(57)【要約】【課題】  光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減する。【解決手段】  パルス光１０２を伝送する伝送装置１００であって、入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有する負分散媒質１０３と、負分散媒質を通過したパルス光が入射する第１のファイバ１０４と、第１のファイバを通過したパルス光が入射する第２のファイバ１０５と、を有し、第１のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有し、第２のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において正の分散パラメータを有し、負分散媒質と第２のファイバとは、正の分散スロープを有し、第１のファイバは、負の分散スロープを有する。【選択図】  図１
2016173561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を伝送する伝送装置であって、
入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有する負分散媒質と、
前記負分散媒質を通過したパルス光が入射する第１のファイバと、
前記第１のファイバを通過したパルス光が入射する第２のファイバと、を有し、
前記第１のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有し、
前記第２のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において正の分散パラメータを有し、
前記負分散媒質と前記第２のファイバとは、正の分散スロープを有し、
前記第１のファイバは、負の分散スロープを有する
ことを特徴とする伝送装置。
【請求項２】
前記負分散媒質は、（１）式を満たすように構成されており、
前記負分散媒質に入射するパルス光に含まれる周波数領域において、合計分散量ｂ２ａｌｌが前記負分散媒質に入射するパルス光のパルス幅Ｔ０より小さい
ことを特徴とする請求項１に記載の伝送装置。
【数１】
2016173561.tif 000020
ただし、
【数２】
2016173561.tif 000021
【数３】
2016173561.tif 000022
Ｔ０は前記負分散媒質に入射するパルス光のパルス幅、
ｂ２ｆは前記第１のファイバが有する単位長さ当たりの群速度分散、
Ｐ０は前記負分散媒質に入射するパルス光のピークパワー、
Ｐ１は前記負分散媒質を通過した直後のパルス光のピークパワー、
γは前記第１のファイバの非線形係数、
ｃは光速度、
Ｌ１は前記負分散媒質に入射するパルス光の光軸方向における前記負分散媒質の長さ
【請求項３】
前記第１のファイバと前記第２のファイバとは、シングルモードファイバであり、
前記第１のファイバのゼロ分散波長は、前記第２のファイバのゼロ分散波長より長い
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の伝送装置。
【請求項４】
前記第２のファイバのゼロ分散波長は、前記負分散媒質に入射するパルス光が含む波長より小さい
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の伝送装置。
【請求項５】
前記負分散媒質に入射するパルス光のパルス幅は、１００フェムト秒以下である
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の伝送装置。
【請求項６】
前記負分散媒質に入射するパルス光を前記負分散媒質に集光する光学部と、
前記負分散媒質と前記光学部とが配置されている筐体と、を更に有し、
前記筐体と前記第１のファイバとは接続されている
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の伝送装置。
【請求項７】
前記筐体は、前記負分散媒質に入射するパルス光を出力する光源の射出ファイバと接続されている
ことを特徴とする請求項６に記載の伝送装置。
【請求項８】
前記負分散媒質は、シリコンを含む
ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の伝送装置。
【請求項９】
前記第１のファイバ及び前記第２のファイバは、二酸化ケイ素を含む
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の伝送装置。
【請求項１０】
テラヘルツ波を被検体に照射して被検体の情報を取得する測定装置であって、
パルス光が入射することによりテラヘルツ波を発生する発生部と、
前記発生部からのテラヘルツ波を前記被検体に照射する照射部と、
前記被検体からを透過した又は前記被検体で反射したテラヘルツ波を検出する検出部と、
光源からのパルス光を前記発生部又は前記検出部に伝送する伝送部と、を有し、
前記伝送部は、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の伝送装置である
ことを特徴とする測定装置。
【請求項１１】
テラヘルツ波を発生又は検出する装置であって、
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の伝送装置と、
前記伝送装置からのパルス光が入射することによって、テラヘルツ波を発生又は検出する素子と、を有する
ことを特徴とする装置。
【請求項１２】
前記素子は、光伝導素子を含む
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
前記素子は、非線形結晶を含む
ことを特徴とする請求項１１に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバを用いた伝送装置、これを用いた測定装置、装置及び伝送方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバによる短パルス光の伝送では、光ファイバの分散によって短パルス光のパルス幅が広がることが問題となる。また、短パルスは、パルス幅が短くなるほどピークパワーが大きくなり、光ファイバ伝搬時に自己位相変調などの非線形光学効果によるパルス波形の変化が起こることがある。
【０００３】
これらを低減する方法として、短パルス光の伝搬経路に光ファイバの分散と逆符号の分散を有する光学素子を分散補償手段として追加する方法がある。特許文献１には、回折格子などの分散補償手段を介して短パルス光を光ファイバに入射する方法が記載されている。特許文献１では、光ファイバに入射する前に、パルス光に分散を与えてパルス幅を広げ、ピークパワーを低減させることにより、非線形光学効果によるパルス波形の変化を低減している。また、光ファイバ前後の分散量を調整することで、同時に分散の補償も行うことができる。分散補償手段としては、回折格子やプリズムを用いる。
【０００４】
また、短パルス光は、波長帯域が広い強度スペクトルを有する。このような短パルス光を用いる場合は、広帯域の分散補償が必要になるため、特定波長における分散補償だけでなく、分散パラメータを波長で微分して得られる分散スロープを補償することが求められる。分散スロープを補償できないと、図２に示したように光ファイバから射出した射出光の時間波形が変形し、光ファイバに入射する前の入射光と比較してピークパワーが低下する。このような分散スロープを補償する方法として、特許文献２は、ファイバを伝送する前に、予め非線形光学効果を用いて短パルス光に適切な分散パラメータと分散スロープを与えるという方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１８６４２４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１４１４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、回折格子などの分散補償手段を用いると、短パルス光の強度が低下して伝送効率が落ちることがある。また、特許文献１の回折格子は、光ファイバと同じ正の分散スロープを有するため、特定波長における分散補償は可能でも、分散スロープを考慮した補償が十分でなく、広帯域で分散を補償できないおそれがある。また、特許文献２のように非線形光学効果を用いた短パルス光のパルス波形の整形は、光強度依存性が存在するため、光源からの短パルス光の出力の不安定性がパルス波形形状の不安定性につながる。
【０００７】
本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、ファイバを用いて短パルス光を伝送する場合に、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての伝送装置は、パルス光を伝送する伝送装置であって、入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有する負分散媒質と、前記負分散媒質を通過したパルス光が入射する第１のファイバと、前記第１のファイバを通過したパルス光が入射する第２のファイバと、を有し、前記第１のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有し、前記第２のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において正の分散パラメータを有し、前記負分散媒質と前記第２のファイバとは、正の分散スロープを有し、前記第１のファイバは、負の分散スロープを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一側面としての伝送装置によれば、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施形態の伝送装置の構成を説明する図。
【図２】分散スロープを補償できない場合の時間波形の変化を説明する図。
【図３】第１の実施形態の伝送装置の分散特性を説明する図。
【図４】非線形光学効果による強度スペクトルの変化を説明する図。
【図５】負分散媒質の長さと負分散ファイバを伝搬した光の強度スペクトルとの関係を説明する図。
【図６】第１の実施形態の伝送装置の各構成の分散特性と伝送装置の分散特性を示す図。
【図７】第１の実施形態の伝送装置から射出された光の時間波形と強度スペクトルとを説明する図。
【図８】第２の実施形態の伝送装置の構成を説明する図。
【図９】第３の実施形態の伝送装置の構成を説明する図。
【図１０】第３の実施形態に係る伝送装置の分散特性を示す図。
【図１１】第４の実施形態の測定装置の構成を説明する図。
【図１２】第５の実施形態の測定装置の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（第１の実施形態）
本実施形態の伝送装置１００について、図１を参照して説明する。図１は、伝送装置１００の構成を説明するブロック図である。伝送装置１００は、負分散媒質１０３（以下、「媒質１０３」と呼ぶ）と、第１のファイバ１０４と、第２のファイバ１０５と、を有する。第２のファイバ１０５は、光伝導素子１０６と接続されており、光源１０１からの短パルス光１０２（以下、「レーザー１０２」と呼ぶ）が、伝送装置１００を介して光伝導素子１０６に入射する。ここで、短パルス光は、パルス幅がフェムト秒（ｆｓ）オーダのパルス光を指す。本実施形態では、特に、レーザ１０２としてパルス幅が１００フェムト秒以下（１００ｆｓ以下）の短パルス光を用いる。
【００１２】
光源１０１は、レーザ１０２を発生する。本実施形態では、光源１０１として、中心波長が１．５５μｍ（１５５０ｎｍ）、繰り返し周波数が８０ＭＨｚ、ピークパワーが４０ｋＷのレーザ１０２を射出するファイバレーザを用いる。レーザ１０２の時間波形は、フーリエ変換限界に近く、パルス幅が３０ｆｓのガウシアン波形を有する。レーザ１０２の伝搬経路で且つ光源１０１の近傍に、別の部材で反射した戻り光によってレーザ１０２が不安定化することを防止するために、アイソレーター又は１／４波長板、偏光ビームスプリッタなどを設けてもよい。なお、光源１０１は、同じ波長帯とパルス幅を有するレーザ１０２を発生できればよく、例えば固体レーザ等の既知の光源を使用できる。
【００１３】
レーザ１０２は媒質１０３に入射する。媒質１０３は、レーザ１０２に含まれる波長帯の一部又は全部において、負の分散パラメータを有する。さらに、媒質１０３は、レーザ１０２に含まれる波長帯の一部又は全部において、正の分散スロープを持つバルク媒質である。なお、媒質１０３は、レーザ１０２に含まれる全ての波長帯において、分散パラメータが負、分散スロープが正となることが望ましい。
【００１４】
本実施形態では、媒質１０３としてシリコン（Ｓｉ）板を利用する。なお、媒質１０３はシリコンに限らず、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、ＫＲＳ−５（臭化タンタルとヨウ化タンタルの混晶）、臭化カリウム、塩化ナトリウムなどを用いてもよい。媒質１０３は、レーザ１０２がシリコンと空気との界面におけるフレネル損失を防ぐために、表面上に反射防止膜が形成されていることが望ましい。もしくは、フレネル損失を最小限に低減するために、レーザ１０２が媒質１０３に対しＳ偏光となり、かつ入射角がブリュースター角となるように配置してもよい。
【００１５】
媒質１０３を透過したレーザ１０２は、次に第１のファイバ１０４に入射する。第１のファイバ１０４は、レーザ１０２に含まれる波長帯の一部又は全部において、負の分散パラメータを有する負分散ファイバである。以降の説明では、第１のファイバ１０４を「負分散ファイバ１０４」と呼ぶ。負分散ファイバ１０４は、レーザ１０２に含まれる波長帯の一部又は全部において、負の分散スロープを有する光ファイバである。なお、負分散ファイバ１０４は、レーザ１０２に含まれる全ての波長帯において、分散パラメータが負、分散スロープが負となることが望ましい。
【００１６】
一般的な光ファイバは正の材料分散を持ち、構造分散が小さいため、石英と同様に正の分散パラメータと正の分散スロープとを有するが、コア部の直径（コア径）を小さくすることにより負の構造分散を大きくして負の分散を有する負分散ファイバを作製できる。負分散ファイバは、一般的な光ファイバ（正の分散パラメータを有する正分散ファイバ）の分散補償手段として用いることができる。
【００１７】
なお、「分散パラメータ」とは、群速度の波長依存性を表す指標であり、物質の屈折率が波長に依存することに起因する。例えば正の分散パラメータを有する媒質中では波長が長いほど群速度が遅くなる。また、「分散スロープ」とは、分散パラメータの波長微分量である。本明細書では、正の分散パラメータを有するファイバを正分散ファイバ、負の分散パラメータを有するファイバを負分散ファイバと呼ぶ。
【００１８】
負分散ファイバ１０４は、正分散ファイバと比較してコア直径が小さく、ＭＦＡ（Ｍｏｄｅ  Ｆｉｅｌｄ  Ａｒｅａ）が小さい。典型的には、正分散ファイバのＭＦＡは１００μｍ２程度、負分散ファイバは１０μｍ２以下であり、正分散ファイバが負分散ファイバの数十倍のＭＦＡである。そのため、負分散ファイバ１０４における光密度は高くなる。そのため、負分散ファイバ１０４を伝搬する光は非線形光学効果の影響を受けやすい。すなわち、第２のファイバ１０５としての正分散ファイバにおける非線形光学効果を低減するよりも、負分散ファイバ１０４における非線形光学効果を低減する方が、レーザ１０２の効率的な伝送のために重要である。そこで、媒質１０３を介して光源１０１からのレーザ１０２を負分散ファイバ１０４に入射することにより、レーザ１０２のパルス幅を広げてピークパワーを低減する。
【００１９】
本実施形態では、波長１．５５μｍにおける分散パラメータが−７５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、分散スロープが−０．７５ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ、モードフィールド径が３μｍ、非線形定数が０．０４２９（／ｍ／Ｗ）のフォトニック結晶ファイバを負分散ファイバ１０４として用いる。材料としては、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を用いる。負分散ファイバ１０４はこれに限らず、負の分散と負の分散スロープを有するステップインデックス型ファイバ、又はフォトニック結晶ファイバ等を用いてもよい。
【００２０】
上述したように、負分散ファイバ１０４を伝搬する光は非線形光学効果の影響を受けやすい。そのため、媒質１０３を伝搬するレーザ１０２の光軸方向における媒質１０３の厚さは、媒質１０３を透過したレーザ１０２のピークパワーを十分低下させる程度に厚い必要がある。本実施形態では、媒質１０３の厚さを１０ｍｍとする。
【００２１】
第２のファイバ１０５は、レーザ１０２に含まれる波長帯の一部又は全部において、正の分散パラメータを有する正分散ファイバである。また、第２のファイバ１０５は、レーザ１０２に含まれる波長帯の一部又は全部において、正の分散スロープを有するシングルモードファイバである。以降の説明では、第２のファイバ１０５を「正分散ファイバ１０５」と呼ぶ。なお、正分散ファイバ１０５は、レーザ１０２に含まれる全ての波長帯において、分散パラメータが正、分散スロープが正となることが望ましい。正分散ファイバ１０５は、具体的には、石英ファイバやフォトニック結晶ファイバなどを利用できる。負分散ファイバ１０４を伝搬して射出したレーザ１０２は、正分散ファイバ１０５に入射する。ロバスト性を上げるために、負分散ファイバ１０４と正分散ファイバ１０５とを融着させて用いることが望ましい。
【００２２】
本実施形態では、正分散ファイバ１０５として、シングルモードファイバであるコーニング社のＳＭＦ−２８を用いる。すなわち、正分散ファイバ１０５は、波長１．５５μｍにおける分散パラメータが１７．４１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、分散スロープが０．０５８４ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ、モードフィールド径が１０μｍ、非線形定数が０．００１４３（／ｍ／Ｗ）の光ファイバである。負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５は、それぞれ偏波保持ファイバを用いることが望ましい。
【００２３】
負分散ファイバ１０４は、負の分散パラメータを有するため、負分散ファイバ１０４に入射したレーザ１０２は、負分散ファイバ１０４を伝搬するに従いパルス幅が大きくなり、ピークパワーが小さくなる。つまり、負分散ファイバ１０４の入射位置でピークパワーが十分小さければ、負分散ファイバ１０４内のすべての位置においてレーザ１０２のピークパワーは十分小さい。その後、レーザ１０２は、正分散ファイバ１０５に入射して、正分散ファイバ１０５の射出端では分散が補償されてピークパワーが大きくなる。
【００２４】
正分散ファイバ１０５から射出するレーザ１０２は、レーザ１０２が有する周波数領域において分散が補償されていることが望ましい。そのため、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５のそれぞれの群速度分散及び分散スロープの合計がゼロに近づくように、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５それぞれの長さを選択する。本実施形態では、媒質１０３の長さを１０ｍｍ、負分散ファイバ１０４の長さを１００ｍｍ、正分散ファイバ１０５の長さを９５０ｍｍとした。各構成要素の長さについては後述する。
【００２５】
正分散ファイバ１０５から射出したレーザ１０２は、光伝導素子１０６に照射される。光伝導素子１０６は、テラヘルツ波を発生又は検出する光学素子で、低温成長させたＧａＡｓ又はＩｎＧａＡｓ等を用いて構成される。光伝導素子１０６のレーザ１０２が照射される部分に反射防止膜を塗布してもよい。なお、伝送装置１００からのレーザ１０２が入射する物質は、光伝導素子１０６に限らない。
【００２６】
また、正分散ファイバ１０５を光伝導素子１０６に照射するために、正分散ファイバ１０５の光伝導素子１０６側の先端にセルフォック（登録商標）レンズ又はボールレンズ等を集積してもよい。また、正分散ファイバ１０５の光伝導素子１０６側の先端を加工したピッグテール型、又は先球ファイバ等を利用した正分散ファイバ１０５でもよい。正分散ファイバ１０５のモードフィールド径と、光伝導素子１０６が必要とするレーザのビーム径が同程度であれば、直接結合（バットカップリング）方式で正分散ファイバ１０５と光伝導素子１０６とを接続させてもよい。
【００２７】
ここからは、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５それぞれの、レーザ１０２の光軸方向における長さについて説明する。媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５のそれぞれの分散特性の簡略図を図３（ａ）に、それぞれの分散パラメータ及び分散スロープの符号を表１に示した。ここで、レーザ１０２の波長領域は、正分散ファイバ１０５のゼロ分散波長よりも長波長領域にある。
【００２８】
【表１】
2016173561.tif 000003
【００２９】
ある物質をレーザ１０２が伝搬した場合に、物質がレーザ１０２に与える分散の大きさは、分散パラメータ及び分散スロープで表すことができる。分散パラメータＤは（４）式、分散スロープＳは（５）式で与えられる。なお、レーザ１０２の波長をλ、光速度をｃ、レーザ１０２の波長における物質の屈折率をｎとする。
【００３０】
【数１】
2016173561.tif 000004
【００３１】
【数２】
2016173561.tif 000005
【００３２】
（４）式における屈折率ｎは、屈折率の波長依存性を表すセルマイヤー方程式（（６）式）から算出できる（Ｃ．Ｄ．Ｓａｌｚｂｅｒｇ  ａｎｄ  Ｊ．Ｊ．Ｖｉｌｌａ、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ、Ｖｏｌ．４７、ｐ．２４４、（１９５７））。
【００３３】
【数３】
2016173561.tif 000006
【００３４】
（４）〜（６）式より、分散パラメータＤ及び分散スロープＳを求めることができる。例えば媒質１０３であるシリコンは、波長λが１５５０ｎｍの場合の分散パラメータＤは−８７９．６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍで、分散スロープＳは１．９８３ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、１５５０ｎｍ帯において負の分散パラメータと正の分散スロープとを有する。
【００３５】
上述したように、負分散ファイバ１０４はＭＦＡが小さいため、負分散ファイバ１０４を伝搬するレーザ１０２は非線形光学効果によってパルス波形が変化することがある。そのため、正分散ファイバ１０５における分散を補償するために、負分散ファイバ１０４を用いるだけでは、非線形光学効果によるレーザ１０２のパルス波形の変化が発生してしまう。その結果、レーザ１０２の時間波形及びスペクトルの形状が変化する。伝送装置１００は、負分散ファイバ１０４における非線形光学効果の影響を低減するために、レーザ１０２を媒質１０３に入射してレーザ１０２のパルス幅を広げてピークパワーを低減している。
【００３６】
フーリエ限界に近いレーザ１０２がある物質を伝搬している場合、伝搬している物質の非線形光学効果によってレーザ１０２の時間波形及びスペクトルの形状への影響が顕著になり始める伝搬長ＬＮＬは（７）式で表される。伝搬している物質の非線形光学定数をγ、物質に入射した時のレーザ１０２のピークパワーをＰとする。
【００３７】
【数４】
2016173561.tif 000007
【００３８】
また、ある物質を伝搬するレーザ１０２が分散によりパルス幅が広がるのに要する伝搬長ＬＤは（８）式で表される。物質に入射する直前のレーザ１０２のパルス幅をＴ０、レーザ１０２が伝搬している物質の群速度分散をＧＶＤとする。
【００３９】
【数５】
2016173561.tif 000008
【００４０】
群速度分散ＧＶＤは、物質の分散パラメータＤを用いて（９）式で表される。
【００４１】
【数６】
2016173561.tif 000009
【００４２】
レーザ１０２がある物質を伝搬する伝搬長Ｌに対し、以下の（１０）式及び（１１）式を共に満たす時、非線形光学効果のパルス光への影響が無視できない。
【００４３】
【数７】
2016173561.tif 000010
【００４４】
【数８】
2016173561.tif 000011
【００４５】
ここで、本実施形態のレーザ１０２のパルス幅は３０ｆｓ、ピークパワーは４０ｋＷ、中心波長は１．５５μｍである。負分散ファイバ１０４の分散パラメータは−７５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ（群速度分散に換算して９６ｆｓ２／ｍｍ）、非線形光学定数は０．０４２９（／ｍ／Ｗ）とすると、ＬＤは４．７ｍｍ、ＬＮＬは１．１ｍｍである。よって、例えば長さ１０ｍｍの負分散ファイバ１０４を伝搬すると（１０）式と（１１）式とを同時に満たし、非線形光学効果の影響が現れる。
【００４６】
図４は、レーザ１０２が異なる長さの負分散ファイバ１０４を伝搬した場合のレーザ１０２のスペクトルの変化を示した図である。図４（ａ）は、レーザ１０２が負分散ファイバ１０４を１ｍｍ伝搬した場合のレーザ１０２のスペクトルを示した図である。図４（ｂ）は、レーザ１０２が負分散ファイバ１０４を５ｍｍ伝搬した場合のレーザ１０２のスペクトルを示した図である。図４（ｃ）は、レーザ１０２が負分散ファイバ１０４を１０ｍｍ伝搬した場合のレーザ１０２のスペクトルを示した図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）の直線で示したスペクトルが負分散ファイバ１０４伝搬後のレーザ１０２のスペクトルで、点線で示したスペクトルは光源１０１が出力したレーザ１０２のスペクトルである。
【００４７】
上述したように、負分散ファイバ１０４は非線形光学効果が大きいため、レーザ１０２に対する負分散ファイバ１０４の非線形光学効果の影響を低減させることを考える。レーザ１０２に対する負分散ファイバ１０４の非線形光学効果の影響を低減するためには、レーザ１０２を以下の（１）〜（３）式を満たすような媒質１０３を介して負分散ファイバ１０４に入射する。なお、レーザ１０２の光軸方向における媒質１０３の長さをＬ１、媒質１０３に入射する直前のレーザ１０２のパルス幅をＴ０、媒質１０３の１ｍｍ当たりの群速度分散をｂ２とする。また、媒質１０３を通過する直前のレーザ１０２のピークパワーをＰ０、媒質１０３を通過した直後のレーザ１０２のピークパワーをＰ１、媒質１０３の単位長さ当たりの群速度分散をｂｎｄとする。
【００４８】
【数９】
2016173561.tif 000012
【００４９】
【数１０】
2016173561.tif 000013
【００５０】
【数１１】
2016173561.tif 000014
【００５１】
媒質１０３を通過した後、長さ１００ｍｍの負分散ファイバ１０４を伝搬したレーザ１０２のスペクトルを計算で求めた結果を図５に示す。媒質１０３の厚さを２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍと変化させて算出したそれぞれのスペクトルを、図５（ａ）〜図５（ｄ）に示した。媒質１０３が厚くなるほど、負分散ファイバ１０４に入射するレーザ１０２のピークパワーが低下することによりＬＮＬが大きくなり、ＬＤ／ＬＮＬの値は小さくなる。媒質１０３の厚さを２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍと変化させた場合のＬＤ／ＬＮＬは、それぞれ２．３、１．６、０．９３、０．４６である。
【００５２】
ＬＤ＜ＬＮＬとなる場合、すなわち媒質１０３の厚さが５ｍｍ、１０ｍｍの場合、図５（ｃ）、図５（ｄ）で示したようにスペクトルの形状はほぼ変化しない。一方、ＬＤ＞ＬＮＬとなる場合、すなわち媒質１０３の厚さが２ｍｍ、３ｍｍの場合は、図５（ａ）、図５（ｂ）に示したようにスペクトルの形状に変化が見られる。これは、負分散ファイバ１０４の非線形光学効果に由来するもので、レーザ１０２の時間波形及びスペクトルの形状の崩れにつながる。
【００５３】
続いて、正分散ファイバ１０５の長さについて説明する。媒質１０３及び正分散ファイバ１０５は、それぞれ正の分散スロープを有し、負分散ファイバ１０４が負の分散スロープを有する。そのため、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５それぞれの長さを適切に設定することで、分散パラメータと分散スロープとを同時に補償することができる。
【００５４】
媒質１０３の長さＬ１、負分散ファイバ１０４の長さＬ２、正分散ファイバ１０５の長さＬ３は、それぞれの分散（Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３）及び分散スロープ（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を用いて算出することができる。つまり、（１２）式、（１３）式の連立線形方程式を解けば良く、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３の比を一意に定めることができる。
Ｄ１Ｌ１＋Ｄ２Ｌ２＋Ｄ３Ｌ３＝０      （１２）
Ｓ１Ｌ１＋Ｓ２Ｌ２＋Ｓ３Ｌ３＝０      （１３）
【００５５】
実際には、より高次の分散が存在するため、（１２）式、（１３）式から全ての波長において分散の和が０となるような設計をすることは容易ではない。そのため、レーザ１０２に含まれる周波数領域（レーザ１０２の有するスペクトル領域）において、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５の合計分散量が十分小さくなるように、長さＬ１、Ｌ２、Ｌ３を微調整することが望ましい。
【００５６】
本明細書の「合計分散量が十分小さい」とは、レーザ１０２の有するスペクトル領域において、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５の合計分散量ｂ２ａｌｌがパルス幅Ｔ０より小さいことを言うと定義する。この関係は、（１４）式で表される。ここで、合計分散量とは、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５それぞれの分散の合計のことであり、（１２）式の左辺で表される。
【００５７】
【数１２】
2016173561.tif 000015
【００５８】
媒質１０３の分散特性及び正分散ファイバ１０５の分散特性は、使用する材料の分散特性でおおむね定まる。一方、負分散ファイバ１０４の分散特性は、断面構造設計に応じて変更できる。負分散ファイバ１０４が有するべき分散特性について説明するために、図３（ｂ）に媒質１０３と正分散ファイバ１０５の合計分散量を示した。媒質１０３と正分散ファイバ１０５の合計分散量が０となる波長λ０は、正分散ファイバ１０５のゼロ分散波長よりも長波長である。正分散ファイバ１０５のゼロ分散波長から波長λ０へ波長シフト量は媒質１０３の分散量によって変化する。
【００５９】
負分散ファイバ１０４が有するべき分散特性は、媒質１０３と正分散ファイバ１０５との合計分散量と符号が逆であればよい。つまり、媒質１０３の分散特性及び正分散ファイバ１０５の分散特性と長さとが決定していれば、ゼロ分散波長λ０と負の分散スロープとを有するように負分散ファイバ１０４を選択すればよい。ゼロ分散波長λ０は、負分散ファイバ１０４のコア径やファイバ断面形状を変えることで調整できる。分散スロープ量は負分散ファイバ１０４の長さを変えることで調整できる。より高次の分散を考慮して微調整が必要な場合もあるが、高次分散が比較的小さい場合は上述のように各構成の分散特性や長さを求めることができる。
【００６０】
なお、正分散ファイバ１０５を伝送した後のレーザ１０２は、高次の分散などにより複数のピークを有する可能性がある。レーザ１０２が同程度の大きさのピークを複数有する場合は、パルス幅が最適化されているとは言えない。そのため、レーザ１０２の主要ピークのパワーが、レーザ１０２全体のパワーの７割以上を占めることが望ましい。また、伝送装置１００を伝送した後のレーザ１０２の主要ピークのパワーは、光源１０１から出力された直後のレーザ１０２のピークパワーの７割以上であることが望ましい。
【００６１】
本実施形態では、媒質１０３の厚さを１０ｍｍとしている。この場合、光源１０１から出力されたレーザ１０２のパルス幅が３０ｆｓであったのに対し、媒質１０３から射出したレーザ１０２のパルス幅は８１３ｆｓとなる。この場合、（２）式から求められる伝搬長ＬＤは９．４２ｍｍ、（３）式から求められる伝搬長ＬＮＬは１５．７ｍｍとなり、（１）式を満たす。よって、本実施形態の伝送装置１００は、光ファイバによる非線形光学効果と分散の影響を低減して、レーザ１０２を効率よく伝送できる。
【００６２】
媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５それぞれの長さを微調整する場合、要求される長さの精度は、レーザ１０２のパルス幅に影響を与えない程度以下であることが望ましい。具体的には、光源１０１からのレーザ１０２のパルス幅をＴ０、正分散ファイバ６０５の単位長さ当たり群速度分散量をｂ２ｆｉｂｅｒとすると、正分散ファイバ６０５の長さに要求される調整精度ΔＬｆｉｂｅｒは、（１５）式を満たすことが望ましい。
【００６３】
【数１３】
2016173561.tif 000016
【００６４】
群速度分散量ｂ２ｆｉｂｅｒは−２２．１ｆｓ２／ｍｍ、パルス幅Ｔ０は３０ｆｓであるため、（１５）式より、ΔＬｆｉｂｅｒ＜４０ｍｍとなる。本実施形態では、より精密に最適値を求めるため、ファイバ長を１０ｍｍずつ変化させながら合計分散量が最小となる組合せを探索した。媒質１０３と、負分散ファイバ１０４の長さの調整精度も同様にして求めることができる。光学系を構築する際には負分散ファイバ１０４、正分散ファイバ１０５の個体差により、カットバック法などによる長さの最適化が必要となる。その際に要求される負分散ファイバ１０４、正分散ファイバ１０５のそれぞれの長さの精度は、（１５）式で求められる精度と同じである。「カットバック法」とは、ファイバを少しずつ切断して短くしながら特性等を調べることにより、最適なファイバの長さを求める方法である。
【００６５】
以上のように媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５のそれぞれの長さを設定した場合の伝送装置１００の分散特性について図６を参照して説明する。媒質１０３と、負分散ファイバ１０４と、正分散ファイバ１０５のそれぞれが有する分散特性を図６（ａ）〜図６（ｃ）に示した。また、上述のように媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５それぞれの長さを設定した伝送装置１００における合計分散量を図６（ｄ）に示した。図６（ｄ）の破線は、（６）式を用いて求めた群速度分散Ｔ０２＝−９００ｆｓ２を示す線である。レーザ１０２が有する波長帯域であるおよそ１４５０ｎｍから１６５０ｎｍの範囲において、（１４）式が満たされており、分散補償が行われていることが分かる。
【００６６】
媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５を通過したレーザ１０２の時間波形及びスペクトルを計算によって取得した結果を図７に示した。図７（ａ）はレーザ１０２の時間波形で、図７（ｂ）は時間波形をフーリエ変換した取得した横軸を周波数とする強度スペクトルである。図７（ａ）、図７（ｂ）において、点線は媒質１０３に入射する前のレーザ１０２（入射光）のもので、実線は正分散ファイバ１０５から射出したレーザ１０２（射出光）のものである。
【００６７】
時間波形は、ｓｐｌｉｔ−ｓｔｅｐ  Ｆｏｕｒｉｅｒ法（Ｇｏｖｉｎｄ  Ｐ．Ａｇｒａｗａｌ、Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｆｉｂｅｒ  Ｏｐｔｉｃｓ  ｔｈｉｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓを参照）と呼ばれる数値計算手法を用いて求めた。レーザ１０２の時間発展（時間の経過に伴うレーザ１０２の物理量の変化）を記述する微分方程式として、以下の（１６）式〜（１８）式を用いた。なお、レーザ１０２の波長をλ、レーザ１０２の電場の包絡線をＡ（ｚ，ｔ）、レーザ１０２が伝搬する物質の２次の群速度分散をβ２、レーザ１０２が伝搬する物質の３次の群速度分散をβ３とする。また、レーザ１０２が伝搬する物質の非線形係数をγ、レーザ１０２が伝搬する物質の分散パラメータをＤとする。
【００６８】
【数１４】
2016173561.tif 000017
【００６９】
【数１５】
2016173561.tif 000018
【００７０】
【数１６】
2016173561.tif 000019
【００７１】
図７（ａ）、図７（ｂ）のどちらにおいても、媒質１０３を通過したことによりレーザ１０２のピークパワーが低減したことにより、時間波形及びスペクトルの形状に大きな崩れは見られなかった。また、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５の長さを調整して分散パラメータと分散スロープとを補償することにより、時間波形の形状は入射光とほぼ同じとなった。図７（ａ）に示した時間波形では、主要ピークの他に２つの小さなサイドピークが得られているが、入射光全体のパワーのうち主要ピークのパワーが占める割合は８２％であり、射出光を光伝導素子１０６への照射光として用いることができる。
【００７２】
以上、伝送装置１００の構成について説明した。本実施形態の伝送装置１００によれば、媒質１０３を介してレーザ１０２を負分散ファイバ１０４に入射することにより、非線形光学効果による影響をレーザ１０２のパルス波形に影響を与えない程度まで低減できる。また、媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５の長さを上述にように設定することにより、分散パラメータ及び分散スロープを補償できる。よって、伝送装置１００は、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減して、短パルス光を効率よく伝送できる。
【００７３】
（第２の実施形態）
本実施形態の伝送装置８００について図８を参照して説明する。図８は、伝送装置８００の構成を説明する図である。本実施形態では、光源１０１としてファイバレーザ８０１を用いており、ファイバレーザ８０１からのレーザ８０２の伝搬経路上にコリメートレンズ８１０と集光レンズ８１１とを含む光学部を配置している。その他の部分は第１の実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
【００７４】
コリメートレンズ８１０と、媒質１０３と、集光レンズ８１１と、は１つの筐体８５０内に固定して配置されて一体になっている。ファイバレーザ８０１の射出ファイバ端は筐体８５０に接続されており、ファイバレーザ８０１から射出したレーザ８０２は、コリメートレンズ８１０によって平行光になった後、媒質１０３としてのシリコン板を透過する。筐体８５０は負分散ファイバ１０４と接続されており、媒質１０３を透過したレーザ８０２は、集光レンズ８１１によって集光されて負分散ファイバ１０４のコアに入射する。
【００７５】
コリメートレンズ８１０と、媒質１０３と、集光レンズ８１１と、を機械的に一体な構成にすることにより、負分散ファイバ１０４に入射するレーザ８０２の結合効率を向上でき、また結合効率を長時間にわたり安定化できる。
【００７６】
コリメートレンズ８１０は、負分散ファイバ１０４との相対位置を、コリメートレンズ８１０を伝搬するレーザ８０２の光軸と垂直な平面方向について調整するための構成を有することが望ましい。集光レンズ８１１も同様に、負分散ファイバ１０４との相対位置を調整できる構成を有していることが望ましい。相対位置を調整する構成を有することにより、レーザ８０２の負分散ファイバ１０４への結合効率を最適化できる。
【００７７】
媒質１０３、負分散ファイバ１０４及び正分散ファイバ１０５それぞれの長さが第１の実施形態と同じなら、媒質１０３は厚さ１０ｍｍのシリコンであり、コリメートレンズ８１０から集光レンズ８１１までの距離は１０ｍｍ以上であればよい。媒質１０３としてのシリコンの分散パラメータの絶対値は、一般的な正分散ファイバの分散パラメータの絶対値よりも数十倍大きい。そのため、負分散ファイバ１０４の長さ及び正分散ファイバ１０５の長さと比較して、コンパクトな自由空間部を設計できる。
【００７８】
また、ファイバレーザ８０１から射出したレーザ８０２は、チャープを受けたパルス光であってもよい。例えば、媒質１０３が与える分散と同じチャープをファイバレーザ８０１が実現できるのであれば、媒質１０３は不要となる。この場合、ファイバレーザ８０１の射出ファイバと負分散ファイバ１０４とを直接融着させることで、パルス光を伝送する伝送装置を実現することができる。
【００７９】
以上、本実施形態の伝送装置８００によれば、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減して、短パルス光を効率よく伝送できる。
【００８０】
（第３の実施形態）
本実施形態の伝送装置９００について、図９（ａ）を参照して説明する。図９（ａ）は伝送装置９００の構成を説明する図である。第１の実施形態では、伝送装置１００からのレーザ（短パルス光）１０２は光伝導素子１０６に入射していたが、本実施形態では伝送装置１００からのレーザ１０２はテラヘルツ波発生用の非線形光学素子９０６（以下、「素子９０６」と呼ぶ）に入射される。伝送装置９００は、負分散媒質９０３（以下、「媒質９０３」と呼ぶ）と、第１のファイバ（負分散ファイバ）９０４と、第２のファイバ（正分散ファイバ）９０５と、を有する。第１の実施形態と同様の構成については、詳細な説明を省略する。
【００８１】
図９（ｂ）は、素子９０６の構成を説明する図である。素子９０６は、非線形結晶（非線形光学結晶）をコア層とする導波路９０７と、結合部材９０８と、を有する。結合部材９０８は、平面と円錐の曲面とを有するシリコンである。結合部材９０８は、結合部材９０８の平面部分が導波路９０７と近接するように配置されている。円錐の回転軸は、導波路９０７のコア層の中心軸と一致するように構成している。円錐の高さは導波路９０７の長さと同程度である。
【００８２】
導波路９０７中の非線形結晶にレーザ９０２が伝搬すると、２次の非線形光学効果である光整流効果によってテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は導波路９０７から発せられ、導波路９０７と近接している結合部材９０８内を伝搬して円錐側面から射出する。この現象は、電気光学的チェレンコフ放射と呼ばれ、導波路９０７における非線形学結晶の断面積が小さいために、高い光密度を得ることができ、大きな非線形光学効果を用いた高強度テラヘルツ波発生方法として知られている。詳細は、ＩＥＥＥ  Ｓｅｌｅｃｔ．Ｔｏｐｉｃ．Ｉｎ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、Ｖｏｌ．１９、ｐ．８５００２１２、（２０１３）を参照するとよい。
【００８３】
正分散ファイバ９０５から射出される光は、導波路９０７に入射する。典型的には、導波路９０７は、レーザ１０２がシングルモードで伝搬するように、コア部の直径（コア径）が１０μｍ程度の断面を有するように設計されている。非線形結晶としてはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）が用いられている。非線形結晶としてＬｉＴａＯｘ、ＮａＴａＯｘ、ＫＴＰ、ＺｎＴｅ、ＧａＳｅ、ＧａＡｓなどを用いてもよい。
【００８４】
ＬｉＮｂＯ３は固有の分散特性を有しており、導波路９０７に入射したレーザ１０２は、導波路９０７を伝搬している間にパルス幅が広がってしまう。電気光学的チェレンコフ放射は、２次の非線形光学効果を利用しているため、パルス幅の広がりに伴うピークパワーの減少は、発生するテラヘルツ波の強度低下をもたらす。発生するテラヘルツ波の強度を大きくするために、導波路９０７の中央部（導波路９０７の入射端から５ｍｍの位置）でレーザ１０２のパルス幅が最短になるように、媒質９０３、負分散ファイバ９０４及び正分散ファイバ９０５の長さを選ぶことが望ましい。
【００８５】
媒質９０３、負分散ファイバ９０４及び正分散ファイバ９０５のそれぞれは、第１の実施形態と同様の材料のものを用いる。そのため、媒質９０３と、負分散ファイバ９０４と、正分散ファイバ９０５それぞれの長さは、第１の実施形態と異なる長さにする必要がある。
【００８６】
ＬｉＮｂＯ３の分散特性は、セルマイヤー方程式を用いて求めることができ、波長１５５０ｎｍにおいて分散パラメータが７８．３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、分散スロープが０．３０５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。媒質９０３、負分散ファイバ９０４及び正分散ファイバ９０５の長さを、それぞれ１０ｍｍ、５０ｍｍ、９７０ｍｍとした時、長さ５ｍｍのニオブ酸リチウムも含めた分散の合計を図１０に示した。図１０に示したように、レーザ１０２が有するスペクトル帯域全体に渡って分散が補償されていることを示している。
【００８７】
よって、本実施形態の伝送装置９００によれば、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減して、短パルス光を効率よく伝送できる。
【００８８】
（第４の実施形態）
本実施形態の測定装置（情報取得装置）１１００について図１１を参照して説明する。図１１は、測定装置１１００の構成を説明する図である。測定装置１１００は、被検体１１１２で反射したテラヘルツ波パルス（以下、「テラヘルツ波」と呼ぶ）の時間波形を取得する測定装置である。測定装置１１００は、テラヘルツ時間領域分光法（ＴＨｚ−ＴＤＳ法：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）の原理を用いて測定を行う。
【００８９】
測定装置１１００は、光源１１０１、ビームスプリッタ１１０２、遅延光学部１１０４、検出部１１０７、発生部１１１１、増幅部１１１３、出力部１１１４、第２の伝送装置１１５０、第１の伝送装置１１５１、及び照射部１１５３を有する。光源１１０１からの短パルス光は、ビームスプリッタ１１０２で発生部１１１１に入射するポンプ光と検出部１１０７に入射するプローブ光とに分岐される。
【００９０】
第１の伝送装置１１５１は、ポンプ光を発生部１１１１に伝送する第１の伝送部で、第１の負分散媒質１１０８（以下、「第１の媒質１１０８」と呼ぶ）と、第１の負分散ファイバ１１０９と、第１の正分散ファイバ１１１０と、を有する。第２の伝送装置１１５０は、プローブ光を検出部１１０７に伝送する第２の伝送部で、第２の負分散媒質１１０３（以下、「第２の媒質１１０３」と呼ぶ）と、第２の負分散ファイバ１１０５と、第２の正分散ファイバ１１０６と、を有する。第１の媒質１１０８、第２の媒質１１０３、第１の負分散ファイバ１１０９、第２の負分散ファイバ１１０５、第１の正分散ファイバ１１１０及び第２の正分散ファイバ１１０６のそれぞれは、第１の実施形態の対応する構成と同様の特性を有する。また、各構成は、第１の実施形態の記載の方法でそれぞれの長さが設定される。
【００９１】
第２の媒質１１０３と第１の媒質１１０８との長さが同じ場合は、第２の媒質１１０３と第１の媒質１１０８とを取り除き、光源１１０１とビームスプリッタ１１０２との間に媒質を１つ配置する構成でもよい。
【００９２】
発生部１１１１としての光伝導素子には、不図示の電圧源が出力する電圧信号が印加される。第１の正分散ファイバ１１１０からポンプ光が発生部１１１１に照射されると、テラヘルツ波が発生する。発生部１１１１は、光が入射することによりテラヘルツ波を発生するもので、本実施形態では光伝導素子を用いる。なお、発生部１１１１は、これに限らず、第３の実施形態の素子９０６のような非線形結晶を用いたテラヘルツ波発生素子等、既知のものを利用できる。発生部１１１１で発生したテラヘルツ波は、被検体１１１２に照射され、被検体１１１２で反射したテラヘルツ波が検出部１１０７に到達する。
【００９３】
検出部１１０７は、第２の正分散ファイバ１１０６から射出したプローブ光を用いてテラヘルツ波を検出する。本実施形態では、検出部１１０７として光伝導素子を用いる。テラヘルツ波が検出部１１０７に入射している時にプローブ光が検出部１１０７に入射すると、テラヘルツ波を検出した信号として電流が得られる。得られた電流は増幅器１１１３によって電圧信号へと変換され、出力部１１１４に送られる。
【００９４】
発生部１１１１に印加する電圧信号を交流とすることで、発生部１１１１で発生したテラヘルツ波に強度変調をかけ、検出部１１０７の検出信号をロックイン検出してもよい。また、テラヘルツ波の強度変調手段として、第１の負分散ファイバ１１０９に入射する前にチョッパーを用いてポンプ光を変調してもよい。
【００９５】
遅延光学部１１０４は、ポンプ光の光路長とプローブ光の光路長との光路長差を変更して、検出部１１０７にテラヘルツ波が入射する間隔（遅延時間）を光学的に調整する部分である。遅延時間を変更しながら検出部１１０７で検出されるテラヘルツ波を測定することにより、ＴＨｚ−ＴＤＳ法を用いた時間波形の測定が行われる。出力部１１１４によって遅延光学部１１０４を制御することで遅延時間を変化させ、遅延間隔毎に検出部１１０７から得られるテラヘルツ波の信号をプロットすることで、テラヘルツ波の時間波形を取得できる。
【００９６】
本実施形態の測定装置１１００は、被検体１１１２で反射したテラヘルツ波を検出しているが、被検体１１１２を透過したテラヘルツ波を検出する形態としてもよい。
【００９７】
また、テラヘルツ波の平行伝搬領域と垂直な方向に被検体１１１２を移動するためのステージを設け、被検体１１１２を適切な時間間隔で動かし、テラヘルツ波が被検体１１１２上に照射される位置（照射位置）を変更できる構成としてもよい。なお、「テラヘルツ波の平行伝搬領域」とは、波動光学的には、照射部１１５３で被検体１１１２に向けて集光されたテラヘルツ波の焦点深度のことであると定義する。「焦点深度」は、照射部１１５３がレーザのビーム径を絞った場合に、最も小さいビーム径をｗとすると、入力パルス１１４のビーム径がｗ×√２以下になる範囲と定義する。
【００９８】
このような構成にすることにより、各照射位置で取得した時間波形をそれぞれ解析した結果を用いて、被検体１１１２の画像を取得するイメージングを行うこともできる。具体的には、テラヘルツ波の照射位置毎に取得されたテラヘルツ波の時間波形のデータを用い、各時間波形の形状やピーク値、フーリエ変換によって得られる振幅スペクトルや位相スペクトル、複素屈折率などの情報をもとに、イメージング像を得ることができる。
【００９９】
本実施形態の測定装置１１００は、ポンプ光及びにプローブ光を光ファイバで伝送している。光ファイバの分散及び非線形光学効果による影響が大きいと、ポンプ光及びプローブ光のパルス幅の広がりとそれに伴うピークパワーの低下により、テラヘルツ波のスペクトルの狭帯域化やピークパワーの低下等という問題が生じる。第１の伝送装置１１５１及び第２の伝送装置１１５０を有することにより、光ファイバによるポンプ光及びにプローブ光の分散及び非線形光学効果による影響を低減して、ポンプ光及びにプローブ光を効率よく伝送できる。そのため、発生するテラヘルツ波のスペクトルの狭帯域化とピークパワーの低下を低減できる。
【０１００】
なお、本実施形態では第１の伝送部及び第２の伝送部のそれぞれに上述の実施形態の伝送装置を用いているが、どちらか一方に伝送装置を用いてもよい。また、異なる光源からのパルス光をそれぞれ伝送する構成にしてもよい。
【０１０１】
（第５の実施形態）
本実施形態の測定装置（情報取得装置）１２００について、図１２を参照して説明する。図１２は、測定装置１２００の構成を説明する図である。測定装置１２００は、被検体１２０７の画像を取得するイメージングシステムである。測定装置１２００は、光源１２０１、伝送装置１２５０、発生部１２０５、レンズ１２０６、１２０８、検出部１２０９、アンプ１２１０、制御部１２１１及び出力部１２１２を有する。
【０１０２】
発生部１２０５は、非線形結晶を用いてテラヘルツ波を発生する発生素子である。ここでは、発生部１２０５は、第３の実施形態で述べた素子９０６と同様の構成であり、伝送装置１２５０からの光が入射することによりテラヘルツ波（テラヘルツ波パルス）を発生し、電気光学的チェレンコフ放射によってテラヘルツ波を射出する。伝送装置１２５０としては、第３の実施形態の伝送装置９００を用いた。すなわち、伝送装置１２５０は、媒質９０３と、負分散ファイバ９０４及び正分散ファイバ９０５を有し、導波路９０７による分散を考慮して各構成の長さが設定されている。
【０１０３】
発生部１２０５からのテラヘルツ波は、照射部としてのレンズ１２０６で集光されて被検体１２０７に照射される。被検体１２０７を透過したテラヘルツ波は、レンズ１２０８を介して検出部１２０９に入射する。レンズ１２０６、１２０８は、テラヘルツ波を集光する光学系であるが、テラヘルツ波の空間的広がりや、検出部１２０９の大きさ等によって、さらに追加したり省いたりしてもよい。また、レンズ１２０６、１２０８の代わりに放物面鏡を用いる構成でもよい。
【０１０４】
検出部１２０９は被検体１４０７を透過したテラヘルツ波の平均出力を検出する。検出部１２０９としては、電子デバイスである、ショットキーバリアダイオード型、プラズモン型、ＦＥＴ型、または熱感熱式のパイロ型やボロメータ型などを用いることができる。本実施形態で得られるテラヘルツ波はサブピコ秒パルスであるため、検出部１２０９は、テラヘルツ波の時間波形を測定することはできない。テラヘルツ波パルスの繰り返し周波数は例えば８０ＭＨｚであり、検出部１２０９は、テラヘルツ波の強度の時間平均を測定する。
【０１０５】
時間平均を測定するためには、検出部１２０９の測定帯域がレーザ繰り返し周波数より例えば１／１０程度である１０ＭＨｚ以下と十分低い必要がある。そのため、検出部１２０９としてパイロ型検出器等の測定帯域が狭い検出器を用いる場合は、測定信号をそのまま使用し、ダイオード等を用いる場合は、積分器又は低周波透過フィルター等による帯域調整手段を検出器出力信号に対して設ける。
【０１０６】
検出部１２０９として複数の検出素子を２次元アレイに配置した検出器を用いて、テラヘルツ波の出力や散乱パターン等を測定してもよい。また、テラヘルツ波の後方散乱や反射を検出できるように別の検出部１２１３を用いてもよい。ＳＮ比を向上させるために、制御部１２１１から光源１２０１に命令信号を送ることで出力光に強度変調をかけたり、空間光学部にチョッパーを用いたりすることでテラヘルツ波に強度変調をかけてロックイン検出する構成にしてもよい。
【０１０７】
検出部１２０９の検出結果は、アンプ１２１０で増幅された後、制御部１２１１を介して出力部１２１２に送られる。制御部１２１１は、測定装置１２００の各構成を制御する。出力部１２１２は、検出部１２０９の検出結果を用いてテラヘルツ波の時間波形を取得したり、取得した時間波形を解析して被検体１２０７の情報を取得したりする。また、取得した被検体１２０７の情報を用いて被検体１２０７の画像を取得する。
【０１０８】
なお、本実施形態では、被検体１２０７の位置を固定しているが、被検体１２０７を移動させるステージ又はベルトコンベア等の移動手段を設けてもよい。被検体１２０７にテラヘルツ波が照射される位置と検出部１２０９の検出結果である出力信号の組合せから１次元イメージングや、２次元イメージング像を得ることができる。
【０１０９】
本実施形態の測定装置１２００は、伝送装置１２５０を用いて光を光ファイバで伝送している。光ファイバの分散及び非線形光学効果による影響が大きいと、ポンプ光及びプローブ光のパルス幅の広がりとそれに伴うピークパワーの低下により、テラヘルツ波のスペクトルの狭帯域化及びピークパワーの低下が起こることがある。伝送装置１２５０を有することにより、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減して、光を効率よく伝送できる。そのため、発生するテラヘルツ波のスペクトルの狭帯域化とピークパワーの低下を低減できる。
【０１１０】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、上記の実施形態だけでなく、変更を行うことで短パルスレーザー光の光ファイバ伝送を用いる様々な用途に適用可能である。テラヘルツ波発生以外の適用範囲例として、顕微鏡、医療機器、パルス加工装置などが挙げられる。また、上述の各実施形態に記載の伝送装置と、テラヘルツ波等の電磁波を発生又は検出する素子と、を接続してモジュール化された発生装置又は検出装置等の装置にも応用できる。なお、電磁波を発生又は検出する素子には、非線形結晶を含み電気光学的チェレンコフ放射を用いた素子、又は光伝導素子等のように、パルス光が入射することにより電磁波を発生する既知の素子を利用できる。
【０１１１】
また、上述の各実施形態において、第１のファイバ及び第２のファイバ等の光ファイバを用いているが、これらの光ファイバは、コア部とクラッド部とを有する構成でなくてもよい。例えば、クラッド部を設けず、光の伝搬方向と垂直な面内に屈折率分布を持たせて光を閉じ込めて導光する光導波路部材も、各実施形態の第１のファイバ、第２のファイバに含む。その場合、光ファイバのコア部とは、光導波路部材の中央部に存在し、周辺部の屈折率よりも高い部分のことを言う。
【符号の説明】
【０１１２】
１００  伝送装置
１０３  負分散媒質
１０４  第１のファイバ（負分散ファイバ）
１０５  第２のファイバ（正分散ファイバ）
【図１】
2016173561.tif 000023
【図２】
2016173561.tif 000024
【図３】
2016173561.tif 000025
【図４】
2016173561.tif 000026
【図５】
2016173561.tif 000027
【図６】
2016173561.tif 000028
【図７】
2016173561.tif 000029
【図８】
2016173561.tif 000030
【図９】
2016173561.tif 000031
【図１０】
2016173561.tif 000032
【図１１】
2016173561.tif 000033
【図１２】
2016173561.tif 000034