JP7427209B2 - 光ファイバ出力光源装置とそれに用いる単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ - Google Patents

Description

本発明は光ファイバ出力光源装置とそれに用いる単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ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、光をファイバに集中したとしても、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により励起するファイバレーザが存在するが、ファイバレーザ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からの出力光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た異常分散光導波路の非線形光学効果を利用して低減する。

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。

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。しかし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。

これらの問題に対し、特許文献３において、安定かつ高輝度な広帯域光源を提供することが可能な光源の構成が示されている。特許文献３に示されている光源では、増幅用光ファイバを含む光路を、９０°偏波回転反射器と、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタで挟むことにより、通常の連続発振動作を抑圧しつつ、非線形光学効果が発生した場合においてのみ非線形偏波回転が起こり、レーザ発振が可能となる様に構成している。

この条件下では、強いレーザ発振時にのみパルスが発生することが示されており、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。

特開２００７－１７８６８１号公報 特開２００１－０８３５５８号公報 特許第６７３１６８４号

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

特許文献３の光源では、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタから９０°偏波回転反射器に戻ってきた光は、偏波が９０°回転して単一偏波反射型偏光ビームスプリッタに戻るので、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタをそのまま通過する構成になっている。つまり、特許文献３の光源は、基本的にレーザ光を閉じ込められない構成になっている。

そのため、特許文献３の光源はでは、光路中で発振につながる好適な非線形偏波回転がたまたま生じることに頼ることになるので、発振が開始しにくいという課題があった。また、特許文献３の光源では、温度や外圧といった外乱要因によって非線形偏波回転の状態の変化が起こり得た。その結果、光源からの発光特性が変化する若しくは、レーザの発振が急に停止する場合が起こり得るといった課題があった。

すなわち、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと９０°偏波回転反射器の間を光ファイバで連結するレーザ共振器の構成は、発振しにくく、また、光ファイバに与えられる外乱によって発振状況が安定しないという課題があった。

本発明は上記の課題に鑑みて想到されたものであり、特許文献３の利点を活かしつつ、さらに外乱に応じて偏波を調節する偏波制御器といった制御機構を備えることなく、安定に発振の開始および長時間維持ができる広帯域光源を提供するものである。

より具体的に本発明に係る光ファイバ出力光源装置は、
偏波保持型の増幅用光ファイバと偏波保持型の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、
前記光路に接続され前記光路からの光が入射する入射口と、
前記入射した光の特定方向の偏波光を反射させ前記光路に戻し、前記特定方向と異なる方向の偏波光を通過させる偏光ビームスプリッタと、
前記通過した光が出射する出射口を備えた単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、
前記光路の他端に接続された９０°偏波回転反射器と、
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、
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと前記９０°偏波回転反射器との間にはファラデー素子を有さず、
前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタから前記光路に戻される光の偏光軸に対する前記光路の偏波保持軸のずれ角を所定の角度で接続している軸ロール接合部を有することを特徴とする。

本構成の９０°偏波回転反射器と単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと光路中の偏波保持ファイバの組み合わせにより、広い帯域を持つ短パルスを発生させることができる。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。これら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。

また、本発明に係る光ファイバ出力光源装置では、レーザ発振が開始するような（都合のよい）非線形偏波回転が生じるための調節を行う必要はない。本発明に係る光ファイバ出力光源装置では、軸ロール接続部によって、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの偏光軸と偏波保持ファイバの偏波保持軸を、所定のずれ角だけずらして接合している。そのため、レーザ発振に適した非線形偏波回転を与えられた光が単一偏波反射型偏向ビームスプリッタに供給される。

したがって、入力光のパワーを高めるなどして十分な利得が与えられた光が偏波保持ファイバ中に入力されると、安定で発振に適した非線形偏波回転が軸ロール接続部で与えられるので、何らの調整を行うことなく、レーザ発振が開始され維持される。したがって、光ファイバ出力光源装置として、素早い装置の立ち上げが可能となる。

また、軸ロール接続部によって、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの偏光軸と偏波保持ファイバの偏波保持軸は所定のずれ角だけずらして接合されている。したがって、外乱によって光路中に非線形偏波の予期せぬ変化が生じても、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタに戻る光にはレーザ発振に適した非線形偏波回転を持った光が、一定の割合で含まれる。したがって、レーザの発振状態は、外乱による影響を受けにくく、長時間にわたって安定なレーザ発振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。 単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの偏光ビームスプリッタの入力側の偏光軸と光路ファイバの出射端の偏波保持軸を示す図である。 軸ロール接合部を単一偏波反射型偏光ビームスプリッタから離して、光路中に設けた構成を示す図である。 入力用ピグテールファイバと光路ファイバの接合部に１／２波長板を挟んだ軸ロール接合部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に軸ロール接合部を組み込んだ構成を示す図である。 特許文献３の従来の構成を示す図である。 共振器において、軸ロール接合部が形成されているか否かの検証方法を説明する図である。 図４の構成での出力光スペクトルを示すグラフである。 偏波保持ファイバを用いない図７の場合の出力光スペクトルを表すグラフである。 単一偏波反射型偏光ビームスプリッタの偏光軸と光路の偏波保持軸のずれ角θを変えて、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタからの出力光パワーを測定した結果を表すグラフである。 図５で示した軸ロール接続部を使った際の出力光スペクトルの結果を示すグラフである。 図１２の後段に高非線形ファイバをつないだ場合の出力光スペクトルの結果を示すグラフである。 図６で示した１／２半波長板一体化単一偏波反射型偏光ビームスプリッタを搭載したレーザでの発振時の出力スペクトルの結果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、本発明の実施形態および実施例の一部を例示するものであり、本発明が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。

＜全体構成＞
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。光ファイバ出力光源装置１は、共振器３２で構成されている。共振器３２の後段に出力部３４が接続されていてもよい。共振器３２は、光路１０の一端に９０°偏波回転反射器２２が配置され、光路１０の他端に単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０が配置されている。

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を有している。入射口２０ａには光路１０が接続され、出射口２０ｂには、出力部３４が接続される。出力部３４は、反射防止器２６、高非線形ファイバ３０、射光口２８等を有する。以下それぞれの構成要素について詳説する。

＜光路＞
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。また、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１２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。

なお、分散補償用光ファイバ１２および増幅用光ファイバ１４は、両方とも偏波保持型のファイバである。それぞれの速軸、遅軸（まとめて「偏波保持軸」とも呼ぶ。）は合致させて接続される。すなわち、それぞれの速軸同士、遅軸同士が一致するように接続される。偏波保持ファイバは、ＰＡＮＤＡ型やＢｏｗＴｉｅ型といった種類があるが、特に限定されるものではなく、速軸、遅軸のそれぞれを通過する偏波同士の干渉が十分に小さければよい。

光路１０の分散補償用光ファイバ１２および増幅用光ファイバ１４が連結されたファイバを光路ファイバ１０ａと呼ぶ。光路ファイバ１０ａの一端は９０°偏波回転反射器２２側に接続される終端であり、他端は単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０側に接続される終端である。

［合波器］
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はレーザダイオードを好適に利用することができる。

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。

＜９０°偏波回転反射器＞
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。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。なお、偏波面の回転角度は実質的にほぼ９０°であればよい。また、９０°偏波回転反射器２２は、入力光と反射光の偏波面が９０°回転する効果を発揮する複数の要素で構成されていてもよい。

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で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の状態を調節する光学系を用いて同様の効果を得る構成であれば、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内部の偏光ビームスプリッタ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節する。９０°偏波回転反射器２２としてこのような構成を利用すれば、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。

＜単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ＞
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。反射された光は、光路１０へ戻される。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。

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、偏光ビームスプリッタ４４と、反射鏡４６を有する。また、入射レンズ４０より光路１０側には、後述する軸ロール接合部５２が設けられる。入射レンズ４０は、入射口２０ａの直後（軸ロール接合部５２より後段）に配置される。言い換えると、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、光路ファイバ１０ａの他端に軸ロール接合部５２を介して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共振器が構成されないようにするためである。なお、入射レンズ４０および出射レンズ４２はコリメータと呼んでもよい。

偏光ビームスプリッタ４４は、入射レンズ４０と出射レンズ４２との間に配置される。偏光ビームスプリッタ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、偏光ビームスプリッタ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れる反射光面４４ｃを有する。

本明細書では、反射光をＳ波とし、透過光をＰ波として説明を行う。Ｐ波を通過させる偏光軸をＰ軸と呼ぶ。また、Ｐ波と直角方向の軸をＳ軸と呼ぶ。Ｓ軸はＳ波を反射する偏光軸とも呼べる。Ｓ軸およびＰ軸は、偏光ビームスプリッタ４４の偏光軸である。

＜軸ロール接合部＞
再度図１を参照して、本発明に係る光ファイバ出力光源装置１は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０と、光路ファイバ１０ａとの接続部分に軸ロール接合部５２が設けられる。軸ロール接合部５２は、光路１０を形成する偏波保持ファイバの偏波保持軸と単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の偏光軸を意図的にずらして接合している部分である。

偏波保持ファイバの偏波保持軸と単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０内の偏光ビームスプリッタ４４のＰ軸をずらして接合することで、光ファイバレーザの発振の容易性を高め、外乱の影響を受けにくくできる。このような効果は、光ファイバ出力光源装置１に、絶大な利便性を与える。

［基本型］
図３は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の偏光ビームスプリッタ４４の入力側の偏光軸と光路ファイバ１０ａの出射端の偏波保持軸を示すものである。図３（ａ）は、偏光軸および偏波保持軸の接続状態を示す概念図である。図３（ｂ）は、光路１０側から偏波保持軸と偏光軸を重ねて見た図である。

なお、偏光ビームスプリッタ４４の偏光軸は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の偏光軸としてよい。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０は、Ｓ波を反射するＳ軸ＳＡとＰ波を透過させるＰ軸ＰＡの２つの直交軸を有する。

これに対して光路ファイバ１０ａの出射端における速軸ＦＡおよび遅軸ＬＡを偏光軸に対して所定の角度θだけ捻って接合する（図３（ｂ）参照）。光路ファイバ１０ａの出射端における速軸ＦＡおよび遅軸ＬＡを所定の角度θだけ回転させて接合するといってもよい。この角度θをずれ角θとも呼ぶ。

軸ロール接合部５２は、このように単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の偏光軸と光路ファイバ１０ａの偏波保持軸をずれ角θだけ捻って接合した箇所若しくは、ずれ角度θを可変可能な状態で接合した箇所をいう。また、ずれ角度θだけ捻って接合することを、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の偏光軸と光路ファイバ１０ａの偏波保持軸において、互いの軸をずらすと言ってもよい。

［ピグテール型］
図４には、軸ロール接合部５２を単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０から離して、光路１０中に設けた場合を示す。図４の構成においては、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０は、所謂ピグテールという構成である。ピグテールは、予め入力用と出力用のファイバが単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０に設けられている。

これらは、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆおよび出力用ピグテールファイバ２０ｏｆとする。なお、本発明では、少なくとも入力用ピグテールファイバ２０ｉｆは偏波保持ファイバである。また、出力用ピグテールファイバ２０ｏｆはなくてもよい。図４では、出力用ピグテールファイバ２０ｏｆの後段端は、通常のコネクタで出力部３４のファイバと連結されていることを示している。このように単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０は、ピグテールまで含んでいてもよい。

図４の場合は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０と入力用ピグテールファイバ２０ｉｆとの接続部分では、互いの軸（偏光軸および偏波保持軸）をずらすことなく、一致させて接合する。

一方、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆと光路ファイバ１０ａの接合部では、互いの偏波保持軸をずらして接合する。すなわち、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆの速軸ＦＡと光路ファイバ１０ａの速軸ＦＡは互いにずれ角θだけずれている。したがって、この場合軸ロール接合部５２は、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆと光路ファイバ１０ａの接合部である。

このような構成であっても、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０から前記光路１０に戻される光の偏光軸に対する前記光路１０の偏波保持軸のずれ角を所定のずれ角で接続しているといってよい。入力用ピグテールファイバ２０ｉｆの偏波保持軸は偏光ビームスプリッタ４４の偏光軸と一致させているからである。

また、図４の軸ロール接合部５２では、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆと光路ファイバ１０ａの偏波保持軸を所定のずれ角θだけずらして融着してもよい。「融着」は、本明細書において「接合」の一形態である。融着はそれぞれの偏波保持軸のずれ角θが変化することがないので、経時的に安定して、偏光軸および偏波保持軸がずれた効果を維持することができる。

また、図４の軸ロール接合部５２では、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆと、光路ファイバ１０ａを公知のコネクタで終端し、コネクタ同士の接合部分を回転できるように構成してもよい。この際、コネクタ同士の回転は互いのファイバを突き合せたまま回転させる機械的な回転だけでなく、互いのコネクタにコリメータを配置し、ファイバ同士は直接接続しない状態で、空間光を用いて接続することで互いの軸を回転させるように構成してもよい。すなわち、ずれ角θを可変にできるように構成してもよい。さらに、偏波保持軸同士のずれ角度θが変化しないように、接合状態を固定および解除できる機構があれば、より好ましい。

［１／２波長板型］
図５には、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆと光路ファイバ１０ａの接合部に１／２波長板５３ａを挟んだ軸ロール接合部５３の構成を示す。１／２波長板５３ａは、それ自体高速軸（異常軸）と低速軸（常軸）を持つ。そして、高速軸に対して角度φだけ傾いた直線偏波を２φだけ偏波面を傾けて出力する。そして、２φが最大９０°までは偏波面を傾けることができる。

軸ロール接合部５３は、筐体中に１／２波長板５３ａが光軸を中心に回転可能に収納される。筐体の両側には、貫通孔が形成され、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆと光路ファイバ１０ａがそれぞれ挿設される。軸ロール接合部５３の場合は、筐体への接合の際に、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆと光路ファイバ１０ａの偏波保持軸を一致若しくは所定の角度θだけずらして固定する必要はない。それぞれのファイバの偏波軸がどのような角度になっていても、１／２波長板５３ａを回転させることで、入力用ピグテールファイバ２０ｉｆと光路ファイバ１０ａの偏波軸を一致若しくは所定のずれ角θにすることができるからである。この場合も調節後１／２波長板５３ａが動かないように、固定できればよい。

［１／２波長板組み込み型］
図６は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０に軸ロール接合部５３を組み込んだ単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２１を示す。入射レンズ４０の後段で、偏光ビームスプリッタ４４より前に軸ロール接合部５３が配置されている。この場合も、偏光ビームスプリッタ４４の偏光軸と光路ファイバ１０ａの偏波保持軸を実質的に所定のすれ角θだけずらすことができる。

光路ファイバ１０ａからの光をいったんコリメータ（入射レンズ４０）で平行光に変換し、１／２波長板５３ａを通過したのちに、偏光ビームスプリッタ４４を透過した成分（Ｐ波）は反対側のコリメータ（出射レンズ４２）により出力部３４（図５参照）のファイバへ入射して、高非線形ファイバ３０へ導かれる。反射成分（Ｓ波）は反射鏡４６により折り返され、再度１／２波長板５３ａを通過する際に偏光軸を所定の角度だけ回転して、元の右側のコリメータ（入射レンズ４０）を通じて共振器３２へ導かれる。

このような構成を有する単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２１を用いれば、光路ファイバ１０ａ同士の接続以外の接続部分では、偏波保持軸同士の角度調節を行う必要がない。また、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２１に９０°偏波回転反射器２２と光路１０を接続した後に、１／２波長板５３ａで偏光軸と偏波保持軸のずれ角θを調節すればよいので、共振器３２の組立が容易になる。

なお、図６の組み込み型の場合においても、１／２波長板５３ａは回転機構を持ち、１／２波長板５３ａの主軸（高速軸）と偏光ビームスプリッタ４４の偏光軸との角度を調節できるようにするのが好適である。

単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０と光路ファイバ１０ａの間での偏光軸と偏波保持軸とのずれ角θは、上記に示したように、ずれ角を決めて融着する場合の他、機械的に回転させ、固定させる方式や、光学的にずれ角を調節できる方式が利用できる。これらは、角度調節手段と言ってよく、機械的角度調節手段および光学的角度調節手段と区別することもできる。

また、軸ロール接合部５として、利用される光学的角度調節手段は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０と光路ファイバ１０ａの間での偏光軸と偏波保持軸とのずれ角θを調節できればよく、上記以外の方法であってもよい。例えば、波長板や非相反素子であるファラデー素子などを組み合わせた、所謂偏波制御器で構成してもよい。

なお、偏波保持ファイバでない通常のファイバに偏波制御器を接続する構成は、外乱によって光ファイバに生じる非線形偏波回転の状態が変化するに従い、共振器の共振状態自体も変化し、発振は不安定となる。したがって、その都度偏波状態を調節する必要がある。しかし、本発明の構成では、軸同士のずれ角θを一度決めれば、レーザ発振している間に偏波状態を調節する必要はなく、従来の構成とは別物である。

＜出力部＞
図１を再度参照して、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、出力部３４が接続される。出力部３４は、共振器３２で発生したレーザ光を共振器３２から取り出す部分である。通常出力部３４は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の出射口２０ｂに接続された光ファイバ２４から始まる。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＞
反射防止器２６は、共振器３２へ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。

＜射光口２８＞
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、ここでも偏波保持ファイバを用いてもよい。

＜高非線形ファイバ３０＞
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。またここでも偏波保持ファイバを用いてもよい。

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３０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。好適には分散勾配が±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。

＜動作説明＞
まず、光路ファイバ１０ａが偏波保存ファイバでない場合（これは特許文献３の構成）を説明する。

図７には、特許文献３の構成を示す。図７と図１との相違点は、図７では、光路ファイバ１０ａが偏波保存ファイバでない点と、軸ロール接合部５２がない点およびバルク型の偏波制御器７０が設けられている点である。その他の構成は上記の説明を同じであるので、同一の符号を用いる。

単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０から光路１０に入射した光は、反対側の９０°偏波回転反射器（ファラデー回転鏡）２２により反射されて戻ってくる。その際、９０°偏波回転反射器２２の作用により、戻ってきた光は単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０から光路１０に入射した光に対して、直交する直線偏波を持つ。これは、光路１０が偏波保持ファイバである・なしにかかわらず、線形伝搬である限りは保たれる性質である。

光路１０中の光パワーが高くなると、自己位相変調や相互位相変調といった非線形光学効果による位相シフトが起こる。この位相シフトにより偏光状態が変わる効果が、非線形偏波回転である。光パワーが強い部分のみ、偏光状態が変わり、入射直線偏波と同方向の偏波成分が増える。そのため、９０°偏波回転反射器２２から帰ってきた光は、９０°偏波回転反射器２２へ向かった時の直線偏波と比べると偏波が楕円化し、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０で透過する成分だけでなく反射する成分が生じる。

この光成分は繰り返し増幅が可能となり更に光パワーが強くなる。これにより、光パワーの高い短パルスが成長して、パルス発振する。しかし、この偏波の楕円化は、光路ファイバ１０ａ中で繰り返し増幅が可能な成分が生成するような非線形偏波回転が起きる様に調節する必要があり、この点がレーザ発振のしにくさの原因と考えられた。

一方、偏波保持ファイバは、ファイバの内部で応力が発生するような特殊な構造を持ち、伝搬する光に対して直線偏波が保持される直交する軸が２つ存在する。これらの偏波を保持する２つの軸は、位相速度の違いにより速軸・遅軸と呼ばれ、文字通り、速軸は伝搬速度が速い軸、遅軸は伝搬速度が遅い軸である。この伝搬速度の差により、それぞれの軸に入射した光パワーは混ざることなく保存される。

このため、速軸・遅軸のいずれか一つの軸に直線偏波を入れた場合には、直線偏波が保持されたまま出力される。偏波保持軸と一致しないような偏光、例えば、傾いた直線偏光を入射した場合は、速軸・遅軸を独立に伝搬し、出力される際にそれらが再度合成される。速軸・遅軸の伝搬速度が異なるため、それぞれの軸を透過した光の位相はずれているため、入射側で斜め直線偏波であったとしても、伝搬時の位相ずれに応じて楕円化する。

図３（ｃ）を参照して、これを詳説する。入力側に直線偏波Ｄが入射される。この時偏波保持ファイバの偏波保持軸はずれ角θだけ直線偏波Ｄからずれている。この光は、速軸ＦＡ方向の成分Ｄｆと遅軸方向の成分Ｄｓに分かれてファイバ中を進む。ファイバ中を通過する間にこの光は、外乱を受け、非線形偏波回転が生じ偏波が楕円化する。したがって、出射側では、偏波は楕円偏波ＤＴとなる。しかし、速軸ＦＡ方向の成分Ｄｆと遅軸方向の成分Ｄｓはそのパワーが保存される。

すなわち、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０から光路ファイバ１０ａに入る光は、光路１０に入射する際には直線偏波であっても、軸ロール接合部５２で偏波保持ファイバの速軸ＦＡおよび遅軸ＬＡに対しては斜めの直線偏波で入力される。従って、９０°偏波回転反射器２２から戻ってきた光は、非線形偏波回転の影響により必ず楕円化した偏波で戻ってくる。そのため、必ず単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０で透過せずに反射する成分が存在する。したがって、発振は容易となり、また発振状態も安定する。

さらに言い換えた説明をすると、偏波保持ファイバでない一般のファイバでは、固有な偏光軸が存在しないため、非線形偏波回転の軸も固定されない。このため、温度や曲げ応力などが変わると、非線形偏波回転の大きさや回転方向も変わってしまう。これにより、光源の動作が外乱によって影響を受けてしまう。

これに対し、偏波保持ファイバ中でも、同様な非線形光学効果による位相シフトが起こるが、各軸の光パワーのやりとりはないので、非線形偏波回転の起こりやすさは、各軸に入射される光量によってのみ決まる。つまり、外乱があっても、非線形偏波回転の起こりやすさは温度や曲げ応力などの外乱の影響を受けず、速軸ＦＡ・遅軸ＬＡのパワー比によってコントロールできる。このパワー比は、図３に示すように、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０と光路ファイバ１０ａを接続するときの、軸（偏光軸と偏波保持軸）のずれ角θによって一意に定まるため、動作中の調節はまったく不要になる。

＜検証方法＞
本発明に係る光ファイバ出力光源装置１においては、軸ロール接合部５２（若しくは５３：以後５２で代表させる。）の有無が重要となる。実際に組み上げた共振器３２において、軸ロール接合部５２が形成されているか否かの検証方法を説明する。

図８を参照して、軸ロール接合部５２は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０中の偏光ビームスプリッタ４４の入射面４４ａと光路ファイバ１０ａとの間に配置される。そこで、その間を測定範囲Ｍｒとする。

この測定範囲Ｍｒの外側に偏波コントローラと光源を配置する。そして、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の出射口側にパワーメータを配置する。

測定方法としては、光源からの出力光を偏波コントローラを介して測定範囲Ｍｒに入射し、出力光のパワーを測定する。偏波コントローラを調節することで、最大パワーＰｍａｘと最小パワーＰｍｉｎを測定することができる。ここで最小パワーＰｍｉｎと最大パワーＰｍａｘの比（Ｐｍｉｎ／Ｐｍａｘ）は偏光消光比と呼ばれる値である。

同様に、予め偏光ビームスプリッタ４４の偏光軸と、光路ファイバ１０ａの偏波保持軸とを合わせたリファレンスを作製しておき、同様に偏光消光比を測定する。

検査対象の偏光消光比がリファレンスの偏光消光比に比べ、有意に低ければ、図８中の点線丸で示した部分で、偏光軸と偏波保持軸とのずれ角θを意図的にずらしたものであることがわかる。

例えば、偏光ビームスプリッタ４４の偏光軸と、光路ファイバ１０ａの偏波保持軸とを一致させた場合、偏光消光比は２０ｄＢ程度の値になるが、ずれ角θを１０度程度に傾ければ１５ｄＢ程度に低くなる。したがって、作製した軸ロール接続部５２が規定通り作製されているか否か、若しくはずれ角θが不明な場合は、上記の方法によってずれ角θの有無を調べることができる。

（実施例１）
図４の構成で、出力部３４の高非線形ファイバ３０がない構成での動作例を以下に示す。増幅用光ファイバとして、偏波保持エルビウム添加光ファイバ（ＥＤＦ：Ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ）を用いた。また、分散補償用ファイバ１２についても、偏波保持シングルモードファイバを用い、光路１０全体を偏波保持ファイバで構成した。また、励起用光源１８に１４８０ｎｍ帯の半導体レーザを用いた。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の光路１０側の入力用ピグテールファイバ２０ｉｆも偏波保持ファイバで構成し、光路ファイバ１０ａと融着接続する際に偏光軸を１５度傾けた。

図９に動作時の出力光スペクトルを示す。図９を参照して、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は反射防止器２６の出力光のパワー（ｄＢｍ）である。パルス光特有のなだらかな光スペクトルが観測され、安定にパルス発振した。また、時間が経過しても光スペクトルは変化せず、安定なパルス発振が持続した。

偏波保持ファイバ構成による安定性の効果を示すために、偏波保持ファイバを用いない従来構成で同様の測定を行った結果を図１０に示す。これは図７で示した構成（高非線形ファイバ３０はない。）である。増幅用光ファイバ１４としては、偏波を保持しない通常のＥＤＦを用いた。また、分散補償用光ファイバ１２も偏波保持ファイバでなく、通常のファイバを用いた。図１０では、全てのグラフは横軸が波長（１５００ｎｍ－１７００ｎｍ）であり、縦軸は出力光のパワー（ｄＢｍ）である。

偏波制御器７０を調節することにより図１０（ａ）のように発振が開始した。図１０（ａ）では、パルス光特有のなだらかな光スペクトルを得た。しかし、時間の経過に伴い出力スペクトルが変化し、図１０（ｂ）のようにパルス発振が停止してしまい、線スペクトルを持つ光スペクトルに変化した。

偏波制御器７０を再調節することで、図１０（ｃ）のようにパルス発振は再開した。しかし、図１０（ａ）の形には戻らなかった。また、このまま時間が経過すれば光スペクトルが変化し、再度パルス発振が停止するなどが起こるため、外部環境の変化に応じた再調節が必要となった。

（実施例２）
図１１は、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の偏光軸と光路１０の偏波保持軸のずれ角θを変えて、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０からの出力光パワーを測定した結果の例である。高非線形ファイバ３０は通していない。図１１を参照して、横軸は単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の偏光軸と光路ファイバ１０ａとの偏波保持軸のずれ角θ（度）であり、縦軸は光パワー（ｍＷ）である。単一偏光反射型偏光ビームスプリッタ２０からの出力光パワーが大きくなると、光路１０にレーザ光を閉じ込めることができないことを意味し、安定な発振ができていないと判断できる。

約２５度から６５度の割と広い範囲で安定な発振が確認された。しかし、ずれ角θが、０度や９０度に近い、つまり角度が極端に浅い場合は、片側の軸に光パワーが偏ってしまうため、行き返りでほぼ直線偏波状態で伝搬することになる。つまり、単一偏光反射型偏光ビームスプリッタ２０で反射光を作ることなく通過している。したがって、非線形偏波回転が起こりにくくなり、パルス発振は起こりにくくなった。単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０の偏光軸と光路ファイバ１０ａの偏波保持軸とのずれ角θは、パルス形状やファイバの長さなどを勘案しつつ、好適なものを選べばよい。

（実施例３）
図５に示した１／２波長板５３ａを用いた軸ロール接合部５３を組み込んだ構成での動作例を図１２に示す。増幅用光ファイバ１４として偏波保持ＥＤＦを用い、分散補償用光ファイバ１２も偏波保持ファイバを用いた。１／２波長板５３ａは回転機構を持つホルダで固定し、両端に偏波保持ファイバで構成されたコリメータを配置して、ファイバモジュール化し、単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０と光路１０との間に挿入した。図１２は、１／２波長板５３ａの高速軸を光路ファイバ１０ａの偏波保持軸に対して２０度程度傾けた場合の出力スペクトルを測定したものである。

図１２を参照して、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光パワー（ｄＢｍ）である。パルス発振が確認され、先の例（図９）と同様に、継時的な光スペクトルの変化はほとんどなかった。

さらに、この出力を高非線形ファイバ３０に注入して広帯域化した光スペクトルを図１３に示す。図１３では、発振開始直後に測定したもの（０分後）と、６０分連続動作後に測定したものを重ねて記している。２つのグラフは、ほとんど重なっており、スペクトル形状・パワー共に非常に安定であった。

これは、図１０で示したように、本発明のように偏波保持ファイバを用いない場合に、出力のスペクトル形状が変化したり、再調整によって再度レーザ発振が開始しても、元の状態と異なるスペクトル形状になるといった不安定さが解消されていると言える。

単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０からの出力が安定化されているため、高非線形ファイバ３０内でのスーパーコンティニューム発生の過程も安定になり、その結果、広帯域化された光スペクトルも時間的な変動がほとんどない理想的な光源が得られる。このような高い安定性は、当該光源を光部品検査やセンサなどに応用する上では利点となる。

（実施例４）
図５の構成（１／２波長板５３ａを用いた軸ロール接合部５３を用いた構成）の更なる改良として、図６のように単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２０と１／２波長板５３ａを用いた軸ロール接合部５３を一体化することも可能であると示した。このようにすれば、ファイバ部品点数を減らすことができ、組立コスト削減が可能となる。

図６の１／２半波長板一体化単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ２１を搭載したレーザでの発振時の出力スペクトルを図１４に示す。図１４において、横軸は波長（ｎｍ）であり、縦軸は光パワー（ｄＢｍ）である。なだらかなスペクトル広がりを持つパルス光の発生が確認され、経時変化もほとんど見られなかった。

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
１０ａ 光路ファイバ
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
２０ｉｆ 入力用ピグテールファイバ
２０ｏｆ 出力用ピグテールファイバ
２１ 単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ
２４ 光ファイバ
２２ ９０°偏波回転反射器
２６ 反射防止器
３０ 高非線形ファイバ
２８ 射光口
３２ 共振器
３４ 出力部
４０ 入射レンズ
４２ 出射レンズ
４４ 偏光ビームスプリッタ
４４ａ 入射光面
４４ｂ 透過光面
４４ｃ 反射光面
４４ｒ 反射面
４６ 反射鏡
５２ 軸ロール接合部
５３ 軸ロール接合部
５３ａ １／２波長板

Claims (7)

1. 偏波保持型の増幅用光ファイバと偏波保持型の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、
   前記光路に接続され前記光路からの光が入射する入射口と、
   前記入射した光の特定方向の偏波光を反射させ前記光路に戻し、前記特定方向と異なる方向の偏波光を通過させる偏光ビームスプリッタと、
   前記通過した光が出射する出射口を備えた単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと、
   前記光路の他端に接続された９０°偏波回転反射器と、
   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、
   前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタと前記９０°偏波回転反射器との間にはファラデー素子を有さず、
   前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタから前記光路に戻される光の偏光軸に対する前記光路の偏波保持軸のずれ角を所定の角度で接続している軸ロール接合部を有することを特徴とする光ファイバ出力光源装置。
2. 前記軸ロール接合部は、前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタから前記光路に戻される光の偏光軸と、前記光路の偏波保持軸のずれ角を調節する角度調節手段を有す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. 前記軸ロール接合部は、前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタから前記光路に戻される光と前記光路の間に、光軸に対して回転可能に挿設された１／２波長板を有す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。
4. 前記軸ロール接合部は、
   前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタから前記光路に戻される光が通る偏波保持ファイバと、
   前記光路の偏波保持軸のずれ角を所定の角度で融着する融着部を有す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。
5. 前記単一偏波反射型偏光ビームスプリッタは、ファラデー回転鏡を用い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。
6. 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. 偏光ビームスプリッタと
   前記偏光ビームスプリッタの反射面に対向して配置される反射鏡と、
   前記偏光ビームスプリッタの入射光面側に設けられた入射レンズと、
   前記偏光ビームスプリッタの透過光面側に設けられた出射レンズと、
   前記入射レンズより入射側に設けられた１／２波長板が一体化された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用の単一偏波反射型偏光ビームスプリッタ。

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