JP2004146681A - 光増幅用ファイバ、光増幅装置、光源装置、光治療装置および露光装置 - Google Patents
光増幅用ファイバ、光増幅装置、光源装置、光治療装置および露光装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能である光増幅用ファイバおよび光増幅装置を提供する。
【解決手段】励起光源50より出力された励起光は、光カプラ40および接続用ファイバ20を経て光増幅用ファイバ10へ供給される。入力端1aに入力した光は、光カプラ40および接続用ファイバ20を経て光増幅用ファイバ10に入射し、この光増幅用ファイバ10において光増幅される。この光増幅された光は、接続用ファイバ30を経て出力端1bより出力される。光増幅用ファイバ10は、希土類元素が添加されたコア領域と、このコア領域を取り囲みコア領域より低屈折率のクラッド領域とを有し、コア領域の外径が10μm以上30μm以下であり、クラッド領域の外径が75μm以上200μm未満であり、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が0.5%以上2.0%以下である。
【選択図】 図1
【解決手段】励起光源50より出力された励起光は、光カプラ40および接続用ファイバ20を経て光増幅用ファイバ10へ供給される。入力端1aに入力した光は、光カプラ40および接続用ファイバ20を経て光増幅用ファイバ10に入射し、この光増幅用ファイバ10において光増幅される。この光増幅された光は、接続用ファイバ30を経て出力端1bより出力される。光増幅用ファイバ10は、希土類元素が添加されたコア領域と、このコア領域を取り囲みコア領域より低屈折率のクラッド領域とを有し、コア領域の外径が10μm以上30μm以下であり、クラッド領域の外径が75μm以上200μm未満であり、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が0.5%以上2.0%以下である。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を光増幅することができる光増幅用ファイバおよび光増幅装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光増幅装置は、希土類元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバを光増幅媒体として用い、この光増幅用ファイバに励起光を供給することで、この光増幅用ファイバにおいて信号光を光増幅することができる。例えば、Er元素が添加された光増幅用ファイバを光増幅媒体として用いた光増幅装置は、光通信システムにおいて一般に用いられる波長1.55μm帯の信号光を光増幅することができるので、光通信システムの光中継器等に設けられる。
【0003】
一方、このような光増幅装置は、波長変換により紫外光を発生させるための高出力光源としての使用も検討されている。例えば、非特許文献1に記載された技術は、光増幅装置より出力された高出力の赤外光を非線型光学結晶に入射させ、この非線型光学結晶において高調波を発生させて、この非線型光学結晶より紫外光を出力させるものである。
【0004】
【非特許文献1】
大槻朋子、”ファイバ増幅器と波長変換による高効率紫外光源”、レーザー研究、第29巻、第2号、第94頁〜第98頁、2001年2月
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記非特許文献1に記載されたような用途では、光増幅装置は、出力光パワーが大きいこと、光増幅用ファイバにおける非線型光学現象の発生が抑制されること、光増幅用ファイバのコンパクトな収納が可能であること、が要求される。
【0006】
しかしながら、出力光パワーを大きくしようとすると、光増幅用ファイバにおいて非線型光学現象が発生し易くなる。すなわち、出力光の高パワー化と非線型光学現象の発生の抑制とは互いにトレードオフの関係にある。
【0007】
また、非線型光学現象の発生を抑制するには、光増幅用ファイバの実効コア断面積を大きくすればよいが、そうすると、光増幅用ファイバの曲げ損失が大きくなり、光増幅用ファイバのコンパクトな収納が困難となる。すなわち、非線型光学現象の発生の抑制と光増幅用ファイバのコンパクト収納とは互いにトレードオフの関係にある。
【0008】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能である光増幅用ファイバ、この光増幅用ファイバを用いた光増幅装置および光源装置、ならびに、この光源装置を用いた光治療装置および露光装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光増幅用ファイバは、希土類元素が添加されたコア領域と、コア領域を取り囲みコア領域より低屈折率のクラッド領域とを有し、コア領域の外径が10μm以上30μm以下であり、クラッド領域の外径が75μm以上200μm未満であり、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が0.5%以上2.0%以下である、ことを特徴とする。また、好適には、コア領域の外径が15μm以上27μm以下であり、クラッド領域の外径が110μm以上150μm未満であり、或いは、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が0.7%以上1.5%以下である。このように構成される光増幅用ファイバは、出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能である。
【0010】
本発明に係る光増幅用ファイバは、コア領域に添加されている希土類元素がEr元素であるのが好適であり、コア領域におけるEr元素の添加濃度が800wt.ppm以上であるのが好適であり、波長1530nm付近における吸収損失ピークが20dB/m以上80dB/m以下であるのが好適である。この場合には、光増幅用ファイバは、波長1.5〜1.6μm帯の光を光増幅して出力することができる。
【0011】
本発明に係る光増幅装置は、光を光増幅する上記の本発明に係る光増幅用ファイバと、光増幅用ファイバに励起光を供給する励起光供給手段と、を備えることを特徴とする。この光増幅装置によれば、励起光供給手段により光増幅用ファイバに励起光が供給され、この光増幅用ファイバにおいて光が増幅される。
【0012】
本発明に係る光増幅装置は、光増幅用ファイバの光入射側に設けられた入射用ファイバと光増幅用ファイバとの間に接続用ファイバが設けられ、接続用ファイバのモードフィールド径が、入射用ファイバのモードフィールド径より大きく、光増幅用ファイバのモードフィールド径より小さいのが好適である。また、光増幅用ファイバの光出射側に設けられた出射用ファイバと光増幅用ファイバとの間に接続用ファイバが設けられ、接続用ファイバのモードフィールド径が、出射用ファイバのモードフィールド径より大きく、光増幅用ファイバのモードフィールド径より小さいのが好適である。この場合には、光増幅用ファイバの何れかの端におけるモードフィールド径の変化が段階的なものとなって、モードフィールド径の不連続に因る増幅光または励起光の損失が低減されて、この点でも、高いパワーの光を出力することができる。
【0013】
本発明に係る光増幅装置は、光増幅用ファイバがコイル状に巻かれており、光増幅用ファイバの最小曲げ半径が15mm以上であるのが好適である。この場合には、光増幅装置はコンパクトなものとなる。また、このとき、光増幅用ファイバが上記の本発明に係るものであることから、曲げ損失の増加が抑制され、出力光パワーが安定した高いものとなる。
【0014】
本発明に係る光源装置は、電気信号を発生する信号発生器と、電気信号に基づいてレーザ光を生成する半導体レーザと、半導体レーザからのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器とを備える光源装置であって、光ファイバ増幅器が上記の本発明に係る光増幅用ファイバを備えることを特徴とする。また、電気信号がパルス状であり、半導体レーザがパルス光を生成するものであり、光ファイバ増幅器の前段に別の光ファイバ増幅器を備えるのが好適である。
【0015】
本発明に係る光治療装置は、上記の本発明に係る光源装置と、光源装置の出口部から出射された照射光を所定波長の治療用照射光に変換する波長変換器と、波長変換器により変換された照射光を治療部位に導いて照射させる照射光学系と、を備えることを特徴とする。
【0016】
本発明に係る露光装置は、上記の本発明に係る光源装置と、光源装置の出口部から出射される照射光を所定波長の照射光に変換する波長変換器と、所定の露光パターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持部と、露光対象物を保持する対象物保持部と、波長変換器により変換された照射光を、マスク支持部により保持されたフォトマスクに照射させる照明光学系と、照明光学系を介してフォトマスクに照射されてここを通過した照射光を、対象物保持部により保持された露光対象物に照射させる投影光学系と、を備えることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施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。
【0018】
(光増幅装置および光増幅用ファイバの実施形態)
先ず、本発明に係る光増幅装置および光増幅用ファイバの実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る光増幅装置1の構成図である。この図に示される光増幅装置1は、入力端1aに入力した光を光増幅して、その光増幅した光を出力端1bより出力するものであり、光増幅用ファイバ10、接続用ファイバ20、接続用ファイバ30、光カプラ40および励起光源50を備えている。
【0019】
光増幅用ファイバ10は、石英ガラスを主成分とするものであって、希土類元素が添加されたコア領域と、これを取り囲むクラッド領域とを有する。特に、光増幅用ファイバ10は、希土類元素としてEr元素がコア領域に添加されているのが好適であり、コア領域におけるEr元素の添加濃度が800wt.ppm以上であるのが好適であり、また、波長1530nm付近における吸収損失ピークが20dB/m以上80dB/m以下であるのが好適である。また、光増幅用ファイバ10は、Al元素またはLa元素がコア領域に共添加されているのも好適である。なお、後述するように、光増幅用ファイバ10のモードフィールド径は通常のものより大きい。また、光増幅用ファイバ10は、コイル状に巻かれており、その最小曲げ半径が15mm以上とされている。
【0020】
光増幅用ファイバ10は、入力端1a側に接続用ファイバ20が融着接続されており、この接続用ファイバ20を介して光カプラ40の出力端(一般には標準的なシングルモード光ファイバ)と接続されている。接続用ファイバ20は、光増幅用ファイバ10と光カプラ40の出力端との間に設けられている。接続用ファイバ20のモードフィールド径は、光カプラ40の出力端におけるモードフィールド径より大きく、光増幅用ファイバ10のモードフィールド径より小さい。
【0021】
光増幅用ファイバ10は、出力端1b側に接続用ファイバ30が融着接続されており、この接続用ファイバ30を介して出力端1bと接続されている。接続用ファイバ30は、出力端1bに接続される光ファイバ(一般には標準的なシングルモード光ファイバ)と光増幅用ファイバ10との間に設けられる。接続用ファイバ30のモードフィールド径は、出力端1bに接続される光ファイバのモードフィールド径より大きく、光増幅用ファイバ10のモードフィールド径より小さい。
【0022】
光カプラ40は、入力端1aに入力した光を光増幅用ファイバ10へ出力するとともに、励起光源50より出力された励起光をも光増幅用ファイバ10へ出力する。励起光源50は、光増幅用ファイバ10に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する。光カプラ40および励起光源50は、光増幅用ファイバ10に励起光を供給する励起光供給手段を構成している。例えば、光増幅用ファイバ10に添加された希土類元素がEr元素である場合には、励起光の波長は1.48μm付近または0.98μm付近であり、増幅される光の波長は1.5〜1.6μm帯である。
【0023】
この光増幅装置1は以下のように動作する。励起光源50より出力された励起光は、光カプラ40および接続用ファイバ20を経て光増幅用ファイバ10へ供給され、光増幅用ファイバ10に添加された希土類元素を励起する。入力端1aに入力した光は、光カプラ40および接続用ファイバ20を経て光増幅用ファイバ10に入射し、この光増幅用ファイバ10において光増幅される。この光増幅された光は、接続用ファイバ30を経て出力端1bより出力される。本実施形態では、接続用ファイバ20,30が用いられていることにより、光増幅用ファイバ10の両端におけるモードフィールド径の変化が段階的なものとなって、モードフィールド径の不連続に因る増幅光または励起光の損失が低減されて、この点でも、高いパワーの光を出力することができる。
【0024】
図2は、本実施形態に係る光増幅用ファイバ10の説明図である。同図(a)は、光軸に垂直な面で切断したときの光増幅用ファイバ10の断面を示し、同図(b)は、光増幅用ファイバ10の屈折率プロファイルを示す。この図に示されるように、光増幅用ファイバ10は、希土類元素が添加されたコア領域11と、コア領域11を取り囲みコア領域11より低屈折率のクラッド領域12とを有する。そして、コア領域11の外径2aが10μm以上30μm以下であり、クラッド領域12の外径2bが75μm以上200μm未満であり、クラッド領域12に対するコア領域11の比屈折率差Δが0.5%以上2.0%以下である。また、コア領域11の外径2aが15μm以上27μm以下であるのが好適であり、クラッド領域12の外径2bが110μm以上150μm未満であるのが好適であり、クラッド領域12に対するコア領域11の比屈折率差Δが0.7%以上1.5%以下であるのが好適である。本実施形態に係る光増幅用ファイバ10は、このような構成とされていることにより、出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能となる。上述したように、光増幅用ファイバ10がコイル状に巻かれていても、その最小曲げ半径が15mm以上であれば、曲げ損失が充分に小さい。
【0025】
図3は、本実施形態に係る光増幅装置1および光増幅用ファイバ10を評価する評価システム100の構成図である。この図に示される評価システム100は、DFBレーザ光源110、プリアンプ120、レンズ131、1/4波長板141、1/2波長板142、フィルタ151、レンズ132、レンズ133、フィルタ152および光検出器140を順に備える。この評価システム100は、DFBレーザ光源110より出力された光をプリアンプ120により光増幅し、これをレンズ131によりコリメートする。評価システム100は、このコリメートした光の偏光状態を1/4波長板141および1/2波長板142により調整した後、フィルタ151により特定波長成分の光のみを透過させ、その透過した光をレンズ132により集光して、光増幅装置1の入力端に入力させる。そして、評価システム100は、光増幅装置1の出力端より出力された光をレンズ133によりコリメートし、フィルタ152により特定波長成分の光のみを透過させ、その透過した光のパワーを光検出器140により検出する。
【0026】
図4は、本実施形態に係る光増幅用ファイバ10の実施例および比較例それぞれの諸元を纏めた図表である。実施例および比較例それぞれの光増幅用ファイバは、コア領域11にEr元素が添加されたものであり、クラッド領域の外径2bが125μmであり、長さが2mである。これらの光増幅用ファイバは、Geを含み石英ガラスを主成分とするガラス微粒子をMCVD法によりガラス管内壁に堆積させた後、Er元素およびAl元素を溶液含浸法により添加し、これを透明ガラス化・中実化して光ファイバ母材として、この光ファイバ母材を線引することで製造された。この図には、実施例および比較例それぞれの場合について、コア領域の外径2a、比屈折率差Δ、Er添加濃度、吸収損失ピークα、および、最大出力ピークパワーが示されている。最大出力ピークパワーは、図3に示された評価システム100を用いて評価された。励起光の波長は1.48μmであった。
【0027】
比較例の光増幅用ファイバは、通常のコア径を有するシングルモード光ファイバであり、コア領域の外径が6.2μmであり、比屈折率差Δが1.1%であり、Er添加濃度が1500wt.ppmであり、波長1530nm付近における吸収損失ピークαが27.1dB/mであった。実施例の光増幅用ファイバは、コア領域の外径2aが通常より大きく13μmであり、比屈折率差Δが1.2%であり、Er添加濃度が1500wt.ppmであり、波長1530nm付近における吸収損失ピークαが37.0dB/mであった。
【0028】
図5は、実施例および比較例それぞれの光増幅用ファイバにおける励起パワーと出力ピークパワーとの関係を示すグラフである。比較例の光増幅用ファイバでは、励起パワーを大きくしていくと、非線型光学現象に因る雑音光の発生が顕著になり、雑音光へのパワー配分が増加する。したがって、比較例の光増幅用ファイバでは、励起パワーを約1Wより大きくしても、出力ピークパワーは約5kWで飽和する傾向が見られた。これに対して、実施例の光増幅用ファイバでは、励起パワーを4W以上とすれば、出力ピークパワーが15kW以上となり、最大出力ピークパワーが24kWであった。
【0029】
非線型光学現象に因る雑音光の発生の効率ηは、ファイバ長Lの2乗に比例し、実効コア断面積の2乗に反比例する。Er元素添加の光増幅用ファイバは、Er元素に因る吸収条長積(吸収損失ピークαとファイバ長Lとの積)が所定値にされて使用される場合が多い。また、実効コア断面積は、モードフィールド径MFDの2乗に比例する。この場合、非線型雑音光発生効率ηは 1/(α2×MFD4)
に比例する。
【0030】
図6は、比屈折率差Δの各値についてコア直径2aと非線型雑音光発生効率ηとの関係を示すグラフである。図7は、コア直径2aの各値について比屈折率差Δと非線型雑音光発生効率ηとの関係を示すグラフである。各図において、非線型雑音光発生効率ηは、比較例の光増幅用ファイバにおける値を基準とする相対値として示されている。これらの図から判るように、コア径2aを大きくすると、非線型雑音光発生効率ηは1/10〜1/100程度まで低減が可能である。実用上問題が無い雑音光発生レベルに抑制するには、非線型雑音光発生効率ηの相対値は0.4以下(より好ましくは0.3以下)であることが必要であり、このことから、コア外径2aが12μm以上(より好ましくは15μm以上)であることが必要であり、また、比屈折率差Δが2%以下(より好ましくは1.5%以下)であることが必要である。
【0031】
比屈折率差Δが0.7%より大きい光増幅用ファイバは、曲げ半径15mmのコイル状に巻いた状態で収納されても、出力パワーの変動や低下が見られなかった。比屈折率差Δが0.7%より小さい光増幅用ファイバでも、曲げ半径50mm以上のコイル状に巻かれた状態で収納されれば、出力パワーの変動や低下が見られなかった。しかし、比屈折率差Δが0.5%より小さい光増幅用ファイバでは、略直線状態に保たれた状態であっても、僅かな振動が加わるだけで出力パワーの変動や低下が見られた。以上のことから、出力パワーの安定化のためには、比屈折率差Δが0.5%以上であるのが好適であり、比屈折率差Δが0.7%以上であるのが更に好適であることが判る。
【0032】
同様に、クラッド外径2bが110μmより小さいと、光増幅用ファイバをコイル化したときの出力パワーの変動や低下が大きい。クラッド外径2bが150μm未満であれば、この光増幅用ファイバと通常のクラッド外径125μmの他の光ファイバとを融着接続することが容易となる。
【0033】
図8は、比屈折率差Δの各値についてコア直径2aと伝搬可能モード数との関係を示すグラフである。伝搬可能なモード数が30以下の光増幅用ファイバは、曲げ半径15mmのコイル状に巻かれた状態で収納されても、出力パワーの変動や低下が見られなかった。伝搬可能なモード数が30を超える光増幅用ファイバでも、曲げ半径50mm以上のコイル状に巻かれた状態で収納されれば、出力パワーの変動や低下が見られなかった。しかし、伝搬可能なモード数が200を超える光増幅用ファイバでは、略直線状態に保たれた状態であっても、僅かな振動が加わるだけで出力パワーの変動や低下が見られた。以上のことから、出力パワーの安定化のためには、伝搬可能モード数が200以下であるのが好適であり、伝搬可能モード数が130以下であるのが更に好適であることが判る。更に、このことから、コア直径2aが30μm以下であるのが好適であり、コア直径2aが27μm以下であるのが更に好適であることが判る。
【0034】
上記の実施例の光増幅用ファイバと同等のものを用いて、図1に示される光増幅装置1を構成し、その光増幅装置1の性能を評価した。用いた光増幅用ファイバ10は、伝搬可能モード数が50であった。光増幅用ファイバ10と光カプラ40との間に設けられる接続用ファイバ20は、コア直径が18μmであり、比屈折率差が0.6%であり、伝搬可能モード数が50であった。波長1.48μmの励起光のパワーが6Wで、安定した出力ピークパワー約20kW以上の出力パルス光が得られた。
【0035】
(光源装置の実施形態)
次に、本発明に係る光源装置の実施形態について説明する。図9は、本実施形態に係る光源装置200の構成図である。この光源装置200は、上述した本実施形態に係る光増幅用ファイバを含むものであり、パルス光を出力するパルス光源である。
【0036】
この実施の形態のパルス光源200は、矩形の電気パルス信号を発生するパルス発生器201と、電気パルス信号に基づいて矩形の光パルスを生成するレーザダイオード202と、偏波コントローラ203と、第1のエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)204と、ASE(雑音)光を除去するためのバンドパスフィルタ205と、上記の本実施形態に係る光増幅用光ファイバを備える第2のエルビウムドープファイバ増幅器206とを備えている。
【0037】
このパルス光源200では、パルス発生器201で発生した矩形の電気パルス信号は、レーザダイオード202によって矩形の光パルスに変換される。レーザダイオード202より出力された光パルスは、偏波コントローラ203を介して第1のエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)204に入力されて増幅され、増幅パルス光として出力される。第1のエルビウムドープファイバ増幅器204からの増幅パルス光は、バンドパスフィルタ205でASE(雑音)光が除去されて、本実施形態に係る第2のエルビウムドープファイバ増幅器206に入力されて増幅され、高いピークパワーのパルス光が出力される。
【0038】
この実施の形態のパルス光源200によれば、本実施形態に係る光増幅用ファイバを用いているので、非線型光学現象の発生が抑制できることになり、高出力のパルス光を得ることができる。
【0039】
以下では、このパルス光源200を用いた本発明の光治療装置および露光装置の実施形態について説明する。
【0040】
(光治療装置の実施形態)
次に、本発明に係る光治療装置の実施形態について図10〜図12を参照して以下に説明する。本実施形態に係る光治療装置は、上述した本実施形態に係るパルス光源200を用いて構成される。この光治療装置は、レーザ光を角膜に照射して表面のアブレーション(PRK: Photorefractive Keratectomy)あるいは切開した角膜内部のアブレーション(LASIK: Laser Intrastromal Keratomileusis)を行い、角膜の曲率もしくは凹凸を矯正して近眼、乱視などの治療を行なう装置である。
【0041】
図10は、本実施形態に係る光治療装置300の構成を示す概略図である。光治療装置300は、この図に示されるように基本的には、装置筐体351内に、上述したパルス光源200と、このパルス光源200により増幅されて出力されるレーザ光を所望の波長のレーザ光に変換する波長変換装置360と、波長変換装置360により波長変換されたレーザ光を眼球EYの角膜HCの表面(治療部位)に導いて照射させる照射光学装置370と、治療部位の観察を行う観察光学装置380とを備えて構成される。装置筐体351のベース部352はX−Y移動テーブル353の上に配設されており、X−Y移動テーブル353により装置筐体351全体が、図10において矢印X方向すなわち図面左右方向と、紙面に垂直なY方向とに移動させることが可能となっている。
【0042】
図11は、光治療装置300を構成する波長変換装置360の構成を示す概略図である。パルス光源200は上述したとおりの構成であり、その出力端347から出力されるレーザ光が波長変換装置360内において所望の波長(この装置では、角膜治療に適した波長193nmであり、ArFエキシマレーザ光と同一波長)の治療用レーザ光に変換される。パルス光源200の出力端347から射出される所定波長(この実施形態では、波長1.544μm)の基本波を、非線形光学結晶を用いて8倍波(高調波)に波長変換して、ArFエキシマレーザと同じ波長である193nmの紫外光を発生する構成例を示している。出力端347から出力される波長1.544μm(周波数ω)の基本波は、非線形光学結晶361,362,363を図中左から右に向かって透過して出力される。なお、非線形光学結晶361,362,363の間には、図示のように集光レンズ364,365が配設されている。
【0043】
これら基本波が非線形光学結晶361を通る際に、2次高調波発生により基本波の周波数ωの2倍、すなわち周波数2ω(波長は1/2の772nm)の2倍波が発生する。発生した2倍波は右方向へ進み、次の非線形光学結晶362に入射する。ここで再び第2次高調波発生を行い、入射波の周波数2ωの2倍、すなわち基本波に対し4倍の周波数4ω(波長は1/4の386nm)をもつ4倍波が発生する。発生した4倍波はさらに右の非線形光学結晶363に進み、ここで再び第2次高調波発生を行い、入射波の周波数4ωの2倍、すなわち基本波に対し8倍の周波数8ωを有する8倍波(波長は1/8の193nm)を発生する。
【0044】
前記波長変換に使用する非線形光学結晶としては、例えば、基本波から2倍波への変換を行う非線形光学結晶361にはLiB3O5(LBO)結晶を、2倍波から4倍波への変換を行う非線形光学結晶362にはLiB3O5(LBO)結晶を、4倍波から8倍波への変換を行う非線形光学結晶363にはSr2Be2B2O7(SBBO)結晶を、それぞれ使用する。ここで、LBO結晶を使用した基本波から2倍波への変換には、波長変換のための位相整合にLBO結晶の温度調節による方法、での基本波と第二高調波との角度ずれ(Walk−off)が起こらないため高効率で2倍波への変換を可能にし、また発生した2倍波はWalk−offによるビームの変形も受けないため有利である。
【0045】
このようにして波長変換装置360において波長変換されて出力される波長193nmのレーザ光(ArFエキシマレーザ光の波長と同一となるレーザ光)を、眼球EYの角膜HCの表面に導いてここに照射させる照射光学装置370および観察光学装置380について、図12を用いて説明する。なお、パルス光源200においては、固体レーザを1.51μm〜1.59μmの範囲内に発振波長を持つDFB半導体レーザもしくはファイバレーザから構成しているので、波長変換装置360により、固体レーザからの上記波長のレーザ光は、189nm〜199nmの範囲内となる8倍高調波を有したレーザ光に変換されて出力される。このようにこのレーザ光はArFエキシマレーザ光と略同一の波長のレーザ光であるが、そのパルス発振の繰り返し周波数は100kHzと非常に高いものとなっている。
【0046】
図12は、光治療装置300を構成する照射光学装置370および観察光学装置380の構成を示す概略図である。照射光学装置370は、上記パルス光源200からの光を波長変換装置360により波長変換して得られた波長193nmのレーザ光を細いビーム状に集光する集光レンズ371と、このように集光されたビーム状レーザ光を反射させて治療対象となる眼球EYの角膜HCの表面に照射させるダイクロイック・ミラー372とを有して構成される。これにより、角膜HCの表面にレーザ光がスポット光として照射され、この部分の蒸散を行わせる。このとき、X−Y移動テーブル353により、装置筐体351全体をX方向およびY方向に移動させて角膜HCの表面上に照射されるレーザ光スポットを走査移動させ、角膜表面のアブレーションを行い、近視、乱視、遠視等の治療を行う。
【0047】
このような治療は、眼科医等の術者が観察光学装置380を介して目視観察しながらX−Y移動テーブル353の作動を制御して行われる。この観察光学装置380は、治療対象となる眼球EYの角膜HCの表面を照明する照明ランプ385と、照明ランプ385により照明された角膜HCからの光をダイクロイック・ミラー372を透過して受ける対物レンズ381と、対物レンズ381からの光を反射させるプリズム382と、この光を受ける接眼レンズ383とから構成され、接眼レンズ383を通して角膜HCの拡大像を観察できるようになっている。
【0048】
(露光装置の実施形態)
次に、本発明に係る露光装置の実施形態について説明する。図13は、本実施形態に係る露光装置400の構成を示す概略図である。露光装置400は、上述したパルス光源200を用いて構成され、半導体製造工程の一つであるフォトリソグラフィ工程で使用される。光リソグラフィ工程で使用される露光装置は、原理的には写真製版と同じであり、フォトマスク(レチクル)上に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウエハやガラス基板などの上に光学的に投影して転写する。この露光装置400は、上述したパルス光源200と、波長変換装置401と、照明光学系402と、フォトマスク(レチクル)410を支持するマスク支持台403と、投影光学系404と、半導体ウエハ415を載置保持する載置台405と、載置台405を水平移動させる駆動装置406とを備えて構成される。
【0049】
この露光装置400においては、上述したとおりのパルス光源200の出力端から出力されるレーザ光が波長変換装置401に入力され、ここで半導体ウエハ415の露光に必要とされる波長のレーザ光に波長変換される。このように波長変換されたレーザ光は、複数のレンズから構成される照明光学系402に入力され、ここを通ってマスク支持台403に支持されたフォトマスク410の全面に照射される。このように照射されてフォトマスク410を通過した光は、フォトマスク410に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系404を介して、載置台405に載置された半導体ウエハ415の所定位置に照射される。このとき、投影光学系404によりフォトマスク410のデバイスパターンの像が半導体ウエハ415の上に縮小されて結像露光される。
【0050】
(その他の実施の形態)
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、線引して光増幅用ファイバを製造する為の光ファイバ母材は、MCVD法に限らず、他の製造方法(VAD法、OVD法、PCVD法、ゾルゲル法など)により製造されてもよい。
【0051】
上述の実施の形態では、エルビウムErを添加した光ファイバに適用して説明したけれども、YbやNdなどの他の希土類元素を添加した光ファイバに適用してもよい。また、コア領域の比屈折率差は均一でなくてもよく、その場合には、上記実施形態に示した数値は実効的な値と考えればよい。また、希土類元素はコア領域全体に添加されていなくてもよい
【0052】
また、本発明の光源装置は、パルス光源に限らず、連続光を出力するCW光源に適用してもよい。
【0053】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光増幅用ファイバは、希土類元素が添加されたコア領域と、コア領域を取り囲みコア領域より低屈折率のクラッド領域とを有し、コア領域の外径が10μm以上30μm以下であり、クラッド領域の外径が75μm以上200μm未満であり、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が0.5%以上2.0%以下である。この光増幅用ファイバは、出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る光増幅装置1の構成図である。
【図2】本実施形態に係る光増幅用ファイバ10の説明図である。
【図3】本実施形態に係る光増幅装置1および光増幅用ファイバ10を評価する評価システムの構成図である。
【図4】本実施形態に係る光増幅用ファイバ10の実施例および比較例それぞれの諸元を纏めた図表である。
【図5】実施例および比較例それぞれの光増幅用ファイバにおける励起パワーと出力ピークパワーとの関係を示すグラフである。
【図6】比屈折率差Δの各値についてコア直径2aと非線型雑音光発生効率ηとの関係を示すグラフである。
【図7】コア直径2aの各値について比屈折率差Δと非線型雑音光発生効率ηとの関係を示すグラフである。
【図8】比屈折率差Δの各値についてコア直径2aと伝搬可能モード数との関係を示すグラフである。
【図9】本実施形態に係る光源装置200の構成図である。
【図10】本実施形態に係る光治療装置300の構成を示す概略図である。
【図11】光治療装置300を構成する波長変換装置360の構成を示す概略図である。
【図12】光治療装置300を構成する照射光学装置370および観察光学装置380の構成を示す概略図である。
【図13】本実施形態に係る露光装置400の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
1…光増幅装置、10…光増幅用ファイバ、20,30…接続用ファイバ、40…光カプラ、50…励起光源、200…パルス光源、300…光治療装置、360…波長変換装置、370…照射光学装置、380…観察光学装置、400…露光装置、401…波長変換装置、402…照明光学系、403…マスク支持台、404…投影光学系、410…フォトマスク(レチクル)、415…半導体ウエハ。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光を光増幅することができる光増幅用ファイバおよび光増幅装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
光増幅装置は、希土類元素がコア領域に添加された光増幅用ファイバを光増幅媒体として用い、この光増幅用ファイバに励起光を供給することで、この光増幅用ファイバにおいて信号光を光増幅することができる。例えば、Er元素が添加された光増幅用ファイバを光増幅媒体として用いた光増幅装置は、光通信システムにおいて一般に用いられる波長1.55μm帯の信号光を光増幅することができるので、光通信システムの光中継器等に設けられる。
【0003】
一方、このような光増幅装置は、波長変換により紫外光を発生させるための高出力光源としての使用も検討されている。例えば、非特許文献1に記載された技術は、光増幅装置より出力された高出力の赤外光を非線型光学結晶に入射させ、この非線型光学結晶において高調波を発生させて、この非線型光学結晶より紫外光を出力させるものである。
【0004】
【非特許文献1】
大槻朋子、”ファイバ増幅器と波長変換による高効率紫外光源”、レーザー研究、第29巻、第2号、第94頁〜第98頁、2001年2月
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
上記非特許文献1に記載されたような用途では、光増幅装置は、出力光パワーが大きいこと、光増幅用ファイバにおける非線型光学現象の発生が抑制されること、光増幅用ファイバのコンパクトな収納が可能であること、が要求される。
【0006】
しかしながら、出力光パワーを大きくしようとすると、光増幅用ファイバにおいて非線型光学現象が発生し易くなる。すなわち、出力光の高パワー化と非線型光学現象の発生の抑制とは互いにトレードオフの関係にある。
【0007】
また、非線型光学現象の発生を抑制するには、光増幅用ファイバの実効コア断面積を大きくすればよいが、そうすると、光増幅用ファイバの曲げ損失が大きくなり、光増幅用ファイバのコンパクトな収納が困難となる。すなわち、非線型光学現象の発生の抑制と光増幅用ファイバのコンパクト収納とは互いにトレードオフの関係にある。
【0008】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能である光増幅用ファイバ、この光増幅用ファイバを用いた光増幅装置および光源装置、ならびに、この光源装置を用いた光治療装置および露光装置を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光増幅用ファイバは、希土類元素が添加されたコア領域と、コア領域を取り囲みコア領域より低屈折率のクラッド領域とを有し、コア領域の外径が10μm以上30μm以下であり、クラッド領域の外径が75μm以上200μm未満であり、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が0.5%以上2.0%以下である、ことを特徴とする。また、好適には、コア領域の外径が15μm以上27μm以下であり、クラッド領域の外径が110μm以上150μm未満であり、或いは、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が0.7%以上1.5%以下である。このように構成される光増幅用ファイバは、出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能である。
【0010】
本発明に係る光増幅用ファイバは、コア領域に添加されている希土類元素がEr元素であるのが好適であり、コア領域におけるEr元素の添加濃度が800wt.ppm以上であるのが好適であり、波長1530nm付近における吸収損失ピークが20dB/m以上80dB/m以下であるのが好適である。この場合には、光増幅用ファイバは、波長1.5〜1.6μm帯の光を光増幅して出力することができる。
【0011】
本発明に係る光増幅装置は、光を光増幅する上記の本発明に係る光増幅用ファイバと、光増幅用ファイバに励起光を供給する励起光供給手段と、を備えることを特徴とする。この光増幅装置によれば、励起光供給手段により光増幅用ファイバに励起光が供給され、この光増幅用ファイバにおいて光が増幅される。
【0012】
本発明に係る光増幅装置は、光増幅用ファイバの光入射側に設けられた入射用ファイバと光増幅用ファイバとの間に接続用ファイバが設けられ、接続用ファイバのモードフィールド径が、入射用ファイバのモードフィールド径より大きく、光増幅用ファイバのモードフィールド径より小さいのが好適である。また、光増幅用ファイバの光出射側に設けられた出射用ファイバと光増幅用ファイバとの間に接続用ファイバが設けられ、接続用ファイバのモードフィールド径が、出射用ファイバのモードフィールド径より大きく、光増幅用ファイバのモードフィールド径より小さいのが好適である。この場合には、光増幅用ファイバの何れかの端におけるモードフィールド径の変化が段階的なものとなって、モードフィールド径の不連続に因る増幅光または励起光の損失が低減されて、この点でも、高いパワーの光を出力することができる。
【0013】
本発明に係る光増幅装置は、光増幅用ファイバがコイル状に巻かれており、光増幅用ファイバの最小曲げ半径が15mm以上であるのが好適である。この場合には、光増幅装置はコンパクトなものとなる。また、このとき、光増幅用ファイバが上記の本発明に係るものであることから、曲げ損失の増加が抑制され、出力光パワーが安定した高いものとなる。
【0014】
本発明に係る光源装置は、電気信号を発生する信号発生器と、電気信号に基づいてレーザ光を生成する半導体レーザと、半導体レーザからのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器とを備える光源装置であって、光ファイバ増幅器が上記の本発明に係る光増幅用ファイバを備えることを特徴とする。また、電気信号がパルス状であり、半導体レーザがパルス光を生成するものであり、光ファイバ増幅器の前段に別の光ファイバ増幅器を備えるのが好適である。
【0015】
本発明に係る光治療装置は、上記の本発明に係る光源装置と、光源装置の出口部から出射された照射光を所定波長の治療用照射光に変換する波長変換器と、波長変換器により変換された照射光を治療部位に導いて照射させる照射光学系と、を備えることを特徴とする。
【0016】
本発明に係る露光装置は、上記の本発明に係る光源装置と、光源装置の出口部から出射される照射光を所定波長の照射光に変換する波長変換器と、所定の露光パターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持部と、露光対象物を保持する対象物保持部と、波長変換器により変換された照射光を、マスク支持部により保持されたフォトマスクに照射させる照明光学系と、照明光学系を介してフォトマスクに照射されてここを通過した照射光を、対象物保持部により保持された露光対象物に照射させる投影光学系と、を備えることを特徴とする。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して本発明の実施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。
【0018】
(光増幅装置および光増幅用ファイバの実施形態)
先ず、本発明に係る光増幅装置および光増幅用ファイバの実施形態について説明する。図1は、本実施形態に係る光増幅装置1の構成図である。この図に示される光増幅装置1は、入力端1aに入力した光を光増幅して、その光増幅した光を出力端1bより出力するものであり、光増幅用ファイバ10、接続用ファイバ20、接続用ファイバ30、光カプラ40および励起光源50を備えている。
【0019】
光増幅用ファイバ10は、石英ガラスを主成分とするものであって、希土類元素が添加されたコア領域と、これを取り囲むクラッド領域とを有する。特に、光増幅用ファイバ10は、希土類元素としてEr元素がコア領域に添加されているのが好適であり、コア領域におけるEr元素の添加濃度が800wt.ppm以上であるのが好適であり、また、波長1530nm付近における吸収損失ピークが20dB/m以上80dB/m以下であるのが好適である。また、光増幅用ファイバ10は、Al元素またはLa元素がコア領域に共添加されているのも好適である。なお、後述するように、光増幅用ファイバ10のモードフィールド径は通常のものより大きい。また、光増幅用ファイバ10は、コイル状に巻かれており、その最小曲げ半径が15mm以上とされている。
【0020】
光増幅用ファイバ10は、入力端1a側に接続用ファイバ20が融着接続されており、この接続用ファイバ20を介して光カプラ40の出力端(一般には標準的なシングルモード光ファイバ)と接続されている。接続用ファイバ20は、光増幅用ファイバ10と光カプラ40の出力端との間に設けられている。接続用ファイバ20のモードフィールド径は、光カプラ40の出力端におけるモードフィールド径より大きく、光増幅用ファイバ10のモードフィールド径より小さい。
【0021】
光増幅用ファイバ10は、出力端1b側に接続用ファイバ30が融着接続されており、この接続用ファイバ30を介して出力端1bと接続されている。接続用ファイバ30は、出力端1bに接続される光ファイバ(一般には標準的なシングルモード光ファイバ)と光増幅用ファイバ10との間に設けられる。接続用ファイバ30のモードフィールド径は、出力端1bに接続される光ファイバのモードフィールド径より大きく、光増幅用ファイバ10のモードフィールド径より小さい。
【0022】
光カプラ40は、入力端1aに入力した光を光増幅用ファイバ10へ出力するとともに、励起光源50より出力された励起光をも光増幅用ファイバ10へ出力する。励起光源50は、光増幅用ファイバ10に添加された希土類元素を励起し得る波長の励起光を出力する。光カプラ40および励起光源50は、光増幅用ファイバ10に励起光を供給する励起光供給手段を構成している。例えば、光増幅用ファイバ10に添加された希土類元素がEr元素である場合には、励起光の波長は1.48μm付近または0.98μm付近であり、増幅される光の波長は1.5〜1.6μm帯である。
【0023】
この光増幅装置1は以下のように動作する。励起光源50より出力された励起光は、光カプラ40および接続用ファイバ20を経て光増幅用ファイバ10へ供給され、光増幅用ファイバ10に添加された希土類元素を励起する。入力端1aに入力した光は、光カプラ40および接続用ファイバ20を経て光増幅用ファイバ10に入射し、この光増幅用ファイバ10において光増幅される。この光増幅された光は、接続用ファイバ30を経て出力端1bより出力される。本実施形態では、接続用ファイバ20,30が用いられていることにより、光増幅用ファイバ10の両端におけるモードフィールド径の変化が段階的なものとなって、モードフィールド径の不連続に因る増幅光または励起光の損失が低減されて、この点でも、高いパワーの光を出力することができる。
【0024】
図2は、本実施形態に係る光増幅用ファイバ10の説明図である。同図(a)は、光軸に垂直な面で切断したときの光増幅用ファイバ10の断面を示し、同図(b)は、光増幅用ファイバ10の屈折率プロファイルを示す。この図に示されるように、光増幅用ファイバ10は、希土類元素が添加されたコア領域11と、コア領域11を取り囲みコア領域11より低屈折率のクラッド領域12とを有する。そして、コア領域11の外径2aが10μm以上30μm以下であり、クラッド領域12の外径2bが75μm以上200μm未満であり、クラッド領域12に対するコア領域11の比屈折率差Δが0.5%以上2.0%以下である。また、コア領域11の外径2aが15μm以上27μm以下であるのが好適であり、クラッド領域12の外径2bが110μm以上150μm未満であるのが好適であり、クラッド領域12に対するコア領域11の比屈折率差Δが0.7%以上1.5%以下であるのが好適である。本実施形態に係る光増幅用ファイバ10は、このような構成とされていることにより、出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能となる。上述したように、光増幅用ファイバ10がコイル状に巻かれていても、その最小曲げ半径が15mm以上であれば、曲げ損失が充分に小さい。
【0025】
図3は、本実施形態に係る光増幅装置1および光増幅用ファイバ10を評価する評価システム100の構成図である。この図に示される評価システム100は、DFBレーザ光源110、プリアンプ120、レンズ131、1/4波長板141、1/2波長板142、フィルタ151、レンズ132、レンズ133、フィルタ152および光検出器140を順に備える。この評価システム100は、DFBレーザ光源110より出力された光をプリアンプ120により光増幅し、これをレンズ131によりコリメートする。評価システム100は、このコリメートした光の偏光状態を1/4波長板141および1/2波長板142により調整した後、フィルタ151により特定波長成分の光のみを透過させ、その透過した光をレンズ132により集光して、光増幅装置1の入力端に入力させる。そして、評価システム100は、光増幅装置1の出力端より出力された光をレンズ133によりコリメートし、フィルタ152により特定波長成分の光のみを透過させ、その透過した光のパワーを光検出器140により検出する。
【0026】
図4は、本実施形態に係る光増幅用ファイバ10の実施例および比較例それぞれの諸元を纏めた図表である。実施例および比較例それぞれの光増幅用ファイバは、コア領域11にEr元素が添加されたものであり、クラッド領域の外径2bが125μmであり、長さが2mである。これらの光増幅用ファイバは、Geを含み石英ガラスを主成分とするガラス微粒子をMCVD法によりガラス管内壁に堆積させた後、Er元素およびAl元素を溶液含浸法により添加し、これを透明ガラス化・中実化して光ファイバ母材として、この光ファイバ母材を線引することで製造された。この図には、実施例および比較例それぞれの場合について、コア領域の外径2a、比屈折率差Δ、Er添加濃度、吸収損失ピークα、および、最大出力ピークパワーが示されている。最大出力ピークパワーは、図3に示された評価システム100を用いて評価された。励起光の波長は1.48μmであった。
【0027】
比較例の光増幅用ファイバは、通常のコア径を有するシングルモード光ファイバであり、コア領域の外径が6.2μmであり、比屈折率差Δが1.1%であり、Er添加濃度が1500wt.ppmであり、波長1530nm付近における吸収損失ピークαが27.1dB/mであった。実施例の光増幅用ファイバは、コア領域の外径2aが通常より大きく13μmであり、比屈折率差Δが1.2%であり、Er添加濃度が1500wt.ppmであり、波長1530nm付近における吸収損失ピークαが37.0dB/mであった。
【0028】
図5は、実施例および比較例それぞれの光増幅用ファイバにおける励起パワーと出力ピークパワーとの関係を示すグラフである。比較例の光増幅用ファイバでは、励起パワーを大きくしていくと、非線型光学現象に因る雑音光の発生が顕著になり、雑音光へのパワー配分が増加する。したがって、比較例の光増幅用ファイバでは、励起パワーを約1Wより大きくしても、出力ピークパワーは約5kWで飽和する傾向が見られた。これに対して、実施例の光増幅用ファイバでは、励起パワーを4W以上とすれば、出力ピークパワーが15kW以上となり、最大出力ピークパワーが24kWであった。
【0029】
非線型光学現象に因る雑音光の発生の効率ηは、ファイバ長Lの2乗に比例し、実効コア断面積の2乗に反比例する。Er元素添加の光増幅用ファイバは、Er元素に因る吸収条長積(吸収損失ピークαとファイバ長Lとの積)が所定値にされて使用される場合が多い。また、実効コア断面積は、モードフィールド径MFDの2乗に比例する。この場合、非線型雑音光発生効率ηは 1/(α2×MFD4)
に比例する。
【0030】
図6は、比屈折率差Δの各値についてコア直径2aと非線型雑音光発生効率ηとの関係を示すグラフである。図7は、コア直径2aの各値について比屈折率差Δと非線型雑音光発生効率ηとの関係を示すグラフである。各図において、非線型雑音光発生効率ηは、比較例の光増幅用ファイバにおける値を基準とする相対値として示されている。これらの図から判るように、コア径2aを大きくすると、非線型雑音光発生効率ηは1/10〜1/100程度まで低減が可能である。実用上問題が無い雑音光発生レベルに抑制するには、非線型雑音光発生効率ηの相対値は0.4以下(より好ましくは0.3以下)であることが必要であり、このことから、コア外径2aが12μm以上(より好ましくは15μm以上)であることが必要であり、また、比屈折率差Δが2%以下(より好ましくは1.5%以下)であることが必要である。
【0031】
比屈折率差Δが0.7%より大きい光増幅用ファイバは、曲げ半径15mmのコイル状に巻いた状態で収納されても、出力パワーの変動や低下が見られなかった。比屈折率差Δが0.7%より小さい光増幅用ファイバでも、曲げ半径50mm以上のコイル状に巻かれた状態で収納されれば、出力パワーの変動や低下が見られなかった。しかし、比屈折率差Δが0.5%より小さい光増幅用ファイバでは、略直線状態に保たれた状態であっても、僅かな振動が加わるだけで出力パワーの変動や低下が見られた。以上のことから、出力パワーの安定化のためには、比屈折率差Δが0.5%以上であるのが好適であり、比屈折率差Δが0.7%以上であるのが更に好適であることが判る。
【0032】
同様に、クラッド外径2bが110μmより小さいと、光増幅用ファイバをコイル化したときの出力パワーの変動や低下が大きい。クラッド外径2bが150μm未満であれば、この光増幅用ファイバと通常のクラッド外径125μmの他の光ファイバとを融着接続することが容易となる。
【0033】
図8は、比屈折率差Δの各値についてコア直径2aと伝搬可能モード数との関係を示すグラフである。伝搬可能なモード数が30以下の光増幅用ファイバは、曲げ半径15mmのコイル状に巻かれた状態で収納されても、出力パワーの変動や低下が見られなかった。伝搬可能なモード数が30を超える光増幅用ファイバでも、曲げ半径50mm以上のコイル状に巻かれた状態で収納されれば、出力パワーの変動や低下が見られなかった。しかし、伝搬可能なモード数が200を超える光増幅用ファイバでは、略直線状態に保たれた状態であっても、僅かな振動が加わるだけで出力パワーの変動や低下が見られた。以上のことから、出力パワーの安定化のためには、伝搬可能モード数が200以下であるのが好適であり、伝搬可能モード数が130以下であるのが更に好適であることが判る。更に、このことから、コア直径2aが30μm以下であるのが好適であり、コア直径2aが27μm以下であるのが更に好適であることが判る。
【0034】
上記の実施例の光増幅用ファイバと同等のものを用いて、図1に示される光増幅装置1を構成し、その光増幅装置1の性能を評価した。用いた光増幅用ファイバ10は、伝搬可能モード数が50であった。光増幅用ファイバ10と光カプラ40との間に設けられる接続用ファイバ20は、コア直径が18μmであり、比屈折率差が0.6%であり、伝搬可能モード数が50であった。波長1.48μmの励起光のパワーが6Wで、安定した出力ピークパワー約20kW以上の出力パルス光が得られた。
【0035】
(光源装置の実施形態)
次に、本発明に係る光源装置の実施形態について説明する。図9は、本実施形態に係る光源装置200の構成図である。この光源装置200は、上述した本実施形態に係る光増幅用ファイバを含むものであり、パルス光を出力するパルス光源である。
【0036】
この実施の形態のパルス光源200は、矩形の電気パルス信号を発生するパルス発生器201と、電気パルス信号に基づいて矩形の光パルスを生成するレーザダイオード202と、偏波コントローラ203と、第1のエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)204と、ASE(雑音)光を除去するためのバンドパスフィルタ205と、上記の本実施形態に係る光増幅用光ファイバを備える第2のエルビウムドープファイバ増幅器206とを備えている。
【0037】
このパルス光源200では、パルス発生器201で発生した矩形の電気パルス信号は、レーザダイオード202によって矩形の光パルスに変換される。レーザダイオード202より出力された光パルスは、偏波コントローラ203を介して第1のエルビウムドープファイバ増幅器(EDFA)204に入力されて増幅され、増幅パルス光として出力される。第1のエルビウムドープファイバ増幅器204からの増幅パルス光は、バンドパスフィルタ205でASE(雑音)光が除去されて、本実施形態に係る第2のエルビウムドープファイバ増幅器206に入力されて増幅され、高いピークパワーのパルス光が出力される。
【0038】
この実施の形態のパルス光源200によれば、本実施形態に係る光増幅用ファイバを用いているので、非線型光学現象の発生が抑制できることになり、高出力のパルス光を得ることができる。
【0039】
以下では、このパルス光源200を用いた本発明の光治療装置および露光装置の実施形態について説明する。
【0040】
(光治療装置の実施形態)
次に、本発明に係る光治療装置の実施形態について図10〜図12を参照して以下に説明する。本実施形態に係る光治療装置は、上述した本実施形態に係るパルス光源200を用いて構成される。この光治療装置は、レーザ光を角膜に照射して表面のアブレーション(PRK: Photorefractive Keratectomy)あるいは切開した角膜内部のアブレーション(LASIK: Laser Intrastromal Keratomileusis)を行い、角膜の曲率もしくは凹凸を矯正して近眼、乱視などの治療を行なう装置である。
【0041】
図10は、本実施形態に係る光治療装置300の構成を示す概略図である。光治療装置300は、この図に示されるように基本的には、装置筐体351内に、上述したパルス光源200と、このパルス光源200により増幅されて出力されるレーザ光を所望の波長のレーザ光に変換する波長変換装置360と、波長変換装置360により波長変換されたレーザ光を眼球EYの角膜HCの表面(治療部位)に導いて照射させる照射光学装置370と、治療部位の観察を行う観察光学装置380とを備えて構成される。装置筐体351のベース部352はX−Y移動テーブル353の上に配設されており、X−Y移動テーブル353により装置筐体351全体が、図10において矢印X方向すなわち図面左右方向と、紙面に垂直なY方向とに移動させることが可能となっている。
【0042】
図11は、光治療装置300を構成する波長変換装置360の構成を示す概略図である。パルス光源200は上述したとおりの構成であり、その出力端347から出力されるレーザ光が波長変換装置360内において所望の波長(この装置では、角膜治療に適した波長193nmであり、ArFエキシマレーザ光と同一波長)の治療用レーザ光に変換される。パルス光源200の出力端347から射出される所定波長(この実施形態では、波長1.544μm)の基本波を、非線形光学結晶を用いて8倍波(高調波)に波長変換して、ArFエキシマレーザと同じ波長である193nmの紫外光を発生する構成例を示している。出力端347から出力される波長1.544μm(周波数ω)の基本波は、非線形光学結晶361,362,363を図中左から右に向かって透過して出力される。なお、非線形光学結晶361,362,363の間には、図示のように集光レンズ364,365が配設されている。
【0043】
これら基本波が非線形光学結晶361を通る際に、2次高調波発生により基本波の周波数ωの2倍、すなわち周波数2ω(波長は1/2の772nm)の2倍波が発生する。発生した2倍波は右方向へ進み、次の非線形光学結晶362に入射する。ここで再び第2次高調波発生を行い、入射波の周波数2ωの2倍、すなわち基本波に対し4倍の周波数4ω(波長は1/4の386nm)をもつ4倍波が発生する。発生した4倍波はさらに右の非線形光学結晶363に進み、ここで再び第2次高調波発生を行い、入射波の周波数4ωの2倍、すなわち基本波に対し8倍の周波数8ωを有する8倍波(波長は1/8の193nm)を発生する。
【0044】
前記波長変換に使用する非線形光学結晶としては、例えば、基本波から2倍波への変換を行う非線形光学結晶361にはLiB3O5(LBO)結晶を、2倍波から4倍波への変換を行う非線形光学結晶362にはLiB3O5(LBO)結晶を、4倍波から8倍波への変換を行う非線形光学結晶363にはSr2Be2B2O7(SBBO)結晶を、それぞれ使用する。ここで、LBO結晶を使用した基本波から2倍波への変換には、波長変換のための位相整合にLBO結晶の温度調節による方法、での基本波と第二高調波との角度ずれ(Walk−off)が起こらないため高効率で2倍波への変換を可能にし、また発生した2倍波はWalk−offによるビームの変形も受けないため有利である。
【0045】
このようにして波長変換装置360において波長変換されて出力される波長193nmのレーザ光(ArFエキシマレーザ光の波長と同一となるレーザ光)を、眼球EYの角膜HCの表面に導いてここに照射させる照射光学装置370および観察光学装置380について、図12を用いて説明する。なお、パルス光源200においては、固体レーザを1.51μm〜1.59μmの範囲内に発振波長を持つDFB半導体レーザもしくはファイバレーザから構成しているので、波長変換装置360により、固体レーザからの上記波長のレーザ光は、189nm〜199nmの範囲内となる8倍高調波を有したレーザ光に変換されて出力される。このようにこのレーザ光はArFエキシマレーザ光と略同一の波長のレーザ光であるが、そのパルス発振の繰り返し周波数は100kHzと非常に高いものとなっている。
【0046】
図12は、光治療装置300を構成する照射光学装置370および観察光学装置380の構成を示す概略図である。照射光学装置370は、上記パルス光源200からの光を波長変換装置360により波長変換して得られた波長193nmのレーザ光を細いビーム状に集光する集光レンズ371と、このように集光されたビーム状レーザ光を反射させて治療対象となる眼球EYの角膜HCの表面に照射させるダイクロイック・ミラー372とを有して構成される。これにより、角膜HCの表面にレーザ光がスポット光として照射され、この部分の蒸散を行わせる。このとき、X−Y移動テーブル353により、装置筐体351全体をX方向およびY方向に移動させて角膜HCの表面上に照射されるレーザ光スポットを走査移動させ、角膜表面のアブレーションを行い、近視、乱視、遠視等の治療を行う。
【0047】
このような治療は、眼科医等の術者が観察光学装置380を介して目視観察しながらX−Y移動テーブル353の作動を制御して行われる。この観察光学装置380は、治療対象となる眼球EYの角膜HCの表面を照明する照明ランプ385と、照明ランプ385により照明された角膜HCからの光をダイクロイック・ミラー372を透過して受ける対物レンズ381と、対物レンズ381からの光を反射させるプリズム382と、この光を受ける接眼レンズ383とから構成され、接眼レンズ383を通して角膜HCの拡大像を観察できるようになっている。
【0048】
(露光装置の実施形態)
次に、本発明に係る露光装置の実施形態について説明する。図13は、本実施形態に係る露光装置400の構成を示す概略図である。露光装置400は、上述したパルス光源200を用いて構成され、半導体製造工程の一つであるフォトリソグラフィ工程で使用される。光リソグラフィ工程で使用される露光装置は、原理的には写真製版と同じであり、フォトマスク(レチクル)上に精密に描かれたデバイスパターンを、フォトレジストを塗布した半導体ウエハやガラス基板などの上に光学的に投影して転写する。この露光装置400は、上述したパルス光源200と、波長変換装置401と、照明光学系402と、フォトマスク(レチクル)410を支持するマスク支持台403と、投影光学系404と、半導体ウエハ415を載置保持する載置台405と、載置台405を水平移動させる駆動装置406とを備えて構成される。
【0049】
この露光装置400においては、上述したとおりのパルス光源200の出力端から出力されるレーザ光が波長変換装置401に入力され、ここで半導体ウエハ415の露光に必要とされる波長のレーザ光に波長変換される。このように波長変換されたレーザ光は、複数のレンズから構成される照明光学系402に入力され、ここを通ってマスク支持台403に支持されたフォトマスク410の全面に照射される。このように照射されてフォトマスク410を通過した光は、フォトマスク410に描かれたデバイスパターンの像を有しており、この光が投影光学系404を介して、載置台405に載置された半導体ウエハ415の所定位置に照射される。このとき、投影光学系404によりフォトマスク410のデバイスパターンの像が半導体ウエハ415の上に縮小されて結像露光される。
【0050】
(その他の実施の形態)
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、線引して光増幅用ファイバを製造する為の光ファイバ母材は、MCVD法に限らず、他の製造方法(VAD法、OVD法、PCVD法、ゾルゲル法など)により製造されてもよい。
【0051】
上述の実施の形態では、エルビウムErを添加した光ファイバに適用して説明したけれども、YbやNdなどの他の希土類元素を添加した光ファイバに適用してもよい。また、コア領域の比屈折率差は均一でなくてもよく、その場合には、上記実施形態に示した数値は実効的な値と考えればよい。また、希土類元素はコア領域全体に添加されていなくてもよい
【0052】
また、本発明の光源装置は、パルス光源に限らず、連続光を出力するCW光源に適用してもよい。
【0053】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したとおり、本発明に係る光増幅用ファイバは、希土類元素が添加されたコア領域と、コア領域を取り囲みコア領域より低屈折率のクラッド領域とを有し、コア領域の外径が10μm以上30μm以下であり、クラッド領域の外径が75μm以上200μm未満であり、クラッド領域に対するコア領域の比屈折率差が0.5%以上2.0%以下である。この光増幅用ファイバは、出力光の高パワー化、非線型光学現象の発生の抑制およびコンパクト収納がともに可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態に係る光増幅装置1の構成図である。
【図2】本実施形態に係る光増幅用ファイバ10の説明図である。
【図3】本実施形態に係る光増幅装置1および光増幅用ファイバ10を評価する評価システムの構成図である。
【図4】本実施形態に係る光増幅用ファイバ10の実施例および比較例それぞれの諸元を纏めた図表である。
【図5】実施例および比較例それぞれの光増幅用ファイバにおける励起パワーと出力ピークパワーとの関係を示すグラフである。
【図6】比屈折率差Δの各値についてコア直径2aと非線型雑音光発生効率ηとの関係を示すグラフである。
【図7】コア直径2aの各値について比屈折率差Δと非線型雑音光発生効率ηとの関係を示すグラフである。
【図8】比屈折率差Δの各値についてコア直径2aと伝搬可能モード数との関係を示すグラフである。
【図9】本実施形態に係る光源装置200の構成図である。
【図10】本実施形態に係る光治療装置300の構成を示す概略図である。
【図11】光治療装置300を構成する波長変換装置360の構成を示す概略図である。
【図12】光治療装置300を構成する照射光学装置370および観察光学装置380の構成を示す概略図である。
【図13】本実施形態に係る露光装置400の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
1…光増幅装置、10…光増幅用ファイバ、20,30…接続用ファイバ、40…光カプラ、50…励起光源、200…パルス光源、300…光治療装置、360…波長変換装置、370…照射光学装置、380…観察光学装置、400…露光装置、401…波長変換装置、402…照明光学系、403…マスク支持台、404…投影光学系、410…フォトマスク(レチクル)、415…半導体ウエハ。
Claims (15)
- 希土類元素が添加されたコア領域と、前記コア領域を取り囲み前記コア領域より低屈折率のクラッド領域とを有し、
前記コア領域の外径が10μm以上30μm以下であり、
前記クラッド領域の外径が75μm以上200μm未満であり、
前記クラッド領域に対する前記コア領域の比屈折率差が0.5%以上2.0%以下である、
ことを特徴とする光増幅用ファイバ。 - 前記コア領域の外径が15μm以上27μm以下であることを特徴とする請求項1記載の光増幅用ファイバ。
- 前記クラッド領域の外径が110μm以上150μm未満であることを特徴とする請求項1記載の光増幅用ファイバ。
- 前記クラッド領域に対する前記コア領域の比屈折率差が0.7%以上1.5%以下であることを特徴とする請求項1記載の光増幅用ファイバ。
- 前記コア領域に添加されている希土類元素がEr元素であることを特徴とする請求項1記載の光増幅用ファイバ。
- 前記コア領域におけるEr元素の添加濃度が800wt.ppm以上であることを特徴とする請求項5記載の光増幅用ファイバ。
- 波長1530nm付近における吸収損失ピークが20dB/m以上80dB/m以下であることを特徴とする請求項5記載の光増幅用ファイバ。
- 光を光増幅する請求項1記載の光増幅用ファイバと、前記光増幅用ファイバに励起光を供給する励起光供給手段と、を備えることを特徴とする光増幅装置。
- 前記光増幅用ファイバの光入射側に設けられた入射用ファイバと前記光増幅用ファイバとの間に接続用ファイバが設けられ、
前記接続用ファイバのモードフィールド径が、前記入射用ファイバのモードフィールド径より大きく、前記光増幅用ファイバのモードフィールド径より小さい、
ことを特徴とする請求項8記載の光増幅装置。 - 前記光増幅用ファイバの光出射側に設けられた出射用ファイバと前記光増幅用ファイバとの間に接続用ファイバが設けられ、
前記接続用ファイバのモードフィールド径が、前記出射用ファイバのモードフィールド径より大きく、前記光増幅用ファイバのモードフィールド径より小さい、
ことを特徴とする請求項8記載の光増幅装置。 - 前記光増幅用ファイバがコイル状に巻かれており、前記光増幅用ファイバの最小曲げ半径が15mm以上である、ことを特徴とする請求項8記載の光増幅装置。
- 電気信号を発生する信号発生器と、前記電気信号に基づいてレーザ光を生成する半導体レーザと、前記半導体レーザからのレーザ光を増幅する光ファイバ増幅器とを備える光源装置であって、
前記光ファイバ増幅器が、請求項1〜7のいずれか1項に記載の光増幅用ファイバを備える、
ことを特徴とする光源装置。 - 前記電気信号がパルス状であり、前記半導体レーザがパルス光を生成するものであり、前記光ファイバ増幅器の前段に別の光ファイバ増幅器を備えることを特徴とする請求項12記載の光源装置。
- 請求項12又は13に記載の光源装置と、
前記光源装置の出口部から出射された照射光を所定波長の治療用照射光に変換する波長変換器と、
前記波長変換器により変換された照射光を治療部位に導いて照射させる照射光学系と、
を備えることを特徴とする光治療装置。 - 請求項12又は13に記載の光源装置と、
前記光源装置の出口部から出射される照射光を所定波長の照射光に変換する波長変換器と、
所定の露光パターンが設けられたフォトマスクを保持するマスク支持部と、
露光対象物を保持する対象物保持部と、
前記波長変換器により変換された照射光を、前記マスク支持部により保持された前記フォトマスクに照射させる照明光学系と、
前記照明光学系を介して前記フォトマスクに照射されてここを通過した照射光を、前記対象物保持部により保持された前記露光対象物に照射させる投影光学系と、
を備えることを特徴とする露光装置。
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