(57)【要約】【課題】高い平均波長安定性及び信頼性を有するファイバー光源を提供する。【解決手段】安定した広帯域光ビームを放射するように構成される広帯域光源が提供される。その広帯域光源は、少なくとも１つの光ポンプ源と、偏光ビームコンバイナーを含む光学システムと、固体レーザー媒質とを含む。光学システムは、少なくとも１つの光ポンプ源のそれぞれ１つから、少なくとも１つの光ポンプビームを受信するように構成される。固体レーザー媒質は、光学システムの第１の出力から、実質的に無偏光のポンプビームを受信する。光学システムの第２の出力から、安定した広帯域増幅自然放出が出力される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
安定した広帯域光ビームを放射するように構成される広帯域光源（１０）であって、該広帯域光源は、
少なくとも１つの光ポンプ源（１００−１）と、
前記少なくとも１つの光ポンプ源のそれぞれ１つから、それぞれの少なくとも１つのポンプコヒーレンス長を有する少なくとも１つの光ポンプビーム（１８９）を受信するように構成される光学システム（１５）であって、該光学システムは、
実質的に５０％に近いタップ比を有する偏光保持スプリッター（１１０）であって、該偏光保持スプリッターは、それぞれの入力において前記少なくとも１つの光ポンプ源（１００−１）のそれぞれ１つから前記少なくとも１つの光ポンプビーム（１８９）を受信すると共に、実質的に等しい振幅及び偏光を有する第１及び第２の光ポンプビーム（１８９−Ａ）を出力するように構成され、該第１及び第２の光ポンプビームは、それぞれの第１及び第２の光路（１１６−１）に沿って伝搬し、該第１及び第２の光路のうちの一方は回転構成要素（１１６−２）を含み、該第１及び第２の光路は、前記少なくとも１つのポンプコヒーレンス長よりも大きな光路長差を有し、前記回転構成要素は、それぞれの第２及び第１の光学ポンプビームのうちの一方の偏光に対して該第１及び第２の光ポンプビームのうちの一方の偏光を回転させる、偏光保持スプリッターと、
前記第１及び第２の光路に沿ってそれぞれ伝搬する直交偏光した第１及び第２の光ポンプビームを受信し、実質的に無偏光のポンプビーム（１８８）を出力する偏光ビームコンバイナー（１２０）と、
前記実質的に無偏光のポンプビームを受信するように構成される波長分割マルチプレクサー結合器（１３０）と、
を含む、光学システムと、
前記光学システムの第１の出力（２２０−１）から前記実質的に無偏光のポンプビーム（１８８）を受信する固体レーザー媒質（１４０）と
を備え、安定した広帯域増幅自然放出（１９０）が、前記光学システムの第２の出力（２２０−２）から出力される、安定した広帯域光ビームを放射するように構成される広帯域光源。
【請求項２】
前記少なくとも１つの光ポンプ源は、
オン状態にあるときに、第１のポンプビーム（１８９）を第１の偏光において放射するための第１の光ポンプ源（１００−１）と、
オン状態にあるときに、第２のポンプビーム（１８９）を第２の偏光において放射するための第２の光ポンプ源（１００−２）とを備え、前記安定した広帯域増幅自然放出は、前記第１の光ポンプ源及び前記第２の光ポンプ源のうちの一方又は両方がオン状態にあるときに、前記光学システムの前記第２の出力（２２０−２）から出力され、前記第２の出力から出力される前記安定した広帯域増幅自然放出（１９０）は、前記第１の偏光及び前記第２の偏光とは無関係である、請求項１に記載の広帯域光源。
【請求項３】
前記第２の光ポンプ源（１００−２）は、前記第１の光ポンプ源（１００−１）が故障した場合、及び前記第１の光ポンプ源（１００−１）が劣化した場合のバックアップ光ポンプ源である、請求項２に記載の広帯域光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い平均波長安定性及び信頼性を有するファイバー光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
ファイバー光源（ＦＬＳ）は、他のコンパクト光源に比べて帯域幅が広く、電力が高く、平均波長安定性が相対的に良好であるので、干渉型光ファイバージャイロスコープ（ＩＦＯＧ）と共に広く用いられている。信頼性のあるポンプレーザーが開発され、出力電力及び波長制御が改良されるのに応じて、そのようなファイバー光源の信頼性及び安定性は、初めて開発されて以来、大幅に改善されてきた。しかしながら、代替不能の用途において、高性能のＩＦＯＧのＦＬＳ信頼性及び平均波長安定性を改善することが依然として要求されている。
【０００３】
ＦＬＳの信頼性は、ポンプレーザーの信頼性に大きく依存する。それゆえ、冗長なポンプ又はバックアップポンプを使用することによって、ＦＬＳの信頼性を大幅に高めることができる。バックアップポンプに対応する１つの構成では、２×２ファイバー結合器を用いて、２つのポンプレーザーの出力を合成し、利得媒質に送る。この構成は、結果として、シングルエンドポンピング方式が用いられるときに、ポンプ電力の半分を無駄にすることになる。別の構成では、効率を改善するためにデュアルエンドポンピング方式が用いられるが、これらの構成は、２×２結合器の電力分割比の変化の影響を受けやすいことに起因して、結果として波長安定性が低下する。
【０００４】
ポンプレーザー出力及びポンプ波長の変動を厳密に制御した後であっても、ＦＬＳ平均波長において実質的に数十ｐｐｍ（parts per million）の不安定があるのが一般的である。このＦＬＳ波長不安定は、シングルモードエルビウムドープファイバー（ＥＤＦ）内のポンプレーザー偏光状態が不安定であることに起因する、ＥＤＦ内の偏光ホールバーニング効果に由来する。この効果を低減するために、従来技術において、ファイバー偏光解消子（デポラライザー）によってポンプ光の偏光を解消すること、及び偏光保持（ＰＭ）ＥＤＦを使用することが提案されている。等しい電力及び直交する偏光状態を有する２つのポンプレーザーの偏光多重化が提案された。しかしながら、この方式は、平均波長不安定を低減するために、偏光状態及び電力に関して厳しい要件を有する２つのポンプレーザーを同時に動作させる必要がある。この方式において、一方のポンプがバックアップとして用いられる場合には、起動されるポンプだけが偏光を解消されないことになり、結局、ＥＤＦの偏光ホールバーニングに起因して、ＦＬＳ波長が不安定になる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高い平均波長安定性及び信頼性を有するファイバー光源を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、安定した広帯域光ビームを放射するように構成される広帯域光源に関する。その広帯域光源は、少なくとも１つの光ポンプ源と、偏光ビームコンバイナーを含む光学システムと、固体レーザー媒質とを含む。光学システムは、少なくとも１つの光ポンプ源のそれぞれ１つから、それぞれ少なくとも１つのポンプコヒーレンス長を有する少なくとも１つの光ポンプビームを受信するように構成される。固体レーザー媒質は、光学システムの第１の出力から、実質的に無偏光のポンプビームを受信する。光学システムの第２の出力から、安定した広帯域増幅自然放出が出力される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明による広帯域光源の一実施形態を示す図である。
【図２】本発明による広帯域光源の一実施形態を示す図である。
【図３】本発明による、集積マイクロ光学デバイスを含む、広帯域光源の一実施形態を示す図である。
【図４】本発明による、広帯域光源において用いるための集積マイクロ光学デバイスの一実施形態を示す図である。
【図５】本発明による、安定した平均波長を有する広帯域増幅自然放出を生成する方法の一実施形態の流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
一般的に行なわれているように、示される種々の機構は縮尺通りに描かれるのではなく、本発明に関連する特徴を強調するように描かれる。図面及び本文全体を通して、類似の参照符号は類似の構成要素を表す。
【０００９】
本明細書において記述される広帯域光源は、効率的なポンプレーザーバックアップ方式によって信頼性を改善できるようにしながら、利得媒質内のポンプ偏光の変動の影響を受けにくくすることによって、非常に安定した平均波長を有する光を生成するように構成される。この実施形態の１つの実施態様では、広帯域光源は、超蛍光ファイバー光源（superfluorescent fiber source、ＳＦＳ）のようなファイバー光源（ＦＬＳ）である。本明細書において記述される広帯域光源は、光ファイバージャイロスコープ（ＦＯＧ）の用途又は安定した広帯域光源を必要とする他の用途において、光源として用いることができる。本明細書において記述される安定した広帯域光源は、安定した広帯域光ビームを放射し、その光ビームは、安定した広帯域増幅自然放出とも呼ばれる。
【００１０】
図１及び図２は、本発明による広帯域光源の実施形態を示す。図１は広帯域光源１０を示す。広帯域光源１０（本明細書では「ファイバー光源１０」とも呼ばれる）は、少なくとも１つの光ポンプ源１００−１と、光学システム１５と、終端素子１５１によって終端されるドープ光ファイバー１４０とを含む。図１に示される例示的なファイバー光源１０は、信頼性を高めるために２つの光ポンプ源１００（１−２）を備える。ポンプ源のうちの一方は、デバイス故障又はデバイス劣化の場合にバックアップユニットとしてることができる。代替的には、各ポンプ源１００（１‐２）の寿命を著しく長くできるように、両方のポンプ源１００（１−２）を、低い駆動電流において同時に動作させることができる。いずれの場合でも、光ポンプ電力は無駄にされない。図１に示される例示的な光学システム１５は、ドープファイバー１４０を励起するためのポンプビームを方向付け、予め調整するために用いられるシステムである。
【００１１】
光学システム１５は、実質的に５０％に近いタップ比を有する２×２偏光保持（ＰＭ）結合器１１０（たとえば、光電力のうちの約５０％が第１の出力１１６−１に送信され、光電力のうちの約５０％が第２の出力１１６−２に送信される）と、偏光ビームコンバイナー（ＰＢＣ）１２０と、光学波長分割マルチプレクサー（ＷＤＭ）結合器１３０とを含む。２×２偏光保持（ＰＭ）結合器１１０は、本明細書において「偏光保持スプリッター１１０」とも呼ばれる。ドープ光ファイバー１４０は、光ポンプビームによってポンピングされるときに所望のスペクトル帯域幅を有する増幅された自然放出（ＡＳＥ）を生成する特性を有する固体レーザー利得媒質１４０である。ドープ光ファイバー１４０の代わりに、他のタイプの固体レーザー媒質を実装することができる。
【００１２】
光ポンプ源１００（１−２）は、図面において１８９の数字を付されたベクトルとして示されるポンプビームを出力し、そのビームは、ポンプ波長λｐを実質的に中心とする光学スペクトルを有する光ビームである。光ビームのスペクトル幅（帯域幅）は通常、半値全幅（ＦＷＨＭ）として定義される。用語「光ポンプビーム」及び「ポンプビーム」は、本明細書において交換可能に用いられる。用語「光ビーム」及び「ビーム」は、本明細書において交換可能に用いられる。通常、光ポンプ源１００（１−２）のようなレーザー源から放射される光ビームは直線偏光される。本明細書において定義されるとき、通常のポンプ帯域幅は実質的に１ナノメートルの数分の一から数ナノメートルである。光ビーム１８９は、ポンプコヒーレンス長を有する。本明細書において定義されるとき、ポンプコヒーレンス長は、光路に沿って伝搬する光ポンプビーム１８９の光コヒーレンス長である。光コヒーレンス長は約ＬＯＣ＝ｃ／４πΔｆである。ただし、ｃは光の速さであり、Δｆは光ポンプビームの帯域幅である。
【００１３】
ドープ光ファイバー１４０が、平均自然放出波長λＡＳＥ（本明細書において、「平均波長λＡＳＥ」及び「自然放出波長λＡＳＥ」とも呼ばれる）上に確実に位置する広い波長範囲（広い帯域幅）において光を両方向に放射するように、ポンプビームはドープ光ファイバー１４０内のドーパント（通常、希土類元素イオン）を励起する。広帯域光源の平均波長λＡＳＥは、式（１）に示されるように、光源電力スペクトルにわたって重み付けされる平均波長である。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
ただし、λ１及びλ２は、そのスペクトル範囲内の最小波長及び最大波長である。本明細書において定義されるとき、広い帯域幅は、約数十ナノメートルである。この実施形態の１つの実施態様では、大きな波長は、１５５０ｎｍの自然放出波長λＡＳＥの場合に、３０ｎｍ（ＦＷＨＭ）よりも大きい。広いスペクトル範囲において放射される光ビームは、本明細書において、広帯域光ビームと呼ばれる。本明細書において定義されるとき、広帯域増幅自然放出の平均波長λＡＳＥが、その平均波長λＡＳＥの数ｐｐｍ未満しか変化しないときに、その広帯域増幅自然放出は、安定した広帯域光ビームと見なされる。終端素子１５１は、自然放出波長λＡＳＥを包含する波長範囲において、ドープファイバーの一端から放射される光を吸収する。
【００１６】
２×２ＰＭ結合器１１０、偏光ビームコンバイナー（ＰＢＣ）１２０及びＷＤＭ結合器１３０はそれぞれ、光ポンプ源１００（１−２）によって放射される光のポンプ波長λｐを包含する動作波長範囲を有する。ポンプ、２×２ＰＭ結合器及びＰＢＣを接続する全てのファイバーは偏光保持（ＰＭ）ファイバーである。２×２ＰＭ結合器は、特定の比（この実施形態の場合、理想的には５０−５０％）に従って、２つの入力ファイバー２００（１−２）のうちのいずれかからの入力光の電力を分割し、その電力を個々の光ビーム１８９（Ａ−Ｂ）として出力ファイバー１１６（１−２）内に送る。ポンプレーザーが直線偏光され、ＰＭ光ファイバー２００−１又は１００−２の偏光軸のうちの一方に沿って主に結合される場合には、光ファイバー１１６（１−２）からの出力光も、１つの偏光軸に沿って主に直線偏光される。ＰＭ光ファイバー２００−１及び１００−２は、光ビーム１８９のポンプコヒーレンス長よりも大きな長さだけ、光路長が異なる。
【００１７】
第１の光ファイバー１１６−１のＰＭファイバー軸を、第２の光ファイバー１１６−２のＰＭファイバー軸に対して９０度だけ回転させることによって、かつ２つの光路間に光学遅延を加えることによって、偏光ビームコンバイナー１２０は、直交する偏光状態にある２つの入力ビームを合成し、１つの無偏光の出力ビーム１８８（２つの直交する偏光状態の等しい量の光を含む）を生成する。この無偏光の光１８８は、ＷＤＭ結合器１３０によって、ドープ光ファイバー１４０をポンピングするように方向付けられる。偏光されたポンプビームを無偏光のビームに変換することは、ＦＬＳ平均波長がドープファイバー１４０内のポンプビーム偏光の変動に対する影響を受けにくくするのに好都合である。
【００１８】
ドープ光ファイバー１４０において生成される無偏光の自然放出１９０は、安定した平均波長λＡＳＥを有し、ＷＤＭ結合器１３０に出力され、ＷＤＭ結合器は、安定した広帯域増幅自然放出（ＡＳＥ）１９０をファイバー光源１０の出力ファイバー１６０に送る。この安定した広帯域増幅自然放出１９０は、光ファイバージャイロスコープ、又は非常に安定した広帯域光源を必要とする別の構成要素／システムのような、外部構成要素１９５に入力される。
【００１９】
安定した広帯域ＡＳＥ１９０のスペクトル形状は時間が経過しても変化しない。光ポンプ源１００（１−２）のいずれがドープ光ファイバー１４０をポンピングしているかにかかわらず、安定した広帯域ＡＳＥ１９０のスペクトル形状が実質的に同じままであるように、ポンプレーザー１００（１−２）は実質的に同じ波長及び線幅を有するように選択される。この実施形態の１つの実施態様では、安定した広帯域ＡＳＥ１９０は、従来の波長帯（Ｃバンド１５２５ｎｍ〜１５６５ｎｍ）内にある。この実施形態の別の態様では、安定した広帯域ＡＳＥ１９０は、長い波長帯（Ｌバンド１５６５ｎｍ〜１６０５ｎｍ）内にある。
【００２０】
光ポンプ源１００（１−２）はそれぞれファイバーピグテール２００（１−２）を含み、ファイバーピグテールは、光ポンプ源１００（１−２）からの光を結合するように構成される。５０／５０  ２×２ＰＭ結合器１１０は、入力ポート１１１において２つの入力ファイバー１１５（１−２）に、そして出力ポート１１２において２つの出力ファイバー１１６（１−２）に結合される本体１１３を有する。この実施形態の１つの実施態様では、本体１１３、２つの入力ファイバー１１５（１−２）及び２つの出力ファイバー１１６（１−２）は２つのファイバーから形成され、それらのファイバーを融合して、必要とされる５０／５０の偏光に依存しないカップリングを提供する。光ポンプ源１００−１のファイバーピグテール２００−１は、スプライス２０５−１によって５０／５０  ２×２ＰＭ結合器１１０の入力ファイバー１１５−１に結合され、光ポンプ源１００−２のファイバーピグテール２００−２は、スプライス２０５−２によって、５０／５０  ２×２ＰＭ結合器１１０の入力ファイバー１１５−２に結合される。
【００２１】
偏光保持結合器１１０は、少なくとも１つの入力１１５−１及び／又は１１５−２においてそれぞれ光ポンプ源１００−１及び／又は１００−２から少なくとも１つの光ポンプビームを受信し、実質的に等しい振幅及び偏光を有する第１の光ポンプビーム１８９−Ａ及び第２の光ポンプビーム１８９−Ｂを出力する。偏光保持スプリッター１１０は、図１において、５０／５０  ２×２ＰＭ結合器１１０として示されており、その結合器は、入力ビームの偏光状態を保持しながら、入力光ビームの振幅を約５０％のタップ比で分割する。こうして、入力光電力の偏光にかかわらず、光電力の実質的に５０％が各出力ファイバー１６６（１−２）に出力される。
【００２２】
このようにして、光ポンプビームは、第１の光ポンプビーム１８９−Ａ及び第２の光ポンプビーム１８９−Ｂになった。第１の光ポンプビーム１８９−Ａ及び第２の光ポンプビーム１８９−Ｂはそれぞれ第１の光路及び第２の光路に沿って伝搬し、その光路は図１において光ファイバー１１６−１及び１１６−２として示される。第１の光路１１６−１及び第２の光路１１６−２のうちの一方は回転構成要素を含み、その構成要素は第１の光ポンプビーム１８９−Ａ及び第２の光ポンプビーム１８９−Ｂの偏光をそれぞれ、第２の光ポンプビーム１８９−Ｂ及び第１の光ポンプビーム１８９−Ａの偏光に対して９０度だけ回転させる。図１に示されるように、回転構成要素は出力ファイバー１１６−２である。このようにして、偏光ビームコンバイナー１２０は、第１の光路１１６−１及び第２の光路１１６−２に沿って伝搬する直交偏光された振幅の等しい第１の光ポンプビーム１８９−Ａ及び第２の光ポンプビーム１８９−Ｂを受信し、それらの光路は、第１の光ポンプビーム１８９−Ａ及び第２の光ポンプビーム１８９−Ｂのポンプレーザーコヒーレンス長よりも大きな光路長差を有する。
【００２３】
偏光ビームコンバイナー（ＰＢＣ）１２０は、２つの直交する偏光ビームを合成し、実質的に無偏光のポンプビーム１８８を形成し、そのビームは光ファイバー１１８に結合される。実質的に無偏光のポンプビーム１８８（本明細書において、「無偏光ポンプビーム１８８」とも呼ばれる）は、図面において、数字１８８を付されたベクトルとして示される。当該技術分野において既知であるように、ｚ方向において伝搬する無偏光の光ビームの場合に、１つの方向における電界、たとえば、Ｅｘの振幅は、直交する方向における電界、たとえば、Ｅｙの振幅に等しい。光ファイバー１１８からの出力は、ＷＤＭ結合器１３０に結合される。ＷＤＭ結合器１３０は、ポンプ波長λｐの光を、光ファイバー１１８からＷＤＭ結合器１３０の第１の光ファイバーアーム２２０−１に送信するように構成される。ＷＤＭ結合器１３０の第１の光ファイバーアーム２２０−１は、本明細書において、光学システム１０の第１の出力２２０−１とも呼ばれる。光ファイバー１１８、第１及び第２の光ファイバーアーム２００（１−２）及びドープ光ファイバー１４０のような、広帯域光源１０内のファイバーは、偏光保持ファイバーではない。
【００２４】
ＷＤＭ結合器１３０は、光ファイバー１１８から受信されたビームを第１の光ファイバーアーム２２０−１に結合する。この実施形態の１つの実施態様では、ＷＤＭ結合器は、λＡＳＥとλｐとの間に少なくとも２０ｄＢの消光率を有し、それゆえ、偏光ビームコンバイナー１２０からＷＤＭ結合器１３０に入力される光電力のうちの１％未満しか、ＷＤＭ結合器１３０の第２の光ファイバーアーム２２０−２に送られない。ＷＤＭ結合器１３０の第２の光ファイバーアーム２２０−２は、本明細書において、光学システム１０の第２の出力２２０−２とも呼ばれる。
【００２５】
第１の光ファイバーアーム２２０−１は、第１の端部においてドープ光ファイバー１４０に結合され、その場所が矢印１４１によって示される。この実施形態の１つの実施態様では、第１の光ファイバーアーム２２０−１は、ドープ光ファイバー１４０の第１の端部１４１に接合される。この実施形態の別の実施態様では、第１の光ファイバーアーム２２０−１は、ドープ光ファイバー１４０の第１の端部１４１に融合される。
【００２６】
ポンプ波長λｐにおける実質的に無偏光の（偏光を解消された）ポンプビーム１８８は、ドープ光ファイバー１４０内のドーパントを刺激し、それらのドーパントは、平均自然放出波長λＡＳＥ上に位置する安定した広帯域ＡＳＥ１９０を生成する。無偏光ポンプビーム１８８によってドープ光ファイバー１４０内に偏光ホールバーニング効果は生じないので、生成された広帯域ＡＳＥ１９０の平均波長λＡＳＥは経時的に安定している。このようにして、安定した波長を有する広帯域ＡＳＥ１９０は、ドープ光ファイバー１４０から両方向に放射される。ドープ光ファイバー１４０の第２の端部１４２に結合される、終端ファイバー１５１のような終端素子１５１は、第２の端部１４２から出力される広帯域ＡＳＥ１９０を吸収する。
【００２７】
ＷＤＭ結合器１３０は、第１の光ファイバーアーム２２０−１から後方に伝搬する広帯域ＡＳＥ１９０を第２の光ファイバーアーム２２０−２に方向付けるように構成される。ＷＤＭ結合器１３０の第２の光ファイバーアーム２２０−２は、本明細書において、光学システム１０の第２の出力２２０−２とも呼ばれる。この実施形態の１つの実施態様では、ＷＤＭ結合器は、λＡＳＥとλｐとの間に少なくとも２０ｄＢの消光率を有し、それゆえ、広帯域ＡＳＥ１９０のうちの１％未満しか、第１の端部１４１から光ファイバー１１８に送信されない。
【００２８】
この実施形態の１つの実施態様では、光ポンプ源１００−１はオン（本明細書においてオン状態とも呼ばれる）であり、光ポンプ源１００−２はオフ（本明細書においてオフ状態とも呼ばれる）である。この実施形態では、第２の光ポンプ源１００−２は、第１の光ポンプ源１００−１が故障又は劣化した場合のバックアップ光ポンプ源である。第１の光ポンプ源１００−１を監視するための光検出器９６が存在する場合もある。光ポンプ源１００−１の故障、劣化又は誤動作のインジケーターがあるとき、光ポンプ源１００−１に代わって、バックアップ光ポンプ源１００−２がオンにされる。この実施形態の別の実施態様では、光ポンプ源１００−１はオフであり、光ポンプ源１００−２はオンであり、第１の光ポンプ源１００−１が第２の光ポンプ源１００−２が故障又は劣化した場合のバックアップ光ポンプ源である。この場合には、第２の光ポンプ源１００−２のための監視用光検出器が存在する。
【００２９】
この実施形態のさらに別の実施態様では、デュアルポンプ構成において、両方の光ポンプ源１００−１及び１００−２がオンである。光ポンプ源１００（１−２）がいずれも低レベルの動作電流で駆動される場合には、デュアルポンプ構成は、光ポンプ源１００（１−２）の寿命を延ばす。光ポンプ源１００（１−２）がいずれも相対的に高いレベルの動作電流で駆動される場合には、デュアルポンプ構成は、広帯域光源１０の出力を増加させる。
【００３０】
この実施形態の１つの実施態様では、光ポンプ源１００（１−２）は、端面発光ダイオード（edge emitting diode）又は垂直共振器型面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）ダイオードのようなレーザーダイオードである。この実施形態の別の実施態様では、光ポンプ源１００（１−２）は、約９８０ｎｍ又は１４８０ｎｍの波長を有する光を生成し、ドープ光ファイバー１４０は、実質的に波長１５５０ｎｍを中心にして広帯域ＡＳＥ１９０を放射する、エルビウム（Ｅｒ３＋）希土類元素をドープされた二酸化シリコンファイバーである。そのようなドープ光ファイバー１４０は、本明細書において、Ｅｒドープファイバー（ＥＤＦ）とも呼ばれる。この場合、ＷＤＭ結合器１３０は、自然放出波長１５５０ｎｍから９８０ｎｍのポンプ波長を分離するように構成される。この実施形態のさらに別の実施態様では、ＷＤＭ結合器１３０は、１５２０ｎｍの波長よりも上の光を反射する。この実施形態のさらに別の実施態様では、ドープ光ファイバー１４０は、ネオジム（Ｎｄ３＋）希土類元素をドープした二酸化シリコンファイバーである。この実施形態のさらに別の実施態様では、ドープ光ファイバー１４０は、エルビウム−イットリウムコドープファイバー（co-doped fiber）（ＥＹＤＦ）である。
【００３１】
図２は、広帯域光源１１を示しており、その光源では、ドープ光ファイバー１４０が、複光路（double pass）増幅自然放出源として構成される。広帯域光源１１（本明細書において、ファイバー光源１１とも呼ばれる）は、２つの光ポンプ源１００（１−２）と、実質的に５０％のタップ比を有する２×２偏光保持（ＰＭ）結合器１１０と、偏光ビームコンバイナー（ＰＢＣ）１２０と、波長分割マルチプレクサー（ＷＤＭ）結合器１３０と、反射体１５２によって終端されるドープ光ファイバー１４０とを備える。したがって、広帯域光源１１は、広帯域光源１０とは異なり、終端素子１５１の代わりに反射体１５２が用いられる。反射体１５２は、前方に伝搬する（第２の端部１４２に向かって伝搬する）広帯域ＡＳＥ１９０を後方に反射し、第１の端部１４１から出力されるようにする。この反射される広帯域ＡＳＥ１９０は、ドープ光ファイバー１４０を２度目に通って、ＷＤＭ結合器１３０まで伝搬する。ドープ光ファイバー１４０は、広帯域ＡＳＥ波長において利得を示すので、広帯域ＡＳＥ１９０は、ドープ光ファイバー１４０を２度目に通る際にさらに増幅される。このようにして、広帯域ＡＳＥ１９０の電力（増幅）が増加する。２度通る際に、広帯域ＡＳＥ１９０は無偏光のままであり、ドープ光ファイバー１４０における偏光ホールバーニングは存在しない。この実施形態の１つの実施態様では、ドープ光ファイバー１４０の長さ及びドーパントレベルは、広帯域ＡＳＥ平均波長が光ポンプ電力の変動から受ける影響を最小限に抑えるように選択される。この場合、光ポンプビーム１８０は、全てが広帯域ＡＳＥ１９０に変換されるとは限らない場合がある。図１に示される事例では、終端ファイバー１５１が、ドープ光ファイバー１４０の第２の端部１４２に達する光ポンプビーム１８０を吸収する。図２に示される実施形態の場合、反射体１５２は残留ポンプビームを反射してドープ光ファイバー１４０に戻しても、戻さなくてもよい。
【００３２】
図３は、本発明による、集積マイクロ光学デバイス２０を含む、広帯域光源１２の一実施形態を示す。集積マイクロ光学デバイス２０は、本明細書において、光学システム２０とも呼ばれ、図４においてさらに詳細に示される。図３に示されるように、集積マイクロ光学デバイス２０は、光ポンプ源１００−１又は１００−２の少なくとも一方からポンプ波長λｐにおいてポンプビーム１８９を受信するように結合される。図３に示されるように、光ポンプ源１００−２はオフ状態にあり、光ポンプ源１００−１はオン状態にある。この実施形態の１つの実施態様では、光ポンプ源１００−１はオフ状態にあり、光ポンプ源１００−２はオン状態にある。この実施形態の別の実施態様では、光ポンプ源１００（１−２）はいずれもオン状態にある。
【００３３】
光ビーム１８９が、光ポンプ源１００−１から、ファイバーピグテール２００−１を介して、集積マイクロ光学デバイス２０の入力に結合される。実質的に無偏光のポンプビーム１８８が、集積マイクロ光学デバイス２０から出力され、第１の光ファイバーアーム２２０−１を介して、ドープ光ファイバー１４０に結合される。図１を参照しながら上記で説明されたように、ポンプ波長λｐはドープ光ファイバー１４０内のドーパントを刺激し、自然放出波長λＡＳＥ上に位置する安定した広帯域ＡＳＥ１９０が、後方に向かって集積マイクロ光学デバイス２０に結合される。終端ファイバー１５１は、ドープ光ファイバー１４０の第２の端部１４２に結合されており、第２の端部１４２から出力される広帯域ＡＳＥ１９０を吸収する。この実施形態の１つの実施態様では、反射体１５２（図２において示される）がドープ光ファイバー１４０の第２の端部１４２にある。
【００３４】
図４は、本発明による、広帯域光源１３（本明細書において、ファイバー光源１３とも呼ばれる）において用いるための集積マイクロ光学デバイス２０の一実施形態を示す。集積マイクロ光学デバイス２０は、第１及び第２の偏光保持ファイバー２０１（１−２）の一方又は両方を介して、光ポンプ源１００（１−２）の一方又は両方から偏光ポンプビーム１８７を受信するように構成される光学構成要素を含む。集積マイクロ光学デバイス２０内の光学構成要素は、第３の偏光保持ファイバー２０１−３を介してドープ光ファイバー１４０への入力として無偏光光学ポンプビーム１８８を出力し、かつ第４の偏光保持ファイバー２０１−４を介して、集積マイクロ光学デバイス２０から広帯域ＡＳＥ１９０を出力するようにさらに構成される。集積マイクロ光学デバイス２０内の全ての光学構成要素は、ポンプ波長において、かつ／又は広帯域ＡＳＥ１９０の波長において動作可能である。この実施形態の１つの実施態様では、ドープ光ファイバー１４０の代わりに、結晶固体レーザー媒質が用いられる。
【００３５】
第１の偏光保持ファイバー２０１−１は、第１の光ポンプ源１００−１から偏光ポンプビーム１８７を受信し、その偏光ポンプビームを第１のレンズ４１１に入射させるよう方向付けるように構成される。第２の偏光保持ファイバー２０１−２は、第２の光ポンプ源１００−２から偏光ポンプビーム１８７を受信し、その偏光ポンプビームを第２のレンズ４１２に入射させるよう方向付けるように結合される。光ポンプ源１００−１及び１００−２の両方がオン状態で示されるが、広帯域光源１３が動作するためには、光ポンプ源１００−１又は１００−２の一方だけがオン状態であればよい。この実施形態の１つの実施態様では、ポンプ源は半導体レーザーであり、垂直偏光及び水平偏光の場合の導波路の共振器利得差に起因して、直線偏光ビームを生成する。当該技術分野において既知であるように、ｓ偏光ビームの電界ベクトルは入射面に対して垂直であり、ｐ偏光ビームの電界ベクトルは入射面に対して平行である。図４に示される例示的な実施形態の場合、光ポンプ源１００−１及び／又は１００−２は、第１の偏光保持ファイバー２０１−１及び／又は第２の偏光保持ファイバー２０１−２にそれぞれｐ偏光ポンプビームを与えるように構成される。この実施形態の１つの実施態様では、第１及び第２の偏光保持ファイバー２０１（１−２）は、図４に示されるように、直交するように配置されるのではなく、図３における光ファイバー２００（１−２）と同じように互いに平行である。この場合、当業者が本明細書を読み、理解すれば理解可能であるように、光ビームのうちの一方がレンズ４１１に向けられ、他方の光ビームが直交するように配置されるレンズ４１２に向けられるように、集積マイクロ光学デバイス２０に付加的なミラーが追加される。
【００３６】
第１のレンズ４１１は、第１の偏光保持ファイバー２０１−１からポンプビーム１８７を受信し、そのポンプビーム１８７を５０／５０偏光不感（polarization-insensitive）ビームスプリッター４２０の第１の表面４２１に方向付ける。同様に、第２のレンズ４１２は、第２の偏光保持ファイバー２０１−１からポンプビーム１８７を受信し、そのポンプビーム１８７を５０／５０ビームスプリッター４２０の第２の表面４２２に方向付ける。４２０の表面のうちの１つは、５０／５０分割機能を提供するようにコーティングされ、他方はシステムの光学的損失を低減するために反射防止（ＡＲ）コーティングを施されることが好ましい。
【００３７】
５０／５０ビームスプリッター４２０は、第１の表面４２１及び／又は第２の表面４２２に入射するポンプビーム１８７の両方の偏光（ｓ及びｐ）の５０％を反射し、５０％を透過する。５０／５０ビームスプリッター４２０は、本明細書において、「偏光保持スプリッター４２０」とも呼ばれ、実質的に５０％タップ比を有する。明確にするために、ｐ偏光ビームのみが示される。
【００３８】
ｐ偏光ポンプビーム１８７は、実質的に等しい電力及び偏光状態を有する２つのビームに分割される。一方のビーム１８７−１は、ｐ偏光ポンプビームとして偏光ビームコンバイナー（ＰＢＣ）４５０の第１の表面４５１に方向付けられ、他方のビーム１８７−２は、同じくｐ偏光ビームとしてミラー４３０に方向付けられる。ミラー４３０は、ｐ偏光ポンプビーム１８７−２を偏光回転子４４０に向かって反射する。偏光回転子４４０は、ｐ偏光ポンプビーム１８７−２を回転させて、ｓ偏光ポンプビーム１８７−２Ｒ（本明細書において、「回転した第２の光ポンプビーム１８７−２Ｒ」とも呼ばれる）にする。ｓ偏光ポンプビーム１８７−２Ｒは、偏光回転子４４０から出力され、ミラー４４５に向かって伝搬する。ミラー４４５は、ｓ偏光ポンプビーム１８７−２ＲをＰＢＣ４５０の第２の表面４５２に向かって反射する。
【００３９】
偏光ビームコンバイナー４５０（図４において偏光ビームスプリッターキューブ４５０として示される）は、直交する偏光を有する２つのビーム１８７−１及び１８７−２Ｒを合成するように構成される。ＰＢＣ４５０の表面４５２は表面４５１に対して垂直である。偏光ビームコンバイナー４５０のための他の構成も実現可能である。
【００４０】
５０／５０ビームスプリッター４２０から偏光ビームスプリッターキューブ４５０の第１の表面４５１までの光路は、本明細書において、第１の光路と呼ばれ、その光路に沿って、第１の光学ポンプビーム１８７−１が伝搬する。５０／５０ビームスプリッター４２０から偏光回転子４４０まで、そして偏光ビームスプリッターキューブ４５０の第２の表面４５２までの光路は、本明細書において、第２の光路と呼ばれ、その光路に沿って、第２の光学ポンプビーム１８７−２／１８７−２Ｒが伝搬する。
【００４１】
ｓ偏光ポンプビーム１８７−２ＲはＰＢＣ４５０によって反射され、波長分割マルチプレクサーミラー４６０（本明細書において、波長分割マルチプレクサー４６０とも呼ばれる）に方向付けられる。ｐ偏光ポンプビーム１８７−１は偏光ビームスプリッターキューブ４５０によって透過され、波長分割マルチプレクサーミラー４６０に方向付けられる。実質的に無偏光の光学ポンプビーム１８６を形成するために、反射されたｓ偏光ポンプビーム１８７−２Ｒが、透過されたｐ偏光ポンプビーム１８７−１に重なり、該ビームと同じ光路上を伝搬するよう位置合わせされるように、集積マイクロ光学デバイス２０内の光学構成要素が位置合わせされる。
【００４２】
無偏光の光学ポンプビーム１８６は、波長分割マルチプレクサー（ＷＤＭ）ミラー４６０上に入射する。ＷＤＭミラー４６０は、無偏光の光学ポンプビーム１８６の波長λｐを含む、ドープ光ファイバー１４０によって生成されるＡＳＥビーム内の光の波長範囲よりも短い波長を透過する。ＷＤＭミラー４６０は、システム１３内のドープ光ファイバー１４０によって生成される増幅された刺激放出の波長範囲内の波長を有する光を反射する。図４に示されるように、ＷＤＭミラー４６０は、透過される無偏光光学ポンプビーム１８６を（１つ又は複数の結合レンズ４１３を介して）第３の偏光保持ファイバー２０１−３の入力端に結合するようにわずかに傾けられる。第３の偏光保持ファイバー２０１−３は、ドープ光ファイバー１４０に結合され、上記のように、ポンプ波長λｐは、ドープ光ファイバー１４０内のドーパントを刺激して、自然放出波長λＡＳＥ上に位置する安定した広帯域ＡＳＥ１９０が、後方に向かってＷＤＭミラー４６０に結合されるようにする。
【００４３】
ＷＤＭミラー４６０は、安定した広帯域ＡＳＥ１９０を第４の偏光保持ファイバー２０１−４内に（レンズ４１３を介して）結合する。第４の偏光保持ファイバー２０１−４（本明細書において、光学システム２０の第２の出力２０１−４とも呼ばれる）は、安定した広帯域ＡＳＥ１９０を、干渉型光ファイバージャイロスコープ（ＩＦＯＧ）のような外部デバイスに方向付ける。システム１０〜１３によって生成される安定した広帯域ＡＳＥ１９０を用いることができる他の用途は、高密度波長分割多重化（ＤＷＤＭ）デバイス、スペクトルスライス光源、光センサーシステム、光ファイバージャイロスコープ（ＦＯＧ）及び光コヒーレンスモグラフィ（ＯＣＴ）等を含む。
【００４４】
この実施形態の１つの実施態様では、偏光用ビームスプリッターキューブ４５０の代わりに、選択されたポンプ波長λｐのｐ偏光を透過し、ｓ偏光を反射するように動作することができる別の光学構成要素が用いられる。この実施形態の別の実施態様では、偏光ビームコンバイナー４５０は、選択されたポンプ波長λｐのｓ偏光を透過し、ｐ偏光を反射するように動作することができ、偏光回転子４４０が第１の光路内にあるか、又は光ポンプ源１００−１及び／又は１００−２が、第１の偏光保持ファイバー２０１−１及び／又は第２の偏光保持ファイバー２０１−２にｓ偏光ポンプ電力を与えるように構成される。当業者が本明細書を読めば理解可能であるように、光ポンプ源１００（１−２）のうちの一方又は両方から偏光ポンプビーム１８７を受信し、無偏光の光ポンプビーム１８８をドープ光ファイバー１４０に出力し、かつ集積マイクロ光学デバイスから安定した広帯域ＡＳＥ１９０を出力するために用いることができる、他の実現可能な構成の集積マイクロ光学デバイスもある。
【００４５】
図５は、本発明による、安定した平均波長を有する広帯域増幅自然放出を生成する方法５００の一実施形態の流れ図である。方法５００は、上記のような、広帯域光源１０、１１、１２又は１３のような広帯域光源の種々の実施形態によって実施することができる。
【００４６】
ブロック５０２において、偏光ビームコンバイナーを含む光学システムにおいて、光ポンプビームが受信される。偏光ビームコンバイナーは、他の光学素子と共に、光ポンプビームに作用して、無偏光ポンプビームを生成する。これは、光ポンプ源から受信される光ビームの入力偏光にかかわらず実施可能である。この実施形態の１つの実施態様では、第１の光ポンプビーム１８９が第１の光ポンプ源１００−１から受信される。第１の光ポンプ源１００−１の故障又は劣化が検出される場合には、検出された故障又は劣化に基づいて、第２の光ポンプビームが第２の光ポンプ源から受信される。この実施形態の１つの実施態様では、第１の光ポンプ源１００−１は、光ポンプ源１００−１のレーザーパッケージ内にある検出器９６によって監視される。この実施形態の別の態様では、第１の光ポンプ源１００−１は、光学システム１５内の或る点において、又は光学システム１０の第１若しくは第２の出力の一方において光を検知するように構成される検出器によって監視される。
【００４７】
ブロック５０４において、実質的に無偏光のポンプビームが光学システムから固体レーザー媒質に送られる。この実施形態の１つの実施態様では、固体レーザー媒質はドープ光ファイバーである。固体レーザー媒質は、広帯域増幅自然放出を放射して、光学システム内の波長分割多重化デバイス内に戻すように構成される。
【００４８】
ブロック５０６において、広帯域増幅自然放出が光学システムから送られる。固体レーザー媒質から波長分割多重化デバイス内に戻されるように方向付けられた、放射された広帯域増幅自然放出は、波長分割多重化デバイスによって、光学システムから外部に方向付けられる。
【００４９】
本明細書において具体的な実施形態が図示及び説明されてきたが、同じ目的を達成するように意図される任意の構成を、図示される具体的な実施形態の代わりに用いることができることは、当業者には理解されよう。本出願は、本発明の任意の改変又は変形を包含するように意図される。それゆえ、本発明は特許請求の範囲及びその均等物によってのみ制限されることが明らかに意図される。
【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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【外国語明細書】
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