(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されたパルス波形のレーザ光を２分岐する第１の半透明膜と、
分岐された一方の光を反射する全反射鏡と、
全反射鏡が反射した光と分岐された他方の光とを合成する第２の半透明膜と
を備えたことを特徴とする光学ブロック。
【請求項２】
前記半透明膜は半透明鏡であることを特徴とする請求項１記載の光学ブロック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、レーザ光によるパルス波の逓倍を行うための方法等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は従来におけるパルス逓倍する方法を表す図である。この方法では、図９に示すような構成部品を用いて構成する。図９において、スプリッタ（９０１）は、入力されるパルス波形のレーザ光（以下、このレーザ光を入力光という）を分岐する。遅延器（９０２）は、光ファイバ（９０４）を通過する入力光を遅延させるために設けたものである。遅延器（９０２）による入力光の遅延時間（位相）は、製造する段階で任意に設定できる。カプラ（９０３）は、光ファイバ（９０４）及び光ファイバ（９０５）を通過してきた光を合成する。光ファイバ（９０４）と光ファイバ（９０５）とは長さが異なる。
【０００３】
次にパルス逓倍方法について説明する。スプリッタ（９０１）は入力光を２分岐する。２分岐された入力光（以下、分岐光という）はそれぞれ光ファイバ（９０４）及び光ファイバ（９０５）内を進行する。遅延器（９０２）は、光ファイバ（９０４）を進行する分岐光が光ファイバ（９０５）を通過する分岐光と比較して、あらかじめ設定した遅延時間だけ遅延されるようにする。ここでは、半周期分の時間を遅延時間として設定する。カプラ（９０３）は、光ファイバ（９０４）及び光ファイバ（９０５）をそれぞれ通過した分岐光を合成する。これにより、合成によって得られた光は、入力光が有するパルス周期の半分の周期を有するレーザ光として出力される。
【０００４】
また、ここでは遅延器（９０２）を設けているが、単に光ファイバ（９０４）の長さを調整することにより、光ファイバ（９０４）を進行する分岐光の経路を光ファイバ（９０５）を進行する分岐光の経路よりも長くして遅延させる（位相を遅らせる）ことによっても同様の効果を得ることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような構成部品を用いて装置を構成した場合には、次のような問題が生じる。まず、スプリッタ（９０１）、カプラ（９０３）等の構成部品の小型化を図ることが困難である。それに、スプリッタ（９０１）、カプラ（９０３）を作製するためには融着等の工程を行う必要があるため高価になる。しかも、ファイバ型の構成では環境温度等による摂動のため、設定した遅延時間が著しく変動してしまい、精度が低い。
【０００６】
そこで、上記のような問題を解決し、低価格で、高精度にパルス波の逓倍を行えるようなパルス逓倍方法、システム等を実現し、そのために必要となる光学ブロックを得る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
そのため、本発明に係る光学ブロックは、入力されたパルス波形のレーザ光を２分岐する第１の半透明膜と、分岐された一方の光を反射する全反射鏡と、全反射鏡が反射した光と分岐された他方の光とを合成する第２の半透明膜とを備えている。
【０００８】
本発明においては、第１の半透明膜がレーザ光を分岐し、一方の光を全反射鏡が反射し、第２の半透明膜が分岐したそれぞれの光を合成する光学ブロックを構成することにより、スプリッタ、遅延器及びカプラを兼ね備えた光学ブロックを得る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施形態１．
図１は本発明の第１の実施の形態に係る、パルス逓倍を実現するための光学ブロックを表す図である。光学ブロックは、入力光が入力される入射面（１０１）、出力光が出力される出射面（１０２）を有している。また、半透過膜であるハーフミラー（１０３）、（１０４）及び全反射ミラー（１０５）、（１０６）を有する。ここで、ハーフミラー（１０３）及び全反射ミラー（１０５）は、入射面（１０１）に対して４５°の角度を成している。また、出射面（１０２）は、入射面（１０１）と平行に対抗して設けられている。そして、ハーフミラー（１０４）及び全反射ミラー（１０６）は出射面（１０２）に対して４５°の角度を成している。また、光学ブロックの斜視図を図１（ｂ）に示す。なお、光学ブロックの各々の構成要素の材質等は、本発明では特に限定するものではなく、任意好適に設計してよい。
【００１１】
本実施の形態は、光学ブロックのハーフミラー（１０３）を用いて入力光を分岐し、一方の光の経路を他方の光よりも長くして一定時間遅延させた上で、再度ハーフミラー（１０４）において合成することで入力光に対する出力光の周波数を逓倍するようにしたものである。したがって、本実施の形態における光学ブロックは、従来用いられていたスプリッタ、遅延器及びカプラの役割を１つで果たすものである。そのため、装置の小型化を図ることができる。
【００１２】
図２は光学ブロックの各寸法及び屈折率の関係を表す図である。図２のように、各寸法をｌ、ｍ、ｄ、ｈとする。そして、ハーフミラー（１０２）によって分岐された２つの光（以下、分岐されたそれぞれの光を第１分岐光、第２分岐光ということにする）が、ハーフミラー（１０４）によって合成されるまでの光路差Ｌをｌ、ｍ、ｄ及び屈折率ｎを用いて表すと次式（１）のように表される。
Ｌ＝２ｎｌ＋（ｎ−１）（ｍ＋ｄ）                            …（１）
【００１３】
ここで、光路差Ｌは半周期分の遅延が生じるように設計する。すなわち、次式（２）が成立するような光路差Ｌとなるように、屈折率ｎを考慮した上で、（１）式のｌ、ｍ及びｄを設定する。ここで、ｋ＝は０、１、２…である。また、ｃは真空中の光速（ｍ／ｓ）を表し、Ｂはパルス周期（時間）を表している。
Ｌ／ｃ＝（２ｋ＋１）Ｂ                                      …（２）
【００１４】
図３は光学ブロックを進行する光の経路及びパルス信号の関係を表した図である。図３に基づいて周波数逓倍方法について説明する。ここで屈折率ｎについてはｎ＝１として説明することにする。レーザ光源装置（図示せず）から光ファイバ等を介したレーザ光は、例えばロッドレンズにより平行にされ、入力光として光学ブロックの入射面（１０１）と垂直に入射される（図３（ｂ））。進行した入力光は、ハーフミラー（１０３）によって２方向に分岐される（ただし、それぞれのパワー（パルス振幅）は図３（ｂ）のように約半分となる）。
【００１５】
第１分岐光は反射されずに入射光の延長線上をハーフミラー（１０４）の方向に直進する（図３（ｂ））。もう一方の第２分岐光は反射されて入射光と垂直に、全反射ミラー（１０５）の方向に進行する。第２分岐光は、全反射ミラー（１０５）により反射され、再度進行方向とは垂直に、全反射ミラー（１０６）の方向（つまり、入射光及び他方の分岐光と同方向）に進行する。そして、さらに全反射ミラー（１０６）により再度垂直に反射され、ハーフミラー（１０４）の方向に進行する（図３（ｂ））。そして、ハーフミラー（１０４）により２つの分岐光が合成され、合成された光は出射面（１０２）から出力光として出力されることになる（図３（ｂ））。出力光におけるパルスの振幅は入力光のものよりは小さくなる（２回ハーフミラーを介するので理論的には、図３（ｂ）のように約１／４になる）が、小型化を図ることができる。
【００１６】
光路差Ｌは半周期の遅延（例えば周波数が２０ＧＨｚでは２５ｐｓ（２５×１０-12 ｓ））が生じるように設計しているため、入力光の２倍のパルスを有する出力光（２０ＧＨｚでは４０ＧＨｚ）を得ることができる。
【００１７】
以上のように第１の実施の形態によれば、入力光を分岐する役割を果たすためのハーフミラー（１０３）、分岐後の経路長を異ならせたそれぞれの光を再度合成するハーフミラー（１０４）で少なくとも構成された光学ブロックを用いてパルスの逓倍を図るようにしたので、従来のスプリッタ、遅延器及びカプラの役割を１つで果たすので、構成が簡易になり、装置全体の小型化を図ることができる。しかも、複雑な工程を必要とせずに作製することができるので、低価格なパルスの逓倍を実現することができる。
【００１８】
実施形態２．
図４は本発明の第２の実施の形態に係るブロックを表す図である。図４のブロックは、底辺が平行四辺形の角柱である。角は４５゜である。４０１の面はハーフミラーで構成される。また、４０２の面は全反射ミラーで構成される。
【００１９】
図５は図４のブロックを２個接合して作製した光学ブロックである。２個のブロックは接合面５０７で接合される。光学ブロックは、入力光が入力される入射面（５０１）、出力光が出力される出射面（５０２）を有している。また、半透過膜であるハーフミラー（５０３）、（５０４）及び全反射ミラー（５０５）、（５０６）を有している。ハーフミラー（５０３）及び全反射ミラー（５０５）は、入射面（５０１）に対して４５°の角度を成している。また、出射面（５０２）は、入射面（５０１）と平行に対抗して設けられている。そして、ハーフミラー（５０４）及び全反射ミラー（５０６）は出射面（５０２）に対して４５°の角度を成している。なお、光学ブロックの各々の構成要素の材質等は、本発明では特に限定するものではなく、任意好適に設計してよい。
【００２０】
そして、各寸法を図５に示すようにｌ、ｍとする。ハーフミラー（５０３）によって分岐された２つの光（以下、分岐されたそれぞれの光を第１分岐光、第２分岐光ということにする。）が、ハーフミラー（５０５）によって合成されるまでの光路差Ｌをｌ、ｍ及び屈折率ｎを用いて表すと次式（１）のように表される。また、第１の実施の形態と同様に、（２）式が成立するような光路差Ｌとなるように、屈折率ｎを考慮してｌ及びｍを設定する。
Ｌ＝２ｎｌ＋（ｎ−１）ｍ                                    …（３）
【００２１】
本実施の形態は、簡便に作製できる光学ブロックについて説明するものである。図４のような底辺が平行四辺形のブロックを２個接合することにより、スプリッタ、遅延器及びカプラの役割を１つで果たす光学ブロックを得ることができる。
【００２２】
図６は光学ブロックを進行する光の経路を表した図である。図６に基づいてパルス周波数の逓倍方法について説明する。ここで屈折率ｎについてはｎ＝１として説明することにする。レーザ装置（図示せず）から光ファイバ等を介したレーザ光は、例えばロッドレンズにより平行にされ、入力光として光学ブロックの入射面（５０１）と垂直に入射される。進行した入力光は、ハーフミラー（５０３）によって２方向に分岐される（ただし、それぞれのパワーは約半分となる）。以下、分岐されたそれぞれの光を第１の実施の形態と同様に第１分岐光、第２分岐光ということにする。
【００２３】
第１分岐光は反射されずに入射光の延長線上をハーフミラー（５０３）の方向に直進する。もう一方の第２分岐光は反射されて入射光と垂直に、全反射ミラー（５０５）の方向に進行する。第２分岐光は、全反射ミラー（５０５）により反射され、再度進行方向とは垂直に、全反射ミラー（５０６）の方向（つまり、入射光及び他方の分岐光と同方向）に進行する。そして、さらに全反射ミラー（５０６）により再度垂直に反射され、ハーフミラー（５０４）の方向に進行する。そして、ハーフミラー（５０４）により２つの分岐光が合成され、合成された光は出射面（５０２）から出力光として出力されることになる。
【００２４】
光路差Ｌは半周期の遅延（例えば２０ＧＨｚでは２５ｐｓ（２５×１０-12 ｓ））が生じるように設計しているため、入力光のパルス周波数の２倍のパルス周波数を有する出力光（２０ＧＨｚでは４０ＧＨｚ）を得ることができる。
【００２５】
以上のように、第２の実施の形態によれば、２つの同じブロックを張り合わせることにより、簡単に光学ブロックを作製することができ、構成が簡単で低価格なパルスの逓倍を実現することができる。
【００２６】
実施形態３．
図７は第３の実施の形態に係るパルス逓倍装置を表すブロック図である。増幅器（７０１）は、ある周波数で入力される電気信号であるクロック信号（ここでは、クロック信号の周波数を２０ＧＨｚとする。）を増幅する。バイアス印加回路（７０２）は、増幅器（７０１）で増幅されたクロック信号に、直流成分を重畳する。増幅器（７０１）及びバイアス印加回路（７０２）は電気系統の装置である。
【００２７】
ＣＷレーザ光源（７０３）は、正弦波のレーザ光を出力する。本実施の形態では、ＤＦＢレーザ（Distributed FeedBack Laser：分布帰還型レーザ）を用いるものとする。ＤＦＢレーザは、スペクトル幅が狭く、ある決まった波長だけで発振する。電界吸収型変調器（Electro-Absorption Modulator）（７０４）は、電圧が印加されると光の吸収係数（透過率）を変化させ、入射光の強度を変化させる。光学ブロック部（７０５）は、第１又は第２の実施の形態で説明した光学ブロックである。ＣＷレーザ光源（７０３）、電界吸収型変調器（７０４）及び光学ブロック部（７０５）は、光系統の装置である。また、ＣＷレーザ光源（７０３）と電界吸収型変調器（７０４）とは一体で構成されている場合もある。
【００２８】
次にパルス発生装置のパルス発生動作について説明する。まず、電気系統の装置についての動作について説明する。ＣＷ電気信号であるクロック信号が増幅器（７０１）に入力される。増幅器（７０１）は、クロック信号を所定の振幅で増幅する。バイアス印加回路（７０２）は、増幅器（７０１）により増幅されたクロック信号に直流（ＤＣ）成分を重畳する。
【００２９】
次に光系統の装置の動作であるが、ＣＷレーザ光源（７０３）からは、ＣＷレーザ光が出力される。電界吸収型変調器（７０４）は、増幅器（７０１）により増幅され、バイアス印加回路（７０２）により直流成分が重疂されたクロック信号に基づいて、ＣＷレーザ光を変調する。電界吸収型変調器（７０４）により変調された短パルス列が入力光として光学ブロック部（７０５）に入力する。光学ブロックにおける逓倍については、第１又は第２の実施の形態で説明したことと同様であるので説明を省略する。これにより、パルス周波数が４０ＧＨｚの出力光が出力されることになる。
【００３０】
以上のように、第３の実施の形態によれば、第１及び第２の実施の形態で説明した光学ブロックを用いて、パルス逓倍装置を構成するようにしたので、構成が簡易になり、装置全体の小型化を図ることができる。また、低価格で実現することができる。
【００３１】
実施形態４．
図８は本発明の第４の実施の形態に係るパルス発生装置を表すブロック図である。図８において、図７と同じ図番を付しているものは第３の実施の形態で説明したことと同様の動作を行うので説明を省略する。温度調節装置（７０６）は、光学ブロックの温度調節をするための装置である。温度制御装置（７０７）は、温度調節装置（７０６）の温度調節の制御を行うための装置である。温度調節装置（７０６）において温度を調節するための素子、温度制御装置（７０７）の機構については、特に限定するものではなく、任意に設定してよい。
【００３２】
パルス周波数の逓倍を図る際、隣接するパルスの光の位相状態はそろっているか、半周期分位相がずれている（つまり、位相が０かπに調節されている）のが望ましい。しかし、実際には、レーザ光照射、周囲の温度変化等により温度が変化すると、調整した位相にずれが生じる。従来のような装置ではスプリッタ、カプラを用いるが、これらは融着という工程を必要とする。そのため、構成としては数十ｃｍ程度のファイバ長が必要であり、この長さに対し、１０-8ｍオーダでの制御が必要になるので、その制御は非常に困難になる。また、上述した光学ブロックにおいても、屈折率が変化したり、周囲の温度により膨張することにより位相にずれが生じる。そこで、本実施の形態では温度調節装置（７０６）により温度を調整して光学ブロック温度を一定に保ち、位相のずれが一定になるように制御して精度を高めるものである。
【００３３】
次に動作について説明する。パルス発生動作については、第３の実施の形態で説明したことと同様の動作を行うので説明を省略する。光学ブロック部（７０５）の温度調節動作については、あらかじめ、測定等により、温度と位相差との関係について算出しておく。例えば、１×１０-4の屈折率温度係数を持つ材料を用いて光路差Ｌが１８．７５×１０-3ｍとなるように光学ブロック部（７０５）を作製しておく。この場合、１．１５℃温度が変化すると位相がπ（半波長）ずれることになる。
【００３４】
パルス波のレーザ光照射時（パルス逓倍動作実行中）に、分岐光１及び分岐光２の位相差をスペクトルアナライザ等（図示せず）により測定する。スペクトルアナライザを用いることにより、スペクトルを直接測定し、位相差を算出することができる。そして、温度制御装置（７０７）は、その測定結果及び温度と位相差との関係に基づいて温度調節装置（７０６）の温度制御を行い、光学ブロック部（７０５）の温度を一定（位相差がπ（半周期分））となるように保たせる。また、温度の設定によって任意の位相差に調節したり、変化させたりすることもできる。
【００３５】
以上のように、第４の実施の形態によれば、温度による光学ブロック部（７０５）の屈折率変化を抑えるために、温度調節装置（７０６）、温度制御装置（７０７）に光学ブロックの温度制御を行わせるようにしたので、高精度のパルス逓倍実現することができる。しかも、光学ブロック部（７０５）自体が小型であるために低価格で実現できる。
【００３６】
実施形態５．
上述の実施の形態においては、例として、周波数が２０ＧＨｚパルス波を４０ＧＨｚに逓倍する方法を示したが、本発明の周波数はこれに限定されるものではない。
【００３７】
実施形態６．
また、上述の実施の形態においては、パルスを２倍にする方法について説明したが、本発明ではこれに限定されるものではない。３倍、４倍等の逓倍にも適用することができる。
【００３８】
実施形態７．
また、上述の実施の形態で、屈折率、光学ブロックの形状に関する寸法等について示したが、本発明はこれらの数値においてだけ適用できるというわけではなく、数値を調整することによって様々に適用できる。また、レーザ光の分岐及び合成を一体化して行えるものであれば、特にブロックの構成を採ることもない。
【００３９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、第１の半透明膜がレーザ光を分岐し、一方の光を全反射鏡が反射し、第２の半透明膜が分岐したそれぞれの光を合成する光学ブロックを構成するようにしたので、スプリッタ、カプラのような融着により作製される装置を用いなくても、小型化することができ、簡単な構成、低価格でパルス光の逓倍を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る、パルス逓倍を実現するための光学ブロックを表す図である。
【図２】光学ブロックの各寸法及び屈折率の関係を表す図である。
【図３】光学ブロックを進行する光の経路及びパルス信号の関係を表した図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るブロックを表す図である。
【図５】光学ブロックを進行する光の経路を表した図である。
【図６】図４のブロックを２個接合して作製した光学ブロックである。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るパルス発生装置を表すブロック図である。
【図８】本発明の第４の実施の形態に係るパルス発生装置を表すブロック図である。
【図９】従来におけるパルス逓倍する方法を表す図である。
【符号の説明】
１０１、５０１  入射面
１０２、５０２  出射面
１０３、１０４、４０１、５０３、５０４  ハーフミラー
１０５、１０６、４０２、５０５、５０６  全反射ミラー
５０７  接合面
７０１  増幅器
７０２  バイアス印加回路
７０３  ＣＷレーザ光源
７０４  電界吸収型変調器
７０５  光学ブロック部
７０６  温度調節装置
７０７  温度制御装置
９０１  スプリッタ
９０２  遅延器
９０３  カプラ
９０４、９０５  光ファイバ
【図１】
0004026117.tif 000002
【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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