WO2014196207A1 - 波長変換光源 - Google Patents

Abstract

　3μm帯における広い波長範囲に渡って、中赤外波長域の光を発生させることができる波長変換素子および波長変換光源を提供する。波長λ₁の信号光を出力する第１の半導体レーザであって、前記信号光の波長を、所定の信号光波長範囲において連続的に可変することができる第１の半導体レーザと、波長λ₃の励起光を出力する第２の半導体レーザであって、前記励起光の波長を、所定の励起光波長範囲内を所定の波長可変幅にて不連続に可変することができる第２の半導体レーザと、前記信号光と前記励起光とを合波する合波器と、前記合波器で合波された光を入射させ、前記信号光と前記励起光の差周波となる波長λ_２の変換光を出力する非線形光学効果を有する非線型光学媒質とを備えた。

Description

波長変換光源

　本発明は波長変換光源に関し、より具体的には、ガスのセンシングや分光に好適な中赤外波長域の光を発生する波長変換光源に関する。

　従来、可視から中赤外あるいはTHz領域まで様々な波長領域の出力を有する半導体レーザが研究開発されている。しかしながら、例えば500-600nmの可視域、あるいは2-5μmの近赤外から中赤外の波長領域の出力を有する光源として、室温で簡易に使用できる光源は、現在のところ実現されていない。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。

　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、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。非線形光学定数の周期変調構造を形成するためには、非線形光学定数の符号を交互に反転するか、あるいは非線形光学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のような強誘電体結晶においては、非線形光学定数の正負は自発分極の極性に対応するので、自発分極を反転することにより非線形光学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、２つの半導体レーザおよ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（例えば、非特許文献１参照）。

　図１は、従来の波長変換を用いた光源の構成を示す概略図である。この光源は、光導波路１２が形成された非線形光学媒質であるLiNbO₃基板１１、合波器１５、および２個の半導体レーザ（図示せず）から構成される。半導体レーザからの信号光１３および別の半導体レーザからの励起光１４を合波器１５で合波し、周期的に分極反転されたLiNbO₃基板１１に形成された光導波路１２に入射して、信号光１３と励起光１４との差周波光である変換光１６を発生させる。信号光（第一の入射光）の波長をλ₁、変換光（アイドラー光）の波長をλ₂、励起光（第二の入射光）の波長をλ₃とすると、これら３つの波長は次式を満たす。

　例えば、信号光波長λ₁を1.55μm、励起光波長λ₃を1.06μmとすれば、λ₂=3.35μmの変換光を発生させることができる。また、信号光波長λ₁を1.55μm、励起光波長λ₃を0.94μmとすれば、λ₂=2.39μmの変換光を発生させることができる。

　信号光波長λ₁における屈折率をn₁、変換光波長λ₂における屈折率をn₂、励起光波長λ₃における屈折率をn₃、非線形光学定数の変調周期をΛ₀とすると、（式２）で与えられる位相不整合量Δβ

に対して変換効率ηが（式３）で表される。

　ここで、Ｌは非線形光学媒質の光の進行方向の長さを表す。

　（式３）より、変換効率ηは、Δβ=２π/Λ₀のとき、最大となる。例えば、励起光波長λ₃を固定して考えると、（式２）で与えられる位相不整合量Δβが、Δβ=２π/Λ₀となるいわゆる擬似位相整合条件を満たす信号光波長λ₁および励起光波長λ₃は、非線形光学媒質の屈折率の波長分散に依存し、変調周期Λ₀を決定すると実質的に一意に決定される。信号光波長λ₁または励起光波長λ₃を、擬似位相整合条件を満たすいわゆる擬似位相整合波長から変化させると、（式２）および（式３）に従って変換効率が減少してしまう。

　図２に、位相不整合量に対する変換効率の変化を示す。図２では、横軸は(Δβ-2π/Λ₀)L/πを表し、縦軸は変換効率の最大値を１として規格化してある。例えば、励起光波長λ₃を固定して信号光波長λ₁を変換させたとき、図２の変換効率が最大値の半分となる位相不整合量に相当する波長帯域は、導波路長Ｌが50mmのLiNbO₃導波路を用いた場合、3.35μm帯の変換光波長に換算すると約7nm程度であり狭い。

　広い波長範囲において位相整合がとれる特殊な例が、非特許文献２に開示されている。具体的には、周期分極反転したLiNbO₃を非線形材料として用い、λ₁=1.55μmの信号光とλ₃=0.94μmの励起光を入射して、λ₂=2.39μmの変換光を発生させる。この例の場合は、1.55μm帯の信号光と2.39μmの変換光との間で群速度が一致するので、広い信号光範囲で信号光波長を掃引し、広い波長範囲で変換光を発生させることができる。

　特に、1.55μm帯では光通信用の機器に用いるために各種の波長可変が可能な半導体レーザが開発されており、これらを用いれば、2.39μm付近にて広い範囲で波長可変が可能な中赤外光源を構成することができる。

　3μmの中赤外波長領域において、炭化水素系のガスは、強い光吸収を示す。各種のガスを高感度に検出するためには、これらの波長領域における光吸収を検出することが重要である。上述したλ₁=1.55μmの信号光とλ₃=1.06μmの励起光との組み合わせで3.35μm帯の中赤外変換光を発生させる場合、信号光と変換光の間で群速度は一致しない。このため、信号光波長を少し変化させただけで、擬似位相整合条件を満たさなくなり、上述のように3.35μm帯の変換光波長の帯域が約7nm程度と狭くなってしまうという問題があった。例えば、複数ガスをセンシングする必要がある場合や、ガスの複数の吸収ピークからなるスペクトルの計測を行う場合、従来技術では１つの光源から発生可能な光の波長範囲が狭いために、広い波長範囲に渡ってガスの吸収を計測することが出来ないという問題があった。

　一方、複数のガスや複数の吸収線を検知できる広い波長範囲を掃引可能な波長変換光源を考えると、広い波長範囲を掃引可能な励起光光源もしくは信号光光源が必要となる。加えて、個々の吸収線の形状を観測するために、連続波長掃引できる機能を有する必要がある。広い波長範囲を連続掃引できる光源の一例としては、半導体利得媒質、位相調整機構、およびグレーティングなどの波長限定機構から構成される外部共振器型レーザ光源が考えられる。しかしながら、連続的に精度よく波長掃引を行うためには、波長限定機構の厳密な制御と位相調整機構の厳密な制御とが求められ、かつ環境温度の変化に対して高い安定性を保持するための機構も必要となる。従って、光源は、複雑、大型であり、非常に高価なものとなる。

　一方、連続波長掃引できる半導体レーザとして、一般的には、DFB-LD（Distributed FeedBack-LaserDiode）が知られている。DFB-LDの出力波長を可変するためには、注入電流量の掃引、LDチップの温度掃引などが考えられるが、可変波長範囲は１μm帯で2nm程度と非常に狭い。また、波長掃引範囲の広いレーザとして、FP-LD（Fabry Perot-LD）が知られている。しかしながら、FP-LDでは、波長掃引を行うとモードホップが起こり、連続的に広い波長範囲を掃引することはできない。

　このように、複数のガスをセンシングする光源には、広い波長範囲に渡って、密な掃引を行わなければならないという相反する特性が求められるとともに、小型で安価な光源が求められていた。

O.Tadanaga, T.Yanagawa, Y.Nishida, H.Miyazawa, K.Magari, M.Asobe, and H.Suzuki, ‘Efficient 3-μm difference frequency generation using direct-bonded quasi-phase-matched LiNbO3 ridge waveguides’, 2006, Appl. Phys. Lett. 88, 061101 T.Yanagawa et al. ‘Applied Physics Letters’, 2005, Vol.86, p.161106 Y.Nishida et al. ‘Electronics Letters’, 2003, Vol.39, p.609

　本発明の目的は、3μm帯における広い波長範囲に渡って、連続的に中赤外波長域の光を発生させることができる小型で安価な波長変換光源を提供することにある。

　このような目的を達成するために、本発明の実施態様は、波長λ₁の信号光を出力する第１の半導体レーザであって、前記信号光の波長を、所定の信号光波長範囲において連続的に可変することができる第１の半導体レーザと、波長λ₃の励起光を出力する第２の半導体レーザであって、前記励起光の波長を、所定の励起光波長範囲において可変することができ、前記励起光波長範囲内において一定の間隔で波長飛びを有する第２の半導体レーザと、前記信号光と前記励起光とを合波する合波器と、前記合波器で合波された光を入射させ、前記信号光と前記励起光の差周波となる波長λ_２の変換光を出力する非線形光学効果を有する非線型光学媒質とを備え、前記信号光波長範囲に相当する波数は、前記波長飛びの幅に相当する波数より広いことを特徴とする。

図１は、従来の波長変換を用いた光源の構成を示す概略図、 図２は、位相不整合量に対する変換効率の変化を示す図、 図３は、LiNbO₃の群屈折率の波長依存性を示す図、 図４は、本実施形態において、励起光を発生する半導体レーザの特性の一例を示す図、 図５は、本実施形態において、信号光を発生する半導体レーザの特性の一例を示す図、 図６は、本発明の実施例１に係る構成の概念図を示す図、 図７は、本発明の実施例１において、信号光および励起光の波長を変化させた場合のLiNbO₃導波路による波長変換の特性を示す図、 図８は、実施例１における変換光と信号光との関係を示す図、 図９は、本発明の実施例２に係る構成の概念図を示す図、 図１０は、本発明の実施例３に係る構成の概念図を示す図、 図１１は、実施例３において、励起光を発生する光源の特性の一例を示す図、 図１２Ａは、実施例４における信号光および励起光の波長範囲を示す図、 図１２Ｂは、実施例４における信号光および変換光の波長範囲を示す図である。

　本願発明の発明者は、種々のガスが大きな吸収を示す3μm帯の波長域において、広い波長帯域に渡って出力の得られる光源の構成について鋭意検討を行った。ここでは、安価な光源を構成するために、励起光光源および信号光光源に、半導体レーザを用いることとした。信号光光源として、波長掃引が容易なDFB-LDを用いると、広い波長範囲での掃引が不可能であることから、励起光光源として、不連続に波長可変できる光源を組み合わせることとした。その結果、狭い波長帯域で密な波長掃引が可能な第１の半導体レーザとして、1.5μm帯のDFB-LDを用い、連続的ではなく、モードホップを許容して広い波長帯域で波長掃引が可能な第２の半導体レーザとして、1.0μm帯（1.0-1.1μmの範囲、より具体的には1.02-1.08μmの範囲）のFP-LDを用いる。第１の半導体レーザからの信号光と第２の半導体レーザからの励起光とを、周期分極反転を持つLiNbO₃光導波路に入射して差周波発生を行うことにより、広い波長範囲で位相整合条件を保ち、3μm帯における広い波長範囲に渡って、中赤外波長域の光を発生させることができることを発見した。以下にその動作原理を説明する。

　擬似位相整合条件を保ったまま波長変換を行うためには、（式１）および（式２）に加え、次式を満たす必要がある。

　信号光波長を固定し、励起光波長を変化させて変換光波長を変化させる場合、（式１）においてλ₁が一定という条件から励起光と変換光の変化分は次式を満たす必要がある。

　（式２）および（式４）から、それぞれの波長における位相速度の変化分は次式を満たす必要がある。

　（式５）および（式６）から、次式を満たす必要があることが分かる。

　ここでn_gは、次式で与えられる群屈折率である。

　なお、群屈折率n_gと群速度v_gとの間には、n_g=c/v_gの関係が成り立つ。

　従って、（式７）から、励起光波長および変換光波長における群屈折率または群速度が等しければ、波長の変化に伴う伝播定数の変化が相殺され、（式２）の位相不整合量の変化が緩やかになる。この結果、広い波長域に渡って位相整合をとることが可能となる。

　本願発明の発明者は、非線形光学媒質として用いるLiNbO₃の励起光波長および変換光波長における群屈折率について検討を行った。図３は、LiNbO₃の群屈折率の波長依存性を示す図である。図３中の横軸は波長を表し、縦軸は群屈折率を表す。また、図３中の実線はバルク結晶のLiNbO₃を用いた場合、点線は導波路構造を持つLiNbO₃を用いた場合の結果を表す。

　図３より、メタンなどのガスの吸収がある3.3μm-3.6μmを中心とした波長域と群屈折率が一致するのは、1.0-1.1μmの間の波長域である。この波長域には、0.94μmから1.08μmの波長を出力するInGaAs系半導体レーザが存在する。Ybを添加した光ファイバを用いたYbファイバ増幅器を用いることを考えると、中心波長を1.05μmとし、1.02-1.08μm程度の可変波長範囲を有する半導体レーザを用いるのが適当である。この励起光の波長範囲に対し、中心波長が約3.5μmであって3.39～3.6μmの範囲で変換光と群屈折率が一致することが分かる。従って、信号光波長を1.50μm程度にすることで、群速度整合を利用することができる。これにより、FP-LDを用いた1.02-1.08μmの波長域の励起光を、3.5μmを中心とした広い帯域に渡る変換光に変換することができる。

　しかしながら、バルクのLiNbO₃を用いる場合は光のパワー密度が大きくないために、大きな変換効率を得ることは難しい。一方、導波路構造を持つLiNbO₃を用いた場合、光のパワー密度が大きいために、バルク結晶に比較して大きな変換効率を得ることができる。

　導波路を用いて1.0μm帯の励起光と1.55μm帯の信号光との差周波発生により3μmの変換光を得る場合、導波路の構造として、相互作用する３つの波長帯のうち最も長波長の3μmにおいてほぼシングルモード条件を満たすように、導波路のコアの大きさ等を設定する。この場合、1.0μm帯、1.55μm帯では導波路はマルチモードとなるため、波長変換に利用する基底モードは光導波路内に強く閉じ込められており、導波路の形状によって生じる構造分散の影響をほとんど受けない。従って、導波路構造を持つLiNbO₃の群屈折率は1.0μm帯、1.55μm帯ではバルクの場合に比較してほとんど変化しない。それに対し、3μm帯では、導波モードの等価屈折率が、導波路構造による構造分散の影響を大きく受けることになる。よって、群速度の一致による特性は、3μm帯の群屈折率を計算することで解析することができる。

　図３中の点線に示すように、導波路構造を付与することにより、屈折率の波長依存性（構造分散）が大きくなる。このため、（式８）の定義からも分かるように、導波路構造を持つ場合はバルク結晶に比較して、3μm帯における群屈折率が大きくなる。従って、図３から分かるように、Ybファイバ増幅器を用いた光源の典型的な波長可変範囲である1.02-1.08μmの波長帯に対して群速度の一致が得られる変換光の波長帯が短波長側へシフトすることになる。図３の例では、上記の励起波長に対して3.24-3.44μm(中心波長は3.34μm程度)の範囲で変換光と群屈折率が一致することが分かる。

　3μm帯では多くの炭化水素系ガスが強い光吸収を示し、例えば、典型的な炭化水素系ガスであるメタンは3.42μm、エタンは3.34μmにおいて吸収のピークが見られる。導波路構造を用いて波長変換を行うことによりこれらの吸収ピーク波長を１つの光源でカバーすることが可能になる。

　ここで、具体的に群速度整合を用いた場合の差周波光（変換光）の掃引幅について述べる。上述したように、導波路長Ｌ=50mmとした場合、1.5μm帯の信号光の許容波長範囲は狭く、信号光の波長を掃引しても、3μm帯の差周波光の波長範囲では7nm程度である。これに対して、1.0μm帯の励起光波長を掃引すると、3μm帯の差周波光の波長範囲では123nm程度となる。群速度整合を用いる励起光の波長掃引の範囲は、信号光の波長掃引に対して、約17倍も波長域が広くなる。導波路長Ｌをさらに20mmと短くすると、式２および式３に従って、波長掃引幅はさらに広くなり、励起光波長を掃引すると、3μm帯の差周波光の波長範囲では197nm程度となる。このように、導波路長を短くすることにより許容波長範囲は広くなるが、同時に変換効率の低下を招く。変換効率の低下は、励起光光源にYbファイバ増幅器を組み合わせるなどして補償することができる。

　そこで、変換光の可変波長範囲を波数で100cm^-1以上（波長範囲122nm以上）を目標とすると、信号光、励起光のいずれかを波数で100cm^-1以上可変しなければならない。例えば、中心波長3.34μmの変換光の可変波長範囲を、波数に換算して100cm^-1以上（波長範囲110nm以上）を目標とすると、1.55μm帯の信号光で24nm以上、または1.06μm帯の励起光で11nm以上の波長範囲で可変しなければならない。

　図４に、励起光を発生する半導体レーザ（FP-LD）の特性の一例を示す。FP-LDへの電流注入量を一定にして、LDチップの温度を変化させた時の1.065μmを中心とするFP-LDの発振波長依存性を示す。5℃-40℃の温度変化により、1.05μm帯のDFB-LDは、通常2nm程度しか波長変化は起きないが、FP-LDでは11nm程度の波長変化が得られる。一方、図４からわかるように、0.5nm程度の波長飛びが、一定の間隔で20か所ほど観測されている。例えば、図４のプロットから、1060.0-1060.5nm＝0.5nmの波長飛び幅（モードホップ量）を、波数に換算すると、9434.0cm^-1-9429.5cm^-1＝4.5cm^-1である。

　図５に、信号光を発生する半導体レーザ（DFB-LD）の特性の一例を示す。LDチップの温度を一定（25℃）とし、1.55μm帯DFB-LDへの電流注入量を変化させた場合の波長変化を示す。波長は連続的に掃引されており、図５のプロットから、その波長範囲は1566.9-1568.2nm＝1.3nm程度であり、波数に換算すると、6382.0cm^-1-6376.6.cm^-1＝5.4cm^-1である。この波数量は励起光のモードホップ量に比して範囲が広く、励起光のモードホップを信号光の波長変化で補償することができる。位相整合範囲についても、導波路構造を持つLiNbO₃の素子長を50mmと仮定すると、位相整合範囲の半値全幅は、1.55μm帯において1.4nmであり、十分許容できる。

　1.05μm帯励起光と3.4μm帯変換光との間で群速度整合を取った波長変換素子を用いると、広い励起光可変範囲が得られる。また、FP-LDなどのモードホップを有する励起光光源と連続波長掃引できる1.55μm帯信号光光源とを併用することにより、広い波長範囲で連続的に掃引が可能となる。

　図６に、本発明の一実施例に係る構成の概念図を示す。本実施例では、1.065μmを中心に波長可変なFP-LD１０２により励起光を発生させた。FP-LD１０２は、ペルチエ素子などの温度制御回路１０７により、出力光の波長を可変する。また、信号光の光源には、1.57μmを中心とするDFB-LD１０２を用い、駆動電流を制御することにより、出力光の波長掃引を行う。励起光と信号光をファイバカプラ１０３で合波し、周期分極反転構造の導波路１０５を有する非線形光学媒質であるLiNbO₃結晶に入射して、差周波発生により3.3μmの中赤外光である変換光１０６を発生させた。

　次に、波長変換素子１０４の詳細について説明する。波長変換素子１０４は、導波路１０５を有する非線形光学媒質、および光の入出力のためのレンズ等を有する。非線形光学媒質は、非特許文献３に示されるウエハ接合法によって作製されている。コアにはZnを7mol%添加したLiNbO₃、クラッドにはLiTaO₃を用い、ダイシングによりリッジ型の光導波路を形成してある。LiNbO₃の分極反転構造および導波路構造の分散により位相整合特性すなわち波長変換可能な波長帯域特性が決定される。

　以下に導波路構造、分極反転構造と位相整合特性の詳細を説明する。本実施例ではコアを形成するLiNbO₃のサイズを厚み10μm、幅14μmに設定した。この導波路サイズにおける導波路の群屈折率の分散は図３に示したとおりである。本実施例では中心波長が1.065μmである励起光と中心波長が3.31μmである変換光との間で群速度整合が満たされ、励起光、信号光、変換光の３者の間で位相整合が同時に満たされるように素子を設計している。本実施例では分極反転の基本周期をΛ₀=28.16μmとし、素子長をL=50mmとした。

　図７に、本実施例で信号光および励起光の波長を変化させた場合のLiNbO₃導波路による波長変換の特性を示す。図７において、縦軸は規格化された変換効率を示し、横軸は変換光波長を示す。信号光の波長を1.570μmに固定し、FP-LDを、1.049μmから1.078μmの範囲で波長可変した場合の変換特性（図７中の実線）である。本実施例では励起光と変換光との間での群速度整合を利用できるため、図７に示すように、励起光の波長可変範囲の全域に渡って差周波発生を効率良く行うことが可能であった。また、本実施例では、3.24μmから3.36μmまでの120nmの範囲に渡って変換光を出力することが可能であった。

　一方、励起光の波長を1.059μmから1.071μmまでの間の様々な波長に固定して、信号光波長を変化させた場合の波長変換特性も合わせて示す（図７中の(a)～(s)）。DFB-LDの信号光波長を変化させた場合、波長変換が可能な帯域は信号光の波長にして1.4nm、変換光の波長にして6nm程度であり、図７に示したFP-LDの波長可変帯域の1/20程度であった。この波長変換特性の曲線は、信号光の変化により（式２）の位相不整合量がほぼ直線的に変化するために、図２に示した位相整合曲線と同様の形状になる。

　図８に、実施例１における変換光と信号光との関係を示す。1.05μm帯のFP-LDのモードホップの谷間を埋めるように、1.55μm帯のDFB-LDを変調する。本実施例では、DFB-LDからの信号光の波長を、1.5694μmから1.5708μmの狭い範囲で掃引するだけで、励起光のモードホップを補償できる十分な波長変化を有するので、3.24-3.36μmの広い波長範囲にわたって、連続的に波長掃引できる。

　これらの結果より、本実施例の有効性が確認できた。本実施例では励起光の波長を掃引することにより、例えばガスの吸収スペクトルを120nmの範囲に渡って測定することが可能である。

　本実施例に用いた波長変換素子の変換効率は20%/Wである。信号光として20mW、励起光として400mWを素子に入力した結果、0.8mWの出力が得られ、ガスの検出応用に十分な出力が得られた。

　本実施例では、導波路のコアとしてZnを添加したLiNbO₃を用いた。Znを添加したLiNbO₃を用いることにより、特に短波長の励起光の強度が大きい場合の光損傷を防ぐことができる。光損傷を防ぐ目的でZn以外にもMg、Sc、Inなどを添加したLiNbO₃を同様に用いることもできる。本実施例で用いたZnはLiNbO₃の屈折率を上昇させることが知られているが、MgなどはLiNbO₃の屈折率を低下させることが知られている。従って、Zn以外の添加物を用いた場合は、材料自体の波長分散さらには導波路の閉じ込めが変化することにより構造分散が変化するために、群速度整合が得られる波長が変化する。この性質を積極的に利用して所望の波長において群速度整合が得られるように導波路の材料構成やコアのサイズを変更しても良い。

　ガスの検出方法によっては、さらに高出力の3μm帯の出力光が必要となる場合がある。実施例１では、励起光および信号光の光源に半導体レーザのみを用いたが、励起光をYbファイバ増幅器を用いて増幅したり、信号光をEr添加ファイバ増幅器を用いて増幅することもできる。励起光および信号光の両方を、ファイバ増幅器を用いて増幅してもよい。

　図９に、本発明の別の実施例に係る構成の概念図を示す。本実施例の構成は、実施例１の構成とほぼ同様であるが、1.07μmを中心に波長可変なFP-LD２０１の出力をYbファイバ増幅器２０８で増幅して励起光を発生させた点において相違する。また、DFB-LD２０２の波長1.589μmの出力を、Lバンド用Er添加ファイバ増幅器２０９で増幅して信号光を発生させた。励起光と信号光をファイバカプラ２０３で合波し、周期分極反転構造の導波路２０５を有する非線形光学媒質であるLiNbO₃結晶に入射して、差周波発生により3.275μmを中心とする中赤外光である変換光２０６を発生させた。

　次に、波長変換素子２０４の詳細について説明する。本実施例に係る波長変換素子２０４は実施例１とほぼ同様であるが、本実施例では分極反転の基本周期をΛ₀=28.3μmに設定した。また、本実施例では、励起光波長1.07μmと変換光波長3.275μmとの間で群速度整合が得られるように素子を設計した。

　本実施例で用いた波長可変のFP-LDは、1.064μmから1.076μmの範囲で波長可変である。本実施例では励起光と変換光との間での群速度整合が利用できるため、励起光の波長可変範囲の全域に渡って差周波発生を効率良く行うことが可能であった。また、本実施例では、3.22μmから3.33μmまでの110nmの範囲に渡って変換光を出力することが可能であった。このように、本発明によれば、FP-LDの発振可能な波長の中から任意の波長帯を選んで、変換光との群速度整合を利用して広帯域の中赤外光を発生することができる。さらに、信号光波長もEr添加ファイバ増幅器が利用可能な波長を用いて群速度整合が取れるために効率良く波長変換を行うことができる。

　図１０に、本発明の別の実施例に係る構成の概念図を示す。実施例１および実施例２では、FP-LDを励起光光源として用いたが、本実施例では、励起光光源３０１としてMEMSミラーを用いた外部共振器型の半導体レーザを用いた点で相違する。励起光光源３０１は、通常の半導体レーザの共振器を構成する一方の端面を、無反射コーティングを付した半導体増幅媒質３１１を備え、無反射コーティングを付した端面側に、レンズ３１２、MEMSミラー３１３およびグレーティング３１４が配置された外部共振器を備える。このような外部共振器型の半導体レーザは、位相調整機構を持たない簡易な構成であり、かつ波長選択のための駆動部にMEMSミラーを用いることにより、小型で安価な光源を実現することができる。実施例３の光源の構成は、いわゆるリトロー配置といわれる構成であるが、リットマン配置としても原理的には同じ機能を奏することができる。

　図１１に、実施例３において、励起光を発生する光源の特性の一例を示す。半導体レーザの中心波長は1.064μmであり、MEMSミラーを制御して、グレーティングに入射する光の角度を変化させる。これにより、グレーティングの反射波長特性が変化して、出力される励起光波長を1.059μmから1.069μmの範囲で可変することができる。外部共振器を構成しているので、通常の半導体レーザよりも共振器長が長くなり、波長飛びを生ずる間隔は、FP-LDよりも狭くなっている。

　また、DFB-LD３０２の波長1.570μmの出力を、Lバンド用Er添加ファイバ増幅器３０９で増幅して信号光を発生させた。励起光と信号光をファイバカプラ３０３で合波し、周期分極反転構造の導波路３０５を有する非線形光学媒質であるLiNbO₃結晶を有する波長変換素子３０４に入射して、3.30μmを中心とする中赤外光である変換光３０６を発生させた。本実施例においては、周期分極反転構造の導波路３０５は、実施例１と同じ構造であり、分極反転の基本周期をΛ₀=28.16μmに設定した。

　実施例３においても、MEMSミラーの角度を調節するMEMSパラメータを制御して、モードホップを含むが、広い波長範囲で励起光の波長を変化させ、DFB-LDの駆動電流を連続的に変化させることにより、3μm帯の変換光を得ることができる。MEMSミラーを用いた外部共振器型レーザのモードホップ量は、FP-LDのモードホップ量よりも狭いので、DFB-LDの駆動電流の変化量は、実施例１の場合と比較して小さくすることができる。

　図１２Ａに、実施例４における信号光および励起光の波長範囲を示す。基本周期Λの分極反転構造を有し、厚み10μm、幅14μmの導波路構造を有するLiNbO₃導波路であり、導波路長L=50mmの場合について、基本周期を27.177μmから28.607μmとし、信号光波長を1.47μmから1.59μmに変化させ、励起光波長を変化させたときの変換特性である。

　図１２Ｂに、実施例４における信号光および変換光の波長範囲を示す。例えば、分極反転構造の基本周期Λ=27.177μmの場合、励起光波長1.028μmと変換光波長3.42μmにおいて群速度整合を実現することができる。このとき、信号光波長は、式１により決定され、1.47μmとなる。信号光波長を1.47μmに固定し、励起光波長を1.028μmを中心に変化させると、変換光は、3.36μmから3.49μmの130nmの範囲にわたって変化する。

　同様にして、分極反転構造の基本周期Λを適宜変更し、群速度整合がとれる励起光と変換光の組合せによって、信号光の波長を1.47μmから1.59μmの間で選択すると、励起光波長を1.02μmから1.08μmの間で変化させても、広い波長変換帯域を得ることができる。

　すなわち、Ybファイバ増幅器を用いることができる励起光波長1.02μm≦λ₃≦1.08μmの範囲において、信号光波長を1.47μm≦λ₁≦1.59μmの範囲で適宜選択すれば、変換光（差周波光）波長3.2μm≦λ₂≦3.5μmを得ることができる。このとき、実施例１～３と同様に、励起光波長を広く掃引することができる光源として、モードホップを生ずる半導体レーザを用いることができる。連続掃引は困難であるが、信号光の波長を狭い範囲で連続的に掃引することにより、励起光のモードホップを補償することができ、全体として、連続掃引のできる広い波長帯域を有する3μm帯の波長変換光源を実現することができる。

　また、信号光は、1.4μm帯においては、Tm添加ファイバ増幅器を用いることができ、1.5μm帯においては、Er添加ファイバ増幅器を用いることができ、変換光の出力を増強することができる。また、1.53μmから1.59μmの波長範囲は光通信に利用されており、安価なEr添加ファイバ増幅器を用いることができる。このとき、励起光波長は、1.05μmから1.08μmの波長範囲となる。本実施形態においては、波長可変できるレーザとして半導体レーザを用いるが、この波長帯は加工用ファイバレーザのシード光の光源として用いられるレーザの入手が可能であるので、容易に光源を構成することができる。

　本発明によれば、差周波発生によって変換光を得る波長変換素子において、LiNbO₃導波路の分散特性を利用して1.0μm帯の励起光と3μm帯の変換光との間で群速度整合を得ることが出来る。これにより、3μm帯において幅広い帯域を有する変換光を発生可能な波長変換素子を実現することができる。

　また、信号光の中心波長を所定の信号光波長範囲において連続的に可変することができる第１の半導体レーザと、励起光の波長を所定の励起光波長範囲で可変することができ、この励起光波長範囲内において一定の間隔で波長飛びを有する第２の半導体レーザとを備え、波長飛びの幅より広い信号光波長範囲を設定したので、励起光の波長と信号光の波長とを変化させることにより、3μm帯の広い波長範囲にわたって連続的に密な掃引を行うことができる。

Claims (11)

1. 　波長λ₁の信号光を出力する第１の半導体レーザであって、前記信号光の波長を、所定の信号光波長範囲において連続的に可変することができる第１の半導体レーザと、
   　波長λ₃の励起光を出力する第２の半導体レーザであって、前記励起光の波長を、所定の励起光波長範囲において可変することができ、前記励起光波長範囲内において一定の間隔で波長飛びを有する第２の半導体レーザと、
   　前記信号光と前記励起光とを合波する合波器と、
   　前記合波器で合波された光を入射させ、前記信号光と前記励起光の差周波となる波長λ_２の変換光を出力する非線形光学効果を有する非線型光学媒質とを備え、
   　前記信号光波長範囲に相当する波数は、前記波長飛びの幅に相当する波数より広いことを特徴とする波長変換光源。
2. 　前記非線型光学媒質は、光導波路構造を有し、前記光導波路における前記励起光の群速度と前記光導波路における前記変換光の群速度とが等しいことを特徴とする請求項１に記載の波長変換光源。
3. 　前記非線形光学媒質は、非線形光学材料の分極を周期的に反転した構造を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換光源。
4. 　前記非線形光学材料は、LiNbO₃または前記LiNbO₃にMg、Zn、Sc、および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請求項３に記載の波長変換光源。
5. 　前記信号光波長範囲は、1.47μm≦λ₁≦1.59μmの範囲であり、
   　前記励起光波長範囲は、1.02μm≦λ₃≦1.08μmの範囲であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の波長変換光源。
6. 　前記第１の半導体レーザは、DFB-LDであることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の波長変換光源。
7. 　前記信号光は、光ファイバ増幅器を用いて増幅された光であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の波長変換光源。
8. 　前記第２の半導体レーザは、FP-LDであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長変換光源。
9. 　前記第２の半導体レーザは、半導体増幅媒質と、外部共振器を構成するレンズ、MEMSミラーおよびグレーティングとから構成されていることを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の波長変換光源。
10. 　前記励起光は、Ybを添加した光ファイバ増幅器を用いて増幅された光であることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の波長変換光源。
11. 　波長λ₁の信号光と波長λ₃の励起光とを合波し、合波された光を、非線形光学効果を有する非線型光学媒質に入射し、前記信号光と前記励起光の差周波となる波長λ_２の変換光を発生させる波長変換光源における方法であって、
    　前記信号光を出力する第１の半導体レーザを制御して、前記信号光の波長を、所定の信号光波長範囲において連続的に可変すること、および
    　前記励起光を出力する第２の半導体レーザを制御して、前記励起光の波長を、所定の励起光波長範囲において可変することであって、該第２の半導体レーザは、前記励起光波長範囲内において一定の間隔で波長飛びを有し、前記信号光波長範囲に相当する波数は、前記波長飛びの幅に相当する波数より広いこと
    　を備えたことを特徴とする方法。

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