JP2005347668A - 波長走査型ファイバレーザ光源 - Google Patents

Abstract

【課題】高速で波長を変化させることができる波長可変型のファイバレーザ光源を提供すること。
【解決手段】光ファイバループに光ファイバで発振波長にゲインを有するゲイン媒体を設けてループを形成する。この光ファイバループに光サーキュレータ１３を設け、光サーキュレータ１３で取り出された光をコリメートレンズ２１で拡大し、ミラー２５との間にバンドパスフィルタ２４を設ける。バンドパスフィルタ２４を２回透過する波長を選択することによって選択度を高める。又バンドパスフィルタ２４の入射角度を高速で変化させ選択波長を変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は単光性の光を発生してその発光波長を周期的に走査する波長走査型ファイバレーザ光源に関するものである。

従来、光を測定対象に照射し測定対象を分析する分析装置の光源として、広帯域の光源が用いられている。分光分析では広帯域の光を測定対象に投光し、その反射光や透過光をグレーティング等で波長成分に空間的に分解したり、干渉計で周波数成分にフーリエ変換して分析する手法が広く用いられている。このような光源としては、例えば白色光源やエルビウムドープドファイバ（ＥＤＦ）を用いたＡＳＥ光源等が用いられていた。しかしこのような分光分析では、波長に対する光出力強度密度が低いため、分光において利用できる光のレベルが小さい。そのためフーリエ変換の分析をしても検出光信号がノイズに埋まれてしまい、分析が難しいという欠点があった。

分析装置の光源として、強いレベルの単一スペクトルの光を所望の帯域で変化させる波長可変型の光源を用いる方法もある。これは単光性の強い光の波長を変化させて測定対象に照射し、測定対象を透過したり、又は反射する光をそのまま受光素子で受光するものである。この方法では、光源の波長に対する光出力強度密度が高いので、検出光のレベルと信号対ノイズ比が十分に高く、十分な測定精度を実現できる。

従来の波長可変型の光源には外部共振器型レーザやファイバリングレーザがある。外部共振器型レーザは、ゲイン媒質、例えば半導体レーザを用い、その半導体レーザの一方の端面と外部のミラーとの間で外部共振器を形成し、外部共振器の中にグレーティング等による波長可変フィルタを設けることによって発振波長を変化させ、波長可変型の光源を得るようにしたものである。外部共振器型レーザ光源では、外部共振器型長は例えば５０ｍｍと比較的小さく、縦モード間隔は例えば３０ＧＨｚと広い。従って単に波長可変フィルタの波長を変えただけでは、縦モードの間で不安定になる。例えばモード間では不連続なモードホップが生じたり、マルチモードで発振することもある。そのため単一モードで連続的に波長を可変し、しかも出力を安定とするためには、外部共振器長をピエゾ素子等を用いて微妙に制御しなければならず、複雑な制御が必要となる。又機械的な動作を伴い、波長と外部共振器長とを同期させて制御するため、高速で波長を変化させることが難しいという欠点があった。

又非特許文献１に、エルビウムドープドファイバを用いたリングレーザによる波長可変光源も提案されている。これはエルビウムドープドファイバ（ＥＤＦ）及びこれを励起するファイバアンプをゲイン媒体として用い、その光ファイバループの間に波長可変型のバンドパスフィルタを設けて、このバンドパスフィルタの波長を変化させることによって波長可変光源を得るようにしたものである。この場合には光ファイバループの共振器長を例えば３０ｍと長くできるため、縦モード間隔を狭くすることができる。そのため共振器長を変化させることなく、モードホップの影響をなくすることができる。従って厳密には単一モード発振ではないが、バンドパスフィルタの選択波長を変化させるだけで、擬似的に連続して波長可変を行うことができる。
YAMASHITA ET AL., IEEE JOURAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS, VOL.7, NO.1 JANUARY/FEBRUARY 2001, PP41〜43

このリングレーザによる波長可変光源を分析装置の光源として用いる場合には、高速で波長を可変させること、及び発振スペクトルの幅を狭くすることがバンドパスフィルタの特性として要求される。

しかし従来のフィルタ技術では高速可変と、高いＱ値を同時に得ることが難しかった。例えば光音響光学効果（ＡＯ）を利用した波長可変フィルタでは、透過波長以外での抑圧比が十分でなく、安定した発振ができないという欠点があった。又バンドパスフィルタとしてピエゾ素子を用いてファブリペローエタロンを形成した場合には、波長可変速度が数Ｈｚ以下と遅く、ヒステリシスがあるという問題点があった。バンドパスフィルタにグレーティングを用いる場合には、光軸の調整が難しく、又高価になるという欠点があった。更にバンドパスフィルタとして光干渉フィルタを用いたものも考えられるが、フィルタを一度通過させるだけではフィルタのＱが低く、あまりスペクトルを狭くすることができないという欠点があった。

本発明はこのような欠点を解消するため成されたもので、狭帯域の光源を高速で走査できるようにした波長走査型のファイバレーザ光源を提供することを目的とする。

この課題を解決するために、本発明の波長走査型ファイバレーザ光源は、光ファイバループと、前記光ファイバループに設けられ、発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、第１〜第３の端子を有し、前記第１，第２の端子が光ファイバループに接続され、各端子に入射される光の方向を制御する光サーキュレータと、前記光サーキュレータの第３の端子より得られる光を平行光とするコリメートレンズと、前記コリメートレンズで形成される光軸に対して垂直の反射面を有するミラーと、前記コリメートレンズと前記ミラーとの間に配置され、入射角によって透過波長を変化させるバンドパスフィルタと、前記バンドパスフィルタに対して光の入射角を変化させることによって透過光を周期的に変化させる角度制御部と、前記光ファイバループに形成され、光ファイバループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、を具備することを特徴とするものである。この角度制御部は、バンドパスフィルタと光軸との角度を変化させるガルバノメータによって構成してもよい。

ここで前記ゲイン媒体は、前記光ファイバループの少なくとも一部を構成する光ファイバ増幅器としてもよい。光ファイバ増幅器は例えば、エルビウムがドープされたエルビウムドープドファイバと、前記エルビウムドープドファイバを駆動する励起用レーザと、前記励起用レーザからの出力をエルビウムドープドファイバに入射するカップラと、を有するようにしてもよい。又ドープする材料を選択することによってゲインの波長帯域を調整することも可能である。

ここで前記ゲイン媒体は、光を増幅する半導体光増幅器としてもよい。

ここで前記光ファイバループに設けられ、前記光ファイバループ内の光の偏波方向を制御する偏波コントローラと、前記コリメートレンズとミラーとの間に設けられ、偏光方向を一定とする偏光子と、を更に有するようにしてもよい。

ここで前記光ファイバループは偏波面保存型の光ファイバを含んで構成されているようにしてもよい。

このような特徴を有する本発明によれば、光サーキュレータによって光ファイバループの光の一部を取り出し、コリメートレンズで空間に平行光として出射すると共に、コリメートレンズとミラーとの間にバンドパスフィルタを配置している。こうすればバンドパスフィルタを２回透過した光が光ファイバループによって発振することとなり、波長選択性が高いレーザ光を発振させることができる。そしてこのバンドパスフィルタの角度を角度制御部により変化させている。この角度制御速度を十分高くすることによって高速で波長可変を行うことができるという効果が得られる。コリメートレンズで平行となった光はバンドパスフィルタを透過し、ミラーで反射された光ビームはバンドパスフィルタの角度にかかわらず同じ光路をたどってコリメートレンズより光ファイバループに入るので、フィルタの角度の変化に伴う出力レベルの変動はない。又光ファイバループを偏波面保存型光ファイバを含んで構成することによって、構成を簡略化することができるという効果が得られる。

図１は本発明の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源の構成を示す図である。本実施の形態の波長走査型ファイバレーザ光源１０は光ファイバ１１を含んでループを形成している。このループの一部に、ゲイン媒体１２、光サーキュレータ１３、光カップラ１４及び偏波コントローラ１５を設ける。ゲイン媒体１２は、光ファイバループの一部に設けられるエルビウムイオン（Ｅｒ^３＋）を添加したエルビウムドープドファイバ１６と、このエルビウムドープドファイバ１６にポンプ光を入射するファイバ励起用の半導体レーザ１７、及びＷＤＭカップラ１８を有している。この光ファイバループは、例えば３０〜５０ｍの長さを有するものとする。この励起用半導体レーザ１７は例えば１４８０ｎｍや９８０ｎｍの波長が用いられ、エルビウムドープドファイバ１６を透過する光を増幅するものである。光サーキュレータ１３は、光ファイバ１１を透過する光の方向を図示のように矢印方向に規制するものである。即ち光サーキュレータ１３の入力端子１３ａ，１３ｂが光ファイバループに接続されており、入力端子１３ａから入射した光は光サーキュレータの端子１３ｃより出射される。又光サーキュレータ１３ｃより入射した光は端子１３ｂより出射される。端子１３ｂより入射した光は端子１３ａより出射される。又光カップラ１４は光ファイバループの光の一部を抽出するものであり、偏波コントローラ１５は、光ファイバループを透過する光の偏波方向を一定方向に規定するものである。

光サーキュレータ１３の端子１３ｃは、光ファイバ２１を介して図示のようにコリメートレンズ２２に接続される。コリメートレンズ２２は光ファイバ２１からの光を平行光とするもので、その光軸上には偏光子２３、バンドパスフィルタ２４及びミラー２５が設けられる。ミラー２５はコリメートレンズ２２で形成される光軸に対して反射面が垂直に配置された全反射ミラーである。又バンドパスフィルタ２４は例えば誘電体多層膜を多数積層した光干渉型の誘電体多層膜フィルタとし、光軸に対して傾けて配置されている。誘電体多層膜フィルタは入射角度が変化することによって透過波長が変化する。このバンドパスフィルタ２４はガルバノメータ２６に連結されている。ガルバノメータ２６はバンドパスフィルタ２４の光軸に対する角度を高速で変化させる角度制御部であって、例えばフィルタ２４に対する光の入射角度を４０°の範囲で数ＫＨｚの速度で回転させるものとする。又偏光子２３はコリメートレンズとミラー２５間の光軸を透過する光の偏光方向を所定方向に規定するものである。

次にこの実施の形態の動作について説明する。この実施の形態において前述した励起用の半導体レーザ１７を駆動し、ＷＤＭカップラ１８を介して光ファイバループをポンピングする。図２（ａ）はゲイン媒体１２の利得を示す。こうすれば光サーキュレータ１３の作用によって端子１３ａから加わった光が端子１３ｃより光ファイバ２１に入り、コリメートレンズ２２によって平行光となる。そしてバンドパスフィルタ２４を透過する波長の光はミラー２５に入射し、ミラー２５で反射されて再びフィルタ２４を透過した光のみが、コリメートレンズ２２を介してサーキュレータ１３より光ファイバループに加わる。又偏波コントローラ１５は光ファイバループを透過する光の偏波を一定方向に調整する。図２（ｂ）は光ファイバループの長さと光ファイバの屈折率で定まる光学長に応じて定まる外部共振縦モードを示している。例えばこの光学波長を３０ｍとすると、約１０ＭＨｚの間隔の縦モードが存在する。ここで図３の曲線Ａはバンドパスフィルタ２４の１回の透過特性を示す図であり、曲線Ｂは２回の透過によって狭帯域となったバンドパスフィルタの特性を示す図である。図２（ｃ）はこの２回の透過によるフィルタの特性Ｂ１を示しており、このフィルタを透過することによって選択された波長で図２（ｄ）に示すように縦モードを含んで多モード発振する。発振波長は例えば１５５０ｎｍとなる。こうして光ファイバループで発振したレーザ光の一部、例えばレーザ光の１０％のレベルの光を光カップラ１４を介して取り出す。尚、多モードの発振での光信号は光波長多重通信で伝送する際には問題となるが、分光分析や光ファイバセンシング、光部品評価などでは発振線幅（厳密には、多モード発振時スペクトルの包絡線の半値幅）が被測定対象の分解能より十分狭ければ、問題となるものではない。

そしてバンドパスフィルタ２４をガルバノメータ２６によって回動させる。こうすれば光ビームとバンドパスフィルタ２４との角度が変化するため、バンドパスフィルタ２２の透過波長が図２（ｃ）のＢ２〜Ｂ３の範囲で変化する。ガルバノメータ２６を駆動することによって、この角度を適宜調整することにより、波長を例えば１００ｎｍの範囲内で、数ＫＨｚの走査速度で、フィルタの透過波長を変化させることができる。従って数ＫＨｚの走査速度で１００ｎｍの範囲でファイバレーザ光源の発振波長を変化させることができる。図４は発振波長の時間的な変化を示すグラフである。

この実施の形態による発振の場合には、図２（ｄ）に示すように多モードの状態の発振となる。しかし図２（ｂ）に示すように縦モード間隔が極めて狭く、モードホップが早く高速であるために、外部共振器型半導体レーザのようなモードホップに伴う悪影響がなく、発振波長を変化させることができる。又ガルバノメータを用いることにより、比較的低価格でファイバレーザ光源を実用化することができるという効果が得られる。

図５はコリメートレンズ２２とミラー２５との間の光軸の変化とバンドパスフィルタの傾き角度との関係を示す図である。図５（ａ），（ｂ）に示すようにバンドパスフィルタ２４の傾きによってバンドパスフィルタ２４とミラー２５の間の光軸が上下にシフトする。しかしミラー２５で反射された光がバンドパスフィルタ２４を介して同一の光路を通ってコリメートレンズに入射される。従ってこの実施の形態では、光ファイバ２１から出射された光と光ファイバ２１に入射される光とが同一の光軸となっている。即ちバンドパスフィルタ２４の角度が変化したとしても、バンドパスフィルタ２４を透過する光の光軸に結合損失の変化がなく、全ての波長域に渡ってロスを平坦とすることができる。このためゲイン媒体のゲイン帯域をより有効に活用し、出力波長範囲を広くとることができる。

一方、図６は本実施の形態の比較例として示した波長走査型ファイバレーザ光源である。この比較例ではサーキュレータに代えて光ファイバループにコリメートレンズ２７，２８を介して直接バンドパスフィルタ２９を挿入したものである。その他の構成は本実施の形態と同様である。図７はこの場合のコリメートレンズ２７，２８とバンドパスフィルタ２９の光軸の変化を示す図である。ガルバノメータ３０によりバンドパスフィルタ２９を回転させて選択波長を変化させると、図７に示すようにフィルタの角度によって光軸が左右に振れるため、光ファイバに入射する光のレベルが変化する。従って波長の変化域に渡って共振器内のロスが変動し、波長に応じて出力レベルが変化するという問題が生じる。これに対し、本実施の形態ではこのような問題点をなくすることができる。

図８は本発明の第２の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す図である。この実施の形態では光ファイバループの一部にゲイン媒体として半導体光増幅器（ＳＯＡ）３１を用いたものである。ファイバループには通常の光ファイバ１１のみでループを形成する。又偏波コントローラとして１５ａ，１５ｂを挿入する。その他の構成は実施の形態１と同様である。半導体光増幅器３１は両端に出力面があり、電流を注入することによって光を増幅するものであるが、特定の共振波長はなく、本実施の形態のように両端に光ファイバを接続してループを形成すると図２（ｂ）に示す外部共振モードが得られる。又実施の形態１と同様に、光サーキュレータ１３を介してバンドパスフィルタ２４を接続しておくことによって、バンドパスフィルタ２４の波長で前述した実施の形態と同様に発振が得られる。そしてガルバノメータ２６で駆動することによって、高速で発振波長を変化させることができる。

図９は本発明の第３の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す図である。この実施の形態では光ファイバループに偏波面保存型光ファイバ３２を用いてファイバレーザ光源のループを形成したものである。この実施の形態でも実施の形態２と同様にゲイン媒体として半導体光増幅器３１を用いる。又光サーキュレータ１３、光カップラ１４を用いることも前述の実施の形態と同様である。この実施の形態では、偏波面保存型光ファイバ３２を用いるため、ループを回って発振する光の偏波面は所定方向に一定となる。従って実施の形態１のような偏波コントローラ１５やコリメートレンズ２２とミラー２５との間の偏光子２３は不要となる。その他の構成は前述した実施の形態と同様であり、比較的簡単な構成で同様の効果が得られる。

尚、前述した各実施の形態では角度制御部としてガルバノメータを用いているが、高速でバンドパスフィルタ２４の角度を変化させることができるものであれば足りる。

本発明は高速で波長を可変することができ、しかもバンドパスフィルタの波長選択特性を向上させつつ、高速で波長可変することができる。又グレーティングを用いないため、比較的安価で実現することができる。従って医療用の分析機器、例えば皮膚断面モニタ装置に適用することが可能となる。又グレーティングファイバを用いて歪みの計測をする場合に、本発明の波長走査型ファイバレーザ光源を光源として用いることができる。

本発明の第１の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す概略図である。 本実施の形態の光ファイバレーザ光源のゲイン媒体の利得、発振モード、バンドパスフィルタ及び発振出力を示すグラフである。 本実施の形態のバンドパスフィルタの特性を示すグラフである。 本実施の形態の発振波長の時間的な変化を示すグラフである。 本実施の形態によるミラーの回動角度と光軸との変化を示す図である。 比較例による波長走査型ファイバレーザ光源の概略図である。 比較例によるバンドパスフィルタの角度と光軸の変化を示す図である。 本発明の第２の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態による波長走査型ファイバレーザ光源を示す概略図である。

符号の説明

１０ 波長走査型ファイバレーザ光源
１１ 光ファイバ
１２ ゲイン媒体
１３ 光サーキュレータ
１４ カップラ
１５ 偏波コントローラ
１６ エルビウムドープドファイバ
１７ 半導体レーザ
１８ ＷＤＭカップラ
２１ 光ファイバ
２２ コリメートレンズ
２３ 偏光子
２４ バンドパスフィルタ
２５ ミラー
２６ ガルバノメータ
３１ 半導体光増幅器
３２ 偏波面保存型光ファイバ

Claims (5)

1. 光ファイバループと、
   前記光ファイバループに設けられ、発振する波長に対する利得を有するゲイン媒体と、
   第１〜第３の端子を有し、前記第１，第２の端子が光ファイバループに接続され、各端子に入射される光の方向を制御する光サーキュレータと、
   前記光サーキュレータの第３の端子より得られる光を平行光とするコリメートレンズと、
   前記コリメートレンズで形成される光軸に対して垂直の反射面を有するミラーと、
   前記コリメートレンズと前記ミラーとの間に配置され、入射角によって透過波長を変化させるバンドパスフィルタと、
   前記バンドパスフィルタに対して光の入射角を変化させることによって透過光を周期的に変化させる角度制御部と、
   前記光ファイバループに形成され、光ファイバループを通過する光の一部を取り出す光学カップラと、を具備することを特徴とする波長走査型ファイバレーザ光源。
2. 前記ゲイン媒体は、前記光ファイバループの一部を構成する光ファイバ増幅器であることを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
3. 前記ゲイン媒体は、光を増幅する半導体光増幅器であることを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
4. 前記光ファイバループに設けられ、前記光ファイバループ内の光の偏波方向を制御する偏波コントローラと、
   前記コリメートレンズとミラーとの間に設けられ、偏光方向を一定とする偏光子と、を更に有することを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。
5. 前記光ファイバループは偏波面保存型の光ファイバを含んで構成されていることを特徴とする請求項１記載の波長走査型ファイバレーザ光源。

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