JP2009169041A

JP2009169041A - スーパーコンティニュアム光源

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Publication number: JP2009169041A
Application number: JP2008006500A
Authority: JP
Inventors: Norihiko Nishizawa; 典彦西澤
Original assignee: NU SYSTEM KK; Nagoya University NUC; Osaka University NUC
Current assignee: NU SYSTEM KK; Nagoya University NUC; Osaka University NUC
Priority date: 2008-01-16
Filing date: 2008-01-16
Publication date: 2009-07-30

Abstract

【課題】可視波長領域を含む高コヒーレンスなスーパーコンティニュアム光を安定に生成する。
【解決手段】可視波長領域を含むスーパーコンティニュアム光を生成する光源である。コヒーレントなパルス光を発生させるファイバーレーザ１０と、ファイバーレーザの出力するパルス光を入力し、そのパルス光を増幅するファイバー増幅器２０と、ファイバー増幅器の出力するパルス光のファイバー増幅器での波長分散による時間広がりを補償して、パルス幅を狭くする負分散特性を有した補償ファイバー３０と、補償ファイバーの出力するパルス光を入力して、そのパルス光の波長を１／２にする非線形結晶４０と、非線形結晶の出力するパルス光を入力して、非線形光学効果により、スーパーコンティニュアム光に変換する高非線形光ファイバー５０とから成るスーパーコンティニュアム光源である。
【選択図】図１

Description

本発明は、可視波長領域を含む数百ｎｍの範囲に渡って連続したスペクトルを有したパルス光であるスーパーコンティニュアム光源に関する。

超短パルス光を高非線形光ファイバーに導入することによりスーパーコンティニュアム光（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）が発生することは良く知られている。この波長帯域は数百ｎｍに及ぶ。このような広帯域光は、光断層計測や分光計測などの先端光計測の分野において、非常に有用である。特に、可視波長領域のスーパーコンティニュアム光による分光分析や波長多重通信の実現が期待されている。
特開２００５−３３１８１８号公報特開２００３−１４９６９５号公報特開平１０−９０７３７号公報

しかしながら、従来のスーパーコンティニュアム光源は、近赤外波長領域であり、可視波長領域のものは、得られていなかった。そこで、本発明は、可視波長領域を含むスーパーコンティニュアム光を実現することを目的とする。

本発明は、可視波長領域を含むスーパーコンティニュアム光を生成する光源であって、コヒーレントなパルス光を発生させるファイバーレーザと、ファイバーレーザの出力するパルス光を入力し、そのパルス光を増幅するファイバー増幅器と、ファイバー増幅器の出力するパルス光のファイバー増幅器での波長分散による時間広がりを補償して、パルス幅を狭くする負分散特性を有した補償ファイバーと、補償ファイバーの出力するパルス光を入力して、そのパルス光の波長を１／２にする非線形結晶と、非線形結晶の出力するパルス光を入力して、非線形光学効果により、スーパーコンティニュアム光に変換する高非線形光ファイバーとから成るスーパーコンティニュアム光源である。

ここで、ファイバーレーザとファイバー増幅器との間には、ファイバーレーザの出力する前記パルス光のパルス幅を広くするシングルモードファイバーを設けることが望ましい。また、ファイバー増幅器は、ピーク強度が強くなり過ぎないように、波長分散効果を用いて、時間的にパルス幅を広げている。補償ファイバーは、ファイバー増幅器で幅が広くなったパルス光を、負分散を利用して、パルス幅を狭くして、超短パルス光を得るものである。また、高非線形光ファイバーは、非線形結晶の出力するパルス光の中心波長を基準に±１００ｎｍの範囲内の波長において、分散が零であることが望ましい。また、非線形結晶は、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃結晶を用いることが望ましい。

また、ファイバー増幅器には、希土類元素のドープされた光ファイバーと、希土類元素の励起光を生成する発光装置とで構成されることが望ましい。この場合、光ファイバーは、偏波保持光ファイバーとしても良い。また、希土類元素にはエルビウムを用いることができる。また、補償ファイバーは、大口径フォトニック結晶ファイバーであることが望ましい。

ファイバーレーザにより出力されたパルス光は、ファイバー増幅器により増幅されて、補償ファイバーにより、狭いパルス幅の超短パルス光に整形される。超短パルス光は、非線形結晶に入力されて、第２高調波を出力して、波長が１／２に変換されたパルス光となる。このパルス光を高非線形ファイバーに導入することで、可視波長領域を含む広波長帯域に平坦に広がるスペクトルを有するスーパーコンティニュアム光を得ることができる。また、本発明の光源によるスーパーコンティニュアム光はコヒーレンス度が高い。更に本発明の光源は、スーパーコンティニュアム光を安定に生成することができ、可視波長領域を用いた各種の計測用の光源、波長多重通信の光源として非常に有用である。

コヒーレントなパルス光を発生させるファイバーレーザは、例えばリング型のエルビウムドープ光ファイバーレーザを用いることが可能である。その他、数ピコ秒乃至それ以下のパルス幅のパルス光を発生させ得る任意のファイバーレーザ等を用いることが可能である。発生させるレーザ波長は、１．５５μｍが、一般的に用いられるが、この波長に限定するものではない。生成されるパルス光のパルス幅は１ｐｓ以下が好ましく、５００ｆｓ以下が更に好ましい。本実施例では、ファイバーレーザから出力されるパルス光のパルス幅は３００ｆｓである。

ファイバー増幅器は、希土類元素をドープした光ファイバーを用いる。この際、少なくとも当該希土類元素をドープした光ファイバーは、偏波保持ファイバーでなくとも良いが、偏波保持ファイバーとすることで、安定した出力が得られる。また、その前段又は後段に光ファイバーを接続する場合も偏波保持ファイバーとすることが望ましい。ファイバー増幅器の前段には、パルス幅をやや広げるために、シングルモードファイバーを用いることが望ましい。希土類元素をドープした光ファイバーに偏波保持ファイバーを用いた場合には、当該希土類元素の励起光を導入するためのカプラとしては、例えば偏波保持型の波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）を用いると良い。これらは既に多数のメーカーから提供されており、適切な製品が入手可能である。希土類元素をドープした光ファイバーにより、パルス光の光強度が増幅される。このファイバー増幅器の中心部である希土類元素をドープした光ファイバーの入力部と出力部には、波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）の他、任意の光学素子を取り付けて良い。例えば、コヒーレントなパルスの入力部には、シングルモードファイバーや、半波長板、偏光ビームスプリッタなどを配置すると良い。また、ファイバー増幅器の出力部には、増幅用の希土類元素の励起光が後段に出射されないように、波長選択阻止性の光学フィルタを配置すると良い。ファイバー増幅器において、増幅のために光ファイバーに添加する希土類元素は、ファイバーレーザの生成するパルス光の波長により選択される。ファイバーレーザが例えばエルビウムドープファイバーを用いたレーザであれば、ファイバー増幅器の増幅にも、エルビウムを用いると良い。この際、励起光は例えば波長１４８０ｎｍとし、当該波長を生成するレーザを用いる。その他、必要箇所に光アイソレータその他の光学素子を配置させると良い。

このファイバー増幅器による増幅において、パルス幅は多少広くなるために、ファイバー増幅器の後段に、補償ファイバーを用いる。補償ファイバーには、ＬＭＡ−ＰＣＦ(large mode area photonic crystal fiber 、大口径フォトニック結晶ファイバー) を用いると良い。このファイバーは、負分散のファイバーで、パルス幅を小さくするようにして、ファイバー増幅器でのパルス幅の拡大を補償するものである。

補償ファイバーの出力は、パルス幅の狭い超短パルス光となる。超短パルス光のパルス幅（時間波形をｓｅｃｈ²（ｔ／Ｔ₀）とした場合のＴ₀）は５００ｆｓ以下が好ましく、２００ｆｓ以下が更に好ましい。

非線形結晶は、補償ファイバーの出力するパルス光を入力して、第２高調波を発生させて、波長を１／２に変換する素子である。非線形結晶には、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃結晶（ＰＰＬＮ）(periodic polarized lithium niobate ）を用いることができる。ＬＭＡ−ＰＣＦのコア径は、１０μｍであるので、電力密度を向上させて変換効率を高くするためには、ＰＰＬＮへのパルス光の入射は、レンズで絞って行うと良い。

非線形結晶から出力されるパルス光を入射する高非線形光ファイバーは、スーパーコンティニュアム光を生成する光ファイバーである。この高非線形光ファイバーには、入力するパルス光の中心波長を基準に±１００ｎｍの範囲内の波長において、分散が零である非線形フォトニック結晶ファイバー（non-linear photonic crystal fiber)を用いると良い。このような高非線形フォトニック結晶ファイバーは特許文献１、３に記載されているほか、容易に入手可能である。特許文献１に定義が記載されている非線形係数は、５Ｗ^-1ｋｍ^-1以上が好ましく、１０Ｗ^-1ｋｍ^-1以上がより好ましい。また、このファイバーへの光の入射は、レンズで絞って行うと良い。さらに、使用性を向上させるために、このスーパーコンティニュアム光を生成するファイバーに、シングルモードファイバーを接続すると良い。

〔本発明に係る光源の構成〕
図１は本発明の具体的な一実施例に係るスーパーコンティニュアム光源１００の構成を示すブロック図である。図１に示すスーパーコンティニュアム光源１００は、主として、ファイバーレーザ１０、ファイバー増幅器２０、補償ファイバー３０、非線形結晶４０、スーパーコンティニュアム光を生成する高非線形光ファイバー５０とから成る。

スーパーコンティニュアム光源１００のファイバーレーザ１０には、エルビウムドープファイバを用いたリング型レーザ発振器を用いた。ファイバーレーザ１０の出力端は、半波長板（λ／２）１１、レンズ１２を介して、長さ４ｍのシングルモードファイバー（ＳＭＦ）１３に接続されている。このシングルモードファイバー（ＳＭＦ）１３の出力端は、波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）２２を介して、２ｍのエルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）２１に接続されている。ファイバー増幅器２０は、波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）２２、２３、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）２１、エルビウムの励起光である１４８０ｎｍのレーザ光を生成するレーザダイオード（ＬＤ）２４、２５、２６、偏光ビームカプラ（ＰＢＣ）２７とから成る。レーザダイオード２４、２５からの励起光は、偏光ビームカプラ（ＰＢＣ）２７で合成されて、波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）２２を介して、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）２１に入射する。したがって、この励起光と、ファイバーレーザ１０の出力するパルス光とは、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）２１内において、同一方向に進行する。また、レーザダイオード２６からの励起光は、波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）２３を介して、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）２１に入射する。したがって、この励起光と、ファイバーレーザ１０の出力するパルス光とは、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）２１内において、逆方向に進行する。

エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）２１の出力端は、波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）２３と、偏光カプラ（ＰＣ）３１と、単方向にのみパルス光を伝送させるアイソレータ３２を介して、補償ファイバー３０に接続されている。偏光カプラ（ＰＣ）３１は、パルス光の偏光方向を一方向にするためのものである。アイソレータ３２の両端は光ファイバーを直結し、補償ファイバー３０とアイソレータ３２は光ファイバーで直結する構造となっている。また、シングルモードファイバー１３の入力端から補償ファイバー３０の出力端までは、全光伝送路が光ファイバーで直結されており、レンズなどの空間伝搬部を排除した。これにより、出力されるスーパーコンティニュアム光を安定させることができる。補償ファイバー３０には、負分散のＬＭＡ−ＰＣＦを用いた。補償ファイバー３０の出力端は、レンズ３３、半波長板（λ／２）３４、レンズ４１を介して、非線形結晶４０に接続されている。ＰＰＬＮ結晶は、図２に示すように、分極の方向が光の進行方向に垂直な＋ｚ軸方向と、−ｚ軸方向で、周期的に交互に変化するＬｉＮｂＯ₃結晶で、ｚ軸方向に偏波した光をｘ軸方向に光を進行させることで、非線形効果により、波長を１／２に変換する結晶である。ｚ軸方向の偏波は、半波長板（λ／２）３４で、得ている。

この非線形結晶４０の出力端は、レンズ４２、ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４３、半波長板（λ／２）４４、レンズ４５を介して、スーパーコンティニュアム光を得る高非線形光ファバー５０に接続されている。ハイパスフィルタ（ＨＰＦ）４３は、非線形結晶４０の出力からλ／２成分帯域のパルス光を抽出するものである。高非線形光ファイバー５０には、入力するパルス光の中心波長を基準に±１００ｎｍの範囲内の波長において、分散が零である非線形フォトニック結晶ファイバー（ＮＬ−ＰＣＦ）を用いた。この光ファイバーはコアの回りに小径の中空円筒を多数配置したもので、端面では、クラッドが中空で開放されるので、端面は樹脂で封止した。高非線形フォトニック結晶ファイバー（ＮＬ−ＰＣＦ）としては、非線形性γが２１Ｗ^-1ｋｍ^-1、長さ５ｍのファイバを用いた。この高非線形光ファイバー５０の樹脂で封止された出力端は、光源の使用性を向上させるために、通常のシングルモードファイバー５１に直結されている。シングルモードファイバー５１の出力端からスーパーコンティニュアム光が出力される。
尚、シングルモードファイバー１３、エルビウムドープファイバ（ＥＤＦ）２１、補償ファイバー３０、高非線形光ファイバー５０、シングルモードファイバー５１、波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）２２、２３などの、全光伝送路に、偏波保持型のものを用いても良い。偏波保持型を用いることで、スーパーコンティニュアム光の出力を安定させることができる。

〔各ブロックにおける出力の特徴〕
図１のスーパーコンティニュアム光源１００によりスーパーコンティニュアム光を生成した。ファイバーレーザ１０からは、中心波長１５６０ｎｍ、パルス幅２６０ｆｓ、平均強度８ｍＷ、パルス周期４８ＭＨｚのパルス光が生成された。ファイバー増幅器２０では、ファイバーレーザ１０により生成されたパルス光が増幅され、補償ファイバー３０では、ファイバー増幅器２０の増幅によりやや広がったパルス幅が狭くなるように処理される。補償ファイバー３０の出力する時間波形は、図３．Ａに示す波形となり、そのスペクトルは、図３Ｂに示す特性となった。パルス幅は１４１．２ｆｓ、強度は１９０ｍＷ、スペクトルの中心波長は１５６０ｎｍ、波長帯域は１５２０ｎｍ〜１５８０ｎｍであった。

次に、非線形結晶４０の出力の自己相関波形は、図４．Ａに示す波形となり、光スペクトルアナライザで測定したスペクトルは図４．Ｂに示す特性が得られた。自己相関波形でのパルス幅は２８０ｆｓ、実際の生の時間波形でのパルス幅は、１８２ｆｓで、出力強度は６８ｍＷであった。中心波長は７７８ｎｍ、スペクトルの帯域幅は６．３ｎｍであった。

次に、スーパーコンティニュアム光を生成する高非線形光ファイバー５０の出力のスペクトルを図５に示す。可視波長領域を含む帯域４５０ｎｍ〜１４００ｎｍのスーパーコンティニュアム光が得られているのが分かる。

本発明は、可視波長領域のスペクトルを用いた分光分析などの光分析、波長多重通信などの通信のための光源として用いることかできる。

本発明の具体的な一実施例に係るスーパーコンティニュアム光源１００の構成を示すブロック図。同実施例光源で用いられた非線形結晶の構造を示した斜視図。同実施例光源の補償ファイバーから出力されるパルス光の時間波形を示した特性図。同実施例光源の補償ファイバーから出力されるパルス光のスペクトルを示した特性図。同実施例光源の非線形結晶から出力されるパルス光の自己相関波形を示した特性図。同実施例光源の非線形結晶から出力されるパルス光のスペクトルを示した特性図。実施例光源で得られたスーパーコンティニュアム光のスペクトルを示した特性図。

符号の説明

１００：スーパーコンティニュアム光源
１０：ファイバーレーザ
１３，５１：シングルモードファイバー
２１：エルビウムドープファイバー
２３ａ、２３ｂ：偏波保持シングルモードファイバ（ＳＭＦ）
２２，２３：波長分割多重カプラ（ＷＤＭ）
３２：アイソレータ
２４，２５，２６：エルビウム励起光を生成するＬＤ
３０：補償ファイバー
４０：非線形結晶
５０：高非線形光ファイバー

Claims

可視波長領域を含むスーパーコンティニュアム光を生成する光源であって、
コヒーレントなパルス光を発生させるファイバーレーザと、
前記ファイバーレーザの出力する前記パルス光を入力し、そのパルス光を増幅するファイバー増幅器と、
前記ファイバー増幅器の出力するパルス光の前記ファイバー増幅器での波長分散による時間広がりを補償して、パルス幅を狭くする負分散特性を有した補償ファイバーと、
前記補償ファイバーの出力するパルス光を入力して、そのパルス光の波長を１／２にする非線形結晶と、
前記非線形結晶の出力するパルス光を入力して、非線形光学効果により、スーパーコンティニュアム光に変換する高非線形光ファイバーと
から成るスーパーコンティニュアム光源。
前記ファイバーレーザと前記ファイバー増幅器との間には、前記ファイバーレーザの出力する前記パルス光のパルス幅を広くするシングルモードファイバーを設けたことを特徴とする請求項１に記載のスーパーコンティニュアム光源。
前記高非線形光ファイバーは、前記非線形結晶の出力するパルス光の中心波長を基準に±１００ｎｍの範囲内の波長において、分散が零であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のスーパーコンティニュアム光源。
前記非線形結晶は、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃結晶であることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載のスーパーコンティニュアム光源。
前記補償ファイバーは、負分散の大口径フォトニック結晶ファイバーであることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載のスーパーコンティニュアム光源。