JP2008084904A - 光出力装置および光出力方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望のスペクトル幅（波長幅）の広帯域光として使用可能な光を出力する。
【解決手段】光出力装置として、パルス幅がピコ秒からフェムト秒単位で中心波長が１５６０ｎｍのパルス光を生成する超短パルスファイバレーザとして構成された短パルス光源と、短パルス光源からのパルス光の強度を順次変調する光強度変調器と、光強度変調器により強度が順次変調されたパルス光を入射してソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光とする波長変化用光ファイバとを備え、光強度変調器のパルス光の強度範囲として所望の波長範囲に対応する強度範囲でパルス光の強度をノコギリ波状に変化させる。これにより出力される波長が周期的に変化する周期的波長変化光が出力されるから、これを広帯域光として用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光出力装置および光出力方法に関し、詳しくは、波長が所定範囲の広帯域光を所定周波数で入力することにより機能する光関連装置の広帯域光を出力する広帯域光出力部として使用可能な光出力装置および波長が所定範囲の広帯域光を所定周波数で入力することにより機能する光関連装置に中心波長が前記所定範囲で前記所定周波数に対応する対応周期で順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光を前記広帯域光として出力する光出力方法に関する。

従来、この種の光出力装置として、パルス幅がピコ秒からフェムト秒単位のパルス光を生成する超短パルスファイバレーザから出力されたパルス光を非線形係数が大きく波長分散特性を有する光ファイバを透過することにより、１２００ｎｍないし２０００ｎｍ程度の広い帯域に比較的平坦に広がる広帯域光（スーパーコンティニューム）を得るものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、パルス幅がピコ秒からフェムト秒単位のパルス光を生成する超短パルスファイバレーザからのパルス光の光強度を周期的に順次変更することにより、時間に対して周期的に波長の変化するパルス光を出力するものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。
ＷＯ ０２／０７１１４２ Ａ１ 特開２００１−１５６３６８号公報

光断層計測や分光計測などの光計測の分野では、その分解能が光源からの光の波長の幅Δλに反比例するため、波長の幅が広い光、即ち広帯域にスペクトルが広がる広帯域光を用いることが好ましく、所望のスペクトル幅（波長幅）の広帯域光を精度よく出力することが望まれる。

本発明の光出力装置および光出力方法は、所望のスペクトル幅（波長幅）の広帯域光として使用可能な光を出力することを目的とする。

本発明の光出力装置および光出力方法は、上述の目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の光出力装置は、
波長が所定範囲の広帯域光を所定周波数で入力することにより機能する光関連装置の広帯域光を出力する広帯域光出力部として使用可能な光出力装置であって、
短いパルス時間幅で中心波長が前記波長範囲とは異なる所定波長のパルス光を前記所定周波数の少なくとも所定数倍以上の周波数で出力する短パルス光源と、
前記短パルス光源から出力されたパルス光の特性を任意の周期で順次変調する光特性変調手段と、
前記所定周波数に対応する周期で前記短パルス光源から出力されたパルス光の特性を順次変調可能な光特性変調手段と、
前記光特性変調手段により特性が順次変調されたパルス光を入射してソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が前記パルス光の特性が順次変調される周期で順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光とする波長変化手段と、
を備えることを要旨とする。

この本発明の光出力装置では、光関連装置が機能するために広帯域光を入力する周波数の所定数倍以上の周波数で出力された短いパルス時間幅のパルス光の特性を順次変調し、この特性が順次変調されたパルス光をソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が光関連装置が機能する範囲で順次変化するパルス光からなる周期的波長変更光として出力する。こうした周期的波長変化光は、広帯域光を入力する周波数の所定数倍以上の周波数でパルス光の波長が変化するから、光関連装置では広帯域光として取り扱うことができる。ここで、パルス光の特性を順次変調する程度を変更することにより、波長が所望の範囲で順次変化する周期的波長変化光とすることができるから、光関連装置に必要な広帯域光の波長範囲に応じた波長範囲の周期的波長変化光を出力することができる。なお、所定数は、周期的波長変化光を広帯域光として光関連装置が機能可能な数以上の数であり、例えば１０や５０，１００，５００，１０００などを用いることができる。

こうした本発明の光出力装置において、前記光特性変調手段は前記パルス光の特性としてパルス光の強度を変調する手段であり、前記波長変化手段は中心波長が前記パルス光の強度に応じて変化する周期的波長変化光とする手段である、ものとすることもできる。こうすれば、パルス光の強度を変調する程度を変更することにより、所望の波長範囲の周期的波長変化光を出力することができる。この場合、前記光特性変調手段は、音響光学変調器を用いて前記パルス光の強度を変調する手段であるものとすることもできる。また、前記波長変化手段は、異常分散特性を有する光ファイバであるものとすることもできる。

また、本発明の広帯域光出力装置において、前記波長変化手段により得られる前記周期的波長変化光を入射して前記所定波長の帯域の光を除去する波長フィルタを備えるものとすることもできる。こうすれば、出力光から短パルス光源から出力されるパルス光の成分を除去することができ、励起パルス光の成分のない波長変更光を得ることができる。

さらに、本発明の光出力装置において、前記短パルス光源は、パルス時間幅としてピコ秒（ｐｓ）からフェムト秒（ｆｓ）の単位のパルス光を出力する光源であるものとすることもできる。

本発明の光出力方法は、
波長が所定範囲の広帯域光を所定周波数で入力することにより機能する光関連装置に中心波長が前記所定範囲で前記所定周波数に対応する対応周期で順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光を前記広帯域光として出力する光出力方法であって、
短いパルス時間幅で中心波長が前記波長範囲とは異なる所定波長のパルス光を前記所定周波数の少なくとも所定数倍以上の周波数で出力し、
前記対応周期で前記出力されたパルス光の特性を順次変調し、
前記特性が順次変調されたパルス光を入射してソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が前記所定範囲で前記対応周期で順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光として出力する、
ことを特徴とする。

この本発明の光出力方法では、光関連装置が機能するために広帯域光を入力する周波数の所定数倍以上の周波数で出力された短いパルス時間幅のパルス光の特性を順次変調し、この特性が順次変調されたパルス光をソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が光関連装置が機能する範囲で順次変化するパルス光からなる周期的波長変更光として出力する。こうした周期的波長変化光は、広帯域光を入力する周波数の所定数倍以上の周波数でパルス光の波長が変化するから、光関連装置では広帯域光として取り扱うことができる。ここで、パルス光の特性を順次変調する程度を変更することにより、波長が所望の範囲で順次変化する周期的波長変化光とすることができるから、光関連装置に必要な広帯域光の波長範囲に応じた波長範囲の周期的波長変化光を出力することができる。なお、所定数は、周期的波長変化光を広帯域光として光関連装置が機能可能な数以上の数であり、例えば１０や５０，１００，５００，１０００などを用いることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態を実施例を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施例としての光出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。実施例の光出力装置２０は、図示するように、パルス幅がピコ秒からフェムト秒単位で中心波長が１５６０ｎｍのパルス光を生成する超短パルスファイバレーザとして構成された短パルス光源２２と、マイクロコンピュータ２６からの制御信号に基づいて短パルス光源２２からのパルス光の強度を順次変調する光強度変調器２４と、光強度変調器２４により強度が順次変調されたパルス光を入射してソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光とする波長変化用光ファイバ２８と、１５６０ｎｍ帯以下の波長の光を除去する波長フィルタ３０と、周期的波長変化光を出力すると共に光断層計測や分光計測などの光計測の分野に用いられる機器に結合するための出力結合用光ファイバ３２と、を備える。

短パルス光源２２としては、実施例では、パルス光の波長が１５６０ｎｍ、パルス幅（時間幅）が１４１フェムト秒（ｆｓ）、パルス光の繰り返し周波数が４８ＭＨｚ、平均出力が３８ｍＷの超短パルス光を安定して生成する超短パルスファイバレーザを用いた。短パルス光源２２としては、こうした性能に限定されるものではなく、例えば、パルス幅（時間幅）がピコ秒（ｆｓ）単位のものを用いてもよし、パルス光の繰り返し周波数がＭＨｚ単位のものや数１００ＭＨＺ単位のもの、或いはＧＨｚ単位のものを用いてもよい。

光強度変調器２４としては、実施例では、変調帯域幅１．８ＭＨｚで透過率７５％以上の音響光学変調器を用いた。パルス光源２２としては、こうした性能に限定されるものではなく、異なる性能の音響光学変調器を用いるものとしてもよく、また、短パルス光源２２からのパルス光の強度を変調することができるものであれば音響光学変調器以外のものを用いるものとしてもかまわない。

波長変化用光ファイバ２８としては、実施例では、異常分散特性を有する細径偏波保持ファイバ（コア径８．１μｍ，長さ１００ｍ）を用いた。波長変化用光ファイバ２８としては、こうした細径偏波保持ファイバに限られず、パルス光の強度に応じてパルス光の波長を変更することができる光ファイバであれば、如何なる光ファイバを用いるものとしてもよいし、光ファイバ以外のものを用いるものとしてもよい。

マイクロコンピュータ２６には、波長変化用光ファイバ２８から出力される周期的波長変化光における中心波長の範囲として１５７０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲から波長範囲を入力することにより、波長範囲に対応するパルス光の強度の範囲でノコギリ歯状に変化する制御信号光強度変調器２４に出力するためのプログラムがインストールされている。なお、制御信号は、ノコギリ波状に変化するものに限定されるものではなく、階段状に変化するものを用いてもよい。

次に、こうして構成された光出力装置２０の動作について説明する。光出力装置２０の電源を投入し、マイクロコンピュータ２６に対して中心波長の範囲として１５７０ｎｍ〜２０００ｎｍの範囲から所望の波長範囲を入力すると、マイクロコンピュータ２６から入力した波長範囲に対応するパルス光の強度の範囲でノコギリ状に変化する制御信号が光強度変調器２４に出力され、この制御信号により、例えば１ＭＨｚの周波数に対応する周期でパルス光の強度をノコギリ波状に変化させる。ノコギリ波状に変化する強度のパルス光を入射した波長変化用光ファイバ２８は、入射した強度に応じてパルス光の波長を変化させ、励起光としての１５６０ｎｍを中心波長とする帯域の波長のパルス光を含んで入力した波長範囲を１ＭＨｚの周期で変化する周期的波長変化光を出力する。そして、励起光としての１５６０ｎｍを中心波長とする帯域以下の波長の光を波長フィルタ３０によって除去し、励起光のない入力した波長範囲を１ＭＨｚの周期で変化する周期的波長変化光を出力する。

ここで、励起光としてのパルス光の波長を変化させる原理について簡単に説明する。パルスを光細径偏波保持ファイバに入射すると、パルス圧縮が起こり、スペクトルが広がる。このとき、ラマン増幅によって長波長側のスペクトルが増強され、その後、パルス分裂が生じる。分裂したパルスは、ソリトン効果を受け、徐々に１次のソリトンが形成される。パルスの光細径偏波保持ファイバにおける伝播に伴い、ソリトンパルス内でもラマン増幅が起こり、短波長側のスペクトルが長波長側に変換される。この結果、パルススペクトルの中心波長が徐々に長波長側にシフトしていく。このとき、ソリトン効果のために、ソリトンパルスのｓｅｃｈ²型の波形は保持される。ここで、ソリトンパルスの波長シフト量は、光細径偏波保持ファイバの長さ（ファイバ長）や励起光（入力するパルス光））の強度に依存するため、ファイバ長と励起光の強度を調節することにより、波長のシフト量を制御することができる。励起光の強度と波長シフト量との関係の一例を図２に示し、励起光の強度とファイバ長と波長との関係の一例を図３に示し、波長可変ソリトンパルスの自己相関波形を図４に示す。図２および図３に示すように、励起光の強度が大きいほど波長シフト量が大きく、ファイバ長が長いほど波長シフト量が大きくなるのが解る。また、図２に示すように、波長可変ソリトンパルスは、励起光の長波長側にｓｅｃｈ²型の綺麗なスペクトルとなっている。さらに、図４に示すように、ソリトンパルスは、台座成分のない、フーリエ限界のｓｅｃｈ²型のパルスが観測される。

上述した原理から、波長変化用光ファイバ２８のファイバ長を４０ｍとした実施例の光出力装置２０から所望の波長範囲（例えば、１７００ｎｍ〜１８００ｎｍ）を１ＭＨｚの周波数に対応する周期で変化する周期的波長変化光を出力するためには、光強度変調器２４のパルス光の強度範囲として所望の波長範囲に対応する強度範囲（例えば、１０ｍＷ〜１８ｍＷ）でパルス光の強度をノコギリ波状に変化させればよいことが解る。

こうした実施例の光出力装置２０は、光断層計測や分光計測などの光計測の分野に用いられる光関連装置の広帯域光を出力する光源として用いることができる。光関連装置では、その分解能が光源からの光の波長の幅Δλに反比例するため、波長の幅が広い光、即ち広帯域にスペクトルが広がる広帯域光を用いる。このとき、光関連装置では、周期的波長変化光の周期が計測に必要な広帯域光の間隔程度であれば周期的波長変化光を広帯域光として用いることができる。いま、光関連装置の光源として要求される仕様が１ｋＨｚの周波数の広帯域光である場合、その１０倍の１０ｋＨｚや１００倍の１００ｋＨｚ、或いは１０００倍の１ＭＨｚに相当する周期を波長変化の周期として周期的波長変化光を出力すれば周期的波長変化光を広帯域光として用いて光計測などに十分に用いることができる。

以上説明した実施例の光出力装置２０によれば、所望の波長範囲を１ＭＨｚの周波数に対応する周期で波長が変化する周期的波長変化光を安定して出力することができる。この結果、周期的波長変化光の波長が変化する範囲を適当に調整することにより所定の波長範囲の広帯域光を入力することにより機能する光関連装置の広帯域光を出力する光源として使用することができる。

実施例の光出力装置２０では、パルス幅がピコ秒からフェムト秒単位で中心波長が１５６０ｎｍのパルス光を生成する超短パルスファイバレーザとして構成された短パルス光源２２を用いたが、励起光としてのパルス光の中心波長は１５６０ｎｍに限定されるものではなく、任意の中心波長のパルス光を生成するものとしてもよい。例えば、１０００ｎｍを中心波長とするパルス光を生成する超短パルスファイバレーザを用いるものとしてもよい。この１０００ｎｍを中心波長とするパルス光を生成する超短パルスファイバレーザを短パルス光源２２として用い、１３００ｎｍ帯の周期的波長変化光を広帯域光として用いれば、生体の皮下組織を計測する装置の光源などに有効に用いることができ、１５００ｎｍ帯の周期的波長変化光を広帯域光として用いれば、光通信やシリコンデバイスの評価などに有効に用いることができる。

実施例の光出力装置２０では、励起光としてのパルス光の波長の帯域以下の波長の光を除去するために波長フィルタ３０を備えるものとしたが、こうした励起光としてのパルス光の波長の帯域以下の波長の光を除去する必要がなければ波長フィルタ３０を備えないものとしてもよい。

ここで、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係について説明する。実施例では、パルス幅がピコ秒からフェムト秒単位で中心波長が１５６０ｎｍのパルス光を生成する超短パルスファイバレーザとして構成された短パルス光源２２が「短パルス光源」に相当し、短パルス光源２２からのパルス光の強度を順次変調する光強度変調器２４とこの光強度変調器２４に制御信号を出力するマイクロコンピュータ２６とが「光特性変調手段」に相当し、光強度変調器２４により強度が順次変調されたパルス光を入射してソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光とする波長変化用光ファイバ２８が「波長変化手段」に相当する。また、１５６０ｎｍ帯以下の波長の光を除去する波長フィルタ３０が「波長フィルタ」に相当する。なお、実施例の主要な要素と課題を解決するための手段の欄に記載した発明の主要な要素との対応関係は、実施例が課題を解決するための手段の欄に記載した発明を実施するための最良の形態を具体的に説明するための一例であることから、課題を解決するための手段の欄に記載した発明の要素を限定するものではない。即ち、課題を解決するための手段の欄に記載した発明についての解釈はその欄の記載に基づいて行なわれるべきものであり、実施例は課題を解決するための手段の欄に記載した発明の具体的な一例に過ぎないものである。

実施例では、波長が所定範囲の広帯域光を所定周波数で入力することにより機能する光関連装置の広帯域光を出力する広帯域光出力部として使用するために周期的波長変化光を出力する光出力装置２０として説明したが、こうした光関連装置に周期的波長変化光を広帯域光として出力する光出力方法の形態としてもよい。

以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、光出力装置の製造産業や光断層計測や分光計測などの光計測の分野に用いられる光関連装置の製造産業などに利用可能である。

本発明の一実施例としての光出力装置２０の構成の概略を示す構成図である。 励起光の強度と波長シフト量との関係の一例を示す説明図である。 励起光の強度とファイバ長と波長との関係の一例を示す説明図である。 波長可変ソリトンパルスの自己相関波形の一例を示す説明図である。

符号の説明

２０ 光出力装置、２２ 短パルス光源、２４ 光強度変調器、２６ マイクロコンピュータ、２８ 波長変化用光ファイバ、３０ 波長フィルタ。

Claims (8)

1. 波長が所定範囲の広帯域光を所定周波数で入力することにより機能する光関連装置の広帯域光を出力する広帯域光出力部として使用可能な光出力装置であって、
   短いパルス時間幅で中心波長が前記波長範囲とは異なる所定波長のパルス光を前記所定周波数の少なくとも所定数倍以上の周波数で出力する短パルス光源と、
   前記短パルス光源から出力されたパルス光の特性を任意の周期で順次変調する光特性変調手段と、
   前記所定周波数に対応する周期で前記短パルス光源から出力されたパルス光の特性を順次変調可能な光特性変調手段と、
   前記光特性変調手段により特性が順次変調されたパルス光を入射してソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が前記パルス光の特性が順次変調される周期で順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光とする波長変化手段と、
   を備える光出力装置。
2. 前記所定数は、前記周期的波長変化光を前記広帯域光として前記光関連装置が機能可能な数以上の数である請求項１記載の光出力装置。
3. 請求項１または２記載の光出力装置であって、
   前記光特性変調手段は、前記パルス光の特性としてパルス光の強度を変調する手段であり、
   前記波長変化手段は、中心波長が前記パルス光の強度に応じて変化する周期的波長変化光とする手段である、
   光出力装置。
4. 前記光特性変調手段は、音響光学変調器を用いて前記パルス光の強度を変調する手段である請求項３記載の光出力装置。
5. 前記波長変化手段は、異常分散特性を有する光ファイバである請求項３または４記載の光出力装置。
6. 前記波長変化手段により得られる前記周期的波長変化光を入射して前記所定波長の帯域の光を除去する波長フィルタを備える請求項１ないし５いずれか記載の光出力装置。
7. 前記短パルス光源は、パルス時間幅としてピコ秒（ｐｓ）からフェムト秒（ｆｓ）の単位のパルス光を出力する光源である請求項１ないし６いずれか記載の光出力装置。
8. 波長が所定範囲の広帯域光を所定周波数で入力することにより機能する光関連装置に中心波長が前記所定範囲で前記所定周波数に対応する対応周期で順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光を前記広帯域光として出力する光出力方法であって、
   短いパルス時間幅で中心波長が前記波長範囲とは異なる所定波長のパルス光を前記所定周波数の少なくとも所定数倍以上の周波数で出力し、
   前記対応周期で前記出力されたパルス光の特性を順次変調し、
   前記特性が順次変調されたパルス光を入射してソリトン効果とラマン散乱による非線形光学効果によって中心波長が前記所定範囲で前記対応周期で順次変化するパルス光からなる周期的波長変化光として出力する、
   ことを特徴とする光出力方法。