(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ファイバ光源を有する物品において、該光ファイバ光源は、
ａ）光ファイバからの誘導放出に適した１種もしくはそれより多くの希土類元素（以下「ＳＥ−ＲＥ」という）をドープした、第１の長さの光ファイバから第２の長さの光ファイバに光を軸方向に伝送することができるように配置された、第１および第２の長さのＳＥ−ＲＥドープ光ファイバと、
ｂ）第１のポンプ光の光源と、
ｃ）該第１ポンプ光を該第１の長さのＳＥ−ＲＥドープ光ファイバに、下流方向に結合するカプラと、
ｄ）第２のポンプ光の光源と、
ｅ）該第２のポンプ光を前記第２の長さのＳＥ−ＲＥドープ光ファイバに、上流方向に結合するカプラと、
ｆ）該第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバから上流方向に伝搬する光が該第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバにほとんど到達しないように、該第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバと該第２の長さのＳＥ−ＲＥドープ光ファイバの間に配置された光アイソレータとを有し、
ｇ）該光ファイバ光源は、前記第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバで長波長増幅自然放出光を生成することが可能であり、該長波長増幅自然放出光は、該光アイソレータを通して該第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバに伝搬されることにより、結果として得られる広帯域自然放出光が、下流方向の利用手段に提供され、さらに
ｈ）該第１の長さのＳＥ−ＲＥドープ光ファイバから上流方向に軸方向に伝搬する光を受け取り、該光の少なくとも一部を下流方向に該第１の長さのＳＥ−ＲＥドープ光ファイバへと反射するように配置されたリフレクタであって、これにより、長波長増幅自然放出光の生成を容易にするリフレクタを有し、
ｉ）該第１ポンプ光の光源は、前記第２ポンプ光の光源とは異なることを特徴とする光ファイバ光源を有する物品
【請求項２】
前記リフレクタは、４ないし１００％の範囲の反射率を有する広帯域リフレクタである請求項１に記載の物品。
【請求項３】
前記第１の長さのＳＥ−ＲＥドープ光ファイバおよび前記第２の長さのＳＥ−ＲＥドープ光ファイバは、Ｅｒ、ＹｂおよびＮｄからなる群のうちの１種もしくはそれより多くの元素をドープされている請求項１に記載の物品。
【請求項４】
利用手段に提供される広帯域自然放出光の±３ｄＢ帯域幅は４０ｎｍより大きく、全パワーは１０ｍＷより大きい請求項１に記載の物品。
【請求項５】
前記物品は、
前記光ファイバ光源から検査対象物へ広帯域自然放出光を提供するための第１の光ファイバパスと、
可動基準ミラーから光検出器に光を導くことが可能な第２の光ファイバパスと、
前記第１の光ファイバパスと前記第２の光ファイバパスの間で光を結合するファイバカプラとを有する光トモグラフィシステムである請求項１に記載の物品。
【請求項６】
前記物品は、
多波長送信機と、
多波長受信機と、
前記多波長送信機と前記多波長受信機を接続する光ファイバ伝送路とを有するスライススペクトル光ファイバ通信システムであり、
前記多波長送信機は、
広帯域自然放出光をスペクトルスライサに供給する前記光ファイバ光源と、
前記スペクトルスライサの出力を受け取り変調する変調器とを有し、
前記スペクトルスライサの出力を変調したものが、前記光ファイバ伝送路に送られる請求項４に記載の物品。
【請求項７】
前記物品は、前記光ファイバ光源と、偏光子と、ファイバジャイロスコープとを有する位置検知システムであり、
前記光ファイバ光源の出力は、前記偏光子に供給され、前記偏光子の出力は、前記ファイバジャイロスコープに供給される請求項４に記載の物品。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広スペクトル光ファイバ光源、および、このような光源を有する物品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
広帯域（ブロードバンド）光ファイバ光源は、光センサシステムから光ファイバジャイロスコープおよび低コヒーレンストモグラフィにいたるまでの、ＥＤＦＡ（Ｅｒドープファイバ増幅器）測定システムにおけるスライススペクトル光源から光ノイズ光源までの広範囲のアプリケーションにとって、重要である。特に、Ｅｒドープファイバからの増幅自然放出（ＡＳＥ：amplified spontaneous emission）を用いた超蛍光ファイバ光源（ＳＦＳ：superfluorescent fiber source）が重要である。
【０００３】
米国特許第５，６６８，８２１号には、長周期グレーティングを用いてＳＦＳの出力をスペクトル平坦化することが記載され、米国特許第５，７０１，３１８号には、超蛍光ファイバ内に配置された偏光子を有する偏光ＳＦＳが記載されている。S. P. Parry et al., "Optical Amplifiers and Their Applications" Conference, TuD3, 1998、には、１本の長い（５１ｍ）Ｅｒドープファイバを使用する高パワー・広帯域ＳＦＳが記載され、J. H. Lee et al., Optics Letters, Vol.24(5), p.279, March 1, 1999、には、２本のポンピングされたＥｒドープファイバを使用する従来の高パワー・広帯域ＳＦＳと、１本のポンピングされたＥｒドープファイバおよび１本のポンピングされないＥｒドープファイバを増幅器段の前で使用する新規な光源が記載されている。
【０００４】
上記の文献は単なる例示である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来、さまざまなＳＦＳ構成が報告されているが、二重パス後方（ＤＰＢ：double pass backward）構成は、最大の帯域幅および最高の変換効率を提供することが示されている。しかし、ＤＰＢ構成を使用しても、高パワー（例えば、１０ｍＷ以上）および広帯域幅（例えば、±３ｄＢ点間で４０ｎｍ以上）を有するＳＦＳを構成することは困難である。
【０００６】
高パワーおよび広帯域幅を達成する際の主な問題点は、高ポンプパワーでＳＦＳが受ける帯域幅ナローイングである（例えば、S. P. Parry et al.の前掲文献を参照）。この帯域幅ナローイングは、Ｅｒドープファイバの波長依存利得係数の結果である。高パワー・広帯域幅ＳＦＳの多大な有用性を考慮すると、高パワー（例えば、１０ｍＷ以上）を提供することが可能な広帯域ＳＦＳ（例えば、±３ｄＢ点間で４０ｎｍ以上）を利用可能にすることが好ましい。その理由は、ＳＦＳ帯域幅が増大すると、通常、例えば光トモグラフィシステムにおける分解能が増大し、また、パワー（スペクトル密度）が増大すると、通常、信号対ノイズ比が増大するからである。本願は、このような広帯域・高パワーＳＦＳを開示する。
【０００７】
［用語の定義および説明］
「光」は、本明細書では、ＳＦＳに関連する波長の電磁放射（一般に、スペクトルの赤外部分）を意味する。
【０００８】
「希土類」（ＲＥ）は、原子番号５７〜７１の元素であり、シリカ系ファイバでの誘導放出に適した希土類を「ＳＥ−ＲＥ」ということにする。好ましいＳＥ−ＲＥは、Ｅｒ、ＹｂおよびＮｄである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
一般に、本発明は、新規な設計のＳＦＳとして、および、そのＳＦＳを含む物品（例えば、通信システム、測定システム、光センサシステム、光ファイバジャイロスコープ、低コヒーレンストモグラフィシステム）として実現される。
【００１０】
具体的には、本発明は、光ファイバ光源を有する物品として実現される。光源は、第１および第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバを有する。これらの光ファイバは、光が第１のファイバから第２のファイバに軸方向に伝搬することができるように配置される。また、光源は、第１ポンプ光の光源を含み、さらに、第１ポンプ光を第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバに、下流方向に結合するカプラを有する。
【００１１】
重要な点であるが、光源は、さらに、第２ポンプ光の光源と、第２ポンプ光を第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバに上流方向に結合するカプラと、第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバから上流方向に伝搬する光が第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバにほとんど到達しないように第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバと第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバの間に配置された光アイソレータとを有する。好ましい実施例では、光源は、さらに、少なくとも一部の上流方向に伝搬する光を下流方向に第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバへと反射するように配置されたリフレクタを有することにより、長波長ＡＳＥの生成を容易にする。長波長ＡＳＥは、光アイソレータを通って第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバから第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバに伝搬し、そこで広帯域ＡＳＥが生成される。広帯域ＡＳＥは、第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバから利用手段へ下流方向に伝搬する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明によるＳＦＳ１０の実施例の概略図である。符号１１および１２はそれぞれ、第１および第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバを表し、１３は、第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバと第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバの間に配置された光アイソレータを表し、１４および１５はそれぞれ、第１および第２ポンプ光の光源を表し、１６は、オプションの広帯域リフレクタを表す。符号１７および１８は通常のカプラを表し、１９は光アイソレータを表し、矢印２０は下流方向を示す。
【００１３】
この例示的なＳＦＳは、必要な長波長ＡＳＥを第１段１１で生成し、生成されたＡＳＥを第２段１２で増幅するように設計される。第２段は、また、従来の単一パス後方ＡＳＥ光源と同様に短波長ＡＳＥを生成するようにも作用する。第１段から第２段に注入される長波長ＡＳＥの量と、第２段のポンプパワーは、通常、所望の広帯域幅が得られるようにバランスがとられる。
【００１４】
例として、第１および第２の光ファイバの長さはそれぞれ５０ｍおよび１０ｍであり、１５３０ｎｍで１６ｄＢ／ｍのピーク吸収を有するシリカ系Ｅｒドープファイバである。第１のポンプ光源は例えば、下流方向に伝搬する１００ｍＷの９８０ｎｍポンプ光を提供し、第２のポンプ光源は例えば、上流方向に伝搬する１２０ｍＷの１４８０ｎｍポンプ光を提供する。オプションの広帯域リフレクタは例えば、第１段の入力端の平坦劈開面である。この劈開面は、４％の広帯域反射を提供し、これは、下流方向に伝搬する長波長ＡＳＥを効率的に生成するのに十分である。別の実施例では、リフレクタは、ポンプ効率を増大するように選択された、９０％Ａｕリフレクタである。原理的には、反射率は、光源の特性に応じて、０〜１００％の任意の値をとることが可能である。
【００１５】
図２に、上記の例示的なＳＦＳの出力スペクトルを示す。全出力パワーは、２５ｍＷ以上であると測定された。図２のプロットは、３つの曲線を示している。曲線２３は、両方のポンプダイオードがオンのときのＳＦＳの出力スペクトルである。曲線２２は、１４８０ｎｍのポンプダイオードのみがオンのときの第２段の出力スペクトルである。この場合の出力スペクトルは、単一パス後方ＡＳＥ光源から得られるスペクトルと同様である。この場合の帯域幅は約３０ｎｍにすぎない。曲線２１は、９８０ｎｍのポンプダイオードのみがオンのときの第１段の出力スペクトルである。図からわかるように、第１段は、ほぼ長波長ＡＳＥのみを生成する。曲線２３からわかるように、本発明による例示的なＳＦＳの帯域幅は、±３ｄＢ点の間で７５ｎｍ以上である。本発明によるＳＦＳの通常の最適化により、さらに大きいパワーあるいは帯域幅が得られることが期待される。
【００１６】
本発明による例示的な最適化されていないＳＦＳで得られる例示的な結果は、パワーが約１０ｍＷで帯域幅が約７０ｎｍ（−１０ｄＢ点で測定した場合。±３ｄＢ点間で約３５ｎｍに対応する）の市販の従来のエルビウムＳＦＳ（蛍光ファイバ）に比べてすぐれている。
【００１７】
認識されるように、本発明により開示されるＳＦＳは単なる例示であり、この基本設計のさまざまな変形が可能である。例えば、単一のポンプ光源が、第１段および第２段の両方にパワーを供給することも可能である。Ｅｒ以外のＳＥ−ＲＥをドープしたファイバの場合、ポンプ波長およびその他のシステムパラメータ（例えば、ドーピングレベル、ファイバ長）は通常、上記の例示的なシステムとは異なる。通常、少しの普通の実験で、受け入れ可能なシステムが得られる。
【００１８】
本発明による光源の放出スペクトルは通常比較的なめらかであるが（図２を参照）、アプリケーションによっては、光源の出力をさらになめらかにすることが好ましい場合がある。これは、従来のフィルタリング手段により（例えば、１個または複数の長周期グレーティングにより）実現可能である。
【００１９】
本発明によるＳＦＳを装置で使用すれば、その装置の性能は、帯域幅あるいは光源のパワーの増大とともに改善される。このような装置としては、光コヒーレントトモグラフィシステム、スライススペクトル光通信システム、および、光ジャイロスコープを有する位置検知システムがある。
【００２０】
図３は、例示的な光コヒーレントトモグラフィシステム３０の概略図である。参照符号３１は、本発明によるＳＦＳを表し、符号３２０および３２１は、光ファイバを表し、符号３３は、従来のファイバカプラを表し、３４は、基準ミラーを表し、３５は、検査（観察）対象物を表し、３６は、光検出器を表す。ＳＦＳ光は、ファイバ３２０を通ってカプラ３３に送られ、そこで２つのアームに分割される。通常の光学系３７が、一方のアームからの光の焦点を観察対称物上に合わせ、光学系３８が、他方のアームからの光の焦点を基準ミラー３４上に合わせる。観察対象物および基準ミラーから反射された光は、従来の光学系３７および３８によって、それぞれのアームに集められてカプラに導かれ、そこで、２つのアームからの光が干渉する。干渉信号は検出器に送られる。ミラー位置を操作することによって、干渉信号は、観察対象物に関する情報を提供する。システムの分解能は、ＳＦＳの帯域幅に比例する。さらに詳細には、E. A. Swanson et al., Optics Letters, Vol.18(21), pp.1864-1868 (1993)、を参照。
【００２１】
図４は、本発明による例示的なスライススペクトル光ファイバ通信システム４０の概略図である。符号４１〜４６はそれぞれ、多波長送信機、多波長受信機、光ファイバ、光増幅器、スペクトルスライサ、変調器、および本発明によるＳＦＳである。動作中、ＳＦＳの出力は、スペクトルスライサ４５によって、既知の方法で複数の波長チャネルにスペクトルがスライスされる。チャネル数およびチャネルのスペクトル幅は、スペクトルスライサの調節によって選択可能である。その後、チャネルは、変調器４６によってデータで符号化され、変調されたチャネルは光ファイバに送られ、光増幅器および受信機へ伝搬する。さらに詳細には、例えば、J. H. Han et al., Electronics Letters, Vol.31(12), pp.989-991 (1995)、を参照。
【００２２】
図５は、例示的な光位置検知システム５０の概略図である。光位置検知システム５０は、本発明によるＳＦＳ５１と、偏光子５２と、ファイバジャイロスコープ５３とを有する。本発明によるＳＦＳを使用することにより、一般に、位置検知システムの性能が改善される。広い帯域幅の光源を使用することにより、一般に、分解能が改善されるからである。さらに詳細には、例えば、R. A. Bergh et al., Optics Letters, Vol.6, pp.502-504 (1981)、を参照。
【００２３】
理解されるように、本発明によるＳＦＳの使用法は、上記の応用例には限定されず、本発明による高パワー広帯域幅ＳＦＳの使用から利益が得られるさまざまな使用法が考えられる。
【００２４】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、高パワー（例えば、１０ｍＷ以上）を提供することが可能な広帯域ＳＦＳ（例えば、±３ｄＢ点間で４０ｎｍ以上）が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による例示的な光源の概略図である。
【図２】本発明による例示的な光源の出力スペクトルを示す図である。
【図３】本発明による例示的な光コヒーレントトモグラフィシステムの概略図である。
【図４】本発明による例示的なスライススペクトル光ファイバ通信システムの概略図である。
【図５】本発明による例示的な光位置検知システムの概略図である。
【符号の説明】
１０  ＳＦＳ
１１  第１のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバ
１２  第２のＳＥ−ＲＥドープ光ファイバ
１３  光アイソレータ
１４  第１ポンプ光源
１５  第２ポンプ光源
１６  広帯域リフレクタ
１７  カプラ
１８  カプラ
１９  光アイソレータ
３０  光コヒーレントトモグラフィシステム
３１  ＳＦＳ
３２０  光ファイバ
３２１  光ファイバ
３３  ファイバカプラ
３４  基準ミラー
３５  検査（観察）対象物
３６  光検出器
３７  光学系
３８  光学系
４０  スライススペクトル光ファイバ通信システム
４１  多波長送信機
４２  多波長受信機
４３  光ファイバ
４４  光増幅器
４５  スペクトルスライサ
４６  変調器
４７  ＳＦＳ
５０  光位置検知システム
５１  ＳＦＳ
５２  偏光子
５３  ファイバジャイロスコープ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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