JP2003262592A - 光ファイバー光源 - Google Patents
光ファイバー光源Info
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
- G02B6/24—Coupling light guides
- G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements
- G02B6/4298—Coupling light guides with opto-electronic elements coupling with non-coherent light sources and/or radiation detectors, e.g. lamps, incandescent bulbs, scintillation chambers
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- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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- G01J5/52—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using comparison with reference sources, e.g. disappearing-filament pyrometer
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 広帯域であると共に、空間的なコヒーレンス
の高い光源を提供する。 【解決手段】 加熱線を外周に巻回した碍子管内部に単
一モード光ファイバーを通過させ、単一モードファイバ
ーのコアを加熱して黒体輻射光を得、コアから光を取り
出す。単一モード光ファイバーを碍子管内部に複数回回
通させて光強度を増加させる。また、単一モード光ファ
イバーの一開口端に鏡を設けて他端開口から取り出す光
強度を２倍にする。
の高い光源を提供する。 【解決手段】 加熱線を外周に巻回した碍子管内部に単
一モード光ファイバーを通過させ、単一モードファイバ
ーのコアを加熱して黒体輻射光を得、コアから光を取り
出す。単一モード光ファイバーを碍子管内部に複数回回
通させて光強度を増加させる。また、単一モード光ファ
イバーの一開口端に鏡を設けて他端開口から取り出す光
強度を２倍にする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】光通信に使用される光学部品
の光学特性を検査するための検査装置の光源に関し、特
に広帯域であると共に、空間的なコヒーレンスの高い光
源に関する。
の光学特性を検査するための検査装置の光源に関し、特
に広帯域であると共に、空間的なコヒーレンスの高い光
源に関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信に使用される光学部品の光学特性
を検査するための検査装置の光源として、従来例えば、
図５の光源Ａ、図７の光源Ｂが使用されている。図５
中、１は光通信帯域用の単一モード光ファイバー、５は
同ファイバーの出力端面、６は光出力、７はコア、１０
はクラッド、１１は白色電球、１１Ａはフィラメント、
１２は白色光、１３は集光レンズを表す。図７中、７Ａ
は蛍光原子を含むコア、１４は蛍光性光ファイバー、１
５は融着部、１６は励起用半導体レーザー、１７は励起
光を表す。
を検査するための検査装置の光源として、従来例えば、
図５の光源Ａ、図７の光源Ｂが使用されている。図５
中、１は光通信帯域用の単一モード光ファイバー、５は
同ファイバーの出力端面、６は光出力、７はコア、１０
はクラッド、１１は白色電球、１１Ａはフィラメント、
１２は白色光、１３は集光レンズを表す。図７中、７Ａ
は蛍光原子を含むコア、１４は蛍光性光ファイバー、１
５は融着部、１６は励起用半導体レーザー、１７は励起
光を表す。
【０００３】図５の光源Ａは白色電球１１の白色光１２
をレンズ１３により単一モード光ファイバー１に集光、
入射して単一モード光ファイバーから光源の出力光６を
取り出すものである。この方式では光源出力は、白色電
球のフラットで広いスペクトルが利用できるものの、光
ファイバー出力としての光強度は弱い。図６に示すよう
に、単一モード光ファイバー１では、半径ｒのコア７に
ある固有の入射角θma x以内で入射する光のみがコア内
を伝搬可能となる。レンズ１３内の光線追跡を行うと、
フィラメント１１Ａ上の半径Ｒの有効領域から発し、集
光角φmax以内に放出された光がコアに入射することが
分かる。
をレンズ１３により単一モード光ファイバー１に集光、
入射して単一モード光ファイバーから光源の出力光６を
取り出すものである。この方式では光源出力は、白色電
球のフラットで広いスペクトルが利用できるものの、光
ファイバー出力としての光強度は弱い。図６に示すよう
に、単一モード光ファイバー１では、半径ｒのコア７に
ある固有の入射角θma x以内で入射する光のみがコア内
を伝搬可能となる。レンズ１３内の光線追跡を行うと、
フィラメント１１Ａ上の半径Ｒの有効領域から発し、集
光角φmax以内に放出された光がコアに入射することが
分かる。
【０００４】これらのパラメータ間には
ｒtanθmax ＝ Ｒtanφmax ＝ constant
の関係が成り立っている。Ｒ，φmaxはともに大きいほ
ど光量は増加するが、半径Ｒを大きくすると集光角φ
maxは小さくなり、集光角φmaxを大きくすると半径Ｒは
小さくなり、両者を同時に増加させる方法はない。従っ
て、光量を増やすためにはフィラメントの温度を高める
以外に方法はなく、ワット数の大きな電球を使用しても
コアに入射しない無駄な光を増やすだけであった。
ど光量は増加するが、半径Ｒを大きくすると集光角φ
maxは小さくなり、集光角φmaxを大きくすると半径Ｒは
小さくなり、両者を同時に増加させる方法はない。従っ
て、光量を増やすためにはフィラメントの温度を高める
以外に方法はなく、ワット数の大きな電球を使用しても
コアに入射しない無駄な光を増やすだけであった。
【０００５】図７（ａ）の従来光源Ｂは、空間的な単一
モードを維持して、より強い光出力の得られる光源であ
る。コア７Ａには赤外光を発光するために希土類イオン
が含まれ、ファイバー外から別の半導体レーザー１６な
どにより光励起することによりコア７Ａを発光させてい
る。蛍光性光ファイバー１４のコア７Ａで発光した励起
光１７は、直接に単一モード光ファイバー１のコア７に
導入され、コア７端面から光は取り出される。この形式
の光源では、強い出力光を得ることができるが、光のス
ペクトルはコアに含まれる発光原子に依存しており、一
般に狭いスペクトルしか得られない。
モードを維持して、より強い光出力の得られる光源であ
る。コア７Ａには赤外光を発光するために希土類イオン
が含まれ、ファイバー外から別の半導体レーザー１６な
どにより光励起することによりコア７Ａを発光させてい
る。蛍光性光ファイバー１４のコア７Ａで発光した励起
光１７は、直接に単一モード光ファイバー１のコア７に
導入され、コア７端面から光は取り出される。この形式
の光源では、強い出力光を得ることができるが、光のス
ペクトルはコアに含まれる発光原子に依存しており、一
般に狭いスペクトルしか得られない。
【０００６】図７（ｂ）は光源Ｂの代表的な製品におけ
るスペクトルを示している。縦軸は単位波長当たりの光
強度で、強度を１ｍＷ基準にしたデシベルで表してい
る。光源Ｂのスペクトルは半値全幅でせいぜい50 nm程
度であり、1.3〜1.6μmの通信帯を光源Ｂのスペクトル
で全てカバーするには光源Ｂを多数設ける必要がある。
また、光源Ａ、光源Ｂのどちらにおいても高価であると
いう欠点がある。光源Ａでは、レンズをミクロンオーダ
ーで位置決めするためのステージを必要とし、光源Ｂで
は、希土類原子のドープされた特殊な光ファイバーを多
種類必要とする。
るスペクトルを示している。縦軸は単位波長当たりの光
強度で、強度を１ｍＷ基準にしたデシベルで表してい
る。光源Ｂのスペクトルは半値全幅でせいぜい50 nm程
度であり、1.3〜1.6μmの通信帯を光源Ｂのスペクトル
で全てカバーするには光源Ｂを多数設ける必要がある。
また、光源Ａ、光源Ｂのどちらにおいても高価であると
いう欠点がある。光源Ａでは、レンズをミクロンオーダ
ーで位置決めするためのステージを必要とし、光源Ｂで
は、希土類原子のドープされた特殊な光ファイバーを多
種類必要とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】光通信で使用される波
長領域は1.3〜1.6ミクロン全域に亘ることが予想されて
いる。そこで使用される光部品の開発、検査のために
は、広い波長領域にわたってフラットな強度を持ち、ま
た、光ファイバー等に入射可能な空間的に単一モードの
光源が必要とされる。近年、光通信は波長多重により通
信容量が格段に増加しており、今後このような光源の需
要が高まることが予想される。
長領域は1.3〜1.6ミクロン全域に亘ることが予想されて
いる。そこで使用される光部品の開発、検査のために
は、広い波長領域にわたってフラットな強度を持ち、ま
た、光ファイバー等に入射可能な空間的に単一モードの
光源が必要とされる。近年、光通信は波長多重により通
信容量が格段に増加しており、今後このような光源の需
要が高まることが予想される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、本発明は単一モード光ファイバー自体を熱して得
られる広い波長範囲の黒体輻射光を出力光とする光源を
提供する。光ファイバーのコア内を伝搬する黒体輻射光
は光ファイバーの有する固有の横モード構造によって選
択されるため、自動的に高い空間コヒーレンスを有す
る。単一モード光ファイバーは近紫外から近赤外領域に
わたって透明体であるため、加熱部分の個々の点から発
した黒体輻射光の総和を出力として利用することができ
る。そのため、加熱する長さを長くすれば、空間コヒー
レンスの低下なしに光量は増加する。近年の光ファイバ
ーでは１ｋｍの伝搬でも殆ど損失がないため、長いファ
イバーを利用することにより長距離でも充分に強い光強
度を有する光源を得ることも可能である。本発明は、従
来の光源のように集光用の光学部品などの必要とせず、
全く無調整で、光源部から直接単一モード光ファイバー
を介して光を得ることができる。
めに、本発明は単一モード光ファイバー自体を熱して得
られる広い波長範囲の黒体輻射光を出力光とする光源を
提供する。光ファイバーのコア内を伝搬する黒体輻射光
は光ファイバーの有する固有の横モード構造によって選
択されるため、自動的に高い空間コヒーレンスを有す
る。単一モード光ファイバーは近紫外から近赤外領域に
わたって透明体であるため、加熱部分の個々の点から発
した黒体輻射光の総和を出力として利用することができ
る。そのため、加熱する長さを長くすれば、空間コヒー
レンスの低下なしに光量は増加する。近年の光ファイバ
ーでは１ｋｍの伝搬でも殆ど損失がないため、長いファ
イバーを利用することにより長距離でも充分に強い光強
度を有する光源を得ることも可能である。本発明は、従
来の光源のように集光用の光学部品などの必要とせず、
全く無調整で、光源部から直接単一モード光ファイバー
を介して光を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】本発明を、図１ないし図３を参照
して実施例について説明する。図１は本発明の実施例に
おける光源の概念図を示す。図中、１は単一モード光フ
ァイバー、２はアルミナ製の碍子管、３はアルミナ製の
碍子管２に複数巻回した電熱線、４は電熱線３の温度を
コントロールするための可変電圧電源、８は石英コアの
黒体輻射光を表す。碍子管２は、単一モード光ファイバ
ー１を均等に熱するためと、高熱の光ファイバーを直線
状に保持するために用いている。
して実施例について説明する。図１は本発明の実施例に
おける光源の概念図を示す。図中、１は単一モード光フ
ァイバー、２はアルミナ製の碍子管、３はアルミナ製の
碍子管２に複数巻回した電熱線、４は電熱線３の温度を
コントロールするための可変電圧電源、８は石英コアの
黒体輻射光を表す。碍子管２は、単一モード光ファイバ
ー１を均等に熱するためと、高熱の光ファイバーを直線
状に保持するために用いている。
【００１０】碍子管２の周りには電熱線３が複数回巻回
されており、碍子管２を均等に熱する。光ファイバー１
は碍子管２内を複数回回通され、加熱により単一モード
光ファイバー１の両端面５Ａ，５Ｂから出力光６Ａ，６
Ｂを得る。図１の実施例では、１．３ないし１．５ミク
ロン帯用の単一モード光ファイバー、長さ８ｃｍ、直径
２ｍｍのアルミナ碍子管、市販の３００Ｗニクロム線を
用いた。
されており、碍子管２を均等に熱する。光ファイバー１
は碍子管２内を複数回回通され、加熱により単一モード
光ファイバー１の両端面５Ａ，５Ｂから出力光６Ａ，６
Ｂを得る。図１の実施例では、１．３ないし１．５ミク
ロン帯用の単一モード光ファイバー、長さ８ｃｍ、直径
２ｍｍのアルミナ碍子管、市販の３００Ｗニクロム線を
用いた。
【００１１】図１（ｂ）には本発明の光源の原理を示
す。単一モード光ファイバーのコア８を加熱することに
よりコア７が発光する黒体輻射をそのまま利用する。さ
らに光ファイバーの特徴として、コア内で発生した光の
うちで、光ファイバーに固有の横モードに合致した黒体
輻射光のみが伝搬可能であるため、自動的に空間的なモ
ードが制御されるところに特徴がある。そのため、空間
コヒーレンスを乱す成分、すなわち、コア内で発生した
固有モード以外の光やクラッドで発生した光は出力され
ることはない。
す。単一モード光ファイバーのコア８を加熱することに
よりコア７が発光する黒体輻射をそのまま利用する。さ
らに光ファイバーの特徴として、コア内で発生した光の
うちで、光ファイバーに固有の横モードに合致した黒体
輻射光のみが伝搬可能であるため、自動的に空間的なモ
ードが制御されるところに特徴がある。そのため、空間
コヒーレンスを乱す成分、すなわち、コア内で発生した
固有モード以外の光やクラッドで発生した光は出力され
ることはない。
【００１２】また、熱せられたコアの各点から放出され
る黒体輻射は全くランダムであるため干渉せず、出力は
単純に各点からの出力の和となる。そのため、伝搬損失
の極めて小さい（<dB/km）光ファイバーでは、加熱する
部分の長さを十分に長くすることで、光強度を高めるこ
とが出来る。もう一つの利点として、基本的に光ファイ
バーとヒーターのみの構成であるため、非常に安価な光
源となることである。
る黒体輻射は全くランダムであるため干渉せず、出力は
単純に各点からの出力の和となる。そのため、伝搬損失
の極めて小さい（<dB/km）光ファイバーでは、加熱する
部分の長さを十分に長くすることで、光強度を高めるこ
とが出来る。もう一つの利点として、基本的に光ファイ
バーとヒーターのみの構成であるため、非常に安価な光
源となることである。
【００１３】図２は、図１の実施例の光出力をフォトダ
イオードで検出した光スペクトルを示す。縦軸は単位波
長当たりの光強度を強度に比例した任意単位で表してい
る。電熱線３には６０Ｖを印加しており、このときの光
ファイバー温度は熱電対の測定により摂氏約１２００度
である。受光器にはＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用
いているため、波長９００〜１６５０ｎｍの出力が観測
されている。
イオードで検出した光スペクトルを示す。縦軸は単位波
長当たりの光強度を強度に比例した任意単位で表してい
る。電熱線３には６０Ｖを印加しており、このときの光
ファイバー温度は熱電対の測定により摂氏約１２００度
である。受光器にはＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用
いているため、波長９００〜１６５０ｎｍの出力が観測
されている。
【００１４】摂氏１２００度の黒体輻射から予想される
スペクトルは２μｍにピークを持ち、短波側は急速に減
衰し、長波側は緩やかに減衰する。図２で、長波側に急
激な減衰が見られるのは受光器の感度特性のためであ
り、実際には緩やかな減衰が存在する（図中の点線）と
考えられる。また、１２００ｎｍ付近に見られる段差構
造は、光ファイバーのカットオフによるものであり、こ
の波長よりも長波側では単一モード、短波側では複数の
モードが存在するためにモード数分だけ強度が増加して
いると考えられる。以上の結果から、図１の光源は、
１．３ミクロン帯から１．５ミクロン帯までの通信波長
帯域を充分カバーできる単一モード光源として実現でき
る。
スペクトルは２μｍにピークを持ち、短波側は急速に減
衰し、長波側は緩やかに減衰する。図２で、長波側に急
激な減衰が見られるのは受光器の感度特性のためであ
り、実際には緩やかな減衰が存在する（図中の点線）と
考えられる。また、１２００ｎｍ付近に見られる段差構
造は、光ファイバーのカットオフによるものであり、こ
の波長よりも長波側では単一モード、短波側では複数の
モードが存在するためにモード数分だけ強度が増加して
いると考えられる。以上の結果から、図１の光源は、
１．３ミクロン帯から１．５ミクロン帯までの通信波長
帯域を充分カバーできる単一モード光源として実現でき
る。
【００１５】図３は、加熱されたファイバー長に対する
出力光強度の変化特性を示す。図１に示すように、光フ
ァイバーを碍子管に通す回数によって容易に加熱する長
さが変えられる。図中の数字は光ファイバーの碍子管内
回通数を表す。図３に示すように、光ファイバーの加熱
された長さにほぼ比例して光強度が増加していることを
示している。ファイバー長５６ｃｍ、摂氏約１２００度
の加熱において、９００〜１６５０ｎｍまでの光強度
は、一つの出力端から２０ｎＷを得ることができた。
出力光強度の変化特性を示す。図１に示すように、光フ
ァイバーを碍子管に通す回数によって容易に加熱する長
さが変えられる。図中の数字は光ファイバーの碍子管内
回通数を表す。図３に示すように、光ファイバーの加熱
された長さにほぼ比例して光強度が増加していることを
示している。ファイバー長５６ｃｍ、摂氏約１２００度
の加熱において、９００〜１６５０ｎｍまでの光強度
は、一つの出力端から２０ｎＷを得ることができた。
【００１６】この光ファイバーでは、１．３〜１．５ミ
クロンにおける損失が１ｄＢ／ｋｍ以下であるため、１
００ｍ程度の長さのファイバーを加熱すれば、４μＷ程
度の強度を得ることが可能と考えられる。また、二つの
出力の一端面に反射鏡を貼り付けて光を反射させれば
（図１（ｃ））、もう一端面の出力より２倍の出力光を
得ることができる。
クロンにおける損失が１ｄＢ／ｋｍ以下であるため、１
００ｍ程度の長さのファイバーを加熱すれば、４μＷ程
度の強度を得ることが可能と考えられる。また、二つの
出力の一端面に反射鏡を貼り付けて光を反射させれば
（図１（ｃ））、もう一端面の出力より２倍の出力光を
得ることができる。
【００１７】図４は、出力端面５Ａ，５Ｂにおける近視
野像を顕微鏡により撮影した像を示す。光ファイバー中
心のコアのみから均一な光が射出されているのが分か
る。ただし、撮影にはＣＣＤカメラを用いているため、
図２のスペクトル中の１μm近傍の光のみが捕らえられ
ている。そのため、多モード構造に由来するドーナツ状
の高次の横モード構造がわずかに認められる。
野像を顕微鏡により撮影した像を示す。光ファイバー中
心のコアのみから均一な光が射出されているのが分か
る。ただし、撮影にはＣＣＤカメラを用いているため、
図２のスペクトル中の１μm近傍の光のみが捕らえられ
ている。そのため、多モード構造に由来するドーナツ状
の高次の横モード構造がわずかに認められる。
【００１８】摂氏1200度の理想黒体からの輻射光のスペ
クトルピークは２μmとなり、その半値全幅が１μm以上
に及ぶことは古くから理論的に証明されており、光ファ
イバーの加熱においてもこのようなスペクトルを有する
光が得られる。又このような加熱に対して石英製の単一
モード光ファイバーは形状を維持するだけの耐熱性を持
っている。ただし、数百時間の長時間の使用において
は、コア部の屈折率を制御するためにドープされたゲル
マニウムの拡散によりコア断面が幾分広がることが報告
されているが、光は冷却された単一モード光ファイバー
部分より取り出されるので、横モード構造はこの部分で
最終的に選択、または変換されて一定の空間モードにて
出力される。従って、経時変化による空間コヒーレンス
への影響は無いと考えられる。
クトルピークは２μmとなり、その半値全幅が１μm以上
に及ぶことは古くから理論的に証明されており、光ファ
イバーの加熱においてもこのようなスペクトルを有する
光が得られる。又このような加熱に対して石英製の単一
モード光ファイバーは形状を維持するだけの耐熱性を持
っている。ただし、数百時間の長時間の使用において
は、コア部の屈折率を制御するためにドープされたゲル
マニウムの拡散によりコア断面が幾分広がることが報告
されているが、光は冷却された単一モード光ファイバー
部分より取り出されるので、横モード構造はこの部分で
最終的に選択、または変換されて一定の空間モードにて
出力される。従って、経時変化による空間コヒーレンス
への影響は無いと考えられる。
【００１９】光通信分野では、光ファイバーなどの光学
部品の光学特性を検査するために広帯域の光源と共に、
空間的なコヒーレンスの高い光源が必要とされる。本発
明はこのような用途のための光源として最適な性能を有
している。また、市販の光ファイバーでも充分使用可能
である。
部品の光学特性を検査するために広帯域の光源と共に、
空間的なコヒーレンスの高い光源が必要とされる。本発
明はこのような用途のための光源として最適な性能を有
している。また、市販の光ファイバーでも充分使用可能
である。
【００２０】
【発明の効果】従来技術において用いられている光ファ
イバー光源は複雑であり、得られる光量や波長範囲に制
限がある割には製造に手間がかかり、また非常に高価な
ものである。本発明の装置では安価な光ファイバー、碍
子管、電熱線を用いた非常に簡単な構造であるために、
安価で大量生産も容易である。また、光ファイバーの加
熱部分を多くすることにより光強度の増強が可能である
ため、設置場所も選ばず、利用しやすい効果がある。
イバー光源は複雑であり、得られる光量や波長範囲に制
限がある割には製造に手間がかかり、また非常に高価な
ものである。本発明の装置では安価な光ファイバー、碍
子管、電熱線を用いた非常に簡単な構造であるために、
安価で大量生産も容易である。また、光ファイバーの加
熱部分を多くすることにより光強度の増強が可能である
ため、設置場所も選ばず、利用しやすい効果がある。
【図１】 本発明の光ファイバー光源例の模式図を示
す。
す。
【図２】図１の光源の光ファイバーを摂氏１２００度に
加熱した場合の出力光をフォトダイオードで測定したス
ペクトルを示す図である。
加熱した場合の出力光をフォトダイオードで測定したス
ペクトルを示す図である。
【図３】図１の加熱されている光ファイバーの長さに対
する出力強度を示す図である。
する出力強度を示す図である。
【図４】図１のファイバー出力端の近視野顕微鏡像を示
す写真である。
す写真である。
【図５】従来の光源Ａを概念的に示す図である。
【図６】従来の光源Ａの特性を説明する図である。
【図７】従来の光源Ｂを概念的に示す図である。
１ 単一モード光ファイバー
２ アルミナ碍子管
３ 電熱線
４ 可変電圧電源
１０ 反射鏡
Claims (4)
- 【請求項１】 単一モード光ファイバーを加熱して光フ
ァイバーのコア開口端から黒体輻射光を取り出すことを
特徴とする光ファイバー光源。 - 【請求項２】 加熱線を外周に巻回した碍子管と、碍子
管内部に通過する単一モード光ファイバーとを具備し、
碍子管内の単一モードファイバーを加熱して、そのコア
端面から光を取り出すことを特徴とする光ファイバー光
源。 - 【請求項３】 単一モード光ファイバーを碍子管内部に
複数回回通させることを特徴とする請求項２記載の光フ
ァイバー光源。 - 【請求項４】 単一モードの一端面に鏡を設けた、他端
面から光を取り出すことを特徴とする請求項２又は請求
項３いずれか記載の光ファイバー光源。
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| JP2002063158A JP3616817B2 (ja) | 2002-03-08 | 2002-03-08 | 光ファイバー光源 |
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Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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Family
ID=27784920
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|---|---|---|---|
| JP2002063158A Expired - Lifetime JP3616817B2 (ja) | 2002-03-08 | 2002-03-08 | 光ファイバー光源 |
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2003
- 2003-03-07 US US10/382,916 patent/US20030169966A1/en not_active Abandoned
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