(57)【要約】【課題】出力波長帯域が広く、動作安定までに長時間を要しない２波長レーザー光源を用いたミリ波、サブミリ波発生装置を実現する。【解決手段】外部共振器構成をもつ多波長レーザー光源と、その光路上に狭帯域波長選択器と、波長選択器と、該波長選択器の選択波長を変える選択波長可変手段と、光混合器と、を備える。多波長レーザー光源は、中心から０．０５から３ＴＨｚの帯域に複数のレーザー光を出力する光源で、波長選択器はそのレーザー光を櫛歯状に選択する光フィルターであり、狭帯域波長選択器は、櫛歯状のレーザー光から２つのスペクトル線を選択し、選択波長可変手段は波長選択器の透過波長帯域を変更するもので、光混合器はその２つのスペクトル線のレーザー光を混合して電磁波を生成する。波長選択器は光共振器中に光遅延板を設けたもので、複屈折の光学軸から傾いた軸を中心に回転させて光遅延を制御する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部共振器の構成を備える多波長レーザー光源と、
上記外部共振器内の光路上に設置された狭帯域波長選択器と、波長選択器と、該波長選択器の選択波長を変える選択波長可変手段と、光混合器と、を備え、
上記多波長レーザー光源は、出力光のスペクトルの中心から５０ＧＨｚから３ＴＨｚまでの帯域に複数のスペクトル線をもったレーザー光を出力する光源であり、
上記波長選択器は、上記多波長レーザー光源からのレーザー光を波長について櫛歯状に選択する光フィルターであり、
上記狭帯域波長選択器は、櫛歯状に選択された上記レーザー光から２つのスペクトル線を選択するものであり、
上記選択波長可変手段は、上記波長選択器に透過波長帯域を変更する作用を及ぼすものであり、
上記光混合器は、上記の２つのスペクトル線のレーザー光を混合することで、５０ＧＨｚから３ＴＨｚまでの所定の電磁波を生成するものである、
ことを特徴とする２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置。
【請求項２】
上記波長選択器は、光共振器中に設けられた１段または多段構成のリオフィルターで、該リオフィルターは波長可変リオフィルターであり、
上記リオフィルターに使用される複屈折板は、上記外部共振器における光路に垂直な入射面を有し、該入射面上に屈折率の異なる２軸を持ち、上記選択波長可変手段からの作用によって該複屈折板の屈折率を操作する構成を備えるものであることを特徴とする請求項１に記載の２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置。
【請求項３】
上記レーザー光の狭帯域波長選択器への入射面とその入射光路を斜交させることで、入射光路と直交する方向の偏波に比べて該入射光路に斜交する方向の偏波を減衰させるものであることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置。
【請求項４】
生成された５０ＧＨｚから３ＴＨｚまでの所定の上記電磁波の強度を検出し、その検出信号を上記選択波長可変手段に帰還して、該電磁波の強度が最大または所定の値になるようにすることで、上記狭帯域波長選択器の透過特性に上記波長選択器の透過特性を追従させたものであることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置。
【請求項５】
外部共振器の構成を備える上記多波長レーザー光源は、ダブルヘテロ構造の半導体レーザー素子を用いたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置。
【請求項６】
外部共振器の構成を備える上記多波長レーザー光源は、量子井戸型半導体レーザー素子を用いたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置。
【請求項７】
外部共振器の構成を備える上記多波長レーザー光源は、量子ドットレーザー素子を用いたものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、２つのレーザー光からミリ波やサブミリ波を発生させる、２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ミリ波およびサブミリ波技術は超高速無線通信への応用やセンシング分野への応用が期待されている。これらの周波数の信号発生源としては様々なものが提案されているが、大掛かりな装置が必要であったり、十分な出力が得られなかったり、出力が連続波ではなくパルス波に限られていたり、出力波の波長変動が大き過ぎたりして実用上問題が多かった。
このような問題は、レーザーラジオ分野で使われる２波長レーザーによるビート信号もしくは差周波発生で解決されることが期待されている。これは、特に室温で動作する簡便な装置構成になり得る点である。このような装置を実現する場合、制御され２つの波長を同時に発振させることのできるレーザーの開発が重要になる。２つの波長を切替えて使用する装置としては、ＣＤ（コンパクトディスク）やＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）などへの書き込み用レーザー光源がある。しかし、これらのレーザー光源からの出力光を混合しても、ミリ波やミリ波、サブミリ波より短波長の電波や光が得られるのみである。
【０００３】
また、ミリ波およびサブミリ波の周波数の帯域幅の側波帯をもつ多波長レーザー光を出力するレーザー光源は既に実現されており、このようなレーザー光源では、その帯域内で、種々の波長のレーザー光を同時に出力させることが可能である。例えば、ダブルヘテロ構造の半導体レーザー素子や、量子井戸型半導体レーザー素子であり、近年では量子ドットレーザー素子も用いることができる。
【０００４】
これを用いることで、例えば、非特許文献１には、図１に示すように半導体ゲインチップを用いた外部共振器型波長可変レーザーにおいて、９０ＧＨｚ〜１ＴＨｚ間隔の２波長発振を実現した例が報告されている。この例は、高集積量子ドット光利得チップの光増幅素子１と外部共振器とで構成される多波長レーザー光源を備える。その外部共振器は、光増幅素子１の端面１ａとハーフミラー５とで形成される光共振器である。その外部共振器の光路上には狭帯域波長選択器３と、エタロンフィルターを用いた波長選択器４が設けられ、上記ハーフミラー５とレンズ６を介してレーザー光が出力される。
【０００５】
上記の構成において、波長選択器４と狭帯域波長選択器３は図２に示す様に調整される。まず、上記多波長レーザー光源による光から、図２（ａ）に示す様に波長選択器４によって、櫛歯状の分布をもつ多数のスペクトル線が選択される。その多数のスペクトル線から、図２（ｂ）に示す様に狭帯域波長選択器３によって２本のスペクトル線が選択される。図３に、実際に得られた２本のレーザースペクトル線を示す。１５３９．７３ｎｍと１５４０．４４ｎｍのレーザー光が選択されていることが分かる。
【０００６】
上記の構成では、出力される２波長の間隔は、上記波長選択器４のエタロンフィルターを交換してそのＦＳＲ（Free Spectral Range：自由スペクトル領域)を変えるという手法で選択される。この様に、エタロンフィルターの交換無しに波長間隔を制御することは、不可能ではないが、次のように実用上困難な点があった。
【０００７】
従来技術で可能なエタロンフィルターのＦＳＲの変化方法は、例えば、加熱することによりエタロンに使われている材料の屈折率を変化させるもので、これにより、ＦＳＲを変化させるものである。この加熱のために、エタロンフィルターにヒーターなどを取り付けている。
しかし、例えばエタロンフィルターの材料に用いられる二酸化ケイ素ガラスの熱伝導率が金属等に比べて桁違いに小さいことから、温度変化による制御は熱ドリフトを伴うことになり、緩慢な制御とならざるを得なかった。
【０００８】
また、リオフィルタ（Lyot Filter）で複屈折板の光学軸を回転させることで、光の透過波長を制御できることが知られている（特許文献１、２）。また、複屈折板に代わって液晶を用いた波長可変リオフィルタ（特許文献３、４）は、液晶に印可する電圧を制御することで、光の透過波長が制御される。この様なリオフィルタを用いてスペクトル線を選択することが可能であることは、知られている。しかし、これは、狭帯域波長選択器３の選択波長を調整するものに相当するものであり、波長選択器４の特性を変えることには相当しない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−６９５７６号公報
【特許文献２】米国特許公開２００２−００５４６１４号明細書
【特許文献３】特開２００９−６９６９５号公報
【特許文献４】特開平３−２８２４１７号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】赤羽浩一，山本直克，菅野敦史，梅沢俊匡，川西哲也，兼森教、高井裕司、"THz周波数階隔を持つ量子ドット２波長レーザ"、第61回応用物理学会春季学術講演会、17a-E15-5.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記の温度による屈折率変化は非常に小さい。このため上記ＦＳＲも実用上充分に変化させることは困難であった。また、温度が安定するまでに長時間を要し、それまでは温度の上昇に伴う熱ドリフトとなるので、短時間の経過後の装置調整では、その装置調整後の使用で光学素子の位置ずれと認識される問題が生じる場合がある。
【００１２】
このため、本発明では、出力波長帯域が広く、動作安定までに長時間を要しないミリ波、サブミリ波発生装置を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の２波長レーザー光源を用いたミリ波、サブミリ波発生装置は、外部共振器構成をもつ多波長レーザー光源と、上記外部共振器内の光路上に設置された狭帯域波長選択器と、波長選択器と、該波長選択器の選択波長を変える選択波長可変手段と、光混合器と、を備える。
ここで、上記多波長レーザー光源は、出力光のスペクトルの中心から５０ＧＨｚから３ＴＨｚまでの帯域に複数のスペクトル線をもったレーザー光を出力する光源であり、上記波長選択器は、上記多波長レーザー光源からのレーザー光を波長について櫛歯状に選択する光フィルターであり、上記狭帯域波長選択器は、櫛歯状に選択された上記レーザー光から２つのスペクトル線を選択するものであり、上記選択波長可変手段は、上記波長選択器に透過波長帯域を変更する作用を及ぼすものであり、上記光混合器は、上記の２つのスペクトル線のレーザー光を混合することで、５０ＧＨｚから３ＴＨｚまでの所定の電磁波を生成するものである。
【００１４】
また、上記波長選択器は、光共振器中に設けられた１段または多段構成のリオフィルターで、該リオフィルターは波長可変リオフィルターであり、上記リオフィルターに使用される複屈折板は、上記外部共振器における光路に垂直な入射面を有し、該入射面上に屈折率の異なる２軸を持ち、上記選択波長可変手段からの作用によって該複屈折板の屈折率を操作する構成を備えるものであってもよい。
【００１５】
上記レーザー光の狭帯域波長選択器への入射面とその入射光路を斜交させることで、入射光路と直交する方向の偏波に比べて該入射光路に斜交する方向の偏波を減衰させるものであることが望ましい。
【００１６】
生成された５０ＧＨｚから３ＴＨｚまでの所定の上記電磁波の強度を検出し、その検出信号を上記選択波長可変手段に帰還して、該電磁波の強度が最大または所定の値になるようにすることで、上記狭帯域波長選択器の透過特性に上記波長選択器の透過特性を追従させることで安定な出力を得ることができる。
【００１７】
上記多波長レーザー光源に、ダブルヘテロ構造の半導体レーザー素子を用いることができる。また、より発光領域を限定した量子井戸型半導体レーザー素子を用いることで、より側波帯の広いレーザー光を得ることができる。さらに発光領域を限定した量子ドットレーザー素子を用いることで、さらに側波帯の広いレーザー光を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
これまでの２波長レーザー光源では、エタロンフィルターの交換による離散的な波長間隔変化か、温度変化による小さな波長間隔変化のみ実現されていたが、本発明により波長間隔をほぼ連続的に、かつ、大きく変化することができるようになる。また、複屈折材料を用いて偏光ビームスプリッターなどが実現されており、高精度の加工技術が既に確立されている。このため、現状の技術水準で、波長間隔を広範囲で高精度にかつほぼ連続的に制御することのできる２波長光源を実現でき、従って、ミリ波やサブミリ波を、広帯域、高精度でほぼ連続的に発生することが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の、半導体ゲインチップを用いた外部共振器型波長可変レーザーにおいて、９０ＧＨｚ〜１ＴＨｚ間隔の２波長発振を実現した例を示す図である。
【図２】多波長レーザー光源による光から、（ａ）波長選択器４によって、櫛歯状の分布をもつ多数のスペクトル線が選択され、（ｂ）その多数のスペクトル線から、狭帯域波長選択器３によって２本のスペクトル線が選択される様子を示す模式図である。
【図３】図１の構成で実際に得られた２本のレーザースペクトル線、１５３９．７３ｎｍと１５４０．４４ｎｍのレーザー光、が選択されていることを示す図である。
【図４】本発明の実施例を示す図である。高集積量子ドット光利得チップの光増幅素子１と外部共振器とで構成される多波長レーザー光源を備える。その外部共振器は、光増幅素子１の端面１ａとハーフミラー５とで形成され、その光路上に狭帯域波長選択器３と複屈折材料の両面に光共振器となる反射層を設けたエタロンフィルターを用いた波長選択器４が設けられ、レーザー光が非線形光学材料を用いた光混合器８に入力され、その差周波数をもつミリ波、サブミリ波が出力される。
【図５】本発明の動作原理を示す図であり、（ａ）に複屈折率楕円体特性を持った１軸性の複屈折結晶板を用いる例を示し、（ｂ）に複屈折結晶板の法線の周りに波長選択器４を回転する例を示す。
【図６】上記波長選択器４の屈折率を調整するための構成例を示す図で、（ａ）は、エタロン制御器２２からの制御信号に従ってエタロンフィルターを回転する構成であり、（ｂ）は、波長選択器４に液晶リターダ型エタロンフィルターを用いる例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。
【実施例】
【００２１】
図４に本発明の実施例を示す。高集積量子ドット光利得チップの光増幅素子１と外部共振器とで構成される多波長レーザー光源を備える。その外部共振器は、光増幅素子１の端面１ａとハーフミラー５とで形成される光共振器である。その外部共振器の光路上には狭帯域波長選択器３と、複屈折材料の両面に光共振器となる反射層を設けたエタロンフィルターを用いた波長選択器４が設けられ、上記ハーフミラー５とレンズ６を介してレーザー光が非線形光学材料を用いた光混合器８に入力され、その差周波数をもつミリ波、サブミリ波が出力される。
【００２２】
上記多波長レーザー光源は、出力光のスペクトルの中心から５０ＧＨｚから３ＴＨｚまでの帯域に複数のスペクトル線をもったレーザー光であり、上記光混合器８から出力されるミリ波、サブミリ波は、例えば、５０ＧＨｚから３ＴＨｚまでの所定の周波数の電磁波である。
【００２３】
上記多波長レーザー光源には、ダブルヘテロ構造の半導体レーザー素子を用いることができる。また、より発光領域を限定した量子井戸型半導体レーザー素子を用いることで、より側波帯の広いレーザー光を得ることができる。さらに発光領域を限定した量子ドットレーザー素子を用いることで、さらに側波帯の広いレーザー光を得ることができる。
【００２４】
狭帯域波長選択器３は、光路に対してその入射面を斜交するように配置することによって、光路と直交する方向の偏光成分を選択することができる。
【００２５】
また、波長選択器４は、複屈折材料を用いたエタロンフィルターであり、その複屈折材料を光遅延板として用い複屈折の光学軸から傾いた軸を中心に回転させて、上記の偏光成分に対して屈折率を変えることができる。この屈折率を変えることによって、そのＦＳＲを変えることができ、図２（ａ）に示すスペクトル線の間隔を変えることができる。
【００２６】
このように屈折率を変え得るようにするためには、波長選択器４には、例えば図５（ａ）に示す複屈折率楕円体特性を持った１軸性の複屈折結晶板を用いる。この複屈折結晶板は、その複屈折率楕円体の光学軸から所定の角度θ傾いた線（図中のａ）を方線とする面をもったエタロンフィルターである。この面において、異常光に対する屈折率（ｎｅ）と常光に対する屈折率（ｎｏ）とがそれぞれの方向で異なり、それらの方向は直交する。従って、図５（ｂ）に示す様に、上記法線の周りに波長選択器４を回転することによって上記偏光成分に対する伝搬遅延量を変えることができ、その結果、波長選択器４のＦＳＲを調整できるようになる。
【００２７】
狭帯域波長選択器３が無い場合は、波長選択器４によって、櫛歯状のスペクトル線が得られる。そこで、狭帯域波長選択器３によって、図２（ｂ）に示す様に、２本のスペクトル線を選択する。選択された２本のスペクトル線のレーザー光は、外部共振器の一端をなすハーフミラー５を介して出力され、光混合器８に入射される。光混合器８では、上記の選択された２本のスペクトル線のレーザー光からミリ波、サブミリ波１０が生成される。このミリ波、サブミリ波１０は、分岐器２０でその一部が分岐され、エタロン制御器２２で、ミリ波、サブミリ波の強度が検出され、この強度情報を帰還信号に用いて、また、良く知られた非線形制御（例えばPID制御、Proportional-Integral-Derivative Control）によって、検出したミリ波、サブミリ波の強度が最大または所定の値になるように、上記波長選択器４の屈折率を調整する。この帰還制御によって出力するミリ波、サブミリ波の周波数を安定化することができる。
【００２８】
上記狭帯域波長選択器３には、例えば酸化物誘電体バンドパスフィルタを用いることができる。これを用いた場合、光路に対する入射面の角度を変えることによって、透過帯域を容易に変えることができるので、上記の２本のスペクトル線について、等しい透過特性を示すように設定することができる。従って、上記の帰還信号を狭帯域波長選択器３に用いて、上記で選択された２本のスペクトル線にその選択特性が等しくなるように自動制御することができることは明らかである。
【００２９】
この様に、上記の帰還信号は、次の２通りに適用することができる。まず、出力されるミリ波、サブミリ波の波長を優先的に決める場合は、狭帯域波長選択器３による選択波長を上記の様に自動調整することが望ましい。また、ミリ波、サブミリ波の波長を安定化させる場合は、狭帯域波長選択器３による選択波長を固定し、波長選択器４の選択特性を上記の様に自動制御することが望ましい。  
【００３０】
上記波長選択器４の屈折率を調整するための構成例を図６に示す。図６（ａ）は、図５（ｂ）に示す波長選択器４をエタロン回転駆動装置２３によって、エタロン制御器２２からの制御信号に従ってエタロンフィルターを回転する構成である。図６（ｂ）は、波長選択器４に液晶リターダ型エタロンフィルターを用いる例である。この場合も、エタロン制御器２２からの制御信号に従ってエタロンフィルターの複屈折率を制御する。
【００３１】
以上の様に、本発明ではエタロンフィルター素子のＦＳＲを大きく変化させる。これを実現させるために、エタロンフィルター素子の材料に、例えば方解石（炭酸カルシウム）やルチルなどの複屈折材料を使用する。複屈折材料基板は、面方位を適切に選択することにより基板面内において異なる屈折率を示す材料で、偏光ピームスプリッターなどによく用いられている材料である。外部共振器内でレーザー発振が起きている場合、その偏光方向は所定の方向に固定されている。従って、この共振器中に複屈折材料でできたエタロンフィルターを挿入すると、レーザー発振の偏光はその偏光方向に応じた屈折率を感じ、その屈折率と基板の厚さに応じたＦＳＲが得られる。エタロンフィルターを基板面内で回転させた場合、そのレーザー発振によるレーザー光は回転量に応じた異なる屈折率を感じ、ＦＳＲが変化することを用いたものである
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明の２波長レーザー光混合によるミリ波、サブミリ波発生装置は、図４に示す構成で実現できるので、携帯可能なミリ波、サブミリ波発生装置を容易に実現することができる。
【００３３】
また、高強度のミリ波、サブミリ波を得たい場合は、光混合器８に入射する前にレーザー光を、例えば、ファイバー型光増幅器に入射して増幅し、増幅した後に光混合器８に入射する。この構成にした場合でも携帯可能なミリ波、サブミリ波発生装置を容易に実現することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１  光増幅素子
１ａ  反射端
１ｂ  無反射端
２  レンズ
３  狭帯域波長選択器
４  波長選択器
５  ハーフミラー
６  レンズ
７  光ファイバー
８  光混合器
９  レーザー光
１０  ミリ波、サブミリ波
２０  分岐器
２１  光混合器
２２  エタロン制御器
２３  エタロン回転駆動装置
【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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