JP6199326B2

JP6199326B2 - 分光装置及び分光検出方法

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Publication number: JP6199326B2
Application number: JP2015009074A
Authority: JP
Inventors: 忠永　修; 修忠永; 弘和竹ノ内; 明雄登倉; 毅伺梅木; 圓佛　晃次; 晃次圓佛; 拓志風間
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Priority date: 2015-01-21
Filing date: 2015-01-21
Publication date: 2017-09-20
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Also published as: JP2016133437A

Description

本発明は、波長変換光源を用いた分光装置及び分光検出方法に関し、より具体的には、ガスのセンシングや光学部品分光に好適な波長変換光源を用いた分光装置及び分光検出方法に関する。

近年、地球温暖化の問題などがクローズアップされており、高感度にメタンや二酸化炭素などを検出するために、２〜５μｍの波長を出力する中赤外域の光源が必要とされている。このような波長域では、従来から半導体レーザの研究開発がなされている。しかしながら、室温で簡易に使用できるような光源が実現されていないのが現状である。そこで、このような光源から直接発生させることが困難な波長領域の光を、非線形光学効果を用いた波長変換を利用して発生させる技術が知られている。

又、焼却炉のＣＯ₂、ＣＯ、Ｏ₂等の濃度観測による燃焼制御により、ダイオキシンの発生が抑制できることから、０．７６μｍに存在するＯ₂の吸収線観測が注目を浴びている。ガス吸収線に適した０．７６μｍ帯の光を発生させるレーザとして面発光レーザが用いられているが、出力が大きくとれないことから、非線形効果を用いた波長変換を利用して、０．７６μｍ帯の光を発生する技術が注目されている。

波長変換素子としては様々な形態のものが利用可能であるが、実用的な観点から、非線形光学定数を周期的に変調した擬似位相整合を用いた導波路型の波長変換素子が最も有望である。非線形定数の周期変調構造を形成するためには、非線形定数の符号を交互に反転するか、あるいは、非線形定数が大きい部分と小さい部分をほぼ交互に配置する方法が考えられる。

ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）のような強誘電体結晶においては、非線形定数の正負が自発分極の極性に対応するため、自発分極を反転することにより非線形定数の符号を反転することができる。中赤外波長域を発生させるための方法として、非特許文献１に示されるように、２つの半導体レーザ及び擬似位相整合を利用した導波路型波長変換素子による差周波発生による方法が知られている。又、０．７６μｍ帯の光を出す方法としては、非特許文献２に示されるような導波路型波長変換素子による第２高調波発生による方法が知られている。

図８に、差周波発生を基にした波長変換光源の構成を示す。図８に示される光源５０は、光導波路５２が形成されたＬｉＮｂＯ₃基板５１と、合波器５５と、信号光５３及び励起光５４をそれぞれ出力する２個の半導体レーザ（図示せず）とから構成される。信号光５３及び励起光５４は、合波器５５で合波され、周期的に分極反転されたＬｉＮｂＯ₃基板５１に形成された光導波路５２に入射される。光導波路５２では、信号光５３と励起光５４との差周波光である変換光５６が発生する。信号光５３の信号光波長をλ_a、変換光５６の変換光波長をλ_b、励起光５４の励起光波長をλ_cとすると、これら３つの波長は以下の（式１）を満たす。
１／λ_c＝１／λ_b＋１／λ_a （式１）

例えば、信号光波長λ_aを１．５６μｍ、励起光波長λ_cを１．０６μｍとすれば、変換光波長λ_b＝３．３１μｍの変換光５６を発生させることができる。信号光波長λ_aにおける屈折率をｎ_a、変換光波長λ_bにおける屈折率をｎ_b、励起光波長λ_cにおける屈折率をｎ_cとするとき、下記の(式２)で与えられる非線形定数の変調周期Λ₀を設定すると、効率よく変換光５６が発生する。
ｎ_c／λ_c−ｎ_b／λ_b−ｎ_a／λ_a−１／Λ₀＝０（式２）

ちなみに、同様にして、２次非線形光学効果である和周波発生と第二高調波発生を利用した場合を説明する。図８に即して説明すると、入力光波長λ_aとλ_cの光を入力し、１／λ_b＝１／λ_a＋１／λ_cを満たす新たな光λ_bが発生する現象を和周波発生と言い、波長λ_aと波長λ_cが同じ波長の場合を第二高調波発生と言う。この場合、波長λ_aと波長λ_cが同じ波長であるので、合波器５５を用いずに、波長λ_aの光のみ入力すれば良い。効率よく変換光を発生させるために設定すべき非線形定数の変調周期Λ₀は次式となる。
ｎ_b／λ_b−ｎ_c／λ_c−ｎ_a／λ_a−１／Λ₀＝０（式３）

さて、図９に差周波発生を利用した光源を用いた従来の分光装置を示す。導波路型波長変換素子６１と合波器６２と信号光光源６３と励起光光源６４とからなる中赤外光源６０を有しており、導波路型波長変換素子６１から出た変換光は空気中を空間伝搬し、受光器６５でその強度が測定される。このとき、励起光波長λ_cを固定し、信号光波長λ_aを変化させると、（式１）に従い変換光波長λ_bが変化する。もしくは、信号光波長λ_aを固定し、励起光波長λ_cを変化させると、（式１）に従い変換光波長λ_bが変化する。

このことを利用して、変換光波長λ_bを変化させ、中赤外域のガスの吸収線の形状を観測する。ここでは励起光波長λ_cを０．９８μｍに固定し、信号光波長λ_aを１．５６２６μｍから１．５６３８μｍに変化させ、変換光波長λ_bを２．６２５μｍから２．６２８５μｍまで変化させた。中赤外光源６０と受光器６５の距離は１ｍである。図１０に横軸が変換光波長で縦軸が受光強度のグラフを示す。中央に出力のへこみが見える。これは１ｍの空間の空気中に含まれる水分（水蒸気）の影響で強度が低下したもので、湿度が高いと低下が大きくなり、湿度が低いと低下が小さくなった。即ち、低下具合は水分濃度に従って大きさが変わり、その大きさから水分濃度が分かる。

このように、２．６μｍ帯での水の吸収は非常に強いので、吸収線の形状が容易に観測できる。しかしながら、多くのガスは吸収係数が中赤外域といえども大きくなく、その吸収強度が１％以下ということが通常である。吸収強度が１％を切ると、吸収の無い場合のベースラインのノイズによる揺らぎによって吸収線強度を正確に把握することは困難になってくる。

そこで、非特許文献３や非特許文献４に記載の吸収線の２次微分成分を観測する波長変調分光法が用いられている。観測のために用いるレーザ光の波長を微小に周波数ｆの速いサイン波変調をし、ロックインアンプでその２倍波の周波数２ｆで強度が変化する成分を観測する方法である。多くの場合は、分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ−ＬＤ）の注入電流を変化させることにより実行される。吸収線形状を観測するためには吸収線の波長依存性も観測する必要があるので、周波数ｆの微小なサイン波に加えて変化量の大きい鋸歯状波もしくは三角波を重畳してＤＦＢ−ＬＤの電流注入量を変調させる。図１１に実際の吸収量と観測される２ｆ成分の形状の模式図を示す。丁度、吸収量が一番大きいところで、２ｆ成分は最大値を取る。

O. Tadanaga, T. Yanagawa, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Magari, M. Asobe, H. Suzuki, "Efficient 3-μｍ difference frequency generation using direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguides", APPLIED PHYSICS LETTERS, Vol.88, No.6, 2006年, pp.061101-1 - 061101-3. O. Tadanaga, M. Asobe, Y. Nishida, H. Miyazawa, K. Yoshino, H. Suzuki, "763-nm Laser Light Source for Oxygen Monitoring Using Second Harmonic Generation in Direct-Bonded Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Ridge Waveguide," IEICE Trans. Electron. Vol. E89-C, No.7, 2006年, pp.1115-1117. I. Linnerud, P. Kaspersen, T. Jager, "Gas monitoring in the process industry using diode laser spectroscopy", Appl. Phys. B, Vol. 67, 1998年, pp.297-305. A. Tokura, M. Asobe, K. Enbutsu, T. Yoshihara, S. Hashida, and H. Takenouchi, "Real-Time N2O Gas Detection System for Agricultural Production Using a 4.6-μm-Band Laser Source Based on a Periodically Poled LiNbO3 Ridge Waveguide", Sensors, Vol. 13, 2013年, pp.9999-10013 竹本菊郎、他３名、「生体・環境計測へ向けた近赤外光センシング技術」、株式会社サイエンスフォーラム、1999年、pp.257-261, pp.269-276

光路中に光学部品を挿入すると、一般に光の多重反射により透過率の波長依存性に周期的な変調が加わる。この多重反射による透過強度の周期的変調のことをフリンジ（干渉縞）という。導波路型波長変換素子も一種の光学部品で、導波路端面による反射の影響が出る。導波路端面の反射の影響を最小にするため、導波路端面を斜めにカットする、又は、導波路端面に無反射コート（ＡＲコート）を施すが、０．１％程度のフリンジが取りきれない場合がある。このようなフリンジが存在すると、出力の波長依存性に揺らぎが出て、その揺らぎ以下の吸収強度を観測しようとする場合は、フリンジが支配的になるため、２ｆ成分がかき消されてしまい、その判別が難しくなる。

例えば、本来であれば、図３（ｆ）に示すように、吸収線を示す２ｆ成分がほぼ中央の一点鎖線の位置に存在しているが、周囲のフリンジが大きい場合には、図３（ａ）に示すように、２ｆ成分がフリンジにかき消されてしまい、吸収線の位置を特定することは困難となる。

そこで、非特許文献５にあるように、一般に出力光を２光路に分岐し、一方はガスの吸収を受けずに受光し、他方はガスの吸収を受けてから受光することにより、その２つの受光強度を割り算するなどして、フリンジの影響を相殺し、微小な吸収を観測することが知られている。しかしながら、このような光路を２分岐すると光源の出力が半減する、もしくは、受光器が２台必要となり光学系が複雑になるという問題があった。

本発明は上記課題に鑑みなされたもので、光路を２分岐することなく、導波路型波長変換素子での端面の反射によるフリンジの効果を相殺する分光装置及び分光検出方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る分光装置は、
第１の波長の光と第２の波長の光とを入射することにより、２次非線形光学効果により新たな第３の波長の光を発生する２次非線形光学媒質からなる周期分極反転構造を有する導波路型波長変換素子と、測定対象を透過した前記第３の波長の光を受光する受光器と、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の少なくとも一方の光の波長を掃引することにより、前記第３の光の波長を掃引し、前記受光器で受光した光の分光を行う分光手段とを少なくとも備えた分光装置において、
前記導波路型波長変換素子の入力側又は出力側に接続された導波路と前記導波路に配置された電極とからなり、前記第３の光による前記導波路型波長変換素子でのフリンジの山が１周期分変化する変調電圧を周期的に前記電極に印加することにより、前記導波路の屈折率を周期的に変調させる屈折率変調部を設け、
前記分光手段は、前記受光器の出力を前記変調の１周期以上に渡って時間平均することにより分光スペクトルを得る
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る分光装置は、
上記第１の発明に記載の分光装置において、
前記第１の波長の光と前記第２の波長の光は同じ波長であって、同じ光源から出力される
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る分光装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の分光装置において、
前記屈折率変調部は、前記電極に電圧を印加して、電気光学効果により前記導波路の屈折率を変調する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る分光装置は、
上記第１又は第２の発明に記載の分光装置において、
前記屈折率変調部は、前記電極に電圧を印加して、熱光学効果により前記導波路の屈折率を変調する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第５の発明に係る分光装置は、
上記第１〜第４のいずれか１つの発明に記載の分光装置において、
前記導波路型波長変換素子は直接接合法で作製され、コア層がＬｉＮｂＯ₃又はＬｉＮｂＯ₃にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成る
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第６の発明に係る分光装置は、
上記第１〜第４のいずれか１つの発明に記載の分光装置において、
前記導波路型波長変換素子はリブ型の形状を持つコア層が基板に接着剤で貼り付けられて作製され、コア層がＬｉＮｂＯ₃又はＬｉＮｂＯ₃にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成る
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第７の発明に係る分光装置は、
上記第１〜第４のいずれか１つの発明に記載の分光装置において、
前記導波路型波長変換素子は基板としてＬｉＮｂＯ₃又はＬｉＮｂＯ₃にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成り、Ｔｉもしくはプロトンが拡散されて導波路が形成されている
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第８の発明に係る分光検出方法は、
第１の波長の光と第２の波長の光とを２次非線形光学媒質からなる周期分極反転構造を有する導波路型波長変換素子に入射して、前記導波路型波長変換素子の２次非線形光学効果により新たな第３の波長の光を発生させると共に、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の少なくとも一方の光の波長を掃引することにより、前記第３の光の波長を掃引し、
前記導波路型波長変換素子で発生させた前記第３の波長の光を測定対象に入射し、前記測定対象を透過した前記第３の波長の光を受光器で受光し、
前記受光器で受光した光の分光を行う分光検出方法において、
前記導波路型波長変換素子の入力側又は出力側に接続された導波路と前記導波路に配置された電極とを設けて、前記第３の光による前記導波路型波長変換素子でのフリンジの山が１周期分変化する変調電圧を周期的に前記電極に印加することにより、前記導波路の屈折率を周期的に変調させると共に、
前記受光器の出力を前記変調の１周期以上に渡って時間平均することにより分光スペクトルを得る
ことを特徴とする。

本発明によれば、導波路型波長変換素子の入力側又は出力側に接続された導波路の電極に、第３の光による導波路型波長変換素子でのフリンジの山が１周期分変化する変調電圧を周期的に印加することにより、導波路の屈折率を周期的に変調させるので、導波路型波長変換素子のフリンジに起因する受光器出力の周期的な波長依存性が時間的に変化することになる。そして、受光器出力を変調の１周期以上に渡って時間平均することにより、受光器出力の周期的な波長依存性を平均化（相殺）し、導波路型波長変換素子での端面の反射に起因する波長領域の強度振動成分（一定周期のフリンジ）を相殺して、分光スペクトルの信号対雑音比を改善することになり、微小な吸収線を観測することができる。

本発明に係る分光装置に用いる波長変換光源となる導波路型波長変換素子の一例を示す構成図である。図１に示した導波路型波長変換素子の変形例を示す構成図である。図１に示した導波路型波長変換素子の屈折率変調部に０（Ｖ）からＶπ（Ｖ）の電圧を印加してフリンジの周期を変更した場合の２ｆ成分観測結果を示す波形図であり、（ａ）が０（Ｖ）の場合、（ｂ）が１／４×Ｖπ（Ｖ）の場合、（ｃ）が１／２×Ｖπ（Ｖ）の場合、（ｄ）が３／４×Ｖπ（Ｖ）の場合、（ｅ）がＶπ（Ｖ）の場合であり、（ｆ）が、フリンジがない場合の２ｆ成分の観測結果を示す波形図である。本発明に係る分光装置の一例を示す構成図である。実施例１の分光装置で観測された吸収線の観測結果を示す波形図であり、（ａ）は、電圧印加が無い場合、（ｂ）は、電圧印加がある場合である。実施例３の分光装置で観測された吸収線の観測結果を示す波形図であり、（ａ）は、電圧印加が無い場合、（ｂ）は、電圧印加がある場合である。実施例４の分光装置に用いる導波路型波長変換素子を示す構成図である。従来の波長変換光源を示す構成図である。従来の波長変換光源を用いた分光装置を示す構成図である。吸収率の大きいガスの吸収線を観測した場合の例を示すグラフである。吸収率の小さいガスの吸収線を観測した場合の例を示す模式図である。

空気中の屈折率ｎ、長さＬの光学部品に波長λの光を通した場合に出るフリンジについて、その山の位置になる関係は、ｍを整数として、以下の式で書ける。
２ｎＬ＝ｍλ

即ち、丁度１／２波長（＝λ／２ｎ）変化させるに足りる量の屈折率ｎが変化すると、光学部品を光が往復して、トータルして、１波長変化することになるので、同じ波長でフリンジの山が重なることになる。光学結晶に電圧をかけて電気光学効果により屈折率変化をさせる変調器において、通常、半波長変化させる電圧をＶπと呼んでいる。即ち、Ｖπの電圧をかけることにより、フリンジの波長依存性において、山であった位置が丁度隣の山の位置に変化することになり、ｍが十分に大きい場合には、周期的に変動する波長依存性が元の形状と一致することを意味する。

例えば、ニオブ酸リチウムの屈折率を約２．１とし、長さ５０ｍｍの光学部品において、波長１．５μｍの光に対しては、ｍは１４万という十分大きな数字となる。この様な原理を利用してフリンジの位置は変化させることができる。加えて、フリンジの１周期分変化させるためには、Ｖπの電圧をかければよいことが分かる。

そこで、導波路型波長変換素子に電極を配置し、屈折率変調領域を設けることを考える。効率よく波長変換するためには、波長変換素子には周期的分極反転領域が必要である。通常は導波路型波長変換素子の全領域に分極反転構造を施す。そこで、その構造と同時に存在するように分極反転領域に電極を配置し、電圧をかけて屈折率変化を起こさせると、（式２）で示す各屈折率が変化し、効率よく波長変換される波長が変化する。波長変換ではある特定の波長域で効率よく波長変換することが必要で、この様な分極反転領域に電極を配置し、屈折率変化を起こさせることは、ある特定波長域の変換効率を低下させることとなる。そこで、分極反転領域と屈折率変調領域を分けた導波路型波長変換素子が最適であることを見出した。

図１、図２に、上述した導波路型波長変換素子の構造の例を示す。例えば、図１に示す導波路型波長変換素子１０Ａは、波長変換部１１Ａと屈折率変調部１２Ａを有している。波長変換部１１Ａは、タンタル酸リチウムからなる基板１３上に周期的に分極反転して形成した周期分極反転構造を有するニオブ酸リチウムからなるコア層１４（光導波路）を有しており、又、屈折率変調部１２Ａは、基板１３上に周期分極反転を施さないで形成したニオブ酸リチウムからなるコア層１５（光導波路）を有し、コア層１５の上部と基板１３の一部に電極１６、１７を設け、各電極１６、１７に対して電圧Ｖを印加できる構成となっている。

又、図２に示す導波路型波長変換素子１０Ｂは、波長変換部１１Ａと屈折率変調部１２Ｂを有しており、基本的には、図１に示した導波路型波長変換素子１０Ａと同等の構成であるが、屈折率変調部１２Ｂにおいて、コア層１５の上部に設けた電極１６の両端に対して電圧Ｖを印加できる構成となっている。

導波路型波長変換素子１０Ａ、１０Ｂにおいては、電極１６がニオブ酸リチウムに直接接する構造であると、金属による光の吸収が顕著に表れるので、ニオブ酸リチウムからなるコア層１５には、ＳｉＯ₂からなるバッファ層を介して電極１６が形成されている。又、基板１３上に配置されている電極１７もＳｉＯ₂バッファ層を介して配置することが好ましい。更に、光導波路となるコア層１４、１５の上面及び側面にクラッド層となるＳｉＯ₂バッファ層を堆積しても良い。

さて、ここで、実際の吸収線の測定を考える。図９に示した導波路型波長変換素子６１を、図１に示した導波路型波長変換素子１０Ａに置き換えて測定を行う。図３（ａ）〜（ｅ）では、印加電圧を０（Ｖ）からＶπ（Ｖ）に変化させて、電気光学効果により屈折率変化を起こさせている。具体的には、印加電圧は、図３（ａ）が０（Ｖ）、図３（ｂ）が１／４×Ｖπ（Ｖ）、図３（ｃ）が１／２×Ｖπ（Ｖ）、図３（ｄ）が３／４×Ｖπ（Ｖ）、図３（ｅ）がＶπ（Ｖ）である。すると、フリンジの山の位置が図中の黒実線のように変化していく。一方で、吸収線は波長が決まっているので、図３（ａ）〜（ｅ）の各曲線において、一点鎖線の位置に若干のふくらみは見えるが正確な形状は観測できない。そこで、図３（ａ）〜（ｅ）の曲線に変化するように、印加電圧を０（Ｖ）からＶπ（Ｖ）に変化させて、全ての曲線を重ね合わせると（変調の１周期の時間平均を取ると）、フリンジが平均化される一方で吸収線は位置が決まっているために強調されて、図３（ｆ）のように、はっきりと吸収線の形状が観測される。

２次非線形光学効果の中で、例として、差周波発生による光源を用いて吸収線測定を行うことを考える。図４に、本発明に係る分光装置の実験系を示す。この実験系は、図１に示した導波路型波長変換素子１０Ａと合波器２１と信号光（第１の波長の光）を出力する信号光光源２２と励起光（第２の波長の光）を出力する励起光光源２３とからなる中赤外光源２０を有しており、導波路型波長変換素子１０Ａから出た変換光（第３の波長の光）は空気（測定対象）中を空間伝搬し、受光器２４でその強度が測定される。

信号光光源２２にはシグナルジェネレータ２５からの注入電流が入力されており、２ｆ強度を測定するため、シグナルジェネレータ２５では、信号光光源２２への注入電流を１Ｈｚの鋸歯状波で変調しつつ、周波数ｆが１５ｋＨｚのサイン波を重畳しており、信号光光源２２で入力光である信号光を変調（掃引）できるようにしている。一方、励起光光源２３では、入力光である励起光の波長を固定している。このような信号光及び励起光により、導波路型波長変換素子１０Ａから出た変換光の波長を変調（掃引）できるようにしている。

受光器２４で受光した光信号はロックインアンプ２６（分光手段）に入力されており、ロックインアンプ２６では、２ｆ強度を測定しており、測定した２ｆ強度の時間依存性をオシロスコープ２７で観測できるようにしている。なお、シグナルジェネレータ２５からロックインアンプ２６へは、周波数ｆの同期信号が入力されており、又、シグナルジェネレータ２５からオシロスコープ２７へは、鋸歯状波の同期信号が入力されている。

上述した実験系において、信号光と励起光を合波器２１で合波し、導波路型波長変換素子１０Ａに入力する。ここで、導波路型波長変換素子１０Ａは、入力側に屈折率変調部１２Ａを配置し、出力側に波長変換部１１Ａを配置する。屈折率変調部１２Ａの電極１６、１７への印加電圧を０（Ｖ）からＶπ（Ｖ）まで１ｋＨｚで繰り返し変調する。ちなみに、屈折率変調部１２Ａにより、励起光と信号光の入力波長の位相が変調を受けて波長が変化するが、変調周波数は１ｋＨｚであり、ＭＨｚオーダーのレーザの線幅やＧＨｚオーダーの吸収線やフリンジ間隔に比較すると、非常に小さいため、測定に及ぼす影響は皆無である。

そして、受光器２４で受光した光信号をロックインアンプ２６に入力し、２ｆ強度をロックインアンプ２６で測定する。このとき、ロックインアンプ２６の時定数を１ｍｓｅｃに設定する。測定された２ｆ強度の時間依存性をオシロスコープ２７で観測すると、フリンジが丁度屈折率変調部１２Ａに印加された１ｋＨｚの変調とロックインアンプ２６の１ｍｓｅｃでの時間平均が得られ、フリンジはなまらせる（相殺する）ことができ、吸収線信号が明確に観測できる。

なお、ここでは、導波路型波長変換素子１０Ａについて、入力側に屈折率変調部１２Ａを配置したが、入力側に波長変換部１１Ａを配置し、出力側に屈折率変調部１２Ａを配置しても、１ｋＨｚ程度の変調では測定に影響は出ない。

又、同様にして、上述した導波路型波長変換素子１０Ａを、図２に示した導波路型波長変換素子１０Ｂに置き換えても良い。その場合、電極１６に電圧をかけることにより、熱光学効果により屈折率を変化させることができ、その屈折率変化がフリンジの１周期分の量を変化させるだけの電圧を周期的に印加することにより、同じなまらし（相殺）効果を得ることができる。更に、熱光学効果を用いた導波路型波長変換素子１０Ｂの場合も、屈折率変調部１２Ｂが、入力側であっても、出力側であっても、その差に影響はでない。

［実施例１］
本実施例を、図１及び図４を参照して説明する。

本実施例において、導波路型波長変換素子１０Ａには、コア層１４、１５がニオブ酸リチウムからなり、クラッド層がタンタル酸リチウムからなる直接接合法を用いたリッジ型導波路を作製している。このリッジ型導波路において、反転周期Λ₀＝２６．１μｍの周期分極反転構造からなる波長変換部１１Ａを３０ｍｍ作製し、周期分極反転構造の無い領域を２０ｍｍ確保する。リッジ型導波路のコア層１４、１５の厚みと幅は、それぞれ１３μｍと２０μｍである。リッジ型導波路の上面にＳｉＯ₂を０．５μｍ堆積し、フォトプロセスと金属蒸着により、周期分極反転構造の無い導波路上面と当該導波路横の基板１３であるタンタル酸リチウム層の上に直線電極部となる電極１６、１７を作製し、この部分を電気光学効果による屈折率変調部１２Ａとしている。導波路型波長変換素子１０Ａの端面は斜めに６度カットされ、ＡＲコートが施されている。

信号光光源２２として、１．３９μｍのＤＦＢ−ＬＤを用い、励起光光源２３として、１．０６４μｍのＤＦＢ−ＬＤを用い、各々の出力光は、ファイバ型のカプラ（合波器２１）で合波されて、屈折率変調部１２Ａ側から導波路型波長変換素子１０Ａに入力される。導波路型波長変換素子１０Ａでは、差周波発生により、変換光である４．５４μｍの中赤外光が発生する。導波路型波長変換素子１０Ａからの出力光はＧｅフィルタにより中赤外光のみ取り出され、外気である空気で満たされ、かつ、１０ｍＴｏｒｒまで減圧された１０ｍのマルチパスセル（測定対象）に通して、受光器２４で受光する。

励起光光源２３の波長は固定され、信号光光源２２の波長はシグナルジェネレータ２５から発せられた周波数１Ｈｚの鋸歯状波と周波数１５ｋＨｚのサイン波が重畳された信号により変調されている。サイン波の振幅は１０ｍＶで、鋸歯状波は０．５Ｖから０．７Ｖで発生されている。この電圧により電圧−電流変換を行い、信号光光源２２の電流注入量は変調されている。受光器２４からの出力をロックインアンプ２６に入力し、１５ｋＨｚのサイン波の倍成分である３０ｋＨｚの成分を観測し、出力をオシロスコープ２７に入力する。オシロスコープ２７は、１Ｈｚの鋸歯状波と同期されており、鋸歯状波により発生波長が変調されているので、時間軸が波長の変化に相当し、ロックインアンプ２６からの２ｆ成分のスペクトルを観測している。ロックインアンプ２６の時定数は１ｍｓｅｃに設定されている。

導波路型波長変換素子１０Ａの屈折率変調部１２Ａに印加電圧を印加しなかった場合のオシロスコープ波形を図５（ａ）に示す。中央に乱れはあるが、出力光のフリンジが原因となるほぼサイン波型の出力波形が得られた。次に、屈折率変調部１２Ａに０Ｖから５Ｖの三角波で変調された印加電圧をかけた所、ロックインアンプ２６の時定数が長いため、変調の１周期以上の時間平均の出力が得られ、図５（ｂ）に示すように、ほぼ中央付近にピークが観測され、理論予測されるＮ₂Ｏの吸収線の位置と一致した。以上のように、屈折率変調部１２Ａに周期的な電圧を印加することによりフリンジの影響を抑えることに成功した。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）において、横軸は波長に相当する時間を示し、縦軸は２ｆ成分の信号強度を示している。

［実施例２］
本実施例では、導波路型波長変換素子として、実施例１で用いたものと同じものを用い、又、分光装置のシステムとしても、基本的に同様のものを用いているので、図１及び図４を参照して、異なる部分のみ説明する。

実施例１では、励起光光源２３の波長は固定され、信号光光源２２の波長はシグナルジェネレータ２５から発せられた周波数１Ｈｚの鋸歯状波と周波数１５ｋＨｚのサイン波が重畳された信号により変調されたが、本実施例では、励起光光源２３を周波数１５ｋＨｚのサイン波で変調し、信号光光源２２を周波数１Ｈｚの鋸歯状波で変調した。このように、実施例１では信号光にサイン波と鋸歯状波を重畳した信号で変調を行ったが、本実施例では、励起光と信号光に役割を分担させて変調（掃引）を行っている。この場合でも、（式１）に示すように、変換光の波長自体は実施例１も本実施例も同じく重畳された変調が施されることになる。

実施例１と同様にして、オシロスコープ２７で波形を観測したところ、屈折率変調部１２Ａに変調電圧を加えなかった場合は、中央に乱れはあるが、出力光のフリンジが原因となるほぼサイン波型の出力波形が得られ、屈折率変調部１２Ａに０Ｖから５Ｖの三角波で変調された印加電圧をかけた場合は、ほぼ中央付近に理論予測されるＮ₂Ｏの吸収線の位置と一致するピークが観測された。

なお、上記実施例１及び本実施例では、４．５４μｍ付近のＮ₂Ｏの吸収線を観測したが、他の波長帯の異なるガスにおいても、同様の効果が得られる。

［実施例３］
本実施例も、図１及び図４を参照して説明する。

本実施例において、導波路型波長変換素子１０Ａには、コア層１４、１５がニオブ酸リチウムからなり、クラッド層がタンタル酸リチウムからなる直接接合法を用いたリッジ型導波路を作製している。このリッジ型導波路において、反転周期Λ₀＝１７．６μｍの周期分極反転構造からなる波長変換部１１Ａを３０ｍｍ作製し、周期分極反転構造の無い領域を２０ｍｍ確保する。リッジ型導波路のコア層１４、１５の厚みと幅は、それぞれ８μｍと１４μｍである。リッジ型導波路の上面にＳｉＯ₂を０．５μｍ堆積し、フォトプロセスと金属蒸着により、周期分極反転構造の無い導波路上面と当該導波路横の基板１３であるタンタル酸リチウム層の上に直線電極部となる電極１６、１７を作製し、この部分を電気光学効果による屈折率変調部１２Ａとしている。導波路型波長変換素子１０Ａの端面は斜めに６度カットされ、ＡＲコートが施されている。

ここでは、信号光光源２２及び励起光光源２３を同じ入力光源とし、１．５２６μｍのＤＦＢ−ＬＤを用いており、この出力光が屈折率変調部１２Ａ側から導波路型波長変換素子１０Ａに入力される。導波路型波長変換素子１０Ａでは、第二高調波発生により、変換光である０．７６３μｍの赤色光が発生する。導波路型波長変換素子１０Ａからの出力光は外気である空気（測定対象）を１ｍ伝搬し、Ｓｉ受光器（受光器２４）で受光する。

入力光源の波長は、シグナルジェネレータ２５から発せられた周波数１Ｈｚの鋸歯状波と周波数１５ｋＨｚのサイン波が重畳された信号により変調（掃引）されている。サイン波の振幅は１０ｍＶで、鋸歯状波は０．５Ｖから０．７Ｖで発生されている。この電圧により電圧−電流変換を行い、入力光源の電流注入量は変調されている。受光器２４からの出力をロックインアンプ２６に入力し、１５ｋＨｚのサイン波の倍成分である３０ｋＨｚの成分を観測し、出力をオシロスコープ２７に入力する。オシロスコープ２７は１Ｈｚの鋸歯状波と同期されており、鋸歯状波により発生波長が変調されているので、時間軸が波長の変化に相当し、ロックインアンプ２６からの２ｆ成分のスペクトルを観測している。ロックインアンプ２６の時定数は１ｍｓｅｃに設定されている。

導波路型波長変換素子１０Ａの屈折率変調部１２Ａに印加電圧を印加しなかった場合のオシロスコープ波形を図６（ａ）に示す。中央に乱れはあるが、出力光のフリンジが原因となるほぼサイン波型の出力波形が得られた。次に、屈折率変調部１２Ａに０Ｖから５Ｖの三角波で変調された印加電圧をかけた所、ロックインアンプ２６の時定数が長いため、変調の１周期以上の時間平均の出力が得られ、図６（ｂ）に示すように、ほぼ中央付近にピークが観測され、理論予測されるＯ₂の吸収線の位置と一致した。以上のように、屈折率変調部１２Ａに周期的な電圧を印加することにより、フリンジの影響を抑えることに成功した。なお、図６（ａ）及び図６（ｂ）においても、横軸は波長に相当する時間を示し、縦軸は２ｆ成分の信号強度を示している。

［実施例４］
本実施例では、導波路型波長変換素子の構成、作製方法が上述した実施例と異なる。本実施例で使用する導波路型波長変換素子の概略図を図７に示すと共に、図４も参照して、本実施例を説明する。

図７に示す導波路型波長変換素子１０Ｃも、波長変換部１１Ｂと屈折率変調部１２Ｃを有している。本実施例では、ニオブ酸リチウム基板３１の一部にまず周期分極反転領域３２（周期分極反転構造）を設け、反転周期Λ₀＝１７．７μｍの周期分極反転領域３２が３０ｍｍの波長変換部１１Ｂとなっており、周期分極反転領域３２で無い領域３３が２０ｍｍとなっており、これらの領域３２、３３に直線型のプロトン交換導波路３４を作製した。フォトプロセスと金属蒸着とにより、プロトン交換導波路３４の両側であって、分極反転周期領域で無い領域３３に直線電極部となる電極３５、３６を２本形成し、屈折率変調部１２Ｃとした。

実施例３と同様に、入力光源として、１．５２６μｍのＤＦＢ−ＬＤを使用し、この出力光が屈折率変調部１２Ｃ側から導波路型波長変換素子１０Ｃに入力される。導波路型波長変換素子１０Ｃでは、第二高調波発生により、変換光である０．７６３μｍの赤色光が発生する。導波路型波長変換素子１０Ｃからの出力光は外気である空気（測定対象）を１ｍ伝搬し、Ｓｉ受光器（受光器２４）で受光する。

実施例３と同様に、導波路型波長変換素子１０Ｃの屈折率変調部１２Ｃに印加電圧を印加しなかった場合には、図６（ａ）に示すオシロスコープ波形と同様に、中央に乱れはあるが、出力光のフリンジが原因となるほぼサイン波型の出力波形が得られた。次に、屈折率変調部１２Ｃに０Ｖから１５Ｖの三角波で変調された印加電圧をかけた所、図６（ｂ）とほぼ同様に、ほぼ中央付近にピークが観測され、理論予測されるＯ₂の吸収線の位置と一致した。以上のように、屈折率変調部１２Ｃに周期的な電圧を印加することにより、フリンジの影響を抑えることに成功した。ここでは、電極３５、３６から屈折率変調部１２Ｃへの電圧（電界）の印加方向が異なるので、Ｖπ＝１５Ｖが大きくなっている。

なお、本実施例ではプロトン交換導波路を用いたが、Ｔｉ拡散導波路等の拡散型導波路を用いても良い。

［他の変形例］
上記実施例１〜４では、導波路型波長変換素子のコア層に２次非線形光学結晶であるニオブ酸リチウムもしくはニオブ酸リチウムにプロトンが拡散されたものを用いたが、他の２次非線形光学媒質を用いても良い。特に、基板やコア層に、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムを用いたり、ニオブ酸リチウムやタンタル酸リチウムに、Ｍｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料を用いたりすることが望ましい。又、タンタル酸リチウム等からなる基板に、リブ型の形状を持つ上述したコア層を接着剤で貼り付けて、導波路型波長変換素子を作製しても良い。

更に、屈折率変調部と波長変換部の順番に有為な差は無く、上記実施例１〜４では導波路型波長変換素子の屈折率変調部側から入力光が入力されたが、屈折率変調部を出力側とし、入力側に波長変換部を持ってきても良い。

更に、屈折率変調部に印加した電圧は三角波で変調したが、サイン波や鋸歯状波等の繰り返し型の変調を行えば、フリンジの影響を抑制できる。又、上記実施例１〜４では、差周波発生と第二高調波発生に関して示したが、和周波発生などの他の２次非線形光学効果を用いて波長変換をしても同様の効果が得られる。又、上記実施例１〜４では、屈折率変調部は電気光学効果に依るものを示したが、図２に示したように、熱光学効果を用いて屈折率を変調しても良い。又、上記実施例１〜４では、ロックインアンプでノイズ成分を取り除きつつ時間平均を取る計測を行ったが、更に、得られたデータを統計平均し、より明確なノイズ除去を行っても良い。

本発明は、ガスのセンシングや光学部品分光に好適なものである。

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ導波路型波長変換素子
１１Ａ、１１Ｂ波長変換部
１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｃ屈折率変調部
１３基板
１４、１５コア層
１６、１７電極
２０中赤外光源
２１合波器
２２信号光光源
２３励起光光源
２４受光器
２５シグナルジェネレータ
２６ロックインアンプ
２７オシロスコープ
３１ニオブ酸リチウム基板
３２周期分極反転領域
３３周期分極反転領域の無い領域
３４プロトン交換導波路
３５、３６電極

Claims

第１の波長の光と第２の波長の光とを入射することにより、２次非線形光学効果により新たな第３の波長の光を発生する２次非線形光学媒質からなる周期分極反転構造を有する導波路型波長変換素子と、測定対象を透過した前記第３の波長の光を受光する受光器と、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の少なくとも一方の光の波長を掃引することにより、前記第３の光の波長を掃引し、前記受光器で受光した光の分光を行う分光手段とを少なくとも備えた分光装置において、
前記導波路型波長変換素子の入力側又は出力側に接続された導波路と前記導波路に配置された電極とからなり、前記第３の光による前記導波路型波長変換素子でのフリンジの山が１周期分変化する変調電圧を周期的に前記電極に印加することにより、前記導波路の屈折率を周期的に変調させる屈折率変調部を設け、
前記分光手段は、前記受光器の出力を前記変調の１周期以上に渡って時間平均することにより分光スペクトルを得る
ことを特徴とする分光装置。
請求項１に記載の分光装置において、
前記第１の波長の光と前記第２の波長の光は同じ波長であって、同じ光源から出力される
ことを特徴とする分光装置。
請求項１又は請求項２に記載の分光装置において、
前記屈折率変調部は、前記電極に電圧を印加して、電気光学効果により前記導波路の屈折率を変調する
ことを特徴とする分光装置。
請求項１又は請求項２に記載の分光装置において、
前記屈折率変調部は、前記電極に電圧を印加して、熱光学効果により前記導波路の屈折率を変調する
ことを特徴とする分光装置。
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の分光装置において、
前記導波路型波長変換素子は直接接合法で作製され、コア層がＬｉＮｂＯ₃又はＬｉＮｂＯ₃にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成る
ことを特徴とする分光装置。
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の分光装置において、
前記導波路型波長変換素子はリブ型の形状を持つコア層が基板に接着剤で貼り付けられて作製され、コア層がＬｉＮｂＯ₃又はＬｉＮｂＯ₃にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成る
ことを特徴とする分光装置。
請求項１から請求項４のいずれか１つに記載の分光装置において、
前記導波路型波長変換素子は基板としてＬｉＮｂＯ₃又はＬｉＮｂＯ₃にＭｇ、Ｚｎ、Ｓｃ及びＩｎからなる群から選ばれた少なくとも一種が添加物として含有された材料から成り、Ｔｉもしくはプロトンが拡散されて導波路が形成されている
ことを特徴とする分光装置。
第１の波長の光と第２の波長の光とを２次非線形光学媒質からなる周期分極反転構造を有する導波路型波長変換素子に入射して、前記導波路型波長変換素子の２次非線形光学効果により新たな第３の波長の光を発生させると共に、前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光の少なくとも一方の光の波長を掃引することにより、前記第３の光の波長を掃引し、
前記導波路型波長変換素子で発生させた前記第３の波長の光を測定対象に入射し、前記測定対象を透過した前記第３の波長の光を受光器で受光し、
前記受光器で受光した光の分光を行う分光検出方法において、
前記導波路型波長変換素子の入力側又は出力側に接続された導波路と前記導波路に配置された電極とを設けて、前記第３の光による前記導波路型波長変換素子でのフリンジの山が１周期分変化する変調電圧を周期的に前記電極に印加することにより、前記導波路の屈折率を周期的に変調させると共に、
前記受光器の出力を前記変調の１周期以上に渡って時間平均することにより分光スペクトルを得る
ことを特徴とする分光検出方法。