JP2008172166A - ノイズライクレーザ光源および広帯域光源 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で安定動作を行うことができるノイズライクレーザ光源および広帯域光源を提供する。
【解決手段】ノイズライクレーザ光源２は、ミラー１１およびファラデ回転ミラー１２からなるファブリペロ型の共振器の共振光路上に、ファラデ回転子１３、増幅用光ファイバ２１、分散シフト光ファイバ２２、分散調整用光ファイバ２３、偏光ビームスプリッタ３１、１／２波長板３２、１／４波長板３３〜３５、レンズ４１および光カプラ５２を備え、更に、レンズ４２、励起光源５１および光増幅器６１を備える。ファラデ回転ミラー１２およびファラデ回転子１３は、増幅用光ファイバ２１から放出された光の２つの偏光モードが共振器内を伝搬する間に生じる位相差を補償する位相補償手段として作用する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノイズライクレーザ光源および広帯域光源に関するものである。

ノイズライクレーザ光源から出力されるノイズライクパルスレーザ光は、モード同期パルスレーザ光とインコヒーレント連続光との中間の性格を有しており、数十ピコ秒からナノ秒の程度の幅の包絡線の内部で雑音状になっている。このノイズライクパルスレーザ光は、モード同期パルスレーザ光が有する高光強度特性を有するとともに、インコヒーレント連続光が有するスペクトルの安定性および広帯域性をも有する。

このことから、ノイズライクレーザ光源と高非線形性光ファイバとを組み合わせて用いることにより、広帯域のスーパーコンティニューム光を発生させる広帯域光源を実現することができる（特許文献１や非特許文献１を参照）。すなわち、ノイズライクレーザ光源から出力される光を高非線形性光ファイバに入力させ、この高非線形性光ファイバにおいて非線形光学現象を発現させて入力光より広帯域の光を発生させることができる。

特許文献１や非特許文献１に記載されたノイズライクレーザ光源は、正常分散を有する増幅用光ファイバとしてのエルビウム添加光ファイバ、異常分散を有する分散調整用光ファイバとしてのシングルモード光ファイバおよび分散シフト光ファイバ、偏光ビームスプリッタ、光アイソレータならびに波長板をリング型共振器の共振光路上に備えており、また、エルビウム添加光ファイバに励起光を供給する励起光源を備えている。
特開２００５−２９４８０６号公報 Y. Takushima, et al., "87nm bandwidthnoise-like pulse generation from erbium-doped fibre laser", ElectronicsLetters, Vol.41, No.7, pp.399-400 (2005).

ノイズライクレーザ光源は、光ファイバの複屈折性や非線形性を利用して、ノイズライクレーザ光を発振する。それ故、環境（光ファイバに加えられる外力や温度）が変動すると、光ファイバの複屈折性が変動して、出力光のスペクトル形状が変動することがあり、また、ノイズライクとならない場合もある。

特許文献１に開示されたノイズライクレーザ光源または広帯域光源では、出力光のパワーをモニタし、そのモニタ結果に基づいて共振器内の波長板の光学軸の方位を調整して、環境変動があったときにも発振状態を安定化させる制御を行おうとしている。しかし、このような制御を行う場合、その為の構成が複雑となる。

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、簡易な構成で安定動作を行うことができるノイズライクレーザ光源および広帯域光源を提供することを目的とする。

本発明に係るノイズライクレーザ光源は、(1) ファブリペロ型の共振器と、(2) 共振器の共振光路上に設けられた増幅用光ファイバと、(3)共振器の共振光路上に設けられ、共振器内を往復伝搬する間に生じる累積分散をほぼゼロにする分散補償手段と、(4)共振器の共振光路上に設けられ、異常分散であり、発振波長に対してほぼゼロ分散である小分散光ファイバと、(5) 増幅用光ファイバに励起光を供給する励起光源と、(6)共振器の共振光路上に設けられ、増幅用光ファイバから放出された光の２つの偏光モードが共振器内を往復伝搬する間に、位相差を往路および復路のそれぞれで９０度回転させる１対ファラデー回転素子とを備えることを特徴とする。

本発明に係る光源モジュールは、共振器から取り出される発振光を光増幅して出力する光増幅器を備えることを特徴とする。

本発明に係る広帯域光源は、上記のノイズライクレーザ光源または光源モジュールの何れかから出力される光を入力し、広帯域の出力光を発生させて出力する高非線形性光ファイバを備えることを特徴とする。

本発明に係るノイズライクレーザ光源または広帯域光源は、簡易な構成で安定動作を行うことができる。

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、本実施形態に係るノイズライクレーザ光源２を含む広帯域光源１の構成図である。広帯域光源１は、ノイズライクレーザ光源２および高非線形性光ファイバ３を備える。ノイズライクレーザ光源２は、ミラー１１およびファラデ回転ミラー１２からなるファブリペロ型の共振器の共振光路上に、ファラデ回転子１３、増幅用光ファイバ２１、分散シフトファイバ２２、分散調整用光ファイバ２３、偏光ビームスプリッタ３１、１／２波長板３２、１／４波長板３３〜３５、レンズ４１および光カプラ５２を備える。また、ノイズライクレーザ光源２は、シングルモード光ファイバ２４，２５、レンズ４２、励起光源５１および光増幅器６１を備える。

増幅用光ファイバ２１は、正常分散特性を持ち、一方の端面がファラデ回転ミラー１２に対向しており、他方の端面が光カプラ５２と接続されている。増幅用光ファイバ２１は、例えばＥｒ，Ｔｍ，Ｈｏ，Ｙｂ，Ｎｄ等の希土類元素が光導波領域に添加された石英系の光ファイバである。増幅用光ファイバ２１は、例えば、分散が３８.４ｐｓ^２／ｋｍ（−３０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）であり、長さが２.５ｍである。

分散シフトファイバ２２は、非線形現象が起こる程度に分散が低いが、異常分散特性を持ち、一方の端面がレンズ４１に対向しており、他方の端面が分散調整用光ファイバ２３を介して光カプラ５２と接続されている。分散シフトファイバ２２は、異常分散であり、分散の絶対値として０.１５ｐｓ^２／ｋｍ（０．１２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）以下であることが、非線形現象が発生する上で望ましい。分散シフトファイバ２２は、例えば、分散が−０.０８〜−０.０４ｐｓ^２／ｋｍ（０.０３〜０.０６ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）であり、長さが４.９ｍである。

分散調整用光ファイバ２３は、異常分散特性を持ち、共振器の１往復における累積波長分散の絶対値が略零となるように、増幅用光ファイバ２１および分散調整用光ファイバ２３それぞれの波長分散値または長さが設定されている。分散調整用光ファイバ２３は、例えば、標準的なシングルモード光ファイバであり、波長１.３μｍでゼロ分散を有する一般的なファイバであり、振器の累積分散をほぼ０にする長さを有する。

この構成で、共振器の累積分散を−０.００３ｐｓ^２（０.００２ｐｓ／ｎｍ）になるように設計している。発振中心波長における共振器の累積分散は、絶対値として０.０５ｐｓ^２（０.０４ｐｓ／ｎｍ）以内であるのが好ましく、また、ゼロであるが最も望ましく、このようにすることにより、ノイズライクレーザ発振が実現できる。なお、単位「−ｐｓ^２」は単位「ｐｓ／ｎｍ」に相当し、例えば、「−０.００３ｐｓ^２」は、光周波数１／ｐｓ離れた二つの光が時間的に−０.００３ｐｓ遅れることに相当する。

励起光源５１は、増幅用光ファイバ２１に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する。光カプラ５２は、励起光源５１から出力された励起光を入力し、その励起光を増幅用光ファイバ２１へ出力する。また、光カプラ５２は、増幅用光ファイバ２１と分散調整用光ファイバ２３との間で発振光を通過させる。

レンズ４１は、ファラデ回転子１３から到達した光を入力し、その光を分散調整用光ファイバ２２の一方の端面に集光して入射させる。また、レンズ４１は、分散調整用光ファイバ２２の一方の端面から出射されて到達した光を入力し、その光をコリメートしてファラデ回転子１３へ出力する。

ファラデ回転ミラー１２とファラデ回転子１３とは、両者の間に増幅用光ファイバ２１および分散シフトファイバ２２、分散調整用光ファイバ２３を挟むように設けられている。ファラデ回転ミラー１２は、入力された光の偏波面を９０度だけ回転させて反射させる。ファラデ回転子１３は、入力された光の偏波面を４５度だけ回転させて透過させる。ファラデ回転ミラー１２およびファラデ回転子１３は、増幅用光ファイバ２１から放出された光の２つの偏光モードが共振器内を伝搬する間に生じる位相差を補償する位相補償手段として作用する。

ミラー１１とファラデ回転子１３との間の共振光路上に、ミラー１１の側から順に、１／４波長板３３、偏光ビームスプリッタ３１、１／４波長板３４、１／２波長板３２および１／４波長板３５が配置されている。偏光ビームスプリッタ３１は、互いに直交する２つの偏波モードのうち、一方の偏波モード光を１／４波長板３３と１／４波長板３４との間で通過させ、他方の偏波モード光を共振器外部へ取り出す。１／４波長板３３の異方性軸の方位を調整することにより、偏光ビームスプリッタ３１から共振器外部へ取り出される光の割合を調整することができる。

１/２波長板３２、１／４波長板３４、３５、および偏光ビームスプリッタ３１は、１／２波長板３２および１／４波長板３４、３５それぞれの光学軸の方位を調整することにより、共振光の偏光状態を調整することができ、特定の偏光の特定の光強度の光を出力する出力手段を構成する。１／４波長板３３は、光学軸の方位を調整することにより偏光ビームスプリッタ３１からの出力光を調整することができる。調整が不要の場合は、省略しても良い。

レンズ４２は、偏光ビームスプリッタ３１により共振器外部へ取り出された光を入力し、その光を光ファイバ２４の一方の端面に集光して入射させる。光ファイバ２４は、レンズ２４から一方の端面に入力された光を導波して、他方の端面から光増幅器６１へ出力する。光増幅器６１は、光ファイバ２４から出力された光を光増幅して、その光増幅した後の光を光ファイバ２５へ出力する。光増幅器６１は、増幅用光ファイバ２１の添加元素と同じ希土類元素が光導波領域に添加された光ファイバを光増幅媒体として含むものであるのが好適である。

高非線形性光ファイバ３は、光増幅器６１から出力されて光ファイバ２５により導波されて到達した光を一方の端面に入力して、その光が導波する間に発現する非線形光学現象により入力光より広帯域の光を発生させ、この広帯域光を他方の端面から出力する。

ノイズライク光源２からの出力を、レンズ４２を用いて、高非線形ファイバへ入力する構成でも、広帯域光を発生することが可能である。また、ノイズライク光源２と高非線形ファイバとの結合損失を低減するために、高非線形ファイバの前に、シングルモードファイバや、GRINレンズを挿入させる構成も考えられる。

このような構成において、励起光源５１から出力された励起光は、光カプラ５２を経て増幅用光ファイバ２１に供給され、増幅用光ファイバ２１に添加されている希土類元素を励起する。励起された増幅用光ファイバ２１から放出された光は、ミラー１１およびファラデ回転ミラー１２からなるファブリペロ型の共振器の共振光路を往復する。そして、増幅用光ファイバ２１において誘導放出が生じ、共振器において発振パルス光が生じる。その発振パルス光は、増幅用光ファイバ２１および分散調整用光ファイバ２３それぞれを伝搬する際に、パルス圧縮およびパルス伸長を繰り返すとともに、分散シフトファイバ２２で主に、非線形光学効果の影響を受ける。

分散シフト光ファイバ２２、分散調整用光ファイバ２３、増幅用光ファイバ２１中で発生する非線形偏光回転を利用し、各波長板の光学軸の方位を調整することにより、パルス光のピーク部については共振器を巡回するときに損失が小さくなるようにし、また、パルス光の裾部については共振器を巡回するときに損失が大きくなるようにすれば、モード同期レーザ発振を実現することができる。共振光路における波長分散分布と光パワーとの間に特定の関係があれば、共振器を一周すると同じ波形に戻るような固有パルスが存在できるようになる。この固有パルスは分散マネジメントソリトンと呼ばれる非線形光パルスの一種であり、周期的に変化する波長分散と非線形光学効果とのバランスにより共振器内のパルス伝搬が安定化される。

このようなモード同期レーザ発振に対して、発振波長において分散がゼロであり、（異常分散を有する）分散シフト光ファイバ２２において主に非線形光学現象が発現するようにすると、分散マネジメントソリトンが存在することができなくなり、共振器をパルスが一周したときに元の波形に戻らなくなる。一方、共振器内の光強度が充分に高い場合には、非線形偏波回転と偏光ビームスプリッタとによって、パルスを形成しようとする作用が生じる。この結果、発振光は、共振器を周回する毎に形を変えながら、全体としてはパルスとして伝搬するようになって、ノイズライクパルス光となる。

このようにして生成されるノイズライクパルスレーザ光は、前述したように、モード同期パルスレーザ光が有する高光強度特性を有するとともに、インコヒーレント連続光が有するスペクトルの安定性および広帯域性をも有する。また、ノイズライクパルスレーザ光を高非線形性光ファイバ３に入力させ、この高非線形性光ファイバ３において非線形光学現象を発現させて入力光より広帯域の光を発生させることができる。また、ノイズライクパルスレーザ光のスペクトルにリップルが無く滑らかさであることから、高非線形性光ファイバ３から出力される広帯域光も安定である。

特に本実施形態では、増幅用光ファイバ２１から放出れた光の２つの偏光モードが共振器内を伝搬する間に生じる位相差を補償する位相補償手段として、ファラデ回転ミラー１２およびファラデ回転子１３が、増幅用光ファイバ２１および分散調整用光ファイバ２２を挟むように設けられている。そして、ファラデ回転ミラー１２は、入力された光の偏波面を９０度だけ回転させて反射させる。また、ファラデ回転子１３は、入力された光の偏波面を４５度だけ回転させて透過させる。

したがって、増幅用光ファイバ２１および分散シフト光ファイバ２２、分散調整用光ファイバ２３を或る方向に伝搬した光は、ファラデ回転子１３を２度透過することにより偏波面が９０度だけ回転されるとともにミラー１１により反射されて、或いは、ファラデ回転ミラー１２により偏波面が９０度だけ回転されるとともに反射されて、増幅用光ファイバ２１および分散調整用光ファイバ２２を逆方向に伝搬することになる。すなわち、増幅用光ファイバ２１および分散調整用光ファイバ２２を伝搬する光は、往路と復路とで偏波面が９０度だけ回転されたものとなる。

これにより、増幅用光ファイバ２１および分散調整用分散シフト光ファイバ２２、分散調整用光ファイバ２３における線形の複屈折による２つの偏光モードの間の位相差は常に０の状態になる。したがって、本実施形態に係るノイズライクレーザ光源２、および、これを含む広帯域光源１は、環境（光ファイバに加えられる外力や温度）が変動して、増幅用光ファイバ２１および分散調整用分散シフト光ファイバ２２、分散調整用光ファイバ２３の複屈折性が変動しても、出力光のスペクトル形状が安定し、ノイズライクな光を安定して出力することができる。また、この安定化の為の制御機構を有する必要がないので、構成が簡易である。従来構成と比較して、補償の為の制御機構を必要とせず、スペクトルのスペクトル全域での時間的強度変動１ｄＢ以下が実現できる。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、増幅用光ファイバ２１に励起光を供給する方法としては、波長選択型光カプラによる増幅用光ファイバ２１のコアへの直接励起、ダブルクラッドファイバによる端面励起、側面励起、励起光カプラによる励起方法であってもよい。

共振器を構成するミラー１１は、チャープ鏡、ＦＢＧ、チャープＦＢＧであってもよい。

共振器中に可飽和吸収体または可飽和吸収体鏡を挿入してもよい。この場合には、より高光強度なノイズライクレーザ光を発生することができる。

波長板３２〜３５の偏光状態の制御方法に替えて、ファイバへの外力を利用する偏光制御方法であってもよい。この場合、波長板３２〜３５を省略することが可能である。

偏光ビームスプリッタ３１、ミラー１１に替えて、偏光子および強度の一部を透過するミラーを用いてもよい。この場合、透過された光が出力光となる。

ノイズライクレーザの発振を確実に開始させるためには、共振器に振動を与えるのが好ましい。振動を与える構成としては、光ファイバに圧電素子を接触させる方法がある。

出力光のスペクトル幅が最大かつ滑らかになるように、出力光のスペクトルをモニタしながら、波長板の異方性軸の方位を調整するのも好ましい。

また、出力パルスの繰り返し周波数を調整する為に、共振器長を制御する手段を有するのが好ましい。また、温度をモニタして、そのモニタ結果に基づいて共振器長をフィードバック制御して、繰り返し周波数を安定化することも可能である。

分散調整用ファイバに代わる累積分散をほぼゼロにする手段として、チャープファイバーブラッググレーティング、回折格子であっても可能である。

本実施形態に係るノイズライクレーザ光源２を含む広帯域光源１の構成図である。

符号の説明

１…広帯域光源、２…ノイズライクレーザ光源、３…高非線形性光ファイバ、４…光源モジュール、１１…ミラー、１２…ファラデ回転ミラー、１３…ファラデ回転子、２１…増幅用光ファイバ、２２…分散シフトファイバ、２３…分散調整用光ファイバ、２４、２５…シングルモード光ファイバ、３１…偏光ビームスプリッタ、３２…１／２波長板、３３〜３５…１／４波長板、４１，４２…レンズ、５１…励起光源、５２…光カプラ、６１…光増幅器。

Claims (3)

1. ファブリペロ型の共振器と、
   前記共振器の共振光路上に設けられた増幅用光ファイバと、
   前記共振器の共振光路上に設けられ、前記共振器内を往復伝搬する間に生じる累積分散をほぼゼロにする分散補償手段と、
   前記共振器の共振光路上に設けられ、異常分散であり、発振波長に対してほぼゼロ分散である小分散光ファイバと、
   前記増幅用光ファイバに励起光を供給する励起光源と、
   前記共振器の共振光路上に設けられ、前記増幅用光ファイバから放出された光の２つの偏光モードが前記共振器内を往復伝搬する間に、位相差を往路および復路のそれぞれで９０度回転させる１対ファラデー回転素子と
   を備えることを特徴とするノイズライクレーザ光源。
2. 前記共振器から取り出される発振光を光増幅して出力する光増幅器を備えることを特徴とする光源モジュール。
3. 請求項１のノイズライクレーザ光源または請求項２の光源モジュールの何れかから出力される光を入力し、広帯域の出力光を発生させて出力する高非線形性光ファイバを備えることを特徴とする広帯域光源。

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