(57)【要約】【課題】  背景損失を抑えつつ、広帯域の蛍光スペクトルを発生することができる無機光学材料、光源、マイケルソン干渉計、及び光コヒーレントトモグラフィ装置、ならびに、広い利得帯域を有することができる光増幅器を提供する。【解決手段】  本発明による無機光学材料は、少なくとも１種類の希土類元素を含有し、無色であって、蛍光スペクトルの半値全幅が５０ｎｍより広いことを特徴とするものである。蛍光スペクトルの半値全幅がこのように広いため、この無機光学材料によって広帯域な蛍光を得ることが可能となる。また、例えばこの無機光学材料から発せられる蛍光スペクトルのピークでの波長がＣバンド付近である場合、この無機光学材料を含む光源を用いた干渉型光センサでは２０μｍ以下の分解能を実現することができる。さらに、この無機光学材料は無色であるため、背景損失を抑えることができる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１種類の希土類元素を含有し、無色であって、蛍光スペクトルの半値全幅が５０ｎｍより広いことを特徴とする無機光学材料。
【請求項２】
前記蛍光スペクトルの前記半値全幅が８０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の無機光学材料。
【請求項３】
９８０ｎm帯吸収スペクトルの半値全幅が２０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の無機光学材料。
【請求項４】
前記蛍光スペクトルの形状が、前記蛍光スペクトルのピークでの波長に対して略線対称であることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項記載の無機光学材料。
【請求項５】
前記蛍光スペクトルのピークでの波長と前記蛍光スペクトルの前記半値全幅の中心での波長との差である中心ずれが９ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項記載の無機光学材料。
【請求項６】
前記中心ずれが７ｎｍ未満であることを特徴とする請求項１〜５の何れか１項記載の無機光学材料。
【請求項７】
前記蛍光スペクトルが極小を有しないことを特徴とする請求項１〜６の何れか１項記載の無機光学材料。
【請求項８】
酸化物系であることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項記載の無機光学材料。
【請求項９】
請求項１〜８の何れか１項に記載の無機光学材料と、
前記無機光学材料に励起光を供給する励起光供給手段と、を備え、
前記励起光により励起状態とされた前記無機光学材料中の前記希土類元素から発生する蛍光を光増幅してＡＳＥ光を出力することを特徴とする光源。
【請求項１０】
請求項９に記載の光源から出力される前記ＡＳＥ光を第１分割光と第２分割光とに２分割するビームスプリッタと、
前記第１分割光の光路上に配置され、前記第１分割光の光路に対して平行に移動されるとともに、前記第１分割光の光路に沿った方向に前記第１分割光を反射させるミラーと、
前記第２分割光の光路上に配置され、前記第２分割光を反射させる反射体と、
前記ミラーで反射された前記第１分割光と前記反射体で反射された前記第２分割光とを前記ビームスプリッタで重ね合わせ干渉させることによって得られる干渉光を検出する光検出器と、
を備えることを特徴とするマイケルソン干渉計。
【請求項１１】
請求項１０に記載のマイケルソン干渉計を用いて、前記反射体の３次元断層画像を測定する光コヒーレンストモグラフィ装置。
【請求項１２】
入力端に入力した信号光を光増幅して出力端から出力する光増幅器であって、
信号光を光増幅する請求項１〜請求項８の何れか１項記載の無機光学材料からなる増幅媒体と、
前記増幅媒体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器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無機光学材料、この無機光学材料を含む光源、この光源を含むマイケルソン干渉計、このマイケルソン干渉計を用いる光コヒーレントトモグラフィ装置、及び前述の無機光学材料を含む光増幅器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
希土類元素を少なくとも一部に含有する無機光学材料は、その希土類元素を励起し得る波長の励起光が供給されることで希土類元素が励起状態とされ、そして、その希土類元素が励起状態から基底状態に戻る際に自然放出光（蛍光）を発生し、さらに、この自然放出光（蛍光）を光増幅してＡＳＥ光（Amplified Spontaneous Emission）を発生し、或いは、誘導放出現象により信号光を光増幅することができる。したがって、このような無機光学材料を用いることで、光源、光センサ、あるいは光増幅器が実現され得る。
【０００３】
光コヒーレンストモグラフィ装置（Optical Coherence Tomography；以下、ＯＣＴ装置という）など干渉を使った光センサ（以下、干渉型光センサという）の分解能ｐは、光源のピークでの波長（中心波長）をλＣ、線幅をΔλとすると、以下の（１）式で与えられる。
ｐ＝（２・ｌｎ（２）・π）・（λＣ２／Δλ）  …（１）
【０００４】
したがって、干渉型光センサでは、分解能を高めるために、広帯域の蛍光を発生し得る無機光学材料を含む光源を備えることが望ましい。そこで、広帯域の蛍光スペクトルを発生する無機光学材料を得るため、非特許文献１及び２において、種々の検討が行われている。
【非特許文献１】ＮＴＴエレクトロニクス技術資料（2004年5月作成）
【非特許文献２】電子情報通信学会論文誌C、Vol.J83-C、No.4、354ページ〜355ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、非特許文献１に開示された無機光学材料では、得られる蛍光の帯域が２０ｎｍと狭い。その結果、この無機光学材料を含む光源を備えた干渉型光センサの分解能は３７．３μｍと低い値になってしまう。一方、非特許文献２に開示された無機光学材料では、得られる蛍光の帯域が広く、これを含む光源を備えた干渉型光センサの分解能は高い。しかし、この光学材料は赤褐色なので、光源に含まれる場合、背景損失が大きくなってしまう。
【０００６】
また、光通信システム等において信号光を光増幅する場合、少ない台数の光増幅器を用いて広帯域の多波長信号光を光増幅できることが望ましい。そのため、光増幅器の利得帯域は広いことが望まれる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、背景損失を抑えつつ、広帯域の蛍光スペクトルを発生することができる無機光学材料、光源、マイケルソン干渉計、及び光コヒーレンストモグラフィ装置、ならびに、広い利得帯域を有することができる光増幅器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的を解決するために、本発明による無機光学材料は、少なくとも１種類の希土類元素を含有し、無色であって、蛍光スペクトルの半値全幅が５０ｎｍより広いことを特徴とする。この無機光学材料では発せられる蛍光スペクトルの半値全幅が５０ｎｍより広いため、広帯域な蛍光スペクトルを得ることが可能となる。また、例えばこの無機光学材料から発せられる蛍光スペクトルのピークでの波長がＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）付近である場合、この無機光学材料を含む光源を用いた干渉型光センサは、２０μｍ以下と高い分解能を実現することができる。さらに、この無機光学材料は無色であるため、光源に用いられる場合においても、背景損失を抑えることができる。
【０００９】
特に、蛍光スペクトルの半値全幅が８０ｎｍ以上であることが好ましい。この無機光学材料から発せられる蛍光スペクトルのピークでの波長が例えばＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）付近である場合、この無機光学材料を含む光源を用いた干渉型光センサは、１３μｍ以下の分解能を実現することができる。
【００１０】
また、９８０ｎm帯吸収スペクトルの半値全幅が２０ｎｍ以上であることが好ましい。これにより、広帯域な蛍光スペクトルを得ることが可能となる。
【００１１】
蛍光スペクトルの形状が、蛍光スペクトルのピークでの波長に対して略線対称であることがより好ましい。形状が略線対称の蛍光スペクトルは、Gauss関数に近いと考えることができる。そのため、この無機光学材料を含む光源を用いた干渉型光センサは高い分解能を実現することができる。
【００１２】
蛍光スペクトルのピークでの波長と蛍光スペクトルの半値全幅の中心での波長との差である中心ずれが９ｎｍ未満であることが好ましく、中心ずれが７ｎｍ未満であることが特に好ましい。中心ずれがこの程度まで小さければ、蛍光スペクトルはGauss関数に近いと考えることができる。そのため、この無機光学材料を含む光源を用いた干渉型光センサは高い分解能を実現することができる。
【００１３】
蛍光スペクトルが極小を有しないことが好ましい。このような無機光学材料を含む光源を用いることにより、干渉型光センサは高い分解能を実現することができる。
【００１４】
また、無機光学材料は酸化物系であることが好ましい。無機光学材料が酸化物系であれば、フッ化物系である場合と違って、耐水素特性や耐ハイパワー特性などが良好となる。したがって、この無機光学材料は、十分な信頼性を有することができる。
【００１５】
本発明による光源は、上記の無機光学材料と、無機光学材料に励起光を供給する励起光供給手段と、を備え、励起光により励起状態とされた無機光学材料中の希土類元素から発生する蛍光を光増幅してＡＳＥ光を出力することを特徴とする。広帯域の蛍光を発生する上記の無機光学材料を備えることで、この光源を用いた干渉型光センサは高い分解能を実現することが可能となる。また、この無機光学材料は無色であるため、光源における背景損失が抑えられる。特に、光源に含まれる無機光学材料が酸化物系である場合には、その無機光学材料は耐水素特性や耐ハイパワー特性などの点で十分な信頼性を有することが可能となる。
【００１６】
本発明によるマイケルソン干渉計は、上記の光源から出力されるＡＳＥ光を第１分割光と第２分割光とに２分割するビームスプリッタと、第１分割光の光路上に配置され、第１分割光の光路に対して平行に移動されるとともに、第１分割光の光路に沿った方向に第１分割光を反射させるミラーと、第２分割光の光路上に配置され、第２分割光を反射させる反射体と、ミラーで反射された第１分割光と反射体で反射された第２分割光とをビームスプリッタで重ね合わせ干渉させることによって得られる干渉光を検出する光検出器と、を備えることを特徴とする。このマイケルソン干渉計は、広帯域の蛍光を発生する上記の光源を備えることで、高い分解能を実現することが可能となる。特に、マイケルソン干渉計が備える光源に含まれる無機光学材料が酸化物系である場合には、その無機光学材料は耐水素特性や耐ハイパワー特性などの点で十分な信頼性を有することが可能となる。
【００１７】
本発明による光コヒーレンストモグラフィ装置は、上記のマイケルソン干渉計を用いて、反射体の３次元断層画像を測定することを特徴とする。上記のマイケルソン干渉計が備える干渉計では、広帯域なＡＳＥ光が出力されるため、上記マイケルソン干渉計を光コヒーレンストモグラフィ装置に用いることは好適である。また、この光コヒーレンストモグラフィ装置は、上記のマイケルソン干渉計を用いることで、高い分解能を実現することが可能となる。特に、光コヒーレンストモグラフィ装置が備える光源に含まれる無機光学材料が酸化物系である場合には、その無機光学材料は耐水素特性や耐ハイパワー特性などの点で十分な信頼性を有することが可能となる。
【００１８】
本発明による光増幅器は、入力端に入力した信号光を光増幅して出力端から出力する光増幅器であって、信号光を光増幅する上記の無機光学材料からなる増幅媒体と、増幅媒体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。入力端に入力した信号光は、増幅媒体において光増幅される。増幅媒体は上記の無機光学材料からなるものであるから、この光増幅器は広い利得帯域を有することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、広帯域の蛍光スペクトルを発生することができ、あるいは、広い利得帯域を有することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面とともに、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２１】
まず、本発明に係る無機光学材料の実施形態について説明する。本実施形態に係る無機光学材料は、少なくとも１種類の希土類元素を含有し、無色であって、蛍光スペクトルの半値全幅が５０ｎｍより広い。本実施形態に係る無機光学材料は、蛍光スペクトルの半値全幅が８０ｎｍ以上であることがより好適である。この無機光学材料に含まれる希土類元素としては、Ｐｒ元素，Ｎｄ元素，Ｔｍ元素，Ｄｙ元素，Ｅｒ元素、Ｙｂ元素などがあり、特にＥｒ元素が好適である。Ｅｒ元素を含む場合、光通信に一般に用いられる波長である１５００ｎｍ〜１６５０ｎｍ帯の信号光を光増幅する上で好ましい。
【００２２】
また、この無機光学材料は、蛍光スペクトルの形状が略線対称、すなわち、蛍光スペクトルがピークでの波長に対して線対称であることが好ましい。略線対称といえるための条件について、図６を参照して説明する。図６は、任意の蛍光スペクトルを示しており、横軸が波長を、縦軸がピーク時を１００％とした場合の規格化蛍光強度レベルを表す。略線対称である場合というのは、規格化蛍光強度レベルが２０〜１００％の範囲において、蛍光強度のピークでの波長と各規格化蛍光強度レベルでの中心波長との差（以下、中心波長差という）の絶対値が４ｎｍ以内であることをいう。規格化蛍光強度レベルでの中心波長とは、同じ規格化蛍光強度レベルの値を示す２つの波長の中心での波長（図６の矢印で指定された各波長範囲の中心での波長）をいう。
【００２３】
特に、この無機光学材料においては、蛍光スペクトルのピークでの波長と蛍光スペクトルの半値全幅の中心での波長との差である中心ずれが９ｎｍ未満であることが好ましく、７ｎｍ未満であることがより好ましい。中心ずれが小さいほど、蛍光スペクトルの形状は線対称に近いと考えられる。また、この無機光学材料は、蛍光スペクトルが極小を有しないことが好ましい。
【００２４】
さらに、この無機光学材料は酸化物系であることが好ましい。この場合、無機光学材料のホスト材料はＡｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２、Ｂ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ５、ＧａＴａＯ４、Ｓｂ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ５、Ｌａ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３などの酸化物を含有する。
【００２５】
本実施形態に係る無機光学材料から発せられる蛍光スペクトルの半値全幅は５０ｎｍより広いため、この無機光学材料によって広帯域な蛍光を得ることが可能となる。そのため、例えばこの無機光学材料から発せられる蛍光スペクトルのピークでの波長がＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）付近である場合、この無機光学材料を含む光源を用いた干渉型光センサは、２０μｍ以下の高い分解能を実現することが可能となる。また、この無機光学材料は無色であるため、光源に用いられる場合においても背景損失を抑えることができる。特に、発せられる蛍光スペクトルの半値全幅が８０ｎｍ以上であり、例えばピークでの波長がＣバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）付近である無機光学材料を含む光源を用いた干渉型光センサは、１３μｍ以下と非常に高い分解能を実現することができる。
【００２６】
また、形状が略線対称である場合、その蛍光スペクトルの形状はGauss関数の形状に近いと考えられる。したがって、この無機光学材料を含む光源を用いることにより、干渉型光センサは高い分解能を実現することが可能となる。
【００２７】
蛍光スペクトルにおける中心ずれが９ｎｍ未満と小さければ、この蛍光スペクトルはGauss関数に近いと考えることができる。特に、中心ずれが７ｎｍ未満であれば、この蛍光スペクトルはGauss関数により近いと考えられる。そのため、このように中心ずれの小さい蛍光スペクトルを発生する無機光学材料を含む光源を用いることにより、干渉型光センサは高い分解能を実現することができる。
【００２８】
その他、無機光学材料の蛍光スペクトルが極小を有しないことによっても、この無機光学材料を含む光源を用いた干渉型光センサの高分解能化を実現することができる。
【００２９】
さらに、この無機光学材料が酸化物系であれば、フッ化物系である場合と違って、耐水素特性や耐ハイパワー特性などが良好となる。したがって、この無機光学材料は、十分な信頼性を有することができる。
【００３０】
次に、少なくとも１種類の希土類元素を含有する無機光学材料の具体的なサンプルＡ〜Ｅについて説明する。サンプルＡ〜Ｅは、酸化物系の無機光学材料に対して、蛍光スペクトルの半値全幅が５０ｎｍより広い希土類元素を添加したものである。具体的には、サンプルＡのホスト材料は、９５mol％のＳｉＯ２及び５mol％のＴａ２Ｏ５を含む。サンプルＢのホスト材料は、９５mol％のＳｉＯ２及び５mol％のＢ２Ｏ３を含む。サンプルＣのホスト材料は、９５mol％のＳｉＯ２及び５mol％のＡｌ２Ｏ３を含む。サンプルＤのホスト材料は、９５mol％のＳｉＯ２及び５mol％のＧａ２Ｏ３を含む。サンプルＥのホスト材料は、９５mol％のＳｉＯ２及び５mol％のＧａＴａＯ４を含む。上記のホスト材料の組成は、希土類元素を含有する前の状態における組成を表している。サンプルＡ〜Ｅはいずれも、希土類元素であるＥｒ元素及びＹｂ元素を含む。すなわち、サンプルＡ〜Ｅそれぞれは、０.３ｍｏｌ％のＥｒ２Ｏ３、及び１ｍｏｌ％のＹｂ２Ｏ３を含む。これらのサンプルＡ〜Ｅそれぞれは、上記した組成比の試薬をシリカ管に充当し、１７００℃以上の都市ガスバーナーで１０分間以上過熱することによって作成される。こうして作成されたサンプルＡ〜Ｅはいずれも無色である。また、サンプルＣはガラス化し、残りのサンプルＡ、Ｂ、Ｄ、Ｅはガラスセラミック状態となる。
【００３１】
これらのサンプルＡ〜Ｅそれぞれに対して、波長９８０ｎｍの励起光を照射して蛍光強度を測定した。図１は、サンプルＡ〜Ｅの蛍光スペクトルを示す図である。図１のグラフＡはサンプルＡの蛍光スペクトルを、グラフＢはサンプルＢの蛍光スペクトルを、グラフＣはサンプルＣの蛍光スペクトルを、グラフＤはサンプルＤの蛍光スペクトルを、グラフＥはサンプルＥの蛍光スペクトルを表す。図１において、横軸は波長を、縦軸は蛍光のピーク値で規格化された強度を表している。図１に示されるように、サンプルＡ〜Ｅのうち、本願発明の技術的範囲に属するのは、サンプルＡ及びＥのみであり、以下サンプルＡ及びＥについて詳細に検討する。また、図１から理解されるように、サンプルＡ及びＥそれぞれは、Ｃバンド（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）を含む広い波長帯域で蛍光を発生し得る。
【００３２】
まず、サンプルＡの蛍光スペクトルについて検討する。図１のグラフＡに示すように、サンプルＡのピークでの波長は１５３３ｎｍであり、半値となる波長は１４８９ｎｍと１５７７ｎｍである。したがって、この蛍光スペクトルの半値全幅は８８ｎｍであり、このサンプルＡを含む光源を用いた干渉型光センサの分解能は（１）式より約１２μｍである。また、グラフＡは図１からわかるように、極小を有していない。
【００３３】
グラフＡで表される蛍光スペクトルの半値全幅の中心での波長は１５３３ｎｍであり、グラフＡのピークでの波長１５３３ｎｍと一致する。したがって、中心ずれは０ｎｍである。さらに、グラフＡのみ、ピーク部分に広がりのある帯域を有する。以上から、グラフＡはGauss関数ｆ（λ）（λは波長）に近い形状であるといえる。図２に、比較のため、サンプルＡの蛍光スペクトルとGauss関数とを示す。図２に示すGauss関数では、ピーク波長（中心波長）をサンプルＡの蛍光スペクトルでのピーク波長と一致させ、さらに分散値を５３としている。図２のグラフＡはサンプルＡの蛍光スペクトルを表し、グラフＧはGauss関数を表す。図２において、横軸は波長を、縦軸は蛍光のピーク値で規格化された強度を表している。ここで、グラフGで表したGauss関数ｆ（λ）は以下の（２）式で表される。
ｆ（λ）＝exp｛−（λ−１５３３）２／５３２｝  …（２）
【００３４】
再び図１を参照して、サンプルＥの蛍光スペクトルについて検討する。図１に示すように、サンプルＥのピークでの波長は１５３４ｎｍであり、半値となる波長は１５１４ｎｍと１５６６ｎｍである。したがって、この蛍光スペクトルの半値全幅は約５０ｎｍであり、このサンプルＥを含む光源を用いた干渉型光センサの分解能は（１）式より約２０．１μｍと僅かながら２０μｍを超える。また、グラフＥは図１からわかるように、極小を有していない。
【００３５】
グラフＥで表される蛍光スペクトルの半値全幅の中心での波長は１５４１ｎｍであり、グラフＥのピークでの波長１５３４ｎｍとの差、すなわち中心ずれは７ｎｍである。なお、グラフＣで表される蛍光スペクトルのピークでの波長は１５３２ｎｍで、半値となる波長は１５２０ｎｍと１５６２ｎｍである。したがって、サンプルＣの半値全幅の中心での波長は１５４１ｎｍであり、中心ずれは９ｎｍである。
【００３６】
また、サンプルＡ〜Ｅの蛍光スペクトルの線対称性について図７を参照して詳述する。図７の横軸は１００％を１とした規格化蛍光強度レベルを表し、縦軸は各規格化蛍光強度レベルでの中心波長差を表す。図７のグラフＡはサンプルＡを、グラフＢはサンプルＢを、グラフＣはサンプルＣを、グラフＤはサンプルＤを、グラフＥはサンプルＥを表す。図７から理解されるように、サンプルＡでは２０％〜１００％の規格化蛍光強度レベルにおいて、中心波長差は−２ｎｍ〜＋４ｎｍの範囲内、すなわち中心波長差の絶対値が４ｎｍ以内である。したがって、グラフＡで表される蛍光スペクトルは略線対称であるといえる。一方、サンプルＢあるいはサンプルＤでは、２０％〜１００％の規格化蛍光強度レベルにおいて、中心波長差は−５ｎｍ〜＋７ｎｍの範囲内である。
【００３７】
上記したサンプルは、Ｅｒ元素を共添加したＴａ／Ｓｉ系無機光学材料であるが、本発明による無機光学材料はこの特定の組成にのみ限定されるものではなく、塩基度や適度な結晶化といった諸条件が合えばＴｍ元素、Ｙｂ元素、Ｈｏ元素など異なる希土類元素を添加したものでもよい。また、サンプルＡ〜Ｅにおける無機光学材料の組成比は例示であり、ここで挙げられた組成比に限られるものではない。
【００３８】
一般に、無機光学材料にアルカリ元素（例えば、Ｌｉ元素、Ｎａ元素、Ｋ元素、Ａｌ元素など）を添加することによってガラス化を図ることが検討される。これらのアルカリ元素のうち最も安定してガラス化するＡｌ元素を添加した場合、つまりサンプルＣの場合を検討してみると、図１のグラフＣに示すように蛍光スペクトルは狭くなる。一般的に、ガラス形成能と蛍光広帯域化はトレードオフとなっている。即ち、Ｅｒ元素とＴａ元素が結合すればスペクトルは広がるが、その反面これらが添加された無機光学材料は結晶化し易くなる。アルカリ元素を無機光学材料に添加すると、Ｅｒ元素がこれらアルカリ元素に結合する（具体的には、アルカリ元素によって形成された非架橋酸素領域にＥｒ元素が存在する）ため、蛍光スペクトルの帯域がアルカリ元素添加前の無機光学材料での蛍光スペクトルの帯域と同じであろうとする傾向にある。特に、Ａｌ元素を添加するとＥｒ元素がＡｌ元素に結合してスペクトルは殆ど元通りの帯域となってしまう傾向がある。つまり、塩基度（K. Morinaga, et al., “Compositional dependence of absorption spectra of Ti in silicate, borate, and phosphate glasses”, J. Am. Ceram. Soc., vol.77, no.12, p.3113, 1994に記載の塩基度）が高い程にＥｒ／Ｔａ共添加無機光学材料の蛍光スペクトルは狭帯域化する傾向があり、塩基度は特定の値以下である事が好ましい。また、ガラス化し易いホスト材料としてボレート系、ガレート系などがある。
【００３９】
図３にＥｒＴａＯ４結晶の蛍光特性とサンプルＡの無機光学材料の蛍光特性とを示す。図３のグラフＡはサンプルＡの蛍光スペクトルを、グラフＨはＥｒＴａＯ４結晶の蛍光スペクトルを表す。図３において、横軸は波長を、縦軸は蛍光のピーク値で規格化された強度を表している。図３に示すように、グラフＨは複数のピークを有する。すなわち、結晶状態の無機光学材料では、蛍光スペクトルは複数のピークを発生してしまい、干渉型光センサの光源としても、あるいは複数の波長の信号を一括増幅するＷＤＭ光伝送用光増幅器としても好ましくない。
【００４０】
上記のサンプルＡ〜Ｅの他、少なくとも１種類の希土類元素を含有する無機光学材料の具体的なサンプルＰ〜Ｒについて説明する。具体的には、サンプルＰのホスト材料は、５３mol％のＢｉ２Ｏ３及び４７mol％のＢ２Ｏ３を含む。サンプルＱのホスト材料は、１００mol％のＺＢＬＡＮを含む。サンプルＲのホスト材料は、Ｔａ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３、及びＳｉＯ２を含む。上記のホスト材料の組成は、希土類元素を含有する前の状態における組成を表している。サンプルＰ〜Ｒはいずれも、希土類元素であるＥｒ元素を含む。すなわち、サンプルＰ及びＲはそれぞれ、０.３ｍｏｌ％のＥｒ２Ｏ３を、サンプルＱは０．５ｍｏｌ％のＥｒＦ３を含む。
【００４１】
図８に、これらのサンプルＰ〜Ｒ及びＡｌ元素を添加した通常ＥＤＦ（Erbium Doped Fiber）それぞれについて、９８０ｎｍ帯での吸収係数スペクトルを規格化したものを示す。図１のグラフＰはサンプルＰの規格化吸収係数スペクトルを、グラフＱはサンプルＱの規格化吸収係数スペクトルを、グラフＲはサンプルＲの規格化吸収係数スペクトルを、グラフＸは通常Ａｌ添加ＥＤＦ（以下、ＥＤＦという）の規格化吸収係数スペクトルを表す。図８において、横軸は波長を、縦軸は吸収係数スペクトルのピーク値で規格化された吸収係数を表している。
【００４２】
これらの規格化吸収係数スペクトルの半値全幅を比較すると、図８より一般に広帯域といわれるＢｉ系ガラスであるサンプルＰやＺＢＬＡＮガラスであるサンプルＱの半値全幅に比較し、ＥＤＦの方が２０ｎｍと広いことがわかる。９８０ｎｍ帯吸収係数スペクトルの半値全幅の広さ、及び１５３０ｎｍ帯ピークの蛍光及び吸収係数スペクトルの半値全幅の広さは、Ｅｒイオンの電気双極子の大きさのみから決定される。したがって、サンプルＰやＱでは、１５３０ｎｍ帯ピーク幅が狭くとも、磁気双極子モーメントで決まる１５４０〜１５６０ｎｍ帯の膨らみの部分との較差が小さいため、結果的に９８０ｎｍ帯吸収係数スペクトルの半値全幅の広さ及び１５３０ｎｍ帯ピークの蛍光及び吸収係数スペクトルの半値全幅の広さが広帯域になったと考えられる。一方、サンプルＲは、ＥＤＦと比較しても吸収係数スペクトルの半値全幅は２２ｎｍと広く、やはり幅広い１５３０ｎｍ帯ピークを持つ為に、広帯域化が実現できているものと考えられる。また、９８０ｎｍ帯吸収スペクトルが広ければ、使用できる励起波長の選択範囲の幅も広がり、無機光学材料を用いる光源等の装置の低価格化などが可能となる。
【００４３】
次に、本発明に係るＯＣＴ装置の実施形態について、図４を参照して説明する。図４は、本実施形態に係るＯＣＴ装置１の構成図である。ＯＣＴ装置１とは、光源１０とビームスプリッタ２０とミラー３０と光検出器５０とを備えたマイケルソン干渉計であり、マイケルソン干渉計の測定原理によって被検体４０の３次元断層画像を得る装置である。ＯＣＴ装置１による測定原理を簡単に説明する。光源１０から出力されたＡＳＥ光ＬＡがビームスプリッタ２０で２分割され、各分割光はそれぞれミラー３０及び被検体４０に照射される。ミラー３０及び被検体４０でそれぞれ反射された２つの分割光はビームスプリッタ２０において重ね合わせられ、干渉光ＬＣが得られる。この干渉光ＬＣを光検出器５０で検出してコンピュータ等で断層画像化することにより、被検体４０の３次元断層画像が得られる。
【００４４】
光源１０は、上記の無機光学材料からなる光導波路１１と、光導波路１１中の上記無機光学材料に励起光Ｌ０を供給する励起光供給手段１３とを備える。光源１０はさらに、レンズ１２、ＷＤＭフィルタ１４、及び光アイソレータ１５を備える。光源１０は、図４に示すように、逆方向励起方式、すなわち励起光Ｌ０が入射した光導波路１１の端面と同じ端面から励起光Ｌ０とは逆方向に進行するように出力されたＡＳＥ光ＬＡを光源１０の出力光とする方式をとる。
【００４５】
励起光源１３は、ＷＤＭフィルタ１４での反射を経、レンズ１２で光導波路１１の入射端面に集光されて希土類元素を励起し得る波長（例えば９８０ｎｍ）の励起光Ｌ０を光導波路１１に供給する。光導波路１１に含まれる希土類元素は、励起光Ｌ０が供給されることで励起状態とされ、励起状態から基底状態に戻る際に自然放出光（蛍光）を発生する。光導波路１１は、この自然放出光（蛍光）を光増幅してＡＳＥ光ＬＡを出力する。レンズ１２は、光導波路１１から出力されたＡＳＥ光ＬＡをコリメートする。ＷＤＭフィルタ１４は、コリメートされたＡＳＥ光ＬＡを透過する。すなわち、ＷＤＭフィルタ１４は、前述の励起光Ｌ０を反射し、ＡＳＥ光ＬＡを透過する。光アイソレータ１５は、光導波路１１から出力されたＡＳＥ光ＬＡをＷＤＭフィルタ１４から後述のビームスプリッタ２０に向かう方向に通過させるが、逆方向には光は通過させない。
【００４６】
ビームスプリッタ２０は、光アイソレータ１５通過後に入射したＡＳＥ光ＬＡを第１分割光Ｌ１と第２分割光Ｌ２とに２分割する。ＡＳＥ光ＬＡの光路上に配置されたビームスプリッタ２０は、ＡＳＥ光ＬＡの一部を反射させ、残りを透過させる。ビームスプリッタ２０で反射されたＡＳＥ光ＬＡを第１分割光Ｌ１とし、透過されたＡＳＥ光ＬＡを第２分割光Ｌ２とする。また、ビームスプリッタ２０は、後述のミラー３０で反射された第１分割光Ｌ１と後述の被検体４０で反射された第２分割光Ｌ２とを重ね合わせて干渉させる。
【００４７】
第１分割光Ｌ１を反射させるミラー３０は、第１分割光Ｌ１の光路上に配置される。ミラー３０は、入射する第１分割光Ｌ１の光路に沿った方向に第１分割光Ｌ１が反射されるように配置される。また、ミラー３０は、第１分割光Ｌ１の光路に対して平行に移動可能なように駆動装置（図示していない）に保持されている。
【００４８】
一方、第２分割光Ｌ２を反射させる反射体である被検体４０は、第２分割光Ｌ２の光路上に配置される。
【００４９】
光検出器５０は、ビームスプリッタ２０で第１分割光Ｌ１及び第２分割光Ｌ２を重ね合わせることによって得られる干渉光ＬＣを検出する。ＯＣＴ装置１は、検出された干渉光ＬＣを断層画像化するコンピュータ（図示を省略）を備え、被検体４０の３次元断層画像を得る。
【００５０】
ＯＣＴ装置１の動作について説明する。励起光源１３から出力された励起光Ｌ０は、ＷＤＭフィルタ１４及びレンズ１２を経て、光導波路１１へ供給される。光導波路１１に供給された励起光Ｌ０は、光導波路１１に含まれる希土類元素を励起する。励起状態にされた希土類元素が基底状態に戻る際に発生する自然放出光（蛍光）が光導波路１１において光増幅され、ＡＳＥ光ＬＡが得られる。光導波路１１で発生したＡＳＥ光ＬＡは励起光Ｌ０の入射光路に沿って光導波路１１から出力される。こうして出力されたＡＳＥ光ＬＡは、その後レンズ１２、ＷＤＭフィルタ１４、及び光アイソレータ１５を経て、ビームスプリッタ２０に入射し、第１分割光Ｌ１及び第２分割光Ｌ２に２分割される。
【００５１】
ビームスプリッタ２０で反射されたＡＳＥ光である第１分割光Ｌ１は、ミラー３０に入射し、そこで入射時の光路に沿った方向に反射され、ビームスプリッタ２０に戻される。一方、ビームスプリッタ２０を透過したＡＳＥ光である第２分割光Ｌ２は、被検体４０に照射される。照射された第２分割光Ｌ２は、前方・後方散乱を起こしながら被検体４０内を伝搬する。こうして被検体４０内を伝搬した散乱光のうち後方散乱光が、ビームスプリッタ２０に入射され、そこでミラー３０で反射された第１分割光Ｌ１と重ね合わせされる。
【００５２】
第１分割光Ｌ１及び第２分割光Ｌ２とが重ね合されて干渉されることにより得られる干渉光ＬＣが、光検出器５０で検出される。光検出器５０では、ビームスプリッタ２０とミラー３０との距離に等しい距離だけビームスプリッタ２０から離れた被検体４０内の点からの後方散乱光のみが選択的に干渉信号として検出される。ここで、ミラー３０は第１分割光Ｌ１の光路に沿った方向に移動可能である。ミラー３０を移動させることにより、被検体４０内において干渉信号が検出される散乱点の選択が第２分割光Ｌ２の光軸方向で可能となる。すなわち、ミラー３０の移動により被検体４０の深さ方向における測定点の走査が可能となる。光検出器５０で検出された干渉信号がその後、コンピュータ等で処理されることにより被検体４０の断層画像が得られる。
【００５３】
光源１０は、上記の無機光学材料を備える。したがって、光源１０から発せられるＡＳＥ光ＬＡは広帯域であり、ＯＣＴ装置の光源として好適である。さらに、ＯＣＴ装置１は、マイケルソン干渉計による測定原理を利用して被検体４０の３次元断層画像を得る。そのため、光源１０を用いたマイケルソン干渉計は、ＯＣＴ装置１に利用するのに非常に好適である。
【００５４】
また、このように広帯域の光を出力する光源１０を用いたＯＣＴ装置１は高い分解能を達成することができる。さらに、上記の無機光学材料は無色であるため、光源１０における背景損失が抑えられる。特に、光源１０に含まれる無機光学材料が酸化物系である場合には、その無機光学材料は耐水素特性や耐ハイパワー特性などの点で十分な信頼性を有することが可能となる。
【００５５】
例えば上記サンプルＡのようにGauss関数に近い形状の蛍光スペクトルを発生する無機光学材料を光源１０の光導波路１１が含む場合には、光導波路１１は自己相関ピークが１つだけであるような蛍光特性を有する。そのため、このような無機光学材料をＯＣＴ装置１のような干渉型光センサに用いるのは好適である。
【００５６】
光源１０の光導波路１１がガラスセラミックの無機光学材料からなる場合には、透過損失が必ずしも低く抑えられるとは限らないので逆方向励起が好適である。また、ＯＣＴ装置１のような構成では、ミラー３０によって反射された第１分割光Ｌ１が必然的に光源１０に戻ってしまうので、戻り光の影響で出力が変動しないよう光アイソレータ１５を挿入することが好適である。
【００５７】
次に、本発明に係る光増幅器の実施形態について、図５を参照して説明する。図５は、本実施形態に係る光増幅器６０の構成図である。光増幅器６０は、入力端６１に入力した信号光を光増幅して出力端６２から出力するものである。
【００５８】
光増幅器６０は、第１光増幅段７０及び第２光増幅段８０を備えた多段構成をとり、信号光経路上に光アイソレータ６３、第１光増幅段７０、利得等化器６５、第２光増幅段８０、及び光アイソレータ６４を順に備える。
【００５９】
第１光増幅段７０は、信号光経路上に光カプラ７１、増幅用光導波路７３、及び光カプラ７２を順に備え、第２光増幅段８０は、信号光経路上に光カプラ８１、増幅用光導波路８３、及び光カプラ８２を順に備える。
【００６０】
光増幅器６０の増幅媒体として機能する増幅用光導波路７３、８３それぞれは、上述した無機光学材料からなり、励起光及び信号光を導波し得るとともに、励起光が供給されることにより信号光を光増幅し得る。また、増幅用光導波路７３、８３は、信号光伝搬経路上に光学的に縦続接続されている。光アイソレータ６３、６４それぞれは、入力端６１から光出力端６２へ向かう順方向に光を通過させるが、逆方向には光を通過させない。光カプラ７１及び励起光源７４、光カプラ７２及び励起光源７５は、それぞれ増幅用光導波路７３に励起光を供給する励起光供給手段を構成している。光カプラ８１及び励起光源８４、光カプラ８２及び励起光源８５は、それぞれ増幅用光導波路８３に励起光を供給する励起光供給手段を構成している。利得等化器６５は、増幅用光導波路７３、８３の利得帯域において、増幅用光導波路７３、８３の利得スペクトルと略同形状の損失スペクトルを有していて、利得を等化するものである。
【００６１】
次に、光増幅器６０の動作を説明する。第１光増幅段７０では、励起光源７４から出力された励起光は、光カプラ７１を経て増幅用光導波路７３へ順方向に供給される。また、励起光源７５から出力された励起光は、光カプラ７２を経て増幅用光導波路７３へ逆方向に供給される。
【００６２】
第２光増幅段８０では、励起光源８４から出力された励起光は、光カプラ８１を経て増幅用光導波路８３へ順方向に供給される。また、励起光源８５から出力された励起光は、光カプラ８２を経て増幅用光導波路８３へ逆方向に供給される。
【００６３】
入力端６１に入力した信号光は、光アイソレータ６３及び光カプラ７１を経て増幅用光導波路７３に入力し、この増幅用光導波路７３において光増幅される。増幅用光導波路７３において光増幅された信号光は、光カプラ７２を経て利得等化器６５に入力する。利得等化器６５に入力された信号光は、利得等化器６５において波長に応じた損失を被った後、光カプラ８１を経て増幅用光導波路８３に入力し、この増幅用光導波路８３において光増幅される。増幅用光導波路８３において光増幅された信号光は、光カプラ８２及び光アイソレータ６４を経て出力端６２から出力される。
【００６４】
光増幅器６０の増幅用光導波路７３、８３は上記の無機光学材料からなるものであるから、この光増幅器６０は広帯域で利得を有することができる。
【００６５】
なお、本実施形態に係る光増幅器は２段の多段構成であるが、これに限定されることはなく例えば３段以上であっても、あるいは１段であってもよい。ただし、上記の無機光学材料のうち、蛍光スペクトルが略線対称であるものあるいは中心ずれが９ｎｍ未満であるものを用いている場合には、吸収断面積と誘導放出断面積の形状が非常に近く、反転分布が低い状態では正味利得を得にくいため、多段構成が好ましい。さらに、ホスト材料が必ずしもガラスではなく、背景損失が高い可能性があり一層正味利得が得にくいと考えられるため、反転分布を高く保つよう多段構成が好ましい。また、用途としては、反転分布を高く保ちやすいプリアンプが好適である。
【００６６】
本発明による無機光学材料、光源、マイケルソン干渉計、光コヒーレントトモグラフィ装置、及び光増幅器は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】無機光学材料の蛍光スペクトルを示す図である。
【図２】無機光学材料の蛍光スペクトルとGauss関数との比較を示す図である。
【図３】ＥｒＴａＯ４結晶の蛍光特性とサンプルＡの蛍光特性との比較を示す図である。
【図４】実施形態に係るＯＣＴ装置の構成図である。
【図５】実施形態に係る光増幅器の構成図である。
【図６】略線対称の蛍光スペクトルを説明するための図である。
【図７】無機光学材料の線対称性を示す図である。
【図８】無機光学材料の吸収係数スペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１…ＯＣＴ装置、１０…光源、１１…光導波路、１２…レンズ、１３…励起光源、１４…ＷＤＭフィルタ、１５…光アイソレータ、２０…ビームスプリッタ、３０…ミラー、４０…被検体、５０…光検出器、６０…光増幅器、６１…入力端、６２…出力端、６３、６４…光アイソレータ、６５…利得等化器、７０…第１光増幅段、８０…第２光増幅段、７１、７２、８１、８２…光カプラ、７３、８３…増幅用光導波路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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