JP2007234948A

JP2007234948A - 多波長光源

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Publication number: JP2007234948A
Application number: JP2006056138A
Authority: JP
Inventors: Takuya Tejima; 卓也手島; Yoshinori Kubota; 能徳久保田
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-09-13
Also published as: EP1998417A1; US20100322279A1; WO2007100034A1

Abstract

【課題】異なる波長の光を必要とする場合、特に可視光領域では、通常複数の光源装置を準備する必要が有った。
【解決手段】少なくとも励起光源と光カプラ、励起光源によって励起され２つの端子を持つ１種類１本の希土類元素添加ファイバからなる光源媒質と、光ファイバで形成された出力端とからなる光源装置において、少なくとも１つの反射、分岐あるいは減衰機能を有する光部品を光源媒質から出力端間の光回路のどこかに備え、かつ、希土類元素添加ファイバに添加された希土類元素イオンから発生する、異なる自然放出光ピークに起因するそれぞれ異なった複数の波長の光を出力が可能であって、少なくとも得られる光の一つが可視光であることを特徴とした光源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の波長の光を出力できる多波長光源に関する。

希土類元素添加ファイバは、増幅器や自然放出光（ASE）光源、レーザなどの光源用途に、言わば波長変換部品として使われてきた。従来、アップコンバージョン過程を利用した、可視光より短波長な光を得る技術も研究されており、希土類添加ファイバにより様々な波長の光を得ることが可能となった(非特許文献１、特許文献１参照)。

しかしながら、異なる波長の光を必要とする場合、通常、複数の光源装置を準備する必要が有った。この場合、異なる波長の複数のレーザなどが使用されるが、装置が大がかりとなる場合があり、広いスペースや冷却器が必要となるばかりか、メンテナンスに時間とコストがかかる等の問題があった。

これに対して、Er³⁺を利用したファイバレーザにおいて、1550nm 帯で異なる波長の複数のレーザ光が得られることが知られている。これらの多くは、光通信用の光源として使用されることを念頭に発明されたものであり、光アンプで増幅される帯域の光を発生する（例えば、特許文献２参照）。

また、Pr³⁺を利用し、青色（492nm）と緑色（521nm）の可視光レーザ発振が得られるという報告がある（非特許文献２参照）。
特開２００５−２６４７５号公報特開平１０−２０９５０１号公報 Michel J. F. Digonnet；"Rare-Earth-Doped Fiber Lasers and Amplifiers"； MARCELDEKKER, INC. (1993); pp171-242. D.M.Baney, G.Rankin, K.W.Chan； Appl.Phys.Lett. 69: pp1662-1664,（1996）

しかし、上記特開平１０−２０９５０１号公報に記載されているようなEr³⁺を利用したファイバレーザの多くは、光通信用の光源として使用されることを念頭に発明されたものであり、光アンプで増幅される帯域の光を発生する。そのため、Er³⁺イオンの1550nm 帯に存在するASE ピークを利用し、この帯域の中で複数の波長のレーザ光を発生させている。

ところが、可視光から近赤外の波長域において、同様の原理で複数のレーザ光を同時に発生させようと考えた場合、広帯域にわたるASE は存在しないため、全く同一の方法では、上記波長域での多波長光源は得られない。

一方、上記Baney らの文献では、可視域で異なる波長である青色と緑色の可視光レーザ発振を確認し、将来的に多色化の可能性を示したが、ファイバの両端に反射コーティングを施し、光学系の多くは空間光学系を使用している。そのためにこの方法は、工業的に生産性が乏しく実用的ではない、などの問題があった。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、一つの装置から可視域を含む複数の波長の光を同時に発生させる光源装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、少なくとも励起光源と光カプラと、励起光源によって励起され２つの端子を持つ１種類１本の希土類元素添加ファイバからなる光源媒質と、光ファイバで形成された出力端とからなる光源装置において、少なくとも１つの反射、分岐あるいは減衰機能を有する光部品を光源媒質から出力端間の光回路のどこかに備え、かつ、希土類元素添加ファイバに添加された希土類元素イオンから発生する、異なる自然放出光ピークに起因するそれぞれ異なった複数の波長の光を出力が可能であり、少なくとも得られる光の一つが可視光であることを特徴とした光源装置である。

また、励起光源が増幅された自然放出光（ASE）光源である上記の光源装置である。

また、励起光源がレーザ光源である上記の光源装置である。

また、光源装置において、ASE 光出力端とレーザ出力端の両方を持つことを特徴とする上記の光源装置である。

また、光源装置において、希土類元素添加ファイバに添加された希土類の２つ以上の自然放出光ピークにそれぞれ起因した自然放出光とレーザ光を同時に出力する１つ以上の出力端と前記自然放出光ピーク以外に起因する自然放出光そして、あるいはレーザ光を出力する出力端を持つことを特徴とする、上記の光源装置である。

さらに、異なった２つ以上の波長の光のうち、少なくとも一つが可視光である、上記の光源装置である。

一つの光源から、可視域を含む複数の波長の光を同時に取り出すことができるような、簡易な光源装置が得られる。

本発明は、上記課題を解決するために、少なくとも励起光源と、励起光により励起され２つの端子を持つ１種類１本の希土類元素添加ファイバと、光ファイバで形成された出力端とからなる光源装置において、少なくとも１つの反射、分岐あるいは減衰機能を有する光部品を光源媒質から出力端間の光回路のどこかに備え、かつ、希土類元素添加ファイバに添加された希土類元素イオンから発生する異なる自然放出光ピークに起因するそれぞれ異なった複数の波長の光を出力が可能であって、少なくとも得られる光の一つが可視光であることを特徴とした光源装置を提供し、これにより、異なる波長の光を一つの光源から取り出すことができる。

以下、本発明を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の光源装置の一例を示す模式図である。本例では、異なる２つの波長のレーザ光が得られる。光源装置は、励起光源101、第１の光カプラ102、希土類元素添加ファイバ103、反射ミラー104、光ファイバフィルタ105、第１のファイバブラッググレーティング（FBG）106、第２のFBG107、光アイソレータ108、第２の光カプラ109、第１の出力端110、第２の出力端111 から構成される。

励起光源は、半導体レーザを想定しているが、他の固体レーザ、ガスレーザ、ランプ、LED などが光ファイバに結合されたものであっても構わない。光アイソレータを付属し用いることが理想的である。

また、励起光現は、得られる波長よりも長波長でも短波長でも良く、効率よく励起できれば、どのような波長を用いても良い。励起光の波長やパワーは、得ようとする光の波長、使用する希土類元素添加ファイバの種類によって、検討される。必ずしも単一波長でなくても良く、複数の波長の光が混合されていても良い。

光カプラは、励起光波長と得ようとする光源の波長により仕様が決定され、励起光をできるだけ小さな損失で希土類元素添加ファイバに供給可能であって、かつ、得ようとする光に対してもできるだけ小さな損失であることが望まれる。

希土類元素添加ファイバは、シリカ、シリケート、フッ化物、カルコゲナイド系など様々な種類の光ファイバに、Er、Pr、Nd、Ho、Tm などの希土類元素がコアやクラッドに添加されたファイバを指している。希土類の種類は得ようとする光の波長や励起光の波長により選択され、場合によっては、他の希土類、遷移金属などと共添加したり、クラッドとコアとで異なる元素を添加したり、することもできる。

本発明においては、１つの光源装置につき、一種類一本の希土類元素添加ファイバを備える。ここで、「一種類一本」とは、光源構成中に、励起光に関わるファイバが単一であることを示す。すなわち、本発明の光源においては、励起された一種類一本のファイバにより、同時に複数の波長の光を発生させることが可能である。

反射ミラーは、本例の場合、本質的にレーザ共振器構造を形成するためのものであり、得ようとする１つまたは複数のレーザの波長について高い反射率を持つ。反射率については、設計上任意性があるが、一般的には50〜99.9%程度である。

光源自体の、エネルギー効率を向上させる目的で励起光の波長について反射率を高めることもできる。そうすることで、共振器外に逃げる励起光を再び希土類元素添加ファイバに導くことができ、エネルギー効率が向上する。

また、目的とする波長での励起光率や出力を高める上で、目的の波長以外の光であっても、共振器内に積極的に閉じ込めた方が高効率となる波長が存在する場合がある。

本例とは異なる、ASE 光源を考えた場合でも反射ミラーを使ってASE のパワーを向上させることができる。ただし、ASE 光源の場合、反射ミラーは必ずしも必要なものではない。

あるいは、レーザ光源、ASE 光源によらず、反射ミラーの反射率を下げて、光センサーなどで光パワーのモニターも可能である。

本例では、ミラーを用いた例を示したが、特に反射ミラーに拘らない。FBG などの反射部品でも代用が可能である。

光ファイバフィルタ105 は、通常の光ファイバを利用したものである。光ファイバは、曲げることによって、そのNA、曲げ曲率等に応じ曲げ損失を生じる。それは、長波長側に見られるため、ファイバを選択することにより、長波長のカットフィルタとして用いることができる。希土類元素添加ファイバのNAや曲げ曲率などを制御し、希土類元素添加ファイバから出力される長波長光を抑制をしても良い。

長波長の不要な光を減衰させる方法は、特にこの方法に拘る必要はなく、誘電体多層膜フィルタや吸収ミラーなどを用いた方法でも構わない。

短波長の不要な光を減衰させる方法には、誘電体多層膜フィルタを用いる方法や、吸収ミラー、吸収体が添加されているフィルタやファイバを使う方法がある。

第１、第２のFBG は、得ようとする、異なる波長のレーザ光により、特性が決定される。この２つのFBG と反射ミラーとが、それぞれ対を為しており、レーザ共振器を形成する。反射率には任意性があり、反射率の変化によって、出力、効率、２種類のレーザ光のパワーのバランスなどを制御することができる。

FBG は光の反射素子であって、本例ではレーザ共振器を形成するために使用した。そのためFBG の位置は、対となるFBG が希土類元素添加ファイバの両端に、共振器が構成されるように配置される必要がある。

この例では、FBG を用いた例を示したが、FBG に拘る必要はない。本質的にはレーザ共振器を形成することができれば良く、反射ミラーを用いても良いし、ファイバ端面に膜を形成しても良く、また、その他の方法であっても構わない。

あるいは、レーザ光源を得ようとする場合に、低反射率のFBG のかわりにファイバ端面からの僅かな反射光を利用して、共振器を形成することも可能である。

第２の光カプラは、この光源で発生した波長543nm のレーザ光と波長850nm のレーザ光とを分離させるためのものであり、分離させる必要が無い場合は特に必要ない。

以下、実施例を挙げて本発明を説明する。

本例は、図１に基づく異なる２つの波長のレーザ光が得られる場合である。

希土類元素添加ファイバ103 には、長さ１ｍ、エルビウム濃度4000ppm のエルビウム添加フッ化物ファイバを用いた。励起光源101 は、波長972nm の半導体レーザにアイソレータを付けて用いた。光カプラ102 は、励起光と発生させるレーザ光、即ち、972nm の励起光、543nm および850nm のレーザ光を合波させることができるものを用いた。

反射ミラー104 と第１のFBG106 と第２のFBG107 とで、２つの共振器を形成した。反射ミラーは、波長543nm と850nm での反射率が90%以上のものを用いた。励起光である972nm での反射率は45%であった。

光ファイバフィルタ105 は、NA が0.13、カットオフ波長が730nm であった。

第１のFBGは波長543nm で反射率80%、第２のFBGは波長850nm で反射率80%であった。光アイソレータは波長543nm および波長850nm で使用できるものを用いた。第２の光カプラで、波長543nm のレーザ光と波長850nm のレーザ光を分離した。

励起光源101 は、972nm の励起光を約400mW 出力する。この励起光は光カプラ102 を通過し、エルビウム添加フッ化物ファイバ103 に導かれ、エルビウム添加フッ化物ファイバ中のエルビウムを賦活する。賦活されたエルビウムは、幾つかの波長域のASE 光を発する。これらのASE 光のうち、850nm と545nm の光は共振器内でレーザ発振し、それぞれ第１のファイバフィルタ、第２のファイバフィルタを通過し、出力端110 から543nm のレーザ光が、出力端111 から850nm のレーザ光が出力される。ASE 光のうち長波長の、例えば1550nm の光はファイバフィルタにより、充分に減衰され出力されない。

この時の出力は、543nm のレーザ光で2.5mW、850nm のレーザ光で1.1mW であった。

本例は、図２に基づく実施例１における、第１のFBG と第２のFBG を取り除いた構成の光源装置の例である。この例では、550nm 帯と850nm 帯のASE 光を２つの異なる出力端から取り出すことができる。

第１のFBG と第２のFBGがない以外は、実施例１と同様に行った。

出力端110 及び出力端111 から、それぞれ波長550nm 帯のASE 光、波長850nm 帯のASE 光が得られた。

図３は、光源装置を示す模式図である。この例における光源装置では、３つの異なる波長のレーザ光が得られ、更に１つのポートからはレーザ光と１つの波長帯のASE 光が同時に発せられる。

光源装置は、励起光源201、第１の光カプラ202、希土類元素添加ファイバ203、第１の反射ミラーモジュール204、第２反射ミラーモジュール205、第１のFBG206、第２のFBG207、第３のFBG208、第２の光カプラ209、光ファイバフィルタ210、第１の光アイソレータ211、第２の光アイソレータ212、第３の光アイソレータ213、第１の出力端214、第２の出力端215、第３の出力端216 からなる。

希土類元素添加ファイバ203 には、長さ１ｍのプラセオジム濃度1000ppm、イッテルビウム濃度10000ppm のプラセオジム、イッテルビウム共添加フッ化物ファイバを用いた。

励起光源201 は、半導体レーザによって得られた840nm のレーザ光とイッテルビウム添加フッ化物ファイバを利用したファイバレーザによって得られた1015nm の２つのレーザ光を用いた。840nm の励起光は100mW、1015nm のレーザ光は400mW 出力した。これらの励起光は、光カプラによって合波され、更にアイソレータを取り付け、これを励起光源とした。

第１および第２の反射ミラーモジュール204 と205 は、ファイバ中のレーザ光を、一度レンズでコリメート光にし、フィルタを通過あるいは反射させた後、再び、それぞれ反対側あるいは元のファイバに光を入射させる構造を有しているモジュールを使用した（図４）。

第１の反射ミラーモジュール204 で使用したフィルタは、第２および第３の出射端から出射される、それぞれ635nm と600nm の波長について反射を持ち、かつ、第１の出射端から出射される青色および521nm の光についての反射率が小さいフィルタを用いた。635nm と600nm の波長についての反射率は、95%であった。一方、青色および521nm の光についての反射率は３％以下であった。

第２の反射ミラーモジュール205 で使用したフィルタは、第１の出射端から出射される、それぞれ青色および521nm の波長について反射を持ち、かつ、第２と第３の出射端から出射される600nm と635nm の光についての反射率が小さいフィルタを用いた。青色及び521nm の波長についての反射率は、93%であった。一方、600nm と635nm の光についての反射率は４％以下であった。第２の反射ミラーについては、必ずしも青色光について反射を持つ必要はない。

第１のFBG206 は第２の反射ミラーモジュール205 と対を為し、波長521nm についてレーザ共振器を形成する。反射率は80%であった。第２のFBG207 は第１の反射ミラーモジュール204 と対を為し、波長635nm についてレーザ共振器を形成する。反射率は80%であった。第３のFBG208 は第２の反射ミラーモジュール204 と対を為し、波長600nm についてレーザ共振器を形成する。反射率は80%であった。

第２の光カプラは、635nm および600nm のレーザ光を分離するためのものである。

２つの光ファイバフィルタ210 には、NA が0.13、カットオフ波長が0.57μm のファイバを2m 用い、それを直径５cm に巻いた。これにより、およそ0.9μm より長波長の光が減衰され、第１〜３の出射端からは出射されない。

励起光源から840nm の100mW、1015nm の400mW の励起光を出力した。この励起光は光カプラ102 を通過し、プラセオジウム、イッテルビウム共添加フッ化物ファイバ203に導かれ、プラセオジウム、イッテルビウム共添加フッ化物ファイバ203 中のプラセオジウムを賦活する。賦活されたプラセオジウムは、幾つかの波長域のASE 光を発する。これらのASE 光のうち、635nm、600nm と521nm の光は共振器内でレーザ発振し、それぞれ、第２のフィルタ211、第３のアイソレータ211と第１のアイソレータ213を経由し、第２の出力端215、第３の出力端216と第１の出力端214 から出力される。490nm 近傍の青色ASE 光は、第２の反射ミラーモジュールにより反射され、あるいは、直接第１のアイソレータ213を経由し、第１の出射端214 より出力される。

第１〜第３のアイソレータは、レーザ光に対しては、共振器外からの光の入射を防ぎ、レーザ出力の安定化を図ることが出来る。また、ASE光源では装置外の反射物と共振器を組むことで発生する、想定外のレーザ発振を防ぐことが出来る・
励起光のうちプラセオジウム、イッテルビウム共添加フッ化物ファイバ203 に吸収されなかった光は、第１の反射ミラーモジュール204 や第１の光アイソレータ211 で減衰され出力されなかった。

プラセオジウム、イッテルビウム共添加フッ化物ファイバでは、1.3μｍ帯にASE光が観察されるが、光ファイバフィルタ210 により減衰され、出力されなかった。

光源として、490nm 帯青色ASE 光が約10μW、521nm レーザ光が1mW、635nm のレーザ光が8mW 得られた。

図５は、光源装置を示す模式図である。本例では、リング型のレーザ共振器を形成し、多色光源を作製した。

光源装置は、励起光源401、第１の光カプラ402、希土類元素添加ファイバ403、第２の光カプラ404、第３の光カプラ405、第１の出力端406、第２の出力端407からなる。

希土類元素添加ファイバ403には、長さ1mのエルビウム濃度2000ppmのエルビウム添加フッ化物ファイバを用いた。

励起光源401は半導体レーザを用いた。波長972nmで出力は400mWであった。

第１の光カプラ402は、リング型共振器に励起光を供給するために設置した。

第２の光カプラ404と第３の光カプラ405、共振器から、それぞれ、543nmのレーザ光と850nmのレーザ光とを取り出すために設置した。分岐比は、第２の光カプラ404550nm光の分岐比50%であった。第３の光カプラ40では、850nmの光で、30%であった。

励起光源401から出射された励起光は、希土類元素添加ファイバ403のエルビウムイオンを賦活する。賦活されたエルビウムイオンは種々のASE光を発し、リング共振器内を周回することで、順次利得を得、レーザ発振に至った。

本例においては、第２の光カプラ404で543nmのレーザ光を分岐し、第１の出力端406からそのレーザ光を出力した。また、850nmのレーザ光を第３の光カプラ405で分岐し、第２の出力端407から出力した。光カプラの分岐比を変化させることで、出力のコントロールが可能となる。

第１の出力端406から3mWの543nmのレーザ光が出力され、第２の出力端407から2.5mWの850nmのレーザ光が出力された。

リング共振器に使用するファイバを選択することにより、例えば1550nm帯の光のような長波長の光については、充分に大きなファイバの曲げ損失を与えることができる。そのため、1550nm帯の光のレーザ発振は確認されなかった。

短波長域の光については、本例においては問題にならなかったが、場合によっては、実施例３で示したようなフィルタモジュールを使用しても良い。吸収フィルタを用いることで、様々な波長域での利得を制御可能となり、出力の制御もできる。

光アイソレータを本例では使用しなかったが、アイソレータを用いリング共振器を周回する光の方向を１方向にすることで、安定化、高出力化を計れる。

本発明は、光通信分野における通信システムはもちろん、評価・測定など光伝送の応用分野にも利用できるものである。

本発明によるレーザ多色光源の構成の１つを示す模式図である。本発明によるASE 多色光源の構成の１つを示す模式図のである。本発明によるレーザ、ASE 混合多色光源の構成の１つを示す模式図である。実施例３における、反射ミラーモジュールの模式図図である。本発明による、リング型のレーザ共振器を形成した場合の、多色光源の構成の１つを示す模式図である。

符号の説明

101 励起光源
102 第１の光カプラ
103 希土類元素添加ファイバ
104 反射ミラー
105 光ファイバフィルタ
106 第１のFBG
107 第２のFBG
108 光アイソレータ
109 第２の光カプラ
110 第１の出力端
111 第２の出力端
201 励起光源
202 第１の光カプラ
203 希土類元素添加ファイバ
204 第１の反射ミラーモジュール
205 第２の反射ミラーモジュール
206 第１のFBG
207 第２のFBG
208 第３のFBG
209 第２の光カプラ
210 光ファイバフィルタ
211 第１の光アイソレータ
212 第２の光アイソレータ
213 第３の光アイソレータ
214 第１の出力端
215 第２の出力端
216 第３の出力端
301 光ファイバ
302 コリメート用レンズ
303 フィルタミラー
401 励起光源
402 第１の光カプラ
403 希土類元素添加ファイバ
404 第２の光カプラ
405 第３の光カプラ
406 第１の出力端
407 第２の出力端

Claims

少なくとも励起光源と光カプラと、励起光源によって励起され２つの端子を持つ１種類１本の希土類元素添加ファイバからなる光源媒質と、光ファイバで形成された出力端とからなる光源装置において、少なくとも１つの反射、分岐あるいは減衰機能を有する光部品を光源媒質から出力端間の光回路のどこかに備え、かつ、希土類元素添加ファイバに添加された希土類元素イオンから発生する、異なる自然放出光ピークに起因するそれぞれ異なった複数の波長の光を出力することが可能であり、少なくとも得られる光の一つが可視光であることを特徴とした光源装置。
励起光源が増幅された自然放出光（ASE）光源である請求項１に記載の光源装置。
励起光源がレーザ光源である請求項１に記載の光源装置。
光源装置において、ASE 光出力端とレーザ出力端の両方を持つことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
光源装置において、希土類元素添加ファイバに添加された希土類の２つ以上の自然放出光ピークにそれぞれ起因した自然放出光とレーザ光を同時に出力する１つ以上の出力端と、前記自然放出光ピーク以外に起因する自然放出光またはレーザ光を出力する出力端を持つことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。