JP6731684B2 - 光ファイバ出力光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ出力光源装置に関するものである。

白色光源は、光ファイバや光部品の波長依存特性測定用として重要なデバイスである。従来、白色光源を得るためにハロゲンランプなどの光をファイバに集光してファイバ出力化していた。しかしながらファイバのコア径は１０μｍ前後であり、ハロゲンランプに利用されているフィラメント表面の輝度の制約から、高い光出力を得ることができなかった。

高い光出力を得るために、ファイバ内に希土類元素などをドーピングしてそれを半導体レーザーにより励起するファイバレーザーが存在するが、ファイバレーザーはスペクトル幅が狭いため、白色光源の代用にはならない。

他方、レーザー発振する直前まで励起をして誘導増幅を若干生じている蛍光成分をファイバから取り出すＡＳＥ（Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）光源が存在している。

特許文献１では、光増幅器と非線形光媒質とを用いて短パルス光源を多波長化する場合に、光増幅器により生じていた雑音成分（ＡＳＥ光成分）を低減する技術が開示されている。具体的には、ＡＳＥ光成分を光増幅器と非線形光学媒質との間に介在させる。

また、最近の技術としてファイバ内で発生させたパルスを高い非線形光学効果を持つフォトニックバンドギャップファイバ等に入射させることによって広帯域化する手法（ＳＣ（Ｓｕｐｅｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）光源）が実用化されている。

特許文献２には、ピコ秒以下の超短パルスレーザー光発生装置から出射される基本波パルスを、非線形光学物質を通して、自己位相変調効果を利用することで広帯域化する方法が開示されている。

特開２００７−１７８６８１号公報 特開２００１−０８３５５８号公報

Ｍ． Ｍａｒｔｉｎｅｌｌｉ， "Ａ ｕｎｉｖｅｒｓａｌ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｈａｎｇｅｓ ｉｎｄｅｃｅｄ ｂｙ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ ｏｎ ａ ｒｅｔｒａｃｉｎｇ ｂｅａｍ，" Ｏｐｔ． Ｃｏｍｍｕｎ．， ｖｏｌ． ７２， ｎｏ． ６， ｐｐ． ３４１−３４４， １９８９

しかし、特許文献１などで示されているＡＳＥ光源では、ファイバ出力とすると白色光源として利用するには、十分に高いものとはいえなかった。また、特許文献２などで開示されているＳＣ光源はオクターブを超えるスペクトル幅を得られるものの、非線形光学効果が入射パルスの揺らぎによって変動するため、安定な光源とすることが困難であった。つまり、広帯域化あるいは高輝度化すると不安定な光源となっていたため、高精度な評価を実施することが難しかった。

本発明は、上記の課題を解決するために、高安定かつ高輝度な広帯域光源を提供することを本発明の目的としている。

より具体的に本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、
増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、
前記光路の一端に接続されたファラデー回転鏡と、
前記光路の他端に接続され、直交する偏波のうち、一方を透過させ、他方を反射して前記光路に戻す単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、
前記光路中に挿設された合波器と、
前記合波器に接続された励起用光源を有し、前記ファラデー回転鏡と前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタとの間に、前記ファラデー回転鏡以外のファラデー回転子が含まれていないことを特徴とする。

本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、レーザー発振が困難となる光学系において非線形光学効果が発生した場合においてのみレーザー発振が可能となる様に構成しているので、強いレーザー発振時にのみパルスが発生する。このパルスは１００ｆｓ程度の極めて短いパルスのバンチ（集団）であるため、多くの短パルスの集団が発生させる非線形性により広帯域なスペクトル特性を得ることができる。結果、安定な広帯域高強度の光源を構成することができる。

本発明に係る光ファイバ出力光源装置の構成を示す図である。 単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの内部構成を示す図である。 本発明に係る光ファイバ出力光源装置の基本的な動作を説明する図である。 本発明に係る光ファイバ出力光源装置が発振する場合の動作を説明する図である。 他の構成の単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの内部構成を示す図である。 光ファイバ出力光源装置の出力スペクトル特性を示すグラフである。 光ファイバ出力光源装置の出力の波形特性を示すグラフである。 共振器に、高非線形ファイバを接続した場合の出力の波形特性を示すグラフである。 高非線形ファイバを用いて得られるＳＣ光のスペクトルの時間安定性を示すグラフである。

以下に本発明に係る光ファイバ出力光源装置について図面および実施例を示し説明を行う。なお、以下の説明は、本発明の一実施形態および一実施例を例示するものであり、本発明は以下の説明に限定されるものではない。以下の説明は本発明の趣旨を逸脱しない範囲で改変することができる。

図１に本発明に係る光ファイバ出力光源装置１の構成を示す。光路１０は、分散補償用光ファイバ（ＤＣＦ：Ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇ Ｆｉｂｅｒ）１２と、増幅用光ファイバ１４が連結されて構成される。そして、光路１０中には、合波器１６が挿設されている。分散補償用光ファイバ１２は、光路１０中のどこにあってもよい。また、分散補償用光ファイバ１２は、光路１０中の複数個所にあってもよい。合波器１６と増幅用光ファイバ１４の間に分散補償用光ファイバがあってもよい。

増幅用光ファイバ１４は、Ｅｒ（エルビウム）、Ｐｒ（プラセオジウム）、Ｔｍ（ツリウム）といった希土類が添加された光ファイバが好適に利用できる。エルビウム含有光ファイバ（ＥＤＦ：Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ）は、好適に利用できる。

合波器１６は、光路１０に励起用の光を入れるカプラである。合波器１６には励起用光源１８が接続される。励起用光源１８はレーザーダイオードを好適に利用することができる。

光路１０を構成する分散補償用光ファイバ１２と、増幅用光ファイバ１４は、横単一モードファイバのみで構成されている。これらのファイバは、マルチモードファイバを使用していないので完全な横単一モードで動作している。なお、光ファイバ出力光源装置１では、偏波面保存ファイバは利用していない。偏波面保存ファイバは、単一モードファイバ中に存在する２つの直交する偏波面のモードにおいて、モード間に伝搬定数差を設け、ファイバ中の偏波面をファイバの断面内で固定する機能を有するファイバである。したがって、本発明が目的とする非線形光学効果による偏波面の回転を利用したパルス発振に、偏波面保存ファイバを用いるとレーザー発振が発生しなくなるからである。

また、本発明ではファイバの敷設（設置）状態に依存した曲げ方や側圧並びに温度変化などにより生じる偏波面の変動（不安定な揺らぎ）に対して自己補償可能な構成となっている。そのため、そもそも偏波面保存ファイバを利用する必要が無い。これは、光ファイバ出力光源装置１の自己補償能力は、９０°偏波回転反射器２２の効果によるものである。

光路１０の一端には、９０°偏波回転反射器２２が設けられている。９０°偏波回転反射器２２は、入射光と反射光の偏波面が９０°回転する反射器である。若しくは、９０°偏波回転反射器２２は、反射器と同等の効果を得ることができる手段を含む複数の構成要素であってもよい。例えば、９０°偏波回転反射器２２は、ファラデー回転鏡が好適に利用することができる。

また、９０°偏波回転反射器２２は、ファラデー回転鏡に限定されるものでもない。例えば、後述する単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の入射口２０ａから９０°偏波回転反射器２２の位置に置いた反射鏡までの間に使用しているファイバが生じさせる複屈折に起因する偏波を調整する光学系を用いて同様の効果を得る構成は、９０°偏波回転反射器２２として利用することができる。

より具体的には、まず９０°偏波回転反射器２２を通常の誘電体多層膜ミラーに置き換える。そして、入射口２０ａから該誘電体多層膜ミラーの入射端に相当するファイバが生じさせる複屈折を補償し、反射光が単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０に戻る際に偏波が直線状態を維持したまま９０°回転するように設定する。なお、誘電体多層膜ミラーは、金属蒸着膜ミラー等でもよい。

さらに、該誘電体多層膜ミラーから反射した光が単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０内部の偏波ビームスプリッタ４４（図２参照）内部の反射面４４ｒで反射されること無く透過し、出射口２０ｂに高い割合で出力されるように、波長板などを用いて偏波状態を調整する。９０°偏波回転反射器２２としてこのような構成を利用しても、ファラデー回転鏡を用いた場合と同様の作用を得る事が可能となり、パルス発振が可能となる。

光路１０の他端には、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０が設けられている。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０は、直交する２つの偏波面のうち、一方の偏波面を持つ光だけを反射させ、他方の偏波面を持つ光は透過させる。したがって、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０は、入射口２０ａと出射口２０ｂを有する。光路１０は、入射口２０ａに接続されている。

合波器１６は増幅用光ファイバ１４に対して、励起光は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０を接続している側、あるいは９０°偏波回転反射器２２を接続している側のどちらから送られてもよい。しかし、図１に示すように、励起光は、９０°偏波回転反射器２２に接続された増幅用光ファイバ１４に向けて送られるのが最も好適である。

単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０、光路１０、偏波面を９０°回転する９０°偏波回転反射器２２で共振器３２が形成される。共振器３２は本発明に係る光ファイバ出力光源装置１の最小構成である。

単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の出射口２０ｂには、光ファイバ２４が接続される。光ファイバ２４には反射防止器２６が設けられる。光ファイバ２４は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０から後段へ一方向にのみ光を通過させる。なお、ここで「後段（以下同じ）」とは、その構成要素より出力方向の構成を言う。

反射防止器２６は、共振器３２外部から反射光が戻ることを防ぐ反射防止のための手段である。反射防止器２６は、アイソレータといったデバイスだけでなく、射光口２８の出射端のコネクタ端面を斜め研磨にする、若しくは射光口２８の出射端のコネクタ端面に無反射コーティングを施すといった手段であってもよい。

すなわち、このような措置が射光口２８に施してあれば、反射防止器２６を有しているといってよい。また、これは単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の出射口２０ｂに反射防止器２６が備えられるといってよい。また、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０が、反射防止器２６と同等の機能を内部に有していてもよい。

反射防止器２６の端部には、射光口２８が形成される。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の出射側では、既に本発明に係る光ファイバ出力光源装置１が目的とする光パルスが完成している。したがって、光ファイバ２４には、光ファイバ出力光源装置１の使用目的に応じて所望の光ファイバを用いてよい。例えば、偏波面保存ファイバなどのようなファイバを用いてもよい。

なお、共振器３２の後段には、フォトニクス結晶ファイバ等の高非線形ファイバ３０を接続してもよい。また高非線形ファイバ３０は、反射防止器２６の後段に接続してもよい。後述する実施例に示すように本発明に係る光ファイバ出力光源装置１は、広い波長に渡って安定した出力のスペクトルを示す。したがって、光ファイバ出力光源装置１の出力光を高非線形ファイバ３０に通せば、さらにスペクトル帯域が広い光を安定に出力できる光源を得ることができる。なお、光ファイバ２４は、横単一モードファイバ以外の光ファイバを利用してもよい。

特に高非線形ファイバ３０には、分散の小さいゼロ分散の特性を有する高非線形ファイバを接続することで、共振器３２が発生できる広帯域のスペクトル光を、より広帯域のスペクトル（ＳＣ（Ｓｕｐｅｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）光）として取り出すことができる。

より具体的に本発明における「高非線形ファイバ（３０）」とは、共振器３２から出力されるレーザー光の有効スペクトル内において、分散値の範囲が零分散を中心に、−１から最大でも３［ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）］の範囲にある領域が存在するものである。さらに、より好ましくは、「高非線形ファイバ（３０）」とは、０から１［ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）］の範囲の領域が存在するファイバである。

また、「高非線形ファイバ（３０）」は、有効スペクトル内において、分散フラットであることが望ましい。好適には±０．１［ｐｓ／（ｎｍ^２・ｋｍ）］以下であれば、スペクトルの拡張が可能である。

ここで、有効スペクトルとは、共振器３２から出力されるレーザー光のスペクトルの包絡線を求め、包絡線の最大値から−３０ｄＢの波長幅をいう。なお、有効スペクトル内には光のない波長域があってもよい。なお、上記の分散値の範囲を有する領域とは、有効スペクトル内において、光が存在する領域（波長領域）であるのは言うまでもない。

また、光ファイバ入出力となる単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０、合波器１６、反射防止器２６などは、これらの部品にあらかじめファイバが取り付けられ、そのファイバに分散補償用光ファイバ１２や増幅用光ファイバ１４を融着接続やコネクタ接続といった手段を用いて接続されていてもよい。

図２には、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の内部構成を示す。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０は、入射レンズ４０と、出射レンズ４２と、偏波ビームスプリッタ４４と、反射鏡４６を有する。入射レンズ４０は、入射口２０ａの直後に配置される。言いかえると、入射レンズ４０は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０内において、光路１０の他端にあたる分散補償用光ファイバ１２に光学的に対向する位置に配置される。

出射レンズ４２は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０内であって、出射口２０ｂの直前に配置される。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の内部の入射口２０ａならび出射口２０ｂに相当する光ファイバ端面には、端面の空気との界面で発生するフレネル反射を防止するような無反射処理が施されている。不用意に想定外のレーザー共振器が構成されないようにするためである。

偏波ビームスプリッタ４４は、入射レンズ４０と出射レンズ４２との間に配置される。偏波ビームスプリッタ４４は、内部に特定偏波面だけを通過させる反射面４４ｒを有する。また、偏波ビームスプリッタ４４は、光を入射させる入射光面４４ａと、特定の偏波面の光だけが出射される透過光面４４ｂと、透過した光と偏波面が９０°回転している光を出射させる反射光面４４ｃをも有する。

偏波ビームスプリッタ４４は、入射光面４４ａを入射レンズ４０に対向させ、透過光面４４ｂは出射レンズ４２に対向する姿勢で配置される。また、反射光面４４ｃに対向して反射鏡４６が配置される。反射鏡４６は高反射ミラーが好適に利用できる。

以上の構成を有する光ファイバ出力光源装置１の動作について説明する。まず、図２を参照して、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の動作について説明する。入射口２０ａには、光路１０から光が入る。この光ＬＢ１は、直交する偏波面を有する。これをＳ波とＰ波とする。Ｓ波は偏波ビームスプリッタ４４の反射面４４ｒの法線と光進行方向を含む入射面内で振動する偏波であり、Ｐ波は入射面に対して直角な面内で振動する偏波である。図２では、ＬＢ１（Ｓ，Ｐ）と記載した。

入射レンズ４０によって光はアフォーカルに広げられ、平行光線となる。そして、入射光面４４ａから偏波ビームスプリッタ４４に入射される。偏波ビームスプリッタ４４に入射された光のうち一方の偏波面の光は、偏波ビームスプリッタ４４の反射面４４ｒを透過し、透過光面４４ｂから出射される。今透過できる偏光はＰ波であるとする。光ＬＢ３（Ｐ）は出射レンズ４２によって集光され、出射口２０ｂから出射される。

一方、Ｓ波は、反射面４４ｒで反射され、反射光面４４ｃから出射される。これを光ＬＢ２（Ｓ）と記載した。反射鏡４６が、反射光面４４ｃに対向して配置されているので、Ｓ波は、反射され、反射光面４４ｃから再び偏波ビームスプリッタ４４に入射される。光ＬＢ４（Ｓ）は、再び反射面４４ｒで反射され、入射光面４４ａから出射され、光路１０を戻る（光ＬＢ５（Ｓ））。なお、反射鏡４６は、蒸着などの手法により反射光面４４ｃの表面に構成されていてもよい。

以上のように、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０は、直交する偏波面のうち、一方を透過させ、他方を反射して光路１０に返す。

図３には、光ファイバ出力光源装置１の基本的な動作を示す。励起用光源１８からの励起光Ｌ１は、通常単一偏波の半導体レーザー等が利用できる。この励起光Ｌ１は、増幅用光ファイバ１４を励起して、他の波長の蛍光Ｌ２（Ｐ，Ｓ）に変換されるので、励起光Ｌ１の偏波状態は以下に述べる蛍光の発生ならびにパルス化の機序に影響を与えない。蛍光Ｌ２（Ｐ，Ｓ）の偏波面は特定の偏波を持たず、無偏波である。しかしここでは、説明のために反射面４４ｒに対するＰ波とＳ波を記載しておく。

蛍光Ｌ２（Ｐ，Ｓ）は、９０°偏波回転反射器２２によって反射される（蛍光Ｌ３（Ｓ，Ｐ））。この時偏波面は９０°回転している。蛍光Ｌ３（Ｓ，Ｐ）は、増幅用光ファイバ１４および分散補償用光ファイバ１２を経て、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０に入射される（蛍光Ｌ４（Ｓ，Ｐ））。

この際、蛍光Ｌ４（Ｓ，Ｐ）は、初期に増幅用光ファイバ１４により発生し、９０°偏波回転反射器２２によって反射された蛍光成分を増幅用光ファイバ１４による誘導放出により増幅された成分と増幅用光ファイバ１４において新たに追加された蛍光を含む。そこで、蛍光Ｌ４（Ｓ，Ｐ）以後を誘導光と称する。

単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０では、上記に説明したように、Ｐ波は透過し（誘導光Ｌ６（Ｐ））、Ｓ波は反射して（誘導光Ｌ５（Ｓ））、再び光路１０に戻される（誘導光Ｌ７（Ｓ））。

誘導光Ｌ７（Ｓ）は、再度光路１０を戻り増幅用光ファイバ１４で増幅された後に、９０°偏波回転反射器２２に入力される（誘導光Ｌ８（Ｓ））。誘導光Ｌ８（Ｓ）は９０°偏波回転反射器２２で偏波面が再び９０°回転し、Ｐ波となる（誘導光Ｌ９（Ｐ））。

誘導光Ｌ９（Ｐ）は、光路１０を通り増幅用光ファイバ１４で再び増幅された後に単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０に入射される（誘導光Ｌ１０（Ｐ））。この誘導光Ｌ１０（Ｐ）はＰ波なので、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０を透過し（誘導光Ｌ１１（Ｐ））、射光口２８から放射される。

以上のように、本発明に係る光ファイバ出力光源装置１は、誘導光がすべて単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０を透過し射光口２８から放出されるので、基本的にはレーザー発振しにくい構造である。

次に図４を参照する。図３で示したように、本発明に係る光ファイバ出力光源装置１は、基本的にはレーザー発振はしにくい構造である。しかし、光路１０が光ファイバで構成されているので、非線形光学効果が発生し、非線形光学効果の発生していない状態におけるＳ波あるいはＰ波の偏波状態からずれた偏波面を有する光が存在する。この偏波面のずれは、光パワーが高くなるほど強く発生する。この結果、図３の構成であってもレーザー発振が生じる。

励起用光源１８からの励起光Ｌ１は、合波器１６から光路１０に導入される。励起光Ｌ１は、半導体レーザー等が利用され、通常利用される単一偏波のものであってよい。励起光Ｌ１は、増幅用光ファイバ１４を励起させ、他の波長の蛍光（自然放出光）Ｌ２（Ｐ，Ｓ）に変換される。蛍光Ｌ２（Ｐ，Ｓ）の偏波面は無偏波状態であり偏光度は無（零）である。

蛍光Ｌ２（Ｐ，Ｓ）は、９０°偏波回転反射器２２によって反射される（蛍光Ｌ３（Ｓ，Ｐ））。この時偏波面は９０°回転している。蛍光Ｌ３（Ｓ，Ｐ）は、増幅用光ファイバ１４および分散補償用光ファイバ１２を経て、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０に入射される（誘導光Ｌ４（Ｓ，Ｐ））。

この際、蛍光Ｌ４（Ｓ，Ｐ）は、初期に増幅用光ファイバ１４により発生し、９０°偏波回転反射器２２によって反射された蛍光成分を増幅用光ファイバ１４による誘導放出により増幅された成分と増幅用光ファイバ１４において新たに追加された蛍光を含む。そこで蛍光Ｌ４（Ｓ，Ｐ）以後を誘導光と称する。

単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０では、Ｐ波（誘導光Ｌ６（Ｐ））は透過する。しかし、誘導光Ｌ４（Ｓ，Ｐ）に含まれるＳ波は、反射面４４ｒで反射され（誘導光Ｌ５（Ｓ））、反射鏡４６により反射し、再び反射面４４ｒで反射して光路１０に戻される（誘導光Ｌ７（Ｓ））。ここで、反射され光路１０に戻る光にＰ波は含まれていない。

誘導光Ｌ７（Ｓ）は、再度光路１０を戻り、増幅用光ファイバ１４において増幅された後９０°偏波回転反射器２２に入力される（誘導光Ｌ８（Ｓ，（Ｐ）））。この際、誘導光Ｌ８（Ｓ，（Ｐ））には光路１０内で生じる非線形光学効果の影響により、強度の強い光の成分が偏波の回転を生じ、（Ｐ）波成分を有するようになる。誘導光Ｌ８（Ｓ，（Ｐ））は９０°偏波回転反射器２２で偏波面が再び９０°回転し、Ｓ波はＰ波となり、反射された（Ｐ）波は（Ｓ）波となる（誘導光Ｌ９（Ｐ，（Ｓ））。

誘導光Ｌ９（Ｐ，（Ｓ））は光路１０を通り再び増幅用光ファイバ１４によって増幅され、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０に入射される（誘導光Ｌ１０（Ｐ，（Ｓ）））。この誘導光Ｌ１０（Ｐ，（Ｓ））は、増幅用光ファイバ１４により増幅されているため、光強度の強い成分はＬ８（Ｓ，（Ｐ））よりもさらに強い非線形光学効果を受けて、より大きく偏波が回転し、（Ｓ）偏波成分を発生する。

増幅された（誘導光Ｌ１０（Ｐ，（Ｓ））のうち、Ｐ波は単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０を透過し（誘導光Ｌ１２（Ｐ））、射光口２８から放射される。一方、（Ｐ）波に直交する成分である（Ｓ）波は共に再び反射され光路１０に戻る（誘導光Ｌ１３（Ｓ））。

誘導光Ｌ１１（Ｓ）は、誘導光Ｌ５（Ｓ）よりも増幅されており、その結果、誘導光Ｌ１３（Ｓ）は誘導光Ｌ７（Ｓ）よりも強度が高くなり、時間幅も狭くなる。

以上の工程によって、（Ｐ）波と（Ｓ）波を有していた蛍光成分は光路１０の往復を繰り返しながら強度揺らぎを強めてゆく。

さて、誘導光Ｌ１３（Ｓ）は、９０°偏波回転反射器２２に到達するまでの間に増幅用光ファイバ１４により増幅され、さらに強く非線形光学効果の影響を受ける。

すなわち、強度の強い成分はより強く非線形光学効果を受け、誘導光Ｌ１３（Ｓ）は、強度の強い成分は偏波の回転による（Ｐ）成分をより強く発生させている。一方、強度の弱い成分は（Ｓ）偏波から大きく変化しない。反射面４４ｒでは、強度の弱い成分は反射されにくい。したがって、強度の弱い成分は、偏波ビームスプリッタ４４の反射面４４ｒおよび反射鏡４６による反射を受けられず、光路１０に再入射される成分は強度の高い成分よりも相対的に低くなる。

この効果により、強度の強い誘導光成分はより強くなる。増幅用光ファイバ１４は、入射される被増幅光、すなわちここで言う誘導光の強度が高くなると、利得が飽和し、共振器３２（図１参照）内の損失と利得が平衡する。そのため、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０による反射の効果を十分に得られない強度の低い誘導光成分は、損失が高くなり、利得よりも損失が高くなるため相対的に減衰する。この結果、誘導光成分の高強度な成分のみが、選択的に繰り返し増幅されて短パルスに成長する。

この作用を繰り返すことにより、光の強度変化が強調され、最終的には光学系全体が発生しうる最も強い光が共振器３２内に残るようになり反射鏡４６と９０°偏波回転反射器２２の間でレーザー共振が成立し、パルスの発振が継続的に生じることとなる。

９０°偏波回転反射器２２で反射された光は、強度揺らぎを強調するための重要な役割を果たす。しかしそれだけでなく、９０°偏波回転反射器２２は、反射時に往路と復路で（Ｓ）波と（Ｐ）波を入れ替える。そのため、往路で（Ｓ）波が受けた、ファイバの温度変化や変形に起因するファイバの複屈折に起因した線形な偏波揺らぎを復路において（Ｐ）波が受ける。同様に（Ｐ）波が受けた往路の偏波揺らぎを復路で（Ｓ）波が受ける。

その結果、共振器３２は、線形な偏波の揺らぎに対しては、補償されている。言い換えると、共振器３２では、相反な偏波変動といった作用はキャンセルされる（非特許文献１）。すなわち、一度共振器３２内で発振が生じた場合は、その発振はファイバの温度変化や変形に起因するファイバの複屈折に起因した線形な偏波揺らぎに対してきわめて頑強といえる。

この効果により、本発明に係る光ファイバ出力光源装置１の共振器３２装置は環境変化や振動などに対する耐力が高く、無調整で安定な発振を得られるロバスト性の高いレーザー発振が可能となる。

また、誘導放出によりパルスが増幅されると、パルスのエネルギーは高くなり、共振器３２内を往復してパルス幅を狭めながら増幅を繰り返す。パルス幅が狭くなるとフーリエ変換の関係にあるパルスのスペクトル幅は広がる。そして、パルスのエネルギーが飽和して安定すると、パルス幅が狭く、かつスペクトル幅の広いパルスによって構成されたバンチが安定して出力されるようになる。

非線形光学効果による偏波の回転は、９０°偏波回転反射器２２による偏波回転効果を９０°からずらすことになる。そのため、反射面４４ｒにおいて完全な（Ｐ）波とはならなかったパルス成分に含まれている（Ｓ）波成分が、反射鏡４６で反射され再び光路１０に戻される。またそれと共に、光路１０に戻されなかった残りの（Ｐ）波成分は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０を通過し、射光口２８から出射される。結果、パルス長がフェムト秒単位の短パルスレーザー光を射光口２８から得ることができる。

誘導光は、単一波長で発振しているが、短パルス化することで、周波数帯域が広がる。本発明に係る光ファイバ出力光源装置１では、後述する実施例で示すように、１００ｎｍ以上の帯域のパルス発光を得ることができる。

図５には、他の構成の単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの内部構成を示す。これを単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ５０とする。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ５０は、入射レンズ６０と、出射レンズ６２と、複屈折プリズム６４と、反射鏡６６を有する。入射レンズ６０は、入射口６０ａの直後に配置される。言いかえると、入射レンズ６０は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ５０内において、光路１０の他端にあたる分散補償用光ファイバ１２に光学的に対向する位置に配置される。

出射レンズ６２は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ５０内であって、出射口６０ｂの直前に配置される。

複屈折プリズム６４は、入射レンズ６０と出射レンズ６２との間に配置される。複屈折プリズム６４は、光を入射させる入射光面６４ａと、透過した光が出射される透過光面６４ｂを有する。

複屈折プリズム６４は、入射光面６４ａを入射レンズ６０に対向させ、透過光面６４ｂは出射レンズ６２に対向する姿勢で配置される。透過光面６４ｂにおいて、複屈折プリズム６４の光軸から、通常光線が透過する部分を遮るように反射鏡６６が配置される。反射鏡６６は高反射ミラーが好適に利用できる。

このように構成された単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ５０も、図２で説明した単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０と同様の機能を有する。すなわち、複屈折プリズム６４の通常光線Ｌｎｒと異常光線Ｌａｂは、偏光方向が違うことによって生じる。

したがって、異常光線Ｌａｂは出射口６０ｂから出射され、通常光線Ｌｎｒは反射され光路１０に戻る。したがって、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０を単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ５０に置き換えても、本発明に係る光ファイバ出力光源装置１とすることができる。

また、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０は、二本のファイバが溶融延伸され、偏波分離特性が発現している溶融延伸型光ファイバカプラで構成されたものを用いてもよい。

以下に本発明に係る光ファイバ出力光源装置の実施例を示す。図１の構成において、励起用光源１８には、波長１４８０ｎｍのレーザーダイオードを用いた。増幅用光ファイバ１４はエルビウム含有光ファイバ（ＥＤＦ）を１５ｍで用いた。主な諸元として、比屈折率差は１．５％程度、遮断波長８５０ｎｍ、零分散波長は１７００ｎｍ程度であり、波長１５６０ｎｍ帯では正常分散（常分散）を有している。

分散補償用光ファイバ１２は、シングルモードファイバを３０ｍで使用した。主な諸元としては、比屈折率差は０．４％、遮断波長は１２５０ｎｍ、零分散波長は１３１５ｎｍ程度であり、波長１５６０ｎｍ帯では異常分散を持つ。

以上の構成で、室温で共振器３２を発振させることができ、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の出射口２０ｂから短パルスレーザー光を得た。図６には、得られたレーザー光の光スペクトラムアナライザの結果を示す。図６を参照して、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光強度（ｄＢｍ／ｎｍ）であり、スペクトル分解能は１ｎｍである。実線と鎖線は、光路１０の条件（設置状態の違い）の違いによって安定に得られた際に得られたスペクトルである。２つのスペクトルをそのピーク値で呼ぶことにすると、実線は１５７０ｎｍ帯であり、鎖線は１６７０ｎｍ帯と呼ぶことができる。

１５７０ｎｍ帯のスペクトルは、約１３０ｎｍの帯域を有し、１６７０ｎｍ帯のスペクトルは、約１５０ｎｍ以上の帯域という広帯域を示した。特に特徴的なのは、スペクトルを得た帯域において、−４０ｄＢ／ｎｍ以上の光強度では、スペクトルの落ちや欠けといった部分がまったくなく、強度安定性は、０．１ｄＢ未満であった。これより、発振している短パルスレーザーは上記の帯域に渡って安定に発振していると考えられた。

１５７０ｎｍ帯のスペクトルでは、最大値が−１９．３ｄＢｍ／ｎｍであって、有効スペクトルは１５２４．９ｎｍ〜１６９６．０ｎｍの１７１．１ｎｍであった。また、１６７０ｎｍ帯のスペクトルでは、最大値が−２３．７ｄＢｍ／ｎｍであって、有効スペクトルは１５１９．７ｎｍ〜１７２４．０ｎｍの２０４．３ｎｍであった。

図７には、時間波形の例を示す。図７を参照して、横軸は時間軸（５ｎｓ／ｄｉｖ）であり、縦軸は強度（５００ｍＶ／ｄｉｖ）である。また、小窓の方も横軸が時間軸（１μｓ／ｄｉｖ）であり、縦軸は強度（任意）である。小窓と大窓では横軸の単位が異なり、大窓は小窓の一部を拡大した図である。

小窓を参照すると、１μｓにおよそ３つの波形があり、約３ＭＨｚの繰り返し周期で安定して発振していることがわかる。また、大窓を参照すると、オシロスコープの掃引に対して、波形の落ちや欠けもなかった。また、ほぼ対称形の波形を得ていることから、安定した発振をしていることがわかる。

次に単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の出射口２０ｂ（共振器３２の出力端）に、レーザー出力された光スペクトル（図６参照）の中央波長近傍でゼロ分散に近い値を持つ分散特性を有する高非線形ファイバを高非線形ファイバ３０として接続した。高非線形ファイバ３０の緒元は、モードフィールド径が５μｍ以下であり、１０［１／（Ｗ・ｍ）］以上の非線形係数を有する。また、分散は１５５０ｎｍで０．３［ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）］であり、ファイバ長は４００ｍであった。したがって、この高非線形ファイバ３０は、有効スペクトルの範囲で、−１から３［ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）］の範囲に分散値をもつ領域を有する。

図８に出力結果のグラフを示す。図８のグラフを参照して、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は強度（ｄＢｍ／ｎｍ）である。点線は共振器３２の出力（出射口２０ｂの出力）を示し、実線は高非線形ファイバ（高非線形ファイバ３０）の出力である。図８からわかるように、１１００ｎｍから１７００ｎｍ以上の６００ｎｍ以上の帯域において、安定した発振を得ることができた。

図９は、安定性の試験結果を示す。横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は強度（ｄＢｍ／ｎｍ）である。点線は開始直後のスペクトルであり、実線は５０分後のスペクトルである。図９からわかるように、点線が実線に重なって判別できないほど、スペクトルの変化はなかった。すなわち、安定性が極めて高いＳＣ（Ｓｕｐｅｒ Ｃｏｎｔｉｎｕｕｍ）光源を得ることができた。

以上のことから、本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、高精度な測定を求められる光源に好適に利用することができる。また、基本的には発振しにくい構成であるが、一度発振すると、発振条件が安定となる光学構成となっているため、長時間運転による特性の変化が少なく、温度変動や振動などに対するロバスト性も高い。また、発振したスペクトルの中央波長近傍でゼロ分散に近い値を有する高非線形ファイバを接続することで、非常に広帯域のＳＣ光源を得ることができる。

本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、各種測定の光源として好適に利用することができる。

１ 光ファイバ出力光源装置
１０ 光路
１２ 分散補償用光ファイバ
１４ 増幅用光ファイバ
１６ 合波器
１８ 励起用光源
２０ 単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ
２０ａ 入射口
２０ｂ 出射口
２２ ９０°偏波回転反射器
２４ 光ファイバ
２６ 反射防止器
２８ 射光口
３０ 高非線形ファイバ
３２ 共振器
４０ 入射レンズ
４２ 出射レンズ
４４ 偏波ビームスプリッタ
４４ａ 入射光面
４４ｂ 透過光面
４４ｃ 反射光面
４４ｒ 反射面
４６ 反射鏡
５０ 単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ
６０ 入射レンズ
６０ａ 入射口
６０ｂ 出射口
６２ 出射レンズ
６４ 複屈折プリズム
６４ａ 入射光面
６４ｂ 透過光面
６６ 反射鏡

Claims (8)

1. 増幅用光ファイバと分散補償用光ファイバを連結した光路と、
   前記光路の一端に接続されたファラデー回転鏡と、
   前記光路の他端に接続され、直交する偏波のうち、一方を透過させ、他方を反射して前記光路に戻す単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、
   前記光路中に挿設された合波器と、
   前記合波器に接続された励起用光源を有し、前記ファラデー回転鏡と前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタとの間に、前記ファラデー回転鏡以外のファラデー回転子が含まれていないことを特徴とする光ファイバ出力光源装置。
2. 前記光路で使用される光ファイバは、すべて偏波面保存能力を有さないファイバのみで構成されていることを特徴とする請求項１に記載された光ファイバ出力光源装置。
3. 前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの出射口には反射防止器が備えられていることを特徴とする請求項１または２の何れかに記載された光ファイバ出力光源装置
   。
4. 前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの後段にさらに高非線形ファイバを接続したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装
   置。
5. 前記高非線形ファイバは、前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの出射口から出射されるレーザー光の有効スペクトル内における分散値の範囲が、零分散を中心に、−１から３［ｐｓ／（ｎｍ・ｋｍ）］の範囲となる領域を有していることを特徴とする請求項４に記載された光ファイバ出力光源装置。
6. 前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
   偏波ビームスプリッタと、
   前記偏波ビームスプリッタの入射面側に配置されたレンズと、
   前記偏波ビームスプリッタの反射面側に配置された反射鏡と、
   前記偏波ビームスプリッタの透過面側に配置されたレンズを有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
7. 前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
   複屈折プリズムと、
   前記複屈折プリズムの入射面側に配置されたレンズと、
   前記複屈折プリズムの透過面の一部に配置された反射鏡を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。
8. 前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、
   二本のファイバが溶融延伸され、偏波分離特性が発現している溶融延伸型光ファイバカプラで構成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一の請求項に記載された光ファイバ出力光源装置。

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