JP5326426B2

JP5326426B2 - 光源装置

Info

Publication number: JP5326426B2
Application number: JP2008214185A
Authority: JP
Inventors: 稔樹樽
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2008-08-22
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2028-08-22
Also published as: JP2010049089A

Description

本発明は、光ファイバにおいて発現する非線形光学現象を利用して広帯域光を発生する光源装置に関するものである。

高いパワーの光が光ファイバを導波する間に該光ファイバにおいて非線形光学現象が発現し、この非線形光学現象に因り帯域が拡大された広帯域光（スーパーコンティニューム光、以下「ＳＣ光」という。）が発生することが知られている。このようなＳＣ光を発生する光源装置としては、非特許文献１〜３に記載されたものが知られている。

非特許文献１に記載された光源装置は、Ｑスイッチマイクロチップレーザ光源から出力される波長１μｍ帯のサブｎｓパルスレーザ光をフォトニッククリスタルファイバ（ＰＣＦ）に入力させて、このＰＣＦにおいてＳＣ光を発生させる。この光源装置は、モードロックレーザ光源のような高価なポンプ光源を使わずとも容易に広帯域ＳＣ光を得ることができる。この光源装置では、広帯域ＳＣを発生させるためＰＣＦの波長分散を最適化している。具体的には、ＰＣＦの零分散波長を約１０４０ｎｍとし、僅かに異常分散となる帯域である１０６４ｎｍのポンプ光をＰＣＦに入射させる。

非特許文献２に記載された光源装置は、波長１μｍ帯でパルス幅２ｎｓのパルスレーザ光を光通信用の標準的なＧｅ添加コアのシングルモード光ファイバ（標準ＳＭＦ）に入力させて、この標準ＳＭＦにおいてＳＣ光を発生させる。また、この文献には、そのＳＣ光のスペクトルが記載されている。

非特許文献３に記載された光源装置は、波長１μｍ帯でパルス幅数ｐｓのパルスレーザ光を標準ＳＭＦに入力させて、この標準ＳＭＦにおいてＳＣ光を発生させる。また、この文献にも、そのＳＣ光のスペクトルが記載されている。
W. J. Wadsworth, et al. "Supercontinuum and four-wave mixing with Q-switchedpulses in endlessly single-mode photonic crystal fibres", OPTICS EXPRESS,Vol.12, No.2, pp.299-309 (2004) S. V. Chernikov, et al, "Supercontinuum self-Q-switched ytterbiumfiber laser", OPTICS LETTERS, Vol.22, No.5, pp.298-300 (1997) R. S. Watt, et al, "Generation of supercontinuum radiation inconventional single-mode fibre and its application to broadband absorption spectroscopy",Appl. Phys., B90, pp.47-53 (2008)

非特許文献１に記載された光源装置で用いられているＰＣＦは、ファイバ軸方向に延在する多数の孔が形成された特殊な断面構造を有するものである。このＰＣＦは、ファイバ軸方向に延在する多数の孔における水分の侵入やゴミの付着を防止するために、端面を封止する処理をすることが必要となる。また、ＳＣ光発生の為にＰＣＦの零分散波長を合わせ込む必要がある。このように、ＰＣＦは、製造が難しく、製造コストが高い。それ故、非特許文献１に記載された光源装置は高価である。さらに、ＰＣＦのコアが小さいのでポンプ光の結合が難しい。

非特許文献２，３に記載された光源装置では、短波長側が０.７μｍまで及ぶＳＣ光が例示されているが、ＳＣ光強度の平坦性や発生効率が良くない。このように、安価な標準ＳＭＦは、波長１μｍ帯では正常分散となるので、ＰＣＦのような広帯域かつ平坦性に優れるＳＣ光が得られない。

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、広帯域かつ平坦性に優れるＳＣ光を発生することが可能で安価な構成とすることができる光源装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光源装置は、(1) 中心波長が１０６４ｎｍ帯であるパルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源と、(2) コアが純シリカからなり、クラッドがＦ元素添加のシリカガラスからなり、基底モードの零分散波長が１.３μｍより短く波長１０６４ｎｍ帯で正常分散であり、パルスレーザ光源から出力されるパルスレーザ光を入力端に入力して、そのパルスレーザ光が導波する間に発現する非線形光学現象に因り帯域が拡大された広帯域光を出力端から出力する光ファイバと、を備えることを特徴とする。

この光源装置では、パルスレーザ光源から出力されるパルスレーザ光は、光ファイバの入力端に入力されて、光ファイバを導波する。そのパルスレーザ光が光ファイバを導波する間に該光ファイバにおいて非線形光学現象が発現し、その非線形光学現象に因り帯域が拡大された広帯域光が光ファイバの出力端から出力される。本発明では、広帯域光を発生させるための光ファイバは、コアが純シリカからなり、クラッドがＦ元素添加のシリカガラスからなり、基底モードの零分散波長が１.３μｍより短く波長１０６４ｎｍ帯で正常分散である。これにより、この光源装置は、広帯域かつ平坦性に優れるＳＣ光を発生することが可能で、安価な構成とすることができる。

本発明に係る光源装置では、光ファイバの長さが３０ｍ以上１０００ｍ以下であるのが好適であり、この場合には、標準ＳＭＦを用いる場合と比較して帯域の拡がりや平坦性に優れるＳＣ光を発生することができる。光ファイバの長さが２００ｍ以上５００ｍ以下であるのが好適であり、この場合には、短波長側帯域の強度および平坦性に優れるＳＣ光を発生することができる。また、光ファイバの長さが３０ｍ以上１００ｍ以下であるのが好適であり、この場合には、波長１.１〜１.３μｍ帯の平坦性に優れるＳＣ光を発生することができる。

本発明に係る光源装置では、パルスレーザ光源は、パルス幅が０.１〜１０ｎｓであってパルスピーク強度が５ｋＷ以上であるパルスレーザ光を出力し、平均パワーが５０ｍＷより大きいパルスレーザ光を光ファイバの入力端に入力させるのが好適である。この場合には、充分な帯域および強度を有するＳＣ光を発生することができる。

本発明に係る光源装置は、広帯域かつ平坦性に優れるＳＣ光を発生することが可能で、安価な構成とすることができる。

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。

図１は、本実施形態に係る光源装置１の構成図である。この図に示される光源装置１は、パルスレーザ光源１０、ミラー２０、ミラー３０、結合レンズ４０および光ファイバ５０を備える。なお、この図には、光ファイバ５０の出力端５２から出力される光のスペクトルを測定するためのスペクトラムアナライザ６０も示されている。

本実施形態では、パルスレーザ光源１０は、中心波長が１０６４ｎｍ帯であるパルスレーザ光（ポンプ光）を出力する。光ファイバ５０は、コアが純シリカからなり、クラッドがＦ元素添加のシリカガラスからなり、基底モードの零分散波長が１.３μｍより短い。光ファイバ５０は、パルスレーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光を入力端５１に入力して、そのパルスレーザ光が導波する間に発現する非線形光学現象に因り帯域が拡大された広帯域光（ＳＣ光）を出力端５２から出力する。

この光源装置１では、パルスレーザ光源１０から出力されたパルスレーザ光は、ミラー２０およびミラー３０により反射された後、結合レンズ４０により光ファイバ５０の入力端５１に集光される。入力端５１に入力されたパルスレーザ光が光ファイバ５０を導波する間に、その光ファイバ５０において非線形光学現象が発現し、その非線形光学現象に因り帯域が拡大された広帯域光（ＳＣ光）が発生し光ファイバ５０の出力端５２から出力される。光ファイバ５０の出力端５２から出力されるＳＣ光は、スペクトラムアナライザ６０に入力されてスペクトルが測定される。

光源装置１の具体的構成を以下のとおりとして実験を行った。パルスレーザ光源１０として、１０６４ｎｍで発振するＱスイッチレーザ（Arctic Photonics社製のＭＱＯレーザ光源）を用いた。このパルスレーザ光源１０から出力されるパルスレーザ光は、パルス幅が約１.５ｎｓであり、パルスエネルギーが１５μＪであり、繰り返し周波数が３０ｋＨｚであった。光ファイバ５０の入力端５１の位置にカロリーメータを配置して、光ファイバ５０への結合前のレーザ光平均パワーを該カロリーメータで測定したところ、その平均パワーは約１７５ｍＷであった。また、測定結果から光ファイバ５０への結合効率は５５％前後であるので、光ファイバ５０には入射直後で約９５ｍＷの平均パワーが結合された。

本実施形態における光ファイバ５０として住友電工(株)製のＺファイバ^TM （ＩＴＵ-Ｔ規格Ｇ.６５４.Ｂ準拠の純シリカコアＳＭＦ、以下「ファイバＡ」と呼ぶ。）を用いた。また、比較例として、光ファイバ５０に替えて同社製の標準ＳＭＦ（ＩＴＵ-Ｔ規格Ｇ.６５２.Ｂ準拠のＧｅ添加コアＳＭＦ、以下「ファイバＢ」と呼ぶ。）を用いた。図２は、ファイバＡ，Ｂそれぞれの主な特性を纏めた図表である。

ＳＣ光発生のために非線形光学現象を光ファイバにおいて発現させる上で重要な特性は光ファイバの波長分散特性である。ファイバＡ，Ｂは共に、ＰＣＦと異なり、ポンプ光の波長では正常分散となる。細かく見ると、ファイバＡのような構造を持つＧ.６５４準拠のカットオフシフトファイバでは零分散波長が１.３μｍ未満であるが、ファイバＢに代表されるＧ,６５２準拠のファイバでは零分散波長が１.３００〜１.３２４μｍの範囲にあり、ファイバＡ，Ｂは零分散波長の点で僅かに異なる。

スペクトラムアナライザ６０としてANDO製のＡＱ-６３１５Ａを用いた。測定時のスペクトラムアナライザ６０の波長解像度を５ｎｍに設定した。

以上のような具体的構成を有する光源装置１を用いて種々の実験を行った。その結果を図３〜図５に示す。

図３は、ファイバＡ，Ｂそれぞれを用いた場合におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。ファイバＡ，Ｂそれぞれの長さを１０００ｍとした。何れの場合にも、光ファイバから出力されるＳＣ光のスペクトルは、短波長側では波長７００ｎｍ付近まで拡がっており、長波長側ではスペクトラムアナライザ６０の測定レンジ（〜１７５０ｎｍ）を超えるところまで拡がっている。更に長波長側まで測定可能な他のスペクトラムアナライザを用いて確認したところ、ＳＣ光のスペクトルは約２０５０ｎｍ付近まで拡がっていた。

なお、波長８１０ｎｍに見られるピークは、パルスレーザ光源１０内のレーザ発振用の残留ポンプ光であり、非線形効果によりゲインを受けていると考えられる。波長８１０ｎｍ帯の光を遮断するフィルタを通した後の波長１０６４ｎｍポンプ光を光ファイバに結合させても、ＳＣ光の拡がりや強度には影響を与えない。また、この図で波長６００ｎｍおよび波長１０００ｎｍそれぞれに見られるスペクトルの段差は、スペクトラムアナライザ６０のレンジ切替による見かけ上のものであり、これら波長では本質的なスペクトルは連続している。

非特許文献２に示されたＳＣ光のスペクトルの波形と図３とを比較すると、帯域および平坦性の何れの点でも本実施形態の方が良好であり、本実施形態に係る光源装置１は広帯域光源としての性能に優れている。また、ファイバＡとファイバＢとを比較すると、短波長側帯域の拡がり及び平坦性に関して、ファイバＡの方がファイバＢより優れている。これらの差が生じる要因は詳しくは判っていないが、パルスレーザ光源１０が全く同じであることから、ファイバＡ，Ｂの何らかのパラメータの差によって発生していると考えられる。

本実施形態に係る光源装置１で用いられる光ファイバ５０は、コアが純シリカからなり、クラッドがＦ元素添加のシリカガラスからなり、基底モードの零分散波長が１.３μｍより短い。本実施形態に係る光源装置１は、ＰＣＦを用いる従来の光源装置と比べて、安価な構成で０.７μｍ〜２.０５μｍの帯域に及ぶ広帯域かつ平坦性に優れるＳＣ光を発生することが可能である。

図４は、ファイバＡを用いた場合におけるＳＣ光のスペクトルの長さ依存性を示す図である。ファイバＡの長さを、２０ｍ、３０ｍ、５０ｍ、１００ｍ、２００ｍ、５００ｍ、１０００ｍ、４６００ｍそれぞれとした。この図から、ＳＣ光の発生効率（出射強度）および平坦性に関してファイバＡの最適な長さが存在することがわかる。まず、長さ５０ｍ〜５００ｍのファイバＡを用いた場合において、ＳＣ光の強度および平坦性の何れについても良い結果が得られていることが判る。

長さ１０００ｍのファイバＡを用いた場合は、長さ５０〜５００ｍのファイバＡを用いた場合と比べて、ＳＣ光の強度は落ちているが、平坦性は遜色がない。長さ３０ｍのファイバＡを用いた場合では、ＳＣ光の短波長側の帯域が８５０ｎｍ付近からとなっており帯域が狭くなっているが、強度については長さ５０ｍ〜５００ｍのファイバＡを用いた場合と遜色がない。

さらに詳細に見ると、長さ２００ｍ以上のファイバＡを用いた場合では、誘導ラマン散乱（ＳＲＳ）の影響（１.１〜１.３μｍ付近に見られる複数のピーク）がＳＣ光のスペクトルに現れており、この部分で平坦性が若干劣っている。この観点では、長さ１００ｍや５０ｍのファイバＡを用いるのが好ましい。一方、短波長端近くの波長７５０ｎｍ近辺のＳＣ光の強度に関しては、長さ２００ｍと５００ｍのファイバＡを用いた場合が他の場合より優れている。これらの結果より目的に応じて長さを調整するのが好ましいことが解る。

光源装置１の小型化という観点では、ＳＣ光が同じ強度および平坦性であれば、ファイバ長が短い方がコンパクトに装置を構成することかできるので好ましい。勿論、光源装置１が更に短波長側の帯域を犠牲にしても構わない用途であれば、ファイバ長はもっと短くてもよい。例えば長さ３０ｍまたは２０ｍであってもＳＣ光が平坦な帯域が充分に存在するので、光源として利用することができる。この場合、装置をさらにコンパクトにできるメリットがある。

図５は、ファイバＡを用いた場合におけるＳＣ光のスペクトルのポンプ光パワー依存性を示す図である。ここでは、透過率が異なるＮＤフィルタをミラー３０と結合レンズ４０との間に設置し、光ファイバ５０の入力端５１に入力されるポンプ光のパワーを変更して、ＳＣ光のポンプ光パワー依存性を調査した。光ファイバ５０に結合したポンプ光のパワーを、５０ｍＷ、６８ｍＷ、８０ｍＷ、９３ｍＷそれぞれとした。この図から、ポンプ光パワーの低下はＳＣ光の短波長帯域の強度の低下をもたらしていることが解る。ポンプ光パワーが５０ｍＷまで低下すると、ＳＣ光の短波長側帯域が狭くなり、ＳＣ光のスペクトル全体の強度も低下している。この結果から、ポンプ光パワーが５０ｍＷより大きい場合に充分なＳＣ光が得られることが判る。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、パルスレーザ光源１０としてファイバレーザ光源が用いられてもよい。パルスレーザ光源１０も光ファイバで構成されるので、全ファイバ型の光源装置を構成することができる。また、この場合、パルスレーザ光源１０から出力されるポンプ光を光ファイバへ入力させる際の空間光軸調整の必要がないので、より振動などの外部環境変化に対して安定な光源装置を構成することができ、また、結合効率の点でも優れる。ｎｓパルスレーザ光を発生させるパルスレーザ光源１０の例として、例えば非特許文献２のfig３に記載されている共振構造を持つものも使用され得る。或いは、ｎｓパルスレーザ光を種光としたＭＯＰＡ構成のファイバレーザ光源であっても同様の光源装置を実現することができる。

本実施形態に係る光源装置１の構成図である。ファイバＡ，Ｂそれぞれの主な特性を纏めた図表である。ファイバＡ，Ｂそれぞれを用いた場合におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。ファイバＡを用いた場合におけるＳＣ光のスペクトルの長さ依存性を示す図である。ファイバＡを用いた場合におけるＳＣ光のスペクトルのポンプ光パワー依存性を示す図である。

符号の説明

１…光源装置、１０…パルスレーザ光源、２０，３０…ミラー、４０…結合レンズ、５０…光ファイバ、５１…入力端、５２…出力端、６０…スペクトラムアナライザ。

Claims

中心波長が１０６４ｎｍ帯であるパルスレーザ光を出力するパルスレーザ光源と、
コアが純シリカからなり、クラッドがＦ元素添加のシリカガラスからなり、基底モードの零分散波長が１.３μｍより短く波長１０６４ｎｍ帯で正常分散であり、前記パルスレーザ光源から出力されるパルスレーザ光を入力端に入力して、そのパルスレーザ光が導波する間に発現する非線形光学現象に因り帯域が拡大された広帯域光を出力端から出力する光ファイバと、
を備えることを特徴とする光源装置。
前記光ファイバの長さが３０ｍ以上１０００ｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記光ファイバの長さが２００ｍ以上５００ｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
前記光ファイバの長さが３０ｍ以上１００ｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
前記パルスレーザ光源は、パルス幅が０.１〜１０ｎｓであってパルスピーク強度が５ｋＷ以上であるパルスレーザ光を出力し、平均パワーが５０ｍＷより大きいパルスレーザ光を前記光ファイバの入力端に入力させる、ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。