(57)【要約】【課題】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。【解決手段】非線形光学材料の分極が周期的に反転され光導波路構造を有する非線形光学媒質に、信号光と励起光とを入射し、前記非線形光学媒質から前記信号光と前記励起光との差周波光である変換光を出力する波長変換素子および波長変換光源が開示される。前記波長変換素子および前記波長変換光源は、前記信号光の波長λ1は1.53μm≦λ1≦1.62μmの範囲で固定され、前記励起光の波長λ3は可変かつ1.02μm≦λ3≦1.08μmの範囲から選択され、前記光導波路における前記励起光の群速度と前記変換光の群速度とは等しいことを特徴とする。【選択図】図４
2011203376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光と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
を備えた波長変換素子であって、
前記非線型光学媒質は、光導波路構造を有し、
前記信号光の波長λ1は、1.53μm≦λ1≦1.62μmの範囲の何れか一波長で固定され、
前記励起光の波長λ3は、1.02μm≦λ3≦1.08μmの範囲で可変であり、
前記光導波路における前記励起光の群速度および前記光導波路における前記変換光の群速度は、等しいことを特徴とする波長変換素子。
【請求項２】
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に記載の波長変換素子。
【請求項３】
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２に記載の波長変換素子。
【請求項４】
信号光と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
を備えた波長変換光源であって、
前記非線型光学媒質は、光導波路構造を有し、
前記信号光の波長λ1は、1.53μm≦λ1≦1.62μmの範囲の何れか一波長で固定され、
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または発生され、
前記励起光の波長λ3は、1.02μm≦λ3≦1.08μmの範囲で可変であり、
前記光導波路における前記励起光の群速度および前記光導波路における前記変換光の群速度は、等しいことを特徴とする波長変換光源。
【請求項５】
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４に記載の波長変換光源。
【請求項６】
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５に記載の波長変換光源。
【請求項７】
前記信号光は、Erを添加した光ファイバ増幅器を用いて増幅または発生された光であることを特徴とする請求項４ないし６の何れかに記載の波長変換光源。
【請求項８】
前記励起光は、前記Ybを添加した光ファイバ増幅器を用いて増幅または発生された自然放出光であることを特徴とする請求項４ないし７の何れかに記載の波長変換光源。
【請求項９】
信号光と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
を備えた波長変換光源であって、
前記非線型光学媒質は、光導波路構造を有し、
前記信号光の波長λ1は、1.53μm≦λ1≦1.62μmの範囲の何れか一波長で固定され、
前記励起光は、Ybを添加した光ファイバモード同期レーザから発生した短パルスレーザ光であり、
前記励起光の波長λ3は、1.02μm≦λ3≦1.08μmの範囲で可変であり、
前記光導波路における前記励起光の群速度および前記光導波路における前記変換光の群速度は、等しいことを特徴とする波長変換光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は波長変換素子および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素子および波長変換光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
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では、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。
【０００３】
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のような強誘電体結晶においては、非線形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に示されるような、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。
【０００４】
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１１が形成されたLiNbO3基板１２、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１２に形成された光導波路に入射して、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。
【０００５】
【数１】
2011203376.tif 000003
【０００６】
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。
【０００７】
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
【０００８】
【数２】
2011203376.tif 000004
【０００９】
に対して変換効率ηが（式３）で表される。
【００１０】
【数３】
2011203376.tif 000005
【００１１】
ここで、Ｌは非線形媒質の光の進行方向の長さを表す。
【００１２】
（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、非線形材料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。
【００１３】
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、長さ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9.3nm程度であり狭い。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】T.Yanagawa et al. ‘Applied Physics Letters’, 2005, Vol.86, p.161106
【非特許文献３】Y.Nishida et al. ‘Electronics Letters’, 2003, Vol.39, p.609
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
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、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9.3nm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。
【００１８】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、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光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明は、信号光と励起光とを合波する合波器と、合波器で合波された光を入射させ、信号光と励起光の差周波となる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波長変換素子であって、非線型光学媒質は、光導波路構造を有し、信号光の波長λ1は、1.53μm≦λ1≦1.62μmの範囲の何れか一波長で固定され、励起光の波長λ3は、1.02μm≦λ3≦1.08μmの範囲で可変であり、光導波路における励起光の群速度および光導波路における変換光の群速度は、等しいことを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る波長変換素子の一実施形態において、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。
【００２１】
本発明に係る波長変換素子の一実施形態において、非線形光学材料は、LiNbO3または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。
【００２２】
本発明は、信号光と励起光とを合波する合波器と、合波器で合波された光を入射させ、信号光と励起光の差周波となる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波長変換光源であって、非線型光学媒質は、光導波路構造を有し、信号光の波長λ1は、1.53μm≦λ1≦1.62μmの範囲の何れか一波長で固定され、励起光は、Ybを添加した光ファイバ増幅器を用いて増幅または発生され、励起光の波長λ3は、1.02μm≦λ3≦1.08μmの範囲で可変であり、光導波路における励起光の群速度および光導波路における変換光の群速度は、等しいことを特徴とする。
【００２３】
本発明に係る波長変換光源の一実施形態において、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。
【００２４】
本発明に係る波長変換光源の一実施形態において、非線形光学材料は、LiNbO3または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。
【００２５】
本発明に係る波長変換光源の一実施形態において、信号光は、Erを添加した光ファイバ増幅器を用いて増幅または発生された光である。
【００２６】
本発明に係る波長変換光源の一実施形態において、励起光は、Ybを添加した光ファイバ増幅器を用いて増幅または発生された自然放出光である。
【００２７】
本発明は、信号光と励起光とを合波する合波器と、合波器で合波された光を入射させ、信号光と励起光の差周波となる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波長変換光源であって、非線型光学媒質は、光導波路構造を有し、信号光の波長λ1は、1.53μm≦λ1≦1.62μmの範囲の何れか一波長で固定され、励起光は、Ybを添加した光ファイバモード同期レーザから発生した短パルスレーザ光であり、励起光の波長λ3は、1.02μm≦λ3≦1.08μmの範囲で可変であり、光導波路における励起光の群速度および光導波路における変換光の群速度は、等しいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
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Ybを添加した光ファイバを用いた光源から発生可能な1μm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出来る。また、Ybを添加した光ファイバを用いた光源を励起光光源として用いることにより、広い波長域をカバーできる中赤外光源を構成することができる。さらに、導波路による構造分散を利用することにより、群速度整合が得られる信号光波長を、Er添加光ファイバ増幅器またはEr添加光ファイバレーザで発生させるのに好適な波長に設定することができ、結果的に広い波長範囲に渡り高い変換効率で中赤外光を発生させることができる。
【００２９】
本発明に係る波長変換光源は、幅広い帯域で中赤外光を発生することができる。従って、単色のレーザ光の波長を掃引することができる。また、広帯域の光を発生させることにより、各種のガスが示す複数の吸収ピークを観測することが可能になり、ガス種の同定などのセンシングを高感度で行うことが可能になる。さらに、短パルスの励起光を、中赤外波長域の短光パルスへ効率良く変換できるために、中赤外波長域において各種材料の光吸収を伴う現象の時間的な変化の研究が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】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。
【図２】位相不整合量に対する変換効率の変化を示す図である。
【図３】LiNbO3の群屈折率の波長依存性を示す図である。
【図４】本発明の実施例１に係る構成の概念図を示す図である。
【図５】本発明の実施例１において、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である。
【図６】本発明の実施例１において、励起波長を1.05μmに固定して、信号光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である。
【図７】本発明の実施例２に係る構成の概念図を示す図である。
【図８】本発明の実施例２において、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である。
【図９】本発明の実施例３に係る構成の概念図を示す図である。
【図１０】本発明の実施例４に係る構成の概念図を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。その結果、1.06μm帯において広い帯域での出力を得ることのできるYbを添加した光ファイバを用いた光源からの光を励起光として用いることおよび周期分極反転を持つLiNbO3光導波路を用いて1.55μm帯の信号光との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つことが出来るので、広帯域な励起光を3μm帯の広帯域な中赤外波長域に効果的に変換できることを発見した。以下にその動作原理を説明する。
【００３２】
従来技術では、1.06μmの励起光波長を固定し、通信波長帯である1.55μm帯の信号光波長を可変にすることで3μm帯の変換光を可変としていた。これに対し本願発明の発明者は、1.06μm帯において広い波長帯域で出力可能なYbを添加した光ファイバを用いた光源を励起光として用いることを検討した。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。
【００３３】
【数４】
2011203376.tif 000006
【００３４】
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。
【００３５】
【数５】
2011203376.tif 000007
【００３６】
（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。
【００３７】
【数６】
2011203376.tif 000008
【００３８】
（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。
【００３９】
【数７】
2011203376.tif 000009
【００４０】
ここでngは、次式で与えられる群屈折率である。
【００４１】
【数８】
2011203376.tif 000010
【００４２】
なお、群屈折率ngと群速度vgとの間には、ng=c/vgの関係が成り立つ。
【００４３】
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。
【００４４】
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。Ybを添加した光ファイバを用いた励起光の典型的な波長可変範囲は、中心波長を1.05μmとする1.02-1.08μm程度である。
【００４５】
図３より、バルクのLiNbO3を用いた場合、この励起光の波長可変範囲に対し、中心波長が約3.5μmである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、Ybを添加した光ファイバを用いた励起光を、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、1.50μmにおいて発振可能な光源は現在のところ半導体レーザしかなく、大きなパワーを出力することは出来ない。また、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。
【００４６】
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。また、以下で説明するように、導波路構造を付与することで構造分散を利用できるので、郡速度整合が得られる波長を所望の波長に変化させることができる。さらに、高出力を得るのに好適な信号光波長を用いて、ガスセンシング等に好適な波長帯の光を効率良く発生させることができる。
【００４７】
導波路を用いて1.05μm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、1.05μm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1.05μm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。
【００４８】
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を添加した光ファイバ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。
【００４９】
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。
【００５０】
また、変換光波長が短波長化する結果、群速度の一致を得るための信号光波長は長波長化するので、上記の場合、信号光波長は1.531μmとすれば良い。バルク結晶の場合の信号光波長である1.50μmとは異なり、信号光波長1.531μmにおいてはErドープ添加ファイバ増幅器やファイバレーザを利用することができるので、より高出力の信号光を用いることが出来、光源の出力を大きくすることが出来る。
【００５１】
このように本発明によれば、差周波発生によって変換光を得る波長変換光源において、1.05μm帯で広い波長範囲の出力が可能なYbを添加した光ファイバを用いた光源を励起光光源として用い、LiNbO3から成る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非線型光学媒質の光導波路における励起光の群速度と変換光の群速度とを一致させることができるため、広い波長域をカバーできる中赤外光源を構成することができる。
【実施例１】
【００５２】
図４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、1.05μmを中心に波長可変な半導体レーザの出力を、Yb添加ファイバ増幅器で増幅して励起光を発生させた。また、DFB-LD（分布帰還型レーザダイオード）の波長1.531μmの出力を、Er添加ファイバ増幅器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で合波し、周期分極反転LiNbO3導波路に入射して3.3μmの中赤外光を発生させた。
【００５３】
次に波長変換素子の詳細について説明する。素子は非特許文献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。
【００５４】
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10.5μm、幅16μm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1.05μmである励起光と中心波長が3.34μm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(1.531μm)、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=27.7μmとし、素子長をL=20mmとした。
【００５５】
図５に、本実施例で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５において、縦軸は規格化された変換効率を示し、上側の横軸は励起光波長を示し、下側の横軸は変換光波長を示す。本実施例で用いた波長可変の半導体レーザは、1.04μmから1.06μmの範囲で波長可変であり、Yｂ添加ファイバ増幅器はこの帯域を全て増幅することが出来る。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５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3.44μmまでの200nmの範囲に渡って変換光を出力することが可能であった。
【００５６】
比較のため、図６に、励起波長を1.05μm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を示す。図６において、縦軸は規格化された変換効率を示し、上側の横軸は変換光波長を示し、下側の横軸は信号光波長を示す。従来のように1.55μm帯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4nm、変換光の波長にして20nm程度であり、図５に示した本実施例の波長可変帯域の1/10程度であった。図６に示す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。これに対して、本実施例では、励起光と変換光の群速度整合が取れているために、励起光の波長を変化させても広い波長範囲に渡って位相不整合量が変化しない。従って、図５のような波長変換特性の曲線が得られる。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200nmの範囲に渡って測定することが可能である。
【００５７】
本実施例に用いた波長変換素子の変換効率は10%/Wである。信号光として100mW、励起光として100mWを素子に入力した結果、1mW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。
【００５８】
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。
【実施例２】
【００５９】
図７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半導体レーザの出力を、Yb添加ファイバ増幅器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-LDの波長1.589μmの出力を、Lバンド用Er添加ファイバ増幅器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で合波し、周期分極反転LiNbO3導波路に入射して3.275μmを中心とする中赤外光を発生させた。
【００６０】
次に、波長変換素子の詳細について説明する。本実施例に係る波長変換素子は実施例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1.05μm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。
【００６１】
図８に、本実施例で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８において、縦軸は規格化された変換効率を示し、上側の横軸は励起光波長を示し、下側の横軸は変換光波長を示す。本実施例で用いた波長可変の半導体レーザは、1.06μmから1.08μmの範囲で波長可変であり、Yb添加ファイバ増幅器はこの帯域を全て増幅することが出来る。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、図８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、3.18μmから3.38μmまでの200nmの範囲に渡って変換光を出力することが可能であった。
【００６２】
このように、本発明によれば、Ybを添加した光ファイバ増幅器で増幅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。
【実施例３】
【００６３】
図９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、単色のレーザ光源を励起光光源として用いていたが、本実施例では、励起光光源として1.07μm帯において広帯域な増幅された自然放出光(ASE光)を用いた点で相違する。本実施例では、Yb添加ファイバ増幅器に増幅される光を入力せず、1.06-1.08μmの帯域に渡ってASE光だけをYb添加ファイバ増幅器から発生させることにより、連続的な波長分布をもつ励起光を発生させた。また、DFB-LDの波長1.589μmの出力を、Lバンド用Er添加ファイバ増幅器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で合波し、周期分極反転LiNbO3導波路に入射する。本実施例では、周期分極反転LiNbO3導波路として、実施例２と同様の物を用いており、分極反転の基本周期をΛ0=28.3μmに設定した。従って、本実施例に係るLiNbO3導波路による波長変換特性は、実施例２と同様、図８に示したとおりである。本実施例では、このような広帯域な波長変換特性を有する周期分極反転LiNbO3導波路に、広帯域なASE光を入射している。このため、3.275μmを中心とする200nmにもわたる連続的な波長分布を持つ中赤外光を発生させることができる。
【００６４】
本実施例によれば、図９に示したように、発生した中赤外光を炭化水素系のガス中を伝搬させて、その中赤外光を、グレーティングを用いた分光器やFT-IRのような干渉計を用いたスペクトル分析器で解析することにより、測定対象ガスのもつ吸収スペクトルを一度に測定することが可能になる。本実施例に係る光源を用いて光を発生させた場合、複数の吸収線を観測できるので、対象ガスに含まれる成分の同定などに利用することができる。
【実施例４】
【００６５】
図１０に、本発明の別の実施例に係る構成の概念図を示す。これまでの実施例では、連続動作のレーザあるいはASE光源からの光を励起光として用いてきた。しかしながら、本実施例では、励起光として、Yb添加ファイバを用いたモード同期レーザから発生した、1.05μm帯において広帯域な光スペクトルを有するパルス光を用いた点で相違する。本実施例では、Yb添加ファイバを用いたモード同期レーザを利用して、1.04-1.06μmの範囲の20nm程度の幅広いスペクトルを有する励起光を使用した。この励起光は、トランズフォームリミットのパルスを過程すると、82fs程度のパルスに相当する。また、DFB-LDの波長1.531μmの出力を、Er添加ファイバ増幅器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で合波し、周期分極反転LiNbO3導波路に入射する。本実施例では、周期分極反転LiNbO3導波路として、実施例１と同様の物を用いており、分極反転の基本周期をΛ0=27.7μmに設定した。従って、本実施例に係るLiNbO3導波路による波長変換特性は、実施例１と同様、図５に示したとおりである。
【００６６】
本実施例では、このような広帯域な波長変換特性を有する周期分極反転LiNbO3導波路を用いているために、非常に広いスペクトル幅を持つ励起光パルスを、3.34μmを中心とする200nmにもわたるスペクトル幅を有する中赤外波長域の短光パルスへ有効に変換することが出来る。このような広いスペクトル幅と短い時間幅を有する中赤外波長域の短光パルスは、様々な材料の光吸収を伴う過程の時間的な変化を観測するための光として有用である。
【符号の説明】
【００６７】
１１  LiNbO3基板
１２  光導波路
１３  信号光
１４  励起光
１５  合波器
１６  変換光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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