JP3616817B2 - 光ファイバー光源 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
光通信に使用される光学部品の光学特性を検査するための検査装置の光源に関し、特に広帯域であると共に、空間的なコヒーレンスの高い光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信に使用される光学部品の光学特性を検査するための検査装置の光源として、従来例えば、図５の光源Ａ、図７の光源Ｂが使用されている。図５中、１は光通信帯域用の単一モード光ファイバー、５は同ファイバーの出力端面、６は光出力、７はコア、１０はクラッド、１１は白色電球、１１Ａはフィラメント、１２は白色光、１３は集光レンズを表す。図７中、７Ａは蛍光原子を含むコア、１４は蛍光性光ファイバー、１５は融着部、１６は励起用半導体レーザー、１７は励起光を表す。
【０００３】
図５の光源Ａは白色電球１１の白色光１２をレンズ１３により単一モード光ファイバー１に集光、入射して単一モード光ファイバーから光源の出力光６を取り出すものである。この方式では光源出力は、白色電球のフラットで広いスペクトルが利用できるものの、光ファイバー出力としての光強度は弱い。図６に示すように、単一モード光ファイバー１では、半径ｒのコア７にある固有の入射角θ_ｍａｘ以内で入射する光のみがコア内を伝搬可能となる。レンズ１３内の光線追跡を行うと、フィラメント１１Ａ上の半径Ｒの有効領域から発し、集光角φ_ｍａｘ以内に放出された光がコアに入射することが分かる。
【０００４】
これらのパラメータ間には
ｒｔａｎθ_ｍａｘ ＝ Ｒｔａｎφ_ｍａｘ ＝ ｃｏｎｓｔａｎｔ
の関係が成り立っている。Ｒ，φ_ｍａｘはともに大きいほど光量は増加するが、半径Ｒを大きくすると集光角φ_ｍａｘは小さくなり、集光角φ_ｍａｘを大きくすると半径Ｒは小さくなり、両者を同時に増加させる方法はない。従って、光量を増やすためにはフィラメントの温度を高める以外に方法はなく、ワット数の大きな電球を使用してもコアに入射しない無駄な光を増やすだけであった。
【０００５】
図７（ａ）の従来光源Ｂは、空間的な単一モードを維持して、より強い光出力の得られる光源である。コア７Ａには赤外光を発光するために希土類イオンが含まれ、ファイバー外から別の半導体レーザー１６などにより光励起することによりコア７Ａを発光させている。蛍光性光ファイバー１４のコア７Ａで発光した励起光１７は、直接に単一モード光ファイバー１のコア７に導入され、コア７端面から光は取り出される。この形式の光源では、強い出力光を得ることができるが、光のスペクトルはコアに含まれる発光原子に依存しており、一般に狭いスペクトルしか得られない。
【０００６】
図７（ｂ）は光源Ｂの代表的な製品におけるスペクトルを示している。縦軸は単位波長当たりの光強度で、強度を１ｍＷ基準にしたデシベルで表している。光源Ｂのスペクトルは半値全幅でせいぜい５０ ｎｍ程度であり、１．３〜１．６μｍの通信帯を光源Ｂのスペクトルで全てカバーするには光源Ｂを多数設ける必要がある。また、光源Ａ、光源Ｂのどちらにおいても高価であるという欠点がある。光源Ａでは、レンズをミクロンオーダーで位置決めするためのステージを必要とし、光源Ｂでは、希土類原子のドープされた特殊な光ファイバーを多種類必要とする。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
光通信で使用される波長領域は１．３〜１．６ミクロン全域に亘ることが予想されている。そこで使用される光部品の開発、検査のためには、広い波長領域にわたってフラットな強度を持ち、また、光ファイバー等に入射可能な空間的に単一モードの光源が必要とされる。近年、光通信は波長多重により通信容量が格段に増加しており、今後このような光源の需要が高まることが予想される。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明は単一モード光ファイバー自体を熱して得られる広い波長範囲の黒体輻射光を出力光とする光源を提供する。
光ファイバーのコア内を伝搬する黒体輻射光は光ファイバーの有する固有の横モード構造によって選択されるため、自動的に高い空間コヒーレンスを有する。単一モード光ファイバーは近紫外から近赤外領域にわたって透明体であるため、加熱部分の個々の点から発した黒体輻射光の総和を出力として利用することができる。そのため、加熱する長さを長くすれば、空間コヒーレンスの低下なしに光量は増加する。近年の光ファイバーでは１ｋｍの伝搬でも殆ど損失がないため、長いファイバーを利用することにより長距離でも充分に強い光強度を有する光源を得ることも可能である。本発明は、従来の光源のように集光用の光学部品などの必要とせず、全く無調整で、光源部から直接単一モード光ファイバーを介して光を得ることができる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明を、図１ないし図３を参照して実施例について説明する。
図１は本発明の実施例における光源の概念図を示す。図中、１は単一モード光ファイバー、２はアルミナ製の碍子管、３はアルミナ製の碍子管２に複数巻回した電熱線、４は電熱線３の温度をコントロールするための可変電圧電源、８は石英コアの黒体輻射光を表す。碍子管２は、単一モード光ファイバー１を均等に熱するためと、高熱の光ファイバーを直線状に保持するために用いている。
【００１０】
碍子管２の周りには電熱線３が複数回巻回されており、碍子管２を均等に熱する。光ファイバー１は碍子管２内を複数回回通され、加熱により単一モード光ファイバー１の両端面５Ａ，５Ｂから出力光６Ａ，６Ｂを得る。図１の実施例では、１．３ないし１．５ミクロン帯用の単一モード光ファイバー、長さ８ｃｍ、直径２ｍｍのアルミナ碍子管、市販の３００Ｗニクロム線を用いた。
【００１１】
図１（ｂ）には本発明の光源の原理を示す。単一モード光ファイバーのコア８を加熱することによりコア７が発光する黒体輻射をそのまま利用する。さらに光ファイバーの特徴として、コア内で発生した光のうちで、光ファイバーに固有の横モードに合致した黒体輻射光のみが伝搬可能であるため、自動的に空間的なモードが制御されるところに特徴がある。そのため、空間コヒーレンスを乱す成分、すなわち、コア内で発生した固有モード以外の光やクラッドで発生した光は出力されることはない。
【００１２】
また、熱せられたコアの各点から放出される黒体輻射は全くランダムであるため干渉せず、出力は単純に各点からの出力の和となる。そのため、伝搬損失の極めて小さい（＜ｄＢ／ｋｍ）光ファイバーでは、加熱する部分の長さを十分に長くすることで、光強度を高めることが出来る。もう一つの利点として、基本的に光ファイバーとヒーターのみの構成であるため、非常に安価な光源となることである。
【００１３】
図２は、図１の実施例の光出力をフォトダイオードで検出した光スペクトルを示す。縦軸は単位波長当たりの光強度を強度に比例した任意単位で表している。電熱線３には６０Ｖを印加しており、このときの光ファイバー温度は熱電対の測定により摂氏約１２００度である。受光器にはＩｎＧａＡｓフォトダイオードを用いているため、波長９００〜１６５０ｎｍの出力が観測されている。
【００１４】
摂氏１２００度の黒体輻射から予想されるスペクトルは２μｍにピークを持ち、短波側は急速に減衰し、長波側は緩やかに減衰する。図２で、長波側に急激な減衰が見られるのは受光器の感度特性のためであり、実際には緩やかな減衰が存在する（図中の点線）と考えられる。また、１２００ｎｍ付近に見られる段差構造は、光ファイバーのカットオフによるものであり、この波長よりも長波側では単一モード、短波側では複数のモードが存在するためにモード数分だけ強度が増加していると考えられる。以上の結果から、図１の光源は、１．３ミクロン帯から１．５ミクロン帯までの通信波長帯域を充分カバーできる単一モード光源として実現できる。
【００１５】
図３は、加熱されたファイバー長に対する出力光強度の変化特性を示す。図１に示すように、光ファイバーを碍子管に通す回数によって容易に加熱する長さが変えられる。図中の数字は光ファイバーの碍子管内回通数を表す。図３に示すように、光ファイバーの加熱された長さにほぼ比例して光強度が増加していることを示している。ファイバー長５６ｃｍ、摂氏約１２００度の加熱において、９００〜１６５０ｎｍまでの光強度は、一つの出力端から２０ｎＷを得ることができた。
【００１６】
この光ファイバーでは、１．３〜１．５ミクロンにおける損失が１ｄＢ／ｋｍ以下であるため、１００ｍ程度の長さのファイバーを加熱すれば、４μＷ程度の強度を得ることが可能と考えられる。また、二つの出力の一端面に反射鏡を貼り付けて光を反射させれば（図１（ｃ））、もう一端面の出力より２倍の出力光を得ることができる。
【００１７】
図４は、出力端面５Ａ，５Ｂにおける近視野像を顕微鏡により撮影した像を示す。光ファイバー中心のコアのみから均一な光が射出されているのが分かる。ただし、撮影にはＣＣＤカメラを用いているため、図２のスペクトル中の１μｍ近傍の光のみが捕らえられている。そのため、多モード構造に由来するドーナツ状の高次の横モード構造がわずかに認められる。
【００１８】
摂氏１２００度の理想黒体からの輻射光のスペクトルピークは２μｍとなり、その半値全幅が１μｍ以上に及ぶことは古くから理論的に証明されており、光ファイバーの加熱においてもこのようなスペクトルを有する光が得られる。又このような加熱に対して石英製の単一モード光ファイバーは形状を維持するだけの耐熱性を持っている。ただし、数百時間の長時間の使用においては、コア部の屈折率を制御するためにドープされたゲルマニウムの拡散によりコア断面が幾分広がることが報告されているが、光は冷却された単一モード光ファイバー部分より取り出されるので、横モード構造はこの部分で最終的に選択、または変換されて一定の空間モードにて出力される。従って、経時変化による空間コヒーレンスへの影響は無いと考えられる。
【００１９】
光通信分野では、光ファイバーなどの光学部品の光学特性を検査するために広帯域の光源と共に、空間的なコヒーレンスの高い光源が必要とされる。本発明はこのような用途のための光源として最適な性能を有している。また、市販の光ファイバーでも充分使用可能である。
【００２０】
【発明の効果】
従来技術において用いられている光ファイバー光源は複雑であり、得られる光量や波長範囲に制限がある割には製造に手間がかかり、また非常に高価なものである。本発明の装置では安価な光ファイバー、碍子管、電熱線を用いた非常に簡単な構造であるために、安価で大量生産も容易である。また、光ファイバーの加熱部分を多くすることにより光強度の増強が可能であるため、設置場所も選ばず、利用しやすい効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光ファイバー光源例の模式図を示す。
【図２】図１の光源の光ファイバーを摂氏１２００度に加熱した場合の出力光をフォトダイオードで測定したスペクトルを示す図である。
【図３】図１の加熱されている光ファイバーの長さに対する出力強度を示す図である。
【図４】図１のファイバー出力端の近視野顕微鏡像を示す写真である。
【図５】従来の光源Ａを概念的に示す図である。
【図６】従来の光源Ａの特性を説明する図である。
【図７】従来の光源Ｂを概念的に示す図である。
【符号の説明】
１ 単一モード光ファイバー
２ アルミナ碍子管
３ 電熱線
４ 可変電圧電源
１０ 反射鏡

Claims (4)

1. 光通信で使用される波長領域を有する単一モード光ファイバーを加熱して該単一モード光ファイバーのコア開口端から横単一モードの黒体輻射光を取り出すことを特徴とする光ファイバー光源。
2. 加熱線を外周に巻回した碍子管と、該碍子管内部に通過する光通信で使用される波長領域を有する単一モード光ファイバーとを具備し、前記碍子管内の前記単一モード光ファイバーを加熱して、該単一モード光ファイバーのコア開口端から横単一モードの黒体輻射光を取り出すことを特徴とする光ファイバー光源。
3. 前記光通信で使用される波長領域を有する単一モード光ファイバーを碍子管内部に複数回回通させることを特徴とする請求項２記載の光ファイバー光源。
4. 前記光通信で使用される波長領域を有する単一モード光ファイバーの一端面に鏡を設け、他端面から横単一モードの黒体輻射光を取り出すことを特徴とする請求項２又は請求項３のいずれか記載の光ファイバー光源。

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