(57)【要約】【課題】高いスペクトル圧縮率を実現することができるスペクトル圧縮装置を提供する。【解決手段】スペクトル圧縮装置１００は、第１分散光信号１１が有する第１中心周波数と異なる第２中心周波数を有する第２光信号２０に、第１分散光信号１１が有する第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の第２波長分散を与えることにより、第２分散光信号２１を出力する第２波長分散部１０２と、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号３０を出力する四光波混合部１０３と、を備える。【選択図】図１
2016090944.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１分散光信号が有する第１中心周波数と異なる第２中心周波数を有する光信号に、前記第１分散光信号が有する第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の波長分散を与えることにより、第２分散光信号を出力する波長分散部と、
前記第１分散光信号および前記第２分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合部と、を備える
スペクトル圧縮装置。
【請求項２】
前記スペクトル圧縮装置は、さらに、
前記第１中心周波数を有する第１光信号に、前記第１分散量の波長分散を与えることにより、前記第１分散光信号を出力する第１波長分散部を備える
請求項１に記載のスペクトル圧縮装置。
【請求項３】
ポンプ光およびストークス光を試料に照射し、前記試料から非線形光学現象によって生じる出力光を検出する非線形光学顕微鏡であって、
請求項１に記載のスペクトル圧縮装置を備え、
前記スペクトル圧縮装置は、前記ポンプ光または前記出力光のスペクトル圧縮に用いられる
非線形光学顕微鏡。
【請求項４】
アナログ光信号をデジタル信号に変換する光アナログ／デジタル変換システムであって、
前記アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の第１光信号に変換する変換部と、
前記第１光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置と、
前記スペクトル圧縮装置から出力されるスペクトル圧縮された光信号の波長を測定することにより、前記アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する測定部とを備え、
前記スペクトル圧縮装置は、
前記第１光信号に第１分散量の第１波長分散を与えることにより、第１分散光信号を出力する第１波長分散部と、
前記第１光信号が有する第１中心周波数と異なる第２中心周波数を有する第２光信号に、前記第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の第２波長分散を与えることにより、第２分散光信号を出力する第２波長分散部と、
前記第１分散光信号および前記第２分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合部と、を備える
光アナログ／デジタル変換システム。
【請求項５】
第１分散光信号が有する第１中心周波数と異なる第２中心周波数を有する光信号に、前記第１分散光信号が有する第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の波長分散を与えることにより、第２分散光信号を出力する波長分散ステップと、
前記第１分散光信号および前記第２分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合ステップと、を含む
スペクトル圧縮方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置、そのようなスペクトル圧縮装置を備える、非線形光学顕微鏡および光アナログ／デジタル変換システム、ならびに、スペクトル圧縮方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光信号を利用する様々な技術分野（例えば、光ＯＦＤＭ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）、光アナログ／デジタル変換、非線形光学顕微鏡など）において、光信号のスペクトル圧縮技術が利用されている。例えば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱（ＣＡＲＳ）顕微鏡では、ＣＡＲＳ光のスペクトル分解能を高めるために、ポンプ光のスペクトル圧縮を行う（例えば、非特許文献１を参照）。非特許文献１では、スペクトル圧縮に、自己位相変調が利用されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】夛田量宏、唐沢直樹、「ＣＡＲＳ分光のためのＰＣＦを用いた単一ビーム光源の実験と解析」、電子情報通信学会技術研究報告、ＯＰＥ、光エレクトロニクス、ｖｏｌ．１１１、Ｎｏ．１８５、ｐｐ．７−１０、２０１１年８月
【非特許文献２】Ｔ．Ｋｏｎｉｓｈｉ、ｅｔ  ａｌ．、「Ａｌｌ−ｏｐｔｉｃａｌ  ａｎａｌｏｇ−ｔｏ−ｄｉｇｉｔａｌ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ  ｂｙ  ｕｓｅ  ｏｆ  ｓｅｌｆ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｓｈｉｆｔｉｎｇ  ｉｎ  ｆｉｂｅｒ  ａｎｄ  ａ  ｐｕｌｓｅ−ｓｈａｐｉｎｇ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ」、ＪＯＳＡ  Ｂ、ｖｏｌ．１９、Ｉｓｓｕｅ  １１、ｐｐ．２８１７−２８２３、２００２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、非特許文献１のように自己位相変調を利用してスペクトル圧縮を行う場合、スペクトル圧縮は、自己位相変調を発生させる光学デバイスの物理的特性に依存する。つまり、光学デバイスの自己位相変調に関する特性の物理的限界によってスペクトル圧縮率が制限される。
【０００５】
そこで、本発明は、高いスペクトル圧縮率を実現することができるスペクトル圧縮装置等を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様に係るスペクトル圧縮装置は、第１分散光信号が有する第１中心周波数と異なる第２中心周波数を有する光信号に、前記第１分散光信号が有する第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の波長分散を与えることにより、第２分散光信号を出力する波長分散部と、前記第１分散光信号および前記第２分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合部と、を備える。
【０００７】
この構成によれば、第１分散量を有する第１分散光信号と第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の第２波長分散が与えられた第２分散光信号とを同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることができる。したがって、四光波混合によって生成されるアイドラ光の狭帯域化を実現することができ、スペクトル圧縮された光信号を出力することができる。つまり、四光波混合によって容易に高いスペクトル圧縮率を実現することができる。
【０００８】
例えば、前記スペクトル圧縮装置は、さらに、前記第１中心周波数を有する第１光信号に、前記第１分散量の波長分散を与えることにより、前記第１分散光信号を出力する第１波長分散部を備えてもよい。
【０００９】
この構成によれば、第１分散量の第１波長分散を第１光信号に与えることで第１分散光信号を出力することができる。したがって、入力光信号（第１光信号）が適切な分散量を有していない場合であっても、入力光信号のスペクトル圧縮を実現することができ、汎用性を高めることができる。
【００１０】
本発明の一態様に係る非線形光学顕微鏡は、ポンプ光およびストークス光を試料に照射し、前記試料から非線形光学現象によって生じる出力光を検出する非線形光学顕微鏡であって、上記のスペクトル圧縮装置を備え、前記スペクトル圧縮装置は、前記ポンプ光または前記出力光のスペクトル圧縮に用いられる。
【００１１】
この構成によれば、スペクトル圧縮装置から出力されるスペクトル圧縮された光信号をポンプ光として用いることができる。または、試料から生じる出力光のスペクトル圧縮を行うことができる。したがって、試料から生じる出力光のスペクトル分解能を向上させることができる。
【００１２】
本発明の一態様に係る光アナログ／デジタル変換システムは、アナログ光信号をデジタル信号に変換する光アナログ／デジタル変換システムであって、前記アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の第１光信号に変換する変換部と、前記第１光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置と、前記スペクトル圧縮装置から出力されるスペクトル圧縮された光信号の波長を測定することにより、前記アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する測定部とを備え、前記スペクトル圧縮装置は、前記第１光信号に第１分散量の第１波長分散を与えることにより、第１分散光信号を出力する第１波長分散部と、前記第１光信号が有する第１中心周波数と異なる第２中心周波数を有する第２光信号に、前記第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の第２波長分散を与えることにより、第２分散光信号を出力する第２波長分散部と、前記第１分散光信号および前記第２分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合部と、を備える。
【００１３】
この構成によれば、スペクトル圧縮装置を利用して、アナログ光信号の信号強度に対応する波長を有する第１光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる。したがって、光アナログ／デジタル変換における解像度を向上させることができる。
【００１４】
なお、本発明は、このような特徴的な構成要素を備えるスペクトル圧縮装置、非線形光学顕微鏡および光アナログ／デジタル変換システムとして実現することができるだけでなく、例えばスペクトル圧縮装置に含まれる特徴的な構成要素が実行する処理をステップとするスペクトル圧縮方法として実現することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様に係るスペクトル圧縮装置等は、光信号のスペクトル圧縮率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置の構成図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮方法を示すフローチャートである。
【図３】図３は、実施の形態１に係る四光波混合を説明するためのグラフである。
【図４】図４は、実施の形態１に係るシミュレーション結果を示すグラフである。
【図５】図５は、実施の形態１に係るシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】図６は、実施の形態２に係る光アナログ／デジタル変換システムの構成図である。
【図７】図７は、実施の形態３に係る非線形光学顕微鏡の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。
【００１８】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００１９】
また、以下では、光信号がパルス光である場合について説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
［スペクトル圧縮装置の構成］
図１は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置１００の構成図である。スペクトル圧縮装置１００は、光信号のスペクトル圧縮を行う。図１に示すように、スペクトル圧縮装置１００は、第１波長分散部１０１と、第２波長分散部１０２と、四光波混合部１０３とを備える。
【００２１】
第１波長分散部１０１は、第１光信号１０に第１分散量の第１波長分散を与えることにより、第１分散光信号１１を出力する。第１分散光信号１１は、チャープされた光信号である。
【００２２】
本実施の形態では、第１波長分散部１０１は、第１光伝送媒体（例えば第１光ファイバ）である。第１光信号１０は、第１光伝送媒体内を伝搬する。第１光伝送媒体内を伝搬することにより、第１光信号１０に第１波長分散が与えられ、その結果、第１分散光信号１１が出力される。
【００２３】
第２波長分散部１０２は、第１光信号１０の第１中心周波数（つまり第１分散光信号１１の中心周波数）と異なる第２中心周波数を有する第２光信号２０に、第２分散量の第２波長分散を与えることにより、第２分散光信号２１を出力する。第２分散光信号２１は、チャープされた光信号である。
【００２４】
本実施の形態では、第２波長分散部１０２は、第２光伝送媒体（例えば第２光ファイバ）である。第２光信号２０は、第２光伝送媒体内を伝搬する。第２光伝送媒体内を伝搬することにより、第２光信号２０に第２波長分散が与えられ、その結果、第２分散光信号２１が出力される。
【００２５】
ここで、第２分散量は、第１分散量の２倍または２分の１である。なお、本説明において、「２倍」および「２分の１」とは、厳密な２倍および２分の１に加えて、実質的な２倍および２分の１も含む。つまり、「２倍」および「２分の１」は、「略２倍」および「略２分の１」を意味する。
【００２６】
四光波混合部１０３は、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号３０を出力する。つまり、四光波混合部１０３は、第１分散信号１１のパルス幅の中心と第２分散光信号２１のパルス幅の中心とを略一致させた状態で第１分散信号１１および第２分散光信号２１を用いて四光波混合を生じさせる。その結果、スペクトル圧縮された光信号３０が出力される。
【００２７】
四光波混合とは、非線形光学現象である。四光波混合では、異なる周波数または波長を有する２以上の光が非線形光学効果を有する光伝送媒体に入力された場合に、別の周波数または波長を有する光（アイドラ光という）が生成される。
【００２８】
本実施の形態では、四光波混合によって、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１の各々の中心周波数とは異なる中心周波数を有する２つのアイドラ光が生成される。２つのアイドラ光の第３中心周波数ω3および第４中心周波数ω4は、第１分散光信号１１の第１中心周波数ω1（第１光信号１０の中心周波数と同じ）および第２分散光信号２１の第２中心周波数ω2（第２光信号２０の中心周波数と同じ）を用いて、以下の式（１）で表される。
【数１】
2016090944.tif 000003
【００２９】
ここでは、第３中心周波数ω3を有するアイドラ光を第１アイドラ光と呼び、第４中心周波数ω4を有するアイドラ光を第２アイドラ光と呼ぶ。このとき、第１アイドラ光および第２アイドラ光の一方は、スペクトル圧縮された光信号３０に相当する。
【００３０】
スペクトル圧縮とは、光信号の帯域幅（スペクトル幅）を狭くすることを意味する。つまり、スペクトル圧縮とは、狭帯域化を意味する。帯域幅（スペクトル幅）とは、例えば、スペクトルの強度が、ピーク強度より小さい閾値強度（例えばピーク強度の半分の強度）以上である周波数または波長の範囲である。
【００３１】
四光波混合部１０３は、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１を用いた四光波混合によって生じた２つのアイドラ光のうちの一方を、第１光信号１０および第２光信号２０よりも帯域幅が狭いアイドラ光（スペクトル圧縮された光信号３０）として出力する。なお、アイドラ光におけるスペクトル圧縮の原理の詳細については後述する。
【００３２】
ここで、四光波混合部１０３の具体的な構成例について説明する。本実施の形態では、四光波混合部１０３は、非線形光伝送媒体１０４と、光バンドパスフィルタ１０５とを備える。
【００３３】
非線形光伝送媒体１０４は、非線形光学効果を有する光伝送媒体である。具体的には、非線形光伝送媒体１０４は、例えば、高非線形光ファイバ（ＨＮＬＦ）である。
【００３４】
第１波長分散部１０１および第２波長分散部１０２からそれぞれ出力された第１分散光信号１１および第２分散光信号２１は、同期して合波され、非線形光伝送媒体１０４に入力され、非線形光伝送媒体１０４内を伝搬する。非線形光伝送媒体１０４では、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１によって四光波混合が生じ、その結果、２つのアイドラ光を含む光信号が非線形光伝送媒体１０４から出力される。
【００３５】
光バンドパスフィルタ１０５は、非線形光伝送媒体１０４から出力された光信号から、スペクトル圧縮された光信号３０（第１アイドラ光および第２アイドラ光の一方）を抽出する。つまり、光バンドパスフィルタ１０５は、非線形光伝送媒体１０４から出力された光信号から、第１分散光信号１１、第２分散光信号２１、および不要なアイドラ光（第１アイドラ光および第２アイドラ光の他方）を除去する。
【００３６】
［スペクトル圧縮方法における処理］
次に、以上のように構成されたスペクトル圧縮装置１００における処理について説明する。図２は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮方法を示すフローチャートである。
【００３７】
まず、第１光信号１０に第１分散量の第１波長分散を与えることにより、第１分散光信号１１が出力される（Ｓ１０１）。続いて、第１光信号１０が有する第１中心周波数と異なる第２中心周波数を有する第２光信号２０に、第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の第２波長分散を与えることにより、第２分散光信号２１が出力される（Ｓ１０２）。最後に、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号３０が出力される（Ｓ１０３）。
【００３８】
［スペクトル圧縮の原理］
次に、本実施の形態におけるスペクトル圧縮の原理について説明する。ここでは、第１光信号１０および第２光信号２０がガウス型の光パルスである場合について説明する。
【００３９】
まず、ガウス型の光パルスの波長分散について説明する。
【００４０】
ガウス型の光パルスは、以下の式（２）で表される。
【数２】
2016090944.tif 000004
【００４１】
ここで、Ｅは光の電場成分を表し、Ｔは時間を表し、Ｔ0はパルス幅を表し、ωcは中心周波数を表す。
【００４２】
このガウス型の光パルスに波長分散が与えられた場合、分散光信号は以下の式（３）で表される。
【数３】
2016090944.tif 000005
【００４３】
ここで、ｚは伝搬距離を表し、β2は群速度分散（ＧＶＤ：Ｇｒｏｕｐ−Ｖｅｌｏｃｉｔｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）パラメータを表す。
【００４４】
このとき、分散光信号の瞬時周波数は、以下の式（４）で表される。
【数４】
2016090944.tif 000006
【００４５】
したがって、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１の各々の瞬時周波数は、以下の式（５）で表すことができる。
【数５】
2016090944.tif 000007
【００４６】
ここで、β21およびβ22は、それぞれ第１波長分散部１０１および第２波長分散部１０２におけるＧＶＤパラメータである。また、ω1およびω2は、それぞれ第１分散光信号１１の第１中心周波数および第２分散光信号２１の第２中心周波数である。また、Ｃ（β21）およびＣ（β22）は、第１分散量および第２分散量を表す。
【００４７】
次に、四光波混合について説明する。
【００４８】
第１分散光信号１１および第２分散光信号２１を同期させた状態で用いた四光波混合によって生成される第１アイドラ光および第２アイドラ光の瞬時周波数は、以下の式（６）で表される。
【数６】
2016090944.tif 000008
【００４９】
ここで、第２分散量は、第１分散量の２倍または２分の１であるので、以下の式（７）または式（８）が成り立つ。
【数７】
2016090944.tif 000009
【００５０】
したがって、第１アイドラ光または第２アイドラ光の瞬時周波数は、以下の式（９）または式（１０）で表される。
【数８】
2016090944.tif 000010
【００５１】
このように、第２分散量が第１分散量の２倍である場合、つまり、式（７）が満たされる場合には、式（９）で表されるように第１アイドラ光の瞬時周波数は一定となる。また、第２分散量が第１分散量の２分の１である場合、つまり、式（８）が満たされる場合には、式（１０）で表されるように第２アイドラ光の瞬時周波数は一定となる。すなわち、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１を同期させた状態で用いた四光波混合によって、スペクトル圧縮されたアイドラ光（第１アイドラ光または第２アイドラ光）が生成される。
【００５２】
図３は、実施の形態１に係る四光波混合を説明するためのグラフである。図３において、縦軸は周波数を示し、横軸は時間を示す。また、（ａ）は、第１光信号および第２光信号を用いた四光波混合を表し、（ｂ）は、第１分散光信号および第２分散光信号を用いた四光波混合を表す。なお、図３では、第２分散量が第１分散量の２倍である場合を示す。
【００５３】
（ａ）に示すように、第１光信号１０の波長時間分布３１ａおよび第２光信号２０の波長時間分布３２ａは、縦長の長円形状を有する。つまり、第１光信号１０および第２光信号２０の各々は、比較的狭い時間幅の中に比較的広い帯域幅の成分を含む。この場合、第１アイドラ光の波長時間分布３３ａおよび第２アイドラ光の波長時間分布３４ａも、第１光信号１０の波長時間分布３１ａおよび第２光信号２０の波長時間分布３２ａと同一の形状となる。
【００５４】
これに対して、（ｂ）に示すように、第１分散光信号１１の波長時間分布３１ｂおよび第２分散光信号２１の波長時間分布３２ｂは、傾斜した長円形状を有する。第２分散量が第１分散量の２倍であるので、第２分散光信号２１の波長時間分布３２ｂは、第１分散光信号１１の波長時間分布３１ｂよりも２倍傾いている。
【００５５】
この場合、第１アイドラ光の波長時間分布３３ｂは、式（９）からも明らかなように、横長の長円形状を有する。つまり、第１アイドラ光は、比較的広い時間幅の中に比較的狭い帯域幅の成分を含む。すなわち、第１アイドラ光の帯域幅は、第１分散光信号１１および第２分散光信号２１の各々の帯域幅よりも狭くなっている。なお、第２アイドラ光の波長時間分布３４ｂは、第２分散光信号２１の波長時間分布３２ｂと同様の形状となっている。
【００５６】
［シミュレーション結果］
次に、以上のようなスペクトル圧縮のシミュレーション結果について説明する。このシミュレーションの条件は、以下のとおりである。
【００５７】
第１光信号１０の中心波長は１５６０ｎｍであり、第２光信号２０の中心波長は１５５０ｎｍである。第１光信号１０および第２光信号２０のパルス幅は、ともに２．１ｐｓである。
【００５８】
また、第１光信号１０に第１波長分散を与えるための第１波長分散部１０１として、３０ｍの長さを有する第１分散補償光ファイバ（ＤＣＦ）が用いられる。この第１ＤＣＦの光学特性は、以下のとおりである。
非線形性（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ）：３．７  ／Ｗ／ｋｍ
分散（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）：−１０６  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ
分散勾配（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｓｌｏｐｅ）：０．０６  ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ
【００５９】
また、第２光信号２０に第２波長分散を与えるための第２波長分散部１０２として、３０ｍの長さを有する第２ＤＣＦが用いられる。この第２ＤＣＦの光学特性は、以下のとおりである。
非線形性（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ）：３．７  ／Ｗ／ｋｍ
分散（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）：−２１２  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ
分散勾配（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｓｌｏｐｅ）：０．０６  ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ
【００６０】
このように、第２波長分散部１０２における第２分散量は、第１波長分散部１０１における第１分散量の２倍である。
【００６１】
四光波混合部１０３としては、ＨＮＬＦが用いられる。このＨＮＬＦの光学特性は、以下のとおりである。
非線形性（Ｎｏｎｌｉｎｅａｒｉｔｙ）：６．２  ／Ｗ／ｋｍ
分散（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ）：０．３２５  ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ
分散勾配（Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ  ｓｌｏｐｅ）：０．０３１  ｐｓ／ｎｍ2／ｋｍ  
【００６２】
図４および図５は、実施の形態１に係るシミュレーション結果を示すグラフである。具体的には、図４は、ＨＮＬＦから出力された光信号のスペクトルを示す。また、図５は、第１光信号１０のスペクトル５１と、スペクトル圧縮された光信号３０のスペクトル５２とを示す。
【００６３】
図４に示すように、ＨＮＬＦから出力された光信号には、第１分散光信号１１（１５６０ｎｍ）および第２分散光信号２１（１５５０ｎｍ）に加えて、四光波混合によって生成された第１アイドラ光（１５７０ｎｍ）および第２アイドラ光（１５４０ｎｍ）が含まれる。このＨＮＬＦから出力された光信号から第１アイドラ光がスペクトル圧縮された光信号３０として抽出される。
【００６４】
このとき、図５から明らかなように、スペクトル圧縮された光信号３０（第１アイドラ光）のスペクトル５２の半値幅（０．４ｎｍ）は、第１光信号１０のスペクトル５１の半値幅（２．４ｎｍ）よりも狭くなっている。ここでは、スペクトルの幅は、６分の１まで圧縮されており、四光波混合によって高いスペクトル圧縮が実現されている。
【００６５】
［効果］
以上のように、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置によれば、第１分散量を有する第１分散光信号と第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量を有する第２分散光信号とを同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることができる。したがって、四光波混合によって生成されるアイドラ光の狭帯域化を実現することができ、スペクトル圧縮された光信号を出力することができる。つまり、四光波混合によって容易に高いスペクトル圧縮率を実現することができる。
【００６６】
特に、従来から非線形光学効果を利用してスペクトル圧縮を行っている装置（例えば、ＣＡＲＳ顕微鏡など）では、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置を実現するために複雑な構成を付加する必要がない。したがって、製造コストの増加を抑制しつつ、高いスペクトル圧縮率を実現することができる。
【００６７】
（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置の応用例として、光アナログ／デジタル変換システムについて説明する。
【００６８】
［光アナログ／デジタル変換システムの構成］
図６は、実施の形態２に係る光アナログ／デジタル変換システム１０００の構成図である。図６において、図１に記載の構成要素と実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
【００６９】
光アナログ／デジタル変換システム１０００は、アナログ光信号をデジタル信号に変換する。光アナログ／デジタル変換システム１０００は、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置２００と、変換部３００と、測定部４００とを備える。
【００７０】
変換部３００は、アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の第１光信号に変換する。具体的には、変換部３００は、例えば、自己周波数シフトを発生させる非線形性光ファイバである。
【００７１】
変換結果の第１光信号は、スペクトル圧縮装置１００の入力となる。
【００７２】
スペクトル圧縮装置２００は、第１光信号のスペクトル圧縮を行う。具体的には、スペクトル圧縮装置２００は、第１波長分散部２０１と、第２波長分散部２０２と、四光波混合部２０３とを備える。
【００７３】
第１波長分散部２０１は、第１光信号に第１分散量の第１波長分散を与えることにより、第１分散光信号を出力する。この第１波長分散部２０１は、実施の形態１における第１波長分散部１０１に対応する。
【００７４】
第２波長分散部２０２は、第１光信号が有する第１中心周波数と異なる第２中心周波数を有する第２光信号に第１分散量の２倍または２分の１である第２分散量の第２波長分散を与えることにより、第２分散光信号を出力する。この第２波長分散部２０２は、実施の形態１における第２波長分散部１０２に対応する。
【００７５】
四光波混合部２０３は、第１分散光信号および第２分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する。四光波混合部２０３は、非線形光伝送媒体１０４と、光バンドパスフィルタ２０５とを備える。
【００７６】
光バンドパスフィルタ２０５は、非線形光伝送媒体１０４から出力された光信号から、スペクトル圧縮された光信号（第１アイドラ光および第２アイドラ光のうちの一方）を抽出する。つまり、光バンドパスフィルタ２０５は、非線形光伝送媒体１０４から出力された光信号から、第１分散光信号、第２分散光信号および不要なアイドラ光（第１アイドラ光および第２アイドラ光のうちの他方）を除去する。
【００７７】
測定部４００は、スペクトル圧縮装置２００から出力されたスペクトル圧縮された光信号の波長を測定することにより、アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する。具体的には、測定部４００は、例えば、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：Ａｒｒａｙｅｄ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ）である。
【００７８】
なお、変換部３００および測定部４００については、非特許文献２と同様であるので、詳細な説明を省略する。
【００７９】
［効果］
以上のように、本実施の形態に係る光アナログ／デジタル変換システム１０００によれば、スペクトル圧縮装置２００を利用して、アナログ光信号の信号強度に対応する波長を有する光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる。したがって、光アナログ／デジタル変換における解像度を向上させることができる。
【００８０】
（実施の形態３）
実施の形態３では、実施の形態１に係るスペクトル圧縮装置の応用例として、非線形光学顕微鏡について説明する。
【００８１】
［非線形光学顕微鏡の構成］
図７は、実施の形態３に係る非線形光学顕微鏡２０００の構成図である。図７において、図１に記載の構成要素と実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
【００８２】
非線形光学顕微鏡２０００は、ポンプ光およびポンプ光と波長が異なるストークス光を試料７０に照射し、試料７０から非線形光学現象によって生じる出力光を検出する。具体的には、非線形光学顕微鏡２０００は、例えば、ＣＡＲＳ顕微鏡である。
【００８３】
非線形光学顕微鏡２０００は、光源５００と、分光器６００とを備える。
【００８４】
光源５００は、ポンプ光およびストークス光を試料７０に照射する。具体的には、光源５００は、例えば超短光パルスレーザ（図示せず）を含む。さらに、光源５００は、スペクトル圧縮装置１００を含む。光源５００は、スペクトル圧縮装置１００から出力されるスペクトル圧縮された光信号をポンプ光として試料７０に照射する。
【００８５】
分光器６００は、試料７０から生じる非線形光学現象によって生じる出力光を検出する。具体的には、分光器６００は、試料７０から生じたＣＡＲＳ光を検出する。
【００８６】
なお、非線形光学顕微鏡２０００のスペクトル圧縮装置１００を除く構成要素については、非特許文献２と同様でよいので、詳細な説明を省略する。
【００８７】
［効果］
以上のように、本実施の形態に係る非線形光学顕微鏡２０００によれば、スペクトル圧縮装置１００から出力されるスペクトル圧縮された光信号をポンプ光として用いることができ、試料７０から生じた出力光のスペクトル分解能を向上させることができる。
【００８８】
（他の実施の形態）
以上、本発明の実施の形態に係るスペクトル圧縮装置、光アナログ／デジタル変換システムおよび非線形光学顕微鏡について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれてもよい。
【００８９】
例えば、上記各実施の形態において、スペクトル圧縮装置は、第１波長分散部を備えていたが、第１波長分散部を備えなくてもよい。この場合、第１分散量を有する第１分散光信号がスペクトル圧縮装置に入力されればよい。
【００９０】
なお、上記実施の形態３では、スペクトル圧縮装置は、ポンプ光のスペクトル圧縮に用いられていたが、非線形光学顕微鏡におけるスペクトル圧縮装置の用途はこれに限らない。例えば、スペクトル圧縮装置は、試料から生じた出力光（例えばＣＡＲＳ光）のスペクトル圧縮に用いられてもよい。これにより、試料７０から生じた出力光のスペクトル分解能を向上させることができる。
【００９１】
また、上記実施の形態２および３では、スペクトル圧縮装置を光アナログ／デジタル変換システムおよび非線形光学顕微鏡に用いる応用例を説明したが、スペクトル圧縮装置は、他の装置に応用されてもよい。例えば、スペクトル圧縮装置は、光ＯＦＤＭ用の信号分離装置あるいは波長計などに用いられてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置として利用でき、光アナログ／デジタル変換システム、非線形光学顕微鏡、あるいは波長計などに応用することができる。
【符号の説明】
【００９３】
１０  第１光信号
１１  第１分散光信号
２０  第２光信号
２１  第２分散光信号
３０  スペクトル圧縮された光信号
３１ａ、３１ｂ、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ、３４ａ、３４ｂ  波長時間分布
５１、５２  スペクトル
７０  試料
１００、２００  スペクトル圧縮装置
１０１、２０１  第１波長分散部
１０２、２０２  第２波長分散部
１０３、２０３  四光波混合部
１０４  非線形光伝送媒体
１０５、２０５  光バンドパスフィルタ
３００  変換部
４００  測定部
５００  光源
６００  分光器
１０００  光アナログ／デジタル変換システム
２０００  非線形光学顕微鏡
【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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