(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長制御手段で制御される第１波長可変光源からの光と第２波長可変光源からの光を擬似位相整合波長変換素子に入射し、前記第１，第２波長可変光源から出射された光の和または差の波長の光を発生させるようにした波長可変光源において、前記擬似位相整合波長変換素子の整合条件を演算してグラフ化して前記波長制御手段に記憶しておき、前記和または差の光の波長を変化させるに際しては前記第１，第２波長可変光源の光の波長を連動して制御すると共に、前記波長返還素子の位相整合条件が成立するように連動して変化させることを特徴とする請求項１に記載の波長可変光源。
【請求項２】
前記第１，第２波長可変光源の少なくとも一方はＭＥＭＳ可動鏡を有する面発光レーザであることを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非線形光学媒質中で生じる和または差周波発生効果を用いてレーザ光の波長を別の波長に変換する波長変換素子を用いた波長可変光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光の波長を変換する波長変換素子として、半導体光増幅器を応用した素子、四光波混合を利用する素子等が知られている。一方、二次非線形光学効果の一種である擬似位相整合による第二高調波発生、和周波発生、差周波発生を利用した波長変換素子の応用が期待されている。
【０００３】
図３は従来の擬似位相整合型の波長変換素子の構成を示すものである。波長変換素子は、比較的小さな光強度を有する信号光Ａと、比較的大きな光強度を有する制御光Ｂとを合波する合波器１１と、分極反転構造を有する非線形光学結晶１２に形成された非線形光導波路１３と、差周波光Ｃと制御光Ｂとを分離する分波器１４とから構成されている。
【０００４】
信号光Ａは、導波路１３において、別の波長を有する差周波光Ｃへと変換され、制御光Ｂと共に出射される。例えば、励起光Ｂを波長λ１＝１．０６μｍとし、波長λ２＝１．５５μｍの励起光Ａを入力した場合には、波長λ３＝３．３５μｍの中赤外光Ｃを差周波発生によって得ることができる。
【０００５】
また、図３の別の実施態様において、比較的大きな励起光Ａと励起光Ｂとを合波器１１によって合波して、分極反転構造を有する非線形光学結晶１２からなる導波路１３に入射する。導波路１３中では、励起光Ａと励起光Ｂの和周波光が生成され、導波路１３から出射される。例えば、励起光Ａを波長λ１＝１．０６μｍとし、励起光Ｂを波長λ２＝１．３２μｍとした場合には、波長λ３＝０．５８μｍの黄色の可視光Ｃを和周波発生によって得ることができる。
【０００６】
更に、図３の別の実施態様において、例えば、三つの光の周波数をω１、ω２、ω３（ただしω３が最大の周波数）とすると、和周波ではω１とω２の光からω３（＝ω１＋ω２）の光が発生し、差周波ではω１とω３の光からω２（＝ω３−ω１）の光が発生する。
いずれの場合も
ω１＋ω２＝ω３・・・（１）
の関係が成立つ。
【０００７】
一方高い波長変換効率を得るためには、各光の結晶中の伝播定数をβ１、β２、β３として
β１＋β２＝β３・・・（２）
で表される空間的位相整合条件が成立つ必要がある。真空中の光速をＣ、結晶の屈折率をＮとして、βとωの関係はβ＝Ｎ×ω／Ｃであるので、（２）式はＣを両辺にかけて
Ｎ１×ω１＋Ｎ２×ω２＝Ｎ３×ω３・・・（３）
となる。
【０００８】
ここでＮ１、Ｎ２、Ｎ３は各周波数（波長）での結晶の屈折率である。Ｎ１＝Ｎ２＝Ｎ３であれば（１）式と（３）式は必ず同時に成立するが、結晶の屈折率には波長依存性（波長分散）があるので、一般的に（１）式と（３）式は同時に成立せず、高い変換効率は得られない。
【０００９】
そこで非線形光学結晶に周期的な分極反転を形成し、擬似的に位相整合させる擬似位相整合波長変換素子が開発されている。分極反転の周期をΛとすると位相整合条件は、
β１＋β２±２π／Λ＝β３・・・（４）
となるので、（１）式と（４）式が成立つようにΛを決定すればよい。
なお、波長可変光源の従来技術としては下記の特許文献が知られている。
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２２１７８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、擬似位相整合波長変換素子を用いて波長可変光源を作製する場合、入力する一方の波長のみを変化させると（１）式と（４）式が成立する分極反転の周期Λが変化してしまう。擬似位相整合のため形成された分極反転周期は変化させられないので位相整合条件からずれ、波長変換効率が低下する。という課題があった。
【００１２】
したがって本発明は、入力する両方の光を（１）式と（４）式が同時に成立するように連動して波長を制御することにより、常に位相整合条件が成立した状態とし波長変換効率の低下を防止した波長可変光源を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の波長可変光源の発明においては、
第１波長可変光源からの光と第２波長可変光源からの光を擬似位相整合波長変換素子に入射し、前記第１，第２波長可変光源から出射された光の和または差の波長の光を発生させるようにした波長可変光源において、前記和または差の光の波長を変化させるに際しては前記第１，第２波長可変光源の光の波長を連動して制御すると共に、前記第１，第２波長可変光源の光の波長を連動して制御するに際しては位相整合条件が成立するように連動して変化させることを特徴とする。
【００１５】
請求項２においては、請求項１に記載の波長可変光源の発明において、
前記第１，第２波長可変光源の少なくとも一方はＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ；微小電気機械システム）可動鏡を有する面発光レーザであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したことから明らかなように本発明の請求項１によれば、第１波長可変光源からの光と第２波長可変光源からの光を擬似位相整合波長変換素子に入射し、第１，第２波長可変光源から出射された光の和または差の波長の光を発生させるようにした波長可変光源において、第１，第２波長可変光源の光の波長を連動して制御するようにしたので、常に位相整合条件が成立するので、全波長範囲で高波長変換効率の低下を防止することができる。
【００１７】
また、請求項２によれば、第１，第２波長可変光源の少なくとも一方はＭＥＭＳ可動鏡を有する面発光レーザで構成したので、小型で低価格な和または差の周波数を用いた波長可変光源を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１（ａ，ｂ）は本発明の波長可変光源の要部ブロック構成図（ａ）および２つの入力光に対する出力光である差周波数の関係を示す説明図（ｂ）である。
ここでは、非線形光学結晶にニオブ酸リチウムを用い、ω１（＝２πＣ／λ１）とω３（＝２πＣ／λ３）の光から差周波のω２（＝ω３−ω１＝２πＣ／λ２）の光を発生させる場合について説明する。
【００１９】
なお屈折率の波長分散を表すセルマイヤーの分散式が波長で表記されているので、以下では周波数ωではなく波長λで式を表記する。
図１（ａ）において、波長制御回路１は第１波長可変光源２の光の波長と第２波長可変光源３の光の波長を制御する。擬似位相整合素子（ニオブ酸リチウム）４は合波器（図示省略）により合波された第１，第２波長可変光源２，３の光の波長を入力して合波器（図示省略）から差周波ω２を出力する。
【００２０】
ニオブ酸リチウムの常光屈折率Ｎｏと異常光屈折率Ｎｅはセルマイヤーの分散式で次のように表される。
Ｎｏ２（λ）＝4.9048＋0.11768／（λ２−0.04750）−0.027169×λ２・・・（５）
Ｎｅ２（λ）＝4.5820＋0.099169／（λ２−0.04443）−0.021950×λ２・・・（６）
本実施例においては、λ１＝１．５μｍとλ３＝１μｍの入力光から差周波λ２＝３μｍを発生させる場合で、λ１とλ２が常光線となり、λ３が異常光線となる配置を採用したとする。その場合、伝播定数は、
【００２１】
β１＝２π×Ｎｏ（λ１）／λ１・・・（７）
β２＝２π×Ｎｏ（λ２）／λ２・・・（８）
β３＝２π×Ｎｅ（λ３）／λ３・・・（９）
【００２２】
であるから、
（イ）・・・（５）式でＮｏ（λ１）を求め（７）式でβ１を求める。
（ロ）・・・（５）式でＮｏ（λ２）を求め（８）式でβ２を求める。
（ハ）・・・（６）式でＮｅ（λ３）を求め（９）式でβ３を求める。
（二）・・・β１，β２，β３を（４）式に代入し分極反転の周期Λを計算する。
計算結果は約２７．６μｍとなる。
そこでΛ＝２７．６μｍのニオブ酸リチウム波長変換素子を用いることとする。
λ１が１．４μｍ〜１．６μｍまで変化する波長可変光源として、λ１の全波長帯で位相整合条件を満たすλ２とλ３を（５）〜（９）式を用い（１）式と（４）が同時に成立するように数値計算により求める。
【００２３】
図１（ｂ）はΛ＝２７．６μｍのニオブ酸リチウム波長変換素子の擬似位相整合条件を計算し、その結果をグラフ化して示す図である。実線と矢印ａはλ３の変化を示し、点線と矢印ｂはλ２の変化を示している。
【００２４】
図１（ｂ）によれば、Ａ点においてλ１＝１．４μｍのときλ３＝０．９８６μｍとすれば位相整合し、Ｂ点においてλ２＝３．３３４μｍの差周波光が得られることを示している。そして、Ｃ点においてλ１＝１．６μｍまで変化させるとき、図１（ｂ）に従いλ３＝１．０１μｍまで変化させると全波長範囲で位相性合し、Ｄ点においてλ２＝２．７３６μｍまでの高波長変換効率で差周波光が得られる。
【００２５】
図１（ｂ）において、例えばλ２＝３μｍの差周波数を発生させたい場合はＥ点に示すように、波長制御回路１はλ１＝１．５μｍとλ３＝１μｍの波長になるように第１,第２波長可変光源の光の波長を制御する。
【００２６】
また、３．１μｍの差周波数を発生させたい場合は波長制御回路１はＦ点においてλ１＝１．４６５μｍとＧ点においてλ３＝０．９９６μｍの波長になるように第１,第２波長可変光源の光の波長を制御する。
更に、λ２＝２．９μｍの差周波数を発生させたい場合は波長制御回路１は、Ｈ点に示すようにλ１＝１．５３６μｍとＩ点に示すようにλ３＝１．００３μｍとなるように第１,第２波長可変光源の光の波長を制御する。
【００２７】
波長制御回路１は図１（ｂ）に示すグラフを記憶しておきオペレータが選択した差周波数（λ２）に応じて第１,第２波長可変光源の光の波長を連動して制御する。
【００２８】
図２は他の実施例による計算結果で、Λ＝９μｍのニオブ酸リチウム波長変換素子の擬似位相整合条件をグラフ化して示す図である。図２において、実線と矢印ａはλ３の変化を示し、点線と矢印ｂはλ２の変化を示している。
構成は図１と同じでλ１＝１．５μｍとλ３＝１μｍの入力光から差周波λ２＝３μｍを発生させる場合であり、λ１とλ２が異常光線となり、λ３が常光線となる配置を採用したとする。
【００２９】
その場合、伝播定数は
β１＝２π×Ｎｅ（λ１）／λ１・・・（１０）
β２＝２π×Ｎｅ（λ２）／λ２・・・（１１）
β３＝２π×Ｎｏ（λ３）／λ３・・・（１２）
であるから、
（イ）・・・（６）式でＮｅ（λ１）を求め（１０）式でβ１を求める。
（ロ）・・・（６）式でＮｅ（λ２）を求め（１１）式でβ２を求める。
（ハ）・・・（５）式でＮｏ（λ３）を求め（１２）式でβ３を求める。
（二）・・・β１，β２，β３を（４）式に代入し分極反転の周期Λを計算する。
計算結果は約９μｍとなる。
【００３０】
そこでΛ＝９μｍのニオブ酸リチウム波長変換素子を用いることとする。λ１が１．４μｍ〜１．６μｍまで変化する波長可変光源として、λ１の全波長帯で位相整合条件を満たすλ２とλ３を（５），（６），（１０）〜（１２）式を用い（１）式と（４）が同時
に成立するように数値計算により求めると図２に示すものとなる。
【００３１】
図２によれば、Ａ点におけるλ１＝１．４μｍのときλ３＝１．００９μｍとすれば位相整合し、Ｂ点におけるλ２＝３．６１９μｍの差周波光が得られる。Ｃ点におけるλ１＝１．６μｍまで変化させるとき、図２に従ってλ３＝０．９９７μｍまで変化させると全波長範囲で位相性合し、Ｄ点におけるλ２＝２．６４６μｍまでの高波長変換効率で差周波光が得られる。
【００３２】
また、Ｅ点におけるλ２＝３μｍの差周波数を得たい場合は、λ３＝１μｍ、λ１＝１．５μｍとなるように第１，第２波長可変光源の波長を制御すればよい。また、λ２＝２．７μｍの波長を得たい場合はＦ点におけるλ１＝１．５８３μｍ、Ｇ点におけるλ３＝０．９９７μｍとなるように第１，第２波長可変光源の波長を制御すればよい。  この実施例では図１の場合と比較して分極反転周期が短く作製が難しくなるが、同じλ１の波長範囲で得られる差周波光の波長範囲を広くすることができる。
【００３３】
なお、図１（ａ）では省略するが第１，第２波長可変光源の少なくとも一方はＭＥＭＳ可動鏡を有する面発光レーザで構成されている。ＭＥＭＳを用いることにより小型で低価格な波長可変光源を得ることができる。
【００３４】
なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。実施例では差の周波数を得る場合について説明したが、和の周波数についても同様な波長可変光源を実現することができ、要は位相整合条件が成立するように連動して変化させればよい。
従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の波長可変光源の実施形態の一例を示す要部断面構成図である。
【図２】他の実施例を示す図である。
【図３】波長変換素子の一般的な構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１        波長制御回路
２        第１波長可変光源
３        第２波長可変光源
４，１２  非線形光学結晶
１１      合波器
１３      非線形導波路
１４      分波器
【図１】
0005024172.tif 000002
【図２】
0005024172.tif 000003
【図３】
0005024172.tif 000004