JP2857700B2 - 画像増幅装置 - Google Patents

画像増幅装置

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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 本発明は、フォトリフラクティブ結晶(光照射によっ
て生じた結晶内の内部電界によって屈折率が変化する結
晶)を用いて、画像情報を電気信号に変換することなく
直接増幅する装置に関するものである。
「従来の技術」 フォトリフラクティブ結晶を使って画像を増幅する技
術は従来より知られており、例えばOptical Engineerin
g,vol.25,No.2,pp.228−234(1986)に詳しい記述があ
る。第3図は、フォトリフラクティブ結晶にチタン酸バ
リウムを用い、2光波混合と呼ばれる現象を利用して画
像の増幅を行う、従来の画像増幅装置の構成を表してい
る。第3図で、1はバルク状のチタン酸バリウム結晶で
ある。2はポンプ光であり、ここでは平面波である。3
は画像情報を持つ微弱な画像信号光であり、ポンプ光と
ある一定の交差角で入射する。このとき信号光は、ポン
プ光と交差する際、結晶軸(c軸)の正の向きにポンプ
光を横切るような関係で入射しなければならない。この
理由は後で説明する。1〜2の光は、いずれもレーザに
よって生成されたコヒーレントな光線である。
これより、第3図の2光波混合を用いた従来の画像増
幅装置の動作に付いて簡単に説明する。説明のため、ポ
ンプ光強度をI1、画像信号光及び増幅された画像信号光
の強度をI2とする。I1〜I2は以下の方程式で関係づけら
れることがわかっている。
ここでγは増幅係数、αは結晶の吸収係数、Lは光波の
相互作用長である。Ioは2つの光線のパワーの総和(=
|I1|2+|2|2)である。ポンプ光の振幅はz=0からz
=Lの範囲で一定と仮定し、入射するポンプ光及び信号
光の入射端における強度をI2(0)として上式を解く
と、 式(2)は、信号光が増幅されると同時に、ポンプ光は
減衰する事を示している。即ち、ポンプ光から信号光に
エネルギーが移動するのであるが、このエネルギーの移
動の方向は結晶の向きによって決まる。このため、前に
説明したように、信号光はポンプ光と交差する際、結晶
軸の正の向きに横切るように入射する必要がある。さも
ないと、信号光は減衰してしまう。
チタン酸バリウムを用いた場合、得られる増幅係数γ
は約10cm-1である。増幅度はフォトリフラクティブ結晶
での相互作用長Lに大きく依存し、L=3mmの場合は約1
3dB、L=5mmの場合は約20dBの増幅度が得られる。
第6図は、もう一つの従来の画像増幅装置の構成を表
わしている。第6図の6は、ハーフミラーである。第3
図の従来の画像増幅装置と第6図の従来の画像増幅装置
の違いは、第6図では、反対方向に伝搬する2つのポン
プ光を用いることである。第6図でフォトリフラクティ
ブ結晶内で生じる現象は、4光波混合と呼ばれる。増幅
された画像信号は、第6図に示すように、入力信号と同
一の経路を反対向きに伝搬する光波として得られるの
で、信号光の経路にハーフミラーを挿入して、増幅され
た画像信号を取り出す必要がある。この増幅された画像
信号光は、入力信号光と一方のポンプ光の干渉によって
フォトリフラクティブ結晶に生じた屈折率変化によっ
て、もう一方のポンプ光が回折されることによって生じ
る。4光波混合によって得られる増幅度等は、2光波混
合の場合とほぼ同じである。
「発明が解決しようとする課題」 しかしながら、上記に説明した従来の画像増幅装置に
は以下のような問題点があった。
まず第1に、通常得られるフォトリフラクティブ結晶
の大きさには限度があり、このため増幅度を決定するパ
ラメータの1つである相互作用長が結晶の大きさによっ
て制限されてしまうことである。特に、ポンプ光と信号
光の交差角が大きい場合や両者のビーム径が小さい場合
などは、相互作用長が結晶の長さよりも短くなることも
あり得る。これを避けるためには、ポンプ光と信号光の
交差角を非常に小さくすればよいと考えられる。
しかしながら、一般に、複雑な画像信号(複雑な画像
信号とは、空間的な振幅変化の大きい信号という意味で
あり、多量の情報量を含む画像信号である。)ほど進行
方向から大きく広がった平面波成分を持つため、ポンプ
光との交差角を小さくすることができなくなる。従っ
て、前に説明したように、ポンプ光と信号光の相互作用
長は制限されることになる。このような相互作用長の制
約は、小さなポンプ光パワーでの有効な増幅を妨害して
いるのは言うまでもない。
以上の点を鑑みて本発明の目的は、フォトリフラクテ
ィブ結晶を利用した画像増幅装置において、相互作用長
が大きく、低パワーで効率的な増幅の可能な画像増幅装
置を提供することにある。
「課題を解決するための手段」 上記目的を達成するために、本発明は、フォトリフラ
クティブ結晶にポンプ光及び信号光を一定の交差角をな
して入射することによって画像の増幅を行なう画像増幅
装置であって、フォトリフラクティブ結晶によって光波
を閉じこめる導波路構造を形成し、かつ光波の進行方向
に対して周期的に、フォトリフラクティブ結晶の結晶軸
を反転させる構造とすることを、最も大きな特徴とす
る。
「作用」 このように、本発明によれば、フォトリフラクティブ
結晶に導波路構造を導入し、相互作用長を長くすること
によって、低パワーでの効率的な画像の直接増幅が可能
である。
「実施例」 〔第1実施例〕 第1図は本発明の第1の実施例を表わす図である。第
1図において、5は、フォトリフラクティブ結晶のひと
つであるLiNBO3を用いて構成した導波路である。
本実施例では、導波路の長手方向(光波の進行方向)
が結晶のa軸に平行であり、かつc軸に垂直である。但
し、c軸の向きは図内に示すように周期的に反転してい
る。フォトリフラクティブ結晶によって構成される導波
路の作成は、ベデスタル法と呼ばれる細い俸状の結晶を
成長させる手法によることが多い(Applied Physics Le
tters,56(2),p.108参照)。また、結晶軸の周期的反
転構造は、例えばLiNbO3にTiを拡散すると結晶軸が反転
する現象を利用したり、成長時の速度を周期的に変化さ
せることによって作成することができる。以後、5の周
期的に反転した向きの結晶軸を持つフォトリフラクティ
ブ結晶の導波路を、単に反転フォトリフラクティブ導波
路という。
本発明による画像増幅装置は、反転フォトリフラクテ
ィブ導波路に、ポンプ光と信号光を一定の角度で入射す
ることによって行なう。結晶内での2光波混合を用いて
増幅を行なう点は、従来の技術と同じである。この時従
来の画像増幅装置との大きな違いは、ポンプ光、信号光
ともに導波路に閉じこめられて伝搬するため、相互作用
長が長くとれることである。これによって、低ポンプ光
パワーでの効率的な画像増幅が可能となる。
ここで、フォトリフラクティブ結晶の導波路に反転周
期構造を用いる必要があるのは次の理由による。第4図
は、反転周期構造を持たない導波路4に入射した光線が
伝搬する様子を描いたものである。入射した光線は導波
路の境界で全反射を繰り返すことによって、導波路に閉
じこめられて伝搬する。ここで注意しなければならない
のは、第4図の領域1においては、信号光はポンプ光を
c軸の正の向きに横切っているのに対し、領域2におい
ては、信号光はポンプ光をc軸の負の向きに横切ってい
る。従来の技術で説明したように、信号光は、c軸の正
の向きにポンプ光を横切るときにのみ増幅され、逆の場
合は減衰することを思い出すと、信号光は領域1におい
ては増幅されるが、領域2ではポンプ光が増幅され、信
号光は減衰することになる。従って、導波路構造を用い
て相互作用長を長くしても、増幅と減衰を繰り返すばか
りで、効率的な増幅は望めない。
そこで本発明では、第5図に示すように、ポンプ光が
向きを変える周期に合わせて結晶のc軸の向きを反転さ
せる工夫をとる。第5図においては、第4図と異なり、
常に信号光はc軸の正の向きにポンプ光を横切ってい
る。従って、相互作用長に比例した効率的な増幅が可能
である。本発明を有効に実施するためには、ポンプ光が
全反射によって向きを変える周期と、結晶の反転の周期
とが一致しなければならない。このためには、ポンプ光
の導波路内の伝搬角θ′を次の関係を満たすように設定
すればよい。
L=a/tanθ′ (3) 但し、aは導波路の直径、Lは反転周期長である。伝
搬角θ′は、入射角θと次の関係にある。
sinθ′=sinθ/n (4) nは導波路の屈折率である。
なお、本実施例では反転フォトリフラクティブ導波路
としてLiNbO3を材料としたが、その他にもBaTiO3,Bi12S
iO20,Bi12GeO20、Bi12TiO20,SrxBa1-xNbO6,GaAs,GaPな
どのように、フォトリフラクティブ効果を持つ結晶はす
べて使用できる。
〔第2実施例〕 第2図は、本発明の第2の実施例を表わす図である。
反転フォトリフラクティブ導波路を用いて画像増幅を行
なう点は実施例1と同じである。実施例1と異なる点
は、実施例1ではただ一つのポンプ光を用いたのに対
し、実施例2では、同じ経路を互いに反対の向きに伝搬
する2つのポンプ光を使用することである。この時フォ
トリフラクティブ結晶で生じる現象は4光波混合であ
る。実施例1と実施例2と差異は、増幅の際に用いる現
象の違いのみである。反転フォトリフラクティブ導波路
を用いる理由、及びその効果は実施例1と全く同じであ
るので、詳しい説明は省略する。
なお、前記反転フォトリフラクティブ導波路として、
BaTiO3,Bi12SiO20,Bi12GeO20、Bi12TiO20,SrxBa1-xNb
O6,GaAs,Ga Pなどのように、フォトリフラクティブ効果
を持つ結晶はすべて使用できる点も、実施例1に同じで
ある。
「発明の効果」 このように、本発明によれば、フォトリフラクティブ
結晶に導波路構造を導入し、相互作用長を長くすること
によって、低パワーでの効率的な画像の直接増幅が可能
である。これによって、半導体レーザ等の低パワー光源
をポンプ光として用いることができるなど、その有効性
は大きい。
【図面の簡単な説明】
第1図は反転フォトリフラクティブ導波路を用い、結晶
内の2光波混合を用いて画像増幅を行なう本発明の第1
の実施例を表わす図、第2図は反転フォトリフラクティ
ブ導波路を用い、結晶内の4光波混合を用いて画像増幅
を行なう本発明の第2の実施例を表わす図、第3図はフ
ォトリフラクティブ結晶を用いた従来の画像増幅装置を
表す図、第4図は本発明を説明するための図であって、
フォトリフラクティブ結晶導波路における光線伝搬の様
子を表す図、本発明を説明するための図であって、第5
図は反転フォトリフラクティブ導波路における光線伝搬
の様子を表す図、第6図は第3図に示す従来例の他の例
を示す画像増幅装置を表す図である。 5……導波路

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】光の照射によって屈折率が変化する結晶
    に、増幅される画像信号光と、ポンプ光を適当な交差角
    で入射することによって、画像の直接増幅を行なう画像
    増幅装置であって、該結晶によって光波を閉じこめる導
    波路構造を形成し、該導波路の光波の伝搬方向に結晶軸
    を周期的に反転して配することを特徴とする画像増幅装
    置。
  2. 【請求項2】光の照射によって屈折率が変化する結晶
    に、増幅される画像信号光と、同一の経路を互いに反対
    の向きに伝搬する2つのポンプ光を適当な交差角で入射
    することによって、画像の直接増幅を行なう画像増幅装
    置であって、該結晶によって光波を閉じこめる導波路構
    造を形成し、該導波路の光波の伝搬方向に結晶軸を周期
    的に反転して配することを特徴とする画像増幅装置。
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