JP6029283B2 - 波長変換装置、光源装置、および波長変換方法 - Google Patents

Description

本発明は、波長変換装置、光源装置、および波長変換方法に関する。

従来、擬似位相整合によって、入力する光の波長を変換して出力する波長変換素子が知られている。このような波長変換素子は、使用する波長に応じた周期の分極反転構造を結晶の中に有し、当該分極反転構造の分極を反転している方向に対して垂直に光を入射して、第２高調波発生等の非線形光学効果を得ていた。（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特表２００５−５０４３６０号公報
非特許文献１ Martin M. Fejer, et.al., "Quasi-Phase-Matched Second Harmonic Generation Tuning and Tolerance", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.28, No.11, 1992, pp.2631-2654

しかしながら、このような波長変換素子は、入力光の特定波長に応じた分極反転構造の分極反転周期が設計されるので、当該特定の波長とは異なる波長の複数の入力光に対して安定かつ高効率に非線形光学効果を発生させることは困難であった。

本発明の第１の態様においては、入力光が入力される入力部と、周期的に分極が反転する分極反転構造を有し、当該分極が反転する周期に対応する波長の光の入力に応じて、当該光の波長を変換する波長変換部と、入力部と分極反転構造との相対的な位置を変えずに、入力光の波長に応じて、入力光が分極反転構造を通る進行方向を変更する方向変更部と、を備える波長変換装置、光源装置、および波長変換方法を提供する。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る光源装置１００の構成例を示す。 本実施形態に係る波長変換部２２０の分極反転構造２２２への入射角に対する擬似位相整合波長の関係の一例を示す。 本実施形態に係る光源装置１００の第１の変形例を示す。 本実施形態に係る回折格子２３２の回折角、および波長変換部２２０が擬似位相整合する入射角の、入力波長依存性の一例を示す。 本実施形態に係る光源装置１００の第２の変形例を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る光源装置１００の構成例を示す。光源装置１００は、内部に異なる波長の光を出力する複数の光源を備え、当該複数の光源から出力される波長のそれぞれに対して、波長を変換させて出力する。光源装置１００は、光源部１１０と、ドライバ部１３０と、制御部１４０と、波長変換装置２００とを備える。

光源部１１０は、複数の波長の光を出力する。本実施例において、光源部１１０は、複数の光源のうち、指定された一の光源から出力される波長の光を選択して出力する。これに代えて、光源部１１０は、波長可変光源を用いてもよい。光源部１１０は、複数の光源１１２と、光源選択部１２０とを有する。

複数の光源１１２は、それぞれが異なる波長の光を出力する。複数の光源１１２は、レーザ光源でよい。また、複数の光源１１２は、光ファイバ出力の光源でよい。例えば、複数の光源１１２は、それぞれ１０６４、１０８０、および１１２０ｎｍの波長の光を出力するレーザ光源である。

光源選択部１２０は、一以上の光スイッチを有し、複数の光源１１２のうち、指定された一の光源を選択して出力させる。光源選択部１２０は、光源部１１０がｎ個の光源１１２を有する場合、ｎ入力１出力のスイッチを１つ有してよく、これに代えて、入力数がｎ以下のスイッチを複数組み合わせてｎ入力１出力のスイッチを形成してよい。これらの光スイッチは、複数の光源１１２が光ファイバ出力の場合、光ファイバ入力で、かつ、光ファイバ出力の光スイッチであることが望ましい。

ドライバ部１３０は、波長変換装置２００に周波数ｆ_ｓの変調信号を供給する。ドライバ部１３０は、内部に発信器、増幅器、および当該発信器の発信周波数を制御する周波数制御回路を有し、指定された周波数の変調信号を出力する。ドライバ部１３０は、数ＧＨｚに至る周波数の変調信号を出力してよい。

制御部１４０は、光源部１１０に、光を出力すべき光源１１２を指定する。また、制御部１４０は、ドライバ部１３０に、指定した光源１１２に応じて予め定められた周波数ｆ_ｓを指定する。制御部１４０は、記憶部を有し、複数の光源１１２のそれぞれに応じて、予め定められたドライバ部１３０に指定する周波数ｆ_ｓを記憶してよい。

波長変換装置２００は、異なる波長の入力光のそれぞれに対して当該波長を変換する。波長変換装置２００は、入力部２１０と、波長変換部２２０と、方向変更部２３０と、レンズ部２４０と、出力部２５０とを有する。

入力部２１０は、入力光が入力される。入力部２１０は、光学レンズを含み、入力光を平行光にして出射する。入力部２１０は、入力光を光ファイバで受け取るファイバコリメータでよい。これに代えて、入力部２１０は、光学レンズ等を組み合わせた光学系で形成されてよい。

波長変換部２２０は、周期的に分極が反転する分極反転構造２２２を有し、当該分極が反転する周期に対応する波長の光の入力に応じて、当該光の波長を変換する。波長変換部２２０は、入力される光の波長を１／２倍にした波長の光を出力する。また、波長変換部２２０は、入力される２つの光の周波数の和または差に等しい周波数の光を出力してよい。波長変換部２２０は、光が入出力する面の少なくとも一部に、入出力する光の反射を防止する反射防止膜が形成されてよい。

非線形光学結晶等は、レーザ等の高強度電場の光を入力させると、光電界強度に応じて入力光の第２高調波成分等の非線形光学効果が発生させる。ここで例えば、発生した第２高調波成分は、コヒーレンス長の２倍の長さを周期として発生と減衰を繰り返して増減する。そこで、波長変換部２２０は、当該増減の周期と略一致する分極反転周期の分極反転構造２２２を形成することで、減衰による損失を低減させて発生する第２高調波成分を効率的に出力できる。このような波長変換方法を擬似位相整合（ＱＰＭ：Ｑｕａｓｉ−Ｐｈａｓｅ Ｍａｔｃｈｉｎｇ）と呼ぶ。

波長変換部２２０は、ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｎｉｏｂａｔｅ）、タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ：Ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌ Ｐｏｌｅｄ Ｌｉｔｈｉｕｍ Ｔａｎｔａｌａｔｅ）、ＫＴＰ、またはＢＢＯ等の結晶で形成された波長変換素子を含んでよい。また、分極反転構造２２２は、強誘電体結晶等の非線形光学結晶に外部電界を印加して自発分極を周期的に反転させつつ当該結晶を成長させて形成されてよい。

方向変更部２３０は、入力部２１０と分極反転構造２２２との相対的な位置を変えずに、入力光の波長に応じて、入力光が分極反転構造２２２を通る進行方向を変更する。本実施例において、方向変更部２３０は、入力光の波長に応じて、入力光が分極反転構造２２２に入射する入射角を変更し、入力光の進行方向に対する分極反転構造２２２の分極が反転する周期を、当該入射角に対応する入力光の波長が変換される周期にする。

本実施例において、方向変更部２３０は、音響光学効果によって入力光の進行方向を変更する音響光学素子を有する。ここで、音響光学素子は、素子を形成する結晶に超音波を供給して振動させると、超音波の周波数で回折格子を形成する素子である。このような結晶は、供給された超音波の振動によって、結晶内部に周期的な応力を発生させて屈折率の周期的な大小即ち屈折率グレーティングを形成させる。方向変更部２３０は、このような音響光学素子を有することで、供給する超音波の周波数に応じて、入力光の回折方向である進行方向を変更することができる。

図中の例において、方向変更部２３０は、入力部２１０より方向変更部２３０の垂直入射方向Ａ−Ｏに対して入射角θ_ｉｎで入射した入力光の波長に応じて、当該入力光の進行方向を方向Ｏ−Ｃ_１、方向Ｏ−Ｃ_２、または方向Ｏ−Ｃ_３等の進行方向に変更する。このように、方向変更部２３０は、超音波によって形成されるグレーティングの中央近傍のＯ点を中心に、回折方向を変更してよい。ここで、入力光の波長をλ、回折角度をθ_ｄ、結晶中の音速をνとすると、入射角θ_ｉｎと回折角度θ_ｄとの関係は次式で示される。

方向変更部２３０は、モリブデン酸鉛または二酸化テルル等の音響光学効果を有する結晶を含む。方向変更部２３０は、当該結晶の端面に、供給される周波数信号を弾性波に変換するトランスデューサ等を備えてよい。方向変更部２３０は、弾性波に応じて形成する回折格子によって入力光をブラッグ回折させ、供給される周波数に応じた回折方向Ｏ−Ｃに回折光を出力する。

レンズ部２４０は、波長変換部２２０から出力される波長が変換された光を受光し、平行光に変換または予め定められた焦点位置に集光させる。レンズ部２４０は、例えば、波長変換装置２００が出力光を光ファイバ出力とする場合は、光ファイバ等の光学系に集光する光学系を含む。一例として、レンズ部２４０は、波長変換部２２０から出力される波長が変換された光を受光して平行光にする受光レンズ２４２と、平行光をファイバ等の光学系に集光する集光レンズ２４４とを含む。

これに代えて、レンズ部２４０は、波長変換部２２０から出力される光を直接受光してファイバ等の光学系に集光する集光レンズ２４４を含んでもよい。また、レンズ部２４０は、例えば、波長変換装置２００が出力光を平行光として出力する場合は、波長変換部２２０から出力される波長が変換された光を受光して平行光にする受光レンズ２４２を含む。図中の例においては、レンズ部２４０が光ファイバ等の光学系に集光する例を説明する。

ここで、レンズ部２４０の受光レンズ２４２は、方向変更部２３０がＯ点を基点として入力光の進行方向を方向Ｏ−Ｃ_１、方向Ｏ−Ｃ_２、または方向Ｏ−Ｃ_３等の進行方向に変更する場合、焦点距離を受光レンズ２４２からＯ点までの距離に略一致させてよい。この場合、受光レンズ２４２は、波長変換部２２０および方向変更部２３０の屈折率を加味した焦点距離にすることが好ましい。これによって、受光レンズ２４２は、波長変換部２２０からＯ点を基点として様々な方向に出力される変換光を受光して、平行光に変換することができる。

出力部２５０は、レンズ部２４０が集光する光を受光して、当該光を波長変換装置２００の外部へと出力する。出力部２５０は、光学レンズを含み、光ファイバに出力させるファイバコリメータでよい。これに代えて、出力部２５０は、光学レンズ等を組み合わせた光学系で形成されてよい。これに代えて、レンズ部２４０が出力部２５０の機能を有してよく、この場合、出力部２５０は無くてもよい。

以上の波長変換装置２００は、複数の光源１１２のそれぞれに応じて、分極反転構造２２２を通過する光路を変更して、１つの波長変換部２２０を用いつつ、それぞれの光源１１２が出力する光の第２高調波を効率的に出力させる。例えば、波長変換部２２０は、周期２ｌ_ｃの分極反転構造２２２を含み、波長λ_０の入力光と疑似位相整合する場合、方向変更部２３０は、入力光を当該波長変換部２２０に入射角を略０度にして入射させる。

即ちここで、制御部１４０は、波長λ_０に応じた周波数の発生をドライバ部１３０に指示する。方向変更部２３０は、ドライバ部１３０から当該周波数信号を受け取ることによって、入力光の回折方向を分極反転構造２２２に対して垂直方向とする回折格子を形成する。

これによって、分極反転構造２２２は、効率的に波長λ_０／２の第２高調波を発生することができる。ここで、このような分極反転構造２２２は、λ_０からずれた波長の光が入射角０度で入力された場合、ずれた波長の量に応じて疑似位相整合の効果を低減させて、第２高調波への変換効率を低減させる。より具体的には、入力波長λ_０の変換効率が１／２となる波長変換帯域幅をΔλとすると、両者は、次式で示される関係にある。

ここで、ｎ_１は分極反転構造２２２の基本波（波長λ_０の光）に対する屈折率を、ｎ_２は分極反転構造２２２の第２高調波に対する屈折率を、それぞれ示す。上式より、例えば、素子長Ｌ＝２０ｍｍの分極反転構造２２２が、λ_０＝１１６８ｎｍの光が０度入射する場合に最も効率的に当該入力光と疑似位相整合する分極反転周期２ｌ_ｃを有する場合、変換効率が１／２となるΔλは０．２１ｎｍ程度と算出される。即ち、このような分極反転構造２２２は、波長１１６８．２１ｎｍの入力光が０度入射することによって、第２高調波への変換効率を１／２に低減させてしまう。

したがって、複数の異なる波長の光源の出力を分極反転構造２２２に同一の入射角度で入射させても、分極反転構造２２２は、予め定められた０．５ｎｍ程度以下の限られた帯域以外の入力光に対して、効率的に第２高調波を発生させることができない。そこで、本実施例の方向変更部２３０は、入力光の波長に応じて、当該入力光が分極反転構造２２２に入射する入射角を変更する。即ち、方向変更部２３０は、入力光の入射角を変更して、当該入力光の進行方向を分極反転構造２２２に対して斜めにする。

ここで、分極反転構造２２２は、方向変更部２３０が、複数の入力光のそれぞれに対して、分極反転構造２２２に対して垂直とは異なる入射角の進行方向に変更したことに応じて、当該複数の入力光の波長を変換する分極反転周期を有する。即ち、方向変更部２３０は、０度入射する波長λ_０の入力光と疑似位相整合する分極反転周期に対して、λ_０より波長の長い波長λ_ｎの光が入力された場合に、当該波長λ_ｎに応じて入力光の入射角を変更する。

例えば、方向変更部２３０は、分極反転周期２ｌ_ｃを有する分極反転構造２２２に対する入力光の入射角を０度からθ度とすることで、斜めに進行する入力光に対する分極反転周期を２ｌ_ｃ／ｃｏｓθと、２ｌ_ｃ以上に長くすることができる。このように、方向変更部２３０が、分極反転構造２２２に対する入力光の入射角を変更することで、同一の分極反転構造２２２が入力光と疑似位相整合する波長を変えることができる。例えば、垂直入射（入射角０度）する波長λ_０の入力光と疑似位相整合する分極反転構造２２２が、入力光の入射角θに対して疑似位相整合する波長は、次式で示される。

ここで、コヒーレンス長ｌ_ｃは、次式で示される。

図２は、本実施形態に係る波長変換部２２０の分極反転構造２２２への入射角に対する擬似位相整合波長の関係の一例を示す。図中は、垂直入射（入射角０度）する波長λ_０＝１０６０ｎｍの入力光と疑似位相整合する分極反転構造２２２が、入力光の入射角θに対して疑似位相整合する波長の一例を示す。図中の横軸は入射角度を、縦軸は疑似位相整合波長を示す。図中の例より、分極反転構造２２２は、方向変更部２３０が入射角度を２０度程度変更することによって、疑似位相整合波長を数十ｎｍ以上変化させることがわかる。

一例として、図中の例で示される特性の分極反転構造２２２を有する波長変換部２２０は、波長１０６４ｎｍの入力光に対して、方向変更部２３０が入射角を５度に変更することで、当該入力光と疑似位相整合して第２高調波である５３２ｎｍの光を出力できることが算出される。同様に、波長変換部２２０は、波長１０８０ｎｍの入力光に対して入射角を１１．４度に変更することで５４０ｎｍの光を出力し、波長１１２０ｎｍの入力光に対して入射角を１９．７度に変更することで５６０ｎｍの光を出力できる。

ここで、入射角度は正負の値の２値が得られる。これは例えば、方向Ｏ−Ｃ_１、方向Ｏ−Ｃ_２、または方向Ｏ−Ｃ_３等の進行方向を入射角度のマイナス方向とすると、各進行方向の線Ａ−Ａ'と線対称な位置にある進行方向がプラス方向であり、方向変更部２３０は、いずれの方向に入力光を変更してもよい。

以上より、制御部１４０は、一の光源１１２を指定すると共に、方向変更部２３０が当該光源１１２の出力する光を波長変換部２２０において疑似位相整合する進行方向に変更すべく、対応する回折格子を形成する周波数をドライバ部１３０に指定する。一例として、制御部１４０は、光源部に波長１０６４ｎｍの光を出力する光源１１２を指定すると共に、方向変更部２３０が波長変換部２２０に対して入射角度を５度に変更する回折格子を形成する周波数をドライバ部１３０に指定する。

例えば、方向変更部２３０としてモリブデン酸鉛を用いる場合、音速νは略３６３０ｍ／ｓとなる。そこで、入力光の波長を１０６４ｎｍ、入射角を１０度、回折角度を−５度とすると、数１の式より周波数ｆ_ｓが略８９３ＭＨｚと算出できるので、方向変更部２３０は、当該周波数を印加されることで入力光を疑似位相整合させる進行方向に変更することができる。同様に、入力光の波長を１０８０ｎｍ、入射角を１０度、回折角度を−１１．４度とすると、周波数ｆ_ｓは略１．２５ＧＨｚと算出され、入力光の波長を１１２０ｎｍ、入射角を１０度、回折角度を−１９．７度とすると、周波数ｆ_ｓは略１．６８ＧＨｚと算出される。

以上の本実施形態に係る光源装置１００によれば、数十ｎｍ以上異なる複数の波長の入力光に対して安定かつ高効率に非線形光学効果をそれぞれ発生させることができる。これによって、光源装置１００は、例えば、波長１０６４、１０８０、および１１２０ｎｍといったレーザ発振させることが容易な波長帯域の複数の光源１１２を用いて、レーザ発振させることが困難な波長帯域の波長５３２、５４０、および５６０ｎｍの光を出力することができる。

また、光源装置１００は、入力部２１０と分極反転構造２２２との相対的な位置を変えずに非線形光学効果を発生させることができるので、可動部品を用いずに光学系を形成することができる。即ち、光源装置１００は、光学調整を容易にさせ、振動および衝撃に対して安定な光学系を形成させ、また、信頼性を向上させることができる。

また、疑似位相整合波長が入射角度θの２次関数で表現されるので、分極反転構造２２２は、入射角度が０度より離れれば離れるほど、疑似位相整合波長の変化の度合いを急峻にする。そこで、分極反転構造２２２は、方向変更部２３０が、複数の入力光のそれぞれに対して、分極反転構造２２２に対する入射角を０度とは異なる角度に変更したことに応じて、当該複数の入力光の波長を変換する分極反転周期を有してよい。

より好ましくは、分極反転構造２２２は、方向変更部２３０が、複数の入力光のそれぞれに対して、分極反転構造２２２に対する入射角をより大きくなる角度に変更したことに応じて、当該複数の入力光の波長を変換する分極反転周期を有してよい。即ち、分極反転構造２２２は、方向変更部２３０が複数の入力光のそれぞれに対して垂直方向からより離れた入射角に変更することで、入力光と擬似位相整合する分極反転周期が形成される。

これによって、分極反転構造２２２は、入射角度の変化に対して疑似位相整合波長の変化が急峻となる領域で複数の入力光と疑似位相整合させることができる。即ち、方向変更部２３０が複数の波長の入力光に対して、進行方向を変更させるべき角度の範囲をより小さくすることができ、光学系の設計自由度を向上させることができる。例えば、分極反転構造２２２は、複数の異なる波長の入力光のうち最も長波長の入力光に対して、方向変更部２３０が変更すべき角度を分極反転構造２２２の大きさから許容される最も大きな入射角度とする分極反転周期が設計される。

これによって、入力光が最も長波長の光から最も短波長の光に切り替わった場合に、方向変更部２３０は、最も少ない入射角度の変更で切り替わった入力光と分極反転構造２２２とを擬似位相整合させることができる。即ち、このように分極反転周期を設計することで、方向変更部２３０は、複数の波長の入力光に対して、より少ない入射角度の変更でそれぞれの入力光と分極反転構造２２２とを疑似位相整合させることができる。

以上の本実施形態に係る光源装置１００において、波長変換部２２０は、光が入力する面内に形成される窪み部２２４を更に含んでよい。窪み部２２４は、断面が円または楕円の一部となる凹部として形成される。例えば、波長変換部２２０は、方向変更部２３０が入力光の方向を変更させる点Ｏから、入力光が波長変換部２２０に到達するまでの距離ＯＢを略一定とする窪み部２２４を有する。図１において、窪み部２２４は、方向変更部２３０のＯ点を中心とした半径Ｒの円の一部として形成される例を示す。窪み部２２４は、波長変換部の端面を研磨等によって加工して形成されてよい。

このような窪み部２２４が無く、波長変換部２２０の端面が平面で形成され、方向変更部２３０からの光が当該平面に入射する場合、波長変換部２２０は、入射光を屈折させる。ここで、屈折率ｎの波長変換部２２０は、方向変更部２３０の回折角度を１／ｎにするので、例えば、屈折率２．２のＰＰＬＮ結晶を波長変換部２２０として用いると、回折角度は１／２．２程度に減少する。したがって、この場合、方向変更部２３０は、入力光を分極反転構造２２２と疑似位相整合させるべく、屈折がない場合の入射角度のｎ倍の角度を波長変換部２２０への入射角度とする。

これに対して、窪み部２２４のある光源装置１００は、方向変更部２３０からの光が波長変換部２２０の窪み部２２４の接線に対して入射する角度を、分極反転構造２２２への入射角度とは関係なく常に垂直とする。したがって、このような光源装置１００は、波長変換部２２０に入射する光を屈折させずに進行させることができるので、方向変更部２３０の波長変換部２２０に対する入射角度を増加させずに、入力光と分極反転構造２２２とを疑似位相整合させることができる。

これに代えて、窪み部２２４は、断面が円または楕円の一部となる凹部として形成され、方向変更部２３０が入力光の方向を変更させる点Ｏから、入力光が波長変換部２２０の分極反転構造２２２に到達するまでの距離のうち、分極反転構造２２２に対して垂直に到達するまでの距離を最長とする凹部として形成されてよい。このような窪み部２２４のある波長変換部２２０は、方向変更部２３０からの光が当該窪み部２２４に入射する角度に応じて屈折する角度を変化させる。そして、窪み部２２４は、方向変更部２３０からの入射角度の絶対値が大きくなるにつれて、分極反転構造２２２への入射角度の絶対値を増加する方向に屈折させる。

即ち窪み部２２４は、分極反転構造２２２に対して垂直方向Ｏ−Ａ'に入射する光に対しては屈折させず、当該垂直方向からずれた方向に入射する光には分極反転構造２２２に対する入射角度を増加させる凹レンズの効果と同等の機能を有する。これによって、光源装置１００は、方向変更部２３０の回折角度を減少させることができ、ドライバ部１３０が出力する変調周波数および方向変更部２３０の入射角θ_ｉｎ等の設計自由度を増加させることができる。

図３は、本実施形態に係る光源装置１００の第１の変形例を示す。本変形例の光源装置１００において、図１に示された本実施形態に係る光源装置１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。本変形例の方向変更部２３０は、入力光を回折させて進行方向を変更する回折格子２３２を有する。ここで、方向変更部２３０は、入力される光の進行方向を回折格子２３２の入力方向Ｅ−Ｏに変更する鏡２３４を更に有してよい。

回折格子２３２は、予め定められた配置で固定されてよい。例えば、回折格子２３２は、入力光が格子面の垂線Ｄ−Ｏ−Ｄ'に対して角度αの方向Ｅ−Ｏで入射した場合に、回折方向を入力光の波長に応じて方向Ｏ−Ｃ_１、方向Ｏ−Ｃ_２、または方向Ｏ−Ｃ_３等に変更する。ここで、回折格子２３２の入力光の波長λと回折角βとの関係は、次式で示される。

ここで、ｍは回折の次数（ｍは整数）、ｄは回折格子２３２の格子の間隔をそれぞれ示す。本変形例は、格子間隔ｄが固定された回折格子２３２を方向変更部２３０として用いるので、入射角αおよび次数ｍを定めることで、入力光の波長λと回折角βとの関係が求まる。ここで、回折角βは、図中の角度ＤＯＣを示す。

図４は、本実施形態に係る回折格子２３２の回折角、および波長変換部２２０が疑似位相整合する入射角の、入力波長依存性の一例を示す。図中の横軸は入力光の波長λ、縦軸は角度を示す。また、図中の実線は、数３の式より求まる波長変換部２２０の入力光の波長λに対して疑似位相整合する入射角の一例を示す。また、図中の点線は、数５の式より求まる回折格子２３２の入力光の波長λに対する回折角ＤＯＣのうちの角度Ａ'ＯＣを示す。ここで、図中の入射角および回折角は、分極反転構造２２２に対して垂直方向Ａ−Ａ'から角度Ａ'ＯＣ_１側をマイナス方向とする。

図中の例は、入射角が−１１．４度の波長１０８０ｎｍの入力光と波長変換部２２０とが擬似位相整合し、かつ、波長１０８０ｎｍの入力光に対して回折格子２３２の回折角Ａ'ＯＣが−１１．４度となるパラメータ条件で算出した結果である（例えば、ｄ＝０．８μｍ、α＝２５．８８度等）。これより、本変形例の光源装置１００は、少なくとも２つの入力光波長に対して、波長変換部２２０の入射角および回折格子２３２の回折角を一致できることがわかる。

即ち、図中の例において、波長１０８０ｎｍおよび１１２０ｎｍの入力光に対して、予め定められた配置で固定された回折格子２３２の回折角と、波長変換部２２０に擬似位相整合させる入射角とを一致させることができる。これより、本変形例の光源装置１００は、一例として、波長１０８０ｎｍの光を出力する光源１１２ａと、波長１１２０ｎｍの光を出力する光源１１２ｂと、を有し、当該光源から出力される光を波長変換部２２０で変換させた波長５４０ｎｍまたは５６０ｎｍの光を出力する。

ここで、光源選択部１２０は、一以上の光カプラを有し、２以上の光源を選択して出力させてよい。例えば、光源選択部１２０は、波長１０８０ｎｍおよび１１２０ｎｍの光を合波するＷＤＭカプラを有し、光源装置１００は、２つの光源から出力される光を波長変換部２２０で変換させて波長５４０ｎｍおよび５６０ｎｍの光を出力する。これによって、光源装置１００は、２以上の光を同時に発生することができる。この場合、制御部１４０は、光源選択部１２０に光源を選択する信号を送らなくてもよい。

以上の本実施形態に係る光源装置１００の第１の変形例によれば、入力部２１０と分極反転構造２２２との相対的な位置を変えずに非線形光学効果を発生させることができる。また、本変形例の光源装置１００は、回折格子２３２の配置を固定する例を説明した。これに代えて、光源装置１００は、Ｏ点を通る回転軸を有する回折格子２３２を回転させて、波長変換部２２０の入射角を変更させてよい。

また、本変形例の光源装置１００は、回折格子２３２を用いる例を説明したが、これに代えて、Ｏ点を通る回転軸を有し、波長変換部２２０の入射角を変更させる鏡を有してもよい。このように、光源装置１００は、回転動作する機能を有することで、より多くの異なる波長を出力する光源に対して、擬似位相整合させて非線形光学効果を発生させることができる。

光源装置１００は、このような回転動作する機能を、半導体集積回路の製造技術を用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）アクチュエータで形成してよい。これによって、光源装置１００は、光学部品等を安定に動作させることができる。

図５は、本実施形態に係る光源装置１００の第２の変形例を示す。本変形例の光源装置１００において、図１に示された本実施形態に係る光源装置１００の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。図中の線Ａ_ｎ−Ａ_ｎ'（ｎ＝１、２、３）は、いずれも分極反転構造２２２の垂直方向と平行な線を示す。

本変形例の方向変更部２３０は、分極反転構造２２２に対して平行な面から角度を有し、少なくとも一部には入力光を反射させる反射膜が成膜されて形成される、波長変換部２２０の光の反射面２３６を含む。方向変更部２３０は、波長変換部２２０に入力される光が反射面２３６に到達すると、当該光の進行方向を波長変換部２２０の光の入力面２３８の方向へと変更する。

図中の例において、波長変換部２２０は、入力部２１０から入射される入力光をＣ_０点で屈折させ、Ｃ_０点からＣ_１点に進行させる。方向変更部２３０が含む反射面２３６は、Ｃ_１点において入力光を反射して進行方向をＣ_２点の方向へと変更する。ここで、反射面２３６は、分極反転構造２２２の平行方向とは角度δを有する。これによって、反射面２３６は、入力光の分極反転構造２２２に対する入射角を角Ｃ_０Ｃ_１Ａ_１および角Ｃ_１Ｃ_２Ａ_２'とすることができる。

そこで、本変形例の光源装置１００は、入射角Ｃ_０Ｃ_１Ａ_１に対応して擬似位相整合する波長の光源１１２ａと、入射角Ｃ_１Ｃ_２Ａ_２'に対応して擬似位相整合する波長の光源１１２ｂとを有し、当該光源から出力される光を波長変換部２２０で変換させた波長の光を出力する。この場合、光源装置１００は、光源１１２ａから出力される光が第１光路Ｃ_０−Ｃ_１を進行する間に分極反転構造２２２と擬似位相整合させて第２高調波を発生させ、当該第２高調波をＣ_１点で反射させて第２光路Ｃ_１−Ｃ_２を通過させる。

ここで、分極反転構造２２２の分極反転周期と発生した第２高調波とは擬似位相整合しないので、波長変換部２２０は、当該第２高調波をほとんど損失させずに第２光路Ｃ_１−Ｃ_２を通過させる。また、光源装置１００は、光源１１２ｂから出力される光をほとんど損失させずに第１光路Ｃ_０−Ｃ_１を通過させ、通過した入力光をＣ_１点で反射させて第２光路Ｃ_１−Ｃ_２を進行する間に分極反転構造２２２と擬似位相整合させて第２高調波を発生させて出力する。

これより、本変形例の光源装置１００は、異なる波長の光を出力する複数の光源１１２を有し、当該光源から出力される光を波長変換部２２０で変換させた波長の光をそれぞれ出力することができる。また、本変形例においても、光源選択部１２０が光カプラを有することで、光源装置１００は、２つの光を同時に発生することができる。ここで、出力部２５０は、波長変換部２２０の点Ｃ_２から出力される光を受光して外部へ出力してよい。

また、本変形例の方向変更部２３０は、分極反転構造２２２に対して平行な面から角度を有し、少なくとも一部には入力光を反射させる反射膜が成膜されて形成される、波長変換部２２０の光の入力面２３８を更に含んでよい。方向変更部２３０は、反射面２３６で反射された光が入力面２３８に到達すると、当該光の進行方向を反射面２３６の方向へと変更する。

この場合、波長変換部２２０は、入力される光が反射面２３６に到達するまでの第１光路Ｃ_０−Ｃ_１と、反射面２３６で反射された光が入力面２３８に到達するまでの第２光路Ｃ_１−Ｃ_２と、入力面２３８で反射された光が反射面２３６に到達するまでの第３光路Ｃ_２−Ｃ_３と、を経て入力光を進行させる。また、波長変換部２２０は、第１、第２、または第３光路のうち一の光路の進行方向に対する分極反転周期を、入力光に対応する予め定められた周期にする。

即ち、図中の例において、波長変換部２２０が含む入力面２３８は、Ｃ_２点においてＣ_１点からＣ_２点に進行した光を反射して進行方向をＣ_３点の方向へと変更する。ここで、入力面２３８は、分極反転構造２２２の平行方向とは角度εを有し、反射膜が成膜されて形成される。これによって、入力面２３８は、入力光の分極反転構造２２２に対する入射角を角Ｃ_２Ｃ_３Ａ_３とすることができる。

そこで、本変形例の光源装置１００は、入射角Ｃ_２Ｃ_３Ａ_３に対応して擬似位相整合する波長の光源１１２ｃを更に有し、当該光源から出力される光を波長変換部２２０で変換させた波長の光を出力する。この場合、光源装置１００は、光源１１２ｃから出力される光が第３光路Ｃ_２−Ｃ_３を進行する間に分極反転構造２２２と擬似位相整合させて第２高調波を発生させる。ここで、反射面２３６は、少なくとも点Ｃ_３においては反射膜が成膜されずに形成される。また、出力部２５０は、波長変換部２２０の点Ｃ_３から出力される光を受光して外部へ出力してよい。

ここで、波長変換部２２０の屈折率をｎ_１、角Ｃ_０Ｃ_１Ａ_１をγとすると、次式が成立する。

また、角Ｃ_１Ｃ_２Ａ_２'は、２δ＋γとなり、角Ｃ_２Ｃ_３Ａ_３は、２ε＋２δ＋γとなる。したがって、光源装置１００は、波長変換部２２０の屈折率ｎ_１、入射角θ_ｉｎ、反射面２３６および入力面２３８の分極反転構造２２２の平行方向に対する角度δおよびεに基づき、予め定められた光の波長と分極反転構造２２２とを擬似位相整合させることができる。

一例として、屈折率２．１５のＰＰＬＮを用いた波長変換部２２０において、入射角θ_ｉｎを１．８３度、εを４．１５度、およびδを３．２度とすることで、角Ｃ_０Ｃ_１Ａ_１は５度、角Ｃ_１Ｃ_２Ａ_２'は１１．４度、角Ｃ_２Ｃ_３Ａ_３は１９．７度にすることができる。これによって、光源装置１００は、波長１０６４ｎｍ、１０８０ｎｍ、および１１２０ｎｍの複数の光源の第２高調波を出力することができる。ここで、本変形例において、角度の表記は絶対値で示した。

これより、本変形例の光源装置１００は、異なる波長の光を出力する複数の光源１１２を有し、当該光源から出力される光を波長変換部２２０で変換させた波長の光をそれぞれ出力することができる。また、本変形例においても、光源選択部１２０が一以上の光カプラを有することで、光源装置１００は、２以上の光を同時に発生することができる。

以上の実施形態に係る光源装置１００は、波長変換部２２０が第２高調波を発生させることを説明したが、これに代えて、波長変換部２２０は、和周波、差周波、光パラメトリック発振、光パラメトリック増幅、光パラメトリック発生等の非線形光学効果を発生させてよい。また、以上の実施形態に係る光源装置１００は、波長変換装置２００を備える光源装置として説明したが、これに代えて、波長変換装置２００を独立した波長変換装置として用いてもよい。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１００ 光源装置、１１０ 光源部、１１２ 光源、１２０ 光源選択部、１３０ ドライバ部、１４０ 制御部、２００ 波長変換装置、２１０ 入力部、２２０ 波長変換部、２２２ 分極反転構造、２２４ 窪み部、２３０ 方向変更部、２３２ 回折格子、２３４ 鏡、２３６ 反射面、２３８ 入力面、２４０ レンズ部、２４２ 受光レンズ、２４４ 集光レンズ、２５０ 出力部

Claims (16)

1. 異なる波長の複数の入力光が選択的に入力される入力部と、
   周期的に分極が反転する分極反転構造を有し、当該分極が反転する周期に対応する波長の光の入力に応じて、当該光の波長を変換する波長変換部と、
   前記入力部と前記分極反転構造との相対的な位置を変えずに、前記入力光の波長に応じて、前記入力光が前記分極反転構造を通る進行方向を変更する方向変更部と、
   を備え、
   前記波長変換部は、光が入力する面内に形成される凹部であって、前記方向変更部が前記入力光の方向を変更させる点から、前記入力光が前記波長変換部に到達するまでの距離を略一定とする窪み部を有する
   波長変換装置。
2. 前記方向変更部は、前記入力光の波長に応じて、前記入力光が前記分極反転構造に入射する入射角を変更し、前記入力光の進行方向に対する前記分極反転構造の分極が反転する周期を、前記入射角に対応する前記入力光の波長が変換される周期にする請求項１に記載の波長変換装置。
3. 前記窪み部は、断面が円または楕円の一部となる凹部として形成され、前記方向変更部が前記入力光の方向を変更させる点から、前記入力光が前記波長変換部の前記分極反転構造に到達するまでの距離のうち、前記分極反転構造に対して垂直に到達するまでの距離を最長とする請求項１または２に記載の波長変換装置。
4. 前記分極反転構造は、前記方向変更部が、複数の入力光のそれぞれに対して、前記分極反転構造に対して垂直とは異なる入射角の進行方向に変更したことに応じて、当該複数の入力光の波長を変換する分極反転周期を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の波長変換装置。
5. 前記波長変換部から出力される波長が変換された光を受光し、平行光に変換または予め定められた焦点位置に集光させるレンズ部を更に備える請求項１から４のいずれか一項に記載の波長変換装置。
6. 前記方向変更部は、音響光学効果によって前記入力光の進行方向を変更する音響光学素子を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換装置。
7. 前記方向変更部は、前記入力光を回折させて進行方向を変更する回折格子を有する請求項１から５のいずれか一項に記載の波長変換装置。
8. 前記波長変換部は、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＫＴＰ、またはＢＢＯの結晶で形成された波長変換素子を含む請求項１から７のいずれか一項に記載の波長変換装置。
9. 前記波長変換部は、入力される光の波長を１／２倍にした波長の光を出力する請求項１から８のいずれか一項に記載の波長変換装置。
10. 前記波長変換部は、入力される２つの光の周波数の和または差に等しい周波数の光を出力する請求項１から９のいずれか一項に記載の波長変換装置。
11. 複数の波長の光を出力する光源部と、
    前記光源部から出力される光を入力し、当該光の波長を変換して出力する請求項１から９のいずれか一項に記載の波長変換装置と、
    を備える光源装置。
12. 複数の波長の光を出力する複数の光源のうち、１以上の光源を選択して出力する光源部と、
    前記光源部から出力される光を入力光として入力される入力部と、
    周期的に分極が反転する分極反転構造を有し、当該分極が反転する周期に対応する波長の光の入力に応じて、当該光の波長を変換する波長変換部と、
    を備え、
    前記波長変換部は、前記入力部と前記分極反転構造との相対的な位置を変えずに、前記分極反転構造における分極が反転する周期を前記入力光の波長に応じた周期に合わせるべく前記入力光を異なる進行方向に複数回反射させることにより、前記入力光が前記分極反転構造を通る進行方向を変更する方向変更部を有し、
    前記方向変更部は、前記分極反転構造に対して平行な面から角度を有し、一部には前記分極反転構造を通った前記入力光および前記波長変換部が変換した光を前記分極反転構造側へと反射させる反射膜が成膜されて形成される、光の反射面を含み、前記分極反転構造を複数回通った前記入力光および前記変換した光を前記反射膜が成膜されていない箇所から出力させ、
    前記波長変換部は、
    前記波長変換部に入力される前記入力光が前記反射面に到達するまでの間において、前記入力光の進行方向に対する前記分極反転構造の分極が反転する周期として、前記入力光における前記複数の波長の光のうち一の光の波長が変換される周期を有し、
    前記反射面により反射された前記入力光が前記波長変換部の光の入力面に到達するまでの間において、前記入力光の進行方向に対する前記分極反転構造の分極が反転する周期として、前記入力光における前記複数の波長の光のうち前記一の光とは異なる波長の他の光の波長が変換される周期を有する
    光源装置。
13. 前記方向変更部は、
    前記分極反転構造に対して平行な面から角度を有し、少なくとも一部には入力光を反射させる反射膜が成膜されて形成される、前記波長変換部の光の入力面を更に含み、
    前記反射面で反射された光が前記入力面に到達すると、当該光の進行方向を前記反射面の方向へと変更し、
    前記波長変換部は、
    入力される光が前記反射面に到達するまでの第１光路と、前記反射面で反射された光が前記入力面に到達するまでの第２光路と、前記入力面で反射された光が前記反射面に到達するまでの第３光路と、を経て前記入力光を進行させ、
    第１、第２、または第３光路のうち一の光路の進行方向に対する分極反転周期として、前記入力光に対応する予め定められた周期を有する
    請求項１２に記載の光源装置。
14. 前記光源部は、
    それぞれが異なる波長の光を出力する複数の光源と、
    一以上の光スイッチを有し、前記複数の光源のうち、一の光源を選択して出力させる光源選択部と、
    を有する請求項１１から１３のいずれか一項に記載の光源装置。
15. 前記光源選択部は、一以上の光カプラを有し、２以上の光源を選択して出力させる請求項１４に記載の光源装置。
16. 異なる波長の複数の入力光が入力部から選択的に入力される入力段階と、
    周期的に分極が反転する分極反転構造を有し、当該分極が反転する周期に対応する波長の光の入力に応じて、当該光の波長を波長変換部により変換する波長変換段階と、
    前記入力部と前記分極反転構造との相対的な位置を変えずに、前記入力光の波長に応じて、前記入力光が前記分極反転構造を通る進行方向を変更する方向変更段階と、
    を備え、
    前記波長変換部は、光が入力する面内に形成される凹部であって、前記方向変更段階において前記入力光の方向を変更させる点から、前記入力光が前記波長変換部に到達するまでの距離を略一定とする窪み部を有する
    波長変換方法。

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