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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2019年12月26日
【発行日】2020年6月25日
(54)【発明の名称】光ファイバ出力光源装置
(51)【国際特許分類】
   H01S 3/067 20060101AFI20200529BHJP
   H01S 3/08 20060101ALI20200529BHJP
   G02F 1/365 20060101ALI20200529BHJP
   H01S 3/10 20060101ALI20200529BHJP
【FI】
   H01S3/067
   H01S3/08
   G02F1/365
   H01S3/10 D
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】24
【出願番号】特願2020-507120(P2020-507120)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2019年6月21日
(31)【優先権主張番号】特願2018-117929(P2018-117929)
(32)【優先日】2018年6月21日
(33)【優先権主張国】JP
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
(71)【出願人】
【識別番号】000125347
【氏名又は名称】学校法人近畿大学
(71)【出願人】
【識別番号】501392361
【氏名又は名称】株式会社 オプトクエスト
(74)【代理人】
【識別番号】100118924
【弁理士】
【氏名又は名称】廣幸 正樹
(72)【発明者】
【氏名】吉田 実
(72)【発明者】
【氏名】多久島 裕一
(72)【発明者】
【氏名】王 暁民
(72)【発明者】
【氏名】関口 翔大
【テーマコード(参考)】
2K102
5F172
【Fターム(参考)】
2K102BA20
2K102BB03
2K102BC02
2K102BD09
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2K102EB11
2K102EB12
2K102EB16
2K102EB20
5F172AF03
5F172AF04
5F172AF05
5F172AG07
5F172AM08
5F172EE13
5F172NN16
5F172NQ32
5F172NQ48
5F172NQ61
5F172NR21
5F172ZA04
(57)【要約】
光ファイバや光部品の波長依存特性測定用として重要なデバイスである白色光源として、従来提案されていたファイバレーザーは、高安定性かつ高輝度性において、高精度の測定器に対して十分な特性を有しているとはいえなかった。
増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、前記光路の一端に接続された90°偏波回転反射器と、前記光路の他端に接続された単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、前記光路中に挿設された合波器と、前記合波器に接続された励起用光源を有することを特徴とする光ファイバ出力光源装置は、これまでにない強度安定性を有しており、白色光源として十分な性能を発揮できる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、
前記光路の一端に接続された90°偏波回転反射器と、
前記光路の他端に接続された単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、
前記光路中に挿設された合波器と、
前記合波器に接続された励起用光源を有することを特徴とする光ファイバ出力光源装置。
【請求項2】
前記90°偏波回転反射器はファラデー回転鏡であることを特徴とする請求項1に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項3】
前記光路で使用される光ファイバは、すべて偏波面保存能力を有さないファイバのみで構成されていることを特徴とする請求項1または2の何れかに記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項4】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの出射口には反射防止器が備えられていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項5】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの後段にさらに高非線形ファイバを接続したことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項6】
前記高非線形ファイバは、前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの出射口から出射されるレーザー光の有効スペクトル内における分散値の範囲が、零分散を中心に、−1から3[ps/(nm・km)]の範囲となる領域を有していることを特徴とする請求項5に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項7】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
偏波ビームスプリッタと、
前記偏波ビームスプリッタの入射面側に配置されたレンズと、
前記偏波ビームスプリッタの反射面側に配置された反射鏡と、
前記偏波ビームスプリッタの透過面側に配置されたレンズを有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項8】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
複屈折プリズムと、
前記複屈折プリズムの入射面側に配置されたレンズと、
前記複屈折プリズムの透過面の一部に配置された反射鏡を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項9】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
二本のファイバが溶融延伸され、偏波分離特性が発現している溶融延伸型光ファイバカプラで構成されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光ファイバ出力光源装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
白色光源は、光ファイバや光部品の波長依存特性測定用として重要なデバイスである。従来、白色光源を得るためにハロゲンランプなどの光をファイバに集光してファイバ出力化していた。しかしながらファイバのコア径は10μm前後であり、ハロゲンランプに利用されているフィラメント表面の輝度の制約から、高い光出力を得ることができなかった。
【0003】
高い光出力を得るために、ファイバ内に希土類元素などをドーピングしてそれを半導体レーザーにより励起するファイバレーザーが存在するが、ファイバレーザーはスペクトル幅が狭いため、白色光源の代用にはならない。
【0004】
他方、レーザー発振する直前まで励起をして誘導増幅を若干生じている蛍光成分をファイバから取り出すASE(Amplified Spontaneous Emission)光源が存在している。
【0005】
特許文献1では、光増幅器と非線形光媒質とを用いて短パルス光源を多波長化する場合に、光増幅器により生じていた雑音成分(ASE光成分)を低減する技術が開示されている。具体的には、ASE光成分を光増幅器と非線形光学媒質との間に介在させる。
【0006】
また、最近の技術としてファイバ内で発生させたパルスを高い非線形光学効果を持つフォトニックバンドギャップファイバ等に入射させることによって広帯域化する手法(SC(Super Continuum)光源)が実用化されている。
【0007】
特許文献2には、ピコ秒以下の超短パルスレーザー光発生装置から出射される基本波パルスを、非線形光学物質を通して、自己位相変調効果を利用することで広帯域化する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】特開2007−178681号公報
【特許文献2】特開2001−083558号公報
【非特許文献】
【0009】
【非特許文献1】M. Martinelli, “A universal compensation for polarization changes indeced by birefringence on a retracing beam,” Opt. Commun., vol. 72, no. 6, pp. 341−344, 1989
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
しかし、特許文献1などで示されているASE光源では、ファイバ出力とすると白色光源として利用するには、十分に高いものとはいえなかった。また、特許文献2などで開示されているSC光源はオクターブを超えるスペクトル幅を得られるものの、非線形光学効果が入射パルスの揺らぎによって変動するため、安定な光源とすることが困難であった。つまり、広帯域化あるいは高輝度化すると不安定な光源となっていたため、高精度な評価を実施することが難しかった。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明は、上記の課題を解決するために、高安定かつ高輝度な広帯域光源を提供することを本発明の目的としている。
【0012】
より具体的に本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、
増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、
前記光路の一端に接続された90°偏波回転反射器と、
前記光路の他端に接続された単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、
前記光路中に挿設された合波器と、
前記合波器に接続された励起用光源を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【0013】
本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、レーザー発振が困難となる光学系において非線形光学効果が発生した場合においてのみレーザー発振が可能となる様に構成しているので、強いレーザー発振時にのみパルスが発生する。このパルスは100fs程度の極めて短いパルスのバンチ(集団)であるため、多くの短パルスの集団が発生させる非線形性により広帯域なスペクトル特性を得ることができる。結果、安定な広帯域高強度の光源を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
図1】本発明に係る光ファイバ出力光源装置の構成を示す図である。
図2】単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの内部構成を示す図である。
図3】本発明に係る光ファイバ出力光源装置の基本的な動作を説明する図である。
図4】本発明に係る光ファイバ出力光源装置が発振する場合の動作を説明する図である。
図5】他の構成の単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの内部構成を示す図である。
図6】光ファイバ出力光源装置の出力スペクトル特性を示すグラフである。
図7】光ファイバ出力光源装置の出力の波形特性を示すグラフである。
図8】共振器に、高非線形ファイバを接続した場合の出力の波形特性を示すグラフである。
図9】高非線形ファイバを用いて得られるSC光のスペクトルの時間安定性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下に本発明に係る光ファイバ出力光源装置について図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明は以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。
【0016】
図1に本発明に係る光ファイバ出力光源装置1の構成を示す。光路10は、分散補償用光ファイバ(DCF:Dispersion Compensating Fiber)12と、増幅用光ファイバ14が連結されて構成される。そして、光路10中には、合波器16が挿設されている。分散補償用光ファイバ12は、光路10中のどこにあってもよい。また、分散補償用光ファイバ12は、光路10中の複数個所にあってもよい。合波器16と増幅用光ファイバ14の間に分散補償用光ファイバがあってもよい。
【0017】
増幅用光ファイバ14は、Er(エルビウム)、Pr(プラセオジウム)、Tm(ツリウム)といった希土類が添加された光ファイバが好適に利用できる。エルビウム含有光ファイバ(EDF:Erbium Doped optical Fiber)は、好適に利用できる。
【0018】
合波器16は、光路10に励起用の光を入れるカプラである。合波器16には励起用光源18が接続される。励起用光源18はレーザーダイオードを好適に利用することができる。
【0019】
光路10を構成する分散補償用光ファイバ12と、増幅用光ファイバ14は、横単一モードファイバのみで構成されている。これらのファイバは、マルチモードファイバを使用していないので完全な横単一モードで動作している。なお、光ファイバ出力光源装置1では、偏波面保存ファイバは利用していない。偏波面保存ファイバは、単一モードファイバ中に存在する2つの直交する偏波面のモードにおいて、モード間に伝搬定数差を設け、ファイバ中の偏波面をファイバの断面内で固定する機能を有するファイバである。したがって、本発明が目的とする非線形光学効果による偏波面の回転を利用したパルス発振に、偏波面保存ファイバを用いるとレーザー発振が発生しなくなるからである。
【0020】
また、本発明ではファイバの敷設(設置)状態に依存した曲げ方や側圧並びに温度変化などにより生じる偏波面の変動(不安定な揺らぎ)に対して自己補償可能な構成となっている。そのため、そもそも偏波面保存ファイバを利用する必要が無い。これは、光ファイバ出力光源装置1の自己補償能力は、90°偏波回転反射器22の効果によるものである。
【0021】
光路10の一端には、90°偏波回転反射器22が設けられている。90°偏波回転反射器22は、入射光と反射光の偏波面が90°回転する反射器である。若しくは、90°偏波回転反射器22は、反射器と同等の効果を得ることができる手段を含む複数の構成要素であってもよい。例えば、90°偏波回転反射器22は、ファラデー回転鏡が好適に利用することができる。
【0022】
また、90°偏波回転反射器22は、ファラデー回転鏡に限定されるものでもない。例えば、後述する単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の入射口20aから90°偏波回転反射器22の位置に置いた反射鏡までの間に使用しているファイバが生じさせる複屈折に起因する偏波を調整する光学系を用いて同様の効果を得る構成は、90°偏波回転反射器22として利用することができる。
【0023】
より具体的には、まず90°偏波回転反射器22を通常の誘電体多層膜ミラーに置き換える。そして、入射口20aから該誘電体多層膜ミラーの入射端に相当するファイバが生じさせる複屈折を補償し、反射光が単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20に戻る際に偏波が直線状態を維持したまま90°回転するように設定する。なお、誘電体多層膜ミラーは、金属蒸着膜ミラー等でもよい。
【0024】
さらに、該誘電体多層膜ミラーから反射した光が単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20内部の偏波ビームスプリッタ44(図2参照)内部の反射面44rで反射されること無く透過し、出射口20bに高い割合で出力されるように、波長板などを用いて偏波状態を調整する。90°偏波回転反射器22としてこのような構成を利用しても、ファラデー回転鏡を用いた場合と同様の作用を得る事が可能となり、パルス発振が可能となる。
【0025】
光路10の他端には、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20が設けられている。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20は、直交する2つの偏波面のうち、一方の偏波面を持つ光だけを反射させ、他方の偏波面を持つ光は透過させる。したがって、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20は、入射口20aと出射口20bを有する。光路10は、入射口20aに接続されている。
【0026】
合波器16は増幅用光ファイバ14に対して、励起光は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20を接続している側、あるいは90°偏波回転反射器22を接続している側のどちらから送られてもよい。しかし、図1に示すように、励起光は、90°偏波回転反射器22に接続された増幅用光ファイバ14に向けて送られるのが最も好適である。
【0027】
単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20、光路10、偏波面を90°回転する90°偏波回転反射器22で共振器32が形成される。共振器32は本発明に係る光ファイバ出力光源装置1の最小構成である。
【0028】
単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の出射口20bには、光ファイバ24が接続される。光ファイバ24には反射防止器26が設けられる。光ファイバ24は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20から後段へ一方向にのみ光を通過させる。なお、ここで「後段(以下同じ)」とは、その構成要素より出力方向の構成を言う。
【0029】
反射防止器26は、共振器32外部から反射光が戻ることを防ぐ反射防止のための手段である。反射防止器26は、アイソレータといったデバイスだけでなく、射光口28の出射端のコネクタ端面を斜め研磨にする、若しくは射光口28の出射端のコネクタ端面に無反射コーティングを施すといった手段であってもよい。
【0030】
すなわち、このような措置が射光口28に施してあれば、反射防止器26を有しているといってよい。また、これは単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の出射口20bに反射防止器26が備えられるといってよい。また、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20が、反射防止器26と同等の機能を内部に有していてもよい。
【0031】
反射防止器26の端部には、射光口28が形成される。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の出射側では、既に本発明に係る光ファイバ出力光源装置1が目的とする光パルスが完成している。したがって、光ファイバ24には、光ファイバ出力光源装置1の使用目的に応じて所望の光ファイバを用いてよい。例えば、偏波面保存ファイバなどのようなファイバを用いてもよい。
【0032】
なお、共振器32の後段には、フォトニクス結晶ファイバ等の高非線形ファイバ30を接続してもよい。また高非線形ファイバ30は、反射防止器26の後段に接続してもよい。後述する実施例に示すように本発明に係る光ファイバ出力光源装置1は、広い波長に渡って安定した出力のスペクトルを示す。したがって、光ファイバ出力光源装置1の出力光を高非線形ファイバ30に通せば、さらにスペクトル帯域が広い光を安定に出力できる光源を得ることができる。なお、光ファイバ24は、横単一モードファイバ以外の光ファイバを利用してもよい。
【0033】
特に高非線形ファイバ30には、分散の小さいゼロ分散の特性を有する高非線形ファイバを接続することで、共振器32が発生できる広帯域のスペクトル光を、より広帯域のスペクトル(SC(Super Continuum)光)として取り出すことができる。
【0034】
より具体的に本発明における「高非線形ファイバ(30)」とは、共振器32から出力されるレーザー光の有効スペクトル内において、分散値の範囲が零分散を中心に、−1から最大でも3[ps/(nm・km)]の範囲にある領域が存在するものである。さらに、より好ましくは、「高非線形ファイバ(30)」とは、0から1[ps/(nm・km)]の範囲の領域が存在するファイバである。
【0035】
また、「高非線形ファイバ(30)」は、有効スペクトル内において、分散フラットであることが望ましい。好適には±0.1[ps/(nm・km)]以下であれば、スペクトルの拡張が可能である。
【0036】
ここで、有効スペクトルとは、共振器32から出力されるレーザー光のスペクトルの包絡線を求め、包絡線の最大値から−30dBの波長幅をいう。なお、有効スペクトル内には光のない波長域があってもよい。なお、上記の分散値の範囲を有する領域とは、有効スペクトル内において、光が存在する領域(波長領域)であるのは言うまでもない。
【0037】
また、光ファイバ入出力となる単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20、合波器16、反射防止器26などは、これらの部品にあらかじめファイバが取り付けられ、そのファイバに分散補償用光ファイバ12や増幅用光ファイバ14を融着接続やコネクタ接続といった手段を用いて接続されていてもよい。
【0038】
図2には、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の内部構成を示す。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20は、入射レンズ40と、出射レンズ42と、偏波ビームスプリッタ44と、反射鏡46を有する。入射レンズ40は、入射口20aの直後に配置される。言いかえると、入射レンズ40は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20内において、光路10の他端にあたる分散補償用光ファイバ12に光学的に対向する位置に配置される。
【0039】
出射レンズ42は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20内であって、出射口20bの直前に配置される。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の内部の入射口20aならび出射口20bに相当する光ファイバ端面には、端面の空気との界面で発生するフレネル反射を防止するような無反射処理が施されている。不用意に想定外のレーザー共振器が構成されないようにするためである。
【0040】
偏波ビームスプリッタ44は、入射レンズ40と出射レンズ42との間に配置される。偏波ビームスプリッタ44は、内部に特定偏波面だけを通過させる反射面44rを有する。また、偏波ビームスプリッタ44は、光を入射させる入射光面44aと、特定の偏波面の光だけが出射される透過光面44bと、透過した光と偏波面が90°回転している光を出射させる反射光面44cをも有する。
【0041】
偏波ビームスプリッタ44は、入射光面44aを入射レンズ40に対向させ、透過光面44bは出射レンズ42に対向する姿勢で配置される。また、反射光面44cに対向して反射鏡46が配置される。反射鏡46は高反射ミラーが好適に利用できる。
【0042】
以上の構成を有する光ファイバ出力光源装置1の動作について説明する。まず、図2を参照して、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の動作について説明する。入射口20aには、光路10から光が入る。この光LB1は、直交する偏波面を有する。これをS波とP波とする。S波は偏波ビームスプリッタ44の反射面44rの法線と光進行方向を含む入射面内で振動する偏波であり、P波は入射面に対して直角な面内で振動する偏波である。図2では、LB1(S,P)と記載した。
【0043】
入射レンズ40によって光はアフォーカルに広げられ、平行光線となる。そして、入射光面44aから偏波ビームスプリッタ44に入射される。偏波ビームスプリッタ44に入射された光のうち一方の偏波面の光は、偏波ビームスプリッタ44の反射面44rを透過し、透過光面44bから出射される。今透過できる偏光はP波であるとする。光LB3(P)は出射レンズ42によって集光され、出射口20bから出射される。
【0044】
一方、S波は、反射面44rで反射され、反射光面44cから出射される。これを光LB2(S)と記載した。反射鏡46が、反射光面44cに対向して配置されているので、S波は、反射され、反射光面44cから再び偏波ビームスプリッタ44に入射される。光LB4(S)は、再び反射面44rで反射され、入射光面44aから出射され、光路10を戻る(光LB5(S))。なお、反射鏡46は、蒸着などの手法により反射光面44cの表面に構成されていてもよい。
【0045】
以上のように、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20は、直交する偏波面のうち、一方を透過させ、他方を反射して光路10に返す。
【0046】
図3には、光ファイバ出力光源装置1の基本的な動作を示す。励起用光源18からの励起光L1は、通常単一偏波の半導体レーザー等が利用できる。この励起光L1は、増幅用光ファイバ14を励起して、他の波長の蛍光L2(P,S)に変換されるので、励起光L1の偏波状態は以下に述べる蛍光の発生ならびにパルス化の機序に影響を与えない。蛍光L2(P,S)の偏波面は特定の偏波を持たず、無偏波である。しかしここでは、説明のために反射面44rに対するP波とS波を記載しておく。
【0047】
蛍光L2(P,S)は、90°偏波回転反射器22によって反射される(蛍光L3(S,P))。この時偏波面は90°回転している。蛍光L3(S,P)は、増幅用光ファイバ14および分散補償用光ファイバ12を経て、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20に入射される(蛍光L4(S,P))。
【0048】
この際、蛍光L4(S,P)は、初期に増幅用光ファイバ14により発生し、90°偏波回転反射器22によって反射された蛍光成分を増幅用光ファイバ14による誘導放出により増幅された成分と増幅用光ファイバ14において新たに追加された蛍光を含む。そこで、蛍光L4(S,P)以後を誘導光と称する。
【0049】
単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20では、上記に説明したように、P波は透過し(誘導光L6(P))、S波は反射して(誘導光L5(S))、再び光路10に戻される(誘導光L7(S))。
【0050】
誘導光L7(S)は、再度光路10を戻り増幅用光ファイバ14で増幅された後に、90°偏波回転反射器22に入力される(誘導光L8(S))。誘導光L8(S)は90°偏波回転反射器22で偏波面が再び90°回転し、P波となる(誘導光L9(P))。
【0051】
誘導光L9(P)は、光路10を通り増幅用光ファイバ14で再び増幅された後に単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20に入射される(誘導光L10(P))。この誘導光L10(P)はP波なので、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20を透過し(誘導光L11(P))、射光口28から放射される。
【0052】
以上のように、本発明に係る光ファイバ出力光源装置1は、誘導光がすべて単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20を透過し射光口28から放出されるので、基本的にはレーザー発振しにくい構造である。
【0053】
次に図4を参照する。図3で示したように、本発明に係る光ファイバ出力光源装置1は、基本的にはレーザー発振はしにくい構造である。しかし、光路10が光ファイバで構成されているので、非線形光学効果が発生し、非線形光学効果の発生していない状態におけるS波あるいはP波の偏波状態からずれた偏波面を有する光が存在する。この偏波面のずれは、光パワーが高くなるほど強く発生する。この結果、図3の構成であってもレーザー発振が生じる。
【0054】
励起用光源18からの励起光L1は、合波器16から光路10に導入される。励起光L1は、半導体レーザー等が利用され、通常利用される単一偏波のものであってよい。励起光L1は、増幅用光ファイバ14を励起させ、他の波長の蛍光(自然放出光)L2(P,S)に変換される。蛍光L2(P,S)の偏波面は無偏波状態であり偏光度は無(零)である。
【0055】
蛍光L2(P,S)は、90°偏波回転反射器22によって反射される(蛍光L3(S,P))。この時偏波面は90°回転している。蛍光L3(S,P)は、増幅用光ファイバ14および分散補償用光ファイバ12を経て、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20に入射される(誘導光L4(S,P))。
【0056】
この際、蛍光L4(S,P)は、初期に増幅用光ファイバ14により発生し、90°偏波回転反射器22によって反射された蛍光成分を増幅用光ファイバ14による誘導放出により増幅された成分と増幅用光ファイバ14において新たに追加された蛍光を含む。そこで蛍光L4(S,P)以後を誘導光と称する。
【0057】
単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20では、P波(誘導光L6(P))は透過する。しかし、誘導光L4(S,P)に含まれるS波は、反射面44rで反射され(誘導光L5(S))、反射鏡46により反射し、再び反射面44rで反射して光路10に戻される(誘導光L7(S))。ここで、反射され光路10に戻る光にP波は含まれていない。
【0058】
誘導光L7(S)は、再度光路10を戻り、増幅用光ファイバ14において増幅された後90°偏波回転反射器22に入力される(誘導光L8(S,(P)))。この際、誘導光L8(S,(P))には光路10内で生じる非線形光学効果の影響により、強度の強い光の成分が偏波の回転を生じ、(P)波成分を有するようになる。誘導光L8(S,(P))は90°偏波回転反射器22で偏波面が再び90°回転し、S波はP波となり、反射された(P)波は(S)波となる(誘導光L9(P,(S))。
【0059】
誘導光L9(P,(S))は光路10を通り再び増幅用光ファイバ14によって増幅され、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20に入射される(誘導光L10(P,(S)))。この誘導光L10(P,(S))は、増幅用光ファイバ14により増幅されているため、光強度の強い成分はL8(S,(P))よりもさらに強い非線形光学効果を受けて、より大きく偏波が回転し、(S)偏波成分を発生する。
【0060】
増幅された(誘導光L10(P,(S))のうち、P波は単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20を透過し(誘導光L12(P))、射光口28から放射される。一方、(P)波に直交する成分である(S)波は共に再び反射され光路10に戻る(誘導光L13(S))。
【0061】
誘導光L11(S)は、誘導光L5(S)よりも増幅されており、その結果、誘導光L13(S)は誘導光L7(S)よりも強度が高くなり、時間幅も狭くなる。
【0062】
以上の工程によって、(P)波と(S)波を有していた蛍光成分は光路10の往復を繰り返しながら強度揺らぎを強めてゆく。
【0063】
さて、誘導光L13(S)は、90°偏波回転反射器22に到達するまでの間に増幅用光ファイバ14により増幅され、さらに強く非線形光学効果の影響を受ける。
【0064】
すなわち、強度の強い成分はより強く非線形光学効果を受け、誘導光L13(S)は、強度の強い成分は偏波の回転による(P)成分をより強く発生させている。一方、強度の弱い成分は(S)偏波から大きく変化しない。反射面44rでは、強度の弱い成分は反射されにくい。したがって、強度の弱い成分は、偏波ビームスプリッタ44の反射面44rおよび反射鏡46による反射を受けられず、光路10に再入射される成分は強度の高い成分よりも相対的に低くなる。
【0065】
この効果により、強度の強い誘導光成分はより強くなる。増幅用光ファイバ14は、入射される被増幅光、すなわちここで言う誘導光の強度が高くなると、利得が飽和し、共振器32(図1参照)内の損失と利得が平衡する。そのため、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20による反射の効果を十分に得られない強度の低い誘導光成分は、損失が高くなり、利得よりも損失が高くなるため相対的に減衰する。この結果、誘導光成分の高強度な成分のみが、選択的に繰り返し増幅されて短パルスに成長する。
【0066】
この作用を繰り返すことにより、光の強度変化が強調され、最終的には光学系全体が発生しうる最も強い光が共振器32内に残るようになり反射鏡46と90°偏波回転反射器22の間でレーザー共振が成立し、パルスの発振が継続的に生じることとなる。
【0067】
90°偏波回転反射器22で反射された光は、強度揺らぎを強調するための重要な役割を果たす。しかしそれだけでなく、90°偏波回転反射器22は、反射時に往路と復路で(S)波と(P)波を入れ替える。そのため、往路で(S)波が受けた、ファイバの温度変化や変形に起因するファイバの複屈折に起因した線形な偏波揺らぎを復路において(P)波が受ける。同様に(P)波が受けた往路の偏波揺らぎを復路で(S)波が受ける。
【0068】
その結果、共振器32は、線形な偏波の揺らぎに対しては、補償されている。言い換えると、共振器32では、相反な偏波変動といった作用はキャンセルされる(非特許文献1)。すなわち、一度共振器32内で発振が生じた場合は、その発振はファイバの温度変化や変形に起因するファイバの複屈折に起因した線形な偏波揺らぎに対してきわめて頑強といえる。
【0069】
この効果により、本発明に係る光ファイバ出力光源装置1の共振器32装置は環境変化や振動などに対する耐力が高く、無調整で安定な発振を得られるロバスト性の高いレーザー発振が可能となる。
【0070】
また、誘導放出によりパルスが増幅されると、パルスのエネルギーは高くなり、共振器32内を往復してパルス幅を狭めながら増幅を繰り返す。パルス幅が狭くなるとフーリエ変換の関係にあるパルスのスペクトル幅は広がる。そして、パルスのエネルギーが飽和して安定すると、パルス幅が狭く、かつスペクトル幅の広いパルスによって構成されたバンチが安定して出力されるようになる。
【0071】
非線形光学効果による偏波の回転は、90°偏波回転反射器22による偏波回転効果を90°からずらすことになる。そのため、反射面44rにおいて完全な(P)波とはならなかったパルス成分に含まれている(S)波成分が、反射鏡46で反射され再び光路10に戻される。またそれと共に、光路10に戻されなかった残りの(P)波成分は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20を通過し、射光口28から出射される。結果、パルス長がフェムト秒単位の短パルスレーザー光を射光口28から得ることができる。
【0072】
誘導光は、単一波長で発振しているが、短パルス化することで、周波数帯域が広がる。本発明に係る光ファイバ出力光源装置1では、後述する実施例で示すように、100nm以上の帯域のパルス発光を得ることができる。
【0073】
図5には、他の構成の単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの内部構成を示す。これを単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ50とする。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ50は、入射レンズ60と、出射レンズ62と、複屈折プリズム64と、反射鏡66を有する。入射レンズ60は、入射口60aの直後に配置される。言いかえると、入射レンズ60は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ50内において、光路10の他端にあたる分散補償用光ファイバ12に光学的に対向する位置に配置される。
【0074】
出射レンズ62は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ50内であって、出射口60bの直前に配置される。
【0075】
複屈折プリズム64は、入射レンズ60と出射レンズ62との間に配置される。複屈折プリズム64は、光を入射させる入射光面64aと、透過した光が出射される透過光面64bを有する。
【0076】
複屈折プリズム64は、入射光面64aを入射レンズ60に対向させ、透過光面64bは出射レンズ62に対向する姿勢で配置される。透過光面64bにおいて、複屈折プリズム64の光軸から、通常光線が透過する部分を遮るように反射鏡66が配置される。反射鏡66は高反射ミラーが好適に利用できる。
【0077】
このように構成された単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ50も、図2で説明した単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20と同様の機能を有する。すなわち、複屈折プリズム64の通常光線Lnrと異常光線Labは、偏光方向が違うことによって生じる。
【0078】
したがって、異常光線Labは出射口60bから出射され、通常光線Lnrは反射され光路10に戻る。したがって、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20を単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ50に置き換えても、本発明に係る光ファイバ出力光源装置1とすることができる。
【0079】
また、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20は、二本のファイバが溶融延伸され、偏波分離特性が発現している溶融延伸型光ファイバカプラで構成されたものを用いてもよい。
【実施例】
【0080】
以下に本発明に係る光ファイバ出力光源装置の実施例を示す。図1の構成において、励起用光源18には、波長1480nmのレーザーダイオードを用いた。増幅用光ファイバ14はエルビウム含有光ファイバ(EDF)を15mで用いた。主な諸元として、比屈折率差は1.5%程度、遮断波長850nm、零分散波長は1700nm程度であり、波長1560nm帯では正常分散(常分散)を有している。
【0081】
分散補償用光ファイバ12は、シングルモードファイバを30mで使用した。主な諸元としては、比屈折率差は0.4%、遮断波長は1250nm、零分散波長は1315nm程度であり、波長1560nm帯では異常分散を持つ。
【0082】
以上の構成で、室温で共振器32を発振させることができ、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の出射口20bから短パルスレーザー光を得た。図6には、得られたレーザー光の光スペクトラムアナライザの結果を示す。図6を参照して、横軸は波長(nm)であり、縦軸は光強度(dBm/nm)であり、スペクトル分解能は1nmである。実線と鎖線は、光路10の条件(設置状態の違い)の違いによって安定に得られた際に得られたスペクトルである。2つのスペクトルをそのピーク値で呼ぶことにすると、実線は1570nm帯であり、鎖線は1670nm帯と呼ぶことができる。
【0083】
1570nm帯のスペクトルは、約130nmの帯域を有し、1670nm帯のスペクトルは、約150nm以上の帯域という広帯域を示した。特に特徴的なのは、スペクトルを得た帯域において、−40dB/nm以上の光強度では、スペクトルの落ちや欠けといった部分がまったくなく、強度安定性は、0.1dB未満であった。これより、発振している短パルスレーザーは上記の帯域に渡って安定に発振していると考えられた。
【0084】
1570nm帯のスペクトルでは、最大値が−19.3dBm/nmであって、有効スペクトルは1524.9nm〜1696.0nmの171.1nmであった。また、1670nm帯のスペクトルでは、最大値が−23.7dBm/nmであって、有効スペクトルは1519.7nm〜1724.0nmの204.3nmであった。
【0085】
図7には、時間波形の例を示す。図7を参照して、横軸は時間軸(5ns/div)であり、縦軸は強度(500mV/div)である。また、小窓の方も横軸が時間軸(1μs/div)であり、縦軸は強度(任意)である。小窓と大窓では横軸の単位が異なり、大窓は小窓の一部を拡大した図である。
【0086】
小窓を参照すると、1μsにおよそ3つの波形があり、約3MHzの繰り返し周期で安定して発振していることがわかる。また、大窓を参照すると、オシロスコープの掃引に対して、波形の落ちや欠けもなかった。また、ほぼ対称形の波形を得ていることから、安定した発振をしていることがわかる。
【0087】
次に単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ20の出射口20b(共振器32の出力端)に、レーザー出力された光スペクトル(図6参照)の中央波長近傍でゼロ分散に近い値を持つ分散特性を有する高非線形ファイバを高非線形ファイバ30として接続した。高非線形ファイバ30の緒元は、モードフィールド径が5μm以下であり、10[1/(W・m)]以上の非線形係数を有する。また、分散は1550nmで0.3[ps/(nm・km)]であり、ファイバ長は400mであった。したがって、この高非線形ファイバ30は、有効スペクトルの範囲で、−1から3[ps/(nm・km)]の範囲に分散値をもつ領域を有する。
【0088】
図8に出力結果のグラフを示す。図8のグラフを参照して、横軸は波長(nm)であり、縦軸は強度(dBm/nm)である。点線は共振器32の出力(出射口20bの出力)を示し、実線は高非線形ファイバ(高非線形ファイバ30)の出力である。図8からわかるように、1100nmから1700nm以上の600nm以上の帯域において、安定した発振を得ることができた。
【0089】
図9は、安定性の試験結果を示す。横軸は波長(nm)であり、縦軸は強度(dBm/nm)である。点線は開始直後のスペクトルであり、実線は50分後のスペクトルである。図9からわかるように、点線が実線に重なって判別できないほど、スペクトルの変化はなかった。すなわち、安定性が極めて高いSC(Super Continuum)光源を得ることができた。
【0090】
以上のことから、本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、高精度な測定を求められる光源に好適に利用することができる。また、基本的には発振しにくい構成であるが、一度発振すると、発振条件が安定となる光学構成となっているため、長時間運転による特性の変化が少なく、温度変動や振動などに対するロバスト性も高い。また、発振したスペクトルの中央波長近傍でゼロ分散に近い値を有する高非線形ファイバを接続することで、非常に広帯域のSC光源を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【0091】
本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、各種測定の光源として好適に利用することができる。
【符号の説明】
【0092】
1 光ファイバ出力光源装置
10 光路
12 分散補償用光ファイバ
14 増幅用光ファイバ
16 合波器
18 励起用光源
20 単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ
20a 入射口
20b 出射口
22 90°偏波回転反射器
24 光ファイバ
26 反射防止器
28 射光口
30 高非線形ファイバ
32 共振器
40 入射レンズ
42 出射レンズ
44 偏波ビームスプリッタ
44a 入射光面
44b 透過光面
44c 反射光面
44r 反射面
46 反射鏡
50 単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ
60 入射レンズ
60a 入射口
60b 出射口
62 出射レンズ
64 複屈折プリズム
64a 入射光面
64b 透過光面
66 反射鏡

図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9

【手続補正書】
【提出日】2020年2月7日
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、
前記光路の一端に接続された90°偏波回転反射器と、
前記光路の他端に接続された単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの反射光面に対向して配置された反射鏡と、
前記光路中に挿設された合波器と、
前記合波器に接続された励起用光源を有することを特徴とする光ファイバ出力光源装置。
【請求項2】
前記90°偏波回転反射器はファラデー回転鏡であることを特徴とする請求項1に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項3】
前記光路で使用される光ファイバは、すべて偏波面保存能力を有さないファイバのみで構成されていることを特徴とする請求項1または2の何れかに記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項4】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの出射口には反射防止器が備えられていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項5】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの後段にさらに高非線形ファイバを接続したことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項6】
前記高非線形ファイバは、前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの出射口から出射されるレーザー光の有効スペクトル内における分散値の範囲が、零分散を中心に、−1から3[ps/(nm・km)]の範囲となる領域を有していることを特徴とする請求項5に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項7】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
偏波ビームスプリッタと、
前記偏波ビームスプリッタの入射面側に配置されたレンズと、
前記偏波ビームスプリッタの反射面側に配置された反射鏡と、
前記偏波ビームスプリッタの透過面側に配置されたレンズを有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項8】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
複屈折プリズムと、
前記複屈折プリズムの入射面側に配置されたレンズと、
前記複屈折プリズムの透過面の一部に配置された反射鏡を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項9】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
二本のファイバが溶融延伸され、偏波分離特性が発現している溶融延伸型光ファイバカプラで構成されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0012
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0012】
より具体的に本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、
増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、
前記光路の一端に接続された90°偏波回転反射器と、
前記光路の他端に接続された単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの反射光面に対向して配置された反射鏡と、
前記光路中に挿設された合波器と、
前記合波器に接続された励起用光源を有することを特徴とする。

【手続補正書】
【提出日】2020年4月30日
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、
前記光路の一端に接続されたファラデー回転鏡と、
前記光路の他端に接続され、直交する偏波のうち、一方を透過させ、他方を反射して前記光路に戻す単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと
記光路中に挿設された合波器と、
前記合波器に接続された励起用光源を有し、前記ファラデー回転鏡と前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタとの間に、前記ファラデー回転鏡以外のファラデー回転子が含まれていないことを特徴とする光ファイバ出力光源装置。
【請求項2】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの反射光面に対向して配置された反射鏡を有することを特徴とする請求項1に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項3】
前記光路で使用される光ファイバは、すべて偏波面保存能力を有さないファイバのみで構成されていることを特徴とする請求項1または2の何れかに記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項4】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの出射口には反射防止器が備えられていることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項5】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの後段にさらに高非線形ファイバを接続したことを特徴とする請求項1乃至4の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項6】
前記高非線形ファイバは、前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの出射口から出射されるレーザー光の有効スペクトル内における分散値の範囲が、零分散を中心に、−1から3[ps/(nm・km)]の範囲となる領域を有していることを特徴とする請求項5に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項7】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
偏波ビームスプリッタと、
前記偏波ビームスプリッタの入射面側に配置されたレンズと、
前記偏波ビームスプリッタの反射面側に配置された反射鏡と、
前記偏波ビームスプリッタの透過面側に配置されたレンズを有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項8】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
複屈折プリズムと、
前記複屈折プリズムの入射面側に配置されたレンズと、
前記複屈折プリズムの透過面の一部に配置された反射鏡を有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【請求項9】
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
二本のファイバが溶融延伸され、偏波分離特性が発現している溶融延伸型光ファイバカプラで構成されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0012
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0012】
より具体的に本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、
増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、
前記光路の一端に接続されたファラデー回転鏡と、
前記光路の他端に接続され、直交する偏波のうち、一方を透過させ、他方を反射して前記光路に戻す単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと
記光路中に挿設された合波器と、
前記合波器に接続された励起用光源を有し、前記ファラデー回転鏡と前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタとの間に、前記ファラデー回転鏡以外のファラデー回転子が含まれていないことを特徴とする。
【国際調査報告】