JP5023462B2 - THz波発生装置 - Google Patents
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Description
THz波は、基礎科学分野や工学分野、さらには医用・バイオ分野などで様々な応用が期待されているものである。例えば、基礎科学分野では、理化学物質の分光による構造解明、電波・赤外天文分光科学による星間物質の発見など、工学分野では、THz波超高速通信(宇宙空間通信等)、地球環境センシング(各種ガス、環境物質の検出等)、半導体物質の自由電子密度及び移動度の評価、誘電体機能物質の誘電特性の評価、有機機能性ポリマーの立体構造評価、電子パッケージの内部検査など、さらには、医用・バイオ分野では、生体機能性タンパク質の構造解析、生体組織の機能イメージング、薬剤(不透明粉体ベース)の構造解析など、多岐に渡る。
差周波発生を利用する方法では、THz波発生素子として、LiNbO3、GaAs、有機DAST(4−dimethylamino−N−methyl−4−stilbazolium tosylate)などによる非線形光学結晶(DFG結晶とも言う)を用い、該THz波発生素子に周波数の異なる2つの光波を入射し、2つの光波の差の周波数を有する差周波により、THz波発生させるものである。
さらに、2つの光源の一方を波長可変光源とし、THz波の周波数を可変する場合にでも、波長可変光原の周波数の変更精度が1GHz程度であるため、THz波の周波数制御にも限界を生じていた。
さらに、共振器内の共振効率を高効率に維持することが必要であり、共振器を構成する反射部材(HRミラー)の位置・形状を高精度に維持・制御することも求められる。
しかしながら、光増幅器によりレーザ光の出力を10mW〜数W程度まで増幅した場合でも、THz波の出力は数nW程度しか得られず、それ以上に大きな出力を得るには、光増幅器自体が極めて高価なものとなる上、装置全体が大きくなるという欠点を有している。
なお、本発明における「異なる波長を有する複数のレーザ光」の発生方法は、複数のレーザ光源を用いる方法、一つのレーザ光源から多波長のレーザ光を発生する方法、単一モードレーザ光源からの光を後述する多波長発生器に入射して複数の波長を生成する方法、さらには、単一モードレーザ光源からの光を分割し、分割した一方の光を波長変換器(あるいは多波長発生器と波長選択手段選択との組合せ)で異なる波長に生成する方法など、種々の方法が利用可能である。
また、波長選択手段により、複数の波長が混在した光波の中から、必要な波長を有する光波を分離し、個別に出力することが可能となるため、THz波の波長を容易に変更調整することも可能となる。
THz波発生装置は、主な構成部品として、光源A、多波長発生器B、波長選択手段C、パルス生成器D、光増幅器E、及びTHz波発生手段Fを有している。光源Aから光増幅器Eまでは、THz波発生手段Fに入射する異なる波長(周波数f0,fn)を有する2つのレーザ光を生成する手段であり、特に本発明においては、光増幅器Eの増幅特性を最大限に活用するため、光源Aから波長選択手段Cまでにより生成された異なる波長を有する複数のレーザ光の少なくとも一つのレーザ光をパルス発生器Dによりパルス光に成形し、光増幅器Eに入射させるよう構成している。
また、光源部Aには、レーザー光源にレーザー光が再入射しないように、出射光の光路上にアイソレータを配置したり、光源部Aから出射する光波の偏波面を整えるため、偏波コントローラをレーザー光の光路上に配置することも可能である。
SSB光変調器を含む光周回部とは、特許文献2に示したように、伝播する光波が周回状の光路を形成すると共に、該周回の光路上に単一側波帯(Single Side Band、SSB)光変調器を配置したものである。
例えば、このマイクロ波の周波数をfとすると、SSB光変調器に入射した光は周波数がfだけシフトする。図3に示すように入射光の周波数f0は、SSB光変調器を通過した後、出力光の周波数はf1=f0+fとなる。この出力光のことを側波帯スペクトルという。
このように、SSB光変調器は光の周波数シフターとして動作する。
なお、SSB光変調器へのマイクロ波の加え方により、出力光の周波数をf0−fのようにマイナス方向にシフトさせることも可能である。
論文「XカットLiNbO3を用いた光SSB−SC変調器」(日隈薫、他4名、p.17〜21、「住友大阪セメント・テクニカルレポート 2002年版」、住友大阪セメント株式会社新規技術研究所発行、平成13年12月8日)
SSB光変調器を含む光周回部においては、最初に光周回部を伝播する光波の周波数をf0(0回周回)をすると、1回目にSSB光変調器を通過した光波の周波数は、f1=f0+f(1回周回)となる。同様に2回目、3回目は、f2=f0+2f、f3=f0+3fとなり、同一の周波数間隔fで、多数の波長を有する光波を生成することが可能となる。
一般に、SSB光変調器により生成される側波帯スペクトルは、SSB光変調器に入力される光波と比較し、光強度が低下する。このため、光周回部の周回する光路上には、光増幅器を配置することにより、側波帯スペクトルの光強度の低下を補い、多波長光源として利用可能な光強度を確保している。
この光フィルタの透過波長の範囲を、分波素子により分波可能な波長範囲と一致させることにより、光周回部を周回する光波の波長を限定し、必要な波長範囲以外の光波を生成することがなく、最終的に多波長光源から出射する光波に含まれるノイズを抑制することが可能となる。
また、DSB−SC(Dual Side Band with Suppressed Carrier)変調器とは、特許文献4に示すように、マッハツェンダー型の光変調器を利用し、光変調器に入射する光波の周波数f0に変調周波数fを付加した周波数f0±fを有する2つの光波のみを出力するよう構成された変調器である。
波長選択手段の役割は、多波長発生器Bから出射される異なる波長を有する複数のレーザ光の中から、特定の波長を有するレーザ光を選択するために設けられたものである。
波長選択手段は、誘電体膜で形成される誘電体膜フィルタ、光ファイバーグレーティング(FBG)などの特定波長を選択できるものであれば特に限定されるものではない。また、波長選択手段は選択される波長が固定されたものでもいいが、エタロン、回折格子などのように、任意の波長が選択できる可変タイプを用いることも可能である。
パルス幅が20nsを超えると、増幅器からの出力を高出力かつ安定に維持することが困難となり、また、パルス光の消光時の入射光量が−20dBmを越えると、消光時に増幅器で蓄積されるエネルギーの損失が大きくなり、パルス光が入射した際に十分な増幅機能を発揮することが困難となる。
THz波発生素子の動作は、図1(a)のように、異なる周波数を有する2つの光波を非線形光学結晶に入射することにより、該2つの光波の周波数の差に相当する周波数を有するTHz波を発生する。このようなTHz波発生素子は、異なる波長を有する複数のレーザ光を1本の光ファイバを用いて同軸で直接入射することも可能であるため、THz波発生装置の光学系をより簡素化できる。
また、光源Aと多波長発生器Bの光周回部とを結合する光結合器を、該光周回部と波長選択手段Cとを結合する光結合器とを共用し、光学部品の利用点数を削減することも可能である。このような光結合器には、光ファイバーカップラや、光サーキュレータと光ファイバーグレーティングとの組み合わせなどが利用できる。
光源Aから出射する光波(周波数f0)を、多波長発生器Bに入射し、多波長発生器Bから出射する異なる波長(周波数f0,f1,f2,・・fn・・)を有する複数のレーザ光を発生させる。波長選択手段Cにより、多波長発生器Bから出射する光波の中から特定の波長(周波数f0,fn)を有するレーザ光を選択する。
以下の説明では、光源Aとして単一モードレーザ光源(LD)、多波長発生器BとしてSSB光変調器を含む光周回部、波長選択手段Cとしてフィルタ(Filter)、パルス生成器Dとして光スイッチ(SW)、光増幅器Eとしてエルビウム・ドープ型ファイバー増幅器(EDFA)、及びTHz波発生手段FとしてDAST結晶(DAST)用いた例を中心に説明するが、上述したように各部品を他の公知の技術に置き換えること可能であることは言うまでもない。
第1の実施例は、レーザ光源(LD)1から出射した光をSSB光変調器を含む光周回部2で多波長のレーザ光に変換し、フィルタ3で2つの特定波長の光波を選択する。選択された2つの光波は、光スイッチ(SW)4で、同位相のパルス光に形成され、エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器(EDFA)5に導入される。
LD1から出射した光波を2つに分岐し、一方の光波(周波数f0)をDAST6に直接入射させる。他方の光波は、第1の実施例と同様に、SSB光変調器を含む光周回部2及びフィルタ3により、周波数f0と異なる波長(周波数fn)を有する光波に変換され、SW4でパルス光に形成された後、EDFA5で増幅される。
周波数f0の光波は連続光であり、周波数fnの光波はパルス光であるが、DAST6においてパルス状のTHz波を発生することが可能である。
また、第2の実施例の周波数f0の光波を、LD1から分岐して発生させるのではなく、LD1と異なる他のレーザ光源を用意することも可能である。さらに、必要に応じ周波数f0の光波についても光増幅器を介在させて、増幅した光波をDAST6に導入するよう構成することも可能である。
第3の実施例においては、周波数f0とfnとの2つの光波を生成するまでは、第2の実施例と同様であるが、2つの光波を増幅させるため、2つの光波を合波しSW4によりパルス光に形成し、EDFA5により増幅している。各光波毎にSWやEDFAを設けることも可能であるが部品点数の削減のために、両者を共用することが好ましい。
また、2つの光波を単一のEDFAで増幅する際には、各光波の増幅率にバラツキが生じ易い。この問題を解消するには、2つの光波を同一偏波又は互いに直交させた偏波状態で、偏波面保持ファイバー型のEDFAに入射する。
第4の実施例は、第3の実施例のように2つの光波を生成した後、各光波を別々にパルス光に形成するものを示したものである。なお、2つの光波の生成方法は、第3の実施例のものに限らず、異なる波長の光波を発生する2つのレーザ光源を用いたり、多波長発生器から出力される多数の光波の中から特定波長の光波を別々の光路上に取り出す方法など、各種の方法により行うことが可能である。
また、他の位相一致方法としては、図7(b)のように、SWでパルス化された光波P(f0)とP(fn)との各光路上のいずれかに光路長調整手段12を設ける方法もある。光路長調整手段は、光ファイバ長の調整や、1/2波長板など光波の遅延を生じる光学素子の挿入など各種の機構を適用することが可能である。
第5の実施例は、パルス化された2つの光波P(f0)とP(fn)とをDAST6に導入する方法の応用例を示したものである。図8(a)では、各光波毎にEDFAを設け、増幅されたパルス光を光カプラーなどで合波し、DAST6に導入する方法を示す。
また、図8(b)では、第4の実施例(図7)と同様に、パルス化された2つの光波P(f0)とP(fn)とを合波し、EDFAに導入する方法を示したものである。
B 多波長発生器
C 波長選択手段
D パルス生成器
E 光増幅器
F THz波発生素子
1 レーザ光源
2 SSB変調器を有する光周回部
3 フィルタ
4 光スイッチ
5 EDFA
6 DAST
10 駆動信号
11 遅延回路
12 光路長調整手段
20 偏波面保持ファイバ
Claims (11)
- 異なる波長を有する複数のレーザ光をTHz波発生素子に入射し、該THz波発生素子からTHz波を発生させるTHz波発生装置において、
該THz発生素子は非線形光学結晶を用いており、
異なる波長を有する複数のレーザ光は、単一モードレーザ光源からの単一波長光を多波長発生器に入射し、該多波長発生器から生成される複数の波長を有する光波を波長選択手段に入射して生成し、
前記複数のレーザ光は、光スイッチまたは光変調器のいずれかで構成されるパルス生成器により同一位相のパルス光に形成されると共に、該波長選択手段で選択された2つのレーザ光の偏波面が同一又は直交状態になるように各レーザ光の偏波面を調整して、単一のエルビウム・ドープ型ファイバー増幅器に入射し、該エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器で増幅した後に、該THz波発生素子に同軸で入射させることを特徴とするTHz波発生装置。 - 請求項1に記載のTHz波発生装置において、該多波長発生器は、SSB光変調器を含む光周回部、往復逓倍変調器、又はDSB−SC変調器のいずれかを用いることを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項1又は2に記載のTHz波発生装置において、該パルス生成器は、合波された複数のレーザ光が入射される単一のパルス生成手段を有することを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項1又は2に記載のTHz波発生装置において、該パルス生成器は、各レーザ光に対応する複数のパルス生成手段を有し、各パルス生成手段により生成されるパルス光の位相を調整するための位相調整手段を有することを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項4に記載のTHz波発生装置において、該位相調整手段は、複数のパルス生成手段に印加する電気信号の遅延回路、又はパルス生成手段により生成されたパルス光の光路上に設けられた光路長調整手段のいずれかであることを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項1乃至5のいずれかに記載のTHz波発生装置において、該エルビウム・ドープ型ファイバー増幅器は、偏波面保持型のエルビウム・ドープ型ファイバー増幅器であることを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項1乃至6のいずれかに記載のTHz波発生装置において、該THz波発生素子は、DAST結晶を用いることを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載のTHz波発生装置において、パルス光に形成されるレーザ光の波長は、1.55μm帯であることを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載のTHz波発生装置において、パルス光のパルス幅は、20ns以下であることを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項1乃至9のいずれかに記載のTHz波発生装置において、パルス光の消光時に該増幅器に入射する光量が−20dBm以下であることを特徴とするTHz波発生装置。
- 請求項1乃至10のいずれかに記載のTHz波発生装置において、パルス光の発生周波数は、100kp/s以下であることを特徴とするTHz波発生装置。
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