(57)【要約】【課題】    測定環境の影響を受けず、光学系の調整が不要なオートコリレータを提供する。【解決手段】  基板１１上に、測定するパルス光Ａを入力する入力導波路１２ａと、前記パルス光を分岐する方向性光結合器１３と、前記分岐されたパルス光を伝播する２つの導波路１４ａ，１４ｂとを形成し、導波路１４ａの先端部と導波路１４ｂの先端部とが対向するポイントにおけるコアとクラッドを除去して作製した溝１６ａに２光子蛍光色素１６ｂを挿入し、前記導波路１４ａ，１４ｂを伝播するパルス光Ａ１とパルス光Ａ２とを衝突させて発生する蛍光の強度分布からパルス光のパルス幅を測定する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を伝播する光路として光導波路を用いたことを特徴とするオートコリレータ。
【請求項２】
請求項１に記載するオートコリレータにおいて、
前記パルス光のパルス幅を測定する原理として、２光子蛍光法を用いたことを特徴とするオートコリレータ。
【請求項３】
請求項１または２に記載するオートコリレータにおいて、
前記パルス光が入射する光導波路と、
前記入射されたパルス光を分岐する光分岐手段と、
前記分岐されたパルス光を伝播する、長さが等しい複数の光導波路と、
前記複数の光導波路を伝播したパルス光が入射する蛍光物質とが、
すべて基板上に設けられていることを特徴とするオートコリレータ。
【請求項４】
請求項３に記載するオートコリレータにおいて、
前記光導波路が石英系の光導波路であり、前記基板がシリコンの基板であることを特徴とするオートコリレータ。
【請求項５】
請求項３または４に記載するオートコリレータにおいて、
前記基板に設けられた蛍光物質は、パルス光が入射してから出射するまでの距離が１０〜５０μｍであることを特徴とするオートコリレータ。
【請求項６】
請求項３ないし５のいずれかに記載するオートコリレータにおいて、
前記光分岐手段は、方向性結合器または２×２ＭＭＩカプラであることを特徴とするオートコリレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パルス光の伝播する光路として光導波路を用いたオートコリレータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超短パルス光は、電気デバイスでは測定が困難な、フェムト秒オーダの超高速の物理現象及び化学現象の時間発展を測定するのに必須の手段であり、盛んに研究されてきた。また、パルス幅がフェムト秒オーダの超短パルス光は高い尖頭値を有するため、近年では、アブレーション加工や石英ガラス中への導波路加工といった加工分野への利用についても研究されている。
【０００３】
超短パルス光を利用する際に、パルス光のパルス幅を測定することは、どれだけの速さの現象の時間発展を計測することができるかという点で重要である。また、超短パルス光をアブレーション加工等に応用する場合にも、パルス光の尖頭値を計算するためのパラメータとして重要である。
【０００４】
従来、超短パルス光のパルス幅を測定する方法としては、第２高調波発生法（下記、非特許文献１を参照。）もしくは２光子蛍光法（下記、非特許文献２を参照。）により超短パルス光の光強度の自己相関関数を求め、自己相関関数からパルス幅を計算する方法が知られている。
【０００５】
図２は、２光子蛍光法を利用した従来のオートコリレータの概略構成図である。同図に基づいて従来のオートコリレータの作用について説明する。同図に示すように、オートコリレータ２０は、パルス光の光路を制御するハーフミラー２１及びミラー２２ａ，２２ｂと、蛍光セル２３とから構成される。
【０００６】
オートコリレータ２０に入射されたパルス光（入射光）は、光強度が５０：５０となるようにハーフミラー２１により２つに分岐される。ここで、分岐された一方のパルス光はミラー２２ａにより反射されて蛍光セル２３に入射する。また、分岐された他方のパルス光はミラー２２ｂにより反射されて蛍光セル２３に入射する。
【０００７】
ミラー２２ａにより反射されて蛍光セル２３に入射したパルス光と、ミラー２２ｂにより反射されて蛍光セル２３に入射したパルス光とは、蛍光セル２３の中で互いに対向して衝突する。ここで、蛍光セル２３内の蛍光色素としては、入射光の光子を２個吸収して、１個の蛍光光子を発生するような物質が用いられている。
【０００８】
具体的には、蛍光物質としては、蛍光強度の大きな誘起色素系やシンチレータ材料が使用できる。例えば、入射光の波長が１μｍ付近ではローダミン６Ｇが、またＯ．６μｍ付近ではＰＯＰＯＰ（1,4-Bis(5-phenyl-2-oxazolyl)benzene）、α−ＮＰＯがよく使われる。
【０００９】
上述するように、蛍光セル２３中で２つのパルス光は対向して衝突し、蛍光光子を発生する。入射光の光子を２個吸収して１個の蛍光光子が発生するので、蛍光セル２３のセル軸方向には、次式（１）で表される蛍光の光強度分布Ｕ（ｚ）が生じる。
【数１】
2005114449.tif 000003
【００１０】
ここで、ｚは蛍光セル２３内においてパルス光が衝突する地点を原点としたセル軸方向の座標であり、Ｉ（ｔ）はパルス光の光強度である。また、ｖは蛍光色素中におけるパルス光の伝播速度である。
【００１１】
ここでパルス光の衝突までの遅延時間をτとすると、遅延時間τと座標ｚは次式（２）で表される。
【数２】
2005114449.tif 000004
【００１２】
したがって、蛍光の強度分布のｚ座標依存性を測定することで、蛍光のパルス遅延時間τ依存性が測定できる。これらの結果、上式（１）より、上式（３）が導かれる（「レーザハンドブック」、レーザ学会編、オーム社出版、１９８２年、ｐ４４５を参照。）。
【数３】
2005114449.tif 000005
【００１３】
上式（３）における第２項は、パルス光の強度の自己相関関数である。Ｆ（ω，τ／２）の項は、平均化されて０になる。したがって、蛍光セル２３からの蛍光の強度分布のｚ座標依存性から、蛍光の強度分布の遅延時間依存性が得られる。その結果から、パルス光強度の自己相関関数を算出し、パルス光強度の自己相関関数からパルス幅を得ることができる。
【００１４】
【非特許文献１】J.A.Armstrong、「ピコ秒レーザーパルスのパルス幅の測定（Measurement of picosecond laser pulse widths）」、Applied Physics Letters、１９６７年、第１０巻、第１０号、p.16
【非特許文献２】S.L.Shapiro,M.A.Duguay、「モードロックＮｄ：ガラスレーザにおけるサブピコ秒成分の観察（Observation of subpicosecond components in the mode-locked Nd:Glass Laser）」、Physics Letters、１９６９年、第２８Ａ巻、第１０号、p.698
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、従来のオートコリレータは、光学定盤またはオートコリレータ装置内部にミラー、プリズム、レンズ等の光学部品を組み上げて装置を構成しており、パルス光は気体空間を伝播する構成になっていたので、装置に加わる振動や気体の揺らぎにより測定結果に誤差が入ることがあった。これは、上述するようにパルス光を２つに分けて自己相関関数をとる方法において、装置への振動や気体の揺らぎで片方のパルス光の光路長が変化してしまうと、両パルスの衝突位置が変化してしまい、測定結果が変動してしまうからである。
【００１６】
また、ミラー22a,22bの設置角度がずれてしまうと、蛍光セル２３内において両パルスの光軸がずれて衝突しなくなるため、設置角度を所定の角度に保持する必要があり、光軸の調整に手間がかかっていた。さらに、このような光学系の調整は、ユーザーサイドでは難しいことが多く、従来のオートコリレータは使いにくいという問題があった。
【００１７】
特に、パルス幅が小さくなるほど、上述する測定誤差や光学系調整の手間は深刻なものとなる。本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、装置への振動や気体の揺らぎ等の測定環境の影響を受けず、かつ光路長や光軸といった光学系の調整を不要としたオートコリレータを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決する本発明に係るオートコリレータは、
パルス光を伝播する光路として光導波路を用いたことを特徴とするオートコリレータである。
【００１９】
また、上記オートコリレータにおいて、
前記パルス光のパルス幅を測定する原理として、２光子蛍光法を用いたことを特徴とするオートコリレータである。
【００２０】
また、上記オートコリレータにおいて、
前記パルス光が入射する光導波路と、
前記入射されたパルス光を分岐する光分岐手段と、
前記分岐されたパルス光を伝播する、長さが等しい複数の光導波路と、
前記複数の光導波路を伝播したパルス光が入射する蛍光物質とが、
すべて基板上に設けられていることを特徴とするオートコリレータである。
【００２１】
また、上記オートコリレータにおいて、
前記光導波路が石英系の光導波路であり、前記基板がシリコンの基板であることを特徴とするオートコリレータである。
【００２２】
また、上記オートコリレータにおいて、
前記基板に設けられた蛍光物質は、パルス光が入射してから出射するまでの距離が１０〜５０μｍであることを特徴とするオートコリレータである。
【００２３】
また、上記オートコリレータにおいて、
前記光分岐手段は、方向性結合器または２×２ＭＭＩカプラであることを特徴とするオートコリレータである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係るオートコリレータによれば、
パルス光を伝播する光路として光導波路を用いたことを特徴とするので、
空気の揺らぎやオートコリレータに対する振動等の測定環境の変動により、光路長が影響を受けることはなく、安定な測定が可能なオートコリレータとすることができる。
【００２５】
また、固定された光導波路をパルス光の光路として用いるため、光導波路の形成工程で光路長を決定・固定することができ、装置のユーザーサイドにて光学系の調整、修理等を行う必要がなくなり、使いやすいオートコリレータとすることができる。さらに、光導波路のパターン形成は、微細に精度良く行えるため、精密に調整された光学系を有するオートコリレータとすることができる。
【００２６】
また、前記パルス光のパルス幅を測定する原理として、２光子蛍光法を用いたことを特徴とするので、
第２高調波発生法とは異なり、単一のパルス光（パルスが一個のパルス光）でも測定可能なオートコリレータとすることができる。
【００２７】
また、前記パルス光が入射する光導波路と、
前記入射されたパルス光を分岐する光分岐手段と、
前記分岐されたパルス光を伝播する、長さが等しい複数の光導波路と、
前記複数の光導波路を伝播したパルス光が入射する蛍光物質とが、
すべて基板上に設けられていることを特徴とするので、
さらに、前記測定環境の変動による影響を受けず、安定な測定が可能であり、装置のユーザーサイドにて光学系の調整、修理等を行う必要がないため使いやすく、かつ、光導波路の精密加工による精密に調整された光学系を有するオートコリレータとすることができる。
【００２８】
また、前記光導波路が石英系の光導波路であり、前記基板がシリコンの基板であることを特徴とするので、
光導波路として通常用いられる材料で上記特有の効果を奏するオートコリレータを作製することができる。
【００２９】
また、前記基板に設けられた蛍光物質は、パルス光が入射してから出射するまでの距離が１０〜５０μｍであることを特徴とするので、
蛍光物質中を伝播するパルス光が伝播に伴い広がることによる測定結果への影響を抑えることができ、また、距離が小さすぎることによる、パルス幅の小さいパルス光しか測定できないというデメリットを解消することができる。
【００３０】
また、前記光分岐手段は、方向性結合器または２×２ＭＭＩカプラであることを特徴とするので、
光分岐手段として通常用いられる回路を利用して上記特有の効果を奏するオートコリレータを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
図１は、本発明の実施形態に係るオートコリレータの概略構成図である。同図に示すように、オートコリレータ１０は、基板１１上に形成された、導波路12a,12b,14a,14bと、方向性結合器１３と、溝１６ａと、２光子蛍光色素１６ｂとから構成されている。すなわち、オートコリレータの構成要素のすべてが基板１１上に集積されている。
【００３２】
パルス光（入射光Ａ）は、入力導波路１２ａからオートコリレータ１０に入射される。入力導波路１２ａを伝播したパルス光は、入力導波路１２ａの先に形成された光分岐手段である方向性結合器１３に入射し、当該方向性結合器１３により５０：５０の割合で２つのパルス光に分岐される。分岐された２つのパルス光は、方向性結合器１３の先に形成され、長さが等しい導波路１４ａと導波路１４ｂをそれぞれ伝播する。
【００３３】
なお、方向性結合器１３の代わりに２×２ＭＭＩカプラを用いても良い。２×２ＭＭＩカプラとは、マルチモード干渉（ＭＭＩ）であり、２つの入力と２つの出力を有する多モード干渉型結合器である。
【００３４】
導波路１４ａと導波路１４ｂは、基板１１上において対向するようにして円弧状に設けられ、導波路１４ａを伝播するパルス光（パルス光Ａ１）と導波路１４ｂを伝播するパルス光（パルス光Ａ２）とが対向して衝突するように、円弧状の導波路の先端部同士が対向するように形成されている。
【００３５】
また、方向性結合器１３においてパルス光が分岐されるポイントと前記パルス光Ａ１とＡ２とが衝突するポイントとの間における光路長は、導波路１４ａ側と導波路１４ｂ側とで１μｍ以下の精度で等長となるように形成されている。これは、フォトリソグラフィとＲＩＥ（反応性イオンエッチング）による導波路加工で実現することができる。
【００３６】
２光子蛍光色素１６ｂは、前記パルス光Ａ１と前記パルス光Ａ２とが衝突するポイントに設置される。すなわち、前述する導波路１４ａの先端部と導波路１４ｂの先端部とが対向するポイントにおけるコアとクラッドを除去して溝１６ａを作製し、当該溝１６ａに２光子蛍光色素１６ｂを挿入して設置する。
【００３７】
この結果、２光子蛍光色素１６ｂ中には、２つのパルス光（パルス光Ａ１，Ａ２）が対向して衝突するように入射するので、蛍光が発生する。この際に、２つのパルス光Ａ１，Ａ２の重なった部分がパルス幅に対応してより強く蛍光を発するので、蛍光が光軸方向に強度分布をもって観測される。
【００３８】
２光子蛍光色素１６ｂから発生する蛍光の強度分布を測定し、上式（３）に基づいて、蛍光の強度分布の遅延時間τ依存性が得られる。この結果から、パルス光強度の自己相関関数を算出し、パルス光強度の自己相関関数からパルス幅を得ることができた。
【００３９】
導波路14a,14bのコアとクラッドを除去して作製する、２光子蛍光色素１６ｂを挿入する溝１６ａの幅Ｗについて説明する。幅Ｗを大きくすることのメリットとしては、パルス幅の大きいパルス光を測定できることであり、デメリットとしては、通常、導波路のコアがとぎれて出射した光は放射して広がるため、パルス光の拡散により測定結果に誤差が出てしまうことである。一方、幅Ｗを小さくすることのメリットとしては、出射パルス光の広がりによる測定結果への影響を抑制できることであり、デメリットとしては、パルス幅の小さいパルス光しか測定できないことである。以上より、溝１６ａの幅Ｗは、好ましくは１０〜５０μｍ、より好ましくは１５〜３０μｍである。５０μｍ以下の距離では測定結果に影響を及ぼすほど広がることはほとんどなく、３０μｍ以下では測定結果への影響はなくなる。
【００４０】
なお、本実施形態では、溝１６ａの幅Ｗを２０μｍとし、この結果、１００［ｆｓ］オーダ以下のパルス幅を測定することができた。なお、測定可能なパルス幅をΔτとすると、次式（４）の関係が成り立つ。
【数４】
2005114449.tif 000006
【００４１】
また、２光子蛍光色素１６ｂとしては、従来の蛍光物質、蛍光強度の大きな誘起色素系やシンチレータ材料が使用できる。例えば、入射光の波長が１μｍ付近ではローダミン６Ｇが、またＯ．６μｍ付近ではＰＯＰＯＰ（1,4-Bis(5-phenyl-2-oxazolyl)benzene）、α−ＮＰＯ等を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施形態に係るオートコリレータの概略構成図である。
【図２】２光子蛍光法を利用した従来のオートコリレータの概略構成図である。
【符号の説明】
【００４３】
１０  オートコリレータ
１１  基板
１２ａ  入力導波路
１２ｂ  導波路
１３  方向性結合器
14a,14b  導波路
１６ａ  溝
１６ｂ  蛍光色素
２０  オートコリレータ
２１  ハーフミラー
22a,22b  ミラー
２３  蛍光セル
【図１】
2005114449.tif 000007
【図２】
2005114449.tif 000008