JP2011142313A - 光源装置及びこれを用いた撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高速波長掃引が可能でありかつ広帯域な波長掃引範囲を持つ光源の実現が困難であった。
【解決手段】 光を増幅させる複数の増幅媒体と、光導波路と、を有する光共振器を備えた光源装置であって、前記複数の増幅媒体の増幅率を個別に制御する制御部を有し、前記複数の増幅媒体は、互いに異なる最大利得波長を有すると共に、その増幅帯域は互いにその一部が重複し、且つ、前記増幅率の制御により前記複数の増幅媒体による総合利得が最大となる波長を可変としたことを特徴とする光源装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発振波長を変化させることが可能な光源装置及びこれを用いた撮像装置に関する。

光源、特にレーザ光源については、発振波長を可変とするものが通信ネットワーク分野や検査装置の分野で種々利用されてきている。

通信ネットワーク分野では、高速な波長切替、また、検査装置の分野では高速で広帯域な波長掃引が、要望されている。

検査装置における波長可変（掃引）光源の用途としては、レーザ分光器、分散測定器、膜厚測定器、波長掃引型光トモグラフィー（ＳＳ−ＯＣＴ：Ｓｗｅｐｔ Ｓｏｕｒｃｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）装置等がある。

光トモグラフィー（以下、ＯＣＴともいう）は、低コヒーレンス光干渉を用いて検体の断層像を撮像するもので、ミクロンオーダーの空間分解能が得られることや無侵襲性等の理由から医用分野における研究が近年、盛んになってきている撮像技術である。

現在、ＯＣＴは、深さ方向の解像度を数ミクロンとし、且つ数ｍｍの深さまで断層像を得ることができ、眼科撮影、歯科撮影等に用いられている。

ＳＳ−ＯＣＴは、光源の発振波長（周波数）を時間的に掃引するもので、フーリエ領域（ＦＤ）ＯＣＴの範疇に入るが、同じくＦＤＯＣＴの範疇に入るスペクトル領域（スペクトルドメイン：ＳＤ）ＯＣＴが干渉光を分光する分光器を必要とするのに対し、分光器を用いないことから光量のロスが少なく高ＳＮ比の像取得も期待されている。

波長掃引光源を用いて医用画像撮像装置を構成する場合には、掃引速度が早いほど像取得時間を短縮でき、生体組織を生体より採取せずに生体中でそのまま観察する生体観察（所謂、 ｉｎ ｓｉｔｕ−ｉｎ ｖｉｖｏ ｉｍａｇｉｎｇ）にも好適である。

また、波長の掃引帯域が広いほど断層像の空間解像度を高めることが可能となる。

具体的には、深さ分解能は、波長掃引幅Δλ、発振波長λ０、として次の式（１）で示される。

したがって奥行き分解能を高めるためには波長掃引幅Δλの拡大が必要となる。

ＳＳ−ＯＣＴに用いる波長掃引光源としては、通信帯域にて開発されてきた分散チューニング方式によるものがある（非特許文献１）。

この分散チューニング方式では、共振器のＦＳＲ（Ｆｒｅｅ Ｓｐｅｔｒａｌ Ｒａｎｇｅ：自由スペクトル間隔）が波長依存性を持っていることを用いて、能動モード同期（アクティブモードロック）状態での発振波長を制御する。ここで、波長掃引はモードロックを生じせしめる変調信号の周波数を変化させることで行う。つまり、モードロック周波数を掃引することで、モードロック時の中心波長を掃引する。このため、高速な波長掃引のためには、変調信号の周波数を高速に変化させることが必要となる。

ＦＳＲは、共振器内を周回する光に対する共振器モードの周波数間隔を示し、真空中の光速をｃ、共振器が持つ屈折率をｎ、共振器長をＬとして、以下の式（２）で表される。

また、非特許文献１によると、分散チューニング方式では、波長掃引範囲は以下の式（３）で示される。

但しｎは共振器の屈折率、Ｄは共振器の分散パラメータ、Ｎはモードロックの次数（自然数）である。

また、これとは別に、光波長多重送信を目的として、共振器内に複数のゲイン媒質を備えた装置を構成し、複数の波長帯域で同時にパルス発振させるモード同期レーザ技術が提案されている（特許文献１）。

特開平６‐９００５０号公報

Ｙａｍａｓｈｉｔａ，ｅｔ ａｌ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐ．Ｖｏｌ．１４，ｐｐ．９２９９−９３０６（２００６）

上述した非特許文献１に開示された能動モード同期による分散チューニング方式では、波長掃引が可能なものの、原理的に掃引範囲が比較的狭い範囲に限られると共に、掃引速度が必ずしも充分ではない。また、掃引時の波長掃引刻みは、ＦＳＲが波長依存性を持つことから一定とはならず、擬似的に滑らかな掃引を得るためには、検出側での工夫が要求される。

一方、特許文献１に開示されたレーザ装置によれば、複数の波長で発振させることが可能となるが、あくまで同時刻における複数波長での発振を前提にしており、波長掃引の意図はない。

さらに、波長掃引光源は、上述したパルス光源を用いるものの他、ＣＷ光（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗａｖｅ：連続発振光）を用いるものも考え得るが、掃引範囲が広く、充分に高い掃引速度のものは得られていないのが実状である。

本発明により提供される光源装置は、光を増幅させる複数の増幅媒体と、光導波路と、を有する光共振器を備えた光源装置であって、前記複数の増幅媒体の増幅率を個別に制御する制御部を有し、前記複数の増幅媒体は、互いに異なる最大利得波長を有すると共に、その増幅帯域は互いにその一部が重複し、且つ、前記増幅率の制御により前記複数の増幅媒体による総合利得が最大となる波長を可変としたことを特徴とするものである。
本発明は、光断層撮像装置を包含する。

本発明の光断層撮像装置は、本発明の光源装置を用いた光源部と、前記光源部からの光を検体に照射し、検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、前記光源部からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、前記光検出部で検出された光に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、を有することを特徴とするものである。

本発明の光源装置においては、互いに異なる最大利得波長を有すると共に、その増幅帯域の一部が互いに重複する複数の光増幅媒体と、該複数の増幅媒体を個別に制御する制御部を備えている。そして、制御部による増幅率の制御により複数の増幅媒体の総合利得が最大となる波長を可変とする。

これより、最大利得波長の異なる複数の増幅媒体を適宜選択することにより所望の帯域幅の波長を掃引することが可能となる。そして、増幅媒体を個別の制御部で制御することから複数の増幅媒体による総合利得の最大波長を所望の速度で掃引することが可能となる。

また、本発明によるとＣＷ発振においてゲインの帯域幅のみに依存する広帯域な波長掃引が可能な光源を提供できる。また、波長掃引の刻み幅もほぼ一定にすることが可能である。

本発明の光源装置は、パルス発振の場合では安定したモードロック状態が実現可能であり波長掃引が可能である。またモードロック状態で発振波長を掃引する場合でも分散チューニング方式に見られるような波長分散による波長掃引範囲の制限をなくし、広帯域に発振波長の掃引が可能となる。

本発明の光源装置の一例を示す模式図 本発明の光源装置を構成する増幅媒体の波長と利得の関係を示すグラフ 本発明の光源装置により得られるスペクトルと総合利得との関係を示すグラフ 実施の光源装置により得られるスペクトルを利得との関係を示すグラフ 本発明の光源装置により得られるスペクトルと総合利得との関係を示すグラフ 本発明の光源装置により得られるスペクトルと総合利得との関係を示すグラフ 実施例１の光源装置を説明する模式図 実施例１のＳＯＡに注入する電流値を示すグラフ 実施例１におけるスペクトルと総合利得との関係を示すグラフ 実施例１のＳＯＡに注入する電流値を示すグラフ 実施例２におけるスペクトルと総合利得との関係を示すグラフ 実施例２の光源装置を説明する模式図 実施例２の光源装置に注入する電流値を示すグラフ 実施例２の光源装置の発振波長を示すグラフ 本発明の光源装置を用いて構成したＯＣＴ装置の模式図 光増幅媒体として希土類添加ファイバを用いた光源装置の一例を示す模式図 本発明の光源装置の別の一例を説明する模式図 本発明の光源装置の別の一例を説明する模式図

以下、図を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

図１は本発明の光源装置の一例を示す模式図である。

図１において光源１１０は、光を増幅させる複数の増幅媒体１０１、１０２及び１０３を有し、加えてこれら増幅媒体の増幅率を個別に制御する制御部１０４、１０５、及び１０６を備えている。これら光の増幅媒体は、光導波路１０９を介してカップラ１０８及びアイソレータ１０７と光学的に結合され、リング型光共振器を形成している。アイソレータはリング型光共振器内の光を一方向に周回させることで、増幅媒体内に生ずる定在波により利得（ゲイン）の空間分布が生じるのを抑制することを目的として配されている。本願発明において、光共振器はリング型光共振器に限定されるものではないが、ここではリング型光共振器を用いた例について説明する。

光の増幅媒体１０１、１０２及び１０３としては、例えば半導体光増幅器（ＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ））を用いることができる。半導体光増幅器は、基本的には半導体レーザから共振器を外し、光の増幅過程を利用するもので、共振器を構成しないように、端面での反射を抑えた構造をとっている。ここでは、光の増幅媒体として半導体光増幅器を例として説明する。

増幅媒体１０１は、利得スペクトル（利得曲線）２０１を、増幅媒体１０２は、利得スペクトル２０２を、増幅媒体１０３は、利得スペクトル２０３を各々有する。つまり、図２に示すように異なる最大利得波長（利得ピーク）を有し、且つその増幅帯域は一部が互いに重複するように構成されている。

この状態で制御部１０４乃至制御部１０６を用いて増幅媒体１０１乃至増幅媒体１０３の増幅率を個別に（例えば、周期的に）制御する。例えば、図３に示すように、増幅媒体１０１の利得スペクトル３０１を、増幅媒体１０２の利得スペクトル３０２や増幅媒体１０３の利得スペクトル３０３に対して大きく設定することで、複数の増幅媒体による総合的な利得のプロファイル（利得曲線、利得特性）は総合利得３０４のようになる。

半導体光増幅器は電流注入量の制御により、利得（増幅率）を制御できる。このことから、光を増幅する複数の増幅媒体に注入する注入電流を時間的に（周期的に）変化させることで、後述するように総合的な利得ピークを時間的に（周期的に）に変化させることができる。

本発明の光源装置は、連続発振（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ，ＣＷ）動作を行うものと、パルス発振動作によるものの両方で構成することができるが、まず、連続発振するものについて説明する。

図１に示した光源装置は連続波（ＣＷ）で発振するものである。光の損失にあまり波長依存性が無いとすると、発振波長は基本的に利得が最大となる波長に最も近い共振器モードの波長近傍にあり、図３では発振波長３０５となる。

本発明の光源装置では、複数の増幅媒体が有する最大利得波長が互いに異なり、個々の増幅媒体の利得（増幅率）を変化させることで総合利得が最大となる波長（利得ピーク）を変化させることが可能となる。

複数の増幅媒体１０１乃至１０３に関する利得（増幅率）の時間的変化について図４及び図５を参照しながら述べる。

図４において、４０１は図１における増幅媒体１０１の利得の時間変化を、４０２は増幅媒体１０２の利得の時間変化を、４０３は増幅媒体１０３の利得の時間変化をそれぞれ表わしている。

図４に示したように増幅媒体の利得を制御すると時刻４０４では、図５に示す総合利得５０１が、時刻４０５では総合利得５０２が、時刻４０６では総合利得５０３が、それぞれ得られる。

図４及び図５から理解されるように時間変化に伴い、利得４０１、利得４０２及び利得４０３は変化し、３つの利得が重畳されて得られる総合利得ピーク（最大利得波長）は、５０１、５０２、５０３へと変化する。そして、総合利得ピークの変化に従って光源装置の連続発振波長も変化する。

よって、本発明の光源装置においては、複数の増幅媒体の利得（増幅率）を個別に変化させることで、複数の増幅媒体の利得曲線を重畳して得られる総合利得を変化させ、連続発振の発振波長を時間的に変化させることが可能である。尚、図４において時間的に波長掃引する為の信号として正弦波を示したが、信号波形はこれに限るものではない。

このとき、ある瞬間における発振波長を単一に保ちながら、発振波長を時間的に掃引するためには、総合利得スペクトルの形状が単峰性を保ったまま、その最大波長（ピーク）が滑らかにシフトして行くことが好適である。そのためには各増幅媒体の利得帯域が重複することが必要である。増幅帯域が全く重ならない波長域を有する増幅媒体が存在すると、その波長域での発振波長（中心波長）は、離散的となるからである。

そして、各増幅媒体の利得帯域同士の重なりが、充分に大きいことが好ましい。

利得帯域は、隣接する増幅媒体について各々スペクトル半値幅（半値全副幅： Ｆｕｌｌ Ｗｉｄｔｈ ａｔ Ｈａｌｆ Ｍａｘｉｍｕｍ，ＦＷＨＭ）を構成する波長域が一部重複するように構成することが好ましい。

さらに、総合利得のプロファイルを単峰性とする為には個々の増幅媒体が有する利得スペクトルも単峰性であることが好ましい。

また、総合利得の最大波長（利得ピーク）を、複数の増幅媒体が持つ個々の利得スペクトルの最大値の間で任意の波長に設定できるようにする為には、複数の増幅媒体が持つ各々の利得（増幅率）及びこれらの比を任意に調整可能であることが好ましい。

本願発明において、複数の増幅媒体はこれまで３つの例を説明してきたが、複数であれば個数が特に限定されるものではない。しかし光源装置の大きさ、波長掃引の滑らかさ等を考慮すると増幅媒体の数は、一般的には２以上２０以下の範囲とされ、より好ましくは３以上１０以下、最適には３以上５以下とするのが好ましい。

ここで、総数Ｎ個の増幅媒体を用いて総合利得の最大波長（ピーク）を周期Ｔ１で掃引することを考えると、総合利得のピーク波長の変化を滑らかに行うためには隣り合う周波数帯域を増幅する各増幅媒体から光に与えられる利得のうち周期Ｔ１の成分をもつ利得の位相差Δφを２π／Ｎにしておくのが好適である。

これに加え、特に高速で波長掃引する場合には、共振器内で隣り合う増幅媒体間を光が伝搬するのに要する時間τを考慮し、隣り合う増幅媒体の駆動制御に位相差２πτ／Ｔ１を加える必要がある。但し、共振器内を光が周回するのに要する時間と比較して、波長掃引に要する時間が非常に大きい場合、もしくは増幅媒体間の距離が充分近接している場合には２πτ／Ｔ１の項を無視しても構わない。

また、波長掃引の周期は、共振器内を光が周回する周期と同期させるもしくは共振器内を光が周回（１周）する時間の整数分の１とすることも好適である。すなわちこれはフーリエドメインモードロック動作（Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｏｄｅ Ｌｏｃｋｉｇ）に相当する。

ＦＤＭＬとは、波長掃引の周期と共振器内を光が周回する周期の同期をとることで、ある時点での総合利得によって増幅された増強自然放出（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光が、共振器内を周回して再びゲイン媒質に帰還する際にもう一度同じプロファイルの総合利得を有する増幅媒質で増幅される動作形態である。

このようなＡＳＥ光の増幅動作を十分な周回数にわたって行うことで、ＡＳＥ光の強度が増幅され、結果的に高強度で且つＡＳＥスペクトルの強度が最大となる波長が高速に変化する光源を構成可能である。これがＦＤＭＬの概要である。

つまり、ＦＤＭＬでは総合利得の最大波長の変調周期を、ＡＳＥ光が光共振器内を周回する時間の整数分の１とすることが必要である。

本発明の光源でＦＤＭＬ動作を行う場合には波長可変フィルタが必要ないため、波長可変フィルタの動作速度や波長範囲に律速されることのない高速広帯域な光源の実現が可能となる。

後述するように、一般的なモードロック動作のためには総合利得が最大となる波長を時間とともに変化させる必要はない。単純に総合利得の大きさ自体を時間と共に変動させるか、あるいは光共振器内に光変調器等を設け該光変調器の透過率を変化させることで光共振器内の損失を時間的に変化させれば良い。ここで総合利得の大きさの変調周期あるいは光変調器の変調周期を光が共振器内を周回する時間の整数分の一に設定する必要がある。

これに対してＦＤＭＬでは時間と共に総合利得が最大となる波長を時間的に変動させる。そして総合利得が最大となる波長の変調周期を光が共振器内を周回する時間の整数分の一に設定する必要がある。

これがＦＤＭＬと一般的なモードロック動作の相違点である。

本発明の光源の構成では、連続発振状態において、所望の波長での発振が可能であり、また発振波長を時間的に掃引することも可能である。

また、波長掃引の周期を、共振器内を光が周回する時間と合わせることで共振器内の光に対して損失を少なく抑え高効率な光源を実現可能である。さらに複数のゲイン媒質のゲインの時間変動の位相差を制御することで滑らかな波長掃引が可能となる。

本願発明において、光増幅媒体としては、エルビウムやネオジウム等を含有する希土類添加（イオンドープ）光ファイバ、光ファイバ中に色素を添加して色素により増幅を行うもの、半導体光増幅器等を用いることができる。希土類添加光ファイバは、高利得で良好な雑音特性を得るためには好適である。色素添加光ファイバは、蛍光色素材料やそのホスト材料などを適宜選択することで波長の選択肢が増え、増幅媒体としての増幅帯域やゲインプロファイルの設定の自由度を高くすることが可能である。

半導体光増幅器は、小型で且つ高速制御が可能であり、複数の増幅媒体の増幅率（利得）を個別に制御する観点から好ましい。半導体光増幅器としては、共振器型光増幅器と進行波形光増幅器の双方を用いることができる。半導体光増幅器を構成する材料は、一般的な半導体レーザを構成する化合物半導体等を用いることができ、具体的にはＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＡｓＰ系、ＧａＡｌＳｂ系、ＧａＡｓＰ系、ＡｌＧａＡｓ系、ＧａＮ系等の化合物半導体を挙げることができる。

本願発明において、光導波路は光を伝搬させる機能を備えたものであれば、基本的に用いることができるが、外部からの影響を極力抑えるために光を閉じ込めて伝搬させる、スラブ導波路や、光ファイバを用いることが好ましい。

光を閉じ込めて伝搬させる導波路は、基本的には屈折率の高い部分（コア）と屈折率の低い部分（クラッド）を有するもので、光を比較的長距離伝搬させるためには光ファイバを用いるのが好ましい。光ファイバとしては、石英（ＳｉＯ_２）ガラスを用いたものや、プラスチックを用いたもの、石英とプラスチックの両方を用いたもの等を挙げることができる。

光ファイバの機能面に着目すると、たとえば偏波保持ファイバやシングルモードファイバが好適である。偏波保持ファイバは光導波路内で偏光状態を保持しやすいため外界からの擾乱に強く好ましい。またシングルモードファイバは低コストであり、さらに内部に複屈折をもたないことから偏波ビートなどを生じにくいという利点がある。

光導波路は、複数の増幅媒体の増幅帯域の波長に対して群速度分散が零のものを採用することもできる。

本願発明において制御部は、光増幅媒体の増幅率を個別に制御できるものであって、光増幅媒体として半導体光増幅器を用いた場合にあっては、半導体光増幅媒体に注入する電流信号を時間的に変化させることが可能な信号制御部を有するもので構成することができる。

信号制御部は、本発明の光源より実際に出射される光を例えばモニターして、出射光の波長を所望の波長となるように複数の増幅媒体の電流信号を制御し得る回路で構成することができる（制御信号を送出する手段）。

このような回路および制御を以下、より具体的に説明する。

最も単純な例では、例えばファンクションジェネレータのように任意の信号波形を発する電流源と、この信号に対して一定の位相差を加える遅延回路と、を備え、前記遅延量を夫々の増幅媒体ごとに異なる値で付与することで、増幅媒体ごとに、増幅率の変化に時間的位相差を導入するものが挙げられる。

より精密な制御のためには、発振波長をモニタする為の分光器等の分光手段を用いて発振波長を検知し、発振波長が所望の値から外れている場合には、各光増幅媒体に流す電流を変化させ、所望の中心波長で発振するように制御電流を変化させ得るものが挙げられる。

例えば、所望の発振波長に対して実際の発振波長が短波長側にずれている場合は、総合ゲインのピークがより長波長側に移動するように、各増幅媒体に流す電流値をコントロールすればよい。また、現在の発振波長よりも長波長側にゲインの最大波長を持つ光増幅媒体に流す電流を増大し、逆に現在の発振波長よりも短波長側にゲインの最大波長を持つ光増幅媒体に流す電流を減少させることで、総合ゲインを長波長側にシフトさせる制御を行えばよい。

このようなフィードバック制御を含まない場合でも、各光増幅媒体に流す電流値と、それに伴う総合ゲインのスペクトル情報、更にその総合ゲインにおける発振波長の対応関係をテーブルとして保持しておくことにより、発振波長の制御はこのテーブルから適宜所望のデータを読み出すことで可能となる。

次にパルス発振動作の光源について述べる。

本発明の光源装置ではモードロック（モード同期、位相同期）状態のパルス発振であっても発振波長は可変である。モードロックとは、同時発振している多数の縦モードの位相を同期させることである。不均一な広がりをもつレーザ発振の場合、多数の周波数で同時に発振が生ずる（共振器モード）。この時、各周波数の位相は一致しておらず時間的に変動する（各モードの干渉の結果、出力も変動してしまう）。モードロックによるとピークパワーが大きく、パルス幅が非常に狭いパルスが得られる。

モードロックは能動的モードロック（Ａｃｔｉｖｅ Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋ）と受動的モードロック（Ｐａｓｓｉｖｅ Ｍｏｄｅ−Ｌｏｃｋ）に大別される。

図６は能動的モードロックを用いた光源装置の一例を示す模式図であり、図１の共振器内に光変調器６１１を組み込んだ例である。

能動的モードロック（モード同期）とは、共振器内に光変調器を組込み、光変調器に電気信号を与えて各モードの同期をとる手法である。この手法では複数のモードを同時に励振（縦多モード発振）させ、これらの位相関係を一定にするときにレーザが高周波パルス発振動作をする。

縦多モード発振及びモード間の位相関係確定のために、典型的にはレーザの光学系内に非線形性を持たせ、かつ何らかの光変調器を導入する。

光変調器としては、電気光学効果を利用するもの、音響（または超音波）光学効果を利用するもの、半導体の電界吸収効果を用いたもの等を利用することができる。パルスの安定駆動のために例えば、過飽和吸収体ミラーなどを用いることもできる。更には、新たに光変調器を設けるのではなく、光増幅媒体（例えば、ＳＯＡ）自体に印加する増幅率制御信号に、本来、光変調器で制御する信号を重畳しても良い。

例えば、光変調器が透過率制御型の光変調器である場合、光変調器で高周波に透過率を変動させることで、初めに励振された共振器モードの低周波側及び高周波側にサイドバンドを励振する。光変調器から印加される周波数をω’とするとき、サイドバンドは初めに励振された共振器モードの周波数をω０とするときω０±ω’の周波数に励振される。

このときω’が共振器モード間隔またはその整数倍に等しいとすると、前記サイドバンドがω０の隣の共振器モードを励振する。このように共振器モード同士が互いにサイドバンドを通して励起しあい、縦多モード発振が可能となる。

つまり、光変調器を駆動する周波数は、リング共振器が有するフリースペクトラルレンジの整数倍に等しくする必要がある。

この場合、以下の式（４）が成り立つ。
Ｆ＝ｃ／ｎＬ 式（４）
ここで、Ｆはフリースペクトラルレンジ、ｃは真空中の光速、ｎはリング共振器内を伝搬する光に対する屈折率、Ｌはリング共振器の周回長をそれぞれ表わす。

また共振器内にゲイン媒質や非線形媒質、もしくは光変調器そのものなどが持つ非線形性を導入することでモード間相互作用が生じ、モード間の位相関係が決まる。その結果、レーザはパルス列を発振し出力するようになる。

したがって能動的モードロックを掛ける際に、共振器モード間隔が周波数依存性を持たないかもしくは周波数依存性が非常に小さければ、上述の機構によりゲインの帯域内にある殆ど全ての共振器モードを励振させ、モード同期をかけることも可能である。

また別の様態として、総合利得のスペクトル形状を変化させる場合においても、生成し得る総合利得の波長帯域内においてリング共振器のＦＳＲの波長依存性が小さければ、総合利得が変化してもモード同期の為の変調周波数は変わらない。上述の光変調器の変調周波数を変えることなくモード同期状態を保てる。つまり光変調器の駆動周波数を固定したままゲインプロファイルを変えればモード同期状態のまま発振波長の変化や掃引が可能である。

例えば、リング共振器の長さを〜２００ｍ、屈折率を〜１．５とすると、リング共振器の光学的周回長は３００ｍ程度になるため、この中を伝搬する光は〜１ＭＨｚで共振器内を周回することになる。従って、この共振器の共振器モード間隔（自由スペクトル間隔：ＦＳＲ）も〜１ＭＨｚとなる。そこで光変調器の駆動周波数を１ＭＨｚもしくはこの整数倍に設定するとモードロック（同期）をかけることが可能である。この状態では光変調器の駆動周波数と等しい、つまり繰り返し周波数１ＭＨｚもしくはその整数倍パルス列が発生する。

モードロック（同期）発振における発振波長の中心も基本的に利得（ゲイン）が最大の波長帯域であるので、発振波長は総合利得（ゲイン）が最大となる波長の近傍となる。

つまり、前述のＣＷ発振の場合と同様に、複数の増幅媒体の増幅率を個別に制御する制御部（制御駆動部）の制御により総合利得を例えば、図３のように設定すると、モードロック発振における中心周波数も総合利得が最大となる発振波長３０５近傍に設定できる。

また、前述の様に、前記複数の増幅媒体が有する最大利得波長が互いに異なることにより、複数の光の増幅媒体の個々の増幅率を変化させることで総合利得が最大となる波長を変化し得る。その結果、発振波長も可変である。

そして、前述と同様に総合利得を時間的に変化させて、モードロック（同期）状態での発振波長を時間的に掃引することも可能となる。

Ｎ個の増幅媒体を用いて総合利得の最大波長を周期Ｔ１で掃引する場合、総合利得のピーク波長の変化を滑らかに行うためには、隣り合う周波数帯域を増幅する各増幅媒体から光に与えられる利得（ゲイン）の周期Ｔ１の成分をもつゲインの位相差を２π／Ｎにしておくことが好適である。

また、特に高速に波長掃引する場合には共振器内で隣り合うゲイン媒質間を光が伝搬するのに要する時間τを考慮し、隣りあう増幅媒体の駆動には、位相差２πτ／Ｔ１を加えることが有用である。但し、共振器内を光が周回するのに要する時間と比較して、波長掃引に要する時間が非常に大きい場合、もしくはゲイン媒質間の距離が充分近接している場合には前述の２πτ／Ｔ１の項を無視しても構わない。

また、上記波長掃引の周期は、共振器内を光が周回する周期と同期させるか、もしくは共振器内を光が周回する時間の整数分の１とすることも好適である。これらの同期をとることで、ある時点での総合利得によって増幅された光が、共振器内を周回して再び増幅媒体に帰還する際に、再度、同じプロファイルの総合利得で増幅されるため、高速な波長掃引を行う際にも光に対する損失を抑制することが可能となる。

本発明の光源装置において、光共振器が発振波長帯域付近で波長分散が小さい、もしくは実質的に０である場合には、基本的に共振器モードの周波数間隔は等間隔になるため、非特許文献１にある分散チューニング方式と比較してゲイン帯域内のより広い波長域で、共振器モードを励振し、モードロックをかけることが可能となる。

この場合、モードロックを行い得るモード数を大きくすることができ、このことはモードロック状態の安定性に寄与する。

さらに、総合利得を変化させた場合の発振波長の最小シフト量はＦＳＲに等しいが、本発明の光源装置では上述の様に光共振器が発振波長帯域付近で波長分散が小さいもしくは実質的に０である場合、ＦＳＲに波長依存性がないので、中心波長の掃引幅が一定になり、このような特性はＯＣＴ光源として用いる場合に好適である。

パルス動作を安定化させる手法としては、共振器内に可飽和吸収体を組み入れる手法を採用し得る。可飽和吸収体としては、非線形効果をもつもので弱い光を吸収してこれを弱め、強い光はわずかしか吸収しない特性を有するものを利用でき、例として可飽和色素や量子ドットを用いた素子を挙げることができる。

なお、モードロック状態を得る手法は、これらに限定されるものではない。例えば、能動的モードロックについて上述した光変調器に印加するモードロックを得るための高周波の駆動信号を、複数の増幅帯域を持つ増幅媒体に印加する制御信号に重畳して印加しても良い。このような増幅媒体（増幅器）と光変調器を兼ねた構成は、光学系を簡略化するという観点から好ましい。

増幅媒体が光変調器を兼ねる構成においては、モードロックのために光増幅媒体に印加する変調信号に対して、隣り合って配置された光増幅媒体の間をパルスが伝搬する時間τを考慮して位相差をつけることも好適である。モードロックのために光増幅器に印加する高周波信号の周期をＴ２とするとき、隣り合って配置される光増幅器間に与える信号成分の位相差は以下の式で表される。
Δφ＝２π×τ／Ｔ２
この位相差の付与により、パルスが各光変調器を透過するタイミングと光変調器の増幅率の時間変化を夫々の光変調器において同期することが可能であり、共振器内の光に対してロス少なく、高効率にモードロック発振させる環境を構築できる。

光共振器をリング型共振器で構成する場合、共振器長は、特にパルス発振の場合に関して、共振器内のパルスの波束一つ分以上の長さとするのが好ましい。例えば屈折率１．５の導波路でリング型光共振器を構成し、この系で１ＧＨｚの変調を与えてモードロックを発現させる場合、パルスの波束は２０ｃｍ程度となるため、これ以上の長さの共振器長を有することが好適である。

本発明の光源装置は、ＣＷ発振の場合でもモードロック発振の場合においても、個々の光増幅媒体はリング型光共振器内において、なるべく近接して配置することが高速波長掃引を行う観点から好適である。

また、本発明の光源装置を構成する複数の光増幅媒体が有する利得（増幅率）やそのプロファイルに相違がある場合には、これに応じて各光増幅媒体を駆動する信号（増幅電流）の大きさや時間関数を適宜制御することで、波長掃引を行うことができる。

以上、光増幅媒体としてＳＯＡを用いた例について説明した。

次に光増幅媒体として希土類添加（希土類イオンドープ）光ファイバを用いる例について図１６を参照しながら説明する。

図１６において、光増幅媒体は希土類添加ファイバ１６０１乃至１６０３であり、各希土類添加ファイバに対して励起光源１６１２乃至１６１４が光学的に接続されている。そして各光増幅媒体が持つ、ゲインが最大となる波長は異なる。

前述の半導体光増幅器の場合と同様に、各光増幅媒体のゲインをあわせた総合ゲインが発生する。そしてこの総合ゲインのプロファイルを各光増幅媒体のゲインを変化させるためには、図中の励起光源１６１２乃至１６１４から希土類添加ファイバ１６０１乃至１６０３に導入される励起光の強度を変化させることで、各希土類添加ファイバがもつ増幅率を変化させれば良い。また前記励起光源の発光強度はこれらを制御する制御駆動部１６０４乃至１６０６からの駆動信号により制御する。

以上の説明では、光共振器としてリング型光共振器を例に挙げて説明した。本発明においける光共振器としては、リング型以外にリニア型の光共振器を採用することも可能である。

リニア型光共振器の場合、リング型と同じ共振器長にするためには光導波路の物理的な長さが半分で済む、アイソレータが不要等の理由から、安価な光源構成が可能であり、また、装置の小型化にも有利である。

以下、具体的な実施例を挙げて本発明を説明する。

（波長可変光源のＣＷ、パルス光源）
本実施例では所定の波長に発振波長を設定できる光源について説明する。

図７に本実施例の光源装置の模式図を示す。図７においては、増幅器７０１、増幅器７０２、増幅器７０３が直列に接続され、これに長さ２００ｍの偏波保持ファイバ７０４が接続されている。ファイバ７０４の屈折率は波長１０５０ｎｍ近傍で、約１．５である。

偏波保持ファイバ７０４は、分割比９：１のカップラ７１０を介して電気光学素子で構成された光変調器７０８に接続され、光変調器７０８は、アイソレータ７１１を介して偏波コントローラ７１２に接続されている。そして、偏波コントローラ７１２が増幅器７０１に接続されることで、リング型共振器７０９を構成している。尚、図７において各部材の接続には、７０４と同様の偏光保持ファイバが用いられている。

本実施例の説明では増幅器７０１、７０２、７０３として利得の中心波長が１０５０ｎｍ近傍にあるＳＯＡ（Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）を用いる。

増幅器７０１、７０２、７０３には、それぞれこれらを駆動する制御部７０５、７０６、７０７が接続されている。各制御部は直流電源及び温度調整機構を含むものである。

カップラ７１０からリング共振器７０９外に光が取り出されるが、取り出された光は、分割比１：１のカップラ７１３で分割され、一方が光出力として利用され、他方は、分光器７１４と光検出器（フォトダイオード）７１５に導入される。

分光器７１４及び光検出器７１５から得られる信号は、光制御信号生成部７１６に入力され、この入力信号に基づいて該信号生成部７１６で、制御部７０５、制御部７０６、制御部７０７及び光変調器７０８の制御信号が生成される。つまり、カップラ７１３より出力される光信号は、分光器７１４、光検出器７１５及び光制御信号生成部７１６を用いてモニタリングされ、フィードバック制御される。

ＳＯＡの増幅率を制御する制御部７０５、７０６、７０７より、図８に示す時間的に強度一定の電流信号８０１、８０２及び８０３を与える。電流信号８０１は３０ｍＡ、電流信号８０２は４０ｍＡ、電流信号８０３は１００ｍＡである。

このとき増幅器７０１、７０２、７０３各々の利得は、図９に示した利得スペクトル９０１、９０２、９０３になる。利得はそれぞれ３ｄＢ、１０ｄＢ，２０ｄＢである。最大利得波長（増幅率最大の波長）は、夫々１０３０ｎｍ、１０５０ｎｍ、１０７０ｎｍ近辺である。その結果、増幅器７０１、７０２、及び７０３によって総合利得９０４が生じる。

これにより、リング共振器内部に１００ｍＷ程度の光が発生する。

また、図８に示すようにＳＯＡに注入する電流が定常的（一定）である場合、光変調器７０８を常に透過率最大の状態にしておくことで、リング共振器７０９ではＣＷ発振が生じ、取り出される光の強度は〜５ｍＷ、発振波長は〜１０７０ｎｍとなる。

一方、制御部７０５、７０６、７０７により増幅器７０１、７０２、７０３に注入される電流を図１０に示すようにすると、各利得スペクトルは、図１１に示した１１０１、１１０２、１１０３となり、総合利得１１０４が得られる。総合利得が変化したことによりＣＷの発振波長は〜１０３０ｎｍになる。

このように、各ＳＯＡに注入する電流を制御し、複数のＳＯＡ全体で作る総合利得を制御することで、利得の帯域内の所望の波長でＣＷレーザを発振させることができる。

また、光変調器７０８の透過率を０％にした状態では分光器７１４に到達する光のスペクトルは増幅器７０１、７０２、７０３が有するＡＳＥ（増強自然放出：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）のスペクトルを示す。このＡＳＥ光のスペクトルから、総合利得のスペクトルの推測が可能である。特に光学系の損失が小さい場合、もしくは損失の波長依存性が小さい場合にはＡＳＥスペクトルが、ほぼ総合利得のスペクトル形状を反映していると考えてよい。したがって、ＡＳＥのスペクトルを観察しながらその時点での総合ゲインのスペクトルをモニターすることが可能である。さらに得られた総合利得のスペクトル情報を元に、光制御信号生成部７１６より制御部７０５、７０６、７０７に対して制御信号を与え、総合利得のスペクトルを所望の形状にすることも可能である。

また、別の形態として以下のものも採用し得る。

例えば、制御部７０５、制御部７０６、制御部７０７から増幅器７０１、増幅器７０２、増幅器７０３に注入する電流を図８の状態にしておく。ここで光変調器に高周波信号を与える。偏波保存ファイバを含むリング共振器の長さは〜２００ｍ、屈折率を〜１．５である。ＦＳＲは１ＭＨｚ程度である。モードロック周波数として光変調器の駆動周波数をＦＳＲの１０００倍の１ＧＨｚに設定することで能動モード同期が掛る。この状態では繰り返し周波数１ＧＨｚのパルス列が発生し、発振の中心波長は〜１０７０ｎｍである。

このときモード同期に寄与している共振器モードは図９にある総合利得９０４の帯域内にあるものである。

この状態において、前記制御部７０５、７０６及び７０７から注入する電流のバランスを図１０の電流信号１００１乃至１００３のように設定すれば、総合的な利得は図１１の総合利得１１０４になる。そしてパルス発振の中心波長は１０３０ｎｍに設定することが可能である。

また、光変調器の機能を光増幅器（光増幅媒体）自身に持たせても良い。つまり、上述の例ではＳＯＡの駆動信号は時間的に一定であり、総合的なゲインプロファイルを決めるためのものであったが、この信号にモードロックをかけるための高周波信号を重畳しても良い。つまり光変調器を用いる代わりに、ＳＯＡの増幅率を高周波で高速に変調することでモードロックをかけることも可能である。

なお上記の説明では光学系を構成する導波路として偏波保持ファイバを用いたが、これに限るものではない。たとえばシングルモードファイバでも良い。注目波長帯域で屈折率の波長分散が少ないことが好適である。例えば空中や真空中を光を伝搬させる光学系でも良い。または分散補償器や分散補償ファイバ等を導入して共振器内の波長分散を打ち消しても良い。共振器長はパルス波束以上の長さを設定することが好適である。本実施例であれば２０ｃｍ以上である。

本実施例ではＳＯＡの発光帯域として１０５０ｎｍ帯を示したが、本発明はこれに限るものではなく、例えば１．５５ミクロン帯や１．３ミクロン帯、８４０ｎｍ帯等の発光も可能である。

１．５５ミクロンや１．３ミクロン帯であればＩｎＧａＡｓ系、ＩｎＡｓＰ系やＧａＡｓＳｂ系等の材料が採用可能である。

１．０ミクロン帯であれば同じくＩｎＧａＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系などの材料が採用可能である。また８４０ｎｍ帯であればＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＰ系、ＡｌＧａＡｓ系などが可能である。

ここでは、増幅媒体としてＳＯＡを用いたものを示したが、増幅媒体としてはエルビウムやネオジム等を含む希土類ドープファイバ増幅器等を用いても良い。

本実施例の光源では、所望の波長に発振の中心波長を設定できる連続発振光源やパルス発振光源を実現できる。また分散を少なく抑えることで安定なモードロック状態を実現できる。また、波長掃引範囲が各増幅媒体の有する利得帯域に依存して決定されるので、増幅媒体の種類と数を考慮することで、広帯域な設定範囲が可能となる。

本実施例の他の形態としては、上記のリング型光共振器に代えて、図１７に示すようなリニア型の光共振器を採用してもよい。

図１７において、増幅器１７０１、増幅器１７０２、増幅器１７０３はそれぞれ制御部１７１４、制御部１７１５、制御部１７１６を通して光制御信号生成部１７１３により制御される。

リニア型共振器１７０５は、前記光増幅器の他に光変調器１７０６、カップラ１７０７、ファイバ１７０４、ミラー終端ファイバ１７０８、ミラー終端ファイバ１７０９を備えて構成される。ファイバ１７０４は偏波保持ファイバであっても良いしシングルモードファイバであっても良い。各光増幅器と偏波保持ファイバを設ける位置は、ここに示したものに限られるものではなく、両者が入れ替わってもよい。また、各増幅器同士は互いに近接して光学的に接続されていることも好適である。カップラ１７０７より取り出される光はカップラ１７１０を通してその一部を分光器１７１１、およびフォトディテクタ１７１２へ分岐する。分光器１７１１、フォトディテクタ１７１２から得られるスペクトル情報をもとに光制御信号生成部が制御信号を発生することでゲインスペクトルが所望の特性に設定される。

（波長掃引光源のＣＷ、パルス光源）
本実施例では時間的に発振波長を掃引できる光源について説明する。

図１２に本実施例の光源装置の模式図を示す。図１２においては、増幅器１２０１、増幅器１２０２、増幅器１２０３が直列に接続され、これに偏波保持ファイバ１２０４が接続されている。各増幅器の間隔は２ｍで、偏波保持ファイバ１２０４の長さは２００ｍである。

ファイバ１２０４の屈折率は１０５０ｎｍ近傍で約１．５である。

偏波保持ファイバ１２０４は、分割比９：１のカップラ１２１０を介して電気光学素子で構成された光変調器１２０８に接続され、光変調器１２０８は、アイソレータ１２１１を介して偏波コントローラ１２１２に接続されている。そして、偏波コントローラ１２１２が増幅器１２０１に接続されることで、リング型共振器１２０９を構成している。尚、図１２において各部材の接続には、１２０４と同様の偏光保持ファイバが用いられている。

本実施例の説明では増幅器１２０１、１２０２、１２０３として利得波長が１０５０ｎｍ近傍にあるＳＯＡを用いる。増幅器１２０１、１２０２、１２０３には、それぞれこれらを駆動する制御部１２０５、制御部１２０６、制御部１２０７が接続されている。

本実施例ではＣＷ動作およびパルス動作を説明するが、光変調器１２０８はＣＷ動作の場合は必ずしも必要ない。

カップラ１２１０からリング共振器１２０９外に光が取り出されるが、取り出された光は、分割比１：１のカップラ１２１３で分割され、一方が光出力として利用され、他方は、分光器１２１４と光検出器（フォトダイオード）１２１５に導入される。

分光器１２１４及び光検出器１２１５から得られる信号は、光制御信号生成部１２１６に入力され、この入力信号に基づいて該信号生成部１２１６で、制御部１２０５、制御部１２０６、制御部１２０７及び光変調器１２０８の制御信号が生成される。つまり、カップラ１２１３より出力される光信号は、分光器１２１４、光検出器１２１５及び光制御信号生成部１２１６を用いてモニタリングされ、フィードバック制御される。

ＳＯＡの増幅率を制御する制御部１２０５、１２０６、１２０７より、図１３に示す電流１３０１、１３０２、１３０３を設定することで、増幅器１２０１、１２０２及び１２０３各々の利得（増幅率）が時間的に振動する。この振動周期は波長掃引周期に相当する。

本実施例では１ｋＨｚで波長掃引するものとする。共振器１２０９内を光が周回する時間は約１μｓｅｃあることから、波長掃引速度は共振器内を光が周回する時間と比較して充分長い。このため、各増幅媒体間を光が伝搬する時間を無視し、増幅器１２０１、１２０２及び１２０３で与える利得の時間的な位相差はそれぞれ２／３πずつで良い。各増幅器１２０１、１２０２、１２０３の増幅率が最大となる波長は１０３０ｎｍ、１０５０ｎｍ、１０７０ｎｍ近辺である。そして、複数の増幅器から作られる総合的な利得の最大波長は、図１４に示した発振波長１４０１のように時間変動する。

これによりリング共振器１２０９内には１００ｍＷ程度の光が発生する。また、図１３に示すようにＳＯＡに注入される電流を時間的に変動させ、光変調器１２０８を常に透過率最大の状態にしておくとリング共振器１２０９ではＣＷ発振が生じ、その発振波長は１０３０ｎｍ〜１０７０ｎｍの範囲で掃引されるようになる。

このように、各ＳＯＡに注入する電流を制御し、複数のＳＯＡ全体で作る総合的な利得（ゲイン）を時間的に変動するように制御することで、利得の帯域内でＣＷ光のレーザ発振波長を掃引することが可能となる。

また、光変調器１２０８の透過率を０％にした状態では分光器１２１４に到達する光のスペクトルは増幅器１２０１、１２０２、１２０３が有するＡＳＥ光（増強自然放出光）のスペクトルを示す。このＡＳＥ光のスペクトルから、総合利得のスペクトルの推測が可能である。特に光学系の損失が小さい場合、もしくは損失の波長依存性が小さい場合にはＡＳＥスペクトルが、ほぼ総合利得のスペクトル形状を反映していると考えてよい。したがって、ＡＳＥのスペクトルを観察しながらその時点での総合利得のスペクトルをモニターすることが可能である。さらに得られた総合利得のスペクトル情報を元に、光制御信号生成部１２１６より制御部１２０５、１２０６、１２０７に対して制御信号を与え、総合利得のスペクトルを所望の形状にすることも可能である。

また、本実施例の構成にて、総合利得が最大となる波長を時間的に変化させる際にその周期を光が共振器内を周回する時間と一致させる、あるいは整数分の一に設定することも好適である。この場合、強度が最大となる波長が時間と共に変化するＡＳＥ光が光共振器内を周回するにつれて増幅される、フーリエドメインモードロック動作が実現する。

本構成では光が共振器内を周回する速度が１μｓなので、上記総合利得が最大となる波長も１μｓあるいはその整数分の一で変化させれば良い。

また、各増幅媒体間の間隔は２ｍなので、偏波保持ファイバの屈折率を１．５とすると、各増幅媒体間を光が伝搬する時間は１０ｎｓであり、増幅器１２０１、１２０２及び１２０３で与える利得の時間的な位相差はそれぞれ２／３π＋２π×１０^−８／１０^−６ずつで良い。

このような駆動を行うことで、周期１μｓで中心波長が変化するＦＤＭＬ光源を構成可能である。

また、別の形態として以下のものも採用可能である。

例えば、制御部１２０５、１２０６、１２０７を用いて、増幅媒体１２０１、１２０２、１２０３に注入される電流が図１３に示した電流１３０１、１３０２、１３０３に各々なるように制御する。ここで、電流１３０１、１３０２、１３０３は各々位相がずれたサインカーブ（曲線）示している。このように各増幅媒体に注入される電流を時間的に変化させることで、これらの増幅媒体によって得られる総合利得が変化する。

ここで光変調器１２０８に高周波信号を与える。偏波保存ファイバ１２０４を含むリング共振器の長さを〜２００ｍ、屈折率を〜１．５とすると、リング共振器の光学的周回長は３００ｍ程度となる。よって、この中を伝搬する光は〜１ＭＨｚで共振器内を周回することになる。従ってこの共振器のＦＳＲも〜１ＭＨｚとなる。そこで光変調器の駆動周波数を１ＭＨｚもしくはこの整数倍に設定することでモードロック（同期）が得られる。

そこで本実施例ではモードロックをかけるために１ＧＨｚの高周波信号を光変調器１２０８に印加する。これによりリング共振器内には１０００の光パルスの山を同時に周回させる。したがってこの状態では繰り返し周波数１ＧＨｚのパルス列が発生し、且つ総合利得の最大波長が時間と共に変化するためモードロックのかかる波長域が時間的に変化する。これにより、発振の中心波長を１０３０ｎｍから１０７０ｎｍの範囲で掃引できる。

波長掃引周波数を１ＭＨｚとすると、各増幅媒体間の距離が２ｍ、光学距離にして３ｍなので、光がこの間を伝搬するのに要する時間は１０ｎｓである。このことを考慮して、１ＭＨｚの波長掃引信号に補正信号を加える。つまり、各増幅媒体同士に印加する信号成分の位相差を本実施例の場合２／３π＋２π×１０^−２に設定するのが好ましい。

また、光変調器の機能をＳＯＡ（光増幅媒体）に持たせても良い。上述の例ではＳＯＡの駆動信号は時間的に変化するののこれは波長掃引の為の信号であり、且つ総合的なゲインプロファイルを決めるためのものであった。しかし、この信号にモードロックをかけるための高周波信号を重畳しても良い。つまり光変調器を用いる代わりに、ＳＯＡの増幅率を高周波で高速に変調することでモードロックをかけることも可能である。

その場合、共振器内で隣り合って配置されるゲイン媒質に印加するモードロックの為の高周波信号の位相差は、上述と同様に伝搬距離が１０ｎｓであるとした場合、モードロックを１ＧＨｚの高周波信号で印加する場合の位相差は２π×１０に設定すればよい。

本実施例の説明では光学系を構成する光導波路に偏波保持ファイバを用いたが、光導波路はこれに限るものではない。たとえばシングルモードファイバでも良い。注目波長帯域で屈折率の波長分散が少ないことが好適である。分散補償器や分散補償ファイバ等を導入して共振器内の波長分散を打ち消しても良いし、原理的には、空中や真空中を光を伝搬させる光学系も採用し得る。

波長分散がない場合もしくは非常に小さい場合には、波長掃引中においても中心波長が変化したことによるＦＳＲの変化は無視できるほど小さくなる。このため、モードロック誘起の為の光変調器もしくはＳＯＡに印加する高周波信号の駆動周波数を変化させる必要が無く光源装置構成が簡易なものとなり好適である。
共振器長はパルス波束以上の長さを設定することが好適である。

本実施例の光源では、発振の中心波長を時間的に高速掃引できる連続発振光源、もしくはパルス発振光源を実現できる。また分散を少なく抑えることで安定なモードロック状態を実現できる。波長掃引範囲が各増幅媒体の有する利得帯域に依存して決定されるので、増幅媒体の種類と数を考慮することで、広帯域な設定範囲が可能となる。

本実施例の他の形態としては、光共振器を上記のリング型共振器に代えて、たとえば図１８に示すようなリニア型の光共振器を採用した例が挙げられる。

図１８において、増幅器１８０１、増幅器１８０２、増幅器１８０３はそれぞれ制御部１８１４、制御部１８１５、制御部１８１６を通して光制御信号生成部１８１３から制御される。

リニア型共振器１８０５は前記光増幅器の他に光変調器１８０６、カップラ１８０７、ファイバ１８０４、ミラー終端ファイバ１８０８、ミラー終端ファイバ１８０９で構成される。ファイバ１８０４は偏波保持ファイバでもよいしシングルモードファイバでもよい。

カップラ１８０７から取りだされる光はカップラ１８１０を通してその一部を分光器１８１１、およびフォトディテクタ１８１２へ分岐する。分光器１８１１、フォトディテクタ１８１２から得られるスペクトル情報をもとに光制御信号生成部が制御信号を発生することでゲインスペクトルを所望の特性に設定する。

本発明の光源を用いた光断層画像撮像装置（ＯＣＴ装置）の実施例を示す。

図１５は本実施例のＯＣＴ装置の模式図である。図１５のＯＣＴ装置は、基本的には光源部（１５０１等）、光源部からの光を検体に照射し、検体部からの反射光を伝達させる検体測定部（１５０７等）、光を参照ミラーに照射し、参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部（１５０２等）、２つの反射光を干渉させる干渉部（１５０３）、干渉部により得られた干渉光を検出する光検出部（１５０９等）、光検出部で検出された光に基づいて画像処理を行う（断層像を得る）画像処理部（１５１１）で構成されている。以下、各構成要素を説明する。

光源部は、波長可変光源１５０１と該波長可変光源を制御する光源制御部１５１２を有して構成され、波長可変光源１５０１は光照射用の光ファイバ１５１０を介して干渉部を構成するファイバカップラ１５０３に接続されている。

反射ミラー１５０４は、参照光光路用ファイバ１５０２に接続されて参照部を構成し、ファイバ１５０２は、ファイバカップラ１５０３に接続されている。

検査光光路用１５０５ファイバ、照射集光光学系１５０６、照射位置走査用ミラー１５０７により測定部が構成され、検査光光路用１５０５ファイバは、ファイバカップラ１５０３に接続されている。ファイバカップラ１５０３では、検査物体１５１４の内部及び表面から発生した後方散乱光と、参照部からの戻り光とが干渉して干渉光となる。

光検出部は、受光用ファイバ１５０８とフォトディテクタ１５０９で構成され、ファイバカップラ１５０３で生ずる干渉光をフォトディテクタ１５０９に導く。

フォトディテクタ１５０９で受光された光は信号処理装置１５１１にてスペクトル信号に変換され、さらにフーリエ変換を施すことで被験物体の奥行き情報を取得する。取得された奥行き情報は画像出力モニター１５１３に断層画像として表示される。

ここで、信号処理装置１５１１は、パーソナルコンピュータ等で構成することができ、画像出力モニター１５１３は、パーソナルコンピュータの表示画面等で構成できる。

本実施例で特徴的なのは光源部であり、波長可変光源１５０１は光源制御装置１５１２によりその発振波長や強度及びその時間変化が制御される。

光源制御装置１５１２は、照射位置走査用ミラー１５０７の駆動信号等をも制御する信号処理装置１５１１に接続され、走査用ミラー１５０７の駆動と同期して波長可変光源１５０１が制御される。

例えば、実施例２で説明した光源装置を本実施例の波長可変光源１５０１として用いると、この光源装置は高速広帯域に波長掃引が可能であるため、高速に且つ奥行き分解能が高解像な断層画像情報を取得可能である。このＯＣＴ装置は、眼科、歯科、皮膚科等における断層画像撮影に有用である。

本発明の光源装置は、通信ネットワーク分野、検査装置の分野等、波長可変光源を適用し得る分野で利用できる。

１０１，１０２，１０３，６０１，６０１，６０３，７０１，７０２，７０３，１２０１，１２０２，１２０３ 光の増幅媒体
１０９，６０９ 導波路
７０９，１２０９ リング共振器
１０４，１０５，１０６，６０４，６０５，６０６，７０５，７０６，７０７，１２０５，１２０６，１２０７ 制御部

Claims (23)

1. 光を増幅させる複数の増幅媒体と、光導波路と、を有する光共振器を備えた光源装置であって、前記複数の増幅媒体の増幅率を個別に制御する制御部を有し、前記複数の増幅媒体は、互いに異なる最大利得波長を有すると共に、その増幅帯域は互いにその一部が重複し、且つ、前記増幅率の制御により前記複数の増幅媒体による総合利得が最大となる波長を可変としたことを特徴とする光源装置。
2. 前記複数の増幅媒体の増幅率を時間的に周期的に変動させることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記複数の増幅媒体による総合利得の大きさを時間的に周期的に変動させることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記複数の増幅媒体による総合利得が最大となる波長を時間的に周期的に変動させることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
5. 前記光共振器はリング型光共振器からなる請求項１に記載の光源装置。
6. 前記光共振器はリニア型光共振器からなる請求項１に記載の光源装置。
7. 前記周期は、前記リング型光共振器内を周回する波長の光が該リング型光共振器内を１周するのに要する時間の整数分の１であることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
8. 前記複数の増幅媒体のうち隣り合う増幅帯域を有する増幅媒体の増幅率の時間変化のうち周期Ｔ１を有する信号成分の位相差Δφが、前記増幅媒体の総数をＮ、前記リング型光共振器内を周回する光が該隣り合う増幅媒体間を伝搬する時間をτ、Ｔ１を波長掃引の周期とする時に以下の式を満たすことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
   Δφ＝２π／Ｎ＋２π×τ／Ｔ１
9. 前記増幅媒体は、半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
10. 前記半導体光増幅器は、ＩｎＧａＡｓ系、ＧａＡｓＳｂ系、ＩｎＡｓＰ系、ＧａＡｓＰ系、ＩｎＧａＰ系、及びＡｌＧａＡｓ系の材料の中から選択された材料を用いたものであることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
11. 前記増幅媒体は、希土類イオンがドープされた光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
12. 前記増幅媒体は、蛍光色素であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
13. 前記光導波路が、偏波保持ファイバで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
14. 前記光導波路が、シングルモードファイバで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
15. 前記リング型光共振器が、光変調器を有していることを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
16. 前記光変調器を駆動する周波数は、前記リング型光共振器が有するフリースペクトラルレンジの整数倍に等しいことを特徴とする請求項１５に記載の光源装置。
17. 前記光変調器が、前記増幅媒体を兼ねていることを特徴とする請求項１５に記載の光源装置。
18. 前記複数の増幅媒体のうち隣り合って配置された該増幅媒体に印加する高周波信号の周期をＴ２とし、前記リング型光共振器内を周回する光が該隣り合う増幅媒体間を伝搬する時間をτとして、該隣り合った増幅媒体に与える信号の位相差Δφが、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１７に記載の光源装置。
    Δφ＝２π×τ／Ｔ２
19. 前記リング型光共振器の長さが、リング型光共振器内を周回する光パルスの波束の長さよりも長いことを特徴とする請求項１７に記載の光源装置。
20. 前記光導波路は、前記複数の増幅媒体の増幅帯域の波長に対して群速度分散が零であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
21. 前記リング型光共振器から出力される光の波長または強度をモニターし、前記制御部または前記光変調器に制御信号を送出する手段を有することを特徴とする請求項１５に記載の光源装置。
22. 前記増幅媒体から出力される増強自然放出光のスペクトルをモニターし、その信号を用いて前記総合利得を調整することを特徴とする請求項２１に記載の光源装置。
23. 請求項１に記載の光源装置を用いた光源部と、
    前記光源部からの光を検体に照射し、検体からの反射光を伝達させる検体測定部と、
    前記光源部からの光を参照ミラーに照射し、該参照ミラーからの反射光を伝達させる参照部と、
    前記検体測定部からの反射光と前記参照部からの反射光とを干渉させる干渉部と、
    前記干渉部からの干渉光を検出する光検出部と、
    前記光検出部で検出された光に基づいて、前記検体の断層像を得る画像処理部と、
    を有することを特徴とする光断層画像撮像装置。