JP4017116B2

JP4017116B2 - テラヘルツ光発生装置

Info

Publication number: JP4017116B2
Application number: JP2003304460A
Authority: JP
Inventors: 弘之横山; 雄三佐々木; 弘昌伊藤
Original assignee: 株式会社東北テクノアーチ
Priority date: 2003-08-28
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2023-08-28
Also published as: JP2005077470A

Description

本発明は、２つの周波数を有する同期パルス光発生装置と、それを用いたテラヘルツ波を発生する装置に関するものである。

この波長領域のコヒーレント光を発生できる光源は、大型施設の自由電子レーザに代表されるが、小型で操作性のよい光源の開発は十分に進んでいるとは言い難い。比較的小型の装置では、高ピークパワーフェムト秒光パルスの固体表面への照射による、過渡的キャリア生成に基づく広帯域の電磁波発生などがあるが、数ｍ長の光学ベンチを占有する複雑かつ高価な光源システムである。また、平均出力パワーもマイクロワットレベルであり、何桁かの増大が望まれる。小型デバイスとしては、最近になって、量子カスケード半導体レーザの長波長化の研究が進んできたが、低温動作が必要でまた固定波長であることから、応用に資するまでにはまだ大幅な特性の改善が必要である。
なお、発明者らは、２波長動作の光学パラメトリック発振器（ＯＰＯ）を光源として、傾斜構造型周期分極反転ＬｉＮｂＯ_３(slanted-PPLN)からのＴＨｚ波発生に関して、非特許文献１に示すように、発表してきた。
Y. Sasaki et al, Appl. Phys. Lett. 81, 3323 (2002)

本発明の目的は、光通信技術で培われた半導体レーザや光非線形制御技術による同期パルス光発生装置、および、これを用いた小型・高安定なテラヘルツ波発生装置を提供するものである。

上記目的を達成するために、本発明は、テラヘルツ光発生装置であって、連続波を発振する連続発振の外部共振型半導体レーザと、パルス光を発振するパルス発振の利得スイッチ動作分布帰還型半導体レーザと、前記連続波と、前記パルス光とを入力するカップラと、カップリングされた光を入力し、四光波混合によるパルス光を発生する非線形ファイバと、前記連続波を減衰し、前記パルス光および前記四光波混合によるパルス光をほぼ同じ強さの２つのパルス光として出力するフィルタ・増幅手段と、前記２つのパルス光を入力して、差の周波数のパルス光を出力する非線形光デバイスとを備え、前記２つのパルス光の周波数はテラヘルツ・オーダの差があり、出力するパルス光はテラヘルツの周波数を有することを特徴とする。

上述した本発明の構成を有する装置は、簡単な構成で２つの同期パルス光を発生でき、発生した同期パルスを用いて、単色性に優れ、かつ高速繰り返しパルスのテラヘルツ波を発生することができる。特に、半導体レーザを用いると、小型の装置とすることができる。

図１に本発明の実施形態の構成例を示す。図１の構成・動作を以下に、図２および図３を用いて詳しく説明する。
図１において、パルス発振の半導体レーザ１１４から、パルス光と示した半導体レーザ光パルスを発生させる。発生する光パルスの繰り返し周波数は例えばＭＨｚ程度である。この半導体レーザ光パルスを、前置光増幅器１２２で必要がある場合は増幅する。連続発振半導体レーザ１１２からの連続光（ＣＷ光）とを光カップラ１３０に入力している。２つのレーザ光の関係は、図２に示すように、Δωの差がある。この差がテラヘルツ・オーダである。
光カップラ１３０から出た２つの光は、主光増幅器１２４を介して非線形ファイバ１４０に入力する。この非線形ファイバ１４０の３次の非線形性によるＦＷＭ（Four Wave Mixing：四光波混合）により、図２に示すように、パルス光よりΔω高いところに、パルス光と同期したＦＷＭ光（パルス光）が発生する。

このＦＷＭ光は、図２からわかるように、パルス光より強度が小さい。パルス光とＦＷＭ光とをほぼ同じ強度とし、連続光を十分に減衰するために、フィルタ１５２，１５４と前置光増幅器１２６を用いている。フィルタ１５２，前置光増幅器１２６，フィルタ１５４を通過した光は、図３に示すように、パルス光（ω_０）とＦＷＭ光（ω_１）とをほぼ同じ強度となっている。次に、主光増幅器１２８により十分な強度を得ている。十分な強度の２色のパルス光を、２次の非線形光デバイス１６０に入力することにより、パルス光（ω_０）とＦＷＭ光（ω_１）との差Δωであるテラヘルツのパルス光が出力される。

上述の構成の大きな特徴は、半導体レーザからの光パルスを用いて、非線形光学材料としての光ファイバ中で、異なった波長の連続発振半導体レーザ光との四光波混合により新たな波長の同期光パルスを発生させ、２つの波長の光パルスを光増幅器で高出力にすることにある。
これを基に、これら２つの波長の光パルスを高ピークパワーに増幅した後、非線形光学デバイスに入射させて差周波発生の効果により、２つの波長の周波数差に相当するテラヘルツ周波数帯の電磁波を発生させている。
上述の構成においては、差周波発生に基づくテラヘルツ波発生のための光源部分に独自性がある。従来、このような方式によりテラヘルツ波を発生させる装置はなく、比較的大型のレーザを用いてテラヘルツ波を発生させているのが現状である。本発明により非常に小型で安定性に優れたテラヘルツ波発生器を得ることが期待される。
なお、上述の光ファイバ中における四光波混合に、３次の非線形特性を用いているが、２段カスケード結合した２次の非線形特性を用いてもよい。

繰り返し周波数１００ＭＨｚの利得スイッチ動作ディストリビューテッド・フィードバック・レーザ・ダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）のパルス光（中心波長：１５４９ｎｍ,パルス幅：20ｐｓ）と、外部共振器型レーザ・ダイオードからのｃｗ光を高非線形性ファイバに入射させ、パルス光と１．５ＴＨｚの周波数間隔を持つ四光波混合（ＦＷＭ）光を発生させた。
そして、図４に示すように、光フィルタにより入射光パルスとＦＷＭ光パルスを同等の出力にした。さらに、エルビウム・ドープ・ファイバ増幅器（EDFA）を用いて平均出力で１Ｗ以上を得た。図５に示す２波長光パルスの強度相関測定より、テラヘルツの周波数間隔で時間的に同期した光パルスが得られていることが確認できる。
この光パルスをslanted-PPLN(Periodically Polled Lithium Niobate)（グレーティング周期：３５μｍ，傾斜角度：２３度）に入射することで、２波長光パルスに相当する周波数１．５ＴＨｚのテラヘルツ波発生を確認することができた。

他の実施形態

上述の構成では、同期した２つの周波数を有するパルス光を得るために、非線形性の光ファイバによる、パルス光と連続波光との四光波混合（Four Wave Mixing）を用いている。しかしながら、他の構成により、同期した２つの周波数を有するパルス光を得ることができる。２つの周波数の間隔がテラヘルツであれば、この２つのパルス光を図１における非線形光学デバイス１６０に入力することで、テラヘルツのパルス光を得ることができる。
ラマン効果とは、透明媒質を光が通るとき、光の散乱にみられる現象である。散乱光は入射光に対して分子の回転エネルギーや振動エネルギーの変化に相当した周波数の変化や位相のランダムなゆらぎを受ける。これを利用して、同期した２つの周波数を有するパルス光を得ることができる。この構成を図６に示す。
図６において、パルス発振半導体レーザ２１０では周波数ω_０の光パルスが発生している。これを光増幅器２２０で増幅後、ラマン効果を有する非線形ファイバ２４０に入射する。非線形ファイバ２４０中で、ラマン効果により、入射した周波数ω_０のパルス光から、Δωだけ異なった周波数ω_１のパルス光も発生する（図６のグラフ参照）。このΔωは、非線形ファイバの材料により定まり、例えば酸化シリコン（ＳｉＯ_２）では、１３ＴＨｚである。
このようして、ラマン効果により、２つの周波数を有するパルス光を得ることができる。

また、自己位相変調（self phase modulation）とは、光ファイバの中で発生する非線形光学現象である。光ファイバなどの媒質の屈折率は、その中を伝搬される光パルスの強度に比例してわずかに変化するため、光カー効果により光パルス自身に位相変調が生じる。この現象を自己位相変調という。これを利用して、同期した２つの周波数を有するパルス光を得ることができる。この構成を図７に示す。
図７において、パルス発振半導体レーザ２１２では周波数ω_０の光パルスが発生している。これを光増幅器２２２で増幅後、ラマン効果を有する非線形ファイバ２４２に入射する。非線形ファイバ２４２中で、自己位相変調により、入射した周波数ω_０のパルス光が、十分な周波数幅を有する光となる。この周波数幅を有するパルス光から、フィルタ２５２，２５４を用いて、Δωの間隔を有する２つの周波数ω_１，ω_２パルス光を取り出す（図７のグラフ参照）。このとき、取り出すパルス光の位相を合わせる必要がある。Δωの間隔をテラヘルツとすると、これを用いても、テラヘルツのパルス光を得ることができる。
このように、上述した図１以外の構成でも、２つの同期したパルス光を発生して、テラヘルツのパルス光を得ることができる。

実施形態の構成例を示す図である。四光波混合（ＦＷＭ）を説明する図である。フィルタ１５４から出力するパルス光を説明する図である。図１の実施形態を実施した時のフィルタ出力のスペクトルを示すグラフである。１．５ＴＨｚのビートを含むＳＨＧ（Second Harmonic Generation）相関波形を示すグラフである。他の実施形態を示す図である。他の実施形態を示す図である。

Claims

テラヘルツ光発生装置であって、
連続波を発振する連続発振の外部共振型半導体レーザと、
パルス光を発振するパルス発振の利得スイッチ動作分布帰還型半導体レーザと、
前記連続波と、前記パルス光とを入力するカップラと、
カップリングされた光を入力し、四光波混合によるパルス光を発生する非線形ファイバと、
前記連続波を減衰し、前記パルス光および前記四光波混合によるパルス光をほぼ同じ強さの２つのパルス光として出力するフィルタ・増幅手段と、
前記２つのパルス光を入力して、差の周波数のパルス光を出力する非線形光デバイスとを備え、
前記２つのパルス光はテラヘルツの差があり、出力するパルス光はテラヘルツ・オーダの周波数を有することを特徴とするテラヘルツ光発生装置。