JP6791289B2 - 広帯域パルス光源装置、分光測定装置及び分光測定方法 - Google Patents
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Description
この出願の発明は、この知見に基づくものであり、時間と波長との一意性を保持しつつ高出力とした場合にも時間と波長との一意性が崩れることのない広帯域パルス光源装置を提供することを目的としている。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、補償ファイバが、マルチコアファイバの二個以上のコア又は前記バンドルファイバの二本以上のファイバのそれぞれに接続されているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、補償ファイバの温度を調節する温度調節機構を備え得る。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを検出するモニタ機構が設けられており、温度調節機構がこのモニタ機構が検出したタイミングのずれの幅に応じて温度調節を行う機構であるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、温度調節機構が補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅がしきい値以上の場合に動作する機構であるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、温度調節機構が補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅に応じて予め定めた量の温度調節を行う機構であるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、補償ファイバの長さを調整する長さ調整機構が設けられているという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、伸長ファイバモジュールが、マルチコアファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、マルチコアファイバは、シングルモードのマルチコアファイバであるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、伸長ファイバモジュールが、バンドルファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、バンドルファイバは、シングルモードファイバをバンドルしたファイバであるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、広帯域パルス光源装置は、補償ファイバが、シングルモードファイバであるという構成を持ち得る。
また、上記課題を解決するため、この出願の分光測定装置の発明は、上記広帯域パルス光源装置と、この広帯域パルス光源装置から出射された広帯域パルス光が照射された対象物からの光が入射する位置に配置された受光器と、受光器からの出力データをスペクトルに変換する演算を行う演算手段とを備えている。
また、上記課題を解決するため、この出願の分光測定方法の発明は、上記広帯域パルス光源装置から出射された広帯域パルス光を対象物に照射するステップと、光照射された対象物からの光を受光器で受光するステップと、受光器からの出力データを演算手段によりスペクトルに変換するステップとを備えている。
また、この出願の分光測定装置又は分光測定方法の発明によれば、上記効果を有する広帯域パルス光源装置を使用するので、時間対波長の一意性が高く保持された光により分光測定が行える。このため、分光測定の精度が高くなる。また、ダイナミックレンジの関係で特定の波長域においてSN比が低下してしまう問題はい。さらに、エネルギー効率を高くして光を照射できることから、光吸収の多い対象物についても透過光強度を高くして測定することができるメリットもある。
また、補償ファイバがマルチコアファイバの二個以上のコア又はバンドルファイバの二本以上のファイバのそれぞれに接続されていると、広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを細かく調節することができる。このため、上記効果がさらに高くなる。
また、広帯域パルス光源装置が補償ファイバの温度を調節する温度調節機構を備えていると、各補償ファイバの波長分散特性のばらつきに起因した広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを温度調節によって抑え込むことができるので、時間対波長の一意性がさらに精度良く保持される。
また、補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを検出するするモニタ機構が設けられており、温度調節機構がこのモニタ機構が検出したタイミングのずれに応じて温度調節を行う機構であると、温度変化によらない波長分散特性のばらつきも抑え込むことができ、この点で時間対波長の一意性の精度がさらに高く保持される。
また、温度調節機構が補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれがしきい値以上の場合に動作する機構であると、温度調節機構の動作を必要最小限とすることができ、省エネルギー効果に優れた装置が提供される。
また、温度調節機構が補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれに応じて予め定めた量の温度調節行う機構であると、ずれに応じた調整量が容易に達成され、温度調節が不足したり過剰になってしまったりする問題が生じない。
また、補償ファイバの長さを調整する長さ調整機構が設けられていると、波長分散特性のばらつきの抑え込みを温度調節による方法に比べ高速に行うことができるようになる。
まず、広帯域パルス光源装置の発明の実施形態について説明する。図1は、第一の実施形態の広帯域パルス光源装置の概略図である。
図1に示す広帯域パルス光源装置は、広帯域パルス光を出射する広帯域パルス光源1と、広帯域パルス光源1から出射される広帯域パルス光のパルス幅を伸長する伸長ファイバモジュール2とを備えている。
パルスレーザ源11としては、種々のものを用いることができるが、例えばゲインスイッチレーザ、マイクロチップレーザ、ファイバレーザ等を用いることができる。非線形光学効果によりSC光を生成するため、パルスレーザ源11は超短パルスレーザ源であることが望ましい。
即ち、図2に示すように、SC光L2においては、超短パルスではあるものの、1パルスの初期に最も長い波長λ1の光が存在し、時間が経過すると徐々に短い波長の光が存在し、パルスの終期には最も短い波長λnの光が存在する。この光を、正常分散ファイバでるファイバ20に通すと、ファイバ20では、波長の短い光ほど遅れて伝搬するので、1パルス内の時間差が増長され、ファイバ20を出射する際には、短い波長の光は長い波長の光に比べてさらに遅れるようになる。この結果、出射するSC光L3は、時間対波長の一意性が確保された状態でパルス幅が伸長された光となる。即ち、図2の下側に示すように、時刻t1〜tnは、波長λ1〜λnに対してそれぞれ1対1で対応した状態でパルス伸長される。
通信などで使用される一般的なシングルモードファイバは波長900〜1300nmにおいて正常分散を示すため、この実施形態では正常分散ファイバを用いている。
また、意図しない非線形光学効果により、本来必要ではない波長域において光が生成されると、その分で入力パワーが使われてしまうので、エネルギー効率が低下し、本来必要な波長域において十分な強度の光が得られないことになる。
しかしながら、発明者の研究によると、マルチコアファイバ21において、各コア210は同一の材料ではあるものの、波長分散特性にばらつきがあり、このため、コア間においてパルス伸長の状況がばらついてしまう。即ち、図4に示すように、各コア210で伸長されて出射するパルス光をパルス波形(時間波形)P1〜P4で示すと、パルス光P1〜P4は出射するタイミングが一致せず、幅dのずれが発生する。
このような要因のため、各コアが仕様としては同じ材料であり同じ長さであったとしても、各コアの波長分散特性は一定ではなく、この結果、パルス伸長の状況もばらついてしまう。
尚、図4の例では、コア210aにおいて最も群遅延が少なく、コア210dにおいて群遅延が多くなっているが、これは波長分散特性のばらつきのパターンの単なる一例であり、他のパターンでばらつく場合も勿論ある。
実際には、装置の製造の際、マルチコアファイバ21の各コア210a〜210dからのパルスP1〜P4をオシロスコープ等の測定機器でモニタし、各ずれの幅dに応じて各補償ファイバ22を接続する。そして、各補償ファイバ22を出射したパルス光P1’〜P4’を同様にオシロスコープで観察し、ずれの幅dが許容値に入っているかどうか確認する。許容値に入っていれば、その装置は合格であり出荷OKとされ、許容値に入っていなければ、補償ファイバ22を適宜交換して接続し、ずれの幅dが許容値内となるようにする。
各パルスのずれの幅が許容値内であるかどうかの判断は、上記のようにオシロスコープ等の測定機器を使用して行うが、ずれの幅の確認については、パルスの中央のような十分に強度がある箇所を基準にして行う。パルスの始期又は終期で行っても良いが、これらのタイミングでは強度が弱いので、ずれの幅の確認を精度良く行うことは難しい。したがって、例えばパルスの中央(時間幅の中央)のような十分に高い強度のところで比較をしてずれの幅を特定する。
いま、パルスP2は、パルスP1よりも分散の大きなコアを伝搬したとする。この場合、パルスP2はパルスP1に対して少し遅れる。パルスP2の中央の時刻をt2mとすると、ずれの幅dは、t1mとt2mの差となる。そして、ずれの幅dは時間のずれであるが、ずれの幅dが存在している場合の波長のずれ、即ち時刻t1mで観測される波長のずれをδλとする。
上記構成では、補償ファイバ22は各コア210に対して接続されたが、波長分散特性のばらつきの発生状況によっては一つのコア210のみに対して接続されれば足りる場合もある。
第二の実施形態の広帯域パルス光源装置が第一の実施形態と異なるのは、補償ファイバ22の温度を調節する温度調節機構4を備えている点である。この実施形態では、温度調節機構4は、各補償ファイバ22に設けられており、各補償ファイバ22を互い独立して温度調節できるものとなっている。
この実施形態では、各温度調節機構4の動作についても最適化されている。即ち、各温度調節機構4の動作を制御するためのモニタ機構5が設けられており、このモニタ機構5からの信号に従って各温度調節機構4は動作するようになっている。
実際の温度調節では、ある特定の補償ファイバ22を基準とし、この補償ファイバ22からの出射パルスを基準として他の出射パルスのタイミングのずれをモニタする。以下、この基準となる補償ファイバ22を基準ファイバという。
図8(1)に示すように、基準ファイバ22からの出射パルスP1に対してある補償ファイバ22からの出射パルスP2のずれが観測される。このずれについて、検出データで特定されるパルスP1,P2の中心のずれの幅dが算出される。この幅dが最小(d=0)になるように、温度調節機構4が制御される。
コントローラ50の記憶部には、上記ずれを解消するための基準値が記憶されている。基準値は、どの程度温度を変化させると出射パルスのタイミングがどの程度ずれるかという基準値であり、予め実験的に求められて記憶されている。
具体的に説明すると、温度が上昇すると屈折率は小さくなり、屈折率が小さくなると波長分散は多くなる。したがって、広帯域パルス光のタイミングは遅れる。逆に、温度が低下すると屈折率は大きくなり、波長分散は少なくなる。このため、広帯域パルス光のタイミングは早くなる。したがって、ある時刻を0として広帯域伸長パルス光の出射のタイミングを表すと、概略的には図8(2)に示すようなものとなる。
温度変化ΔTに対するタイミングのずれの幅Δdは、実験的に調べることが可能である。この実施形態では、各補償ファイバ22についてΔd/ΔTが予め調べられており、この値がコントローラ50の記憶部に記憶されている。
上記の制御例は、ずれの幅dがしきい値を超えた場合には温度調節を行う例であったが、PID制御等のようなフィードバック制御をしても良い。即ち、d=0になるようにするフィードバック制御を行い、即時性を高めても良い。
尚、温度調節機構4の制御としては、各補償ファイバ22の温度をセンサで検出し、これが一定になるように制御を行っても良い。この場合でも、温度変化による波長分散特性のばらつき、広帯域パルス光の出射のタイミングのばらつきが抑え込まれるため、時間対波長の一意性の精度が高められる。
予め求められた基準値に従って温度調節量を算出して温度調節を行う点には、温度調節が不足したり過剰になったりしないという効果がある。温度調節については、温度の上昇(加熱)を継続し、ずれの幅dがしきい値以下になったら停止するとか、温度の低下(冷却)を継続し、ずれの幅dがしきい値以下になったら停止するといったやり方もあるが、このようにすると、一時的に温度調節が不足したり過剰になったりする問題が生じ得る。上記実施形態の構成では、そのような問題はない。
第三の実施形態においても、伸長ファイバモジュール2はマルチコアファイバ21と各補償ファイバ22とを備えており、各補償ファイバ22はマルチコアファイバ21のコア間の波長分散特性のばらつきを補償するものとなっている。そして、各補償ファイバ22には温度調節機構4が付設されており、各温度調節機構4を制御するコントローラ50が設けられている。
この実施形態では、各モニタは、マルチコアファイバ21の出射端で反射して戻ってきた光を検出するので、全体の波長分散は倍になり、したがってずれの幅dも倍になる。このため、算出したずれの幅dを1/2倍してしきい値と比較するか、しきい値を2倍にしてから比較する。
第四の実施形態においても、伸長ファイバモジュール2はマルチコアファイバ21と各補償ファイバ22とを備えており、各補償ファイバ22はマルチコアファイバ21のコア間の波長分散特性のばらつきを補償するものとなっている。
この実施形態では、各補償ファイバ22には長さ調整機構40が設けられている。長さ調整機構40としては、例えばピエゾ素子によって補償ファイバ22を伸縮させて長さを調整する機構が採用できる。
この実施形態においても、各広帯域パルス光の出射のタイミングのずれがしきい値以下に抑え込まれる。このため、時間対波長の一意性が高く保持された広帯域パルス光が出射される。
尚、温度調節機構4を使用する場合と比べると、長さ調整機構40(機構的な光路長の調整)による場合、波長分散量の調整を応答性良く行うことができるため、波長分散特性のばらつきを抑え込む動作の高速性という点で優れたものになる。
図11に示す分光測定装置は、広帯域パルス光源装置10と、広帯域パルス光源装置10からの広帯域パルス光が照射された対象物Sからの光の受光位置に配置された受光器7と、受光器7からの出力を処理する演算手段8とを備えている。
受け板6の光出射側に、受光器7が配置されている。受光器7としては、フォトダイオードが使用される。1GHz〜10GHz程度の高速フォトダイオードが好適に使用できる。
そして、対象物を経た光、すなわち対象物からの透過光を受光器7に入射させた際、受光器7からの出力はAD変換器71を経て同様に各パルス内時刻t1,t2,t3,・・・の値(測定値)としてメモリに記憶される(v1,v2,v3,・・・)。各測定値は、基準スペクトルデータ84と比較される(v1/V1,v2/V2,v3/V3,・・・)。そして、必要に応じて逆数の対数を取り、吸収スペクトルの算出結果とする。
尚、上記説明では対象物Sからの透過光の分光測定を例にしたが、対象物Sからの反射光を受光する位置に受光器7を設け、対象物Sからの反射光の分光測定を行うようにすることも可能であり、この場合も同様の効果が得られる。さらに、広帯域パルス光が照射された対象物Sからの散乱光又は蛍光を捉えて分光測定する場合もあり得る。したがって、対象物Sからの光は、光照射された対象物Sからの透過光、反射光、蛍光、散乱光などであり得る。
10 広帯域パルス光源装置
2 伸長ファイバモジュール
21 マルチコアファイバ
210 コア
22 補償ファイバ
4 温度調節機構
5 モニタ機構
50 コントローラ
51 モニタ用受光器
6 受け板
7 受光器
8 演算手段
S 対象物
Claims (12)
- 広帯域パルス光源と、
広帯域パルス光源からの広帯域パルス光のパルス幅を、パルス内において時間と光の波長とが1対1で対応するように伸長させる伸長ファイバモジュールと
を備えた広帯域パルス光源装置であって、
伸長ファイバモジュールは、マルチコアファイバ又はバンドルファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、
補償ファイバは、マルチコアファイバのコア又はバンドルファイバのファイバに接続されており、マルチコアファイバのコア間又はバンドルファイバのファイバ間の波長分散特性のばらつきを補償することを特徴とする広帯域パルス光源装置。 - 前記補償ファイバは、前記マルチコアファイバの二個以上のコア又は前記バンドルファイバの二本以上のファイバのそれぞれに接続されていることを特徴とする請求項1記載の広帯域パルス光源装置。
- 前記補償ファイバの温度を調節する温度調節機構を備えていることを特徴とする請求項1又は2記載の広帯域パルス光源装置。
- 前記補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれを検出するするモニタ機構が設けられており、
前記温度調節機構は、このモニタ機構が検出したタイミングのずれの幅に応じて温度調節を行う機構であることを特徴とする請求項3記載の広帯域パルス光源装置。 - 前記温度調節機構は、前記補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅がしきい値以上の場合に動作する機構であることを特徴とする請求項4記載の広帯域パルス光源装置。
- 前記温度調節機構は、前記補償ファイバから出射される広帯域パルス光の出射のタイミングのずれの幅に応じて予め定めた量の温度調節を行う機構であることを特徴とする請求項4又は5記載の広帯域パルス光源装置。
- 前記補償ファイバの長さを調整する長さ調整機構が設けられていることを特徴とする請求項1又は2記載の広帯域パルス光源装置。
- 前記伸長ファイバモジュールは、マルチコアファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、マルチコアファイバは、シングルモードのマルチコアファイバであることを特徴とする請求項1乃至7いずれかに記載の広帯域パルス光源装置。
- 前記伸長ファイバモジュールは、バンドルファイバと、シングルコアファイバである補償ファイバとを備えており、バンドルファイバは、シングルモードファイバをバンドルしたファイバであることを特徴とする請求項1乃至7いずれかに記載の広帯域パルス光源装置。
- 前記補償ファイバは、シングルモードファイバであることを特徴とする請求項1乃至9いずれかに記載の広帯域パルス光源装置。
- 請求項1乃至10いずれかに記載の広帯域パルス光源装置と、
この広帯域パルス光源装置から出射された広帯域パルス光が照射された対象物からの光が入射する位置に配置された受光器と、
受光器からの出力データをスペクトルに変換する演算を行う演算手段と
を備えていることを特徴とする分光測定装置。 - 請求項1乃至10いずれかに記載の広帯域パルス光源装置から出射された広帯域パルス光を対象物に照射するステップと、
光照射された対象物からの光を受光器で受光するステップと、
受光器からの出力データを演算手段によりスペクトルに変換するステップとを備えていることを特徴とする分光測定方法。
Priority Applications (3)
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