JP5429724B2 - スペクトル幅狭窄化方法、および、光学素子ならびに光源装置 - Google Patents

Description

本発明は、パルス光のスペクトル幅を狭窄するスペクトル幅狭窄化方法、および、このスペクトル幅狭窄化方法を用いて入射光のスペクトル幅を狭窄して出力光として射出する光学素子、ならびに、スペクトル幅が狭窄されたパルス光を照射する光源に関する。

光計測や光エレクトロニクスの分野において、広帯域に波長を変えることができる波長可変光源の重要性が高まっている。

従来からの波長可変光源としての半導体レーザーは、可変できる波長帯域が利得帯域に制限されるために、大きく波長を変化させることはできなかった。また、回折格子を回転させて波長を変化させるなどの手段を用いることも提案されているが、この場合には機械的な掃引が必要となり、高速に波長を変換することができなかった。

このような課題を解決するために、光学系の調整をすることなく波長を変化させることができる光源として、フェムト秒（ｆｓ）オーダーの超短光パルスレーザー光源と、生成された超短光パルス波の波長特性を調整する調整器と、調整器で特性が調整された超短光パルス波が入射される光ファイバとを備えたものが提案されている（特許文献１）。

この特許文献１に記載の波長可変光源は、自己位相変調と波長分散の相互作用であるソリトン効果を用いるものであり、光ファイバ中で理想的なソリトンパルスとなっていく光パルスが光ファイバを伝搬することで、光ファイバのソリトン自己周波数シフト効果によってパルス波長が長波長側にシフトしていくことを利用するものである。そして、光ファイバの長さと光ファイバに入射させる超短光パルス波の強度を調整することで波長のシフト量をコントロールして、生成される超短光パルス波の中心波長を所望のものとすることができる。

特開２０００−１０５３９４号公報

光断層計測や分光分析、光通信、非線形顕微鏡には、光源としてパルス光を照射するパルス光源が用いられている。このような光学装置の光源として用いられるパルス光源としては、広帯域に、かつ、高速度で波長を変化させることができるよう求められると共に、計測結果や分析結果の精度を向上させるために、照射されるパルス光のスペクトル幅が狭帯域であることが必要となる。

しかし、上記特許文献１に記載された従来の波長可変光源は、照射される光が超短光パルス光であることもあって、得られるパルス光のスペクトル幅は２０ｎｍ程度となっていた。例えば、パルス幅がフェムト秒（ｆｓ）〜ピコ秒（ｐｓ）程度の超短光パルス波を、光断層装置の光源から照射されるパルス光として用いる場合には、測定精度などの観点から１ｎｍ程度のスペクトル幅であることが好ましく、上記特許文献１に記載の光源で得られるスペクトル幅２０ｎｍという数値は、高い測定精度を得る上では決して十分なものではなく、より狭いスペクトル幅を実現できる光源が求められていた。

また、光断層計測装置をはじめとする光学装置に用いられるパルス光としては、出力パルス光のノイズ成分である台座成分（ペデスタル成分）を小さくした、きれいな出力パルス波を得る必要がある。このため、入力パルス波のスペクトル幅を狭窄するに当たっては、スペクトル幅の狭窄化度合いが十分高いことだけではなく、得られた狭窄化パルス波が、ノイズの少ないきれいな波形であることが重要となる。

本発明は、上記した従来の課題を解決して、波長可変光源から照射された超短光パルス波にも適応することができ、ノイズ成分が少ない狭スペクトル幅の出力パルス波を得ることができるスペクトル幅狭窄化方法、および、この狭窄化方法を用いた光学素子、光源装置を得ることを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のスペクトル幅狭窄化方法は、入射パルス光に対する二次分散値（β２）の平均値が負であり、かつ、前記二次分散値（β２）の絶対値が前記入射パルス光の伝搬方向に増加する分散特性を備えた光導波手段を用いて、前記光導波手段の内部で前記入射パルス光にソリトン効果を生じさせることにより、前記入射パルス光のスペクトル幅を狭窄して出力パルス光とすることを特徴とする。

また、本発明の光学素子は、入射パルス光に対する二次分散値（β２）の平均値が負であり、かつ、前記二次分散値（β２）の絶対値が前記入射パルス光の伝搬方向に増加する分散特性を備え、前記入射パルス光にソリトン効果を生じさせてそのスペクトル幅を狭窄して出力パルス光とすることを特徴とする。

さらに、本発明の光源装置は、パルス光を生成するパルス光生成装置と、前記生成されたパルス光の強度を調整するアンプと、上記本発明にかかる光学素子とを備え、スペクトル幅が狭窄化されたパルス光を放射することを特徴とする。

本発明のスペクトル幅狭窄化方法によれば、所定の分散特性を有する光導波手段を用いることで、入射パルス光にソリトン効果を生じさせて、高い狭窄化率で狭窄化された、かつ、ノイズとなる台座成分の小さな出力パルス光を得ることができる。

また、本発明の光学素子は、上記本発明のスペクトル幅狭窄化方法を用いて、広い波長範囲の入射パルス光を、高い狭窄化率で狭窄化した、かつ、ノイズとなる台座成分の小さな出力パルス光とすることができる。

さらに、本発明の光源装置は、スペクトル幅が狭く、かつ、ノイズ成分の小さなソリトンパルス光を出力パルス光として照射することができる。

本発明のスペクトル幅狭窄化方法を説明するための図である。 本発明の光学素子の実施形態にかかる櫛状分布ファイバを形成した、通信用光ファイバの光学特性を示す図である。図２（ａ）は波長と二次分散値（β２）の関係を示し、図２（ｂ）は波長と非線形係数の関係を示す。 本発明の光学素子の実施形態にかかる、櫛状分布ファイバにおける分散特性の変化を説明するための図である。図３（ａ）は二次分散値（β２）の絶対値が小さい状態を示し、図３（ｂ）は二次分散値（β２）の絶対値が中間的な大きさの場合を示し、図３（ｃ）は二次分散値（β２）の絶対値が大きな値の場合を示す。 本発明の光学素子の実施形態にかかる櫛状分布ファイバの概略構成を示すイメージ図である。 本発明の光学素子の実施形態にかかる櫛状分布ファイバの二次分散値（β２）特性を示す図である。 本発明の光学素子によってスペクトル幅が狭窄化された、超短光パルス波の入射パルス光と出力パルス光のスペクトル幅を示す図である。 本発明の光源装置の第１の実施形態にかかる狭スペクトル幅パルス光を照射する光源装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の光源装置の第２の実施形態としての、波長可変で狭スペクトル幅のパルス光が得られる光源装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の光源装置の第２の実施形態にかかる、波長可変で狭スペクトル幅のパルス光が得られる光源装置における、スペクトル幅狭窄化の状況を示す図である。図９（ａ）がパルス光生成装置で生成されたパルス光を示し、図９（ｂ）が光源装置からの出力パルス光を示す。 本発明の光源装置の第２の実施形態にかかる、波長可変で狭スペクトル幅のパルス光が得られる光源装置から照射された出力パルス光の、パルス中心波長と、スペクトル幅および台座成分抑圧比との関係を示す図である。

本発明のスペクトル幅狭窄化方法は、入射パルス光に対する二次分散値（β２）の平均値が負であり、かつ、前記二次分散値（β２）の絶対値が前記入射パルス光の伝搬方向に増加する分散特性を備えた光導波手段を用いて、前記光導波手段の内部で前記入射パルス光にソリトン効果を生じさせることにより、前記入射パルス光のスペクトル幅を狭窄して出力パルス光とする。

このようにすることで、光導波手段内を伝搬するパルス光は、ソリトンパルスの特性を保とうとするソリトン効果によって、スペクトル幅が小さくなっていく。したがって、入射パルス光の中心波長やパルス強度に合わせて、光導波手段における二次分散値（β２）の絶対値の増加度合いを最適化することで、高い狭窄率を実現し台座成分が抑えられた出力パルス光を得ることができる。

また、本発明のスペクトル幅狭窄化方法において、前記光導波手段として光ファイバを用いることが好ましい。光ファイバは、入射パルス光を効率よく伝搬することができ、所望の分散特性を比較的容易に付与することができる。

さらに、前記光導波手段が、前記二次分散値（β２）の異なる光ファイバを複数本接続して形成されていることが好ましい。二次分散値（β２）の異なる複数本の光ファイバを接続することで、所望の分散特性を持った光導波手段を１本の光ファイバで実現するよりも容易に得ることができる。

さらにまた、前記光導波手段が、互いに異なる前記二次分散値（β２）を有する複数本の光ファイバを、それぞれの長さの割合が異なるように組み合わせて順次接続することで、前記二次分散値（β２）の絶対値が前記入射パルス光の伝搬方向に増加する分散特性を有するように構成されていることが好ましい。このようにすることで、特殊な二次分散値（β２）を有する光ファイバを改めて製造することなく、市販の光ファイバを用いて所望の分散特性を有する光導波手段を実現することができる。

また、本発明の光学素子は、入射パルス光に対する二次分散値（β２）の平均値が負であり、かつ、前記二次分散値（β２）の絶対値が前記入射パルス光の伝搬方向に増加する分散特性を備え、前記入射パルス光にソリトン効果を生じさせてそのスペクトル幅を狭窄して出力パルス光とすることを特徴とする。

このようにすることで、本発明のスペクトル幅狭窄化方法を適用できる光学素子として、高い狭窄率を実現し台座成分が抑えられた出力パルス光を得ることができる。

また、本発明の光学素子においても、前記二次分散値（β２）の異なる複数本の光ファイバを、前記入射パルス光の伝搬方向に接続して形成されていることや、互いに異なる前記二次分散値（β２）を有する複数本の光ファイバを、それぞれの長さの割合が異なるように組み合わせて順次接続することで、前記二次分散値（β２）の絶対値が前記入射パルス光の伝搬方向に増加する分散特性を有するように構成されていることにより、所望の分散特性を有する光学素子を容易に実現することができる。

さらに、本発明の光源装置は、パルス光を生成するパルス光生成装置と、前記生成されたパルス光の強度を調整するアンプと、本発明にかかる光学素子とを備え、スペクトル幅が狭窄化されたパルス光を放射する。

このようにすることで、本発明のスペクトル幅の狭窄化方法を適用して、スペクトル幅が狭く、かつ、ノイズ成分の小さなソリトンパルス光を出力パルス光として照射できる光源装置を実現することができる。

さらに、前記パルス光生成装置が、短パルスレーザー光源と、光強度調整器と、波長可変光ファイバとを有し、前記光強度調整器により前記波長可変光ファイバに入射される短パルスレーザー光の強度を調整することで、生成されるパルス光の波長を変更できる波長可変光源であることが好ましい。このようにすることで、広帯域にかつ高速で波長を可変することができる狭スペクトル幅光源を実用化することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

（スペクトル幅狭窄化方法）
最初に、本発明のスペクトル幅狭窄化方法についてその原理と内容とを説明する。

図１は、本発明のスペクトル幅狭窄化方法の原理を説明するイメージ図である。

図１に示すように、本発明のスペクトル幅狭窄化方法では、入力パルス光としてのソリトン波１を、狭窄化を行うための光学素子である光導波手段２に入射することにより、スペクトル幅が狭窄された出力パルス波３を得るものである。

光導波手段２は、図１にその特性を示すように、入射されたパルス光の伝搬方向である長さ方向に対して、波長分散の二次分散値（β２）の絶対値が大きくなるような分散特性を有している。なお、図１では、二次分散値（β２）の絶対値のみを示しているが、本発明のスペクトル幅狭窄化方法に用いられる光導波手段２としては、全体の二次分散値（β２）の平均値が負の値を示すものに限られるという制約がある。したがって、光導波手段２の二次分散値（β２）は、入力されたパルス波の伝搬方向の距離、すなわち長さ方向において、より大きな負の値に変化していくものであると表現することができる。

このような分散特性を有する光導波手段２に入力されたソリトン波１は、ソリトン効果によってソリトン波形を保ったまま伝搬し、スペクトル幅が狭窄化される。

ソリトン波は、下記数１として示すソリトン次数（Ｎ）を表す式を用いて表現することができる。

ここで、上記式の右辺における分子は、パルス光の自己位相変調を示し、同じく上記式の右辺における分母は、波長分散として表されている。上記したように、全体としての二次分散値（β２）の平均値が負であり、かつ、入力パルス波の伝搬方向に二次分散値（β２）の絶対値が大きくなっていく分散特性を有する光導波手段２にソリトン波１を入射させると、光導波手段の非線形効果と波長分散との相互作用によって、入力されたパルス波は時間波形を保ったまま伝搬してソリトン波形を保とうとする。このため、ソリトン次数が０．５〜１．５のパルス波を光導波手段内に導入した場合には、上記式の値、すなわち「Ｎ^２」の値が１に収斂されていく。光導波手段２の二次分散値（β２）の絶対値は、パルス波が伝搬する方向に大きくなっていくため、入力されたソリトン波１はソリトンパルスの特性を保つために時間半値全幅（Ｔ_ＦＷＨＭ）の値が大きくなり、結果としてスペクトル幅が狭窄化されるのである。

このように、本発明のスペクトル幅狭窄化方法では、二次分散値（β２）の絶対値が大きくなるような分散特性を有する光導波手段内をパルス波が伝搬していくことにより、ソリトン効果によってそのスペクトル幅が狭窄化される。したがって、入力されるパルス波の波長や強度と、スペクトル幅狭窄化を行う光導波手段の長さに合わせて、二次分散値（β２）の分布を調整することにより、入力されたパルス波１のスペクトル幅を狭窄化することができる。

また、本発明のスペクトル幅狭窄化方法は、パルス波がソリトン波形を保とうとする作用を用いてスペクトル幅を狭窄化するものであるため、出力パルス波３はきれいな孤立波となる。このため、得られる出力パルス波３は、ノイズとなる台座成分（ペデスタル成分）が小さい理想的な波形に近いものを得ることができる。

（光学素子）
次に、本発明のスペクトル幅狭窄化方法に用いられる光導波手段、すなわち、本発明の光学素子の具体例について実施形態として説明する。

本実施形態の光学素子は、入射パルス光に対する二次分散値（β２）の平均値が負であり、二次分散値（β２）の絶対値が入射パルス光の伝搬方向に増加する分散特性を備えている光導波手段として、光ファイバを用いるものである。

光ファイバは、コア部とクラッド部の材質や直径などによって、さまざまな分散特性を付与することができる。このため、入射パルス光に対する二次分散値（β２）の平均値が負であり、かつ、パルス光の伝搬方向にその絶対値が増加する光ファイバを製作することは不可能ではない。しかし、分散特性を連続的に変化させることは困難であるため、１本のファイバで所望の分散特性を実現するのではなく、二次分散値（β２）が負の値を有する異なる複数本の光ファイバを、それぞれの二次分散値（β２）の絶対値が徐々に大きくなるように連続して接続して、接続された光ファイバ全体としての分散特性を所望のものとすることができる。このようにすることで、ファイバの接合面では光伝達ロスが生じるものの、一つ一つの光ファイバはその全長にわたって一定の分散特性を有していればよいため、分散特性を連続的に変化させた光学素子の製造を極めて容易に行うことができる。

なお、ファイバの二次分散値（β２）を所定のものとする具体的な方法としては、ガラス材料への添加物と添加濃度の調整による屈折率の大きさの調整、断面での屈折率分布の調整、微細構造を用いた断面構造の制御などが考えられ、例えば、コア径が大きなファイバほど、二次分散値（β２）の絶対値を大きなものとすることができる。

本実施形態の光学素子は、光ファイバを用いて、より簡易に所望の分散特性を有する光導波手段を実現する方法として、櫛状分布ファイバを用いている。この櫛状分布ファイバは、２つの異なる分散特性を有する光ファイバを、その長さの比が異なるように交互に接続することで、光ファイバの長さ方向における二次分散値（β２）を変化させるものである。

図２は、本実施形態の光学素子である櫛状分布ファイバに用いたファイバの光学特性を示す図である。

本実施形態の櫛状分布ファイバとしては、入力パルス波形として中心波長１６２０ｎｍの超短光パルス波を用いたことから、中心波長に対する二次分散値（β２）が負の値で、かつ、その絶対値が比較的小さい第１のファイバとして、情報通信用ファイバとして市販されている分散シフトファイバ（以下「ＤＳＦ」と称する。）を用い、二次分散値（β２）の絶対値が比較的大きな第２のファイバとして、同じく情報通信用ファイバとして市販されているシングルモードファイバ（以下、「ＳＭＦ」と称する。）を用いた。

より具体的には、ＤＳＦとして、株式会社フジクラの情報通信用ファイバ「ＦｕｔｕｒｅＧｕｉｄｅ−ＤＳ 分散シフトシングルモードファイバ」（商品名）を用い、ＳＭＦとして、同じく株式会社フジクラの情報通信用ファイバ「ＦｕｔｕｒｅＧｕｉｄｅ−ＳＭ シングルモードファイバ」（商品名）を用いた。

図２（ａ）は、本実施形態の櫛状分布ファイバとして用いた、ＤＳＦとＳＭＦの、入力パルス波の中心波長に対する二次分散値（β２）の変化を示す図である。

なお、図２（ａ）において示す二次分散値（β２）は、上記したソリトン次数（Ｎ^２）を表す式から導かれたものであって、図中に示すように単位が［ｐｓ^２／ｋｍ］として示されるものである。これは、一般に光ファイバの分散値特性として線材メーカーのカタログに波長分散（Ｄ）として示されている、単位を［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］として示す分散値とは異なるため、注意が必要である。特に、本実施形態で使用する二次分散値（β２）では、その値が「＋」の場合が正常分散、値が「−」の場合が異常分散であるのに対し、波長分散（Ｄ）では、値が「−」の場合が正常分散、値が「＋」の場合が異常分散となり、その特性が全く逆となることに留意する必要がある。

図２（ａ）に示すように、本実施形態の光学素子である櫛状分布ファイバに用いられたるＤＳＦとＳＭＦとは、いずれも入力パルスの中心波長である１６２０ｎｍにおいて負の二次分散値（β２）を示していて、その絶対値は、ＳＭＦの方がＤＳＦよりも大きくなっている。

なお、本発明の第２の光源装置として後述するように、本実施形態の光学素子である櫛状分布ファイバを用いてスペクトル幅を狭窄化する入力波の中心周波数が変化する場合に、櫛状分布ファイバからの出力波形を広い中心周波数帯域においてノイズ成分であるペデスタルの小さいものとするためには、図２（ａ）として示した、入力パルスの中心波長の変化に対する二次分散値（β２）の変化が、より平坦な特性を示すファイバを用いることが好ましい。

図２（ｂ）は、本実施形態の櫛状分布ファイバに用いたＤＳＦとＳＭＦの、入力パルス波の中心波長に対する非線形係数の変化を示す図である。

図２（ｂ）に示すように、本実施形態の光学素子である櫛状分布ファイバに用いられたＤＳＦとＳＭＦでは、入力パルスの中心波長である１６２０ｎｍ近傍における非線形係数の値は、ＤＳＦの値の方がＳＭＦの値よりも大きくなっている。なお、本実施形態の光学素子において、スペクトル幅の狭窄化に関しては、非線形係数の分布自体にはそれほど大きな意味はなく、通常の範囲であれば問題ない。

図３は、本実施形態の櫛状分布ファイバにおいて、２つのファイバＤＳＦとＳＭＦとの長さの比を異ならせることで、所定の二次分散値（β２）を得ることができる原理を示している。

なお、図３（ａ）から図３（ｃ）の各図においては、図中左側に二次分散値（β２）の絶対値の値が大きなＳＭＦ１１を、図中右側に二次分散値（β２）の絶対値の値が小さなＤＳＦ１２を配した状態を示している。また、各図の上段がＳＭＦ１１とＤＳＦ１２との長さの比率を示すイメージ図、各図の下段が二次分散値（β２）の絶対値の大きさを示す図である。さらに、図３において、図３（ａ）、図３（ｂ）、および、図３（ｃ）は、順にパルス光の入力端部側、中間部分、出力端部側での櫛状分布ファイバ１０の状態を示している。また、櫛状分布ファイバ１０としての構成が分かりやすくなるように、各図の上段に示した長さをイメージする図では、ＤＳＦ１２のみにハッチングを入れている。

図３（ａ）に示すように、櫛状分布ファイバ１０のパルス光入力端部側では、上段に示すように二次分散値（β２）の絶対値の大きなＳＭＦ１１の長さの割合を全体の約２０％に、二次分散値（β２）の絶対値の小さなＤＳＦ１２の長さの割合を全体の約８０％としている。このようにすると、図３（ａ）に示した所定区間のファイバの二次分散値（β２）の平均値１３は、図３（ａ）の下段に示すとおり長さの割合の大きなＤＳＦ１２に引きずられる形で低下した、比較的小さな値となる。

図３（ｂ）に示すように、櫛状分布ファイバ１０の中間部分では、上段に示すように二次分散値（β２）の絶対値の大きなＳＭＦ１１の長さの割合を全体の約７５％に、二次分散値（β２）の絶対値の小さなＤＳＦ１２の長さの割合を全体の約２５％としている。このようにすると、図３（ｂ）に示した所定区間のファイバの二次分散値（β２）の平均値１３は、図３（ｂ）の下段に示すとおり長さの割合の大きなＳＭＦ１１に引きずられる形で比較的大きな値となる。

さらに、図３（ｃ）に示すように、櫛状分布ファイバ１０のパルス光出力端部側では、上段に示すように二次分散値（β２）の絶対値の大きなＳＭＦ１１の長さの割合を全体の約９０％に、二次分散値（β２）の絶対値の小さなＤＳＦ１２の長さの割合を全体の約１０％としている。このようにすると、図３（ｃ）に示した所定区間のファイバの二次分散値（β２）の平均値１３は、図３（ｃ）の下段に示すとおりさらに大きな値となる。

このように、櫛状分布ファイバ１０を構成するＳＭＦ１１とＤＳＦ１２の長さの割合を変化させることで、該当部分での二次分散値（β２）の値の大きさをコントロールすることができる。図３（ａ）、図３（ｂ）、および、図３（ｃ）の各図に示したとおり、二次分散値（β２）の絶対値が大きなＳＭＦ１１の割合を大きく、二次分散値（β２）の絶対値が小さなＤＳＦ１２の割合を小さくしていくことで、所定区間における二次分散値（β２）の絶対値の平均値の値を徐々に大きくしていくことができ、櫛状分布ファイバ１０の全体としてみた場合には、入力されたパルス波の伝搬方向にしたがって、二次分散値（β２）の絶対値が大きくなるような分散特性を有した光学素子を得ることができる。

図４は、本実施形態の櫛状分布ファイバ１０の全体構成を示すイメージ図である。図４は、図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）における各図の上段と同じく、ＳＭＦ１１とＤＳＦ１２との長さの変化を示していて、図３の各図と同様にＤＳＦ１２にのみハッチングを入れている。

図４に示すように、本実施形態の櫛状分布ファイバ１０は、図４中の左端に位置するパルス波入力端部１０ａ側から、図４中の右端に位置するパルス波出力端部１０ｂ側へと向かうパルス波の伝搬方向に沿って、二次分散値（β２）の絶対値の大きなＳＭＦ１１の割合が増加して、二次分散値（β２）の絶対値の小さなＤＳＦ１２の割合が低下している。このようにすることで、パルス波の伝搬方向に沿って、ファイバの各部分での二次分散値（β２）の絶対値の大きさが大きくなっていく光学素子を実現することができる。

なお、図４に示すように、本実施形態の櫛状分布ファイバ１０では、二次分散値（β２）の絶対値の大きなＳＭＦ１１と二次分散値（β２）の絶対値の小さなＤＳＦ１２とを、その長さの割合を変えながら交互に配置している。しかし、本実施形態の櫛状分布ファイバ１０では、パルス光の伝搬方向に２種のファイバＳＭＦ１１とＤＳＦ１２との長さの割合の平均値が所望の二次分散値（β２）の分布特性を備えていればよいため、図４に示したように２種のファイバを交互に配置することが必須の要件とはならない。このため、原理的には、第１の区間でＳＭＦ１１の後にＤＳＦ１２を配置し、次の第２の区間ではＤＳＦ１２の後にＳＭＦ１１を配置することもできる。

このように２種のファイバＳＭＦ１１とＤＳＦ１２との配置順を異ならせる場合には、同種のファイバが連続する部分では、融着による損失が生じないように連続する２本のファイバを合わせた長さと同じ長さの１本のワイヤを用いることがより好ましい。しかし、連続して配置される同種のワイヤの合計の長さが長い場合には、その部分での平均の二次分散値（β２）の値が所定の値とならず、ファイバ内を伝搬するパルス光に対して、正しいパルス幅狭窄化効果を与えられなくなる場合も生じうるので注意が必要となる。

また、図３および図４では、説明の便宜上一対のＳＭＦとＤＳＦとの組み合わせにおける長さ、すなわち、平均値で所定の二次分散値（β２）を得るための一対のファイバを合わせた長さが、櫛状分布ファイバ１０の全長にわたっていずれも一定であるように例示している。しかし、本実施形態の櫛状分布ファイバ１０において、このように一組のファイバを合わせた長さが、櫛状分布ファイバ１０の全長にわたって同じであることは必須の要件ではない。本実施形態の櫛状分布ファイバ１０の所定部分の二次分散値（β２）は、その部分でのＳＭＦ１１とＤＳＦ１２との比率において決まるため、櫛状分布ファイバ１０の長さ方向における一組のファイバの長さの和が変化しても、当該部分における二次分散値（β２）はその平均値となって所望のものとすることができるからである。

図５は、本実施形態の櫛状分布ファイバの長さ方向における、各部分の二次分散値（β２）の値の変化と、櫛状分布ファイバを構成するＳＭＦとＤＳＦとの長さの比から求まる各部分での平均の二次分散値（β２）の値を示した図である。

図５に示すように、本実施形態の櫛状分布ファイバは、二次分散値（β２）の値が約−５であるＳＭＦと、二次分散値（β２）の値が約−２８であるＤＳＦとから構成されているため、実線で示す実際の二次分散値（β２）の値は、「−５」と「−２８」との間で繰り返し変化している。一方で、図５中に「黒丸」で示すＳＭＦとＤＳＦの二次分散値（β２）の平均値は、パルス波の伝搬方向にしたがって、「−（負）」の値を取りながら徐々にその値が小さく、言い換えれば絶対値が大きくなっている。

このようにして、本実施形態の櫛状分布ファイバでは、７４０ｍの全長において、二次分散値（β２）の平均値を徐々に小さく（絶対値は大きく）変化させて、二次分散値（β２）の値が−６から−２８へと変化する光学素子を得ることができる。

発明者らが確認したところ、図５中に「黒丸」で示したＳＭＦとＤＳＦの二次分散値（β２）の平均値の変化の割合としては、例えば、二次分散値（β２）が「Ａ（初期値）−Ｂ（定数）／Ｌ（長さ）」の関係を満たすように、長さ方向において長さの逆数で減少するように変化させることが好ましい。 図６は、図４にイメージ図を、また、図５に二次分散値（β２）の分布を示した本実施形態の櫛状分布ファイバによるスペクトル幅の狭窄効果を示す図である。

図６に示すように、本実施形態の櫛状分布ファイバ１０では、入射パルス波である中心波長が１６２０ｎｍのソリトン波２１が、櫛状分布ファイバを伝搬してスペクトル幅が狭窄化され、図６中に点線で示す出力波形２２が得られる。

本実施形態の櫛状分布ファイバ１０によって、入射パルス波２１のスペクトル幅（半値幅）１３．８ｎｍに対して、出力パルス波２２のスペクトル幅（半値幅）は０．７２ｎｍに狭窄化されており、その狭窄率は１９であった。また、本実施形態の櫛状分布フィルタにおける狭窄化によって生じたパルス波形の台座成分２２ｂの大きさは、スペクトルのピークから−１８．０ｄＢであった。

このように本実施形態の櫛状分布ファイバによる狭窄化で、超短光パルス波に対する大幅な、かつ、ノイズ成分の少ないスペクトル幅の狭窄化を実現し得ることが確認できた。

なお、光導波手段である光学素子が、そのパルス波の伝搬方向における二次分散値（β２）のどのような分布特性を有することが好ましいかを検討する場合には、光ファイバにおけるパルス伝搬を計算して、最適設計をするのが好ましい。一般に、より良いスペクトル形状のパルス光を得るためには、伝搬中のパルスがＮ＝１のソリトンの条件からあまり大きくはずれないように、平均の分散値を穏やかに変化させていく必要がある。

さらに、上記櫛状分布ファイバの説明として、二次分散値（β２）が異なる２種類の通信用ファイバを用いてその長さの割合を変え、櫛状分布ファイバ全体として所望の分散特性を得るものについて説明した。しかし、本実施形態の櫛状分布ファイバとしては、このような２種類のファイバを用いるものに限らず、３種類以上の二次分散値（β２）を有するファイバを組み合わせ、それぞれの長さの比率を変えることで、所定の二次分散値（β２）特性を有する櫛状分布ファイバを実現することができる。

また、１本の櫛状分布ファイバを形成する上で用いられる複数の二次分散値（β２）特性を有するファイバとしては、常に同じ種類のファイバのみを用いる必要はなく、櫛状分布ファイバの長さ方向の各部分で、適切な二次分散値（β２）特性を有する異なる種類のファイバを組み合わせて、当該部分の二次分散値（β２）を所望のものとすることができる。

（光源装置）
次に、本発明の光源装置について具体例を挙げて説明する。

図７は、本発明の光源装置の第１の実施形態である、短パルス光であり狭スペクトル光を照射できる光源装置３０の全体構成を示すブロック図である。

図７に示すように、本実施形態の光源装置は、パルス光を生成するパルス光生成装置である超短光パルスレーザー３１と、超短光パルスレーザー３１で生成された超短光パルス波の強度を調整するアンプ３２と、光導波手段としての上記光学素子の実施形態として説明した櫛状分布ファイバ３３とを備えている。なお、超短光パルスレーザー３１と、アンプ３２の間には、この間の超短光パルス波のカップリングを図るレンズ３４が、また、アンプ３５と櫛状分布ファイバ３３との間には、アンプ３２から出力された超短光パルス波を、光ファイバである櫛状分布ファイバ３３に適切に入射するためのレンズ３５が配置されている。

超短光パルスレーザー３１は、Ｅｒ（エルビウム）添加超短パルスファイバレーザーなどが利用でき、例えば上記光学素子の実施形態で説明した中心波長１５６０ｎｍ、パルス幅は２００ｆｓ（フェムト秒）で、繰り返し周波数は５０ＭＨｚに設定されている。

アンプ３２は、利得の大きさを変化させることができる光増幅器であり、Ｅｒ添加超短パルスファイバレーザーである超短光パルスレーザー３１から出力されたパルス光を、例えば希土類添加ファイバの利得で増幅することができる。

櫛状分布ファイバ３３は、上記光学素子の実施形態で説明したものと同じく、一般的な通信用ファイバであるＳＭＦとＤＳＦとが所定の長さの割合で交互に接続されて構成された、全長７６０ｍのファイバを利用することができる。

なお、本実施形態の光源装置においては、パルス光生成装置としてパルス間隔がフェムト秒（ｆｓ）オーダーの超短光パルスを生成するレーザー装置を例示したが、本実施形態のパルス光生成装置としてはこのような超短光パルスレーザーに限らず、パルス間隔がピコ秒（ｐｓ）オーダーからマイクロ秒（μｓ）オーダーのパルス光源を用いることができる。

また、パルス光生成装置である超短光パルスレーザー３１で生成されたパルス光のエネルギーが、光導波手段である櫛状分布ファイバ３３での狭窄化に十分な強度である場合には、入射パルス光を増幅するためのアンプ３２が不要であることは言うまでもなく、また、カップリング用のレンズ３４および３５は、本来必要に応じて用いられるものであり、本実施形態の光源装置に必須のものではない。

図８は、本実施形態の第２の光源装置である、出力パルス波の中心波長を変えることができ、射出されるパルス光のスペクトル幅が狭い光源装置１００の全体構成を示すブロック図である。

図８に示すように、本実施形態の第２の光源装置１００は、パルス光生成装置である、出力パルス波の波長変換が可能な波長可変光源５１と、波長可変光源５１から出力されたパルス波の強度を調整するアンプ５２、さらに、光導波部材である櫛状分布ファイバ５３とを有している。なお、波長可変光源５１と、アンプ５２の間には、この間のレーザービーム光のカップリングを図るレンズ５４が、また、アンプ５２と櫛状分布ファイバ５３との間には、アンプ５２から出力された短パルスレーザー光を、光ファイバである櫛状分布ファイバに適切に入射するためのレンズ５５が適宜必要に応じて配置される。

本実施形態の第２の光源装置１００における波長可変光源５１としては、特許文献１に記載された従来の光源を用いることができる。

具体的には、波長可変光源５１は、短パルスレーザー光源としてのＥｒドープ超短光パルスファイバレーザー４１と、Ｅｒドープ超短光パルスファイバレーザー４１からの出力光エネルギーを増加させるＥｒドープファイバアンプ４２、Ｅｒドープファイバアンプ４２からの出力光の位相を変換するλ／２の波長板４３、偏光ビームスプリッタ４４、λ／２の波長板４５、パルス波をファイバに入射させるためのカップリング用レンズ４６、波長変換を行う光ファイバ４７を有している。

この波長可変光源５１は、ソリトン自己周波数シフト効果によってパルス波長が長波長側にシフトしていくことを利用して照射パルスの中心波長をより長波長側にシフトするものであり、具体的には、光ファイバに入射させる短パルスレーザー光の強度を調整することで波長のシフト量をコントロールして、生成される短パルスレーザー光の波長を所望のものとすることができる。

なお、図８に示した波長可変光源５１では、Ｅｒドープ超短光パルスファイバレーザー４１から照射されたパルス光を、Ｅｒドープファイバアンプ４２、λ／２波長板４３、偏向ビームスプリッタ４４を用いて波長変換する光ファイバ４７に入射するパルス光の強度を調整した例を示したが、図８において点線部４８で示したこの部分は図示した構成には限られず、短パルス光の強度を変調できる他の強度変調器を用いることができる。また、λ／２の波長板４５、および、カップリング用レンズ４６は本来的に適宜必要に応じて用いるものであり、省略することができる。

このように、本実施形態の第２の光源装置１００は、特許文献１に記載された超短光パルスの中心波長が変更できる波長可変光源５１から射出されたパルス光を、スペクトル幅を狭窄化する本発明にかかる光学素子としての櫛状分布ファイバ５３に入射させることで、スペクトル幅が狭く、かつ、中心波長を変更できる超短光パルス光を射出することができる。

本実施形態の第２の光源装置１００における、波長可変光源５１から射出されたパルス光と、櫛状分布ファイバ５３からの出力光の特性を図９に示す。

図９（ａ）は、第２の光源装置１００における波長可変光源５１から射出されるパルス光を示している。

本実施形態の第２の光源装置１００では、波長可変光源５１のＥｒドープ超短光パルスファイバレーザーから中心波長が１５６０ｎｍ、パルス幅が２００ｆｓ、強度３０ｍＷのパルス光を生成し、これを、Ｅｒドープファイバアンプ４２、λ／２波長板４３、偏向ビームスプリッタ４４を用いて強度変換して波長変換するファイバ４７に入射させる。このとき、出力パルス波形を、図９（ａ）に示すように、中心波長が１６２０ｎｍの基本波形ａから波形ｂ、ｃ、ｄ、ｅ、ｆとそれぞれ５０ｎｍずつ長波長側にシフトさせた。なお、波長可変光源５１において波長変換するファイバ４７に入力するパルス強度を徐々に高くしているため、出力波形の強度も長波長側にいくにつれてシフトしている。このように、入力強度の調整により、出力パルスの中心波長を連続に調整することができる。

図９（ａ）のａ〜ｆの各パルス波形の上に記載された数値が、それぞれのパルス波の半値幅を示している。図９（ａ）より明らかなように、パルス波ａ〜ｆの半値幅は、１２．３ｎｍ〜１４．９ｎｍの範囲となっている。

図９（ｂ）は、本実施形態の第２の光源装置１００における、櫛状分布ファイバ５３からの出力波形、すなわち、第２の光源装置１００からの出力パルス波のパルス波形を示している。

図９（ｂ）に示すように、櫛状分布ファイバ５３で狭窄化されたパルス波形は、各波形の上に記載されている半値幅が示すとおり、スペクトル幅が０．６４ｎｍ〜０．７１ｎｍと大幅に狭窄化されていることが分かる。

また、本実施形態の第２の光源装置１００では、櫛状分布ファイバ５３の二次分散値（β２）特性を、１６２０ｎｍの入力パルス波ａが最適に狭窄化される条件として調整したため、中心波長が１６２０ｎｍからより長波長側にシフトするにつれて、ノイズ成分であるペデスタル成分が増大している。しかし、図９（ｂ）にａ〜ｆの各出力パルス波として示すとおり、各パルス波における台座成分（ペデスタル成分）は大きくはなく、超短光パルスでかつ中心波長可変の光源として、各種光学測定機器の光源として、極めて良好な出力波形特性を有していることが分かる。

図１０は、本実施形態の第２の光源装置１００における、櫛状分布ファイバ５３に入射されて出力されるパルス波の中心波長と、出力波形の特性との関係を示す図である。図１０において、入射／出力パルス波の中心波長とスペクトル幅（半値幅）との関係を実線ｇで、入射／出力パルス波の中心波長とノイズ成分である台座成分（ペデスタル成分）の抑圧比との関係を点線ｈで示している。

図１０から、本実施形態の第２の光源装置１００から出力される出力パルス波は、その中心波長が１６２０ｎｍから１８７０ｎｍに変化しても、スペクトル幅がほぼ一定の極めて狭スペクトルのものであることが分かる。また、櫛状分布ファイバの二次分散値（β２）特性を、中心波長が１６２０ｎｍのパルス波に適合させたため、中心波長が長波長側にシフトするにつれてサイドローブである台座成分の値は大きくなってしまうものの、中心波長が１８７０ｎｍまでの間において台座成分の抑圧比は出力パルス波のピークに対して約１２ｄＢ以下の水準を保ち、中心波長を変更しても、ノイズ成分の少ない安定した出力パルス波を得ることができることが分かる。

以上、本実施形態の光源装置として、出力パルス光の中心波長が固定されたものと、中心波長が可変のものについて説明した。このように、本実施形態の光源装置によれば、入射されるパルス光に応じてノイズ成分が少なく狭スペクトル化された出力光を生成できる本発明にかかる光学素子を用いることで、選択されたパルス光生成手段から出力されるパルス波のスペクトル幅を狭窄化して、光源装置の光出力とすることができる。このため、光計測や光エレクトロニクスの分野において必要とされる、広帯域に波長を変えることができ、かつ、得られるパルス光のスペクトル幅が小さい光源装置を得ることができる。

なお、上記光源装置の実施形態として、製作が容易な櫛状分布ファイバを光導波手段として用いる例についてのみ説明したが、本実施形態の光源装置はこれに限られず、光導波手段として上記本発明のさまざまな光学素子を用いることができることは言うまでもない。

以上、本発明のスペクトル幅狭窄化方法、光学素子、光源装置について、それぞれ具体例を示して説明してきた。

上記各説明では、光導波手段として光ファイバを用いたものについてのみ説明したが、本発明の光導波手段としては光ファイバに限らず、導波路デバイスやフォトニック結晶デバイスなど、その内部を光が伝搬でき、かつ、所定の二次分散値（β２）特性を付与することができる各種の光学素子を用いることができる。

また、上記説明において、光導波手段に入力されるパルス光として、ソリトン次数（Ｎ）が０．５〜１．５のものを用いる場合についてのみ説明したが、入力パルス波のソリトン次数（Ｎ）は０．５〜１．５の範囲に限らない。しかし、入力パルス波のソリトン次数（Ｎ）が０．５よりも小さい場合や、逆に１．５よりも大きい場合には、台座成分が大きく残ると考えられ、スペクトルは幅狭窄化できるものの、光計測などに用いられるパルス波としては、実用面での精度はそれほど高いものではないと考えられる。

本発明のスペクトル狭窄化方法の原理を用いた光学素子およびこの光学素子によりスペクトルの狭窄化が行われた光源装置は、ノイズ成分の少ない狭スペクトル幅のパルス光を照射できるため、例えば、医療診断用高解像度光コヒレンストモグラフィ（ＯＣＴ）に利用することができる。本実施形態にかかる光源を用いた超高分解能高速ＯＣＴは、眼科、呼吸器科、その他医療分野において、非侵襲であることからその応用展開が期待できる。また、医療分野以外にも、工業製品の内部検査や観察手段としての利用も考えられる。

特に、本発明のスペクトル狭窄化方法の原理を用いた光学素子およびこの光学素子によりスペクトルの狭窄化が行われた光源装置は、狭いスペクトル線幅とノイズ成分である台座成分の抑圧が可能であるため、ＯＣＴに利用することで高い感度（Ｓ／Ｎ比）と深い観察深度を実現することができる。

さらに、分光計測分野への応用として、環境、排ガス、排水、水質検査、燃焼室内検査やプラズマ計測などを行う計測機器の光源とすることができる。また、レーザー顕微鏡、多光子顕微鏡の光源として、生体組織や細胞観察をするものへの応用や、光通信、光信号処理に用いられる光源としても利用することができる。

このような分光計測分野に、本発明のスペクトル狭窄化方法の原理を用いた光学素子およびこの光学素子によりスペクトルの狭窄化が行われた光源装置を用いることで、狭いスペクトル幅により分解能を向上することができ、また、ノイズ成分である台座成分が小さいために感度を向上させることができる。

以上説明したように、本発明のスペクトル幅狭窄化方法、および、光学素子ならびに光源装置は、医療用ＯＣＴおよび光計測、光エレクトロニクスの分野をはじめとする各種光学分野において幅広い用途が期待できる。

Claims (9)

1. 入射パルス光に対する二次分散値（β２）の平均値が負であり、かつ、前記二次分散値（β２）の絶対値が、前記入射パルス光の伝搬方向にその増加分が漸減しながら増加する分散特性を備えた光導波手段を用いて、前記光導波手段の内部で前記入射パルス光にソリトン効果を生じさせることにより、前記入射パルス光のスペクトル幅を狭窄して出力パルス光とすることを特徴とするスペクトル幅狭窄化方法。
2. 前記光導波手段として光ファイバを用いる請求項１に記載のスペクトル幅狭窄化方法。
3. 前記光導波手段が、前記二次分散値（β２）の異なる光ファイバを複数本接続して形成されている請求項２に記載のスペクトル幅狭窄化方法。
4. 前記光導波手段が、互いに異なる前記二次分散値（β２）を有する複数本の光ファイバを、それぞれの長さの割合が異なるように組み合わせて順次接続することで、前記二次分散値（β２）の絶対値が、前記入射パルス光の伝搬方向にその増加分が漸減しながら増加する分散特性を有するように構成されている請求項３に記載のスペクトル幅狭窄化方法。
5. 入射パルス光に対する二次分散値（β２）の平均値が負であり、かつ、前記二次分散値（β２）の絶対値が、前記入射パルス光の伝搬方向にその増加分が漸減しながら増加する分散特性を備え、
   前記入射パルス光にソリトン効果を生じさせてそのスペクトル幅を狭窄して出力パルス光とすることを特徴とする光学素子。
6. 前記二次分散値（β２）の異なる複数本の光ファイバを、前記入射パルス光の伝搬方向に接続して形成されている請求項５に記載の光学素子。
7. 互いに異なる前記二次分散値（β２）を有する複数本の光ファイバを、それぞれの長さの割合が異なるように組み合わせて順次接続することで、前記二次分散値（β２）の絶対値が、前記入射パルス光の伝搬方向にその増加分が漸減しながら増加する分散特性を有するように構成されている請求項６に記載の光学素子。
8. パルス光を生成するパルス光生成装置と、
   前記生成されたパルス光の強度を調整するアンプと、
   請求項５〜７のいずれか１項に記載の光学素子とを備え、
   スペクトル幅が狭窄化されたパルス光を照射することを特徴とする光源装置。
9. 前記パルス光生成装置が、短パルスレーザー光源と、光強度調整器と、波長可変光ファイバとを有し、前記光強度調整器により前記波長可変光ファイバに入射される短パルスレーザー光の強度を調整することで、生成されるパルス光の波長を変更できる波長可変光源である請求項８に記載の光源装置。

Images