JP5192692B2 - 広帯域光パルス発生装置およびノイズライクパルス発生装置 - Google Patents

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Description

本発明は希土類添加ファイバを使用する光ファイバレーザ及び広帯域光源に関するものである。
背景技術
波長スペクトルが広帯域で低コヒーレントなパルス光源は、光断層面撮影や光ファイバセンシングといった様々な分野での応用が期待されている。このような特徴を有する光パルスの発生方法として、発光ダイオード（LED）を用いたパルス発生が考えられる。またエルビウム（Er）ドープファイバ（EDF）等を用いた光ファイバアンプから発生する増幅自然放出光（ASE）を光源とすることによって低コヒーレントな光を得ることができる。
しかしLEDでは高強度の光を得ることはできず、光ファイバアンプによるASE光もその波長スペクトルが増幅媒体の発光帯域に制限されてしまう。
またErドープファイバを増幅媒体に用いたモード同期ファイバレーザにより、波長スペクトルが広帯域な光パルスを発生した例がある（非特許文献１参照）。これは非線形偏波回転現象を受動モードロック機構としたストレッチパルスファイバレーザによりコヒーレンス長の短い広帯域（４４nm）な発振を実現したものである。
一般にパルスファイバレーザの発振現象を見るとパルスモードとノイズライクモードという２つの発振モードが存在する。パルスモードとは通常のフーリエ変換限界（TL）パルスを発振するモードであり、高エネルギー（〜数nJ）かつ超短パルス（サブ100fs）発振が報告されている（非特許文献２参照）。一方、ノイズライクモードとは短パルス成分が数１０psの範囲で束状になって存在する発振状態である。上述した広帯域パルス発生の例はノイズライクモードの発振である。ノイズライクモード発振における波長スペクトルは広帯域でその変化が緩やかな点に特徴がある。
またソリトンパルスを発振するファイバレーザではスペクトルにリップルが生じる場合があるが、ノイズライクモード発振においてはそのような現象は起こらない。またこのノイズライクモード発振におけるパルス光の強度は、平均で１０mW、ピーク値で１５Wであり（非特許文献１参照）、LED光源やASE光源に比較して高強度出力が可能な利点がある。
しかしながら非特許文献１の例では、発振した波長帯域は増幅媒体であるErの利得帯域に限られており、より広帯域な波長スペクトルを有するパルス光源が望まれている。
またスーパーコンティニュームを発生させる超短パルスレーザを低分散光ファイバに注入することにより超広帯域光源を構成する方法が従来提案されており、文献（非特許文献３）では波長１１００ｎｍから２２００ｎｍにわたる広帯域光が得られているが、数ナノメートル程度の細かい周期で１５ｄB程度のリップルが残留しており、前述の応用には不向きであり、超広帯域光発生においてリップルの低減が課題となっている。
：H.Horowitz et al., "Noiselike pulse with a broadband spectrum generated from an erbium-doped fiber laser", Opt. Lett., Vol22, pp.799-801, 1997 ：L.B.Nelson et al., "Efficient frequency doubling of a femtosecond fiber laser", Opt. Lett., Vol21, pp.1759-1761, 1996 ：BR. Washburn et al., "A phase locked frequency comb from anall-fibre supercontinuum source, " Proc. of European Conference on Optical Communication 2003 (ECOC2003), Post-deadline paper Th 4.1.2, Rimini, Italy, Sept. 21-25, 2003
本発明は、上述したような光源の広帯域化の要求に応えるためになされたものであり、この発明の目的は、より広帯域な出力特性を有する光源を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明では広帯域でノイズライクなパルスの発振に適した共振器の分散マップを設計し、１．５μｍ帯で最も広い帯域幅をもつノイズライクレーザを作製した。このようなファイバレーザおよび広帯域光源は、具体的には下記からなっている。
この発明のファイバレーザの第１の態様は、共振器内に、正常分散を有する光フアイバと、異常分散を有する光ファイバと、利得媒体としての希土類添加光ファイバと、モード同期機構とを備えたファイバレーザであって、前記正常分散を有する光フアイバとして少なくとも前記希土類添加光ファイバを含み、前記希土類添加ファイバの長さが前記異常分散を有する光ファイバの長さよりも短く設定されていることを特徴とするファイバレーザである。
この発明のファイバレーザの第2の態様は、共振器内に、正常分散を有する光フアイバと、異常分散を有する光ファイバと、利得媒体としての希土類添加光ファイバと、モード同期機構とを備えたファイバレーザであって、前記正常分散を有する光ファイバとして少なくとも前記希土類添加光ファイバを含み、前記希土類添加ファイバにおける出力光スペクトルの中心波長での単位長さあたりの正常分散絶対値が、前記異常分散を有する光ファイバの単位長さあたりの異常分散絶対値よりも大きく設定されていることを特徴とするファイバレーザである。
この発明のファイバレーザの第３の態様は、共振器内に、正常分散を有する光フアイバと、異常分散を有する光ファイバと、利得媒体としての希土類添加光ファイバと、モード同期機構とを備えたファイバレーザであって、前記正常分散を有する光フアイバとして少なくとも前記希土類添加光ファイバを含み、前記希土類添加光ファイバにおける非線形係数をγ１[1/W/m]、長さをL１[m]、異常分散ファイバを含む共振器を構成する他の部分における実効的な非線形係数をγ２[1/W/m]、長さをL２[m]、とするとき、非線形比（γ２L2）/（γ１L1）が１より大きいことを特徴とするファイバレーザである。
この発明のファイバレーザの第４の態様は、前記共振器における出力光スペクトルの中心波長における総分散が−１ps2〜＋０．２ps2の範囲内の値となるように調整されることを特徴とするファイバレーザである。
この発明のファイバレーザの第５の態様は、前記希土類添加光ファイバのコア部分に少なくともエルビウム（Er）イオンが添加されていることを特徴とするファイバレーザである。
この発明のファイバレーザの第６の態様は、Erが添加された前記希土類添加光ファイバの波長1．５３μm帯における吸収係数のピーク値が10dB／m〜35dB／mの範囲内に設定されていることを特徴とするファイバレーザである。
この発明のファイバレーザの第７の態様は、前記共振器における前記希土類添加光ファイバの波長１．５５μｍにおける分散値が２１ps2／ｋｍ以上であることを特徴とするファイバレーザである。
この発明のファイバレーザの第８の態様は、前記希土類添加光ファイバにおける波長１．５５μｍでの分散値をD［ps2／ｍ］、波長１．５３μｍ帯での吸収ピーク値をα［dB／ｍ］とするとき、吸収値と分散値の比α／D［dB／ps2］の値が５００以上であることを特徴とするファイバレーザである。
この発明のファイバレーザの第９の態様は、前記共振器に励起光を注入するための励起光源、前記励起光源からの励起光を合波する光合波器を備えており、前記共振器は、希土類添加光ファイバ、シングルモード光フアイバ、偏波ビームスプリッタ、光アイソレータ、偏光板からなっていることを特徴とするファイバレーザである。
この発明の広帯域光源の第１の態様は、上述したファイバレーザを用いた広帯域光源であって、前記ファイバレーザにおける出力側に少なくとも高非線形ファイバが接続され、スーパーコンテニューム（SC）光を発生させていることを特徴とする広帯域光源である。
この発明の広帯域光パルス発生装置の第１の態様は、強度波形の包絡線が時間的にパルス状となっているノイズライクパルスを発生させるパルス光源と、前記ノイズライクパルスに非線形効果を誘起する非線形媒質とを備え、前記非線形媒質内で、前記ノイズライクパルスがスーパーコンティニューム光を発生することにより広帯域パルス光を発生させる広帯域光パルス発生装置である。
この発明の広帯域光パルス発生装置の第２の態様は、前記パルス光源は、共振器内に正常分散媒質と、異常分散媒質と、利得媒体と、モード同期機構を備えたレーザ共振器構造を有することを特徴とする、広帯域光パルス発生装置である。
この発明の広帯域光パルス発生装置の第３の態様は、前記正常分散媒質が正常分散を有する光ファイバからなっており、前記異常分散媒質が異常分散を有する光ファイバからなっており、そして、前記利得媒体が希土類添加光ファイバからなっていることを特徴とする、広帯域光パルス発生装置である。
この発明の広帯域光パルス発生装置の第４の態様は、前記パルス光源は、強度の包絡線が時間的に一定である雑音光を発生させる雑音光源と、前記雑音光を変調する変調器を備えていることを特徴とする、広帯域光パルス発生装置である。
この発明の広帯域光パルス発生装置の第５の態様は、前記非線形媒質が、DSF（分散シフトファイバ）、分散フラットファイバ、フォトニッククリスタルファイバ、または、ＨＮＬ（高非線形ファイバ）からなっていることを特徴とする、広帯域光パルス発生装置である。
この発明のノイズライクパルス発生装置の第１の態様は、持続時間が限られたバースト状の雑音光によって、強度波形の包絡線が時間的にパルス状となっているノイズライクパルスを発生させるノイズライクパルス発生装置であって、強度の包絡線が時間的に一定である雑音光を発生させる雑音光源と、前記雑音光を変調する変調器を備え、前記雑音光を、前記変調器が変調することによって、前記ノイズライクパルスを発生させることを特徴とする、ノイズライクパルス発生装置である。
Er添加ファイバの利得帯域幅を大きく上回る平坦で広帯域なスペクトルを有するファイバレーザを提供することができる。更に、このファイバレーザを用いることにより、広帯域な光源を提供することができる。
図１は、第１実施形態におけるファイバレーザの構成図である。 図２は、第１実施形態のファイバレーザにおける出力光のスペクトルを示すグラフである。 図３は、第１実施形態のファイバレーザにおける出力光の非共軸オートコリレータによる自己相関波形を示すグラフである。 図４は、第２実施形態におけるファイバレーザの構成図である。 図５中（1）は、第２実施形態のファイバレーザにおける出力光のスペクトルを示すグラフである。図５中（2）は、第４実施形態のファイバレーザにおける出力光のスペクトルを示すグラフである。 図６は、第３実施形態におけるファイバレーザの構成図である。 図７は、第３実施形態のファイバレーザにおける出力光の非共軸オートコリレータによる自己相関波形を示すグラフである。 図８は、第４実施形態におけるファイバレーザの構成図である。 図９は、第５実施形態におけるファイバレーザの構成図である。 図１０は、レーザファイバの動作条件を示すグラフである。 図１１は、ファイバレーザ中のパルス幅とスペクトル幅の変化を示すグラフである。 図１２は実施形態１のファイバレーザにおける出力光の時間波形を示すグラフである。 図１３は、この発明のレーザの本質的な部分を説明する図である。 図１４は、偏光子として偏波ビームスプリッタを用いた例を示す図である。 図１５は、コリメータレンズをＳＭＦにし、分散値がほぼ零近辺の分散シフトファイバに接続した例を示す図である。 図１６は、ノイズライクモードで発振時のスペクトルを示す図である。図１６（ａ）は励起光パワーが５００ｍＷのとき、図１６（ｂ）は励起光パワーが１０００ｍＷのときをそれぞれ示す。 図１７は、直線状の共振器で構成した例を示す図である。 図１８は、希土類添加光ファイバとしてイットリビウム添加ファイバを用いた例（構成１）である。 図１９は、希土類添加光ファイバとしてイットリビウム添加ファイバを用いた例（構成２）である。 図２０は、ノイズライクパルスを用いたスーパーコンティニューム発生のシュミレーション例を示す図である。 図２１は、超短パルスを用いたスーパーコンティニューム発生のシュミレーション例を示す図である。 図２２は、ファイバーレーザを用いないノイズライクパルス発生の原理構成図である。 図２３は、ファイバーレーザを用いないノイズライクパルス発生の実験例を示す図である。 図２４は、高非線形ファイバへの入力パワーを変化させたときの出力スペクトルを示す図である。 図２５は、その他のノイズライクパルスの一例を示す図である。符号の説明
１１ Er添加光フアイバ（EDF）
２１、２２、２３ 分散シフトファイバ（DSF）
３１、３２、３３ シングルモードファイバ（SMF）
４１ Corning Flexcorel060
５１ 高非線形（HNL）ファイバ
６１、６５ 1/4偏光板
６２ 1/2偏光板
６３ 偏波ビームスプリッタ（PBS）
６４ アイソレータ（ISO）
６６ 光合波器（WDMカプラ）
７１ 励起光源
８１ アウトプットポート
以下に図面を参照して、本発明に係るファイバレーザ、及びそれを用いた広帯域光源の好適な実施の形態を説明する。図面の記載において同一または類似部分には同一または類似な符号を付している。
この発明において、共振器における出力光スペクトルの中心波長における総分散が−１ps2〜＋０．２ps2の範囲内の値となるように調整される。その理由は次の通りである。
先ず、異常分散側の累積分散量の上限を、ストレッチパルスレーザ（分散マネジメントソリトン）の理論を援用して求める。下記式で表される分散マップの強度が１０を超えるとパルス解が得られにくくなる。
S＝（β２１L1−β２２L2）/T2 FWHM
ここで、β２１、L1は、正常分散ファイバにおける分散、長さであり、β２２、L2は、異常分散ファイバにおける分散、長さである。また、TFWHMは、ハルスの半値全幅である。
パルス幅として短めに見積もって２００ｆｓとし、S=10とすると、異常分散側の総分散量として−０．２ps2 程度になる。分散マネジメントソリトンの理論の適用範囲は、パルスモードの場合であり、安定なパルス解が存在するための必要条件となる。しかし、ノズルライクパルスの場合は厳密なパルス解を持つ必要がないため、異常分散側の総分散量の許容範囲はその５〜１０倍程度となり、−２ps2程度になる。従って、上限として５０％くらいを考慮して−１ps2 が求められる。
総分散量が正常分散になると、非線形光学効果による周波数偏移によってパルスの時間幅の広がり方が増強されてしまうため、正常側のトレランスが殆どなく、分散マネジメントをかけた状態で異常分散側の分散量の２０％を超える量の正常分散が残留した状態でノイズライクモードでの解を得るのは困難である。従って、実現可能なノイズライクモードのファイバレーザーにおいて、共振器における出力光スペクトルの中心波長における総分散が−１ps2〜＋０．２ps2の範囲内になるように調整される。
更に、この発明においては、希土類添加光ファイバにおける波長１．５５μｍでの非線形係数をγ１[1/W/m]、長さをL１[m]、異常分散ファイバを含む共振器を構成する他の部分の波長１．５５μｍにおける実効的な非線形係数をγ２[1/W/m]、長さをL２[m]、とするとき、非線形比（γ２L2）/（γ１L1）が１より大きい。
図１０にレーザファイバの動作条件を、パルスエネルギーE[pJ]と非線形比γ’の関係として示す。図中、点線より上の領域は不安定モードであり、パルス発振を得ることが出来ない。パルス発振が得られる点線より下（単パルスモード）の領域において、広帯域な光パルスを得るためには、非線形比（γ２L2）/（γ１L1）が１より大きくならなければならない。その根拠は、これまでのファイバレーザでは非線形比（図１０では横軸のγ’）が１以下で設計されており、１を超えるところで、スペクトルが広がる効果が顕著になるからである。図１０において、従来のファイバレーザでの動作条件を白丸で示す。
また、EDFの利得帯域を大きく超える光パルスを発生させるためには、実効的な非線形比γ’=（γ２L2）/（γ１L1）を１よりも高くする必要がある。但し、γ１[1/W/m]とL１[m]は、正常分散ファイバ（EDF）における波長１．５５μｍでの非線形係数と長さを、γ２[1/W/m]とL２[m]は、異常分散ファイバを含む共振器を構成する他の部分の波長１．５５μｍにおける実効的な非線形係数と長さを表す。
数値シミュレーション例を図１１に示す。横軸は共振器の長手方向の正規化距離を現しており、０から０．２５、０．７５から１．０の区間が異常分散ファイバ、０．２５から０．７５の区間が正常分散ファイバ（EDF）を表す。リング共振器を構成しているため周期的にこの変化を繰り返しており、０．と１．０は同じ点を表す。図１１（a）がパルス幅の変化、図１１(b)がスペクトル幅の変化を表しているが、非線形比γ’が１を大きく超えると異常分散ファイバ中の中点付近でスペクトル拡大がおこり、正常分散ファイバ中では狭いスペクトルが保たれる。
従って、増幅中はスペクトルが狭くなり利得媒質の帯域制限を超える光パルスが得られる。なお、後述する実施形態１において、非線形比は４程度である。実施形態１では正常分散ファイバであるEDFと他の異常分散ファイバで非線形係数がそれほど大きく変わらないため、広帯域なスペクトルを得るためには異常分散ファイバの長さを正常分散ファイバよりも十分に長くする必要がある。
図１３はこの発明のレーザの本質的な部分を説明する図である。図１３を参照して、この発明のレーザの本質的な部分を取り出して説明する。この図で、光出力を取り出すための光カプラの位置は任意である。また、偏波制御器として、以下に示す実施形態では波長板を用いているが、波長板のほかにもファイバループのようなものなど適宜好適なものを使用することができる。また、図中の偏光子もどのような形態のものでもよく、もし偏光子として偏波ビームスプリッタを用いると、図１４のように光出力を得るための光カプラと偏光子を一つに集約することができる。
（実施形態1）
先ず、本発明における第1実施形態について説明する。図1はこの発明の第1実施形態のファイバレーザの構成図である。図１に示すように、この形態のファイバレーザは、パルスの進行方向に沿って、分散シフトファイバ（DSF）２１、シングルモードファイバ（SMF）３１、Er添加光ファイバ（EDF）１１、Corning Flexcore（商標名）1060ファイバ４１、光合波（WDM）カプラ６６、シングルモードファイバ（SMF）３２、分散シフトファイバ（DSF）２２、1／4λ偏光板６１、1／2λ偏光板６２、偏波ビームスプリツタ（PBS）６３、アイソレータ（ISO）６４、1／4λ偏光板６５が順次配置され、これらを通って、再び分散シフトファイバ（DSF）２１に戻るリング形状の共振器からなっている。
励起光源７１からの励起光は、光合波（WDM）カプラ６６を通してCorning Flexcore1060ファイバ４１に結合され、後方励起配置によってEr添加光ファイバ（EDF）１１をポンプしている。第１実施形態では励起光源７１として１４８０nm帯の励起光源を用いている。また出力光はアウトプットポート８１を通して取り出され、光スペクトルアナライザ、またはオートコリレータに入射させて、その波形を観測した。本発明者らは第1実施形態の共振器における各ファイバの分散、並びにEr添加光ファイバ（EDF）の吸収値を考慮して、広帯域でノイズライクなパルス発振を実現するために適した分散マップを設計した。
具体的にはEr添加光ファイバ（EDF）１１の波長１．５５μｍにおける分散値は、３８．４ps2／kmと大きな正常分散を有するEr添加光ファイバ（EDF）を使用し、第1実施形態の共振器における総分散を波長１．５５μmで−０．０２９ps2となるように設計した。この時、第１実施形態の共振器に用いた各光ファイバの長さは、それぞれ、DSF２１；１．８ｍ、SMF３１；２．４ｍ、EDF１１；２．５ｍ、Corning Flexcore1060ファイバ４１；３．０ｍ、SMF３２；２．５ｍ、DSF２２；１．８ｍであり、総ファイバ長は１４．０ｍとした。
上述したように、第1実施形態の共振器では大きな正常分散を有するEDFを使用することにより、正常分散を有するEDF１１の長さを異常分散ファイバの長さよりもずっと短くすることができる。これにより異常分散領域での非線形効果の影響が高まり、スペクトル広がりをより促進することができる。従って、上述した実施形態に示す構造を備えたファイバレーザによって、ノイズライクモード発振が容易となり、より広帯域な発振が可能となる。
これを検証するため、実際にこの第1実施形態のファイバレーザにおける出力スペクトルを観測したところ、図２に示すように、波長１．５５μmを中心に３dB帯域幅が８７nmと平坦で広帯域なスペクトルが得られた。上述した出力スペクトルは、Er添加ファイバの利得帯域幅を大きく上回るスペクトルであり、この発明によって、従来のEr添加ファイバを用いたファイバレーザ（帯域幅４４nm、非特許文献1参照）よりも広帯域な特性を実現することに成功したことがわかる。この時の出力光強度は７２mW、励起光源７１の励起光パワー（波長１．４８μm）は０．５Wであった。
励起光パワーを４２０mW以上とすると、偏光板６１、６２、６５を回転させて、容易にモード同期を達成することができた。基本繰り返し周波数は１４．３MHzである。また図３は出力光の非共軸オートコリレータによる自己相関波形である。中心付近に１００フェムト秒程度の幅を有する成分が観測され、少なくとも数百フェムト秒のパルス幅を有するパルス成分が存在することがわかる。また、下部にある１０ピコ秒程度の幅を有する台（ぺデスタル）がノイズライクパルスの包絡線を表しており、全体としてパルス光を構成していることがわかる。図３から明らかなように、少なくとも数百フェムト秒のパルス幅を有するパルス成分が存在することがわかる。
図１２は実施形態１のファイバレーザにおける出力光の時間波形を示すグラフである。即ち、図１２は、１００MHｚ帯域を有するフォトディテクタを用いて観測された光強度の時間変化である。図１２に示すように、７０ナノ秒間隔でパルスが発生しており、モード同期動作をしていることがわかる。
共振器内での累積正常分散を異常分散ファイバで補償する場合には、第1実施形態に示すように、正常分散ファイバの長さを異常分散ファイバの長さよりも短くすることが必要であり、そのためには、正常分散ファイバであるEDFの分散値絶対値が異常分散ファイバの異常分散より大きくなければならない。
上記第１実施形態においては、異常分散ファイバとして標準的なSMF（波長１．５５μｍでの分散値−２１ps2/km）を用いた。この場合、正常分散ファイバの長さを異常分散ファイバの長さよりも短くするためには、正常分散ファイバであるEDFの分散値が、異常分散ファイバSMFの分散値絶対値２１ps2／kmより大きいことが必要である。従って、本第1実施形態におけるEDFの波長１．５５μmでの分散値は２１ps2／km以上であることが、広帯域なノイズライクモード発振の観点から望ましい。
共振器内における各分散領域での好適な分散量の絶対値は０．５×（スペクトルの拡大係数）÷（スペクトル幅）2で求めることができる。ここでスペクトルの拡大係数とは、異常分散領域でスペクトルの最大値と正常分散領域でのスペクトルの最小値の比である。本実施形態のようにノイズライクパルスで、実効的なスペクトル幅が６０nm程度であるとき、好適な分散値は０．０５から０．１０ps2程度の範囲内の値になる。本実施形態では、EDF１１の波長１．５５μmにおける分散値は３８．４ps2/km、使用長は２．５ｍであり、正常分散領域での総分散は０．０９６ps2となる。
実際の共振器の設計にあたっては、上述した好適な分散値になるように、各分散領域ファイバの分散値に応じて、その長さが決定される。本実施形態のようなノイズライクモードでの発振では、正常分散ファイバであるEDFでの分散値をなるべく大きくして、異常分散ファイバの長さに比して正常分散ファイバの長さをより短くすることが有効である。しかしながらEDFの短尺化により、EDFで得られる出力が減少するため、短尺化に応じてEDFでの吸収係数（単位長さあたりの吸収値）を高めて吸収条長積（吸収係数と長さの積）を一定に保つ必要がある。
本第1実施形態におけるEDFの使用長、波長１．５３μm帯での吸収ピーク値は、それぞれ２．５ｍ、２３．７dB／mであり、従って吸収条長積は５９．２５dBとなる。本実施形態における吸収条長積は、充分なレーザ出力を得る観点から、５０dBより大きい、より好ましくは５５dBより大きい値であることが望ましい。上述したところから明らかなように、EDFにおける分散値と吸収係数との間には、好適なバランスが存在していると言える。EDFにおける波長１．５５μｍでの分散値をD[ps2/m]、波長１．５３μm帯での吸収ピーク値をα［dB/m］とする。正常分散領域での総分散を0．10ps2に設定し、吸収条長積を５０dB以上とすると、EDFの必要長L〔m〕はL＝０．１０/Dで決まり、吸収値と分散値の比α/Dは５００［dB／ps2］より大きいことが好適条件となる。
上述のように、吸収値と分散値の比α/Dを好適な値に保ちつつ、αとDを増加させることが広帯域なノイズライクモードでの発振には有効である。しかしながら、αを拡大するために過剰にErイオンを添加するとイオン間相互作用による変換効率の低下（濃度消光）を引き起こし、充分な出力を得られなくなる。従って、変換効率を良好に保つためには、Er濃度（吸収係数）がある値を超えて大きくならないように、上限値が存在する。本発明者らは吸収係数の異なるEDFを作製し、1．４８μm双方向励起配置で励起光から信号光へのパワー変換効率を判定し比較したところ、吸収ピーク値が３５dB／mを超えると顕著なパワー変換効率の低下が観測された。
そのため良好な変換効率を維持するためには、吸収ピーク値は３５dB/m以下であることが好ましい。更に、濃度消光による変換効率の低下を抑制するために、EDFにはアルミニウム（Al）を高濃度に共添加することが望ましい。本実施形態のEDF１１においては、４．８wt％以上の濃度のAlをErと共に添加している。濃度消光抑制の観点からは、Alを３wt％以上、より好ましくはAlを４wt％以上の濃度で共添加することが好ましい。
また上述のように正常分散ファイバの長さを異常分散ファイバの長さよりも短くするためには、正常分散ファイバであるEDFの分散値が異常分散ファイバであるSMFの分散値絶対値２１ps2／kmより大きいことが必要である。従って正常分散領域での総分散を０．１０ps2とし、吸収条長積を５０dB以上に設定すると、必要な吸収ピーク値は１０．５dB/m以上となる。従って本実施形態では、吸収ピーク値は、少なくとも１０dB/m以上であることが必要であることがわかる。
（実施形態２）
本発明における第2実施形態について説明する。図4は第２実施形態のファイバレーザの構成図である。このファイバレーザの共振器の構成、並びに各ファイバの条長は、上述した第1実施形態における共振器と同一であり、第１実施形態におけるアウトプットポート８１を通して取り出されたノイズライクパルスを高非線形（HNL）ファイバ５１に入射させて、スーパーコンテニューム（SC）発生実験を行った。HNLファイバ５１の波長１．５５μｍにおける分散値は−0．60ps2／km、零分散波長は１．５３２μm、波長１．５５μｍにおける非線形定数は20／W／ｋｍ、ファイバ長は1kmである。
ノイズライクパルスが平坦なスペクトルのスーパーコンティニュームに向いていることを数値シミュレーションによって示す。ノイズライクパルスに限らず雑音光の強度波形はスペクトル幅の逆数程度の細かい構造を持ち、擬似的に短パルスの集まりとみなすことが出来る。よって、十分な強度が得られれば、超短パルスと同様にスーパーコンティニューム発生が可能となる。ここでは、ノイズライクパルスのモデルとして持続時間が限られたバースト状の雑音光を考え、光ファイバ中を伝搬するときの波形とスペクトルの変化について検討した。
図２０に計算例を示す。図２０で入射光は、スペクトル幅が20 nmのノイズライクパルスとし、強度包絡線の時間幅を33 psとした。このノイズライクパルス光は時間幅が100〜300 fs程度の短パルスの集まりとみなすことができる。パルスあたりのエネルギーは1.5 nJとし、このときのピークパワーは約200 Wとなる。スーパーコンティニューム発生用のファイバとしては、波長1550nmで-0.74 ps2/kmの分散値を持つ高非線形ファイバとした。計算には5次までの高次分散と非線形遅延応答・自己急峻効果等の高次項を考慮した。また、比較のために同じ程度のピークパワーとスペクトル幅を持つ超短パルスでスーパーコンティニューム発生を行った場合を図２１に示す。これは、通常のパルスモードで発振するファイバレーザからのスーパーコンティニューム発生に対応する。パルス幅は300fsで、ピークパワーは２００Wとした。
まず、ノイズライクパルスの場合（図２０）について述べる。高非線形ファイバ中を1 m程度伝搬すると、自己位相変調・自己ラマン増幅によりスペクトルは広がり、ノイズライクパルスを構成する細かいピークはパルス圧縮を受ける。更に伝搬すると非線形光学効果と分散により波形は著しく変化するが、波形が崩れても雑音光としての性質は保持され、超短パルスの集まりとして機能する。このため、比較的長い距離（数十〜数百ｍ）を伝搬してもスペクトルは広がり続ける。また、スペクトルは雑音状になるが、ほぼ均一に分布し、複数の雑音状パルスの平均をとると平坦なスペクトルが得られる。
これに対して通常の超短パルスを用いた場合（図２１）について述べる。先ほどと同様に、高非線形ファイバ中を１ｍ程度伝搬すると自己位相変調・自己ラマン増幅によりスペクトルは広がり、パルス圧縮を受ける。しかし、通常の超短パルス光では4 m程度伝搬すると、パルスの時間波形が崩れてピークパワーが低くなり、スペクトル広がりが止まってしまう。また、スペクトルのリプルが15dB以上ある。これは、本計算例で特別に見られる現象ではなく、超短パルスを用いたスーパーコンティニューム発生における一般的な性質である。以上のように、ノイズライクパルスを用いたスーパーコンティニューム発生は、超短パルスを用いたものに比べて、スペクトルの拡散効率（非線形相互作用長が長く取れる）、スペクトルの平坦性に優れ、超広帯域光源としては圧倒的な優位性を持つ。
なお、図１，４に示した例では、コリメータレンズの手前のファイバタイプまで指定しているが、ファイバの種類にはあまり敏感ではない。ちなみに、図１５に示すように、コリメータレンズをSMFにし、分散値がほぼ零近辺の分散シフトファイバそ接続した場合においてもノイズライクモードで発振する。正常分散ファイバの総分散量は０．１１８ｐｓ２で、異常分散ファイバの総分散量は−０．１４０ｐｓ２で、総分散量は−０．０２２ｐｓ２である。
発振スペクトルを図１６に示す。励起光パワーが500mWのとき半値全幅は８１nm、1Wのとき74nmである。この共振器にSMFを２０ｍ追加してもノイズライクモードで発振する。追加した状態での総分散量は−０．３２ｐｓ２程度である。追加した状態でスペクトル形状はほぼ同じで半値全幅は少し狭くなる（７０ｎｍ程度）。このように総分散の絶対値が大きな状態では、パルスモードでは発振することは非常に難しく、発振したとしてもスペクトル幅は非常に狭くなる（参考文献：IEEE Journal of Quantum Electronics, 30(6), 1469, 1994）。しかし、ノイズライクモードでは、分散に対するトレランスが高く、発振可能である。この点は本発明の大きな利点である。
第2実施形態のファイバレーザにおける出力スペクトルを図５（1）に示す。第2実施形態のファイバレーザにおいて９５０nmの帯域を有するSC光が得られた。残留スペクトル成分が残らずに均質にスペクトルが広がっていることから短パルス成分が束状であることが推測される。また、スペクトルに細かいリプルが存在しない点がノイズライクパルスからのSC光発生の特徴である。
（実施形態３）
本発明における第３実施形態について説明する。図6は第３実施形態のファイバレーザの構成図である。このファイバレーザの共振器の構成、並びに各ファイバの条長は、上述した第1実施形態における共振器と同一であり、第1実施形態におけるアウトプットポート８１を通して取り出されたノイズライクパルスをSMF３３に入射して、パルスの分散耐性を調べた。
この時、SMF３３の長さは１．６km、分散量は−３４ps2である。図7に１．６kmSMF３３伝送後の自己相関波形を示す。サブピコ秒のフーリエ変換限界（TL）パルスでは、SMF１．６kｍ伝搬後、時間幅の短いパルス成分が残ることは考えにくいが、図7では短パルス成分が残留していることがわかる。SMFへの入力パワーを変えても同様の自己相関波形が得られることからソリトン成分が伝搬しているのではないことが明らかである。
（実施形態4）
本発明における第4実施形態について説明する。図８は第４実施形態のファイバレーザの構成図である。このファイバレーザの共振器の構成、並びに各ファイバの条長は、上述した第１実施形態における共振器と同一であり、第1実施形態におけるアウトプットポート８１を通して取り出されたノイズライクパルスを、先ずSMF３３に入射した後に高非線形（HNL）ファイバ５１に入射させ、スーパーコンテニューム（SC）の発生実験を行った。
第４実施形態のファイバレーザにおける出力スペクトルを図５（2）に示す。第4実施形態のファイバレーザにおいて７００nmの帯域幅を有するSC光が観測された。これら第３、第４実施形態の結果からノイズライクパルスにおいて、TLパルスでは見られない分散耐性があることが確認された。
（実施形態５）
本発明における第５実施形態について鋭明する。図９は第５実施形態のファイバレーザの構成図である。図９に示すように、この形態のファイバレーザは、パルスの進行方向に沿って、分散シフトフアイバ（DSF）２１、シングルモードフアイバ（SMF）３１、Er添加光フアイバ（EDF）１１、DSF２３、光合波（WDM）カブラ６６、SMF３２、DSF２２、1／4λ偏光板６１、1／2λ偏光板６２、偏波ビームスプリッタ（PBS）６３、アイソレータ（ISO）６４、1／4λ偏光板６５が順次配置され、これらを通り、再びDSF２１に戻るリング形状の共振器からなっている。励起光源７１からの励起光は、WDMカプラ６６を通してDSF２３に結合され、後方励起配置でEDF１１をポンプしている。
第５実施形態では、励起光源７１として１４８０nm帯の励起光源を用いている。また出力光はアウトプットポート８１を通して取り出され、光スペクトルアナライザ、またはオートコリレータに入射させて、その波形を観測した。EDF１１の波長１．５５μｍにおける分散値は、３８．４ps2／kmと大きな正常分散を有するEDFを使用し、第５実施形態の共振器における総分散を、波長１．５μmで一0．0027ps2となるように設計した。
この時、第５実施形態の共振器に用いた各光ファイバの長さは、それぞれ、DSF２１；２．０ｍ、SMF３１；２．４ｍ、EDF１１；２．５ｍ、DSF２３；３．０ｍ、SMF３２；２．５ｍ、DSF２２；２．０ｍ、総ファイバ長は１４．０ｍとなった。この第５実施形態のファイバレーザにおける出力スペクトルを観測したところ、上述した第1実施形態と同様に、波長１．５５μmを中心に３dB帯域幅が８７nmと平坦で広帯域なスペクトルが得られた。
またアウトプットポート８１を通して取り出されたノイズライクパルスを高非線形（HNL）ファイバ５１に入射させて、スーパーコンテニューム（SC）発生実験を行った。HNLファイバ５１の波長１．５５μｍにおける分散値は−0．60ps2／km、零分散波長は１．５３２μｍ、波長１．５５μｍにおける非線形定数は20／W／ｋｍ、ファイバ長は1kmである。この第５実施形態のファイバレーザにおける出力スペクトルも上述した第２実施形態における出力スペクトルと同様な９５０nmの帯域を有するSC光が得られた。
上述した第５実施形態の共振器における総分散は、波長１．５５μｍで−0．0027ps2となるように設定した。また上述した第１から第4実施形態の共振器における総分散は、波長１．５５μmで−0．029ps2となるように設定した。この総分散量は、零近辺が好ましく、正常分散側にトレランスがあまりないため、本実施形態では、総分散が僅かに異常分散となる設定とした。
以上に示した実施形態では共振器をリング構成にしているが、直線状の共振器でも構成可能である。図１７にその構成の一例を示す。2枚の鏡により直線状の共振器を構成し、鏡の間に利得を持つ希土類添加ファイバと分散補償を行うファイバによりレーザ発振が可能となる。また、上述した手順で分散値を設定するとノイズライクモードで発振可能である。偏波制御器として、この例では波長板を用いているが、波長板以外の偏波制御器、例えばファイバループやファラデー回転子などを用いることができる。
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば上記実施形態における希土類添加光ファイバとしてEr添加光ファイバを用いたが、他の希土類元素、例えばYb、Nd、Pr、Tb、Sm、Ho等が添加された光ファイバであってもよい。適宜好適な物を選ぶことができる。図１８、１９は、イットリビウム添加ファイバを用いた例を示す図である。この例によると、波長１μｍ近辺でノイズライクモードで発振する。波長１．２μｍ以下の短波長帯では溶融石英を用いた光ファイバは大きな正常分散を持つため、共振器内の分散値を補償するために特殊な光ファイバが必要となる。
この例では、フォトニック結晶構造の構造分散を利用して１．２μｍ以下の短波長帯で異常分散を実現するフォトニック結晶ファイバ（参考文献：OSA Optics Letters, vol. 23, 1662, 1998）を用いており、共振器の分散値を前述の設計指針に合わせることに成功している。また希土類添加ファイバとして、通常の単一モードファイバに希土類を添加したものだけでなく、高出力にするために２重のクラッド構造を持つダブルクラッドファイバ（参考文献：IEEE Journal of Quantum Electronics, 33(7), 1049, 1997）を用いることも可能であり、高出力の励起用光源と組み合わせて使用することにより、１Ｗを超える出力を得ることも可能である。
また上記実施形態における共振器を構成する希土類添加光ファイバ以外の光ファイバとして、SMF、DSF、Corning Flexcorel060を用いたが、これらファイバの種類、並びに各ファイバの長さは実施形態に限定されるものではなく、希土類添加光ファイバの分散値、吸収値及び希土類添加光ファイバ以外の光ファイバの分散値に応じて、共振器の分散マップが好適になるように適宜決定されるものである。
本実施形態では異常分散ファイバとしてSMFを用いたが、SMFに限定されるものではなく、SMFよりも分散絶対値を下げた異常分散ファイバを用い、異常分散ファイバの長さを長くすることで、スペクトルの広がりをより強調できる。また励起方法は波長1．４８μm励起光の後方励起配置としたが、もちろんこの励起波長、励起配置に限定されるものではなく、例えば波長０．９８μm励起光、前方励起配置等の組み合わせを採用してもよい。
さらに上記実施形態ではモード同期手段として、偏光板と偏波ビームスプリッタを用いたが、この形態に限定されるものではない。他の好適な手段としては、半導体やカーボンナノチューブなどで構成される可飽和吸収体を用いたものがあげられる。また、共振器の形態としてはリング共振器に限定されるものではなく、レーザ発振が可能な共振器から適宜好適に選択されうる。
更に、ファイバレーザからの出力光を用いたSC発生の手段として高非線形ファイバを用いたが、この形態に限定されるものではなく他のファイバ、例えば分散シフトファイバ、分散フラットファイバ、フォトニッククリスタルファイバであってもよい。
更に、雑音光からでもノイズライクパルスを発生させ、そのパルスを用いてスーパーコンティニュームによる超広帯域光を発生することができる。即ち、まず、ファイバレーザの代わりに雑音光源としてＡＳＥ光源を用い、その雑音光を変調してノイズライクパルスを発生させる。このようにして発生したノイズライクパルスによってもスーパーコンティニューム発生を行うことができる。以下にＡＳＥ(amplified spontaneous emission)光源などの一般的な雑音光（インコヒーレント光）で代用する場合の原理構造図を図２２に示す。
この場合スペクトル幅はインコヒーレント光源の帯域幅で決まる。また、出力を増幅して高非線形ファイバに注入すれば、スーパーコンティニューム発生が可能である。実験例を図２３に示す。エルビウム添加光ファイバ増幅器を用いたASE光源からの雑音光を電界効果吸収型光変調器（EA変調器）を用いて変調し、時間幅が33 psのバースト状雑音光を発生させた。これを高出力光増幅器を用いて増幅し、長さ60 mの高非線形ファイバに注入してSC発生を行った。出力スペクトルは1700 nmより短波長側では光スペクトルアナライザを用いて測定し、長波長側では分光器を用いて測定した。
本実施形態では、雑音光としてASE光源を使用したが、ASE光源だけでなく、連続的な雑音光を発生させるLEDやSLDなどを光源として用いてもよい。上記のように、ノイズライクパルスは、持続時間が限られたバースト状の雑音光で、時間的に強度波形の包絡線がパルス状となっているものであるため、時間的に強度の包絡線が一定の雑音光を変調することによっても得ることができる。
これまで、ノイズライクパルスの例として、持続時間が数10ps程度のものについてあげてきたが、本発明によるノイズライクパルスはこれに限らない。図２５にその他のノイズライクパルスの一例を示す。
このパルス波形は、900mの共振器長でノイズライクパルスの解を持つよう、共振器の総分散量が調整された、Erドープファイバを増幅媒体に用いたモード同期ファイバレーザにおいて得られたものである。この場合、図示されたように、10ns程度の長い持続時間で、時間的に比較的一定な強度波形の包絡線を持ったスクエアタイプのノイズライクパルスが得られる。このように、持続時間の長いノイズライクパルスを用いても、スーパーコンティニュームによる広帯域化が可能である。
図２４は、高非線形ファイバへの入力パワーを変化させたときの出力スペクトルである。入力パワーが1.6 Wの時、1178 nmから2134 nmの範囲でスペクトル密度が-10 dBm/nmを超えており、従来のSC光に比べて10〜20 dB程度高い強度が得られた。また、従来のSC発生で見られるようなスペクトルのリプルは無い。また、スペクトル形状も比較的安定であり、全スペクトル帯域で安定度は0.1 dB/hour以下である。
本発明により、Er添加ファイバの利得帯域幅を大きく上回る平坦で広帯域なスペクトルを有するファイバレーザを実現することができ、このファイバレーザを用いることにより、広帯域な光源を供給することができる。

Claims (5)

  1. 強度波形の包絡線が時間的にパルス状となっているノイズライクパルスを発生させるパルス光源と、該パルス光源から射出された前記ノイズライクパルスに非線形効果を誘起する非線形媒質とを備え、前記非線形媒質内で、前記ノイズライクパルスがスーパーコンティニューム光を発生することにより広帯域パルス光を発生させる広帯域光パルス発生装置。
  2. 前記パルス光源は、共振器内に正常分散媒質と、異常分散媒質と、利得媒体と、モード同期機構を備えたレーザ共振器構造を有することを特徴とする、請求項１に記載の広帯域光パルス発生装置。
  3. 前記正常分散媒質が正常分散を有する光ファイバからなっており、前記異常分散媒質が異常分散を有する光ファイバからなっており、そして、前記利得媒体が希土類添加光ファイバからなっていることを特徴とする、請求項２に記載の広帯域光パルス発生装置。
  4. 前記パルス光源は、強度の包絡線が時間的に一定である雑音光を発生させる雑音光源と、前記雑音光を変調する変調器を備えていることを特徴とする、請求項１に記載の広帯域光パルス発生装置。
  5. 前記非線形媒質が、DSF（分散シフトファイバ）、分散フラットファイバ、フォトニッククリスタルファイバ、または、ＨＮＬ（高非線形ファイバ）からなっていることを特徴とする、請求項１から４いずれか一つの請求項に記載の広帯域光パルス発生装置。
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