JP2014235174A - 中赤外波長変換光源 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、２〜４．５μｍ帯における広い波長範囲に渡る光を発生できる波長変換光源を提供する。【解決手段】本発明の波長変換光源は、光周波数コム種光発生手段と、光周波数コム種光発生手段に接続されたＥｒ添加ファイバ増幅器と、前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器に接続された高非線形ファイバとを少なくとも備え、光周波数コムを出力する光周波数コム光源と、光周波数コム光源から出力された光周波数コムを入力し、２次の非線形光学効果を発する非線形光学媒質とを備え、非線形光学媒質は、入力した光周波数コムの多数の光の中から選択された差周波発生により変換光を出力し、差周波発生が光周波数コムのそれぞれの波長を有する光の中から複数の組み合わせで行われることによって複数の変換光を発生させることを特徴とする。【選択図】図８

Description

本発明は、波長変換光源に関し、より具体的には、ガスのセンシングや分光に好適な中赤外波長域の光を発生する波長変換光源に関する。

近年、地球温暖化の問題などがクローズアップされており、高感度にメタンや二酸化炭素などを検出するために、２〜５μｍの波長を出力する中赤外域の光源が必要とされている。このような波長域では、従来から半導体レーザの研究開発がなされている。しかしながら、室温で簡易に使用できるような光源が実現されていないのが現状である。そこで、このような光源から直接発生させることが困難な波長領域の光を、非線形光学効果を用いた波長変換を利用して発生させる技術が知られている。

波長変換素子としては様々な形態のものが利用可能であるが、実用的な観点から非線形光学定数を周期的に変調した擬似位相整合を用いた導波路型の波長変換素子が最も有望である。非線形定数の周期変調構造を形成するためには、非線形定数の符号を交互に反転するか、あるいは非線形定数が大きい部分と小さい部分をほぼ交互に配置する方法が考えられる。

ＬｉＮｂＯ_３のような強誘電体結晶においては、非線形定数の正負は自発分極の極性に対応するため、自発分極を反転することにより非線形定数の符号を反転することができる。中赤外波長域を発生させるための方法として、非特許文献１に示されるような２つの半導体レーザおよび擬似位相整合を利用した導波路型波長変換素子による差周波発生による方法が知られている。

図１は、従来の波長変換光源の構成を示す。図１に示される光源１０は、光導波路１２が形成されたＬｉＮｂＯ_３基板１１と、合波器１５と、信号光１３及び励起光１４をそれぞれ出力する２個の半導体レーザ（図示せず）とから構成される。信号光１３及び励起光１４は合波器１５で合波され、周期的に分極反転されたＬｉＮｂＯ_３基板１１に形成された光導波路１２に入射する。光導波路１２では、信号光１３と励起光１４との差周波光である変換光１６が発生する。信号光の波長をλ_１、変換光（アイドラー光）の波長をλ_２、励起光の波長をλ_３とすると、これら３つの波長は以下の（式１）を満たす。
１／λ₃＝１／λ₂＋１／λ₁ （式１）

例えば、信号光波長λ_１を１．５６μｍ、励起光波長λ_３を１．０６μｍとすれば、λ_２＝３．３１μｍの変換光を発生させることができる。信号光波長λ_１における屈折率をｎ_１、変換光波長λ_２における屈折率をｎ_２、励起光波長λ_３における屈折率をｎ_３、非線形定数の変調周期をΛとすると、位相不整合量Δβは以下の（式２）で与えられる。
Δβ＝２π（ｎ_３／λ_３−ｎ_２／λ₂−ｎ_１／λ₁） （式２）

上記（式２）で示された位相不整合量Δβに対して、変換効率ηが以下の（式３）で表される。ここで、Ｌは波長変換光源の非線形媒質の光の進行方向の長さを表す。

（式３）より、変換効率ηはΔβ＝２π／Λのときに最大となる。例えば、励起光波長λ_３を固定して考えると、（式２）で与えられる位相不整合量Δβ＝２π／Λとなるいわゆる擬似位相整合条件を満たす信号光波長λ_１および励起光波長λ_３は、非線形材料の屈折率の波長分散に依存し、変調周期Λを決定すると実質的に一意に決定される。信号光波長λ_１または励起光波長λ_３を、擬似位相整合条件を満たすいわゆる擬似位相整合波長から変化させると、（式２）および（式３）に従って変換効率が減少してしまう。

図２に、波長変換光源における位相不整合量に対する変換効率の変化を示す。図２では、横軸は（Δβ−２π／Λ）Ｌ／πを示し、縦軸は波長変換光源における変換効率の最大値を１として規格化した変換効率を示す。例えば、励起光波長λ_３を固定して信号光波長λ_１を変換させたとき、図２に示される変換効率が最大値の半分となる位相不整合量に相当する波長帯域は、非線形媒質の長さＬが５０ｍｍのＬｉＮｂＯ_３導波路を用いた場合、３．３１μｍ帯の変換光波長に換算すると約６．８ｎｍ程度であり狭い。

そこで、特許文献１に示されるように、波長１μｍ帯の励起光と波長３μｍ帯の変換光との群速度を一致させ、波長１．５５μｍ帯の信号光を固定し、波長１μｍ帯の励起光を掃引すると、図２に示される変換効率が最大値の半分となる位相不整合量に相当する波長帯域は、長さＬが５０ｍｍのＬｉＮｂＯ_３導波路を用いた場合、３．３１μｍ帯の変換光波長に換算すると約１２３ｎｍと広がる。また、特許文献には、波長１μｍ帯光にＹｂ添加ファイバを用いた短パルス光を用いて波長３μｍ帯に広スペクトルを有する波長変換光源が示されている。

ここで、この群速度整合がとれた分極反転ＬｉＮｂＯ_３において励起光波長許容幅が広いということを別の観点から説明をする。図３は、バルクＬｉＮｂＯ_３の分極反転周期Λ＝３０μｍの場合における励起波長と信号光波長との位相整合関係を示す。図３においては、励起光波長及び信号光波長を変化させた場合における分極反転周期Λ＝３０μｍのときのバルクＬｉＮｂＯ_３において位相整合がとれる組み合わせがΛ＝３０μｍの曲線で示されている。すなわち、図３においてΛ＝３０μｍを示す曲線上の各励起光波長および信号光波長においては位相整合がとれているため（式２）を満たし、（式３）はη＝η_maxになる。

図３においては、Λ＝３０μｍの曲線に加えて、（式１）で一義的に決定される変換光波長を等高線表示した曲線が示されている。すなわち、例えば励起光波長１μｍ及び信号光波長１．５μｍのとき、変換光３μｍの曲線上にあるため、変換光波長は３μｍということである。この時、信号光波長を１．５４μｍに固定し、励起光波長を１．０５μｍから１．０８μｍに変化させた場合、その励起光波長及び信号光波長が示す線分はほぼΛ＝３０μｍの曲線に沿っており、励起光波長を変化させてもほぼΛ＝３０μｍの分極反転周期に近い分極反転周期で位相整合する。このことを別の言い方をすると、図２で示した位相不整合量は励起光波長を変化させても大きく変化せず、０から少しずれるだけで規格化変換効率の落ちは大きくない。よって、励起光波長を変化させても広い位相整合波長幅が得られる。

特開２０１１−２０３３７６号公報

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, H. Suzuki, "Efficient 3-μｍ difference frequency generation using direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguides", 2006年, APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.88, No.6, 061101-1 - 061101-3. Y. Nishida, H. Miyazawa, M. Asobe, O. Tadanaga, and H. Suzuki, "Direct-bonded QPM-LN ridge waveguide with high damage resistance at room temperature", 2003年, Electronics Letters, Vol.39, No.7, p.609-611. K. Iwakuni, H. Inaba, Y. Nakajima, T. Kobayashi, K. Hosaka, A. Onae, F-L. Hong, "Narrow linewidth comb realized with a mode-locked fiber laser using an intra-cavity waveguide electro-optic modulator for high-speed control", 2012年, OPTICS EXPRESS, Vol.20, No.13, p.13769-13776. A. Ishizawa, T. Nishikawa, A. Mizutori, H. Takara, S. Aozasa, A. Mori, H. Nakano, A. Takada, M. Koga, "Octave-spanning frequency comb generated by 250 fs pulse train emitted from 25 GHz externally phase-modulated laser diode for carrier-envelope-offset-locking", 2010年, Electronics Letters, Vol.46, No.19, p.1343-1344.

中赤外域において、３．０〜３．４μｍの波長域にはメタン、エタンなどの炭化水素系ガス、２．３μｍ帯と４．６μｍ帯には一酸化炭素、２．７μｍ帯と４．３μｍ帯には二酸化炭素、４．５μｍ帯には亜酸化窒素など、様々なガスが２〜４．５μｍに点在している。前述のような波長１μｍ帯光の励起光と波長１．５５μｍ帯の信号光とを合波し、非線形光学媒質で差周波発生を起こす中赤外光源においては、波長１μｍ帯光を掃引することにより波長３．３μｍ帯において１２３ｎｍと広いチューニング幅を持たせることができる。

しかしながら、このような従来の波長変換光源では、広い波長範囲に渡る変換光を効率よく発生できず、また３．０〜３．４μｍの波長域に存在するメタンガスなどの一種のガスしか計測できず、２〜４．５μｍの波長域に点在している様々なガスをセンシングする必要がある場合などには適応することができないという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、２〜４．５μｍ帯における広い波長範囲に渡って、中赤外波長域の光を発生させることができる波長変換光源であって、発生波長範囲は少なくとも特許文献１に示された０．１μｍオーダーの波長範囲の１０倍以上である１μｍ以上の発生波長幅を有する中赤外波長変換光源を提供することにある。

本発明の請求項１に記載の中赤外波長変換光源は、光周波数コム種光発生手段と、前記光周波数コム種光発生手段に接続されたＥｒ添加ファイバ増幅器と、前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器に接続された高非線形ファイバとを少なくとも備え、光周波数コムを出力する光周波数コム光源と、前記光周波数コム光源から出力された光周波数コムを入力し、２次の非線形光学効果を発する非線形光学媒質とを備え、前記非線形光学媒質は、入力した前記光周波数コムの多数の光の中から選択された波長λｐを有する光と波長λｓを有する光との差周波発生により、１/λｉ＝１/λｐ−１/λｓの式を満たす波長λｉの変換光を出力し、前記差周波発生が前記光周波数コムのそれぞれの波長を有する光の中から複数の組み合わせで行われることによって、複数の変換光を発生させることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の波長変換光源は、本発明の請求項１に記載の波長変換光源であって、前記非線形光学媒質の後段に、２μｍ以下の光を減衰させるフィルタを配置したことを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の中赤外波長変換光源は、本発明の請求項１又は２に記載の波長変換光源であって、前記光周波数コム光源の出力光を分岐する分岐手段と、前記分岐手段により分岐された一方の出力光を入力するＹｂ添加ファイバ増幅器と、前記分岐手段により分岐された他方の出力光と前記Ｙｂ添加ファイバ増幅器の出力光とを合波して、当該合波光を前記非線形光学媒質に出力する合波手段とをさらに備えたことを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の中赤外波長変換光源は、本発明の請求項１乃至３のいずれかに記載の波長変換光源であって、前記非線形光学媒質は、非線形光学材料の分極を周期的に反転した構造を有することを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の中赤外波長変換光源は、本発明の請求項４に記載の波長変換光源であって、前記非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、およびＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成ることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の中赤外波長変換光源は、本発明の請求項４又は５に記載の波長変換光源であって、前記非線型光学媒質は、光導波路構造を有することを特徴とする。

本発明の請求項７に記載の中赤外波長変換光源は、本発明の請求項６に記載の波長変換光源であって、前記光導波路構造を有する非線形光学媒質の分極反転周期Λ（μｍ）が、前記光導波路構造のコア面積Ａ（μｍ^２）に対して、−２８０／Ａ＋２９≦Λ≦−２８０／Ａ＋３２を満たすことを特徴とする。

本発明の請求項８に記載の中赤外波長変換光源は、本発明の請求項１乃至７のいずれかに記載の波長変換光源であって、前記光周波数コム種光発生手段は、Ｅｒ添加ファイバ及びアイソレータを少なくとも含むファイバループと、前記Ｅｒ添加ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、前記励起光源から出力された励起光を前記ファイバループに合波する合波手段と、前記ファイバループ中の光を取り出して前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器に出力する分波手段とを備えることを特徴とする。

本発明の請求項９に記載の中赤外波長変換光源は、本発明の請求項１乃至７のいずれかに記載の波長変換光源であって、前記光周波数コム種光発生手段は、出力光を連続発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの前記出力光を変調する変調手段とを少なくとも備えることを特徴とする。

本発明によれば、光周波数コム光源から発生する広い帯域を有する光を非線形光学媒質に入力することにより、差周波発生によって非常に広い変換光を有する中赤外光周波数コム光源を実現することができ、ガスの吸収を受けた後に出力光を分光器で観測すれば広い波長帯の分光が可能となる。また、繰り返し周波数が異なる中赤外光周波数コム光源をもう一台用意し、２つの中赤外光周波数コム光源から出力された光を１つの受光器で受け取り、電気スペクトルアナライザーで観測する、いわゆるデュアルコム分光を用いると、瞬時に吸収スペクトルを観測することができる。

従来の波長変換光源の構成を示す図である。 波長変換光源における位相不整合量に対する変換効率の変化を示す図である。 バルクＬｉＮｂＯ_３の分極反転周期がΛ＝３０μｍの場合における励起波長と信号光波長との位相整合関係を示す図である。 バルクＬｉＮｂＯ_３の分極反転周期がΛ＝２０、２５、３０、３５μｍの場合における励起波長と信号光波長との位相整合関係を示す図である。 Ｙｂ添加ファイバ増幅器を用いた場合における、バルクＬｉＮｂＯ_３の分極反転周期がΛ＝２０、２５、３０、３５μｍの場合の励起波長と信号光波長との位相整合関係を示す図である。 Ｅｒ添加ファイバ増幅器を用いた場合における、バルクＬｉＮｂＯ_３の分極反転周期がΛ＝２０、２５、３０、３５μｍの場合の励起波長と信号光波長の位相整合関係を示す図である。 導波路構造を有するＬｉＮｂＯ_３の分極反転周期がΛ＝２８、２９、３０、３１μｍの場合の励起波長と信号光波長の位相整合関係を示す図である。 本発明の実施例１に係る波長変換光源の構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る波長変換光源におけるＬｉＮｂＯ_３導波路の入力光スペクトルと透過光スペクトルを示す図である。 本発明の実施例２に係る波長変換光源におけるＬｉＮｂＯ_３導波路の入力光スペクトルと透過光スペクトルを示す図である。 本発明の実施例３に係る波長変換光源の構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る波長変換光源におけるＬｉＮｂＯ_３導波路の入力光スペクトルと透過光スペクトルを示す図である。 本発明の実施例４に係る波長変換光源の構成を示す図である。 本発明の実施例４に係る波長変換光源におけるＬｉＮｂＯ_３導波路の入力光スペクトルと透過光スペクトルを示す図である。 本発明に係る波長変換光源の構成の概略図である。

図１５は、本発明に係る波長変換光源の構成の概略図を示す。図１５に示されるように、本発明に係る波長変換光源１００は、光周波数コム光源１１０と、非線形光学媒質１２０とを備える。光周波数コム光源１１０は、光周波数コム種光発生手段１０１と、光周波数コム種光発生手段１０１の後段に接続されたＥｒ添加ファイバ増幅器１０２と、Ｅｒ添加ファイバ増幅器１０２の後段に接続された高非線形ファイバ１０３とを含む。

本発明の発明者は、種々のガスが大きな吸収を示す２〜４．５μｍ帯の波長域において、広い波長帯域に渡る出力光が得られる光源の構成について鋭意検討を行った。その結果、図１５に示されるような光周波数コム光源１１０から出力された光周波数コムを非線形光学媒質１２０に入力することにより、光周波数コムの各波長における様々な励起光波長と信号光波長との組み合わせを実現することができ、周期分極反転を有するＬｉＮｂＯ_３光導波路を有する非線形光学媒質１２０を用いて各組み合わせの差周波発生を行うことにより、広い波長範囲で位相整合条件を保つ様々な波長の光を発生することができるため、広帯域な中赤外波長域に効果的に変換することができることを発見した。以下に、その動作原理を説明する。

図１に示される光周波数コム光源１１０としては、例えば非特許文献３又は非特許文献４に示されるような光周波数コム光源があるが、どちらの光周波数コム光源も高非線形ファイバの出力は１．０μｍ〜２．１μｍの波長域に広がっている。この様な光源は、少なくとも２波長のレーザ光を含む等間隔の周波数差を有するレーザ光の集団をＥｒ添加ファイバ増幅器により増幅し、高非線形ファイバ中において４光波混合によってその周波数差をもった光が長波長側および短波長側に次々と発生し、発生する光の波長幅が広がっていく。

光周波数コム光源１１０が出力する光周波数コムの各波長は、繰り返し周波数ｆ_rep、周波数の余りの部分を示すｆ_CEO、整数ｎを用いて、様々な整数ｎにおいて下記の（式４）を満たすｆ_nの波長の集合体とみなすことができる。
ｆ_n＝ｆ_CEO＋ｎ・ｆ_rep （式４）

また、その各周波数ｆ_nを有する光はレーザ光であり、すなわち光周波数コムはレーザ光の塊ともいえる。そして、この周波数群を有するレーザ光群を非線形光学媒質１２０に入力するとき、ｎ＝ａ、ｎ＝ｂの場合（ａ＞ｂ）とすると、その差周波発生によって２つの周波数の差をとった以下の（式５）で示される余りの項であるｆ_CEOがない周波数ｆ’_a-bを有する光が発生する。
ｆ’_a-b＝（ａ−ｂ）ｆ_rep （式５）

図４は、バルクＬｉＮｂＯ_３の分極反転周期がΛ＝２０、２５、３０、３５μｍの場合における励起波長と信号光波長との位相整合関係を示す。図４には、図３に示されるΛ＝３０μｍの曲線に加えてΛ＝２０μｍ、Λ＝２５μｍ、Λ＝３５μｍの曲線を加え、図３に示される場合よりも励起光波長と信号光波長との範囲を広げたグラフが示されている。図４においても非線形光学媒質としてバルクＬｉＮｂＯ_３を用いて示している。

光周波数コム光源１１０が非線形光学媒質１２０に出力する光は、波長域が１〜２．１μｍ帯に広がった光周波数コムであり、この光周波数コムの光は励起光にも信号光にもなり得ることができ、光周波数コム内の光は図４に示されるハッチング領域４０２及び４０３が重なる波長域４０１に存在することとなる。光周波数コム内に存在する光は（式４）に従い、すなわち光周波数コムの光周波数間隔ｆ_repごとに光が存在する。この周波数間隔ｆ_repは、光周波数コム光源１１０が非特許文献３に示されるような形態をとると、Ｅｒ添加ファイバを含む光ループの光路長によって決定することができ、また光周波数コム光源１１０が非特許文献４に示されるような形態をとると、変調手段の変調周波数によって規定することができる。この周波数間隔ｆ_repは、５０ＭＨｚ程度に設定可能である。

一方、図４に示した様々な分極反転周期の場合における位相整合条件を満たす関係のグラフ上、その位相整合条件を満たす関係はある限られた曲線上のみで満たすが、図２にも示したように位相整合条件からずれても全く光が変換されないわけではなく、ある幅をもってゆっくり変換効率が低下する。前述した通り、この位相整合幅は、１μｍ帯の励起光波長を固定し、１．５５μｍ帯の信号光波長を変化させた場合における位相整合波長幅３．３１μｍ帯の変換光波長に換算すると、約６．８ｎｍ程度であって狭いが、光周波数に直すと１００ＧＨｚ程度はあるため、光周波数コム周波数幅の５０ＭＨｚに比して十分広い。すなわち、５０ＭＨｚ程度のメッシュ間隔を有する光周波数コムの励起光及び信号光において、位相整合許容幅１００ＧＨｚの幅内で存在する励起光及び信号光の組み合わせは、差周波発生により効率よく変換光を発生する。

図４中のΛ＝３０μｍの位相整合条件でいうと、図４に示されるハッチング領域４０２及び４０３が重なる波長域４０１中で、Λ＝３０μｍの曲線が存在する励起光波長の励起光と信号光波長の信号光とにより変換光が発生する。このとき発生する変換光波長は、図４に示される変換光波長の関係を読み取ると、波長２〜４．５μｍの変換光が発生可能であることがわかる。さらに発生した波長２〜４．５μｍの変換光も非線形光学媒質１２０内に存在するため、これが新たな信号光となり、４．５〜４．７μｍまで発生する中赤外光波長の範囲が広がる。

なお、図４中には示していないが、Λ＝２９μｍなどでは、波長３〜５μｍの変換光を得ることができる。さらに、Λ＝２５μｍの非線形光学素子を用いると、波長５〜６μｍの変換光を得ることができ、１μｍの変換光幅を持たせることができる。一番広い波長幅が得られるのは、前述したΛ＝３０μｍの非線形光学素子のように、励起光波長１μｍ付近で急激に位相整合する信号光波長が長波長化する場合である。一方、Λ＝３３μｍなど分極反転周期を長くすると、ハッチングの重なる波長域４０１から位相整合を示す曲線がはみ出し、変換光を生じなくなる。そこで、可能ならば、バルクＬｉＮｂＯ_３の場合は、Λ＝２９〜３２μｍの素子を選択することが望ましい。

このように、光周波数コム光源を用いて波長が１〜２．１μｍ帯に広がった光周波数コムを非線形光学媒質に入力することにより、非線形光学媒質に入力された光周波数コムが１〜２．１μｍの間の様々な波長を有するため、様々な励起光波長の励起光と信号光波長の信号光との組み合わせにより変換光が生じ、広い波長域をカバーできる中赤外光源を構成することができる。

ここで、図１５に示される波長変換光源１００において、変換光出力を増強するためにファイバ増幅器を用いる場合を考える。一般に、波長１μｍ帯の光を増幅する場合にはＹｂ添加ファイバ増幅器が利用でき、波長１．５５μｍ帯の光を増幅する場合にはＥｒ添加ファイバ増幅器が利用することができる。ここでは、図１５に示される波長変換光源１００において、高非線形ファイバ１０３からの出力を、例えば波長１．２μｍ以下の光と波長１．２μｍ以上の光とに分岐する分岐手段で分岐し、波長１．２μｍ以下の光が透過する分岐手段出力側にＹｂ添加ファイバ増幅器を接続し、Ｙｂ添加ファイバ増幅器の出力と分岐手段の波長１．２μｍ以上を透過する出力側とを合波し、非線形光学媒質１０４に入力した場合を考える。

この場合において、非線形光学媒質に周期分極反転されたバルクＬｉＮｂＯ_３を用いた場合における励起波長と信号光波長との位相整合関係を図５に示す。図５に示されるように、図４に示される場合と比べて、励起光波長の範囲がＹｂ添加ファイバ増幅器によって制限されているが、Λ＝３０μｍの場合には２〜４μｍの波長範囲の変換光が得られる。

一方、上記Ｙｂ添加ファイバ増幅器に代えて、１．２μｍ以上を透過する分岐手段の分岐ポート側にＥｒ添加ファイバ増幅器を用いることを考える。図６にそのときの励起波長と信号光波長との位相整合関係を示す。図６に示されるように、Λ＝３０μｍの曲線とハッチングが重なる領域６０１とを考慮すると、３〜４μｍの波長範囲の変換光が得られるが、その波長範囲は１μｍと制限を受けることとなる。このようにＥｒ添加増幅器を高非線形ファイバの後段に配置すると、１〜２μｍ帯に広がった光がＥｒ添加ファイバ増幅器の帯域内でフィルタリングされるため、使用するのは得策ではないことから、高非線形ファイバと非線形光学媒質の間にＥｒ添加ファイバ増幅器を設置しないことが好ましい。

次に、非線形光学媒質に導波路構造を持たせることを考える。導波路作製法としては、例えば非特許文献１にも示されるような直接接合リッジ導波路を作製する方法がある。この直接接合リッジ導波路は、コア層となるＬｉＮｂＯ_３基板に先に分極反転を施し、このＬｉＮｂＯ_３基板と、クラッド層となるＬｉＴａＯ_３基板を直接接合し、その後ＬｉＮｂＯ_３基板を１０μｍ厚程度まで薄膜化して、ダイシングにより横方向の閉じ込めを行い導波路構造とするものである。

図７に直接接合法で作製したコア厚１０μｍでコア幅１４μｍのＬｉＮｂＯ_３導波路の場合における励起光波長と信号光波長とに対する位相整合関係を示す。図７に示されるように、Λ＝２８μｍのとき、２〜４．２μｍまでの変換光が得られることがわかる。また、Λ＝２９μｍ、３０μｍと長くするにつれて、発生波長範囲が狭まることがわかる。一方、図示していないが、Λを２７μｍと短くすると、３〜５μｍの広い波長範囲の変換光が得られる。以上のことを鑑みると、コア厚１０μｍでコア幅１４μｍのＬｉＮｂＯ_３導波路の場合、２７μｍ〜３０μｍの分極反転周期が最適だと考えられる。

同様に、様々なコアサイズについて鋭意検討を行い、最適な分極反転周期を求めたところ、コアサイズと分極反転周期との範囲について、以下のような関係を見出した。コア面積Ａ（μｍ^２）に対して、分極反転周期Λ（μｍ）が以下の（式６）を満たすことが望ましい。
−２８０／Ａ＋２９≦Λ≦−２８０／Ａ＋３２ （式６）

［実施例１］
図８に、本発明の実施例１に係る波長変換光源を示す。図８には、励起ＬＤ８１０と、ファイバループ８２０と、Ｅｒ添加ファイバ増幅器８３０と、偏波コントローラ８４０と、高非線形ファイバ８５０と、周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３導波路（以下、ＬｉＮｂＯ_３導波路とする）８６０と、Ｇｅからなる２μｍ以下の光をカットする光学的なフィルタ８７０とを備えた波長変換光源８００が示されている。

ファイバループ８２０中には、Ｅｒ添加ファイバ８２１と、偏波コントローラ８２２と、発振するレーザ光の進行方向を決めるためのアイソレータ８２３と、Ｅｒ添加ファイバ８２１の励起を行うためにファイバループ８２０の外部に配置した励起ＬＤ８１０から出力された励起光をファイバループ８２０に挿入するカプラ８２４と、ファイバループ８２０中の光を外部に出力するための分岐手段８２５とが配置されている。本実施例１に係る波長変換光源８００では、励起ＬＤには１．４８μｍ帯レーザを用い、また光周波数コム種光発生手段としてＥｒ添加ファイバ８２１を利得媒質としたファイバレーザ型のファイバループ８２０を用いた。

ＬｉＮｂＯ_３導波路８６０は、直接接合法により作製した。ＬｉＮｂＯ_３導波路８６０のコアとしては、Ｚｎを７ｍｏｌ％添加したＬｉＮｂＯ_３、クラッドにはＬｉＴａＯ_３を用い、ダイシングによりリッジ型の光導波路を形成した。ＬｉＮｂＯ_３導波路８６０のコア厚は１０μｍとし、コア幅は１４μｍとした。ＬｉＮｂＯ_３導波路８６０の分極反転周期Λを２９．０μｍとし、素子長は５０ｍｍとした。

励起ＬＤ８１０から出力された励起光は、カプラ８２４を介してファイバループ８２０に入力され、ファイバループ８２０の出力光が分岐手段８２５を介してＥｒ添加ファイバ増幅器８３０に出力され、Ｅｒ添加ファイバ増幅器８３０に通して偏波コントローラ８４０及び高非線形ファイバ８５０に出力され、その出力がＬｉＮｂＯ_３導波路８６０へ注入される。

図９に、実施例１におけるＬｉＮｂＯ_３導波路８６０への入力光スペクトルとＬｉＮｂＯ_３導波路８６０から出力された透過光スペクトルとフィルタを透過後のスペクトルとを示す。図９において、出力値は相対強度で示している。図９に示されるように、波長が１〜２μｍ帯に広がった光周波数コムがＬｉＮｂＯ_３導波路８６０を透過することによって、２〜４．５μｍの範囲の波長の透過光に変換され、フィルタを透過することによって効率的に中赤外域の光が選択出力されていることがわかる。すなわち、実施例１に係る波長変換光源８００では、２．５μｍもの広範囲において出力光を得ることができた。

本実施例１では、ＬｉＮｂＯ_３導波路８６０のコアとしてＺｎを添加したＬｉＮｂＯ_３を用いた。Ｚｎを添加したＬｉＮｂＯ_３を用いることにより、特に短波長の励起光の強度が大きい場合の光損傷を防ぐことができる。光損傷を防ぐ目的でＺｎ以外にもＭｇ、Ｓｃ、Ｉｎなどを添加したＬｉＮｂＯ_３を同様に用いることもできる。

本実施例１の構成では、偏波コントローラを２か所に挿入しているが、適宜必要な場所に追加してもよい。また、系を偏波保存系で構成して偏波コントローラをなくしてもよい。また、本実施例１では、ファイバループ８２０の長さを調整する機構を用いなかったが、ファイバループ長で光周波数コムの繰り返し周波数が決定されるので、繰り返し周波数を安定化するために、ファイバ長制御機構を挿入してもよい。その他、光周波数コムの波長安定化のために励起ＬＤ８１０を制御したり、制御信号を出すために高非線形ファイバ８５０の出力を分岐しモニタしてもよい。

［実施例２］
本実施例２に係る波長変換光源として、実施例１とは唯一分極反転ＬｉＮｂＯ_３導波路だけが異なるものを用いた。本実施例２では、ＬｉＮｂＯ_３導波路として分極反転ＬｉＮｂＯ_３の分極反転周期Λが２７．５μｍのものを用いた。図１０に、実施例２におけるＬｉＮｂＯ_３導波路への光スペクトルとＬｉＮｂＯ_３導波路から出力された透過光スペクトルとを示す。図１０において、出力値は相対強度で示している。図１０に示されるように、波長が１〜２μｍ帯に広がった光周波数コムがＬｉＮｂＯ_３導波路を透過することによって、実施例１に比較して長波長側の３〜５μｍの波長範囲の透過光に変換されていることがわかる。すなわち、本実施例２においても、２μｍもの広範囲において出力光を得ることができた。

［実施例３］
図１１に、本発明の実施例３に係る波長変換光源を示す。図１１には、例えば１．５５μｍ帯の光を出力するＬＤ１１１０と、位相変調器１１２１及び強度変調器１１２２からなる変調手段１１２０と、偏波コントローラ１１３０と、Ｅｒ添加ファイバ増幅器１１４０と、高非線形ファイバ１１５０と、ＬｉＮｂＯ_３導波路１１６０とを備えた波長変換光源１１００が示されている。本実施例３に係る波長変換光源１１００は、実施例１のファイバループ８２０からなる光周波数コム種光発生手段の部分をＬＤ１１１０及び変調手段１１２０に変更したものである。

実施例３に係る波長変換光源１１００において、連続発振する１．５５μｍ帯のＬＤ１１１０から出力された励起光は位相変調器１１２１及び強度変調器１１２２からなる変調手段１１２０で変調され、その出力がＥｒ添加ファイバ増幅器１１４０に入力される。Ｅｒ添加ファイバ増幅器１１４０の出力は高非線形ファイバ１１５０に入力され、ＬｉＮｂＯ_３導波路１１６０に入力される。実施例３では、ＬｉＮｂＯ_３導波路１１６０は実施例１に係るＬｉＮｂＯ_３導波路８６０と同様のものを用いた。

図１２に、実施例３におけるＬｉＮｂＯ_３導波路１１６０への入力光スペクトルとＬｉＮｂＯ_３導波路１１６０から出力された透過光スペクトルとを示す。図１２において、出力値は相対強度で示している。図１２に示されるように、波長が１〜２μｍ帯に広がった光周波数コムがＬｉＮｂＯ_３導波路１１６０を透過することによって、２〜４．５μｍの波長範囲の透過光に変換されていることがわかる。すなわち、本実施例３においても、２．５μｍもの広範囲において出力光を得ることができた。

本実施例３では、位相変調器１１２１及び強度変調器１１２２からなる変調手段１１２０として用いた。この変調手段１１２０によって光周波数コムの繰り返し周波数が決定される。本構成の光学系の一部を分離して観測し、繰り返し周波数を安定化するように変調手段１１２０の変調周波数を安定化してもよい。

また、本実施例３では、偏波コントローラ１１３０を強度変調器１１２２とＥｒ添加ファイバ増幅器１１４０の間に挿入したが、適宜位置を変更してもよい。また偏波保存系で光学系を組んで偏波コントローラを省いてもよい。また、本実施例３では、連続発振するＬＤ１１１０を一定電流制御で駆動させている。ＬＤ１１１０の発振波長の揺らぎは光周波数コムの全体の波長を左右するため、本構成の光学系の一部を分離して観測し、ＬＤにフィードバックし発振波長を安定化させてもよい。

［実施例４］
図１３に、本発明の実施例４に係る波長変換光源を示す。図１３には、ＬＤ１３１０と、位相変調器１３２１及び強度変調器１３２２からなる変調手段１３２０と、偏波コントローラ１３３０と、Ｅｒ添加ファイバ増幅器１３４０と、高非線形ファイバ１３５０と、増幅手段１３６０と、ＬｉＮｂＯ_３導波路１３７０とを備えた波長変換光源１３００が示されている。増幅手段１３６０は、分波器１３６１と、Ｙｂ添加ファイバ増幅器１３６２と、合波器１３６３と、偏波コントローラ１３６４とで構成される。本実施例４に係る波長変換光源１３００は、実施例３に係る波長変換光源１１００とほぼ同じ構成を用いているが、増幅手段１３６０が高非線形ファイバ１３５０とＬｉＮｂＯ_３導波路１３７０との間に挿入されている点で実施例３に係る波長変換光源１１００と異なる。

本実施例４に係る波長変換光源１３００では、高非線形ファイバ１３５０の後段に、入力した光を波長１．２μｍ以下の光と波長１．２μｍ以上の光とに分波する分波器１３６１を配置し、波長１．２μｍ以下を透過するポートにＹｂ添加ファイバ増幅器１３６２を配置した。Ｙｂ添加ファイバ増幅器１３６２の出力と分波器１３６１の波長１．２μｍ以上の光を透過するポートの出力とを合波器１３６３で合波し、偏波コントローラ１３６４を介してＬｉＮｂＯ_３導波路１３７０へ入力した。本構成により、ＬｉＮｂＯ_３導波路１３７０には、増幅手段１３６０のＹｂ添加ファイバ増幅器１３６２によって波長１〜１．１μｍ付近の光の光強度が増強された入力光が入力される。

図１４に、実施例４におけるＬｉＮｂＯ_３導波路１３７０への入力光スペクトルとＬｉＮｂＯ_３導波路１３７０から出力された透過光スペクトルとを示す。図１４において、出力値は相対強度で示している。図１４に示されるように、波長が１〜２μｍ帯に広がった光周波数コムがＬｉＮｂＯ_３導波路１３７０を透過することによって、２〜４．５μｍの波長範囲の透過光に変換されていることがわかる。すなわち、本実施例４においても、２．５μｍもの広範囲において出力光を得ることができた。

図１４では相対強度で示しているため全体の光レベルは下がったように見えるが、Ｇｅによって２μｍ以下の光を遮断し、２μｍ以上の出力光強度を分光器を通さず測ったところ、実施例４に係る波長変換光源１３００では実施例２に比して１０倍の出力を得ることができた。

本実施例４では、偏波コントローラ１３３０を強度変調器１３２２とＥｒ添加ファイバ増幅器１３４０の間に挿入したが、適宜位置を変更してもよい。また偏波保存系で光学系を組んで偏波コントローラを省いてもよい。また、本実施例４では、実施例２と同様に、本構成の光学系の一部を分離して観測し、繰り返し周波数を安定化するように変調手段の変調周波数を安定化してもよい。また本構成の光学系の一部を分離して観測し、ＬＤ１３１０にフィードバックし、発振波長を安定化させてもよい。

実施例３及び４では光周波数コム種光発生手段の部分を１．５５μｍ帯のＬＤ及び変調手段からなる構成としたが、実施例１及び２の様に１．４８μｍ帯の励起ＬＤとファイバループとを具備し、少なくともＥｒ添加ファイバと、発振するレーザ光の進行方向を決めるためのアイソレータと、Ｅｒ添加ファイバの励起を行うためにファイバループの外部に配置した励起ＬＤから出力された励起光をファイバループに挿入するカプラと、ファイバループ８２０中の光を外部に出力するための分岐手段とが配置された構成の光周波数コム種光発生手段を用いてもよいことは明らかである。また、図１１、１３、１５に示される構成においては、図８に示される構成のように非線形光学媒質の後段にＧｅからなる２μｍ以下の光をカットする光学的なフィルタが設けられていないが、図１１、１３、１５に示される構成においても非線形光学媒質の後段に上記光学的なフィルタを配置してもよいことは明らかである。

１０、１００、８００、１１００、１３００ 波長変換光源
１１ ＬｉＮｂＯ_３基板
１２ 光導波路
１３ 信号光
１４ 励起光
１５、１３６３ 合波器
１６ 変換光
１０１ 光周波数コム種光発生手段
１０２、８３０、１１４０、１３４０ Ｅｒ添加ファイバ増幅器
１０３、８５０、１１５０、１３５０ 高非線形ファイバ
１１０ 光周波数コム光源
１２０ 非線形光学媒質
８１０ 励起ＬＤ
８２０ ファイバループ
８２１ Ｅｒ添加ファイバ
８２２、８４０、１１３０、１３３０、１３６４ 偏波コントローラ
８２３ アイソレータ
８２４ カプラ
８２５ 分岐手段
８６０、１１６０ 周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３導波路
８７０ フィルタ
１１１０、１３１０ ＬＤ
１１２０、１３２０ 変調手段
１１２１、１３２１ 位相変調器
１１２２、１３２２ 強度変調器
１３６０ 増幅手段
１３６１ 分波器
１３６２ Ｙｂ添加ファイバ増幅器

Claims (9)

1. 光周波数コム種光発生手段と、前記光周波数コム種光発生手段に接続されたＥｒ添加ファイバ増幅器と、前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器に接続された高非線形ファイバとを少なくとも備え、光周波数コムを出力する光周波数コム光源と、
   前記光周波数コム光源から出力された光周波数コムを入力し、２次の非線形光学効果を発する非線形光学媒質とを備え、
   前記非線形光学媒質は、入力した前記光周波数コムの多数の光の中から選択された波長λｐを有する光と波長λｓを有する光との差周波発生により、１/λｉ＝１/λｐ−１/λｓの式を満たす波長λｉの変換光を出力し、前記差周波発生が前記光周波数コムのそれぞれの波長を有する光の中から複数の組み合わせで行われることによって、複数の変換光を発生させることを特徴とする中赤外波長変換光源。
2. 前記非線形光学媒質の後段に、２μｍ以下の光を減衰させるフィルタを配置したことを特徴とする請求項１に記載の中赤外波長変換光源。
3. 前記光周波数コム光源の出力光を分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段により分岐された一方の出力光を入力するＹｂ添加ファイバ増幅器と、
   前記分岐手段により分岐された他方の出力光と前記Ｙｂ添加ファイバ増幅器の出力光とを合波して、当該合波光を前記非線形光学媒質に出力する合波手段と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の中赤外波長変換光源。
4. 前記非線形光学媒質は、非線形光学材料の分極を周期的に反転した構造を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の中赤外波長変換光源。
5. 前記非線形光学材料は、ＬｉＮｂＯ_３またはＬｉＮｂＯ_３にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、およびＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成ることを特徴とする請求項４に記載の中赤外波長変換光源。
6. 前記非線型光学媒質は、光導波路構造を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の中赤外波長変換光源。
7. 前記光導波路構造を有する非線形光学媒質の分極反転周期Λ（μｍ）が、前記光導波路構造のコア面積Ａ（μｍ^２）に対して、
   −２８０／Ａ＋２９≦Λ≦−２８０／Ａ＋３２
   を満たすことを特徴とする請求項６に記載の中赤外波長変換光源。
8. 前記光周波数コム種光発生手段は、
   Ｅｒ添加ファイバ及びアイソレータを少なくとも含むファイバループと、
   前記Ｅｒ添加ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
   前記励起光源から出力された励起光を前記ファイバループに合波する合波手段と、
   前記ファイバループ中の光を取り出して前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器に出力する分波手段と
   を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の中赤外波長変換光源。
9. 前記光周波数コム種光発生手段は、出力光を連続発振する半導体レーザと、前記半導体レーザの前記出力光を変調する変調手段とを少なくとも備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の中赤外波長変換光源。

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