JP4752856B2

JP4752856B2 - 広帯域光源

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Publication number: JP4752856B2
Application number: JP2008066316A
Authority: JP
Inventors: 拓志永島; 稔樹樽
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2028-03-14
Also published as: JP2009222908A

Description

本発明は、広帯域光を出力する広帯域光源に関するものである。

広帯域光を出力する広帯域光源として、特許文献１，２に開示されたものが知られている。これらの文献に記載された広帯域光源は、光ファイバに種光を導波させて非線形光学現象を発現させ、この非線形光学現象に因り帯域が拡大されたスーパーコンティニューム光（Supercontinuum光、以下「ＳＣ光」という。）を該光ファイバにおいて発生させる。
特開平６-２９１３９８号公報特開２００７-１４７６６３号公報

用途によっては、広帯域光は不要の帯域が除去されて所望の帯域に限られることが要求される場合がある。上記のような従来の広帯域光源では、所望の帯域のＳＣ光を出力する為に、光フィルタを用いて帯域を制限している。それ故、光フィルタが設けられた従来の広帯域光源は、エネルギー利用効率が低く、また、より装置規模が大きくなる。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、エネルギー効率が優れ小型化が可能な広帯域光源を提供することを目的とする。

本発明に係る広帯域光源は、(1) 導波帯域および遮断帯域を有し、導波帯域に含まれる波長の種光が入力され、この入力された種光の導波に伴い非線形光学現象により帯域が拡大された光を発生させて出力する光ファイバと、(2) 光ファイバに入力されるべき種光を出力する光源部と、を備える。この光ファイバが、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを有する。クラッド領域が、ファイバ軸に垂直な断面において２次元周期構造を有してファイバ軸に沿って略同一形状である屈折率分布を有する。２次元周期構造が、バックグラウンドとなる固体材料からなる低屈折率領域と、この低屈折率領域の屈折率より高い屈折率を有する材料からなる高屈折率領域とからなる。コア領域が、２次元周期構造の断面の中央部にある欠陥からなり、２次元周期構造を形成する材料のうち最も高い屈折率より低い屈折率を有する材料からなる。また、導波帯域および遮断帯域が２次元周期構造に由来し、導波帯域にゼロ分散波長を有する。

また、本発明に係る広帯域光源では、光ファイバが、導波帯域として第１導波帯域および第２導波帯域を有し、光源部が、第１導波帯域に含まれる波長であって光ファイバに入力されるべき種光を出力するとともに、第２導波帯域に含まれる波長であって光ファイバに入力されるべき種光を出力するのが好適である。

本発明に係る広帯域光源は、エネルギー効率が優れ、小型化が可能である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

（第１実施形態）

先ず、本発明に係る広帯域光源の第１実施形態について説明する。図１は、第１実施形態に係る広帯域光源１の構成を示す図である。この図に示される広帯域光源１は、光源部１０Ａおよび光ファイバ２０を備え、光源部１０Ａから出力される種光を光ファイバ２０に導波させて非線形光学現象を発現させ、この非線形光学現象に因り帯域が拡大されたＳＣ光を光ファイバ２０において発生させて出力する。

光源部１０Ａは、光ファイバ２０に入力されるべき種光を出力する。この光源部１０Ａは、種類については特に限定されないが、例えば、チタン・サファイア・レーザ光源（波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ以下）、光パラメトリック増幅器（波長１５００ｎｍ、パルス幅２６０ｆｓ以下）およびＹＡＧレーザ光源（波長１０６４ｎｍ、パルス幅６ｎｓ）などが好適に用いられ得る。光源部１０Ａから出力される種光は、光ファイバ２０のゼロ分散波長の付近の波長であって、光ファイバ２０内で非線形光学現象を生じさせ得るパワーを有する。

光ファイバ２０は、フォトニック結晶ファイバであって、導波帯域および遮断帯域を有し、導波帯域に含まれる波長の種光が入力され、この入力された種光の導波に伴い非線形光学現象により帯域が拡大された光を発生させる。図２は、第１実施形態に係る広帯域光源１に含まれる光ファイバ２０の断面の一例を示す図である。この図は、光ファイバ２０のファイバ軸に垂直な断面を示している。

この光ファイバ２０は、コア領域２１と、このコア領域２１を取り囲むクラッド領域２２とを有する。クラッド領域２２は、ファイバ軸に垂直な断面において２次元周期構造を有してファイバ軸に沿って略同一形状である屈折率分布を有する。この２次元周期構造は、バックグラウンドとなる略均一の屈折率を有する固体材料からなる低屈折率領域２３と、この低屈折率領域２３の屈折率より高い屈折率を有する材料からなる高屈折率領域２４とからなる。高屈折率領域２４は、図示のとおり、２次元三角格子の各格子点上に配置されている。格子点の間の距離は周期と呼ばれる。コア領域２１は、２次元周期構造の断面の中央部にある欠陥からなり、２次元周期構造を形成する材料のうち最も高い屈折率より低い屈折率を有する材料からなる。光ファイバ２０の導波帯域および遮断帯域は２次元周期構造に由来し、光ファイバ２０は導波帯域にゼロ分散波長を有する。

導波帯域に含まれる波長の光は、光ファイバ２０のコア領域２１により導波されてファイバ軸方向に沿って進むことができる。一方、遮断帯域に含まれる波長の光は、光ファイバ２０のファイバ軸に沿って進む際の損失が大きい。導波帯域と遮断帯域とでは、導波光の損失の差が３ｄＢ以上ある。屈折率差は公知の方法を用いて作製される。例えば低屈折率領域２３は純シリカガラスまたは純シリカガラスにＦ，Ｂ，Ｃｌ等の元素を添加したシリカガラスを用いることができる。また、高屈折率領域２４は、Ｇｅ，Ｃｌ，Ｔｉ，Ａｌ等の元素を添加したシリカガラスを用いることができる。

図３は、第１実施形態に係る広帯域光源１に含まれる光ファイバ２０の透過特性の一例を示す図である。ここでは、純シリカガラスの屈折率を基準として、低屈折率領域２３の比屈折率差を０.０％とし、高屈折率領域２４の比屈折率差を３％とした。高屈折率領域２４の径を３.６μｍとし、高屈折率領域２４を周期５.７μｍで三角格子状に配置して、その周期構造の欠陥を中心に設けてコア領域２１とした。この図に示されるように、光ファイバ２０は導波帯域と遮断帯域とを交互に有する。

図４は、第１実施形態に係る広帯域光源１に含まれる光ファイバ２０の透過特性および分散特性を模式的に示す図である。この図に示されるように、光ファイバ２０は、各々の導波帯域においてゼロ分散波長を有する。

光ファイバ２０の諸特性は、低屈折率領域２３および高屈折率領域２４それぞれの屈折率、ならびに、高屈折率領域２４の径や配置の周期、等によって決定される。光ファイバ２０の全損失は、屈折率の２次元周期構造に由来する不連続な透過波形に、曲げ損失や材料損失が加わったものとなる。またフォトニックバンドギャップ効果によって光が導波される場合は、閉じ込め損も含まれる。図３は、光ファイバ２０を略直線状とした場合の透過特性の一例である。ＳＣ光発生の効率の点では、コア領域２１が中実であることが望ましい。また、光ファイバ２０が全て固体材料からなる場合、中空のファイバに比べて製造が容易である。またフォトニックバンドギャップ効果によって光が導波される場合、ゼロ分散波長を含む導波帯域が容易に複数得られるので、波長帯域の選択が可能となる。

このような光ファイバ２０に種光が入力されると、この光ファイバ２０においてＳＣ光が発生する。このとき得られるＳＣ光の帯域は、光ファイバ２０の導波帯域によって制限される。本実施形態に係る広帯域光源１では、ＳＣ光発生と波長フィルタリングとが同時に行われるので、導波帯域のＳＣ光の発生効率を改善することができる。また、白色光を光ファイバ２０内で発生させることから、白色ランプなどに比べて光の集光が容易である。

図５は、従来の広帯域光源から出力されるＳＣ光のスペクトルと対比して、第１実施形態に係る広帯域光源１から出力されるＳＣ光のスペクトルを説明する図である。従来の広帯域光源から出力されるＳＣ光は、光ファイバから出力される光の帯域Ａが光フィルタにより帯域Ｂに狭められたものとなる。これに対して、第１実施形態に係る広帯域光源１から出力されるＳＣ光は、光ファイバ２０の導波帯域Ｃに限られ、しかも、エネルギー効率が優れていて、単位帯域幅当たりのパワーが従来技術と比較して大きい。

光ファイバ２０の一つの具体例は以下のとおりである。低屈折率領域２３の比屈折率差が−０.７％であり、高屈折率領域２４の比屈折率差が２％であり、高屈折率領域２４の径が６.７μｍであり、高屈折率領域２４が周期１１.４μｍで三角格子状に配置される。コアは２次元周期構造中央部の高屈折率構造を１つ取り除くことによって形成される。このような光ファイバ２０は、光通信帯域のＥバンドからＳバンドまでを含む導波帯域を有し、波長１.５５μｍ付近にゼロ分散波長を有する。したがって、光源部１０Ａから波長１.５５μｍ付近の種光を出力し、この種光を光ファイバ２０に入力させることで、ＥバンドからＳバンドまでを含む導波帯域に限られた帯域を有するＳＣ光を光ファイバ２０において発生させることができる。

光ファイバ２０の他の具体例は以下のとおりである。低屈折率領域２３の比屈折率差が０.０％であり、高屈折率領域２４の比屈折率差が３％であり、高屈折率領域２４の径が３.６μｍであり、高屈折率領域２４が周期５.７μｍで三角格子状に配置される。このとき屈折率領域２４の外径と周期構造の周期との比は、０．６となる。コアは２次元周期構造中央部の高屈折率構造を１つ取り除くことによって形成される。図６は、この光ファイバ２０の透過特性を示す図である。この図には、光ファイバ２０を略直線状とした場合の透過特性が示されるとともに、光ファイバ２０を曲げ径６０ｍｍφで巻いた場合の透過特性が示されている。この図に示されるように、ピーク強度に対して−３ｄＢ以上となる導波帯域幅は、光ファイバ２０を略直線状とした場合には１４９ｎｍであるのに対して、光ファイバ２０を曲げ径６０ｍｍφで巻いた場合には１４３ｎｍであって、曲げ径６０ｍｍφの曲げに因る導波帯域幅の減少は１０ｎｍ以下となる。また、曲げ径６０ｍｍφの曲げに因る損失は１.５ｄＢ以下である。このように高屈折率領域２４の外径と周期構造の周期との比が０.６以上である光ファイバ２０を用いると、ＳＣ光の強度や導波帯域幅を殆ど損なうことなく、装置の小型化が可能となる。

光ファイバ２０の更に他の具体例は以下のとおりである。低屈折率領域２３の比屈折率差が０.０％であり、高屈折率領域２４の比屈折率差が３％であり、高屈折率領域２４の径が４.７μｍであり、高屈折率領域２４が周期７.５μｍで三角格子状に配置される。図７は、この光ファイバ２０の透過特性を示す図である。この図には、光ファイバ２０を曲げ径２２ｍｍφで巻いた場合の透過特性が示されるとともに、光ファイバ２０を曲げ径４０ｍｍφで巻いた場合の透過特性が示されている。この図に示されるように、曲げ径を４０ｍｍΦから２２ｍｍΦにすることで、導波帯域幅は５０ｎｍだけ小さくなる。このことを利用すると、導波帯域幅の調整が可能である。このように光ファイバ２０の導波帯域幅を調整することで、所望の帯域幅のパワーをより一層向上させることが可能となる。

以上のとおり、本実施形態に係る広帯域光源１は、光ファイバ２０において導波帯域に限られた波長域のＳＣ光を発生させるので、これとは別に光フィルタを設ける必要がない。したがって、本実施形態に係る広帯域光源１は、エネルギー効率が優れ、小型化が可能である。所望の光が光ファイバ２０から直接得られるので、光源の取り回しが容易である。光ファイバ２０は全てまたは大部分が固体材料からなるので、ホーリーファイバに比べて作製が容易である。

（第２実施形態）

次に、本発明に係る広帯域光源の第２実施形態について説明する。図８は、第２実施形態に係る広帯域光源２の構成を示す図である。この図に示される広帯域光源２は、光源部１０Ｂおよび光ファイバ２０を備え、光源部１０Ｂから出力される種光を光ファイバ２０に導波させて非線形光学現象を発現させ、この非線形光学現象に因り帯域が拡大されたＳＣ光を光ファイバ２０において発生させて出力する。

特に第２実施形態では、光ファイバ２０は、導波帯域として第１導波帯域および第２導波帯域を有する。また、光源部１０Ｂは、第１導波帯域に含まれる波長であって光ファイバ２０に入力されるべき種光を出力するとともに、第２導波帯域に含まれる波長であって光ファイバ２０に入力されるべき種光を出力する。

光源部１０Ｂは、Ｎ個の光源１１_１〜１１_Ｎおよび光合波部１２を含む。ここで、Ｎは２以上の整数であり、また、以下に登場するｎは１以上Ｎ以下の各整数である。Ｎ個の光源１１_１〜１１_Ｎそれぞれは、光ファイバ２０に入力されるべき種光を出力する。Ｎ個の光源１１_１〜１１_Ｎそれぞれは、種類については特に限定されないが、例えば、チタン・サファイア・レーザ光源（波長８００ｎｍ、パルス幅１００ｆｓ以下）、光パラメトリック増幅器（波長１５００ｎｍ、パルス幅２６０ｆｓ以下）およびＹＡＧレーザ光源（波長１０６４ｎｍ、パルス幅６ｎｓ）などが好適に用いられ得る。Ｎ個の光源１１_１〜１１_Ｎそれぞれから出力される種光は、光ファイバ２０の何れかの導波帯域内のゼロ分散波長の付近の波長であって、光ファイバ２０内で非線形光学現象を生じさせ得るパワーを有する。光合波部１２は、Ｎ個の光源１１_１〜１１_Ｎそれぞれから出力された種光を合波して、その合波した光を光ファイバ２０の一端に入力させる。

光ファイバ２０の一つの具体例は以下のとおりである。低屈折率領域２３の比屈折率差が−０.７％であり、高屈折率領域２４の比屈折率差が２％であり、高屈折率領域２４の径が４.１μｍであり、高屈折率領域２４が周期６.８μｍで三角格子状に配置される。このような光ファイバ２０は、０.６μｍ〜１.１μｍの帯域内で０.７８μｍを境に２つの導波帯域を有する。このような光ファイバ２０と、２つのゼロ分散波長付近の種光を発生する２つの光源１１_１，１１_２とを組み合わせる。このとき光ファイバ２０に入力させる種光の波長を選択することで、一方または双方の導波帯域に対応するＳＣ光を得ることができる。

この第２実施形態に係る広帯域光源２も、第１実施形態に係る広帯域光源１と同様の効果を奏することができる。また、第２実施形態に係る広帯域光源２は、６５０ｎｍ〜７６０ｎｍの帯域と８２０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長帯域のみを選択してパワーを増大させてＳＣ光を出力することができるので、例えば特開２００３-２７９４１２号公報に開示されているような波長域７００ｎｍ〜１１００ｎｍの光を用いた液体試料の分析を行う際に実用上有益である。

第１実施形態に係る広帯域光源１の構成を示す図である。第１実施形態に係る広帯域光源１に含まれる光ファイバ２０の断面を示す図である。第１実施形態に係る広帯域光源１に含まれる光ファイバ２０の透過特性の一例を示す図である。第１実施形態に係る広帯域光源１に含まれる光ファイバ２０の透過特性および分散特性を模式的に示す図である。従来の広帯域光源から出力されるＳＣ光のスペクトルと対比して、第１実施形態に係る広帯域光源１から出力されるＳＣ光のスペクトルを説明する図である。第１実施形態に係る広帯域光源１に含まれる光ファイバ２０の透過特性の一例を示す図である。第１実施形態に係る広帯域光源１に含まれる光ファイバ２０の透過特性の一例を示す図である。第２実施形態に係る広帯域光源２の構成を示す図である。

符号の説明

１，２…広帯域光源、１０Ａ，１０Ｂ…光源部、２０…光ファイバ、２１…コア領域、２２…クラッド領域、２３…低屈折率領域、２４…高屈折率領域。

Claims

導波帯域および遮断帯域を有し、前記導波帯域に含まれる波長の種光が入力され、この入力された種光の導波に伴い非線形光学現象により帯域が拡大された光を発生させて出力する光ファイバと、
前記光ファイバに入力されるべき種光を出力する光源部と、
を備え、
前記光ファイバが、コア領域と、このコア領域を取り囲むクラッド領域とを有し、
前記クラッド領域が、ファイバ軸に垂直な断面において２次元周期構造を有してファイバ軸に沿って略同一形状である屈折率分布を有し、
前記２次元周期構造が、バックグラウンドとなる固体材料からなる低屈折率領域と、この低屈折率領域の屈折率より高い屈折率を有する材料からなる高屈折率領域とからなり、
前記コア領域が、前記２次元周期構造の前記断面の中央部にある欠陥からなり、前記２次元周期構造を形成する材料のうち最も高い屈折率より低い屈折率を有する材料からなり、
前記導波帯域および前記遮断帯域が前記２次元周期構造に由来し、前記導波帯域にゼロ分散波長を有する、
ことを特徴とする広帯域光源。
前記光ファイバが、前記導波帯域として第１導波帯域および第２導波帯域を有し、
前記光源部が、前記第１導波帯域に含まれる波長であって前記光ファイバに入力されるべき種光を出力するとともに、前記第２導波帯域に含まれる波長であって前記光ファイバに入力されるべき種光を出力する、
ことを特徴とする請求項１記載の広帯域光源。