(57)【要約】１つまたはそれより多くの媒質材料にドープされている１種またはそれより多くの遷移金属イオン種からの、少なくとも１つ、好ましくは２つまたはそれより多くの広帯域発光スペクトルを複合して利用する、広帯域光源及び広帯域光源を組み込むことができる関連デバイス。媒質は、結晶、ガラス−セラミック、ガラスまたは有機高分子材料から選ばれる。広帯域光源またはデバイスは非常に広い発光スペクトルを発生できる。複合スペクトルは、近赤外領域範囲すなわち近赤外部にわたり、約５００ｎｍから６００ｎｍないし７００ｎｍの波長帯域を有し、平均強度からの偏差が約１０ｄＢをこえない強度を有することが好ましい。
2004526330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つまたはそれより多くの遷移金属イオン種または希土類金属イオン種を含有する少なくとも１つの媒質を含む広帯域光源において、光エネルギーを注入されたときに、近赤外領域において、少なくとも約１５０〜２５０ｎｍの帯域幅をもつ広い出力スペクトルを発生することを特徴とする光源。
【請求項２】
１つまたはそれより多くの遷移金属イオン種を含有する少なくとも１つの媒質を含む広帯域光源において、光エネルギーを注入されたときに、近赤外領域において、平均強度からの偏差が±１０ｄＢをこえない強度をもつ広い複合出力スペクトルを発生することを特徴とする光源。
【請求項３】
前記媒質が１つより多い遷移金属イオン種を含有する場合に、前記光源が光学的に活性化されたときに、近赤外領域において広い複合出力スペクトルを発生することを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項４】
結晶、ガラス−セラミック、ガラス及び有機高分子マトリクスからなる群から選ばれる材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項５】
ガラス−セラミック材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項６】
前記材料が透明フォルステライトであることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項７】
前記材料が透明ガリウム酸塩スピネルであることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項８】
前記材料が透明ウィレマイトであることを特徴とする請求項４に記載の光源。
【請求項９】
前記光源が光コンポーネントデバイスに組み込まれていることを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項１０】
前記デバイスが光導波路であることを特徴とする請求項９に記載の光源。
【請求項１１】
前記デバイスが光ファイバであることを特徴とする請求項９に記載の光源。
【請求項１２】
前記デバイスが増幅器であることを特徴とする請求項９に記載の光源。
【請求項１３】
前記デバイスが光エネルギー注入デバイスであることを特徴とする請求項９に記載の光源。
【請求項１４】
前記デバイスがＯＣＴまたはＯＣＤＲに使用されることを特徴とする請求項９に記載の光源。
【請求項１５】
前記遷移金属イオンが、Ｃｏ３＋，Ｃｒ３＋，Ｃｒ４＋，Ｃｕ２＋，Ｃｕ＋，Ｎｉ２＋，Ｔｉ３＋及びＶ２＋からなる群から選ばれることを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項１６】
前記光源が、約８００ｎｍから約１８００ｎｍの間で、比較的一様な強度をもつ複合出力スペクトルを発生することを特徴とする請求項１に記載の光源。
【請求項１７】
前記光源が、約１０５０ｎｍから約１５８０ｎｍの間で、比較的一様な強度をもつ複合出力スペクトルを発生することを特徴とする請求項１６に記載の光源。
【請求項１８】
前記光源が前記媒質内に希土類金属イオンをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の光源。
【請求項１９】
前記希土類金属イオンが、Ｅｒ，Ｔｍ，ＰｒまたはＮｄを含むことを特徴とする請求項１８に記載の光源。
【請求項２０】
１つまたはそれより多くの遷移金属イオン種を含有する少なくとも１つの媒質を含む広帯域光源デバイスにおいて、前記デバイスが、光エネルギーを注入されたときに、近赤外領域において広い出力スペクトルを発生することを特徴とするデバイス。
【請求項２１】
前記媒質が１つより多くの遷移金属イオン種を含有する場合に、前記デバイスが、平均強度からの偏差が±１０ｄＢをこえない強度をもつ複合出力スペクトルを発生することを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２２】
結晶、ガラス−セラミック、ガラス及び有機高分子マトリクスからなる群から選ばれる材料から作られた媒質を有することを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２３】
ガラス−セラミック材料から作られた媒質を有することを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２４】
前記デバイスが光コンポーネントデバイスであることを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項２５】
前記デバイスが光導波路であることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２６】
前記デバイスが光ファイバであることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２７】
前記デバイスが増幅器であることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２８】
前記デバイスが光エネルギー注入デバイスであることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項２９】
ＯＣＴまたはＯＣＤＲに用いられることを特徴とする請求項２３に記載のデバイス。
【請求項３０】
前記遷移金属イオンが、Ｃｏ３＋，Ｃｒ３＋，Ｃｒ４＋，Ｃｕ２＋，Ｎｉ２＋，Ｔｉ３＋及びＶ２＋からなる群から選ばれることを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項３１】
約８００ｎｍから約１８００ｎｍの間で、比較的一様な強度をもつ複合出力スペクトルを発生することを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項３２】
約１０５０ｎｍから約１５８０ｎｍの間で、比較的一様な強度をもつ複合出力スペクトルを発生することを特徴とする請求項３１に記載のデバイス。
【請求項３３】
前記媒質内に希土類金属イオンをさらに含有することを特徴とする請求項２０に記載のデバイス。
【請求項３４】
前記希土類金属イオンが、Ｅｒ，Ｔｍ，ＰｒまたはＮｄを含むことを特徴とする請求項３３に記載のデバイス。
【請求項３５】
広い、連立する波長範囲を有するデバイスであって、幅が少なくとも１５０〜２００ｎｍ程度の比較的広帯域の発光を示す遷移金属イオンがドープされた材料を含む前記デバイスにおいて、約８００ｎｍから約１８００ｎｍの範囲にわたり、平均強度からの偏差が±約１０ｄＢをこえない強度を有する複合スペクトルを放射することを特徴とするデバイス。
【請求項３６】
前記強度の前記平均強度からの偏差が約５ｄＢをこえないことを特徴とする請求項３５に記載のデバイス。
【請求項３７】
広帯域光源デバイスを作成するための方法において、遷移金属イオンを含有する少なくとも１つの材料を提供する工程、前記材料から光コンポーネントを形成する工程、前記材料内の前記遷移金属イオンにエネルギーを注入する工程、および約７００ｎｍ以上のスペクトル領域において、平均強度からの偏差が±約１０ｄＢをこえない強度を有する、広帯域の複合発光を放射する工程、を含むことを特徴とする方法。
【請求項３８】
同じ種類の遷移金属イオンがドープされた１つまたは複数の媒質として２つの相異なる基体材料を提供する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
１つより多くの遷移金属イオン種を含有する２つまたはそれより多くの媒質材料を提供する工程をさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
光放射を発生する方法において、少なくとも１つまたはそれより多くの遷移金属イオン種を有する少なくとも１つの媒質材料を提供する工程と、近赤外領域において、比較的一様な強度をもつ、比較的広帯域の複合出力スペクトルを発生させるために前記媒質にエネルギーを注入する工程とを含むことを特徴とする方法。
【請求項４１】
約９００〜１５６０ｎｍの間のスペクトル範囲において、平均強度からの偏差が±約１０ｄＢをこえない強度を有する放射を発生する工程をさらに含み得ることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
結晶、ガラス−セラミック、ガラス及び有機高分子マトリクスからなる群から選ばれた材料から作られた媒質を提供する工程をさらに含み得ることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
Ｃｏ３＋，Ｃｒ３＋，Ｃｒ４＋，Ｎｉ２＋，Ｔｉ３＋及びＶ２＋からなる群から選ばれる遷移金属イオンを前記媒質材料にドープし得ることを特徴とする請求項４０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は、２００１年５月３日に出願された同じ名称の米国仮特許出願第６０/２８８５１８号の優先権の恩典を主張する。上記出願の明細書の内容は本明細書に参照として含まれる。
【技術分野】
【０００２】
本発明は光源に関し、特に遷移金属イオンを含む広帯域光源に関する。
【背景技術】
【０００３】
広帯域光源、特に約７００ｎｍから約１８００ｎｍの赤外領域における広帯域光源は、多くの産業において、光通信技術を用いる(光ファイバを含む)光伝送システム及び生体画像化システムなど、非常に多くの用途に用いられる。広帯域光源は比較的広い発光半値幅を与えるために有用である。広帯域光源は、高い輝度すなわち光強度、一様なスペクトル応答及びスペクトルの全領域をカバーする広い帯域幅、少ない作成または稼働費用、物理的に頑強及び光学的に安定という特徴を全て合せもつことが理想である。
【０００４】
発光源を作成するために多種多様な技術が現在用いられている。第１のタイプの技術は、極めて一様なスペクトル応答を示すが、単一モードファイバと結合すると比較的低強度となる、熱または白色光(例えばタングステンフィラメント)光源である。第２のタイプの、おそらく最も一般的に用いられている技術は、１つより多いデバイスからの出力を複合して広帯域スペクトル出力をつくることが多いファイバピグテイル型端面発光ダイオード(ＥＬＥＤ)である。第３のタイプの技術は、希土類金属ドープファイバ増幅自然発光(ＡＳＥ)光源を採用するものである。最近になって、第４のタイプの、ファイバとレーザ光源からの超短パルスの間の非線形相互作用による連続光発生が開発された。
【０００５】
しかし、これらの現行技術は、何らかの点において、広帯域光源に望ましいパラメータの多くまたは全てを満たすものではない。熱または白色光源から得られる低強度光では、ダイナミックレンジが比較的劣るため、最終的には信号対雑音比が低下し、したがって多くの用途で長い平均化時間が必要となるから、多くの用途に対しては除外される。この特定の欠点は半導体ＥＬＥＤ及び希土類金属ドープＡＳＥ光源を基にした技術における問題ほど大きくはないが、信号対雑音比の改善では代償として帯域幅が限定されている。第２のタイプの技術の一般的な市販装置は、１１００〜１６００ｎｍ領域にわたる出力をつくるために４つのＥＬＥＤを用いる。平均強度は熱−白色光ベースの光源で得られる強度よりはるかに優れるが、発光スペクトルには、残念ながら、光源の全出力スペクトルにわたり、一般に１０ｄＢをこえる、かなりの強度リップルがある。第３のタイプの技術すなわちＡＳＥ光源は、さらに高い強度及びかなり一様なスペクトル特性を提供するが、エルビウムＡＳＥファイバを例にとれば、ほぼ３０〜４０ｎｍの極めて限定された狭い帯域幅しか提供しない。多数のＥＬＥＤ光源とファイバＡＳＥ光源の複合を考えることはできるが、使用できる帯域幅を広げるためにスペクトルの一様性が必ず犠牲になる。最後に、選ばれたファイバにおける超短パルス相互作用の連続光発生が注目を集めているが、このタイプの技術には、フェムト秒レーザ技術など、極めて高価なパルス光源が必要である。さらに、パルス光源はおそらく他の光源ほど、頑丈、安定、または小型ではないであろう。
【特許文献１】
特許出願（コーニング（Ｃｏｒｎｉｎｇ）整理番号第ＳＰ０１-１２３号）明細書
【特許文献２】
米国特許第６２９７１７９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の問題のそれぞれに対処するものであり、上記した他の技術に勝る様々な利点を提供することができる。一態様において、本発明は、ＥＬＥＤ／ファイバＡＳＥ光源のような連続波光源の輝度及びコヒーレンスを、スペクトルの近ＩＲ領域(〜７００〜１８００ｎｍ)をカバーする帯域幅にわたる白色光源の一様性と複合する。別の態様において、本発明にしたがうデバイスは、超短パルス光源に対して低い製造コストと結びつけられた、全ファイバベースの技術(例えば、ダイオードポンピング、ファイバベースコンポーネントの利用)に本来備わっている安定、頑丈及び小型を備える。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明にしたがえば、新しい広帯域光源に対して、強度と、帯域幅と、現行技術のいずれかで達成し得るかまたは利用できるレベルよりはるかに優れた、相対一様性または平坦性を有する発光スペクトルとを備えている新たな広帯域光源の可能性が示される。一実施形態において、本発明は少なくとも１つまたはそれより多くの遷移金属イオン種を含有する少なくとも１つの媒質材料を含む広帯域光源を包含する。本光源は、光エネルギーが注入されると、近赤外領域において帯域幅が少なくとも１５０〜２５０ないし３００ｎｍ程度の広い出力スペクトルを発生する。２つまたはそれより多くの媒質材料またはデバイスを合せて用いれば、光源は近赤外領域において強度が比較的一様である広帯域複合出力スペクトルを発生する。光源媒質は、結晶、ガラス−セラミック、ガラス及び有機高分子マトリクスからなる群から選ばれる材料を含む。光源は、透明なフォルステライトまたはガリウム酸塩スピネルのようなガラス−セラミック材料から形成される媒質を有することが好ましい。遷移金属イオンは、Ｃｏ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｍｎ，Ｎｉ，Ｓｃ，Ｔｉ，Ｖ，Ｚｎからなる金属群から選ばれることが好ましい。上記遷移金属イオンは、Ｃｏ３＋，Ｃｒ３＋，Ｃｒ４＋，Ｎｉ２＋，Ｔｉ３＋，Ｖ２＋からなる群から選ばれることが好ましい。広帯域光源の一実施形態は、平均強度からの偏差が±約１０ｄＢをこえない強度を有する複合スペクトルを、約７００ｎｍから約１８００ｎｍの範囲の各分域にわたり生成すなわち発光する。平均強度からの偏差が約５ｄＢをこえない強度がさらに好ましい。光源は、約５００〜７００ｎｍないし約９８０ｎｍの間あるいは１０５０ｎｍ〜約１５８０ｎｍの間の、比較的一様な複合出力スペクトルを発生することが好ましい。広帯域光源はさらに希土類金属イオンを媒質に含有し、この希土類金属イオンにはＥｒ，Ｔｍ，ＰｒまたはＮｄが含まれる。
【０００８】
本発明は、広い帯域幅を有する広帯域光源材料を組み込んでいるデバイスも含む。本デバイスは、少なくとも１５０ないし１８０〜２５０ないし３００ｎｍ程度の範囲において比較的広い発光半値幅を示す、遷移金属イオンがドープされている材料を含むことができる。あるいは、２つまたはそれより多くの広帯域光源材料を複合すれば、デバイスは、約７００ないし８００ｎｍ〜約１７００ないし１８００ｎｍの、約１,０００ｎｍの範囲にわたり、平均強度からの偏差が±約１０ｄＢをこえない強度をもつ複合出力スペクトルを放射できる。デバイスは、様々な光学部品、例えば、光ファイバ、導波路、増幅器または光エネルギー注入デバイス(レーザ)とすることができる。ビール(Beall)等による米国特許第６２９７１７９号の明細書には、光ファイバ、増幅器及びエネルギー注入デバイス(レーザ)が詳細に論じられている。上記特許明細書の内容は本明細書に参照として含まれる。デバイスは、光コヒーレント断層撮影(ＯＣＴ)または光コヒーレントドメイン反射測定(ＯＣＤＲ)に用いることもできる。
【０００９】
本発明の別の態様は、広帯域光源を作成するための方法を包含する。本方法は、遷移金属イオンを含有する材料を提供する工程、前記材料から光コンポーネントを形成する工程、前記材料内の遷移金属イオンにエネルギーを注入する工程、及び、約７００ｎｍ以上のスペクトル幅領域において、平均強度からの偏差が±約１０ｄＢをこえない強度を有する、広帯域複合光を放射する工程を含む。本方法はさらに、１つより多い遷移金属イオン種を含有する２つまたはそれより多くの媒質を提供する工程を含むことができる。あるいは、広帯域光源の実施形態は、同じ種類の遷移金属イオンがドープされている、相異なる少なくとも２種の媒質材料で作成することもできる。
【００１０】
本発明は、少なくとも２つの遷移金属イオン種を含有する媒質を提供する工程及び近赤外領域において比較的一様な強度をもつ比較的広い複合出力スペクトルを発生させるために媒質にエネルギーを注入する工程を含む、デバイスで光放射を発生する方法も含む。本方法はさらに、約９００〜１５６０ｎｍのスペクトル範囲において、平均強度からの偏差が±約１０ｄＢをこえない強度を有する光を発生する工程を含むことができる。本方法は、結晶、ガラス−セラミック、ガラス及び有機高分子マトリクスからなる群から選ばれる材料からつくられた媒質を提供する工程を含むこともできる。媒質はガラス−セラミック材料からつくられることが好ましい。媒質には、Ｃｏ３＋，Ｃｒ３＋，Ｃｒ４＋，Ｎｉ２＋，Ｔｉ３＋，Ｖ２＋からなる群から選ばれる遷移金属イオンをドープすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明にしたがえば、低リップルで広い帯域幅をカバーする広帯域一様光源を単一媒質材料で、あるいは、例えば２つまたはそれより多くの広い発光スペクトルを実現できる多重ファイバまたはその他のデバイスからの出力を複合することにより達成できる。この種のスペクトルは、結晶、ガラス−セラミック、ガラス及び有機高分子マトリクスからなる群から選ばれる材料でつくられた媒質材料にドープされた１つまたはそれより多くの遷移金属イオン種から得られる。光機能性をもつ希土類金属イオンを媒質材料内にドープすることもできる。本発明の一態様は、近赤外電磁波領域の主要範囲にわたる非常に幅の広いスペクトルを発生するために、遷移金属イオンの様々なスペクトルを用いることが好ましい。広帯域光源及び関連デバイス(例えば、光導波路、ファイバまたは増幅器)は近赤外波長において非常に広い発光スペクトルを発生することができる。スペクトル範囲は約５００ｎｍから約１５５０ｎｍに及び得る。特定のスペクトルパラメータは特定の遷移金属及び／または用いられる１つまたは複数の特定媒質材料に依存するであろうが、〜５００〜８００ｎｍまたは〜１３００〜１５５０ｎｍ領域において、特に良好な出力を達成することができる。
【００１２】
１つまたはそれより多くの媒質材料が１つより多い遷移金属イオン種を含有していれば、光源は光励起されると近赤外領域において広い複合出力スペクトルを発生する。例えば、図１に示されるような、Ｃｒ４＋及びＮｉ２＋の比較的広い発光スペクトルの複合により、約１１７０ｎｍ〜約１５５０ｎｍの領域において幅が約３５０〜４３０ｎｍに及ぶ出力スペクトルを発生することができ、同時に、平均強度からの偏差が５ｄＢをこえない、比較的一様な、すなわち平坦な強度を維持することができる。
【００１３】
本発明の一実施形態においては、同種の遷移金属イオンが相異なる２種の基体材料にドープされる。本実施形態の例が図６に示される。図６は、フォルステライト及びウィレマイトガラス−セラミック媒質のような、相異なる２種の基体材料にドープされたＣｒ４＋の相対スペクトルを示す。Ｃｒ４＋が添加される特定の材料に依存して、Ｃｒ４＋イオンは、強度が比較的等しく、複合すれば約９５０ｎｍ〜約１５８０ｎｍの半値幅で約８００ｎｍ〜約１７００ｎｍのスペクトル領域にわたる、別々の２つの発光スペクトルを放射できる。
【００１４】
別の実施形態にしたがえば、２種またはそれより多くの種類の遷移金属イオンがドープされた単一種材料で形成された媒質を用いてデバイスを作成することができる。例として、フォルステライトガラス−セラミックにＣｒ４＋及びＮｉ２＋をともにドープすることができる。Ｃｒ２Ｏｘ(〜０.１５重量％)とともにドープされた場合、フォルステライト内のＮｉ２＋の発光強度はおよそ３倍になるように見える。フォルステライト内のニッケルは、全遠距離通信帯をカバーする、約１４５０ｎｍを中心とする幅の広い発光を示すから、ニッケルイオンの活性を高めることは重要である。長波長側の領域でのＮｉ２＋発光を強めようとする場合、約１１７５ｎｍを中心とする帯域をもつＣｒ４＋の発光強度は、Ｃｒ４＋発光の内のかなりの量が約１２００ｎｍにあるＮｉ２＋吸収へのポンピングに消費されるならば、減少するはずであることに気づくべきである。しかし、このようなことはおこりそうにない。フォルステイト結晶では、Ｎｉ２＋イオンは八面体格子点に入ることができ、Ｃｒ４＋は四面体格子点に取り込まれるから、これら２つの発光イオンが競合関係になることはありそうもなく、共動して作用して一様な複合広帯域スペクトルを放射することができる。
【００１５】
表１は、フォルステライトの３つの組成例を配合された重量％に関して示す。組成例はそれぞれの配合に存在するＣｒ２Ｏ３の量が互いに異なる。
【表１】
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【００１６】
図７は例Ｙにしたがって形成されたガラスセラミックからの複合発光スペクトルを示し、図８は例Ｘにしたがって形成されたガラス−セラミックからの複合発光スペクトルを示す。図からわかるように、いずれの組成例でも、かなり高い発光強度(ｙ軸−任意単位)及び近赤外領域において少なくとも４００ｎｍから５００ｎｍ(ｘ軸−ｎｍ)程度の総合波長範囲にわたるかなり幅の広い出力スペクトルを発生することができる。経験的に、より良好でさらに一様な複合スペクトルを達成するには、ＮｉＯ濃度を一定に保った場合、Ｃｒ２Ｏ３の存在量を約０.７０〜０.８５重量％のレベルにすると良いようである。当業者であれば、２種の発光ドーパントの様々な組合せ及び量を調節して、複合スペクトルの一様性及び幅を最適化できることを理解するであろう。
【００１７】
適用できる別の材料種として、遷移金属イオンがドープされた透明ガリウム酸塩スピネルなどのガラス−セラミックがある。表２は、重量％で、約３６〜４５％のＳｉＯ２；〜２０〜４３％のＧａ２Ｏ３；〜７〜２２％のＡｌ２Ｏ３；〜１１〜１６％のＫ２Ｏ；０〜２.５％のＬｉ２Ｏ；０〜１１％のＮａ２Ｏ；〜４〜６％のＬａ２Ｏ３；〜１〜２％のＭｇＯの組成をもつニッケルドープガリウム酸塩スピネルの代表例のいくつかを示す。ドープされていない組成の基本ガリウム酸塩スピネルは一般に、約８００〜９００℃の間で約１〜２時間熱処理される。
【表２】
2004526330.tif 000004
【００１８】
別の特定の組成のＬｉ(Ａｌ，Ｇａ)５Ｏ８または“γ−(Ａｌ，Ｇａ)２Ｏ３”スピネルが、同時に譲渡された特許文献１に開示されている。上記明細書の内容は参照によって本明細書に含まれるものとする。
【００１９】
上記組成例をファイバにし、広帯域光源用途に関する特性を評価した。これらの例についての特定の発光スペクトルの詳細は、ファイバに加えられた熱処理に依存すると思われる。一例では、結晶化温度を高めるにつれて、より長波長において連続する急峻なピーク群の代わりに、平滑でより“ガウス型プロファイル”に近い、約１２００ｎｍにピークをもつ、半値幅(ＦＷＨＭ)が約２５０ｎｍのスペクトルが得られた。このタイプの現象をグラフ化して図９に示す。対照的に、ガラス環境にＮｉ２＋イオンを含有する非結晶化ファイバは測定可能な発光を示さない。最適熱処理に近づくにつれて、活性Ｎｉ２＋イオンの発光効率及び寿命は劇的に増加する。この特徴を、測定した、様々な熱処理に対する室温寿命及びピーク発光波長を列挙する、表３にまとめてある。
【表３】
2004526330.tif 000005
【００２０】
ファイバのセラミック化が進むにつれて、発光のより高いエネルギーレベルへのシフトが見られる。Ｎｉ２＋イオン発光スペクトルにおけるこの系統的変化は、おそらくイオンが元のガラスマトリクスよりも結晶環境に組み込まれるようになるため、イオンの電子−フォノン結合の変化にともなうと考えられる。
【００２１】
出力スペクトルにおいて最適な一様性を達成するためには、遷移金属を含有する材料すなわち媒質のそれぞれに用いられる相対ポンピングパワー及び強度を制御するべきである。強度の相対制御及び発光特性は、上述したような、特定の材料、その組成及びそれぞれの媒質内の特定の遷移金属の濃度に依存するであろう相対パワーを変えることにより最適化することができよう。図２は、それぞれのファイバの可能な過ポンピングにより波長帯に過剰な信号が生じ得る上記現象の例を示す。遷移金属イオンを含有するファイバは、所望の特定の用途に依存して、いずれのファイバにも最大強度の約２〜２０ｄＢ以上または約１〜４０％以上のピーク強度差が生じないような態様でポンピングされる。
【００２２】
基本概念を表わす本発明の実施形態は、９８０ｎｍレーザでポンピングされたときのＣｒ４＋ドープ及びＮｉ２＋ドープガラス−セラミックファイバの、図２または３に示される発光スペクトルである。Ｃｒ４＋ドープファイバは約１１５０ｎｍに最大発光ピークを示し、Ｎｉ２＋ドープファイバは約１４００ｎｍに最大ピークを示すが、厳密なピーク及びプロファイルはガラスセラミック材料の厳密な組成に強く依存する。前述したように、出力スペクトルに最適な一様性を達成するためには、２種のファイバの間の相対ポンピングパワーが制御されなければならない。図３は、広帯域デバイス及び２つの相異なるポンピングパワーに対する出力スペクトルを、現行技術で得られるスペクトルの例とともに、比較して示す。波長分割マルチプレクサ(ＷＤＭ)で結合された、遷移金属ドープガラスセラミックファイバのバック発光が示される。本広帯域光源はＥＬＥＤ光源より優れた、一様なスペクトル応答を有し、ピグテイル型白色光源より高いパワーまたは強度を有する。
【００２３】
実験により、本発明の広帯域光源及びこの光源を利用するデバイスが、多重ＥＬＥＤ光源を置き換えるために用いられ得るであろう、かなり広いスペクトルを達成できることが示された。一例において、約１１００〜１５５０ｎｍにわたる約４５０ｎｍの複合帯域幅を有する、本発明にしたがうニッケル及びツリウムまたはエルビウムがドープされたファイバのスペクトル範囲をカバーするには、概ね３個のＥＬＥＤが必要であろう。本光源では平均強度からの偏差が〜５ｄＢをこえない。
【００２４】
さらに、図４に示される、厳密な媒質への光エネルギー注入波長も要因となり得る。図４は、９８０ｎｍ及び８２０ｎｍでレーザエネルギー注入すなわちポンピングされた、Ｃｒドープ及びＮｉドープ媒質の複合による相対幅及び強度の比較を示す。８２０ｎｍでエネルギー注入された複合媒質は、ほぼ９５０ｎｍから約１５５０ｎｍまでの、約６００ｎｍの帯域幅にわたり約５ｄＢのリップルしか示さない。短波長性能における改善は、６３０ｎｍのような、別の波長におけるポンピングにより達成され得る。約８００〜８２０ｎｍにおけるレーザ照射は、スペクトル幅をさらに約１００ｎｍ広げることから、約１４００ｎｍより短波長をかなり良くカバーする。この特徴は、９８０ｎｍポンピングではＣｒ３＋イオンが励起されないことから、Ｃｒ３＋イオンの発光によると思われる。
【００２５】
スペクトルの一様性を制御するための別の可能な方法を考えることができる。これらの方法は、ポンピング光スプリッタカプラを特定の有利な比に設定する工程を含むことができる。数１０ｎｍ程度までポンピング波長を調整することにより、かなりの差があるポンピング光配分を達成できるように、ポンピング光スプリッタカプラの波長応答を用いて、それぞれのファイバに進むポンピングパワーの相対量を調節することができる。図５Ａ及び５Ｂに示される例において、比は５０：５０に設定されるが、この比は容易に、８０：２０，７０：３０，６０：４０あるいは中間の別のどのような値とすることもできよう。ポンピング光スプリッタカプラの出力アームに可変光減衰器(ＶＯＡ)を組み込み、よってデバイス作成後の一様性制御を可能にする、別の手法もあり得よう。あるいは、単にそれぞれのポンピングレーザからの出力パワーを変えることにより総合一様性を制御できるように、別々のポンピングレーザを用いて別々のドープトファイバを励起することができる。これらの手法は説明のための例として与えられるに過ぎず、いかなる点においても本発明を限定するものではない。
【００２６】
図５Ａ及び５Ｂは、発光スペクトルを複合するために使用できる他のファイバ装置の別の実施形態の略図を示す。これらの構成の代替形態は本開示の範囲内に含めることができ、含まれるとされる。例えば、ファイバベース広帯域光源に関する有用な用途には、ファイバベースコンポーネント(例えば、伝送及び増幅のためのドープトファイバに加えて、回折格子、カプラ)の損失スペクトル特性を測定するための装置を含めることができる。ガラス−セラミック利得媒質を組み込んでいる光信号デバイスは特許文献２に説明されており、この明細書の内容は参照によって本明細書に含まれるものとする。
【００２７】
広帯域光源を組み込む別のデバイスには、ファイバまたはファイバベースコンポーネントの伝送特性を測定するための装置を含めることができる。そのような用途では、高められた出力パワーにより、測定ダイナミックレンジの向上、平均演算が少なくなることによる測定時間の短縮、及びより高い分解能を得ることができる。１つまたはそれより多くの遷移金属イオン種を含有する１つの媒質材料を有する広帯域光源及び装置実施形態のいくつかについては、得られる出力スペクトルをそれだけで非常に広くすることができる。上述したように、図９は、約１２５０ｎｍを中心とするピーク波長、広いスペクトル帯域(半値幅：〜２５０ｎｍ)及び平滑なプロファイルという所望の特性を有するニッケルドープガラス−セラミックファイバからの出力スペクトルにより、本発明の一例を表わす。
【００２８】
広帯域光源はＯＣＴの分野に適用される場合にも有用であり得る。最適化されたデバイスは、デバイスの深さ分解能を制御する決定的パラメータである、高い空間コヒーレンス、高い輝度及び広い帯域幅を示す。そのような特性は生体画像化装置での使用に歓迎され得る。９８０ｎｍポンピングレーザダイオードを使用する図１０に示されるそのような装置は、比較的安価であり、コンパクトであって、全ファイバ光源であるから、新興のＯＣＴ分野において特に有用である。さらに、発生されるスペクトルは水の強い吸収ピークのいずれからも離れた所望の波長を中心とし、インターフェログラムの信号処理を比較的容易にするガウス型に近いプロファイルを有する。本光源の大きなＦＷＨＭにより、ＯＣＴまたはＯＣＤＲシステムに用いた場合に、空間分解能のかなりの向上が得られる。
【００２９】
遷移金属ドープファイバにより、分解能を５μｍより小さくできる能力が得られる。対照的に、現在入手できる装置は、発光源として超発光ダイオードを利用し、帯域幅が比較的狭い(通常７０ｎｍ未満)ため８〜２０μｍ程度の分解能しか得られない。将来のＯＣＴ用途に対しては波長８００ｎｍを中心とする広帯域光源が大いに望まれるが、現行レベルからの分解能の向上が必要である。例えば、ＯＣＴ技術で眼を画像化する特定のシステムには８００ｎｍダイオードが用いられるが、ダイオードでは狭いスペクトル帯域しか得られないので、比較的低い分解能しか得られない。本発明はこの問題への解決策を提供する。図１１は、ＯＣＴシステムに有用であり得る、別の広帯域光源の例からの出力を示す。Ｃｒ３＋ドープガラスファイバからの広いスペクトルはほぼ８００ｎｍを中心とし、幅は２００ｎｍをこえる。別に調節することで、これらの広帯域光源のプロファイルを改善することができる。そのような調節には、ガウス型プロファイルにさらに一層近づけるために用いられ得るであろう、例えば帯域通過フィルタを用いる、出力スペクトルのフィルタリングがあり得る。
【００３０】
前述したように、現行技術によるデバイスは、単一または複数のレーザダイオード、希土類金属ドープファイバＡＳＥ(増幅自然放出)光源、熱白色光源、短パルス(フェムト秒)レーザを利用する連続光発生または様々なレーザからの出力の高速波長同調に基づいている。これらの技術はいずれも、ファイバベース実施形態のような、かなり単純で比較的安価なデバイスという利点をともなう、本発明にしたがう広帯域光源の望ましい帯域幅を示さない。
【００３１】
広帯域光源の使用に関する別の用途には、波長分割マルチプレックス(ＷＤＭ)システムに適用するためのスペクトルスライス型光源がある。現在、エルビウムドープファイバからのＡＳＥスペクトルが、主として短距離及び都市内伝送システムに対して、上記の低コスト光源転移システム用の可能性を示すために用いられている。ビットレートとチャネル当りの光帯域幅のトレードオフは、１０Ｇビット/秒のデータレートにはチャネル当りほぼ３ｎｍの光帯域幅が必要であり、よって２０チャネルシステムに必要なＡＳＥ光源からの帯域幅は６０ｎｍをこえるであろうということを意味する。遷移金属ドープ導波路またはファイバの使用により、上記の広帯域ＡＳＥ基準を容易に満たし、上まわることができ、ビットレートをさらに高くすること及び／またはチャネル数をさらに多くすることが可能になろう。
【００３２】
本発明を例を用いて説明したが、当業者には、本発明が詳しく説明された実施形態に限定されず、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく改変及び変形がなされ得ることが、理解されるであろう。したがって、変更態様が特許請求の範囲で定められる本発明の範囲から外れていない限り、そのような変更態様は本発明に含まれると見なされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】Ｃｒドープ光ファイバ及びＮｉドープ光ファイバのそれぞれの発光スペクトルを比較して示す
【図２】本発明の一実施形態にしたがう、最適複合スペクトルを達成するための、図１によるファイバ内の遷移金属イオンのそれぞれに対する相対ポンピングパワーを可変調節することによる複合出力スペクトルの制御を示す
【図３】本発明の一実施形態の出力スペクトルを現行の光放射法の２つの例と比較して示す
【図４】９８０ｎｍ及び８２０ｎｍでエネルギーが注入され、若干異なる強度でポンピングされるＣｒドープファイバ及びＮｉドープファイバを用いた、本発明の実施形態の２つの出力スペクトルを比較して示す
【図５Ａ】ポンピング光スプリッタカプラデバイスの略図である
【図５Ｂ】別のレーザデバイスの略図である
【図６】２つの異なる種類の媒質材料に同じ種類の遷移金属イオンが添加されている、本発明の別の実施形態の発光スペクトルを示す
【図７】Ｃｒレベルが約０.１０重量％の一組成実施形態にしたがう、フォルステライトガラス−セラミックにドープされているＣｒ及びＮｉの複合スペクトルを示す
【図８】Ｃｒレベルが約０.００５重量％の一組成実施形態にしたがう、フォルステライトガラス−セラミックにドープされているＣｒ及びＮｉの複合スペクトルを示す
【図９】本発明にしたがうＮｉドープガラス−セラミックファイバの出力スペクトルを示す。本スペクトルは、中心ピーク波長が約１２５０ｎｍであり、半値幅(ＦＷＨＭ)が約２５０ｎｍである
【図１０】光コヒーレント断層撮影(ＯＣＴ)または光コヒーレントドメイン反射測定(ＯＣＤＲ)に用いることができるファイバベースデバイスの略図である
【図１１】本発明にしたがうＣｒ３＋ドープガラスファイバの発光スペクトルを示す。本スペクトルの幅は２００ｎｍより広く、スペクトルの最大値は約８００ｎｍにある
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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