JP5820101B2 - 光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、時間的コヒーレンスが低い光を生成する光源装置に関する。

光技術の進展に伴い、通信、半導体の製造、ファイバセンサーを利用したひずみ調査、医療機器など、様々な分野で低コヒーレンス光源の干渉を利用した光学測定が行われている。低コヒーレンス光源としては、主にスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）が用いられてきた。

なお特許文献１には、互いに波長が異なる２つのレーザ光を非線形光学結晶に入力することにより、これら２つのレーザ光の和周波の波長を有するコヒーレント光を生成することが記載されている。

また特許文献２には、第１導波路と第２導波路とを互いに平行に設けた波長変換素子が記載されている。この波長変換素子において第２導波路は、その伸長方向に周期的に屈折率格子部を有している。屈折率格子部は、第２導波路の本体とは異なる等価屈折率を有している。

また特許文献３には、レーザ光の波長を変換する非線形光学結晶の少なくとも一部を−４０℃以下に冷却することにより、空間的コヒーレンスが低い単一波長の紫外光を安定して発生さることができる、と記載されている。特許文献３に記載の技術は非線形結晶を用いて高調波を発生させるものである。

国際公開第２００５／０１２９９６号パンフレット 特開平０５−１８８４２０号公報 特開２００１−３５２１１６号公報

光の干渉を用いて計測を行う場合、光の時間的なコヒーレンス性により分解能が決まることが多いため、光のコヒーレンス性を低くすることは重要である。ＳＬＤでは、コヒーレンス長は構造により制限されてしまう。また光の強度を上げるとマルチモード発信してしまうため、低コヒーレンス性を安定して得ることはできない。例えば光コヒーレンストモグラフィ（ＯＣＴ）において光源としてＳＬＤを採用した場合、深さ方向の分解能の上限は１０μｍ程度である。

また特許文献３は、上記したように非線形結晶を用いて高調波を発生させる方法であるが、この方法では時間的な低コヒーレンス性を得ることはできない。

なおランプやＬＥＤなどのインコヒーレント光を用いようとしても、光の強度が不足していたり、光学系に用いられる光ファイバーへの光結合効率が悪いなどの問題があるため、上記した計測方法に用いることはできない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高強度であり、かつ時間的コヒーレンス性が低い光を得ることができる光源装置を提供することにある。

本発明によれば、第１の端面から第２の端面に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている強誘電体結晶と、
前記強誘電体結晶の前記第１の端面に変換光を入射させることにより、前記第２の端面から低コヒーレンス光を出射させる第１の光学系と、
同一の光を分割することにより生成した第１の変調光および第２の変調光を、分割後の光路長が互いに等しい状態で、前記分極反転領域で互いに干渉するように入射させる第２の光学系と、
を備える光源装置が提供される。

この光源装置において、前記第１の変調光および前記第２の変調光の入射角を制御する制御部をさらに備えていてもよい。

また、第１の光源と、前記第１の光源が発した光を前記変換光と前記同一の光とに分割する第１のビームスプリッタと、前記同一の光を前記第１の変調光と前記第２の変調光に分割する第２のビームスプリッタとをさらに備えていてもよい。

また第１の光源と、前記第１の光源が発した光を前記変換光、前記第１の変調光、及び前記第２の変調光に分割する分波器をさらに備えていてもよい。

前記第２の光学系は、前記第１の変調光と前記第２の変調光を前記強誘電体結晶の側面から前記分極反転領域が周期的に形成されている領域で交差するように入射させてもよい。また前記分極反転領域は、前記変換光が通る第１導波路と、前記第１の変調光が通り、前記第２の光学系の一部である第２導波路と、前記第２の変調光が通り、前記第２の光学系の一部である第３導波路と、
を備えていてもよい。この場合、前記第２導波路および前記第３導波路は前記第１導波路を挟んでおり、かつ前記第１導波路と平行に延伸している。

前記変換光は、２つの光源から発せられた２つの光の和周波または差周波であってもよい。

本発明によれば、高強度であり、かつ時間的コヒーレンス性が低い光を得ることができる。

第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。 実施形態の作用を説明するための図である。 第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。 第３の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。 実施例に係る光源装置の特性を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。この光源装置は、強誘電体結晶１００、第１の光学系３１０、及び第２の光学系３２０を備える。強誘電体結晶１００には、第１の端面から第２の端面に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている。第１の光学系３１０は、強誘電体結晶１００の第１の端面に変換光を入射させることにより、第２の端面から低コヒーレンス光を出射させる。第２の光学系３２０は、同一の光を分割することにより生成した第１の変調光および第２の変調光を、分割後の光路長が互いに等しい状態で、分極反転領域で互いに干渉するように入射させる。以下、詳細に説明する。

本実施形態において光源装置は、一つの光源２００（第１の光源）を有している。光源２００は、例えばレーザ光を発する光源である。光源２００が発する光は、例えばパルス光であるが、変調された連続光であってもよいし、周波数の高いパルス光からなる擬似連続光であってもよい。光源２００から発せられた光は、ビームスプリッタ３０２によって変換光と、第１の変調光及び第２の変調光の元となる光に分割される。

第１の光学系３１０は、遅延光路３１２及びレンズ系３１４を備えている。遅延光路３１２は変換光の光路を長くするために設けられており、複数のミラーによって構成されている。レンズ系３１４は遅延光路３１２と強誘電体結晶１００の第１の端面との間に配置されており、レンズと凹面ミラーを備えている。ビームスプリッタ３０２で生成された変換光は、遅延光路３１２及びレンズ系３１４を介して強誘電体結晶１００の第１の端面に入射され、その後強誘電体結晶１００の第２の端面からレンズ系３３０を介して外部に出射する。

第２の光学系３２０は、ビームスプリッタ３２２及びミラー３２４，３２６，３２８を備えている。ビームスプリッタ３２２は、ビームスプリッタ３０２で生成した光を分割することにより、第１の変調光と第２の変調光を生成する。第１の変調光はミラー３２４，３２６を経由して強誘電体結晶１００の側面から入射し、第２の変調光はミラー３２８を介して強誘電体結晶１００の側面から入射する。ここでミラー３２４，３２６，３２８は、第１の変調光と第２の変調光が、強誘電体結晶１００のうち分極反転領域が周期的に形成されている領域で交差するように位置決めされている。またミラー３２４，３２６，３２８は、第１の変調光の光路長と第２の変調光の光路長が同一になるように位置決めされている。また光源２００がパルス光を発する場合、変換光の光路長と、第１の変調光及び第２の変調光の光路長との差は、光のパルス間隔の整数倍であるのが好ましい。

また図１に示した光源装置は、駆動機構４００，４０２及び制御部５００を備えている。駆動機構４００はミラー３２６の位置及び向きを移動させ、駆動機構４０２は、ミラー３２８の位置及び向きを移動させる。制御部５００は駆動機構４００，４０２の動作を制御する。すなわち制御部５００は、駆動機構４００，４０２を介してミラー３２６，３２８の位置及び向きを制御することにより、第１の変調光と第２の変調光がどの角度で強誘電体結晶１００の中で交差するかを定める。

なお強誘電体結晶１００の第１の端面及び第２の端面の少なくとも一方には、誘電体膜が積層されていてもよい。第１の端面に形成された積層膜は、強誘電体結晶１００に入射する変換光の反射防止膜として機能し、第２の端面に形成された積層膜は、強誘電体結晶１００から出射する光のバンドカットフィルタとして機能する。

次に、本実施形態の作用及び効果について、図２を用いて説明する。本実施形態に係る光源装置では、強誘電体結晶１００の側面から第１の変調光と第２の変調光を、分極反転領域が周期的に形成されている領域で交差するように入射する。第１の変調光と第２の変調光は、同一の光を分割したものであり、かつ互いの光路長は等しい。このため第１の変調光と第２の変調光が交差することにより干渉縞が生成し、図２（ａ）に示すように、変換光の進行方向に光の強度分布が生じる。このように光の強度分布が生じた場合、強誘電体結晶１００の中では電子の励起と拡散が生じ、その結果、図２（ｂ）に示すように電荷の分布が生じる。この電荷分布に応じて、図２（ｃ）に示すように強誘電体結晶１００の屈折率に変調が生じる。

一方、分極反転領域が周期的に形成されている強誘電体結晶で光パラメトリック発振が生じる場合、分極反転領域の周期は、以下に示す擬似位相整合条件を満たしている。
１／λ_out＝（ｎ_pump／λ_pump−ｎ_sig／λ_sig−１／Λ）／ｎ_out
ここでλ_out：出力光の波長、λ_pump：ポンプ光の波長、λ_sig：信号光の波長、ｎ_out：出力光の強誘電体結晶における屈折率、ｎ_pump：ポンプ光の強誘電体結晶における屈折率、ｎ_sig：信号光の強誘電体結晶における屈折率である。

本実施形態では、変換光を信号光と見ることができ、第１の変調光及び第２の変調光の合成光をポンプ光とみなすことができる。合成光による干渉縞の周期は、第１の変調光及び第２の変調光の入射角によって定まるが、この周期が上記のλ_pumpに該当するようにすると、上記した擬似位相整合条件を満たすことになる。しかし本実施形態では、図２（ｃ）に示したように、強誘電体結晶１００において屈折率に変調が生じているため、厳密には上記した擬似位相整合条件を満たすことにはならず、結果として出力光の位相が時間的にずれることになる。従って、出力光は時間的にコヒーレンス性の低い低コヒーレンス光になる。

また変換光、第１の変調光、第２の変調光、及び分極反転領域の周期は、光パラメトリック発振のための擬似位相整合条件をある程度満たしている。従って、出力光の強度は強くなる。

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。本実施形態に係る光源装置は、光源２０２及び合波器３０１を備えている点を除いて、第１の実施形態に係る光源装置と同様の構成である。

合波器３０１は、光源２００から発せられた光と、光源２０２から発せられた光を合波し、合波することにより生成した差周波光または和周波光をビームスプリッタ３０２に入射する。光源２０２は、光源２００がパルス光を発する場合はパルス光を発し、光源２００が変調された連続光を発する場合は変調された連続光を発し、光源２００が擬似連続光を発する場合は擬似連続光を発する。なお光源２００，２０２がパルス光を発する場合、光源２００，２０２は同じタイミングで合波器３０１に光を入射する。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、変換光として差周波光または和周波光を使用することができるため、光源２００のみを使用した場合と比較して、低コヒーレンス光の波長を低周波側または高周波側にずらすことができる。

（第３の実施形態）
図４は、第３の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。本実施形態に係る光源装置は、強誘電体結晶１００、光源２００、及び分波器３４０を備えている。強誘電体結晶１００は、分極反転領域が周期的に形成されている領域１１０のほかに、第１導波路１０２、第２導波路１０４、及び第３導波路１０６を有している。第１導波路１０２には変換光が入射され、第２導波路１０４及び第３導波路１０６にはそれぞれ第１の変調光及び第２の変調光が入射される。

本実施形態において変換光、第１の変調光、及び第２の変調光は、分波器３４０によって生成される。分波器３４０は、光源２００が発した光を変換光、第１の変調光、及び第２の変調光の３つに分波する。

第１導波路１０２、第２導波路１０４、及び第３導波路１０６は、強誘電体結晶１００の第１の端面から、領域１１０を経由して第２の端面まで延伸している。領域１１０において第２導波路１０４および第３導波路１０６は第１導波路１０２を挟んでおり、かつ少なくとも一部で第１導波路１０２と平行に延伸している。このため、強誘電体結晶１００の領域１１０においては、第２導波路１０４を通る第１の変調光と第３導波路１０６を通る第２の変調光との間で相互干渉が生じ、その相互干渉の結果が第１導波路１０２に位置する分極反転領域に影響を与える。ここで与える影響は、図２を用いて説明したものと同様である。

従って、本実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお本実施形態において、第２の実施形態と同様に、分波器３４０と光源２００の間に合波器３０１及び光源２０２を設けてもよい。

（実施例）
第２の実施形態に示した光源装置を作成した。この光源装置では、光源２００，２０２の和周波を用いた。光源２００には波長が１．４８μｍのレーザダイオードを使用し、光源２０２には波長が１．７５μｍのレーザダイオードを使用した。これら２つの光の和周波の波長は、８００ｎｍであった。また光源２００，２０２はパルス光を発するようにした。

また比較例として、波長が８００ｎｍのＳＬＤを用いた光源装置を準備した。

図５は、実施例に係る光源装置と比較例に係る光源装置をマイケルソン干渉計に用いた場合の、光路長の差を変数とした場合の光強度を示している。ここで光強度が強い領域、すなわち光が干渉している光路長の差の幅が広いほど、コヒーレンス性が高くて分解能が低いといえる。

比較例にかかる光源装置を用いた場合、干渉可能な光路長の差は１０μｍ以上であった。これに対して実施例に係る光源装置を用いた場合、干渉可能な光路長の差は５μｍ程度だった。この結果から、実施例に係る光源装置は低コヒーレンス性であることが示された。

以上、図面を参照して本発明の実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１００ 強誘電体結晶
１０２ 第１導波路
１０４ 第２導波路
１０６ 第３導波路
１１０ 領域
２００ 光源
２０２ 光源
３０１ 合波器
３０２ ビームスプリッタ
３１０ 光学系
３１２ 遅延光路
３１４ レンズ系
３２０ 光学系
３２２ ビームスプリッタ
３２４ ミラー
３２６ ミラー
３２８ ミラー
３３０ レンズ系
３４０ 分波器
３４２ 導波路
３４４ 導波路
３４６ 導波路
４００ 駆動機構
４０２ 駆動機構
５００ 制御部

Claims (5)

1. 第１の端面から第２の端面に向かう少なくとも一部の領域に複数の分極反転領域が周期的に形成されている強誘電体結晶と、
   前記強誘電体結晶の前記第１の端面に前記強誘電体結晶によって周波数変換される光である変換光を入射させることにより、前記変換光が周波数変換された光であり、前記変換光よりも時間的コヒーレンスが低い光である低コヒーレンス光を前記第２の端面から出射させる第１の光学系と、
   同一の光を分割することにより生成した光であり、前記強誘電体結晶の屈折率を変調するための第１の変調光および第２の変調光を、分割後の光路長が互いに等しい状態で、前記分極反転領域で互いに干渉するように入射させる第２の光学系と、
   を備える光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置において、
   前記第１の変調光および前記第２の変調光の入射角を制御する制御部をさらに備える光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置において、
   第１の光源と、
   前記第１の光源が発した光を前記変換光と前記同一の光とに分割する第１のビームスプリッタと、
   前記第２の光学系の一部であり、前記同一の光を前記第１の変調光と前記第２の変調光に分割する第２のビームスプリッタと、
   をさらに備える光源装置。
4. 請求項１または２に記載の光源装置において、
   第１の光源と、
   前記第１の光源が発した光を前記変換光、前記第１の変調光、及び前記第２の変調光に分割する分波器をさらに備える光源装置。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の光源装置において、
   前記第２の光学系は、前記第１の変調光と前記第２の変調光を前記強誘電体結晶の側面から前記分極反転領域が周期的に形成されている領域で交差するように入射させる光源装置。

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