WO2013047368A1 - 広帯域光源 - Google Patents

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長谷川 健美
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住友電気工業株式会社
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    • G02F2201/205Constructional arrangements not provided for in groups G02F1/00 - G02F7/00 delay line of fibre type

Definitions

  • the present invention relates to a broadband light source that generates supercontinuum light in a nonlinear optical medium.
  • nonlinear optical medium for example, an optical fiber
  • nonlinear optical effects self-phase modulation, four-wave mixing, Raman scattering, etc.
  • light having a new wavelength component is generated.
  • the spectrum of the pulsed light is broadened and supercontinuum light is generated. Since supercontinuum light has a wide wavelength band and is spatially single mode, it is expected to be used in various fields.
  • JP 2009-092570A describes a broadband light source that generates supercontinuum light.
  • the pulsed light output from the pulsed light source is branched into a plurality of branched pulsed lights, each of the branched pulsed lights has a different intensity, and each of the branched pulsed lights is given a different delay,
  • the branched pulse light is incident on the nonlinear optical medium.
  • a 2-input 2-output optical coupler is used as conversion means for converting the pulsed light output from the pulsed light source into a plurality of pulsed light.
  • the pulsed light output from the pulse light source is input to the first input terminal of the optical coupler, the pulsed light output from the first output terminal is incident on the nonlinear optical medium, and is output from the second output terminal. Pulse light is input to the second input end to form a circular optical path.
  • the broadband light source configured in this manner converts each pulse output from the pulse light source into a plurality of echo pulses divided on the time axis, and causes the plurality of echo pulses to enter the nonlinear optical medium. Since the power of each echo pulse is different from each other, the spectrum spread in the nonlinear optical medium is different for each echo pulse, and the period and phase of the spectrum ripple are different. Therefore, the supercontinuum light output from the nonlinear optical medium can have a spectrum with reduced ripple.
  • An object of the present invention is to provide a broadband light source capable of outputting broadband light with reduced peak power.
  • the broadband light source of the present invention includes (1) a pulse light source that repeatedly outputs pulse light having a substantially constant pulse width at substantially constant time intervals, and (2) pulse light output from the pulse light source is input. Then, the spectrum of the pulsed light is broadened by an internal nonlinear optical effect to generate supercontinuum light, and (3) a nonlinear optical medium that outputs this supercontinuum light, and (3) between the input end and the output end. It has a plurality of optical paths, and at least a part of any one of the plurality of optical paths is a circular optical path, and the supercontinuum light output from the nonlinear optical medium is input to the input end and the plurality of optical paths And an optical echo unit that outputs supercontinuum light guided by a plurality of optical paths from an output end.
  • the optical echo unit has a first input end, a second input end, a first output end, and a second output end, and receives light input to the first input end or the second input end.
  • An optical coupler that includes an optical coupler that divides into two and outputs from each of the first output end and the second output end, and the second input end and the second output end are optically connected to each other to form a circulating optical path having a propagation delay T.
  • the optical echo unit includes M optical couplers as optical couplers, where M is an integer of 2 or more, and the second of the i-th optical couplers of the M optical couplers.
  • a circular optical path having a propagation delay T [i] is formed by optically connecting the input end and the second output end to each other, and a and b are integers taking 1 or 2, and formula (2)
  • the pulse overlap parameter d defined by (1) is not less than 0.75, and the expression (3) It is preferable that this relationship holds.
  • the broadband light source of the present invention has a loss spectrum with a loss larger in a wavelength region outside the band in a band having a total width of 10 nm or more centered on the center wavelength of the pulsed light output from the pulse light source, and a nonlinear optical medium It is preferable to further include a band attenuating filter that inputs the supercontinuum light output from the light source, gives a loss according to the loss spectrum to the supercontinuum light, and outputs it.
  • the broadband light source of the present invention can output broadband light with reduced peak power.
  • the peak power of the echo pulse output from the optical coupler is so high as to cause a nonlinear optical effect in the nonlinear optical medium, and the peak of the supercontinuum light output from the nonlinear optical medium. Power is also high.
  • this supercontinuum light is used as illumination light for measurement, a further nonlinear optical effect occurs in the optical fiber that transmits the supercontinuum light to the measurement object, and the shape of the spectrum is lost.
  • the end face of the optical fiber is burned and the reflection-reducing coating is deteriorated. There may be a problem that a measurement object is damaged by a strong optical electric field.
  • the broadband light source of the present invention can output broadband light with reduced peak power.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram of a broadband light source 1 according to the first embodiment of the present invention.
  • the broadband light source 1 includes a pulse light source 10, an optical fiber (nonlinear optical medium) 11, a band attenuation filter 12, and an optical echo unit 20.
  • the pulse light source 10 repeatedly outputs pulsed light having a substantially constant pulse width at substantially constant time intervals.
  • the “substantially constant” pulse width and the “substantially constant” time interval include fluctuations in the power supply voltage supplied to the light source, noise generated in the light source, fluctuations in the ambient temperature of the light source, etc. This means that it is constant except that it changes due to unintentional factors, and normally the fluctuation range can be controlled to less than ⁇ 5%.
  • the pulsed light source 10 is preferably a pulsed laser light source that can output pulsed laser light having a high peak power.
  • the pulse light source 10 for example, a fiber laser light source using a rare earth element-doped optical fiber as an amplification medium, and a MOPA (Master-amplifier) that amplifies seed light from a semiconductor laser by a fiber amplifier using a rare earth element-doped optical fiber as an amplification medium.
  • Oscillator (Power-Amplifier) type light source, titanium sapphire laser light source and the like are preferably used.
  • the wavelength of the output pulse light is 1550 nm and is added to the rare earth element doped optical fiber.
  • the wavelength of the output pulse light is 1060 nm.
  • the wavelength of the output pulse light of the titanium sapphire laser light source is 800 nm.
  • the pulse width of the output pulse light from the pulse light source 10 is typically in the range of about 100 fs to 10 ns.
  • the peak power of the output pulse light from the pulse light source 10 is typically 1 kW or more.
  • the optical fiber 11 as a nonlinear optical medium receives the pulsed light output from the pulsed light source 10 and generates supercontinuum light by broadening the spectrum of the pulsed light due to the nonlinear optical effect therein. Output light.
  • the optical fiber 11 may be a special optical fiber such as a highly nonlinear optical fiber or a photonic crystal fiber, or a single mode optical fiber (so-called standard single mode optical fiber) compliant with ITU-T G.652. Also good.
  • the pulse light source 10 preferably generates pulsed light having a center wavelength of 1550 nm, a pulse width of 1 ns, and a peak power of 6 kW with a repetition period of 100 kHz.
  • a pulse light source 10 can be realized by the MOPA method.
  • the optical fiber 11 is preferably a standard single mode optical fiber. This combination is advantageous in that the cost is low because a special optical fiber such as a highly nonlinear optical fiber or a photonic crystal fiber is not used.
  • a relatively high power density of about 1 mW / nm can be obtained at a wavelength of 1600 nm or more and 1800 nm or less by manifesting a nonlinear optical effect mainly including Raman scattering and modulation instability.
  • the broadband light source 1 that outputs supercontinuum light in such a wavelength band is suitable for applications that detect substances such as lipids. Suitable.
  • the pulse light source 10 and the optical fiber 11 can be variously combined other than this.
  • the band attenuating filter 12 has a larger loss in a wavelength region outside the band with a total width of 10 nm or more centered on the center wavelength of the pulsed light output from the pulse light source 10 (for example, a loss of 10 dB to 20 dB). Has a spectrum.
  • the band attenuating filter 12 receives the supercontinuum light output from the optical fiber 11, gives a loss according to the loss spectrum to the supercontinuum light, and outputs it.
  • band attenuating filter 12 for example, a slant type fiber grating in which a Bragg diffraction grating is formed obliquely in the core of an optical fiber, or a long period type using optical coupling between a core mode and a cladding mode in the optical fiber.
  • a fiber grating or the like is preferably used.
  • the supercontinuum light In the vicinity of the center wavelength of the pulsed light output from the pulsed light source 10, the supercontinuum light has a spectral peak due to the output pulsed light of the pulsed light source 10, and the spectral density is 10 dB compared to other wavelength bands. It is difficult to use for measurement because it increases by 20 dB. However, by providing such a band attenuation filter 12, the nonuniformity of the spectral density of supercontinuum light is reduced. In addition, since the total power of supercontinuum light is reduced, pulsed light such as spectrum collapse in the transmission fiber for transmitting supercontinuum light, damage to optical components and measurement objects, etc. Occurrence of failures due to the is reduced.
  • the optical echo unit 20 has a plurality of optical paths between the input end and the output end, and at least a part of any one of the plurality of optical paths is a circulating optical path.
  • the optical echo unit 20 inputs the supercontinuum light output from the optical fiber 11 and passed through the band attenuation filter 13 to the input end, guides the supercontinuum light through the plurality of optical paths, and transmits the supercontinuum light guided through the plurality of optical paths. Output from the output terminal.
  • the optical echo unit 20 includes four optical couplers 21 1 , 21 2 , 21 3 , and 21 4 .
  • the light input to the end can be branched into two at a branching ratio of 50:50 and output from each of the first output end and the second output end.
  • the second input end and the second output end of each optical coupler 21 i are optically connected by an optical fiber 22 i to form a loop optical path having a loop length L [i] having a propagation delay T [i]. ing.
  • the band attenuation filter 12 and the first input terminal of the first-stage optical coupler 21 1 are connected by an optical fiber 23 1 .
  • the first output end of the first-stage optical coupler 21 1 and the first input end of the second-stage optical coupler 21 2 are connected by an optical fiber 23 2 .
  • a first output terminal of the optical coupler 21 of the second stage and the first input end of the optical coupler 21 3 of the third stage are connected by the optical fiber 23 3.
  • First output of the optical coupler 21 of the third stage and the fourth stage of the first input end of the optical coupler 21 4, are connected by an optical fiber 23 4.
  • the first output end of the optical coupler 21 4 of the fourth stage is connected to the optical fiber 23 5.
  • each propagation delay T [i] is expressed by equation (4).
  • the integer light echo portion 20 is generally more than M optical coupler 21 1, it is intended to include ⁇ ⁇ ⁇ 21 M.
  • Each of the optical fibers 22 1 , 22 2 , 22 3 , and 22 4 is made of silica-based glass and has a group refractive index of about 1.46. Therefore, the group velocity of propagating light is 0.2 m / ns.
  • Each propagation delay is 1.6 times, 2.4 times, 4.0 times, and 6.0 times with respect to the pulse width of 1 ns of the output pulse light of the pulse light source 10.
  • the optical echo unit 20 includes M optical couplers 21 1 ,... 21 M , a and b are integers taking 1 or 2, and the expression (6) It is preferable that the pulse overlap parameter d defined by is 0.75 or more. When the pulse overlap parameter d is equal to or greater than 0.75, the overlap between the circulating pulse lights is suppressed to 25% or less with respect to the pulse width, and a good peak power reduction effect is obtained.
  • FIG. 2 is a chart for obtaining the pulse overlap parameter d of the broadband light source 1 of the first embodiment.
  • FIG. 2 shows the absolute value of aT [i] ⁇ bT [j] for each value of a and b and each value of i and j, and shows the minimum value of each row or column for that absolute value.
  • the pulse overlap parameter d is 0.8.
  • the time interval p of the pulsed light is 0.01 ms.
  • the branching ratio of the optical coupler 21i is 50:50, the peak power of the pulsed light that makes 10 rounds of the circulating optical path is (1/2) 10 ⁇ 1 / 1000 and can be ignored, so the propagation delay of the longest circulating optical path Is preferably 1/10 or less of the repetition time p.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of the broadband light source 2 according to the second embodiment of the present invention.
  • the broadband light source 2 includes a pulse light source 10, an optical fiber (nonlinear optical medium) 11, a band attenuation filter 12, and an optical echo unit 30.
  • the broadband light source 2 of the second embodiment is different in that an optical echo unit 30 is provided instead of the optical echo unit 20.
  • the optical echo unit 30 has a plurality of optical paths between the input end and the output end, and at least a part of any one of the plurality of optical paths is a circulating optical path.
  • the optical echo unit 30 inputs the supercontinuum light output from the optical fiber 11 and passed through the band attenuation filter 13 to the input end, guides the supercontinuum light through a plurality of optical paths, and transmits the supercontinuum light guided by the plurality of optical paths. Output from the output terminal.
  • the optical echo unit 30 includes four optical couplers 31 1 , 31 2 , 31 3 , and 31 4 .
  • the light input to the end can be branched into two at a branching ratio of 50:50 and output from each of the first output end and the second output end.
  • a second output terminal of the optical coupler 31 of the first stage and the second input end of the optical coupler 31 of the second stage are connected by the optical fiber 32 1.
  • a second input terminal of the optical coupler 31 3 of the second output end of the optical coupler 31 2 and the third stage of the second stage are connected by the optical fiber 32 2.
  • a second input terminal of the third stage and the second output end of the optical coupler 31 3 of the fourth-stage optical coupler 31 4 are connected by the optical fiber 32 3.
  • a fourth stage of the second input terminal of the optical coupler 31 1 of the second output terminal and the first stage of the optical coupler 31 4 are connected by an optical fiber 32 4. Thereby, a circulating optical path is formed.
  • a band attenuation filter 12 and the first input terminal of the optical coupler 31 of the first stage are connected by the optical fiber 33 1.
  • a first output terminal of the optical coupler 31 of the first stage and the first input terminal of the optical coupler 31 of the second stage are connected by the optical fiber 33 2.
  • a first output terminal of the optical coupler 31 of the second stage and the first input terminal of the optical coupler 31 3 of the third stage are connected by the optical fiber 33 3.
  • First output of the optical coupler 31 of the third stage and the fourth stage of the first input end of the optical coupler 31 4 are connected by an optical fiber 33 4.
  • the first output end of the optical coupler 31 4 of the fourth stage is connected to the optical fiber 33 5.
  • a second optical output terminal of a certain optical coupler and a second input terminal of another optical coupler are connected by an optical fiber to form a circulating optical path.
  • the degree of freedom with respect to the difference in propagation delay between the plurality of optical paths is increased.
  • an optical fiber coupler although can be suitably used as an optical coupler 31 1 of a first embodiment of an optical coupler 21 i and the second embodiment because the transmission band is wide, while the as in the first embodiment
  • the minimum loop length is usually limited to about 0.2 m depending on the minimum bending diameter of the optical fiber and the extra length required for fusion splicing.
  • the optical echo unit 30 in the second embodiment can adjust the difference in delay time between branched optical paths on the order of 0.01 m.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of the broadband light source 3 of the comparative example.
  • the broadband light source 3 includes a pulse light source 10, an optical fiber (nonlinear optical medium) 11, a band attenuation filter 12, and an optical echo unit 40.
  • the broadband light source 3 of the comparative example is different in that an optical echo unit 40 is provided instead of the optical echo unit 20.
  • the optical echo unit 40 includes 14 optical couplers 41 11 , 41 21 , 41 22 , 41 31 , 41 32 , 41 33 , 41 34 , 41 41 , 41 42 , 41 43 , 41 44 , 41 51 , 41 52. , 41 61 .
  • the light input from the band attenuating filter 12 to the optical echo unit 40 is divided into eight by optical couplers 41 11 , 41 21 , 41 22 , 41 31 , 41 32 , 41 33 , 41 34 , and each of the eight branched branches.
  • the light is input to any input terminal of the optical couplers 41 41 , 41 42 , 41 43 , and 41 44 .
  • the light output from one of the two output terminals of each of the optical couplers 41 41 , 41 42 , 41 43 , 41 44 is input to one of the optical couplers 41 51 , 41 52.
  • the light output from the other output end is not used and is lost.
  • light output from one of the two output terminals of each of the optical couplers 41 51 and 41 52 is input to the optical coupler 41 61, but light output from the other output terminal is used. It is not a loss.
  • the optical echo unit 40 configured in this way is not preferable because it does not have a circular optical path and there is a branched light that is not coupled to the output end, so that the power utilization efficiency is low.
  • the optical echo units 20 and 30 of the first or second embodiment can circulate the light branched by the optical coupler, thereby coupling all the branched lights to the output end, Use efficiency is high.
  • the broadband light source of the present invention can be used as an illumination light source for measurement.

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Abstract

 ピークパワーが低減された広帯域光を出力することができる広帯域光源を提供する。広帯域光源1は、パルス光源10、光ファイバ(非線形光学媒体)11、帯域減衰フィルタ12および光エコー部20を備える。光ファイバ11は、パルス光源10から出力されたパルス光を入力し、内部での非線形光学効果により該パルス光のスペクトルを広げてスーパーコンティニウム光を生成し、このスーパーコンティニウム光を出力する。光エコー部20は、入力端と出力端との間に複数の光路を有し、複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされている。光エコー部20は、光ファイバ11から出力され帯域減衰フィルタ13を経たスーパーコンティニウム光を入力端に入力して複数の光路により導光させ、複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を出力端から出力する。

Description

広帯域光源
 本発明は、非線形光学媒体においてスーパーコンティニウム光を生成する広帯域光源に関する。
 非線形光学媒体(例えば光ファイバ)に、ピークパワーが高いパルス光が入射すると、非線形光学効果(自己位相変調、四光波混合、ラマン散乱など)が生じ、新たな波長成分を有する光が発生する。これによって、パルス光のスペクトルが広げられてスーパーコンティニウム光が生成される。スーパーコンティニウム光は、広い波長帯域を有し空間的に単一モードであることから、様々な分野での利用が期待されている。
 JP2009-092570Aは、スーパーコンティニウム光を発生する広帯域光源を記載している。この広帯域光源では、パルス光源から出力されたパルス光を分岐して複数の分岐パルス光とし、各分岐パルス光を互いに異なる強度とするとともに、各分岐パルス光に互いに異なる遅延を与えて、これら複数の分岐パルス光を非線形光学媒体に入射させている。ここで、パルス光源から出力されたパルス光を複数のパルス光に変換する変換手段として2入力2出力の光結合器を用いている。そして、パルス光源から出力されるパルス光を光結合器の第1入力端に入力させ、第1出力端から出力されるパルス光を非線形光学媒体に入射させ、また、第2出力端から出力されるパルス光を第2入力端に入力させて周回光路を形成している。
 このように構成される広帯域光源は、パルス光源から出力された各パルスを、時間軸上で分割された複数のエコーパルスに変換して、これら複数のエコーパルスを非線形光学媒体に入射させる。各エコーパルスのパワーが互いに異なることから、各エコーパルスに対して非線形光学媒体におけるスペクトルの広がり方が異なり、スペクトルのリップルの周期や位相が異なる。したがって、非線形光学媒体から出力されるスーパーコンティニウム光は、リップルが低減されたスペクトルを有することができる。
 本発明は、ピークパワーが低減された広帯域光を出力することができる広帯域光源を提供することを目的とする。
 本発明の広帯域光源は、(1) 実質的に一定のパルス幅を有するパルス光を実質的に一定の時間間隔で繰り返し出力するパルス光源と、(2)パルス光源から出力されたパルス光を入力し、内部での非線形光学効果により該パルス光のスペクトルを広げてスーパーコンティニウム光を生成し、このスーパーコンティニウム光を出力する非線形光学媒体と、(3) 入力端と出力端との間に複数の光路を有し、複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされており、非線形光学媒体から出力されたスーパーコンティニウム光を入力端に入力して複数の光路により導光させ、複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を出力端から出力する光エコー部と、を備えることを特徴とする。
 本発明の広帯域光源では、光エコー部は、第1入力端,第2入力端,第1出力端および第2出力端を有し、第1入力端または第2入力端に入力される光を2分岐して第1出力端および第2出力端それぞれから出力する光結合器を含み、第2入力端と第2出力端とが互いに光学的に接続されて伝搬遅延Tを有する周回光路が形成され、パルス光源から出力されるパルス光のパルス幅をtとし、パルス光源から出力されるパルス光の時間間隔をpとしたとき、(1)式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
の関係が成り立つのが好適である。
 本発明の広帯域光源では、光エコー部は、Mを2以上の整数として、光結合器としてM個の光結合器を含み、M個の光結合器のうちの第i光結合器の第2入力端と第2出力端とが互いに光学的に接続されて伝搬遅延T[i]を有する周回光路が形成され、a,bを1または2をとる整数として、(2)式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
で定義されるパルス重なりパラメータdが0.75以上であり、且つ、(3)式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
の関係が成り立つのが好適である。
 本発明の広帯域光源は、パルス光源から出力されるパルス光の中心波長を中心とする、全幅10nm以上の帯域において、該帯域外の波長領域においてより損失が大きい損失スペクトルを有し、非線形光学媒体から出力されたスーパーコンティニウム光を入力し、損失スペクトルに従う損失を該スーパーコンティニウム光に与えて出力する帯域減衰フィルタを更に備えるのが好適である。
 本発明の広帯域光源は、ピークパワーが低減された広帯域光を出力することができる。
本発明の第1実施形態の広帯域光源の概念図である。
第1実施形態の広帯域光源のパルス重なりパラメータdを求める図表である。
本発明の第2実施形態の広帯域光源の概念図である。 比較例の広帯域光源の概念図である。
 以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
 JP2009-092570Aに記載された広帯域光源では、光結合器から出力されるエコーパルスのピークパワーは非線形光学媒体で非線形光学効果を生じさせるほど高く、非線形光学媒体から出力されるスーパーコンティニウム光のピークパワーも高い。その結果、例えば、このスーパーコンティニウム光を測定用の照明光として用いる場合に、測定対象物までスーパーコンティニウム光を伝送する光ファイバ中で更なる非線形光学効果が生じてスペクトルの形状が崩れたり、測定対象物までスーパーコンティニウム光を伝送する光学系の中で光ファイバ端面の焼損や反射低減コーティングの劣化を生じさせたり、パルス光が吸収されることによる瞬間的な熱発生やパルス光の強い光電界によって測定対象物を損傷させたりという問題が生じる場合がある。これに対して、本発明の広帯域光源は、ピークパワーが低減された広帯域光を出力することができる。
 (第1実施形態)
 図1は、本発明の第1実施形態である広帯域光源1の概念図である。広帯域光源1は、パルス光源10、光ファイバ(非線形光学媒体)11、帯域減衰フィルタ12および光エコー部20を備える。
 パルス光源10は、実質的に一定のパルス幅を有するパルス光を実質的に一定の時間間隔で繰り返し出力する。ここで、「実質的に一定」のパルス幅、「実質的に一定」の時間間隔とは、光源に供給される電源電圧の変動や、光源で発生する雑音、光源の環境温度の変動などの故意でない要因によって変化することを除いて一定であるということであり、通常は変動幅を±5%未満に制御できる。
パルス光源10は、ピークパワーが高いパルスレーザ光を出力することができるパルスレーザ光源であるのが好適である。パルス光源10として、例えば、希土類元素添加光ファイバを増幅媒体として用いたファイバレーザ光源、希土類元素添加光ファイバを増幅媒体として用いたファイバ増幅器により半導体レーザなどからの種光を増幅するMOPA(Master-Oscillator Power-Amplifier)型光源、チタンサファイアレーザ光源などが好適に用いられる。
 上記のファイバレーザ光源またはMOPA型光源において、希土類元素添加光ファイバに添加される希土類元素がEr元素である場合には、出力パルス光の波長は1550nmであり、希土類元素添加光ファイバに添加される希土類元素がYb元素である場合には、出力パルス光の波長は1060nmである。また、チタンサファイアレーザ光源の出力パルス光の波長は800nmである。パルス光源10の出力パルス光のパルス幅は典型的には100fsから10ns程度の範囲である。パルス光源10の出力パルス光のピークパワーは典型的には1kW以上である。
 非線形光学媒体としての光ファイバ11は、パルス光源10から出力されたパルス光を入力し、内部での非線形光学効果により該パルス光のスペクトルを広げてスーパーコンティニウム光を生成し、このスーパーコンティニウム光を出力する。光ファイバ11は、高非線形光ファイバやフォトニック結晶ファイバなどの特殊な光ファイバであってもよいし、ITU-T G.652準拠のシングルモード光ファイバ(いわゆる標準シングルモード光ファイバ)であってもよい。
 パルス光源10は、中心波長1550nm、パルス幅1ns、ピークパワー6kWのパルス光を、100kHzの繰り返し周期で発生させるのが好適である。このようなパルス光源10はMOPA方式で実現可能である。また、光ファイバ11は標準シングルモード光ファイバであるのが好適である。この組み合わせは、高非線形光ファイバやフォトニック結晶ファイバなどの特殊な光ファイバを用いないことからコストが低い点で有利である。加えて、ラマン散乱および変調不安定性を主とした非線形光学効果が発現することにより、波長1600nm以上1800nm以下において1mW/nm程度の比較的高いパワー密度が得られる点でも有利である。
脂質などC-H結合を多く含む物質は波長1700nm付近に特徴的な吸収ピークを有するので、このような波長帯域のスーパーコンティニウム光を出力する広帯域光源1は脂質などの物質を検出する応用に適する。ただし、パルス光源10および光ファイバ11は、これ以外にも様々な組み合わせが可能である。
 帯域減衰フィルタ12は、パルス光源10から出力されるパルス光の中心波長を中心とする、全幅10nm以上の帯域において、該帯域外の波長領域においてより損失が大きい(例えば損失10dB乃至20dBの)損失スペクトルを有する。帯域減衰フィルタ12は、光ファイバ11から出力されたスーパーコンティニウム光を入力し、損失スペクトルに従う損失を該スーパーコンティニウム光に与えて出力する。帯域減衰フィルタ12として、例えば、光ファイバのコアにブラッグ型の回折格子が斜めに形成されたスラント型ファイバグレーティングや、光ファイバにおけるコアモードとクラッドモードとの間の光結合を利用する長周期型ファイバグレーティングなどが好適に用いられる。
 パルス光源10から出力されるパルス光の中心波長の付近においては、スーパーコンティニウム光は、パルス光源10の出力パルス光に起因するスペクトルピークを有し、他の波長帯と比べてスペクトル密度が10dB乃至20dB高くなるので測定に用いることが難しい。しかし、このような帯域減衰フィルタ12が設けられていることにより、スーパーコンティニウム光のスペクトル密度の不均一性が低減される。また、スーパーコンティニウム光のトータルでのパワーも低減されるので、スーパーコンティニウム光を伝送する為の伝送用ファイバ中でのスペクトル崩れや、光部品や測定対象物への損傷などの、パルス光に起因する障害の発生が低減される。
 光エコー部20は、入力端と出力端との間に複数の光路を有し、複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされている。光エコー部20は、光ファイバ11から出力され帯域減衰フィルタ13を経たスーパーコンティニウム光を入力端に入力して複数の光路により導光させ、複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を出力端から出力する。
 光エコー部20は、4個の光結合器21、21、21、21を含む。各光結合器21(i=1、2、3、4)は、第1入力端,第2入力端,第1出力端および第2出力端を有し、第1入力端または第2入力端に入力される光を分岐比50:50で2分岐して第1出力端および第2出力端それぞれから出力することができる。各光結合器21の第2入力端と第2出力端とが光ファイバ22により光学的に接続されて、伝搬遅延T[i]を有するループ長L[i]の周回光路が形成されている。
 帯域減衰フィルタ12と第1段の光結合器21の第1入力端とは、光ファイバ23により接続されている。第1段の光結合器21の第1出力端と第2段の光結合器21の第1入力端とは、光ファイバ23により接続されている。第2段の光結合器21の第1出力端と第3段の光結合器21の第1入力端とは、光ファイバ23により接続されている。第3段の光結合器21の第1出力端と第4段の光結合器21の第1入力端とは、光ファイバ23により接続されている。また、第4段の光結合器21の第1出力端は、光ファイバ23に接続されている。
 パルス光源10から出力されるパルス光のパルス幅をtとし、パルス光源10から出力されるパルス光の時間間隔をpとしたとき、各伝搬遅延T[i]は(4)式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
および(5)式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
を満たすことが好ましい。なお、これらの式では、光エコー部20が一般に2以上の整数M個の光結合器21、・・・21を含むものとしている。
 第1実施形態において、各ループ長は L[1]=0.32m、L[2]=0.48m、L[3]=0.80m、L[4]=1.20mである。光ファイバ22、22、22、22それぞれは、石英系ガラスで構成され、約1.46の群屈折率を有するので、伝搬光の群速度は0.2m/nsである。その結果、各伝搬遅延は T[1]=1.6ns、T[2]=2.4ns、T[3]=4.0ns、T[4]=6.0ns となる。パルス光源10の出力パルス光のパルス幅1nsに対し、各伝搬遅延は1.6倍、2.4倍、4.0倍、6.0倍 である。
 その結果、各光ファイバ22により構成される周回光路を1回または2回だけ回った後に出力される比較的強いパルス光は、光ファイバ23へ出力される時点で、時間軸上で互いに重なることがない。それ故、光エコー部20の入力端に入力されたスーパーコンティニウム光は、光エコー部20の出力端から出力される際にはピークパワーが約1/16に低減される。
 このようにピークパワーが低減されたスーパーコンティニウム光を測定用途に用いることにより、伝送用ファイバ中でのスペクトル崩れや、光部品や測定対象物への損傷といったパルス光に起因する障害の発生が低減される。ピークパワーの低減は、光結合器の段数を増やすことにより更に有効となる。
 より一般的には、光エコー部20がM個の光結合器21、・・・21を含むものとし、a,bを1または2をとる整数として、(6)式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
で定義されるパルス重なりパラメータdが0.75以上であるのが好適である。パルス重なりパラメータdが0.75以上である場合に、周回したパルス光同士の重なりがパルス幅に対して25%以下と低く抑えられ、良好なピークパワー低減効果が得られる。
 図2は、第1実施形態の広帯域光源1のパルス重なりパラメータdを求める図表である。図2は、a,bの各値およびi,jの各値についてaT[i]-bT[j] の絶対値を示し、また、その絶対値について各行または各列の最小値を示している。前述のループ長L[i]を有する第1実施形態では、パルス重なりパラメータdは0.8である。
 パルス光源10からのパルス光出力の繰り返し周期が100kHzである場合、該パルス光の時間間隔pは0.01msである。この時間間隔pは、最も長い周回光路の伝搬遅延T[4]=6.0nsの1600倍以上である。したがって、異なる繰り返し周期のパルス光の重なりは無視できる。光結合器21iの分岐比が50:50であることから、周回光路を10周したパルス光のピークパワーは (1/2)10≒1/1000 となり無視できるので、最も長い周回光路の伝搬遅延は繰返し時間pの10分の1以下であることが望ましい。
 (第2実施形態)
 図3は、本発明の第2実施形態である広帯域光源2の概念図である。広帯域光源2は、パルス光源10、光ファイバ(非線形光学媒体)11、帯域減衰フィルタ12および光エコー部30を備える。第1実施形態の広帯域光源1の構成と比較すると、第2実施形態の広帯域光源2は、光エコー部20に替えて光エコー部30を備える点で相違する。
 光エコー部30は、入力端と出力端との間に複数の光路を有し、複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされている。光エコー部30は、光ファイバ11から出力され帯域減衰フィルタ13を経たスーパーコンティニウム光を入力端に入力して複数の光路により導光させ、複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を出力端から出力する。
 光エコー部30は、4個の光結合器31、31、31、31を含む。各光結合器31(i=1、2、3、4)は、第1入力端,第2入力端,第1出力端および第2出力端を有し、第1入力端または第2入力端に入力される光を分岐比50:50で2分岐して第1出力端および第2出力端それぞれから出力することができる。第1段の光結合器31の第2出力端と第2段の光結合器31の第2入力端とが光ファイバ32により接続されている。第2段の光結合器31の第2出力端と第3段の光結合器31の第2入力端とが光ファイバ32により接続されている。第3段の光結合器31の第2出力端と第4段の光結合器31の第2入力端とが光ファイバ32により接続されている。また、第4段の光結合器31の第2出力端と第1段の光結合器31の第2入力端とが光ファイバ32により接続されている。これにより周回光路が形成されている。
 帯域減衰フィルタ12と第1段の光結合器31の第1入力端とは、光ファイバ33により接続されている。第1段の光結合器31の第1出力端と第2段の光結合器31の第1入力端とは、光ファイバ33により接続されている。第2段の光結合器31の第1出力端と第3段の光結合器31の第1入力端とは、光ファイバ33により接続されている。第3段の光結合器31の第1出力端と第4段の光結合器31の第1入力端とは、光ファイバ33により接続されている。また、第4段の光結合器31の第1出力端は、光ファイバ33に接続されている。
 第2実施形態における光エコー部30では、或る光結合器の第2出力端と他の光結合器の第2入力端とが光ファイバにより接続されて周回光路が構成されている。第2実施形態では、光エコー部30はこのような構成を有することにより、複数の光路の間での伝搬遅延の差についての自由度が高まる。例えば、光ファイバカプラは、透過帯域が広いので第1実施形態の光結合器21や第2実施形態の光結合器31として好適に用いられ得るが、一方で、第1実施形態のように光ファイバにより周回光路を形成する場合には最小のループ長が光ファイバの最小曲げ径や融着接続に必要な余長によって通常0.2m程度に制限されてしまう。しかし、第2実施形態における光エコー部30は、分岐した光路の間での遅延時間の差を0.01mのオーダで調整することが可能である。
 (比較例)
 図4は、比較例の広帯域光源3の概念図である。広帯域光源3は、パルス光源10、光ファイバ(非線形光学媒体)11、帯域減衰フィルタ12および光エコー部40を備える。第1実施形態の広帯域光源1の構成と比較すると、比較例の広帯域光源3は、光エコー部20に替えて光エコー部40を備える点で相違する。
 光エコー部40は、14個の光結合器4111,4121,4122,4131,4132,4133、4134,4141,4142,4143,4144,4151,4152,4161を含む。帯域減衰フィルタ12から光エコー部40に入力された光は光結合器4111,4121,4122,4131,4132,4133,4134により8分岐され、この8分岐された各分岐光は光結合器4141,4142,4143,4144の何れかの入力端に入力される。
 しかし、光結合器4141,4142,4143,4144それぞれの2つの出力端のうち一方の出力端から出力される光は光結合器4151,4152の何れかに入力されるものの、他方の出力端から出力される光は利用されず損失となる。また、光結合器4151,4152それぞれの2つの出力端のうち一方の出力端から出力される光は光結合器4161に入力されるものの、他方の出力端から出力される光は利用されず損失となる。
 このように構成される光エコー部40は、周回光路を有しておらず、出力端に結合されない分岐光が存在するので、パワーの利用効率が低く、好ましくない。これに対して、第1または第2の実施形態の光エコー部20,30は、光結合器により分岐した光を周回させることで、全ての分岐光を出力端に結合させることができ、パワーの利用効率が高い。
産業上の利用分野
 本発明の広帯域光源は、測定用の照明光光源に使用することができる。

Claims (4)

  1.  実質的に一定のパルス幅tを有するパルス光を実質的に一定の時間間隔pで繰り返し出力するパルス光源と、
     前記パルス光源から出力されたパルス光を入力し、内部での非線形光学効果により該パルス光のスペクトルを広げてスーパーコンティニウム光を生成し、このスーパーコンティニウム光を出力する非線形光学媒体と、
     入力端と出力端との間に複数の光路を有し、前記複数の光路のうち何れかの光路の少なくとも一部が周回光路とされており、前記非線形光学媒体から出力されたスーパーコンティニウム光を前記入力端に入力して前記複数の光路により導光させ、前記複数の光路により導光されたスーパーコンティニウム光を前記出力端から出力する光エコー部と
    を備える広帯域光源。
  2.  前記光エコー部は、
     第1入力端,第2入力端,第1出力端および第2出力端を有し、前記第1入力端または前記第2入力端に入力される光を2分岐して前記第1出力端および前記第2出力端それぞれから出力する光結合器と、
     前記第2入力端と前記第2出力端とを光学的に接続する伝搬遅延Tを与える周回光路と
    を含み、
     前記遅延Tが(1)式
    を満たす請求項1に記載の広帯域光源。
  3.  前記光エコー部は、
     前記光結合器として2以上の整数であるM個の光結合器を含み、前記M個の光結合器のうちの第i光結合器の前記第2入力端と前記第2出力端とが互いに光学的に接続されて伝搬遅延T[i]を有する周回光路が形成され、
     a,bを1または2をとる整数として、(2)式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    で定義されるパルス重なりパラメータdが0.75以上であり、且つ、(3)式
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    が成り立つ
    請求項2に記載の広帯域光源。
  4.  前記パルス光源から出力されるパルス光の中心波長を中心とする、全幅10nm以上の帯域において、該帯域外の波長領域においてより損失が大きい損失スペクトルを有し、前記非線形光学媒体から出力されたスーパーコンティニウム光を入力し、前記損失スペクトルに従う損失を該スーパーコンティニウム光に与えて出力する帯域減衰フィルタを更に備える
    請求項1に記載の広帯域光源。
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