JP2011023450A - 波長可変光源 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で狭帯域の波長の光を選択し、波長を変化させるようにすること。
【解決手段】自然放出光を出射すると共に入力光を増幅する光源・光増幅部１１を用い、自然放出光を方向性結合部１２を介して波長選択部１７に入射して所望の波長の光を選択する。選択された光を偏光分離部１９で偏光方向によって分離し、再び光源・光増幅部１１によって増幅する。そして偏光方向を代えて再び波長選択部１７で選択することにより、簡単な構成で狭帯域の選択された波長の光を出力することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は単光性の光を発生させその発振波長を変化させることができる波長可変光源に関するものである。

従来、光を測定対象に照射し測定対象を分析する分析装置の光源として、広帯域の光源の他に強いレベルの単一スペクトルの光を所望の帯域で変化させる波長可変型の光源が用いられている。従来の波長可変型の光源には、外部共振器型レーザやファイバリングレーザがある。外部共振器型レーザ光源は、ゲイン媒質、例えば半導体レーザを用い、その半導体レーザの一方の端面と外部のミラーとの間で外部共振器を形成し、外部共振器の中にグレーティング等による波長可変フィルタを設けることによって発振波長を変化させ、波長可変型の光源を得るようにしたものである。このレーザ光源では、共振器長は例えば５０ｍｍと比較的小さく、縦モード間隔は例えば３０ＧＨｚと広い。従って単に波長可変フィルタの選択波長を変えただけでは、縦モードの間で不安定になる。例えばモード間では不連続なモードホップが生じたり、マルチモードで発振することもある。そのため単一モードで連続的に波長を可変し、しかも出力を安定とするためには、外部共振器長をピエゾ素子等を用いて微妙に制御しなければならず、複雑な制御が必要となる。又機械的な動作を伴い、波長と外部共振器長とを同期させて制御するため、高速で波長を変化させることが難しいという欠点があった。

又特許文献１には複雑な制御を要しないスペクトル切り出し型の波長可変光源が示されている。この波長可変光源では、広いスペクトル帯域を有する白色光源のスペクトルを光分波手段で切り出し、反射型光増幅手段で反射させて増幅させると共に、方向性結合手段により出力を分離する構成が示されている。

特開平８−３１３９４３号公報

波長可変光源を分析装置の光源として用いる場合には、高速で波長を変化させること、及び発振スペクトルの幅を狭くすることが必要であり、これに応じた特性がバンドパスフィルタにも要求される。例えば光コヒーレントトモグラフィ（ＯＣＴ）において、高速の波長走査が利用可能になると、高速の画像処理、血流観測、酸素飽和濃度の変化等の動的な解析が可能となるので、このような装置が要求されている。しかし簡単な構成で高速の走査が可能な波長可変光源は存在しなかった。

本発明はこのような欠点を解消するため成されたもので、狭帯域のスペクトルを持つ光源の波長を容易に変化できるようにした波長可変光源を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の波長可変光源は、自然放出光を出射すると共に入力光を増幅する光源・光増幅部と、前記光源・光増幅部から第１の入力端に入射された光を第２の端子に出力すると共に、第３の端子に入力された光を第１の端子より前記光源・光増幅部に導く方向性結合部と、前記方向性結合部の第２の端子より出射される光及びこれと偏光方向が異なる前記光源・光増幅部で増幅された光の光軸を偏波の直交状態を保持しつつ重ね合わせる偏光合成部と、入射した光の偏光状態を保持しつつ所定の波長成分の光を選択する波長選択部と、前記波長選択部で選択された光を偏波状態によって分離し、前記方向性結合部の第２の端子より得られた光を前記方向性結合部の第３の端子に出射する偏光分離部と、を具備するものである。

ここで前記波長選択部は、光バンドパスフィルタとしてもよい。

ここで前記方向性結合部は、光サーキュレータとしてもよい。

ここで前記光源・増幅部は、半導体光増幅器としてもよい。

ここで前記波長選択部で選択する波長を所定の波長幅Δλ_ALLの範囲で掃引する波長制御部を更に有するようにしてもよい。

ここで前記波長制御部は、前記波長選択部で選択される波長の幅をΔλ_f、掃引する全波長幅をΔλ_ALL、全波長幅Δλ_ALLの掃引時間をΔτ、光速をｃ、波長選択部から偏光分離部を通過し方向性結合部を通過し光源・増幅部を通過し偏光合成部を通過し波長選択部へ戻ってくるまでの光路長をＬとすると、
０＜Ｌ／ｃ＜Δλ_f／（Δλ_ALL／Δτ）
が成り立つように選択波長を掃引するようにしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、光源・光増幅部を用いて１つの構成でスペクトルの種子となるＡＳＥ光を発生させると共に、波長選択部より切り出された波長の光を増幅しているため、部品点数を少なくすることができる。又波長切り出し用の波長選択部に入射する光の偏光方向を変えることで同軸上で波長選択部を２回通過させることができ、線幅を細くすると共に選択した波長以外の波長成分の光を抑制することができるという効果が得られる。

図１は本発明の第１の実施の形態による波長可変光源を示す図である。 図２はこの実施の形態の各部のスペクトル特性を示すグラフである。 図３は本実施の形態の波長制御部による波長の掃引とスペクトル幅の関係を示す図である。 図４は本発明の第２の実施の形態による波長可変光源の構成を示す図である。 図５Ａはファブリペロー波長フィルタの一例を示す図である。 図５Ｂはファブリペロー波長フィルタの波長選択特性を示す図である。 図６は本発明の第３の実施の形態による波長可変光源の構成を示す図である。

図１は本発明の実施の形態による波長可変光源を示すブロック図である。本図において、光源・光増幅部１１は例えば半導体光増幅器で構成され、自然放出光を出力すると共に入射した光を増幅して出力するものである。光源・光増幅部１１の左端は方向性結合部１２の端子１２ａに接続される。方向性結合部１２は端子１２ａから入射した光を端子１２ｂに、端子１２ｃから入射した光を端子１２ａに出力するものである。方向性結合部１２の端子１２ｂは偏光合成部１４ａに接続される。又偏光合成部１４ｂには光源・光増幅部１１の右端からの光が接続される。光源・光増幅部１１から偏光合成部１４ｂの間には光の偏光方向を９０°変化させる偏波コントローラ１６が接続されている。偏光合成部１４は１４ａと１４ｂの２つの入射光の夫々の偏光状態を保持しつつ光軸を一致させるものであり、その出力１４ｃは波長選択部１７に与えられる。波長選択部１７は波長制御部１８からの制御信号に基づいて入射光の波長を選択する光バンドパスフィルタである。そして選択された波長の光は偏光分離部１９に与えられる。偏光分離部１９は波長選択部１７で選択された波長の光を偏光状態に応じて分離するものであり、方向性結合部１２ｂより偏光合成部１４ａに加えられた偏光方向の光を方向性結合部１２ｃに出力すると共に、光源・光増幅部１１より偏光合成部１４ｂに加えられた光を出射光として偏光分離部１９ｃから外部に出力するものである。波長選択部１８は任意の波長となるように制御するものであってもよく、所定の波長範囲（Δλ_ALL）で選択波長を掃引するものであってもよい。

次にスペクトル図を用いて本実施の形態による波長可変光源の動作について更に詳細に説明する。本実施の形態において、図２（ａ）は光源・光増幅部１１より出射される自然放出光（以下、ＡＳＥ光という）である。ＡＳＥ光は広い波長帯域にわたって出力を有し、偏光方向はランダムである。そしてこのＡＳＥ光は方向性結合部１２を介して偏光合成部１４に加えられる。偏光合成部１４は特性の偏光方向、例えば垂直偏光の成分の光を選択して波長選択部１７に加え、波長選択部１７ではそのうちの一部の波長の光が選択される。こうして切り出された光は偏光分離部１９によって分離される。選択された波長の光のスペクトルは図２（ｂ）に示す光成分Ｂとなる。

次いで偏光分離部１９によって分離された光は、方向性結合部１２の端子１２ｃに入射し、端子１２ａから出力される。この光は光源・光増幅部１１により増幅され、偏光合成部１４ｃに加わる。このとき偏波コントローラ１６によって偏光方向が９０°回転する。このため偏光方向は、例えば水平偏光となる。図２（ｃ）は図１に示すＢ成分の光が光源・光増幅部１１によって増幅された光成分Ｃのスペクトルである。このとき増幅過程でエネルギーを使うため、偏光合成部１４ｂに入力されるＡＳＥ光のレベルは図２（ａ）よりも低下する。偏光合成部１４は２つの光の光軸を一致するように合成し、波長選択部１７は波長制御部１８で決められた波長の成分を選択する。このとき夫々の光の偏光状態は保持されているため、波長選択部１７を通過した光は偏光分離部１９で分離して出力することができる。図２（ｄ）は図１にＤで示す出力光のスペクトルである。

ここで波長選択部１７を２回通しているため、１回だけ通過する場合に比べて出射光のスペクトルの線幅を狭くし、且つ選択した波長以外の波長成分の光を抑制することができる。

ここで波長選択部１７は偏光方向の異なる２つの光ビームが加わり同時に特定の波長の光を選択するようにしているため、波長制御部１８によって選択波長を掃引する場合には掃引速度の制限がある。以下、掃引速度の制限について説明する。波長選択部１７の出射端から偏光分離部１９、方向性結合部１２、光源・光増幅部１１、及び偏光合成部１４を介して波長選択部１７の入力端に加わる光の光路長をＬとする。波長選択部１７の入射端からＡＳＥ光が波長選択部１７を通過する時間と、波長選択部１７で選択された後に上記光路長Ｌの各部を通過して再び波長選択部１７を通過する時間とでは、光路長Ｌの分の時間差が生じる。従ってその間に波長選択部１７の選択波長が大きく変化しなければ、出射光の線幅は波長選択部１７を１回だけ通過した光のスペクトルと比べて狭くなるという効果が得られる。このため図３に示すように波長選択部１７により掃引する全波長幅をΔλ_ALL、波長幅Δλ_ALLを掃引する時間をΔτ、波長選択部１７で選択する波長の幅をΔλ_fとすると、次式が成り立つように掃引幅Δλ_ALL、掃引時間Δτを選択する。
０＜Ｌ／ｃ＜Δλ_f／（Δλ_ALL／Δτ）
尚、ｃは光速である。
このように選択することによって波長選択部１７で波長を掃引して選択する場合であっても波長の急激な変化がないため、２回の波長選択により線幅を狭くするという効果が得られる。

次に本発明をより具体化した第２の実施の形態について説明する。この実施の形態では光源・光増幅部１１として半導体光増幅器１１Ａ、方向性結合部１２として光サーキュレータ１２Ａを用いている。又偏光合成部として偏光ウォークオフ複屈折結晶１４Ａを用いる。複屈折結晶は偏光方向が直交する２つの光ビームを異なった位置から入射することによってその一端で同一の光軸となるように結合させるものである。又偏光分離部１９として同様に複屈折結晶１９Ａを用いて再びこれを分離することができる。更に波長選択部１７としてファブリペロー波長フィルタ１７Ａを用いる。ファブリペロー波長フィルタ１７Ａは図５Ａに示すように、光ファイバ等の端面を研磨して所定の間隔ｄで対向させると、入射光のうちλ＝２ｄ／ｎ（ｎは整数）の関係にある波長の光のみを図５Ｂに示すように選択することができる。そこで端面間の間隔ｄをピエゾ素子などを用いて変化させることによって、選択波長を変化させるようにしたものである。ここでは波長制御部１８として、ピエゾ素子に加える電圧を変化させる可変電圧源１８Ａを用いる。本実施の形態では２本の光ビームの光軸を一致させることによって、１つのファブリペローフィルタを用いて２回波長を選択することができる。この場合、選択波長は同一であるため狭帯域化することができ、偏光分離部で偏光特性により２つの光成分を分離することができる。

次に図６は本発明の第３の実施の形態による波長可変光源を示す図であり、偏光合成部１４及び偏光分離部１９として、偏光ビームスプリッタ１４Ｂ及び１９Ｂを用いたものである。その他の構成については前述した第２の実施の形態と同様である。偏光ビームスプリッタを用いた場合にも光成分Ａと光成分Ｃとの光軸を一致させるように合成することができる。又合成した光を偏光方向に応じて光成分Ｂ及び光成分Ｄに分離することができる。

尚各実施の形態では、偏波コントローラ１６を設けているが、光源・光増幅部１１から偏光合成部１４の経路のいずれかにλ／２波長板を配置して偏光方向を異ならせることもできる。

本発明によれば、光源・光増幅部を用いて１つの構成でスペクトルの種子となるＡＳＥ光を発生させると共に、波長選択部より切り出された波長の光を増幅しているため、部品点数を少なくすることができ、線幅を細くすると共に選択した波長以外の波長成分の光を抑制することができるため、分光装置やＯＣＴなどの光源として有用である。

１１ 光源・光増幅部
１２ 方向性光結合部
１４ 偏光合成部
１６ 偏波コントローラ
１７ 波長選択部
１８ 波長制御部
１９ 偏光分離部
１１Ａ 半導体光増幅器
１２Ａ 光サーキュレータ
１４Ａ，１９Ａ 複屈折結晶
１４Ｂ，１９Ｂ 偏光ビームスプリッタ
１７Ａ ファブリペロー波長フィルタ
１８Ａ 可変電圧源

Claims (6)

1. 自然放出光を出射すると共に入力光を増幅する光源・光増幅部と、
   前記光源・光増幅部から第１の入力端に入射された光を第２の端子に出力すると共に、第３の端子に入力された光を第１の端子より前記光源・光増幅部に導く方向性結合部と、
   前記方向性結合部の第２の端子より出射される光及びこれと偏光方向が異なる前記光源・光増幅部で増幅された光の光軸を偏波の直交状態を保持しつつ重ね合わせる偏光合成部と、
   入射した光の偏光状態を保持しつつ所定の波長成分の光を選択する波長選択部と、
   前記波長選択部で選択された光を偏波状態によって分離し、前記方向性結合部の第２の端子より得られた光を前記方向性結合部の第３の端子に出射する偏光分離部と、を具備する波長可変光源。
2. 前記波長選択部は、光バンドパスフィルタである請求項１記載の波長可変光源。
3. 前記方向性結合部は、光サーキュレータである請求項１記載の波長可変光源。
4. 前記光源・増幅部は、半導体光増幅器である請求項１記載の波長可変光源。
5. 前記波長選択部で選択する波長を所定の波長幅Δλ_ALLの範囲で掃引する波長制御部を更に有する請求項１記載の波長可変光源。
6. 前記波長制御部は、前記波長選択部で選択される波長の幅をΔλ_f、掃引する全波長幅をΔλ_ALL、全波長幅Δλ_ALLの掃引時間をΔτ、光速をｃ、波長選択部から偏光分離部を通過し方向性結合部を通過し光源・増幅部を通過し偏光合成部を通過し波長選択部へ戻ってくるまでの光路長をＬとすると、
   ０＜Ｌ／ｃ＜Δλ_f／（Δλ_ALL／Δτ）
   が成り立つように選択波長を掃引する請求項５記載の波長可変光源。

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