JPWO2006075760A1 - 変調機能付光源装置とその駆動方法 - Google Patents
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Abstract
周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる波長変換モジュール（７５）を有し、光導波路に波長の異なる半導体レーザ光源（７１）及び（７２）からの励起光をＷＤＭカプラ（７４）により合波して入射することによって発生する差周波を、又は和周波を出力する変調機能付光源装置であって、半導体レーザ光源（７２）は、回折格子を内蔵し、半導体レーザ光源（７１）は、半導体レーザから出射される出力光を変調する手段を含み、半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するＦＢＧ（７３）を外部に接続し、変調された出力をＦＢＧ（７３）に入力することを特徴とする変調機能付光源装置。
Description
本発明は、非線形光学媒質中で生じる第２高調波発生、差周波発生、和周波発生効果を用いる可視、中赤外又は赤外光源に関し、より詳細には、発生する光の強度を変化させることが可能である変調機能付光源装置に関する。
現在、レーザ技術は、目覚ましい進歩を遂げているが、あらゆる波長領域において発振が得られているわけではない。そのため、非線形光学効果を利用した波長変換技術は、レーザ発振が容易でない波長域のコヒーレント光を得るために重要な技術である。
非線形光学効果のうち、２次非線形光学効果を利用して擬似位相整合による第２高調波、和周波、差周波を発生する波長変換素子の応用が期待されている（特許文献１参照）。
図１に、従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示す。半導体レーザ光源からの励起光Ａ（波長λ１）と、別の半導体レーザ光源からの励起光Ｂ（波長λ２）とを、合波器１１によって合波し、分極反転構造を有する非線形導波路１２に入射する。導波路１２において、励起光Ａは、波長λ３を持った差周波光Ｃへと変換され、励起光Ｂと共に導波路１２から出射される。差周波光Ｃと励起光Ｂは、分波器１３により分離される。
例えば励起光Ｂを波長λ１＝１．０６μｍとし、波長λ２＝１．５５μｍの励起光Ａを入力した場合は、波長λ３＝３．３５μｍの波長変換光Ｃを差周波発生によって得ることができる。
このような波長変換素子を中赤外のレーザ光源として利用することにより、中赤外光を利用した高感度のガスセンサーなどを実現できる。
図１における別の実施態様によれば、比較的大きな強度の励起光Ａと、励起光Ｂとを合波器１１によって合波し、分極反転構造を有する非線形導波路１２に入射する。導波路１２において、励起光Ａと励起光Ｂの波長変換光Ｃが生成されて導波路１２から出射される。例えば励起光Ａを波長λ１＝１．０６μｍとし、励起光Ｂを波長λ２＝１．３２μｍとした場合は、波長λ３＝０．５９μｍの黄色の可視光である波長変換光Ｃを和周波発生によって得ることができる。
和周波発生による波長変換素子を用いた黄色可視光源は、従来のＮａランプのＤ線光源にかわり、屈折率測定用の光源として利用することができる。また、和周波発生による波長変換素子を用いた黄色可視光源は、蛍光顕微鏡などの可視光を使った光学機器の高感度化に著しい効果がある。
このような黄色可視光源においては、励起光としてファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ：Fiber Bragg Grating）を用いた外部共振器を用いて波長を安定化した１．０６μｍ半導体レーザと、発振波長が１．３２μｍであるＤＦＢ（Distributed Feedback）レーザと、ＷＤＭカップラ等の合波手段と、モジュール化された波長変換素子とが、筐体に実装されている。ここで、励起光として用いる光源としては、ＤＢＲ（Distributed Bragg Reflector）レーザ、ＤＦＢレーザ等の単一モード発振している光源であることが望ましい。単一モード発振していない場合においては、ＦＢＧを用いた外部共振器の付加によって波長を安定化した光源を用いることが望ましい。
ＦＢＧは、光ファイバのコア部分にブラッグ回折格子を形成したもので、特定の波長の光のみを反射する特性をもつ光ファイバ型装置である。ＦＢＧの性質として、低損失、光ファイバとの結合特性が良好であること、及び優れた反射特性から、反射光フィルタの他に、波長制御素子、光センサ素子、分散補償素子としても広く利用されている。
ＤＦＢレーザは、レーザーチップの内部に周期的な形状を作りこんで回折格子として作用させ、特定の波長の光のみを反射させることによって光を活性領域に閉じ込め、レーザ光を発振させる半導体レーザである。回折格子のないファブリーペロー型半導体レーザと比較してレーザ光の波長の単色性が優れており、数キロメートル以上の光信号の伝送に適している。
図２に、波長０．５３μｍの緑色光を第２高調波発生によって得るための擬似位相整合条件を示す。非線形光学材料としてニオブ酸リチウムを用い、分極反転周期を６．７６μｍとし、長さ１０ｍｍの波長変換素子を用いた場合の擬似位相整合曲線を計算した図である。励起光の波長を横軸にとり、得られる第２高調波の光強度を規格化して縦軸にとったものを示してある。図２によると、擬似位相整合の帯域は、０．２ｎｍ以下であることがわかる。したがって、１．０６μｍ半導体レーザの発振波長は、０．２ｎｍのスペクトル幅以内で安定化されている必要がある。安定した波長変換光の光出力を得るには、波長安定化は、可視光を得るために用いる波長変換素子の擬似位相整合帯域幅が狭いため、必須の要件である。
このような条件の下で生じた波長変換光Ｃは、励起光である半導体レーザの特徴をそのまま引き継いでコヒーレントな特性を有しており、可視光源として屈折率測定の高感度化のほか、蛍光顕微鏡による蛍光タンパク観察の高感度化に効果がある。但し、その測定感度を向上するために消光比を高く取る必要があり、ＯＮ／ＯＦＦ変調機能を持たせることが重要である。
しかしながら、これまで、ＯＮ／ＯＦＦ変調は、可視光源としての半導体レーザ単体で、又は固体レーザにＡＯ変調器を外部に接続して行われてきた。すなわち、ＯＮ／ＯＦＦ変調機能は、非線形光学形材料からなる光導波路と、２つの半導体レーザ光源とを用いて差周波又は和周波を発生する光源において、まだ実現されていなかった。
図３に、外部にＦＢＧを接続した１．０６μｍ帯半導体レーザの電流−光出力特性を示す。このＦＢＧを接続した半導体レーザは、通常、ＦＢＧによる反射帯域を２ｎｍ程度に取っており、その範囲内で複数の波長が発振する、マルチモード化された状態にある。光出力を電流で微分したものを微分効率と呼ぶが、この場合、破線で示している微分効率特性に不連続な箇所が複数存在し、電流−光出力特性に細かい不連続点が生じている。このような不連続点がある場合、半導体レーザに対して光出力安定化制御（ＡＰＣ）を行うのは大変難しい。そのため、一般的には、外部にＦＢＧを備えた外部共振器型の半導体レーザは、変調をかけて使用されることはなかった。
図１１Ａに、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザによる電流−光出力特性を示す。１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの電流を制御すると、図１１Ａの電流−光出力特性に基づいて波長変換光の出力がＯＮ／ＯＦＦされ、変調機能付光源装置に変換機能を持たすことができる。
ここで用いた１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザは、Ｉｔｈ＝１０ｍＡ程度であり、光出力を大きくするために動作電流をＩｔｈの３０倍程度とした場合にも、安定的に単一波長で動作する。図１１Ａに、微分効率を破線で示している。閾値を除き、微分効率特性に不連続な箇所は表れず、発振波長のモジュール跳びも生じない。しかしながら、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの動作電流を３００ｍＡまで用いると、素子内の温度が上昇し、単一波長ではあるが、発振波長は０．８ｎｍ程度動く。０．８ｎｍという発振波長の変動幅は、先に述べた擬似位相整合の帯域の４倍以上広い。また、擬似位相整合帯域を外れた分は、波長変換光に寄与しない。よって、実質的には、動作電流が３００ｍＡの１／４程度の８０ｍＡ程度までしか流すことができず、得られる光出力も１／４程度に減少する。つまり、波長変換光の出力強度が同様に１／４程度に減少することを意味する。このことから、単に１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザにおいて変調を行うだけでは、実用的な波長変換光の出力強度を得ることはできなかった。
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、擬似位相整合型の波長変換素子を備え、差周波又は和周波を出射する光源装置に対して、実用的な光強度を確保しながら変調を行うための、光変調方法及び変調機能付光源装置を提供することである。
本発明の変調機能付光源装置の一態様は、周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる光導波路を有し、光導波路に波長の異なる第１及び第２の半導体レーザ光源からの励起光を合波して入射することによって発生する差周波を、又は和周波を出力する光源装置若しくは第２の半導体レーザ光源からの第２高調波を出力する光源装置であって、第２の半導体レーザ光源は、半導体レーザとＦＢＧと半導体レーザを変調する手段から構成され、ＦＢＧの反射帯域は、半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い。
また、前記変調機能付光源装置の他の態様では、第２の半導体レーザ光源への電流変調振幅の下限が閾値以下であり、出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波側波長となるよう設定し、上限が電流−光出力特性において生じる最初のキンクを与える電流値より低い電流値とすることができる。
また、前記変調機能付光源装置の他の態様では、ＦＢＧの出力にアイソレータを接続することができる。
また、前記変調機能付光源装置の他の態様では、ＦＢＧに温度制御手段を付加することができる。
また、周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる光導波路を有し、光導波路に波長の異なる第１及び第２の半導体レーザ光源からの励起光を合波して入射することによって発生する差周波を、又は和周波を出力する光源装置若しくは第１の半導体レーザ光源からの第２高調波を出力する光源装置の一態様では、第１の半導体レーザ光源は、回折格子を内蔵し、半導体レーザから出射される出力光を変調する手段を含み、第１の半導体レーザ光源に対する電流変調振幅の下限は閾値以下で、閾値直後の出射波長が、非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波長側となるよう設定し、電流変調振幅の上限は、非線形光学材料の擬似位相整合帯域のピーク波長より短波長側で、かつ閾値直後の出射波長より長波側波長となる電流値とすることができる。
また、前記変調機能付光源装置の他の態様では、第１の半導体レーザ光源は、半導体レーザから出射される出力光を変調する手段を含み、相互に同期することができる。
また、前記変調機能付光源装置の他の態様では、非線形光学結晶は、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂｘＴａ１−ｘＯ３（０≦ｘ≦１）のいずれか、あるいはそれらの組み合わせであり、又はこれらにＭｇ、Ｚｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有することができる。
また、他の態様では、前記変調機能付光源装置を蛍光顕微鏡装置に組み込むことができる。
また、本発明の光変調方法の一態様は、第１の半導体レーザと、第２の半導体レーザと、周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる光導波路とを備えた光源装置を用いた光変調方法であって、第２の半導体レーザから変調された光を出射するステップと、出射するステップにおいて変調された光を、第２の半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するＦＢＧに入射するステップと、第１の半導体レーザから出射された光と、ＦＢＧから出射された光とを合波して光導波路に入射するステップと、光導波路から、第１及び第２の半導体レーザから光の差周波を、又は和周波を出射するステップとを備える。
また、前記光変調方法の他の態様では、ＦＢＧから出射された光をアイソレータに入射するステップを更に備え、光導波路に入射するステップは、第１の半導体レーザから出射された光と、アイソレータから出射された光とを合波するステップを備えることができる。
また、前記光変調方法の他の態様では、ＦＢＧの温度を一定の範囲内に制御するステップを更に備えることができる。
また、前記光変調方法の他の態様では、第２の半導体レーザ光源への電流振幅変調の下限を、閾値以下であり出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波側波長となるように設定するステップと、電流振幅変調の上限を電流−光出力特性において生じる最初のキンクを与える電流値より低い電流値であるように設定するステップとを備えることができる。
また、回折格子を内蔵する第１の半導体レーザと、第２の半導体レーザと、周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる光導波路とを備えた和周波を出力する光源装置の一態様では、第１の半導体レーザから変調された光を出射するステップと、第１の半導体レーザから出射された光と、第２の半導体レーザから出射された光とを合波して、光導波路に入射するステップと、光導波路から、第１及び第２の半導体レーザから光の差周波、又は和周波を出射するステップと、第１の半導体レーザ光源に対する電流振幅変調の下限を、閾値以下であり出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波側波長となるように設定するステップと、電流振幅変調の上限を出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域のピーク波長より短波長側で、かつ閾値直後の出射波長より長波長側波長となるように設定するステップとを備えることができる。
また、前記光変調方法の他の態様では、第２の半導体レーザの光の変調に同期して、第１の半導体レーザの光を変調するステップを更に備えることができる。
本発明によれば、実用的な光強度を有する変調機能付光源装置を作製することができ、可視光を用いた屈折率測定の高感度化のほか、蛍光顕微鏡による蛍光タンパク観察の高感度化が可能となる。
本発明者らは、実用的な光強度を有する波長変換型光源装置に変調機能を付加する手法について鋭意検討した結果、励起光源として１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザ、又は狭帯域なＦＢＧによって単一に波長を安定化した１．０６μｍ半導体レーザの駆動電流を変調することにより、実用的な変調機能付光源装置が実現できることを見出した。また、１．０６μｍ半導体レーザとの特定の駆動方法と、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの駆動電流を同期変調することによっても、実用的な変調機能付光源装置が実現できることも見出した。
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について実施例を用いて詳細に説明する。但し、波長の組み合わせや変換波長、半導体レーザの種類などは、これらの例になんら限定されるものではない。
（実施例１）
実施例１においては、非線光学形材料としてＬｉＮｂＯ３を用いた波長変換素子モジュールを作製し、ＦＢＧを備えて波長を安定化した１．０６４μｍ半導体レーザと、１．３２μｍ帯波長可変レーザを励起光源として用いることによって波長変換光を出力する変調機能付光源装置を作製する。
実施例１においては、非線光学形材料としてＬｉＮｂＯ３を用いた波長変換素子モジュールを作製し、ＦＢＧを備えて波長を安定化した１．０６４μｍ半導体レーザと、１．３２μｍ帯波長可変レーザを励起光源として用いることによって波長変換光を出力する変調機能付光源装置を作製する。
図４に、波長変換素子の作製工程を示す。実施例１では、直接接合基板を用いたリッジ導波路構造を用いて波長変換素子の作製を行う。すなわち、第１の基板としてあらかじめ周期分極反転構造が作製されているＺカットＺｎ添加ＬｉＮｂＯ３基板５１と、第２の基板としてＺカットＭｇ添加ＬｉＮｂＯ３基板５２とを接合して波長変換素子を作製する。基板は、いずれも両面が光学研磨されてある３インチウェハであり、基板厚は３００μｍである。リッジ導波路は、光の伝播方向に垂直な２方向（２次元）に光閉じ込めが存在する、光損失の小さい光導波路である。
用意した第１の基板５１、及び第２の基板５２の表面を通常の酸洗浄あるいはアルカリ洗浄によって親水性にした後、この２つの基板を清浄雰囲気中で重ね合わせる。重ね合わせた第１の基板５１と、第２の基板５２とを電気炉にいれ、５００℃で３時間熱処理することにより拡散接合を行う。接着された基板はボイドフリーであり、室温に戻したときにおいてもクラックなどは発生しない。
次に、研磨盤の平坦度が管理された研磨装置を用いて、接着された基板の第１の基板５１の厚さが６μｍになるまで研磨加工を施す。研磨加工の後に、ポリッシング加工を行うことにより、鏡面の研磨表面を得ることができる。
研磨された薄膜基板をダイシングソーにセットし、粒子径が４μｍ以下のダイアモンドブレードを用いた精密加工によって導波路幅１０μｍのリッジ導波路を作製する。
作製された単一モード化されたリッジ導波路を、基板から短冊状に切りだし、導波路端面を光学研磨することによって長さ６０ｍｍの波長変換素子を作製する。
このほか第２の基板５２としてＬｉＴａＯ３基板を用いた場合のほか、ノンドープＬｉＮｂＯ３基板を第１の基板とし、ＬｉＴａＯ３基板を第２の基板として用いた場合にも、同様の波長変換素子を作製することができる。また、基板厚としては５００μｍの基板のほか、２００μｍ以上１ｍｍ以下の基板厚を用いることができる。
図５に、波長変換モジュールを示す。波長変換モジュールは、合波した励起光を入射すると、非線形光学効果によって差周波光又は和周波光の波長変換光を出射する装置である。偏波保持型単一モード光ファイバ６４を、作製した波長変換素子６１に融着接続する。波長変換素子６１をキャリア６２に接着し、温度調節用のペルチェ素子６７を内蔵したパッケージ６６内に実装する。フィルタ６５を介し、レンズ６３を用いて入力ファイバと光学的に結合することによって、波長変換モジュールを作製する。
図６に、作製した波長変換モジュールを用いた変調機能付光源装置を示す。まず、波長変換素子モジュール７５の入力側ファイバと、１．０６／１．３２μｍＷＤＭカップラ７４の出力ファイバとを融着接続する。次に、ＷＤＭカップラ７４の１．０６μｍ入力ファイバ７０ａにＦＢＧ７３を融着接続し、ＦＢＧ７３と１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とを融着接続する。ここで、ＦＢＧ７３は、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の外部に位置する。さらに、ＷＤＭカップラ７４の１．３２μｍ入力ファイバ７０ｂに１．３２μｍＤＦＢレーザ７２の出力ファイバを融着接続する。１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１には、温度制御装置７６とパルス駆動電源７７とを結線路８０ａ、８０ｂを介して接続し、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザ７２には、温度制御装置７８とＤＣ駆動電源７９とを結線路８０ｃ、８０ｄを介して接続することによって変調機能付光源装置は完成する。１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１と１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザ７２とは、それぞれ温度制御装置７６と７８とによって温度を一定に保たれる。また１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１は、パルス駆動電源７７により制御され、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザ７２は、ＤＣ駆動電源７９によって制御される。ここで、ＦＢＧ７３は、反射率２０％、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の素子長１．２ｍｍで決まる共振波長間隔０．１２ｎｍよりも狭い反射帯域０．１ｎｍを有する。
ＦＢＧ７３を備えて波長を安定化した１．０６４μｍ半導体レーザ７１は、原理的には単一波長で動作するが、電流の増加とともに発熱による長波長側への波長シフトが生じる。１．０６４μｍ半導体レーザ７１から出射された出力光の波長が、ＦＢＧの反射帯域を過ぎてしまうと、反射帯域に生じた別のモードへのモード跳びが起こる。モード跳びの起きる電流値においては、光出力の不連続となるキンクが生じる（図７Ａ）。しかし、ＦＢＧ７３を備えて波長を安定化した１．０６４μｍ半導体レーザ７１から出射される出力光は、光出力のキンクが生じる位置以外では連続で滑らかな微分効率特性を有する。よって、キンク位置においてノイズが発生するが、出力光６ｍＷが得られ、ピーク−ピーク間で１０％以下のノイズを許容する条件の下、０．５９μｍの波長変換光に１０Ｍｂ／ｓでのＯＮ／ＯＦＦ変調を行うことができた。
なお、ＦＢＧの設置位置として、１．０６４μｍ帯半導体レーザから１〜２ｍの範囲で検討を行ったが、いずれの場合においても同様な特性結果が得られた。
実施例１では、ＦＢＧの反射帯域が０．１ｎｍのものを使用したが、２０ｐｍ、１０ｐｍ以下のものを使用することもできる。
（実施例２）
実施例２では、実施例１と同じ構成の変調機能付光源装置を用いる。ここでは、パルス駆動電源７７の駆動条件を限定して用いる。
実施例２では、実施例１と同じ構成の変調機能付光源装置を用いる。ここでは、パルス駆動電源７７の駆動条件を限定して用いる。
図８Ｂに、そのときの電流−光出力特性を示す。実施例２においても実施例１同様、ＦＢＧ７３を備えて波長を安定化した１．０６４μｍ半導体レーザ７１から出射される出力光は、光出力のキンクが生じる位置以外では連続で滑らかな微分効率特性を有する。
まず、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１を温度制御することにより、電流−光出力特性における最初のキンク電流値がほぼ最大となるように設定する。このとき電流変調範囲の下限は閾値以下であり、上限が電流−光出力特性において生じる最初のキンクを与える電流値より僅かに低い電流値に設定する。これによって、変調機能付光源装置の光出力も減少するが、その間、単一波長でキンクフリーなモード跳びのないレーザ特性を実現できる。これによりピーク−ピーク間で２％以下の低ノイズを許容する条件下で、０．５９μｍの波長変換光に１０Ｍｂ／ｓでのＯＮ／ＯＦＦ変調を行うことができた。
（実施例３）
図９に、ＦＢＧ７３の直後にアイソレータ８１を備えた変調機能付光源装置を示す。波長変換素子モジュール７５の入力側ファイバと、１．０６／１．３２μｍＷＤＭカップラ７４の出力ファイバとを融着接続する。次に、ＷＤＭカップラ７４の１．０６μｍ入力ファイバ７０ａにアイソレータ８１を融着する。さらに、アイソレータ８１にＦＢＧ７３を融着接続し、ＦＢＧ７３と１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とを融着接続する。ここで、ＦＢＧ７３は、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の外部に位置する。さらに、ＷＤＭカップラ７４の１．３２μｍ入力ファイバ７０ｂに１．３２μｍＤＦＢレーザ７２の出力ファイバを融着接続する。１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１には、温度制御装置７６とパルス駆動電源７７とを結線路８０ａ、８０ｂを介して接続し、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザ７２には、温度制御装置７８とＤＣ駆動電源７９とを結線路８０ｃ、８０ｄを介して接続することによって変調機能付光源装置は完成する。実施例１及び２の構成においては、使用環境温度等の変化によって装置の状態が変化することにより、反射戻り光の影響が変化し、１．０６４μｍ帯半導体レーザの動作が不安定となる。そこで、ＦＢＧ７３の直後にアイソレータ８１を用いることで、１．０６４μｍ帯半導体レーザの動作を時間的にも安定に使用することができる。
図９に、ＦＢＧ７３の直後にアイソレータ８１を備えた変調機能付光源装置を示す。波長変換素子モジュール７５の入力側ファイバと、１．０６／１．３２μｍＷＤＭカップラ７４の出力ファイバとを融着接続する。次に、ＷＤＭカップラ７４の１．０６μｍ入力ファイバ７０ａにアイソレータ８１を融着する。さらに、アイソレータ８１にＦＢＧ７３を融着接続し、ＦＢＧ７３と１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とを融着接続する。ここで、ＦＢＧ７３は、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の外部に位置する。さらに、ＷＤＭカップラ７４の１．３２μｍ入力ファイバ７０ｂに１．３２μｍＤＦＢレーザ７２の出力ファイバを融着接続する。１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１には、温度制御装置７６とパルス駆動電源７７とを結線路８０ａ、８０ｂを介して接続し、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザ７２には、温度制御装置７８とＤＣ駆動電源７９とを結線路８０ｃ、８０ｄを介して接続することによって変調機能付光源装置は完成する。実施例１及び２の構成においては、使用環境温度等の変化によって装置の状態が変化することにより、反射戻り光の影響が変化し、１．０６４μｍ帯半導体レーザの動作が不安定となる。そこで、ＦＢＧ７３の直後にアイソレータ８１を用いることで、１．０６４μｍ帯半導体レーザの動作を時間的にも安定に使用することができる。
（実施例４）
図１０に、ＦＢＧ７３に温度制御機能９１を付加した変調機能付光源装置を示す。波長変換素子モジュール７５の入力側ファイバと、１．０６／１．３２μｍＷＤＭカップラ７４の出力ファイバとを融着接続する。次に、ＷＤＭカップラ７４の１．０６μｍ入力ファイバ７０ａにアイソレータ８１を融着する。さらに、アイソレータ８１にＦＢＧ７３を融着接続し、ＦＢＧ７３と１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とを融着接続する。また、ＦＢＧ７３に結線路９０を融着し、結線路９０により、ＦＢＧ７３と温度制御装置９１とを接続する。ここで、ＦＢＧ７３は、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の外部に位置する。さらに、ＷＤＭカップラ７４の１．３２μｍ入力ファイバ７０ｂに１．３２μｍＤＦＢレーザ７２の出力ファイバを融着接続する。１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１には、温度制御装置７６とパルス駆動電源７７とを結線路８０ａ、８０ｂを介して接続し、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザ７２には、温度制御装置７８とＤＣ駆動電源７９とを結線路８０ｃ、８０ｄを介して接続することによって変調機能付光源装置は完成する。実施例１、２及び３の構成においては、使用環境温度が安定していることを前提とし、ＦＢＧ７３に関して温度制御をしない場合について述べてきた。しかし、１日の間に使用環境温度が大きく変化するような場所での使用も考えられる。そのような場合には、励起光の発振波長が変化し、それにより変換光の波長も変化することが問題となる。そこで、ＦＢＧ７３に温度制御機能９１を付加する。これにより、変調機能付光源装置は、使用環境温度が１０℃から４５℃まで変化したとしても、その特性は全く変化することなく使用することができる。実施例４では、アイソレータ８１を用いた例を示したが、仕様によってはアイソレータ８１のない構成で使用できることは言うまでもない。
図１０に、ＦＢＧ７３に温度制御機能９１を付加した変調機能付光源装置を示す。波長変換素子モジュール７５の入力側ファイバと、１．０６／１．３２μｍＷＤＭカップラ７４の出力ファイバとを融着接続する。次に、ＷＤＭカップラ７４の１．０６μｍ入力ファイバ７０ａにアイソレータ８１を融着する。さらに、アイソレータ８１にＦＢＧ７３を融着接続し、ＦＢＧ７３と１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とを融着接続する。また、ＦＢＧ７３に結線路９０を融着し、結線路９０により、ＦＢＧ７３と温度制御装置９１とを接続する。ここで、ＦＢＧ７３は、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の外部に位置する。さらに、ＷＤＭカップラ７４の１．３２μｍ入力ファイバ７０ｂに１．３２μｍＤＦＢレーザ７２の出力ファイバを融着接続する。１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１には、温度制御装置７６とパルス駆動電源７７とを結線路８０ａ、８０ｂを介して接続し、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザ７２には、温度制御装置７８とＤＣ駆動電源７９とを結線路８０ｃ、８０ｄを介して接続することによって変調機能付光源装置は完成する。実施例１、２及び３の構成においては、使用環境温度が安定していることを前提とし、ＦＢＧ７３に関して温度制御をしない場合について述べてきた。しかし、１日の間に使用環境温度が大きく変化するような場所での使用も考えられる。そのような場合には、励起光の発振波長が変化し、それにより変換光の波長も変化することが問題となる。そこで、ＦＢＧ７３に温度制御機能９１を付加する。これにより、変調機能付光源装置は、使用環境温度が１０℃から４５℃まで変化したとしても、その特性は全く変化することなく使用することができる。実施例４では、アイソレータ８１を用いた例を示したが、仕様によってはアイソレータ８１のない構成で使用できることは言うまでもない。
なお、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザモジュールにおいては、アイソレータが内蔵されたものが通常となっている。
（実施例５）
実施例５では、実施例１と同じ構成の変調機能付光源装置を用い、図６の１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ側端面の反射率を１％以下にした時の変調動作を示す。１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ側端面の反射率が１％以上残留していると、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の両側端面とＦＢＧ７３の３つの反射が存在することになり、複合共振器が構成される。このような複合共振器が存在すると、レーザ波長及びレーザ強度が不安定となり、電流−光出力特性でキンクが発生する。このような不安定動作を避けるために、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ側端面の反射率を１％以下にし、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ７３と接続されていない側の端面とＦＢＧ７３とで共振器を構成したレーザを実現した。この時、ＦＢＧ７３の反射率は１５％で、また、その反射スペクトラムの半値全幅は２０ｐｍで、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１から約１ｍの場所に設置した。この１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とＦＢＧ７３とから成るレーザでは、縦モード間隔は、約１００ＭＨｚとなり、ＦＢＧ７３の半値全幅より十分狭い。したがって、縦モードはマルチモードで発振し、外部からの戻り光が存在しても安定した発振が可能となる。なお、ＦＢＧ７３の反射率は、５％以上である事が好ましいが、その一方、高すぎると出力低下を起こしたり、図７Ａのようにキンク位置で大きな出力変動が生じる。
実施例５では、実施例１と同じ構成の変調機能付光源装置を用い、図６の１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ側端面の反射率を１％以下にした時の変調動作を示す。１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ側端面の反射率が１％以上残留していると、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の両側端面とＦＢＧ７３の３つの反射が存在することになり、複合共振器が構成される。このような複合共振器が存在すると、レーザ波長及びレーザ強度が不安定となり、電流−光出力特性でキンクが発生する。このような不安定動作を避けるために、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ側端面の反射率を１％以下にし、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ７３と接続されていない側の端面とＦＢＧ７３とで共振器を構成したレーザを実現した。この時、ＦＢＧ７３の反射率は１５％で、また、その反射スペクトラムの半値全幅は２０ｐｍで、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１から約１ｍの場所に設置した。この１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とＦＢＧ７３とから成るレーザでは、縦モード間隔は、約１００ＭＨｚとなり、ＦＢＧ７３の半値全幅より十分狭い。したがって、縦モードはマルチモードで発振し、外部からの戻り光が存在しても安定した発振が可能となる。なお、ＦＢＧ７３の反射率は、５％以上である事が好ましいが、その一方、高すぎると出力低下を起こしたり、図７Ａのようにキンク位置で大きな出力変動が生じる。
この１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１のＦＢＧ側端面の反射率を１％以下にした時の、ＦＢＧ７３からの出力される波長１０６４ｎｍのレーザ光の電流−光出力特性を図１４に示す。また、レーザ光の中心波長のレーザ駆動電流依存性を図１５に示す。上述のように、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１の反射率を１％以下に下げた場合、ＦＢＧ７３から出力されるレーザ光は、光出力の１％以上も変化するような大きなキンクが無く、安定に１００ＭＨｚ間隔でマルチモード発振する。また、電流の増加に伴い半値幅の増加が見られるが、中心波長は測定分解能である１０ｐｍ以下でしか変化しない。
このＦＢＧ側端面の反射率を１％以下にした１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１と１３２０ｎｍＤＦＢレーザ７２とを組み合わせ、これらの光源から出射されるレーザ光を合波すると、和周波発生により、０．５９μｍの波長変換光が得られる。さらに、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１をパルス駆動電源７７を用いて変調することにより、０．５９μｍの波長変換光を１０Ｍｂ／ｓでのＯＮ／ＯＦＦ変調を十階調で変調することができる。
なお実施例５では、ＦＢＧ７３の後段にアイソレータは必ずしも必要ではなく、また、１０６４ｎｍのレーザに限らず、９８０ｎｍ、９４０ｎｍなど、他の波長のレーザでも同様な特性が得られる。
（実施例６）
図１６に、本発明の出力光強度が一定になるようにＦＢＧ付レーザの駆動電流にフィードバックをかけた変調機能付光源装置の構成を示す。この実施例６は、実施例１の構成に、ビームサンプラ１２０１、フォトディテクタ１２０２、比較期１２０３、パルス駆動電源１２０５をさらに備えている。ビームサンプラ１２０１は、波長変換素子モジュール７５から出力されるレーザ光の光路に設置され、波長変換素子モジュール７５及びフォトディテクタ１２０２と光学的に接続されている。フォトディテクタ１２０２は、検出した光強度を電気信号に変換し、その電気信号を比較器１２０３に送信することができるように比較器１２０３に電気的に接続されている。この比較器１２０３は、パルス駆動電源１２０５とも接続され、パルス駆動電源１２０５は、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とさらに接続されている。
図１６に、本発明の出力光強度が一定になるようにＦＢＧ付レーザの駆動電流にフィードバックをかけた変調機能付光源装置の構成を示す。この実施例６は、実施例１の構成に、ビームサンプラ１２０１、フォトディテクタ１２０２、比較期１２０３、パルス駆動電源１２０５をさらに備えている。ビームサンプラ１２０１は、波長変換素子モジュール７５から出力されるレーザ光の光路に設置され、波長変換素子モジュール７５及びフォトディテクタ１２０２と光学的に接続されている。フォトディテクタ１２０２は、検出した光強度を電気信号に変換し、その電気信号を比較器１２０３に送信することができるように比較器１２０３に電気的に接続されている。この比較器１２０３は、パルス駆動電源１２０５とも接続され、パルス駆動電源１２０５は、１．０６４μｍ帯半導体レーザ７１とさらに接続されている。
この構成により、出力光強度が一定になるように、その出力強度の一部をビームサンプラ１２０１で分岐し、フォトディテクタ１２０２で検出し、その強度が一定になるようにＦＢＧ付レーザの駆動電流にフィードバックをかけることができる。ビームサンプラ１２０１の反射率は、１％から１０％程度である。また、比較器１２０３は、フォトディテクタ１２０２からの光強度に関する電気信号と外部からの電気入力信号１２０４とを比較し、両者が予め設定された関係を維持するようにパルス駆動電源１２０５を制御することができる。
図１７に、実施例６のレーザを１０℃から４０℃で変化する恒温槽中で動作させた時の、レーザ出力強度の時間変化を示す。なお、ここでは、開始時のレーザ出力で規格化した値を示している。上述の実施例６の構成をとることにより、装置の環境温度が１０℃から４０℃に変化しても、出力光の強度変化が±１％という良好な結果を得ることができる。
（実施例７）
実施例７においては、実施例１、２、３、４、５又は６の構成において、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの駆動電源として、変調機能を有する駆動電源を備えた装置を用いる。つまり、ここでは、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの電流を制御することにより、変調機能付光源装置に変換機能を持たしている。
実施例７においては、実施例１、２、３、４、５又は６の構成において、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの駆動電源として、変調機能を有する駆動電源を備えた装置を用いる。つまり、ここでは、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの電流を制御することにより、変調機能付光源装置に変換機能を持たしている。
そこで、１．０６４μｍ帯半導体レーザに高出力型の１．０６４μｍ帯半導体レーザを用い、動作電流を増加して出力を倍程度の８０ｍＷまで出し、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの電流を閾値以下から８０ｍＡまでＯＮ／ＯＦＦすることにより変調を行う。その結果図１１Ａに示すように、０．５８μｍの波長変換光の強度を１／２程度の減少に止め、ピーク−ピーク間で２％以下のノイズを許容する条件の下、０．５８μｍの波長変換光に１０Ｍｂ／ｓでのＯＮ／ＯＦＦ変調を行うことができる。
なお、ＦＢＧを備えて波長安定化した１．０６４μｍ帯半導体レーザと１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザの両方を閾値以下でのＯＮ／ＯＦＦ変調をする場合に、同期をとって変調することで変調光のＯＮ／ＯＦＦ比を７０ｄＢから１００ｄＢに改善することができる。
以上において、非線形光学材料としてＬｉＮｂＯ３を用いた場合について説明を行ったが、ＬｉＴａＯ３やＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ３（０≦ｘ≦１）を用いた場合も同様の効果が得られる。さらにこれら３種を組み合わせたものや、Ｍｇ、Ｚｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有しているものを非線形光学材料として用いても、同様の効果が得られる。
図１２に、変換機能付光源装置を蛍光顕微鏡装置に組み込んだ構成を示す。組み込んだ変換機能付光源装置は、実施例１と同じ装置を用いる。蛍光顕微鏡装置は、波長変換素子モジュール７５から波長変換光が出射され、このレーザ光はダイクロイックミラー１０１３で反射し、対物レンズ１０１４を介して集光され、スポット状のレーザ光となって細胞１０１６に照射される。細胞１０１６は、蛍光色素によって染色されており、細胞１０１６の蛍光色素は、波長変換光によって励起されて蛍光を発する。細胞１０１６から発した蛍光は、対物レンズ１０１４、ダイクロイックミラー１０１３、及びプリズム１０１２を介して高感度カメラ１０１１に入射される。高感度カメラ１０１１は、入射した蛍光を電気信号に変換し、画像表示部は、高感度カメラ１０１１から入力された各電気信号をもとに蛍光画像を生成し、表示出力する。蛍光顕微鏡装置に組み込み、他のタンパク質の遺伝子に融合させて細胞に導入させた蛍光タンパク（ＧＦＰ）の観察に用いると、生きた細胞において特定の構造体、あるいは機能分子を高感度に蛍光ラベルすることができる。
また、同じ構成において波長を安定化した０．９４μｍ帯半導体レーザを用いた場合には、１．３２μｍ帯ＤＦＢレーザとの組み合わせで、５４３ｎｍの波長変換光を実現させることができる。
その他、図８Ａ、８Ｂ又は図１１Ａ、１１Ｂに示した特性を有する光源の励起レーザを、図に示したＯＮ状態を最大値として十段階にＯＮレベルを設定することができる。この場合、ピーク−ピーク間で光強度の減少５％以下の許容条件の下、０．５８μｍの波長変換光に１０Ｍｂ／ｓでのＯＮ／ＯＦＦ十階調変調を行なうことができる。
以上の実施例では、和周波、差周波発生の場合を述べたが、半導体レーザ光源として第１の半導体レーザ光源のみ、若しくは第２の半導体レーザ光源のみを用いた第２高調波発生の変調光源の場合にも適用できる。
図１３に、変調機能付光源装置を用いた光変調方法を説明するフローチャートを示す。ここで説明する光変調方法は、上記の実施例全てを包含する方法である。そのため、各実施形態における光変調方法としては、必ずしもこれら全てのステップを含んでいる必要はない。
ステップ１１０１において、第２の半導体レーザから変調された光を出射する。ステップ１１０２において、ステップ１１０１において変調された光を、第２の半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するＦＢＧに入射する。ステップ１１０３にておい、ＦＢＧから出射された光をアイソレータに入射する。ステップ１１０４において、第１の半導体レーザから出射された光と、ＦＢＧ若しくはアイソレータから出射された光を合波して光導波路に入射する。ステップ１１０５において、光導波路から第１及び第２の半導体レーザからの光の差周波、又は和周波を出射する。ステップ１１０６において、ＦＢＧの温度を一定の範囲内に制御する。ステップ１１０７において、第２の半導体レーザ光源への電流振幅変調の下限を、閾値以下であり出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波側波長となるように設定し、電流振幅変調の上限を電流−光出力特性において生じる最初のキンクを与える電流値より低い電流値であるように設定する。ステップ１１０８において、第１の半導体レーザ光源に対する電流振幅変調の下限を、閾値以下であり出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波側波長となるように設定し、電流振幅変調の上限を出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の長波側波長となるように設定する。
但し、各実施形態における光変調方法が、ステップ１１０３、１１０６〜１１０８の各々を備えるか否かは任意である。また、ステップ１１０６〜１１０８の各々の挿入位置は任意であって、その順序を変えることができる。
図１８は、実施例６に対応する変調機能付光源装置を用いた光源変調方法を説明するフローチャートを示す。図１３のステップの最下段に、フォトディテクタの受光信号と設定値とを比較し、ステップ１１０７にフィードバックするステップが加わる。
以上、０．５８μｍの変換光を発生する変調機能付光源装置について説明を行ってきたが、第１の半導体レーザ光源に１．３０７μｍ帯ＤＦＢレーザを用い、第２の半導体レーザ光源にＦＢＧを備えて波長安定化した０．９７６μｍ帯半導体レーザを用いた、０．５６μｍの波長変換光を発生する変調機能付光源装置についても、同等に実用的な光強度を有する変調機能が得られる。
Claims (14)
- 周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる光導波路を有し、前記光導波路に波長の異なる第１及び第２の半導体レーザ光源からの励起光を合波して入射することによって発生する差周波を、又は和周波を出力する光源装置若しくは第２の半導体レーザ光源からの第２高調波を出力する光源装置であって、
前記第２の半導体レーザ光源は、半導体レーザとＦＢＧと半導体レーザを変調する手段から構成され、前記ＦＢＧの反射帯域は、前記半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭いことを特徴とする変調機能付光源装置。 - 請求項１に記載の変調機能付光源装置であって、
前記第２の半導体レーザ光源への電流変調振幅の下限が閾値以下であり、出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波側波長となるよう設定し、上限が電流−光出力特性において生じる最初のキンクを与える電流値より低い電流値である
ことを特徴とする変調機能付光源装置。 - 請求項１又は２に記載の変調機能付光源装置であって、
前記ＦＢＧの出力にアイソレータを接続する
ことを特徴とする変調機能付光源装置。 - 請求項１乃至３のいずれかに記載の変調機能付光源装置であって、
前記ＦＢＧに温度制御手段を付加する
ことを特徴とする変調機能付光源装置。 - 周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる光導波路を有し、前記光導波路に波長の異なる第１及び第２の半導体レーザ光源からの励起光を合波して入射することによって発生する差周波を、又は和周波を出力する光源装置若しくは第１の半導体レーザ光源からの第２高調波を出力する光源装置であって、
前記第１の半導体レーザ光源は、回折格子を内蔵し、半導体レーザから出射される出力光を変調する手段を含み、
第１の半導体レーザ光源に対する電流変調振幅の下限は閾値以下で、閾値直後の出射波長が、非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波長側となるよう設定し、
前記電流変調振幅の上限は、非線形光学材料の擬似位相整合帯域のピーク波長より短波長側で、かつ閾値直後の出射波長より長波側波長となる電流値である
ことを特徴とする変調機能付光源装置。 - 請求項１乃至５のいずれかに記載の変調機能付光源装置であって、
前記第１及び第２の半導体レーザ光源は、半導体レーザから出射される出力光を変調する手段を含み、相互に同期している
ことを特徴とする変調機能付光源装置。 - 請求項１乃至６のいずれかに記載の変調機能付光源装置であって、
前記非線形光学結晶は、
ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＬｉＮｂ(x)Ｔａ(1-x)Ｏ３（０≦ｘ≦１）のいずれか、あるいはそれらの組み合わせであり、又はこれらにＭｇ、Ｚｎからなる群から選ばれた少なくとも一種を添加物として含有している
ことを特徴とする変調機能付光源装置。 - 請求項１乃至７のいずれかに記載の変調機能付光源を蛍光顕微鏡装置に組み込んだことを特徴とする変調機能付光源装置。
- 第１の半導体レーザと、第２の半導体レーザと、周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる光導波路とを備えた光源装置を用いた光変調方法であって、
前記第２の半導体レーザから変調された光を出射するステップと、
前記出射するステップにおいて変調された光を、前記第２の半導体レーザの素子長で決まる共振波長間隔よりも狭い反射帯域を有するＦＢＧに入射するステップと、
前記第１の半導体レーザから出射された光と、前記ＦＢＧから出射された光とを合波して前記光導波路に入射するステップと、
前記光導波路から、前記第１及び第２の半導体レーザから光の差周波を、又は和周波を出射するステップと
を備えたことを特徴とする方法。 - 請求項９に記載の光変調方法であって、
前記ＦＢＧから出射された光をアイソレータに入射するステップを更に備え、前記光導波路に入射するステップは、前記第１の半導体レーザから出射された光と、前記アイソレータから出射された光とを合波するステップを備えたことを特徴とする方法。 - 請求項９又は１０に記載の光変調方法であって、
前記ＦＢＧの温度を一定の範囲内に制御するステップを更に備えたことを特徴とする方法。 - 請求項９乃至１１のいずれかに記載の光変調方法であって、
前記第２の半導体レーザ光源への電流振幅変調の下限を、閾値以下であり出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波側波長となるように設定するステップと、
前記電流振幅変調の上限を電流−光出力特性において生じる最初のキンクを与える電流値より低い電流値であるように設定するステップとを備えたことを特徴とする方法。 - 回折格子を内蔵する第１の半導体レーザと、第２の半導体レーザと、周期的に非線形定数が変調された構造を有する非線形光学材料からなる光導波路とを備えた和周波を出力する光変調方法であって、
前記第１の半導体レーザから変調された光を出射するステップと、
前記第１の半導体レーザから出射された光と、前記第２の半導体レーザから出射された光とを合波して、前記光導波路に入射するステップと、
前記光導波路から、前記第１及び第２の半導体レーザから光の差周波、又は和周波を出射するステップと、
前記第１の半導体レーザ光源に対する電流振幅変調の下限を、閾値以下であり出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域の短波側波長となるように設定するステップと、
前記電流振幅変調の上限を出射波長が非線形光学材料の擬似位相整合帯域のピーク波長より短波長側で、かつ閾値直後の出射波長より長波長側波長となるように設定するステップとを備えたことを特徴とする方法。 - 請求項９乃至１３のいずれかに記載の光変調方法であって、
前記第２の半導体レーザの光の変調に同期して、前記第１の半導体レーザの光を変調するステップを更に備えたことを特徴とする方法。
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