JP6682826B2

JP6682826B2 - 光ファイバおよび光源装置

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Publication number: JP6682826B2
Application number: JP2015231627A
Authority: JP
Inventors: 義典山本; 平野　正晃; 正晃平野; 欣章田村
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2020-04-15
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: US10451787B2; DK3173830T3; US20170153375A1; JP2017097270A; EP3173830B1; EP3173830A1; CN106908893B; CN106908893A

Description

本発明は、光ファイバおよび光源装置に関するものである。

ピコ秒やフェムト秒の短パルス光、ナノ秒程度のパルス光または連続光などの高強度な光が光ファイバなどの非線形媒質を伝搬する際、その非線形媒質において発現する非線形光学現象によって帯域が拡大された広帯域光が発生することが知られている。この現象によって得られた広帯域光はスーパーコンティニューム（Supercontinuum: ＳＣ）光と呼ばれる。ＳＣ光は、広帯域、高出力およびスペクトル平坦といった特長を有することから、光計測や近赤外分光などへの応用が期待されている。

非特許文献１には、非線形光学現象を発現させる光ファイバとしてフォトニック結晶ファイバ（Photonic crystal fiber: ＰＣＦ）を用いてＳＣ光を発生させた結果が記載されている。しかし、ＰＣＦは、ファイバ断面内に軸方向に延在する複数の空孔が形成された特殊な構造を有しており、製造コストが高いという問題がある。

そこで、石英ガラスをベースとして屈折率の高いコアと屈折率の低いクラッドとを有する高非線形光ファイバを用いてＳＣ光を発生させた報告が数多くなされている（例えば特許文献１，２）。この高非線形光ファイバは、空孔を有していない中実のものであり、構造がシンプルである。

しかし、従来の高非線形光ファイバを用いる技術では、２４００ｎｍ以上の長波長および８５０ｎｍ以下の短波長にまでＳＣ光の帯域を拡大することは困難であった。長波長側については、２４００ｎｍ以上では、石英ガラスの持つ赤外吸収により種光の強度が減衰してしまい、非線形光学現象を発現させることができないからである。

一方、ＳＣ光が発生する最短波長は、群屈折率が、ＳＣ発生帯域の最長波長における群屈折率と整合するときの波長で決定される。光ファイバ中を伝搬する光の群屈折率は、ある波長（ゼロ分散波長）において最小となり、それより短波長および長波長の両方で増加する。したがって、石英ガラスの赤外吸収によって決まる最長波長と群屈折率が整合する波長を短くして、ＳＣ光の帯域を短波長側に広げるためには、光ファイバのゼロ分散波長をできるだけ短波長にすることが有効である。特許文献１に記載された光ファイバのゼロ分散波長は１３５０〜１５７０ｎｍである。特許文献２に記載された光ファイバのゼロ分散波長は１２８４ｎｍである。

特開２００７−２７９７０４号公報特開２０１０−４９０８９号公報

W.J. Wadsworth, et al, "Supercontinuumand four-wave mixing with Q-switched pulses in endlessly single-mode photoniccrystal fibres," OPTICS EXPRESS, Vol.12, No.2, pp.299-309 （26 January 2004）

ＳＣ光の短波長側の帯域を拡大するには、光ファイバのゼロ分散波長は、短くすることが望まれ、特許文献１に記載された光ファイバのゼロ分散波長１３５０〜１５７０ｎｍより更に短いことが望まれる。特許文献２に記載された光ファイバは、特許文献１に記載された光ファイバのゼロ分散波長より短いゼロ分散波長を有する。

しかし、特許文献２に記載された光ファイバは、コアが純シリカガラスであり、かつ、波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径が１０μｍ程度と大きく、非線形性が小さい。それ故、この光ファイバは、ＳＣ光を効率よく発生させることができず、数十ｍ〜１ｋｍ程度の長さが必要であった。

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、従来よりゼロ分散波長が短く且つ非線形性が高くて広帯域なＳＣ光を高効率に発生させることができる光ファイバ、および、この光ファイバを用いて広帯域なＳＣ光を出力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。

本発明の光ファイバは、石英ガラスからなり、ゼロ分散波長が１２９０〜１３５０ｎｍであり、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積が１４μｍ^２以下である。

本発明の光ファイバは、従来よりゼロ分散波長が短く且つ非線形性が高く、広帯域なＳＣ光を高効率に発生させることができる。

図１は、実施形態の光ファイバおよび比較例の光ファイバそれぞれの群屈折率の波長依存性を示すグラフである。図２は、実施形態の光ファイバの屈折率プロファイルの例を示す図である。図３は、コアの直径２ａとゼロ分散波長との間の関係を示すグラフである。図４は、コアの直径２ａと波長１５５０ｎｍにおける実効断面積との間の関係を示すグラフである。図５は、コアの直径２ａとファイバカットオフ波長との間の関係を示すグラフである。図６は、コアの比屈折率差Δ１とゼロ分散波長との間の関係を示すグラフである。図７は、コアの比屈折率差Δ１と波長１５５０ｎｍにおける実効断面積との間の関係を示すグラフである。図８は、コアの比屈折率差Δ１とファイバカットオフ波長との間の関係を示すグラフである。図９は、ｂ／ａとゼロ分散波長との間の関係を示すグラフである。図１０は、ｂ／ａと波長１５５０ｎｍにおける実効断面積との間の関係を示すグラフである。図１１は、ｂ／ａとファイバカットオフ波長との間の関係を示すグラフである。図１２は、比較例の光ファイバおよび実施例の光ファイバ１〜１６それぞれの諸元を纏めた表である。図１３は、比較例の光ファイバおよび実施例の光ファイバ１〜１６それぞれの諸元を纏めた表である。図１４は、実施形態の光源装置１の構成を示す図である。

この光ファイバのファイバカットオフ波長が１６５０〜２３００ｎｍであるのが好適である。波長１５５０ｎｍにおける波長分散が１０〜２２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるのが好適である。波長１５５０ｎｍにおける非線形屈折率が６.０×１０^−２０ｍ^２／Ｗ以上であるのが好適である。

この光ファイバは、屈折率ｎ１および直径２ａを有しＧｅを含むコアと、このコアを取り囲み屈折率ｎ２および外径２ｂを有しＦを含むディプレストと、このディプレストを取り囲み屈折率ｎ３を有するクラッドとを備え、ｎ１＞ｎ３≧ｎ２なる関係を有するのが好適である。ディプレストに対するコアの比屈折率差Δ１が３.０〜４.２％であり、クラッドに対するディプレストの比屈折率差Δ２が−０.８〜−０.３％であり、２ａが４.０〜６.０μｍであり、ｂ／ａが２.０〜３.０であるのが好適である。また、純ＳｉＯ_２に対するクラッドの比屈折率差Δcladが−０.８〜０％であるのが好適である。

本発明の光源装置は、中心波長が１０００〜１６５０ｎｍの範囲にある光を出力する種光源と、前記種光源から出力された光を入力して伝搬させ、この光の伝搬の際に発現する非線形光学現象により帯域が拡大された広帯域光を発生させ出力する請求項１〜７の何れか１項に記載の光ファイバと、を備える。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するため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。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

図１は、実施形態の光ファイバおよび比較例の光ファイバそれぞれの群屈折率の波長依存性を示すグラフである。実施形態の光ファイバのゼロ分散波長は１３０３ｎｍである。比較例の光ファイバのゼロ分散波長は１４８０ｎｍである。この図に示されるように、比較例の光ファイバでは、群屈折率が波長２４００ｎｍにおける群屈折率と整合する波長は１０８０ｎｍである。実施形態の光ファイバでは、群屈折率が波長２４００ｎｍにおける群屈折率と整合する波長は７６０ｎｍである。したがって、実施形態の光ファイバは、より短波長側までＳＣ光の帯域を拡大することができる。

実施形態の光ファイバは、石英ガラスからなり、ゼロ分散波長が１２９０〜１３５０ｎｍであり、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積Ａeffが１４μｍ^２以下である。この光ファイバは、非線形性を大きくすることができ、短いファイバ長で広帯域なＳＣ光を高効率に発生させることができる。光ファイバの非線形性を表す非線形係数γ［１／Ｗ／ｋｍ］は下式で表される。ここで、λは波長であり、ｎ_２は非線形屈折率［ｍ^２／Ｗ］である。ｎ_２およびγは、直線偏波状態でＸＰＭ法で測定した場合の値である。
γ＝２πｎ_２／λＡeff

非線形屈折率ｎ_２は好ましくは６.０×１０^−２０ｍ^２／Ｗ以上である。波長１５５０ｎｍにおけるγは、好ましくは２０［１／Ｗ／ｋｍ］以上であり、より好ましくは２５［１／Ｗ／ｋｍ］以上である。波長１５５０ｎｍにおけるＭＦＤは、好ましくは４μｍ以下であり、より好ましくは３.６μｍ以下である。

実施形態の光ファイバのファイバカットオフ波長は１６５０〜２３００ｎｍであるのが好ましい。実施形態の光ファイバは、従来の光ファイバよりファイバカットオフ波長を長くすることにより、伝搬光をコアにより強く閉じ込めることができ、波長分散における導波路分散の影響を小さくすることができる。その結果、ゼロ分散波長を、ガラスの材料分散によって決まるゼロ分散波長の下限（１２７２ｎｍ）により近づけることができる。

ファイバカットオフ波長が長いと、種光の波長がファイバカットオフ波長よりも短くなる場合があるが、光ファイバの入射端で種光を主に光ファイバのコアの中心のみに結合させることによって、不要な高次モードが入射端で励振されることを避けることができる。また、基底モードと高次モードとの伝搬定数の差が大きいので、光が光ファイバを伝搬している間に不要な高次モードに結合することを避けることができるので、実質的にシングルモードで種光を伝搬させることができる。

実施形態の光ファイバの波長１５５０ｎｍにおける波長分散は１０〜２２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであるのが好ましい。この範囲の波長分散とすることにより、ゼロ分散波長を１３５０ｎｍ以下にすることができる。

図２は、実施形態の光ファイバの屈折率プロファイルの例を示す図である。実施形態の光ファイバは、石英ガラスをベースとするものであり、屈折率ｎ１および直径２ａを有しＧｅを含むコアと、このコアを取り囲み屈折率ｎ２および外径２ｂを有しＦを含むディプレストと、このディプレストを取り囲み屈折率ｎ３を有するクラッドとを備え、ｎ１＞ｎ３≧ｎ２なる関係を有する。

ディプレストに対するコアの比屈折率差Δ１［％］。クラッドに対するディプレストの比屈折率差Δ２［％］、および、純ＳｉＯ_２（屈折率ｎ０）に対するクラッドの比屈折率差Δclad［％］は、下記式で表される。
Δ１［％］＝１００×（ｎ１-ｎ２）/ｎ１
Δ２［％］＝１００×（ｎ２-ｎ３）/ｎ２
Δclad［％］＝１００×（ｎ３-ｎ０）/ｎ３

図２（ａ）はｎ２＝ｎ３の場合を示す。図２（ｂ）はｎ２＜ｎ３＝ｎ０の場合を示す。図２（ｃ）はｎ３＜ｎ０の場合を示しており、クラッドにＦを添加することで実現できる。図２（ｃ）に示されるようにｎ３＜ｎ０とすることで、同じΔ１を実現するためのコアへのＧｅ添加量を図２（ｂ）に比べて低減することができ、伝送損失を低減することができる。また、クラッドにＦを添加することで、光ファイバの体積の大部分を占めるクラッドの粘度を低下させることができるので、線引き温度を低くすることが可能となり、伝送損失を低減することができる。Δclad＝−０.８％の比屈折率差を与えるだけのＦを添加することが可能である。

図３は、コアの直径２ａとゼロ分散波長との間の関係を示すグラフである。図４は、コアの直径２ａと波長１５５０ｎｍにおける実効断面積との間の関係を示すグラフである。図５は、コアの直径２ａとファイバカットオフ波長との間の関係を示すグラフである。ここでは、Δ１＝４.１％、Δ２＝−０.５％、Δclad＝−０.３％、ｂ／ａ＝２.６とした。

これらの図から、コアの直径２ａは４.０〜６.０μｍが好ましいことが分かる。図３および図５から、コアの直径２ａを４.０μｍ以上にすることにより、ゼロ分散波長を１３５０ｎｍ以下とし、かつ、ファイバカットオフ波長を１６５０ｎｍ以上にすることができる。一方、図４より、コアの直径２ａが６.０μｍ以上では、実効断面積Ａeffが１４μｍ^２以上となり、非線形性が低下してしまう。

図６は、コアの比屈折率差Δ１とゼロ分散波長との間の関係を示すグラフである。図７は、コアの比屈折率差Δ１と波長１５５０ｎｍにおける実効断面積との間の関係を示すグラフである。図８は、コアの比屈折率差Δ１とファイバカットオフ波長との間の関係を示すグラフである。ここでは、ｂ／ａ＝２.６、２ａ＝４.８μｍとした。また、（Δ２, Δclad）＝（０％, −０.８％）, （−０.５％, −０.３％）, （−０.８％, ０％）の３通りとした。図６および図７では、これら３通りのグラフが殆ど重なっている。

これらの図から、Δ１を２.４％以上とすることで、ゼロ分散波長を１３５０ｎｍ以下とし、かつ、実効断面積を１４μｍ^２以下にすることができることが分かる。純ＳｉＯ_２に対する比屈折率差を３.４％程度まで高くする量のＧｅをコアに添加することが可能であるが、それ以上の高濃度のＧｅ添加は現実的には困難である。また、純ＳｉＯ２に対する比屈折率差を−０.８％程度まで低くする量のＦをディプレストに添加することが可能であるが、それ以上の高濃度のＦ添加は現実的には困難である。現実的にはΔ１は４.２％程度が現実的な上限である。したがって、Δ１は、２.４〜４.２％が好ましく、３.０〜４.２％がより好ましい

また、これらの図から、Δ２を変化させてもゼロ分散波長および実効断面積の何れも殆ど変化せず、ファイバカットオフ波長のみが変化することが分かる。したがって、所望のファイバカットオフ波長となるようΔ２を選択すればよい。ただし、純シリカに対する比屈折率差が−０.８％程度に相当するＦ添加量以上にＦを添加することは現実的には困難であるので、Δ２は、現実的には−０.８〜０％が好ましく、−０.８〜−０.３％がより好ましい。

図９は、ｂ／ａとゼロ分散波長との間の関係を示すグラフである。図１０は、ｂ／ａと波長１５５０ｎｍにおける実効断面積との間の関係を示すグラフである。図１１は、ｂ／ａとファイバカットオフ波長との間の関係を示すグラフである。ここでは、Δ１＝４.１％、Δ２＝−０.５％、Δclad＝−０.３％、ａ＝４.４μｍとした。

これらの図から、ｂ／ａが２.０以下では、ゼロ分散波長が急激に長くなることが分かる。一方、ｂ／ａを３.０以上に大きくしても特性への影響はほとんどない。したがって、ｂ／ａは２.０〜３.０が好ましい。

図１２および図１３は、比較例の光ファイバおよび実施例の光ファイバ１〜１６それぞれの諸元を纏めた表である。図１２には、波長１５５０ｎｍにおける伝送損失、ゼロ分散波長、波長１５５０ｎｍにおける波長分散、波長１５５０ｎｍにおける分散スロープ、ファイバカットオフ波長、波長１５５０ｎｍにおける実効断面積、波長１５５０ｎｍにおけるモードフィールド径、非線形屈折率ｎ_２、および、波長１５５０ｎｍにおける非線形係数γが示されている。図１３には、Δ１、Δ２、Δclad、２ａおよびｂ／ａが示されている。実施例の光ファイバのコアの屈折率分布の形状を表すα乗は、いずれも１.６〜３.０乗程度である。

図１４は、実施形態の光源装置１の構成を示す図である。光源装置１は、上記の実施形態の光ファイバ１０と、種光源２０と、を備える。種光源２０は、中心波長が１０００〜１６５０ｎｍの範囲にある種光を出力する。より好ましくは、種光源２０は、中心波長が１２００〜１４００ｎｍの範囲にある種光を出力する。種光源２０から出力される種光は、ピコ秒やフェムト秒の短パルス光、ナノ秒程度のパルス光または連続光などの高強度な光である。光ファイバ１０は、種光源２０から出力された種光を一端に入力して伝搬させ、この種光の伝搬の際に発現する非線形光学現象により帯域が拡大された広帯域光（ＳＣ光）を発生させ、そのＳＣ光を他端から出力する。この光源装置１は、従来より広帯域なＳＣ光を出力することができる。

１…光源装置、１０…光ファイバ、２０…種光源。

Claims

石英ガラスからなり、
屈折率ｎ１および直径２ａを有しＧｅを含むコアと、このコアを取り囲み屈折率ｎ２および外径２ｂを有しＦを含むディプレストと、このディプレストを取り囲み屈折率ｎ３を有するクラッドとを備え、ｎ１＞ｎ３＞ｎ２なる関係を有し、
ゼロ分散波長が１２９０〜１３５０ｎｍであり、
波長１５５０ｎｍにおける実効断面積が１４μｍ^２以下であり、
ファイバカットオフ波長が１６５０ｎｍより大きく２３００ｎｍ以下である、
光ファイバ。
波長１５５０ｎｍにおける波長分散が１０〜２２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである、
請求項１に記載の光ファイバ。
波長１５５０ｎｍにおける非線形屈折率が６.０×１０^−２０ｍ^２／Ｗ以上である、
請求項１または２に記載の光ファイバ。
ディプレストに対するコアの比屈折率差Δ１が３.０〜４.２％であり、
クラッドに対するディプレストの比屈折率差Δ２が−０.８〜−０.３％であり、
２ａが４.０〜６.０μｍであり、
ｂ／ａが２.０〜３.０である、
請求項１〜３の何れか１項に記載の光ファイバ。
純ＳｉＯ_２に対するクラッドの比屈折率差Δcladが−０.８〜０％である、
請求項１〜４の何れか１項に記載の光ファイバ。
中心波長が１０００〜１６５０ｎｍの範囲にある光を出力する種光源と、
前記種光源から出力された光を入力して伝搬させ、この光の伝搬の際に発現する非線形光学現象により帯域が拡大された広帯域光を発生させ出力する請求項１〜５の何れか１項に記載の光ファイバと、
を備える光源装置。