JP5919740B2 - 光源装置及び波長変換方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光源装置及び波長変換方法に関する。
近年、レーザ光を用いた計測技術の開発が進められている。例えば、レーザ光の吸収強度を用いて試料中の特定の物質の量を検出する技術（レーザ分光計測）がある。またレーザ光を用いて、測定対象物の微小変動を検出する技術（干渉計）もある。これらのような計測技術においては、レーザ光の発振線幅を小さくすることが望まれている。
また、テラヘルツレベルの電磁波を発生させるためのポンプ光としても、レーザ光が用いられている。このレーザ光においても、発振線幅を小さくすることが望まれている。
一方、特許文献１及び２には、リング共振器を有するレーザシステムにおいて、希土類ドープファイバーをゲイン媒体として使用することが記載されている。特に特許文献１には、リング共振器を構成する希土類ドープファイバーにファイバーブラッググレーティングを設け、出射光の線幅を狭くすることが記載されている。
特表２０００−５０１２４４号公報 特表２００８−５１１１８２号公報
出射光の線幅を低コストで狭くするためには、新規な方法で出射光の線幅を狭くする必要がある。
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、新規な方法で出射光の線幅を狭くすることができる光源装置及び波長変換方法を提供することにある。
本発明に係る光源装置は、光源、第１波長変換部、分岐部、及び第２波長変換部を備える。光源は、第１波長変換部に第１入射光を出射する。第１波長変換部は、第１入射光を波長変換して高調波を出射する。分岐部は、第１波長変換部から出力された高調波を、光源装置からの出射光と、フィードバック光とに分岐する。第２波長変換部は、フィードバック光が入射される。第２波長変換部は、フィードバック光を波長変換して、第１入射光と同一波長を有する第２入射光を出射する。第２入射光は第１波長変換部に入射される。
本発明に係る波長変換方法では、まず、第１入射光を第１波長変換部に入射し、第１波長変換部から第１入射光の高調波を出射させる。そして、この高調波を、出射光及びフィードバック光に分岐する。そして、このフィードバック光を波長変換して、第１入射光と同一波長を有する第２入射光を生成し、この第２入射光を第１入射光とともに第１波長変換部に入射する。
本発明によれば、新規な方法で出射光の線幅を狭くすることができる。
第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。 第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す図である。
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、例えば、分光分析の光源、干渉計の光源、又は電磁波発生のポンプ光の光源として使用される。この光源装置は、光源１０、第１分極反転構造２２（第１波長変換部）、ファイバーカプラ３０（分岐部）、及び第２分極反転構造４２（第２波長変換部）を備える。光源１０は、第１分極反転構造２２に第１入射光を出射する。第１分極反転構造２２は、第１入射光を波長変換して高調波を出射する。ファイバーカプラ３０は、第１分極反転構造２２から出力された高調波を、光源装置からの出射光と、フィードバック光とに分岐する。第２分極反転構造４２は、フィードバック光が入射される。第２分極反転構造４２は、フィードバック光を波長変換して、第２入射光を出射する。第２入射光は、第１入射光と同一波長を有する。第２入射光は、第１波長変換部に入射される。以下、詳細に説明する。
光源１０は、例えばレーザダイオードである。このレーザダイオードは、例えば発信波長が９８０ｎｍであるが、これに限定されない。光源１０から出力された光は、光ファイバー５０、希土類ドープファイバー５２、及び光ファイバー５６を介して、第１分極反転構造２２に入射する。光ファイバー５０，５６及び希土類ドープファイバー５２は、偏波保持光ファイバーである。希土類ドープファイバー５２はレーザ光のゲイン媒体となっている。光ファイバー５６はＦＢＧ（ファイバーブラッググレーティング）５４を有している。光源１０から出射した第１入射光は、光源１０とＦＢＧ５４の間で共振し、レーザ光として第１分極反転構造２２に出射される。すなわち光源装置の光源は、ファイバー共振器を有する。
第１分極反転構造２２は、波長変換素子２０に形成されている。波長変換素子２０は、例えば強誘電体結晶を用いて形成されている。この強誘電体結晶は、例えばＭｇを添加したＬｉＮｂＯ３であるが、これに限定されない。強誘電体結晶には導波路が形成されている。この導波路の構造は限定されない。この導波路は、例えばリッジ構造であっても良いし、埋め込み形であってもよい。第１分極反転構造２２は、この導波路に設けられている。第１分極反転構造２２は擬似位相整合素子である。第１分極反転構造２２の分極反転の周期は、波長変換素子２０に入射される第１入力光の高調波を生成するように定められている。例えば第１分極反転構造２２は、第１入射光の第２高調波を生成するように定められている。
波長変換素子２０からの出射光は、光ファイバー６０を介して光源装置の出射光として出射する。光ファイバー６０は、偏波保持光ファイバーである。光ファイバー６０には、ファイバーカプラ３０が設けられている。ファイバーカプラ３０は、出射光を、光源装置からの出射光と、フィードバック光に分岐する。
ファイバーカプラ３０で分岐されたフィードバック光は、光ファイバー７０を介して第２分極反転構造４２に入射する。光ファイバー７０は、偏波保持光ファイバーである。なお、光ファイバー７０にはアイソレータ７２が設けられている。アイソレータ７２は、波長変換素子２０から第２分極反転構造４２に向かう方向に光を通す。
第２分極反転構造４２は、波長変換素子４０に形成されている。波長変換素子４０は、例えば強誘電体結晶を用いて形成されている。この強誘電体結晶は、例えばＭｇを添加したＬｉＮｂＯ３であるが、これに限定されない。強誘電体結晶には導波路が形成されている。この導波路の構造は限定されない。この導波路は、例えばリッジ構造であっても良いし、埋め込み形であってもよい。第２分極反転構造４２は、この導波路に設けられている。第２分極反転構造４２は、擬似位相整合素子である。第２分極反転構造４２の分極反転の周期は、フィードバック光（すなわち第１入力光の高調波）を第１入力光と同一波長の光（第２入射光）に変換するように定められている。例えば第１入射光が第１入射光の第２高調波である場合、第２分極反転構造４２は、この第２高調波を縮退パラメトリック変換（Optical Parametric Oscillate：ＯＰＯ）するように定められている。
波長変換素子４０から出力された第２入射光は、光ファイバー８０及びファイバーカプラ３２を介して希土類ドープファイバー５２に入射する。光ファイバー８０は、偏波保持光ファイバーである。ファイバーカプラ３２は２つの入射部を有している。ファイバーカプラ３２の一方の入射部は光ファイバー５０に接続しており、他方の入射部は光ファイバー８０に接続している。またファイバーカプラ３２の出射部は、希土類ドープファイバー５２に接続している。すなわち第２入射光は、第１入射光と共に、希土類ドープファイバー５２に入射する。
ここで、第２分極反転構造４２から、光ファイバー８０、ファイバーカプラ３２及び希土類ドープファイバー５２を介して第１分極反転構造２２に至るまでの光路（以下、第１光路と記載）の長さをｌ１とする。また、第１分極反転構造２２から、光ファイバー６０、ファイバーカプラ３０、及び光ファイバー７０を介して第２分極反転構造４２に至るまでの光路（以下、第２光路と記載）の長さをｌ２とする。ｌ１とｌ２は、以下の式（１）に示す関係を満たしている。
Figure 0005919740
ただし、nωは、第１入射光の波長における第１光路の屈折率である。n2ωは、第１分極反転構造２２が生成した高調波の波長における第２光路の屈折率である。λωは、第１入射光の波長である。λ2ωは、高調波の波長である。またｍは整数である。
上記した（１）式を満たすことにより、第１分極反転構造２２に入射するタイミングにおいて、第１入射光の位相と第２入射光の位相が同期する。なお図１に示す例では、第１入射光と第２入射光は、ファイバーカプラ３２で合波されるタイミングでも位相が同期している。
なお、各光ファイバーと波長変換素子２０の結合は、物理的に接合されていても良いし、レンズを介して光学的に結合されていても良い。
次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。第１分極反転構造２２から出力される高調波は、第１入射光に付随するＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光が取り除かれているため、線幅が狭い。このため、この高調波から生成された第２入射光は、第１入射光と比較して線幅が狭くなる。従って、第１分極反転構造２２に入射する入射光は、半値幅が狭くなる。従って、光源装置の出射光も半値幅（線幅）が狭くなる。
また、第２入射光は、第１入射光と共に希土類ドープファイバー５２に入射する。従って、波長変換素子２０に入射するレーザ光そのものの半値幅が狭くなる。従って、上記した効果がさらに顕著になる。
さらに、第１入射光と第２入射光の位相がずれた場合、光源装置の出射光の線幅は広くなってしまう。これに対して本実施形態では、第１入射光と第２入射光は、ファイバーカプラ３２で合波されるタイミングで位相が同期している。従って、光源装置の出射光の線幅はさらに狭くなる。
また光源装置の構成が簡素であるため、光源装置の製造コストも低い。例えば図１に示す光源装置は、複雑な制御系を必要としない。また、ＦＢＧ５４は光ファイバー５６に設けられている。そして、高価な希土類ドープファイバー５２にＦＢＧを設ける必要がない。このため、希土類ドープファイバー５２にＦＢＧを設ける場合と比較して、ＦＢＧ５４の製造ミスが生じても、製造コストの上昇を低く抑えられる。
（第２の実施形態）
図２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、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る光源装置と同様の構成である。
まず、波長変換素子２０の強誘電体結晶は、第１分極反転構造２２に加えて第２分極反転構造４２を有している。また、この強誘電体結晶は、分岐導波路４１（分岐部）も有している。分岐導波路４１は、入射側が第１分極反転構造２２に接続しており、出力側が光ファイバー６０及び第２分極反転構造４２に接続している。分岐導波路４１は、第１分極反転構造２２から出射された高調波を、光源装置の出射光と、フィードバック光に分岐する。このフィードバック光は、第２分極反転構造４２によって第２入射光に変換される。
また第２分極反転構造４２から出射された第２入射光は、アイソレータ７２及び光ファイバー８０を介して、ファイバーカプラ３２に入射する。
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、第１分極反転構造２２、第２分極反転構造４２、及び分岐部を一つの強誘電体結晶中に設けたため、光源装置を小型化することができる。
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、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。例えば第１及び第２の実施形態において、第１分極反転構造２２及び第２分極反転構造４２の代わりに、他の原理による波長変換素子を用いても良い。
１０ 光源
２０ 波長変換素子
２２ 第１分極反転構造
３０ ファイバーカプラ
３２ ファイバーカプラ
４０ 波長変換素子
４１ 分岐導波路
４２ 第２分極反転構造
５０ 光ファイバー
５２ 希土類ドープファイバー
５４ ＦＢＧ
５６ 光ファイバー
６０ 光ファイバー
７０ 光ファイバー
７２ アイソレータ
８０ 光ファイバー

Claims (7)

  1. 光源装置であって、
    第１入射光を出射する光源と、
    前記第１入射光が入射され、レーザ発振のためのゲイン媒体と、
    前記第１入射光が前記ゲイン媒体を介して入射され、前記第１入射光を波長変換して高調波を出射する第１波長変換部と、
    前記第１波長変換部から出力された前記高調波を、前記光源装置からの出射光と、フィードバック光とに分岐する分岐部と、
    前記フィードバック光が入射され、前記フィードバック光を波長変換して、前記第１入射光と同一波長を有する第２入射光を出射する第２波長変換部と、
    を備え、
    前記第２入射光は、前記光源を介さずに前記ゲイン媒体を介して前記第１波長変換部に入射され、
    前記高調波は第２高調波である光源装置。
  2. 請求項１に記載の光源装置において、
    前記第２波長変換部から出射した前記第２入射光が前記第１波長変換部に入射するまでに通る第１光路の長さをｌ１として、
    前記第１波長変換部から出射した前記高調波が前記第２波長変換部に入射するまでに通る第２光路の長さをｌ２とした場合、
    以下の（１）式を満たす光源装置。
    Figure 0005919740
    ただし、nω：前記第１入射光の波長における前記第１光路の屈折率、n2ω：前記高調波の波長における前記第２光路の屈折率、λω：前記第１入射光の波長、λ2ω：前記高調波の波長、ｍ：整数。
  3. 請求項１又は２に記載の光源装置において、
    前記第２入射光は、前記第１入射光と共に前記ゲイン媒体に入射する光源装置。
  4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源装置において、
    前記ゲイン媒体は偏波保持光ファイバーであり、
    前記偏波保持光ファイバーは、ファイバーブラッググレーティングを有する光源装置。
  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、
    前記分岐部はファイバーカプラである光源装置。
  6. 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１波長変換部、前記分岐部、及び前記第２波長変換部は、同一の強誘電体結晶に形成されており、
    前記第１波長変換部及び前記第２波長変換部は、いずれも分極反転構造を有しており、
    前記分岐部は、前記強誘電体結晶に形成された分岐導波路である光源装置。
  7. 光源から第１入射光を、レーザ発振のためのゲイン媒体を介して第１波長変換部に入射し、前記第１波長変換部から前記第１入射光の高調波を出射させ、
    前記高調波を、出射光及びフィードバック光に分岐し、
    前記フィードバック光を波長変換して、前記第１入射光と同一波長を有する第２入射光を生成し、前記第２入射光を前記第１入射光とともに前記光源を介さずに前記ゲイン媒体を介して前記第１波長変換部に入射し、
    前記高調波は第２高調波である、波長変換方法。
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