JP7271664B2 - 波長スウィープ光源 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２０１８年１１月１日に出願の米国特許出願第６２／７５４，０８２号の優先権を主張し、その出願は引用することにより本明細書の一部をなす。

本発明は、波長掃引光源に関し、より詳細には、イメージング、センシング、および分光の用途（例えば、２ＭＨｚを超える走査速度）に有用な比較的速い走査速度で、広いスペクトル範囲にわたって波長掃引出力を提供することができる光源に関する。

通信の用途のための光学システムの使用を超えて、イメージング、センシング、および分光の用途におけるレーザベースの構成の使用は、データを捕捉し、分析するための貴重な技術であることが証明されている。これらのシステムの様々なものでは、「広帯域」光源と呼ばれることもあるもの、および所定の波長のセットでの一連のビームが所定の物体を照明するために使用される「波長掃引」光源としてより適切に特徴付けられるものを有することが有用である。対象物の応答は、典型的には、照明光の波長の関数であるので、対象物を横切って異なる波長のセットを「掃引する」行為は、例えば、有毒ガスの存在を感知することができ、橋梁におけるわずかな変形の存在を認識することができ、または人体に見出される腫瘍を特徴付けるのを支援することさえできる、波長依存性の応答特性を提供する。

一貫した再現可能な結果を提供するために、掃引波長出力を生成するために使用されるレーザ源が、可能な限り高いコヒーレンスレベルを示すことが重要である。実際、用途によっては、少なくとも１ｍｍのコヒーレンス長を必要とする場合がある（「コヒーレンス長」は、伝搬光波の開始と終了との間に明確な位相関係が存在するスパンである）。このレベルのコヒーレンスを有する掃引波長出力を提供するためのレーザ源の一般的な選択は、「フーリエ領域モードロック」（ＦＤＭＬ：Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｄｏｍａｉｎ Ｍｏｄｅ－Ｌｏｃｋｉｎｇ）レーザである。ＦＭＤＬレーザにおいて、出力波長は、レーザキャビティ内に配置された可変バンドパスフィルタを調整することによって変更される。調整は、典型的には、フィルタの中心波長（典型的には機械的であるか、時として熱的である）を調整するためのある種の作動を含み、それによって、走査速度（すなわち、一方の端から他方の端までの波長範囲にわたる掃引に必要な時間）だけでなく、ソースの「デューティサイクル」も制限する。なぜならば、調整可能なフィルタは、次の掃引を開始する前に初期波長値に再設定される必要があるからである。

したがって、波長掃引光源を制御するための任意のタイプの外部アクチュエータ／フィルタ機構の必要性は、特に、その性能を改善しようとするほとんどの試みが最終製品の複雑さ、サイズおよび費用を増大させるので、達成され得る掃引速度および／または帯域幅を本質的に制限する。

本発明は、波長掃引光源に関連し、より詳細には、出力波長の作動に基づく調整を行う必要なしに、従来技術の構成をはるかに超える走査速度で広いスペクトル範囲にわたって波長掃引出力を提供することができるファイバベースの光源に関連する。

本発明の原理によれば、波長掃引光源は、コヒーレントパルスレーザ光源、ファイバベースの光増幅器、および分散光媒体（ほとんどの場合、分散光ファイバ部として具現化される）の組み合わせから形成される。これらの要素のパラメータは、分散光媒体からの出力が一連の「時間伸長（ｔｉｍｅ－ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ）」パルスからなるように調整され、ここで、所与の伸長パルス内の選択された波長成分が、時間的に測定可能に異なる（すなわち、「別個の」）時点で光源を出る。分散フーリエ変換（ＤＦＴ）技術を介して一組の波長成分を特定の到着時間にマッピングすることによって、波長掃引光源の出力に配置された計測器は、波長掃引光源を出る各時間伸長パルス内の定義された波長成分と時間シーケンスを相関させることができる。

有利には、波長掃引光出力を生成するために「時間伸長」パルスを使用すると、波長掃引を生成するために同調可能な帯域通過フィルタを使用する必要がなくなり、従来技術の構成に比べて走査速度を大幅に増加させることができる。また、サイクル間でチューナブルフィルタを手動で「再設定」する必要がないので、本発明の波長掃引光源は、従来技術よりも高い繰返し率の入力パルス源を利用することができ、実際、４．７ＭＨｚの繰返し率が、本発明の例示的なファイバベースの波長掃引光源の試験において使用されてきた。

本発明の波長掃引光源の様々な要素の動作パラメータは、対象の帯域幅の範囲にわたって許容可能なレベルの出力電力均一性を提供するように調整される。例えば、本発明の実施形態は、ドープファイバ増幅器要素の動作パラメータを適切に選択することによって、比較的広いスペクトル範囲にわたって１０ｄＢ未満のパワースペクトル密度（ＰＳＤ）の変動を達成することができる。

１つ以上の実施形態では、コヒーレントパルスレーザ源は、モードロックされたファイバレーザ（例えば、８の字形ファイバレーザ）を含み、増幅器要素への入力として超短（1ｐｓ以下）「シード」パルスを提供することができる。

分散光媒体は、ファイバ、導波路、バルク光デバイス、または光信号の伝搬をサポートするのに適した任意の他の媒体を含むことができる。好ましい実施形態では、分散光媒体は、好ましくは、１に近いデューティサイクルを提供する全分散を示すように構成される。本発明の目的のために、ここで使用される用語「デューティサイクル」は、完全なサイクル時間間隔（ｔ_{ｃｙｃｌｅ}）に対する完全な波長掃引（ｔ_{ｓｗｅｅｐ}）を実行するために必要な時間の比率として定義される。

本発明の例示的な実施形態は、光パルス（好ましくは超短パルス）のレーザ源と、ドープファイバ光増幅器と、ドープファイバ光増幅器の出力に配置された分散光媒体とを含む波長掃引光源の形態を取ることができる。ドープファイバ増幅器は、光パルスおよび（選択された波長および電力の）ポンプビームの両方に応答して、スペクトル的に広がった帯域幅内の所定の帯域幅にわたってパワースペクトル密度の変化が最小であるスペクトル的に広がった出力パルスを生成する。分散光媒体は、平均的な単位長分散Ｄ_ａｖｇと、パルス内の異なる波長成分が異なる時点で分散光媒体を出るように、ドープ光ファイバ増幅器からの増幅されたパルスを「時間伸長」するのに十分な所定の長さＬ_ＤＦ（Ｄ_ａｖｇ＊Ｌ_ＤＦの全分散Ｄ_ｔｏｔとして定義される）とを有するように構成される。

本発明の別の実施形態は、光源から波長掃引光出力を生成する方法であって、所定の繰返し率で一連の光パルスを提供するステップと、前記光パルスをファイバベースの光増幅器への入力として印加するステップと、前記光パルスを増幅し、前記各パルスを所定のスペクトル帯域幅にわたって広げるステップと、スペクトル的に広げられ、増幅された、分散媒体で受信された各パルスを時間伸長するために、所定の平均波長分散Ｄ_ａｖｇおよび所定の長さＬ_ＤＦを有する分散光媒体を介して各パルスを通過させるステップとを含む方法に関する。このようにして、変換された入力光パルスは、異なる時点で分散光媒体を出て波長掃引光出力を形成する、各パルスの異なる波長成分をもつ時間伸長パルスとして、分散光媒体を出る。

さらに、本発明の１つ以上の実施形態は、所定の値のシード平均電力および所定の値の繰返し率を有する短パルスシード入力と、ポンプ信号を生成するポンプレーザダイオードと、シード入力およびポンプ信号を結合する波長分割マルチプレクサ（「ＷＤＭ」）と、長さＬ_ＤＦを有する分散媒体とを含むシステムの形態をとることができ、増幅された光源のスペクトル幅および短パルスシード入力の繰返し率は、伸長パルスの波長成分が後続のパルスと重ならないように、分散媒体によって提供される分散量と一致する。

本発明の他のさらなる態様および実施形態は、以下の説明の過程において、関連する図面を参照することによって明らかになるであろう。

ここで図面を参照すると、いくつかの図において同様の数字が同様の部分を表している。

図１は、本発明の波長掃引光源を形成する種々の要素の簡略化したブロック図である。 図２は、時間伸長光パルスのプロットを含み、伸長光パルス内の異なる波長成分の到来に関連する「掃引時間」と、波長掃引光源への入力として使用されるコヒーレントパルスの繰返し率に関連する「サイクル時間」との間の関係を示す。 図３は、本発明の波長掃引光源によって生成される例示的なスペクトルのプロットであり、波長（底部スケール）の関数としてパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を示し、光検出器における光の到達時間を上部スケール（「掃引時間」を定義する）に沿って示す。 図４は、本発明の原理に従って形成されたファイバベースの波長掃引光源の例示的な実施形態を示す。 図５は、本発明の原理に従って形成されたファイバベースの波長掃引光源の代替実施形態を示しており、この場合、ドープファイバ増幅器と分散ファイバ出力素子との間に配置されたデリバリファイバを含んでいる。

光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ：Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）などの応用のための波長掃引光源は、典型的には、チューニング可能なレーザを含む。これらのレーザは、高いスペクトル輝度を示すことが知られており、利用可能な波長の範囲にわたって必要なチューニングを生成するために、比較的単純な光学設計のみを必要とする。上述したように、従来の構成は、何らかの機械的作動（例えば、可動バンドパスフィルタリング要素の）を含む波長チューニングのタイプを採用しており、したがって、最大走査速度だけでなく、装置のデューティサイクルも制限する。

光学ベースの「時間伸長」は、いかなるタイプの機械的制御のチューニングも必要としないすべてが光学的な技術である。むしろ、光学素子（バルクデバイス、導波路、ファイバなど）は、時間の関数として入射パルスを広げるために使用される。すなわち、光学素子の分散特性は、光パルス内の様々な波長成分の到達時間を制御するのに役立つ。このいわゆる時間伸長技術（以下、「分散フーリエ変換」（ＤＦＴ）技術とも呼ぶ）は、結果として、波長対時間マッピングを提供する能力をもたらし、したがって、時間にわたる効果的な波長掃引を生成する。本発明の原理によれば、従来技術の「動作部分」の構成に関連する走査速度の制限を経験することなく、個々の波長成分（例えば、１０ｄＢ未満の偏差）にわたって相対的に均一な電力分布で、ＤＦＴ技術は、比較的大きなスペクトルの範囲（１００ｎｍを超える）にわたって波長掃引を提供するために、本発明の波長掃引ソースからの出力と併せて利用され得る。

図１は、本発明の原理による波長掃引光源１０を形成するために使用される種々の要素を示すブロック図である。要素は、この図では別個の構成要素として示されているが、各要素は、好ましくは、特定の用途に適した所望のスペクトル帯域幅および走査速度の波長掃引出力を生成するように選択された特性を示すように構成された光ファイバのセクションから形成されることが理解されるべきである。

図１に示すように、波長掃引光源１０は、定義された繰返し率（好ましくは、パルス幅１ｐｓ以下の「超短」パルス）でコヒーレント光パルスの列を供給するために使用されるレーザパルス源１２を含む。パルスデュレーションおよび繰返し率の両方は、特定の用途の要件を満たす波長掃引出力を提供するように具体的に決定および設計され得るパラメータである。これらのパルスの電力レベルおよびそのコヒーレンスは、波長掃引出力の生成において重要な他の要因である。様々な時点で、これらのパルスは、所望の出力を生成する一連のイベントをトリガするために使用されるシステム入力を定義するための当技術分野でよく知られた用語である「シード」パルスと呼ばれる。

「高コヒーレント」レーザは、パルス源１２としての使用に好適であり、その理由は、コヒーレンス長が可能な限り長くあるべき波長掃引された光源の用途があるからである。例えば、光コヒーレンストモグラフィー（ＯＣＴ）撮像技術は、少なくともある最小値（例えば、１ｍｍ程度）のコヒーレンス長を必要とする。「コヒーレンス」とは、１つ以上の連続するパルス間に予測可能な位相関係が存在することを意味する。

パルス源１２からのパルス列出力は、その後、ドープファイバ光増幅器１４への入力として印加され、ドープファイバ光増幅器１４は、各パルスに制御可能な量の利得およびスペクトルの広がりを加えるために使用され、本発明の波長掃引光源によって提供される波長掃引範囲の上限および下限を規定するために使用されるスペクトル帯域幅Δνを生成する。加えて、ドープファイバ光増幅器１４がスペクトル帯域幅Δνにわたって比較的滑らかな電力分布を提供することは重要な側面である。以下に詳細に説明するように、可能な限り広い帯域幅を提供することが目標であるが、これは、望ましくない非線形効果が電力分布の均一性を低下させる点まで増幅器１４のポンプ電力を増加させるというコストを伴う。以下に説明する一実施形態は、利得ファイバのポンプ電力および吸収特性の両方を、約１３０ｎｍのスペクトル帯域幅を達成するように構成し、この帯域幅にわたってパワースペクトル密度（ＰＳＤ）の変動を１０ｄＢ未満にする。

図１の構成要素の説明を続けると、ドープファイバ増幅器１４からの比較的高電力でスペクトル的に広がった出力パルスは、その後、分散光学素子１６に結合される。以下に詳細に説明されるように、この素子の波長分散（Ｄ）は、特定の波長が十分に分離された時点（「十分に分離された」、「別個の」、および本明細書で言及されている同様のものは、関連する光検出デバイスが各別個の波長成分における光電力を正確に測定することを可能にする時間間隔を記載するものである）で光源１０の出力に到着するように、パルス内の波長成分を（時間的に）十分に分離することができる素子を構成する際の重要な要因である。素子１６を形成するために、バルク光学非線形構成要素、導波路ベース構成要素、およびファイバベース構成要素を含む様々なタイプの分散媒体を使用することができる。

本発明のパルス伸長および「波長対時間」マッピングの態様は、図１の分散素子１６に関連して示されており、これは、（増幅器１４からの出射時に）比較的高い電力レベルを有する入力パルスＰ_ＩＮを示している。その後、パルスが分散素子１６に沿って伝搬するとき、この素子の特定の波長分散特性は、パルス内の異なる波長成分の伝搬速度を修正するように機能し、その結果、波長掃引光源１０の出力において同じパルスの「時間伸長」の出現をもたらす（図１のＰ_ＯＵＴとして示される）。

ほとんどの場合、光学素子の波長分散は、より長い波長の光が、より短い波長の光（「通常」または「負」の分散とさまざまに呼ばれる、値はｐｓ／ｎｍ－ｋｍで測定される）よりも速く進むようなものである。しかしながら、より短い波長の光がより長い波長の光よりも速く進む正の分散（「異常分散」とも呼ばれる）を示す分散光学媒体を設計することも可能である。一般に、本発明の波長掃引光源においていずれのタイプの分散素子を使用することも可能であるが、通常、正／負分散素子の使用が好ましく、スペクトル帯域幅Δνにわたって許容可能な均一分散を示すように形成することができる。本出願の譲受人に譲渡され、したがって参照により本明細書に組み込まれる米国特許出願第１５／９７０，９９０号を参照すると、分散光学素子１６としての使用に適した高い「性能指数」（ＦＯＭ：Ｆｉｇｕｒｅ Ｏｆ Ｍｅｒｉｔ）光ファイバに関する詳細が記載されている。

本発明の特定の実施形態を説明する前に、パルス源１２によって生成されるシードパルスの繰返し率の逆数（「サイクル時間」とも呼ばれる）と「波長掃引デュレーション」との間の関係を考慮することが有用である。本発明の目的のために、これら２つの時間間隔の比率は、波長掃引光源１０の「デューティサイクル」として定義される。図２の図は、本発明のこの態様を示す。

図２のプロットＡは、分散光学素子１６を出るときの例示的な時間伸長出力パルスＰ_ＯＵＴのプロットである。パルス（例示の目的のために理想化された形態で示されている）をプロットして、時間の関数としてそれらのパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を示す。以下の議論を単純化するために、「掃引」（すなわち、分散光学素子１６から出力される光は、ここでλ_Ｌ、λ_Ｍ、およびλ_Ｓとして示される、間隔を隔てた３つの波長成分の組を含むものとして定義される。）を形成するために、３つの異なる波長成分のセットのみが使用されると仮定する。上述のように、ＤＦＴ技術を使用して、これらの時間ベースの測定値を実際の波長値にマッピングする機能を実行することができる。次いで、マッピングを波長掃引光源１０と共に使用して、波長掃引光源のオペレータが、波長掃引光源１０から既知の波長値のセットへの一連の時間伸長出力パルスの進行中の到来時間を較正することを可能にすることができる。３つの時間伸長出力パルスの組が、プロットＡにおいて、Ｐ_ＯＵＴ１、Ｐ_ＯＵＴ２、およびＰ_ＯＵＴ３として示される。

波長掃引時間デュレーションは、時間間隔ｔ_{ｓｗｅｅｐ}（すなわち、経過時間２Δｔ）としてプロットＡに示される。間隔ｔ_{ｓｗｅｅｐ}は、分散光学素子１６によってパルスに導入される分散の関数である；すなわち、時間＝ｔ_０における波長成分λ_Ｌの到来と、時間＝（ｔ_０＋２Δｔ）における波長成分λ_Ｓの到来との間に導入される時間伸長である。「サイクル時間」ｔ_{ｃｙｃｌｅ}は、Ｐ_ＯＵＴ１の立ち上がり時間とＰ_ＯＵＴ２の立ち上がり時間との間の経過時間としてプロットＡに示される。サイクル時間はまた、その逆数であるシードパルスの「繰り返し率」（ｆ_ｒｅｐ）によって定義されてもよい。以下に説明する実施形態では、本発明の実施形態は、４．７ＭＨｚの繰り返し率（約２００ｎｓのサイクル時間）で機能することができ、一方、少なくとも１３０ｎｍのスペクトル帯域幅Δνにわたって比較的滑らかなＰＳＤプロファイルを維持する。

プロットＡに示される例示的な出力時間伸長パルス列に関連するデューティサイクルは、ｔ_{ｓｗｅｅｐ}が全サイクル時間の約半分を横切って延びるように示されるので、約半分のオーダーの値を有する。許容できるが、本発明のファイバベースの光源は、後続の各掃引を開始するために初期状態に「再設定」する必要がないので、より長い掃引時間を使用して、追加の波長成分を掃引内で使用できるようにしたり、個々の波長成分のより高分解能の出力電力測定を提供したり、あるいはその両方を行うことができることは明らかである。

しかしながら、上述のように、本発明の波長掃引光源のデューティサイクルを１未満の値に維持する必要がある。図２のプロットＢは、デューティサイクルが１より大きい値（すなわち、ｔ_{ｓｗｅｅｐ}がｔ_{ｃｙｃｌｅ}より大きい場合）に増加した場合の回避すべき状況を示している。図示されているように、これは、波長掃引光源１０の出力への波長成分の系列外の到来をもたらし、その結果、１つのパルスの立下りのエッジが後続のパルスの立上りのエッジと重なる。伸長パルス間のこのような重なりは、シードパルスの繰り返し率が速すぎるか、分散光学素子１６の全分散が大きすぎることに起因し得る。

実際、本発明の好ましい実施形態は、１に近づく高デューティサイクル（すなわち、ｔ_{ｓｗｅｅｐ}がｔ_{ｃｙｃｌｅ}とほぼ等しい）を提供するように構成される。これは、新しい掃引を開始する前に機械的フィルタ構成要素を再設定する必要がないので可能であり、したがって、第１パルスの最短波長が光源１０を出ると、次のパルスの最長波長構成要素を送信する準備ができる。したがって、本発明の原理によれば、元のシードパルスの繰返し率と本質的に同じ（ただしそれを超えない）走査率を利用することができる波長掃引光源が提供される。

図３は、光検出器によって測定され、ＤＦＴ技術によって特定の波長値に関連付けられた、例示的な波長掃引スペクトルに対するパワースペクトル密度のプロットである。従来の図と同様に、スペクトルは「短い」波長値から「長い」波長値までプロットされ、波長（ｎｍで測定）の関数としてパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を示す。プロットの上部に時間スケールが示されており、ここで、個々の波長成分の「到来時間」は、右から左に読む（すなわち、より高い波長の成分は、より短い波長の成分よりも先に到着する）。ここで、約１３０ｎｍのスペクトル帯域幅Δνにわたって、１０ｄＢ未満の変動がＰＳＤ内に維持され、これは本質的に同じ電力レベルで多数の別個の波長成分を提供するのに十分である。検出器１８によって処理されるこの帯域幅の経過時間は、約１００ｎｓであることが示される。

図４は、図１－３と関連して上述した原理に基づく例示的な波長掃引光源１０Ａをわずかにより詳細に示し、所定のアプリケーションに必要とされるように定義されたスペクトル幅および走査速度の波長掃引出力を得るように構成され得るいくつかのパラメータを定義する。特に、異なるアプリケーションの要件を満たす必要に応じて、特に選択、設計、または調整することができるすべての３つの構成要素（すなわち、パルス源１２、ドープファイバ増幅器１４および分散光学素子１６）のパラメータがある。

パルス源１２の特定の属性に関して、この実施形態に示される構成は、３００μＷのオーダーの平均電力、約２５０ｆｓのパルスデュレーション、および４．７ＭＨｚ（これは、約２００ｎｓのオーダーのサイクル時間に変換される）の繰り返し率を有するコヒーレントな超高速シードパルスを生成することができるファイバベースのレーザを含む。米国特許出願第１６／２００，８１０号に記載され、本出願の譲受人に譲渡されたようなモードロックされた「８の字形」レーザは、この目的に適した低雑音コヒーレントレーザ源の一例であると考えられる。

図４に示す特定の実施形態では、ドープファイバ増幅器１４は、エルビウムドープ利得ファイバ４０の部分と、約９８０ｎｍの波長の光を増幅するためのポンプ源４２とを含むように示されている。波長分割マルチプレクサ（ＷＤＭ）４４が含まれ、パルスレーザ源１２からのシードパルスおよびポンプ源４２からのポンプ光の両方をＥｒドープ利得ファイバ４０に向けて使用される。

本発明の原理によれば、ドープファイバ増幅器１４は、生成されたスペクトル帯域幅Δνにわたって本質的に均一な利得分布を提供しながら、シードパルスのスペクトル広がりを提供するように構成される。これらの特性は、この実施形態では、ポンプ源４２の出力電力を、利得ファイバ４０のポンプ電力吸収パラメータと組み合わせて制御することによって達成される。特に、スペクトル広がりは、ポンプ電力が増大するにつれて、利得ファイバに沿った増大した光相互作用が出力の波長範囲（すなわち、「スペクトル広がり」）を増大させる傾向がある場合に、ポンプ電力レベルに関連し得ることが知られている。より広いスペクトル範囲は、より多くの個々の波長成分が識別され、光源１０Ａからの波長掃引出力において使用され得ることを意味するが、これを達成するために必要なポンプ電力の増加は、伝搬波内に含まれる、または増幅プロセス自体において生成される不要な雑音成分を増幅する結果となり得る。

したがって、本発明の重要な態様は、この範囲外の雑音成分を増幅することなく、所与の用途に有用な特定のスペクトル帯域幅Δνにわたって許容可能な利得量を決定することに関する。実際、ドープファイバ増幅器１４によって提供されるべき利得の量には上限があり、そこでは過剰な利得が、自己位相変調（ＳＰＭ：Ｓｅｌｆ－Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、相互位相変調（ＸＰＭ：Ｃｒｏｓｓ－Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、ラマン散乱などの有害な非線形効果（一般に「雑音」と呼ばれる）を引き起こすことが見出されている。したがって、利得の「許容可能な量」は、ドープファイバ増幅器１４が「低雑音」領域で動作することを保証することに関連する。図５の実施形態に関連して、許容値の特定の範囲を以下に説明する。

図４に示すように光源１０Ａの説明を続けると、増幅器素子１４によって生成された増幅されたスペクトル広がりパルスは、その後、この場合において所定の長さＬ_ＤＦを有するように示された分散ファイバ１６０の部分を含む分散光学素子１６に結合される。上述したように、分散ファイバ１６０を通過する各パルスは、時間的に「伸長」され、その結果、パルス内の異なる波長成分が、時間的にわずかに異なる時点で光源１０Ａの出力に到達する。

本発明のいくつかの実施形態において、分散ファイバ１６０の長さＬ_ＤＦは、図２に関連して上述した理由により、単一に近いデューティサイクルを提供するように最適化され得る。実際、デューティサイクルが１に近づくと、所定の検出帯域幅（この帯域幅は、通常、光検出器の応答時間とデジタイザの帯域幅の組み合わせとして定義される）のスペクトル分解能が向上することが分かっている。分散ファイバ１６０の最適化された長さの近似値（Ｌ_{ＤＦ，ｏｐｔ}）は、次式から得られる。

ここで、Ｄ_ａｖｇは、当該帯域幅における分散ファイバ１６０の平均波長分散値であり、関連する他の項は上述の通りである。

波長掃引光源１０Ｂと呼ばれる本発明の別の実施形態を図５に示す。この特定の実施形態では、光ファイバの追加部分が波長掃引光源内に含まれる。特に、光ファイバ５０の部分は、増幅器１４の出力と分散ファイバ１６への入力との間に配置されるように示されている。「デリバリ」ファイバとも呼ばれるが、光ファイバ５０は、ドープファイバ増幅器１４を分散素子１６に比較的近接して配置することができない用途、または、パルスを分散媒体に導入する前に追加のスペクトル広がりが必要な場合に含まれてもよい。さらに、利得ファイバ４０と分散ファイバ１６０との間に標準単一モードファイバの追加部分を含めることにより、Ｅｒドープ利得ファイバ４０のコア領域と分散ファイバ１６０との間の電力損失がほとんどない効率的な結合を維持するために、一対の融着接続（図５の×印で示されるように）を使用することが可能になると考えられる。例示的な実施形態では、光ファイバ５０は、Ｅｒドープ利得ファイバ４０と分散ファイバ１６０の両方の終端に融合された単一モード光ファイバの部分を含むことができる。

図５に示す特定の実施形態では、レーザパルス源１２は、８の字形のファイバベースのレーザ（上記の米国特許出願第１６／２００，８１０号に開示されているような）として具体的に示されており、これは、一方向ファイバループ６０と双方向ループ「ミラー」６２とを含み、２つのループ間に信号結合を提供する光カプラ６４を有する。出力カプラ６６を使用して、（モードロック光パルスを含む）一方向ファイバループ６０の周りを循環する信号の一部を、出力経路に沿ってドープファイバ増幅器要素１４内に導く。

ここで、ドープファイバ増幅器要素１４は、約２７ｄＢ／ｍのオーダーの（伝搬するポンプ波の）公称吸収を有するＥｒドープファイバ４０の部分を使用して示されている。ポンプ源４２は、９７６ｎｍの波長のポンプビームを提供するものとして示されており、この場合、２５０ｍＷのポンプ電力で動作するように設定されている。約６０ｐＪ（すなわち、４．７ＭＨｚの繰り返し率で３００μＷの電力）の入力パルスエネルギーを有するシードパルスの使用を考慮した場合、約２．５ｍのオーダーの長さＬ_ＥｒのＥｒドープ利得ファイバ４０を使用すると、対象のスペクトル帯域にわたって比較的均一なパワースペクトル密度（ＰＳＤ）を提供することが見出されている。特に、このパラメータのセットについて、ドープファイバ増幅器１４からの出力パルスは、約２～４ｎＪ（４．７ＭＨｚ繰り返し率で約１０～２０ｍＷの範囲の出力電力に対応する）のパルスエネルギーを示し、１３０ｎｍを超えるスペクトル範囲にわたって１０ｄＢ未満のＰＳＤを示すことが見出されている。

パルス源１２およびドープファイバ増幅器１４の設計のために上述した特定の値は、図５を引き続き参照して説明するように、分散ファイバ１６０の例示的な構成と組み合わせて波長掃引出力を生成するのに有用な方法で調整される値を単に例示するものであることを理解されたい。

上述のように、（単一モード）デリバリファイバ５０の部分は、図５に示されるように、ファイバベースの波長掃引光源１０Ｂに含まれ、ドープファイバ増幅器１４からのこれらの高出力パルスは、デリバリファイバ５０を通過し、分散ファイバ１６０に結合されるようにデリバリファイバ５０に結合される。図５に示す特定の実施形態では、分散ファイバ１６０は、約－７５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍのオーダーの平均波長分散値（Ｄ_ａｖｇ）を示すように形成される。この特性により、７ｋｍの長さのＬ_ＤＦの分散ファイバは、約１３０ｎｍのスペクトル帯域幅Δνおよびこの帯域幅にわたる１０ｄＢ未満のＰＳＤの変化を有する、図３に示される形態の波長掃引出力を提供することが見出された。上述したように、分散光ファイバ１６を構成する際の重要な要素は、完全なスペクトル帯域幅にわたって制御された量の分散を提供することである。「高い性能指数」光ファイバと呼ばれるこの目的に適した例示的な分散ファイバは、比較的線形の分散特性を示す。米国特許出願第１５／９７０，９９０号、発明の名称「専用化された性能図および用途のための光ファイバ」は、本願の譲受人に譲渡され、本発明の原理に従って形成されるファイバベースの波長掃引光源での使用に許容される特定のタイプの分散ファイバの説明を含む。

したがって、掃引波長光源は、パルスレーザ光源と時間伸長のための適当な量の分散とを組み合わせることによって構成することができる。分散は、時間伸長パルスの波長成分が後続のパルスと重ならないように、入力光源の帯域幅および繰り返し率によく整合されることが好ましい。一般に、利用可能なスペクトル範囲にわたって電力の滑らかな分布を維持しつつ、１つのパルスから次のパルスへの電力変動のレベルを低くしながら、できるだけ多くの出力電力および可能な限り広い波長範囲を有することが望ましい。

本発明の前述の説明は、説明および説明の目的のために提示され、網羅的であることまたは本発明を開示された正確な形態に限定することを意図していない。上記の教示に照らして、多くの修正および変形が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実際的な適用を最もよく説明するために選択および説明され、それによって当業者が、種々の実施形態において、および企図される特定の用途に適した種々の改変を用いて、本発明を最良に使用することを可能にする。

Claims (10)

1. 光源から波長掃引光出力を生成する方法であって、前記方法は、
   所定の繰り返し率で一連の光入力パルスを提供するステップと、
   増幅された出力パルスのそれぞれが所定のスペクトル帯域幅にわたって広がるように、ファイバベースの光増幅器内で前記一連の光入力パルスのそれぞれの光パルスを増幅および拡張するステップと、
   所定の平均単位長波長分散Ｄ_ａｖｇおよび所定の長さＬ_ＤＦを有する分散光媒体を介して、増幅およびスペクトル拡張された出力パルスのそれぞれを通過させ、（Ｄ_ａｖｇ＊Ｌ_ＤＦ）の全分散Ｄ_ｔｏｔを提供するステップであって、前記分散光媒体は、伝搬するパルスのそれぞれにおいて、十分な量だけ時間伸長を行い、それぞれの時間伸長パルスの異なる波長成分を、間隔を空けた時間間隔で前記分散光媒体から出力させ、波長掃引光出力を形成するステップとを備える、方法。
2. 前記所定の繰り返し率および前記所定のスペクトル帯域幅は、前記分散光媒体を出た時間伸長パルスが時間的に重ならないように、前記所定の全分散Ｄ_ｔｏｔに対応するように選択される、請求項１に記載の方法。
3. 前記光入力パルスは、１ｐｓ未満の継続時間を有する、請求項１に記載の方法。
4. 前記光入力パルスの前記所定の繰り返し率は、２ＭＨｚ未満でない、請求項１に記載の方法。
5. 前記分散光媒体の前記長さは、パルス繰り返し周波数、平均波長分散Ｄ_ａｖｇ、およびスペクトル帯域幅の積の逆数に本質的に等しくなるように選択される、請求項１に記載の方法。
6. 所定の繰り返し率を提供する光入力パルスのレーザー源と、
   前記光入力パルスおよび選択された波長とパワーのポンプビームの両方に反応するドープファイバ増幅器であって、スペクトル的に広げられた領域内の所定の帯域幅において、パワースペクトル密度の最小の変動を有する前記スペクトル的に広げられた出力パルスを生成する前記ドープファイバ増幅器と、
   平均単位長波長分散Ｄ_ａｖｇおよび所定の長さＬ_ＤＦを有し、（Ｄ_ａｖｇ＊Ｌ_ＤＦ）として定義される全分散Ｄ_ｔｏｔを提供し、前記分散光媒体は前記ドープファイバ増幅器からの前記増幅された出力パルスを受信するように配置され、時間伸長されたパルスの最初の波長成分から最後の波長成分までの時間間隔が、コヒーレント光入力パルスの前記所定の繰り返し率の逆数に対して最適化されるように、前記ドープファイバ増幅器からの前記出力パルスは、前記分散光媒体の出口において十分に時間伸長される、波長掃引光源。
7. 前記分散光媒体の前記長さ（Ｌ_ＤＦ）は、
   

   

   として推定され、
   ｔ_{ｃｙｃｌｅ}は時間パルス間隔であり、ｆ_ｒｅｐはパルス繰り返し率であり、Ｄ_ａｖｇは帯域幅の値に対する前記分散ファイバの平均分散であり、Δνは前記光源の前記スペクトル帯域幅である、請求項６に記載の波長掃引光源。
8. 前記ドープファイバ増幅器は、エルビウムドープファイバ増幅器と、少なくとも２００ｍＷのポンプパワーで略９８０ｎｍの公称波長においてビームを提供するポンプ源を利用することと、を備える、請求項６に記載の波長掃引光源。
9. 前記分散光媒体は分散光ファイバの一部を備える、請求項６に記載の波長掃引光源。
10. 前記分散光ファイバの一部は、少なくとも７５ｐｓ／ｎｍ－ｋｍの平均絶対値波長分散｜Ｄ_ａｖｇ｜を示し、長さＬ_ＤＦが約７ｋｍから約１０ｋｍの範囲にあることを示す、請求項９に記載の波長掃引光源。

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