JP2010185981A - 波長変換モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】波長変換効率を向上させることが可能な波長変換モジュールを提供する。
【解決手段】波長変換モジュール１００は、８０８ｎｍの波長の光を発生するポンプ光源１、８０８ｎｍから１０６４ｎｍ（λ_１）の光を生成する非線形結晶４、波長λ_２の光を発生する外部光源１５、λ_１と波長λ_２との和周波又は差周波の波長λ_３の光を発生させる非線形結晶８、非線形結晶４からの１０６４ｎｍ（λ_１）の光を非線形結晶８へ伝搬すると共に波長λ_３の光を非線形結晶８から取り出すファイバカプラ６、外部光源１５からの波長λ_２の光を非線形結晶８へ透過させると共に非線形結晶８からの１０６４ｎｍの光を非線形結晶８へ反射させるファイバアレイ部１１等を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、波長変換素子により波長の異なる２つのレーザ光の和周波又は差周波の波長のレーザ光を出力させる波長変換モジュールに関するものである。

波長が異なる２つのレーザ光に基づいて、これらの波長とは異なる波長の光を得る装置として、特許文献１に示す波長変換モジュールがある。この構成について、以下に説明する。

図３は、従来の波長変換モジュールを示す図である。この波長変換モジュール３００は、波長が８０８ｎｍの光を発生するポンプ光源３０と、その出射光路上に順次配設されたレンズ光学部３１、非線形結晶３２及び凹レンズ３３と、波長λ_１２の光を発生する外部光源３４と、外部光源３４と凹レンズ３３との間に順次配設されたレンズ光学部３５、外部光源３４からの光を透過し、凹レンズ３３からの光を反射するミラー３６及び波長変換素子である非線形結晶３７とから構成されている。

非線形結晶３２は、８０８ｎｍに最も大きな吸収帯を持ったＮｄ：ＹＶＯ_４（イットリウムバナデート）であり、レンズ光学部３１側にはＨＴ（高透過膜）及びＨＲ（高反射膜）のコーティング３２０ａが施され、凹レンズ３３側にはＡＲ（反射減衰膜）等のコーティング３２０ｂが施されている。また、非線形結晶３７は、ＬＮ（リチウムナイオベート）のバルク材からなる。ミラー３６は、非線形結晶３７側にＨＴ（透過波長λ_１１）、ＨＲ（反射波長１０６４ｎｍ）によるコーティング３６０が施されている。

この波長変換モジュール３００は、ポンプ光源３０で発生させた波長８０８ｎｍの光がレンズ光学部３１によって集光された後、非線形結晶３２に入射する。非線形結晶３２は８０８ｎｍの光を１０６４ｎｍの光に変換する。この１０６４ｎｍの光は凹レンズ３３へ出射され、凹レンズ３３で反射する。凹レンズ３３で反射した光は非線形結晶３７に入射し、非線形結晶３７を透過した後、ミラー３６で反射する。

一方、外部光源３４による波長λ_１２の光は、レンズ光学部３５及びミラー３６を介して非線形結晶３７に入射する。非線形結晶３７は、ω_１３＝ω_１１±ω_１２（但し、ω_１１は非線形結晶体３２からの光の周波数、ω_１２は外部光源３４からの光の周波数、ω_１３は凹レンズ３３から出力される光の周波数）による和周波（ＳＦＧ）又は差周波（ＤＦＧ）の光を生成する。この光は、凹レンズ３３を透過して出力される。

米国特許第７，３３０，３００Ｂ１号明細書

しかし、従来の波長変換モジュールによると、共振構造（キャビティ）はレンズカップリングによる空間伝搬であり、キャビティの構成要素である波長変換素子にバルク材を採用しているため、そのエネルギー密度の関係から波長変換効率が低いという問題があった。

従って、本発明の目的は、空間伝搬を有しない構成にし、それによって、波長変換効率を向上させることが可能な波長変換モジュールを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、第１の波長の光を発生すると共に出射光路側からの光を反射させる光発生部と、前記第１の波長の光とは異なる第２の波長の光を発生する光源と、前記第１の波長と前記第２の波長との和周波又は差周波による第３の波長の光を生成する波長変換素子と、前記光発生部からの前記第１の波長の光を前記波長変換素子へ伝搬すると共に前記第３の波長の光を前記波長変換素子から取り出す光カプラと、前記光源と前記波長変換素子との間に光伝送媒体を介して接続され、前記光源からの前記第２の波長の光を前記波長変換素子へ透過させると共に前記波長変換素子からの前記第１の波長の光を前記波長変換素子へ反射させる光部品と、を備えることを特徴とする波長変換モジュールを提供する。

本発明の波長変換モジュールによれば、波長変換素子の波長変換効率を向上させることができる。

本発明の第１の実施の形態に係る波長変換モジュールを示す接続図である。 本発明の第２の実施の形態に係る波長変換モジュールを示す接続図である。 従来の波長変換モジュールを示す図である。

［第１の実施の形態］
（波長変換モジュールの構成）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る波長変換モジュールを示す接続図である。この波長変換モジュール１００は、ポンプ光源１と、光ファイバ２を介してポンプ光源１に接続されたコリメータ３と、コリメータ３に一端が結合された非線形結晶４と、非線形結晶４の他端に結合されたコリメータ５と、コリメータ５に接続されたファイバカプラ（光カプラ）６と、ファイバカプラ６に接続されたコリメータ７と、コリメータ７に一端が結合された波長変換素子としての非線形結晶８と、非線形結晶８の他端に結合されたコリメータ９と、光ファイバ１０を介してコリメータ９に接続された光部品としてのファイバアレイ（ＦＡ）部１１と、光ファイバ１２を介してファイバアレイ部１１に接続されたアイソレータ１３と、光ファイバ１４を介してアイソレータ１３に接続された外部光源（光源）１５とを備えている。

図１から明らかなように、本実施の形態は、ポンプ光源１と外部光源１５との間の各部材の隣接間を光ファイバ２，１６ａ，１０，１２，１４によって接続し、空間伝搬を有しないインライン結合になっている。また、ポンプ光源１からコリメータ５に至る構成は、光発生部を形成している。ポンプ光源１は、波長８０８ｎｍ（波長λ_０）の光を発生する半導体レーザである。また、コリメータ３，５，７，９は、いずれも光を平行光に変換するレンズ光学系である。

非線形結晶４は、例えば、８０８ｎｍに最も大きな光吸収帯を持ったＮｄ：ＹＶＯ_４（イットリウムバナデート）であり、８０８ｎｍの光を吸収して１０６４ｎｍの光に変換する機能を有している。この非線形結晶４は、コリメータ３側にはＨＴ（高透過膜）及びＨＲ（高反射膜）からなるコーティング４１が施され、コリメータ５側にはＡＲ（反射減衰膜）からなるコーティング４２が施されている。例えば、ＨＴは８０８ｎｍの波長の光に対応し、ＨＲ及びＡＲは１０６４ｎｍの波長に対応する。

ファイバカプラ６は、２つの光ファイバ１６ａ，１６ｂの結合によって構成されており、コリメータ５からの光をコリメータ７へ出射させるポートＰ１、コリメータ７からの波長λ_１の光をポートＰ１へ出射すると共に波長λ_３（第３の波長）の光をポートＰ３へ出射するポートＰ２、及びポートＰ２からの光を光ファイバ１６ｂへ出射させるポートＰ３を備えている。また、ファイバカプラ６は、特定の波長の透過に対して方向性を有している。例えば、１０６４ｎｍの光は、ポートＰ１からポートＰ２へは透過するが、ポートＰ２からポートＰ３へは光を透過しない。

非線形結晶８は、例えば、ＬＮ（ＬｉＮｂＯ_３：リチウムナイオベート（ニオブ酸リチウムとも言う））のバルク材からなる。バルク材とは導波路加工が施されていない結晶体であり、この結晶体に分極反転構造を施すことによって擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase-Matching）が可能になり、同方向から入力された２つの異なる周波数の光の和周波又は差周波に周波数変換する波長変換素子として機能する。具体的には、外部光源１５からの光の周波数をω_２、波長をλ_２とすると、ω_１±ω_２＝ω_３（但し、ω_１は第１の波長の光の周波数、ω_２は外部光源１５からの光の周波数、ω_３は第３の波長の光の周波数）の周波数変換が行われるように構成されている。この変換は、波長によって表すこともでき、外部光源１５からの光の波長をλ_２とすると、１／λ_１±１／λ_２＝（１／λ_３）となる。

ファイバアレイ部１１は、例えば、光ファイバをガラスブロックに搭載して終端を研磨してベアの光ファイバよりもハンドリング性を有するようにし、更に、接合面に薄膜コーティングを施した２つのＦＡ１１０ａ，１１０ｂを対向させて接着した構成になっている。ＦＡ１１０ａとＦＡ１０１ｂの間には、ＨＲ（例えば、反射波長１０６４ｎｍ）及びＨＴ（例えば、透過波長λ_２）のコーティング１１１が施されている。或いは、ファイバアレイ部１１は、一本の光ファイバにグレーティング（回折格子）を設けたファイパブラッググレーティング（ＦＢＧ）の構成であってもよい。

アイソレータ１３は、外部光源１５側からの光を透過するがファイバアレイ部１１側からの光を透過しない一方向性のデバイスである。

外部光源１５は、例えば、ビーム品質が良く、且つ高出力が得られるファイバレーザである。本実施の形態では、外部光源１５にファイバレーザを用いたが、半導体レーザであってもよい。外部光源１５は、用途等に応じて波長λ２（第２の波長）を変更することができるようになっている。具体的には、ω_２＝ω_１±ω_３（又は、１／λ_２＝１／λ_１±１／λ_３）で決定される。

（波長変換モジュールの動作）
次に、波長変換モジュールの波長変換モジュール構成について説明する。まず、ポンプ光源１から８０８ｎｍ（波長λ_０）の光（レーザ光）を発生させると共に、外部光源１５から波長λ_２の光（レーザ光）を発生させる。ポンプ光源１による８０８ｎｍの光は、光ファイバ２を介してコリメータ３に到達し、コリメータ３によって８０８ｎｍの光を平行光に変換する。コリメータ３による光は、コーティング４１を透過して非線形結晶４に入射する。非線形結晶４は、入射された８０８ｎｍの光の一部を１０６４ｎｍの光（第１の波長λ_１の光）に変換してコリメータ５へ出射する。

非線形結晶４において１０６４ｎｍの光に変換されなかった光は、そのまま非線形結晶４を透過し又は非線形結晶４での吸収により熱に変換される。一方、非線形結晶４で１０６４ｎｍに変換された光は、コーティング４２を介してコリメータ５へ出射し、更にファイバカプラ６に到達してポートＰ１に到達し、更にポートＰ２を経てコリメータ７に入射する。

コリメータ７はポートＰ２からの光を平行光に変換して非線形結晶８へ出射し、非線形結晶８は、ポートＰ２からの１０６４ｎｍの光を透過させてコリメータ９へ出射し、コリメータ９は光ファイバ１０を介して非線形結晶８からの光をファイバアレイ部１１へλ_１として出射する。ファイバアレイ部１１は、光ファイバ１０側の端面にＨＲのコーティング１１１が施されているため、非線形結晶８からの光はコーティング１１１で反射し、光ファイバ１０を通して非線形結晶８に戻される。ファイバアレイ部１１から非線形結晶８に戻された光は、非線形結晶８を透過し、更にコリメータ７、ファイバカプラ６及びコリメータ５を介して非線形結晶４に到達し、コーティング４１で反射する。このようにして１０６４ｎｍの光は、コーティング４１とコーティング１１１との間に閉じ込められる。ポンプ光源１から継続的に８０８ｎｍの光が発生することにより、コーティング４１とコーティング１１１との間の光パワーが増幅されていく。

一方、外部光源１５による波長λ_２（第２の波長）の光は、光ファイバ１４を介してアイソレータ１３に入射する。アイソレータ１３は外部光源１５からの光を透過すると共に、その透過光を光ファイバ１２、ファイバアレイ部１１及びコリメータ９を介して非線形結晶８へ出射する。非線形結晶８は、外部光源１５からの波長λ２の光に対し、非線形振動によるＱＰＭ波長変換によって、波長（１／λ_３）＝１／λ_１±１／λ_２に変換、周波数で表せば、ω_３＝ω_１±ω_２に変換された光を発生し、この光をコリメータ７へ出射する。非線形結晶８によって得られた波長λ_３（第３の波長＝出力光）の光は、ファイバカプラ６のポートＰ３を透過し、ファイバカプラ６の光ファイバ１６ｂから出力光として出射される。光ファイバ１６ｂからの光は、例えば、微細加工、バイオ分野等のレーザ光として利用される。

（第１の実施の形態の効果）
第１の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（１）キャビティを構成しているポンプ光源１、非線形結晶４、非線形結晶８及びファイバアレイ部１１の相互間が光ファイバ２，１６ａ，１０，１２，１４によって接続され、空間伝搬のための凹面鏡、凸レンズ等を有しないため、波長変換素子の波長変換効率を向上させることができる。
（２）非線形結晶４のコリメータ３，５及び非線形結晶８のコリメータ７，９は、コリメータ同士が非線形結晶４，８を介挿して対向配置されているため、光パワーの損失を最小限に抑えることができる。
（３）凹面鏡、凸レンズ等からなる空間伝搬を有しない構成であるため、非線形結晶４及び非線形結晶８等の配置の自由度が高められる。
（４）空間伝搬のための凹面鏡や凸レンズ等が不必要であるため、コストダウンを図ることができる。また、波長変換モジュール１００の小型化及び軽量化を図ることができる。

［第２の実施の形態］
（波長変換モジュールの構成）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る波長変換モジュールを示す接続図である。この波長変換モジュール２００は、第１の実施の形態の波長変換モジュール１００において、非線形結晶８を光導波路の構造を有するＬＮ（リチウムナイオベート）からなる非線形結晶２０に代え、コリメータ７，９をＦＡ１８，１９に代え、更にファイバアレイ部１１をファイバカプラ（光部品）２１に代えた構成にしたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

ファイバカプラ２１は、２つの光ファイバ２１０ａ，２１０ｂの結合によって構成されており、ＦＡ１９からの光をＦＡ２２へ出射するポートＰ１１、ＦＡ２２からの光をポートＰ１１へ出射するポートＰ１２、及びアイソレータ１３からの光をポートＰ１１へ出射するポートＰ１３を備えている。ＦＡ２２は、ファイバカプラ２１が接続されない端面にＨＲ（例えば、反射波長１０６４ｎｍ）のコーティング２２０が設けられている。

（波長変換モジュールの動作）
次に、第２の実施の形態の動作について説明する。ポンプ光源１による８０８ｎｍ（λ_０）の光は、光ファイバ２、コリメータ３及びコーティング４１を通して非線形結晶４に入射する。非線形結晶４は、入射された８０８ｎｍの光の一部を１０６４ｎｍの光に変換する。この変換された１０６４ｎｍ（λ_１）の光は、コーティング４２、コリメータ５、ファイバカプラ６及びＦＡ１８を介して非線形結晶２０に入射する。

非線形結晶２０は、入射した１０６４ｎｍの光を透過させてＦＡ１９へ出射する。ＦＡ１９は、光ファイバ２１０ａを介して非線形結晶２０からの光をファイバカプラ２１へ出射する。ファイバカプラ２１は、非線形結晶２０からの１０６４ｎｍの光をポートＰ１１からポートＰ１２へ出射する。この１０６４ｎｍの光は、更にファイバカプラ２１に到達し、そのコーティング２２０で反射した後、光ファイバ２１０ａを介して非線形結晶２０に戻される。ファイバカプラ２１から非線形結晶２０に戻された光は、非線形結晶２０、ファイバカプラ６及びコリメータ５を介してコーティング４１に到達し、コーティング４２で反射する。このようにして１０６４ｎｍの光は、コーティング４１とコーティング２２０との間に閉じ込められる。ポンプ光源１から継続的に８０８ｎｍの光が発生することにより、コーティング４１とコーティング２２０との間の光パワーが増幅されていく。

一方、外部光源１５による波長λ_２の光は、光ファイバ１４を介してアイソレータ１３に入射する。アイソレータ１３は外部光源１５からの光を透過すると共に、その透過光をファイバカプラ２１を介して非線形結晶２０へ出射する。非線形結晶２０は、外部光源１５からの波長λ_２の光に対し、波長（１／λ_３）＝１／λ_１±１／λ_２に変換された光、周波数で表せば、ω_３＝ω_１±ω_２に変換された光を発生し、この光をＦＡ１８へ出射する。非線形結晶２０によって得られた波長λ_３の光は、ファイバカプラ６のポートＰ１からポートＰ３へ透過した後、ファイバカプラ６の光ファイバ１６ｂから出力光として出射される。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態の効果と共に、下記の効果を得ることができる。
（１）光導波路の構造を有する非線形結晶２０を用いたことにより、第１の実施の形態で用いたコリメータ７，９が不必要な構成にすることができる。
（２）非線形結晶２０は、非線形結晶８のバルク材と異なり、導波路型にしているので、波長λ_１，λ_２の２つの光は光路ずれを生じることなく重なる。従って、高効率で光の波長変換を行われることができる。
（３）第１の実施の形態におけるファイバアレイ部１１は、ＦＡ端にＨＲ，ＨＴの２種を含むコーティング１１１が必要であったのに対し、本実施の形態のファイバカプラ２１は、ＨＲのみによるコーティング２２０でよいため、コーティング加工費を低減することができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、上記各実施の形態において、波長λ_１の光は、非線形結晶４で波長変換して得るものとしたが、λ_１の光をポンプ光源１で発振させ、この光をファイバカプラ６へ供給する構成であってもよい。

また、非線形結晶８は、上記したＬＮに限定されるものではなく、ＢＢＯ（バリウムボーレート）、ＫＴＰ、ＫＤＰ、ＬｉＩＯ_３、ＭｇＯ：ＬＮ、ＬＢＯ等であってもよい。

波長の異なる２つのレーザ光の和周波又は差周波の波長のレーザ光を波長変換素子により発生させる用途に適用、特に、単体のレーザ素子で発光できない波長域の光、例えば、黄緑色レーザ光、波長２μｍ以下の中赤外レーザ光等を得たい用途に適用できる。

１ ポンプ光源
２ 光ファイバ
３ コリメータ
４ 非線形結晶
５ コリメータ
６ ファイバカプラ
７ コリメータ
８ 非線形結晶
９ コリメータ
１０ 光ファイバ
１１ ファイバアレイ部
１２ 光ファイバ
１３ アイソレータ
１４ 光ファイバ
１５ 外部光源
１６ａ 光ファイバ
１６ｂ 光ファイバ
２０ 非線形結晶
２１ ファイバカプラ
２２ ＦＡ（ファイバアレイ）
４１ コーティング
４２ コーティング
１００ 波長変換モジュール
１１１ コーティング
２００ 波長変換モジュール
２１０ａ 光ファイバ
２１０ｂ 光ファイバ
２２０ コーティング

Claims (6)

1. 第１の波長の光を発生すると共に出射光路側からの光を反射させる光発生部と、
   前記第１の波長の光とは異なる第２の波長の光を発生する光源と、
   前記第１の波長と前記第２の波長との和周波又は差周波による第３の波長の光を生成する波長変換素子と、
   前記光発生部からの前記第１の波長の光を前記波長変換素子へ伝搬すると共に前記第３の波長の光を前記波長変換素子から取り出す光カプラと、
   前記光源と前記波長変換素子との間に光伝送媒体を介して接続され、前記光源からの前記第２の波長の光を前記波長変換素子へ透過させると共に前記波長変換素子からの前記第１の波長の光を前記波長変換素子へ反射させる光部品と、
   を備えることを特徴とする波長変換モジュール。
2. 前記波長変換素子は、非線形結晶であることを特徴とする請求項１に記載の波長変換モジュール。
3. 前記非線形結晶は、ＬＮ（リチウムナイオベート）のバルク材からなることを特徴とする請求項２に記載の波長変換モジュール。
4. 前記非線形結晶は、光導波路の構造を有するＬＮ（リチウムナイオベート）からなることを特徴とする請求項２に記載の波長変換モジュール。
5. 前記光部品は、ファイバアレイであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換モジュール。
6. 前記光部品は、ファイバカプラであることを特徴とする請求項１に記載の波長変換モジュール。

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