JP2007287995A

JP2007287995A - Ａｓｅ光源

Info

Publication number: JP2007287995A
Application number: JP2006114856A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Okamoto; 英之岡本; Yoshinori Kubota; 能徳久保田; Takuya Tejima; 卓也手島
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 2006-04-18
Filing date: 2006-04-18
Publication date: 2007-11-01
Also published as: EP2012396A1; US20090278056A1; WO2007119807A1

Abstract

【課題】可視〜近赤外の範囲において、安定した光出力を有するＡＳＥ光源がない。
【解決手段】少なくとも励起光源、希土類添加フッ化物光導波路、合波手段、出力用の光ファイバを有する光源において、希土類添加光導波路内部で生じたアップコンバージョン過程によって発生した、励起光よりも波長の短いＡＳＥ光を、装置内部または装置外部に備えられた長波長遮断デバイスを少なくとも1つ以上経由して外部に出射されることを特徴としたＡＳＥ光源。
【選択図】図１

Description

本発明は、希土類添加ファイバを用いたＡＳＥ光源に関する。

近年、光技術の進展に伴い、通信、半導体の製造、ファイバセンサを利用したひずみ調査、医療用機器などさまざまな分野で、光の干渉を利用した光学測定への注目が集まっている。このような光学測定では、物体を透過したり反射したりすることによる影響だけを干渉としてとらえる低コヒーレント光が必要とされている。たとえば、干渉を利用して光コネクタ内部等の反射位置を計測するリフレクトメータでは、可干渉長の短い光源を用いることによって、反射の位置分解能を細かくすることができる。

このような低コヒーレント光源は、光干渉断層計（ＯＣＴ）を初めとする医療・生物分野でも広く利用されつつある。低コヒーレント光源としては、通信波長帯である１．５５μｍ帯や１．３μｍ帯のＡＳＥ光源やＳＬＤ光源がよく知られているが、近年、計測の分解能を上げるために、光源波長の短波長化が図られている。例えば、生物計測用の蛍光顕微鏡などでは可視〜近赤外域の光源が必要とされている。

広帯域な低コヒーレント光源を実施する手段として、前述した希土類添加ファイバを用いたＡＳＥ光源が挙げられる。希土類添加光ファイバを用いたＡＳＥ光源が、通常１.５５μｍ帯の光源として使用されている（例えば、特許文献１乃至３参照）。
特開平９−２３７９３０号公報特開２００１−１１１１４５号公報特開２００２−３４４０４５号公報

しかし、これらの光源に使用されている希土類添加光ファイバの母材である石英ガラスは、大きなフォノンエネルギーを有するためにアップコンバージョン蛍光が発生しにくい。

ここで、アップコンバージョンとは図１１に示すように、励起光によって基底準位から中間準位に励起された電子が、さらに励起光を吸収して上準位に励起される現象であり、上準位から基底準位への遷移による発光は、励起光よりも波長が短い。

すなわち、アップコンバージョン蛍光が発生しにくい希土類添加石英ファイバの場合、高効率で発光可能なＡＳＥ光の波長帯は励起光源の波長よりも長くなる。例えば、Ｅｒ添加石英光ファイバの励起には一般的に１.４８μｍの光源が使用され、その時のＡＳＥ発光波長は１．５５μｍ帯となる。ゆえに、既存のＡＳＥ光源で可視〜近赤外光を得ることは困難である。

アップコンバージョンにより可視〜近赤外光を得るために、フォノンエネルギーの低いフッ化物ガラスを母材とする希土類添加ファイバを用いる方法がある。希土類添加フッ化物ファイバではアップコンバージョン蛍光が容易に発生するため、励起波長よりも波長の短い発光を容易に得ることができる。例えば、Ｅｒ添加フッ化物ファイバを９７０ｎｍで励起した場合の、発光スペクトルを図１２に示す。アップコンバージョンによって励起光のよりも波長の短い５４３ｎｍ帯や８５０ｎｍ帯にＡＳＥ光が得られていることが分かる。

ここで、可視光である５４３ｎｍ帯の発光のみを出力させたい場合、従来のＡＳＥ光源では、帯域通過フィルタを用いて８５０ｎｍ帯のＡＳＥ光や、励起光（９７０ｎｍ）、１５５０ｎｍ帯の光成分を除去する必要がある。しかし、帯域通過フィルタをＡＳＥ光の経路中に挿入する場合、一度空間に出力してコリメート光に変換する必要があるため、コリメータレンズやフィルタ、ファイバ端面と空気の間でフレネル反射が生じてしまう。ＡＳＥ光の経路中に存在する反射は共振器となってレーザ発振を誘発する可能性があり、発振した場合には、コヒーレント性を有するレーザ光となってしまうので低コヒーレント光源としての特性を著しく劣化させてしまう。

本発明は、少なくとも励起光源、希土類添加フッ化物光導波路、合波手段、出力用の光ファイバを有する光源において、希土類添加光導波路内部で生じたアップコンバージョン過程によって発生した、励起光よりも波長の短いＡＳＥ光を、装置内部または装置外部に備えられた長波長遮断デバイスを少なくとも1つ以上経由して外部に出射されることを特徴としたＡＳＥ光源である。

また、希土類添加光導波路から出力光ファイバまでの全ての経路で光導波路が使用されており、空間を全く介することなくＡＳＥ光が出力されることを特徴とした、上記のＡＳＥ光源である。

また、希土類添加ファイバのコアに添加された元素が、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕのうち１つ以上を含むことを特徴とした、上記のＡＳＥ光源である。

本発明によれば、低フォノンエネルギーを有するフッ化物ファイバを用いることで、可視〜近赤外光を発生させることができる。またアップコンバージョン過程によって発生した複数の波長のＡＳＥ光のうち不要な波長を、反射を伴わない長波長遮断デバイスによって遮断することで、安定した光出力を有するＡＳＥ光源を実現することができる。

以下、本発明について詳細に説明する。図１は本発明による低コヒーレント光源の構成を示しており、希土類添加光ファイバ１、励起光／ＡＳＥ光合波カプラ２、励起ＬＤ３で構成される。

励起ＬＤ３で発生された励起光はカプラ２を通じて希土類添加光ファイバ１に入射される。ファイバ１内で発生したＡＳＥ光は双方向に出力される。このうち、出力ポートＣ側方向へ発生したＡＳＥ光が光源装置から出射される。

ここで、所望の波長帯でシングルモード光を得る場合には、ファイバ１やカプラ２に使用されているファイバ、または出力ファイバ４のカットオフ波長を適切に選ぶことで実現できる。

また出力ファイバ４に適切な曲げ損失を与えることによって、所望の波長よりも長波長の光を抑制することができる。例えば、長波長の抑制の手段として、本出願人が先に出願した、特願２００５−３３９６７２及び特願２００５−２６６３１６に記載の、カットオフ波長λｃが使用波長帯λｏｐに対し、λｃ≦０．７２×λｏｐ＋７０（ｎｍ）の条件を満たし、かつＮＡが０．１８以下に設計された光ファイバを有し、前記光ファイバの一部を１／４周以上巻かれた光ファイバ部と、２つ以上の光ファイバ保持部を有し、前記保持部間の距離を変動させることによって、光ファイバの曲げ半径を変化させることで、反射を全く伴うことなく使用波長帯を所定の割合で減衰させるように設計された光ファイバを用いることができる。

また、図２に示すように励起方向を逆にした構成をとることもできる。このとき、励起光の進行方向と、ＡＳＥ光の出射方向が同一であるため、出力ポートＣより励起光が出力される場合がある。ここで、所望としているＡＳＥ光はアップコンバージョン過程によるものなので、励起光よりも波長が短い。故に出力ファイバ４の箇所に、本出願人が先に出願した、特願２００５−３３９６７２及び特願２００５−２６６３１６に記載の、使用波長帯λｏｐに対しカットオフ波長λｃ≦０．７２×λｏｐ＋７０（ｎｍ）の条件を満たし、かつＮＡが０．１８以下に設計された光ファイバを有し、前記光ファイバの一部を１／４周以上巻かれた光ファイバ部と、２つ以上の光ファイバ保持部を有し、前記保持部間の距離を変動させることによって、光ファイバの曲げ半径を変化させることで、反射を全く伴うことなく使用波長帯を所定の割合で減衰させることを特徴とする光デバイスを利用することで、アップコンバージョン過程によるＡＳＥ光よりも波長の長い励起光を遮断することもできる。

また、ＡＳＥ光は希土類添加光ファイバ１の双方向から出力されるので、図３に示すように出力ポートを２つ有する光源を作製することもできる。また、励起パワーを変化させることで、２つのポートから出力されるＡＳＥパワー比を変化させることもできる。

また、図４に示すように、ファイバ端面Ａにファイバを斜め研磨するなどして反射抑制手段を設置したり、適切な反射率を持つフィルタなどの反射手段を設置したりすることができる。また、アイソレータ５を導入することによって光源外部からの反射光を抑制することで、光源を安定化させることもできる。また、アイソレータ５の位置に特定の波長帯域を透過させる帯域透過フィルタを配置することもできる。

尚、本発明による光源は、自然放出による発光であるため、低いコヒーレント性を示す光源を提供することができる。

また、図５に示すように、アップコンバージョン過程によって発生した、波長の異なる複数のＡＳＥ光を、分岐手段６を用いて分離し、別々のポートから出力させることもできる。このとき、出力ファイバ４はそれぞれのＡＳＥ光に対して異なるファイバを用いてもよい。

以下、実施例を挙げて本発明を説明する。

図６に本発明による第１の実施例を示す。この例では、エルビウム添加フッ化物光ファイバ１（Ｅｒ:８０００ｐｐｍ、コア直径：２．７８μｍ、ＮＡ＝０．１６、母材：ＺＢＬＡＮ）、励起光／ＡＳＥ光の合波カプラ２(使用ファイバ：ＮＡ＝０．１６、コア直径３．５μm)、励起ＬＤ３（中心波長：９７０ｎｍ、出力パワー：２４０ｍＷ）、ファイバ４および７（ＮＡ＝０．１６、コア直径２．５μｍ）、パワー検出用ＰＤ８（Ｓｉダイオード）、電気回路９で構成される。

この例では、Ｅｒの４Ｓ２／３から４Ｉ１５／２の遷移によるアップコンバージョンＡＳＥ光（中心波長：５４３ｎｍ）をシングルモード出射で得る目的としているがこの限りではない。出力ポートＣから出射されるＡＳＥ光パワーを一定に保つために、Ａ端より出射されたＡＳＥ光をＰＤ８で検出し、ＰＤ８の検出電流が一定になるように、励起ＬＤ３の励起電流を電気回路９で制御した。

このとき、Ａ端より出射された光スペクトルは、所望のＡＳＥ光（中心波長：５４３ｎｍ）だけではなく、励起光（中心波長：９７０ｎｍ）やその他のＡＳＥ成分（８５０ｎｍ帯）も含んでいた（図７ａ）。

以下、５４３ｎｍ帯のＡＳＥ光のみを抽出する手段を述べる。ここで図６中のＰＤ８に５４３ｎｍ付近のＡＳＥ光のみを入射させるために、適切な曲げ損失を与えたファイバ７（曲げ径：φ２６ミリメートル×１５周）を挿入した。このときのファイバ７の透過率を図８に示す。ファイバ７をＰＤ８の直前に挿入することによって、所望の波長帯のＡＳＥ光（５４３ｎｍ付近）の波長（図７ｂ）のみをＰＤ８に入射させて出力一定制御を行った。同様にファイバ４に適切な曲げ径（曲げ径：φ２６ミリメートル×１５周）を与えることによって、出射ポートＣからも５４３ｎｍ帯のＡＳＥ光源のみを得ることができた。

さらに、ファイバ１からのＡＳＥ出力の安定化を図るために、ファイバ出力端を８°にクリーブし、さらにＰＤ面の垂線をファイバの出射光線から１５°傾けることによって、Ａ端における光反射を抑制した。これによって、ＡＳＥ光(中心波長５４３ｎｍ)出力変動は±０．００１ｄＢ（１５分）以内であった。

このとき、ＡＳＥ光の発生する箇所は直径２．７８μmのファイバのコア内部であるため集光度が極めて高い。すなわち、半導体レーザのようにレーザチップからファイバへ集光する必要がなく、接続ロスが存在しない。本発明では、極めて簡単な構成で低コヒーレント光を得ることができた。

また、ファイバ１に添加する希土類元素を変化させることで、発光波長を変化させることができる。たとえば、プラセオジウム（Ｐｒ）を添加することで７１５ｎｍ、６３５ｎｍ、５２０ｎｍ、４９０ｎｍなどの発光を得ることができる。例えば、ネオジウム（Ｎｄ）を添加することで４１２ｎｍ、３８０ｎｍなどの発光を得ることができる。例えば、ホルミウム（Ｈｏ）を添加することで５５０ｎｍ、７２０ｎｍなどの発光を得ることができる。例えば、ツリウム（Ｔｍ）を添加することで４８０ｎｍ、４５０ｎｍなどの発光を得ることができる。

図９に本発明による第２の実施例を示す。この例は、エルビウム添加フッ化物光ファイバ１（Ｅｒ：８０００ｐｐｍ、コア直径：２．７８μｍ、ＮＡ＝０．１６、母材：ＺＢＬＡＮ）、励起光／ＡＳＥ光の合波カプラ２(使用ファイバ：ＮＡ＝０．１６、コア直径３．５μｍ)、励起ＬＤ３（中心波長：９７０ｎｍ、出力パワー：２４０ｍＷ）、ファイバ４（ＮＡ＝０．１６、コア直径２．５μｍ）、パワー検出用ＰＤ８（Ｓｉダイオード）、電気回路９、分岐カプラ１０で構成される。

ファイバ１で発生したＡＳＥ光のうち、出力ポートＣへ進行する光の一部を分岐カプラ１０で分岐してＰＤ８でモニタする事によって、実施例１と同様の出力一定制御をおこなうことができる。

図１０に本発明による第３の実施例を示す。この例は、本発明による低コヒーレント光源１１、出力ファイバ１２、光エコー顕微鏡１３、被検体物１４より構成される。本発明による低コヒーレント光源は、出力ファイバ１２を介して光エコー顕微鏡１３に導かれる。このとき、光源１１内部の希土類添加光ファイバで発生した低コヒーレント光は、常にファイバ内を伝搬しているため、ほとんど損失を伴うことなく、光エコー顕微鏡１３に導かれる。また、光源１１からの出射形態が光ファイバであるために、光源１１を任意の位置に配置することができる。

また、光エコー顕微鏡内においても、出力ファイバ１２先端部を任意に配置することができる。また、出力ファイバ１２の先端部と、光エコー顕微鏡内に配置された導光用光ファイバと融着接続することもでき、他のファイバデバイスと損失なく接続させることができる。

ここで、装置１２は光走査画像取得システムでもよい。また、装置１２は光断層診断装置（ＯＣＴ）、視野測定装置、測定対象眼内の測定対象部分の断面画像信号を形成するための眼科装置、レーザ装置を用いた露光装置、干渉を利用した面間隔測定装置、三次元物体の局所プローブ微視化装置、透過波面測定用干渉計、偏光顕微鏡、ホトマスク検査装置でもよい。

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、医療における検査装置にも利用できるものである。

本発明による最良の実施形態の構成の１例を示す図である。本発明による最良の実施形態の他の構成を示す図である。本発明による最良の実施形態の他の構成を示す図である。本発明による最良の実施形態の他の構成を示す図である。本発明による最良の実施形態の他の構成を示す図である。本発明による第１の実施例を示す。アップコンバージョン過程によるASE光のみを抽出した光スペクトルを示す。長波長遮断デバイスの透過スペクトルを示す。本発明による第２の実施例を示す。本発明による第３の実施例を示す。アップコンバージョン過程による発光の概略を示す。

符号の説明

Ａ出射ファイバ端
Ｂ出射ファイバ端
Ｃ出力ポート
１希土類添加光ファイバ
２励起光／ＡＳＥ光合波カプラ
３励起ＬＤ
４出力ファイバ
５アイソレータ
６光分岐手段
７光ファイバ
８フォトダイオード
９電気回路
１０分岐カプラ
１１本発明による低コヒーレント光源
１２出力ファイバ
１３光エコー顕微鏡
１４被検体物

Claims

少なくとも励起光源、希土類添加フッ化物光導波路、合波手段、出力用の光ファイバを有する光源において、希土類添加光導波路内部で生じたアップコンバージョン過程によって発生した、励起光よりも波長の短いＡＳＥ光を、装置内部または装置外部に備えられた長波長遮断デバイスを少なくとも1つ以上経由して外部に出射されることを特徴としたＡＳＥ光源。
希土類添加光導波路から出力光ファイバまでの全ての経路で光導波路が使用されており、空間を全く介することなくＡＳＥ光が出力されることを特徴とした、請求項１記載のＡＳＥ光源。
希土類添加ファイバのコアに添加された元素が、Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，Ｌｕのうち１つ以上を含むことを特徴とした、請求項１又は２記載のＡＳＥ光源。