(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長を有する第１の光パルスを導入する合波部と、
前記合波部から導入された前記第１の光パルスを、光パラメトリックによって波長変換する非線形導波路と、
前記波長変換された光パルスの一部を取り出す取り出し部と、
前記取り出し部で取り出されなかった前記波長変換された光パルスを、共振光パルスとして前記合波部にフィードバックするフィードバック部と、
前記共振光パルスの群遅延分散の少なくとも一部を補償することにより、前記共振光パルスの時間幅を圧縮するパルス圧縮部と、を備え、
前記パルス圧縮部は、前記第１の光パルスの時間幅をΔｔｐ、前記共振光パルスのスペクトル幅をΔωｒ、共振器が前記共振光パルスに与える群遅延分散の総和をＤｏ、前記パルス圧縮部が前記共振光パルスに与える群遅延分散をＤｃ、前記非線形導波路における前記共振光パルスの前記第１の光パルスに対するウォークオフをｔｗｏとするとき、下式のパルス圧縮条件
【数１】
0006613120.tif 000013
が満たされるように、前記共振光パルスの時間幅を圧縮することを特徴とする波長変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の波長変換装置において、
前記取り出し部と前記非線形導波路とを接続する第１光導波路と、
前記合波部と前記非線形導波路とを接続する第２光導波路と、を更に備え、
前記パルス圧縮部は、前記非線形導波路、前記フィードバック部、前記第１光導波路および前記第２光導波路を含む共振器が前記共振光パルスに与える群遅延分散の総和とは逆符号の群遅延分散を前記共振光パルスに与えることにより、前記非線形導波路における前記共振光パルスの時間幅を圧縮することを特徴とする波長変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載の波長変換装置において、
前記取り出し部と前記非線形導波路とを接続する第１光導波路と、
前記合波部と前記非線形導波路とを接続する第２光導波路と、を更に備え、
前記パルス圧縮部は、前記非線形導波路、前記フィードバック部、前記第１光導波路および前記第２光導波路を含む共振器が前記共振光パルスに与える群遅延分散の総和とは逆符号の群遅延分散を前記共振光パルスに与えることにより、前記合波部における前記共振光パルスの時間幅を圧縮することを特徴とする波長変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載の波長変換装置において、
前記取り出し部と前記非線形導波路とを接続する第１光導波路と、
前記第１の光パルスを増幅し前記非線形導波路と接続する光増幅部と、
前記合波部と前記光増幅部とを接続する第２光導波路と、を更に備え、
前記パルス圧縮部は、前記フィードバック部、前記第１光導波路、前記第２光導波路および前記光増幅部を含む共振器が前記共振光パルスに与える群遅延分散の総和とは逆符号の群遅延分散を前記共振光パルスに与えることにより、前記非線形導波路の光入力端における前記共振光パルスの時間幅を圧縮することを特徴とする波長変換装置。
【請求項５】
請求項１に記載の波長変換装置において、
前記取り出し部と前記非線形導波路とを接続する第１光導波路と、
前記第１の光パルスを増幅し前記非線形導波路と接続する光増幅部と、
前記合波部と前記光増幅部とを接続する第２光導波路と、を更に備え、
前記パルス圧縮部は、前記フィードバック部、前記第１光導波路、前記第２光導波路および前記光増幅部を含む共振器が前記共振光パルスに与える群遅延分散の総和とは逆符号の群遅延分散を前記共振光パルスに与えることにより、前記光増幅部中で前記共振光パルスの時間幅を圧縮することを特徴とする波長変換装置。
【請求項６】
第１の波長を有する第１の光パルスを導入する合波部と、
前記合波部から導入された前記第１の光パルスを、光パラメトリックによって波長変換する非線形導波路と、
前記波長変換された光パルスの一部を取り出す取り出し部と、
前記取り出し部で取り出されなかった前記波長変換された光パルスを、共振光パルスとして前記合波部にフィードバックするフィードバック部と、
前記共振光パルスの群遅延分散の少なくとも一部を補償することにより、前記共振光パルスの時間幅を圧縮するパルス圧縮部と、を備え、
前記パルス圧縮部は、前記第１の光パルスの時間幅をΔｔｐ、前記共振光パルスのスペクトル幅をΔωｒ、共振器が前記共振光パルスに与える群遅延分散の総和をＤｏ、前記パルス圧縮部が前記共振光パルスに与える群遅延分散をＤｃ、前記第１の光パルスと前記共振光パルスとが重なって伝搬する部分での前記共振光パルスの前記第１の光パルスに対するウォークオフをｔｗｏとするとき、下式のパルス圧縮条件
【数２】
0006613120.tif 000014
が満たされるように、前記共振光パルスの時間幅を圧縮することを特徴とする波長変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の波長変換装置において、
前記取り出し部と前記非線形導波路とを接続する第１光導波路と、
前記第１の光パルスを増幅し前記非線形導波路と接続する光増幅部と、
前記合波部と前記光増幅部とを接続する第２光導波路と、
前記取り出し部からの出力端をなす第３光導波路と、を更に備え、
前記第１の光パルスと前記共振光パルスとが重なって伝搬する部分は、前記合波部と前記第１光導波路と前記第２光導波路と前記光増幅部と前記非線形導波路と前記取り出し部と前記第３光導波路であることを特徴とする波長変換装置。
【請求項８】
請求項６に記載の波長変換装置において、
前記取り出し部と前記非線形導波路とを接続する第１光導波路と、
前記合波部と前記非線形導波路とを接続する第２光導波路と、
前記取り出し部からの出力端をなす第３光導波路と、を更に備え、
前記第１の光パルスと前記共振光パルスとが重なって伝搬する部分は、前記合波部と前記第１光導波路と前記第２光導波路と前記非線形導波路と前記取り出し部と前記第３光導波路であることを特徴とする波長変換装置。
【請求項９】
請求項６に記載の波長変換装置において、
前記第１の光パルスと前記共振光パルスとが重なって伝搬する部分は、少なくとも前記合波部と前記非線形導波路と前記取り出し部であることを特徴とする波長変換装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の波長変換装置において、
前記パルス圧縮部が、前記フィードバック部に挿入されていることを特徴とする波長変換装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の波長変換装置において、
前記フィードバック部が、前記共振光パルスの波長を制限する波長フィルタを有することを特徴とする波長変換装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の波長変換装置において、
前記パルス圧縮部が、前記共振光パルスに対して負の群速度分散を与える光ファイバを含むことを特徴とする波長変換装置。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の波長変換装置において、
前記パルス圧縮部が、前記共振光パルスに対して正の群速度分散を与える光ファイバを含むことを特徴とする波長変換装置。
【請求項１４】
請求項１から１３のいずれか１項に記載の波長変換装置において、
前記パルス圧縮部が、チャープミラーを用いた光学系を含むことを特徴とする波長変換装置。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか１項に記載の波長変換装置において、
前記パルス圧縮部が、回折格子を用いた光学系を含むことを特徴とする波長変換装置。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれか１項に記載の波長変換装置において、
前記パルス圧縮部が、ファイバブラッググレーティングを含むことを特徴とする波長変換装置。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか１項に記載の波長変換装置と、前記第１の波長を有する前記第１の光パルス出力するレーザーと、を備えることを特徴とする光源装置。
【請求項１８】
請求項１から１６のいずれか１項に記載の波長変換装置と、前記波長変換装置から出力され、被検体を介して伝搬する光を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする情報取得装置。
【請求項１９】
請求項１７に記載の光源装置と、前記光源装置から出力され、被検体を介して伝搬する光を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする情報取得装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルスの波長変換装置に関し、特に、非線形導波路を用いた光パルスの波長変換技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年の分子イメージングにおいて、短パルス光を励起光として用いることによって非染色で観察を行う技術の開発が進められている。特に、観察対象に短パルス光を照射し、それにより散乱される光の強度を検出することによって分子種を選別したイメージングを行う研究が盛んに行われている。これらの分子イメージングでは、例えば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ａｎｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，  ＣＡＲＳ）光を検出することにより観察を行う。あるいは、誘導ラマン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ，  ＳＲＳ）光を検出することにより観察を行う。この際、観察対象に照射する励起光としては、観察対象の固有振動数に対応した光周波数を有する同期された周波数が異なる２つの光パルスを用いる。
【０００３】
このような周波数が異なる２つの光パルスは、非線形導波路内を光パルスが伝搬する際に生じる非線形効果を利用した波長変換によって得ることができる。例えば、非特許文献１には、狭いスペクトル線幅で高出力の光パルスを得る波長変換技術が公開されている。非特許文献１では、非線形ファイバ内での四光波混合を利用したファイバ光パラメトリックオシレータ（Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐａｒａｍｅｔｒｉｃ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，  ＦＯＰＯ）を波長変換装置として用いている。
【０００４】
四光波混合による波長変換では、シード光パルスより長波長のアイドラー光パルスと短波長のシグナル光パルスとが同時に発生する。ＦＯＰＯでは、そのいずれかの光パルスを出力パルスとして取り出す。そして、取り出されなかったアイドラー光パルスおよびシグナル光パルスは非線形導波路へとフィードバックされ、シード光パルスと同期して再度非線形導波路に導入される。この、シード光パルスと同期される光パルスを、以下では「共振光パルス」と呼ぶ。
【０００５】
このような非線形イメージングにおいてＳＮ比を向上させるためには、光源として使用する光パルスのピーク強度を高くする必要がある。しかし、光パルスのピーク強度を高めるためにパルスエネルギーを大きくすると被検体へのダメージが増加してしまう。したがって、光パルスのエネルギーを抑えつつ、高ピーク強度の光パルスを生成するためには、使用する光パルスの時間幅を短くすることが必要となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．１８，ｐｐ．２１９２１−２１９２８，３  Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ  ２０１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
光パルスを含めた波の一般的な性質として、その時間幅Δｔとスペクトル幅Δωとは互いに反比例し、同時に縮小できないことが知られている。このため、時間幅の短い出力パルスをＦＯＰＯから得るためには、ＦＯＰＯ内で共振する共振光パルスのスペクトル線幅を広くする必要がある。しかし、共振光パルスのスペクトル線幅が広いと、ＦＯＰＯを構成する媒質の群速度分散によって共振光パルスの時間幅が伸長してしまう。その結果、シード光パルス電場による相互位相変調（Ｃｒｏｓｓ−Ｐｈａｓｅ  ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、ＸＰＭ）によって共振光パルスのスペクトル形状が歪み、出力パルスのスペクトル形状が歪んでしまうという課題がある。本発明は、このような課題を解決するためのものであり、光パルスのエネルギーを抑えつつ、スペクトル形状に歪みが少ない高ピーク強度の光パルスを生成できる波長変換装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る波長変換装置は、第１の波長を有する第１の光パルスを導入する合波部と、合波部から導入された第１の光パルスを、光パラメトリックによって波長変換する非線形導波路と、波長変換された光パルスの一部を取り出す取り出し部と、取り出し部で取り出されなかった波長変換された光パルスを、共振光パルスとして合波部にフィードバックするフィードバック部と、共振光パルスの群遅延分散の少なくとも一部を補償することにより、共振光パルスの時間幅を圧縮するパルス圧縮部とを備え、パルス圧縮部は、第１の光パルスの時間幅をΔｔｐ、共振光パルスのスペクトル幅をΔωｒ、共振器が共振光パルスに与える群遅延分散の総和をＤｏ、パルス圧縮部が共振光パルスに与える群遅延分散をＤｃ、共振光パルスの第１の光パルスに対するウォークオフ量をｔｗｏとするとき、後述の式（２）が満たされるように、共振光パルスの時間幅を圧縮することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る波長変換装置を用いることにより、スペクトル形状に歪みが少ない高ピーク強度の光パルスを生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ＸＰＭ（相互位相変調）による共振光パルスの光周波数変化を示す模式図である。
【図２】パルス圧縮によりＸＰＭの影響が低減されることを説明する模式図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す模式図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置におけるパルス圧縮部により、ＸＰＭの影響が低減されることを示すシミュレーション結果である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す模式図である。
【図６】本発明の第５の実施形態に係る波長変換装置におけるパルス圧縮部の構成を示す模式図である。
【図７】本発明の第８の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す模式図である。
【図８】本発明の第１１の実施形態に係る光源装置の構成を示す模式図である。
【図９】本発明の第１２の実施形態に係る情報取得装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下で説明する図面において、同じ機能を有するものは同一の符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。
【００１２】
（第１の実施形態）
まず、本発明の技術的特徴の概略について、図１および図２を用いて説明する。本発明は、ＦＯＰＯ等の共振器（以下、単に「共振器」という）内において共振する共振光パルスの群遅延分散の一部または全部を補償するパルス圧縮部を、共振器内に有することを特徴としている。パルス圧縮部は、後述するように、例えば共振光パルスに対して正の分散を持つ共振器内に、共振光パルスに対して負の分散を与えるファイバや回折格子を用いた圧縮器、チャープファイバブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）等を挿入することにより得られる。このように、パルス圧縮部が共振光パルスの群遅延分散の一部または全部を補償することにより、共振器内の非線形導波路における共振光パルスの時間幅を圧縮することができる。なお、共振器が共振光パルスに対して負の分散を与える場合は、正の分散を与えるパルス圧縮部を用いることで、同様の効果を得ることができる。
【００１３】
本実施形態では特に、非線形導波路の光入力端における共振光パルスのスペクトル幅Δωｒと、共振器が共振光パルスに与える群遅延分散の総和Ｄｏとの関係が下式（１）
【数１】
0006613120.tif 000002
を満たす場合において、下式（２）で表されるパルス圧縮条件、
【数２】
0006613120.tif 000003
を満たすような、Ｄｏとは逆符号の群遅延分散Ｄｃを、パルス圧縮部によって与える。ここで、Δｔｐは、シード光パルスの非線形導波路中での時間幅である。また、ウォークオフｔｗｏは、非線形導波路中でのシード光パルスと共振光パルスの群速度の違いを起因として非線形導波路の光入力端から光出射端までの間に共振光パルスに生じる、シード光パルスに対する共振光パルスのタイミングの変化量である。ウォークオフｔｗｏは、非線形導波路の長さＬ、非線形導波路内でのシード光パルスの群屈折率ｎｐおよび共振光パルスの群屈折率ｎｒ、真空中の光速度ｃを用いて、
【数３】
0006613120.tif 000004
で表される。
【００１４】
非線形導波路内においては、フィードバックされた共振光パルスとシード光パルスとが同期して伝搬する。このとき、シード光パルスの電場Ｅｐ（ｔ）によるＸＰＭによって共振光パルスの光周波数変化が起こる。図１は、ＸＰＭによる共振光パルスの光周波数変化を示す模式図である。図１の横軸は時間を表す。ＸＰＭによる共振光の周波数変化量δωｒ（ｔ）は、下式（４）に示すようにシード光パルスの強度｜Ｅｐ（ｔ）｜２の時間変化に比例する。
【数４】
0006613120.tif 000005
【００１５】
つまり、シード光パルス強度の時間変化量が大きいほど、共振光パルスの周波数変化量δωｒ（ｔ）が大きくなる。シード光パルスの時間波形が図１に示すように単ピークである場合は、シード光パルスの前半部分（ｔ＞０）では共振光の周波数変化量δωｒ（ｔ）が正の値となり、後半部分（ｔ＜０）では負の値となる。そして、｜Ｅｐ（ｔ）｜２がピーク値の半値になる時刻ｔ０．５付近において、共振光の周波数変化量δωｒ（ｔ）の絶対値は最大となる。図１には、光パルスの前半部分に存在するパルスの立ち上がりの半値点ｔ０．５−と、光パルスの後半部分に存在するパルスの立ち下がりの半値点ｔ０．５＋を示している。共振光パルスは時間的な広がりを有するため、共振光パルスの時間幅の各時刻における周波数変化量δωｒ（ｔ）は一様ではなく、共振光パルスのスペクトルに歪みや広がりが生じてしまう。
【００１６】
図２は、パルス圧縮によりＸＰＭの影響が低減されることを説明する模式図である。上式（１）を満たす条件において、パルス圧縮部が無い場合、非線形導波路の光入力端にフィードバックされた共振光パルスの時間幅（半値全幅）Δｔｒは、図２（ａ）に示すように、共振器が持つ分散の総和Ｄｏにより、
【数５】
0006613120.tif 000006
となる。また、上式（２）のパルス圧縮条件を満たさない従来のパルス圧縮部を挿入した場合には、非線形導波路の光入力端における共振光パルスの時間幅Δｔｒは、
【数６】
0006613120.tif 000007
となる。いずれの場合においても、図２（ａ）に示すように、非線形導波路の光入力端における共振光パルスの時間幅Δｔｒは、シード光パルスの時間幅Δｔｐとウォークオフｔｗｏの差Δｔｐ−ｔｗｏより大きくなる。このような場合、ｔ０．５−、ｔ０．５＋、に共振光パルスが重なるため、共振光パルスのスペクトルの歪みが大きくなってしまう。
【００１７】
アイドラー光パルスおよびシグナル光パルスは、非線形導波路内での共振光パルスの増幅または共振光パルスとシード光パルスからの波長変換によって得られるため、共振光パルスのスペクトル歪みは、そのまま出力パルスのスペクトル歪みとなる。
【００１８】
一方、本実施形態では、Ｄｃが上式（２）に示すパルス圧縮条件を満たすように、共振光パルスに群遅延分散を与えるパルス圧縮部を有しているので、
【数７】
0006613120.tif 000008
となる。このため、図２（ｂ）に示すように、非線形導波路中でｔ０．５−、ｔ０．５＋に共振光パルスが重なることが無くなる。その結果ＸＰＭが低減され、共振光スペクトルの歪みが低減される。
【００１９】
このように、本実施形態では、共振器内に上式（２）のパルス圧縮条件を満たすような分散を与えるパルス圧縮部を挿入することにより、スペクトル幅の広い共振光パルスにおいても非線形導波路内でのＸＰＭによるスペクトル歪みを低減することができる。その結果、スペクトル幅が広くスペクトル形状に歪みの少ない出力光パルスを生成することができ、これを圧縮することによりピーク強度の高い光パルスを得ることができる。
【００２０】
以下、本発明の第１の実施形態における波長変換装置の構成例について、図３および図４を用いて説明するが、本発明は以下に説明する実施形態の構成等によって何ら限定されるものではない。
【００２１】
図３は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す模式図である。図３に示す波長変換装置３００は、非線形導波路３０２、第１光導波路３０３、取り出し部３０４、フィードバック部３０５、合波部３０６、第２光導波路３０７、第３光導波路３０９を含む。ここで、非線形導波路３０２、第１光導波路３０３、取り出し部３０４、フィードバック部３０５、合波部３０６、第２光導波路３０７は、この順番で接続されて光共振器を構成している。導入部３０１は、シード光パルスを光共振器に導入する。また、光共振器内にはパルス圧縮部３０８が挿入されている。
【００２２】
導入部３０１から導入されたシード光パルスは、合波部３０６を通り、第２光導波路３０７によって非線形導波路３０２に導かれる。シード光パルスは、非線形導波路３０２内部で光パラメトリック過程を引き起こし、アイドラー光パルスおよびシグナル光パルスに波長変換される。シード光パルスはこのように非線形導波路３０２内部において波長変換されるものであればよく、その波長およびスペクトル分布等は特に限定されない。発生したアイドラー光パルスおよびシグナル光パルスは、第１光導波路３０３によって取り出し部３０４に導かれ、取り出し部３０４でアイドラー光パルスおよびシグナル光パルスの一方または両方の一部が共振器の外部に取り出される。そして、第３光導波路３０９を伝搬し出力される。第３光導波路３０９の後は、シード光パルスと共振光パルスとはＸＰＭを生じないよう、空間に出力される、あるいは波長フィルタやＷＤＭカプラを用いて分離される。一方、外部に取り出されなかったアイドラー光パルスおよびシグナル光パルスは、共振光パルスとしてフィードバック部３０５によって合波部３０６へ導かれる。共振光パルスは、合波部３０６によってシード光パルスと同期して重ね合わされ、再度第２光導波路３０７によって非線形導波路３０２に導かれる。
【００２３】
共振光パルスは、このような導波の過程で、第１光導波路３０３、フィードバック部３０５、第２光導波路３０７、および第３光導波路３０９において分散を受ける。途中に挿入されるパルス圧縮部３０８は、この分散の全部または一部を補償することによって、非線形導波路３０２の光入力端における共振光パルスの時間幅を圧縮（短く）している。
【００２４】
次に、本実施形態の波長変換装置３００の各構成要素の機能について、より具体的に説明する。なお、以下で挙げる数値は一例を示すものであって、本実施形態はこれらの数値に限定されるものではない。導入部３０１はシングルモードファイバ等からなり、シード光パルスとなる波長が例えば１０３５ｎｍ、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ、パルスエネルギーが２ｎＪ、パルスの時間幅が３．３ｐｓの光パルスを合波部３０６へ導入する。波長変換装置３００へのシード光パルスの導入は、シード光源の出力ファイバと導入部３０１を融着することにより行う。シード光パルスが空間系を伝搬している場合は、レンズを用いて導入部３０１へカップリングしてもよい。また、ミラー等の光学系を用いて空間系から合波部３０６へ直接シード光パルスを導入することにより、導入部３０１に光ファイバを用いた際に引き起こされる非線形過程を低減してもよい。この場合、当該ミラー等の光学系が導入部３０１となる。あるいは、導入部３０１が合波部３０６に含まれているとしてもよい。なお、本発明では、シード光源からの光パルスの時間幅は、０．８ｐｓ以上２０ｐｓ以下が好ましく、さらに１ｐｓ以上１５ｐｓ以下が好ましい。
【００２５】
非線形導波路３０２には非線形係数の高い光ファイバを用いる。本実施形態では、ゼロ分散波長が１０５４ｎｍ、２次分散定数が１．６４×１０−３ｐｓ２／ｍ、３次分散定数が６．５５×１０−５ｐｓ３／ｍ、４次分散定数が−９．４０×１０−８ｐｓ４／ｍの２０ｃｍのフォトニック結晶ファイバを用いる。このファイバは、上記シード光パルスに対して、中心波長が８２４ｎｍ、帯域幅が６ｎｍの光パラメトリックゲインを実現する。また、このファイバは、波長が１０３５ｎｍの光パルスと波長が８２４ｎｍの光パルスの間に１．４ｐｓのウォークオフを与える。
【００２６】
第１光導波路３０３は、非線形導波路３０２から出力される波長８００ｎｍ以上９００ｎｍ以下のシグナル光パルスを取り出し部３０４へ導波する。本実施形態では第１光導波路３０３として１０ｃｍのシングルモードファイバを用いるが、これに限定されるものではなく、第１光導波路３０３は共振光パルスを導波する導波路であればよい。また、第１光導波路３０３に光ファイバを用いた際に発生する非線形過程が問題となる場合は、非線形導波路３０２から取り出し部３０４まで空間系によって導波してもよい。この場合、共振光パルスが伝搬する空間部分が第１光導波路３０３となる。
【００２７】
取り出し部３０４には、波長８００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の光を２つに分割するファイバカプラを用い、シグナル光パルスの一部を共振光パルスとしてフィードバック部３０５に導く。取り出し部３０４は、ビームスプリッタ等の空間光学系でもよい。また、ＷＤＭやダイクロイックミラーによってアイドラー光パルスを取り出し、シグナル光をフィードバック部３０５に導波することも可能である。
【００２８】
フィードバック部３０５には、ＦＯＰＯの繰り返し周波数をシード光パルスの繰り返し周波数と一致させるために長さを調節した光ファイバを用いる。本実施形態においては、１０ｍのシングルモードファイバを用いる。繰り返し周波数の微調整のため、フィードバック部３０５には遅延ラインを入れてもよい。合波部３０６での共振光パルスの偏光がシード光パルスの偏光と一致しない場合、フィードバック部３０５には偏光を制御する素子を挿入することにより共振光パルスとシード光パルスの偏光を一致させてもよい。フィードバック部３０５に用いるシングルモードファイバの波長８００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の光に対する分散パラメータは、−１００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ程度であり、群速度分散に換算すると３５ｐｓ２／ｋｍ程度となる。そのため、１０ｍのシングルモードファイバを用いる本実施形態において、フィードバック部３０５は共振光パルスに対し０．３５ｐｓ２程度の群遅延分散を与える。共振光パルスは６ｎｍ（１７ＴＨｚ）の帯域幅を持っており、この共振器構成は上式（１）を満たす。結果として、フィードバック部３０５の分散により共振光パルスは６ｐｓ程度まで時間幅が広がり、シード光パルスの時間幅３．３ｐｓからウォークオフ１．４ｐｓを引いた値よりも大きくなる。
【００２９】
図４は、本発明の第１の実施形態に係る波長変換装置におけるパルス圧縮部により、ＸＰＭの影響が低減されることを示すシミュレーション結果である。図４（ａ）は、非線形導波路３０２の光入力端（入口）における共振光パルスのスペクトルを示している。パルス圧縮部がない場合には、図４（ｂ）の破線ｆ０に示すように、非線形導波路３０２の出力端（出口）における共振光パルスのスペクトルに歪みが生じる。本実施形態では共振光から光カプラで出力パルスを取り出すため、このスペクトル歪みはそのまま出力パルスのスペクトル歪みとなる。なお、本実施形態の構成においては、説明を簡単にするため、第１光導波路３０３および第２光導波路３０７が共振光に与える分散量は小さく、フィードバック部３０５が共振光に与える分散量と比べて無視できるものとする。また、本実施形態では、第１光導波路３０３、第２光導波路３０７、および第３光導波路３０９において生じるＸＰＭは非線形導波路３０２において生じるＸＰＭに比べて無視できるものとする。ただし、これに限定されるものではない。
【００３０】
合波部３０６は、波長８００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の共振光パルスと導入部３０１から導入される波長１０３５ｎｍのシード光パルスとを同期する。本実施形態ではＷＤＭを用いるが、ダイクロイックミラーを用いて空間系で結合してもよい。
【００３１】
第２光導波路３０７は、合波部３０６で合波された光パルスを非線形導波路３０２へ導波する。本実施形態では、第２光導波路３０７として１０ｃｍのシングルモードファイバを用いるが、これに限定されるものではなく、第２光導波路３０７は共振光パルスとシード光パルスを導波する導波路であればよい。また、合波部３０６から非線形導波路３０２まで空間系によって導波してもよい。この場合、シード光パルスおよび共振光パルスが伝搬する空間部分、および、シード光パルスおよび共振光パルスを非線形導波路３０２へ導入するレンズなどの素子が、第２光導波路３０７となる。第２光導波路３０７には偏光を制御する素子を挿入することにより、非線形導波路３０２における波長変換が最も効率よく起こる偏光にレーザーパルスの偏光を合わせてもよい。
【００３２】
パルス圧縮部３０８は、フィードバック部３０５が共振光パルスに与える群遅延分散と逆符号の群遅延分散を共振光パルスに与える部分である。パルス圧縮部３０８は、第１光導波路３０３、フィードバック部３０５、第２光導波路３０７のいずれかに挿入してもよいし、非線形導波路３０２と第１光導波路３０３の間、または第２光導波路３０７と非線形導波路３０２の間に挿入してもよい。上式（２）より、本実施形態においてパルス圧縮部３０８が与えるべき分散量を求めると、−０．４６ｐｓ２以上−０．２４ｐｓ以下となる。本実施形態では、波長８００ｎｍ以上９００ｎｍ以下の光パルスに対して１００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの分散を与える１０ｍの中空ファイバをフィードバック部３０５に挿入することにより、共振光パルスに−０．３５ｐｓ２程度の群遅延分散を与える。その結果、フィードバック部３０５とパルス圧縮部３０８が共振光パルスに与える分散量の和は０ｐｓ２となり、共振光パルスの非線形導波路３０２の光入力端における時間幅は、フーリエ変換限界の時間幅（０．１３ｐｓ）程度となる。この共振光パルスの時間幅Δｔｒは、シード光パルスの時間幅Δｔｐの３．３ｐｓからウォークオフｔｗｏの１．４ｐｓを引いた値よりも小さく、図４（ｂ）の実線ｆ１に示すように、ＸＰＭによるスペクトル歪みが低減される。
【００３３】
このように、パルス圧縮部３０８の挿入により非線形導波路３０２の光入力端における共振光パルスの時間幅を圧縮することができる。その結果、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制しながらシード光パルスからスペクトル幅が６ｎｍのシグナル光パルスへの波長変換を行うことが可能となる。また、パルス圧縮部３０８として共振光パルスに対して負分散を与える光ファイバを用いることによって、ファイバの長さの調整により与える分散量を容易に調整できると同時に、空間系を用いないコンパクトな構成とすることが可能となる。
【００３４】
以上のように、本実施形態では、共振光パルスに群遅延分散を与えることにより非線形導波路の光入力端における共振光パルスの時間幅を圧縮するパルス圧縮部を共振器内に備えている。これにより、光パルスのエネルギーを抑えつつ、スペクトル形状に歪みが少ない高ピーク強度の光パルスを生成できる波長変換装置を得ることができる。
なお、本実施形態においては、上式（２）が満たされることが望ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。本実施形態では、非線形導波路の光入力端における共振光パルスの時間幅がより圧縮されるように、共振光パルスの群遅延分散の一部または全部が補償されてさえいれば、共振光パルスのスペクトル形状の歪みをより抑制することができる。
【００３５】
（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態における波長変換装置について図５を用いて説明する。図５は、本発明の第２の実施形態に係る波長変換装置の構成を示す模式図である。
【００３６】
本実施形態は、第１の実施形態と比較して、フィードバック部３０５が、透過波長を制限する波長フィルタ５０１を有している点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。
【００３７】
図５に示す波長フィルタ５０１は、光パラメトリックゲイン帯域よりも狭いスペクトル幅（例えば４ｎｍ）の出力パルスを得るため、フィードバック部３０５における透過波長を制限するためのものである。波長フィルタ５０１での波長選択により、非線形導波路３０２の光入力端における共振光パルスのスペクトル幅も４ｎｍとなる。このとき、フィードバック部３０５が付与する０．３５ｐｓ２の分散による共振光パルスの時間幅は４ｐｓ程度であり、シード光パルスよりも時間幅が長くなる。この場合においても、第１の実施形態と同様のパルス圧縮部３０８の挿入により非線形導波路３０２の光入力端における時間幅はフーリエ変換限界のパルス幅（０．２０ｐｓ）程度となり、ＸＰＭによる共振光のスペクトル歪みを抑制することができる。
【００３８】
以上のように、本実施形態では、フィードバック部が、共振光パルスの波長を制限する波長フィルタを有している。これにより、第１の実施形態では光パラメトリックゲインの帯域で決まっていた出力パルスのスペクトル線幅を任意のスペクトル線幅に制御することが可能となる。
【００３９】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態における波長変換装置について説明する。本実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、パルス圧縮部３０８が、共振光パルスに対して正の群速度分散を与える光ファイバを含んでいる点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。
【００４０】
本実施形態では、フィードバック部３０５の長さを調整し、合波部３０６で波長１３５０ｎｍ以上１４５０ｎｍ以下のアイドラー光パルスをシード光パルスと同期させることによって、アイドラー光パルスを共振光パルスとする。取り出し部３０４として光カプラの代わりにＷＤＭやダイクロイックミラーを使用し、波長８００ｎｍ以上９００ｎｍ以下のシグナル光パルスを出力として取り出し、アイドラー光パルスのみをフィードバック部３０５に導入してもよい。この場合、発生するシグナル光パルスをエネルギーロスなく取り出すことができる。
【００４１】
フィードバック部３０５として、共振光パルスを伝搬するシングルモードファイバを使用する。これらのファイバは一般的に波長１３５０ｎｍ以上１４５０ｎｍ以下の光パルスに対して負分散を付与する。この場合、パルス圧縮部３０８として分散補償ファイバなど、波長１３５０ｎｍ以上１４５０ｎｍ以下の光パルスに対して正分散を与えるファイバを、長さを調節して使用する。その結果、非線形導波路３０２の光入力端における共振光パルスの時間幅Δｔｒが上式（７）を満たすように共振光パルスを圧縮することができる。
【００４２】
以上のように、本実施形態では、パルス圧縮部が、共振光パルスに対して正の群速度分散を与える光ファイバを含んでいる。これにより、共振器から負の群遅延分散を受ける波長の光パルスを共振光パルスとして用いることができる。なお、本実施形態は、第１、第２の実施形態と組み合わせて実施することも可能である。
【００４３】
（第４の実施形態）
本発明の第４の実施形態における波長変換装置について説明する。本実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、パルス圧縮部３０８が、チャープミラーを用いた光学系を含んでいる点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。
【００４４】
本実施形態では、シード光パルスとして、第１の実施形態と同じ波長、エネルギー、パルス時間幅で、第１の実施形態よりも高い、例えば２５ＭＨｚの繰り返し周波数を有する光パルスを合波部３０６へ導入する。フィードバック部３０５としては、６ｍ程度の長さのシングルモードファイバを用いる。このファイバが共振光パルスに与える分散は群速度分散に換算すると３５ｐｓ２／ｋｍ程度となる。そのため、本実施形態においてフィードバック部３０５は、共振光パルスに対して０．２１ｐｓ２程度の群遅延分散を与えることとなり、非線形導波路３０２の光入力端における共振光パルスの時間幅は３．５ｐｓとなる。
【００４５】
パルス圧縮部３０８として、第１の実施形態で用いた負の分散を共振光パルスに与えるファイバの代わりに、共振光パルスを一度空間系に射出しチャープミラーを反射させることにより、共振光パルスに負の分散を付与する。上式（２）より、本実施形態においてパルス圧縮部３０８が与えるべき分散量は、−０．３２ｐｓ２以上−０．１０ｐｓ２以下である。本実施形態では、チャープミラーとして１回の反射で１７５ｆｓ２の分散を与えるチャープミラーを用い、計８０回の反射により−０．１４ｐｓ２の分散を付与する。その結果、非線形導波路３０２の光入力端における共振光パルスのパルス幅は１．２ｐｓ程度まで圧縮される。この共振光パルスの時間幅Δｔｒはシード光パルスの時間幅Δｔｐの３．３ｐｓからウォークオフｔｗｏの１．４ｐｓを引いた値よりも小さく、ＸＰＭによるスペクトル歪みが低減される。
【００４６】
以上のように、本実施形態では、パルス圧縮部が、チャープミラーを用いた光学系を含んでいる。これにより、チャープミラーの反射回数を変えることで、付与できる分散量が容易に調整できる。また、チャープミラーの設計により、群遅延分散だけでなく高次の分散も制御可能となる。さらに、空間系の光路長を変えることによりＦＯＰＯの繰り返し周波数の調整も容易となる。なお、本実施形態は、第１乃至第３の実施形態と組み合わせて実施することも可能である。
【００４７】
（第５の実施形態）
本発明の第５の実施形態における波長変換装置について図６を用いて説明する。図６は、本発明の第５の実施形態に係る波長変換装置におけるパルス圧縮部の構成を示す模式図である。本実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、パルス圧縮部３０８が、回折格子を用いた光学系を含んでいる点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。
【００４８】
本実施形態では、パルス圧縮部３０８として、第１の実施形態で用いた負の分散を共振光パルスに与えるファイバの代わりに、図６に示すような回折格子６０１を用いることにより、共振光に負の分散を付与する。回折格子６０１として溝本数１２００／ｍｍの回折格子を用い、一枚目の回折格子への入射角を７１度、回折格子対の間隔を７．３ｃｍとすることにより、−０．２１ｐｓ２の分散を共振光に付与する。その結果、非線形導波路３０２の光入力端における共振光パルスの時間幅は、１３０ｆｓに圧縮される。この共振光パルスの時間幅Δｔｒはシード光パルスの時間幅Δｔｐの３．３ｐｓからウォークオフｔｗｏの１．４ｐｓを引いた値よりも小さく、ＸＰＭによるスペクトル歪みが低減される。
【００４９】
以上のように、本実施形態では、パルス圧縮部が、回折格子を用いた光学系を含んでいる。ここで、パルス圧縮部は、１組の回折格子対と折り返しミラーを用いた構成でもよい。これにより、回折格子対の間隔を変えることにより付与できる分散量が容易に調整できる。また、回折格子対と折り返しミラーの距離を変えることによりＦＯＰＯ繰り返し周波数の調整も容易となる。なお、本実施形態は、第１乃至第４の実施形態と組み合わせて実施することも可能である。
【００５０】
（第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態における波長変換装置について説明する。本実施形態の構成は、図１に示す第１の実施形態と同様の構成である。本実施形態は、第１の実施形態と比較して、パルス圧縮部３０８がファイバブラッググレーティングを含んでいる点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。
【００５１】
本実施形態では、フィードバック部３０５は、１９ｍ程度の長さのシングルモードファイバを用いる。パルス圧縮部３０８として、第１の実施形態で用いた負の分散を共振光パルスに与えるファイバの代わりに、サーキュレータとチャープファイバブラッググレーティング（ＣＦＢＧ）を用いて共振光パルスに負の群遅延分散を付与する。
【００５２】
以上のように、本実施形態では、パルス圧縮部が、ファイバブラッググレーティングを含んでいる。これにより、ファイバブラッググレーティングの設計を調整することで、群遅延分散のみならず共振光パルスの高次の位相分散も、空間系を用いることなく制御することが可能となる。なお、本実施形態は、第１乃至第５の実施形態と組み合わせて実施することも可能である。
【００５３】
（第７の実施形態）
本発明の第７の実施形態における波長変換装置について図３を用いて説明する。第１の実施形態では、主に、非線形導波路３０２において発生するＸＰＭを抑制する方法について説明した。本実施形態では、更に、非線形導波路３０２以外の導波路において発生するＸＰＭを抑制する方法について説明する。本実施形態の構成は第１の実施形態と同じである。
【００５４】
第１の実施形態では、共振光パルスに対するＸＰＭは、主に非線形導波路３０２において生じるものとした。そして、上式（２）および（３）のパルス圧縮条件は、非線形導波路３０２において共振光パルスの時間幅が圧縮されるように規定した。しかし、非線形導波路３０２以外のＸＰＭが無視できないような導波路においては、共振光パルスの時間幅が広がってしまうと、共振光パルスのスペクトルに歪みが生じてしまう。そこで、本実施形態では、非線形導波路３０２以外の導波路においても共振光パルスの時間幅が圧縮されるようにパルス圧縮条件を規定する。具体的には、上式（３）のウォークオフｔｗｏの代わりに、例えば第１光導波路３０３、および第３光導波路３０９における共振光パルスのシード光パルスに対するウォークオフの項を含めた下式（８）を用いる。
【数８】
0006613120.tif 000009
【００５５】
すなわち、非線形導波路３０２の光入力端から第３光導波路３０９の光出力端までを、シード光パルスと共振光パルスとが重なって伝搬する場合に、ウォークオフ量ｔｗｏが上式（８）で与えられる。ここで、下付きの添字「ＮＬ」、「１」、「３」は、それぞれ、非線形導波路３０２、第１光導波路３０３、第３光導波路３０９に関する定数であることを示している。なお、取り出し部３０４の長さは十分短いため、取り出し部３０４におけるウォークオフは、第１光導波路３０３に含まれるとした。本実施形態のパルス圧縮部３０８は、上式（８）を用いたパルス圧縮条件が、非線形導波路３０２の光入力端において満たされるように、共振光パルスに群遅延分散を与える。これにより、非線形導波路３０２の光入力端から第３光導波路３０９の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。
【００５６】
あるいは、上式（８）の代わりに、更に第２光導波路３０７におけるウォークオフの項を含めた下式（９）を用いてもよい。この場合、パルス圧縮部３０８は、上式（９）を用いたパルス圧縮条件が、合波部３０６（または第２光導波路３０７の光入力端）において満たされるように、共振光パルスに群遅延分散を与える。
【数９】
0006613120.tif 000010
【００５７】
すなわち、合波部３０６から第３光導波路３０９の光出力端までを、シード光パルスと共振光パルスとが重なって伝搬する場合に、ウォークオフ量ｔｗｏが上式（９）で与えられる。ここで、下付きの添字「２」は、第２光導波路３０７に関する定数であることを示している。なお、合波部３０６の長さは十分短いため、合波部３０６におけるウォークオフは、第２光導波路３０７に含まれるとした。これにより、合波部３０６から第３光導波路３０９の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。
【００５８】
パルス圧縮条件が、上式（９）を満たす場合の一例を以下に示す。シード光パルスとして、波長が１０３５ｎｍ、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ、パルスエネルギーが４ｎＪ、パルスの時間幅が６．６ｐｓの光パルスを用いるとする。そして、第１光導波路３０３、第２光導波路３０７、第３光導波路３０９においてＸＰＭが生じるとする。なお、取り出し部３０４においてシード光パルスと共振光パルスが取り出されることにより、フィードバックされる光パルスの光強度が十分小さくなるので、フィードバック部３０５におけるＸＰＭは無視できるほど小さい。第１光導波路３０３、第２光導波路３０７、第３光導波路３０９としては、第１の実施形態と同様、それぞれ１０ｃｍのシングルモードファイバ（Ｃｏｒｎｉｎｇ，  ＨＩ−１０６０）を用いる。また、シングルモードファイバの分散値は、９８０ｎｍにおいて、−５３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるとする。このとき、１０ｃｍのシングルモードファイバは、波長１０３５ｎｍのシード光パルスと波長８２４ｎｍの共振光パルスとの間に、およそ１．１２ｐｓのウォークオフｔｗｏを与える。また、第１の実施形態で述べたように、２０ｃｍの非線形導波路３０２は、およそ１．４０ｐｓのウォークオフを与える。したがって、合波部３０６から第３光導波路３０９の光出力端までにおけるウォークオフｔｗｏの総量は、４．７６（＝１．４０＋３×１．１２）ｐｓとなる。
【００５９】
一方で、本実施形態のパルス圧縮部３０８は、合波部３０６における共振光パルスの時間幅を、第１の実施形態と同様に、フーリエ変換限界の時間幅（０．１３ｐｓ）程度に圧縮する。したがって、共振光パルスの時間幅Δｔｒは、シード光パルスの時間幅Δｔｐの６．６ｐｓからウォークオフｔｗｏの総量４．７６ｐｓを引いた値よりも小さくなるので、図４（ｂ）の実線ｆ１に示すように、ＸＰＭによるスペクトル歪みが低減される。また、パルス圧縮条件が、上式（８）を満たす場合でも同様に、ＸＰＭによるスペクトル歪みが低減される。
【００６０】
以上のように、本実施形態では、第１光導波路および第３光導波路におけるウォークオフの項を更に含むパルス圧縮条件が、非線形導波路の光入力端において更に満たされるように、共振光パルスの時間幅を圧縮する。これにより、非線形導波路の光入力端から第３光導波路の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。
【００６１】
あるいは、第２光導波路におけるウォークオフの項を更に含むパルス圧縮条件が、合波部（または第２光導波路の光入力端）において更に満たされるように、共振光パルスの時間幅を圧縮する。これにより、合波部から第３光導波路の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。なお、本実施形態は、第１乃至第６の実施形態と組み合わせて実施することも可能である。
【００６２】
（第８の実施形態）
本発明の第８の実施形態における波長変換装置について図７を用いて説明する。図７は、本発明の第８の実施形態に係る波長変換装置３００ｂの構成を示す模式図である。図７に示す波長変換装置３００ｂは、図３に示す第１の実施形態の波長変換装置３００と比較して、第１光導波路３０３と非線形導波路３０２との間に、シード光パルスを増幅する光増幅器７００を備えている点が異なっている。その他については第１の実施形態と同じであるので説明は省略する。図７に示す光増幅器７００は、レーザーダイオード７０２、ポンプ光導波路７０３、ポンプコンバイナ７０４、第４光導波路７０５、および光増幅ファイバ７０６を備えて構成される。
【００６３】
光増幅ファイバ７０６は、１０３５ｎｍのシード光パルスを増幅する。光増幅ファイバ７０６としては、例えばＹｂＤＦ（イッテルビウム添加ファイバ）を用いることができる。あるいは、波長帯に応じて光増幅ファイバ７０６の代わりに、ＥｒＤＦ（エルビウム添加ファイバ）等の種類の異なる希土類添加ファイバを用いてもよい。また、半導体光増幅器等を用いてもよい。レーザーダイオード７０２は、光増幅ファイバ７０６を励起するためのポンプ光を発生する。ポンプ光導波路７０３は、ポンプ光をポンプコンバイナ７０４へ導波する。ポンプコンバイナ７０４は、ポンプ光とシード光パルスおよび共振光パルスとを合波する。第４光導波路７０５は、合波されたポンプ光とシード光パルスおよび共振光パルスを非線形導波路３０２へ導波する。本実施形態では、光増幅ファイバ７０６の長さは８０ｃｍ、第４光導波路７０５の長さは１０ｃｍとする。
【００６４】
本実施形態では、このように光増幅器７００を備えているので、導入部３０１が導入するシード光パルスのエネルギーを、第１の実施形態と比較して小さくすることができる。例えば、シード光パルスとして、波長が１０３５ｎｍ、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ、パルスエネルギーが０．５ｎＪ、パルスの時間幅が６．６ｐｓの光パルスを導入する。シード光パルスのパルスエネルギーがこのように小さいので、合波部３０６から第４光導波路７０５の光出力端までは、シード光パルスと共振光パルスの間に生じるＸＰＭは無視できるほど小さい。また、光増幅ファイバ７０６では、シード光パルスが増幅されてパルスエネルギーが４ｎＪと大きくなるが、光増幅ファイバ７０６のコア径が１０μｍと大きいために、光増幅ファイバ７０６において生じるＸＰＭも同様に無視できるほど小さい。非線形導波路３０２へと導波されたシード光パルスと共振光パルスは、非線形導波路３０２において生じるパラメトリック利得によって、シード光パルスから共振光パルスへとエネルギー遷移する。
【００６５】
このように、本実施形態では、第２光導波路３０７および光増幅器７００におけるＸＰＭが無視できるので、例えば、上式（８）を用いることができる。そして、合波部３０６から第３光導波路３０９の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮することができる。第１光導波路３０３、第２光導波路３０７、第３光導波路３０９として、第１の実施形態と同じものを用いるとする。また、第１の実施形態で述べたように、２０ｃｍの非線形導波路３０２は、およそ１．４０ｐｓのウォークオフを与える。このとき、合波部３０６から第３光導波路３０９の出力端までにおいて与えられるウォークオフｔｗｏの総量は、３．６４（＝１．４０＋２×１．１２）ｐｓとなる。
【００６６】
一方で、本実施形態のパルス圧縮部３０８は、合波部３０６における共振光パルスの時間幅を、第１の実施形態と同様に、フーリエ変換限界の時間幅（０．１３ｐｓ）程度に圧縮する。したがって、共振光パルスの時間幅Δｔｒは、シード光パルスの時間幅Δｔｐの６．６ｐｓからウォークオフｔｗｏの総量３．６４ｐｓを引いた値よりも小さくなるので、図４（ｂ）の実線ｆ１に示すように、ＸＰＭによるスペクトル歪みが低減される。
【００６７】
以上のように、本実施形態では、第２光導波路と非線形導波路との間に接続されて第１の光パルスを増幅する光増幅器を更に備えている。これにより、第２光導波路３０７におけるＸＰＭが無視できるので、合波部（または第２光導波路の光入力端）から第３光導波路の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。なお、本実施形態は、第１乃至第７の実施形態と組み合わせて実施することも可能である。
【００６８】
（第９の実施形態）
本発明の第９の実施形態における波長変換装置について図７を用いて説明する。第８の実施形態では、シード光パルスのパルスエネルギーが小さく、第２光導波路３０７および光増幅器７００におけるＸＰＭが無視できる場合について説明した。これに対し、本実施形態では、シード光パルスのパルスエネルギーが大きく、第２光導波路３０７および光増幅器７００におけるＸＰＭが無視できない場合について説明する。本実施形態の構成は第８の実施形態と同じである。
【００６９】
本実施形態では、シード光パルスとして、波長が１０３５ｎｍ、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ、パルスエネルギーが４ｎＪ、パルスの時間幅が１６ｐｓの光パルスを導入する。シード光パルスのパルスエネルギーがこのように大きいと、第２光導波路３０７および光増幅器７００において発生するＸＰＭの影響が無視できなくなる。そこで、本実施形態では、第２光導波路３０７および光増幅器７００においても共振光パルスの時間幅が圧縮されるようにパルス圧縮条件を規定する。具体的には、上式（８）のウォークオフｔｗｏの代わりに、第２光導波路３０７および光増幅器７００におけるウォークオフの項を更に含めた下式（１０）を用いる。
【数１０】
0006613120.tif 000011
【００７０】
すなわち、光増幅器７００を、シード光パルスと共振光パルスとが重なって伝搬する場合に、ウォークオフ量ｔｗｏが上式（１０）で与えられる。ここで、下付きの添字「４」、「Ａ」は、それぞれ、第４光導波路７０５、光増幅ファイバ７０６に関する定数であることを示している。本実施形態のパルス圧縮部３０８は、上式（１０）を用いたパルス圧縮条件が、合波部３０６において満たされるように、共振光パルスに群遅延分散を与える。これにより、合波部３０６から第３光導波路３０９の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。
【００７１】
例えば、第１光導波路３０３、第２光導波路３０７、第３光導波路３０９として、第１の実施形態と同じものを用いるとする。また、第４光導波路７０５および光増幅ファイバ７０６の分散値は、９８０ｎｍにおいて、−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるとする。１０ｃｍの第４光導波路７０５および８０ｃｍの光増幅ファイバ７０６は、およそ１０ｐｓのウォークオフを与える。また、第１の実施形態で述べたように、２０ｃｍの非線形導波路３０２は、およそ１．４０ｐｓのウォークオフを与える。したがって、合波部３０６から第３光導波路３０９の光出力端までにおけるウォークオフｔｗｏの総量は、１４．７６（＝１．４０＋３×１．１２＋１０．００）ｐｓとなる。
【００７２】
一方で、本実施形態のパルス圧縮部３０８は、合波部３０６における共振光パルスの時間幅を、第１の実施形態と同様に、フーリエ変換限界の時間幅（０．１３ｐｓ）程度に圧縮する。したがって、共振光パルスの時間幅Δｔｒは、シード光パルスの時間幅Δｔｐの１６ｐｓからウォークオフｔｗｏの総量１４．７６ｐｓを引いた値よりも小さくなるので、図４（ｂ）の実線ｆ１に示すように、ＸＰＭによるスペクトル歪みが低減される。
【００７３】
以上のように、本実施形態では、合波部３０６におけるウォークオフの項を更に含むパルス圧縮条件が、合波部３０６において更に満たされるように、共振光パルスの時間幅を圧縮する。これにより、合波部３０６から第３光導波路の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。
【００７４】
（第１０の実施形態）
本発明の第１０の実施形態における波長変換装置について図７を用いて説明する。第８の実施形態では、光増幅器７００におけるＸＰＭが無視できる場合について説明した。一方、第９の実施形態では、光増幅器７００におけるＸＰＭが無視できない場合について説明した。これに対し、本実施形態では、光増幅器７００におけるＸＰＭが部分的に無視できる場合について説明する。本実施形態の構成は第８の実施形態と同じである。
【００７５】
本実施形態では、シード光パルスとして、波長が１０３５ｎｍ、繰り返し周波数が１０ＭＨｚ、パルスエネルギーが０．５ｎＪ、パルスの時間幅が１２ｐｓの光パルスを導入する。本実施形態では、シード光パルスのパルスエネルギーはこのように小さいが、光増幅器７００を構成する光増幅ファイバ７０６の光出力端側では、シード光パルスが増幅されるにつれ、シード光パルスと共振光パルスの間のＸＰＭは大きくなってしまう。そこで、本実施形態では、光増幅ファイバ７０６の光出力端側において部分的に発生するＸＰＭの項が含まれるようにパルス圧縮条件を規定する。具体的には、上式（８）のウォークオフｔｗｏの代わりに、光増幅ファイバ７０６におけるウォークオフの項Δｔｗｏを含めた下式（１１）を用いる。
【数１１】
0006613120.tif 000012
【００７６】
すなわち、光増幅器７００の光増幅ファイバ７０６を、シード光パルスと共振光パルスとが重なって伝搬する場合に、ウォークオフ量ｔｗｏが上式（１１）で与えられる。ここで、光増幅器において第１の光パルスを増幅する光増幅ファイバの、第１の光パルスに対する群屈折率をｎｐＡ、共振光パルスに対する群屈折率をｎｒＡ、長さをＬＡ、真空中の光速度をｃとした。光増幅ファイバ７０６におけるウォークオフの項Δｔｗｏは、光増幅ファイバ７０６の入力端から出力端までの全長においてＸＰＭが発生する場合に最大値ＬＡ｜ｎｒＡ−ｎｐＡ｜となり、ＸＰＭが発生しない場合に最小値０となる。パルス圧縮部３０８は、上式（１１）を用いたパルス圧縮条件が、光増幅部中の光増幅ファイバ７０６において満たされるように、共振光パルスに群遅延分散を与える。これにより、光増幅ファイバ７０６から第３光導波路３０９の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。
【００７７】
例えば、第１光導波路３０３、第２光導波路３０７、第３光導波路３０９として、第１の実施形態と同じものを用いるとする。また、光増幅ファイバ７０６の分散値は、９８０ｎｍにおいて、−５０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるとする。そして、８０ｃｍの光増幅ファイバ７０６のうちの入力端側から２０ｃｍでは、シード光パルスは十分に増幅されておらずＸＰＭは無視できるほど小さく、一方、残りの６０ｃｍではおよそ６．５ｐｓのウォークオフを与えるとする。また、第１の実施形態で述べたように、２０ｃｍの非線形導波路３０２は、およそ１．４０ｐｓのウォークオフを与える。したがって、合波部３０６から第３光導波路３０９の光出力端までにおけるウォークオフｔｗｏの総量は、１０．１４（＝１．４０＋２×１．１２＋６．５）ｐｓとなる。
【００７８】
一方で、本実施形態のパルス圧縮部３０８は、光増幅ファイバ７０６における共振光パルスの時間幅を、第１の実施形態と同様に、フーリエ変換限界の時間幅（０．１３ｐｓ）程度に圧縮する。したがって、共振光パルスの時間幅Δｔｒは、シード光パルスの時間幅Δｔｐの１２ｐｓからウォークオフｔｗｏの総量１０．１４ｐｓを引いた値よりも小さくなるので、図４（ｂ）の実線ｆ１に示すように、ＸＰＭによるスペクトル歪みが低減される。
【００７９】
以上のように、本実施形態では、ウォークオフｔｗｏは、光増幅ファイバにおいて第１の光パルスを増幅する光増幅ファイバにおける部分的なウォークオフΔｔｗｏの項を更に含んでいる。これにより、光増幅ファイバの光入力端から第３光導波路の光出力端までにおける共振光パルスの時間幅を圧縮し、ＸＰＭによる共振光パルスのスペクトル歪みを抑制することができる。
【００８０】
（第１１実施形態）
本発明の第１１の実施形態における光源装置について図８を用いて説明する。図８は、本発明の第１１の実施形態に係る光源装置８００の構成を示す模式図である。図８に示す本実施形態の光源装置８００は、第１乃至第１０の実施形態の波長変換装置３００又は３００ｂに対し、更にレーザー８０１、分波部８０２、第２パルス圧縮部８０３、第２合波部８０４を備えて構成される。
【００８１】
レーザー８０１は、第１の波長を有する光パルスを出力する。レーザー８０１としては、例えば第１の波長として１０３５ｎｍの光パルスを出力するＹｂファイバモード同期レーザーが利用できる。レーザー８０１からの出力パルスは、光カプラ等を用いた分波部８０２によって２つの光パルスに分岐される。分岐された光パルスは、それぞれＬＤ（Ｌａｓｅｒ  Ｄｉｏｄｏ）等によって励起されたＹｂドープファイバによって増幅される。増幅された光パルスのうちの１つはシード光パルスとして波長変換装置３００に入力される。波長変換装置３００は、１０３５ｎｍのシード光パルスを、中心波長７５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下のシグナル光パルスに波長変換する。これにより、スペクトル形状の歪みが少ない高ピーク強度のシグナル光パルスが得られる。さらに、シグナル光パルスの位相分散を第２パルス圧縮部８０３で補償することによって、時間幅が１３０ｆｓの短パルス出力を得ることも可能となる。なお、波長変換装置３００から出力されるシグナル光パルスの時間幅が十分に短い場合は、第２パルス圧縮部８０３は省略してもよい。このシグナル光パルスは、分波部８０２によって分離されたもう一方の波長１０３５ｎｍの光パルスとＷＤＭ等の第２合波部８０４によって同期して合波される。このようにして、分子イメージングに用いられる２波長パルス光同期光源が可能となる。
【００８２】
以上のように、本実施形態の光源装置では、第１乃至第１０の実施形態の波長変換装置を備えている。そして、波長変換装置を用いて第１の波長を有する光パルスを波長変換することにより得られる光パルスと、第１の波長を有する光パルスとを同期して出力する。例えば、中心波長７５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下のシグナル光パルスを、第１の波長１０３５ｎｍの光パルスから生成する。このとき、２つの光パルスの繰り返し周波数は完全に一致するため、繰り返し周波数を制御する装置を必要とすることなく２波長パルス同期光源が実現できる。なお、ここでは２波長パルス同期光源を例としたが、３つ以上の光パルス同期光源にも、第１乃至第１０の実施形態に記載の波長変換装置を用いることができる。
【００８３】
（第１２の実施形態）
本発明の第１２の実施形態における情報取得装置について図９を用いて説明する。図９は、本発明の第１２の実施形態に係る情報取得装置９００の構成を示す模式図である。図９に示す本実施形態の情報取得装置９００は、第１乃至第１０の実施形態の波長変換装置３００又は３００ｂに対し、更に光検出器９０８を備えて構成される２光子顕微鏡システムである。光検出器９０８は、波長変換装置３００又は３００ｂから出力され、被検体を介して伝搬する光を検出する。
【００８４】
例えばＹｂファイバモード同期レーザーからの波長１０３５ｎｍの出力パルスを、第１乃至第１０の実施形態に記載の波長変換装置３００又は３００ｂに導入する。そして、中心波長が７５０ｎｍ以上９００ｎｍ以下、スペクトル幅が６ｎｍで、スペクトル形状の歪みが少ない高ピーク強度のシグナル光パルス出力を得る。
【００８５】
得られたシグナル光パルスは、ビームコリメータ９０１、Ｘスキャンミラー９０２、Ｙスキャンミラー９０３を経由し、ダイクロイックミラー９０４、対物レンズ９０５によりステージ９０６に固定された被検体９０７に集光照射される。被検体９０７では、光パルスを集光照射した部分において２光子吸収に起因する蛍光が起こる。この蛍光は対物レンズ９０５によって取りこまれ、ダイクロイックミラー９０４を透過して光検出器９０８で検出される。
【００８６】
このとき、Ｘスキャンミラー９０２を駆動すると、集光点が被検体９０７内部をＸ方向へスキャンすることができ、Ｙスキャンミラー９０３を駆動すると、集光点が被検体９０７内部をＸ方向と垂直なＹ方向へスキャンすることができる。従って、Ｘスキャンミラー９０２、Ｙスキャンミラー９０３によって集光点を被検体９０７上で走査すれば、二次元画像を取得することができる。
【００８７】
さらに、一回の二次元スキャン終了後、ステージ９０６を動かして集光点を光軸方向に所定距離だけ移動させ、同様の２次元スキャンを繰り返すことで、被検体９０７の三次元画像を得ることが可能となる。なお、第１乃至第１０の実施形態の波長変換装置３００又は３００ｂに替えて、第１１の実施形態の光源装置８００を用いることも可能である。
【００８８】
以上のように、本実施形態の情報取得装置では、第１乃至第１０の実施形態の波長変換装置からの出力、または第１１の実施形態の光源装置からの出力を光源として使用する。そして、波長変換装置または光源装置から出力されて、被検体を介して伝搬する光を検出する光検出器を備えている。これにより、パルス幅を狭くすることによってピーク強度を高くし、高いＳＮ比での情報取得を行うことができる２光子顕微鏡を得ることが可能となる。
【００８９】
なお、本実施形態では、光パルスを被検体に照射し、被検体にて反射・透過または発光する光の少なくとも１つを検出し、被検体の情報を取得する情報取得装置として、２光子顕微鏡を例にとって説明した。しかし、これに限定されるものではなく、誘導ラマン散乱顕微鏡、内視鏡などの情報取得装置にも、本実施形態と同様に第１乃至第１０の実施形態のいずれかに記載された波長変換装置や、第１１の実施形態に記載された光源装置を用いることができる。
【００９０】
（その他の実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態に記載の構成は、一例を示したものであり、本発明を適用可能な波長変換装置、光源装置、および情報取得装置は、上記実施形態の説明に用いた図に限定されるものではない。また、上記実施形態に記載の構成は、組み合わせて実施することも可能である。本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
【００９１】
また、本発明においては、上式（２）が満たされることが望ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。本発明では、共振光パルスの時間幅がより圧縮されるように、共振光パルスの群遅延分散の一部または全部が補償されてさえいれば、共振光パルスのスペクトル形状の歪みをより抑制することができる。
【符号の説明】
【００９２】
３０１  導入部
３０２  非線形導波路
３０３  第１光導波路
３０４  取り出し部
３０５  フィードバック部
３０６  合波部
３０７  第２光導波路
３０８  パルス圧縮部
５０１  波長フィルタ
６０１  回折格子
７００  光増幅器
８００  光源装置
８０１  レーザー
８０２  分波部
８０３  第２パルス圧縮部
８０４  第２合波部
９００  情報取得装置
９０１  ビームコリメータ
９０２  Ｘスキャンミラー
９０３  Ｙスキャンミラー
９０４  ダイクロイックミラー
９０５  対物レンズ
９０６  ステージ
９０７  被検体
９０９  光検出器
【図１】
0006613120.tif 000015
【図２】
0006613120.tif 000016
【図３】
0006613120.tif 000017
【図４】
0006613120.tif 000018
【図５】
0006613120.tif 000019
【図６】
0006613120.tif 000020
【図７】
0006613120.tif 000021
【図８】
0006613120.tif 000022
【図９】
0006613120.tif 000023