(57)【要約】【課題】パルス圧縮部において圧縮されたパルスのパルス間隔を短くすることができる短光パルス発生装置を提供する。【解決手段】本発明に係る短光パルス発生装置１００は、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスを生成する光パルス生成部２と、光パルス生成部２にて生成された光パルスの周波数をチャープさせ、かつ当該チャープした光パルスのパルス幅を圧縮するパルス圧縮部５と、を含む、ことを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスを生成する光パルス生成部と、
前記光パルス生成部にて生成された前記光パルスの周波数をチャープさせ、かつチャープした前記光パルスのパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と、
を含む、ことを特徴とする短光パルス発生装置。
【請求項２】
前記パルス圧縮部は、
前記光パルス生成部にて生成された前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
前記周波数チャープ部にてチャープした前記光パルスに、波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
を含み、
前記群速度分散部は、前記周波数チャープ部にてチャープした前記光パルスに、正の群速度分散を生じさせる、ことを特徴とする請求項１に記載の短光パルス発生装置。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記光パルス生成部は、
発光素子と、
光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い前記光パルスを生成するように前記発光素子を駆動させる駆動回路と、
を含む、ことを特徴とする請求項１または２に記載の短光パルス発生装置。
【請求項４】
光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスを生成する光パルス生成部と、
前記光パルス生成部にて生成された前記光パルスの周波数をチャープさせ、かつ当該チャープした前記光パルスのパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と、
を含む、ことを特徴とする短光パルス発生装置。
【請求項５】
前記パルス圧縮部は、
前記光パルス生成部にて生成された前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
前記周波数チャープ部にてチャープした前記光パルスに、波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
を含み、
前記群速度分散部は、前記周波数チャープ部にてチャープした前記光パルスに、負の群速度分散を生じさせる、ことを特徴とする請求項４に記載の短光パルス発生装置。
【請求項６】
請求項４または５において、
前記短光パルス発生部は、
発光素子と、
光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い前記光パルスを生成するように前記発光素子を駆動させる駆動回路と、
を含む、ことを特徴とする請求項４または５に記載の短光パルス発生装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
を含む、ことを特徴とするテラヘルツ波発生装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
を含む、ことを特徴とするカメラ。
【請求項９】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
を含む、ことを特徴とするイメージング装置。
【請求項１０】
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
を含む、ことを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、短光パルス発生装置、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の周波数を有する電磁波であるテラヘルツ波が注目されている。テラヘルツ波は、例えば、イメージング、分光計測等の各種計測、非破壊検査等に用いることができる。
【０００３】
テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生装置は、例えば、サブピコ秒（数百フェムト秒）程度のパルス幅をもつ光パルスを発生させる短光パルス発生装置と、短光パルス発生装置で発生した光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、を有している。
【０００４】
テラヘルツ波発生装置を構成している短光パルス発生装置として、例えば、特許文献１には、半導体レーザーの直接変調により光パルスにチャープを付与し、チャープした光パルスを光パルス圧縮器（光パルス圧縮部）に入射させてパルス圧縮を行う短光パルス発生装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−４０８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のような短光パルス発生装置では、半導体レーザーの直接変調により光パルスにチャープを付与するため、パルス圧縮部に入射する光パルスは、ダウンチャープおよびアップチャープの両方を等しく含むこととなる。そのため、例えば、パルス圧縮部が光パルスに正の群速度分散（または負の群速度分散）を生じさせても、パルス圧縮部に入射する光パルスのうちの半分は、パルス圧縮部においてパルス圧縮されない。
【０００７】
したがって、パルス圧縮部おいて圧縮されたパルスのパルス間隔を短くしようとしても、パルス圧縮部においてパルス圧縮されない部分があるため、隣り合うパルスが干渉してしまい、パルス間隔を短くするには限界があった。
【０００８】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、パルス圧縮部において圧縮されたパルスのパルス間隔を短くすることができる短光パルス発生装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記の短光パルス発生装置を含む、テラヘルツ波発生装置、カメラ、イメージング装置、および計測装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る短光パルス発生装置は、
光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスを生成する光パルス生成部と、
前記光パルス生成部にて生成された光パルスの周波数をチャープさせ、かつチャープした前記光パルスのパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と、
を含む。
【００１０】
このような短光パルス発生装置では、例えば光パルス生成部が光強度の立ち上がりの時間と立ち下がりの時間が等しい光パルスを生成する場合と比べて、パルス圧縮部において光パルスのパルス圧縮されない部分の割合を小さくすることができる。したがって、このパルス圧縮されない部分が隣り合うパルス間で干渉することを抑制することができ、パルス圧縮部において圧縮された光パルスのパルス間隔を短くすることができる。
【００１１】
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記パルス圧縮部は、
前記光パルス生成部にて生成された前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
前記周波数チャープ部にてチャープした前記光パルスに、波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部と、
を含み、
前記群速度分散部は、前記周波数チャープ部にてチャープした前記光パルスに、正の群速度分散を生じさせてもよい。
【００１２】
このような短光パルス発生装置では、パルス圧縮部において、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスをパルス圧縮することができる。
【００１３】
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記光パルス生成部は、
発光素子と、
光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスを生成するように前記発光素子を駆動させる駆動回路と、
を含んでいてもよい。
【００１４】
このような短光パルス発生装置では、光パルス生成部において、例えば光学素子等を用いることなく、容易に、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスを生成することができる。
【００１５】
本発明に係る短光パルス発生装置は、
光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスを生成する光パルス生成部と、
前記光パルス生成部で生成された前記光パルスの周波数をチャープさせ、かつチャープした前記光パルスのパルス幅を圧縮するパルス圧縮部と、
を含む。
【００１６】
このような短光パルス発生装置では、例えば光パルス生成部が光強度の立ち上がりの時間と立ち下がりの時間が等しい光パルスを生成する場合と比べて、パルス圧縮部において光パルスのパルス圧縮されない部分の割合を小さくすることができる。したがって、このパルス圧縮されない部分が隣り合うパルス間で干渉することを抑制することができ、パルス圧縮部おいて圧縮された光パルスのパルス間隔を短くすることができる。
【００１７】
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記パルス圧縮部は、
前記光パルス生成部にて生成された前記光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部と、
前記周波数チャープ部にてチャープした前記光パルスに、波長に応じた群速度差を生じ
させる群速度分散部と、
を含み、
前記群速度分散部は、前記周波数チャープ部にてチャープした前記光パルスに、負の群速度分散を生じさせてもよい。
【００１８】
このような短光パルス発生装置では、パルス圧縮部において、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスをパルス圧縮することができる。
【００１９】
本発明に係る短光パルス発生装置において、
前記短光パルス発生部は、
発光素子と、
光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスを生成するように前記発光素子を駆動させる駆動回路と、
を含んでいてもよい。
【００２０】
このような短光パルス発生装置では、光パルス生成部において、例えば光学素子等を用いることなく、容易に、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスを生成することができる。
【００２１】
本発明に係るテラヘルツ波発生装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
を含む。
【００２２】
このようなテラヘルツ波発生装置では、パルス圧縮部おいて圧縮された光パルスのパルス間隔を短くすることができる短光パルス発生装置を含むことができる。したがって、例えば、高出力化を図ることができる。
【００２３】
本発明に係るカメラは、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果を記憶する記憶部と、
を含む。
【００２４】
このようなカメラでは、パルス圧縮部おいて圧縮された光パルスのパルス間隔を短くすることができる短光パルス発生装置を含むことができる。
【００２５】
本発明に係るイメージング装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物の画像を生成する画像形成部と、
を含む。
【００２６】
このようなイメージング装置は、パルス圧縮部おいて圧縮された光パルスのパルス間隔を短くすることができる短光パルス発生装置を含むことができる。
【００２７】
本発明に係る計測装置は、
本発明に係る短光パルス発生装置と、
前記短光パルス発生装置で発生した短光パルスが照射されてテラヘルツ波を発生させる光伝導アンテナと、
前記光伝導アンテナから射出され、対象物を透過した前記テラヘルツ波または対象物で反射された前記テラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部と、
前記テラヘルツ波検出部の検出結果に基づいて、前記対象物を計測する計測部と、
を含む。
【００２８】
このような計測装置は、パルス圧縮部おいて圧縮された光パルスのパルス間隔を短くすることができる短光パルス発生装置を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１実施形態に係る短光パルス発生装置の機能ブロック図。
【図２】光パルス生成部で生成された光パルスＰ１の一例を示す図。
【図３】光パルス生成部で生成された光パルスＰ１の一例を示す図。
【図４】周波数チャープ部でチャープした光パルスの一例を示す図。
【図５】群速度分散部で光パルスに群速度差を生じさせる状態を説明するための図。
【図６】群速度分散部でパルス圧縮された光パルスの一例を示す図。
【図７】群速度分散部でパルス圧縮された光パルスの一例を示す図。
【図８】第１実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す図。
【図９】第１実施形態に係る短光パルス発生装置の光パルス生成部の発光素子および周波数チャープ部の光導波路を模式的に示す斜視図。
【図１０】第１実施形態に係る短光パルス発生装置の光パルス生成部の発光素子および周波数チャープ部の光導波路を模式的に示す断面図。
【図１１】光パルス生成部の駆動回路の一例を示す回路図。
【図１２】オペアンプの出力端子で得られる出力波形の一例を示す図。
【図１３】参考例に係る短光パルス発生装置の動作を説明するための図。
【図１４】第１実施形態の第１変形例に係る短光パルス発生装置を模式的に示す図。
【図１５】第１実施形態の第１変形例に係る短光パルス発生装置の群速度分散部を模式的に示す断面図。
【図１６】第１実施形態の第２変形例に係る短光パルス発生装置の駆動回路の一例を示す回路図。
【図１７】図１７（Ａ）は方形波信号（入力信号）の波形図であり、図１７（Ｂ）はのこぎり波信号（出力信号）の波形図である。
【図１８】第２実施形態に係る短光パルス発生装置の機能ブロック図。
【図１９】光パルス生成部で生成された光パルスの一例を示す図。
【図２０】光パルス生成部で生成された光パルスの一例を示す図。
【図２１】周波数チャープ部でチャープした光パルスの一例を示す図。
【図２２】群速度分散部で光パルスに群速度差を生じさせる状態を示す図。
【図２３】群速度分散部でパルス圧縮された光パルスの一例を示す図。
【図２４】群速度分散部でパルス圧縮された光パルスの一例を示す図。
【図２５】第２実施形態に係る短光パルス発生装置を模式的に示す図。
【図２６】第２実施形態の第１変形例に係る短光パルス発生装置を模式的に示す図。
【図２７】第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置の構成を示す図。
【図２８】第４実施形態に係るイメージング装置を示すブロック図。
【図２９】第４実施形態に係るイメージング装置のテラヘルツ波検出部を模式的に示す平面図。
【図３０】対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフ。
【図３１】対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図。
【図３２】第５実施形態に係る計測装置を示すブロック図。
【図３３】第６実施形態に係るカメラを示すブロック図。
【図３４】第６実施形態に係るカメラを模式的に示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３１】
１．第１実施形態
１．１．  短光パルス発生装置
まず、第１実施形態に係る短光パルス発生装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る短光パルス発生装置１００の機能ブロック図である。
【００３２】
短光パルス発生装置１００は、図１に示すように、光パルス生成部２と、パルス圧縮部５と、を含む。
【００３３】
光パルス生成部２は、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスを生成する。ここで、光パルスとは、短時間に急峻に光強度が変化する光をいう。光パルス生成部２が生成する光パルスのパルス幅（半値全幅ＦＷＨＭ）は特に限定されないが、例えば１ｐｓ（ピコ秒）以上１００ｐｓ以下である。
【００３４】
図２および図３は、光パルス生成部２において生成された光パルスＰ１の一例を示す図である。図２および図３に示す横軸Ｚは距離であり、矢印の方向は光の進行方向を表している。図２に示す縦軸Ｉは光強度である。図３に示す縦軸は電界強度である。また、図３には、さらに、光パルスＰ１の周波数と距離Ｚとの関係を示すグラフを示している。なお、光強度Ｉは、電界の振幅の二乗に比例する。
【００３５】
光パルスＰ１は、図２に示すように、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い。すなわち、光パルスＰ１の光強度は、強度のベースラインから立ち上がってから最大値に達するまでの時間が、最大値から立ち下がってベースラインの値に戻るまでの時間よりも長い。
【００３６】
光パルスＰ１の光強度は、図２の例では、時間の経過とともに（パルス前部からパルス後部に向かって）直線的（線形）に増加した後、所定の大きさに達すると急激に減少して元の値に戻る。光パルスＰ１の形状は、図２の例では、三角形であり、パルス前部側の角度（パルス前部の辺と横軸Ｚとがなす角度）θ１が鋭角であり、パルス後部側の角度（パルス後部の辺と横軸Ｚとがなす角度）θ２が直角である。
【００３７】
光パルス生成部２は、例えば、光パルスＰ１を連続して生成することでのこぎり波（鋸歯状波）形状の光パルスＰ１列を生成することができる。ここで、のこぎり波とは、光強度が時間とともに直線的に増加し、所定の大きさに達すると急激に減少して元の値に戻ること（図２参照）を繰り返すような形で変化する波形（のこぎり波）である場合と、光強度が所定の大きさまで急激に増加した後、時間とともに直線的に減少して元の値に戻ること（図１９参照）を繰り返すような形で変化する波形（反転のこぎり波）である場合と、
をいう。なお、光パルス生成部２は、光パルスＰ１を連続して生成せずに、所望の時間間隔で生成してもよい。
【００３８】
光パルスＰ１を電磁波として見たときの振幅は、図３に示すように、時間の経過とともに直線的（線形）に増加している。また、光パルスＰ１を電磁波として見たときには、電界強度に関わらず、一定の周波数（初期周波数ω０）を有している。
【００３９】
光パルス生成部２は、例えば、半導体レーザー等の発光素子と、発光素子を駆動する駆動回路と、を含む。光パルス生成部２の具体的な構成については、後述する。
【００４０】
パルス圧縮部５は、光パルス生成部２で生成された光パルスＰ１の周波数をチャープさせ、かつチャープした光パルスのパルス幅を圧縮する。パルス圧縮部５は、周波数チャープ部４と、群速度分散部６と、を含む。
【００４１】
周波数チャープ部４は、光パルス生成部２で生成された光パルスＰ１の周波数をチャープさせる。周波数チャープ部４では、例えば、光パルスＰ１を半導体材料（ＧａＡｓ系材料等）からなる光導波路を伝搬させることにより、半導体材料における自己位相変調効果によって光パルスＰ１の周波数をチャープさせる。ここで、自己位相変調効果とは、光カー効果により引き起こされる位相変調であり、光パルス自身の光強度によって位相が変化する現象をいう。また、光パルスの周波数をチャープさせるとは、光パルスの周波数を時間的に変化させることをいう。
【００４２】
半導体材料における自己位相変調効果で得られるチャープ特性は、光強度に比例している。下記式（１）は、周波数チャープの効果を示す式である。
【００４３】
【数１】
2015118245.tif 000003
【００４４】
なお、Δωはチャープ量（周波数の変化量）、ｃは光速、τｒは非線形屈折率効果の応答時間、ｎ２は非線形屈折率、ｌは導波路長、ω０は光パルスの中心周波数、Ｅは電界の振幅である。
【００４５】
図４は、周波数チャープ部４においてチャープした光パルスＰ２の一例を示す図である。図４は、図３に対応している。
【００４６】
周波数チャープ部４は、図４に示すように、光パルスＰ１をダウンチャープさせる。ここで、ダウンチャープとは、光パルスの周波数が時間の経過とともに減少することをいう。光パルスＰ２の周波数は、時間の経過とともに直線的に減少している。これは、光パルスＰ１の光強度が直線的に増加しているため、周波数チャープ部４において上記式（１）に示すような光強度に比例した周波数チャープを付与すると、光パルスＰ２の周波数が時間の経過とともに直線的に減少することとなるためである。
【００４７】
光パルスＰ２は、図４の例では、パルス前部からパルス後部まで光パルス全体がダウンチャープしている。
【００４８】
群速度分散部６は、周波数チャープ部４にてチャープした光パルスＰ２に、波長に応じた群速度差を生じさせる。具体的には、群速度分散部６は、ダウンチャープした光パルスＰ２に正の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくする（パルス圧縮）。すなわち、
群速度分散部６は、正の群速度分散特性を有する。ここで、群速度分散とは、光パルスの伝搬速度が波長によって異なることで、周波数に依存して群速度が変化する現象をいう。また、正の群速度分散とは、波長が長くなるにしたがって、群速度が速くなる現象をいう。言い換えると、正の群速度分散とは、周波数が低くなるにしたがって、群速度が速くなる現象をいう。
【００４９】
図５は、群速度分散部６において光パルスＰ２に群速度差を生じさせる状態を説明するための図である。図５は、図３および図４に対応している。
【００５０】
ダウンチャープした光パルスＰ２には、群速度分散部６において、例えば、図５に示す周波数と群速度の関係を示すグラフに対応する群速度が与えられる。したがって、群速度分散部６では、周波数の低い光パルスＰ２の後部は、周波数の高い光パルス前部に比べて、群速度が速くなる。ここで、光パルスＰ２は、図示の例では、光パルス全体がダウンチャープしている。そのため、光パルスＰ２は、群速度分散部６において、パルス前部からパルス後部に向かうに従って群速度が速くなる。したがって、群速度分散部６では、光パルスＰ２の全体が圧縮される。
【００５１】
図６および図７は、群速度分散部６においてパルス圧縮された光パルスＰ３の一例を示す図である。図６は、図３〜図５に対応し、図７は、図２に対応している。
【００５２】
光パルスＰ３は、図６および図７に示すように、光パルスＰ１全体が圧縮された形状を有している。光パルスＰ３の光強度は、光パルスＰ１と同様に、立ち上がりの時間が立ち下がりの時間よりも長い。光パルスＰ３の形状は、図７の例では、三角形であり、パルス前部側の角度が鋭角であり、パルス後部側の角度が直角である。光パルスＰ３のパルス幅は、特に限定されないが、例えば、１ｆｓ（フェムト秒）以上８００ｆｓ以下である。なお、光パルスＰ３の周波数は、図６に示すように、一定となった場合、すなわち、チャープが完全に補償された場合は、最短のパルス幅が得られる。
【００５３】
短光パルス発生装置１００では、例えば、光パルス生成部２が、図２に示す光パルスＰ１が連続したのこぎり波形状の光パルスＰ１列を生成した場合、パルス圧縮部５では、図７に示す光パルスＰ３が連続したのこぎり波形状の光パルスＰ３列が得られる。
【００５４】
１．２．  短光パルス発生装置の構成
次に、短光パルス発生装置１００の構成について、図面を参照しながら具体的に説明する。図８は、短光パルス発生装置１００を模式的に示す図である。
【００５５】
光パルス生成部２は、図８に示すように、発光素子２０と、駆動回路２２と、を含む。周波数チャープ部４は、光導波路４０を含む。群速度分散部６は、群速度分散媒質６０と、反射ミラー６２ａ，６２ｂと、反射防止膜６４ａ，６４ｂと、を含む。短光パルス発生装置１００は、さらに、コリメートレンズ８を含む。
【００５６】
まず、光パルス生成部２を構成する発光素子２０、および周波数チャープ部４を構成する光導波路４０について説明する。図９は、光パルス生成部２を構成する発光素子２０と、周波数チャープ部４を構成する光導波路４０と、を模式的に示す斜視図である。図１０は、発光素子２０と光導波路４０とを模式的に示す断面図である。なお、図１０は、図９のＸ−Ｘ線断面図である。
【００５７】
発光素子２０と光導波路４０とは、図９および図１０に示すように、一体に設けられている。すなわち、発光素子２０と光導波路４０とは同一基板２０２上に設けられている。
【００５８】
発光素子２０は、基板２０２と、バッファー層２０４と、第１クラッド層２０６と、コア層２０８と、第２クラッド層２１０と、キャップ層２１２と、絶縁層２２０と、第１電極２３０と、第２電極２３２と、を含んで構成されている。ここでは、発光素子２０がＤＦＢ（Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ  Ｆｅｅｄｂａｃｋ）レーザーである例について説明する。
【００５９】
光導波路４０は、第１クラッド層２０６と、コア層２０８と、第２クラッド層２１０と、を含んで構成されている。
【００６０】
基板２０２は、例えば、第１導電型（例えばｎ型）のＧａＡｓ基板である。基板２０２は、発光素子２０が形成される第１領域２０２ａと、光導波路４０が形成される第２領域２０２ｂと、を有している。
【００６１】
バッファー層２０４は、基板２０２上に設けられている。バッファー層２０４は、例えば、ｎ型のＧａＡｓ層である。バッファー層２０４は、その上方に形成される層の結晶性を向上させることができる。
【００６２】
第１クラッド層２０６は、バッファー層２０４上に設けられている。第１クラッド層２０６は、例えば、ｎ型のＡｌＧａＡｓ層である。
【００６３】
コア層２０８は、第１ガイド層２０８ａと、ＭＱＷ層２０８ｂと、第２ガイド層２０８ｃと、を有している。
【００６４】
第１ガイド層２０８ａは、第１クラッド層２０６上に設けられている。第１ガイド層２０８ａは、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。
【００６５】
ＭＱＷ層２０８ｂは、第１ガイド層２０８ａ上に設けられている。ＭＱＷ層２０８ｂは、例えば、ＧａＡｓウェル層と、ＡｌＧａＡｓバリア層とから構成される量子井戸構造を３つ重ねた多重量子井戸構造を有している。ここで、量子井戸構造とは、半導体発光装置分野における一般的な量子井戸構造を指し、異なるバンドギャップを持つ２種以上の材料を用いて、バンドギャップの小さい材料の薄膜（ｎｍオーダー）を、バンドギャップの大きい材料の薄膜でサンドイッチにした構造である。図示の例では、ＭＱＷ層２０８ｂの量子井戸数（ＧａＡｓウェル層とＡｌＧａＡｓバリア層の積層数）は、第１領域２０２ａおよび第２領域２０２ｂの上方において、同じである。すなわち、発光素子２０および光導波路４０において、ＭＱＷ層２０８ｂの量子井戸数は同じである。
【００６６】
なお、第１領域２０２ａの上方におけるＭＱＷ層２０８ｂの量子井戸数と、第２領域２０２ｂの上方におけるＭＱＷ層２０８ｂの量子井戸数とが、異なっていてもよい。すなわち、発光素子２０を構成するＭＱＷ層２０８ｂの量子井戸数と、光導波路４０を構成するＭＱＷ層２０８ｂの量子井戸数とは、異なっていてもよい。
【００６７】
第２ガイド層２０８ｃは、ＭＱＷ層２０８ｂ上に設けられている。第２ガイド層２０８ｃは、例えば、ｉ型のＡｌＧａＡｓ層である。第２ガイド層２０８ｃには、ＤＦＢ型の共振器を構成する周期構造が設けられている。周期構造は、第１領域２０２ａの上方に設けられている。周期構造は、屈折率の異なる２つの層２０８ｃ，２１０によって構成されている。
【００６８】
第１ガイド層２０８ａ、ＭＱＷ層２０８ｂ、および第２ガイド層２０８ｃにより、ＭＱＷ層２０８ｂに生じる光を伝播するコア層２０８を構成することができる。第１ガイド層２０８ａおよび第２ガイド層２０８ｃは、注入キャリア（電子および正孔）をＭＱＷ層２
０８ｂに閉じ込めると同時に、コア層２０８に光を閉じこめる層である。
【００６９】
第２クラッド層２１０は、コア層２０８上に設けられている。第２クラッド層２１０は、例えば、第２導電型（例えばｐ型）のＡｌＧａＡｓ層である。図示の例では、第１クラッド層２０６、コア層２０８、および第２クラッド層２１０によって、光導波路２１８，４０が形成されている。
【００７０】
発光素子２０では、例えば、ｐ型の第２クラッド層２１０、不純物がドーピングされていないコア層２０８、およびｎ型の第１クラッド層２０６により、ｐｉｎダイオードが構成される。第１クラッド層２０６および第２クラッド層２１０の各々は、コア層２０８よりもバンドギャップが大きく、屈折率が小さい層である。コア層２０８は、光を発生させ、かつ光を増幅しつつ導波させる機能を有する。第１クラッド層２０６および第２クラッド層２１０は、コア層２０８を挟んで、注入キャリア（電子および正孔）並びに光を閉じ込める機能（光の漏れを抑制する機能）を有する。
【００７１】
発光素子２０では、第１電極２３０と第２電極２３２との間に、ｐｉｎダイオードの順バイアス電圧を印加すると、コア層２０８（ＭＱＷ層２０８ｂ）において電子と正孔との再結合が起こる。この再結合により発光が生じる。この生じた光を起点として、連鎖的に誘導放出が起こり、光導波路（利得領域）２１８内で光の強度が増幅される。
【００７２】
キャップ層２１２は、第２クラッド層２１０上に設けられている。キャップ層２１２は、第２電極２３２とオーミックコンタクトすることができる。キャップ層２１２は、例えば、ｐ型のＧａＡｓ層である。
【００７３】
キャップ層２１２と、第２クラッド層２１０の一部とは、柱状部２６０を構成している。例えば、発光素子２０では、柱状部２６０の各層の積層方向から見た平面形状によって、電極２３０，２３２間の電流経路が決定される。
【００７４】
絶縁層２２０は、図９に示すように、第２クラッド層２１０上であって、柱状部２６０の側方に設けられている。さらに、絶縁層２２０は、基板２０２の第２領域２０２ｂの上方のキャップ層２１２上に設けられている。絶縁層２２０は、例えば、ＳｉＮ層、ＳｉＯ２層、ＳｉＯＮ層、Ａｌ２Ｏ３層、ポリイミド層などである。
【００７５】
絶縁層２２０として上記の材料を用いた場合、電極２３０，２３２間の電流は、絶縁層２２０を避けて、該絶縁層２２０に挟まれた柱状部２６０を流れることができる。また、絶縁層２２０は、第２クラッド層２１０の屈折率よりも小さい屈折率を有することができる。この場合、絶縁層２２０を形成した部分の垂直断面の有効屈折率は、絶縁層２２０を形成しない部分、すなわち、柱状部２６０が形成された部分の垂直断面の有効屈折率よりも小さくなる。これにより、平面方向において、光導波路２１８，４０内に効率良く光を閉じ込めることができる。なお、図示はしないが、絶縁層２２０として上記の材料を用いず、空気層としてもよい。この場合、空気層が絶縁層２２０として機能することができる。
【００７６】
第１電極２３０は、基板２０２の下の全面に設けられている。第１電極２３０は、該第１電極２３０とオーミックコンタクトする層（図示の例では基板２０２）と接している。第１電極２３０は、基板２０２を介して、第１クラッド層２０６と電気的に接続されている。第１電極２３０は、発光素子２０を駆動するための一方の電極である。第１電極２３０としては、例えば、基板２０２側からＣｒ層、ＡｕＧｅ層、Ｎｉ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。なお、第１電極２３０は、基板２０２の第１領域２０２ａの下方にのみ設けられていてもよい。
【００７７】
第２電極２３２は、キャップ層２１２の上面であって、第１領域２０２ａの上方に設けられている。さらに、第２電極２３２は、絶縁層２２０上に設けられていてもよい。第２電極２３２は、キャップ層２１２を介して、第２クラッド層２１０と電気的に接続されている。第２電極２３２は、発光素子２０を駆動するための他方の電極である。第２電極２３２としては、例えば、キャップ層２１２側からＣｒ層、ＡｕＺｎ層、Ａｕ層の順序で積層したものなどを用いることができる。なお、図示の例では、第１電極２３０が基板２０２の下面側に設けられ、第２電極２３２が基板２０２の上面側に設けられている両面電極構造であるが、第１電極２３０と第２電極２３２とが基板２０２の同じ面側（例えば上面側）に設けられている片面電極構造であってもよい。
【００７８】
バッファー層２０４、第１クラッド層２０６、コア層２０８、第２クラッド層２１０、キャップ層２１２は、基板２０２の第１領域２０２ａおよび第２領域２０２ｂにわたって設けられている。すなわち、これらの層２０４，２０６，２０８，２１０、２１２は、発光素子２０および光導波路４０に共通の層であり、連続している層である。第１領域２０２ａおよび第２領域２０２ｂにおいて連続している第１クラッド層２０６、コア層２０８、第２クラッド層２１０が、光導波路２１８および光導波路４０を構成している。光導波路２１８は、第１領域２０２ａの上方に設けられており、光導波路４０は、第２領域２０２ｂの上方に設けられている。
【００７９】
以上、発光素子２０および光導波路４０の一例として、ＡｌＧａＡｓ系の半導体材料を用いる場合について説明したが、これに限定されず、例えば、ＡｌＧａＮ系、ＧａＮ系、ＩｎＧａＮ系、ＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＧａＡｓＰ系、ＺｎＣｄＳｅ系などのその他の半導体材料を用いてもよい。
【００８０】
また、発光素子２０がＤＦＢレーザーである例について説明したが、これに限定されず、例えばＤＢＲレーザーやモード同期レーザー等の半導体レーザーであってもよい。また、発光素子２０は、スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）であってもよい。
【００８１】
また、図示はしないが、光導波路４０に逆バイアスを印加するための電極を設けてもよい。これにより、光導波路４０の吸収特性を制御することができ、周波数のチャープ量を調整することができる。
【００８２】
また、ここでは、発光素子２０と光導波路４０が同一基板に設けられる場合について説明したが、発光素子２０と光導波路４０とは、それぞれ別の基板に設けられてもよい。
【００８３】
次に、光パルス生成部２の駆動回路２２について説明する。図１１は、光パルス生成部２の駆動回路２２の一例を示す回路図である。
【００８４】
駆動回路２２は、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成するように発光素子２０を駆動させる。すなわち、光パルスＰ１は、発光素子２０から直接射出される。ここでは、駆動回路２２が、のこぎり波形状の光パルスＰ１列を生成するように発光素子２０を駆動させる例について説明する。
【００８５】
駆動回路２２は、図１１に示すように、オペアンプＩＣ１，ＩＣ２と、コンデンサーＣ１と、ダイオードＤ１，Ｄ２と、抵抗器Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４と、を含んで構成されている。
【００８６】
オペアンプＩＣ１は、シュミット回路として動作する。オペアンプＩＣ２は、積分回路として動作する。積分回路（オペアンプＩＣ２）でのコンデンサー充電時間は、電圧が上
がる場合と電圧が下がる場合とで異ならせている。
【００８７】
ダイオードＤ１，Ｄ２を使用してオペアンプＩＣ１の出力がプラス電圧のとき（積分出力電圧が下がるとき）は小さな抵抗値で急速に充電を行い、オペアンプＩＣ２の出力がマイナス電圧のときは、大きな抵抗値で徐々に充電する。これにより、オペアンプＩＣ２（積分回路）の出力波形がのこぎり波形状となる。駆動回路２２では、電源電圧は、プラス電源とマイナス電源の両方を用いている。
【００８８】
駆動回路２２の発振周波数は、下記式で表される。
【００８９】
【数２】
2015118245.tif 000004
【００９０】
図１２は、オペアンプＩＣ２の出力端子ＯＵＴ−１で得られる出力波形の一例を示す図である。図１２に示す出力波形では、電圧Ｖにマイナスの領域があるため、バイアスを印加する等してオフセットを乗せる（かける）。これにより、のこぎり波形状の電圧波形が得られる。こののごぎり波形状の電圧が発光素子２０の電極２３０，２３２に印加されることにより、発光素子２０はのこぎり波形状の光パルスＰ１列を生成することができる。
【００９１】
次に、群速度分散部６を構成する群速度分散媒質６０、反射ミラー６２ａ，６２ｂ、および反射防止膜６４ａ，６４ｂについて、図８を参照しながら説明する。
【００９２】
群速度分散媒質６０には、周波数チャープ部４においてチャープした光パルスが入射する。群速度分散媒質６０は、例えば、ガラス基板、ＧａＮ基板、ＳｉＣ基板、プラスチック基板、サファイア基板である。そのため、群速度分散媒質６０は、正の群速度分散特性を有する。したがって、群速度分散媒質６０では、ダウンチャープした光パルスに、正の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。群速度分散媒質６０の材質は、光パルスの吸収が少ない材質であることが望ましい。群速度分散媒質６０の形状は、例えば、平板状である。
【００９３】
群速度分散媒質６０は、図示の例では、第１面６１ａと、第１面６１ａとは反対側の第２面６１ｂと、を有している。第１面６１ａおよび第２面６１ｂは、群速度分散媒質６０において、光パルスが入射し、かつ光パルスを射出する面である。群速度分散媒質６０の厚さ（第１面６１ａと第２面６１ｂとの間の距離）は、例えば、１００μｍ以上２０ｍｍ以下である。
【００９４】
反射ミラー６２ａ，６２ｂは、群速度分散媒質６０を挟んで設けられている。第１反射ミラー６２ａは、群速度分散媒質６０の第１面６１ａに対向して設けられている。第１反射ミラー６２ａと第１面６１ａとの間には、空隙が設けられている。第２反射ミラー６２ｂは、群速度分散媒質６０の第２面６１ｂに対向して設けられている。第２反射ミラー６２ｂと第２面６１ｂとの間には、空隙が設けられている。２つの反射ミラー６２ａ，６２ｂは、群速度分散媒質６０を挟んで互いに向き合うように配置されている。すなわち、２つの反射ミラー６２ａ，６２ｂは、群速度分散媒質６０を挟んで対向している。２つの反射ミラー６２ａ，６２ｂは、図示の例では、平行に配置されている。光パルスは、反射ミラー６２ａ，６２ｂに対して、斜め入射する。
【００９５】
反射ミラー６２ａ，６２ｂは、例えば、表面が鏡面である金属板である。反射ミラー６２ａ，６２ｂとしては、例えば、金属ミラー、誘電体多層膜ミラー等を用いることができ
る。
【００９６】
群速度分散媒質６０に入射した光パルスは、２つの反射ミラー６２ａ，６２ｂによって複数回反射されて群速度分散媒質６０中を進行する。図示の例では、群速度分散媒質６０の第２面６１ｂに入射した光パルスは、群速度分散媒質６０中を伝搬し第１面６１ａから外部に射出される。第１面６１ａから外部に射出された光パルスは、第１反射ミラー６２ａで反射され、再び、第１面６１ａに入射する。そして、第１面６１ａに入射した光パルスは、群速度分散媒質６０中を伝搬し第２面６１ｂから外部に射出される。第２面６１ｂから外部に射出された光パルスは、第２反射ミラー６２ｂで反射され、再び、第２面６１ｂに入射する。これを繰り返すことによって、光パルスは群速度分散媒質６０中を進行する。なお、反射ミラー６２ａ，６２ｂにおける光パルスの反射回数は、特に限定されない。
【００９７】
ここで、光パルスが群速度分散媒質６０中を進行するとは、光パルスが常に群速度分散媒質６０中を進行する場合と、図８に示すように光パルスが群速度分散媒質６０から外部（大気）に射出された後、再度、外部から群速度分散媒質６０に入射することを繰り返しながら進行する場合と、を含む。
【００９８】
群速度分散部６は、光パルスが群速度分散媒質６０中を通過する距離に応じた群速度分散値を得ることができる。すなわち、群速度分散部６では、光パルスが群速度分散媒質６０中を通過する距離が長いほど、光パルスに大きな群速度差を生じさせることができる。したがって、群速度分散部６では、光パルスが２つの反射ミラー６２ａ，６２ｂで反射される回数を増やすことによって、光パルスに大きな群速度差を生じさせることができる。
【００９９】
なお、ここでは、群速度分散部６が２つの反射ミラー６２ａ，６２ｂを有している場合について説明したが、反射ミラーの数は２つ以上であれば特に限定されない。例えば、群速度分散媒質６０の第１面６１ａおよび第２面６１ｂに対向する反射ミラーに加えて、群速度分散媒質６０のその他の面（例えば、第１面６１ａと第２面６１ｂとを接続する面、群速度分散媒質６０の側面）に対向する反射ミラーを設けてもよい。また、例えば、群速度分散媒質６０のすべての面（光パルスが入射する領域、光パルスを射出する領域を除く）に反射ミラーを設けてもよい。
【０１００】
第１反射防止膜６４ａは、群速度分散媒質６０の第１面６１ａに設けられている。第１反射防止膜６４ａは、例えば、ＳｉＯ２層、Ｔａ２Ｏ５層、Ａｌ２Ｏ３層、ＴｉＮ層、ＴｉＯ２層、ＳｉＯＮ層、ＳｉＮ層や、これらの多層膜である。第１反射防止膜６４ａは、第１面６１ａにおける光パルスの反射率を低くすることができる。
【０１０１】
第２反射防止膜６４ｂは、群速度分散媒質６０の第２面６１ｂに設けられている。第２反射防止膜６４ｂは、例えば、ＳｉＯ２層、Ｔａ２Ｏ５層、Ａｌ２Ｏ３層、ＴｉＮ層、ＴｉＯ２層、ＳｉＯＮ層、ＳｉＮ層や、これらの多層膜である。第２反射防止膜６４ｂは、第２面６１ｂにおける光パルスの反射率を低くすることができる。
【０１０２】
コリメートレンズ８は、光導波路４０と群速度分散媒質６０との間の光パルスの光路上に設けられている。コリメートレンズ８の材質は、例えば、光学ガラスである。コリメートレンズ８は、光導波路４０から射出されて群速度分散媒質６０に入射する光パルスを平行光に変換することができる。
【０１０３】
１．２．  短光パルス発生装置の動作
次に、短光パルス発生装置１００の動作について、図８を参照しながら説明する。
【０１０４】
光パルス生成部２は、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスＰ１（図３参照）を生成する。具体的には、発光素子２０を駆動回路２２によって駆動することで、光パルスＰ１が生成される。光パルスＰ１は、光導波路２１８を通って光導波路４０（周波数チャープ部４）に入射する（図１０参照）。
【０１０５】
周波数チャープ部４は、光パルス生成部２にて生成された光パルスＰ１の周波数をチャープさせる。具体的には、光パルスＰ１が、光導波路４０を伝搬することによって、光パルスＰ１に自己位相変調効果によるチャープが付与される。光導波路４０で得られるチャープ特性は、光強度に比例する（上記式（１）参照）。したがって、光パルスＰ１は、周波数チャープ部４において、周波数が時間の経過とともに直線的に減少する（ダウンチャープする）光パルスＰ２（図４参照）となる。
【０１０６】
光導波路４０から射出された光パルスＰ２は、コリメートレンズ８によって平行光に変換され、群速度分散媒質６０（群速度分散部６）に入射する。
【０１０７】
群速度分散部６は、周波数チャープ部４にてチャープした光パルスＰ２に、波長に応じた群速度差を生じさせる。具体的には、群速度分散媒質６０に入射した光パルスＰ２は、２つの反射ミラー６２ａ，６２ｂによって複数回反射されて群速度分散媒質６０中を進行する。群速度分散媒質６０は正の群速度分散媒質であり、ダウンチャープした光パルスＰ２は群速度分散媒質６０中を進行している間にパルス圧縮される。光パルスＰ２は、図４に示すように、光パルス全体がダウンチャープしているため、群速度分散部６において、光パルスＰ２の全体が圧縮されて、光パルスＰ３（図６および図７参照）となる。群速度分散部６にて圧縮された光パルスＰ３は、群速度分散媒質６０から外部に向けて射出される。
【０１０８】
短光パルス発生装置１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【０１０９】
短光パルス発生装置１００は、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成する光パルス生成部２と、光パルス生成部２で生成された光パルスＰ１の周波数をチャープさせ、かつ当該チャープした光パルスＰ２のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部５と、を含む。これにより、パルス圧縮部５において圧縮された光パルスＰ３のパルス間隔を短くすることができる。
【０１１０】
以下、この理由について、光強度の立ち上がり時間と立ち下がりの時間が等しい光パルスを発生させる光パルス生成部を含む短光パルス発生装置（参考例に係る短光パルス発生装置）を例に挙げて説明する。図１３は、参考例に係る短光パルス発生装置１００ｒの動作を説明するための図である。
【０１１１】
短光パルス発生装置１００ｒでは、図１３に示すように、光パルス生成部２ｒが、光強度の立ち上がり時間と立ち下がりの時間が等しい光パルスＰ１ｒ、すなわち、例えば光強度がガウス関数等の一般的な拡がり関数で表記される光パルスＰ１ｒを生成する。図示の例では、光パルス生成部２ｒは、光パルスＰ１ｒの一例として、光強度がガウス関数で表記される光パルスを生成している。
【０１１２】
周波数チャープ部４ｒは、半導体材料における自己位相変調効果により、光パルスＰ１ｒの周波数をチャープさせる。上述のように半導体材料における自己位相変調効果で得られるチャープ特性は、光強度に比例している。そのため、周波数チャープ部４ｒは、光パルスＰ１ｒの前部をダウンチャープさせ、光パルスＰ１ｒの後部をアップチャープさせる。したがって、光パルスＰ１ｒは、周波数チャープ部４ｒにおいて、前部がダウンチャープし、後部がアップチャープした光パルスＰ２ｒとなる。すなわち、光パルスＰ２ｒは、
ダウンチャープおよびアップチャープの両方を等しく含むことになる。
【０１１３】
群速度分散部６ｒは、例えば、光パルスＰ２ｒに負の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくする（パルス圧縮）。群速度分散部６ｒにおいて、光パルスＰ２ｒは、パルス前部およびパルス後部の群速度が速くなり、パルス中央部の群速度が遅くなる。そのため、光パルスＰ２ｒは、群速度分散部６ｒにおいて、パルス後部は圧縮される一方で、パルス前部はパルス圧縮されない。そのため、パルス圧縮部５ｒでは、パルス後部が圧縮され、パルス前部が圧縮されない（拡がる）光パルスＰ３ｒが生成される。
【０１１４】
なお、図示はしないが、群速度分散部６ｒが、光パルスＰ２ｒに正の群速度分散を生じさせてパルス圧縮する場合には、群速度分散部６ｒにおいて、光パルスＰ２ｒは、パルス前部およびパルス後部の群速度が遅くなり、パルス中央部の群速度が速くなる。そのため、光パルスＰ２ｒは、群速度分散部６ｒにおいて、パルス前部は圧縮される一方で、パルス後部はパルス圧縮されない。そのため、パルス圧縮部５ｒでは、図示はしないが、パルス前部が圧縮され、パルス後部が圧縮されない（拡がる）光パルスが生成される。
【０１１５】
このように参考例に係る短光パルス発生装置１００ｒでは、光パルス生成部２ｒが光強度の立ち上がり時間と立ち下がりの時間が等しい光パルスＰ１ｒを生成するため、パルス圧縮部５ｒに入射する光パルスのうちの半分は、パルス圧縮部５ｒにおいてパルス圧縮されない。
【０１１６】
これに対して、第１実施形態に係る短光パルス発生装置１００では、光パルス生成部２が光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成する。そのため、短光パルス発生装置１００ｒの例と比べて、すなわち、光パルス生成部２が光強度の立ち上がり時間と立ち下がりの時間が等しい光パルスＰ１ｒを生成する場合と比べて、パルス圧縮部５において光パルスのパルス圧縮されない部分の割合を小さくすることができる。したがって、このパルス圧縮されない部分が隣り合うパルス間で干渉することを抑制することができ、パルス圧縮部５おいて圧縮された光パルスＰ３のパルス間隔を短くすることができる。
【０１１７】
そのため、例えば、短光パルス発生装置１００を、光伝導アンテナ（ＰＣＡ）を励起してテラヘルツ波を放射させるテラヘルツ波発生装置の光源として用いる場合には、単位時間あたりにより多くの光パルスを光伝導アンテナに照射することができる。これにより、テラヘルツ波発生装置の高出力化を図ることができる。また、例えば、短光パルス発生装置１００を光通信に用いる場合には、単位時間あたりにより多くの光パルスを送ることが可能となり、高速通信が可能となる。
【０１１８】
さらに、参考例に係る短光パルス発生装置１００ｒでは、パルス圧縮部５ｒに入射する光パルスのうちの半分はパルス圧縮部５ｒにおいてパルス圧縮されないため、光パルスの変換効率が悪い（変換効率は５０％程度）。ここで、光パルスの変換効率とは、光パルス生成部で生成された光パルスのうち、光パルス圧縮部において圧縮される部分の割合である。
【０１１９】
これに対して、第１実施形態に係る短光パルス発生装置１００では、パルス圧縮部５においてパルス圧縮されない部分の割合を小さくすることができるため、光パルスの変換効率を高めることができる。したがって、例えば短光パルス発生装置１００をテラヘルツ波発生装置の光源として用いる場合には、エネルギー効率を高めることができる。
【０１２０】
短光パルス発生装置１００では、パルス圧縮部５においてパルス圧縮されない部分の割合を小さくすることができるため、テラヘルツ波発生装置の光源として用いる場合に、テ
ラヘルツ波発生装置で発生するテラヘルツ波が、所望の周波数以外のピークを持つこと抑制することができる。例えば、短光パルス発生装置１００で発生する光パルスに、パルス圧縮されない部分があると、テラヘルツ波発生装置からは、このパルス圧縮されない部分に応じた周波数のテラヘルツ波が発生してしまう。
【０１２１】
短光パルス発生装置１００では、パルス圧縮部５において圧縮されて生成される光パルスＰ３は、図７に示すように、パルス前部で徐々に立ち上がり、パルス後部で急峻に立ち下がっている。ここで、短光パルス発生装置１００で発生した光パルスを光伝導アンテナの励起光として用いる場合、テラヘルツ波の放射に寄与するのは光パルスの前部である。したがって、短光パルス発生装置１００は、光伝導アンテナの光源として良好である。
【０１２２】
短光パルス発生装置１００では、パルス圧縮部５は、光パルス生成部２にて生成された光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部４と、周波数チャープ部４にてチャープした光パルスに、波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部６と、を含み、群速度分散部６は、周波数チャープ部４にてチャープした光パルスＰ２に、正の群速度分散を生じさせる。これにより、パルス圧縮部５において、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスＰ１をパルス圧縮することができる。
【０１２３】
短光パルス発生装置１００では、光パルス生成部２は、発光素子２０と、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成するように発光素子２０を駆動させる駆動回路２２と、を含む。これにより、光パルス生成部２において、例えば光学素子等を用いることなく、容易に、光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成することができる。
【０１２４】
１．３．  変形例
次に、第１実施形態に係る短光パルス発生装置の変形例について説明する。
【０１２５】
（１）第１変形例
まず、第１変形例について説明する。図１４は、第１変形例に係る短光パルス発生装置２００を模式的に示す図である。図１５は、短光パルス発生装置２００の群速度分散部６を模式的に示す断面図である。なお、図１５は、図１４のＸＶ−ＸＶ線断面図である。
【０１２６】
以下、第１変形例に係る短光パルス発生装置２００において、上述した第１実施形態に係る短光パルス発生装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１２７】
上述した短光パルス発生装置１００では、群速度分散部６は、図８に示すように、群速度分散媒質６０（例えばガラス基板）が２つの反射ミラー６２ａ，６２ｂで挟まれており、光パルスが群速度分散媒質６０中を進行することにより、光パルスが圧縮されていた。
【０１２８】
これに対して、第１変形例に係る短光パルス発生装置２００では、群速度分散部６は、モード結合する距離で配置された２つの光導波路６０２ａ，６０２ｂを有しており、この２つの光導波路６０２ａ，６０２ｂを光パルスが進行することにより光パルスが圧縮される。なお、モード結合する距離とは、２つの光導波路を伝搬する光が、互いに行き来することが可能な距離である。
【０１２９】
２つの光導波路６０２ａ，６０２ｂは、いわゆる結合導波路を構成している。２つの光導波路６０２ａ，６０２ｂは、図１５に示すように、基板２０２と、バッファー層２０４と、第１クラッド層２０６と、コア層２０８と、第２クラッド層２１０と、キャップ層２１２と、絶縁層２２０と、を含んで構成されている。
【０１３０】
２つの光導波路６０２ａ，６０２ｂは、光パルスＰ２に、正の群速度分散を生じさせる、すなわち、２つの光導波路６０２ａ，６０２ｂは、正の群速度分散特性を有している。
【０１３１】
なお、図示はしないが、発光素子２０、光導波路４０、および光導波路６０２ａ，６０２ｂを一体的に形成してもよい。すなわち、発光素子２０、光導波路４０、および光導波路６０２ａ，６０２ｂを同一基板上に形成してもよい。
【０１３２】
第１変形例に係る短光パルス発生装置２００では、群速度分散部６がモード結合する距離で配置された２つの光導波路６０２ａ，６０２ｂを有しているため、モード結合により、光パルスに対して、大きな群速度差を生じさせることができる。したがって、例えば、装置の小型化を図ることができる。
【０１３３】
（２）第２変形例
次に、第２変形例について説明する。図１６は、第２変形例に係る短光パルス発生装置の駆動回路２２ｄの一例を示す回路図である。図１７（Ａ）は方形波信号（入力信号）の波形図であり、図１７（Ｂ）はのこぎり波信号（出力信号）の波形図である。
【０１３４】
上述した短光パルス発生装置１００では、光パルス生成部２は、図１１に示す駆動回路２２によって、発光素子２０を駆動させて、光パルスＰ１を生成していた。
【０１３５】
これに対して、第２変形例では、光パルス生成部２は、図１６に示す駆動回路２２ｄによって、発光素子２０を駆動させて、光パルスＰ１を生成する。
【０１３６】
駆動回路２２ｄは、図１６に示すように、エッジ検出部２０１１と、チャージポンプ２０１２と、増幅回路２０１３と、を含んで構成されている。
【０１３７】
駆動回路２２ｄでは、入力信号は、図１７（Ａ）に示すように、高レベル、低レベルとも同じパルス幅を持つパルス型の方形波信号である。エッジ検出部２０１１は、方形波信号の立ち上り及び立下りエッジを検出する。エッジ検出部２０１１は、チャージポンプ２０１２に対し、立ち上り、立ち下りのエッジの検出毎にＢ点電圧を０にリセットしてから充電を開始させる。
【０１３８】
チャージポンプ２０１２は、定電流回路Ｂ１及びコンデンサーＣ１０で構成された充電回路のチャージポンプである。増幅回路２０１３はチャージポンプ２０１２の出力であるのこぎり波信号を増幅する回路である。
【０１３９】
次に、動作について述べる。図１７（Ａ）のような方形波信号（Ａ点の信号）が入力されると、エッジを検出するエッジ検出部２０１１において、方形波の立ち上り及び立ち下りが検出され、エッジ検出信号が出力される。一方、チャージポンプ２０１２では、電源部ＶＣＣより定電流回路Ｂ１を経由してコンデンサーＣ１が充電されている。このコンデンサーＣ１の充電はエッジ検出部２０１１の立ち上り及び立ち下りのエッジ検出信号によりリセットされる。
【０１４０】
具体的には、コンデンサーＣ１は、方形波信号（入力信号）のエッジに相当するタイミングで瞬時に放電された後、定電流回路Ｂ１によって所定の傾斜で０（低レベル）からＶＣＣ（高レベル）まで充電され、のこぎり波信号（Ｂ点の信号）が発生する。そして、こののこぎり波信号は、増幅回路２０１３に入力され、図１７（Ｂ）に示すのこぎり波信号が取り出される。図１７（Ｂ）に示すのごぎり波形状の電圧が発光素子２０の電極２３０，２３２に印加されることにより、発光素子２０はのこぎり波形状の光パルスＰ１列を生
成することができる。
【０１４１】
２．  第２実施形態
次に、第２実施形態に係る短光パルス発生装置について、図面を参照しながら説明する。図１８は、第２実施形態に係る短光パルス発生装置３００の機能ブロック図である。
【０１４２】
以下、第２実施形態に係る短光パルス発生装置３００において、上述した第１実施形態に係る短光パルス発生装置１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１４３】
上述した短光パルス発生装置１００では、光パルス生成部２は光強度の立ち上がりの時間が光強度の立ち下がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成し、周波数チャープ部４は光パルスＰ１をダウンチャープさせ、群速度分散部６はダウンチャープした光パルスＰ２に正の群速度分散を生じさせてパルス圧縮を行った。
【０１４４】
これに対して、短光パルス発生装置３００では、光パルス生成部２は光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がり時間よりも長い光パルスＰ１を生成し、周波数チャープ部４は光パルスＰ１をアップチャープさせ、群速度分散部６はアップチャープした光パルスＰ２に負の群速度分散を生じさせてパルス圧縮を行う。
【０１４５】
光パルス生成部２は、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスを生成する。
【０１４６】
図１９および図２０は、光パルス生成部２において生成された光パルスＰ１の一例を示す図である。図１９および図２０に示す横軸Ｚは距離であり、光の進行方向を表している。図１９に示す縦軸Ｉは光強度である。図２０に示す縦軸は電界強度である。また、図２０には、さらに、光パルスＰ１の周波数と距離Ｚとの関係を示すグラフを示している。
【０１４７】
光パルスＰ１は、図１９に示すように、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い。すなわち、光パルスＰ１の光強度は、強度のベースラインから立ち上がってから最大値に達するまでの時間が、最大値から立ち下がってベースラインの値に戻るまでの時間よりも短い。
【０１４８】
光パルスＰ１の光強度は、図１９の例では、所定の大きさまで急激に増加し、その後、時間の経過とともに（パルス前部からパルス後部に向かって）直線的（線形）に減少して元の値に戻る。光パルスＰ１の形状は、図１９の例では、三角形であり、パルス前部側の角度（パルス前部の辺と横軸Ｚとがなす角度）θ１が直角であり、パルス後部側の角度（パルス後部の辺と横軸Ｚとがなす角度）θ２が鋭角である。
【０１４９】
光パルス生成部２は、例えば、光パルスＰ１を連続して生成することでのこぎり波（反転のこぎり波）形状の光パルスＰ１列を生成することができる。なお、光パルス生成部２は、光パルスＰ１を連続して生成せずに、所望の時間間隔で生成してもよい。
【０１５０】
光パルスＰ１を電磁波として見たときの振幅は、図２０に示すように、時間の経過とともに、直線的（線形）に減少している。また、光パルスＰ１を電磁波として見たときには、電界強度に関わらず、一定の周波数（初期周波数ω０）を有している。
【０１５１】
光パルス生成部２は、例えば、半導体レーザー等の発光素子と、発光素子を駆動する駆動回路と、を含んで構成されている。光パルス生成部２の具体的な構成については、後述する。
【０１５２】
パルス圧縮部５は、光パルス生成部２で生成された光パルスＰ１の周波数をチャープさせ、かつチャープした光パルスのパルス幅を圧縮する。パルス圧縮部５は、周波数チャープ部４と、群速度分散部６と、を有している。
【０１５３】
周波数チャープ部４は、光パルス生成部２で生成された光パルスＰ１の周波数をチャープさせる。周波数チャープ部４では、例えば、光パルスＰ１を半導体材料からなる光導波路を伝搬させることにより、半導体材料における自己位相変調効果によって光パルスＰ１の周波数をチャープさせる。
【０１５４】
図２１は、周波数チャープ部４においてチャープした光パルスＰ２の一例を示す図である。図２１は、図２０に対応している。
【０１５５】
周波数チャープ部４は、図２１に示すように、光パルスＰ１をアップチャープさせる。ここで、アップチャープとは、光パルスの周波数が時間の経過とともに増加することをいう。光パルスＰ２の周波数は、時間の経過とともに直線的に増加している。これは、光パルスＰ１の光強度が直線的に減少しているため、周波数チャープ部４において上記した式（１）に示すような光強度に比例した周波数チャープを付与すると、光パルスＰ２の周波数が時間の経過とともに直線的に増加することとなるためである。
【０１５６】
光パルスＰ２は、図２１の例では、パルス前部からパルス後部まで光パルス全体がアップチャープしている。
【０１５７】
群速度分散部６は、周波数チャープ部４にてチャープした光パルスＰ２に、波長に応じた群速度差を生じさせる。具体的には、群速度分散部６は、アップチャープした光パルスＰ２に負の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくする（パルス圧縮）。ここで、負の群速度分散とは、波長が長くなるにしたがって、群速度が遅くなる現象をいう。言い換えると、負の群速度分散とは、周波数が低くなるにしたがって、群速度が遅くなる現象をいう。
【０１５８】
図２２は、群速度分散部６において光パルスＰ２に群速度差を生じさせる様子を説明するための図である。図２２は、図２０および図２１に対応している。
【０１５９】
アップチャープした光パルスＰ２には、群速度分散部６において、例えば、図２２に示す周波数と群速度の関係を示すグラフに対応する群速度が与えられる。したがって、群速度分散部６では、周波数の高い光パルスＰ２の後部は、周波数の低い光パルス前部に比べて、群速度が速くなる。ここで、光パルスＰ２は、図示の例では、光パルス全体がアップチャープしている。そのため、群速度分散部６において、光パルスＰ２は、パルス前部からパルス後部に向かうに従って群速度が速くなる。これにより、群速度分散部６では、光パルスＰ２の全体が圧縮される。
【０１６０】
図２３および図２４は、群速度分散部６においてパルス圧縮された光パルスＰ３の一例を示す図である。図２３は、図２０〜図２２に対応し、図２４は、図１９に対応している。
【０１６１】
光パルスＰ３は、図２３および図２４に示すように、光パルスＰ１全体が圧縮された形状を有している。光パルスＰ３の光強度は、光パルスＰ１と同様に、立ち下がりの時間が立ち上がりの時間よりも長い。光パルスＰ３の形状は、図２４の例では、三角形であり、パルス前部側の角度が直角であり、パルス後部側の角度が鋭角である。光パルスＰ３のパルス幅は、特に限定されないが、例えば、１ｆｓ（フェムト秒）以上８００ｆｓ以下であ
る。なお、光パルスＰ３の周波数は、図２３に示すように、一定（初期周波数ω０）である。
【０１６２】
短光パルス発生装置３００では、例えば、光パルス生成部２が、図１９に示す光パルスＰ１が連続したのこぎり波形状（反転のこぎり波形状）の光パルスＰ１列を生成した場合、パルス圧縮部５では、光パルスＰ３が連続したのこぎり波形状（反転のこぎり波形状）の光パルスＰ３列が得られる。
【０１６３】
２．２．  短光パルス発生装置の構成
次に、短光パルス発生装置３００の構成について、図面を参照しながら具体的に説明する。図２５は、短光パルス発生装置３００を模式的に示す図である。
【０１６４】
光パルス生成部２は、図２５に示すように、発光素子２０と、駆動回路３２２と、を含む。周波数チャープ部４は、光導波路４０を含む。群速度分散部６は、２つのプリズム対６６，６８を含む。
【０１６５】
発光素子２０および光導波路４０の構成は、上述した図９および図１０に示す短光パルス発生装置１００の例と同様であり、その説明を省略する。
【０１６６】
また、短光パルス発生装置３００の駆動回路３２２は、上述した図１１に示す駆動回路２２と、当該駆動回路２２の出力信号の符号を反転させるための反転増幅回路（オペアンプ）と、を備えている。駆動回路３２２は、反転増幅回路を用いて図１２に示す出力信号を反転させた後、オフセットを乗せる（かける）。これにより、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長いのこぎり波（反転のこぎり波）信号を出力することができる。
【０１６７】
なお、短光パルス発生装置３００の駆動回路３２２は、上述した図１６に示す駆動回路２２ｄと、当該駆動回路２２ｄの出力信号（図１７（Ｂ）参照）の符号を反転させるための反転増幅器と、を備えていてもよい。これにより、反転増幅回路を用いて駆動回路２２ｄの出力信号（図１７（Ｂ）参照）を反転させることでのこぎり波（反転のこぎり波）信号を出力することができる。
【０１６８】
群速度分散部６は、２つのプリズム対（第１プリズム対６６、第２プリズム対６８）を含む。第１プリズム対６６は、第１プリズム６６ａと、第２プリズム６６ｂと、を有している。第２プリズム対６８は、第３プリズム６８ａと、第４プリズム６８ｂと、を有している。第１プリズム対６６と第２プリズム対６８とは、対称に配置されている。プリズム６６ａ，６６ｂ，６８ａ，６８ｂの材質は、たとえば、ＳＦ１０、ＳＦ１１等の屈折率の大きい光学ガラスである。
【０１６９】
群速度分散部６では、２つのプリズム対６６，６８によって、周波数チャープ部４においてアップチャープした光パルスＰ２に負の群速度分散を生じさせて、パルス圧縮を行う。
【０１７０】
具体的には、群速度分散部６では、アップチャープした光パルスＰ２が第１プリズム６６ａに入射すると、第１プリズム６６ａによって光パルスＰ２は空間的に分散する。具体的には、光パルスＰ２に含まれる周波数成分（波長成分）のうち、周波数の高い（短波長）成分は周波数の低い（長波長）成分よりも大きく回折する。第１プリズム６６ａと第２プリズム６６ｂとの間の空間では、周波数の高い（短波長）成分がより長い光学的距離を伝搬し、周波数の低い（長波長）成分が時間的に早く伝搬する。第２プリズム６６ｂ内では、周波数の低い（長波長）成分がより長い光学的距離を伝搬し、周波数の低い（長波長
）成分は時間的に遅く伝搬する（負の分散）。第１プリズム対６６を透過し第２プリズム６６ｂから射出された光パルスは、例えば分散が半分だけ補償されている。そして、第２プリズム６６ｂから射出された光パルスは、第２プリズム対６８に入射し、残りの分散が補償される。
【０１７１】
このようにして、２つのプリズム対６６，６８は、当該２つのプリズム対６６，６８全体として、光パルスＰ２に、負の群速度分散を生じさせる。すなわち、２つのプリズム対６６，６８は、負の群速度分散特性を有する負の群速度分散媒質として機能する。したがって、２つのプリズム対６６，６８では、アップチャープした光パルスＰ２に、負の群速度分散を生じさせて、パルス幅を小さくすることができる。
【０１７２】
２．２．  短光パルス発生装置の動作
次に、短光パルス発生装置２００の動作について、図２５を参照しながら説明する。
【０１７３】
光パルス生成部２は、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスＰ１（図２０参照）を生成する。具体的には、発光素子２０を駆動回路３２２によって駆動させることで、光パルスＰ１が生成される。光パルスＰ１は、光導波路２１８を通って光導波路４０（周波数チャープ部４）に入射する（図１０参照）。
【０１７４】
周波数チャープ部４は、自己位相変調効果によって光パルス生成部２にて生成された光パルスＰ１の周波数をチャープさせる。具体的には、光パルスＰ１が、光導波路４０を伝搬することによって、光パルスＰ１に自己位相変調効果によるチャープが付与される。光導波路４０で得られるチャープ特性は、光強度に比例する（上記式（１）参照）。したがって、光パルスＰ１は、周波数チャープ部４において、周波数が時間の経過とともに直線的に増加する（アップチャープする）光パルスＰ２（図２１参照）となる。
【０１７５】
光導波路４０から射出された光パルスＰ２は、コリメートレンズ８によって平行光に変換され、２つのプリズム対６６，６８（群速度分散部６）の第１プリズム６６ａに入射する。
【０１７６】
群速度分散部６は、周波数チャープ部４にてチャープした光パルスＰ２に、波長に応じた群速度差を生じさせる。具体的には、２つのプリズム対６６，６８は、負の群速度分散特性を有するため、アップチャープした光パルスＰ２は、２つのプリズム対６６，６８によって、パルス圧縮される。光パルスＰ２は、図２１に示すように、光パルス全体がアップチャープしているため、光パルスＰ２の全体が圧縮されて、光パルスＰ３（図２３参照）となる。圧縮された光パルスＰ３は、２つのプリズム対６６，６８（第４プリズム６８ｂ）から外部に向けて射出される。
【０１７７】
短光パルス発生装置３００は、例えば、以下の特徴を有する。
【０１７８】
短光パルス発生装置３００は、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成する光パルス生成部２と、光パルス生成部２で生成された光パルスＰ１の周波数をチャープさせ、かつ当該チャープした光パルスＰ２のパルス幅を圧縮するパルス圧縮部５と、を含む。これにより、上述した短光パルス発生装置１００の例と同様に、光パルス生成部２が光強度の立ち上がり時間と立ち下がりの時間が等しい光パルスＰ１ｒ（図１３参照）を生成する場合と比べて、パルス圧縮部５においてパルス圧縮されない部分の割合を小さくすることができる。したがって、このパルス圧縮されない部分が隣り合うパルス間で干渉することを抑制することができ、パルス圧縮部５において圧縮された光パルスＰ３のパルス間隔を短くすることができる。
【０１７９】
短光パルス発生装置３００では、パルス圧縮部５は、光パルス生成部２にて生成された光パルスの周波数をチャープさせる周波数チャープ部４と、周波数チャープ部４にてチャープした光パルスに、波長に応じた群速度差を生じさせる群速度分散部６と、を含み、群速度分散部６は、周波数チャープ部４にてチャープした光パルスに、負の群速度分散を生じさせる。これにより、パルス圧縮部５において、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスＰ１をパルス圧縮することができる。
【０１８０】
短光パルス発生装置３００では、光パルス生成部２は、発光素子２０と、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成するように発光素子２０を駆動させる駆動回路２２と、を含む。これにより、光パルス生成部２において、例えば光学素子等を用いることなく、容易に、光強度の立ち下がりの時間が光強度の立ち上がりの時間よりも長い光パルスＰ１を生成することができる。
【０１８１】
ここで、本発明に係る短光パルス発生装置では、群速度分散部６の群速度分散特性（正の群速度分散、負の群速度分散）に合わせて、発光素子２０の駆動方法を変えることにより、パルス圧縮を行うことができる。具体的には、例えば、群速度分散部６が正の群速度分散特性を有する場合には、第１実施形態に係る短光パルス発生装置１００（すなわち、発光素子２０に非反転のこぎり波形状の電圧を印加）を用いることでパルス圧縮を行うことができる。また、例えば、群速度分散部６が負の群速度分散特性を有する場合には、第２実施形態に係る短光パルス発生装置２００（すなわち発光素子２０に反転のこぎり波形状の電圧を印加）を用いることでパルス圧縮を行うことができる。
【０１８２】
２．３．  変形例
次に、第２実施形態に係る短光パルス発生装置の変形例について説明する。図２６は、第２実施形態の第１変形例に係る短光パルス発生装置４００を模式的に示す図である。
【０１８３】
以下、本変形例に係る短光パルス発生装置４００において、上述した第２実施形態に係る短光パルス発生装置３００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
【０１８４】
上述した短光パルス発生装置３００では、図２５に示すように、群速度分散部６は、２つのプリズム対６６，６８によって、光パルスＰ２に負の群速度分散を生じさせていた。
【０１８５】
これに対して、短光パルス発生装置４００では、図２６に示すように、群速度分散部６は、回折格子対６１０によって、光パルスＰ２に負の群速度分散を生じさせている。回折格子対６１０は、１対の回折格子（第１回折格子６１０ａ、第２回折格子６１０ｂ）によって構成されている。
【０１８６】
第１回折格子６１０ａおよび第２回折格子６１０ｂは、例えば、互いに平行に配置されている。回折格子対６１０では、光パルスＰ２が回折格子対６１０に入射すると、光パルスＰ２内の異なる周波数成分（波長成分）は、異なる方向に回折される。このとき、回折格子対６１０では、第１回折格子６１０ａと第２回折格子６１０ｂとの間の空間において、周波数の低い（長波長）成分がより長い光学的距離を伝搬し、周波数の低い（長波長）成分は時間的に遅く伝搬するように回折される。これにより、光パルスＰ２に負の群速度分散を生じさせることができる。
【０１８７】
なお、図示はしないが、群速度分散部６として、チャープミラーを用いてもよい。チャープミラーは、誘電体多層膜ミラーの一種であり、周波数の低い（長波長）光ほどより深い膜（ミラー表面からの深さ）によって反射されるように形成されている。そのため、チャープミラーは、光パルスに、負の群速度分散を生じさせることができる。
【０１８８】
３．  第３実施形態
次に、第３実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１０００について、図面を参照しながら説明する。図２７は、本実施形態に係るテラヘルツ波発生装置１０００の構成を示す図である。
【０１８９】
テラヘルツ波発生装置１０００は、図２７に示すように、本発明に係る短光パルス発生装置と、光伝導アンテナ１０１０と、を含む。ここでは、本発明に係る短光パルス発生装置として、短光パルス発生装置１００を用いた場合について説明する。
【０１９０】
短光パルス発生装置１００は、励起光である短光パルス（例えば図７に示す光パルスＰ３）を発生させる。短光パルス発生装置１００が発生させる短光パルスのパルス幅は、例えば、１ｆｓ以上８００ｆｓ以下である。
【０１９１】
光伝導アンテナ１０１０は、短光パルス発生装置１００で発生した短光パルスが照射されることによりテラヘルツ波を発生する。なお、テラヘルツ波とは、周波数が、１００ＧＨｚ以上３０ＴＨｚ以下の電磁波、特に、３００ＧＨｚ以上３ＴＨｚ以下の電磁波をいう。
【０１９２】
光伝導アンテナ１０１０は、図示の例では、ダイポール形状光伝導アンテナ（ＰＣＡ）である。光伝導アンテナ１０１０は、半導体基板である基板１０１２と、基板１０１２上に設けられ、ギャップ１０１６を介して対向配置された１対の電極１０１４と、を有している。この電極１０１４間に、光パルスが照射されると、光伝導アンテナ１０１０は、テラヘルツ波を発生させる。
【０１９３】
基板１０１２は、例えば、半絶縁性ＧａＡｓ（ＳＩ−ＧａＡｓ）基板と、ＳＩ−ＧａＡｓ基板上に設けられている低温成長ＧａＡｓ（ＬＴ−ＧａＡｓ）層と、を有している。電極１０１４の材質は、例えば、Ａｕである。１対の電極１０１４間の距離は、特に限定されず、条件に応じて適宜設定される。１対の電極１０１４間の距離は、例えば、１μｍ以上１０μｍ以下である。
【０１９４】
テラヘルツ波発生装置１０００では、まず、短光パルス発生装置１００が、短光パルスを発生させ、光伝導アンテナ１０１０のギャップ１０１６に向けて射出する。短光パルス発生装置１００から射出された短光パルスは、光伝導アンテナ１０１０のギャップ１０１６を照射する。光伝導アンテナ１０１０では、ギャップ１０１６に短光パルスが照射されることにより、自由電子が励起される。そして、この自由電子を電極１０１４間に電圧を印加することによって加速させる。これにより、テラヘルツ波が発生する。
【０１９５】
テラヘルツ波発生装置１０００では、パルス圧縮部５において圧縮されたパルスのパルス間隔を短くすることができる短光パルス発生装置１００を含む。そのため、テラヘルツ波発生装置１０００では、例えば、高出力化を図ることができる。
【０１９６】
４．  第４実施形態
次に、第４実施形態に係るイメージング装置１１００について、図面を参照しながら説明する。図２８は、第４実施形態に係るイメージング装置１１００を示すブロック図である。図２９は、第４実施形態に係るイメージング装置１１００のテラヘルツ波検出部１１２０を模式的に示す平面図である。図３０は、対象物のテラヘルツ帯でのスペクトルを示すグラフである。図３１は、対象物の物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の図である。
【０１９７】
イメージング装置１１００は、図２８に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘル
ツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から射出し、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏの画像、すなわち、画像データを生成する画像形成部１１３０とを備えている。
【０１９８】
テラヘルツ波発生部１１１０としては、本発明に係るテラヘルツ波発生装置を用いることができる。ここでは、本発明に係るテラヘルツ波発生装置として、テラヘルツ波発生装置１０００を用いた場合について説明する。
【０１９９】
テラヘルツ波検出部１１２０としては、図２９に示すように、目的の波長のテラヘルツ波を通過させるフィルター８０と、フィルター８０を通過した前記目的の波長のテラヘルツ波を検出する検出部８４とを備えたものを用いる。また、検出部８４としては、例えば、テラヘルツ波を熱に変換して検出するもの、すなわち、テラヘルツ波を熱に変換し、そのテラヘルツ波のエネルギー（強度）を検出し得るものを用いる。このような検出部としては、例えば、焦電センサー、ボロメーター等が挙げられる。なお、テラヘルツ波検出部１１２０の構成は、前記の構成に限定されない。
【０２００】
また、フィルター８０は、２次元的に配置された複数の画素（単位フィルター部）８２を有している。すなわち、各画素８２は、行列状に配置されている。
【０２０１】
また、各画素８２は、互いに異なる波長のテラヘルツ波を通過させる複数の領域、すなわち、通過させるテラヘルツ波の波長（以下、「通過波長」とも言う）が互いに異なる複数の領域を有している。なお、図示の構成では、各画素８２は、第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３、および第４の領域８２４を有している。
【０２０２】
また、検出部８４は、フィルター８０の各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３および第４の領域８２４に対応してそれぞれ設けられた第１の単位検出部８４１、第２の単位検出部８４２、第３の単位検出部８４３および第４の単位検出部８４４を有している。各第１の単位検出部８４１、各第２の単位検出部８４２、各第３の単位検出部８４３、および各第４の単位検出部８４４は、それぞれ、各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３、および第４の領域８２４を通過したテラヘルツ波を熱に変換して検出する。これにより、各画素８２のそれぞれにおいて、４つの目的の波長のテラヘルツ波をそれぞれ確実に検出することができる。
【０２０３】
次に、イメージング装置１１００の使用例について説明する。
【０２０４】
まず、分光イメージングの対象となる対象物Ｏが、３つの物質Ａ、ＢおよびＣで構成されているとする。イメージング装置１１００は、この対象物Ｏの分光イメージングを行う。また、ここでは、一例として、テラヘルツ波検出部１１２０は、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出することとする。
【０２０５】
また、テラヘルツ波検出部１１２０のフィルター８０の各画素８２においては、第１の領域８２１および第２の領域８２２を使用する。第１の領域８２１の通過波長をλ１、第２の領域８２２の通過波長をλ２とし、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度をα１、波長λ２の成分の強度をα２としたとき、その強度α２と強度α１の差分（α２−α１）が、物質Ａと物質Ｂと物質Ｃとで、互いに顕著に区別できるように、第１の領域８２１の通過波長λ１および第２の領域８２２の通過波長λ２が設定されている。
【０２０６】
図３０に示すように、物質Ａにおいては、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の波長λ２
の成分の強度α２と波長λ１の成分の強度α１との差分（α２−α１）は、正値となる。また、物質Ｂにおいては、強度α２と強度α１との差分（α２−α１）は、零となる。また、物質Ｃにおいては、強度α２と強度α１との差分（α２−α１）は、負値となる。
【０２０７】
イメージング装置１１００により、対象物Ｏの分光イメージングを行う際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生し、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０で、α１およびα２として検出する。この検出結果は、画像形成部１１３０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射したテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。
【０２０８】
画像形成部１１３０においては、前記検出結果に基づいて、フィルター８０の第２の領域８２２を通過したテラヘルツ波の波長λ２の成分の強度α２と、第１の領域８２１を通過したテラヘルツ波の波長λ１の成分の強度α１との差分（α２−α１）を求める。そして、対象物Ｏのうち、前記差分が正値となる部位を物質Ａ、前記差分が零となる部位を物質Ｂ、前記差分が負値となる部位を物質Ｃと判断し、特定する。
【０２０９】
また、画像形成部１１３０では、図３１に示すように、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像の画像データを作成する。この画像データは、画像形成部１１３０から図示しないモニターに送出され、そのモニターにおいて、対象物Ｏの物質Ａ、ＢおよびＣの分布を示す画像が表示される。この場合、例えば、対象物Ｏの物質Ａの分布する領域は黒色、物質Ｂの分布する領域は灰色、物質Ｃの分布する領域は白色に色分けして表示される。このイメージング装置１１００では、以上のように、対象物Ｏを構成する各物質の同定と、その各部質の分布測定とを同時に行うことができる。
【０２１０】
なお、イメージング装置１１００の用途は、前記のものに限らず、例えば、人物に対してテラヘルツ波を照射し、その人物を透過または反射したテラヘルツ波を検出し、画像形成部１１３０において処理を行うことにより、その人物が、拳銃、ナイフ、違法な薬物等を所持しているか否かを判別することもできる。
【０２１１】
５．  第５実施形態
次に、第５実施形態に係る計測装置１２００について、図面を参照しながら説明する。図３２は、第５実施形態に係る計測装置１２００を示すブロック図である。以下で説明する第５実施形態に係る計測装置１２００において、上述したイメージング装置１１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０２１２】
計測装置１２００は、図３２に示すように、テラヘルツ波を発生するテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から射出し、対象物Ｏを透過するテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、テラヘルツ波検出部１１２０の検出結果に基づいて、対象物Ｏを計測する計測部１２１０と、を備えている。
【０２１３】
次に、計測装置１２００の使用例について説明する。計測装置１２００により、対象物Ｏの分光計測を行う際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０で検出する。この検出結果は、計測部１２１０に送出される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏを透過したテラヘルツ波または対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。
【０２１４】
計測部１２１０においては、前記検出結果から、フィルター８０の各画素８２の第１の領域８２１、第２の領域８２２、第３の領域８２３、および第４の領域８２４を通過したテラヘルツ波のそれぞれの強度を把握し、対象物Ｏの成分およびその分布の分析等を行う。
【０２１５】
６．第６実施形態
次に、第６実施形態に係るカメラ１３００について、図面を参照しながら説明する。図３３は、第６実施形態に係るカメラ１３００を示すブロック図である。図３４は、第６実施形態に係るカメラ１３００を模式的に示す斜視図である。以下で説明する第６実施形態に係るカメラ１３００において、上述したイメージング装置１１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【０２１６】
カメラ１３００は、図３３および図３４に示すように、テラヘルツ波を発生させるテラヘルツ波発生部１１１０と、テラヘルツ波発生部１１１０から射出し、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波または対象物Ｏを透過したテラヘルツ波を検出するテラヘルツ波検出部１１２０と、記憶部１３０１とを備えている。そして、これらの各部１１１０，１１２０，１３０１はカメラ１３００の筐体１３１０に収められている。また、カメラ１３００は、対象物Ｏで反射したテラヘルツ波をテラヘルツ波検出部１１２０に収束（結像）させるレンズ（光学系）１３２０と、テラヘルツ波発生部１１１０で発生したテラヘルツ波を筐体１３１０の外部へ射出させるための窓部１３３０を備える。レンズ１３２０や窓部１３３０はテラヘルツ波を透過・屈折させるシリコン、石英、ポリエチレンなどの部材によって構成されている。なお、窓部１３３０は、スリットのように単に開口が設けられている構成としても良い。
【０２１７】
次に、カメラ１３００の使用例について説明する。カメラ１３００により、対象物Ｏを撮像する際は、まず、テラヘルツ波発生部１１１０により、テラヘルツ波を発生させ、そのテラヘルツ波を対象物Ｏに照射する。そして、対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波をレンズ１３２０によってテラヘルツ波検出部１１２０に収束（結像させて）検出する。この検出結果は、記憶部１３０１に送出され、記憶される。なお、この対象物Ｏへのテラヘルツ波の照射および対象物Ｏで反射されたテラヘルツ波の検出は、対象物Ｏの全体に対して行う。また、前記検出結果は、例えば、パーソナルコンピューター等の外部装置に送信することもできる。パーソナルコンピューターでは、前記検出結果に基づいて、各処理を行うことができる。
【０２１８】
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【０２１９】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０２２０】
２…光パルス生成部、４…周波数チャープ部、５…パルス圧縮部、６…群速度分散部、８…コリメートレンズ、２０…発光素子、２２，２２ｄ…駆動回路、４０…光導波路、６０…群速度分散媒質、６１ａ…第１面、６１ｂ…第２面、６２ａ…第１反射ミラー、６２ｂ…第２反射ミラー、６４ａ…第１反射防止膜、６４ｂ…第２反射防止膜、６６…第１プリ
ズム対、６６ａ…第１プリズム、６６ｂ…第２プリズム、６８…第２プリズム対、６８ａ…第３プリズム、６８ｂ…第４プリズム、８０…フィルター、８２…画素、８４…検出部、１００，２００…短光パルス発生装置、２０２…基板、２０２ａ…第１領域、２０２ｂ…第２領域、２０４…バッファー層、２０６…第１クラッド層、２０８…コア層、２０８ａ…第１ガイド層、２０８ｂ…ＭＱＷ層、２０８ｃ…第２ガイド層、２１０…第２クラッド層、２１２…キャップ層、２１８…光導波路、２２０…絶縁層、２３０…第１電極、２３２…第２電極、２６０…柱状部、３００…短光パルス発生装置、３２２…駆動回路、４００…短光パルス発生装置、６０２ａ…光導波路、６０２ｂ…光導波路、６１０ａ…第１回折格子、６１０ｂ…第２回折格子、８２１…第１の領域、８２２…第２の領域、８２３…第３の領域、８２４…第４の領域、８４１…第１の単位検出部、８４２…第２の単位検出部、８４３…第３の単位検出部、８４４…第４の単位検出部、１０００…テラヘルツ波発生装置、１０１０…光伝導アンテナ、１０１２…基板、１０１４…電極、１０１６…ギャップ、１１００…イメージング装置、１１１０…テラヘルツ波発生部、１１２０…テラヘルツ波検出部、１１３０…画像形成部、１２００…計測装置、１２１０…計測部、１３００…カメラ、１３０１…記憶部、１３１０…筐体、１３２０…レンズ、１３３０…窓部、２０１１…エッジ検出部、２０１２…チャージポンプ、２０１３…増幅回路
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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