JP7033988B2

JP7033988B2 - 光源モジュール

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Publication number: JP7033988B2
Application number: JP2018069039A
Authority: JP
Inventors: 尚輝村越
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2018-03-30
Filing date: 2018-03-30
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2038-03-30
Also published as: JP2019179873A

Description

本発明は、レーザ光を出力するレーザ発振器と、該レーザ光を導波する光ファイバとを備えた光源モジュールに関する。特に、光ファイバにブラッググレーティング等の反射部を設け、レーザ発振器の出射端面と反対側の端面と反射部とに挟まれたレーザ光の光路を、レーザ発振器の外部共振器として利用するタイプの光源モジュールに関する。

レーザ光を出力するレーザ発振器と該レーザ光を導波する光ファイバとを備えた光源モジュールが広く用いられている。このような光源モジュールは、例えば、ファイバレーザの励起光源として利用される。

このような光源モジュ－ルに関して、特許文献１～２には、光ファイバにブラッググレーティング等の反射部を設け、レーザ発振器の出射端面と反対側の端面と反射部とに挟まれたレーザ光の光路を、レーザ発振器の外部共振器として利用する技術が開示されている。そして、このような外部共振器に関して、特許文献１には、その共振器長を、レーザ発振器（特許文献１における「発光素子」）の屈折率、レーザ発振器の損失係数、発光素子の後端面の反射率、及び、反射部（特許文献１における「グレーチング部」）の反射率に応じて設定することが記載されている。また、このような外部共振器に関して、特許文献２には、その共振器長をレーザ発振器（特許文献２における「ダイオードレーザ」）のコヒーレント長に応じて設定することが記載されている。

特許第３９３６００８号特許第３２９６５６２号

レーザ光を出力するレーザ発振器と該レーザ光を導波する光ファイバとを備えた光源モジュールにおいては、光ファイバに形成する反射部の反射波長をレーザ発振器の発振波長と異ならせることによって、反射部を透過して外部に出力されるレーザ光のスペクトル幅を広げることができる。これにより、光ファイバにおいて生じ得るＳＢＳ（Stimulated Brillouin Scattering：誘導ブリルアン散乱）等の非線形光学効果が抑制される。

しかしながら、レーザ発振器から出力されるレーザ光がパルス光である場合、反射部を透過して外部に出力されるレーザ光のスペクトルを十分に広げることができない場合があることを、発明者らは見いだした。

このような問題が生じる原因としては、図５の（ａ）に示すように、反射部に入射するパルス光のピークと、反射部にて反射され、外部共振器を往復した後、反射部に再入射するパルス光のピークとが時間軸上で重ならないことが考えられる。図５の（ａ）は、従来の光源モジュールに関して、反射部に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。

反射部に入射するパルス光のピークと、反射部に再入射するパルス光のピークとが重ならない場合、図５の（ｂ）に示すように、これらのパルス光を重ね合せた合成パルス光のスペクトル幅（図５の（ｂ）における白塗り矢印）が十分に広がらず、反射部に入射するパルス光のスペクトル幅（図５の（ｂ）における黒塗り矢印）と同程度になる。図５の（ｂ）は、従来の光モジュールに関して、反射部に入射するパルス光のスペクトル（実線）と、反射部に再入射するパルス光の波長分布（点線）と、これらのパルス光を重ね合わせた合成パルス光の波長分布（一点鎖線）とを例示したグラフである。

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、パルス光を出力するレーザ発振器と該パルス光を導波する光ファイバとを備えた光源モジュールにおいて、光ファイバに形成された反射部を透過して外部に出力されるパルス光のスペクトルを、従来の光源モジュールよりも広げることにある。

本発明に係る光源モジュールは、パルス光を出力するレーザ発振器と、上記パルス光を導波する光ファイバであって、反射波長が上記パルス光の波長と異なる反射部が設けられた光ファイバと、を備え、上記レーザ発振器の出射端面と反対側の端面と上記反射部とに挟まれた上記パルス光の光路は、上記レーザ発振器の外部共振器を構成し、当該外部共振器の光学的な共振器長Ｌは、Ｔ[ｓ］を上記パルス光のパルス間隔、ｔ［ｓ］を上記パルス光のパルス幅、ｃを光速［ｍ／ｓ］、Ｎを任意の自然数として、（ＮＴ／２－ｔ／２）≦ＮＬ／ｃ≦（ＮＴ／２＋ｔ／２）を満たす、ことを特徴とする。

上記の構成によれば、反射部を透過して外部に出力されるパルス光のスペクトルを、従来の光源モジュールよりも広げることができる。

本発明に係る光源モジュールにおいて、上記外部共振器の光学的な共振器長Ｌは、例えば以下のように与えられる。すなわち、上記レーザ発振器の物理的な共振器長をＬ１、上記レーザ発振器を構成する媒質の屈折率をｎ１、上記レーザ発振器の出射端面から上記光ファイバの入射端面までの距離をＬ２、上記レーザ発振器の出射端面から上記光ファイバの入射端面までの空間を構成する媒質の屈折率をｎ２、上記光ファイバの入射端面から上記反射部までの区間の長をＬ３、上記光ファイバを構成する媒質の屈折率をｎ３として、上記外部共振器の光学的な共振器長Ｌは、Ｌ＝ｎ１Ｌ１＋ｎ２Ｌ２＋ｎ３Ｌ３により与えられる。

本発明に係る光源モジュールにおいて、上記反射部は、上記光ファイバに形成されたブラッググレーティングにより構成されている、ことが好ましい。

ファイバブラッググレーティングは、光ファイバのコアに高屈折率領域を周期的に書き込むことによって形成することができる。したがって、上記の構成によれば、上記反射部を上記光ファイバの内部に容易に実現することができる。

本発明に係る光源モジュールにおいて、上記反射部の反射波長から上記レーザ発振器の発振波長を引いた差は、０ｎｍよりも大きく６．７ｎｍよりも小さい、ことが好ましい。

上記の構成によれば、上記反射部の反射波長が上記レーザ発振器の発振波長と一致する場合よりも、ＳＢＳ発生閾値を大きくすることができる。したがって、上記反射部の反射波長が上記レーザ発振器の発振波長と一致する場合よりも、ＳＢＳを発生し難くすることができる。

本発明によれば、パルス光を出力するレーザ発振器と該パルス光を導波する光ファイバとを備えた光源モジュールにおいて、光ファイバに形成された反射部を透過して外部に出力されるパルス光のスペクトルを、従来の光源モジュールよりも広げることができる。

（ａ）は、本発明の一実施形態に係る光源モジュールの構成を示す平面図である。（ｂ）は、その光源モジュールが備えるレーザ発振器から出力されるパルス光の時間波形を示すグラフである。図１に示す光源モジュールに関する。（ａ）は、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝Ｔ／２を満たしている場合について、反射部に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。（ｂ）は、反射部に入射するパルス光のスペクトル（実線）と、反射部に再入射するパルス光のスペクトル（点線）と、これらのパルス光を合成した合成パルス光のスペクトル（一点鎖線）とを例示したグラフである。図１に示す光源モジュールに関する。（ａ）は、Ｎ＝２の場合について、反射部に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。（ｂ）は、Ｎ＝３の場合について、反射部に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。（ｃ）は、Ｎ＝４の場合について、反射部に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。図１に示す光源モジュールに関し、反射部の反射波長からレーザ発振器の発振波長を引いた差と、ＳＢＳ発生閾値との関係を示すグラフである。従来の光源モジュールに関する。（ａ）は、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝Ｔ／２を満たしている場合について、反射部に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。（ｂ）は、反射部に入射するパルス光のスペクトル（実線）と、反射部に再入射するパルス光のスペクトル（点線）と、これらのパルス光を合成した合成パルス光のスペクトル（一点鎖線）とを例示したグラフである。

（光源モジュールの構成）
本発明の一実施形態に係る光源モジュール１の構成について、図１を参照して説明する。図１の（ａ）は、光源モジュール１の構成を示す平面図である。図１の（ｂ）は、光源モジュール１が備えるレーザ発振器１１から出力されるパルス光の時間波形を例示したグラフである。

光源モジュール１は、図１に示すように、レーザ発振器１１と、光ファイバ１２と、筐体１３と、を備えている。レーザ発振器１１は、筐体１３の内部に収容されており、光ファイバ１２は、一方の端部が筐体１３の内部に引き込まれている。

レーザ発振器１１は、パルス間隔Ｔ［ｓ］、パルス幅ｔ［ｓ］のパルス光を出力する。レーザ発振器１１の物理的な共振器長は、Ｌ１［ｍ］であり、レーザ発振器１１を構成する媒質の屈折率は、ｎ１である。したがって、レーザ発振器１１の光学的な共振器長は、ｎ１×Ｌ１となる。本実施形態においては、レーザ発振器１１として、レーザダイオードを用いている。

レーザ発振器１１から出力されるパルス光の時間波形は、例えば図１の（ｂ）に示すように、一定の間隔をおいて並んだ複数のピークを有している。この場合、上述したパルス間隔Ｔは、例えば図１の（ｂ）に示すように、パルス光の時間波形におけるピーク間隔として定義される。また、上述したパルス幅ｔは、例えば図１の（ｂ）に示すように、パルス光の時間波形における各ピークの半値半幅の平均値として定義される。

光ファイバ１２は、その入射端面１２ａがレーザ発振器１１の出射端面１１ｂと対向するように筐体１３に固定されている。このため、出射端面１１ｂを介してレーザ発振器１１から出力されたパルス光は、入射端面１２ａを介して光ファイバ１２に入力される。レーザ発振器１１の出射端面１１ｂから光ファイバ１２の入射端面１２ａまでの距離は、Ｌ２［ｍ］であり、レーザ発振器１１の出射端面１１ｂと光ファイバ１２の入射端面１２ａとの間の空間を構成する媒質（例えば、空気）の屈折率は、ｎ２である。したがって、レーザ発振器１１から出力されるパルス光の光路のうち、レーザ発振器１１の出射端面１１ｂから光ファイバ１２の入射端面１２ａまでの区間の光路長は、ｎ２×Ｌ２となる。

光ファイバ１２には、反射部１２１が設けられている。この反射部１２１の反射帯域は、レーザ発振器１１の発振波長（レーザ発振器から出力されるパルス光のピーク波長）を含む。ただし、この反射部１２１の反射波長（反射率が最大になる波長）は、レーザ発振器１１の発振波長と異なっていてもよい。上述したように光ファイバ１２に入力されたパルス光は、光ファイバ１２のコアを導波され、その一部が反射部１２１に反射される。光ファイバ１２の入射端面１２ａから反射部１２１までの区間の長さは、Ｌ３であり、光ファイバ１２（より具体的には、光ファイバ１２のコア）を構成する媒質の屈折率は、ｎ３である。したがって、レーザ発振器１１から出力されるパルス光の光路のうち、光ファイバ１２の入射端面１２ａから反射部Ｐまでの区間の光路長は、ｎ３×Ｌ３となる。本実施形態においては、光ファイバ１２にブラッググレーティングＢＧを形成することによって、反射部１２１を構成している。この場合、反射部１２１は、ブラッググレーティングＢＧが形成された区間の中点に局在しているものと見做すことができる。

光源モジュール１においては、レーザ発振器１１から出力されたパルス光の一部が、光ファイバ１２に設けられた反射部１２１にて反射される。このため、レーザ発振器１１の出射端面１１ｂと反対側の端面１１ａと反射部１２１とに挟まれたパルス光の光路が、レーザ発振器１１の外部共振器を構成する。本実施形態において、この光路は、レーザ発振器１１、レーザ発振器１１の出射端面１１ｂと光ファイバ１２の入射端面１２ａとの空間、及び、光ファイバ１２の入射端面１２ａから反射部１２１までの区間により構成される。したがって、この外部共振器の光学的な共振器長Ｌは、Ｌ＝ｎ１×Ｌ１＋ｎ２×Ｌ２＋ｎ３×Ｌ３により与えられる。

（光源モジュールの特徴及び効果）
光源モジュール１の特徴は、上述した外部共振器の光学的な共振器長Ｌが、ｃ［ｍ／ｓ］を光速、Ｎを自然数（０を含まない）として、Ｌ／ｃ＝Ｔ／２を満たしている点である。これにより、反射部１２１を透過して光源モジュール１の外部に出力されるパルス光のスペクトル幅を、従来の光源モジュールよりも広くすることができる。以下、この理由について、図２及び図３を参照して説明する。

外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝Ｔ／２を満たしていれば、図２の（ａ）に示すように、反射部１２１に入射するパルス光のピークと、反射部１２１にて反射され、外部共振器を往復した後、反射部１２１に再入射するパルス光（以下、単に「反射部１２１に再入射するパルス光」と記載する）のピークとが時間軸上で重なる。図２の（ａ）は、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝Ｔ／２を満たしている場合について、反射部１２１に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部１２１に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。

そして、反射部１２１に入射するパルス光のピークと反射部１２１に再入射するパルス光のピークとが時間軸上で重なる場合、図２の（ｂ）に示すように、これらのパルス光を重ね合わせた合成パルスのスペクトル幅（図２の（ｂ）における白塗り矢印）は、反射部１２１に入射するパルス光のスペクトル幅（図２の（ｂ）における黒塗り矢印）よりも広くなる。図２の（ｂ）は、反射部１２１に入射するパルス光のスペクトル（実線）と、反射部１２１に再入射するパルス光のスペクトル（点線）と、これらのパルス光を合成した合成パルス光のスペクトル（一点鎖線）とを例示したグラフである。

従来の光源モジュールにおいては、図５の（ｂ）に示したように、反射部に入射するパルス光と反射部に再入射するパルス光とを合成した合成パルス光のスペクトル幅が、反射部に入射するスペクトル幅と同程度になる。一方、本実施形態に係る光源モジュール１においては、図２の（ｂ）に示したように、反射部１２１に入射するパルス光と反射部１２１に再入射するパルス光とを合成した合成パルス光のスペクトル幅が、反射部に入射するスペクトル幅よりも広くなる。反射部１２１を透過して光源モジュール１の外部に出力されるパルス光は、反射部１２１に入射するパルス光と反射部１２１に再入射するパルス光とを合成した合成パルス光である。したがって、本実施形態に係る光源モジュール１によれば、反射部１２１を透過して光源モジュール１の外部に出力されるパルス光のスペクトル幅を、従来の光源モジュールよりも広くすることができる。

なお、上記の効果が得られるのは、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝Ｔ／２を満たしている場合に限定されない。すなわち、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝ＮＴ／２（Ｎは２以上の自然数）に一致していれば、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝Ｔ／２を満たしている場合と同等の効果が得られる。何故なら、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝ＮＴ／２を満たしていれば、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝Ｔ／２を満たしている場合と同様、反射部１２１に入射するパルス光のピークと、反射部１２１に再入射するパルス光のピークとが、時間軸上で重なるからである。図３の（ａ）は、Ｎ＝２の場合について、反射部１２１に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部１２１に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。図３の（ｂ）は、Ｎ＝３の場合について、反射部１２１に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部１２１に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。図３の（ｃ）は、Ｎ＝４の場合について、反射部１２１に入射するパルス光の時間波形（実線）と、反射部１２１に再入射するパルス光の時間波形（点線）とを例示したグラフである。

また、外部共振器の光学的な共振器長ＬがＬ／ｃ＝ＮＴ／２（Ｎは１以上の自然数）を満たしていなくても、外部共振器の光学的な共振器長Ｌが（ＮＴ／２－ｔ／２）≦ＮＬ／ｃ≦（ＮＴ／２＋ｔ／２）を満たしていれば、上記の効果と略同等の効果が得られる。何故なら、外部共振器の光学的な共振器長Ｌが（ＮＴ／２－ｔ／２）≦ＮＬ／ｃ≦（ＮＴ／２＋ｔ／２）を満たしていれば、反射部１２１に入射するパルス光のピークと反射部１２１に再入射するパルス光のピークとの時間差がパルス光のパルス幅ｔの１／２以下になり、その結果、反射部１２１に入射するパルス光の時間波形と反射部１２１に再入射するパルス光の時間波形との重なりが十分大きくなるからである。

（ＳＢＳ発生閾値）
光ファイバ１２に入力されるパルス光のパワーがある閾値Ｐｔｈを超えると、光ファイバ１２においてＳＢＳが発生し易くなる。本明細書においては、この閾値Ｐｔｈのことを、「ＳＢＳ発生閾値」と呼ぶ。光ファイバ１２のＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈは、下記の式（１）により定義される。

上記の式（１）において、Ｋは、光ファイバ１２の偏波依存性パラメータであり、ｇ_Ｂは、光ファイバ１２のブリルアン利得係数であり、Ａ_ｅｆｆは、光ファイバ１２の実効的コア断面積であり、Δｖ_Ｂは、光ファイバ１２のブリルアン利得スペクトルの半値全幅である。これらの量は、光ファイバ１２の材質及び構造によって定まる定数である。一方、上記の式（１）において、Δｖは、光ファイバ１２に入力されるパルス光のスペクトルの半値全幅である。

上記の式（１）により定義されたＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈは、ＳＢＳの発生のし難さを表す指標として利用することができる。すなわち、ＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈが大きくなるほど、ＳＢＳが発生し難くなり、ＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈが小さくなるほど、ＳＢＳが発生し易くなる。なお、上記の式（１）により定義されたＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈは、実効的相互作用長Ｌ_ｅｆｆが単位長さ（１ｍ）となる光ファイバ１２におけるＳＢＳ発生閾値である。ＳＢＳ発生閾値は、光ファイバ１２の実効的相互作用長Ｌ_ｅｆｆに反比例するので、例えば、実効的相互作用長が５ｍとなる光ファイバ１２におけるＳＢＳ発生閾値は、上記の式（１）におり定義されたＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈの１／５となる。

なお、ＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈは、反射部１２１の反射率に応じて変化する。例えば、反射部１２１の反射率が０％よりも大きく６０％よりも小さければ、ＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈを十分に大きくすることができる。

（反射部の好ましい反射波長）
光源モジュール１の備える反射部１２１の好ましい反射波長について、図４を参照して説明する。ここで、反射部１２１の反射波長とは、反射部１２１の反射率が最大になる波長のことを意味する。

図４は、反射部１２１の反射波長からレーザ発振器１１の発振波長を引いた差（以下、「波長差Δλ」とも記載する）と、上記の式（１）により定義されたＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈとの関係を示すグラフである。図４によれば、以下のことが確かめられる。

ＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈの波長差Δλ依存性は、上に凸な単峰曲線により表され、ＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈは、波長差Δλが３．４ｎｍのときに最大値を取る。波長差Δλが０ｎｍであるとき、すなわち、反射部１２１の反射波長がレーザ発振器１１の発振波長と一致するときのＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈは、３９．２７Ｗになる。そして、波長差Δλが０ｎｍよりも大きく６．７ｎｍよりも小さいときのＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈは、反射部１２１の反射波長がレーザ発振器１１の発振波長と一致するときのＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈよりも大きくなる。すなわち、波長差Δλが６．７ｎｍよりも小さくなるように、反射部１２１の反射波長をレーザ発振器１１の発振波長よりも大きくすることによって、反射部１２１の反射波長がレーザ発振器１１の発振波長と一致する場合よりもＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈを大きくすることができる。

なお、図４に示したグラフは、反射部１２１の反射率が３％である場合に得られたものである。ただし、反射部１２１の反射率を変更しても、ＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈが大きく変化することはない。したがって、波長差Δλが６．７ｎｍよりも小さくなるように、反射部１２１の反射波長をレーザ発振器１１の発振波長よりも大きくする構成を採用すれば、反射部１２１の反射率に依らずにＳＢＳ発生閾値Ｐｔｈを十分に大きくすることができる。

（付記事項）
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

１光源モジュール
１１レーザ発振器
１１ａ出射端面と反対側の端面
１１ｂ出射端面
１２光ファイバ
１２ａ入射端面
１２１反射部
ＢＧブラッググレーティング
１３筐体

Claims

パルス光を出力するレーザ発振器と、
上記パルス光を導波する光ファイバであって、反射波長が上記パルス光の波長と異なる反射部が設けられた光ファイバと、を備え、
上記レーザ発振器の出射端面と反対側の端面と上記反射部とに挟まれた上記パルス光の光路は、上記レーザ発振器の外部共振器を構成し、
当該外部共振器の光学的な共振器長Ｌは、Ｔ[ｓ］を上記パルス光のパルス間隔、ｔ［ｓ］を上記パルス光のパルス幅、ｃを光速［ｍ／ｓ］、Ｎを任意の自然数として、（ＮＴ／２－ｔ／２）≦ＮＬ／ｃ≦（ＮＴ／２＋ｔ／２）且つＬ／ｃ≠ＮＴ／２を満たす、
ことを特徴とする光源モジュール。
上記レーザ発振器の物理的な共振器長をＬ１、上記レーザ発振器を構成する媒質の屈折率をｎ１、上記レーザ発振器の出射端面から上記光ファイバの入射端面までの距離をＬ２、上記レーザ発振器の出射端面から上記光ファイバの入射端面までの空間を構成する媒質の屈折率をｎ２、上記光ファイバの入射端面から上記反射部までの区間の長をＬ３、上記光ファイバを構成する媒質の屈折率をｎ３として、
上記外部共振器の光学的な共振器長Ｌは、Ｌ＝ｎ１Ｌ１＋ｎ２Ｌ２＋ｎ３Ｌ３により与えられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光源モジュール。
上記反射部は、上記光ファイバに形成されたブラッググレーティングにより構成されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源モジュール。
上記反射部の反射波長から上記レーザ発振器の発振波長を引いた差は、０ｎｍよりも大きく６．７ｎｍよりも小さい、
ことを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の光源モジュール。