JP4553822B2

JP4553822B2 - 波長変換モジュール

Info

Publication number: JP4553822B2
Application number: JP2005297800A
Authority: JP
Inventors: 修忠永; 勉柳川; 雅生遊部; 好毅西田; 克明曲; 毅伺梅木; 博之鈴木; 薫吉野
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2005-10-12
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: JP2007108324A

Description

本発明は、波長変換モジュールに関し、より詳細には、環境ガスを計測するための中赤外光を発生する波長変換素子を内蔵する波長変換モジュールに関する。

環境保護、安全衛生上の観点から、ＮＯｘ、ＳＯｘ、アンモニア系等の環境ガス、水の吸収ピーク、多くの有機系ガスまたは残留農薬の極微量分析技術の確立が強く望まれている。ガス濃度を計測する一手法として、被測定ガスにレーザ光を当て、その吸収特性を観測する方法が知られている。ガスは、それぞれ特有の吸収線を有しているので、吸収線付近の波長を有するレーザ光をスキャンし、吸収スペクトルを観測することによりガス濃度を計測することができる。

環境ガスの多くは、波長２μｍ以上の中赤外光領域に基本振動またはその低次の倍音の吸収線を有している。従って、波長２μｍ以上の中赤外領域において、室温で連続発振が可能な中赤外光光源の需要が高まっている。このような光源として、擬似位相整合型波長変換素子による差周波発生により、ガスの吸収線波長である中赤外領域のレーザ光を出力する光源が多数発表されている（例えば、非特許文献１参照）。この光源は、波長変換素子に励起光、信号光を入力するレーザとして、技術的に安定した波長２μｍ以下の半導体レーザを用いることができるので、実用化が容易である。

D. G. Lancaster, et al., "High-power continuous-wave mid-infrared radiation generated by difference frequency mixing of diode-laser-seeded fiber amplifiers and its application to dual-beam spectroscopy", Optics Lett., Vol.24, No.23, 1999

波長変換素子を利用した光源を、ガス計測装置に適用するためには、波長変換素子を内蔵する波長変換モジュール、励起光、信号光を出力するレーザモジュール、その他の光部品を１つのパッケージにまとめて実装する。このパッケージは、波長変換モジュールから出力された中赤外光が、被測定ガスセルの中を透過して、受光器に入射されるように、ガス計測装置内に設置される。

図１に、従来の波長変換モジュールの構成を示す。波長変換モジュール１０は、非線形光学結晶からなる波長変換素子１１と、励起光λ１、信号光λ２を入力するための光学部品１２と、出力される励起光λ１、信号光λ２、波長変換光λ３から励起光λ１、信号光λ２を取り除くための光学部品１３とを備えている。

ガス計測装置の組み立て工程においては、波長変換モジュールと受光器との光軸のアライメントが必要である。可視光を発生する波長変換モジュールでは、出力される波長変換光が目に見えるため、アライメント作業が容易であった。しかしながら、波長変換光λ３が中赤外光の場合には目に見えないために、波長変換モジュールからの出射方向がずれていた場合に、容易に調整することができなかった。そこで、ガス計測装置の受光器の代わりに、光軸調整用の受光器を用いて、光軸上をかざしながら波長変換モジュールの出射方向を確認し、波長変換モジュールを内蔵するパッケージを設置していた。しかし、光軸調整用受光器は、受光面が最大でも数ミリ角程度であり、このように小さな受光面に波長変換光を入射させながら、光軸を追っていく作業は、困難を要した。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、可視化された信号光を利用することにより、アライメント作業を簡略化することができる波長変換モジュールを提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、互いに波長の異なる波長λ１の励起光と波長λ２の信号光とを入力し、１／λ１−１／λ２＝１／λ３を満たす波長λ３の変換光を発生させる波長変換モジュールにおいて、非線形光学結晶からなる波長変換素子と、該波長変換素子の出力側の光軸上に配置され、前記励起光を抑制し、前記信号光と前記変換光とを透過させる第１のフィルタと、前記波長変換素子の出力側の光軸上に配置され、少なくとも前記信号光と前記変換光とを平行光に変換するレンズと、前記信号光と前記変換光とが平行光に変換された光軸上に挿抜可能であり、前記信号光を抑制する第２のフィルタとを備え、λ１＜１．１１μｍ、１．１１μｍ＜λ２＜１．７０μｍ、および１．７０μｍ＜λ３であり、前記第１のフィルタの材質は、シリコンであることを特徴とする。

請求項１に記載の前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有し、さらに導波路構造を有することもできる。また、前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｋ_（ｙ）Ｌｉ_{（１−ｙ）}Ｎｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有することもできる。

以上説明したように、本発明によれば、波長変換素子から出力される信号光を利用して、可視化することにより、アライメント作業を行うことが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図２に、本発明の一実施形態にかかる波長変換モジュールの構成を示す。本実施形態の波長変換モジュール２０は、波長変換素子２１から出力される光のうち、光部品２３は、励起光λ１のみを抑制し、信号光λ２と波長変換光λ３とを透過させる。波長＝１．７μｍ以下の近赤外光であれば、例えば、レーザ・センサ・カードを用いて可視化することができる。レーザ・センサ・カードは、５ｃｍ角程度の大きさのものがあり、光軸を確認するために、十分な大きさを有している。そこで、信号光λ２を可視化することにより光軸のアライメントを行い、その後、必要ならば信号光λ２を抑制する光部品を挿入すればよい。

なお、光学部品であるレンズ等は、屈折率が波長に依存する。１／λ１−１／λ２＝１／λ３を満たす差周波発生では、励起光λ１＜信号光λ２の関係があるので、波長変換光λ３と波長差の少ない信号光λ２を可視化する方が、より正確にアライメント作業を行うことができる。

図３に、本発明の実施例１にかかる波長変換モジュールの構成を示す。図３（ａ）は上面図、３（ｂ）は側面図である。波長変換モジュール３０は、パッケージ３８内部に、金属製サブマウント３２の上面に載置された波長変換素子３１と、金属製サブマウント３２の下面に接合され波長変換素子３１と熱的に結合されたペルチェ素子３３とを備えている。また、金属製サブマウント３２上には、波長変換素子３１と熱的に結合されたサーミスタ３４を備えている。

波長変換素子３１の入力側において、ファイバ支持ブロック３５に固定された光ファイバ３６のコアが、波長変換素子３１の導波路３１ａと、光学的に直接結合されている。光ファイバ３６から入力された励起光λ１と信号光λ２とは、波長変換素子３１の非線形光学効果により、波長変換光λ３へ変換され、導波路３１ａ端から出力される。波長変換素子３１の出力側において、導波路３１ａ端から出力された光は、励起光λ１のみを抑制し、信号光λ２と波長変換光λ３とを透過させる波長フィルタ３７を通過する。波長フィルタ３７を通過した光は、外部に配置されたレンズにより、平行光に変換されて、次段の光回路に入力される。

波長変換素子３１は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｋ_（ｙ）Ｌｉ_{（１−ｙ）}Ｎｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している非線形光学結晶を用いることができる。波長変換素子は、周期的な分極反転構造を有しており、さらに導波路構造を有することにより、波長変換効率を高めることができる。

波長フィルタ３７は、シリコン、またはＩｎＰ、ＧａＡｓなどの化合物半導体からなる。波長フィルタ３７の透過特性は、その材料のバンドギャップから求めることができる。バンドギャップから求めた波長ｘに対して、短い波長の光は吸収され、長い波長の光は吸収されにくい。上述の化合物半導体では、
シリコン：ｘ＝１．１１μｍ
ＩｎＰ：ｘ＝０．９２μｍ
ＧａＡｓ：ｘ＝０．８７μｍ
となり、
λ１＜ｘ＜λ２（１）
となるように材料を選択すればよい。なお、レーザ・センサ・カードを用いる場合は、λ２＜１．７０μｍとする必要がある。また、波長フィルタ３７は、反射損失を減少させるための反射防止膜として、ＡＲコーティングが付されている。

図４を参照して、実施例１にかかる波長変換モジュールのアライメント作業を説明する。ここで、励起光の波長λ１＝１．０６４μｍとし、信号光の波長λ２＝１．５６μｍとすると、波長λ３＝３．３４μｍの波長変換光が出力される。このとき、波長フィルタの材質は、上述した式（１）の関係から、シリコンを用いる。図４（ａ）に示したように、波長変換モジュール３０は、基台１０１の上に固定され、信号光λ２と波長変換光λ３とを出力する。出力された光は、ＸＹＺ軸微動機構付レンズホルダ１０２に内蔵されたレンズ１０３により、平行光に変換されて、受光器１０４の方向に出力される。

ここで、レンズ１０３から出力された光には、信号光λ２が含まれているので、レーザ・センサ・カード１０６ａを用いて、可視化することができる。レンズ１０３と受光器１０４との間の光路に沿って、レーザ・センサ・カード１０６を１０６ａから１０６ｂへ動かし、信号光λ２が受光器１０４の受光面に焦点を結ぶように、ＸＹＺ軸微動機構付レンズホルダ１０２を調整する。

図４（ｂ）に示したように、レンズ１０３の調整が終了したら、光路中に波長１．５６μｍの信号光を抑制し、波長変換光のみを出力するフィルタ１０７を挿入する。信号光λ２を出力する光源として、ＤＦＢ−ＬＤを使用して直接変調を行い、受光器１０４に接続されたロックインアンプ１０５でロックイン検波を行う。ここで、ロックインアンプ１０５の出力をモニタしながら、ＸＹＺ軸微動機構付レンズホルダ１０２を調整することにより、波長変換光に基づいてレンズ１０３の調整を行う。光路中に環境ガスが充填されたガスセル１０８をおくことにより、ガス濃度を計測することができる。

信号光λ２を出力する光源として、波長可変光源を使用して、波長掃引することにより、吸収スペクトルを観測することもできる。また、固定波長の光源を用いて、光路中にチョッパを配置して変調を行ってもよい。

図５に、本発明の実施例２にかかる波長変換モジュールの構成を示す。波長変換モジュール４０は、パッケージ４８内部に、金属製サブマウント４２の上面に載置された波長変換素子４１と、金属製サブマウント４２の下面に接合され波長変換素子４１と熱的に結合されたペルチェ素子４３とを備えている。また、金属製サブマウント４２上には、波長変換素子４１と熱的に結合されたサーミスタ４４を備えている。

波長変換素子４１の入力側において、光ファイバ４６は、ファイバ支持ブロック５１に固定されている。レンズ支持ブロック５２に固定されたレンズ５３により、光ファイバ４６から出射された光を、平行光に変換する。平行光は、金属製サブマウント４２に固定されたレンズ５４により、波長変換素子４１の導波路４１ａと光学的に結合される。

光ファイバ４６から入力された励起光λ１と信号光λ２とは、波長変換素子４１の非線形光学効果により、波長変換光λ３へ変換され、導波路４１ａ端から出力される。波長変換素子４１の出力側において、導波路４１ａ端から出力された光は、励起光λ１のみを抑制し、信号光λ２と波長変換光λ３とを透過させる波長フィルタ４７を通過する。波長フィルタ４７を通過した光は、外部に配置されたレンズにより、平行光に変換されて、次段の光回路に入力される。

図６に、本発明の実施例３にかかる波長変換モジュールの構成を示す。波長変換モジュール６０は、パッケージ６８内部に、金属製サブマウント６２の上面に載置された波長変換素子６１と、金属製サブマウント６２の下面に接合され波長変換素子６１と熱的に結合されたペルチェ素子６３とを備えている。また、金属製サブマウント６２上には、波長変換素子６１と熱的に結合されたサーミスタ６４を備えている。

波長変換素子６１の入力側において、ファイバ支持ブロック６５に固定された光ファイバ６６のコアが、波長変換素子６１の導波路６１ａと、光学的に直接結合されている。光ファイバ６６から入力された励起光λ１と信号光λ２とは、波長変換素子６１の非線形光学効果により、波長変換光λ３へ変換され、導波路６１ａ端から出力される。

波長変換素子６１の出力側において、導波路６１ａ端から出力された光は、金属製サブマウント６２に固定されたレンズ７５により、平行光に変換する。平行光は、励起光λ１のみを抑制し、信号光λ２と波長変換光λ３とを透過させる波長フィルタ８７を通過して、次段の光回路に入力される。

図７を参照して、実施例３にかかる波長変換モジュールのアライメント作業を説明する。ここで、励起光の波長λ１＝１．０６４μｍとし、信号光の波長λ２＝１．５６μｍとすると、波長λ３＝３．３４μｍの波長変換光が出力される。図７（ａ）に示したように、波長変換モジュール６０は、基台１１１の上に固定され、信号光λ２と波長変換光λ３とを出力する。出力される光は平行光であり、受光器１０４の方向に出力される。

ここで、波長変換モジュール６０から出力された光には、信号光λ２が含まれているので、レーザ・センサ・カード１０６ａを用いて、可視化することができる。波長変換モジュール６０と受光器１０４との間の光路に沿って、レーザ・センサ・カード１０６を１０６ａから１０６ｂへ動かし、信号光λ２が受光器１０４に入力されるように、受光器１０４が固定されたＸＹＺ軸微動台１１２を調整する。

図７（ｂ）に示したように、ＸＹＺ軸微動台１１２の調整が終了したら、光路中に波長１．５６μｍの信号光を抑制し、波長変換光のみを出力するフィルタ１０７を挿入する。信号光λ２を出力する光源として、ＤＦＢ−ＬＤを使用して直接変調を行い、受光器１０４に接続されたロックインアンプ１０５でロックイン検波を行う。ここで、ロックインアンプ１０５の出力をモニタしながら、ＸＹＺ軸微動台１１２を調整することにより、波長変換光が受光器１０４に入力されるようにする。光路中に環境ガスが充填されたガスセル１０８をおくことにより、ガス濃度を計測することができる。

図８に、本発明の実施例４にかかる波長変換モジュールの構成を示す。実施例４では、実施例２に示した入力側の光学部品と、実施例３に示した出力側の光学部品とを併せて有している。ここで、励起光の波長λ１＝０．８０８μｍとし、信号光の波長λ２＝１．０６４μｍとすると、波長λ３＝３．３６μｍの波長変換光が出力される。このとき、波長フィルタの材質は、上述した式（１）の関係から、ＩｎＰまたはＧａＡｓを用いる。

従来の波長変換モジュールの構成を示すブロック図である。本発明の一実施形態にかかる波長変換モジュールの構成を示すブロック図である。本発明の実施例１にかかる波長変換モジュールの構成を示すブロック図である。実施例１にかかる波長変換モジュールのアライメント作業を説明するための図である。本発明の実施例２にかかる波長変換モジュールの構成を示すブロック図である。本発明の実施例３にかかる波長変換モジュールの構成を示すブロック図である。実施例３にかかる波長変換モジュールのアライメント作業を説明するための図である。本発明の実施例４にかかる波長変換モジュールの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０，２０，３０，４０，６０，８０波長変換モジュール
１１，２１，３１，４１，６１，８１波長変換素子
１２，１３，２２，２３光学部品
３１ａ，４１ａ，６１ａ，８１ａ導波路
３２，４２，６２，８２金属製サブマウント
３３，４３，６３，８３ペルチェ素子
３４，４４，６４，８４サーミスタ
３５，５１，６５，９１ファイバ支持ブロック
３６，４６，６６，８６光ファイバ
３７，４７，６７，８７波長フィルタ
３８，４８，６８，８８パッケージ
５２，９２レンズ支持ブロック
５３，５４，７５，９３，９４，９５，１０３，１０７レンズ
１０１，１１１基台
１０２ＸＹＺ軸微動機構付レンズホルダ
１０４受光器
１０５ロックインアンプ
１０６レーザ・センサ・カード
１０８ガスセル
１１２ＸＹＺ軸微動台

Claims

互いに波長の異なる波長λ１の励起光と波長λ２の信号光とを入力し、１／λ１−１／λ２＝１／λ３を満たす波長λ３の変換光を発生させる波長変換モジュールにおいて、
非線形光学結晶からなる波長変換素子と、
該波長変換素子の出力側の光軸上に配置され、前記励起光を抑制し、前記信号光と前記変換光とを透過させる第１のフィルタと、
前記波長変換素子の出力側の光軸上に配置され、少なくとも前記信号光と前記変換光とを平行光に変換するレンズと、
前記信号光と前記変換光とが平行光に変換された光軸上に挿抜可能であり、前記信号光を抑制する第２のフィルタとを備え、
λ１＜１．１１μｍ、１．１１μｍ＜λ２＜１．７０μｍ、および１．７０μｍ＜λ３であり、前記第１のフィルタの材質は、シリコンであることを特徴とする波長変換モジュール。
前記非線形光学結晶は、周期的な分極反転構造を有す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。
前記非線形光学結晶は、導波路構造を有す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。
前記非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｋ_（ｙ）Ｌｉ_{（１−ｙ）}Ｎｂ_（ｘ）Ｔａ_{（１−ｘ）}Ｏ_３（０＜ｘ＜１，０＜ｙ＜１）、ＫＮｂＯ_３、ＫＴｉＯＰＯ_４のいずれかであり、またはこれらにＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ、Ｉｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有していることを特徴とする請求項１、２または３に記載の波長変換モジュール。