JP2023168072A - フィルタ装置、波長可変レーザ、及び波長調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高速波長掃引、環境安定性、低コスト等の特性を有する波長可変レーザに適用可能であり、シンプルな設計のフィルタ装置を提供すること。【解決手段】フィルタ装置３０は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１と、フィルタ用偏波保持ファイバ３１のうち応力付与部３１ｃに付与する応力を調整するストレッチャ３２と、ストレッチャ３２の出射側に配置される偏光子３５と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、波長調整が可能なフィルタ装置、これを用いた波長可変レーザ、並びに波長調整方法に関する。

波長掃引モード同期レーザは、光計測、イメージング等、特に誘導ラマン散乱顕微鏡の分野において不可欠な光源である。当該レーザは、高速波長掃引、環境安定性、低コスト、シンプルな設計等の特性が求められている。

波長掃引モード同期レーザとして、全正常分散キャビティにおいて、帯域幅を調整可能なファイバベースのスペクトルフィルタを有するものが公知となっている（非特許文献１参照）。また、波長掃引モード同期レーザとして、ガルバノメータ駆動のキャビティ内フィルタを有するものが公知となっている（非特許文献２参照）。

非特許文献１及び２の装置では、複雑なキャビティ、自由空間部品、不安定な非偏波保持ファイバ構成等のため、上述した高速波長掃引、環境安定性、低コスト、シンプルな設計等の要求を十分に満たすものではない。

Ankita Khanolkar et al., "All normal dispersion fiber laser with a bandwidth tunable fiber based spectral filter," Opt. Lett. 45, 4555 4558 (2020) Yasuyuki Ozeki et al., "Fast wavelength tunable picosecond pulses from a passively mode locked Er fiber laser using a galvanometer driven intracavity filter," Opt. Express 23, 15186 15194 (2015)

本発明は、上記背景技術に鑑みてなされたものであり、高速波長掃引、環境安定性、低コスト等の特性を有する波長可変レーザに適用可能であり、シンプルな設計のフィルタ装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記のようなフィルタ装置によって、高速波長掃引可能な波長可変レーザ及び波長調整方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るフィルタ装置は、偏波保持ファイバと、偏波保持ファイバのうち応力付与部に付与する応力を調整するストレッチャと、ストレッチャの出射側に配置される偏光子と、を備える。

上記フィルタ装置では、ストレッチャにより偏波保持ファイバの応力付与部に付与する応力を調整することにより、応力付与部における引張ひずみを調整する。これにより、応力付与部の複屈折の変化量を調整することができ、特定波長の光の透過性を高めるチューニングを行うことができる。

本発明の具体的な側面では、上記フィルタ装置において、ストレッチャの入射側に配置され、偏光を分岐させる偏光分岐部と、ストレッチャの出射側に配置され、ストレッチャを通過した偏光を復帰させる偏光復帰部と、をさらに備える。この場合、偏光分岐部及び偏光復帰部は、偏波コントローラとして機能し、フィルタ装置に入射及びフィルタ装置から出射する偏光の偏光方向を制御することができる。

本発明の別の側面では、偏光分岐部は、偏波保持ファイバの速軸を４５°傾斜させたスプライスであり、偏光復帰部は、偏波保持ファイバの速軸を－４５°傾斜させたスプライスである。

本発明のさらに別の側面では、偏波保持ファイバは、ＰＡＮＤＡファイバ及びボウタイ型ファイバのいずれか一方である。

上記目的を達成するため、本発明に係る波長可変レーザは、偏波保持型のリング状の共振器と、共振器中に配置される光利得部と、共振器に周回方向に伝搬するように偏光を供給する光供給部と、上述のフィルタ装置と、を備える。

上記波長可変レーザでは、引張ひずみ制御されたフィルタ装置により透過性について波長調整を行うことができる。この波長調整は、複屈折の変化を利用するものであり、単に長さの調整を行う場合と比較して２桁程度効率的である。これにより、広いチューニング範囲と線形チューニング関係とを備えた波長可変レーザを実現できる。シンプルな偏波保持ファイバ構造により、出力は非常に安定する。

本発明の具体的な側面では、上記波長可変レーザにおいて、共振器中に配置された透過調整部をさらに備え、受動型のモード同期動作を行うモード同期レーザである。この場合、発振状態を安定化することができ、偏光を高効率で発生させ取り出すことができる。これにより、広いチューニング範囲と線形チューニング関係とを備えたフェムト秒パルスモード同期レーザを実現できる。ストレッチャが共振周波数で動作する場合、ｋＨｚオーダーの波長掃引フェムト秒パルスレーザの結果を達成することができる。

上記目的を達成するため、本発明に係る波長調整方法は、偏波保持ファイバのうち応力付与部に付与する応力を調整するストレッチャと、ストレッチャの出射側に配置される偏光子とを備えるフィルタ装置において、応力付与部に所定応力を付与し、共振周波数間隔を変化させる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、第１実施形態のフィルタ装置を説明する概念的な斜視図である。 第１実施形態のフィルタ装置を説明する概念的な斜視図である。 フィルタ装置のうち主にストレッチャの構造を説明する概念図である。 フィルタ装置における、波形発生器の出力電圧とストレッチャによるマイクロひずみ量との関係を説明する図である。 フィルタ装置の透過率の特性を説明する図である。 （Ａ）は、フィルタ装置の透過率ピークシフトを説明する図であり、（Ｂ）は、応力に対するフィルタ装置の出力波長を説明する図である。 第２実施形態の波長可変レーザを説明する概念図である。 図７に示す波長可変レーザの出力光の光スペクトルを示すチャートである。 出力光の出力パルスの中心波長と波形発生器の出力電圧の関係と示すチャートである。 第３実施形態の波長可変レーザを説明する概念図である。 第４実施形態のフィルタ装置を説明する概念図である。 図７に示す波長可変レーザの変形例の出力光の光スペクトルを示すチャートである。

〔第１実施形態〕
以下、図１（Ａ）、１（Ｂ）、及び図２等を参照して、本発明に係るフィルタ装置の第１実施形態について説明する。図１（Ａ）及び１（Ｂ）は、フィルタ装置３０に所定の応力を付与し、所定の波長において、透過率が極大化する構成例を説明する図である。図２は、フィルタ装置３０に所定の応力を付与し、所定の波長において、透過率が極小化する構成例を説明する図である。図１（Ａ）及び１（Ｂ）に示すフィルタ装置３０にそれぞれ入射する光の波長は異なるものとし、図１（Ａ）及び図２に示すフィルタ装置３０にそれぞれ入射する光の波長は同じものであるとしている。図１（Ａ）等において、Ｘ、Ｙ、及びＺは、全体の座標系を示し、ｘ及びｙは着目する箇所の局在的な座標系を示している。ｘ及びｙは、フィルタ装置３０の光軸ＡＸ上の点における座標を与えるものであり、光軸ＡＸに対して直交する２方向に相当し、ｚは、光軸ＡＸに平行な方向に相当する。

図１（Ａ）、１（Ａ）、及び図２は、フィルタ装置３０において、右側から偏光Ｐ０が入射する場合を示している。図１（Ａ）等の上部領域は、フィルタ装置３０を通過する各位置での偏光状態又は偏光方向を紙面左側から光軸ＡＸに沿って見た状態として説明するものである。

図１（Ａ）、１（Ｂ）等に示すフィルタ装置３０は、複屈折を利用して透過率が最大となる波長だけを透過させて狭い通過帯域を生成し、リオットフィルタ（Ｌｙｏｔフィルタ）の基本要素と同様のものであって可変波長型の光学デバイスとして機能する。フィルタ装置３０は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１と、ストレッチャ３２と、偏光子３５と、偏光分岐部３４と、偏光復帰部３６とを備える。ストレッチャ３２は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の一部に付随して設けられている。つまり、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の一部は、ストレッチャ３２に巻きつけられて固定されており、付与される応力が調整される。偏光分岐部３４は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の入射側、つまりストレッチャ３２の入射側に配置されている。偏光復帰部３６は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の出射側、つまり、ストレッチャ３２の出射側に配置されている。偏光子３５は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の出射端３１ｂと偏光復帰部３６との間に配置されている。フィルタ装置３０は、入射端３１ａ及び出射端３１ｂにおいて、例えば、共振器を構成するファイバＦＯに接続される。ファイバＦＯには、偏波保持ファイバが用いられる。

フィルタ用偏波保持ファイバ３１は、速軸方向における偏波の速度と遅軸方向における偏波の速度とが異なり、応力を付与することで複屈折率を変動させることができる。ひずみで誘起される複屈折変動は、透過率のピーク位置やピーク間隔の変化を引き起こす。フィルタ用偏波保持ファイバ３１としては、例えば、ＰＡＮＤＡファイバ及びボウタイ型ファイバのいずれかを用いる。ＰＡＮＤＡファイバの複屈折のひずみ係数は、１．６０×１０^－８／μεであり、ボウタイ型ファイバの複屈折のひずみ係数は、１．０６×１０^－８／μεである。これらのファイバは、強い複屈折率を導入するために、断面視において、コアの周囲に一対の応力付与材を有している。ＰＡＮＤＡファイバとボウタイファイバの複屈折率のひずみ係数は、同じオーダーであり、同じ効果を得られる。

図３は、フィルタ装置３０のうち主にストレッチャ３２の構造を説明する概念図である。ストレッチャ３２は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１のうち応力付与部３１ｃに付与する応力を調整する。ストレッチャ３２は、例えば、ＰＺＴストレッチャ（圧電セラミックスストレッチャ）であり、ピエゾ駆動によりフィルタ用偏波保持ファイバ３１に対して周期的に応力を付与する。図３に示すように、ストレッチャ３２は、円形形状を有し、複数のＰＺＴ素子３２ａと、ファイバ収納部３２ｂとを有する。ファイバ収納部３２ｂは、径方向に大きさを変化させることができる円環状の部材であり、外側の溝３２ｃにフィルタ用偏波保持ファイバ３１を巻き取って収納することできる。ファイバ収納部３２ｂの中心部には、複数のＰＺＴ素子３２ａ、図示の例では３つのＰＺＴ素子３２ａが、ＰＺＴ素子３２ａの伸縮による径方向の変動がファイバ収納部３２ｂに均等に加わるように配置されている。ストレッチャ３２は、波形発生器３８によってＰＺＴ素子３２ａに電圧を加えることにより、径方向の大きさを周期的に変動させる。フィルタ用偏波保持ファイバ３１の応力付与部３１ｃは、フィルタ用偏波保持ファイバ３１のうちファイバ収納部３２ｂに所定回数だけ巻きつけられた部分に相当する。応力付与部３１ｃのファイバの両端は、例えば、接着等によってストレッチャ３２に固定されている。ストレッチャ３２は、径方向の形状変化により、応力付与部３１ｃに付与する応力を調整することができ、結果的に応力付与部３１ｃでのひずみ（引張ひずみ）を制御することができる。

図４は、フィルタ装置３０における、波形発生器３８の出力電圧とストレッチャ３２によるマイクロひずみ量との関係を説明する図である。図４に示すように、波形発生器３８の出力電圧とストレッチャ３２によるマイクロひずみ量とは、線形に近い相関関係にある。これにより、フィルタ装置３０の応力変動によって、応力付与部３１ｃのひずみ制御が容易となっている。

フィルタ用偏波保持ファイバ３１のうち応力付与部３１ｃは、ストレッチャ３２によって、もとの大きさに対する直径の変動量について０～８８μｍの範囲で変化する。波形発生器３８の電圧は、０～１０Ｖの範囲であり、周波数は、最大３００Ｈｚである。

図１（Ａ）に戻って、偏光分岐部３４は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１に入射する偏光Ｐ０の偏光方向をファイバの断面に対して回転させ、偏光Ｐ０を第１偏光成分Ｐ１と第２偏光成分Ｐ２とに分岐させる。偏光分岐部３４は、独立した部材ではなく、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の端面がその機能を兼ねている。具体的には、偏光分岐部３４は、ファイバＦＯの速軸、つまりｘ軸に対してフィルタ用偏波保持ファイバ３１の速軸、つまりｘ軸を４５°傾斜させたスプライスであり、フィルタ用偏波保持ファイバ３１とファイバＦＯとを融着接続したものである。

偏光復帰部３６は、ストレッチャ３２を通過しフィルタ用偏波保持ファイバ３１に出射する偏光Ｐ０の偏光方向をファイバの断面に対して回転させ、偏光Ｐ０を復帰させる。偏光復帰部３６は、独立した部材ではなく、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の端面がその機能を兼ねている。偏光復帰部３６は、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の速軸、つまりｘ軸に対してファイバＦＯを－４５°傾斜させたスプライスであり、フィルタ用偏波保持ファイバ３１とファイバＦＯとを融着接続したものである。

図１（Ａ）等では、偏光分岐部３４及び偏光復帰部３６において、時計方向を基準にファイバを傾斜又は回転させたが、反時計方向を基準にファイバを傾斜又は回転させてもよい。つまり、偏光分岐部３４に入射する偏光Ｐ０の偏光方向と偏光復帰部３６から出射する偏光Ｐ０（Ｐｍ）の偏光方向とが一致していればよい。

偏光子３５は、吸収型のポーラライザであり、偏光子３５を通過する光を特定の偏光方向の直線偏光に制限する。偏光子３５は、例えば誘電体多層膜で形成されるが、カプラに同様の機能を持たせることができる。例えばヨウ素化合物や染料を含有させた高分子材料を特定方向に延伸することによって得た偏光膜を平行平板の基板上に接着したものであってもよい。偏光子３５の偏光軸は、－ｘ方向と＋ｙ方向との間に設定され、－ｘ方向に対しても＋ｙ方向に対しても４５°をなしている。偏光子３５の偏光軸は、偏光復帰部３６又はファイバＦＯに入射させる偏光Ｐ０の偏光方向に対して４５°傾いている。

図１（Ａ）等を参照して、フィルタ装置３０の動作について説明する。図１（Ａ）は、フィルタ装置３０に比較的小さな応力を付与し、所定の波長λ_０において透過率が極大化する構成例である。図１（Ｂ）は、フィルタ装置３０に比較的大きな応力を付与し、図１（Ａ）の場合とは異なる所定の波長λ_１において透過率が極大化する構成例である。図２は、フィルタ装置３０に比較的大きな応力を付与し、所定の波長λ_０において透過率が極小化する構成例である。なお、波長λ_０は波長λ_１より小さいとしている。図中において、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の前後に描かれたサイン波形Ｅ１は、第１偏光成分Ｐ１の電場の振動を示し、サイン波形Ｅ２は、第２偏光成分Ｐ２の電場の振動を示す。

図１（Ａ）及び１（Ｂ）の場合、偏光Ｐ０がフィルタ装置３０の右側から入射する。フィルタ装置３０の入口に接続されるファイバＦＯを通過する偏光Ｐ０は、速軸方向すなわちｘ方向に平行な偏光面を有している。フィルタ装置３０の入口、つまり、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の入射端３１ａでは、偏光分岐部３４により、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の入射端３１ａのｘ軸がファイバＦＯのｘ軸に対して４５°回転しているため、偏光ＰＯの偏光方向は、＋ｘ方向と＋ｙ方向との間に偏光面を有している。フィルタ用偏波保持ファイバ３１に入射する偏光Ｐ０は、偏光分岐部３４により、第１偏光成分Ｐ１及び第２偏光成分Ｐ２に分岐される。第１偏光成分Ｐ１は、速軸方向すなわち＋ｘ方向に平行となり、第２偏光成分Ｐ２は、遅軸方向すなわち＋ｙ方向に平行となり、第１偏光成分Ｐ１と第２偏光成分Ｐ２とは直交する。図１（Ａ）及び１（Ｂ）の構成例では、所定の波長λ_０，λ_１の光において、ストレッチャ３２での応力調整によりフィルタ装置３０の透過率が極大となっており、偏光Ｐ０が偏光子３５を通過し、導光する。具体的には、第１偏光成分Ｐ１と第２偏光成分Ｐ２とは、応力付与部３１ｃを通過することで、位相がｍλ_０＋λ_０／２又はｍλ₁＋λ₁／２ずれる。ここで、ｍは自然数である。つまり、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の出射側の第１偏光成分Ｐ１は、入射側と同じ＋ｘ方向に平行となっている。一方、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の出射側の第２偏光成分Ｐ２は、＋ｙ方向を基準として、入射側に対して時計方向に１８０°回転し、－ｙ方向に平行となっている。結果的に、応力付与部３１ｃを通過した直線偏光Ｐ０は、ｙ軸に対して９０°反転させた状態となり、＋ｘ方向と－ｙ方向との間に偏光面を有している。応力付与部３１ｃ通過後の直線偏光Ｐ０は、偏光子３５に入射する。入射した直線偏光Ｐ０の偏光方向は、偏光子３５の偏光軸と一致しており、偏光子３５を低損失で通過する。フィルタ装置３０の出口、つまり、ファイバＦＯでは、偏光復帰部３６により、ファイバＦＯのｘ軸がフィルタ用偏波保持ファイバ３１の出射端３１ｂのｘ軸に対して－４５°回転しているため、フィルタ用偏波保持ファイバ３１及び偏光子３５を通過した偏光Ｐｍの偏光方向は、＋ｙ方向に平行な偏光面を有している。

図２の場合、図１（Ａ）に対応する波長λ_０の光において、ストレッチャ３２での応力調整によりフィルタ装置３０の透過率が極小となっており、偏光Ｐ０が偏光子３５を通過せず、遮断される。具体的には、第１偏光成分Ｐ１と第２偏光成分Ｐ２とは、応力付与部３１ｃを通過することで、位相がｍλ_０＋λ_０ずれる。つまり、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の出射側の第１偏光成分Ｐ１は、入射側と同じ＋ｘ方向に平行となっている。また、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の出射側の第２偏光成分Ｐ２は、入射側と同じ＋ｙ方向に平行となっている。結果的に、応力付与部３１ｃを通過した直線偏光Ｐ０は、ストレッチャ３２に入射する直線偏光Ｐ０と同じように、＋ｘ方向と＋ｙ方向との間に偏光面を有している。応力付与部３１ｃ通過後の直線偏光Ｐ０の偏光方向は、偏光子３５の偏光軸と異なり、偏光子３５を通過しない。

図５は、フィルタ装置３０の透過率の特性を説明する図である。フィルタ装置３０により、所定の波長において、透過率が極大となる。

フィルタ装置３０が前提とするリオットフィルタは、偏光コントローラ、複屈折材料、及び偏光子で構成されるものである。本実施形態のフィルタ装置３０において、偏光分岐部３４及び偏光復帰部３６は、固定偏光コントローラとして機能する。フィルタ用偏波保持ファイバ３１は、複屈折材料として機能する。フィルタ装置３０は、波長に依存する周期フィルタであり、リオットフィルタの機能は以下の式で定義される。
ＦＳＲ＝Δλ≒λ^２／Δｎ×Ｌ
ここで、ＦＳＲは、共振周波数間隔であり、λは波長であり、Δｎはフィルタ用偏波保持ファイバ３１の複屈折率の値（具体的には、ファイバの遅軸の屈折率と速軸の屈折率との差）であり、Ｌは複屈折材料、つまりフィルタ用偏波保持ファイバ３１の長さである。フィルタ装置３０の周期的なフィルタの性質により、ＦＳＲのわずかな変動が大きな透過率ピークシフトを引き起こす。したがって、上記の式において、Δｎの値を微調整することにより、出力波長可変特性を達成することができ、波長掃引を実現できる。

図６（Ａ）は、フィルタ装置３０の透過率ピークシフトを説明する図であり、図６（Ｂ）は、応力に対するフィルタ装置３０の出力波長を説明する図である。フィルタ装置３０は、ストレッチャ３２がかけた応力によって透過率のピークが移動する。つまり、位相ずれが発生する波長が変化する。フィルタ装置３０のフィルタ効果の強度は、偏光分岐部３４及び偏光復帰部３６におけるファイバＦＯとフィルタ用偏波保持ファイバ３１との融着角度（４５°基準）によって決定される。つまり、フィルタ装置３０における透過率の極値、つまり最小位相ずれ（例えば、ゼロ）及び最大位相ずれの透過率は、応力の強度によって変化しない。ただし、一定の大きさの位相ずれが発生する場所（波長）は変化する。なお、フィルタ効果は、融着角度を変更することによって調整することができる。

図６（Ａ）において、実線Ｍ１は、フィルタ装置３０に第１応力Ｓ_０が付与され、応力が最小、具体的には、初期値又はゼロの場合の波長と透過率との関係を示し、破線Ｍ２は、フィルタ装置３０に第２応力が付与され、応力がＳ_０＋δＳの場合の波長と透過率との関係を示し、一点鎖線Ｍ３は、フィルタ装置３０に第３応力が付与され、応力がＳ_０＋２δＳの場合の波長と透過率との関係を示す。図６（Ａ）の例では、青色領域、緑色領域、赤色領域において、透過率のピークがそれぞれシフトしているが、以下では、主に青色領域について説明し、他の領域についても同様の原理とする。

青色領域において、応力Ｓ_０の場合、透過率が極大となる波長は、図１（Ａ）に例示す波長λ_０に対応する。応力Ｓ_０＋δＳの場合、透過率が極大となる波長は、図１（Ｂ）に示す波長λ_１に対応する。応力Ｓ_０＋２δＳの場合、透過率が極大となる波長は、波長λ_２に対応する。応力Ｓ_０からδＳずつ増やすと、フィルタ装置３０の特性曲線は、第１応力Ｓ_０に対応する曲線から第２応力に対応する曲線及び第３応力に対応する曲線に順次変化する。この場合、波長λ_０の光に関しては、透過率は、例えば１００％から５０％、５０％から０％に変化する。一方、波長λ_１の光に関しては、透過率は、例えば０％から５０％、５０％から１００％に変化する。図６（Ｂ）に示すように、応力が増加すると、透過率のピークがシフトして出力波長が長くなる。

以上のように、フィルタ装置３０に応力をかける場合、フィルタ装置３０の透過率のピークが移動する。具体的には、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の応力付与部３１ｃに応力をかける際には、ストレッチャ３２により、最小ひずみ（ゼロひずみ）から最大ひずみまでに対応して、透過率のピークが連続的に移動する。つまり、特定波長の光に対して、応力強度によって、透過率は連続的に変化する。換言すれば、一定の応力強度に対して、波長によって透過率が異なる。

本実施形態のフィルタ装置３０を用いた波長調整は、応力付与部３１ｃにストレッチャ３２を用いて所定応力を付与して応力付与部３１ｃの複屈折率の値Δｎを変化させ、ＦＳＲ（共振周波数間隔）を変化させることによって行うことができる。

フィルタ装置３０において、応力を調整することにより、応力付与部３１ｃのひずみを制御する。Δｎの値はファイバの変形の影響を受けるため、上述のように引張ひずみを利用して、複屈折率の値Δｎを微調整する。Δｎを微調整することにより、フィルタ装置３０の出力波長を調整することができる。

フィルタ装置３０において、ひずみ（Strain）は、ΔＬ／Ｌで定義される。Ｌはフィルタ用偏波保持ファイバ３１のうち応力付与部３１ｃの長さであり、ΔＬは応力を付与したときの応力付与部３１ｃの長さの変化量である。例えば、ファイバが１ｍから１．１ｍに伸びる場合、ひずみは、０．１である。ファイバ長さの１マイクロひずみΔＬ／Ｌは、１０^－６である。偏波保持ファイバの複屈折率のひずみ係数は、１０^－８／μεのオーダーである。ここで、μεは、マイクロひずみ（micro strain）を意味する。一方、標準偏波保持ファイバの場合、複屈折率の値、つまりもともとの複屈折率の値は１０^－４のオーダーである。したがって、ファイバ長さの１マイクロひずみΔＬ／Ｌ（１０^－６）は、１０^－８／１０^－４＝１０^－４のオーダーの複屈折率変化を与えることができる。具体的には、一般的な複屈折率を１．６×１０^－４とした場合、変化量は、１．６×１０^－８である。すなわち、複屈折率の変化量をΔ（Δｎ）として、１マイクロひずみによって誘起されるひずみ変化Δ（Δｎ）／Δｎは、１０^－４のオーダーである。これは、ひずみ変化量Δ（Δｎ）／Δｎのオーダーと１マイクロひずみΔＬ／Ｌのオーダーとの比において、１０^－４／１０^－６となり、約１００倍の倍率制御関係となる。したがって、従来のリオットフィルタの複屈折材料の温度や長さを変化させて波長を調整する手法と比較すると、上記倍率制御関係を前提として、波長掃引速度は数百倍になり、共振器に及ぼす影響を２桁変化させることができる。さらに、後述する全偏波保持ファイバで構成される共振器と波形発生器３８で制御されるストレッチャ３２とを使用することによって、ｋＨｚオーダーの波長掃引速度とさまざまなチューニングモードとを備えた安定性と実用性があるフェムト秒パルスレーザを実現できる。つまり、本実施形態のフィルタ装置３０を全偏波保持ファイバで構成される共振器に組み込むことによって、高安定性、低コスト、及び実用性を持つ波長掃引モード同期レーザを実現できる。また、周期性ファイバリオットフィルタとひずみ制御に構成される１００倍以上の倍率制御関係とによって、高速波長掃引ができる。

以上で説明したフィルタ装置では、ストレッチャ３２によりフィルタ用偏波保持ファイバ３１の応力付与部３１ｃに付与する応力を調整することにより、応力付与部３１ｃにおける引張ひずみを調整する。これにより、応力付与部３１ｃの複屈折の変化量を調整することができ、特定波長の光の透過性を高めるチューニングを行うことができる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の波長可変レーザについて説明する。なお、第２実施形態の波長可変レーザは、第１実施形態のフィルタ装置を組み込んだものである。

図７は、波長可変レーザ１００の構成を説明する概念図である。図７に示すように、波長可変レーザ１００は、受動モード同期レーザであり、共振器１０と、光増幅部２０と、フィルタ装置３０と、透過調整部４０と、アイソレータ付カプラ５０とを備える。波長可変レーザ１００は、偏波保持型のリング状の共振器１０に、光増幅部２０、フィルタ装置３０、透過調整部４０、及びアイソレータ付カプラ５０を融着等によって接合したものである。

波長可変レーザ１００のうち、共振器１０は、光ファイバ１１によってリング状に形成されている。光ファイバ１１は、偏波保持型の光ファイバ（ＰＭＦ：Polarization Maintaining Fiber）である。

フィルタ装置３０は、偏光分岐部３４及び偏光復帰部３６によるスプライス接続で共振器１０の光ファイバ１１の光路上に挿入されている。偏光分岐部３４及び偏光復帰部３６は、励起光源２１ａから出力される励起光ＰＬについて偏光方向の回転を可能にしている。フィルタ装置３０は、図１（Ａ）等に例示する構造と同様の構造を有する。

光増幅部２０は、共振器１０に付随して共振器１０中に配置され、光供給部２１と、ゲインファイバ２２とを有する。

光供給部２１は、励起光源２１ａと、合波部２２ｂとを有する。光供給部２１は、共振器１０に一方向から偏光Ｐ０の励起光ＰＬを供給する。偏光Ｐ０すなわち励起光ＰＬは、第１周回方向（具体的には共振器１０のループの時計方向）に伝搬する。励起光源２１ａは、例えば半導体レーザで構成され、例えば波長９８０ｎｍの励起光ＰＬを出力する。合波部２２ｂは、アイソレータ付カプラ５０の一部であり、共振器１０において例えば波長１５５０ｎｍの光が伝搬し周回することを妨げないものとなっている。光供給部２１から共振器１０に導入された励起光ＰＬは、ゲインファイバ２２であるドープファイバに添加されたドーパントを励起し、出力用の共振光の波長での誘導放出を可能にする。

ゲインファイバ２２は、共振器１０中に配置される光利得部である。ゲインファイバ２２は、共振器１０を構成する光ファイバ１１にインラインで接続される。ゲインファイバ２２は、増幅機能を備えるようにドープされた偏波保持型の光ファイバである。具体的には、ゲインファイバ２２は、例えばエルビウム（Ｅｒ）等の希土類元素を添加したドープファイバであり、共振器１０を時計回りに周回する周回光Ｂ１を増幅する。

フィルタ装置３０は、図１（Ａ）等に示すものと同様の構成を有し、応力に依存するフィルタ効果により、特定波長の光に調整する。図７の例では、フィルタ装置３０の偏光子３５は、アイソレータ付カプラ５０の一部となっている。フィルタ装置３０において、ストレッチャ３２の動作は、波形発生器３８による周期的な電圧の変動によって制御される。ストレッチャ３２は、出力パルスの中心波長を掃引するために使用される。

透過調整部４０は、共振器１０中に配置され、非線形に透過率が変化する可飽和吸収特性によって超短パルスの生成を可能にし、モードロック出力を形成する。透過調整部４０は、可飽和吸収体４０ａを光路上に配置したものである。可飽和吸収体４０ａとしては、カーボンナノチューブ等を用いることができる。

アイソレータ付カプラ５０は、速軸成分ブロック偏波保持波長分割多重カプラ（ＰＭ－ＩＷＤＭ）であり、アイソレータ、波長分割多重カプラ、偏光子、及び５０％の出力カプラとして機能する。アイソレータ付カプラ５０のうち波長分割多重カプラは、光供給部２１の合波部２２ｂに対応する。偏光子は、図１（Ａ）に示すフィルタ装置３０の偏光子３５に対応する。アイソレータは、共振器１０内において、一方向のみに偏光Ｐ０又は偏光Ｐｍを透過させる。出力カプラは、共振器１０から一部の偏光Ｐ０又は偏光Ｐｍを取り出す。出力カプラは、出力ポート５１ａを有し、共振器１０に結合されている。出力カプラの出力ポート５１ａから偏光Ｐ０のパルス光として出力光ＢＯが出力される。

フィルタ装置３０において、偏光分岐部３４及び偏光復帰部３６のフィルタ用偏波保持ファイバ３１との融着ポイント間のフィルタ用偏波保持ファイバ３１の長さ、つまり２つの４５°スプライス間のファイバの長さは、リオットフィルタに対応するフィルタ装置３０の長さを決定するために、例えば０．２１ｍに設定されている。共振器１０を構成する偏波保持型の光ファイバ１１は、例えば２．５ｍであり、ゲインファイバ２２は、例えば１ｍである。共振器１０のキャビティ長は、例えば５．５ｍである。フィルタ装置３０のＦＳＲが影響を受けないようにするため、フィルタ装置３０とアイソレータ付カプラ５０との間の光ファイバ１１は中央で切断され、偏光直交部３７において、例えば９０°の角度で融着接続される。偏光直交部３７は、接続ファイバ１１ａの速軸を９０°傾斜させたスプライスである。具体的には、フィルタ装置３０とアイソレータ付カプラ５０との間の光ファイバ１１（以下、接続ファイバ１１ａとする）の長さを２Ｌとした場合に、接続ファイバ１１ａの半分の長さＬで２分割し、フィルタ装置３０側の第１ファイバ１１ｂの端部とアイソレータ付カプラ５０側の第２ファイバ１１ｃの端部とにおいて接続ファイバ１１ａの速軸を９０°傾斜させたスプライスで接続する。これにより、共振器１０の光ファイバ１１においてウォークオフを補正している。

図８は、図７に示す波長可変レーザ１００の出力光ＢＯの光スペクトルを示すチャートである。図９は、出力光ＢＯの出力パルスの中心波長と波形発生器３８の出力電圧との関係示すチャートである。

波形発生器３８のオフセットとピーク電圧とは、１．６Ｖと５．９Ｖとにそれぞれ設定されており、１つの波長掃引サイクルに対応している。電圧ののこぎり波を利用してフィルタ装置３０のストレッチャ３２の動作を制御し、応力付与部３１ｃの応力を調整することにより、図８に示す調整可能な光スペクトルが得られる。図示の例の波長可変レーザ１００の掃引周波数は、例えば、光スペクトラムアナライザの速度によって制限される１０Ｈｚである。図９に示すように、出力パルスの中心波長は、波形発生器３８の電圧を１．５～６Ｖの範囲で変化させた場合、１５４３ｎｍから１５６８ｎｍまで単調かつ直線的にシフトする。波形発生器３８の電圧とレーザの中心波長とは、線形、つまり相関関係があり、波長調整の制御が容易である。

図８に示すように、各サイクルにおいて、電圧が増加すると、出力波長は紙面の左から右（短波長から長波長へ）に掃引される。そして、１サイクルが終わると、出力波長は左へ飛び戻る。

以上説明した波長可変レーザ１００において、リオットフィルタに相当する、ひずみ制御されるフィルタ装置３０を組み込むことにより、透過性について波長調整が可能となっている。フィルタ装置３０による波長調整は、従来の複屈折材料の温度や長さを変化させる波長調整よりも約１００倍効率的である。この制御システムを利用することにより、１５４３ｎｍから１５６８ｎｍまでの２５ｎｍの広いチューニング範囲と線形チューニング関係とを備えた全偏波保持フェムト秒パルスモード同期レーザを実現できる。シンプルな偏波保持ファイバ構造により、出力は非常に安定する。また、ストレッチャ３２が共振周波数で動作する場合、ｋＨｚオーダーの波長掃引フェムト秒パルスレーザの結果を達成することができる。

本発明の応用として、例えば誘導ラマン散乱顕微鏡（以下、ＳＲＳ顕微鏡）に利用される波長掃引モード同期レーザを想定している。従来の顕微鏡では、蛍光染料を用いてたんぱく質等の高分子を染色する。そのため、小分子を検出することができず、分子レベルの生命活動を深く理解することが困難である。さらに、蛍光染料は細胞の活動に影響が出ることもある。ＳＲＳ顕微鏡は、分子の振動を検出することができる。ＳＲＳ顕微鏡は、他の顕微鏡アプローチと比較して、ラベルフリー検出、小分子検出、リアルタイムイメージング等、いくつかの利点を持っている。様々な種類の物質を捕捉してリアルタイムイメージングを実現するには、ＳＲＳ顕微鏡用の波長可変パルスレーザ光源にいくつかの要件、例えば、（ｉ）効率的な信号生成のためのフェムト秒パルス幅、（ｉｉ）０．８～１．５μｍの近赤外波長領域、（ｉｉｉ）長期安定で再現性のある動作、（ｉｖ）実用的なシステムの小型化、（ｖ）高速波長調整可能性がある。従来の波長掃引レーザでは、掃引速度が遅く、不安定性であるという問題があり、ＳＲＳ顕微鏡への実用性は低い。本実施形態の波長可変レーザ１００を適用することで、高安定性かつ高波長掃引速度が確保できる。さらに、全偏波保持ファイバの設計によって、構成が簡単となり、価格を低く抑えることができる。本実施形態のレーザにおいて、利得媒質、ファイバの長さ、波形発生器のモード等を変えると、様々な波長掃引範囲、モードを実現することができる。よって、ＳＲＳ顕微鏡への実用と産業化も可能になる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の波長可変レーザについて説明する。なお、第３実施形態の波長可変レーザは、第１実施形態のフィルタ装置を組み込んだものである。また、第３実施形態の波長可変レーザは、第２実施形態の波長可変レーザを変形したものであり、特に説明しない事項は第２実施形態と同様である。

図１０は、第３実施形態の波長可変レーザ１００の構成を説明する概念図である。図１０に示すように、波長可変レーザ１００は、受動モード同期レーザであり、１つのフィルタ装置３０を２つの共振器１０，１１０で兼用する構成となっている。すなわち、フィルタ装置３０は、共同ストレッチャとなっており、２つの共振器１０，１１０においてそれぞれの応力付与部３１ｃを同時制御することができる。波長可変レーザ１００は、第１共振器１０と第２共振器１１０とを有している。第１共振器１０は、図７に示す共振器１０と同様のものである。第２共振器１１０に接続される光増幅部２０、透過調整部４０、及びアイソレータ付カプラ５０は、図７に示す共振器１０に接続される光増幅部２０、透過調整部４０、及びアイソレータ付カプラ５０と同様の構成及び機能を有する。

第３実施形態では、第１共振器１０中の光増幅部２０のゲインファイバ２２と、第２共振器１１０中の光増幅部２０のゲインファイバ１２２とは、異なる希土類元素を添加したドープファイバとなっている。具体的には、第１共振器１０中の光増幅部２０のゲインファイバ２２は、エルビウム（Ｅｒ）を添加したドープファイバであり、第２共振器１１０中の光増幅部２０のゲインファイバ１２２は、イッテルビウム（Ｙｂ）を添加したドープファイバである。

第１共振器１０は、ゲインファイバ２２について例えばエルビウム（Ｅｒ）を添加したドープファイバを用いて、１５００ｎｍ波長範囲で動作する。第２共振器１１０は、ゲインファイバ１２２について例えばイッテルビウム（Ｙｂ）を添加したドープファイバを用いて、１０００ｎｍ波長範囲で動作する。

本実施形態の波長可変レーザ１００は、２つの共振器１０，１１０を有することにより、デュアル出力レーザ又はデュアルコムレーザとして利用することができる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態のフィルタ装置について説明する。なお、第４実施形態のフィルタ装置は、第１実施形態のフィルタ装置を変形したものであり、特に説明しない事項は第１実施形態と同様である。

本実施形態のフィルタ装置３０では、複数の応力付与部３１ｃを有している。例えば、図１１に示すように、ストレッチャ３２において、フィルタ用偏波保持ファイバ３１の巻き取り数が異なるように応力付与部３１ｃを複数形成する。

また、図示は省略するが、ストレッチャ３２を複数設けて、各ストレッチャ３２において、各応力付与部３１ｃの応力を調整してもよい。例えば、各応力付与部３１ｃでフィルタ用偏波保持ファイバ３１の巻き取り数を同じにし、各ストレッチャ３２で応力が異なるように調整したり、各応力付与部３１ｃでフィルタ用偏波保持ファイバ３１の巻き取り数を異なるようにし、各ストレッチャ３２で応力を調整したりする。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。

第２実施形態において、ストレッチャ３２を特定の応力に固定すれば、波長可変レーザ１００をデュアルコムモードとして２つの波長で発振させることができる。具体的には、図８に示す境界状態で、図１２に示す二重波長モード同期が得られる。二重波長モード同期の場合、例えば、ゲイン調整や波長特性フィルタによって、２つのピークの高さを調整する。図８に示すシングルスイープモードと図１２に示すデュアルコムモードとを切り替えることで、波長可変レーザ１００を２つのモードで利用することができ、高速切り替えが可能である。

上記実施形態において、透過調整部４０は、偏波依存を持たせることができる。例えば、透過調整部４０に偏光Ｐ０に適合する透過特性を持たせることができる。

また、上記実施形態において、共振器１０が光ファイバ１１を含む構成であるとしたが、波長可変レーザ１００は、光ファイバを用いない他の導波路式光デバイスにも適通用することができる。導波路式光デバイスとしては、例えば、ＰＬＣ（Photonics Lightwave Circuits）、シリコンフォトニクス導波路（Silicon Photonics Waveguides）、半導体式導波路（ＩｎＰ、ＧａＡｓ、ＩｎＧａＡｓＰ等）が挙げられる。

１０，１１０…共振器、１１…光ファイバ、１１ａ…接続ファイバ、２０…光増幅部、２１…光供給部、２１ａ…励起光源、２２，１２２…ゲインファイバ、２２ｂ…合波部、３０…フィルタ装置、３１…フィルタ用偏波保持ファイバ、３１ａ…入射端、３１ｂ…出射端、３１ｃ…応力付与部、３２…ストレッチャ、３２ａ…ＰＺＴ素子、３２ｂ…ファイバ収納部、３２ｃ…溝、３４…偏光分岐部、３５…偏光子、３６…偏光復帰部、３７…偏光直交部、３８…波形発生器、４０…透過調整部、４０ａ…可飽和吸収体、５０…アイソレータ付カプラ、５１ａ…出力ポート、１００…波長可変レーザ、ＡＸ…光軸、Ｂ１…周回光、ＢＯ…出力光、ＦＯ…ファイバ、Ｐ０，Ｐｍ…偏光、Ｐ１，Ｐ２…偏光成分、ＰＬ…励起光

Claims (7)

1. 偏波保持ファイバと、
   前記偏波保持ファイバのうち応力付与部に付与する応力を調整するストレッチャと、
   前記ストレッチャの出射側に配置される偏光子と、
   を備えるフィルタ装置。
2. 前記ストレッチャの入射側に配置され、偏光を分岐させる偏光分岐部と、
   前記ストレッチャの出射側に配置され、前記ストレッチャを通過した前記偏光を復帰させる偏光復帰部と、
   をさらに備える、請求項１に記載のフィルタ装置。
3. 前記偏光分岐部は、前記偏波保持ファイバの速軸を４５°傾斜させたスプライスであり、前記偏光復帰部は、前記偏波保持ファイバの速軸を－４５°傾斜させたスプライスである、請求項２に記載のフィルタ装置。
4. 前記偏波保持ファイバは、ＰＡＮＤＡファイバ及びボウタイ型ファイバのいずれか一方である、請求項１に記載のフィルタ装置。
5. 偏波保持型のリング状の共振器と、
   前記共振器中に配置される光利得部と、
   前記共振器に周回方向に伝搬するように偏光を供給する光供給部と、
   請求項１～４のいずれか一項に記載のフィルタ装置と、
   を備える波長可変レーザ。
6. 前記共振器中に配置された透過調整部をさらに備え、
   受動型のモード同期動作を行うモード同期レーザである、請求項５に記載の波長可変レーザ。
7. 偏波保持ファイバのうち応力付与部に付与する応力を調整するストレッチャと、前記ストレッチャの出射側に配置される偏光子とを備えるフィルタ装置において、前記応力付与部に所定応力を付与し、共振周波数間隔を変化させる波長調整方法。

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