JP2013057854A - 光伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ファイバを用いながら伝送による光の波形の変形が小さく、所定の強度分布を有する光を出射することができる光伝送装置を提供する。
【解決手段】光伝送装置１は、中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）３０と、ＨＣ−ＰＣＦ３０への入射光の結合状態を調整するモード調整部２０と、ＨＣ−ＰＣＦ３０からの出射光からＨＣ−ＰＣＦ３０内を伝播する光のモード情報を検出するモード情報検出部４０とを備える。モード調整部２０は、モード情報検出部４０により検出されたモード情報に基づいて、入射光がＨＣ−ＰＣＦ３０内を所定のモード（例えば、シングルモード）で伝送されるように、ＨＣ−ＰＣＦ３０への入射光の結合状態を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの出射光を、光ファイバを用いて所定のモードで伝送する光伝送装置に関する。

顕微鏡や内視鏡などの光学装置において、別体の光源装置を用いる場合、下記のように光源からの光を光学装置に伝送するに当り、ファイバを用いることが望ましい。

例えば、光パルスを試料に当て、試料内で発生する２光子蛍光などを観察する２光子顕微鏡システムにおいて、光源から出射された光パルスを顕微鏡に導入する方法として、自由空間を伝播させて導入する方法が用いられている。しかし、光パルスを自由空間から顕微鏡に導入する場合、光源と顕微鏡システムとを１つの定盤上に載せる必要があるなど、パルス光源の配置自由度が小さい。また、定盤面積が大きくなりコストが上がってしまう。このため、光パルスを、ファイバを用いて顕微鏡へ導入する方法が望まれている。

しかし、光パルスを、通常のファイバを用いて伝送する場合、ファイバ内での非線形効果や分散効果によってパルス波形に歪が生じる。そこで、通常のファイバに代えて、中空コアフォトニック結晶ファイバ（以下、「ＨＣ−ＰＣＦ」とも呼ぶ）を用いることができる。ＨＣ−ＰＣＦを用いることでファイバ内の非線形効果とそれによる短光パルス波形の歪みをほとんど無視することができる。

図１５に中空コアフォトニック結晶ファイバの一例を示す断面図を示す。中空コアフォトニック結晶ファイバ２００は、ファイバの軸方向に延びる中空のコア２０１と、同じくファイバの軸方向に延び、コアの周囲に配置された多数のエアホールによる周期構造を有するクラッド２０２とを含んで構成される。個々のエアホールの断面の大きさは、伝送される光の波長に依存する。また、コアの断面の大きさは、エアホールの断面積の何個分に相当するかによって表される。なお、個々のエアホールの断面をセルとも呼ぶ。エアホールが、六方格子状（蜂の巣状）に配置されている場合、コアが真円に近くなるのは、コアの断面積が、1セル、７セル、１９セル等に相当する場合である。図１５は、コアの断面積が７セルの場合に相当している。

一方、ファイバによる光伝送では、ファイバをシングルモード動作させるのが好的である。シングルモード動作をする場合、ファイバの一端から入射したガウシアン分布を有するビームは、出力端からビーム形状が崩れることなくガウシアン分布のビームとして出射される。これに対して、ファイバがマルチモード動作をする場合、出射後のビーム強度分布がガウシアン分布から外れてしまうことが知られている。例えば、レーザ走査型顕微鏡などを想定した場合、顕微鏡に入るレーザ光に強度ムラが載っていると、標本面に集光したときにその強度ムラがそのまま集光スポットに投影されるなどし、分解能劣化やシグナル光強度の劣化に繋がるため好ましくない。

ＨＣ−ＰＣＦの場合、シングルモード動作をさせるためには、コア面積を３セル以下にすることが必要となる。しかし、３セルまでコア面積を小さくすると、コア表面の凹凸によってコア内を伝送される光が散乱されて、ファイバ内の伝播損失が大きくなる。そこで、ＨＣ−ＰＣＦでは、コアの大きさが３セルよりも大きい、７セルや１９セルのものが通常使用されている。このようなコアの大きな中空コアフォトニック結晶ファイバでは、入射端におけるファイバと入射光との結合状態によっては、高次のモードが励起されビームの強度分布が崩れることが報告されている（例えば、非特許文献１参照）。

一方、コア面積の大きなマルチモード動作するＨＣ−ＰＣＦであっても、入射光をＨＣ−ＰＣＦの基本モードのみ励起するように、最適な条件で入射させることで、ＨＣ−ＰＣＦを最小曲げ半径程度で何重にも曲げて使用するなどしない限り、比較的短い距離であればほぼシングルモードで光を伝送できることが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

しかし、基本モードのみ励起するように入射光をＨＣ−ＰＣＦに入射させるには、基本モードと高次モードとのモード比率を検出し、最も基本モードのみ励起されるように、入射光と中空コアフォトニック結晶ファイバの入射端部との位置および方向を調整する必要がある。例えば、ＨＣ−ＰＣＦの出射側に、光強度を測定するパワーメーターを設けて測定しても、このモード比率を検出することはできないので、このような調整は困難であった。

また、光ファイバとテーパ部を有するファイバとを接合することにより、高次モードを基本モードに変換するモード変換器が知られている（例えば、特許文献１参照）。このようなモード変換器を、コアの大きさが３セルよりも大きい中空コアフォトニック結晶ファイバ内の途中に設ければ、比較的短い距離であればシングルモードで動作させることが期待できる。しかしながら、上述のようなモード変換器を設けるには、ファイバにテーパ形状の加工を施す必要があるため、製造コストが上がるなどの不都合があった。

さらに、ガウシアン分布以外の所定の強度分布の光を出力したい場合も、ＨＣ−ＰＣＦを用いた従来の光伝送装置では、そのような所定の強度分布の光を出射させるように調整することはできなかった。

特開２００９−４７７８４号公報

"Robustly single mode holly core photonic bandgap fiber" M.N.Petrovich, F. Poletti, A. van Brakel and D. J. Richardson, Optics Express 16 pp.4337, 2008

したがって、これらの点に着目してなされた本発明の目的は、ファイバを用いながら伝送による光の波形の変形が小さく、所定の強度分布を有する光を出射することができる光伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成する光伝送装置の発明は、
中空コアフォトニック結晶ファイバと、
前記中空コアフォトニック結晶ファイバへの入射光の結合状態を調整するモード調整部と、
前記中空コアフォトニック結晶ファイバからの出射光から該中空コアフォトニック結晶ファイバ内を伝播する光のモード情報を検出するモード情報検出部とを備え、
前記モード調整部は、前記モード情報に基づいて、前記入射光が前記中空コアフォトニック結晶ファイバ内を所定のモードで伝送されるように、前記中空コアフォトニック結晶ファイバへの前記入射光の前記結合状態を調整することを特徴とするものである。

好ましくは、前記モード調整部は、前記入射光が前記中空コアフォトニック結晶ファイバ内を実質的にシングルモードで伝送されるように、前記中空コアフォトニック結晶ファイバへの前記入射光の前記結合状態を調整する。

更に、金属などの加工用途で用いる場合には、前記入射光はパルス時間幅が、ナノ秒以下の光パルスであることが好ましく、多光子顕微鏡などで用いる場合には、パルス時間幅が１ピコ秒以下、特に数百フェムト秒程度の光パルスであることが好ましい。本願において、このようなパルス幅の短い光パルスを短光パルスと呼ぶ。

また、光伝送装置は、前記モード情報検出部で検出した前記モード情報に基づいて、前記モード調整部を制御する制御部を備えることが好ましい。

さらに、前記モード情報検出部は、２次元イメージセンサを備えるものとすることができる。あるいは、前記モード情報検出部は、前記中空コアフォトニック結晶ファイバ内を伝送される所定の波長帯域には感度がなく、その半分の波長帯域に感度を有するフォトダイオードとしても良い。

また、前記中空コアフォトニック結晶ファイバのコア面積は、前記中空コアフォトニック結晶ファイバのセル面積の４倍以上１９倍以下とすることができる。

本発明によれば、モード調整部が、モード情報検出部により検出されたモード情報に基づいて、入射光が中空コアフォトニック結晶ファイバ内を所定のモードで伝送されるように、中空コアフォトニック結晶ファイバへの入射光の結合状態を調整するようにしたので、ファイバを用いながら伝送による光の波形の変形が小さく、所定の強度分布を有する光を出射することができる。

本発明の第１実施の形態に係る光伝送装置を光源と光学装置との間に適用した場合の概略構成を示すブロック図である。 図１の第１実施の形態の具体例を示す構成図である。 図２のモード調整装置の構成を説明する図であり、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は正面図である。 図２のＣＣＤで検出されるビーム外形を例示する図である。 図２のＣＣＤで検出される信号強度分布を示すグラフである。 図１のモード情報検出部に用いられる２次元イメージセンサの変形例である。 本発明の第２実施の形態に係る光伝送装置を光源と光学装置との間に適用した場合の概略構成を示すブロック図である。 図７の負群速度分散発生部の一例を示す構成図である。 本発明の第３実施の形態に係る光伝送装置を光源と光学装置との間に適用した場合の概略構成を示すブロック図である。 図９の第３実施の形態の具体例を示す構成図である。 図１０の正群速度分散発生部の一例を示す構成図である。 本発明の第４実施の形態に係る光伝送装置を小型顕微鏡に適用した図である。 図１２のマイクロヘッドの詳細を示す構成図である。 本発明の第５実施の形態に係る光伝送装置を内視鏡に適用した図である。 中空コアフォトニック結晶ファイバの一例を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態が複数ある場合）
（第１実施の形態）
図１は、本発明の第１実施の形態に係る光伝送装置を光源と光学装置との間に適用した場合の概略構成を示すブロック図である。この図において、破線の矢印は光の伝送を示し、実線の矢印は電気的な信号を示している。光伝送装置１は、光源１０と光学装置５０との間で光を伝送するものであり、モード調整部２０、中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）３０、モード情報検出部４０および制御部６０を含んで構成される。

光源１０は、レーザ等の特定波長帯域の光を発振する光源である。モード調整部２０は、制御部６０からの信号に基づいて、ＨＣ−ＰＣＦ３０と光源１０からの入射光との結合状態（レーザ光の空間からＨＣ−ＰＣＦ３０への入射の態様）を調整する。例えば、入射光の光軸とＨＣ−ＰＣＦ３０の入射端面との位置および方向を調整する。

ＨＣ−ＰＣＦ３０は、ファイバの軸方向に延びる中空のコアと、同じくファイバの軸方向に延び、コアの周囲に配置され多数のエアホールによる周期構造を有するクラッドとを含んで構成される。コア表面での散乱による伝送損失を低減するため、ＨＣ−ＰＣＦ３０のコアの面積は３セルよりも大きい。このため、ＨＣ−ＰＣＦ３０は、高次のモードを励起し得る。また、本実施の形態では、ＨＣ−ＰＣＦ３０は、光源１０からの出射光の波長に対して分散を生じないものが用いられる。

モード情報検出部４０は、ＨＣ−ＰＣＦ３０の出射光からＨＣ−ＰＣＦ３０を伝播する光のモード状態に関する情報（モード情報）を検出する。モード情報検出部４０は、例えば、出射光の強度分布を面的に検出するＣＣＤやＣＭＯＳ等のセンサ、または、出射光の光強度を検出するフォトダイオード等のセンサ等を含んで構成される。

制御部６０は、モード情報検出部４０からのモード情報を受信して、現在のモード状態が所定のモード状態に近づくように、モード調整部２０を制御する。すなわち、モード情報検出部４０のモード情報は、制御部６０を介して、入射光がＨＣ−ＰＣＦ３０内を所定のモード状態で伝送されるように、モード調整部２０にフィードバックされる。なお、制御部６０は、モード調整部２０およびモード情報検出部４０に接続されたコンピュータでも良く、あるいは、モード情報検出部４０またはモード調整部２０内に組み込まれていても良い。

次に、第１実施の形態に係る光伝送装置を、図２に構成図を示すより具体的な例に基づいて説明する。

光源１０としては、所定の繰り返し周波数で波長１０６０ｎｍの短光パルスを発振するモード同期Ｙｂファイバレーザ１１を用いる。モード同期Ｙｂファイバレーザ１１から出射した短光パルスは、カップリングレンズ８１により集光され、モード調整部２０を構成するモード調整装置２１により、ＨＣ−ＰＣＦ３１に結合される。モード調整装置２１は、ピエゾ圧電素子を用いてレーザ光の光軸や集光位置とＨＣ−ＰＣＦ３１の端面の位置および方向を調整することができる。

図３は、図２のモード調整装置２１の構成を説明する図であり、図３（ａ）は側面図、図３（ｂ）は正面図である。これらの図において、モード同期Ｙｂファイバレーザ１１から出射した短光パルスレーザの光軸に沿う方向をＺ方向とし、Ｚ方向に直交する方向のうち鉛直方向をＹ方向、水平方向をＸ方向としている。

モード調整装置２１は、モード同期Ｙｂファイバレーザ１１に対して相対的に固定された固定部材２２と、ＨＣ−ＰＣＦ３１の端部を保持する保持部材２４と、固定部材２２と保持部材２４との間に配置された２つの中間保持部材２３ａおよび２３ｂとを備える。保持部材２４と中間保持部材２３ａとの間には、保持部材２２と中間保持部材２３ａとを相対的にＸ方向およびＹ方向にそれぞれ変位させるピエゾ圧電素子２５ａおよび２５ｂが設けられている。また、中間保持部材２３ａと中間保持部材２３ｂとの間には、中間保持部材２３ａと中間保持部材２３ｂとを相対的にＹ軸およびＸ軸回りにそれぞれ回転させるピエゾ圧電素子２５ｄおよび２５ｅが設けられている。さらに、中間保持部材２３ｂと固定部材２２との間には、中間保持部材２３ｂと固定部材２２とを相対的にＺ方向へ変位させるピエゾ圧電素子２５ｃが設けられている。これによって、保持部材２４に取り付けられたＨＣ−ＰＣＦ３１の端面３１ａは、入射する短光パルスの方向および集光位置に対して５軸方向（Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向およびＸ，Ｙ軸周りの回転）に調整することができる。

なお、上述のような調整機構はＨＣ−ＰＣＦ３１の端部側ではなくカップリングレンズ８１側に取り付けても良く、あるいは、ＨＣ−ＰＣＦ３１の端部とカップリングレンズ８１との双方に取り付けても良い。

図２のＨＣ−ＰＣＦ３１は、モード同期Ｙｂファイバレーザ１１の発する短光パルスの波長１０６０ｎｍをゼロ分散波長とし、コアの大きさが７セル、長さが３ｍの中空コアフォトニック結晶ファイバである。これにより、ＨＣ−ＰＣＦ３１を伝播することによる分散は発生しない。ＨＣ−ＰＣＦ３１を出射した短光パルスは、コリメートレンズ８２によりビームが広げられ、ビームスプリッタ８３により観察装置５０である顕微鏡５１に入射する励起光とＣＣＤ４１に入射する光とに分岐される。ここで、ビームスプリッタ８３およびＣＣＤ４１は、モード情報検出部４０を構成している。なお、ＣＣＤ４１に分岐するのは、ＨＣ−ＰＣＦ３１を出射した短光パルスにおけるパワーのごく一部分で良い。

ＣＣＤ４１は、ＨＣ−ＰＣＦ３１を伝播したレーザ光の強度分布を面的に検出して電気信号として出力する。この電気信号はモニタ８４に出力され、画像として表示されるとともに、制御部６０に送信されＨＣ−ＰＣＦ３１を伝播するレーザ光のモード状態が分析される。その結果に基づいて、制御部６０はモード調整装置２１を制御して、所定のモードであるシングルモード動作を行うように、ＨＣ−ＰＣＦ３１への入射光の結合状態を調整する。具体的には、モード調整装置２１の各ピエゾ圧電素子２５ａ〜２５ｅを微小に変化させながら、ＣＣＤ４１からの所望の出力が得られるように調整する。このように制御部６０を用いて自動的にモード調整をすることによって、入射光がＨＣ−ＰＣＦ３１の最適な入射条件から外れて、ＨＣ−ＰＣＦ３１の端面が損傷することも同時に防ぐこともできる。

ＣＣＤ４１の出力から、ＨＣ−ＰＣＦ３１内をレーザ光がシングルモード動作するように調整するには以下のような方法を用いることができる。

まず、第１の方法は、ＣＣＤ４１で検出されるレーザ光のビーム径を適切な値になるように調整するものである。図４は、図２のＣＣＤで検出されるビーム外形のイメージを例示する図である。この図において、４２ａはレーザビームの外形を示す。また、４２ｂはコア形状に対応している。さらに、４２ｃはビームの中心である。ビーム径は、例えばビーム中心４２ｃの光強度の１／ｅ^２になる径として定義することができる。ＨＣ−ＰＣＦ３１内に、高次のモードが含まれると、ＨＣ−ＰＣＦ３１から出射するレーザ光の発散角が大きくなるので、ビーム径が広がる。したがって、ビーム径をシングルモードに対応した適性値に近づけるように、モード調整装置２１を調整することによって、ＨＣ−ＰＣＦ３１内を伝播するレーザ光をシングルモードに近づけることができる。

第２の方法は、ＣＣＤ４１により検出されるレーザ光強度をガウシアン分布に近づけるというものである。図５は、図２のＣＣＤ４１で検出される出力信号を、横軸に中心からの距離、縦軸に信号強度をとって示すグラフである。ＨＣ−ＰＣＦ３１内をシングルモードで伝播したレーザ光はガウシアン分布を有し、高次モードを含むレーザ光の強度はガウシアン分布から外れるので、ＣＣＤ４１により検出されるレーザ光強度の空間的強度分布を、ガウシアン分布に近づけるように、モード調整装置２１を調整することにより、ＨＣ−ＰＣＦ３１内を伝播するレーザ光をシングルモード動作に近づけることができる。

第３の方法は、ビーム中心４３ｃにおけるピーク強度を最大になるように調整するものである。高次モードを含むと、光パルスの中心におけるピーク強度が低下するため、ピーク強度を最大化するようにモード調整装置２１を調整することにより、ＨＣ−ＰＣＦ３１内を伝播するレーザ光をシングルモード動作に近づけることができる。

制御部６０は、上記第１〜第３の方法を単独でまたは組み合わせて用いることによって、ＨＣ−ＰＣＦ３１をシングルモード動作するように制御する。なお、連続光に比べて短光パルスは比較的広い帯域の波長を含むため、ファイバ出射光の２次元強度分布が様々な波長成分で平均化され、ガウシアン分布のように検出されることがある。よって、短光パルスを用いる場合、中心ピーク強度を検出するのが好ましい。

このようにして、ＨＣ−ＰＣＦ３１をシングルモード動作させ出力されたレーザ光が、光学装置５０である顕微鏡５１に励起光として入力される。顕微鏡５１は、例えば、動物や人間などの細胞等に光パルスを照射して発生する２光子蛍光や第２高調波を観察する多光子顕微鏡である。

以上のような構成によって、モード同期Ｙｂファイバレーザ１１から出射した短光パルスは、カップリングレンズ８１およびモード調整装置２１によりＨＣ−ＰＣＦ３１に結合され、該ＨＣ−ＰＣＦ３１を通過した後コリメートレンズ８２でコリメートされ、その一部がビームスプリッタ８３で分離され、ＣＣＤ４１により検出される。ＣＣＤ４１により検出されたレーザ光の強度分布の信号に基づいて、制御部６０はモード調整装置２１を調整してレーザ光とＨＣ−ＰＣＦ３１との結合状態を変化させて、ＣＣＤ４１から得られるモードの情報をシングルモードかシングルモードに近い状態になるようにする。これによって、顕微鏡５１にはシングルモードかシングルモードに近い状態の短光パルスのレーザ光が入力される。

以上説明したように、本実施の形態によれば、シングルモードかシングルモードに近い状態のレーザ光を励起光として用いることによって、顕微鏡５１は、標本面での集光スポットに明るさムラや光量の低下が見られないか極めて少ない状態で観察対象の測定をすることができる。したがって、分解能の劣化やシグナル光の劣化を抑制することが可能になる。

また、レーザ光の伝送にＨＣ−ＰＣＦを用いたので、光学系を定盤上に載せる必要がないので、光学系の配置がより柔軟となり、かつ、装置コストも低減することができる。さらに、ＨＣ−ＰＣＦを用いたので、通常の光ファイバとは異なりファイバ内での非線形効果によるパルスの変形が生じない。また、モード同期Ｙｂファイバレーザ１１の波長をＨＣ−ＰＣＦ３１のゼロ分散波長としたので、ファイバ内で発生する分散を補償する為に分散発生装置を配置する必要がない。

また、ＨＣ−ＰＣＦ３１はコアの大きさが７セルのものを用いたので、通常シングルモード動作する３セル以下の大きさのコアを用いた場合よりも、ＨＣ−ＰＣＦ３１内のビーム径を広げることができ、全体としてより高い強度のレーザ光を伝送することが可能になる。

また、一般に、短光パルスのようなピーク強度の高いレーザ光や、平均出力の大きなレーザ光を入射する場合、レーザ光源からのレーザ光とファイバの端面位置が経時変化などによってずれるなどし、ＨＣ−ＰＣＦの端面が損傷するという不都合が発生し得る。具体的には、ＨＣ−ＰＣＦへの最適な入射条件からずれたレーザ光がＨＣ−ＰＣＦ外に漏れ、ＨＣ−ＰＣＦとフェルールを固定している接着剤などに照射され、熱によって膨張した接着剤がＨＣ−ＰＣＦを圧迫し、ＨＣ−ＰＣＦが割れる等の不都合が発生することがある。本実施の形態では、制御部６０を設けて、レーザ光とＨＣ−ＰＣＦ３１の端面との配置を動的に調整できるようにしたので、上記のような中空コアフォトニック結晶ファイバの破損を防ぐことが可能である。

なお、モード情報検出部４０としては、ＣＣＤ４１に代えて図６に示すような２次元イメージセンサ４３を用いることも可能である。この２次元イメージセンサ４３は、受光面に照射されるレーザ光のビーム中心位置を中心として、この中心から等距離に配置された４つのフォトダイオード４４ａ〜４４ｄを有する。さらにこれらのフォトダイオード４４ａ〜４４ｄは、受光面を４象限に分割したときのそれぞれの象限の中心に位置する。レーザ光に高次モードが含まれると、２次元強度分布はガウシアン分布のような点対称分布とはならないので、それぞれのフォトダイオード４４ａ〜４４ｄに入射する光強度が等しくなるように、制御部６０がモード調整装置２１を調整することによって、シングルモードの出射光を得ることができる。この２次元イメージセンサ４３は、ＣＣＤ４１に比べ簡易に形成することができる。

（第２実施の形態）
図７は、本発明の第２実施の形態に係る光伝送装置を光源と光学装置との間に適用した場合の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態は、第１実施の形態に係る光伝送装置１において、モード調整部２０の前段に負群速度分散発生部７０を配置したものである。負群速度分散発生部７０は、顕微鏡などの光学装置５０では、レンズなどで正群速度分散が発生するので、その分散を補償するために設けたものである。

負群速度分散発生部７０は、プリズムペアを使用したものが知られている。図８は、図７の負群速度分散発生部７０の一例を示す構成図である。図８に示すように、負群速度分散発生部７０は、プリズム７２ａ，７２ｂおよびミラー７１ａ，７１ｂにより構成される。プリズム７２ａ、７２ｂは所定の間隔を空けて配置され、用いるプリズムは硝材ＳＦ５８等で構成されたブリュースタープリズムである。

図８の負群速度分散発生部７０の作用を簡単に説明すると、光源１０から射出された短光パルスは、プリズム７２ａに入射し、これを通過する際、ガラスの屈折率分散による角度分散が生じる。さらに、角度分散により広げられた短光パルスは、プリズム７２ｂを通過して平行になり、ミラー７１ｂにより反射される。反射された光は、プリズム７２ｂ、７２ａを通過しミラー７１ａで反射されて出射する。これにより発生する負群速度分散により、光学装置５０の正群速度分散が補償される。その他の構成、作用は、第１実施の形態と同様であり、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

本実施の形態によれば、負群速度分散発生部７０により、光学装置５０で発生する正群速度分散を補償するようにしたので、第１実施の形態の効果に加え、例えば顕微鏡に適用した場合、分散効果によるパルス波形の変形を補償した、高ピークパワーのレーザ光を観察対象に対して照射することが可能になる。

（第３実施の形態）
図９は、本発明の第３実施の形態に係る光伝送装置を光源と光学装置との間に適用した場合の概略構成を示すブロック図である。本実施の形態は、第１実施の形態に係る光伝送装置１において、モード調整部２０の前段に正群速度分散発生部７５を配置したものである。正群速度分散発生部７５は、ＨＣ−ＰＣＦ３０で発生する負群速度分散を補償するために設けたものである。

本実施の形態を、図１０に構成図を示すより具体的な例に基づいて説明する。光源１０としては、所定の繰り返し周波数で波長８３０ｎｍの短光パルスを発振するモード同期チタンサファイアレーザ１２を使用する。波長８３０ｎｍではＨＣ−ＰＣＦ３１は、負群速度分散を発生する。よって、回折格子対とレンズを組み合わせた正群速度分散発生部７５を組み合わせることによって、分散を補償する。

図１１は、図１０の正群速度分散発生部７５の一例を示す構成図である。正群速度分散発生部７５は、例えば、ミラー７６ａ，７６ｂ、回折格子７７ａ，７７ｂおよびレンズ７８ａ，７８ｂを含んで構成される。モード同期チタンサファイアレーザ１２から射出された短光パルスは、回折格子７７ａに入射し回折される際に、波長成分により角度分散が生じる。さらに、角度分散により広げられた短光パルスは、レンズ７８ａ，７８ｂを経て回折格子７７ｂで再び回折され平行光になり、ミラー７６ｂにより反射される。反射された光は、回折格子７７ｂ、レンズ７８ｂ，７８ａおよび回折格子７７ａを経由して、ミラー７６ａで反射されて出射する。これにより発生する正群速度分散により、ＨＣ−ＰＣＦ３１で発生する負群速度分散が補償される。

また、図１０において、モード情報検出部４０は、ビームスプリッタ８３、集光レンズ８５、フォトダイオード４５、抵抗４６および電圧計４７により構成される。ビームスプリッタ８３で分岐された短光パルスの一部は、集光レンズ８５によりフォトダイオード４５に集光される。フォトダイオード４５は、短光パルスの波長（８３０ｎｍ）に対しては感度がなく、その半分の波長帯域（４１５ｎｍ帯域）に感度を有するフォトダイオードを用いる。これによって、フォトダイオード４５上の２光子吸収強度を測定することができる。２光子吸収強度は短光パルスの中心ピーク強度の２乗に比例するので、中心ピーク強度を測定していることとほぼ同等と考えることができる。すなわち、ＨＣ−ＰＣＦ３１を出射したレーザ光が、マルチモードを含んでいるとパルス波形が崩れるので、ピーク強度が下がり、フォトダイオード４５の出力も小さくなる。一方、ＨＣ−ＰＣＦ３１を出射したレーザ光がシングルモードかシングルモードに近い波形であれば、ビーム中心に高いピーク強度の波形が得られるので、フォトダイオード４５の出力が大きくなる。フォトダイオード４５は、２光子吸収強度に比例する電流を出力するので、フォトダイオード４５に抵抗４６を繋ぎループを形成し、抵抗４６の両端の電位差を測定することによって、２光子吸収強度を検出することができる。そこで、電圧計４７で測定される電圧値が最も大きくなるように、モード調整装置２１により、モード同期チタンサファイアレーザ１２からの短光パルスとＨＣ−ＰＣＦ３１の結合状態を調整することによって、ＨＣ−ＰＣＦ３１を実質的にシングルモード動作させることができる。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。

本実施の形態によれば、第１実施の形態の効果に加え、正群速度分散発生部７５を設けたので、ＨＣ−ＰＣＦ３１で発生する負群速度分散を補償することができる。さらに、フォトダイオード４５により２光子吸収強度を測定するようにしたので、電圧計４７で得られる出力電圧が最大になるように制御すれば良く、ＣＣＤなどの２次元センサを使用する場合に比べて、制御部６０における最適化の処理が単純で、コスト的にも優れている。

（第４実施の形態）
図１２は、本発明の第４実施の形態に係る光伝送装置を小型顕微鏡に適用した図である。図１２に示すように、モード同期チタンサファイアレーザ１２を出射した短光パルスは、カップリングレンズ８１およびモード調整装置２１を用いてＨＣ−ＰＣＦ３１に入射し、このＨＣ−ＰＣＦ３１を通って、観察対象である例えばマウスの頭部に取付けられ固定されたマイクロヘッド９０に伝送される。

その後、図１２に示すように、信号光はマルチモードファイバ１０１を通り、コリメートレンズ１０２、バリアフィルタ１０３を経て検出器１００によって検出される。検出器１００はマイクロヘッド９０内の後述するピエゾＸＹスキャナ９１とともに図示しない画像処理装置に接続され、検出器１００で得られる信号光強度と観察対象上の短光パルス照射位置の情報とに基づいて、２次元顕微鏡画像が形成される。

図１３は、図１２のマイクロヘッド９０の詳細な構成を示す図である。マイクロヘッド９０は、ピエゾＸＹスキャナ９１、コリメートレンズ９２、ビームスプリッタ９３、集光レンズ９４、フォトダイオード４５、抵抗４６、分光ミラー９５、対物レンズ９６、バリアフィルタ９７、および、カップリングレンズ９８を備える。ピエゾＸＹスキャナ９１は、マイクロヘッド９０内へ導入されたＨＣ−ＰＣＦ３１の先端部と結合している。コリメートレンズ９２、ビームスプリッタ９３、集光レンズ９４、フォトダイオード４５および抵抗４６は、第３実施の形態の、コリメートレンズ８２、ビームスプリッタ８３、集光レンズ８５、フォトダイオード４５および抵抗４６と同様の機能を有するものである。また、分光ミラー９５は、短光パルスを透過させ、短光パルスの照射により観察対象１１０から発生する信号光を反射させる周波数特性を有する。

ＨＣ−ＰＣＦ３１を出射した短光パルスは、コリメートレンズ９２でコリメートされ、一部がビームスプリッタ９３により分岐され、フォトダイオード４５に集光される。フォトダイオード４５の出力は、電圧計４７により電圧として制御部６０により検出される。制御部６０は、第３実施の形態と同様にＨＣ−ＰＣＦ３１をシングルモードで動作させるようにモード調整装置２１を制御する。一方、ビームスプリッタ９３を透過した短光パルスは、分光ミラー９５を透過して対物レンズ９６によりにより観察対象１１０の所望の観察位置を照射する。その際、ピエゾＸＹスキャナ９１を２次元的に駆動することにより、観察対象１１０上の短光パルス照射位置を順次走査させる。

観察対象１１０がマウスの脳の場合、短光パルスの照射により発生した２光子蛍光や第二高調波等が、対物レンズ９６を経て分光ミラー９５で反射され、短光パルスによる迷光をカットするためのバリアフィルタ９７を透過して、カップリングレンズ９８により集光されマルチモードファイバ１０１に入射する。

以上説明したように、本実施の形態によれば、第１実施の形態と同様に、シングルモードの変形の少ないパルス光で観察を行うことが可能である。また、光源であるモード同期チタンサファイアレーザ１２と小型顕微鏡とを、ＨＣ−ＰＣＦ３１を用いて繋ぐことで、柔軟な構成が可能になる。さらに、顕微鏡部分を小型化したマイクロヘッド９０とすることで、このマイクロヘッド９０をマウスなどの小動物に固定し、マウスを自由に動かしたまま脳などの器官を観察することができる。また、第３実施の形態と同様にフォトダイオードの電圧値を検出し、自動でモード調整装置２１を制御することもできるので、観察対象が移動したり光学系が経時的に変化したりしても、最適な状態で観察を続けることができる。

（第５実施の形態）
図１４は、本発明の第５実施の形態に係る光伝送装置を内視鏡に適用した図である。本実施の形態は、図１２の第４実施の形態において、マイクロヘッド９０を硬性部として、これに接続されるＨＣ−ＰＣＦ３１、電圧計４７への電圧コードおよびマルチモードファイバ１０１を１本に束ねて可撓性の挿入部とし、単独でもしくは既存の内視鏡の鉗子穴に挿入するなどして使用することにより、内視鏡として使用するものである。これによって、内視鏡として利用しても、第４実施の形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明は、上記各実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能である。たとえば、本発明の利用分野は、顕微鏡や内視鏡に限られず、例えば材料の加工等の種々の分野にも適用可能である。

また、本発明が利用できる光源は、モード同期Ｙｂファイバレーザやモード同期チタンサファイアレーザに限られず、種々のパルス光源や連続発振光源を用いることができる。ただし、本発明によれば、ＨＣ−ＰＣＦを用いることにより非線形効果によるパルスの変形が生じないことから、短光パルス光源を用いるときに特に好適である。

使用する中空コアフォトニック結晶ファイバのコアの大きさは７セルに限られず、通常マルチモードを含むコアの大きさである４セル以上の大きさのコアを有する中空コアフォトニック結晶ファイバであれば、マルチモード動作可能なファイバをシングルモード動作させるという本発明の効果が得られる。また、コアの大きさが１９セル以下であれば、コア径が大きくなり過ぎず、シングルモードのみで動作させることが可能である。なお、本発明の所定のモードとは、シングルモードに限られず、例えば、中空コアフォトニック結晶ファイバから、意図的にマルチモードの出力を得ようとする場合にも適用可能である。

さらに、第２実施の形態および第３実施の形態では、それぞれ、プリズム対を含む負群速度分散発生部および回折格子対を含む正群速度分散発生部を用いて、光学系に発生する分散を補償したが、分散を補償する手段としてはこれらのみに限られない。例えば、分散補償ファイバを用いる方法や、ファイバブラッググレーティングを用いる方法等、種々の方法が知られている。

また、本願の各実施の形態では、制御部を設けたが、必ずしも独立した制御部を有する必要は無い。制御部はモード調整部またはモード情報検出部に含まれていても良い。あるいは、制御部を設けずに、使用者がモニタを確認しながらモードの調整を行うことも可能である。また、モード調整部は、ピエゾ圧電素子を用いて電気的に駆動するものとしたが、これに限られず、例えば手動で調節する形態のものでも良い。

１ 光伝送装置
１０ 光源
１１ モード同期Ｙｂファイバレーザ
１２ モード同期チタンサファイアレーザ
２０ モード調整部
２１ モード調整装置
２２ 固定部材
２３ａ，２３ｂ 中間保持部材
２４ 保持部材
２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅ ピエゾ圧電素子
３０，３１ 中空コアフォトニック結晶ファイバ（ＨＣ−ＰＣＦ）
３１ａ 端面
４０ モード情報検出部
４１ ＣＣＤ
４２ａ ビーム外形
４２ｂ コア形状
４２ｃ ビーム中心
４３ ２次元イメージセンサ
４４ａ，４４ｂ，４４ｃ，４４ｄ フォトダイオード
４５ フォトダイオード
４６ 抵抗
４７ 電圧計
５０ 光学装置
５１ 顕微鏡
６０ 制御部
７０ 負群速度分散発生部
７１ａ，７１ｂ ミラー
７２ａ，７２ｂ プリズム
７５ 正群速度分散発生部
７６ａ，７６ｂ ミラー
７７ａ，７７ｂ 回折格子
７８ａ，７８ｂ レンズ
８１ カップリングレンズ
８２ コリメートレンズ
８３ ビームスプリッタ
８４ モニタ
８５ 集光レンズ
９０ マイクロヘッド
９１ ピエゾＸＹスキャナ
９２ コリメートレンズ
９３ ビームスプリッタ
９４ 集光レンズ
９５ 分光ミラー
９６ 対物レンズ
９７ バリアフィルタ
９８ カップリングレンズ
１００ 検出器
１０１ マルチモードファイバ
１０２ コリメートレンズ
１０３ バリアフィルタ
１１０ 観察対象
２００ 中空コアフォトニック結晶ファイバ
２０１ 中空コアフォトニック結晶ファイバの中空コア
２０２ 中空コアフォトニック結晶ファイバのクラッド

Claims (7)

1. 中空コアフォトニック結晶ファイバと、
   前記中空コアフォトニック結晶ファイバへの入射光の結合状態を調整するモード調整部と、
   前記中空コアフォトニック結晶ファイバからの出射光から該中空コアフォトニック結晶ファイバ内を伝播する光のモード情報を検出するモード情報検出部とを備え、
   前記モード調整部は、前記モード情報に基づいて、前記入射光が前記中空コアフォトニック結晶ファイバ内を所定のモードで伝送されるように、前記中空コアフォトニック結晶ファイバへの前記入射光の前記結合状態を調整することを特徴とする光伝送装置。
2. 前記モード調整部は、前記入射光が前記中空コアフォトニック結晶ファイバ内を実質的にシングルモードで伝送されるように、前記中空コアフォトニック結晶ファイバへの前記入射光の前記結合状態を調整することを特徴とする請求項１に記載の光伝送装置。
3. 前記入射光は、パルス時間幅が１ピコ秒以下の光パルスであることを特徴とする請求項１または２に記載の光伝送装置。
4. 前記モード情報検出部で検出した前記モード情報に基づいて、前記モード調整部を制御する制御部を備えることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光伝送装置。
5. 前記モード情報検出部は、２次元イメージセンサを備えることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光伝送装置。
6. 前記モード情報検出部は、前記中空コアフォトニック結晶ファイバ内を伝送される所定の波長の光の半分の波長帯域に感度を有するフォトダイオードであることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光伝送装置。
7. 前記中空コアフォトニック結晶ファイバのコア面積は、前記中空コアフォトニック結晶ファイバのセル面積の４倍以上１９倍以下であることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光伝送装置。

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