出力された光は位相が変化している。第１の偏光子１０を透過した光は複屈折素子１１に入力される。複屈折素子１１としては，例えば，偏波保持ファイバや方解石を用い，２つの軸（速軸と遅軸）の伝搬速度の差を利用する。複屈折素子９を伝搬した光は，速軸方向と遅軸方向において位相変化に時間的ずれが生じる。第２の偏光子１２は，この速軸方向と遅軸方向との間で時間的ずれが生じた区間のみを通過させることにより，位相変調を強度変調へと変換する。変換された光は，図示しないバンドパスフィルタを用いて，調整光（λ_ｐ２）とパルス光（λ_１）とに分離する。出力されたパルス光（λ_１）は，第２の波長変換器３に入力されたパルス光（λ_２）に対して論理反転した光である。

第１の半導体光増幅器６や第２の半導体光増幅器９は，例えば，量子ドットを活性層に用いた半導体光増幅器や，量子井戸構造を有する半導体光増幅器で構成することができる。

図５は，本発明の第２の実施形態に係る光遅延制御器を説明するためのブロック図である。なお，光パルス発生器４，分波器５，光遅延器２の構成は，図３と同様である。図５に示されるように，本発明の第２の実施形態に係る光制御遅延器は，第１の波長変換器１が，第１の非線形光学素子１３と第１の光波長フィルタ１４とで構成され，第２の波長変換器３は，第２の非線形光学素子１５と第２の光波長フィルタ１６とを有する光制御遅延器である。非線形光学素子を用いることで，四光波混合，自己位相変調，相互位相変調，又はラマン分光といった非線形光学効果により波長変換を行う。

第１の非線形光学素子１３及び第２の非線形光学素子１４として，例えば，光ファイバを用いる。また，半導体素子を用いてもよい。半導体素子として，例えば，ガリウム・アルミニウム砒素（ＧａＡｌＡｓ）の半導体素子，分布帰還型（ＤＦＢ）レーザ，分布反射型（ＤＢＲ）レーザや，量子ドットレーザがあげられる。これらの半導体素子を非線形光学素子として用いることで，四光波混合，自己位相変調，相互位相変調，又はラマン分光といった非線形光学効果により波長変換を行うことができる。

四光波混合を用いた波長変換方法の例は，特開２００７−２２６０７６号公報又は特開２００６−１０６４４０号公報に開示された方法である。自己位相変調を用いた波長変換の例は，特開２００３−１９４７１３号公報又は特開２００１−１５６７１５号公報に開示された方法である。相互位相変調を用いた波長変換の例は，特開２００６−２５１３６０公報，特開２００６−０７８５３０公報又は特開２００４−０２０９８２公報に開示された方法である。ラマン分光を用いた波長変換方法の例は，特開２００４−１６３５５８公報又は特開２００２−２２９０８６に開示された方法である。これらの文献は引用することにより本明細書に取り込まれるものである。

第１の光波長フィルタ１４及び第２の光波長フィルタ１６は，一定の範囲又は特定の波長を有する光だけを透過させるフィルタであり，例えば，バンドパスフィルタである。本実施形態においては，第１の光波長フィルタ１４及び第２の光波長フィルタ１６は，四光波混合により入射されたパルス光と調整光から生成された光（いわゆる，アイドラ光）のみを透過するように設計されている。

本実施形態の光遅延制御器における四光波混合法を用いた場合の動作を説明する。パルス発生器４で生成されたパルス光（λ₁）が分波器５で分波され，一方の波が第１の波長変換器１の第１の非線形光学素子１３に入力される。第１の非線形光学素子１３には，パルス光（λ₁）とともに，パルス光の波長を変換するために周波数が制御された調整光（λ_ｐ1）が入力される。第１の非線形光学素子１３においてパルス光と調整光とを用いて，四光波混合を行う。これにより，第１の非線形光学素子１３からは，パルス光（λ₁）と，調整光（λ_ｐ1），アイドラ光（λ₂）の３つの光が出力される。四光波混合により，入射されたパルス光（λ₁）と調整光（λ_ｐ1）から，変換されたアイドラ光である変換光（λ₂）が出力される。図６（ａ）は，この波長変換の原理を示す図である。本発明においては，第１の波長変換において，基本的には，各波長に対応する角速度には同一の下つき符号を付してある。ω_ｐ１とω_１との差に相当する角速度分だけω_ｐ１よりずれた角速度を有するω_２が生ずる。この変換光（λ₂）のみを第１の光波長フィルタ１４で取り出し，光遅延器２へ入射する。

光遅延器２から出力されたパルス光（λ₂）は，一定の遅延量を有しており，第２の波長変換器の第２の非線形光学素子１５に入力される。第２の非線形光学素子１５には，パルス光（λ₂）とともに，パルス光の波長を変換するために周波数が制御された調整光（λ_ｐ2）が入力される。第２の非線形光学素子１５においてパルス光と調整光とを用いて，四光波混合を行う。これにより，第２の非線形光学素子１５からは，パルス光（λ₂）と，調整光（λ_ｐ2），アイドラ光（λ₁）の３つの光が出力される。四光波混合により，パルス光と調整光から，変換されたアイドラ光である変換光（λ₁）が出力される。図６（ｂ）は，この波長変換の原理を示す図である。この変換光（λ₁）のみを第２の光波長フィルタ１４で取り出し，出力する。出力されたパルス光（λ₁）は，分波器５で分波された残りの光（λ₁）に対して，所定の遅延量をもった第１の波長変換器１に入射された光と同じ波長となるため，本発明の遅延制御器を用いて時間分解計測を行うことができる。

第１の波長変換器１及び第２の波長変換器３の組みあわせは，これらの実施形態に限られるものではない。例えば，第１の波長変換器として，第１の実施形態に係る第１の波長変換器，つまり半導体光増幅器６とサーキュレータ７で構成し，第２の波長変換器として，第２の実施形態に係る第２の波長変換器，つまり第２の非線形光学素子１５と第２の光波長フィルタ１６で構成してもよい。

図７は，本発明のある実施形態に係る光遅延制御器の基本構成を説明するためのブロック図である。図７に示されるように，この光制御遅延器は，光を分波及び合波する分波・合波器２０と，分波・合波器２０により分波された一方の光が入射する波長変換器２１と，波長変換器２１により波長が変換された光が入力される光遅延器２と，光遅延器２からの出力光を折り返すための第１の折り返し手段２２と，分波・合波器２０により分波された残りの光を，分波・合波器２０へ向けて折り返すための第２の折り返し手段２３とを有する。

分波・合波器２０は，入射光を分波することができるとともに，入射した複数の光を合波することができる装置である。分波・合波器２０は，既に知られている。分波・合波器２０は，たとえば，既に知られた光学素子を組み合わせて製作することができる。光遅延器２は先に説明したものを適宜用いることができる。波長変換器２１は，先に説明した第１の波長変換器と同一のものを適宜用いることができる。折り返し手段２２，２３は，光を折り返すためも手段である。折り返し手段２２，２３の例は，ミラーである。このような構成を有するため，分波・合波器２０により分波され，第２の折り返し手段２３により前記分波・合波器２０へ向けて折り返された光（第１の光）と；波長変換器２１に入射され，光遅延器２を経て，折り返し手段２２により折り返され，光遅延器２及び波長変換器２１を経て，分波・合波器２０へ向けて出力された光（第２の光）とが，分波・合波器２０において合波される。そして，これらの光（第１の光及び第２の光）の間の遅延時間を，制御できる。

また，先に説明した光制御遅延器と異なり，１つの波長変換器を用いて遅延時間を制御できるため装置を容易に制御でき，装置をコンパクトにすることができ，装置のコストも軽減できる。

この光遅延制御器は，折り返し手段２２により折り返され，波長変換器２１に再度光遅延器２を経て出力された光が，分波・合波器２０に戻されて，分波・合波器２０により分波された残りの光と同一方向に出力される。このようにすることで，分波・合波器２０により分波され，対象物へ向けて最初に出力された光と，所定の遅延時間をもって同一経路を経た光を対象物へ向けて出力することができる。

図８は，本発明のある実施形態に係る光遅延制御器の基本構成を説明するためのブロック図である。図８に示されるように，この光遅延制御器は，分波器５と波長変換器２１の間にさらにサーキュレータ２５を含む。そして，サーキュレータ２５は，分波器５により分波された一方の光がサーキュレータ２５へ入射した場合，この入射光を波長変換器２１へ向けて出力する。一方，サーキュレータ２５は，折り返し手段２２により折り返され，波長変換器２１に再度光遅延器２を経て出力された光がサーキュレータ２５へ入射した場合，波長変換器２１へ戻らないように出力する。光遅延器２及びサーキュレータ２５を経た光は，対象物へと向けて出力される。

本発明は，分光分析装置などの分野において好適に利用されうる。

本発明は，テラヘルツ領域（１００ＧＨｚから１０ＴＨｚ）の電磁波の発生・検出及び分光にも用いることができる

１第１の波長変換器
２光遅延器
３第２の波長変換器
４光パルス発生器
５分波器

Claims

パルス光を分波する分波器（５）と，
前記分波器（５）により分波された一方のパルス光が入射する第１の波長変換器（１）と，
前記第１の波長変換器（１）により波長が変換されたパルス光が入力される光遅延器（２）と，
光遅延器（２）により遅延が与えられたパルス光の波長を変換するための第２の波長変換器（３）と，
を具備し，
光遅延器（２）は，入射光の波長により，入射光に与える遅延量が異なるものであり，分波器（５）により分波された残りの光と，第１の波長変換器（１）に入射され，光遅延器（２）及び第２の波長変換器（３）を経て出力された光との間の遅延時間を制御できるものであり，
第２の波長変換器（３）は，出力光の波長が，第１の波長変換器（１）に入射した光の波長となるように，入射光の波長を変化する，
光制御遅延器。
前記分波器（５）に入射するパルス光を生成するための光パルス発生器（４）をさらに有し，
光パルス発生器（４）は，モード同期ファイバレーザを含む，
請求項１に記載の光制御遅延器。
前記分波器（５）に入射するパルス光を生成するための光パルス発生器（４）をさらに有し，
光パルス発生器（４）は，光コム発生器を含む，
請求項１に記載の光制御遅延器。
前記分波器（５）に入射するパルス光を生成するための光パルス発生器（４）をさらに有し，
光パルス発生器（４）は，半導体量子ドットコムレーザを含む，
請求項１に記載の光制御遅延器。
第１の波長変換器（１）は，
半導体光増幅器を用いた波長変換器である，
請求項１に記載の光制御遅延器。
第１の波長変換器（１）は，
半導体光増幅器を含み，
周波数が制御された調整光と入射光とを混合することで，出力光の波長を変換する波長変換器であり，
調整光の周波数を制御することで，出力光の波長を制御し，これにより光遅延器（２）により与えられる遅延量を制御する，
請求項１に記載の光制御遅延器。
第１の波長変換器（１）は，
光ファイバである，
請求項１に記載の光制御遅延器。
第１の波長変換器（１）は，
四光波混合により入射光の波長を変換する，半導体素子を用いた波長変換器である，
請求項１に記載の光制御遅延器。
第１の波長変換器（１）と，
第１の波長変換器（１）により波長が変換されたパルス光が入力される光遅延器（２）と，
光遅延器（２）により遅延が与えられたパルス光の波長を変換するための第２の波長変換器（３）と，
を具備し，
光遅延器（２）は，入射光の波長により，入射光に与える遅延量が異なるものであり，
第２の波長変換器（３）は，出力光の波長が，第１の波長変換器（１）に入射した光の波長となるように，入射光の波長を変化する，
光制御遅延器。
パルス光の波長を変換するために第１の波長変換器（１）に入射される調整光と，第２の波長変換器（３）に入射される調整光の波長は同じである，
請求項９に記載の光制御遅延器。
請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載の光制御遅延器を含む分光装置。