JP2863564B2 - Ultra-wideband and high coherent optical sweep generator from infrared to ultraviolet - Google Patents

Ultra-wideband and high coherent optical sweep generator from infrared to ultraviolet

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JP2863564B2 JP24037789A JP24037789A JP2863564B2 JP 2863564 B2 JP2863564 B2 JP 2863564B2 JP 24037789 A JP24037789 A JP 24037789A JP 24037789 A JP24037789 A JP 24037789A JP 2863564 B2 JP2863564 B2 JP 2863564B2
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、赤外から紫外にわたる超広帯域かつ高コヒ
ーレントの光を周波数掃引して発生する光スイープジェ
ネレータに関する。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical sweep generator that generates an ultra-wide band and high coherent light from infrared to ultraviolet by frequency sweeping.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

コヒーレント光計測、分光計測等の物理計測分野で
は、周波数可変のレーザ光源が必須の装置である。例え
ば、レーザ周波数を100THz以上にわたり連続掃引できれ
ば、未知の原子分子の分光計測システムの性能が飛躍的
に向上し、これにより、原子分子の構造に関する新しい
知見が豊富に得られる。さらに、コヒーレント光通信、
光コンピュータなどの光応用分野、特に、周波数超多重
光通信では、100THz以上の範囲にわたり高精度に周波数
掃引可能の半導体レーザ光源が必要である。
In the field of physical measurement such as coherent light measurement and spectroscopic measurement, a variable frequency laser light source is an essential device. For example, if the laser frequency can be continuously swept over 100 THz, the performance of the spectroscopic measurement system for unknown atoms and molecules will be dramatically improved, thereby providing a wealth of new knowledge on the structure of atoms and molecules. Furthermore, coherent optical communication,
In an optical application field such as an optical computer, in particular, in frequency multiplexing optical communication, a semiconductor laser light source capable of performing frequency sweep with high accuracy over a range of 100 THz or more is required.

従来、半導体レーザ自体の構造を改良して比較的広帯
域に周波数掃引し得るデバイスは考案されているが、10
0THz以上の広い周波数範囲を連続的に掃引しうる光発振
器はまだ実現していない。その理由は、異種レーザ間の
周波数変換、および周波数同期、の両者を統合する技術
が未発達であることによる。前者は、非線形光学効果を
活用する光混合技術、後者は、マイクロ波を仲介とする
電気的制御技術を必要とするが、これらを同時に使いこ
なした例はなかった。これは、従来、周波数高安定なレ
ーザは一般に光パワーが小さいので、これに適した非線
形光学結晶がなかったこと、また従来のレーザの周波数
制御性が不十分であったこと、等による。
Conventionally, devices that can improve the structure of the semiconductor laser itself and perform frequency sweep over a relatively wide band have been devised.
An optical oscillator capable of continuously sweeping a wide frequency range of 0 THz or more has not yet been realized. The reason for this is that the technology for integrating both frequency conversion between different types of lasers and frequency synchronization has not been developed. The former requires an optical mixing technology utilizing the nonlinear optical effect, and the latter requires an electrical control technology mediated by microwaves, but there has been no example of using both simultaneously. This is due to the fact that conventionally high frequency stable lasers generally have low optical power, so that there was no nonlinear optical crystal suitable for this, and the frequency controllability of conventional lasers was insufficient.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

したがって、本発明の目的は、上記したような従来技
術の問題点を解決して、赤外から紫外にわたる超広帯域
かつ高コヒーレントの光を周波数掃引して発生する新規
な光スイープジェネレータを提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and to provide a novel optical sweep generator that generates an ultra-wide band and high coherent light ranging from infrared to ultraviolet by frequency sweeping. It is.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

本発明の赤外から紫外にわたる超広帯域かつ高コヒー
レント光スイープジェネレータは、一方の半導体レーザ
の発振周波数又はその非線形光学効果による高調波の周
波数と他方の半導体レーザの非線形光学効果による高調
波の周波数とが一致し得る少なくとも1対の発振周波数
が相互に異なる半導体レーザを用い、非線形光学効果を
利用して一方又は双方の半導体レーザからの光の周波数
を変換して一致させ、上記一致させた周波数近傍に共鳴
周波数を有するガスセルに両者の半導体レーザからの周
波数を一致させた光を入射させて、上記ガスセルの光二
重共鳴を利用して両者の半導体レーザの発振波長を相互
に固定し、このようにして周波数が固定された少なくと
も1対の光を2つの非線形導波路に相互に角度をなすよ
うにして入射させて非線形光学効果によって両者の入射
光の間の周波数を有する光に変換し、上記2つの非線形
導波路から出る光相互を干渉させてビートを発生させ、
このビートを光電変換してマイクロ波発振器からの基準
周波数と比較し、得られた誤差信号により前記2つの非
線形導波路の一方の導波路の入射光に対する角度又はこ
の導波路へ入射する1対の光相互のなす角度を調整して
上記誤差信号がゼロになるように構成し、前記マイクロ
波発振器からの基準周波数を掃引可能に構成して前記一
方の非線形導波路から射出される光の周波数を掃引可能
に構成したことを特徴とするものである。
The ultra-wideband and high coherent optical sweep generator ranging from infrared to ultraviolet of the present invention has an oscillation frequency of one semiconductor laser or a harmonic frequency due to the nonlinear optical effect thereof and a harmonic frequency due to the nonlinear optical effect of the other semiconductor laser. At least one pair of semiconductor lasers whose oscillation frequencies are different from each other can be matched, the frequencies of light from one or both semiconductor lasers are converted and matched using the nonlinear optical effect, and the vicinity of the matched frequency is adjusted. Light having the same frequency from both semiconductor lasers is made incident on a gas cell having a resonance frequency, and the oscillation wavelengths of both semiconductor lasers are fixed to each other by using the optical double resonance of the gas cell. At least one pair of light having a fixed frequency is incident on two nonlinear waveguides at an angle to each other. Converted into light having a frequency between both the incident light by a linear optical effect to generate a beat causes interference light mutual exiting the two nonlinear waveguide,
This beat is photoelectrically converted and compared with a reference frequency from a microwave oscillator, and an angle of one of the two nonlinear waveguides with respect to the incident light or a pair of incident light into this waveguide is obtained by the obtained error signal. The angle formed between the lights is adjusted so that the error signal becomes zero, the reference frequency from the microwave oscillator is configured to be sweepable, and the frequency of the light emitted from the one nonlinear waveguide is adjusted. It is characterized by being configured to be capable of sweeping.

この光スイープジェネレータにおいて、光二重共鳴を
利用して周波数が固定された少なくとも1つの光の非線
形光学効果による高調波を発生させ、この高調波と周波
数が固定された光とを2つの非線形導波路に相互に角度
をなすようにして入射させて、非線形光学効果によって
両者の入射光の間の周波数を有する光に変換するように
構成することもできる。
In this optical sweep generator, a harmonic is generated by a nonlinear optical effect of at least one light having a fixed frequency using optical double resonance, and the harmonic and the light having a fixed frequency are converted into two nonlinear waveguides. The light may be incident at an angle to each other, and may be converted into light having a frequency between the two incident lights by a nonlinear optical effect.

また、一方の半導体レーザの発振周波数又はその非線
形光学効果による高調波の周波数と他方の半導体レーザ
の非線形光学効果による高調波の周波数とが一致し得る
2対の発振周波数が相互に異なる半導体レーザを用いる
こともできる。
In addition, two pairs of semiconductor lasers having different oscillation frequencies at which the oscillation frequency of one semiconductor laser or the harmonic frequency due to the non-linear optical effect thereof and the harmonic frequency due to the non-linear optical effect of the other semiconductor laser can coincide. It can also be used.

以上において、非線形導波路は、下面に一方の入射光
と垂直な格子を有する上側平板ガラスと下側平板ガラス
との間に有機非線形材料を流し込んで結晶化して構成し
た平面導波路の形状のものであるのが望ましい。
In the above, the nonlinear waveguide has a shape of a planar waveguide formed by pouring and crystallizing an organic nonlinear material between an upper flat glass and a lower flat glass having a lattice perpendicular to one incident light on the lower surface. It is desirable that

具体的には、半導体レーザが、それぞれ1.56μm、1.
34μm、0.78μm、0.67μmの波長の光を発振する4つ
のものからなり、1.56μmの波長の光を発振するものと
0.78μmの波長の光を発振するものとを1つの組とし、
1.34μmの波長の光を発振するものと0.67μmの波長の
光を発振するものとを他の組とし、1.56μmの波長の光
を発振する半導体レーザからの光の第2高調波を発生さ
せて、0.78μmの波長の光を発振する半導体レーザから
の光と共に、ルビジウムセルにに入射させ、ルビジウム
セルの光二重共鳴を利用して両者の半導体レーザの発振
波長を相互に固定し、また、1.34μmの波長の光を発振
する半導体レーザからの光の第2高調波を発生させて、
0.67μmの波長の光を発振する半導体レーザからの光と
共に、リチウムセルに入射させ、リチウムセルの光二重
共鳴を利用して両者の半導体レーザの発振波長を相互に
固定するように構成することができる。
Specifically, the semiconductor lasers are 1.56 μm and 1.
It consists of four devices that oscillate light with wavelengths of 34 μm, 0.78 μm, and 0.67 μm, and one that oscillates light with a wavelength of 1.56 μm.
A set that oscillates light with a wavelength of 0.78 μm is
The other group that oscillates light with a wavelength of 1.34 μm and the one that oscillates light with a wavelength of 0.67 μm generates a second harmonic of light from a semiconductor laser that oscillates light with a wavelength of 1.56 μm. Therefore, the light having a wavelength of 0.78 μm is incident on the rubidium cell together with the light from the semiconductor laser that oscillates, and the oscillation wavelengths of both semiconductor lasers are fixed to each other using the optical double resonance of the rubidium cell. By generating the second harmonic of light from a semiconductor laser that oscillates light at a wavelength of 1.34 μm,
A light having a wavelength of 0.67 μm can be incident on a lithium cell together with light from a semiconductor laser that oscillates, and the oscillation wavelengths of both semiconductor lasers can be fixed to each other by using optical double resonance of the lithium cell. it can.

この場合、波長が固定された0.67μmの波長の光の第
2高調波を発生させ、この高調波と上記波長が固定され
た0.67μmの波長の光とを2つの非線形導波路に相互に
角度をなすようにして入射させて、非線形光学効果によ
って両者の入射光の間の周波数を有する光に変換するよ
うに構成することが望ましい。
In this case, a second harmonic of light having a wavelength of 0.67 μm having a fixed wavelength is generated, and the harmonic and the light having a wavelength of 0.67 μm having the fixed wavelength are mutually angled into two nonlinear waveguides. It is preferable that the light is made incident on the light source so that the light is converted into light having a frequency between the two incident lights by the nonlinear optical effect.

〔作用〕[Action]

少なくとも2つの半導体レーザの周波数が共通の周波
数の整数倍であるので、両者の発振周波数を光二重共鳴
を利用して相互にスペクトル範囲の狭い高コヒーレント
な周波数に固定することができ、それらの間、又は、そ
れらのいずれかと同様に固定された別の周波数の光との
間で、非線形導波路の非線形光学効果によって両者の入
射光の間の周波数を有する光に変換することができ、変
換された光をマイクロ波発振器からの基準周波数と比較
することによて所定の周波数に同調でき、マイクロ波発
振器からの基準周波数を掃引することにより非線形導波
路から射出される光の周波数を掃引することができる。
Since the frequency of at least two semiconductor lasers is an integral multiple of the common frequency, the oscillation frequencies of both can be fixed to a high coherent frequency having a narrow spectral range by utilizing optical double resonance. Or between one of them and another light of a fixed frequency as well, which can be converted to light having a frequency between the two incident lights by the nonlinear optical effect of the nonlinear waveguide. Can be tuned to a predetermined frequency by comparing the emitted light with a reference frequency from a microwave oscillator, and sweeping the frequency of light emitted from a nonlinear waveguide by sweeping the reference frequency from the microwave oscillator. Can be.

〔実施例〕 まず、本発明のスイープジェネレータの基本的な考え
方を説明する。現在、半導体レーザとして比較的容易に
入手できるものに、第1図に示したような4つの発振波
長を持つものがある。すなわち、通信用の1.56μm、1.
34μm、CD用の0.78μm、赤色光を出す0.67μmの4つ
である。これらの波長の関係をみると、1.56μmは0.78
μmの丁度2倍であり、1.34μmは0.67μmの丁度2倍
である。そのため、1.56μmの第2高調波をとると、0.
78μmに等しくなり、1.34μmの第2高調波をとると、
0.67μmに等しくなる。したがって、本発明において
は、この関係を利用して、1.56μmの半導体レーザと0.
78μmの半導体レーザとを、後記する光二重共鳴を利用
して発振波長を相互に固定する。同様にして、1.34μm
の半導体レーザと0.67μmの半導体レーザとを、光二重
共鳴を利用して発振波長を相互に固定する。このように
して、波長の固定された4つの光源が得られるので、こ
れらの波長の間の周波数を後記する非線形導波路を用い
て波長掃引し、それらの波長の間の波長の光を波長可変
で発生させる。また、0.67μmの第2高調波を発生させ
て0.34μmの光を得、これらの波長間でも同様に可変波
長の光を発生させる。そのため、1.56μmから0.34μm
の範囲、すなわち赤外から紫外にわたる超広帯域の光を
掃引して発生することができる。以上が本発明の赤外か
ら紫外にわたる超広帯域かつ高コヒーレント光スイープ
ジェネレータの基本的原理である。
Embodiment First, the basic concept of the sweep generator of the present invention will be described. At present, one of the semiconductor lasers that can be obtained relatively easily is one having four oscillation wavelengths as shown in FIG. That is, 1.56 μm for communication, 1.
34 μm, 0.78 μm for CD, and 0.67 μm for emitting red light. Looking at the relationship between these wavelengths, 1.56 μm is 0.78
μm is just twice as large, and 1.34 μm is just twice as large as 0.67 μm. Therefore, taking the second harmonic of 1.56 μm,
Equivalent to 78 μm, and taking the second harmonic of 1.34 μm,
It is equal to 0.67 μm. Therefore, in the present invention, utilizing this relationship, a 1.56 μm semiconductor laser and a 0.1 μm semiconductor laser are used.
The oscillation wavelength of the semiconductor laser of 78 μm is mutually fixed using the optical double resonance described later. Similarly, 1.34 μm
And the semiconductor laser of 0.67 μm are mutually fixed in oscillation wavelength using optical double resonance. In this manner, four light sources having fixed wavelengths are obtained. The wavelength between these wavelengths is swept using a non-linear waveguide described later, and light having a wavelength between those wavelengths is tunable. Generated by In addition, a second harmonic of 0.67 μm is generated to obtain light of 0.34 μm, and light of a variable wavelength is similarly generated between these wavelengths. Therefore, 1.56μm to 0.34μm
, Ie, an ultra-wide band light ranging from infrared to ultraviolet. The above is the basic principle of the ultra-wideband and high coherent optical sweep generator from infrared to ultraviolet according to the present invention.

さて、1.56μmの半導体レーザと0.78μmの半導体レ
ーザとを光二重共鳴を利用して発振波長を相互に固定す
る装置を第2図に示す。この装置において、0.78μmの
半導体レーザ1からの光をハーフミラー2を介してルビ
ジウムセル3に入射させ、通過光を反射鏡4にて反射さ
せてセル3を再び通過させ(2度通過させる必要は必ず
しもない。)、その光を検出器5にて光電変換し、その
信号を半導体レーザ1の注入電流にフィードバックさせ
て半導体レーザ1の発振波長を安定化させる(半導体レ
ーザは注入電流によって発振波長が変化する)。その
際、発振器6からの所定周波数の信号を注入電流にのせ
て半導体レーザ1の発振波長に周波数変調をかけ、検出
器5からの信号をロックインアンプ7にて発振器6から
の周波数で検波すると、半導体レーザ1の発振波長は、
ルビジウムの吸収波長(共鳴波長)に固定され、スペク
トル幅が狭くコヒーレンシーの高い光が得られる。この
光は、例えば半導体レーザ1の直前に配置したハーフミ
ラー8から取り出される。他方、1.56μmの半導体レー
ザ9からの光は、非線形光学結晶10によって第2高調波
である0.78μmの波長の光に変換され、ルビジウムセル
3に入射して検出器11にて光電変換を受ける。その信号
はロックインアンプ12にて発振器6からの周波数で検波
され、半導体レーザ9へフィードバックされ、半導体レ
ーザ9の発振波長は、ルビジウムの吸収波長の2倍に固
定され、スペクトル幅が狭くコヒーレンシーの高い光が
得られる。この光は、例えば半導体レーザ9の直前に配
置したハーフミラー13から取り出す。なお、この原理の
詳細については、IEEE Journal of Quantum Electronic
s,Vol.24,No.12,pp.2392〜2399参照。同様にして、ルビ
ジウムセルの代わりにリチウムセルを用いて、1.34μm
の半導体レーザと0.67μmの半導体レーザとを、光二重
共鳴を利用して発振波長を相互に固定することができ
る。こうして、波長の固定された4つの光源から得られ
る。
FIG. 2 shows an apparatus for mutually fixing the oscillation wavelength of a 1.56 μm semiconductor laser and a 0.78 μm semiconductor laser using optical double resonance. In this apparatus, light from the semiconductor laser 1 of 0.78 μm is made incident on the rubidium cell 3 via the half mirror 2, the passing light is reflected by the reflecting mirror 4, and the light passes through the cell 3 again (the light must be passed twice). The light is photoelectrically converted by the detector 5 and the signal is fed back to the injection current of the semiconductor laser 1 to stabilize the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 (the oscillation wavelength of the semiconductor laser is controlled by the injection current. Changes). At this time, a signal of a predetermined frequency from the oscillator 6 is applied to the injection current to frequency-modulate the oscillation wavelength of the semiconductor laser 1, and the signal from the detector 5 is detected by the lock-in amplifier 7 at the frequency from the oscillator 6. The oscillation wavelength of the semiconductor laser 1 is
It is fixed at the absorption wavelength (resonance wavelength) of rubidium, and a light with a narrow spectral width and high coherency can be obtained. This light is extracted from, for example, a half mirror 8 disposed immediately before the semiconductor laser 1. On the other hand, the 1.56 μm light from the semiconductor laser 9 is converted by the nonlinear optical crystal 10 into light having a wavelength of 0.78 μm as the second harmonic, enters the rubidium cell 3 and undergoes photoelectric conversion at the detector 11. . The signal is detected by the lock-in amplifier 12 at the frequency from the oscillator 6 and fed back to the semiconductor laser 9. The oscillation wavelength of the semiconductor laser 9 is fixed to twice the absorption wavelength of rubidium, and the spectral width is narrow and the coherency is low. High light can be obtained. This light is extracted from, for example, a half mirror 13 disposed immediately before the semiconductor laser 9. The details of this principle can be found in the IEEE Journal of Quantum Electronic
s, Vol. 24, No. 12, pp. 2392-2399. Similarly, using a lithium cell instead of the rubidium cell,
And the semiconductor laser of 0.67 μm can mutually fix the oscillation wavelength using the optical double resonance. Thus, four light sources with fixed wavelengths are obtained.

次に、非線形導波路を用いた波長掃引について説明す
る。第3図に示したように、下面に後記のポンプ光20と
垂直な格子16を有する上側平板ガラス15と下側平板ガラ
ス17との間に薄いSiO2等の蒸着膜をスペーサ18として介
在させ、その間に例えば有機非線形材料であるMNA(C6H
4NH2NO2)、PCA等19を流し込んで結晶化して、この有機
非線形材料領域19を平板導波路とする。このような平面
導波路に、図示したように周波数ωのポンプ光20と周
波数ωのシグナル光21を相互にθの角度をなすよう
に、導波路の平面内で入射させたとき、周波数ωのア
イドラー光22が反対の端面より出射する。アイドラー光
22の周波数ωは、導波路平面内に垂直な回転軸23を中
心としてこの導波路を回転する角度、又は、ポンプ光20
とシグナル光21のなす角度θに依存して、周波数ω
ωの間で変化する。すなわち、これらのいずれかのパ
ラメータを変化させることによって、波長掃引可能にな
る。このように波長を掃引できるメカニズムは、モデル
的には、第4図に示すように説明される。すなわち、最
初実線で示すような波数ベクトルの関係が、ポンプ光2
0、シグナル光21、アイドラー光22の間に存在している
とき、導波路を回転軸23を中心として回転するか、又は
ポンプ光20とシグナ光21のなす角度θを変化させると、
非線形光学材料の屈折率が方向に依存して変わるため、
最早この関係は成り立たず、アイドラー光を2つに分け
て(ki1、ki2)考えなければ成り立たなくなる。そし
て、このようにして分けた一方のアイドラー光(ki1
とシグナル光との間に周波数の和(ω+ωi1)が起こ
り、この光がアイドラー光22として外へ出て行くことに
なる(点線。この場合のアイドラー光はポンプ光と位相
整合条件を満足しなければならない)。この周波数ωi1
は回転角又は相互になす角度に依存してωからω
範囲内で変化するので、アイドラー光の波長はωとω
の間で掃引できる。なお、上側平板ガラス15の下面に
設けた格子は、ポンプ光、シグナル光の共振器として作
用し、導波路内のポンプ光、シグナル光の電界強度を高
めて上記の非線形作用を強める役割をするものであり、
この格子の周期は、ポンプ光の実効波長の2分の1又は
その整数倍である。
Next, wavelength sweeping using a nonlinear waveguide will be described. As shown in FIG. 3, a thin deposited film of SiO 2 or the like is interposed as a spacer 18 between an upper flat glass 15 and a lower flat glass 17 having a lattice 16 perpendicular to a pump light 20 described later on the lower surface. In the meantime, for example, an organic nonlinear material MNA (C 6 H
4 NH 2 NO 2 ), PCA and the like 19 are poured and crystallized, and the organic nonlinear material region 19 is used as a flat waveguide. When a pump light 20 having a frequency ω p and a signal light 21 having a frequency ω s are incident on such a planar waveguide in the plane of the waveguide so as to form an angle θ with each other as shown in FIG. The idler light 22 of ω i is emitted from the opposite end face. Idler light
The frequency ω i at 22 is the angle at which the waveguide rotates about a rotation axis 23 perpendicular to the waveguide plane, or the pump light 20
And the signal light 21 to change between the frequencies ω p and ω s . That is, the wavelength can be swept by changing any of these parameters. The mechanism capable of sweeping the wavelength in this way is modeled as shown in FIG. That is, the relationship of the wave vector as shown by the solid line first is the pump light 2
0, signal light 21, when present between idler light 22, when rotating the waveguide around the rotation axis 23, or changing the angle θ between the pump light 20 and the signal light 21,
Since the refractive index of the nonlinear optical material changes depending on the direction,
This relationship does not hold anymore, and does not hold unless the idler light is divided into two (k i1 and k i2 ). And one idler light (k i1 ) divided in this way
The sum of the frequencies (ω s + ω i1 ) occurs between the signal and the signal light, and this light goes out as the idler light 22 (dotted line. In this case, the idler light has a phase matching condition with the pump light). Must be satisfied). This frequency ω i1
Varies within the range from ω p to ω s depending on the rotation angle or the angle between them, the wavelength of the idler light is ω p and ω
s . The grating provided on the lower surface of the upper flat glass 15 acts as a resonator for pump light and signal light, and serves to enhance the electric field strength of the pump light and signal light in the waveguide and enhance the above-described nonlinear action. Things,
The period of this grating is half the effective wavelength of the pump light or an integral multiple thereof.

第5図に、実際の光スイープジェネレータの概念図を
示す。図には波長範囲0.34〜0.67μm、0.78〜1.34μ
m、1.34〜1.56μmの範囲の掃引機構については示して
いないが、図示の0.67〜0.78μmの範囲の機構と同様で
ある(ただし、0.34〜0.67μmの範囲については、非線
形導波路の材料としてMNAの代わりに例えばLiNbO3、PCA
を用いる)。1.56μmの半導体レーザ31と0.78μmの半
導体レーザ32からの光は、第2図に示した装置によっ
て、ルビジウムセル35のスペクトル幅の狭い吸収波長に
固定され、1.34μmの半導体レーザ33と0.67μmの半導
体レーザ34からの光は、第2図に示した装置と同様の装
置によって、リチウムセル36のスペクトル幅の狭い吸収
波長に固定される。その中、半導体レーザ32からの0.78
μmの光と半導体レーザ34からの0.67μmの光とを2つ
に別けて、第3図に示した非線形導波路37、38にポンプ
光、シグナル光として入射させる。非線形導波路38は、
0.78μmと0.67μmの間の波長の基準になる光を出すた
めのもので、固定されている。これに対して、非線形導
波路37は、0.78μmと0.67μmの間で波長を掃引するた
めのもので、フィードバック信号によって、その回転軸
の周りで回転調整されるか、入射光相互の角度が変えら
れる。非線形導波路37、38からアイドラー光として照射
した光は、合波器39により合波され、両者の周波数の差
のビートを生ずる。このビートは検出器40によって電気
信号に変えられ、マイクロ波基準発振器41からの信号と
乗算器42におい掛け合わされる。両者の周波数の間に差
があると、その差の信号がフィードバックされ、非線形
導波路37を回転調整するか又は入射光相互の角度を調整
することにより、非線形導波路37、38からの出射光間の
周波数差を基準発振器41からのマイクロ波の周波数に一
致させることができる。したがって、マイクロ波基準発
振器41の発振周波数を掃引すると、非線形導波路37から
出る光の周波数も掃引される。この光を導波路37の前に
配置したハーフミラー44から出力することで、利用する
ことができる。上記と同様にして、0.34〜0.67μm、0.
78〜1.34μm、1.34〜1.56μmの範囲の波長の光を出力
できる。
FIG. 5 shows a conceptual diagram of an actual optical sweep generator. In the figure, the wavelength range is 0.34 ~ 0.67μm, 0.78 ~ 1.34μ
m, the sweeping mechanism in the range of 1.34 to 1.56 μm is not shown, but is the same as the mechanism in the range of 0.67 to 0.78 μm shown (however, in the range of 0.34 to 0.67 μm, as the material of the nonlinear waveguide, LiNbO 3 , PCA instead of MNA
Is used). The light from the 1.56 μm semiconductor laser 31 and the light from the 0.78 μm semiconductor laser 32 are fixed to the absorption wavelength with a narrow spectral width of the rubidium cell 35 by the apparatus shown in FIG. 2, and the 1.34 μm semiconductor laser 33 and the 0.67 μm The light from the semiconductor laser 34 is fixed to an absorption wavelength having a narrow spectral width of the lithium cell 36 by a device similar to the device shown in FIG. Among them, 0.78 from semiconductor laser 32
The light of .mu.m and the light of 0.67 .mu.m from the semiconductor laser 34 are separated into two and made to enter the nonlinear waveguides 37 and 38 shown in FIG. 3 as pump light and signal light. The nonlinear waveguide 38 is
It is for emitting light that is a reference for wavelengths between 0.78 μm and 0.67 μm, and is fixed. On the other hand, the nonlinear waveguide 37 is for sweeping the wavelength between 0.78 μm and 0.67 μm, and is rotated around its rotation axis by a feedback signal, or the angle between incident lights is changed. be changed. Light irradiated as idler light from the nonlinear waveguides 37 and 38 is multiplexed by the multiplexer 39 to generate a beat having a difference between the two frequencies. The beat is converted into an electric signal by the detector 40, and is multiplied by the signal from the microwave reference oscillator 41 in the multiplier 42. If there is a difference between the two frequencies, a signal of the difference is fed back, and the output light from the nonlinear waveguides 37 and 38 is adjusted by rotating the nonlinear waveguide 37 or by adjusting the angle between the incident lights. The frequency difference between them can be made to match the frequency of the microwave from the reference oscillator 41. Therefore, when the oscillation frequency of the microwave reference oscillator 41 is swept, the frequency of light emitted from the nonlinear waveguide 37 is also swept. By outputting this light from the half mirror 44 disposed in front of the waveguide 37, the light can be used. As above, 0.34 to 0.67 μm, 0.
Light having a wavelength in the range of 78 to 1.34 μm and 1.34 to 1.56 μm can be output.

以上は、本発明の1つの実施例にすぎず、種々の変形
が可能である。例えば、第2図のガスセル3に入射させ
る半導体レーザからの光として、いずれも非線形光学素
子によって変換された高調波であってもよい。また、第
3図の非線形導波路に入射させるポンプ光20、シグナル
光21のいずれも非線形光学素子によって変換された高調
波であってもよい。
The above is only one embodiment of the present invention, and various modifications are possible. For example, the light from the semiconductor laser to be incident on the gas cell 3 in FIG. 2 may be a harmonic converted by a nonlinear optical element. Further, both the pump light 20 and the signal light 21 to be incident on the nonlinear waveguide of FIG. 3 may be harmonics converted by the nonlinear optical element.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

本発明によると、光二重共鳴を利用して周波数を特定
ガスの共鳴周波数又はその整数倍に固定した赤外半導体
レーザ,可視半導体レーザを複数個を用い、さらに非線
形導波路を用いて、周波数同期、変換、掃引により、赤
外から紫外領域にわたる高精度、超広帯域連続周波数掃
引可能な光スイーブジェネレータ(掃引範囲は1ペタヘ
ルツに達する)が実現できる。この光スイーブジェネレ
ータを用いて、高精度物理計測、とくに分光計測により
各種原子分子の構造に関する新しい知見を得ることがで
き、これにより通信・計算機システムのための新材料、
新素材の開発が可能になる。さらに、通信において、超
高周波数のコヒーレント光波としてのレーザ光の特性を
活かすことができるので、広い範囲で周波数を掃引また
は固定し、それぞれの周波数に音声・画像・データ情報
をのせて、非常に多数のチャンネルでこれらの情報を同
時伝送できる。こうして、従来のマイクロ波では不可能
であった通信の大容量化が可能となる。一方、次世代の
計算機である光コンピュータの分野において、このよう
な周波数掃引可能な光源の各周波数チャンネルに情報を
記憶させると、大容量光記憶装置への応用が可能とな
る。以上のように、本発明は、物理計測、光通信、およ
び光コンピュータの分野でのシステムの性能向上のため
の貢献度が高い。
According to the present invention, a plurality of infrared semiconductor lasers and visible semiconductor lasers whose frequencies are fixed to the resonance frequency of a specific gas or an integer multiple thereof using optical double resonance are used, and further, a nonlinear waveguide is used to perform frequency synchronization. , Conversion and sweep can realize an optical sweep generator (sweep range reaches 1 petahertz) capable of high-precision, ultra-broadband continuous frequency sweep over the infrared to ultraviolet range. Using this optical sweep generator, new knowledge on the structure of various types of atoms and molecules can be obtained by high-precision physical measurement, especially spectroscopic measurement, which enables new materials for communication and computer systems,
New materials can be developed. Furthermore, in communications, the characteristics of laser light as an ultrahigh-frequency coherent lightwave can be utilized, so that the frequency can be swept or fixed over a wide range, and voice, image, and data information can be added to each frequency, making it extremely useful. Such information can be transmitted simultaneously on many channels. In this way, it is possible to increase the capacity of communication that was impossible with a conventional microwave. On the other hand, in the field of optical computers, which are next-generation computers, if information is stored in each frequency channel of such a light source capable of frequency sweeping, application to a large-capacity optical storage device becomes possible. As described above, the present invention has a high contribution to improving the performance of a system in the fields of physical measurement, optical communication, and optical computer.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明のスイープジェネレータの基本的な考え
方を説明するための図、第2図は光二重共鳴を利用して
発振波長を相互に固定する装置の説明図、第3図は非線
形導波路の部分分解斜視図、第4図は非線形導波路の波
長掃引メカニズム説明するための図、第5図は実際の光
スイープジェネレータの概念図である。 1:0.78μmの半導体レーザ、2:ハーフミラー、3:ルビジ
ウムセル、4:反射鏡、5:検出器、6:発振器、7:ロックイ
ンアンプ、8:ハーフミラー、9:1.56μmの半導体レー
ザ、10:非線形光学結晶、11:検出器、12:ロックインア
ンプ、13:ハーフミラー、15:上側平板ガラス、16:格
子、17:下側平板ガラス、18:スペーサ、19:有機非線形
材料(MNA)、20:ポンプ光、21:シグナル光、22:アイド
ラー光、23:回転軸、31:1.56μmの半導体レーザ、32:
0.78μmの半導体レーザ、33:1.34μmの半導体レー
ザ、34:0.67μmの半導体レーザ、35:ルビジウムセル、
36:リチウムセル、37、38:非線形導波路、39:合波器、4
0:検出器、41:マイクロ波基準発振器、42:乗算器、43:
回転機構、44:ハーフミラー
FIG. 1 is a view for explaining the basic concept of the sweep generator of the present invention, FIG. 2 is an explanatory view of an apparatus for mutually fixing the oscillation wavelength using optical double resonance, and FIG. FIG. 4 is a view for explaining a wavelength sweeping mechanism of a nonlinear waveguide, and FIG. 5 is a conceptual diagram of an actual optical sweep generator. 1: 0.78 μm semiconductor laser, 2: half mirror, 3: rubidium cell, 4: reflector, 5: detector, 6: oscillator, 7: lock-in amplifier, 8: half mirror, 9: 1.56 μm semiconductor laser , 10: nonlinear optical crystal, 11: detector, 12: lock-in amplifier, 13: half mirror, 15: upper flat glass, 16: lattice, 17: lower flat glass, 18: spacer, 19: organic nonlinear material ( MNA), 20: pump light, 21: signal light, 22: idler light, 23: rotation axis, 31: 1.56 μm semiconductor laser, 32:
0.78 μm semiconductor laser, 33: 1.34 μm semiconductor laser, 34: 0.67 μm semiconductor laser, 35: rubidium cell,
36: lithium cell, 37, 38: nonlinear waveguide, 39: multiplexer, 4
0: detector, 41: microwave reference oscillator, 42: multiplier, 43:
Rotating mechanism, 44: half mirror

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】一方の半導体レーザの発振周波数又はその
非線形光学効果による高調波の周波数と他方の半導体レ
ーザの非線形光学効果による高調波の周波数とが一致し
得る少なくとも1対の発振周波数が相互に異なる半導体
レーザを用い、非線形光学効果を利用して一方又は双方
の半導体レーザからの光の周波数を変換して一致させ、
上記一致させた周波数近傍に共鳴周波数を有するガスセ
ルに両者の半導体レーザからの周波数を一致させた光を
入射させて、上記ガスセルの光二重共鳴を利用して両者
の半導体レーザの発振波長を相互に固定し、このように
して周波数が固定された少なくとも1対の光を2つの非
線形導波路に相互に角度をなすようにして入射させて非
線形光学効果によって両者の入射光の間の周波数を有す
る光に変換し、上記2つの非線形導波路から出る光相互
を干渉させてビートを発生させ、このビートを光電変換
してマイクロ波発振器からの基準周波数と比較し、得ら
れた誤差信号により前記2つの非線形導波路の一方の導
波路の入射光に対する角度又はこの導波路へ入射する1
対の光相互のなす角度を調整して上記誤差信号がゼロに
なるように構成し、前記マイクロ波発振器からの基準周
波数を掃引可能に構成して前記一方の非線形導波路から
射出される光の周波数を掃引可能に構成したことを特徴
とする赤外から紫外にわたる超広帯域かつ高コヒーレン
ト光スイープジェネレータ。
At least one pair of oscillation frequencies at which the oscillation frequency of one semiconductor laser or the harmonic frequency due to the nonlinear optical effect thereof and the harmonic frequency due to the non-linear optical effect of the other semiconductor laser coincide with each other. Using different semiconductor lasers, using the nonlinear optical effect to convert and match the frequency of light from one or both semiconductor lasers,
The light having the same frequency from both semiconductor lasers is incident on a gas cell having a resonance frequency in the vicinity of the matched frequency, and the oscillation wavelengths of the two semiconductor lasers are mutually adjusted using the optical double resonance of the gas cell. A light having a frequency between the two incident lights by a non-linear optical effect by fixing at least one pair of lights whose frequencies are fixed in this way and entering the two nonlinear waveguides at an angle to each other. And a beat is generated by interfering the light emitted from the two nonlinear waveguides with each other, and the beat is photoelectrically converted and compared with a reference frequency from a microwave oscillator. Angle of one of the nonlinear waveguides with respect to the incident light, or 1 which is incident on this waveguide.
The angle formed between the pair of light beams is adjusted so that the error signal becomes zero, and the reference frequency from the microwave oscillator can be swept so that the light emitted from the one non-linear waveguide can be swept. An ultra-wideband and high coherent optical sweep generator from infrared to ultraviolet, characterized in that the frequency can be swept.
【請求項2】光二重共鳴を利用して周波数が固定された
少なくとも1つの光の非線形光学効果による高調波を発
生させ、この高調波と周波数が固定された光とを2つの
非線形導波路に相互に角度をなすようにして入射させ
て、非線形光学効果によって両者の入射光の間の周波数
を有する光に変換するように構成したことを特徴とする
請求項1記載の赤外から紫外にわたる超広帯域かつ高コ
ヒーレント光スイープジェネレータ。
2. A method for generating harmonics due to a nonlinear optical effect of at least one light having a fixed frequency using optical double resonance, and converting the harmonics and the light having a fixed frequency into two nonlinear waveguides. 2. An infrared-ultraviolet light according to claim 1, wherein the light is incident at an angle to each other and converted into light having a frequency between the two incident lights by a nonlinear optical effect. Broadband and high coherent optical sweep generator.
【請求項3】一方の半導体レーザの発振周波数又はその
非線形光学効果による高調波の周波数と他方の半導体レ
ーザの非線形光学効果による高調波の周波数とが一致し
得る2対の発振周波数が相互に異なる半導体レーザを用
いたことを特徴とする請求項1又は2記載の赤外から紫
外にわたる超広帯域かつ高コヒーレント光スイープジェ
ネレータ。
3. The two pairs of oscillation frequencies at which the oscillation frequency of one semiconductor laser or the frequency of the harmonics due to the non-linear optical effect thereof and the frequency of the harmonics due to the non-linear optical effect of the other semiconductor laser coincide with each other are different from each other. 3. An ultra-wideband and high coherent optical sweep generator from infrared to ultraviolet according to claim 1 or 2, wherein a semiconductor laser is used.
【請求項4】非線形導波路が、下面に一方の入射光と垂
直な格子を有する上側平板ガラスと下側平板ガラスとの
間に有機非線形材料を流し込んで結晶化して構成した平
面導波路の形状のものであることを特徴とする請求項1
から3のいずれか1項に記載の赤外から紫外にわたる超
広帯域かつ高コヒーレント光スイープジェネレータ。
4. A planar waveguide formed by pouring and crystallizing an organic nonlinear material between an upper flat glass and a lower flat glass having a lattice perpendicular to one of the incident light on the lower surface. 2. The method according to claim 1, wherein
4. An ultra-wide band and high coherent optical sweep generator from infrared to ultraviolet according to any one of items 1 to 3.
【請求項5】半導体レーザが、それぞれ1.56μm、1.34
μm、0.78μm、0.67μmの波長の光を発振する4つの
ものからなり、1.56μmの波長の光を発振するものと0.
78μmの波長の光を発振するものとを1つの組とし、1.
34μmの波長の光を発振するものと0.67μmの波長の光
を発振するものとを他の組とし、1.56μmの波長の光を
発振する半導体レーザからの光の第2高調波を発生させ
て、0.78μmの波長の光を発振する半導体レーザからの
光と共に、ルビジウムセルにに入射させ、ルビジウムセ
ルの光二重共鳴を利用して両者の半導体レーザの発振波
長を相互に固定し、また、1.34μmの波長の光を発振す
る半導体レーザからの光の第2高調波を発生させて、0.
67μmの波長の光を発振する半導体レーザからの光と共
に、リチウムセルに入射させ、リチウムセルの光二重共
鳴を利用して両者の半導体レーザの発振波長を相互に固
定するように構成したことを特徴とする請求項3又は4
記載の赤外から紫外にわたる超広帯域かつ高コヒーレン
ト光スイープジェネレータ。
5. The semiconductor laser according to claim 1, wherein said semiconductor lasers are 1.56 μm,
μm, 0.78 μm, and 0.67 μm wavelength light.
One that oscillates light with a wavelength of 78 μm is a set of 1.
The other group that oscillates light with a wavelength of 34 μm and the one that oscillates light with a wavelength of 0.67 μm generates the second harmonic of light from a semiconductor laser that oscillates light with a wavelength of 1.56 μm. Together with light from a semiconductor laser that oscillates light having a wavelength of 0.78 μm, the light is incident on a rubidium cell, and the oscillation wavelengths of both semiconductor lasers are fixed to each other using the optical double resonance of the rubidium cell. A second harmonic of light from a semiconductor laser that oscillates light having a wavelength of μm is generated.
Light of 67μm wavelength is incident on the lithium cell together with the light from the oscillating semiconductor laser, and the oscillation wavelengths of both semiconductor lasers are fixed to each other using the optical double resonance of the lithium cell. Claim 3 or 4
Ultra-wideband and high coherent optical sweep generator from infrared to ultraviolet as described.
【請求項6】波長が固定された0.67μmの波長の光の第
2高調波を発生させ、この高調波と上記波長が固定され
た0.67μmの波長の光とを2つの非線形導波路に相互に
角度をなすようにして入射させて、非線形光学効果によ
って両者の入射光の間の周波数を有する光に変換するよ
うに構成したことを特徴とする請求項5記載の赤外から
紫外にわたる超広帯域かつ高コヒーレント光スイープジ
ェネレータ。
6. A second harmonic of light having a wavelength of 0.67 μm having a fixed wavelength is generated, and this harmonic and the light having a wavelength of 0.67 μm having a fixed wavelength are transmitted to two nonlinear waveguides. 6. An ultra-wide band from infrared to ultraviolet according to claim 5, wherein the light is incident at an angle to the light and converted into light having a frequency between the two incident lights by a nonlinear optical effect. And high coherent optical sweep generator.
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