JP2007279704A - 光ファイバおよび広帯域光源 - Google Patents

光ファイバおよび広帯域光源 Download PDF

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Abstract

【課題】更に広帯域のＳＣ光を発生させることができる光ファイバおよび広帯域光源を提供する。
【解決手段】広帯域光源１は、種光源１１および光ファイバ１２を備える。種光源１１は、波長範囲１５００ｎｍ〜１６５０ｎｍに含まれる中心波長を有する光を出力する。光ファイバ１２は、種光源１１から出力される光を入力してスーパーコンティニューム光を出力する。光ファイバ１２は、波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍにゼロ分散波長を有し、中心波長において実効断面積が１２μｍ２以下であり、波長帯域幅１０００ｎｍ以上に拡がったスーパーコンティニューム光を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高非線形性の光ファイバ、および、この光ファイバにおける非線形光学現象を利用して広帯域光を発生させる広帯域光源に関するものである。
広帯域光源の一種であるスーパーコンティニューム（ＳＣ:Supercontinuum）光源は、その高出力性、広帯域性およびスペクトル平坦度などの特徴を有する。このような広帯域光源は、様々な応用分野への重要光源として期待されてきており、例えば、光計測や近赤外分光への応用が期待されている。この広帯域光源として様々な構成が提案されている。その中でも、光ファイバ中でＳＣ光を生成させる広帯域光源は、構成が簡便で、容易に相互作用長を長くすることができ、スペクトル制御も容易であることから、一般的に広く用いられている。
一方、ＳＣ光を得るために光ファイバに入力させる種光を出力する種光源としては、主に、ピコ秒やフェムト秒などの短パルス光源、ナノ秒程度のパルス光源、連続光源（ＣＷ光源）等が用いられる。短パルス光源では、代表例として一般的に広く用いられているチタンサファイアレーザ光源などがある。特に光通信において重要な波長帯である波長１５５０ｎｍ付近で発振する光源として、エルビウム添加光ファイバを光増幅媒体として含むファイバレーザ光源（ＥＤＦＬ: Erbium-Doped Fiber Laser）があり、これも短パルスを生成する光源として活発に開発が進められてきている。
ＳＣ光の生成については数多くの報告がなされている。最近ではチタンサファイアレーザ光源の発振波長付近にゼロ分散波長を有するフォトニッククリスタルファイバなどのホーリーファイバを用いた検討が活発である。このホーリーファイバで発生するＳＣ光は４００ｎｍ〜１７００ｎｍ程度と非常に広い帯域を実現可能である。しかし、ホーリーファイバの偏波モード分散が大きいことから、ＳＣ光のスペクトルが不安定であることや、パルス光源系自体が大型で扱いにくいことなど、多くの課題がある。一方、Ｅｒ添加ファイバレーザ光源を中心とした波長１５５０ｎｍ帯の短パルス光源からのパルス光は、安定で小型・可搬であり、光増幅器と組み合わせることで容易に高出力が得られるなどの長所を有する。この光源と非線形性の高い光ファイバとを組み合わせることにより、波長帯域１１４０ｎｍ〜２４００ｎｍに渡る広帯域なＳＣ光の生成も報告されている（非特許文献１，２を参照）。
しかし、従来では、長波長側について２２００ｎｍ以上に、短波長側について１１００ｎｍ以下に同時にＳＣ光のスペクトルを拡大するのは困難であり、報告例も殆どない。ＳＣ光の更なる広帯域化を意図した技術が非特許文献３に開示されている。この文献に開示された技術は、光ファイバに紫外光を照射することで該光ファイバの零分散波長を短波長側にシフトさせて、これによりＳＣ光のスペクトル拡大を図るものである。しかし、光ファイバに紫外光を照射するには、大掛かりな照射装置が必要であること、変化が不可逆的であってファイバ特性の調整が難しいこと、などの課題が依然として残っている。
T. R. Schibli, et al., Optics Letters, Vol.29, No.21, pp.2467-2469 (2004) 奥野、他、第２１回近赤外フォーラム講演要旨集、Ｐ-３３、第１７３頁 (2005) P. S. Westbrook, et al., Journal of Lightwave Technology, Vol.23, No.1, pp.13-18 (2005)
このように、波長域１.０μｍ〜２.３μｍ（更に波長域０.８μｍ〜２.５μｍ）をカバーするような広帯域のＳＣ光を出力することができる光源があれば有用であるが、これを実現することは従来では困難であった。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、更に広帯域のＳＣ光を発生させることができる光ファイバおよび広帯域光源を提供することを目的とする。
本発明に係る光ファイバは、波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍにゼロ分散波長を有し、波長１５５０ｎｍにおいて、実効断面積が１２μｍ２以下であり、波長分散が０以上１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする。
本発明に係る光ファイバは、カットオフ波長が１６５０ｎｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおいて分散スロープの絶対値が０.０４ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下であるのが好適である。
本発明に係る光ファイバは、波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０以上１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であるのが好適である。
本発明に係る光ファイバは、偏波モード分散が１ｐｓ／ｋｍ１／２以下であるのが好適である。
本発明に係る光ファイバは、基底モードにおける直交偏波間のクロストークがファイバ長１ｍにおいて−２０ｄＢ以下であるのが好適である。
本発明に係る光ファイバは、波長１３８０ｎｍにおけるＯＨ基による吸収損失が５ｄＢ／ｋｍ以下であるのが好適である。
本発明に係る光ファイバは、石英ガラスをベースとして、中心コア部と、中心コア部を取り囲み中心コア部より低い屈折率を有するディプレスト部と、ディプレスト部を取り囲みディプレスト部より高い屈折率を有する外部クラッド部とを有し、外部クラッド部に対するディプレスト部の比屈折率差が−０.３％以下であるのが好適である。
本発明に係る光ファイバは、波長範囲１５００ｎｍ〜１６５０ｎｍに含まれる中心波長を有する光が入力されることにより、波長帯域幅１０００ｎｍ以上に拡がったスーパーコンティニューム光を出力する光ファイバであって、波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍにゼロ分散波長を有し、中心波長において、実効断面積が１２μｍ２以下であり、波長分散が０以上１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする。
本発明に係る光ファイバは、波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であるのが好適である。
本発明に係る広帯域光源は、波長範囲１５００ｎｍ〜１６５０ｎｍに含まれる中心波長を有する光を出力する種光源と、この種光源から出力される光を入力してスーパーコンティニューム光を出力する光ファイバと、を備えることを特徴とする。さらに、この広帯域光源に含まれる光ファイバは、波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍにゼロ分散波長を有し、中心波長において実効断面積が１２μｍ２以下であり、波長帯域幅１０００ｎｍ以上に拡がったスーパーコンティニューム光を出力することを特徴とする。
本発明に係る広帯域光源では、光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光のスペクトルにおいて、波長１０００ｎｍにおける光強度とピーク光強度との差が１０ｄＢ以下であるのが好適であり、また、波長２２００ｎｍにおける光強度とピーク光強度との差が１０ｄＢ以下であるのが好適である。
本発明に係る広帯域光源では、光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光の時間平均の出力パワーが１０ｍＷ以上であるのが好適である。
本発明に係る広帯域光源では、光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光のスペクトルにおいて、波長１０００ｎｍ以下の何れかの波長でのスペクトル強度が−２０ｄＢｍ／ｎｍ以上であるのが好適である。
本発明に係る広帯域光源では、種光源は、パルス光源であるのが好適であり、Ｅｒ添加ファイバレーザ光源であるのが好適であり、また、増幅媒体としてのＥｒ添加ガラスおよび半導体可飽和吸収ミラーをキャビティ内に組み込んだパルス光源であるのが好適である。
本発明によれば、更に広帯域のＳＣ光を発生させることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明に係る広帯域光源の実施形態（以下「実施形態Ａ」と呼ぶ。）の構成図である。この図に示される広帯域光源１は、種光源１１および光ファイバ１２を備える。種光源１１は、光ファイバ１２へ入力させるべき種光を出力するものであり、波長範囲１５００ｎｍ〜１６５０ｎｍに含まれる中心波長を有する光を種光として出力する。種光源１１は、パルス光源であるのが好適であり、この場合には、種光のピークパワーを高くすることが可能であり、また、低い平均パワーで相対的に広帯域な出力光を生成可能である。特に繰返し周波数は遅い（１００ＭHｚ以下）ほど好ましい。
種光源１１は、Ｅｒ添加ファイバレーザ光源であるのが好適であり、この場合には、ファイバ出力との結合が容易であり、比較的低コストで簡易に構成が可能である。また、種光源１１は、増幅媒体としてのＥｒ添加ガラスおよび半導体可飽和吸収ミラーをキャビティ内に組み込んだパルス光源であるのが好適であり、この場合には、キャビティなどを安定化した低雑音でコンパクトな広帯域光源が実現可能である。
光ファイバ１２は、高非線形性の光ファイバであって、種光源１１から出力される光を入力してスーパーコンティニューム光を出力する。この光ファイバ１２は、波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍにゼロ分散波長を有し、波長１５５０ｎｍにおいて、実効断面積が１２μｍ２以下であり、波長分散が０以上１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上である。この光ファイバ１２は、種光源１１から出力された種光を一端に入力して導波させ、非線形光学現象により、波長帯域幅１０００ｎｍ以上に拡がったスーパーコンティニューム光を発生し他端から出力する。
使用する高非線形ファイバの長さは数cmから数100mの範囲が一般的である。長さが数10cm以下と短い場合には、種光源の有するノイズが増幅されず、低ノイズのSC光源が得られるが、SCスペクトルのリップルは大きくなることが知られている。一方、ファイバが数m以上と長い場合には、ノイズは大きくなるが、リップルが小さくなり、波長に対して平坦なSCスペクトルを得ることが可能となる。高非線形ファイバの使用長さは、SC光源の使用目的に適するように、決定することが出来る。
一般的に、光ファイバは数kmのスプールで線引、検査される。SC光発生に用いる高非線形ファイバは、スプールの長さと比較して非常に短い。従って、高非線形ファイバの長さ方向における特性、特に分散特性、が変動していると、製造したSC光源の性能が変化してしまう。従って長さ方向における伝送特性は安定していることが必要であり、望ましくはファイバ長さ１kmに渡って波長1550nmにおける分散値の変動が±0.5ps/nm/km以下であると良い。このようなファイバでは、どこを切っても安定したSCスペクトルを得ることが可能である。
ここで、広帯域光源１の具体的な例を説明すると以下のとおりである。種光源１１から出力される種光は、パルス中心波長が１５５０ｎｍであり、パルス繰り返し周波数が７５ＭＨｚであり、パワーが８０ｍＷであり、パルス幅が３００ｆｓである。光ファイバ１２は、１５５０ｎｍにおいて伝送損失が０.６ｄＢ／ｋｍであり、分散スロープが０.０３ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、実効断面積が１２μｍ２であり、モードフィールド径が４μｍであり、カットオフ波長が１２６０ｎｍであり、偏波モード分散が０.０４ｐｓ／ｋｍ１／２であり、長さが５０ｍである。
図２は、光ファイバ１２の分散特性を示すグラフである。この図には、比較例としてシングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）および、分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）それぞれの分散特性も示されている。シングルモード光ファイバ（ＳＭＦ）のゼロ分散波長が１３１０ｎｍ付近であり、分散シフト光ファイバ（ＤＳＦ）のゼロ分散波長が１５５０ｎｍ付近であるのに対して、光ファイバ１２のゼロ分散波長は波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍ内にある。また、光ファイバ１２は、波長１５５０ｎｍにおいて波長分散が０以上１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上である。
光ファイバ１２は、実効断面積が１２μｍ２以下と小さいことにより、非線形係数γが１８／Ｗ／ｋｍ以上（ＸＰＭ法で測定した場合）と大きくなり、非線形現象が発生しやすくなる。特に実効断面積は１０μｍ２以下であると更に好ましく、この場合には、非線形係数γは２４／Ｗ／ｋｍ以上となる。また、モードフィールド径は４.０μｍ以下が望ましい。
光ファイバ１２では、種光源１１から出力されたパルス種光が入力された際、自己位相変調（ＳＰＭ）によるスペクトル拡大、ソリトン自己周波数シフト、高次ソリトン分裂など複雑な非線形現象の結果としてＳＣ光が発生する。入力パルス光の中心波長での光ファイバ１２の波長分散値を０〜＋１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ（ゼロ分散波長が１３４０ｎｍ以上に相当）とすることにより、非線形現象によるスペクトル拡大が起こる際の種パルス自体の波形変化を抑制することができ、より広帯域なスペクトルを安定に生成可能となる。好ましくは１５５０ｎｍにおける分散値が０〜＋５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ（ゼロ分散波長が１４１０ｎｍ以上に対応）であると更によい。
図３は、光ファイバ１２の具体例と比較例における諸特性を纏めた図表である。この図表には、９個の例の諸特性として、伝送損失（１５５０ｎｍ）、ゼロ分散波長、波長分散（１５５０ｎｍ）、分散スロープ（１５５０ｎｍ）、カットオフ波長、実効断面積Ａeff（１５５０ｎｍ）、モードフィールド径ＭＦＤ（１５５０ｎｍ）、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）、偏波モード分散ＰＭＤ（１５５０ｎｍ）が順に示されている。加えて、パルス中心波長が１５５０ｎｍであり、パルス繰り返し周波数が７５ＭＨｚであり、パワーが８０ｍＷであり、パルス幅が３００ｆｓである種光を入力したときの、ＳＣ光スペクトルのピーク値から１０ｄＢ低下する短波長側の波長が示されている。
また、光ファイバ１２は、波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍで異常分散であることにより、ソリトン現象が発生可能となるため、長波長側にスペクトルが拡大し、そのアイドラー光として短波長側にもスペクトルが拡大しやすい。特に好ましくは１５００〜２２００ｎｍで異常分散であるとよい。
例えば、光ファイバ１２として、分散スロープが＋０.０２〜＋０.０４ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ程度であって実効断面積が９〜１１μｍ２程度のものを２ｍ用いる。種光源１１から出力されて光ファイバ１２に入力される種光として、中心波長が１５５０ｎｍ、繰返し周波数が５０ＭＨｚ、パルス幅が９０ｆｓ、光ファイバ２への入射強度が３００ｍＷのパルス光とする。種光が光ファイバ１２に入射した際、ＳＣスペクトルの強度がピーク強度から１０ｄＢだけ低下する短波長側の波長とゼロ分散波長との関係は、図４に示されるとおりである。
また、ＳＣスペクトルの強度がピーク強度から１０ｄＢだけ低下する長波長側の波長は全ての例で２２００ｎｍ以上であった。したがって、ゼロ分散波長が１５００ｎｍ以下であると、生成される広帯域光のスペクトルの短波長側が、そのスペクトルの強度が当該スペクトルのピーク強度から１０ｄＢ以内のレベルにある成分が、少なくとも１０００ｎｍ以下に存在することが可能となるので、望ましい。なお、ゼロ分散波長が１３００ｎｍ以上に限定されるのは、石英ガラスの材料分散カーブに因る。
図５は、広帯域光源１から出力されるＳＣ光のスペクトルを示す図である。この図に示されるように、広帯域光源１から出力されるＳＣ光のスペクトルは、比較例のＳＣ光スペクトルと比較すると、短波長側に拡大され、また、長波長側にも拡大される。
図２１は、光ファイバ１２の他の具体例における諸特性を纏めた図表である。この図表には、３個の実施例のファイバ２１〜２３の諸特性として、伝送損失（１５５０ｎｍ）、ゼロ分散波長、波長分散（１５５０ｎｍ）、分散スロープ（１５５０ｎｍ）、カットオフ波長、実効断面積Ａeff（１５５０ｎｍ）、モードフィールド径ＭＦＤ（１５５０ｎｍ）、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）、偏波モード分散ＰＭＤ（１５５０ｎｍ）が順に示されている。加えて、パルス中心波長が１５５０ｎｍであり、パルス繰り返し周波数が５０ＭＨｚであり、パワーが１００ｍＷであり、パルス幅が２００ｆｓである種光を長さ１０ｍの光ファイバに入力したときの、ＳＣ光スペクトルのピーク値から１０ｄＢ低下する短波長側の波長が示されている。
図２２は、ファイバ２１から出力されるＳＣ光のスペクトルを示す図である。図２３は、ファイバ２２から出力されるＳＣ光のスペクトルを示す図である。また、図２４は、ファイバ２３から出力されるＳＣ光のスペクトルを示す図である。ファイバ２１，２２のように、ゼロ分散波長が１５００ｎｍ以下の場合には、ＳＣ光の短波長側が１０００ｎｍ以下にまで拡大しており、好適である。一方、ゼロ分散波長が１５３５ｎｍであるファイバ２３の場合には、ＳＣ光の短波長側が１０００ｎｍ以下には広がっていない。
光ファイバのゼロ分散波長が１４２５ｎｍ以下である場合には、広帯域光の短波長成分の生成に寄与するほか、ゼロ分散波長付近に励起光を入力することにより、波長１５５０ｎｍ近傍のＣバンドの信号光を波長１３００ｎｍ付近に波長変換することも可能である。図６は、本発明に係る光ファイバの実施形態（以下「実施形態Ｂ」と呼ぶ。）を用いた波長変換器２の構成図である。この図に示される波長変換器２は、励起光源２１、光ファイバ２２、光増幅器２３、バンドパスフィルタ２４、光カプラ２５およびパワーモニタ２６を備える。図７は、光ファイバ２２の分散特性を示すグラフである。図８（ａ）は、光ファイバ２２を用いた波長変換器２における波長変換を説明する図であり、図８（ｂ）は、比較例のＤＳＦを用いた波長変換器における波長変換を説明する図である。
ここで、光ファイバ２２の具体的な例を説明すると以下のとおりである。光ファイバ２２は、伝送損失が１.２ｄＢ／ｋｍであり、分散スロープが０.０２５ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、β４が０.９×１０−５６ｓ４／ｍであり、実効断面積が９.３μｍ２であり、モードフィールド径が３.４μｍであり、カットオフ波長が１４５０ｎｍであり、偏波モード分散が０.０３ｐｓ／ｋｍ１／２であり、長さが１００ｍである。
励起光源２１から出力される励起光は、光ファイバ２２のゼロ分散波長付近の波長を有し、光増幅器２３により光増幅され、バンドパスフィルタ２４を透過した後、波長１５５０ｎｍ近傍の信号光と光カプラ２５により合波されて、光ファイバ２２に入力される。そして、光ファイバ２２において波長１３００ｎｍ付近の信号光が発生する。このように、光通信における上り・下り信号の切り替えをたとえば通常交換局に置かれている送受信装置無しでも可能であったり、Ｃバンドの波長多重信号を１.３μｍ帯の波長多重信号に切り替えたりすることが可能である。
また、本発明に係る光ファイバは、長さ２ｍでのカットオフ波長が１６５０ｎｍ以下であり、波長１５５０ｎｍにおいて分散スロープの絶対値が０.０４ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下であってもよい。カットオフ波長が１６５０ｎｍ以下にあることにより、入射光がシングルモードで光ファイバ中を導波するため、ＳＣ光生成時のモード揺らぎの影響が小さくなる。特に好ましくはカットオフ波長が１４５０ｎｍ以下であり、このときには、短波長側の成分の生成時におけるモード揺らぎの影響を低減可能であり、出力広帯域スペクトルの安定化が図れるため、さらに好ましい。分散スロープの絶対値が小さいことにより、波長分散の波長依存性を小さくすることが可能であるので、異常分散領域をより広くすることが可能である。
さらに、分散スロープ（S）の波長（λ）依存性である４次分散値＝dS/dλには好適範囲が存在する。例えば、波長1550 nmにおいて分散値が+4 ps/nm/km、分散スロープが+0.03 ps/nm2/kmの場合に、四次分散値dS/dλ、波長１５５０ｎｍ以上におけるゼロ分散波長、および波長1500 nm〜2000 nmの範囲での波長分散の最大値の関係を調べた。その結果を図２０に示す。波長1500〜2000 nmにおいて波長分散が0 ps/nm/km以上であるためには、長波長側のゼロ分散波長が存在するとしても、2000 nmよりも長い必要があり、そのためには、ｄS/dλは−0.00017 ps/nm3/km以上であることが必要とされる。一方、波長1500〜2000 nmにおいて波長分散が15 ps/nm/km以下であるためには、ｄS/dλは-0.00003 ps/nm3/km以下であることが必要とされる。従って、dS/dλは波長1550 nmにおいて-0.00017 ps/nm3/km以上-0.00003 ps/nm3/km以下が好ましい。なお、dS/dλの好適な範囲は、波長1550 nmにおける分散値や分散スロープによっても変化する。
また、本発明に係る光ファイバは、波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０以上１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であってもよい。波長範囲１５００ｎｍ〜２２００ｎｍで波長分散が０以上１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であると好ましく、好ましくは０以上１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、さらに好ましくは０以上５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下である。波長分散の絶対値を大きくしないことにより、効率的に広い波長範囲でＳＣ光が拡がる。
図９は、本発明に係る光ファイバの実施形態（以下「実施形態Ｃ」と呼ぶ。）の屈折率プロファイルを示すグラフである。図１０は、実施形態Ｃの光ファイバの分散特性を示すグラフである。図１０ではコア径の各値について分散特性が示されている。好ましいコア径の範囲は、中心コア部の比屈折率差やαパラメータ、ディプレスト部の比屈折率差、コア径比Ｒａなどによって変化する。定性的には、実施形態Ｃの光ファイバと比較して、中心コア部の比屈折率差が高かったり、αパラメータが大きかったり、ディプレスト部の比屈折率差が低かったりする場合には、好ましいコア径の範囲は小さくなる。コア径によって特性は変わるが、実効断面積は８.８μｍ２〜１１.３μｍ２、カットオフ波長は１２４０ｎｍ〜１６２０ｎｍである。
コア径比Ｒａを変化させ、ゼロ分散波長が１５００ｎｍ付近になる際の分散-波長特性を調べた結果、図１１に示されるように、コア径比Ｒａの非常に好ましい範囲は複雑になる。この場合には、コア径比Ｒａは、調査した０.３０〜０.８０の範囲で好ましく、特に０.３０付近及び０.７０付近で非常に好ましいものとなる。好ましいコア径の範囲も、コア部の比屈折率差やαパラメータ、ディプレスト部の比屈折率差、コア径２ａによって変化する。
波長１５００ｎｍにおける波長分散とゼロ分散波長との関係を調べた結果、図１２に示されるようになる。したがって、ゼロ分散波長は、１３２０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下がより好ましい範囲である。
また、本発明に係る光ファイバの偏波モード分散は、１ｐｓ／ｋｍ１／２以下であってもよく、好ましくは０.５ｐｓ／ｋｍ１／２以下であり、更に好ましくは０.１ｐｓ／ｋｍ１／２以下である。偏波モード分散が小さいことにより、長時間での安定性が向上する。
また、本発明に係る光ファイバは、基底モードにおける直交偏波間のクロストークがファイバ長１ｍにおいて−２０ｄＢ以下であってもよい。このように偏波保持ファイバとすることにより、偏波間のカップリングが実質的に発生しなくなり、長時間での安定性が向上する。
また、本発明に係る光ファイバは、波長１３８０ｎｍにおけるＯＨ基による吸収損失が５ｄＢ／ｋｍ以下であってもよい。この場合には、ＯＨ基の吸収による出力スペクトルのディップの生成を回避することが可能となり、同時に、波長変換における変換光の消失も回避できる。波長１３８０ｎｍにおけるＯＨ基による吸収損失は好ましくは１ｄＢ／ｋｍ以下である。
図１３は、本発明に係る光ファイバの実施形態における伝送損失特性を示すグラフである。この光ファイバの伝送特性は、ゼロ分散波長が１４９５ｎｍであり、実効断面積（１５５０ｎｍ）が１１.８μｍ２であり、波長分散（１５５０ｎｍ）が＋１.４ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープ（１５５０ｎｍ）が＋０.０２５ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、モードフィールド径（１５５０ｎｍ）が３.６μｍであり、非線形係数（１５５０ｎｍ）が１９／Ｗ／ｋｍであり、偏波モード分散（１５５０ｎｍ）が０.０５ｐｓ／ｋｍ１／２である。伝送損失は波長１.５５μｍで０.６７ｄＢ／ｋｍであり、ＯＨ基による吸収損失は波長１.３８μｍ付近で＋０.１５ｄＢ／ｋｍ程度であり、波長１.４１μｍ付近で＋０.１０ｄＢ／ｋｍ程度である。
また、本発明に係る光ファイバは、石英ガラスをベースとして、中心コア部と、中心コア部を取り囲み中心コア部より低い屈折率を有するディプレスト部と、ディプレスト部を取り囲みディプレスト部より高い屈折率を有する外部クラッド部とを有し、外部クラッド部に対するディプレスト部の比屈折率差が−０.３％以下であってもよい。
図１４は、本実施形態に係る光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。図１５は、この光ファイバのカットオフ波長とディプレスト部の比屈折率差Δｄとの関係を示すグラフである。図１４に示されるように、外部クラッドに対する中心コア部の比屈折率差をΔｃとし、外部クラッドに対するディプレスト部の比屈折率差をΔｄとし、ΔｃとΔｄとの差（Δｃ−Δｄ）を比較的容易に実現できる３.５％に固定して、ディプレスト部の比屈折率差Δｄを変化させた際に光ファイバの特性がどのように変化するのかを調査した。ここで、中心コア部の径２ａとディプレスト部の径２ｂとの比Ｒａ（＝２ａ／２ｂ）を０.３５とした。また中心コア部のαパラメータは３.５とした。
その結果、ゼロ分散波長が１４９３〜１４９５ｎｍの際、ディプレスト部の比屈折率差Δｄが０（マッチド型）〜−０.９％の範囲で、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積は１０.０μｍ２程度であり、非線形係数は２２／Ｗ／ｋｍ程度であり、分散値は＋１.６〜＋１.８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープは＋０.０２６〜＋０.０２８ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍと、大きな差は無かった。一方、図１５に示されるように、ディプレスト型はマッチド型よりカットオフ波長を短波長化することができるので好ましいと言える。ただし、カットオフ波長が１４５０ｎｍ以下となるのは、ディプレスト部の比屈折率差Δｄが−０.３％以下であるときであり、したがって、ディプレスト部の比屈折率差Δｄは−０.３％以下が特に望ましい。
また、本発明に係る光ファイバは、石英ガラスをベースとして、中心コア部と、中心コア部を取り囲み中心コア部より低い屈折率を有するディプレスト部と、ディプレスト部を取り囲みディプレスト部より高い屈折率を有する外部クラッド部とを有し、外部クラッド部に対するコア部の比屈折率差が２.０％以上５.５％以下であってもよい。
ディプレスト部は深い方がカットオフ波長は短くなる。現在の技術では、Ｆ添加ＳｉＯ２ガラスの採用によって、ディプレスト部の比屈折率差Δｄは−０.８％程度までは比較的容易に実現することが可能である。そこで、ディプレスト部の比屈折率差Δｄを−０.８％に固定して、中心コア部の比屈折率差Δｃを変化させた際に光ファイバの特性がどのように変化するのかを調査した。
図１６は、本実施形態に係る光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。図１７は、この光ファイバの具体例における諸特性を纏めた図表である。図１８は、この光ファイバの具体例における実効断面積とコア部の比屈折率差Δｃとの関係、ならびに、実効断面積とカットオフ波長との関係、を示すグラフである。ここで、中心コア部の径２ａとディプレスト部の径２ｂとの比Ｒａ（＝２ａ／２ｂ）を０.３５とした。また、中心コア部のαパラメータを３とした。この図表には、９個の実施例の諸特性として、コア部の比屈折率差Δｃ、伝送損失（１５５０ｎｍ）、ゼロ分散波長、波長分散（１５５０ｎｍ）、分散スロープ（１５５０ｎｍ）、カットオフ波長、実効断面積Ａeff（１５５０ｎｍ）、モードフィールド径ＭＦＤ（１５５０ｎｍ）、非線形係数γ（１５５０ｎｍ）、偏波モード分散ＰＭＤ（１５５０ｎｍ）、が順に示されている。この図から判るように、コア部の比屈折率差Δｃが２.０％以上であることにより、実効断面積を１２μｍ２以下とすることが可能である。また、コア部の比屈折率差Δｃが５.５％以下であることにより、カットオフ波長を１６５０ｎｍ以下とすることが可能である。
本実施形態に係る光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光のスペクトルにおいて、波長１０００ｎｍにおける光強度とピーク光強度との差が１０ｄＢ以下であるのが好適であり、また、波長２２００ｎｍにおける光強度とピーク光強度との差が１０ｄＢ以下であるのが好適である。
近赤外分光法において、各々の化合物は波長範囲１.２μｍ〜１.８μｍにおいて特徴的な吸収スペクトルを有するため、化合物の吸収スペクトルがこの領域で活発に取られている。例えば、水の吸収スペクトルは図１９に示されるとおりである。一方、波長範囲０.８μｍ〜１.１μｍ内の光は水やＯＨ基などの吸収が少ないため透過率が高く、この範囲は「生体の窓」ともいえるような領域である。ＳＣ光で得られる波長範囲を波長１０００ｎｍ以下まで拡大することで、窓領域である１０００-１１００ｎｍを利用することができ、生体に対して到達深度が深くなる。この波長範囲であっても化合物の吸収は存在するので、一般的には困難とされる生体の深い位置（例えば10mm以上）での吸収スペクトルを得ることが出来る。また同様に、1000nm以下の波長帯を用いた反射や拡散情報から、深い位置の断層像を得ることも出来る。好ましくは波長９００ｎｍ以下まで拡大することで、更に短波長の窓領域も使用することが可能となる。
次に、光計測分野においては、波長が１０６４ｎｍであるヨウ素安定化Ｎｄ:ＹＡＧレーザ光源が用いられている。このレーザ光源の絶対周波数の正確な測定が文献に記載のように重要な課題となっている。SC光のスペクトルの端部付近の波長においては、光ファイバ中の偏波分散、波長分散の温度依存性、種光源の出力変動などによって、出力光強度が安定しない場合が多い。1064nmのヨウ素安定化レーザー光源の絶対波長を計測するためには、1064nm以下にSC光スペクトルが拡大していると好ましいが、従来技術ではこの波長まで拡大し、安定した出力を有するSC光スペクトルを得るのは困難であった。本発明によってＳＣ光スペクトルを波長１０００ｎｍ以下まで充分に短波長化することでより、波長1064nm付近の出力強度が安定し、絶対周波数の長時間にわたるより信頼性の高い測定が可能になる。
また、０.８μｍ〜１.１μｍ、１.６μｍ〜１.８μｍ、２.０μｍ〜２.５μｍは、水や二酸化炭素の吸収が少なく、「大気の窓」といえるような領域である。したがって、この範囲をカバーするような或る程度のコヒーレンシーを有する光源が簡単に実現できれば遠距離まで十分に光が到達することが可能となり、例えば大気中のレーザーライダーなどに応用できるので有用である。
光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光の時間平均の出力パワーが１０ｍＷ以上であるのが好適であり、このようにすることにより、分光計測や生体観測などに必要なパワーが確保される。光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光のスペクトルにおいて、波長１０００ｎｍ以下の何れかの波長でのスペクトル強度が−２０ｄＢｍ／ｎｍ以上であるのが好適であり、このようにすることにより、検出器の感度と照らし合わせて、３０ｄＢ以上のダイナミックレンジの確保が可能であり、１０００ｎｍ以下の波長帯での分光計測や光通信部品の透過・反射特性の測定などに有用となる。
本発明に係る広帯域光源の実施形態Ａの構成図である。 光ファイバ１２の分散特性を示すグラフである。 光ファイバ１２の具体例における諸特性を纏めた図表である。 ＳＣスペクトルの強度がピーク強度から１０ｄＢだけ低下する短波長側の波長とゼロ分散波長との関係を示すグラフである。 広帯域光源１から出力されるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 本発明に係る光ファイバの実施形態Ｂを用いた波長変換器２の構成図である。 光ファイバ２２の分散特性を示すグラフである。 光ファイバ２２を用いた波長変換器２における波長変換を説明する図である。 本発明に係る光ファイバの実施形態Ｃの屈折率プロファイルを示す図である。 実施形態Ｃの光ファイバの分散特性を示すグラフである。 本実施形態に係る光ファイバの分散特性を示すグラフである。 この光ファイバの波長１５００ｎｍにおける波長分散とゼロ分散波長との関係を示すグラフである。 本発明に係る光ファイバの実施形態における伝送損失特性を示すグラフである。 本実施形態に係る光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 本実施形態に係る光ファイバのカットオフ波長とディプレスト部の比屈折率差Δｄとの関係を示すグラフである。 本実施形態に係る光ファイバの屈折率プロファイルを示す図である。 本実施形態に係る光ファイバの具体例における諸特性を纏めた図表である。 本実施形態に係る光ファイバの具体例における実効断面積とコア部の比屈折率差Δｃとの関係、ならびに、実効断面積とカットオフ波長との関係、を示すグラフである。 水の吸収スペクトルを示すグラフである。 四次分散値とゼロ分散波長、分散最大値との関係を示す図表である。 光ファイバ１２の他の具体例における諸特性を纏めた図表である。 ファイバ２１から出力されるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 ファイバ２２から出力されるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 ファイバ２３から出力されるＳＣ光のスペクトルを示す図である。
符号の説明
１…広帯域光源、２…波長変換器、１１…種光源、１２…光ファイバ、２１…励起光源、２２…光ファイバ、２３…光増幅器、２４…バンドパスフィルタ、２５…光カプラ、２６…パワーモニタ。

Claims (17)

  1. 波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍにゼロ分散波長を有し、
    波長１５５０ｎｍにおいて、実効断面積が１２μｍ２以下であり、波長分散が０以上１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であり、
    波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上である、
    ことを特徴とする光ファイバ。
  2. カットオフ波長が１６５０ｎｍ以下であり、
    波長１５５０ｎｍにおいて分散スロープの絶対値が０.０４ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍ以下である、
    ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  3. 波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０以上１５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  4. 偏波モード分散が１ｐｓ／ｋｍ１／２以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  5. 基底モードにおける直交偏波間のクロストークがファイバ長１ｍにおいて−２０ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  6. 波長１３８０ｎｍにおけるＯＨ基による吸収損失が５ｄＢ／ｋｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  7. 石英ガラスをベースとして、中心コア部と、前記中心コア部を取り囲み前記中心コア部より低い屈折率を有するディプレスト部と、前記ディプレスト部を取り囲み前記ディプレスト部より高い屈折率を有する外部クラッド部とを有し、
    前記外部クラッド部に対する前記ディプレスト部の比屈折率差が−０.３％以下である、
    ことを特徴とする請求項１記載の光ファイバ。
  8. 波長範囲１５００ｎｍ〜１６５０ｎｍに含まれる中心波長を有する光が入力されることにより、波長帯域幅１０００ｎｍ以上に拡がったスーパーコンティニューム光を出力する光ファイバであって、
    波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍにゼロ分散波長を有し、
    前記中心波長において、実効断面積が１２μｍ２以下であり、波長分散が０以上１０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以下である、
    ことを特徴とする光ファイバ。
  9. 波長範囲１５００ｎｍ〜２０００ｎｍにおいて波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ以上であることを特徴とする請求項８記載の光ファイバ。
  10. 波長範囲１５００ｎｍ〜１６５０ｎｍに含まれる中心波長を有する光を出力する種光源と、この種光源から出力される光を入力してスーパーコンティニューム光を出力する光ファイバと、を備え、
    前記光ファイバは、
    波長範囲１３００ｎｍ〜１５００ｎｍにゼロ分散波長を有し、
    前記中心波長において実効断面積が１２μｍ２以下であり、
    波長帯域幅１０００ｎｍ以上に拡がったスーパーコンティニューム光を出力する、
    ことを特徴とする広帯域光源。
  11. 前記光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光のスペクトルにおいて、波長１０００ｎｍにおける光強度とピーク光強度との差が１０ｄＢ以下である、ことを特徴とする請求項１０記載の広帯域光源。
  12. 前記光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光のスペクトルにおいて、波長２２００ｎｍにおける光強度とピーク光強度との差が１０ｄＢ以下である、ことを特徴とする請求項１０記載の広帯域光源。
  13. 前記光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光の時間平均の出力パワーが１０ｍＷ以上であることを特徴とする請求項１０記載の広帯域光源。
  14. 前記光ファイバから出力されるスーパーコンティニューム光のスペクトルにおいて、波長１０００ｎｍ以下の何れかの波長でのスペクトル強度が−２０ｄＢｍ／ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１０記載の広帯域光源。
  15. 前記種光源がパルス光源であることを特徴とする請求項１０記載の広帯域光源。
  16. 前記種光源がＥｒ添加ファイバレーザ光源であることを特徴とする請求項１５記載の広帯域光源。
  17. 前記種光源が、増幅媒体としてのＥｒ添加ガラスおよび半導体可飽和吸収ミラーをキャビティ内に組み込んだパルス光源である、ことを特徴とする請求項１５記載の広帯域光源。
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