JP6711600B2 - 光源装置及び情報取得装置 - Google Patents

Description

本発明は、広帯域光源等の光源装置、及びこれを有する情報取得装置に関する。

近年、医用イメージング装置用のコヒーレント広帯域光源（光源装置）として、高非線形光ファイバーによる非線形波長変換技術を利用した広帯域光源の研究が盛んに行われている。このような広帯域光源が用いられる医用イメージング装置としては、スペクトル・エンコード内視鏡（spectrally encoded endoscopy）が例示される。また、光コヒーレント・トモグラフィー（optical coherent tomography）も例示される。

高非線形光ファイバーの中を強度の強い光が伝搬すると、高非線形光ファイバーの非線形光学効果によって、伝搬する光は、広帯域の波長帯を有する広帯域光であるスーパーコンティニューム光（以下、ＳＣ光と呼ぶ）に変換される。このような波長の変換に用いられる高非線形光ファイバーとしては、光ファイバーのコア及びクラッドに周期的な微細加工を施したフォトニック結晶ファイバーが用いられることがある。フォトニック結晶ファイバーのコア及びクラッドには周期的な微細加工が施されている。この構造によって、フォトニック結晶ファイバーのコア内に強い光を閉じ込めることが可能となり、コア内に効率的な波長変換に必要な高い光密度を得ることができる。

また、フォトニック結晶ファイバーの微細加工の形状を変えることにより、フォトニック結晶ファイバーの分散を制御することができる。一般的に効率的なＳＣ光の発生を行うためには、高非線形光ファイバーに入射される光の波長が、高非線形ファイバーのゼロ分散波長の近傍であり、かつ異常分散を有する波長であることが望ましい。周期的な微細加工が施されたフォトニック結晶ファイバーは、周期的な微細加工が施されていないファイバーよりも分散の調整が容易である。そのため、入射する光の波長を考慮して適切な構造を有するフォトニック結晶ファイバーを選択することにより、効率的なＳＣ光の発生が可能となる。

フォトニック結晶ファイバーに入射する光としては、パルス幅が１００ｐｓ以下のモード同期パルス光が用いられ得る。パルス幅が１００ｐｓ以下のパルス光を用いた場合、非線形光学効果を生じさせるのに必要となる、高いピーク強度の光を得ることが容易となる。また、モード同期パルス光を用いた場合、多様な非線形光学効果によって伝搬する光の波長を広帯域化することができる。広帯域化に寄与する非線形光学効果としては、自己位相変調（self phase modulation)、ソリトン分割（soliton fission）、ソリトン自己周波数シフト（soliton self frequency shift）が例示される。また、非ソリトン放射（non-solitonic radiation）、パルストラッピング（pulse trapping）が例示される。

なお、フォトニック結晶ファイバーを伝搬するパルス光によって生じるＳＣ光の発生メカニズムは、非特許文献１−３に記載されている。また、ＳＣ光を発生させる共振器型の広帯域光源の例が特許文献１に記載されている。

米国特許出願公開第２０１３／０２５９０７１号明細書

Govind Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics", Fifth Edition, Academic Press (2012) Samudra Poy et al., "Dispersive wave generation in supercontinuum process inside nonlinear microstructured fibre", Current Science, Vol. 100, No. 3, pp. 321-342 (2011) Haohua Tu et al., "Optical frequency up-conversion by supercontinuum-free widely-tunable fiber-optic Cherenkov radiation", Optics Express, Vol. 17, No. 12, pp. 9858-9872 (2009)

ＳＣ光を発生させる光源装置において、分散補償光学系を有するものがある。このような光源装置においては、分散補償光学系を備えることにより、光源の大型化、部品アライメントの煩雑さ、アライメントずれによる光源の不安定性といった課題が生じ得る。

本発明は、分散補償光学系を用いることなくＳＣ光を発生し得る光源装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る光源装置は、パルス光を生成する共振器を有するファイバーレーザと、前記ファイバーレーザから射出される前記パルス光を増幅して射出する増幅器と、前記増幅器で増幅される前記パルス光が通過する際に、非線形効果を発生させる非線形ファイバーと、を有し、前記共振器の群遅延分散をＤ１、前記共振器の出力端と前記非線形ファイバーの入力端との間の群遅延分散をＤ２としたとき、群遅延分散Ｄ１及び群遅延分散Ｄ２はともに正の値であり、真空中の光速をｃ、前記ファイバーレーザより射出される前記パルス光のスペクトル半値全幅をΔλ、前記ファイバーレーザより射出される前記パルス光の中心波長をλ、前記パルス光の形状に基づく係数をａとし、

における関数Ｔ（Δλ）を最小にする前記スペクトル半値全幅Δλの値をΔλ＿ｍｉｎとし、前記スペクトル半値全幅Δλが前記中心波長λの０．０１％増加したときの関数Ｔ（Δλ）の変化量が−３ｄＢとなる前記スペクトル半値全幅Δλの値をΔλ＿３ｄＢとしたとき、前記スペクトル半値全幅Δλは、Δλ＿３ｄＢ≦Δλ≦Δλ＿ｍｉｎ×２を満たす、ことを特徴とする。

分散補償光学系を用いることなくＳＣ光を発生し得る光源装置が提供される。

第１の実施形態に係る広帯域光源の構成図である。 スペクトル幅Δλとパルス幅Ｔの関係を表すグラフである。 スペクトル幅Δλと分散による位相回転角｜φ_ｄ｜の関係を表すグラフである。 第２の実施形態に係る広帯域光源の構成図である。 第２の実施形態に係るスペクトル幅Δλとパルス幅Ｔの関係を表すグラフである。 第２の実施形態に係るスペクトル幅Δλとパルス幅Ｔの関係を表すグラフである。 第２の実施形態に係る広帯域光源より出力されるＳＣ光のスペクトル強度を表すグラフである。 第３の実施形態に係る広帯域光源の構成図である。 第３の実施形態に係るスペクトル幅Δλとパルス幅Ｔの関係を表すグラフである。 自己位相変調によるスペクトルの歪みを表す図である。 比較例に係る広帯域光源の構成図である。 第４の実施形態に係るスペクトル・エンコード内視鏡の構成図である。

（比較例）
本発明の実施形態に係る広帯域光源を説明するに先立ち、比較例に係る広帯域光源について図１１を用いて説明する。

フォトニック結晶ファイバーにパルス光を入射してＳＣ光を発生させる広帯域光源において、イッテルビウム元素（Ｙｂ）がドープされた光ファイバー（Ｙｂドープファイバー）を利得媒体として用いるものがある。このような広帯域光源は、波長１μｍ近傍のパルス光をフォトニック結晶ファイバーに入射させることにより、ＳＣ光を発生させることができる。入射させるパルス光の波長（約１μｍ）が可視光に近いため、Ｙｂドープファイバーを用いた広帯域光源は可視光を含むＳＣ光の発生に適している。

一般的に広く用いられているシングルモードファイバー及びマルチモードファイバーは、シリカガラスの分散特性と似た分散特性を有している。そのため、波長１μｍ近傍のパルス光が光ファイバーを伝搬する場合、光ファイバーの正常分散（群速度分散が正の値である分散）によって伝搬するパルス光のパルス幅が広がる。このパルス幅の広がりを抑えるために、Ｙｂドープファイバーを用いた広帯域光源は、光ファイバーの分散を補償してパルス幅を小さくする分散補償光学系を備えている場合が多い。ここで分散補償光学系とは、波長１μｍ近傍の光に対して、その群遅延分散が負である光学系（又は光学部品）を指す。

図１１は、比較例に係る広帯域光源の構成図である。図１１に示される広帯域光源は、ファイバーレーザ１０１と、光ファイバー増幅器１０２と、フォトニック結晶ファイバー１０３と、分散補償光学系１０４とを備える。ファイバーレーザ１０１と、光ファイバー増幅器１０２とは光ファイバーで接続される。光ファイバー増幅器１０２と分散補償光学系１０４とは光ファイバーで接続される。分散補償光学系１０４とフォトニック結晶ファイバー１０３とは光ファイバーで接続される。

ファイバーレーザ１０１は、共振器１０７と、光源１０９とを備え、共振器１０７は、Ｙｂドープファイバー１０５と、可飽和吸収体１０６と、アウトプットカプラー１０８と、分散補償光学系１１０と、インプットカプラー１１１とを含む。インプットカプラー１１１は２入力１出力のカプラーであり、アウトプットカプラー１０８は１入力２出力のカプラーである。光源１０９はインプットカプラー１１１の第１の入力端に接続され、共振器１０７に約１μｍの波長を有する光を供給する。インプットカプラー１１１の出力端はＹｂドープファイバー１０５の一端に接続される。Ｙｂドープファイバー１０５の他端はアウトプットカプラー１０８の入力端に接続される。アウトプットカプラー１０８の第１の出力端は、ファイバーレーザ１０１の出力端を構成しており、光ファイバー増幅器１０２の入力端に接続される。アウトプットカプラー１０８の第２の出力端は、分散補償光学系１１０の入力端に接続される。分散補償光学系１１０の出力端は可飽和吸収体１０６の入力端に接続され、可飽和吸収体１０６の出力端はインプットカプラー１１１の第２の入力端に接続される。

Ｙｂドープファイバー１０５は、ファイバーレーザ１０１の利得媒体である。可飽和吸収体１０６は、ピークパワーが高い光に対しては吸収損失が低くなり、ピークパワーが低い光に対しては吸収損失が高くなるように設計された光学部品である。分散補償光学系１１０の群遅延分散は、波長１μｍ近傍の光が共振器を一周したときに、群遅延分散の総和が負又はゼロ付近となるように設計されている。すなわち、分散補償光学系１１０を除く光学部品の群遅延分散の総和である群遅延分散Ｄ１は正の値であり、分散補償光学系１１０の群遅延分散は群遅延分散Ｄ１と絶対値がほぼ等しい負の値である。よって、パルス光が共振器１０７を周回する際、分散補償光学系１１０によってパルス幅の広がりが補償される。その結果、共振器１０７内を周回するパルス光は、狭いパルス幅を保った状態で可飽和吸収体１０６を通過することが可能となり、共振器１０７を伝搬するパルス光の可飽和吸収体１０６における損失が下がる。よって、共振器１０７を伝搬する光は狭いパルス幅を有するパルス光となる。このようにしてパルス光が安定して発振する状態をモード同期と呼び、モード同期した状態で生成されるパルス光をモード同期パルス光と呼ぶ。

ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光は、光ファイバー増幅器１０２に入力され増幅される。光ファイバー増幅器１０２は、Ｙｂドープファイバー１１２と、２入力１出力のカプラー１１３と、光源１１４とを含む。Ｙｂドープファイバー１１２は、光ファイバー増幅器１０２の利得媒体である。カプラー１１３の２つの入力端には、ファイバーレーザ１０１の出力端と、光源１１４の出力端とが接続される。カプラー１１３の出力端は、Ｙｂドープファイバー１１２の一端に接続され、Ｙｂドープファイバー１１２の他端は分散補償光学系１０４の入力端に接続される。この構成により、光ファイバー増幅器１０２で増幅されたパルス光は分散補償光学系１０４を介して、フォトニック結晶ファイバー１０３の一端に入力される。

フォトニック結晶ファイバー１０３の他端はＳＣ光を射出する広帯域光源の出力端である。フォトニック結晶ファイバー１０３は、波長１μｍ近傍の光に対して、異常分散（すなわち、群速度分散が負の値である分散）となる。

光ファイバー増幅器１０２で増幅され、分散補償光学系１０４に到達したパルス光は、共振器１０７の出力端（すなわちアウトプットカプラー１０８の第１の出力端）と、分散補償光学系１０４の入力端との間の群遅延分散Ｄ２により、パルス幅が広がっている。分散補償光学系１０４は、この群遅延分散Ｄ２を補償するように設計されている。すなわち、分散補償光学系１０４の群遅延分散は、群遅延分散Ｄ２と絶対値がほぼ等しい負の値である。この群遅延分散Ｄ２の補償により、分散補償光学系１０４を通過したパルス光のパルス幅は狭くなる。このように、分散補償光学系１０４、１１０を用いた従来の広帯域光源では、光ファイバーなどの分散により生じるパルス幅の広がりを抑えることができる。その結果、５００ｆｓ以下のパルス幅を有するとともに高いピーク強度を有するパルス光をフォトニック結晶ファイバーに入射させることができる。なお、分散補償光学系１０４、１１０としては、プリズム対、回折格子対、チャープ・ファイバー・ブラッグ・グレーティング(chirp fiber Bragg grating)、ホーリーコアファイバーなどが例示される。

フォトニック結晶ファイバー１０３から射出されるＳＣ光のスペクトルは、フォトニック結晶ファイバー１０３に入射されるパルス光のピーク強度が高いほど、広帯域となる。よって、分散補償光学系１０４、１１０を用いることで得られた高ピーク強度をもつパルス光をフォトニック結晶ファイバー１０３に入射させることにより、広帯域なスペクトルを有するＳＣ光の発生が可能となる。

しかしながら、このような広帯域光源は、分散補償光学系１０４、１１０を備えることにより、光源の大型化、部品アライメントの煩雑さ、アライメントずれによる光源の不安定性といった課題が生じ得る。これに対し、以下の各実施形態では、分散補償光学系を用いずにＳＣ光を発生可能とした、より好適な広帯域光源の構成例を説明する。

（第１の実施形態）
以下、第１の実施形態に係る広帯域光源を、図１乃至図３を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る広帯域光源の構成図である。上述の比較例と重複する部分については説明を簡略化又は省略することもある。

広帯域光源は、ファイバーレーザ１０１と、光ファイバー増幅器１０２と、フォトニック結晶ファイバー１０３とを備える。光ファイバー増幅器１０２と、フォトニック結晶ファイバー１０３との間に分散補償光学系１０４が設けられていない点が上述の比較例とは異なる。なお、各実施形態において説明されるフォトニック結晶ファイバーは例示でありこれに限定されない。フォトニック結晶ファイバーは非線形効果を発生させ得る任意の非線形ファイバーに置換可能である。

ファイバーレーザ１０１は、モード同期パルス光を生成する共振器１０７と、光源１０９とを備え、共振器１０７は、Ｙｂドープファイバー１０５と、可飽和吸収体１０６と、アウトプットカプラー１０８と、インプットカプラー１１１とを含む。アウトプットカプラー１０８と、可飽和吸収体１０６との間に分散補償光学系１１０が設けられていない点が上述の比較例とは異なる。

光源１０９より出力される励起光は、インプットカプラー１１１を経由してＹｂドープファイバー１０５に入射され、Ｙｂドープファイバー１０５内を伝搬する。このとき、励起光によりＹｂドープファイバー１０５は励起される。励起されたＹｂドープファイバー１０５は１０００〜１１００ｎｍの間の波長を有する光を放出する。Ｙｂドープファイバー１０５より放出された光の一部は共振器１０７内で共振する。共振器１０７に含まれる可飽和吸収体１０６は、パルス光に対して低い吸収率を有する。換言すると、可飽和吸収体１０６は、パルス光を選択的に透過させるため、共振器１０７内で共振する光はパルス光となる。このパルス光の中心波長λに対する共振器１０７の群遅延分散Ｄ１は正の値である。ここで、共振器１０７の群遅延分散Ｄ１とは、モード同期パルス光が共振器１０７を一周する間に感受する群遅延分散である。群遅延分散Ｄ１は、パルス光が共振器１０７を一周する間に透過する光学部品の群遅延分散の和と等しい。また、光ファイバーの群遅延分散は、光ファイバーの群速度分散に光ファイバーの長さを掛けたものに等しい。共振器１０７で共振するパルス光は、アウトプットカプラー１０８を経由してその一部がファイバーレーザ１０１の出力として共振器１０７の外部に取り出される。

ファイバーレーザ１０１と、光ファイバー増幅器１０２と、フォトニック結晶ファイバー１０３とは、光学的に接続されている。ファイバーレーザ１０１から出力されるモード同期パルス光は、光ファイバー増幅器１０２でそのパワーが増幅されたのち、フォトニック結晶ファイバー１０３の入力端に入射される。フォトニック結晶ファイバー１０３は、入射されたモード同期パルス光が通過する際に、非線形効果によってＳＣ光を発生させる。発生したＳＣ光はフォトニック結晶ファイバー１０３の出力端から射出される。

共振器１０７の出力端（すなわち、アウトプットカプラー１０８の出力端）とフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端との間の群遅延分散Ｄ２は正の値である。換言すると、群遅延分散Ｄ２は、ファイバーレーザ１０１より出力されたパルス光が、フォトニック結晶ファイバー１０３の入力端に到達するまでに感受する群遅延分散である。したがって、群遅延分散Ｄ２は、ファイバーレーザ１０１と光ファイバー増幅器１０２とを接続する光学部品、光ファイバー増幅器１０２、及び光ファイバー増幅器１０２とフォトニック結晶ファイバー１０３を接続する光学部品の群遅延分散の和である。これらの光学部品のいずれかが光ファイバーである場合、その群遅延分散は、光ファイバーの群速度分散に光ファイバーの長さを掛けた値に等しい。

ファイバーレーザ１０１から出力されて、フォトニック結晶ファイバー１０３の入力端に到達するパルス光は、群遅延分散Ｄ１、Ｄ２の影響を受け、そのパルス幅が広がる。スペクトル半値全幅Δλ（以下、スペクトル幅Δλ）を有するパルス光のフーリエ限界パルス半値全幅Ｔ_０は、次式で得られる。

ここで、λはパルス光の中心波長であり、ａはパルス光の形状に基づく係数である。また、ｃは真空中の光速である。なお、パルス光の係数ａはパルス光の形状に応じて変化し得る。例えば、パルス光の形状がＳｅｃｈ^２型での場合、ａの値は０．３１５である。パルス光の形状がガウシアン型の場合、ａの値は０．４４１である。以降では、一例として、パルス光の形状はＳｅｃｈ^２型のパルスであるものとし、各式において、ａに０．３１５を代入したものを用いて説明する。このパルス光が群遅延分散Ｄ１とＤ２を有する光学系を通過した後のパルス半値全幅（以下、パルス幅）Ｔは次式で表される。

図２は、式（３）においてＤ１＋Ｄ２≠０のときのパルス幅Ｔをスペクトル幅Δλの関数Ｔ（Δλ）としてプロットしたグラフである。図２に示されるように、パルス幅Ｔを決定する関数Ｔ（Δλ）は、スペクトル幅Δλ＝Δλ＿ｍｉｎのときに極小値かつ最小値となる。図２によれば、ファイバーレーザ１０１から出力されるパルス光のスペクトル幅Δλを選択することで、フォトニック結晶ファイバー１０３に入射されるパルス光のパルス幅Ｔを所望の値とすることができる。一般的に、広帯域のＳＣ光を発生させるためには、ファイバーレーザ１０１から出力されるパルス光のスペクトル幅Δλは、パルス幅Ｔが極小値となるスペクトル幅Δλ＿ｍｉｎの近傍の値であることが望ましい。しかしながら、波長帯域幅の狭いＳＣ光を発生させるために、スペクトル幅ΔλをΔλ＿ｍｉｎから離れた値としてもよい。

ファイバーレーザ１０１において、共振器１０７の群遅延分散Ｄ１が正の値である場合パルス光が共振器１０７を一周する際のパルス幅Ｔの広がり率（＝一周した後のパルス幅Ｔ_１／一周する前のフーリエ限界パルス半値全幅Ｔ_０）は以下の式で表される。

共振器１０７を一周したパルス光の電磁波は、分散による位相の変調を受ける。その位相回転角φ_ｄは、以下の式で表される。

ここでβ_２は、共振器１０７を構成するファイバー及び光学部品の群速度分散の平均値である。β_２は、共振器１０７の群遅延分散Ｄ１を共振器１０７の長さＬで割った値にほぼ等しく、正の値である。

図３は、（Δλ）^２に対して位相回転角φ_ｄの絶対値をプロットしたグラフである。なお、横軸の（Δλ）^２の値は、１／（Ｄ１（ｃ／０．３１５λ^２）^２）で規格化されている。図３より、Δλが大きいほど位相回転角φ_ｄの絶対値は大きくなる。またパルス光は、共振器１０７を構成する光ファイバーの非線形光学効果である自己位相変調（self-phase-modulation、以下ＳＰＭと呼ぶ）による位相の変調を受ける。この効果により、群遅延分散Ｄ１が正の値をもつ共振器１０７では、位相回転角φ_ｄを有するパルス光がモード同期する。このように、自己位相変調による位相変調の効果を受けてモード同期したパルス光は、シミラリトンパルス（similariton pulse）と呼ばれる。自己位相変調の強さ（すなわち、自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭ）は、以下の式で表される。

ここで、γは共振器１０７を構成する光ファイバーの非線形係数の平均値であり、Ｐ_ｐｅａｋは共振器１０７を伝搬するパルス光のピークパワーの平均値である。分散による位相回転角φ_ｄが大きい場合、それを補償する自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭも大きくなければならない。式（６）で表されるように、パルス光のピーク強度を高くすることで、自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭを大きくすることができる。しかしながら、共振器１０７内を伝搬するパルス光のパワーを大きくしすぎると、発熱によりファイバーレーザ１０１の不安定化が生じることがある。また、共振器１０７内部の部品、特に可飽和吸収体１０６の破損が生じることもある。一方、分散による位相回転角φ_ｄが小さい場合、自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭが小さくても分散による位相の変調を補償することができる。すなわち、スペクトル幅Δλが小さい場合、分散による位相回転角φ_ｄが小さくなるので、パルス光のパワーを小さくしたとしてもシミラリトンパルスを生成し得る。これにより、ファイバーレーザ１０１のモード同期が安定化し、かつ共振器１０７内部の部品の破損が生じにくくなり得る。

ここで、パルス光のスペクトル幅Δλは、誘電体多層膜、ファイバー・ブラッグ・グレーティングなどの多重干渉を利用した、所望のスペクトルバンド幅を有する光学フィルターを共振器１０７内に設けることによって制御され得る。

パルス幅Ｔが極小値を取るときの自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭの大きさは、スペクトル幅Δλ＿ｍｉｎの２倍のときに群遅延によって生じる位相回転角とほぼ等しいか、やや大きいことが実験により得られている。スペクトル幅がΔλ＿ｍｉｎよりも大きくなると、パルス幅Ｔが大きくなり、ピークパワーが小さくなるが、スペクトル幅Δλ＿ｍｉｎの２倍以下であれば、同じパルスエネルギーであっても自己位相変調により位相回転角が補償される。したがって、スペクトル幅Δλは、パルス幅Ｔが極小値となるスペクトル幅Δλ＿ｍｉｎの２倍以下とすることが好ましい。これにより、ファイバーレーザ１０１におけるモード同期を安定化し、かつ共振器１０７内部の部品の破損を生じにくくするために十分な程度にパルス光のパワーを小さくすることができる。また、スペクトル幅Δλをスペクトル幅Δλ＿ｍｉｎの２倍以下とすることにより、スペクトル幅ΔλをＳＣ光の広帯域化に有効なΔλ＿ｍｉｎ近傍とすることができる。

また、スペクトル幅Δλは、パルス幅Ｔが極小値となるスペクトル幅Δλ＿ｍｉｎ以下とすることがより好ましい。パルス光のパワーをより小さくすることができ、ファイバーレーザ１０１におけるモード同期の安定化と共振器１０７内部の部品の破損の発生低減をより確実なものとすることができる。また、上述と同様に、スペクトル幅ΔλをＳＣ光の広帯域化に有効なΔλ＿ｍｉｎ近傍とすることができる。

また、図２で示されるように、スペクトル幅ΔλがΔλ＿ｍｉｎ以下の領域では、パルス幅Ｔはスペクトル幅Δλの変化に対して急激に変化する。上述のように、パルス光のスペクトル幅Δλは、誘電体多層膜、ファイバー・ブラッグ・グレーティングなどの多重干渉を利用した、所定のスペクトルバンド幅を有する光学フィルターを共振器１０７内に設けることによって制御される。これらの光学フィルターのスペクトルバンド幅の精度（バラつき）は約０．０１％である。例えば波長が１０００ｎｍのパルス光であれば、約０．１ｎｍである。光学フィルターのスペクトルバンド幅のバラつきによって生じるパルス幅Ｔのバラつきは、フォトニック結晶ファイバー１０３に入射するパルス光のピークパワーＰ^ｉｎ _ｐｅａｋのバラつきを生じさせる。パルス光のピークパワーは、パルス光のパルス幅Ｔに反比例することから、このピークパワーのバラつきδＰ^ｉｎ _ｐｅａｋ／Ｐ^ｉｎ _ｐｅａｋは、パルス光のパルス幅ＴのバラつきδＴ／Ｔとほぼ同程度である。このようなピークパワーのバラつきδＰ^ｉｎ _ｐｅａｋ／Ｐ^ｉｎ _ｐｅａｋは、光ファイバー増幅器１０２の増幅率を調整することにより補償することができる。

しかしながら、光ファイバー増幅器１０２の増幅率の調整可能範囲には限界がある。この調整可能範囲を考慮して、ピークパワーのバラつきδＰ^ｉｎ _ｐｅａｋ／Ｐ^ｉｎ _ｐｅａｋは、ファイバーレーザ１０１とフォトニック結晶ファイバー１０３との間に設けられるアイソレータ等の光学部品の透過損失と同程度、又はそれ未満とすることが望ましい。このような観点から、パルス幅ＴのバラつきδＴ／Ｔは、ファイバーカップル型の光学部品で通常許容される透過損失３ｄＢ（約５０％）以下であることが望ましい。

よって、ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光のスペクトル幅Δλは、Δλを中心波長に対して約０．０１％変化させたときのパルス幅ＴのバラつきδＴ／Ｔが３ｄＢ（約５０％）となるスペクトル幅Δλ＿３ｄＢ以上とすることが望ましい。換言すると、スペクトル幅Δλは、Δλを中心波長に対して約０．０１％増加させたときのパルス幅Ｔの変化量が−３ｄＢとなるスペクトル幅Δλ＿３ｄＢ以上とすることが望ましい。

図２には、Δλを中心波長に対して約０．０１％増加させたときのパルス幅Ｔの変動量が−３ｄＢであるスペクトル幅Δλ＿３ｄＢが図示されている。Δλ＿３ｄＢにおけるパルス幅ＴをＴ＿３ｄＢ、Δλ＿３ｄＢにおける接線の傾きをｄＴ／ｄΔλ［ｐｓ／ｎｍ］とすると、以下の式が成り立つ。

以上の説明を整理すると、ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光のスペクトル幅Δλは、Δλ＿３ｄＢ≦Δλ≦Δλ＿ｍｉｎ×２の関係を満たすことが好ましい。この場合、ファイバーレーザ１０１におけるモード同期の安定化及び共振器１０７内部の部品の破損低減が実現されるとともに、ピークパワーのバラつきを光ファイバー増幅器１０２の調整可能範囲内とすることができる。また、Δλ＿３ｄＢ≦Δλ≦Δλ＿ｍｉｎの関係を満たすことがより好ましい。パルス光のパワーをより小さくすることができ、ファイバーレーザ１０１におけるモード同期の安定化と共振器１０７内部の部品の破損低減をより確実なものとすることができる。

以上のように、本実施形態によれば、分散補償光学系を用いることなくＳＣ光を発生し得る光源装置が提供される。そのため、分散補償光学系を備えることにより生じうる、光源の大型化、部品アライメントの煩雑さ、アライメントずれによる光源の不安定性といった問題が軽減され得る。

以上、本発明の基本構成について第１の実施形態として説明した。第１の実施形態の構成をより明確にし、あるいは構成の一部を変形した例を、以下、第２の実施形態及び第３の実施形態として説明する。第２の実施形態及び第３の実施形態の説明においても、上述の比較例、第１の実施形態と重複する部分については説明を簡略化又は省略することがある。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る広帯域光源の構成図である。ファイバーレーザ１０１は、共振器１０７と光源１０９とを含む。共振器１０７は、可飽和吸収体１０６と、アウトプットカプラー１０８と、バンドパスフィルター１１５と、インプットカプラー１１１と、Ｙｂドープファイバー１０５とを含む。バンドパスフィルター１１５は、アウトプットカプラー１０８と可飽和吸収体１０６の間に設けられる光学フィルターである。可飽和吸収体１０６は、例えば、半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンのうちの１又は複数を材料として含んでおり、共振器内を伝搬する光に対して、透過型可飽和吸収体として機能する。すなわち、可飽和吸収体１０６は、共振器１０７内を伝搬するパルス光を低損失で透過させ、パルス光でない光には高い損失を与える。インプットカプラー１１１は、例えば、波長分割多重カプラーである。

Ｙｂドープファイバー１０５は、例えば、シングルモードファイバーであり、Ｃｏｒａｃｔｉｖｅ社製の型番Ｙｂ４０６を使用することができる。共振器１０７内を伝搬するパルス光は、Ｙｂドープファイバーの発光波長帯である１０００ｎｍから１１００ｎｍのいずれかの波長の光を含んでいる。アウトプットカプラー１０８は、共振器１０７を伝搬してアウトプットカプラー１０８に到達したパルス光のパワーのうちの５０％を出力として共振器１０７の外部に取り出し、残りの５０％のパワーを共振器１０７の内部に戻す。

バンドパスフィルター１１５の透過スペクトルの中心波長と共振器１０７内を伝搬するパルス光の中心波長λとはほぼ一致する。所望のスペクトルバンド幅を有するバンドパスフィルター１１５を用いることにより、パルス光のスペクトル幅Δλを所望の値に制御することができる。バンドパスフィルター１１５として、例えば、誘電体多層膜により構成されるバンドパスフィルターを用いることができる。バンドパスフィルター１１５の中心波長は、例えば、１０３０ｎｍとすることができる。バンドパスフィルター１１５の透過スペクトルのバンド幅は、例えば、２．５ｎｍとすることができる。この場合、パルス光のスペクトル幅Δλは、約２．５ｎｍとなる。

光源１０９は、例えば、レーザダイオードである。光源１０９は、Ｙｂドープファイバー１０５の吸収波長と一致する波長の励起光を出力する。光源１０９から出力される励起光の波長は、例えば、９８０ｎｍとすることができる。励起光は、インプットカプラー１１１を通って、共振器１０７に入射される。共振器１０７に入射された励起光は、Ｙｂドープファイバー１０５を励起する。励起されたＹｂドープファイバー１０５は、誘導放出過程によって共振器１０７内を伝搬するパルス光にエネルギーを与える。共振器１０７を構成するこれらの光学部品は、パルス光の波長λに対してシングルモードとなるシングルモードファイバーにより接続される。このシングルモードファイバーには、例えばコーニング社製、型番ＨＩ１０６０を用いることができる。

パルス光が共振器１０７を一周する際の伝搬距離、すなわち共振器１０７の長さは６ｍである。上述の構成におけるファイバーレーザ１０１は、中心波長λ＝１０３０ｎｍ、スペクトル幅Δλ＝２．５ｎｍ、繰り返し周波数ｆ＝３０ＭＨｚ、出力パワー約５ｍＷのパルス光を出力する。ファイバーレーザ１０１から出力されるパルス光はモード同期されており、その繰り返し周波数ｆは、パルス光が共振器１０７を一周する時間の逆数にほぼ反比例する。共振器１０７の群遅延分散は、共振器１０７に含まれる光学部品及び光ファイバーの群遅延分散の和となる。共振器１０７に含まれるバンドパスフィルター１１５、可飽和吸収体１０６、アウトプットカプラー１０８及びインプットカプラー１１１の群遅延分散は、Ｙｂドープファイバー１０５及び光学部品間を接続する光ファイバーの群遅延分散に比べると十分に小さい。そのため、共振器１０７の群遅延分散Ｄ１は、実質的に光ファイバーの群遅延分散により決定される。共振器１０７に含まれる光ファイバーの群速度分散の平均値は０．０２５（ｐｓ^２／ｍ）である。これに共振器１０７の長さ６ｍを掛けて得られる群遅延分散Ｄ１は、０．１５（ｐｓ^２）である。

光ファイバー増幅器１０２は、Ｙｂドープファイバー１１２と、カプラー１１３と、光源１１４とを備えている。Ｙｂドープファイバー１１２は、例えば、ダブルクラッドファイバーであり、その長さは３ｍである。Ｙｂドープファイバー１１２としては、例えば、Ｃｏｒａｃｔｉｖｅ社製の型番ＤＣＦ−Ｙｂ−１０／１２８−Ｅを用いることができる。

光源１１４は、例えばレーザダイオードであり、Ｙｂドープファイバー１１２の吸収波長である９８０ｎｍの励起光を出力する。カプラー１１３は波長分割多重カプラーであり、カプラー１１３の２つの入力端にはそれぞれ、光源１１４の出力端であるファイバーと、ファイバーレーザ１０１から出力されたパルス光を伝搬するファイバーとが接続される。カプラー１１３の出力端にはＹｂドープファイバー１１２が接続されており、励起光は、カプラー１１３を介してＹｂドープファイバー１１２へと伝搬され、Ｙｂドープファイバー１１２を励起する。

フォトニック結晶ファイバー１０３は、パルス光の中心波長λ（＝１０３０ｎｍ）において異常分散を有している。フォトニック結晶ファイバー１０３としては、例えば、ゼロ分散波長が９７５ｎｍであるＮＫＴフォトニクス社製の型番ＳＣ−３．７−９７５を用いることができる。フォトニック結晶ファイバー１０３の長さは、例えば、１ｍから３ｍの範囲で選択することができる。

ファイバーレーザ１０１と、光ファイバー増幅器１０２は、アイソレータ１１６を介して光ファイバーで接続されている。光ファイバー増幅器１０２と、フォトニック結晶ファイバー１０３とは、アイソレータ１１７を介して光ファイバーで接続されている。ファイバーレーザ１０１より出力されたパルス光は、光ファイバー増幅器１０２で増幅されて、フォトニック結晶ファイバー１０３の入力端に到達する。フォトニック結晶ファイバー１０３に到達したパルス光は約１Ｗのパワーに増幅されている。共振器１０７の出力端（すなわち、アウトプットカプラー１０８の出力端）からフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端までのファイバーの長さは、例えば、約４ｍである。

ファイバーレーザ１０１の出力端からフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端までの群遅延分散Ｄ２は、それらを結ぶ光学部品と光ファイバーの群遅延分散の和となる。光学部品であるアイソレータ１１６、１１７、カプラー１１３の群遅延分散は、Ｙｂドープファイバー１１２及び光学部品間を接続する光ファイバーの群遅延分散に比べると十分に小さい。そのため、群遅延分散Ｄ２は、実質的に光ファイバーの群遅延分散により決定される。共振器１０７の出力端（すなわち、アウトプットカプラー１０８の出力端）からフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端までの光ファイバーの群速度分散の平均値は約０．０２５（ｐｓ^２／ｍ）である。これにファイバーの長さ約４ｍを掛けて得られる群遅延分散Ｄ２は、約０．１０（ｐｓ^２）である。

図５は、パルス幅Ｔとスペクトル幅Δλとの関係を表すグラフである。パルス幅Ｔはスペクトル幅２．２ｎｍ（＝Δλ＿ｍｉｎ）で極小値かつ最小値となる。したがって、スペクトル幅Δλを４．４ｎｍ以下とすれば、パルス幅Ｔが最小となるΔλ＿ｍｉｎの近傍のスペクトル幅を含み、かつ分散による位相回転角φ_ｄを小さくすることができる。φ_ｄが小さいファイバーレーザ１０１は、パワーの小さいパルス光でもモード同期させることが可能である。したがって、共振器１０７のモード同期が安定し、かつ部品の破損が生じにくい広帯域光源が実現される。なお、図中の破線Ａは、スペクトル幅を０．１ｎｍ変化させたときに、パルス幅Ｔの変化量が３ｄＢとなるスペクトル幅Δλ＿３ｄＢを表している。図中の破線Ｂは、パルス幅Ｔが最小となるスペクトル幅Δλ＿ｍｉｎを表している。図中の破線Ｃは、スペクトル幅Δλ＿ｍｉｎ×２を表している。

図６は、図５のグラフにおいてスペクトル幅Δλ＿３ｄＢの近傍を拡大したものである。スペクトル幅Δλ＿３ｄＢは、０．２ｎｍである。スペクトル幅Δλ＿３ｄＢにおけるパルス幅Ｔ＿３ｄＢは、５ｐｓである。スペクトル幅Δλ＿３ｄＢ、パルス幅Ｔ＿３ｄＢを接点とする接線の傾き（ｄＴ／ｄΔλ）は、約２５（ｐｓ／ｎｍ）である。また、スペクトル幅がδΔλ＝０．１ｎｍ増加させたときのパルス幅の変化量は、（ｄＴ／ｄΔλ）×δΔλ／Ｔ＿３ｄＢ＝−２５（ｐｓ／ｎｍ）×０．１ｎｍ／５ｐｓ＝−０．５である。すなわち、Δλ＿３ｄＢにおいてスペクトル幅を０．１ｎｍ増加させたときのパルス幅Ｔの変化量は、−３ｄＢとなっている。したがって、ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光のスペクトル幅Δλが０．２ｎｍ以上であれば、パルス幅Ｔの変化量の絶対値は、３ｄＢ以下となる。このとき、バンドパスフィルター１１５のスペクトルバンド幅のバラつきにより生じるパルス幅のバラつき、すなわちピークパワーのバラつきは、アイソレータ１１６、１１７などの光学部品の透過損失とほぼ同程度となる。したがって、このピークパワーのバラつきは、光ファイバー増幅器１０２による増幅率の調整によって補正が可能な範囲内となる。

第２の実施形態において、ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光のスペクトル幅Δλは、約２．５ｎｍである。すなわち、スペクトル幅Δλは、パルス幅Ｔを最小にするスペクトル幅Δλ＿ｍｉｎの２倍よりも狭く、スペクトル幅Δλが０．１ｎｍ増加したときのパルス幅Ｔの変化量が−３ｄＢとなるスペクトル幅Δλ＿３ｄＢよりも広い。言い換えると、Δλ＿３ｄＢ≦Δλ≦Δλ＿ｍｉｎ×２の関係を満たしている。

その結果、第２の実施形態の広帯域光源は、ファイバーレーザ１０１のモード同期が安定しており、光学部品の破損が生じにくい。さらに、第２の実施形態の広帯域光源は、スペクトル幅Δλのバラつきに起因するパルス幅Ｔのピーク強度のバラつきを光ファイバー増幅器１０２により補正可能な範囲とすることができる。また、第２の実施形態において、フォトニック結晶ファイバー１０３に入射されるパルス光のパルス幅は十分に短い。そのため、フォトニック結晶ファイバー１０３から射出されるＳＣ光は十分に広帯域化されている。図７は、第２の実施形態に係る広帯域光源より出力されるＳＣ光のスペクトル強度分布を表すグラフである。図７において、λ＿ｅｄｇｅ１＝５００ｎｍ、λ＿ｅｄｇｅ２＞１６００ｎｍであり、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長帯におけるスペクトル強度は０．２ｍＷ／ｎｍ以上である。そのため、本実施形態に係る光源装置は、可視光領域の光源として良好な特性を有している。

以上のように、本実施形態によれば、分散補償光学系を用いることなくＳＣ光を発生し得る光源装置が提供される。そのため、分散補償光学系を備えることにより生じうる、光源の大型化、部品アライメントの煩雑さ、アライメントずれによる光源の不安定性といった問題が軽減され得る。

なお、本実施形態では、共振器１０７に含まれるすべての光ファイバー及び光学部品は、正の群遅延分散を有している。このような構成では群遅延分散Ｄ１が大きくなりやすいので、上述の本実施形態の効果がより有効なものとなる。また、本実施形態では、共振器１０７の出力端からフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端の間の光路に含まれるすべての光ファイバー及び光学部品も、正の群遅延分散を有している。このような構成では群遅延分散Ｄ２が大きくなりやすいので、上述の本実施形態の効果がより有効なものとなる。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る広帯域光源の構成図である。ファイバーレーザ１０１は共振器２０７と光源１０９とを含む。共振器２０７は、可飽和吸収ミラー２０６と、ファイバー・ブラッグ・グレーティングミラー（ＦＢＧミラー）２０８と、インプットカプラー１１１と、Ｙｂドープファイバー１０５とを含む。可飽和吸収ミラー２０６とＦＢＧミラー２０８とで挟まれた領域はファイバーレーザ１０１の共振器２０７を構成する。可飽和吸収ミラー２０６は、例えば、半導体、カーボンナノチューブ、グラフェンのうちの１又は複数を材料として含んでおり、反射する光に対して、可飽和吸収体として機能する。すなわち、可飽和吸収ミラー２０６は、共振器２０７内を伝搬するパルス光を低損失で反射し、パルス光でない光が反射する際に高い損失を与える。

共振器２０７内を伝搬するパルス光は、波長帯１０００ｎｍから１１００ｎｍのいずれかの波長の光を含んでいる。ＦＢＧミラー２０８はアウトプットカプラーの機能と光学フィルターの機能とを備えている。ＦＢＧミラー２０８は、共振器２０７を伝搬してＦＢＧに到達したパルス光のパワーの５０％を出力として共振器の外部に取り出し、残りの５０％のパワーを共振器２０７の内部に戻す。ＦＢＧミラー２０８の反射スペクトルの中心波長と共振器２０７内を伝搬するパルス光の中心波長λとはほぼ一致している。ＦＢＧミラー２０８により反射された光が共振器２０７内で共振し、パルス光となる。したがって、所望の反射スペクトルのバンド幅を有するＦＢＧミラー２０８を用いることにより、パルス光のスペクトル幅Δλを所望の値に制御することができる。ＦＢＧミラー２０８として、例えば、誘電体多層膜、半導体多層膜等を用いることができる。ＦＢＧミラー２０８の反射スペクトルの中心波長は、例えば、１０３０ｎｍとする。ＦＢＧミラー２０８の反射スペクトルのバンド幅は、例えば、１．０ｎｍとする。このとき、共振器２０７内で共振するパルス光の中心波長は約１０３０ｎｍとなり、スペクトル幅は約１．０ｎｍとなる。

光源１０９は、例えば、レーザダイオードである。光源１０９は、Ｙｂドープファイバー１０５の吸収波長と一致する波長の励起光を出力する。光源１０９から出力される励起光の波長は、たとえば９８０ｎｍとすることができる。励起光は、インプットカプラー１１１を通って、共振器２０７に入射される。共振器２０７に入射された励起光は、Ｙｂドープファイバー１０５を励起する。励起されたＹｂドープファイバーは、誘導放出過程によって共振器２０７内を伝搬するパルス光に光エネルギーを与える。共振器２０７を構成するこれら光学部品は、パルス光の波長λに対してシングルモードとなるシングルモードファイバーにより接続される。このシングルモードファイバーには、例えばコーニング社製、型番ＨＩ１０６０を用いることができる。

ＦＢＧミラー２０８と可飽和吸収ミラー２０６とを結ぶシングルモードファイバーとＹｂドープファイバー１０５の長さの合計は、約３ｍである。よって、パルス光が共振器２０７を一周する際の伝搬距離、すなわち共振器２０７の一往復分の長さは約６ｍである。上述の構成におけるファイバーレーザ１０１は、中心波長λ＝１０３０ｎｍ、スペクトル幅Δλ＝１．０ｎｍ、繰り返し周波数ｆ＝３０ＭＨｚ、出力パワー約３ｍＷのパルス光を出力する。ファイバーレーザ１０１から出力されるパルス光はモード同期されており、その繰り返し周波数ｆは、パルス光が共振器２０７を一周する時間の逆数にほぼ反比例する。共振器２０７の群遅延分散は、共振器２０７に含まれる光学部品及び光ファイバーの群遅延分散の和となる。共振器２０７に含まれる可飽和吸収ミラー２０６、インプットカプラー１１１の群遅延分散は、Ｙｂドープファイバー１０５及び光学部品間を接続する光ファイバーの群遅延分散に比べると十分に小さい。したがって、ＦＢＧミラー２０８の群遅延分散が無視できるほど小さい場合、共振器２０７の群遅延分散Ｄ１は、実質的に光ファイバーの群遅延分散により決定される。共振器２０７を構成する光ファイバーの群速度分散の平均値は０．０２５（ｐｓ^２／ｍ）である。これに共振器２０７の長さ６ｍを掛けて得られる群遅延分散Ｄ１は、０．１５（ｐｓ^２）である。

また、共振器２０７を構成するＦＢＧミラー２０８の群遅延分散は負の値を有していてもよい。例えば、ＦＢＧミラー２０８の群遅延分散は、−０．０５（ｆｓ^２）の程度の値であってもよい。このとき、共振器２０７の群遅延分散Ｄ１は０．１０（ｐｓ^２）となる。さらに、共振器２０７を構成するＦＢＧミラー２０８の群遅延分散は正の値を有していてもよい。例えば、ＦＢＧミラー２０８の群遅延分散は、＋０．０５ｆｓ^２の程度の値であってもよい。このとき、共振器２０７の群遅延分散Ｄ１は０．２０（ｐｓ^２）となる。

光ファイバー増幅器１０２は、２段の増幅器を有する。光ファイバー増幅器１０２は、２本のＹｂドープファイバー２１１、２１４と、２個のカプラー２１２、２１５と、２個の光源２１３、２１６とを備えている。Ｙｂドープファイバー２１１、カプラー２１２及び光源２１３は第１段目の増幅器を構成しており、Ｙｂドープファイバー２１４、カプラー２１５及び光源２１６は第２段目の増幅器を構成している。なお、本実施形態では例示として２段の増幅器を有する構成としているが第２の実施形態と同様の１段であってもよく、２段以上、すなわち複数段であってもよい。増幅器の段数が複数段の場合、群遅延分散Ｄ２が大きくなりやすいので、本実施形態の効果がより有効なものとなる。

Ｙｂドープファイバー２１１は、１ｍの長さを有するシングルモードファイバーであり、Ｙｂドープファイバー２１４は、３ｍの長さを有するダブルクラッドファイバーである。光源２１３、２１６はＹｂドープファイバー２１１、２１４の吸収波長である９８０ｎｍの励起光を出力する。カプラー２１２、２１５は波長分割多重カプラーである。カプラー２１２の２つの入力端にはそれぞれ、光源２１３の出力端であるファイバーと、ファイバーレーザ１０１から出力されたパルス光を伝搬するファイバーとが接続される。カプラー２１５の２つの入力端にはそれぞれ、光源２１６の出力端であるファイバーと、Ｙｂドープファイバー２１１とが接続される。励起光は、カプラー２１２、２１５を介してＹｂドープファイバー２１１、２１４へとそれぞれ伝搬され、これらを励起する。

フォトニック結晶ファイバー１０３は、パルス光の中心波長λにおいて異常分散を有している。λが１０３０ｎｍの場合、例えば、フォトニック結晶ファイバー１０３として、ゼロ分散波長が９７５ｎｍであるＮＫＴフォトニクス社製のＳＣ−３．７−９７５を用いることができる。フォトニック結晶ファイバー１０３の長さは、例えば、１ｍから３ｍの範囲で選択することができる。

ファイバーレーザ１０１と、光ファイバー増幅器１０２は、アイソレータ１１６を介して光ファイバーで接続されている。光ファイバー増幅器１０２と、フォトニック結晶ファイバー１０３とは、アイソレータ１１７を介して光ファイバーで接続されている。ファイバーレーザ１０１より出力されたパルス光は、光ファイバー増幅器１０２で増幅されて、フォトニック結晶ファイバー１０３の入力端に到達する。フォトニック結晶ファイバー１０３に到達したパルス光は約３Ｗに増幅されている。共振器２０７の出力端（すなわち、ＦＢＧミラー２０８の出力端）からフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端までのファイバーの長さは、約７ｍである。ファイバーレーザ１０１の出力端からフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端までの群遅延分散Ｄ２は、それらを結ぶ光学部品と光ファイバーの群遅延分散の和となる。光学部品であるアイソレータ１１６、１１７、カプラー２１２、２１５の群遅延分散は、Ｙｂドープファイバー２１１，２１４及び光学部品間を接続する光ファイバーの群遅延分散に比べると非常に小さい。そのため、群遅延分散Ｄ２は、実質的に光ファイバーの群遅延分散により決定される。ファイバーレーザ１０１の出力端からフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端までの光ファイバーの群速度分散の平均値は０．０２５（ｐｓ^２／ｍ）であり、これにファイバーの長さ約７ｍを掛けて得られる群遅延分散Ｄ２は、約０．１７５（ｐｓ^２）である。

図９は、パルス幅Ｔとスペクトル幅Δλとの関係を表すグラフである。パルス幅Ｔはスペクトル幅１．９ｎｍ（＝Δλ＿ｍｉｎ）で極小値かつ最小値となる。したがって、スペクトル幅Δλを３．８ｎｍ以下とすれば、パルス幅Ｔが最小となるΔλ＿ｍｉｎの近傍のスペクトル幅を含み、かつ分散による位相回転角φ_ｄを小さくすることができる。φ_ｄが小さいファイバーレーザ１０１は、パワーの小さいパルス光でもモード同期させることが可能である。したがって、モード同期が安定し、かつ部品の破損が起きにくい広帯域光源が実現される。なお、図中の破線Ａは、スペクトル幅を０．１ｎｍ増加させたときに、パルス幅Ｔの変化量が−３ｄＢとなるスペクトル幅Δλ＿３ｄＢを表している。

スペクトル幅Δλ＿３ｄＢは、０．２ｎｍである。スペクトル幅Δλ＿３ｄＢにおけるパルス幅Ｔ＿３ｄＢは、５ｐｓである。スペクトル幅Δλ＿３ｄＢ、パルス幅Ｔ＿３ｄＢを接点とする接線の傾き（ｄＴ／ｄΔλ）は、約−２５（ｐｓ／ｎｍ）である。スペクトル幅がδΔλ＝０．１ｎｍ変化したときのパルス幅の変化量は、（ｄＴ／ｄΔλ）×δΔλ／Ｔ＿３ｄＢ＝−２５（ｐｓ／ｎｍ）×０．１ｎｍ／５ｐｓ＝−０．５である。すなわち、Δλ＿３ｄＢにおいてスペクトル幅を０．１ｎｍ増加させたときのパルス幅Ｔの変化量は、−３ｄＢとなっている。したがって、ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光のスペクトル幅Δλが０．２ｎｍ以上であれば、パルス幅Ｔの変化量の絶対値は、３ｄＢ以下となる。このとき、ＦＢＧミラー２０８のスペクトルバンド幅のバラつきにより生じるパルス幅のバラつき、すなわちピークパワーのバラつきは、アイソレータ１１６、１１７などの他の光学部品の透過損失とほぼ同程度となる。したがって、このピークパワーのバラつきは、ＦＢＧミラーのバンド幅のバラつきは光ファイバー増幅器１０２による増幅率の調整によって補正が可能な範囲内となる。

ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光の出力パワーＰ_ｏｕｔは３ｍＷであり、繰り返し周波数ｆは３０ＭＨｚであり、中心波長λは１０３０ｎｍである。このとき共振器２０７内のパルス光のピーク強度の平均値Ｐ_ｐｅａｋは、おおよそ次式で見積もられる。

また、自己位相変調によるパルス光の位相回転角φ_ＳＰＭは次式で表される。

ここで、κは共振器２０７からのパルス光の取り出し効率、γは共振器２０７の非線形係数の平均値である。共振器２０７からのパルス光の取り出し効率はＦＢＧミラー２０８の透過率とほぼ等しく、κの値は約０．５（５０％）である。共振器２０７の非線形係数γの平均値は、約２．０（Ｗ^−１／ｋｍ）である。

図１０は、自己位相変調によるパルス光の位相回転角φ_ＳＰＭをφ_ＳＰＭ＝０、０．５π、π、１．５π、２．５π、３．５π（ｒａｄ）と変化させたときのパルス光のスペクトルの歪みの変化を表している。なお、πは円周率である。位相回転角φ_ＳＰＭが大きいほど、スペクトルの歪みは大きくなる。式（９）に示されるとおり、位相回転角φ_ＳＰＭはスペクトル幅Δλに比例することから、スペクトル幅Δλが大きいほどスペクトルの歪みは大きくなる。位相回転角φ_ＳＰＭが大きくスペクトルの歪みが大きい場合、共振器２０７内を伝搬するパルス光は不安定となりやすい。特に、図１０に示されるように、位相回転角φ_ＳＰＭがπを超えるとスペクトルの歪みが顕著となる。よって、自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭは、スペクトルの歪みが大きくなるπ（ｒａｄ）（≒３．１４（ｒａｄ））よりも小さいことが望ましい。

ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光のスペクトル幅Δλは、ＦＢＧミラー２０８のバンド幅とほぼ同等の１ｎｍである。このとき、自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭは１．９（ｒａｄ）であり、π（ｒａｄ）よりも小さい。

ファイバーレーザより出力されるパルス光のスペクトル幅Δλは、ＦＢＧミラー２０８のバンド幅とほぼ同等の１ｎｍである。すなわち、Δλは、パルス幅Ｔを最小にするスペクトル幅Δλ＿ｍｉｎよりも狭い。したがって、第３の実施形態においては、第２の実施形態の構成よりもファイバーレーザ１０１のモード同期が安定し、かつ部品の破損も生じにくい。また、スペクトル幅Δλは、スペクトル幅Δλが０．１ｎｍ変化したときのパルス幅Ｔの変化量が３ｄＢとなるスペクトル幅Δλ＿３ｄＢ（＝０．２ｎｍ）よりも広い。その結果、第３の実施形態の広帯域光源は、上述の効果に加え、スペクトル幅Δλのバラつきに起因するパルス光のピーク強度のバラつきを光ファイバー増幅器１０２により補正可能な範囲とすることができる。

さらに、第３の実施形態における自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭ（＝１．９（ｒａｄ））は、スペクトルの歪みが顕著となるπ（ｒａｄ）（≒３．１４（ｒａｄ））よりも小さい。よって、共振器２０７内を伝搬するパルス光の安定性がより向上する。

出力パワーＰ_ｏｕｔ＝３ｍＷ、繰り返し周波数ｆ＝３０ＭＨｚ、中心波長λ＝１０３０ｎｍ、非線形係数γ＝２．０（Ｗ^−１／ｋｍ）、共振器長Ｌ＝６ｍであるとする。このとき、式（９）によれば、スペクトル幅Δλが１．８ｎｍ以下であれば、自己位相変調による位相回転角φ_ＳＰＭがπ（ｒａｄ）以下となる。よって、ファイバーレーザ１０１より出力されるパルス光のスペクトル幅Δλを０．２ｎｍ以上、１．８ｎｍ以下の範囲とすると、共振器２０７内を伝搬するパルス光の安定性がより向上し、広帯域光源の動作がより安定化され得る。

第３の実施形態に係る広帯域光源から出力されるＳＣ光は、λ＿ｅｄｇｅ１＝４８０ｎｍ、λ＿ｅｄｇｅ２＞１８００ｎｍであり、５００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長帯におけるスペクトル強度は０．３ｍＷ／ｎｍ以上である。そのため、本実施形態に係る光源装置は、可視光領域の光源として良好な特性を有している。

以上のように、本実施形態によれば、分散補償光学系を用いることなくＳＣ光を発生し得る光源装置が提供される。そのため、分散補償光学系を備えることにより生じうる、光源の大型化、部品アライメントの煩雑さ、アライメントずれによる光源の不安定性といった問題が軽減され得る。

なお、本実施形態では、共振器２０７に含まれるすべての光ファイバー及び光学部品は、正の群遅延分散を有している。このような構成では群遅延分散Ｄ１が大きくなりやすいので、上述の本実施形態の効果がより有効なものとなる。また、本実施形態では、共振器２０７の出力端からフォトニック結晶ファイバー１０３の入力端の間の光路に含まれるすべての光ファイバー及び光学部品も、正の群遅延分散を有している。このような構成では群遅延分散Ｄ２が大きくなりやすいので、上述の本実施形態の効果がより有効なものとなる。

（第４の実施形態）
第４の実施形態として、第１乃至第３の実施形態に係る光源装置を用いた情報取得装置について、図１２を参照しつつ説明する。本実施形態の情報取得装置は、一例として、スペクトル・エンコード内視鏡（spectrally encoded endoscopy、以下ＳＥＥと呼ぶ。）であるものとする。情報取得装置は、光源装置１２０１、波長フィルタ１２０２、光導波路１２０３、１２０８、分光器１２０４、光分岐部１２０７、検出器１２０９、及び計算機１２１０を有する。

光源装置１２０１には、第１乃至第３の実施形態で説明した光源装置が用いられ得る。光源装置１２０１は、波長４８０〜１８００ｎｍのスペクトル帯域のＳＣ光を出力する。出力されたＳＣ光は、波長フィルタ１２０２によって所望のスペクトル帯域にフィルタリングされる。波長フィルタ１２０２から出力される光のスペクトル帯域は、例えば波長４８０〜７８０ｎｍである。

波長フィルタ１２０２によってフィルタリングされた光は、光分岐部１２０７を通過し、光導波路１２０３を伝搬して、分光器１２０４へ入射される。分光器１２０４は、分散素子が内蔵されたＳＥＥのヘッドであり、光源装置１２０１からの光を分光して測定対象物１２０６に照射する機能を有する。分光器１２０４に入射された光は、波長毎に異なる方向へ照射される照射光１２０５となる。分散素子にはグレーティング、プリズムなどが用いられ得る。照射光１２０５は測定対象物１２０６に照射され、反射光及び後方散乱光が分光器１２０４へ戻り再結合する。再結合された光は再び光導波路１２０３を伝搬し、光分岐部１２０７を通過して光導波路１２０８へ伝搬する。光導波路１２０８を伝搬した光は、検出器１２０９で検出される。

検出器１２０９は、測定対象物の情報を含む光を検出する機能を有する装置である。検出器１２０９は、光スペクトラムアナライザであってもよく、ラインセンサと、分散素子とを組み合わせた分光検出素子であってもよい。検出器１２０９で検出された信号は、計算機１２１０によって画像化され表示される。分光器１２０４を回転あるいは移動させることにより、測定対象物１２０６の二次元データを取得することができる。本実施形態によれば、第１乃至第３の実施形態の光源装置１２０１を用いたＳＥＥ等の情報取得装置が提供される。

（その他の実施形態）
本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。例えば、上述の第１の実施形態から第４の実施形態において述べた構成を任意に組み合わせる変形をしてもよい。

１０１ ファイバーレーザ
１０２ 光ファイバー増幅器
１０３ フォトニック結晶ファイバー
１０５ Ｙｂドープファイバー
１０６ 可飽和吸収体
１０７ 共振器
１０８ アウトプットカプラー
１０９ 光源
１１１ インプットカプラー

Claims (15)

1. パルス光を生成する共振器を有するファイバーレーザと、
   前記ファイバーレーザから射出される前記パルス光を増幅して射出する増幅器と、
   前記増幅器で増幅される前記パルス光が通過する際に、非線形効果を発生させる非線形ファイバーと、を有し、
   前記共振器の群遅延分散をＤ１、前記共振器の出力端と前記非線形ファイバーの入力端との間の群遅延分散をＤ２としたとき、群遅延分散Ｄ１及び群遅延分散Ｄ２はともに正の値であり、
   真空中の光速をｃ、前記ファイバーレーザより射出される前記パルス光のスペクトル半値全幅をΔλ、前記ファイバーレーザより射出される前記パルス光の中心波長をλ、前記パルス光の形状に基づく係数をａとし、
   

   

   における関数Ｔ（Δλ）を最小にする前記スペクトル半値全幅Δλの値をΔλ＿ｍｉｎとし、
   前記スペクトル半値全幅Δλが前記中心波長λの０．０１％増加したときの関数Ｔ（Δλ）の変化量が−３ｄＢとなる前記スペクトル半値全幅Δλの値をΔλ＿３ｄＢとしたとき、
   前記スペクトル半値全幅Δλは、Δλ＿３ｄＢ≦Δλ≦Δλ＿ｍｉｎ×２を満たす、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記ファイバーレーザより射出される前記パルス光のパルス半値全幅は、前記関数Ｔ（Δλ）で表されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記共振器は、パルス光を選択的に透過させる可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記共振器は、パルス光を選択的に反射させる可飽和吸収体を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
5. 前記共振器は、前記パルス光の前記スペクトル半値全幅Δλを制御する光学フィルターを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記非線形ファイバーは、前記中心波長λにおいて、異常分散を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記共振器からのパルス光の取り出し効率をκ、前記ファイバーレーザから射出される前記パルス光のパルスの繰り返し周波数をｆ、前記共振器の長さをＬ、前記共振器の非線形係数の平均値をγ、円周率をπ、前記ファイバーレーザから射出される前記パルス光のパワーをＰ_ｏｕｔとしたとき、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光源装置。
8. 前記スペクトル半値全幅Δλは、Δλ＿３ｄＢ≦Δλ≦Δλ＿ｍｉｎを満たすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光源装置。
9. 前記共振器に含まれるすべての光ファイバー及び光学部品は、正の群遅延分散を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光源装置。
10. 前記共振器の出力端から前記非線形ファイバーの入力端の間の光路に含まれるすべての光ファイバー及び光学部品は、正の群遅延分散を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光源装置。
11. 前記増幅器は、複数段の増幅器を含んでいることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光源装置。
12. 前記非線形ファイバーから射出される光は、５００ｎｍ以上、７００ｎｍ以下の波長帯において、０．２ｍＷ／ｎｍ以上のスペクトル強度を有することを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光源装置。
13. 前記パルス光の形状はＳｅｃｈ^２型であり、前記パルス光の形状に基づく係数ａが０．３１５であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光源装置。
14. 前記パルス光の形状はガウシアン型であり、前記パルス光の形状に基づく係数ａが０．４４１であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の光源装置。
15. 請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を分光して測定対象物に照射する分光器と、
    前記測定対象物の情報を含む光を検出する検出器と、を有することを特徴とする情報取得装置。

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