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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022095152
(43)【公開日】2022-06-28
(54)【発明の名称】光ファイバおよびＡＳＥ光源
(51)【国際特許分類】
H01S 3/067 20060101AFI20220621BHJP
G02B 6/02 20060101ALI20220621BHJP
G02B 6/255 20060101ALI20220621BHJP
G02B 6/26 20060101ALI20220621BHJP
【ＦＩ】
H01S3/067
G02B6/02 376B
G02B6/255
G02B6/26 311
【審査請求】未請求
【請求項の数】14
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2020208308
(22)【出願日】2020-12-16
(71)【出願人】
【識別番号】504261077
【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構
(71)【出願人】
【識別番号】306024148
【氏名又は名称】公立大学法人秋田県立大学
(74)【代理人】
【識別番号】100095407
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 満
(74)【代理人】
【識別番号】100132883
【弁理士】
【氏名又は名称】森川 泰司
(74)【代理人】
【識別番号】100181593
【弁理士】
【氏名又は名称】庄野 寿晃
(74)【代理人】
【識別番号】100165489
【弁理士】
【氏名又は名称】榊原 靖
(72)【発明者】
【氏名】上原 日和
(72)【発明者】
【氏名】安原 亮
(72)【発明者】
【氏名】合谷 賢治
【テーマコード（参考）】
2H036
2H137
2H250
5F172
【Ｆターム（参考）】
2H036JA00
2H036MA11
2H137AA13
2H137AB01
2H137AB05
2H137BA02
2H137BA07
2H137BA13
2H137BB02
2H137BB09
2H137BC02
2H137BC12
2H137BC32
2H137BC71
2H137CA22E
2H137CC11
2H250AB02
2H250AB03
2H250AB27
2H250AB29
2H250AB70
2H250AC19
2H250AC37
2H250AD15
2H250AD32
2H250AD36
2H250AH33
5F172AE15
5F172AE17
5F172AF01
5F172AF02
5F172AF03
5F172AF05
5F172AF06
5F172AF14
5F172AG07
5F172AM08
5F172EE13
5F172ZA01
(57)【要約】
【課題】高い輝度かつ高い安定性を有し、３μｍ帯の波長領域の光を放出する光ファイバおよびＡＳＥ光源を提供する。
【解決手段】光ファイバ２０は、コア２２とクラッド２３とを有する。コア２２は、第１の希土類金属イオンと、励起光ＥＬを吸収した第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出する第２の希土類金属イオンと、を含む。ＡＳＥ光源１００は、光ファイバ２０と、光ファイバ２０に励起光ＥＬを照射する励起用光源１０と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】光ファイバ２０は、コア２２とクラッド２３とを有する。コア２２は、第１の希土類金属イオンと、励起光ＥＬを吸収した第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出する第２の希土類金属イオンと、を含む。ＡＳＥ光源１００は、光ファイバ２０と、光ファイバ２０に励起光ＥＬを照射する励起用光源１０と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
コアとクラッドとを有する光ファイバであって、
前記コアは、
第１の希土類金属イオンと、
励起光を吸収した前記第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出する第２の希土類金属イオンと、を含む、
ことを特徴とする光ファイバ。
前記コアは、
第１の希土類金属イオンと、
励起光を吸収した前記第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出する第２の希土類金属イオンと、を含む、
ことを特徴とする光ファイバ。
【請求項2】
前記第１の希土類金属イオンは、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、またはＹｂ３＋のうち少なくとも何れか１種類を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
ことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ。
【請求項3】
前記第２の希土類金属イオンは、Ｄｙ３＋を含む、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
ことを特徴とする請求項１または２に記載の光ファイバ。
【請求項4】
前記第１の希土類金属イオンは、０．１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下の割合で含まれるＮｄ３＋、０．１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下の割合で含まれるＥｒ３＋、０．１ｍｏｌ％～１０ｍｏｌ％の割合で含まれるＴｍ３＋、または０．１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下の割合で含まれるＹｂ３＋のうち少なくとも何れか１種類を含む、
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光ファイバ。
ことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項5】
前記第２の希土類金属イオンは、０．１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下の割合で含まれるＤｙ３＋を含む、
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光ファイバ。
ことを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項6】
前記光ファイバの一端部に前記励起光が導入されると、他端部からＡＳＥ光が放出される、
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバ。
ことを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項7】
前記クラッドは、前記コアの外側に配置された第１のクラッドと、前記第１のクラッドの外側に配置された第２のクラッドと、を有し、
前記第１のクラッドに前記励起光が導入されると、前記コアの端部からＡＳＥ光が放出される、
ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の光ファイバ。
前記第１のクラッドに前記励起光が導入されると、前記コアの端部からＡＳＥ光が放出される、
ことを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の光ファイバ。
【請求項8】
前記励起光の波長は、７９０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である、
ことを特徴とする請求項６または７に記載の光ファイバ。
ことを特徴とする請求項６または７に記載の光ファイバ。
【請求項9】
請求項１から８の何れか１項に記載の光ファイバと、
前記光ファイバに前記励起光を照射する励起用光源と、
を備えることを特徴とするＡＳＥ光源。
前記光ファイバに前記励起光を照射する励起用光源と、
を備えることを特徴とするＡＳＥ光源。
【請求項10】
前記励起用光源から放出された前記励起光を前記光ファイバに伝送する伝送用光ファイバを備える、
ことを特徴とする請求項９に記載のＡＳＥ光源。
ことを特徴とする請求項９に記載のＡＳＥ光源。
【請求項11】
請求項７に記載の光ファイバと、
前記光ファイバに前記励起光を照射する励起用光源と、
前記励起用光源から放出された前記励起光を前記光ファイバの前記第１のクラッドに伝送する伝送用光ファイバと、
を備えることを特徴とするＡＳＥ光源。
前記光ファイバに前記励起光を照射する励起用光源と、
前記励起用光源から放出された前記励起光を前記光ファイバの前記第１のクラッドに伝送する伝送用光ファイバと、
を備えることを特徴とするＡＳＥ光源。
【請求項12】
前記光ファイバの端部は、前記伝送用光ファイバの端部に融着接続されている、
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のＡＳＥ光源。
ことを特徴とする請求項１０または１１に記載のＡＳＥ光源。
【請求項13】
前記光ファイバの一端部に前記励起光が導入され、前記光ファイバの前記一端部および他端部からＡＳＥ光が放出される、
ことを特徴とする請求項９から１１の何れか１項に記載のＡＳＥ光源。
ことを特徴とする請求項９から１１の何れか１項に記載のＡＳＥ光源。
【請求項14】
前記励起用光源と前記光ファイバの前記一端部との間に配置されたミラーを備え、
前記ミラーは、前記励起用光源から放出された前記励起光を透過し、前記ＡＳＥ光の波長領域の光を反射する、
ことを特徴とする請求項１３に記載のＡＳＥ光源。
前記ミラーは、前記励起用光源から放出された前記励起光を透過し、前記ＡＳＥ光の波長領域の光を反射する、
ことを特徴とする請求項１３に記載のＡＳＥ光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光ファイバおよびＡＳＥ光源に関する。
【背景技術】
【0002】
光ジャイロ、光通信、ガスセンサ、ファイバーブラッググレーティングを利用した各種光センサ、光コヒーレンストモグラフィーなどの光源として、光ファイバを媒質としたビーム品質が高い自然放出増幅（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）光源が用いられている。ＡＳＥ光源は、希土類金属イオン等を光ファイバに添加し、光ファイバに励起光を照射することで、自然放出光を増幅して出射する広帯域光源で、高輝度かつ出力安定性に優れ、コヒーレンスが低いという利点を有している。
【0003】
特許文献１は、エルビウム添加光ファイバの一方端に励起光源と、光アイソレータを介して出力端子を接続すると共に、他方端に反射体を接続したＡＳＥ光源であって、一方端側で発生する第１の光波長帯を有するＡＳＥ光が他方端に伝播した時に第２の光波長帯に変換される長さであることを特徴とする広帯域ＡＳＥ光源を開示する。この広帯域ＡＳＥ光源は、１５３０～１６００ｎｍの波長帯の光を放出する。
【0004】
近年では、可視域や近赤外域の通信波長帯に加えて、波長２μｍのＡＳＥ光源が用いられている。また、３μｍ帯の波長領域には、メタンなどの炭化水素、窒素酸化物、アンモニア、ホルムアルデヒドおよび水蒸気などの共鳴線が存在する。今後、潜在用途の豊富な３μｍ帯においてもＡＳＥ光源の需要が高まることが予想される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２００２－３２９９０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかしながら、引用文献１に開示された広帯域ＡＳＥ光源などでは、３μｍ帯の波長領域の光を放出することが困難である。このため、高い輝度かつ高い安定性を有し、３μｍ帯の波長領域の光を放出する光ファイバおよびＡＳＥ光源が求められている。
【0007】
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高い輝度かつ高い安定性を有し、３μｍ帯の波長領域の光を放出する光ファイバおよびＡＳＥ光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の目的を達成するため、本発明に係る光ファイバの一様態は、
コアとクラッドとを有する光ファイバであって、
前記コアは、
第１の希土類金属イオンと、
励起光を吸収した前記第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出する第２の希土類金属イオンと、を含む、
ことを特徴とする。
コアとクラッドとを有する光ファイバであって、
前記コアは、
第１の希土類金属イオンと、
励起光を吸収した前記第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出する第２の希土類金属イオンと、を含む、
ことを特徴とする。
【0009】
本発明の目的を達成するため、本発明に係るＡＳＥ光源の一様態は、
前記光ファイバと、
前記光ファイバに励起光を照射する励起用光源と、
を備えることを特徴とする。
前記光ファイバと、
前記光ファイバに励起光を照射する励起用光源と、
を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、コアが、第１の希土類金属イオンと、励起光を吸収した第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出する第２の希土類金属イオンと、を含むことで、高い輝度かつ高い安定性を有し、３μｍ帯の波長領域の光を放出することができる。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】本発明の第１の実施の形態に係るＡＳＥ光源を示す図である。
【図2】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバと伝送用光ファイバとを示す図である。
【図3】本発明の第１の実施の形態に係る光ファイバが自然放出増幅により光を増幅する原理を説明する図である。
【図4】本発明の第２の実施の形態に係るＡＳＥ光源を示す図である。
【図5】本発明の第３の実施の形態に係るＡＳＥ光源を示す図である。
【図6】実施例に係る光ファイバのＡＳＥスペクトルの長さ依存を示す図である。
【図7】実施例に係る光ファイバのＡＳＥスペクトルの励起光の強さ依存を示す図である。
【図8】実施例に係る光ファイバのＡＳＥ光の強度と励起光の関係を示す図である。
【図9】実施例に係る光ファイバのＡＳＥ光のビーム径と距離との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0012】
以下、本発明を実施するための形態に係る光ファイバおよび自然放出増幅（ＡＳＥ：Amplified Spontaneous Emission）光源について図面を参照しながら説明する。
【0013】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、図１に示すように、励起用光源１０と、光ファイバ２０と、伝送用光ファイバ３０と、レンズ４０と、を備える。ＡＳＥ光源１００は、励起用光源１０から放出された励起光ＥＬを自然放出増幅により増幅して、２．５μｍ～３．８μｍの波長領域の光を放出するものである。ＡＳＥ光源１００は、希土類金属イオンなどの広帯域な自然放出光が誘導放出によって増幅するものであり、光共振器による波長選択機構が無い点において、レーザと異なる。
第１の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、図１に示すように、励起用光源１０と、光ファイバ２０と、伝送用光ファイバ３０と、レンズ４０と、を備える。ＡＳＥ光源１００は、励起用光源１０から放出された励起光ＥＬを自然放出増幅により増幅して、２．５μｍ～３．８μｍの波長領域の光を放出するものである。ＡＳＥ光源１００は、希土類金属イオンなどの広帯域な自然放出光が誘導放出によって増幅するものであり、光共振器による波長選択機構が無い点において、レーザと異なる。
【0014】
励起用光源１０は、ＬＤ（Laser Diode）を備え、伝送用光ファイバ３０の一端部３０ａに接続されている。励起用光源１０は、ＬＤから放出されたレーザ光を励起光ＥＬとして伝送用光ファイバ３０に照射する。励起用光源１０から照射された励起光ＥＬは、伝送用光ファイバ３０を透過して光ファイバ２０に供給される。励起用光源１０が照射する励起光ＥＬの波長は、好ましくは、７９０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。
【0015】
光ファイバ２０は、コア２２とクラッド２３とを有し、励起用光源１０から照射された励起光ＥＬを吸収して誘導放出を起こすことで光を増幅して放出するものである。光ファイバ２０の長さは、特に限定されない。光ファイバ２０の長さの下限値は、好ましくは、０．３ｍであり、より好ましくは、０．５ｍである。光ファイバ２０が上記値より長いことで、十分なＡＳＥ光を得ることができる。光ファイバ２０の長さの上下値は、好ましくは、１０ｍであり、より好ましくは、５ｍである。光ファイバ２０が上記値より短いことで、後述する基底状態にあるＤｙ３＋の再吸収の影響で長波長側の出力が低下することを防ぐことができる。光ファイバ２０の一端部２０ａは、伝送用光ファイバ３０の他端部３０ｂに融着接続されている。光ファイバ２０の他端部２０ｂには、他端部２０ｂを保護し、潮解抑制パーツとしての機能するエンドキャップ２１が取り付けられている。エンドキャップ２１としては、ＣａＦ２を用いることが好ましい。また、この例では、図２に示すように、光ファイバ２０はダブルクラッドファイバであり、クラッド２３は、コア２２の外側に配置された第１のクラッド２４と、第１のクラッド２４の外側に配置された第２のクラッド２５と、を有する。
【0016】
コア２２は、母材と、母材に含まれる第１の希土類金属イオンと、励起光ＥＬを吸収した第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出する第２の希土類金属イオンと、を含む。第１の希土類金属イオンは、好ましくは、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、またはＹｂ３＋のうち少なくとも何れか１種類を含む。第２の希土類金属イオンは、好ましくは、Ｄｙ３＋を含む。コア２２の母材に含まれるＤｙ３＋の濃度は、０．１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。また、コア２２の母材に含まれるＮｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋またはＹｂ３＋の濃度は、それぞれ０．１ｍｏｌ％以上１０ｍｏｌ％以下であることが好ましい。例えば、コア２２は、１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下の含有率のＤｙ３＋と、１ｍｏｌ％以上５ｍｏｌ％以下の含有率のＥｒ３＋と、を含む。コア２２が、Ｄｙ３＋を０．１ｍｏｌ％以上含むことで、十分なＡＳＥ光を得ることができる。また、コア２２が、Ｄｙ３＋を１０ｍｏｌ％以下含むことで、基底状態にあるＤｙ３＋の再吸収の影響で長波長側の出力が低下することを防ぐことができる。また、コア２２が、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋またはＹｂ３＋を０．１ｍｏｌ％以上含むことで、十分なＡＳＥ光を得ることができる。また、コア２２が、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋またはＹｂ３＋を１０ｍｏｌ％以下含むことで、励起状態にあるＮｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋またはＹｂ３＋イオンからＤｙ３＋へ十分なエネルギー移動を生じさせることができる。なお、コア２２が、Ｄｙ３＋と、Ｅｒ３＋と、を有する場合、励起用光源１０が照射する励起光ＥＬの波長は、好ましくは、９７０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下である。コア２２が、Ｄｙ３＋と、Ｔｍ３＋と、を有する場合、励起光ＥＬの波長は、好ましくは、７９０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。コア２２が、Ｄｙ３＋と、Ｙｂ３＋と、を有する場合、励起光ＥＬの波長は、好ましくは、９００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。また、母材は、励起光ＥＬおよび２．５μｍ～３．８μｍの波長領域の光を吸収しないものであればよい。例えば、母材は、ＺＢＬＡＮ（ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＬａＦ３－ＡｌＦ３－ＮａＦ）ガラス、ＺＢＹＡ（ＺｒＦ４－ＢａＦ２－ＹＦ３－ＡｌＦ３）ガラス、ＡｌＦ３系ガラス、ＩｎＦ３系ガラスなどのフッ化物ガラス、Ｇｅ－Ｓｅ系、Ａｓ－Ｓｅ系、Ａｓ－Ｓ系、Ｇｅ－Ａｓ系などのカルコゲナイドガラスであってもよく、これらの混合物であってもよい。これらの中で、母材は、ＺＢＬＡＮガラスであることが好ましい。また、コア２２の直径Ｄ１は、例えば、１５μｍである。この場合、光ファイバ２０は、中赤外波長の光が単一のモードで伝送されるシングルモードファイバである。
【0017】
第１のクラッド２４は、励起用光源１０から放出された励起光ＥＬが通過する部分であり、コア２２より低い屈折率を有し、励起用光源１０から放出された励起光ＥＬの波長領域で光を吸収しない光学材料により作製される。第１のクラッド２４は、酸化物ガラス、フッ化物ガラス、テルライトガラス、カルコゲナイドガラスからなる群から選択される１つのガラスまたは２以上のガラスの混合物であってもよい。第２のクラッド２５は、第１のクラッド２４より低い屈折率を有する光学材料により作製される。また、第１のクラッド２４の直径Ｄ２は、例えば、２００μｍであり、第２のクラッド２５の直径Ｄ３は、例えば、４００μｍである。
【0018】
伝送用光ファイバ３０は、図１に示す励起用光源１０から放出された励起光ＥＬを光ファイバ２０に伝送するものである。伝送用光ファイバ３０の他端部３０ｂは、光ファイバ２０の一端部２０ａに融着接続されている。伝送用光ファイバ３０は、コア３１とコア３１の外側に配置されたクラッド３２とを有する。コア３１は、励起光ＥＬの波長領域で光を吸収しない光学材料により作製される。コア３１は、石英ガラスを含む酸化物ガラス、フッ化物ガラス、テルライトガラス、カルコゲナイドガラスからなる群から選択される１つのガラスまたは２つ以上のガラスの混合物により作製されるとよい。クラッド３２は、コア３１より低い屈折率を有する光学材料により作製される。コア３１の直径Ｄ４は、例えば、１０５μｍであり、クラッド３２の直径Ｄ５は、例えば、３００μｍである。伝送用光ファイバ３０のコア３１の直径Ｄ４が、光ファイバ２０のコア２２の直径Ｄ１より大きいことで、伝送用光ファイバ３０のコア３１を通過した励起光ＥＬは、光ファイバ２０の第１のクラッド２４に導入される。
【0019】
図１に示すレンズ４０は、光ファイバ２０の他端部２０ｂから放出されたＡＳＥ光をコリメートもしくは集光するものである。
【0020】
つぎに、以上の構成を有するＡＳＥ光源１００が、光ファイバ２０のコア２２にＤｙ３＋とＥｒ３＋を含む場合についてＡＳＥ光を放射する原理について説明する。なお、Ｅｒ３＋に代えてＮｄ３＋、Ｔｍ３＋またはＹｂ３＋を含む場合およびこれらの混合物を含む場合であっても同様である。
【0021】
光ファイバ２０のコア２２にＤｙ３＋とＥｒ３＋を含む場合、上述したように、励起光ＥＬの波長は、好ましくは、９７０ｎｍ以上９８０ｎｍ以下であり、より好ましくは、９７６ｎｍの波長を有するレーザ光である。図１に示す励起用光源１０から励起光ＥＬが放出されると、励起光ＥＬは、伝送用光ファイバ３０のコア３１を通過する。コア３１を通過した励起光ＥＬは、図３に示すように、光ファイバ２０の一端部２０ａから第１のクラッド２４に導入される。
【0022】
つぎに、第１のクラッド２４に導入された励起光ＥＬは、光ファイバ２０のコア２２に導入され、コア２２に含まれるＥｒ３＋を励起する。Ｅｒ３＋が励起されると、Ｅｒ３＋からＤｙ３＋にエネルギー移動が生じ、Ｄｙ３＋が励起される。Ｄｙ３＋が励起されると、誘導放出によりＤｙ３＋を起源とする発光が生じる。
【0023】
励起光ＥＬは、第１のクラッド２４を通過するため、光ファイバ２０の長手方向にわたって強い励起光ＥＬが存在する。誘導放出された光の進行につれて次々誘導放出が起こり、誘導放出により増幅され強いＡＳＥ光になる。図中ＡＳＥ光は、コア２２の外に示されているが、等方的に放出される自然放出光のうち、コア２２を伝搬する光が増幅され、ＡＳＥ光となる。以上のように、コア２２を通過した光は自然放出増幅により増幅され、光ファイバ２０の他端部２０ｂから強いＡＳＥ光として放出される。放出されたＡＳＥ光は、レンズ４０によりコリメートもしくは集光される。
【0024】
以上のように、本実施の形態の光ファイバ２０およびＡＳＥ光源１００は、コア２２にＤｙ３＋と、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋またはＹｂ３＋のうち少なくとも何れか１種類と、を含むことで、高い輝度かつ高い安定性を有し、３μｍ帯の波長領域の光を放出することができる。光ファイバ２０およびＡＳＥ光源１００の優位点として、これまで一般的なＬＤ励起では得ることのできなかったＤｙ３＋によるＡＳＥ出力を、コア２２にＥｒ３＋とＤｙ３＋を含む場合、Ｅｒ３＋からＤｙ３＋に生じるエネルギー移動現象を利用することで、９７６ｎｍの波長を有する安価で高出力なＬＤでのＤｙ３＋の励起が可能となることが挙げられる。また、励起波長が短くなったことで、クラッド励起が可能になり、繊細なコアｔｏコアカップリング技術が不要となる。これによって、極めて安価で小型、ロバストなシステムで、エルビウム系ＡＳＥ光源を遥かに凌駕するスペクトル特性の超広帯域光源が実現される。仮に、従来技術を用いてＥｒ：ＺＢＬＡＮファイバ励起のＤｙ系ファイバＡＳＥ光源を作製した場合、安く見積もっても数１００万円のコストが必要である。一方、本実施の形態のＡＳＥ光源１００を構築する場合、主要部品はＬＤ光源（出力２０Ｗ程度で１０万円前後）、ＺＢＬＡＮファイバー（５万円／ｍ）であり、パッケージ化を考慮しても３０万円程度で作製可能と見積もられる。さらに、今後最適化を進めることで、１０ｃｍ×１０ｃｍ程度まで小型化でき、１ｍＷ～１０ｍＷのＡＳＥ出力が得られるものと推測される。
【0025】
また、ＡＳＥ光源１００は、高輝度かつ出力安定性に優れ、コヒーレンスが低いという利点を有している。特に、ＡＳＥ光源１００はビーム品質が極めて高いため、ＦＢＧ（Fiber Bragg Gratings）を利用した各種光センサ、光コヒーレンストモグラフィー、光ジャイロ、光通信、ガスセンサなどの光源としての利用に適している。また、波長３μｍ近傍には炭化水素系の各種ガス分子、炭酸ガス、アンモニア、水蒸気など多くの分子の共鳴線が存在しており、ＡＳＥ光源１００はガスセンシングに適している。高ビーム品質で光ファイバとの結合が容易であるため、ファイバーセンサやＦＢＧを活用した光学デバイスとの相性が高い。また、本願発明者らは、point-by-point描画でのＺＢＬＡＮファイバ上へのＦＢＧ製造技術の開発に成功しており、中赤外ファイバ素子における透過・反射波長を精度よく制御することが可能である。近い将来、中赤外波長におけるＦＢＧセンシング技術が飛躍的に発展することが予想され、それに伴ってＡＳＥ光源１００への需要も高まるものと期待される。
【0026】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、第１の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００が備える光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０とが融着接続されているのに対して、光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０とが自由空間結合されている点で異なる。第２の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、図４に示すように、励起用光源１０と、光ファイバ２０と、伝送用光ファイバ３０と、レンズ４０、４１と、を備える。第２の実施の形態の励起用光源１０、光ファイバ２０、伝送用光ファイバ３０およびレンズ４０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。
第２の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、第１の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００が備える光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０とが融着接続されているのに対して、光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０とが自由空間結合されている点で異なる。第２の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、図４に示すように、励起用光源１０と、光ファイバ２０と、伝送用光ファイバ３０と、レンズ４０、４１と、を備える。第２の実施の形態の励起用光源１０、光ファイバ２０、伝送用光ファイバ３０およびレンズ４０は、第１の実施の形態と同様のものを用いる。
【0027】
レンズ４１は、光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０との間に配置され、伝送用光ファイバ３０の他端部３０ｂから放出された励起光ＥＬを光ファイバの一端部２０ａに集光するものである。これにより、光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０とは、自由空間結合される。光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０とを自由空間結合することで、光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０とを融着接続する場合に比べて容易に作成することが可能である。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。
【0028】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、第１および第２の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００が光ファイバ２０の他端部２０ｂのみからＡＳＥ光を放出するのに対して、光ファイバ２０の一端部２０ａからもＡＳＥ光を放出する点で異なる。第３の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、図５に示すように、励起用光源１０と、光ファイバ２０と、伝送用光ファイバ３０と、レンズ４０、４２、４３と、ミラー４４を備える。第３の実施の形態の励起用光源１０、光ファイバ２０、伝送用光ファイバ３０およびレンズ４０は、第１および第２の実施の形態と同様のものを用いる。
第３の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、第１および第２の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００が光ファイバ２０の他端部２０ｂのみからＡＳＥ光を放出するのに対して、光ファイバ２０の一端部２０ａからもＡＳＥ光を放出する点で異なる。第３の実施の形態に係るＡＳＥ光源１００は、図５に示すように、励起用光源１０と、光ファイバ２０と、伝送用光ファイバ３０と、レンズ４０、４２、４３と、ミラー４４を備える。第３の実施の形態の励起用光源１０、光ファイバ２０、伝送用光ファイバ３０およびレンズ４０は、第１および第２の実施の形態と同様のものを用いる。
【0029】
レンズ４２、４３は、光ファイバ２０と伝送用光ファイバ３０との間に配置され、伝送用光ファイバ３０の他端部３０ｂから放出された励起光ＥＬを光ファイバの一端部２０ａに集光するものである。
【0030】
ミラー４４は、レンズ４２とレンズ４３との間に配置され、励起光ＥＬの光軸方向に対して傾けて配置されている。例えば、ミラー４４は、励起光ＥＬの光軸方向に対して４５°傾けて配置される。また、ミラー４４は、伝送用光ファイバ３０の他端部３０ｂから放出された励起光ＥＬを透過し、ＡＳＥ光の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーである。光ファイバ２０の一端部２０ａから他端部２０ｂに進行するＡＳＥ光に加えて、他端部２０ｂから一端部２０ａに進行するＡＳＥ光も発生する。このため、ＡＳＥ光は、一端部２０ａからも放出される。一端部２０ａから放出されたＡＳＥ光は、ミラー４４に反射され外部に導かれる。光ファイバ２０の他端部２０ｂから放出されたＡＳＥ光は、出力光として用いられ、ミラー４４に反射されたＡＳＥ光は、リファレンスに用いられる。このようにすることで、出力光としてのＡＳＥ光の強度に変化があったとしても、ミラー４４に反射されたＡＳＥ光の強度で補正することが可能となる。このため、出力光としてのＡＳＥ光を分光用光源等に用いる場合などで精度を向上させることが可能となる。その他の効果は、第１の実施の形態と同様である。
【0031】
（変形例）
上述の実施の形態では、第１の希土類金属イオンとして、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、またはＹｂ３＋、第２の希土類金属イオンとして、Ｄｙ３＋を例示した。第１の希土類金属イオンおよび第２の希土類金属イオンは、これらに限定されず、第１の希土類金属イオンは、励起光ＥＬを吸収し第２の希土類金属イオンにエネルギー移動を生じるものであればよい。また、第２の希土類金属イオンは、第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出するものであればよい。
上述の実施の形態では、第１の希土類金属イオンとして、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、またはＹｂ３＋、第２の希土類金属イオンとして、Ｄｙ３＋を例示した。第１の希土類金属イオンおよび第２の希土類金属イオンは、これらに限定されず、第１の希土類金属イオンは、励起光ＥＬを吸収し第２の希土類金属イオンにエネルギー移動を生じるものであればよい。また、第２の希土類金属イオンは、第１の希土類金属イオンからエネルギー移動を生じることで、光を放出するものであればよい。
【0032】
また、上述の実施の形態では、光ファイバ２０が、シングルモードファイバである例について説明したが、光が多くのモードに分散して伝送されるマルチモードファイバであってもよい。光ファイバ２０がマルチモードファイバであることで、曲げに対して強くすることができる。
【0033】
また、上述の実施の形態では、光ファイバ２０が、ダブルクラッドファイバである例について説明したが、クラッドが１つのシングルクラッドファイバであってもよい。光ファイバ２０が、シングルクラッドファイバであることで、容易に製造することができる。
【0034】
また、上述の実施の形態では、励起用光源１０が、ＬＤを備える例について説明したが、励起用光源１０は、励起光ＥＬを照射できるものであればよく、発光ダイオードまたはハロゲンランプ等の光源であってもよい。
【実施例0035】
以下、Ｄｙ３＋と、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋、またはＹｂ３＋のうち少なくとも何れか１種類と、を含むコア２２を備える光ファイバ２０を代表して、ＺＢＬＡＮガラスをコア２２の母材とし、Ｄｙ３＋と、Ｅｒ３＋と、を含む光ファイバ２０およびこの光ファイバ２０を用いたＡＳＥ光源１００の効果を実証した。この実施例は、本開示の一実施態様を示すものであり、本開示は何らこれらに限定されるものではない。
【0036】
予備実験により、最適な添加濃度をＥｒ３＋３ｍｏｌ％、Ｄｙ３＋１ｍｏｌ％と決定し、ＺＢＬＡＮガラスで作製されたコア２２にＥｒ３＋３ｍｏｌ％およびＤｙ３＋１ｍｏｌ％を添加した実施例１～３の丸形断面を有するダブルクラッド型の光ファイバ２０を作成した。また、図４に示すＡＳＥ光源１００を、励起用光源１０と、実施例１～３の光ファイバ２０と、直径１０５μｍのコアを有する伝送用光ファイバ３０と、を用いて作製した。実施例１～３の光ファイバ２０のコア２２の直径は１５μｍ、第１のクラッドの直径は２００μｍであった。実施例１の光ファイバ２０の全長は０．５ｍ、実施例２の光ファイバ２０の全長は１．１ｍ、実施例３の光ファイバ２０の全長は４．１ｍとした。励起用光源１０には、９７６ｎｍの励起光ＥＬを照射するＬＤを用いた。また、伝送用光ファイバ３０のコアと、実施例１～３の光ファイバ２０の第１のクラッドと、を自由空間結合した。寄生発振を防ぐため、実施例１～３の光ファイバ２０の一端部２０ａおよび他端部２０ｂは角度をつけて切断しており、他端部２０ｂから光を取り出してスペクトル等を測定した。
【0037】
図６に、実施例１～３の光ファイバ２０のＡＳＥスペクトルを示す。参考のため、ファイバの吸収スペクトルも記載した。光ファイバ２０の全長が長くなると、基底状態にあるＤｙ３＋の再吸収の影響で長波長側の出力が著しく低下した。そのため、双方向励起、光ファイバ２０の全長の短縮、コア２２の直径の増加などによって強励起条件を満たすことで、ＡＳＥ出力の最適化が可能と考えられる。
【0038】
つぎに、長さ０．５ｍの実施例１の光ファイバ２０に対して励起光ＥＬを１．５Ｗおよび５．２Ｗのパワーで照射した時のＡＳＥスペクトルを図７に示す。励起光ＥＬのパワーによってスペクトル形状が異なっていることからも、これが自然放出光（蛍光）ではなくＡＳＥ光であることが実証された。光ファイバ２０の長さ０．５ｍのとき、波長２６００ｎｍ～３８００ｎｍにおいてＡＳＥ光が出力していることが確認された。
【0039】
つぎに、長さ０．５ｍの実施例１の光ファイバ２０を用いて、励起光ＥＬのパワーとＡＳＥ光の強度との関係を測定した。測定結果を図８に示す。励起光ＥＬのパワーを大きくするとＡＳＥ光の強度が大きくなることがわかった。
【0040】
つぎに、実施例１の光ファイバ２０から出力されたＡＳＥ光をレンズ４０で絞り、ビームウェスト近傍におけるビーム半径を測定した。測定位置に対してビーム径をプロットしたものを図９に示す。この結果に対して、非線形曲線フィッティングを行った結果、エムスクエア（Ｍ２）が水平方向で約１．１、垂直方向で約１．３であることがわかった。
【0041】
以上のように、光ファイバ２０は、コア２２にＤｙ３＋と、Ｅｒ３＋とを含むことで、波長２６００ｎｍ～３８００ｎｍにおいてＡＳＥ光を出力できることがわかった。また、光ファイバ２０の長さまたは励起光ＥＬのパワーを調整することで、ＡＳＥ光の強度およびＡＳＥスペクトルの形状が変化することもわかった。また、光ファイバ２０は、高いビーム品質のＡＳＥ光を得られることがわかった。また、実施例１～３で用いたＥｒ３＋に限らず、Ｄｙ３＋へのエネルギー移動が生じる希土類元素を用いれば、同様にＡＳＥを出力できると考えられ、Ｅｒ３＋の代わりにＮｄ３＋、Ｔｍ３＋またはＹｂ３を用いても同様の効果が予想される。また、Ｄｙ３＋、Ｎｄ３＋、Ｅｒ３＋、Ｔｍ３＋またはＹｂ３などの希土類金属イオンは、内殻軌道の電子遷移によって光吸収することから、吸収波長帯の母材依存が少ないため、光ファイバ２０を作製する材料としてＺＢＬＡＮガラス以外の材料を選択することも可能であると考えられる。
【0042】
本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。
【符号の説明】
【0043】
１０…励起用光源、２０…光ファイバ、２０ａ、３０ａ…一端部、２０ｂ、３０ｂ…他端部、２１…エンドキャップ、２２、３１…コア、２３、３２…クラッド、２４…第１のクラッド、２５…第２のクラッド、３０…伝送用光ファイバ、４０～４３…レンズ、４４…ミラー、１００…ＡＳＥ光源、Ｄ１～Ｄ５…直径、ＥＬ…励起光
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】