JPH11284260A - 制御可能な多波長出力をもつ超短パルス光源 - Google Patents
制御可能な多波長出力をもつ超短パルス光源Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】固定波長の超短光パルスを出す単一光源から、
可変あるいは可調波長の超短光パルスを発生させるため
の方法と装置を提供する。 【解決手段】これらの目的は、固定された波長の超短パ
ルスを発生するためのレーザシステムを構成する第一の
パートと、少なくとも一つの波長変換チャネルを構成す
る第二のパートと、を有するシステムで達成される。一
個（複数）の波長制御素子は、レーザ発生器と波長変換
チャネルの間に配置され、パルスをレーザ発生器から少
なくとも一つの波長変換チャネルに向かわせる。別のコ
ンポーネントあるいは複数のコンポーネントは、波長変
換チャネルの下流に配置され、分離した波長変換チャネ
ルからの出力を一つの出力チャネルに結び付ける働きを
する。本発明の多波長レーザシステムは、複数の異なる
単一波長レーザシステムに取って代わる。そのシステム
の一つの特別な応用は、多光子顕微鏡で、レーザ光源の
超短単一波長を選択できることは、任意の単一蛍光色素
あるいは数種類の蛍光色素を同時に適合させる。
可変あるいは可調波長の超短光パルスを発生させるため
の方法と装置を提供する。 【解決手段】これらの目的は、固定された波長の超短パ
ルスを発生するためのレーザシステムを構成する第一の
パートと、少なくとも一つの波長変換チャネルを構成す
る第二のパートと、を有するシステムで達成される。一
個（複数）の波長制御素子は、レーザ発生器と波長変換
チャネルの間に配置され、パルスをレーザ発生器から少
なくとも一つの波長変換チャネルに向かわせる。別のコ
ンポーネントあるいは複数のコンポーネントは、波長変
換チャネルの下流に配置され、分離した波長変換チャネ
ルからの出力を一つの出力チャネルに結び付ける働きを
する。本発明の多波長レーザシステムは、複数の異なる
単一波長レーザシステムに取って代わる。そのシステム
の一つの特別な応用は、多光子顕微鏡で、レーザ光源の
超短単一波長を選択できることは、任意の単一蛍光色素
あるいは数種類の蛍光色素を同時に適合させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、複数波長の超短光パル
スを発生する装置と方法に関し、特に、そのような光パ
ルスを発生し制御する光ファイバと光導波路を使った装
置と方法に関する。超短は、ここでは、１０−１５秒
（フェムト秒）〜１０−１２秒（ピコ秒）の範囲を対象
とする。本発明は、さらに、同時に放出される複数波長
の超短光パルスを使った光イメージングのための方法と
装置に関する。
スを発生する装置と方法に関し、特に、そのような光パ
ルスを発生し制御する光ファイバと光導波路を使った装
置と方法に関する。超短は、ここでは、１０−１５秒
（フェムト秒）〜１０−１２秒（ピコ秒）の範囲を対象
とする。本発明は、さらに、同時に放出される複数波長
の超短光パルスを使った光イメージングのための方法と
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】超短光パルスを発生する様々なレーザシ
ステムが従来技術の中で知られている。実用的な観点か
ら、これらシステムは２つの大きなカテゴリに分類され
る：レーザ利得媒質の使用を基本とする固体レーザシス
テムと、導波するファイバ光学素子に基づくファイバレ
ーザシステム。ファイバレーザはその固有構造により多
数の基本的な特性を有しており、その特性はファイバレ
ーザを広範な実際の用途に著しく適合させる。
ステムが従来技術の中で知られている。実用的な観点か
ら、これらシステムは２つの大きなカテゴリに分類され
る：レーザ利得媒質の使用を基本とする固体レーザシス
テムと、導波するファイバ光学素子に基づくファイバレ
ーザシステム。ファイバレーザはその固有構造により多
数の基本的な特性を有しており、その特性はファイバレ
ーザを広範な実際の用途に著しく適合させる。
【０００３】従来技術の中で知られているように、ファ
イバレーザはコンパクトで、ダイオードポンプが可能
で、ロバスト性、再現性に優れている。多数の理由のた
めに、現在、超短パルスファイバレーザシステムに適し
た最も成熟した技術は、波長約１．５５μｍの出力パル
スを出すＥｒドープファイバを基本としている。最初、
Ｅｒドープファイバは、最も発達した希土類ドープファ
イバの中に位置づけられている。そのようなファイバを
ポンピングするダイオードレーザも大きく進歩してい
る。
イバレーザはコンパクトで、ダイオードポンプが可能
で、ロバスト性、再現性に優れている。多数の理由のた
めに、現在、超短パルスファイバレーザシステムに適し
た最も成熟した技術は、波長約１．５５μｍの出力パル
スを出すＥｒドープファイバを基本としている。最初、
Ｅｒドープファイバは、最も発達した希土類ドープファ
イバの中に位置づけられている。そのようなファイバを
ポンピングするダイオードレーザも大きく進歩してい
る。
【０００４】特に、超短パルスの発生は、レーザ共振器
内における分散の設計−制御を必要とする。これは、
１．３μｍ以上の波長でのみコンパクトなすべてのファ
イバ共振器内で達成される。そのファイバ共振器内での
光ファイバの分散は、正負どちらかの符号に合わされ
る。しかしながら、超短パルスの様々な実際の応用は、
他の動作波長、たとえば、より短い、あるいは、より長
い動作波長を必要とする。現在、これらの波長でのフェ
ムト秒パルスファイバ発振器は、共振器内の分散を制御
するために、プリズム対セットのようなバルク状外部部
品を使用することでのみ設計される。
内における分散の設計−制御を必要とする。これは、
１．３μｍ以上の波長でのみコンパクトなすべてのファ
イバ共振器内で達成される。そのファイバ共振器内での
光ファイバの分散は、正負どちらかの符号に合わされ
る。しかしながら、超短パルスの様々な実際の応用は、
他の動作波長、たとえば、より短い、あるいは、より長
い動作波長を必要とする。現在、これらの波長でのフェ
ムト秒パルスファイバ発振器は、共振器内の分散を制御
するために、プリズム対セットのようなバルク状外部部
品を使用することでのみ設計される。
【０００５】多くの応用にとって、レーザの波長は重要
である。たとえば、細胞生物学に使われる共焦点顕微鏡
の場合、特定の色素が細胞の異なる部位に加えられ、異
なる作用を観察するために使用される。最近、短パルス
でピークパワの高い超高速レーザが、２光子励起を必要
とする共鳴での色素励起に使用された。すなわち、２光
子吸収効果と呼ばれる非線形光学効果を起こすために、
顕微鏡の焦点に十分な光子密度を供給するのに超高速レ
ーザが使用された。
である。たとえば、細胞生物学に使われる共焦点顕微鏡
の場合、特定の色素が細胞の異なる部位に加えられ、異
なる作用を観察するために使用される。最近、短パルス
でピークパワの高い超高速レーザが、２光子励起を必要
とする共鳴での色素励起に使用された。すなわち、２光
子吸収効果と呼ばれる非線形光学効果を起こすために、
顕微鏡の焦点に十分な光子密度を供給するのに超高速レ
ーザが使用された。
【０００６】この効果は、元々の２光子の各々の半波長
に相当するエネルギレベルで色素を励起するのに使われ
る。しかしながら、利用できる異なる波長のレーザの数
は限定されており；したがって、現時点で利用できる色
素は２〜３種類しかない。したがって、２光子顕微鏡の
分野は、多数の異なる色素に対応する異なる波長に広く
同調できるレーザから利益を得ることができる。走査型
２光子顕微鏡用レーザの最近の容認されたスペックは、
平均パワ１０〜３０ｍＷ、パルス幅１００〜２００ｆ
ｓ、繰り返し５０〜１００ＭＨｚ、である。
に相当するエネルギレベルで色素を励起するのに使われ
る。しかしながら、利用できる異なる波長のレーザの数
は限定されており；したがって、現時点で利用できる色
素は２〜３種類しかない。したがって、２光子顕微鏡の
分野は、多数の異なる色素に対応する異なる波長に広く
同調できるレーザから利益を得ることができる。走査型
２光子顕微鏡用レーザの最近の容認されたスペックは、
平均パワ１０〜３０ｍＷ、パルス幅１００〜２００ｆ
ｓ、繰り返し５０〜１００ＭＨｚ、である。
【０００７】いくつかの特殊なレーザシステムの波長範
囲を拡げるための一般的でよく知られた方法は、和ある
いは差周波の光高調波発生や、光パラメトリック利得の
ような非線形光学相互作用を利用することである。高調
波発生は、光信号をより高い光周波数（より短い波長）
に変換するのにだけ適しており、波長可変あるいは多波
長出力を出すことはできない。和周波と差周波の発生
は、より高い光周波数とより低い光周波数の両方の光周
波数への信号変換を可能にし、波長同調を可能にする
が、少なくとも、２つの異なる光周波数でよく同期した
２つの光源を必要とする。したがって、これら各々の相
互作用だけでは一つの単波長信号源から多波長あるいは
波長可変出力を供給することができない。
囲を拡げるための一般的でよく知られた方法は、和ある
いは差周波の光高調波発生や、光パラメトリック利得の
ような非線形光学相互作用を利用することである。高調
波発生は、光信号をより高い光周波数（より短い波長）
に変換するのにだけ適しており、波長可変あるいは多波
長出力を出すことはできない。和周波と差周波の発生
は、より高い光周波数とより低い光周波数の両方の光周
波数への信号変換を可能にし、波長同調を可能にする
が、少なくとも、２つの異なる光周波数でよく同期した
２つの光源を必要とする。したがって、これら各々の相
互作用だけでは一つの単波長信号源から多波長あるいは
波長可変出力を供給することができない。
【０００８】光パラメトリック相互作用は、一つの単一
波長信号源を使って可変あるいは多波長変換を行うのに
適している。さらに、光パラメトリック変換は、パラメ
トリック相互作用と上述の相互作用のうちの少なくとも
一つと組み合わせることで、光信号をより低い光周波数
（より長波長）にのみ変換することを可能にするが、信
号光周波数より高いあるいは低いどちらの光周波数も得
られる。
波長信号源を使って可変あるいは多波長変換を行うのに
適している。さらに、光パラメトリック変換は、パラメ
トリック相互作用と上述の相互作用のうちの少なくとも
一つと組み合わせることで、光信号をより低い光周波数
（より長波長）にのみ変換することを可能にするが、信
号光周波数より高いあるいは低いどちらの光周波数も得
られる。
【０００９】パラメトリック光周波数変換の一般的な欠
点は、自然量子変動ノイズを微視的なレベルから巨視的
なレベルに増幅するのに十分な高いパラメトリック利得
を達成するために、すなわち、十分な信号エネルギ変換
を達成するために、高いピークパワと高いパルスエネル
ギが必要になるということである。必要なエネルギは、
典型的なモードロックされた超短パルスレーザ発振器か
ら直接発生されるエネルギよりもはるかに大きいという
ことが、従来からよく知られている。
点は、自然量子変動ノイズを微視的なレベルから巨視的
なレベルに増幅するのに十分な高いパラメトリック利得
を達成するために、すなわち、十分な信号エネルギ変換
を達成するために、高いピークパワと高いパルスエネル
ギが必要になるということである。必要なエネルギは、
典型的なモードロックされた超短パルスレーザ発振器か
ら直接発生されるエネルギよりもはるかに大きいという
ことが、従来からよく知られている。
【００１０】既知の最良の実験結果は、Galvanauskas等
によって"Fiber-laser based femtosecond parametric
generator in bulk periodically poled LiNbO3"; Opti
cs Letters, Vol.22, No.2, January, 1997 に報告され
たように、バルクの周期的にポーリングされたリチウム
ニオブ酸結晶中で光パラメトリック発生（ＯＰＧ）のし
きい値が〜５０ｎＪで、約１００ｎＪのときのＯＰＧ変
換効率が〜４０％である。
によって"Fiber-laser based femtosecond parametric
generator in bulk periodically poled LiNbO3"; Opti
cs Letters, Vol.22, No.2, January, 1997 に報告され
たように、バルクの周期的にポーリングされたリチウム
ニオブ酸結晶中で光パラメトリック発生（ＯＰＧ）のし
きい値が〜５０ｎＪで、約１００ｎＪのときのＯＰＧ変
換効率が〜４０％である。
【００１１】それに対して、ファイバレーザからの典型
的なフェムト秒モードロックパルスエネルギは、１０ｐ
Ｊ〜１０ｎＪの範囲であり（Fermann等によって"Enviro
nmentally stable Kerr-type mode-locked erbium fibe
r laser prducing 360-fs pulse"; Optics Letters; Vo
l.19, No.1; January, 1997, と"Generation of 10nJpi
cosecond pulses from a modelocked fiber laser"; El
ectoronics Letters,Vol.31, No.3; February, 1995,に
記載されているように）、また、固体レーザからの典型
的なフェムト秒モードロックパルスエネルギは、最大〜
３０ｎＪである（Pelouch等によって、"Ti:sapphire-pu
mped, high-repetition-rate femtosecond optical par
ametric oscillator"; Optics Letters Vol.17, No.15;
August, 1992,に記載されているように）。
的なフェムト秒モードロックパルスエネルギは、１０ｐ
Ｊ〜１０ｎＪの範囲であり（Fermann等によって"Enviro
nmentally stable Kerr-type mode-locked erbium fibe
r laser prducing 360-fs pulse"; Optics Letters; Vo
l.19, No.1; January, 1997, と"Generation of 10nJpi
cosecond pulses from a modelocked fiber laser"; El
ectoronics Letters,Vol.31, No.3; February, 1995,に
記載されているように）、また、固体レーザからの典型
的なフェムト秒モードロックパルスエネルギは、最大〜
３０ｎＪである（Pelouch等によって、"Ti:sapphire-pu
mped, high-repetition-rate femtosecond optical par
ametric oscillator"; Optics Letters Vol.17, No.15;
August, 1992,に記載されているように）。
【００１２】たとえば、Pelouch等の上記文献に見られ
るように、次のことが従来から知られている。有効な光
パラメトリック波長変換は、ポンプパルスとシグナルパ
ルスがパラメトリック利得媒質を同期して通過すること
を確実にする分離した光共振器中に非線形結晶を配置し
て、非増幅あるいは増幅されたモードロックレーザパル
スで達成される。この場合、パラメトリック相互作用は
繰り返し起こるので、低い単一通過パラメトリック利得
とモードロック発振器の低パルスエネルギは、有効な変
換を行うのに十分である。
るように、次のことが従来から知られている。有効な光
パラメトリック波長変換は、ポンプパルスとシグナルパ
ルスがパラメトリック利得媒質を同期して通過すること
を確実にする分離した光共振器中に非線形結晶を配置し
て、非増幅あるいは増幅されたモードロックレーザパル
スで達成される。この場合、パラメトリック相互作用は
繰り返し起こるので、低い単一通過パラメトリック利得
とモードロック発振器の低パルスエネルギは、有効な変
換を行うのに十分である。
【００１３】この方法の重大な実用上の欠点は、２つの
精密に長さを合わせた光共振器を必要とすることであ
る；一つはモードロック発振器用であり、他方は同期し
てポンピングされた光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）
用である。したがって、そのようなＯＰＯシステムは複
雑で、大きく、根本的に環境条件に極めて敏感である
（ロバスト性がない）。
精密に長さを合わせた光共振器を必要とすることであ
る；一つはモードロック発振器用であり、他方は同期し
てポンピングされた光パラメトリック発振器（ＯＰＯ）
用である。したがって、そのようなＯＰＯシステムは複
雑で、大きく、根本的に環境条件に極めて敏感である
（ロバスト性がない）。
【００１４】さらに、そのようなシステムの波長同調に
は非線形結晶の回転あるいは移動、共振器ミラーの回
転、等のような同調素子の機械的な移動を必要とし、こ
れは、高速の波長同調あるいは切り換えに適合しない。
したがって、ＯＰＯシステムは、モードロック発振器出
力で直接的に多波長パルスを発生させるための実用的な
短パルス光源にはなり得ない。
は非線形結晶の回転あるいは移動、共振器ミラーの回
転、等のような同調素子の機械的な移動を必要とし、こ
れは、高速の波長同調あるいは切り換えに適合しない。
したがって、ＯＰＯシステムは、モードロック発振器出
力で直接的に多波長パルスを発生させるための実用的な
短パルス光源にはなり得ない。
【００１５】
【本発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、固
定波長の超短光パルスを出す単一光源から、可変あるい
は可調波長の超短光パルスを発生させるための方法と装
置を提供することである。本発明のさらなる目的は、固
定波長の超短光パルスを出す単一光源を使って、複数の
波長の超短光パルスを発生させるための方法と装置を提
供することである。
定波長の超短光パルスを出す単一光源から、可変あるい
は可調波長の超短光パルスを発生させるための方法と装
置を提供することである。本発明のさらなる目的は、固
定波長の超短光パルスを出す単一光源を使って、複数の
波長の超短光パルスを発生させるための方法と装置を提
供することである。
【００１６】本発明の別の目的は、複数の波長変換チャ
ネル間の選択のための、レーザシステム出力の高速制御
を、提供することである。本発明の別の目的は、分離し
た波長変換チャネルからの出力を単一出力ビームに組み
合わせることで、レーザシステムの単一出力で複数波長
を提供することである。
ネル間の選択のための、レーザシステム出力の高速制御
を、提供することである。本発明の別の目的は、分離し
た波長変換チャネルからの出力を単一出力ビームに組み
合わせることで、レーザシステムの単一出力で複数波長
を提供することである。
【００１７】本発明の別の目的は、現存する超短パルス
レーザ発振器と合致する比較的低いパルスエネルギとパ
ワで有効な多波長あるいは可変波長動作を可能にするこ
とである。本発明の別の目的は、コンパクトで、ロバス
トな、製作しやすい、コスト面で効果的な、装置を提供
するために、ロバストで、コンパクトかつ大型化に適し
た部品を使って、そのようなシステムを実施することで
ある。
レーザ発振器と合致する比較的低いパルスエネルギとパ
ワで有効な多波長あるいは可変波長動作を可能にするこ
とである。本発明の別の目的は、コンパクトで、ロバス
トな、製作しやすい、コスト面で効果的な、装置を提供
するために、ロバストで、コンパクトかつ大型化に適し
た部品を使って、そのようなシステムを実施することで
ある。
【００１８】複数の光シグナル波長から選択できるこ
と、あるいは、複数の光シグナル波長を同時に使用でき
ることがイメージング性能向上に是非必要であるところ
の光イメージングシステムに、そのような多波長レーザ
システムを実施することが、本発明の別の目的である。
前述の目的は、個々に達成されるし、組み合わせても達
成される。そして、これに添付されたクレームで明確に
要求されない限り、本発明が組み合わされる二つあるい
はそれ以上の目的を必要とすると解釈されることは、意
図していない。
と、あるいは、複数の光シグナル波長を同時に使用でき
ることがイメージング性能向上に是非必要であるところ
の光イメージングシステムに、そのような多波長レーザ
システムを実施することが、本発明の別の目的である。
前述の目的は、個々に達成されるし、組み合わせても達
成される。そして、これに添付されたクレームで明確に
要求されない限り、本発明が組み合わされる二つあるい
はそれ以上の目的を必要とすると解釈されることは、意
図していない。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明に従い、これらの
目的は、固定された波長の超短パルスを発生するための
レーザシステムを構成する第一のパートと、少なくとも
一つ、なるべくなら複数の波長変換チャネルを構成する
第二のパートと、を有するシステムで達成される。
目的は、固定された波長の超短パルスを発生するための
レーザシステムを構成する第一のパートと、少なくとも
一つ、なるべくなら複数の波長変換チャネルを構成する
第二のパートと、を有するシステムで達成される。
【００２０】一個（複数）の波長制御素子は、レーザ発
生器と波長変換チャネルの間に配置され、パルスをレー
ザ発生器から少なくとも一つの波長変換チャネルに向か
わせる。別のコンポーネントあるいは複数のコンポーネ
ントは、波長変換チャネルの下流に配置され、分離した
波長変換チャネルからの出力を一つの出力チャネルに結
び付ける働きをする。
生器と波長変換チャネルの間に配置され、パルスをレー
ザ発生器から少なくとも一つの波長変換チャネルに向か
わせる。別のコンポーネントあるいは複数のコンポーネ
ントは、波長変換チャネルの下流に配置され、分離した
波長変換チャネルからの出力を一つの出力チャネルに結
び付ける働きをする。
【００２１】本発明によれば、新規な光導波路が波長変
換チャネルと波長制御、ビーム制御チャネルに使用され
る。好ましくは、ファイバレーザシステムが単一波長の
超短パルスの発生のために使われる。本発明の多波長レ
ーザシステムは、複数の異なる単一波長レーザシステム
に取って代わる。そのシステムの一つの特別な応用は、
多光子顕微鏡で、レーザ光源の超短単一波長を選択でき
ることは、任意の単一蛍光色素あるいは数種類の蛍光色
素を同時に適合させる。
換チャネルと波長制御、ビーム制御チャネルに使用され
る。好ましくは、ファイバレーザシステムが単一波長の
超短パルスの発生のために使われる。本発明の多波長レ
ーザシステムは、複数の異なる単一波長レーザシステム
に取って代わる。そのシステムの一つの特別な応用は、
多光子顕微鏡で、レーザ光源の超短単一波長を選択でき
ることは、任意の単一蛍光色素あるいは数種類の蛍光色
素を同時に適合させる。
【００２２】本発明の別の応用は、パルスを発生するレ
ーザの波長と異なる波長の超短光パルスを必要とするシ
ステムへの応用である。たとえば、本発明のシステム
は、光コヒーレンス・トモグラフィ（ＯＣＴ）のため
に、超短パルス波長を皮膚が最も透明な約１．３μｍに
シフトさせることができる。同様に、本発明のシステム
は、加工、印刷、ディスプレイ、のような応用のために
非常にハイパワな超短パルスを発生させるイッテルビウ
ム増幅器で増幅される波長範囲（１．０４〜１．１２μ
ｍ）に、超短パルスの波長をシフトさせることができ
る。
ーザの波長と異なる波長の超短光パルスを必要とするシ
ステムへの応用である。たとえば、本発明のシステム
は、光コヒーレンス・トモグラフィ（ＯＣＴ）のため
に、超短パルス波長を皮膚が最も透明な約１．３μｍに
シフトさせることができる。同様に、本発明のシステム
は、加工、印刷、ディスプレイ、のような応用のために
非常にハイパワな超短パルスを発生させるイッテルビウ
ム増幅器で増幅される波長範囲（１．０４〜１．１２μ
ｍ）に、超短パルスの波長をシフトさせることができ
る。
【００２３】本発明の上記およびさらなる目的、特徴、
利点は、以下に記載されたそれらについての明確な実施
例の検討で明らかになるだろう。特に、いろいろな図中
の引用数字が部品を指示するために使われている添付図
面と共に理解するとき、明らかになるだろう。上記参考
文献の全ては、ここに参考として織り込まれている。
利点は、以下に記載されたそれらについての明確な実施
例の検討で明らかになるだろう。特に、いろいろな図中
の引用数字が部品を指示するために使われている添付図
面と共に理解するとき、明らかになるだろう。上記参考
文献の全ては、ここに参考として織り込まれている。
【００２４】
【実施例】図１は、本発明による可調あるいは可変光波
長、あるいは多波長の超短パルスを供給するためのシス
テムを示すトップレベルの図である。このステムは、固
定された波長の超短光パルスを発生するための超短パル
スレーザ（ＵＰＬ）１０と、少なくとも一つの波長変換
チャネル（ＷＣＣ）１２１〜１２ｎを含んでいる。ＵＰ
Ｌ１０は好ましくは、典型的なパルスエネルギが１０ｐ
Ｊ（１０×１０−１２Ｊ）〜１０ｎＪ（１０×１０−９
Ｊ）で、典型的な平均パワが０．１ｍＷ〜１００ｍＷの
ピコ秒あるいはフェムト秒光パルスを供給できるモード
ロック・ファイバ発振器である。モードロック・ファイ
バレーザ発振器は、Ｆｅｒｍａｎｎ等による上記参考文
献に記述されているような様々な実行できるデザインを
もつことができる。ファイバ発振器は、どのようなファ
イバ分散制御素子をも有しないオールファイバ共振器を
もつことが、上記の理由で好ましい。したがって、好ま
しい動作波長は、１．５５μｍである。
長、あるいは多波長の超短パルスを供給するためのシス
テムを示すトップレベルの図である。このステムは、固
定された波長の超短光パルスを発生するための超短パル
スレーザ（ＵＰＬ）１０と、少なくとも一つの波長変換
チャネル（ＷＣＣ）１２１〜１２ｎを含んでいる。ＵＰ
Ｌ１０は好ましくは、典型的なパルスエネルギが１０ｐ
Ｊ（１０×１０−１２Ｊ）〜１０ｎＪ（１０×１０−９
Ｊ）で、典型的な平均パワが０．１ｍＷ〜１００ｍＷの
ピコ秒あるいはフェムト秒光パルスを供給できるモード
ロック・ファイバ発振器である。モードロック・ファイ
バレーザ発振器は、Ｆｅｒｍａｎｎ等による上記参考文
献に記述されているような様々な実行できるデザインを
もつことができる。ファイバ発振器は、どのようなファ
イバ分散制御素子をも有しないオールファイバ共振器を
もつことが、上記の理由で好ましい。したがって、好ま
しい動作波長は、１．５５μｍである。
【００２５】図１に示す実施例の一つの重要な特徴は、
ＷＣＣでの波長変換が光導波路中で行われるということ
である。上述のように、最近既知の非線形材料への非線
形変換の使用は、モードロック・ファイバレーザあるい
は一般的に任意の他のモードロック超短パルスレーザか
らの非増幅出力を使っての光パラメトリック発生を起こ
させない。周期的にポーリングしたリチウムニオブ酸
（ＬｉＮｂＯ3）中の特別に設計した導波路に光パラメ
トリック発生を使うことで、ＯＰＧしきい値が超短パル
ス発振器を利用できるエネルギ範囲に低下されること
が、最初に実験検証された。
ＷＣＣでの波長変換が光導波路中で行われるということ
である。上述のように、最近既知の非線形材料への非線
形変換の使用は、モードロック・ファイバレーザあるい
は一般的に任意の他のモードロック超短パルスレーザか
らの非増幅出力を使っての光パラメトリック発生を起こ
させない。周期的にポーリングしたリチウムニオブ酸
（ＬｉＮｂＯ3）中の特別に設計した導波路に光パラメ
トリック発生を使うことで、ＯＰＧしきい値が超短パル
ス発振器を利用できるエネルギ範囲に低下されること
が、最初に実験検証された。
【００２６】バルク結晶中と光導波路中での光パラメト
リック発生の根本的な差異は、後者が光ビームを小さな
断面積の領域に閉じ込め、かつ光ビームを回折広がりな
しに全導波路長に渡って伝搬させることである。それに
比べ、光学結晶中の自由空間を伝搬するビームは、回折
広がりを起こす。したがって、光導波路中の長い伝搬長
に渡っての著しく高い光強度は、同じポンプパワでのバ
ルク結晶に比べ、著しく高い光パラメトリック利得をも
たらす。
リック発生の根本的な差異は、後者が光ビームを小さな
断面積の領域に閉じ込め、かつ光ビームを回折広がりな
しに全導波路長に渡って伝搬させることである。それに
比べ、光学結晶中の自由空間を伝搬するビームは、回折
広がりを起こす。したがって、光導波路中の長い伝搬長
に渡っての著しく高い光強度は、同じポンプパワでのバ
ルク結晶に比べ、著しく高い光パラメトリック利得をも
たらす。
【００２７】さらに、二つあるいはそれ以上の超短パル
ス間の最大相互作用長は、異なる波長の異なる群速度で
制限される。制限される最大ウオークオフ長ｌｗａｌｋ
−ｏｆｆは、パルス幅〓τと、光学材料の群速度不一致
（ＧＶＤ）パラメータｖＧＶＤで決まる；ｌｗａｌｋ−
ｏｆｆ＝〓τ／ｖＧＶＤ。同じ非線形材料（縮退での）
のバルク中の共焦点型集光ビームと比べた光導波路中の
ＯＰＧの利点は、定量的に次式で表される： Ｐｔｈ．ｃｏｎｆ．／Ｐｔｈ．ｗａｖｅｇ．＝λｌｗａ
ｌｋ−ｏｆｆ／２ｎＡｗａｖｅｇ． ここで、Ｐｔｈ．ｃｏｎｆ．とＰｔｈ．ｗａｖｅｇ．は
それぞれバルク結晶と導波路中でのポンプパルスのしき
い値ピークパワ、λとｎはシグナル波長と縮退点での屈
折率、Ａｗａｖｅｇ．は導波路の断面積である。したが
って、バルク結晶と比べた光導波路を使う優位性は、パ
ルス幅に反比例する。バルク物質の場合、ＯＰＧしきい
値がパルス幅に依存しないことに注意する必要がある。
上述のように、バルク結晶での最低ＯＰＧしきい値は、
周期的にポーリングしたリチウムニオブ酸（ＰＰＬＮ）
で達成された。したがって、ＰＰリチウムタンタル、Ｐ
ＰＫＴＰ、他のような周期的にポーリングした強誘電性
光材料も有利に使用されるが、パラメトリック導波路用
の好ましい物質は、ＰＰＬＮである。光導波路は、好ま
しくは、既知のチタン内部拡散（ＴＩ）あるいはプロト
ン交換（ＰＥ）（あるいはチタン内部拡散とプロトン交
換の組合せ（ＴＩＰＥ））技術を使って、ＰＰＬＮ基板
に形成される。
ス間の最大相互作用長は、異なる波長の異なる群速度で
制限される。制限される最大ウオークオフ長ｌｗａｌｋ
−ｏｆｆは、パルス幅〓τと、光学材料の群速度不一致
（ＧＶＤ）パラメータｖＧＶＤで決まる；ｌｗａｌｋ−
ｏｆｆ＝〓τ／ｖＧＶＤ。同じ非線形材料（縮退での）
のバルク中の共焦点型集光ビームと比べた光導波路中の
ＯＰＧの利点は、定量的に次式で表される： Ｐｔｈ．ｃｏｎｆ．／Ｐｔｈ．ｗａｖｅｇ．＝λｌｗａ
ｌｋ−ｏｆｆ／２ｎＡｗａｖｅｇ． ここで、Ｐｔｈ．ｃｏｎｆ．とＰｔｈ．ｗａｖｅｇ．は
それぞれバルク結晶と導波路中でのポンプパルスのしき
い値ピークパワ、λとｎはシグナル波長と縮退点での屈
折率、Ａｗａｖｅｇ．は導波路の断面積である。したが
って、バルク結晶と比べた光導波路を使う優位性は、パ
ルス幅に反比例する。バルク物質の場合、ＯＰＧしきい
値がパルス幅に依存しないことに注意する必要がある。
上述のように、バルク結晶での最低ＯＰＧしきい値は、
周期的にポーリングしたリチウムニオブ酸（ＰＰＬＮ）
で達成された。したがって、ＰＰリチウムタンタル、Ｐ
ＰＫＴＰ、他のような周期的にポーリングした強誘電性
光材料も有利に使用されるが、パラメトリック導波路用
の好ましい物質は、ＰＰＬＮである。光導波路は、好ま
しくは、既知のチタン内部拡散（ＴＩ）あるいはプロト
ン交換（ＰＥ）（あるいはチタン内部拡散とプロトン交
換の組合せ（ＴＩＰＥ））技術を使って、ＰＰＬＮ基板
に形成される。
【００２８】図２は、本発明のＷＣＣ用の好ましい導波
路構造を示している。光パラメトリック発生（ＯＰＧ）
ステージ１４は、分割されたモード変換器１６によって
先導される。モード変換器１６は、Chou等がここに参考
文献として全て織り込まれている"Adiabatically taper
ed periodic segmentation of channel waveguides for
mode-size transformation and fundamental mode exc
itation"; Optics Letters, Vol.21,No.11;June,1996,
に記載したのと類似のデザインをもつことができる。
路構造を示している。光パラメトリック発生（ＯＰＧ）
ステージ１４は、分割されたモード変換器１６によって
先導される。モード変換器１６は、Chou等がここに参考
文献として全て織り込まれている"Adiabatically taper
ed periodic segmentation of channel waveguides for
mode-size transformation and fundamental mode exc
itation"; Optics Letters, Vol.21,No.11;June,1996,
に記載したのと類似のデザインをもつことができる。
【００２９】ＯＰＧ導波路は、より長いパラメトリック
なシグナル波長（本実施例では〜１．５５μｍ）でシン
グルモードであるが、より短いポンプ波長（本実施例で
は７８０ｎｍ）でマルチモードであるので、モード変換
器１６の使用は有利である。したがって、ポンプ光を導
波路に直接結合させて、導波路中のポンプ波長で単一の
基本モードを励起することは困難である。ポンプ光が、
基本モードに変換されてから基本横モードのＯＰＧセク
ション１４に送り出される、モード変換ポート１６に、
ポンプ光が最初に結合されるとき、しきい値、安定性、
変換効率、に関して最高の性能が達成される。
なシグナル波長（本実施例では〜１．５５μｍ）でシン
グルモードであるが、より短いポンプ波長（本実施例で
は７８０ｎｍ）でマルチモードであるので、モード変換
器１６の使用は有利である。したがって、ポンプ光を導
波路に直接結合させて、導波路中のポンプ波長で単一の
基本モードを励起することは困難である。ポンプ光が、
基本モードに変換されてから基本横モードのＯＰＧセク
ション１４に送り出される、モード変換ポート１６に、
ポンプ光が最初に結合されるとき、しきい値、安定性、
変換効率、に関して最高の性能が達成される。
【００３０】図３は、バルク（点線）とＰＰＬＮ中の導
波路（実線）構造の場合における理論的なＯＰＧしきい
値エネルギの、ポンプパルス（導波路中）幅依存性を示
している。ＯＰＧしきい値エネルギは、上式とバルクＰ
ＰＬＮの場合を測定したＯＰＧエネルギしきい値５０ｎ
Ｊを使って計算される。２ｐｓの長いポンプパルスの場
合に測定された実験的なエネルギしきい値は図３に小球
で示すように、〜３４０ｐＪである。
波路（実線）構造の場合における理論的なＯＰＧしきい
値エネルギの、ポンプパルス（導波路中）幅依存性を示
している。ＯＰＧしきい値エネルギは、上式とバルクＰ
ＰＬＮの場合を測定したＯＰＧエネルギしきい値５０ｎ
Ｊを使って計算される。２ｐｓの長いポンプパルスの場
合に測定された実験的なエネルギしきい値は図３に小球
で示すように、〜３４０ｐＪである。
【００３１】しきい値レベルは、この特別なパルス幅の
場合、約２桁減少し、このことは、モードロックレーザ
を利用できるエネルギ範囲のピコ秒とサブピコ秒パルス
幅で、ＯＰＧが起きることを証明している。そのような
ファイバ発振器の一例が前述のFermann等の文献(Electr
onics Letters,Vol.31,No.3)に記載されている。記載さ
れているファイバ発振器は、本発明の導波路型ＯＰＧ波
長変換チャネルを直接駆動するのに十分なパルス幅２〜
４ｐｓ、エネルギ６〜１０ｎＪのパルスを出す。
場合、約２桁減少し、このことは、モードロックレーザ
を利用できるエネルギ範囲のピコ秒とサブピコ秒パルス
幅で、ＯＰＧが起きることを証明している。そのような
ファイバ発振器の一例が前述のFermann等の文献(Electr
onics Letters,Vol.31,No.3)に記載されている。記載さ
れているファイバ発振器は、本発明の導波路型ＯＰＧ波
長変換チャネルを直接駆動するのに十分なパルス幅２〜
４ｐｓ、エネルギ６〜１０ｎＪのパルスを出す。
【００３２】図４にグラフ表示したように、この構造で
十分なエネルギ変換が達成される。最大変換効率〜２５
％が、ＯＰＧしきい値の約４〜５倍のポンプエネルギで
達成されている。単一導波路で複数光波長をアクセスで
きるように、変換された光波長は、導波路の温度を調節
することで（すなわち、導波路が形成される基板温度を
制御することで）調節される。ＯＰＧ１４は、二つの異
なる光波長を同時に作ることができ、二つのうちの短波
長の方は”シグナル”と呼ばれ、長波長の方は”アイド
ラ”と呼ばれる。したがって、三つ（ポンプ、シグナ
ル、アイドラ）全てに対してエネルギ保存則と運動量保
存則が満たされるように、ポンプ波長と周期的ポーリン
グの周期を正確に選択することで、単一のＷＣＣが二つ
の必要とされる光波長の発生に適合するようになる。
十分なエネルギ変換が達成される。最大変換効率〜２５
％が、ＯＰＧしきい値の約４〜５倍のポンプエネルギで
達成されている。単一導波路で複数光波長をアクセスで
きるように、変換された光波長は、導波路の温度を調節
することで（すなわち、導波路が形成される基板温度を
制御することで）調節される。ＯＰＧ１４は、二つの異
なる光波長を同時に作ることができ、二つのうちの短波
長の方は”シグナル”と呼ばれ、長波長の方は”アイド
ラ”と呼ばれる。したがって、三つ（ポンプ、シグナ
ル、アイドラ）全てに対してエネルギ保存則と運動量保
存則が満たされるように、ポンプ波長と周期的ポーリン
グの周期を正確に選択することで、単一のＷＣＣが二つ
の必要とされる光波長の発生に適合するようになる。
【００３３】一例として、図５は、温度１００℃、擬位
相整合（ＱＰＭ）グレーティング周期１５μｍでのポン
プ波長に対する測定されたシグナルとアイドラの波長の
関係を示している。さらに、図１に示されているよう
に、多波長が、異なる電気ポーリング周期をもつ複数の
導波路を有する単一のチップでアクセスされる。前もっ
てデザインされた各波長は、必要な導波路を選択するた
めに結晶を横方向に移動させることで、アクセスされ
る。
相整合（ＱＰＭ）グレーティング周期１５μｍでのポン
プ波長に対する測定されたシグナルとアイドラの波長の
関係を示している。さらに、図１に示されているよう
に、多波長が、異なる電気ポーリング周期をもつ複数の
導波路を有する単一のチップでアクセスされる。前もっ
てデザインされた各波長は、必要な導波路を選択するた
めに結晶を横方向に移動させることで、アクセスされ
る。
【００３４】本発明にしたがって、各ＷＣＣは、ＯＰＧ
ステージ１４の前に少なくとも一つの高調波発生器ＨＧ
１８を、ＯＰＧステージ１４の後に少なくとも一つの高
調波発生器ＨＧ２０を、オプション的に有している。一
般的に、これはモードロックレーザ波長より短い光波長
を発生するようにする。全ての導波路は、システムを簡
単にして余分な導波路の結合損失を無くすように、単一
のチップ上に形成される。
ステージ１４の前に少なくとも一つの高調波発生器ＨＧ
１８を、ＯＰＧステージ１４の後に少なくとも一つの高
調波発生器ＨＧ２０を、オプション的に有している。一
般的に、これはモードロックレーザ波長より短い光波長
を発生するようにする。全ての導波路は、システムを簡
単にして余分な導波路の結合損失を無くすように、単一
のチップ上に形成される。
【００３５】もしも自由空間ポンプ光が、初期波長すな
わち１５５０ｎｍでシングルモードである導波路型高調
波発生器と最初に結合するならば、より短波長に波長変
換されたビームが一般的に基本モードで得られ、ＯＰＧ
ステージ（同じチップ上の）に直接送り出される。その
ときモード変換器は不要である。波長変換チャネルとし
て単一導波路を使用する多波長出力の構成例が図６に示
してある。たとえば、２光子顕微鏡には、波長が〜６８
０ｎｍ、〜７８０ｎｍ、〜９１５ｎｍの特有の超短パル
スのセットが強く要求される。これは、最初のセクショ
ンが、正確なＰＰＬＮ周期（正確な導波路形状を考慮し
て設計された）と導波路基板の温度を満たした第２高調
波発生器６０を構成する導波路に、〜１５５０ｎｍのフ
ァイバレーザ入力を送り出すことで達成される。
わち１５５０ｎｍでシングルモードである導波路型高調
波発生器と最初に結合するならば、より短波長に波長変
換されたビームが一般的に基本モードで得られ、ＯＰＧ
ステージ（同じチップ上の）に直接送り出される。その
ときモード変換器は不要である。波長変換チャネルとし
て単一導波路を使用する多波長出力の構成例が図６に示
してある。たとえば、２光子顕微鏡には、波長が〜６８
０ｎｍ、〜７８０ｎｍ、〜９１５ｎｍの特有の超短パル
スのセットが強く要求される。これは、最初のセクショ
ンが、正確なＰＰＬＮ周期（正確な導波路形状を考慮し
て設計された）と導波路基板の温度を満たした第２高調
波発生器６０を構成する導波路に、〜１５５０ｎｍのフ
ァイバレーザ入力を送り出すことで達成される。
【００３６】１．５５μｍの入力がシングルモードとす
ると、導波路は全てのセクションに渡って同じ幅を持つ
ことができる。そのとき、発生した第２高調波は基本モ
ードである。２倍にされた〜７８０ｎｍのファイバレー
ザ出力は、シグナル波長としての〜１３６０ｎｍとアイ
ドラ波長としての〜１８３０ｎｍとを同時に発生させる
ために、導波路ＯＰＧセクション６２にさらに伝搬す
る。指定された波長は、ＯＰＧセクションに使用された
確実なＰＰＮＬ周期を通じて、上述のファクタにしたが
い、得られる。これら発生した二つのシグナルとアイド
ラ波長は、導波路のさらに先のセクションで別々に２倍
にされ、それぞれ６８０ｎｍと９１５ｎｍの波長にされ
る。
ると、導波路は全てのセクションに渡って同じ幅を持つ
ことができる。そのとき、発生した第２高調波は基本モ
ードである。２倍にされた〜７８０ｎｍのファイバレー
ザ出力は、シグナル波長としての〜１３６０ｎｍとアイ
ドラ波長としての〜１８３０ｎｍとを同時に発生させる
ために、導波路ＯＰＧセクション６２にさらに伝搬す
る。指定された波長は、ＯＰＧセクションに使用された
確実なＰＰＮＬ周期を通じて、上述のファクタにしたが
い、得られる。これら発生した二つのシグナルとアイド
ラ波長は、導波路のさらに先のセクションで別々に２倍
にされ、それぞれ６８０ｎｍと９１５ｎｍの波長にされ
る。
【００３７】残りの７８０ｎｍのポンプは、これら二つ
の波長と共に伝搬して、たとえば、２光子顕微鏡に使用
される出力になる。ＯＰＧ出力用の高調波発生器６４と
６６を含むデバイスの最終ステージは、同じ基板、異な
る一枚の基板あるいは複数の基板に別々に、あるいはバ
ルク材を使って、作り込まれる。本発明による多波長、
超短パルス発生システムの一般的な実施例を図７に示
す。多波長の超短パルス出力を発生し制御するシステム
は、固定波長の超短光パルスを発生する超短パルスレー
ザ（ＵＰＬ）１０と、ＵＰＬ１０からの超短パルスのパ
ワとエネルギを増加させる光学的超短パルス増幅器（Ｕ
ＰＡ）２２と、各チャネルがパラメトリック発生ステー
ジ（ＰＧ）１４と光高調波発生（ＨＧ）ステージ１８、
２０を有する少なくとも一つあるいは好ましくは複数の
波長変換チャネル（ＷＣＣｓ）１２１〜１２ｎに超短パ
ルスを分配するための光分岐スイッチマトリックス（Ｏ
ＳＳＭ）２４と、単一出力ビームを供給するため複数の
ＷＣＣｓの出力ポートをシステムの出力端で結合するた
めの光結合スイッチマトリックスＯＣＳＭ２６と、を有
している（一つのＷＣＣだけが使われるなら、ＯＳＳＭ
とＯＣＳＭは必要ない）。
の波長と共に伝搬して、たとえば、２光子顕微鏡に使用
される出力になる。ＯＰＧ出力用の高調波発生器６４と
６６を含むデバイスの最終ステージは、同じ基板、異な
る一枚の基板あるいは複数の基板に別々に、あるいはバ
ルク材を使って、作り込まれる。本発明による多波長、
超短パルス発生システムの一般的な実施例を図７に示
す。多波長の超短パルス出力を発生し制御するシステム
は、固定波長の超短光パルスを発生する超短パルスレー
ザ（ＵＰＬ）１０と、ＵＰＬ１０からの超短パルスのパ
ワとエネルギを増加させる光学的超短パルス増幅器（Ｕ
ＰＡ）２２と、各チャネルがパラメトリック発生ステー
ジ（ＰＧ）１４と光高調波発生（ＨＧ）ステージ１８、
２０を有する少なくとも一つあるいは好ましくは複数の
波長変換チャネル（ＷＣＣｓ）１２１〜１２ｎに超短パ
ルスを分配するための光分岐スイッチマトリックス（Ｏ
ＳＳＭ）２４と、単一出力ビームを供給するため複数の
ＷＣＣｓの出力ポートをシステムの出力端で結合するた
めの光結合スイッチマトリックスＯＣＳＭ２６と、を有
している（一つのＷＣＣだけが使われるなら、ＯＳＳＭ
とＯＣＳＭは必要ない）。
【００３８】モードロック・ファイバ発振器で直接発生
したパルスエネルギが、導波路型ＷＣＣｓの駆動に十分
でないとすれば、レーザ出力は超短パルス増幅器ＵＰＡ
２２で増幅される。そのような増幅器は、ファイバ増幅
器が好ましい。非常に重要なことに、導波路型ＷＣＣｓ
の動作に必要なエネルギが低いことは、相対的に簡単な
ファイバ増幅器のデザインの使用を可能にする。
したパルスエネルギが、導波路型ＷＣＣｓの駆動に十分
でないとすれば、レーザ出力は超短パルス増幅器ＵＰＡ
２２で増幅される。そのような増幅器は、ファイバ増幅
器が好ましい。非常に重要なことに、導波路型ＷＣＣｓ
の動作に必要なエネルギが低いことは、相対的に簡単な
ファイバ増幅器のデザインの使用を可能にする。
【００３９】１〜１０ｎＪの範囲とそれ以上のパルス
は、直接あるいはGalvanauskas等がここに参考文献とし
て全て織り込まれている"Use of Chirped-Period-Poled
Lithium Niobate for Chirped Pulse Amplification i
n Optics Fibers";Ultrafast Optics '97,Monterey CA;
August,1997,に記載しているように、チャープされたフ
ァイバグレーティングあるいはチャープされた周期ポー
リング・リチウムニオブ酸圧縮器Ｃ−ＰＰＮＬに基づく
コンパクトでシンプルなチャープされたパルス増幅機構
を使うことで、得られる。
は、直接あるいはGalvanauskas等がここに参考文献とし
て全て織り込まれている"Use of Chirped-Period-Poled
Lithium Niobate for Chirped Pulse Amplification i
n Optics Fibers";Ultrafast Optics '97,Monterey CA;
August,1997,に記載しているように、チャープされたフ
ァイバグレーティングあるいはチャープされた周期ポー
リング・リチウムニオブ酸圧縮器Ｃ−ＰＰＮＬに基づく
コンパクトでシンプルなチャープされたパルス増幅機構
を使うことで、得られる。
【００４０】光結合スイッチマトリックス（ＯＣＳＭ）
２６は、複数のＷＣＣｓから特定のレーザ光源を選ぶこ
とができる。強誘電体（たとえば、ＰＰＬＮ）基板面に
形成された基本的なＯＣＳＭの概念的な平面図を図８に
示す。基本的なＯＣＳＭは、導波路３０からの波長λ１
のパルスと、あるいは導波路３２からの波長λ２のパル
スを、幹線（出力）導波路３４にスイッチすることがで
きる。
２６は、複数のＷＣＣｓから特定のレーザ光源を選ぶこ
とができる。強誘電体（たとえば、ＰＰＬＮ）基板面に
形成された基本的なＯＣＳＭの概念的な平面図を図８に
示す。基本的なＯＣＳＭは、導波路３０からの波長λ１
のパルスと、あるいは導波路３２からの波長λ２のパル
スを、幹線（出力）導波路３４にスイッチすることがで
きる。
【００４１】上述のように、基板はリチウムニオブ酸あ
るいはリチウムタンタル酸のような強誘電性材料で作ら
れることが好ましい。光導波路は、チタン内部拡散（Ｔ
Ｉ）あるいはプロトン交換（ＰＥ）あるいはチタン内部
拡散とプロトン交換の組合せ（ＴＩＰＥ）を使って形成
される。光スイッチは、二つの光導波路の特定の領域
を、レーザ光が一方の導波路から他方へスイッチできる
ように十分接近させることによって作られる。
るいはリチウムタンタル酸のような強誘電性材料で作ら
れることが好ましい。光導波路は、チタン内部拡散（Ｔ
Ｉ）あるいはプロトン交換（ＰＥ）あるいはチタン内部
拡散とプロトン交換の組合せ（ＴＩＰＥ）を使って形成
される。光スイッチは、二つの光導波路の特定の領域
を、レーザ光が一方の導波路から他方へスイッチできる
ように十分接近させることによって作られる。
【００４２】図９に示すように、外部電界がない場合、
導波路３０と３２の超短パルスは、幹線導波路３４にス
イッチされないで、導波路３０と３２の中を光学的な終
端まで伝搬し続ける。特定の電圧印加は、導波路３０と
３２の超短パルスあるいは、どちらか一方の超短パルス
の幹線導波路３４への完全結合を引き起こす。たとえ
ば、図１０に示すように、導波路３２の超短光パルス
は、二つの導波路間のギャップと直交して電圧Ｖ２を印
加することで、幹線導波路３４に結合される。ここに参
考文献として全て織り込まれている"Introduction to O
ptical Electronics",Amnon Yariv,pp.391-395,Holt,Ri
nehart and Winston, 1976,に記載されているような光
方向性結合器３６、３８は、導波路３０、３２と幹線導
波路３４間にそれぞれの電界を供給するために使用され
る。幹線導波路３４は、好ましくはＴＩＰＥプロセスの
みを使って形成される。こうすることは、様々な超短パ
ルスが幹線導波路３４を効率よく伝搬するようにし、全
てのＷＣＣｓのためにコモンポートを与える。
導波路３０と３２の超短パルスは、幹線導波路３４にス
イッチされないで、導波路３０と３２の中を光学的な終
端まで伝搬し続ける。特定の電圧印加は、導波路３０と
３２の超短パルスあるいは、どちらか一方の超短パルス
の幹線導波路３４への完全結合を引き起こす。たとえ
ば、図１０に示すように、導波路３２の超短光パルス
は、二つの導波路間のギャップと直交して電圧Ｖ２を印
加することで、幹線導波路３４に結合される。ここに参
考文献として全て織り込まれている"Introduction to O
ptical Electronics",Amnon Yariv,pp.391-395,Holt,Ri
nehart and Winston, 1976,に記載されているような光
方向性結合器３６、３８は、導波路３０、３２と幹線導
波路３４間にそれぞれの電界を供給するために使用され
る。幹線導波路３４は、好ましくはＴＩＰＥプロセスの
みを使って形成される。こうすることは、様々な超短パ
ルスが幹線導波路３４を効率よく伝搬するようにし、全
てのＷＣＣｓのためにコモンポートを与える。
【００４３】図１１は、図７に示されたＯＣＳＭ２６の
概観平面図である。ＯＣＳＭは、図１１に示された原理
に関連して任意の数のＷＣＣｓを処理するように設計さ
れるが、図１１は、三つのＷＣＣｓを処理できるＯＣＳ
Ｍを示している。ＯＣＳＭ２６は、強誘電性材に形成さ
れた三つの光方向性結合器４０、４２、４４からなる。
三つのＷＣＣｓの主要な光導波路４８、５２、５６はＴ
Ｉを使って形成される。
概観平面図である。ＯＣＳＭは、図１１に示された原理
に関連して任意の数のＷＣＣｓを処理するように設計さ
れるが、図１１は、三つのＷＣＣｓを処理できるＯＣＳ
Ｍを示している。ＯＣＳＭ２６は、強誘電性材に形成さ
れた三つの光方向性結合器４０、４２、４４からなる。
三つのＷＣＣｓの主要な光導波路４８、５２、５６はＴ
Ｉを使って形成される。
【００４４】５００ｎｍの超短パルスを伝搬させる最初
のＷＣＣの導波路４８は、屈折率ｎ１をもつ中心入力導
波路になる。オフ（ゼロ印加電圧）段階では、導波路４
８（出力導波路４６の中心部分になる）中を伝搬し続け
る。電圧Ｖ１を印加することで、５００ｎｍの超短パル
スは、レーザ投棄ポートにスイッチされ、吸収される。
出力導波路４６の中で、５００ｎｍパルスは、本来高度
のシングルモード動作を保存するｎ１の屈折率をもつ領
域内を伝搬するようになる。
のＷＣＣの導波路４８は、屈折率ｎ１をもつ中心入力導
波路になる。オフ（ゼロ印加電圧）段階では、導波路４
８（出力導波路４６の中心部分になる）中を伝搬し続け
る。電圧Ｖ１を印加することで、５００ｎｍの超短パル
スは、レーザ投棄ポートにスイッチされ、吸収される。
出力導波路４６の中で、５００ｎｍパルスは、本来高度
のシングルモード動作を保存するｎ１の屈折率をもつ領
域内を伝搬するようになる。
【００４５】波長７８０ｎｍのパルスを供給する２番目
のＷＣＣ導波路５２は、２番目のハイブリッド光方向性
結合器４２で出力導波路４６に結合されている。オフ段
階で、７８０ｎｍの超短パルスは、光学的終端ポート５
４に投棄される。電圧Ｖ２の印加で、７８０ｎｍの超短
パルスは、屈折率ｎ２のＴＩＰＥ導波路をもつ出力導波
路４６にスイッチされる。７８０ｎｍのパルスは、本来
高度のシングルモード動作を保存する（すなわち、ｎ１
とｎ２領域が組み合わさった部分は、７８０ｎｍの超短
パルスのシングルモード伝搬と合致する）ｎ１とｎ２の
屈折率をもつ出力導波路内を伝搬する。
のＷＣＣ導波路５２は、２番目のハイブリッド光方向性
結合器４２で出力導波路４６に結合されている。オフ段
階で、７８０ｎｍの超短パルスは、光学的終端ポート５
４に投棄される。電圧Ｖ２の印加で、７８０ｎｍの超短
パルスは、屈折率ｎ２のＴＩＰＥ導波路をもつ出力導波
路４６にスイッチされる。７８０ｎｍのパルスは、本来
高度のシングルモード動作を保存する（すなわち、ｎ１
とｎ２領域が組み合わさった部分は、７８０ｎｍの超短
パルスのシングルモード伝搬と合致する）ｎ１とｎ２の
屈折率をもつ出力導波路内を伝搬する。
【００４６】ＯＣＳＭは、さらに、別のハイブリッド光
方向性結合器４４と、屈折率ｎ３をもつ出力導波路４６
の付加的なＴＩＰＥ導波路部分とを有している。ここ
で、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３である。この付加的ＴＩＰＥ導波
路部分の役割は、波長９８０ｎｍのパルスが出力導波路
４６内を伝搬できるようにすることである。特に、９８
０ｎｍのパルスは、本来ｎ１、ｎ２，ｎ３領域（このｎ
１，ｎ２，ｎ３領域の組合せ断面積は、９８０ｎｍの超
短パルスのシングルモード伝搬と合致する）を横切って
伝搬する。ゼロ電圧が３番目の方向性結合器４４に印加
されると、導波路５６中を伝搬する９８０ｎｍの超短パ
ルスは、終端ポート５８に投棄される。ハイブリッド光
方向性結合器にＶ３の電圧を印加することで、波長９８
０ｎｍのパルスは、コモンハイブリッド出力ポート４６
に導かれる。
方向性結合器４４と、屈折率ｎ３をもつ出力導波路４６
の付加的なＴＩＰＥ導波路部分とを有している。ここ
で、ｎ１＞ｎ２＞ｎ３である。この付加的ＴＩＰＥ導波
路部分の役割は、波長９８０ｎｍのパルスが出力導波路
４６内を伝搬できるようにすることである。特に、９８
０ｎｍのパルスは、本来ｎ１、ｎ２，ｎ３領域（このｎ
１，ｎ２，ｎ３領域の組合せ断面積は、９８０ｎｍの超
短パルスのシングルモード伝搬と合致する）を横切って
伝搬する。ゼロ電圧が３番目の方向性結合器４４に印加
されると、導波路５６中を伝搬する９８０ｎｍの超短パ
ルスは、終端ポート５８に投棄される。ハイブリッド光
方向性結合器にＶ３の電圧を印加することで、波長９８
０ｎｍのパルスは、コモンハイブリッド出力ポート４６
に導かれる。
【００４７】便宜上、出力導波路４６は、分離した屈折
率ｎ１、ｎ２、ｎ３領域をもつように図１１に示されて
いるが、屈折率が出力導波路４６の幅方向に徐々に変化
する、すなわち、領域ｎ１とｎ２の間と領域ｎ２とｎ３
の間にステップ状の屈折率がない、ようにすることもで
きる。さらに、たとえば、二つのｎ２領域はｎ１領域の
下方に延びてｎ１領域を取り囲む一つの領域である必要
がなく、ｎ１，ｎ２，ｎ３領域が基板内で並んでいても
よい。
率ｎ１、ｎ２、ｎ３領域をもつように図１１に示されて
いるが、屈折率が出力導波路４６の幅方向に徐々に変化
する、すなわち、領域ｎ１とｎ２の間と領域ｎ２とｎ３
の間にステップ状の屈折率がない、ようにすることもで
きる。さらに、たとえば、二つのｎ２領域はｎ１領域の
下方に延びてｎ１領域を取り囲む一つの領域である必要
がなく、ｎ１，ｎ２，ｎ３領域が基板内で並んでいても
よい。
【００４８】光方向性結合器はハイブリッドが好まし
い。なぜなら、ここではＴＩＰＥ導波路技術が使われる
からである。ＴＩＰＥ導波路の使用は、コモンポートを
通って基板から退出させるために３波長光源全てを結合
させるのに役立ち、全ての波長は準シングルモード動作
状態になる。容易にわかるように、デバイスを複雑にす
ることで、多波長が単一の導波路を伝搬してもシングル
モードを維持するようになる。波長が互いに十分接近し
ていれば、単一導波路は各波長に対してシングルモード
である。
い。なぜなら、ここではＴＩＰＥ導波路技術が使われる
からである。ＴＩＰＥ導波路の使用は、コモンポートを
通って基板から退出させるために３波長光源全てを結合
させるのに役立ち、全ての波長は準シングルモード動作
状態になる。容易にわかるように、デバイスを複雑にす
ることで、多波長が単一の導波路を伝搬してもシングル
モードを維持するようになる。波長が互いに十分接近し
ていれば、単一導波路は各波長に対してシングルモード
である。
【００４９】図１１に示されたＯＣＳＭ２６は、基板材
の大きさでのみ制限される任意の数のＷＣＣｓの結合を
拡大することができる。入手可能な４”リチウムニオブ
酸ウエハで１０個の異なるＷＣＣｓを結合することがで
きる。様々なＴＩＰＥ導波路部分を設計することは、Ｗ
ＣＣｓの数が増せば増すほど重要になる。上述のこと
は、各ＷＣＣｓに受け入れられたシグナルパルスの結合
に関係する。同じ原理は、各ＷＣＣｓ中のアイドラ、シ
グナルのスイッチングを拡大することもできる。
の大きさでのみ制限される任意の数のＷＣＣｓの結合を
拡大することができる。入手可能な４”リチウムニオブ
酸ウエハで１０個の異なるＷＣＣｓを結合することがで
きる。様々なＴＩＰＥ導波路部分を設計することは、Ｗ
ＣＣｓの数が増せば増すほど重要になる。上述のこと
は、各ＷＣＣｓに受け入れられたシグナルパルスの結合
に関係する。同じ原理は、各ＷＣＣｓ中のアイドラ、シ
グナルのスイッチングを拡大することもできる。
【００５０】上述の新しいＯＳＣＭ２６の代わりに、集
積化光学チップに外付けされた従来のデバイスを使うこ
とで、その結合機能がうまく働くということに注意すべ
きである。たとえば、コモンパスに多波長を結合させる
多数の既知の手段がある。これらの手段は、ＷＤＭシス
テムに使用されたことがある。最も簡単な手段は、一連
のダイクロイックミラである。別のやり方は、ファイバ
ＷＤＭを使うことである。一般に、本発明のＯＳＣＭ２
６は、異なる波長を結合するためにＷＤＭシステムに使
われるどのような方法をも使うことができる。
積化光学チップに外付けされた従来のデバイスを使うこ
とで、その結合機能がうまく働くということに注意すべ
きである。たとえば、コモンパスに多波長を結合させる
多数の既知の手段がある。これらの手段は、ＷＤＭシス
テムに使用されたことがある。最も簡単な手段は、一連
のダイクロイックミラである。別のやり方は、ファイバ
ＷＤＭを使うことである。一般に、本発明のＯＳＣＭ２
６は、異なる波長を結合するためにＷＤＭシステムに使
われるどのような方法をも使うことができる。
【００５１】図７の光分岐スイッチマトリックスの構造
が、図１２に一般的に示してある。ＯＳＳＭ２４は、超
短パルス（たとえば、１．５５μｍ）をＵＰＬ１０から
ＷＣＣｓのどれか一つあるいはいくつかに直接送り込
む。ＯＳＳＭ２４の入力ポートから任意のＷＣＣｓへの
超短パルスの制御は、後述の電気−光学あるいは音響−
光学方法のどちらかを使って行われる。
が、図１２に一般的に示してある。ＯＳＳＭ２４は、超
短パルス（たとえば、１．５５μｍ）をＵＰＬ１０から
ＷＣＣｓのどれか一つあるいはいくつかに直接送り込
む。ＯＳＳＭ２４の入力ポートから任意のＷＣＣｓへの
超短パルスの制御は、後述の電気−光学あるいは音響−
光学方法のどちらかを使って行われる。
【００５２】図１２は、入力放射光を出力ポートのどれ
かあるいは全てに分配するための１×３光方向性結合器
６０の使用を示している。波長１．５５μｍのパルス
は、リチウムニオブ酸あるいはリチウムタンタル酸のよ
うな強誘電体基板にＴＩ、ＰＥ、あるいはＴＩＰＥで形
成された光導波路に送り込まれる。全ての導波路は、光
源波長でシングルモード伝搬するように設計された同じ
幅の断面積をもっている。分岐作用の条件は、１×３光
方向性結合器６０への電圧Ｖ１あるいはＶ２の印加によ
って決定される。
かあるいは全てに分配するための１×３光方向性結合器
６０の使用を示している。波長１．５５μｍのパルス
は、リチウムニオブ酸あるいはリチウムタンタル酸のよ
うな強誘電体基板にＴＩ、ＰＥ、あるいはＴＩＰＥで形
成された光導波路に送り込まれる。全ての導波路は、光
源波長でシングルモード伝搬するように設計された同じ
幅の断面積をもっている。分岐作用の条件は、１×３光
方向性結合器６０への電圧Ｖ１あるいはＶ２の印加によ
って決定される。
【００５３】最適化されたデバイス動作、すなわち、Ｗ
ＣＣｓ中の最小過剰損失と高い相互作用効率を確実にす
るために、適当なモード変換器１６がＷＣＣｓに使われ
る（図２参照）。１×３ＯＳＳＭに印加されるスイッチ
ング電圧は、上述のＯＣＳＭ２６のスイッチングに同期
される。図１２に示されたＯＳＳＭ２４は、電気−音響
あるいは電気−光学能動スイッチを使って実現される。
上記ＯＳＳＭを実現するために、導波路型グレーティン
グを使うこともできる。
ＣＣｓ中の最小過剰損失と高い相互作用効率を確実にす
るために、適当なモード変換器１６がＷＣＣｓに使われ
る（図２参照）。１×３ＯＳＳＭに印加されるスイッチ
ング電圧は、上述のＯＣＳＭ２６のスイッチングに同期
される。図１２に示されたＯＳＳＭ２４は、電気−音響
あるいは電気−光学能動スイッチを使って実現される。
上記ＯＳＳＭを実現するために、導波路型グレーティン
グを使うこともできる。
【００５４】図１３は、インターデジタル・トランスデ
ューサＩＤＴ１ ７０とＩＤＴ２７２で発生された表面
音響波（ＳＡＷｓ）に基づく１×３ＯＳＳＭの新しい実
施形態を示す。図１３に示されるように、ＩＤＴ１ ７
０とＩＤＴ２ ７２は基板表面に配置される。〓ｎ１、
〓ｎ２、〓ｎ３でマークされた光導波路領域は、ベース
の１×３光導波路構造より僅かに高い屈折率である。基
板材は、ＴＩを使って形成された導波路を有する強誘電
性材料であることが好ましい。僅かに高い屈折率の導波
路領域は、ＰＥを使って形成される。この構成で必要と
されることから、適当な熱処理で屈折率変化が最小にさ
れる。
ューサＩＤＴ１ ７０とＩＤＴ２７２で発生された表面
音響波（ＳＡＷｓ）に基づく１×３ＯＳＳＭの新しい実
施形態を示す。図１３に示されるように、ＩＤＴ１ ７
０とＩＤＴ２ ７２は基板表面に配置される。〓ｎ１、
〓ｎ２、〓ｎ３でマークされた光導波路領域は、ベース
の１×３光導波路構造より僅かに高い屈折率である。基
板材は、ＴＩを使って形成された導波路を有する強誘電
性材料であることが好ましい。僅かに高い屈折率の導波
路領域は、ＰＥを使って形成される。この構成で必要と
されることから、適当な熱処理で屈折率変化が最小にさ
れる。
【００５５】インターデジタル電極トランスデューサに
電気信号が供給されないとき、１．５５μｍレーザ光の
パスは、１×３ＯＳＳＭの中央出力ポートにまっすぐ伝
搬する。ＩＤＴ１ ７０に電圧Ｖ１が印加されると、発
生したＳＡＷｓが１．５５μｍレーザ光を１×３構造の
最初（たとえば上方）の出力ポートへ偏向させる。同様
に、電圧Ｖ２がＩＤＴ２ ７２に印加されると、１．５
５μｍの超短パルスは、１×３導波路構造の３番目（た
とえば下方）の出力ポートに偏向される。
電気信号が供給されないとき、１．５５μｍレーザ光の
パスは、１×３ＯＳＳＭの中央出力ポートにまっすぐ伝
搬する。ＩＤＴ１ ７０に電圧Ｖ１が印加されると、発
生したＳＡＷｓが１．５５μｍレーザ光を１×３構造の
最初（たとえば上方）の出力ポートへ偏向させる。同様
に、電圧Ｖ２がＩＤＴ２ ７２に印加されると、１．５
５μｍの超短パルスは、１×３導波路構造の３番目（た
とえば下方）の出力ポートに偏向される。
【００５６】入力パルスの偏向方向と量は、印加電圧と
〓ｎ値の両方に依存する。基板表面へのＩＤＴｓの配置
は、効率を改善するために最適化される。そのような構
成で、９０％以上の効率が実現されている。挿入損失
は、〓ｎ構造であることで最小にされる。入力レーザ放
射を１×３ＯＳＳＭの三つ全ての出力ポートへ等しく分
配するために、三つのハイブリッド導波路領域の〓ｎ
が、熱処理時間を短くするかＰＥ時間を長くすること
で、増大される。この動作モードで、ＯＳＳＭへの印加
電圧Ｖ１、Ｖ２の両方は、等分岐作用を最適化すること
を要求される。
〓ｎ値の両方に依存する。基板表面へのＩＤＴｓの配置
は、効率を改善するために最適化される。そのような構
成で、９０％以上の効率が実現されている。挿入損失
は、〓ｎ構造であることで最小にされる。入力レーザ放
射を１×３ＯＳＳＭの三つ全ての出力ポートへ等しく分
配するために、三つのハイブリッド導波路領域の〓ｎ
が、熱処理時間を短くするかＰＥ時間を長くすること
で、増大される。この動作モードで、ＯＳＳＭへの印加
電圧Ｖ１、Ｖ２の両方は、等分岐作用を最適化すること
を要求される。
【００５７】入力パルスの偏向用に音響−光学素子を使
う代わりに、強誘電体基板に一対のグレーティング状金
属電極を用いた電気−光学誘導グレーティング（ＥＯ
Ｇ）を使って、スイッチング作用を行わせることができ
る。図１４は、そのような１×３ＯＳＳＭの新しい実施
を示している。１×３光導波路と三つの適度に高い〓ｎ
領域があるということは、図１３に示した音響−光学型
１×３ＯＳＳＭに記載されたものに類似させている。
う代わりに、強誘電体基板に一対のグレーティング状金
属電極を用いた電気−光学誘導グレーティング（ＥＯ
Ｇ）を使って、スイッチング作用を行わせることができ
る。図１４は、そのような１×３ＯＳＳＭの新しい実施
を示している。１×３光導波路と三つの適度に高い〓ｎ
領域があるということは、図１３に示した音響−光学型
１×３ＯＳＳＭに記載されたものに類似させている。
【００５８】ＥＯＧ１ ８０に電圧Ｖ１を印加すること
で、図１３のＩＤＴで発生されるのに類似の周期的な屈
折率変化が誘起される。金属的電気−光学誘導グレーテ
ィング構造の周期は、１．５５μｍの入力パルスが１×
３導波路デバイスの第１（たとえば上方）の出力ポート
にスイッチされるように設計される。電圧が印加されな
いと、１．５５μｍの入力パルスは、１×３ＯＳＳＭデ
バイスの中間ポートに真っ直ぐ進む。電圧Ｖ２がＥＯＧ
２ ８２に印加されると、入ってくる１．５５μｍの入
力パルスは、１×３デバイスの第３（たとえば下方）の
出力ポートに適切にスイッチされる。
で、図１３のＩＤＴで発生されるのに類似の周期的な屈
折率変化が誘起される。金属的電気−光学誘導グレーテ
ィング構造の周期は、１．５５μｍの入力パルスが１×
３導波路デバイスの第１（たとえば上方）の出力ポート
にスイッチされるように設計される。電圧が印加されな
いと、１．５５μｍの入力パルスは、１×３ＯＳＳＭデ
バイスの中間ポートに真っ直ぐ進む。電圧Ｖ２がＥＯＧ
２ ８２に印加されると、入ってくる１．５５μｍの入
力パルスは、１×３デバイスの第３（たとえば下方）の
出力ポートに適切にスイッチされる。
【００５９】１×３ＯＳＳＭ中の三つのハイブリッド導
波路構造の屈折率変化は、入力ポンプレーザ放射を三つ
の出力ポートに等分岐できるように、増大される。ＥＯ
Ｇｓ８０と８２の両方は、分岐を最適化するために使わ
れる。ここに記述された音響−光学と電気−光学デバイ
スは、たとえば、電話通信回路中にスイッチングのため
に使われているものである。もちろん、電話通信応用の
ための他の集積光回路用スイッチング方法も使われる。
波路構造の屈折率変化は、入力ポンプレーザ放射を三つ
の出力ポートに等分岐できるように、増大される。ＥＯ
Ｇｓ８０と８２の両方は、分岐を最適化するために使わ
れる。ここに記述された音響−光学と電気−光学デバイ
スは、たとえば、電話通信回路中にスイッチングのため
に使われているものである。もちろん、電話通信応用の
ための他の集積光回路用スイッチング方法も使われる。
【００６０】上述のＯＣＳＭのように、ＯＳＳＭは１×
３から１×１０構造へ拡張可能である。再度、決定的な
制限は、強誘電体ウエハの大きさである。１×３ＯＳＳ
Ｍ素子より大きい素子のハイブリッドＰＥ部分は、ＯＳ
ＳＭ、ＷＣＣ、ＯＣＳＭ構造全体に渡って要求されたよ
うに、より大きい角度分岐でのより高い分岐損失を補償
するために、多重ＰＥプロセスで実現される。ＯＳＳＭ
２４、ＷＣＣｓ、ＯＣＳＭ２６は、好ましくは一つの基
板に形成される。
３から１×１０構造へ拡張可能である。再度、決定的な
制限は、強誘電体ウエハの大きさである。１×３ＯＳＳ
Ｍ素子より大きい素子のハイブリッドＰＥ部分は、ＯＳ
ＳＭ、ＷＣＣ、ＯＣＳＭ構造全体に渡って要求されたよ
うに、より大きい角度分岐でのより高い分岐損失を補償
するために、多重ＰＥプロセスで実現される。ＯＳＳＭ
２４、ＷＣＣｓ、ＯＣＳＭ２６は、好ましくは一つの基
板に形成される。
【００６１】本発明の多波長光源のための特殊構造は、
応用にとって非常に重要である。システムの中の多波長
光源で、多くの可能性の広がりをもつようになる。一つ
の好ましい実施に関連して、本発明の多波長光源は、２
光子顕微鏡用光源として使われる。レーザの目的は、異
なる励起波長を必要とする多数の色素を一つのシステム
の中に使えるようにすることである。
応用にとって非常に重要である。システムの中の多波長
光源で、多くの可能性の広がりをもつようになる。一つ
の好ましい実施に関連して、本発明の多波長光源は、２
光子顕微鏡用光源として使われる。レーザの目的は、異
なる励起波長を必要とする多数の色素を一つのシステム
の中に使えるようにすることである。
【００６２】これは、そのような顕微鏡の有効性を拡大
する。たとえば、７８０ｎｍから７００ｎｍと８５０ｎ
ｍにすぐ調節できるレーザをもつことは有益である。同
様に、波長６８０ｎｍ、７８０ｎｍ、９１５ｎｍのパル
スをすぐに調節、あるいは同時に発生するレーザをもつ
ことも有益である（図６参照）。そのようなレーザは、
そのような各波長で有利に励起される色素のために使わ
れる。
する。たとえば、７８０ｎｍから７００ｎｍと８５０ｎ
ｍにすぐ調節できるレーザをもつことは有益である。同
様に、波長６８０ｎｍ、７８０ｎｍ、９１５ｎｍのパル
スをすぐに調節、あるいは同時に発生するレーザをもつ
ことも有益である（図６参照）。そのようなレーザは、
そのような各波長で有利に励起される色素のために使わ
れる。
【００６３】たとえば、ローダミン、ＨＴ２９、ＨＯＥ
３３３４２、色素は７８０ｎｍの２光子励起で励起され
る。これらは、それぞれ、肝細胞、結腸ガン、核小体の
ラベリングに使われる。Fura-2,Indo-1,Grenn Fluoresc
ent Protein,FITCは、７００ｎｍの２光子励起で励起さ
れる。これらは、組織のラベリングや樹枝状神経組織中
でのカルシウム変換を追跡するのに最も有効である。レ
ーザからの８５０ｎｍを使っての約２８０ｎｍでの３光
子励起は、セロトニン、トリプトファン、ＮＡＤＨ、Ｎ
ＡＤ（ｐ）Ｈの自己蛍光を引き起こすのに使われる。セ
ロトニンは、脳の中の主要なアミノ系化合物としての神
経活動のキーとなるゲージである。ＮＡＤＨとＮＡＤ
（ｐ）Ｈは、たとえば皮膚の黒色腫を追跡して鑑定する
ために使われる。
３３３４２、色素は７８０ｎｍの２光子励起で励起され
る。これらは、それぞれ、肝細胞、結腸ガン、核小体の
ラベリングに使われる。Fura-2,Indo-1,Grenn Fluoresc
ent Protein,FITCは、７００ｎｍの２光子励起で励起さ
れる。これらは、組織のラベリングや樹枝状神経組織中
でのカルシウム変換を追跡するのに最も有効である。レ
ーザからの８５０ｎｍを使っての約２８０ｎｍでの３光
子励起は、セロトニン、トリプトファン、ＮＡＤＨ、Ｎ
ＡＤ（ｐ）Ｈの自己蛍光を引き起こすのに使われる。セ
ロトニンは、脳の中の主要なアミノ系化合物としての神
経活動のキーとなるゲージである。ＮＡＤＨとＮＡＤ
（ｐ）Ｈは、たとえば皮膚の黒色腫を追跡して鑑定する
ために使われる。
【００６４】多波長光源は、通常の共焦点顕微鏡にも非
常に魅力的であるので、１／２波長より基本波長に吸収
をもつ色素を使う多光子励起よりは、むしろ通常の多光
子励起に使われる。時間パルスをピークパワが２光子励
起に不十分になるように、長いパルスにすることが望ま
しい。したがって、この場合、レーザは、共焦点顕微鏡
に使われているアルゴンイオンレーザの４８２ｎｍと５
１４ｎｍ、ＨｅＮｅの６３２ｎｍ、Ｔｉ：サファイアの
７８０ｎｍのような普通の波長にスイッチングできなけ
ればならない。
常に魅力的であるので、１／２波長より基本波長に吸収
をもつ色素を使う多光子励起よりは、むしろ通常の多光
子励起に使われる。時間パルスをピークパワが２光子励
起に不十分になるように、長いパルスにすることが望ま
しい。したがって、この場合、レーザは、共焦点顕微鏡
に使われているアルゴンイオンレーザの４８２ｎｍと５
１４ｎｍ、ＨｅＮｅの６３２ｎｍ、Ｔｉ：サファイアの
７８０ｎｍのような普通の波長にスイッチングできなけ
ればならない。
【００６５】超高速光源のパワを増大させることも魅力
的である。より高いパワは、加工に関連する多くの応用
に必要である。超高ファイバレーザがエルビウム増幅器
で１ワットに増幅されることが実証された。しかしなが
ら、現在のところ、パワは約１０ワットに制限されてお
り、このパワは多くの加工応用には低すぎる。最近、イ
ットリビウムファイバ増幅器が４０ワットの出力を出す
ことが実証された。これらの増幅器は、エルビウムより
有効で、より高いパワに向いている。
的である。より高いパワは、加工に関連する多くの応用
に必要である。超高ファイバレーザがエルビウム増幅器
で１ワットに増幅されることが実証された。しかしなが
ら、現在のところ、パワは約１０ワットに制限されてお
り、このパワは多くの加工応用には低すぎる。最近、イ
ットリビウムファイバ増幅器が４０ワットの出力を出す
ことが実証された。これらの増幅器は、エルビウムより
有効で、より高いパワに向いている。
【００６６】これらのファイバは、大きなバンド幅を有
し、非常に短いパルスを維持することができるが、これ
ら波長（すなわち、１．０４〜１．１２μｍ）の市販超
高速光源はない。より普通の（たとえば、エルビウム）
超高速光源の出力は、ＯＰＧ周波数変換器でイットリビ
ウム増幅器の上流波長に変換される。これは、非常に高
いパワ光源を可能にする。
し、非常に短いパルスを維持することができるが、これ
ら波長（すなわち、１．０４〜１．１２μｍ）の市販超
高速光源はない。より普通の（たとえば、エルビウム）
超高速光源の出力は、ＯＰＧ周波数変換器でイットリビ
ウム増幅器の上流波長に変換される。これは、非常に高
いパワ光源を可能にする。
【００６７】同じぐらいより高いパワが得られる別のハ
イパワ増幅器は、イットリビウムＹＡＧである。イット
リビウムＹＡＧは、２００ワットの平均パワを出すこと
が示されたが、イットリビウムＹＡＧの波長を出す通常
の超高速光源はない。イットリビウム増幅器の一つの主
な応用は、市販のディスプレイあるいは印刷用のＲＧＢ
光源としてである。再び、イットリビウム増幅器での増
幅の後に、超高速パルスを同時にあるいは別々に赤、
緑、青の波長に変換できるＯＰＧ導波路デバイスが付加
される。
イパワ増幅器は、イットリビウムＹＡＧである。イット
リビウムＹＡＧは、２００ワットの平均パワを出すこと
が示されたが、イットリビウムＹＡＧの波長を出す通常
の超高速光源はない。イットリビウム増幅器の一つの主
な応用は、市販のディスプレイあるいは印刷用のＲＧＢ
光源としてである。再び、イットリビウム増幅器での増
幅の後に、超高速パルスを同時にあるいは別々に赤、
緑、青の波長に変換できるＯＰＧ導波路デバイスが付加
される。
【００６８】上述のタイプの集積光回路は、像形成のた
めに色を変えたり変えなかったりするスイッチング回路
をもつこともできる。超高速パルスは、各色でのハイピ
ークパワと大きいバンド幅で得られる有効な変換がレー
ザから得られるスペックルを最小にするのに、有利であ
る（スペックルは像を眼に対して粒状に見せる）。光コ
ヒーレンス・トモグラフィ（ＯＣＴ）は、医学的、眼科
的イメージングツールとして開発されてきた。光を強く
散乱する人間の皮膚を透して撮像することが、光を使っ
てできるようになった。ＯＣＴがＭＲＩ、コンピュータ
・トモグラフィ、あるいは超音波のような他の医学イメ
ージングより、よい分解能を与えることが実証された。
軸方向分解能が１０ミクロンで、それがフェムト秒レー
ザのような短い可干渉距離の光源を使うことで、２ミク
ロンに減少される。
めに色を変えたり変えなかったりするスイッチング回路
をもつこともできる。超高速パルスは、各色でのハイピ
ークパワと大きいバンド幅で得られる有効な変換がレー
ザから得られるスペックルを最小にするのに、有利であ
る（スペックルは像を眼に対して粒状に見せる）。光コ
ヒーレンス・トモグラフィ（ＯＣＴ）は、医学的、眼科
的イメージングツールとして開発されてきた。光を強く
散乱する人間の皮膚を透して撮像することが、光を使っ
てできるようになった。ＯＣＴがＭＲＩ、コンピュータ
・トモグラフィ、あるいは超音波のような他の医学イメ
ージングより、よい分解能を与えることが実証された。
軸方向分解能が１０ミクロンで、それがフェムト秒レー
ザのような短い可干渉距離の光源を使うことで、２ミク
ロンに減少される。
【００６９】しかしながら、イメージングの深さは、３
ｍｍに限定される。ＯＣＴの一つの望ましい特徴は、ス
ーパルミネッセント・レーザダイオードのような簡単で
安い光源が使えることである。しかしながら、よりよい
性能は、モードロックレーザを使って得られる。たとえ
ば、蛙の幼虫の心臓の生物体内における撮像で、スーパ
ルミネッセント・ダイオードを使うと、像を得るのに２
０秒かかるが、モードロックレーザを使うと、０．２５
秒しかかからないので、研究者は、心弛緩と心収縮状態
の間波打つ心臓の動きを捕らえることができる。
ｍｍに限定される。ＯＣＴの一つの望ましい特徴は、ス
ーパルミネッセント・レーザダイオードのような簡単で
安い光源が使えることである。しかしながら、よりよい
性能は、モードロックレーザを使って得られる。たとえ
ば、蛙の幼虫の心臓の生物体内における撮像で、スーパ
ルミネッセント・ダイオードを使うと、像を得るのに２
０秒かかるが、モードロックレーザを使うと、０．２５
秒しかかからないので、研究者は、心弛緩と心収縮状態
の間波打つ心臓の動きを捕らえることができる。
【００７０】高速走査（２０００Ｈｚ）がこの早いイメ
ージの取得を達成するのに使われる。モードロックＴ
ｉ：サファイアとモードロックＣｒ：フォーステライト
の両方がＯＣＴに使われてきた。Ｃｒ：フォーステライ
トは、その波長（１３００ｎｍ）のために生物学的皮膚
の中のイメージングには特に適している；イメージング
深さを制限する散乱効果は、より長波長で減少する。そ
の方法は、ファイバ技術と両立できるので、ファイバス
コープにうまく使われてきた。
ージの取得を達成するのに使われる。モードロックＴ
ｉ：サファイアとモードロックＣｒ：フォーステライト
の両方がＯＣＴに使われてきた。Ｃｒ：フォーステライ
トは、その波長（１３００ｎｍ）のために生物学的皮膚
の中のイメージングには特に適している；イメージング
深さを制限する散乱効果は、より長波長で減少する。そ
の方法は、ファイバ技術と両立できるので、ファイバス
コープにうまく使われてきた。
【００７１】ここに参考文献として全て織り込まれてい
る"Rapid acquisition of in vivobiological image by
use of optical coherence tomography";Optics Lette
rs,Vol.21, No.17;September 1995,にTearney 等によっ
て報告されているように、高速イメージ取得装置付半径
方向走査型カテーテル・ファイバスコープが実証され
た。ＯＣＴは、多数の治療や人間の腹壁中のガンの検
出、豚の食道壁の表面下部イメージングと組織学、切除
による生検に代わる光生検の実施、カラードップラＯＣ
Ｔ（ＣＤＯＣＴ）を使った血流速度のマッピング、を含
む試験研究の中で実証されてきた。
る"Rapid acquisition of in vivobiological image by
use of optical coherence tomography";Optics Lette
rs,Vol.21, No.17;September 1995,にTearney 等によっ
て報告されているように、高速イメージ取得装置付半径
方向走査型カテーテル・ファイバスコープが実証され
た。ＯＣＴは、多数の治療や人間の腹壁中のガンの検
出、豚の食道壁の表面下部イメージングと組織学、切除
による生検に代わる光生検の実施、カラードップラＯＣ
Ｔ（ＣＤＯＣＴ）を使った血流速度のマッピング、を含
む試験研究の中で実証されてきた。
【００７２】ＯＣＴは、カテーテルやファイバスコー
プ、あるいは腹くう鏡的配達媒体と結合して、切除によ
る生検と組織学的処置なしで、ガンや前期ガン化皮膚変
化を含む広い範囲の病気のスクリーニングや診断を可能
にする見込みをもつようになる。ＯＣＴは、従来の顕微
鏡と結びついて、犠牲と組織学を必要としないで、生き
た標本の内部構造をイメージングすることを可能にす
る。
プ、あるいは腹くう鏡的配達媒体と結合して、切除によ
る生検と組織学的処置なしで、ガンや前期ガン化皮膚変
化を含む広い範囲の病気のスクリーニングや診断を可能
にする見込みをもつようになる。ＯＣＴは、従来の顕微
鏡と結びついて、犠牲と組織学を必要としないで、生き
た標本の内部構造をイメージングすることを可能にす
る。
【００７３】したがって、人間の皮膚内をＯＣＴイメー
ジングするためには、１．３ミクロンのレーザ光源が必
要である。ＯＰＧ導波路デバイスで１．３μｍに変換さ
れるエルビウムドープ・ファイバレーザは、この応用に
適している。問題と解答データを示すために、新しい発
明した方法と装置の好適実施例が記述されているので、
ここに示された一連の技術分野に熟練した人にとって
は、他の修正、変更、変化が暗示されると思われる。し
たがって、そのような全ての変更、修正、変化は、特許
請求の範囲によって規定される本発明の範囲内にあると
信じる。
ジングするためには、１．３ミクロンのレーザ光源が必
要である。ＯＰＧ導波路デバイスで１．３μｍに変換さ
れるエルビウムドープ・ファイバレーザは、この応用に
適している。問題と解答データを示すために、新しい発
明した方法と装置の好適実施例が記述されているので、
ここに示された一連の技術分野に熟練した人にとって
は、他の修正、変更、変化が暗示されると思われる。し
たがって、そのような全ての変更、修正、変化は、特許
請求の範囲によって規定される本発明の範囲内にあると
信じる。
【図１】本発明による超短パルスレーザ光源の概観図。
【図２】本発明の波長変換チャネル用の好ましい導波路
構造の概観図。
構造の概観図。
【図３】バルクと周期的にポーリングしたリチウムニオ
ブ酸（ＰＰＬＮ）導波路構造の場合の、ポンプパルス
（導波路中の）幅に依存する理論的光パラメトリック発
生（ＯＰＧ）のしきい値を示すグラフ。
ブ酸（ＰＰＬＮ）導波路構造の場合の、ポンプパルス
（導波路中の）幅に依存する理論的光パラメトリック発
生（ＯＰＧ）のしきい値を示すグラフ。
【図４】本発明によるポンプエネルギを関数とする光パ
ラメトリック発生（ＯＰＧ）変換効率の測定値を示すグ
ラフ。
ラメトリック発生（ＯＰＧ）変換効率の測定値を示すグ
ラフ。
【図５】１００℃における測定したシグナル波長とアイ
ドラ波長対ポンプ波長の関係を示すグラフ。
ドラ波長対ポンプ波長の関係を示すグラフ。
【図６】本発明による単一導波路を使った多波長出力の
概観図。
概観図。
【図７】本発明による多波長、超短パルス発生システム
の概観図。
の概観図。
【図８】二つの導波路の一方あるいは両方のパルスを一
つの出力導波路に切り換えるための基板面に形成された
光結合スイッチマトリックスの概観図。
つの出力導波路に切り換えるための基板面に形成された
光結合スイッチマトリックスの概観図。
【図９】二つの導波路の一方あるいは両方のパルスを一
つの出力導波路に切り換えるための基板面に形成された
光結合スイッチマトリックスの概観図。
つの出力導波路に切り換えるための基板面に形成された
光結合スイッチマトリックスの概観図。
【図１０】二つの導波路の一方あるいは両方のパルスを
一つの出力導波路に切り換えるための基板面に形成され
た光結合スイッチマトリックスの概観図。
一つの出力導波路に切り換えるための基板面に形成され
た光結合スイッチマトリックスの概観図。
【図１１】三つの波長変換チャネル導波路中を伝播する
超短光パルスを一つの出力導波路に結合できるようにす
る光結合スイッチマトリックス（ＯＣＳＭ）の概観図。
超短光パルスを一つの出力導波路に結合できるようにす
る光結合スイッチマトリックス（ＯＣＳＭ）の概観図。
【図１２】超短パルスを単一波長パルス光源から三つの
波長変換チャネルに選択的に分配するための光分岐スイ
ッチマトリックス（ＯＳＳＭ）の概観図である。
波長変換チャネルに選択的に分配するための光分岐スイ
ッチマトリックス（ＯＳＳＭ）の概観図である。
【図１３】音響−光学素子を使って超短パルスを三つの
波長変換チャネルに選択的に分配するための光分岐スイ
ッチマトリックス（ＯＳＳＭ）の概観図。
波長変換チャネルに選択的に分配するための光分岐スイ
ッチマトリックス（ＯＳＳＭ）の概観図。
【図１４】電気−光学素子を使って超短パルスを三つの
波長変換チャネルに選択的に分配するための光分岐スイ
ッチマトリックス（ＯＳＳＭ）の概観図である。
波長変換チャネルに選択的に分配するための光分岐スイ
ッチマトリックス（ＯＳＳＭ）の概観図である。
１０・・超短パルスレーザ（ＵＰＬ）、１２1〜１２n・
・波長変換チャネル（ＷＣＣ）、１４、６２・・光パラ
メトリック発生導波路、１６・・分割型モード変換器、
１８、２０・・高調波発生導波路、２２・・超短パルス
増幅器、２４・・光分岐スイッチマトリックス（ＯＳＳ
Ｍ）、２６・・光結合スイッチマトリックス（ＯＣＳ
Ｍ）、３０、３２・・導波路、３４・・幹線導波路、３
６、３８、４０、４２、４４・・光方向性結合器、４６
・・出力導波路、５０、５４、５８・・光学的終端、４
８、５２、５６・・ＷＣＣの主要な光導波路、６０、６
４、６６・・第２高調波発生器（ＳＨＧ）、７０・・イ
ンターディジタル・トランスデューサＩＤＴ１、７２・
・インターディジタル・トランスデューサＩＤＴ２、８
０、８２・・電気−光学誘導グレーティング（ＥＯＧ）
・波長変換チャネル（ＷＣＣ）、１４、６２・・光パラ
メトリック発生導波路、１６・・分割型モード変換器、
１８、２０・・高調波発生導波路、２２・・超短パルス
増幅器、２４・・光分岐スイッチマトリックス（ＯＳＳ
Ｍ）、２６・・光結合スイッチマトリックス（ＯＣＳ
Ｍ）、３０、３２・・導波路、３４・・幹線導波路、３
６、３８、４０、４２、４４・・光方向性結合器、４６
・・出力導波路、５０、５４、５８・・光学的終端、４
８、５２、５６・・ＷＣＣの主要な光導波路、６０、６
４、６６・・第２高調波発生器（ＳＨＧ）、７０・・イ
ンターディジタル・トランスデューサＩＤＴ１、７２・
・インターディジタル・トランスデューサＩＤＴ２、８
０、８２・・電気−光学誘導グレーティング（ＥＯＧ）
Claims (72)
- 【請求項１】 超短光パルスを発生する超短光パルス光
源と、 該超短光パルスの波長を異なる波長に変換するための複
数の波長変換チャネルと、からなり、 該波長変換チャネルは、光導波路からなり、かつ、少な
くとも該異なる波長の該超短パルスをパラメトリックに
発生するための光パラメトリック発生部を含むことを特
徴とする複数の異なる波長の超短光パルスを発生する超
短パルス発生器。 - 【請求項２】 前記波長変換チャネルの各々の中の光導
波路が、周期的にポーリングした強誘電性光材料からな
る基板に形成される、請求項１に記載の超短パルス発生
器。 - 【請求項３】 前記周期的にポーリングした強誘電性光
材料は、リチウムニオブ酸、リチウムタンタル酸、ＫＴ
Ｐ、のうちの一つである請求項２に記載の超短パルス発
生器。 - 【請求項４】 前記波長変換チャネルの各々は、波長変
換チャネルの温度、該波長変換チャネルにポンプされた
光の波長、該波長変換チャネル中の電界の周期的なポー
リングの周期、のうちの少なくとも一つを関数として、
前記超短光パルスの波長を変換する、請求項１に記載の
超短パルス発生器。 - 【請求項５】 前記超短光パルス光源は、モードロック
・レーザである、請求項１に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項６】 前記モードロック・レーザは、エルビウ
ムドープ・ファイバレーザである、請求項５に記載の超
短パルス発生器。 - 【請求項７】 前記超短光パルス光源は、モードロック
・Ｔｉ：サファイアレーザあるいはモードロック・Ｃ
ｒ：フォルステライトレーザである、請求項１に記載の
超短パルス発生器。 - 【請求項８】 前記波長変換チャネルの各々は、さら
に、前記超短光パルス光源で発生される超短光パルスの
波長より短い波長の超短光パルスを発生させるための少
なくとも一つの高調波発生器を含む、請求項１に記載の
超短パルス発生器。 - 【請求項９】 さらに、前記超短光パルス光源からの前
記超短光パルスのエネルギを前記波長変換チャネルに向
かわせる光分岐器を含む、請求項１に記載の超短パルス
発生器。 - 【請求項１０】 前記光分岐器は、最初の屈折率をも
ち、単一の入力光導波路を前記波長変換チャネルのｎ
（ｎは１より大きい整数である。）個の光導波路に接続
するスイッチング導波路からなり、該スイッチング導波
路は、該単一入力光導波路からの光パルスを該ｎ個の光
導波路のそれぞれの一つにガイドするための異なる屈折
率のｎ個の領域を含む、請求項９に記載の超短パルス発
生器。 - 【請求項１１】 前記スイッチング導波路は、強誘電性
光材料にチタンの内部拡散で形成され、前記異なる屈折
率のｎ個の領域は、プロトン交換で形成される、請求項
１０に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項１２】 前記単一入力光導波路から受け取った
超短光パルスのエネルギが、複数の前記ｎ個の光導波路
に十分等しく分配される、請求項１０に記載の超短パル
ス発生器。 - 【請求項１３】 前記光分岐器は、さらに、前記単一入
力光導波路から受け取った超短光パルスのエネルギを前
記異なる屈折率のｎ個の領域の任意の一つあるいは任意
の組み合わせに向かわせるための１×ｎ方向性結合器を
含み、それによって、該単一入力光導波路から受け取っ
た超短光パルスのエネルギが、該ｎ個の光導波路の任意
の一つあるいは任意の組み合わせにガイドされる、請求
項１０に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項１４】 前記１×ｎ方向性結合器は、前記単一
入力光導波路で受け取った超短光パルスを前記ｎ個の光
導波路のそれぞれの一つに偏向させることができる表面
音響波を発生するためのｎ個の音響−光学デバイスから
なる、請求項１３に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項１５】 前記音響−光学デバイスは、インター
デジタル・トランスデューサである、請求項１４に記載
の超短パルス発生器。 - 【請求項１６】 前記１×ｎ方向性結合器は、前記単一
入力光導波路で受け取った超短光パルスを前記ｎ個の光
導波路のそれぞれの一つに偏向させることができるｎ個
の電気−光学デバイスからなる、請求項１３に記載の超
短パルス発生器。 - 【請求項１７】 前記ｎ個の電気−光学デバイスは、電
気−光学誘導グレーティングである、請求項１６に記載
の超短パルス発生器。 - 【請求項１８】 さらに、前記波長変換チャネルの各々
の中の超短光パルスを単一出力導波路に向けさせるため
の光結合器を含む、請求項９に記載の超短パルス発生
器。 - 【請求項１９】 前記光結合器は、一つの出力導波路
と、ｎ個の光方向性結合器と、からなり、ｎ個の方向性
結合器の各々は、前記波長変換チャネルのｎ個の光導波
路の一つを該出力導波路に結合させ、方向性結合器にお
ける該ｎ個の光方向性結合器の一つへの電圧印加が、該
ｎ個の光導波路の該当する一つの中を伝搬する超短光パ
ルスを該出力導波路に結合させる、請求項１８に記載の
超短パルス発生器、ここで、ｎは１より大きい整数であ
る。 - 【請求項２０】 前記ｎ個の光導波路の複数からの超短
光パルスは、前記出力導波路の中を同時に伝搬する、請
求項１９に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項２１】 前記出力導波路は、各々が異なる屈折
率をもつｎ個の軸方向に延びる部位を含み、異なる波長
の超短光パルスが該出力導波路中をシングルモードで伝
搬するように、光導波路ｉ（ｉは１からｎまでの整数で
ある。）から該出力導波路に結合された超短光パルスが
ｉを通って軸方向に延びる部位１の中をしっかりと伝搬
する、請求項１９に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項２２】 前記出力導波路は、チタンの内部拡散
とプロトン交換の少なくとも一つで強誘電性材料に形成
される、請求項１９に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項２３】 さらに、前記超短光パルスを増幅する
ために、前記波長変換チャネルの上流に超短パルス増幅
器を含む、請求項１に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項２４】 前記超短パルス増幅器は、エルビウム
ファイバ増幅器である、請求項２３に記載の超短パルス
発生器。 - 【請求項２５】 さらに、前記波長変換チャネルの下流
に超短パルス増幅器を含み、該超短パルス増幅器がイッ
トリビウムファイバ増幅器とイットリビウムＹＡＧ増幅
器のうちの一つである、請求項１に記載の超短パルス発
生器。 - 【請求項２６】 最初の屈折率をもち、単一の入力光導
波路をｎ個の出力光導波路に接続し、該単一入力光導波
路からの光パルスを該ｎ個の出力導波路のそれぞれの一
つにガイドするための屈折率の異なるｎ（ｎは１より大
きい整数である。）個の領域を含む導波路と、 該単一入力光導波路中を伝搬する超短光パルスのエネル
ギを該屈折率の異なるｎ個の領域の任意の一つあるいは
任意の組み合わせに向かわせるための１×ｎ方向性結合
器で、これによって超短光パルスのエネルギが該ｎ個の
出力光導波路の任意の一つあるいは任意の組み合わせに
ガイドされる、１×ｎ方向性結合器と、 からなることを特徴とする光スイッチ。 - 【請求項２７】 前記１×ｎ方向性結合器は、超短光パ
ルスを前記ｎ個の出力光導波路のそれぞれの一つに向か
わせることができる表面音響波を発生するためのｎ個の
音響−光学デバイスを含む、請求項２６に記載の光スイ
ッチ。 - 【請求項２８】 前記ｎ個の音響−光学デバイスは、イ
ンターデジタル・トランスデューサである、請求項２７
に記載の光スイッチ。 - 【請求項２９】 前記１×ｎ方向性結合器は、超短光パ
ルスを前記ｎ個の出力導波路のそれぞれの一つに向かわ
せることができるｎ個の電気−光学デバイスを含む、請
求項２６に記載の光スイッチ。 - 【請求項３０】 前記ｎ個の電気−光学デバイスは、電
気−光学誘導グレーティングである、請求項２９に記載
の光スイッチ。 - 【請求項３１】 前記超短光パルスのエネルギは、複数
の前記ｎ個の出力光導波路間で全く等しく分配される、
請求項２６に記載の光スイッチ。 - 【請求項３２】 前記導波路は、チタンの内部拡散で、
前記屈折率の異なるｎ個の領域は、プロトン交換で、強
誘電性光材料に形成される、請求項２６に記載の光スイ
ッチ。 - 【請求項３３】 出力光導波路と、 各々がｎ（ｎは１より大きい整数である。）個の光導波
路の一つを該出力導波路に結合させるｎ個の光方向性結
合器と、 からなり、 該ｎ個の光方向性結合器の一つへの電圧印加が、該ｎ個
の光導波路の対応する一つの中を伝搬する超短光パルス
を該出力導波路に結合させる、光スイッチ。 - 【請求項３４】 複数の前記ｎ個の光導波路の超短光パ
ルスが、前記出力導波路中を同時に伝搬する、請求項３
３に記載の光スイッチ。 - 【請求項３５】 前記出力導波路は、各々が異なる屈折
率をもつｎ個の軸方向に延びる部位を含み、異なる波長
の超短光パルスが該出力導波路中をシングルモードで伝
搬するように、光導波路ｉ（ｉは１からｎまでの整数で
ある。）から該出力導波路に結合された超短光パルスが
ｉを通って軸方向に延びる部位１の中をしっかりと伝搬
する、請求項３３に記載の光スイッチ。 - 【請求項３６】 前記出力導波路は、チタン内部拡散と
プロトン交換の少なくとも一方で強誘電性光材料に形成
される、請求項３３に記載の光スイッチ。 - 【請求項３７】 超短光パルスの吸収で励起される色素
の蛍光を検出するための顕微鏡と、該顕微鏡に超短光パ
ルスを供給するための超短パルス発生器と、を組合せた
超短パルス装置であって、 該超短パルス発生器が、超短光パルスを発生するための
超短光パルス光源と、該超短光パルスの波長を複数のそ
れぞれ異なる波長へ変換するための複数の波長変換チャ
ネルと、該波長変換チャネルの任意の一つあるいは任意
の組合せからの超短光パルスを単一の出力チャネルにス
イッチするための光スイッチと、からなり、該超短パル
ス発生器が複数の異なる波長の超短光パルスを該顕微鏡
に供給することができることを特徴とする超短パルス装
置。 - 【請求項３８】 前記顕微鏡は、前記色素を多光子マイ
クロスコピイを使って励起する、請求項３７に記載の超
短パルス装置。 - 【請求項３９】 前記超短光パルス光源は、モードロッ
クレーザである、請求項３７に記載の超短パルス装置。 - 【請求項４０】 前記波長変換チャネルの各々は、超短
光パルスをパラメトリックに発生する光パラメトリック
発生部を含む、請求項３７に記載の超短パルス装置。 - 【請求項４１】 前記波長変換チャネルの各々が、周期
的にポーリングされた強誘電性材料に形成された導波路
を含む、請求項３７に記載の超短パルス装置。 - 【請求項４２】 超短光パルスの吸収で励起される色素
の蛍光を検出するための顕微鏡と、 該顕微鏡に超短光パルスを供給するための超短パルス発
生器と、の組合せにおいて、 該超短パルス発生器が、超短光パルスを発生する超短光
パルス光源と、ポンプ波長でポンプパルスを発生するた
めの光ポンプと、複数の異なる波長で超短光パルスを発
生するための光導波路と、からなり、 該光導波路が、調和波長で調和超短光パルスを発生する
ための該超短光パルスによく反応する第一高調波発生部
と、シグナル波長でのシグナル超短光パルスとアイドラ
波長でのアイドラ超短光パルスをパラメトリックに発生
するための調和超短光パルスとポンプパルスによく反応
する光パラメトリック発生部位と、最初の波長で最初の
出力超短光パルスを発生するためのシグナル超短光パル
スによく反応する第二高調波発生部と、二番目の波長で
二番目の出力超短光パルスを発生するための該アイドラ
超短光パルスによく反応する第三高調波発生部と、を含
み、該光導波路が、該ポンプ波長で三番目の出力超短光
パルスを透過することを特徴とする組合わせ。 - 【請求項４３】 前記顕微鏡は、前記色素を多光子マイ
クロスコピイを使って励起する、請求項４２に記載の組
合せ。 - 【請求項４４】 前記超短光パルス光源は、モードロッ
クレーザである、請求項４２に記載の組合せ。 - 【請求項４５】 断層像を発生するための光コヒーレン
ス・トモグラフィ・デバイスと、 該光コヒーレンス・トモグラフィ・デバイスに超短光パ
ルスを供給するための超短パルス発生器と、の組合せに
おいて、 該超短パルス発生器が、超短光パルスを発生する超短光
パルス光源と、該超短光パルスを複数のそれぞれ異なる
波長に変換するための複数の波長変換チャネルと、該波
長変換チャネルの任意の一つあるいは任意の組合せから
の超短光パルスを単一の出力チャネルにスイッチするた
めの光スイッチと、からなり、該超短パルス発生器が該
光コヒーレンス・トモグラフィ・デバイスに複数の異な
る波長の超短光パルスを供給することができることを特
徴とする組合わせ。 - 【請求項４６】 前記超短光パルス光源は、モードロッ
クレーザである、請求項４５に記載の組合せ。 - 【請求項４７】 前記波長変換チャネルの各々が超短光
パルスをパラメトリックに発生する光パラメトリック発
生部を含む、請求項４５に記載の組合せ。 - 【請求項４８】 前記波長変換チャネルの各々が、周期
的にポーリングされた強誘電性材料に形成された導波路
を含む、請求項４５に記載の組合せ。 - 【請求項４９】 断層像を発生するための光コヒーレン
ス・トモグラフィ・デバイスと、 該光コヒーレンス・トモグラフィ・デバイスに超短光パ
ルスを供給するための超短パルス発生器と、の組合わせ
において、 該超短パルス発生器が、超短光パルスを発生する超短光
パルス光源と、ポンプ波長でポンプパルスを発生するた
めの光ポンプと、複数の異なる波長で超短光パルスを発
生するための光導波路と、からなり、 該光導波路が、調和波長で調和超短光パルスを発生する
ための該超短光パルスによく反応する第一高調波発生部
と、シグナル波長でのシグナル超短光パルスとアイドラ
波長でのアイドラ超短光パルスをパラメトリックに発生
するための調和超短光パルスとポンプパルスによく反応
する光パラメトリック発生部と、最初の波長で最初の出
力超短光パルスを発生するためのシグナル超短光パルス
によく反応する第二高調波発生部と、二番目の波長で二
番目の出力超短光パルスを発生するための該アイドラ超
短光パルスによく反応する第三高調波発生部と、を含
み、該光導波路が、該ポンプ波長で三番目の出力超短光
パルスを透過することを特徴とする組合せ。 - 【請求項５０】 前記超短光パルス光源は、モードロッ
クレーザである、請求項４９に記載の組合せ。 - 【請求項５１】 超短光パルスを発生するモードロック
レーザと、 光パラメトリック発生部と、単一光導波路をｎ（ｎは１
より大きい整数である。）個の出力光導波路に接続する
導波路型光スイッチ部と、該単一入力光導波路からの光
パルスを該ｎ個の出力光導波路のそれぞれの一つにスイ
ッチするための音響−光学あるいは電気−光学手段と
を、含む波長変換部と、 からなる、複数の異なる波長の超短光パルスを発生する
超短パルス発生器。 - 【請求項５２】 前記波長変換部は、周期的にポーリン
グされた強誘電性光材料に形成される、請求項５１に記
載の超短パルス発生器。 - 【請求項５３】 前記波長変換部は、前記超短光パルス
の波長を少なくとも前記強誘電性材料の周期的ポーリン
グの周期の関数として変換する、請求項５２に記載の超
短パルス発生器。 - 【請求項５４】 単一波長の超短光パルスを発生するレ
ーザと、 該超短光パルスを複数のそれぞれ異なる波長に変換する
ための複数の波長変換チャネルと、 該波長変換チャネルの任意の一つあるいは任意の組み合
わせからの超短光パルスを単一の出力チャネルにスイッ
チするための光スイッチと、 からなる多波長超短パルス発生器。 - 【請求項５５】 前記波長変換チャネルの各々が超短光
パルスをパラメトリックに発生する光パラメトリック発
生部を含む、請求項５４に記載の多波長超短パルス発生
器。 - 【請求項５６】 超短光パルスの吸収で励起される色素
の蛍光を検出するための顕微鏡と、 該顕微鏡に超短光パルスを供給するための超短パルス発
生器と、の組合せにおいて、 該超短パルス発生器が、超短光パルスを発生するための
超短光パルス光源と、該超短光パルスの波長を異なる波
長へ変換するための波長変換チャネルと、該異なる波長
で該超短光パルスをパラメトリックに発生するための光
パラメトリック発生部を含む光導波路と、からなること
を特徴とする組合せ。 - 【請求項５７】 前記波長変換チャネルは、波長変換チ
ャネルの温度、該波長変換チャネルにポンプされた光の
波長、該波長変換チャネル中の電界の周期的なポーリン
グの周期、のうちの少なくとも一つを関数として、前記
超短光パルスの波長を変換する、請求項５６に記載の組
合せ。 - 【請求項５８】 断層像を発生するための光コヒーレン
ス・トモグラフィ・デバイスと、 該光コヒーレンス・トモグラフィ・デバイスに超短光パ
ルスを供給するための超短パルス発生器と、の組合せに
おいて、 該超短パルス発生器は、超短光パルスを発生する超短光
パルス光源と、該超短光パルスの波長を異なる波長に変
換するための波長変換チャネルと、該異なる波長で該超
短光パルスをパラメトリックに発生するための光パラメ
トリック発生部を含む光導波路と、からなることを特徴
とする組合せ。 - 【請求項５９】 前記波長変換チャネルは、波長変換チ
ャネルの温度、該波長変換チャネルにポンプされた光の
波長、該波長変換チャネル中の電界の周期的なポーリン
グの周期、のうちの少なくとも一つを関数として、前記
超短光パルスの波長を変換する、請求項５８に記載の組
合せ。 - 【請求項６０】 超短光パルスを発生する超短光パルス
光源と、 異なる波長の該超短光パルスをパラメトリックに発生す
るための光パラメトリック発生部を含む光導波路からな
る該超短光パルスの波長を該異なる波長に変換するため
の波長変換チャネルと、 該超短光パルス光源で発生された該超短光パルスの波長
と異なる波長で超短光パルスを増幅するための該波長変
換チャネルの下流に位置する超短パルス増幅器と、 からなる超短光パルスを発生するための超短パルス発生
器。 - 【請求項６１】 前記超短パルス増幅器が、イットリビ
ウムファイバ増幅器とイットリビウムＹＡＧ増幅器のう
ちの一つである、請求項６０に記載の超短パルス発生
器。 - 【請求項６２】 超短光パルスを発生する超短光パルス
光源と、 ポンプ波長でポンプパルスを発生するための光ポンプ
と、 調和波長で調和超短光パルスを発生するための該超短光
パルスによく反応する第一高調波発生部と、シグナル波
長でのシグナル超短光パルスとアイドラ波長でのアイド
ラ超短光パルスをパラメトリックに発生するための調和
超短光パルスとポンプパルスによく反応する光パラメト
リック発生部と、最初の波長で最初の出力超短光パルス
を発生するためのシグナル超短光パルスによく反応する
第二高調波発生部と、二番目の波長で二番目の出力超短
光パルスを発生するための該アイドラ超短光パルスによ
く反応する第三高調波発生部と、を含み、該ポンプ波長
で三番目の出力超短光パルスを透過する、該超短光パル
スを異なる波長へ変換するための光導波路と、 該超短光パルス光源で発生された該超短光パルスの波長
と異なる波長で超短光パルスを増幅するための該光導波
路の下流に位置する超短パルス増幅器と、 からなる、複数の異なる波長で超短光パルスを発生する
ための超短パルス発生器。 - 【請求項６３】 前記超短パルス増幅器が、イットリビ
ウムファイバ増幅器とイットリビウムＹＡＧ増幅器のう
ちの一つである、請求項６２に記載の超短パルス発生
器。 - 【請求項６４】 超短光パルスを発生する超短光パルス
光源と、 ポンプ波長でポンプパルスを発生するための光ポンプ
と、 調和波長で調和超短光パルスを発生するための該超短光
パルスによく反応する第一高調波発生部と、シグナル波
長でのシグナル超短光パルスとアイドラ波長でのアイド
ラ超短光パルスをパラメトリックに発生するための調和
超短光パルスとポンプパルスによく反応する光パラメト
リック発生部と、最初の波長で最初の出力超短光パルス
を発生するためのシグナル超短光パルスによく反応する
第二高調波発生部と、二番目の波長で二番目の出力超短
光パルスを発生するための該アイドラ超短光パルスによ
く反応する第三高調波発生部と、を含み、該ポンプ波長
で三番目の出力超短光パルスを透過する、該超短光パル
スを異なる波長へ変換するための光導波路と、 からなる、複数の異なる波長で超短光パルスを発生する
ための超短パルス発生器。 - 【請求項６５】 前記第一、第二、第三高調波発生部
が、第２高調波発生器である、請求項６４に記載の超短
パルス発生器。 - 【請求項６６】 前記光導波路が、周期的にポーリング
された強誘電性光材料からなる基板に形成される請求項
６４に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項６７】 前記周期的にポーリングされた強誘電
性光材料がリチウムニオブ酸、リチウムタンタル酸、Ｋ
ＴＰ、のうちの一つである、請求項６６に記載の超短パ
ルス発生器。 - 【請求項６８】 前記超短光パルス光源が、モードロッ
クレーザである、請求項６４に記載の超短パルス発生
器。 - 【請求項６９】 前記モードロックレーザが、エルビウ
ムドープ・ファイバレーザである、請求項６８に記載の
超短パルス発生器。 - 【請求項７０】 さらに、前記超短光パルスを増幅する
ための前記光導波路の上流に位置する超短パルス増幅器
を含む、請求項６４に記載の超短パルス発生器。 - 【請求項７１】 前記超短パルス増幅器が、エルビウム
ファイバ増幅器である、請求項７０に記載の超短パルス
発生器。 - 【請求項７２】 前記最初、二番目、三番目の波長の各
々がレッド、グリーン、ブルー光の一つに該当する、請
求項６４に記載の超短パルス発生器。
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