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

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 Download PDF

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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
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・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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