JP2013072962A - 広帯域光源 - Google Patents

Abstract

【課題】ピークパワーが低減された広帯域光を出力することができる広帯域光源を提供する。
【解決手段】広帯域光源１は、パルス光源１０、光ファイバ（非線形光学媒体）１１、帯域減衰フィルタ１２および光エコー部２０を備える。光ファイバ１１は、パルス光源１０から出力されたパルス光を入力し、内部での非線形光学効果により該パルス光のスペクトルを広げてスーパーコンティニウム光を生成し、このスーパーコンティニウム光を出力する。光エコー部２０は、入力端と出力端との間に複数の光路を有し、複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされている。光エコー部２０は、光ファイバ１１から出力され帯域減衰フィルタ１３を経たスーパーコンティニウム光を入力端に入力して複数の光路により導光させ、複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を出力端から出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、非線形光学媒体においてスーパーコンティニウム光を生成する広帯域光源に関するものである。

非線形光学効果を発現することができる非線形光学媒体（例えば光ファイバ）に、ピークパワーが高いパルス光が入射すると、その非線形光学効果（自己位相変調、四光波混合、ラマン散乱など）が生じ、これによって新たな波長成分を有する光が発生することによって、パルス光のスペクトルが広げられてスーパーコンティニウム光が生成される。スーパーコンティニウム光は、広い波長帯域を有し空間的に単一モードであることから、様々な分野での利用が期待されている。

特許文献１に記載された広帯域光源は、パルス光源から出力されたパルス光を分岐して複数の分岐パルス光とし、各分岐パルス光を互いに異なる強度とするとともに、各分岐パルス光に互いに異なる遅延を与えて、これら複数の分岐パルス光を非線形光学媒体に入射させ、この非線形光学媒体においてスーパーコンティニウム光を発生させる。

また、特許文献１に記載された広帯域光源は、パルス光源から出力されたパルス光を複数のパルス光に変換する変換手段として２入力２出力の光結合器を用いる。そして、この広帯域光源は、パルス光源から出力されるパルス光を光結合器の第１入力端に入力させ、第１出力端から出力されるパルス光を非線形光学媒体に入射させ、また、第２出力端から出力されるパルス光を第２入力端に入力させて周回光路を形成する。

このように構成される広帯域光源は、パルス光源から出力された各パルスを、時間軸上で分割された複数のエコーパルスに変換して、これら複数のエコーパルスを非線形光学媒体に入射させる。各エコーパルスのパワーが互いに異なることから、各エコーパルスに対して非線形光学媒体におけるスペクトルの広がり方が異なり、スペクトルのリップルの周期や位相が異なる。したがって、非線形光学媒体から出力されるスーパーコンティニウム光は、リップルが低減されたスペクトルを有することができる。

特開２００９−０９２５７０号公報

しかしながら、特許文献１に記載された広帯域光源では、光結合器から出力されるエコーパルスのピークパワーは非線形光学媒体で非線形光学効果を生じさせるほど高く、非線形光学媒体から出力されるスーパーコンティニウム光のピークパワーも高い。

その結果、例えば、このスーパーコンティニウム光を測定用の照明光として用いる場合に、測定対象物までスーパーコンティニウム光を伝送する光ファイバ中で更なる非線形光学効果が生じてスペクトルの形状が崩れたり、測定対象物までスーパーコンティニウム光を伝送する光学系の中で光ファイバ端面の焼損や反射低減コーティングの劣化を生じさせたり、パルス光が吸収されることによる瞬間的な熱発生やパルス光の強い光電界によって測定対象物を損傷させたりという問題が生じる場合がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、ピークパワーが低減された広帯域光を出力することができる広帯域光源を提供することを目的とする。

本発明の広帯域光源は、(1) 略一定のパルス幅を有するパルス光を略一定の時間間隔で繰り返し出力するパルス光源と、(2)パルス光源から出力されたパルス光を入力し、内部での非線形光学効果により該パルス光のスペクトルを広げてスーパーコンティニウム光を生成し、このスーパーコンティニウム光を出力する非線形光学媒体と、(3) 入力端と出力端との間に複数の光路を有し、複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされており、非線形光学媒体から出力されたスーパーコンティニウム光を入力端に入力して複数の光路により導光させ、複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を出力端から出力する光エコー部と、を備えることを特徴とする。

本発明の広帯域光源では、光エコー部は、第１入力端，第２入力端，第１出力端および第２出力端を有し、第１入力端または第２入力端に入力される光を２分岐して第１出力端および第２出力端それぞれから出力する光結合器を含み、第２入力端と第２出力端とが互いに光学的に接続されて伝搬遅延Ｔを有する周回光路が形成され、パルス光源から出力されるパルス光のパルス幅をｔとし、パルス光源から出力されるパルス光の時間間隔をｐとしたとき、下記（１）式の関係が成り立つのが好適である。

本発明の広帯域光源では、光エコー部は、Ｍを２以上の整数として、光結合器としてＭ個の光結合器を含み、Ｍ個の光結合器のうちの第ｉ光結合器の第２入力端と第２出力端とが互いに光学的に接続されて伝搬遅延Ｔ[i]を有する周回光路が形成され、ａ，ｂを１または２をとる整数として、下記（２）式で定義されるパルス重なりパラメータｄが０.７５以上であり、且つ、下記（３）式の関係が成り立つのが好適である。

本発明の広帯域光源は、パルス光源から出力されるパルス光の中心波長を中心とする幅１０ｎｍの帯域において選択的に損失が大きい損失スペクトルを有し、非線形光学媒体から出力されたスーパーコンティニウム光を入力し、損失スペクトルに従う損失を該スーパーコンティニウム光に与えて出力する帯域減衰フィルタを更に備えるのが好適である。

本発明の広帯域光源は、ピークパワーが低減された広帯域光を出力することができる。

第１実施形態の広帯域光源１の構成を示す図である。 第１実施形態の広帯域光源１のパルス重なりパラメータｄを求める図表である。 第２実施形態の広帯域光源２の構成を示す図である。 比較例の広帯域光源３の構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

図１は、第１実施形態の広帯域光源１の構成を示す図である。広帯域光源１は、パルス光源１０、光ファイバ（非線形光学媒体）１１、帯域減衰フィルタ１２および光エコー部２０を備える。

パルス光源１０は、略一定のパルス幅を有するパルス光を略一定の時間間隔で繰り返し出力する。パルス光源１０は、ピークパワーが高いパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ光源であるのが好適である。パルス光源１０として、例えば、希土類元素添加光ファイバを増幅媒体として用いたファイバレーザ光源、希土類元素添加光ファイバを増幅媒体として用いたファイバ増幅器により半導体レーザなどからの種光を増幅するＭＯＰＡ（Master-Oscillator Power-Amplifier）型光源、チタンサファイアレーザ光源などが好適に用いられる。

上記のファイバレーザ光源またはＭＯＰＡ型光源において、希土類元素添加光ファイバに添加される希土類元素がＥｒ元素である場合には、出力パルス光の波長は１５５０ｎｍであり、希土類元素添加光ファイバに添加される希土類元素がＹｂ元素である場合には、出力パルス光の波長は１０６０ｎｍである。また、チタンサファイアレーザ光源の出力パルス光の波長は８００ｎｍである。パルス光源１０の出力パルス光のパルス幅は典型的には１００ｆｓから１０ｎｓ程度の範囲である。パルス光源１０の出力パルス光のピークパワーは典型的には１ｋＷ以上である。

非線形光学媒体としての光ファイバ１１は、パルス光源１０から出力されたパルス光を入力し、内部での非線形光学効果により該パルス光のスペクトルを広げてスーパーコンティニウム光を生成し、このスーパーコンティニウム光を出力する。光ファイバ１１は、高非線形光ファイバやフォトニック結晶ファイバなどの特殊な光ファイバであってもよいし、ＩＴＵ-Ｔ Ｇ.６５２準拠のシングルモード光ファイバ（いわゆる標準シングルモード光ファイバ）であってもよい。

パルス光源１０は、中心波長１５５０ｎｍ、パルス幅１ｎｓ、ピークパワー６ｋＷのパルス光を、１００ｋＨｚの繰返し周期で発生させるのが好適である。このようなパルス光源１０はＭＯＰＡ方式で実現可能である。また、光ファイバ１１は標準シングルモード光ファイバであるのが好適である。この組合せは、高非線形光ファイバやフォトニック結晶ファイバなどの特殊な光ファイバを用いないことからコストが低い点で有利であり、ラマン散乱および変調不安定性を主とした非線形光学効果が発現することにより、波長１６００〜１８００ｎｍにおいて１ｍＷ／ｎｍ程度の比較的高いパワー密度が得られる点でも有利である。脂質などＣ-Ｈ結合を多く含む物質は波長１７００ｎｍ付近に特徴的な吸収ピークを有するので、このような波長帯域のスーパーコンティニウム光を出力する広帯域光源１は脂質などの物質を検出する応用に適する。ただし、パルス光源１０および光ファイバ１１は、これ以外にも様々な組合せが可能である。

帯域減衰フィルタ１２は、パルス光源１０から出力されるパルス光の中心波長を中心とする幅１０ｎｍの帯域において選択的に損失が大きい（例えば損失１０〜２０ｄＢの）損失スペクトルを有する。帯域減衰フィルタ１２は、光ファイバ１１から出力されたスーパーコンティニウム光を入力し、損失スペクトルに従う損失を該スーパーコンティニウム光に与えて出力する。帯域減衰フィルタ１２として、例えば、光ファイバのコアにブラッグ型の回折格子が斜めに形成されたスラント型ファイバグレーティングや、光ファイバにおけるコアモードとクラッドモードとの間の光結合を利用する長周期型ファイバグレーティングなどが好適に用いられる。

パルス光源１０から出力されるパルス光の中心波長の付近においては、スーパーコンティニウム光は、パルス光源１０の出力パルス光に起因するスペクトルピークを有し、他の波長帯と比べてスペクトル密度が１０〜２０ｄＢ高くなるので測定に用いることが難しい。しかし、このような帯域減衰フィルタ１２が設けられていることにより、スーパーコンティニウム光のスペクトル密度の不均一性が低減される。また、スーパーコンティニウム光のトータルでのパワーも低減されるので、スーパーコンティニウム光を伝送する為の伝送用ファイバ中でのスペクトル崩れや、光部品や測定対象物への損傷などの、パルス光に起因する障害の発生が低減される。

光エコー部２０は、入力端と出力端との間に複数の光路を有し、複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされている。光エコー部２０は、光ファイバ１１から出力され帯域減衰フィルタ１３を経たスーパーコンティニウム光を入力端に入力して複数の光路により導光させ、複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を出力端から出力する。

光エコー部２０は、４個の光結合器２１_１〜２１_４を含む。各光結合器２１_ｉ（ｉ＝１〜４）は、第１入力端，第２入力端，第１出力端および第２出力端を有し、第１入力端または第２入力端に入力される光を分岐比５０：５０で２分岐して第１出力端および第２出力端それぞれから出力することができる。各光結合器２１_ｉの第２入力端と第２出力端とが光ファイバ２２_ｉにより光学的に接続されて、伝搬遅延Ｔ[i]を有するループ長Ｌ[i]の周回光路が形成されている。

帯域減衰フィルタ１２と第１段の光結合器２１_１の第１入力端とは、光ファイバ２３_１により接続されている。第１段の光結合器２１_１の第１出力端と第２段の光結合器２１_２の第１入力端とは、光ファイバ２３_２により接続されている。第２段の光結合器２１_２の第１出力端と第３段の光結合器２１_３の第１入力端とは、光ファイバ２３_３により接続されている。第３段の光結合器２１_３の第１出力端と第４段の光結合器２１_４の第１入力端とは、光ファイバ２３_４により接続されている。また、第４段の光結合器２１_４の第１出力端は、光ファイバ２３_５に接続されている。

パルス光源１０から出力されるパルス光のパルス幅をｔとし、パルス光源１０から出力されるパルス光の時間間隔をｐとしたとき、各伝搬遅延Ｔ[i]は下記（４）式および（５）式の関係を満たすことが好ましい。なお、これらの式では、光エコー部２０が一般にＭ個の光結合器２１_１〜２１_Ｍを含むものとしている。Ｍは２以上の整数である。

各ループ長は Ｌ[1]＝０.３２ｍ、Ｌ[2]＝０.４８ｍ、Ｌ[3]＝０.８０ｍ、Ｌ[4]＝１.２０ｍであるとする。光ファイバ２２_１〜２２_４それぞれは、石英系ガラスで構成され、約１.４６の群屈折率を有するので、伝搬光の群速度は０.２ｍ／ｎｓである。その結果、各伝搬遅延は Ｔ[1]＝１.６ｎｓ、Ｔ[2]＝２.４ｎｓ、Ｔ[3]＝４.０ｎｓ、Ｔ[4]＝６.０ｎｓ となる。パルス光源１０の出力パルス光のパルス幅１ｎｓに対し、各伝搬遅延は１.６倍、２.４倍、４.０倍、６.０倍 である。

その結果、各光ファイバ２２_ｉにより構成される周回光路を１回または２回だけ回った後に出力される比較的強いパルス光は、光ファイバ２３_５へ出力される時点で、時間軸上で互いに重なることがない。それ故、光エコー部２０の入力端に入力されたスーパーコンティニウム光は、光エコー部２０の出力端から出力される際にはピークパワーが約１／１６に低減される。

このようにピークパワーが低減されたスーパーコンティニウム光を測定用途に用いることにより、伝送用ファイバ中でのスペクトル崩れや、光部品や測定対象物への損傷といったパルス光に起因する障害の発生が低減される。ピークパワーの低減は、光結合器の段数を増やすことにより更に有効となる。

より一般的には、光エコー部２０がＭ個の光結合器２１_１〜２１_Ｍを含むものとし、ａ，ｂを１または２をとる整数として、下記（６）式で定義されるパルス重なりパラメータｄが０.７５以上であるのが好適である。パルス重なりパラメータｄが０.７５以上である場合に、周回したパルス光同士の重なりがパルス幅に対して２５％以下と低く抑えられ、良好なピークパワー低減効果が得られる。

図２は、第１実施形態の広帯域光源１のパルス重なりパラメータｄを求める図表である。同図は、ａ，ｂの各値およびｉ，ｊの各値についてａＴ[i]−ｂＴ[j] の絶対値を示し、また、その絶対値について各行または各列の最小値を示している。前述のループ長Ｌ[i]を有する本実施形態では、パルス重なりパラメータｄは０.８である。

パルス光源１０からのパルス光出力の繰返し周期が１００ｋＨｚである場合、該パルス光の時間間隔ｐは０.０１ｍｓである。この時間間隔ｐは、最も長い周回光路の伝搬遅延Ｔ[4]＝６.０ｎｓの１６００倍以上である。したがって、異なる繰返し周期のパルス光の重なりは無視できる。光結合器２１_ｉの分岐比が５０：５０であることから、周回光路を１０周したパルス光のピークパワーは (１／２)¹⁰≒１／１０００ となり無視できるので、最も長い周回光路の伝搬遅延は繰返し時間ｐの１０分の１以下であることが望ましい。

（第２実施形態）

図３は、第２実施形態の広帯域光源２の構成を示す図である。広帯域光源２は、パルス光源１０、光ファイバ（非線形光学媒体）１１、帯域減衰フィルタ１２および光エコー部３０を備える。第１実施形態の広帯域光源１の構成と比較すると、第２実施形態の広帯域光源２は、光エコー部２０に替えて光エコー部３０を備える点で相違する。

光エコー部３０は、入力端と出力端との間に複数の光路を有し、複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされている。光エコー部３０は、光ファイバ１１から出力され帯域減衰フィルタ１３を経たスーパーコンティニウム光を入力端に入力して複数の光路により導光させ、複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を出力端から出力する。

光エコー部３０は、４個の光結合器３１_１〜３１_４を含む。各光結合器３１_ｉ（ｉ＝１〜４）は、第１入力端，第２入力端，第１出力端および第２出力端を有し、第１入力端または第２入力端に入力される光を分岐比５０：５０で２分岐して第１出力端および第２出力端それぞれから出力することができる。第１段の光結合器３１_１の第２出力端と第２段の光結合器３１_２の第２入力端とが光ファイバ３２_１により接続されている。第２段の光結合器３１_２の第２出力端と第３段の光結合器３１_３の第２入力端とが光ファイバ３２_２により接続されている。第３段の光結合器３１_３の第２出力端と第４段の光結合器３１_４の第２入力端とが光ファイバ３２_３により接続されている。また、第４段の光結合器３１_４の第２出力端と第１段の光結合器３１_１の第２入力端とが光ファイバ３２_４により接続されている。これにより周回光路が形成されている。

帯域減衰フィルタ１２と第１段の光結合器３１_１の第１入力端とは、光ファイバ３３_１により接続されている。第１段の光結合器３１_１の第１出力端と第２段の光結合器３１_２の第１入力端とは、光ファイバ３３_２により接続されている。第２段の光結合器３１_２の第１出力端と第３段の光結合器３１_３の第１入力端とは、光ファイバ３３_３により接続されている。第３段の光結合器３１_３の第１出力端と第４段の光結合器３１_４の第１入力端とは、光ファイバ３３_４により接続されている。また、第４段の光結合器３１_４の第１出力端は、光ファイバ３３_５に接続されている。

第１実施形態における光エコー部２０では、光結合器２１_ｉおよび光ファイバ２２_ｉにより構成される周回光路は互いに独立していたが、第２実施形態における光エコー部３０では、或る光結合器の第２出力端と他の光結合器の第２入力端とが光ファイバにより接続されて周回光路が構成される。

第２実施形態では、光エコー部３０はこのような構成を有することにより、複数の光路の間での伝搬遅延の差についての自由度が高まる。例えば、光ファイバカプラは、透過帯域が広いので第１実施形態の光結合器２１_ｉや第２実施形態の光結合器３１_ｉとして好適に用いられ得るが、一方で、第１実施形態のように光ファイバにより周回光路を形成する場合には最小のループ長が光ファイバの最小曲げ径や融着接続に必要な余長によって通常０.２ｍ程度に制限されてしまう。しかし、第２実施形態における光エコー部３０は、分岐した光路の間での遅延時間の差を０.０１ｍのオーダで調整することが可能である。

（比較例）

図４は、比較例の広帯域光源３の構成を示す図である。広帯域光源３は、パルス光源１０、光ファイバ（非線形光学媒体）１１、帯域減衰フィルタ１２および光エコー部４０を備える。第１実施形態の広帯域光源１の構成と比較すると、比較例の広帯域光源３は、光エコー部２０に替えて光エコー部４０を備える点で相違する。

光エコー部４０は、１４個の光結合器４１₁₁，４１₂₁，４１₂₂，４１₃₁〜４１₃₄，４１₄₁〜４１₄₄，４１₅₁，４１₅₂，４１₆₁を含む。帯域減衰フィルタ１２から光エコー部４０に入力された光は光結合器４１₁₁，４１₂₁，４１₂₂，４１₃₁〜４１₃₄により８分岐され、この８分岐された各分岐光は光結合器４１₄₁〜４１₄₄の何れかの入力端に入力される。

しかし、光結合器４１₄₁〜４１₄₄それぞれの２つの出力端のうち一方の出力端から出力される光は光結合器４１₅₁，４１₅₂の何れかに入力されるものの、他方の出力端から出力される光は利用されず損失となる。また、光結合器４１₅₁，４１₅₂それぞれの２つの出力端のうち一方の出力端から出力される光は光結合器４１₆₁に入力されるものの、他方の出力端から出力される光は利用されず損失となる。

このように構成される光エコー部４０は、周回光路を有しておらず、出力端に結合されない分岐光が存在するので、パワーの利用効率が低く、好ましくない。

これに対して、第１または第２の実施形態の光エコー部２０，３０は、光結合器により分岐した光を周回させることで、全ての分岐光を出力端に結合させることができ、パワーの利用効率が高い。

１〜３…広帯域光源、１０…パルス光源、１１…光ファイバ（非線形光学媒体）、１２…帯域減衰フィルタ、２０…光エコー部、２１_１〜２１_４…光結合器、２２_１〜２２_４，２３_１〜２３_５…光ファイバ、３０…光エコー部、３１_１〜３１_４…光結合器、３２_１〜３２_４，３３_１〜３３_５…光ファイバ、４０…光エコー部、４１_１１〜４１_６１…光結合器。

Claims (4)

1. 略一定のパルス幅を有するパルス光を略一定の時間間隔で繰り返し出力するパルス光源と、
   前記パルス光源から出力されたパルス光を入力し、内部での非線形光学効果により該パルス光のスペクトルを広げてスーパーコンティニウム光を生成し、このスーパーコンティニウム光を出力する非線形光学媒体と、
   入力端と出力端との間に複数の光路を有し、前記複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされており、前記非線形光学媒体から出力されたスーパーコンティニウム光を前記入力端に入力して前記複数の光路により導光させ、前記複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を前記出力端から出力する光エコー部と、
   を備えることを特徴とする広帯域光源。
2. 前記光エコー部は、
   第１入力端，第２入力端，第１出力端および第２出力端を有し、前記第１入力端または前記第２入力端に入力される光を２分岐して前記第１出力端および前記第２出力端それぞれから出力する光結合器を含み、前記第２入力端と前記第２出力端とが互いに光学的に接続されて伝搬遅延Ｔを有する周回光路が形成され、
   前記パルス光源から出力されるパルス光のパルス幅をｔとし、前記パルス光源から出力されるパルス光の時間間隔をｐとしたとき、下記（１）式の関係が成り立つ、
   ことを特徴とする請求項１に記載の広帯域光源。
   

   
3. 前記光エコー部は、
   Ｍを２以上の整数として、前記光結合器としてＭ個の光結合器を含み、前記Ｍ個の光結合器のうちの第ｉ光結合器の前記第２入力端と前記第２出力端とが互いに光学的に接続されて伝搬遅延Ｔ[i]を有する周回光路が形成され、
   ａ，ｂを１または２をとる整数として、下記（２）式で定義されるパルス重なりパラメータｄが０.７５以上であり、且つ、下記（３）式の関係が成り立つ、
   ことを特徴とする請求項２に記載の広帯域光源。
   

   

   
   

   
4. 前記パルス光源から出力されるパルス光の中心波長を中心とする幅１０ｎｍの帯域において選択的に損失が大きい損失スペクトルを有し、前記非線形光学媒体から出力されたスーパーコンティニウム光を入力し、前記損失スペクトルに従う損失を該スーパーコンティニウム光に与えて出力する帯域減衰フィルタを更に備える、ことを特徴とする請求項１に記載の広帯域光源。
   

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