(57)【要約】【課題】ポンプ光のパルス幅の広狭によらず、十分に増強された高い出力を実現することができる光源装置を提供する。【解決手段】高非線形ファイバー１２と、インプットカプラー１４と、アウトプットカプラー１５と、ポンプ光源１１と、光増幅器１３と、を有し、ポンプ光源１１は、インプットカプラー１４を介して、高非線形ファイバー１２にポンプ光を入射し、高非線形ファイバー１２は、ポンプ光の少なくとも一部を波長変換し、アウトプットカプラー１５は、高非線形ファイバー１２から射出される光のうち、高非線形ファイバー１２のゼロ分散波長よりも短波長側の波長範囲の波長をもつ光を出力し、光増幅器１３は、高非線形ファイバー１２から射出される光のうち、高非線形ファイバー１２のゼロ分散波長よりも長波長側の波長範囲の波長をもつ光を増幅し、光増幅器１３で増幅された光が高非線形ファイバー１２に入射するように光ループが形成されている。【選択図】図１
2017078823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非線形ファイバーと、第１のカプラーと、第２のカプラーと、ポンプ光源と、光増幅器と、を有し、
前記ポンプ光源は、前記第１のカプラーを介して、前記非線形ファイバーにポンプ光を入射し、
前記非線形ファイバーは、前記ポンプ光源からのポンプ光の少なくとも一部を波長変換し、
前記第２のカプラーは、前記非線形ファイバーから射出される光のうち、前記非線形ファイバーのゼロ分散波長よりも短波長側の第１の波長範囲の波長をもつ光を出力し、
前記光増幅器は、前記非線形ファイバーから射出される光のうち、前記非線形ファイバーの前記ゼロ分散波長よりも長波長側の第２の波長範囲の波長をもつ光を増幅し、
前記光増幅器で増幅された光が前記非線形ファイバーに入射するように、前記非線形ファイバーと、前記第１のカプラーと、前記第２のカプラーと、前記光増幅器と、により、光ループが形成されている
ことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
前記第２の波長範囲の波長をもつ前記光が、前記第１の波長範囲の下限の波長以上、前記ゼロ分散波長以下の波長と位相整合していることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
前記第２の波長範囲の波長をもつ前記光が、前記第１の波長範囲の波長と位相整合していることを特徴とする請求項１記載の光源装置。
【請求項４】
前記ポンプ光源がＹｂドープファイバーレーザーであり、
前記光増幅器がＹｂドープファイバー増幅器であることを特徴とする請求項２記載の光源装置。
【請求項５】
前記ポンプ光源がＹｂドープファイバーレーザーであり、
前記光増幅器がＥｒドープファイバー増幅器であることを特徴とする請求項３記載の光源装置。
【請求項６】
前記ポンプ光源が、パルス幅が１００ｐｓ以下の前記ポンプ光を出力することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項７】
前記第２のカプラーから出力される前記光が、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長の光を含むことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項８】
前記光増幅器により増幅された前記第２の波長範囲の波長をもつ前記光が、次数が２以上の高次のソリトンであることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
前記非線形ファイバーと、前記第１のカプラーと、前記第２のカプラーと、前記光増幅器と、は、前記第１のカプラー、前記非線形ファイバー、前記第２のカプラー、前記光増幅器の順に光路上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記非線形ファイバーと、前記第１のカプラーと、前記第２のカプラーと、前記光増幅器と、は、前記第１のカプラー、前記非線形ファイバー、前記光増幅器、前記第２のカプラーの順に光路上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記非線形ファイバーと、前記第１のカプラーと、前記第２のカプラーと、前記光増幅器と、は、前記第１のカプラー、前記光増幅器、前記非線形ファイバー、前記第２のカプラーの順に光路上に配置されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記第１のカプラーと前記第２のカプラーとは兼ねることを特徴とする請求項１０または１１に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記光増幅器は、前記第２の波長範囲の波長をもつ光のピーク強度を増幅する分散補償デバイスであることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を分光して測定対象物に照射する分光器と
前記測定対象物の情報を持った光を検出する検出器と、を有することを特徴とする装置。
【請求項１５】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を測定対象物へ照射する照射光と参照光とに分岐させ、前記測定対象物に照射された前記照射光の反射光と前記参照光による干渉光を発生させる干渉光学系と、
前記干渉光を受光する検出器と、を有することを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源装置、特に広帯域光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医用イメージング装置用のコヒーレント広帯域光源として、非線形ファイバーによるパラメトリック波長変換技術を利用したスーパーコンティニューム（supercontinuum）光源（以下、ＳＣ光源と呼ぶ）の研究が盛んに行われている。ＳＣ光源が用いられる医用イメージング装置としては、スペクトル・エンコード内視鏡（spectrally encoded endoscopy）が例示される。また、光コヒーレント・トモグラフィー（optical coherent tomography）も例示される。
【０００３】
高非線形光学部材の中を強度の強い光（ポンプ光）が伝搬すると、高非線形光学部材中の非線形光学効果によって、ポンプ光は、その波長よりも広帯域の波長帯をもつ広帯域光であるスーパーコンティニューム光（以下、ＳＣ光と呼ぶ）に変換される。このような波長の変換に用いられる非線形光学部材としては、光ファイバーが頻繁に用いられる。光ファイバーを用いると、光ファイバーのコア内でポンプ光の光密度を高めることによって、ポンプ光の波長を広帯域化する非線形光学効果を高めることができる。さらに、ポンプ光を光ファイバー内部で長距離伝搬させることができるため、非線形光学効果を高めることができる。
【０００４】
また、ポンプ光としては、パルス幅が１００ｐｓ以下のパルス光が頻繁に用いられる。１００ｐｓ以下のパルス光をポンプ光として用いた場合、非線形光学効果を生じさせるのに必要となる高い光ピーク強度を得ることができる。ポンプ光として１００ｐｓ以下のパルス光をポンプ光とした場合、多様な非線形光学効果によってポンプ光の波長を広帯域化することができる。広帯域化に寄与する非線形光学効果としては、ソリトン分割（soliton fission）、ソリトン自己周波数シフト（soliton self frequency shift）が例示される。また、非ソリトン放射（non-solitonic radiation）、パルストラッピング（pulse trapping）が例示される。
【０００５】
なお、非線形ファイバーを伝搬するパルス光によって生じるＳＣ光の発生メカニズムは、非特許文献１−３に詳しく記載されている。
【０００６】
また、特許文献１には、このような光ファイバーを用いた共振器型のＳＣ光源である光アキュムレーター（optical accumulator）が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１３／０２５９０７１号明細書
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Govind Agrawal, “Nonlinear Fiber Optics”, Fifth Edition， Academic Press (2012)
【非特許文献２】Samudra Poy et al., “Dispersive wave generation in supercontinuum process inside nonlinear microstructured fibre”, Current Science, Vol. 100, No. 3, pp. 321-342 (2011)
【非特許文献３】Haohua Tu et al., “Optical frequency up-conversion by supercontinuum-free widely-tunable fiber-optic Cherenkov radiation”, Optics Express, Vol. 17, No. 12, pp. 9858-9872 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１に記載されるような共振器型ＳＣ光源において、例えばパルス幅１００ｐｓ以下のようにパルス幅の狭いパルス光をポンプ光として用いた場合、共振器型ＳＣ光源の出力が十分に増強されないという課題が生じる。
【００１０】
本発明の目的は、ポンプ光のパルス幅の広狭によらず、十分に増強された高い出力を実現することができる光源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一観点によれば、非線形ファイバーと、第１のカプラーと、第２のカプラーと、ポンプ光源と、光増幅器と、を有し、前記ポンプ光源は、前記第１のカプラーを介して、前記非線形ファイバーにポンプ光を入射し、前記非線形ファイバーは、前記ポンプ光源からのポンプ光の少なくとも一部を波長変換し、前記第２のカプラーは、前記非線形ファイバーから射出される光のうち、前記非線形ファイバーのゼロ分散波長よりも短波長側の第１の波長範囲の波長をもつ光を出力し、前記光増幅器は、前記非線形ファイバーから射出される光のうち、前記非線形ファイバーの前記ゼロ分散波長よりも長波長側の第２の波長範囲の波長をもつ光を増幅し、前記光増幅器で増幅された光が前記非線形ファイバーに入射するように、前記非線形ファイバーと、前記第１のカプラーと、前記第２のカプラーと、前記光増幅器と、により、光ループが形成されていることを特徴とする光源装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ポンプ光のパルス幅の広狭によらず、十分に増強された高い出力を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光源装置の構成を説明する図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係る光源装置における高非線形ファイバーの伝搬定数βの周波数一次微分β１および周波数二次微分β２の波長依存性を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る光源装置における異なる位置での広帯域光のスペクトルを示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光源装置の構成を説明する図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係る光源装置の構成を説明する図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光源装置におけるフォトニック結晶ファイバーの伝搬定数βの周波数一次微分β１および周波数二次微分β２の波長依存性を示す図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係る光源装置における異なる位置での広帯域光のスペクトルを示す図である。
【図８】共振器型ＳＣ光源を説明する図である。
【図９】共振器型ＳＣ光源においてポンプ光よりＳＣ光が形成される物理過程を説明する図である。
【図１０】ゼロ分散波長、異常分散領域、および正常分散領域を説明する図である。
【図１１】本発明の分散補償を用いた場合の光源装置の構成を説明する図である。
【図１２Ａ】図１１の光源装置の構成の光ループ内の各位置におけるスペクトルとパルス時間との関係を模式的に示す図（その１）である。
【図１２Ｂ】図１１の光源装置の構成の光ループ内の各位置におけるスペクトルとパルス時間との関係を模式的に示す図（その２）である。
【図１２Ｃ】図１１の光源装置の構成の光ループ内の各位置におけるスペクトルとパルス時間との関係を模式的に示す図（その３）である。
【図１２Ｄ】図１１の光源装置の構成の光ループ内の各位置におけるスペクトルとパルス時間との関係を模式的に示す図（その４）である。
【図１２Ｅ】図１１の光源装置の構成の光ループ内の各位置におけるスペクトルとパルス時間との関係を模式的に示す図（その５）である。
【図１２Ｆ】図１１の光源装置の構成の光ループ内の各位置におけるスペクトルとパルス時間との関係を模式的に示す図（その６）である。
【図１３】本発明の変形実施形態に係る光源装置の別の構成を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（共振器型ＳＣ光源）
本発明の実施形態に係る光源装置を説明するに先立ち、特許文献１に記載された共振器型ＳＣ光源について図８を用いて説明する。図８は、特許文献１に記載された共振器型ＳＣ光源を表す模式図である。
【００１５】
図８に示すように、特許文献１に記載された共振器型ＳＣ光源８は、ポンプ光としてパルス光を出力するポンプ光源８１と、高非線形ファイバー８２と、高非線形ファイバー８２に入射する光の波長を選択するためのグレーティング８３とを有している。さらに、共振器型ＳＣ光源８は、共振器型ＳＣ光源８の出力として共振器の外部に取り出す出力光の波長を選択するためのグレーティング８４と、光を集光またはコリメートするための複数のレンズ８５、８６とを備えている。
【００１６】
ポンプ光源８１より出力されたパルス光であるポンプ光は、グレーティング８３で回折される。グレーティング８３で回折されたポンプ光は、高非線形ファイバー８２の入射端側に配置されたレンズ８５で集光されて高非線形ファイバー８２へとその入射端から入射する。高非線形ファイバー８２に入射したポンプ光は、高非線形ファイバー８２の中でＳＣ光に変換される。高非線形ファイバー８２の中で発生したＳＣ光は、高非線形ファイバー８２をその射出端から射出し、その射出端側に配置されたレンズ８６によりコリメートされる。コリメートされたＳＣ光は、グレーティング８４により回折されてその一部が共振器型ＳＣ光源８の出力として取り出される。
【００１７】
一方、出力として取り出されずに残ったＳＣ光は、グレーティング８３に入射し、その一部がレンズ８５で集光されて高非線形ファイバー８２にその入射端から再び入射する。このようにして高非線形ファイバー８２に再入射したＳＣ光の一部は、高非線形ファイバー８２内での非線形光学効果によってその波長が広がる。この際、高非線形ファイバー８２に再入射したＳＣ光の一部は、共振器型ＳＣ光源８の出力となる波長に変換される。
【００１８】
こうして、共振器型ＳＣ光源８では、ＳＣ光の波長帯の一部が共振器型ＳＣ光源８の出力として取り出される。一方、残りのＳＣ光の一部が再び高非線形ファイバー８２に入射し、再入射したＳＣ光の一部が共振器型ＳＣ光源８の出力となる波長帯に変換される。このように、共振器型ＳＣ光源８では、共振器型ＳＣ光源８の出力の波長に変換された光を共振器から取り出すことにより、共振器型ＳＣ光源８の出力を増強することができるとされている。
【００１９】
しかしながら、上述のように、従来の共振器型ＳＣ光源では、例えばパルス幅１００ｐｓ以下のようにパルス幅の狭いパルス光をポンプ光として用いた場合、共振器型ＳＣ光源の出力が十分に増強されないという課題が生じる。以下、この課題を、図９および図１０を用いて説明する。
【００２０】
図９は、パルス幅が１００ｐｓ以下のパルス光であるポンプ光を高非線形ファイバーに入射したときにポンプ光よりＳＣ光が形成される物理過程を説明する図である。図１０は、ゼロ分散波長、異常分散領域、および正常分散領域を説明する図であり、高非線形ファイバーの伝搬定数βの周波数一次微分∂β／∂ωの波長に対する変化と、周波数二次微分∂２β／∂ω２の波長に対する変化とを模式的に示している。以下、∂２β／∂ω２がゼロとなる波長をゼロ分散波長λ０、∂２β／∂ω２が正となる波長領域を正常分散領域、∂２β／∂ω２が負となる波長領域を異常分散領域、と呼ぶ。また、ポンプ光の波長をλｐ、ＳＣ光源の出力として取り出す光の波長をλ１以上λ２以下とする。ただし、波長λ１およびλ２は、λ１＜λ２＜λ０を満たすものであるとする。また、ポンプ光の波長λｐは、異常分散領域の波長であり、λｐ＞λ０を満たすものであるとする。
【００２１】
ポンプ光が高非線形ファイバーに入射した場合、ポンプ光からＳＣ光への波長変換は、非線形光学効果によって主に引き起こされる。波長変換を引き起こす非線形光学効果の主たるメカニズムには、ソリトン分裂（soliton fission）、非ソリトン放射（non-solitonic radiation）が含まれる。また、ソリトン自己周波数シフト（soliton self-frequency shift）、パルストラッピング（pulse-trapping）が含まれる。上記のメカニズム以外に、ポンプ光からＳＣ光への波長変換には、自己位相変調（self phase modulation）が寄与している。また、波長変換には、四光波混合（four wave mixing）、変調不安定性（modulation instability）が寄与している。しかしながら、これらは、パルス幅１００ｐｓ以下のポンプ光を用いた場合、発生するＳＣ光のスペクトル形状に大きく寄与しないため、説明では近似的に無視をする。
【００２２】
以下、本明細書中で用いる学術用語について説明する。
【００２３】
「ソリトン」とは、異常分散領域の波長をもつパルス光が非線形ファイバーを伝搬するときの一形態を指す。ソリトン状態にあるパルス光が非線形ファイバーを伝搬する場合、非線形ファイバーのカーレンズ効果により生じるパルス光の位相変調と、伝搬定数βの波長依存により生じるパルス光の位相変調とが打ち消し合う。このため、ソリトン状態にあるパルス光は、位相変調によってパルス形状が大きく変化することなく高ピークパワーを保ったまま伝搬することができる。パルス光がソリトンとなる条件は、次式（１）で表される。
【数１】
2017078823.tif 000003
【００２４】
ここで、Ｎは、ソリトンの次数（order）と呼ばれる値であり、１以上の整数をとる。Ｎ＝１となるソリトンは基本ソリトン（fundamental soliton）と呼ばれる。また、Ｎ≧２のソリトンは高次のソリトンと呼ばれる。パルス光は、Ｎが整数である場合にソリトンとなって、パルスの形状が崩れることなく伝搬することができる。ωｓはソリトンのスペクトル中心の周波数を表す。γは非線形ファイバーの非線形係数である。βｍは非線形ファイバーの伝搬定数βの周波数ωに対するｍ次微分であり、次式（２）で定義される。
【数２】
2017078823.tif 000004
【００２５】
ＰｉｎおよびＴ０は、それぞれソリトンとなる前のパルス（ガウシアンパルス）のピーク強度、およびパルス幅を表す。すなわち、ピーク強度Ｐｉｎ、パルス幅Ｔ０、および中心周波数ωｓをもつガウシアンビームが非線形ファイバーに入射してソリトンとなった場合、ソリトンの次数Ｎは式（１）により見積ることができる。また、ソリトンのピーク強度ＰｓとＰｉｎとは次式（３）で結ばれる。
【数３】
2017078823.tif 000005
【００２６】
「ソリトン分裂」とは、高次のソリトンが、エネルギーの損失等の影響を受けて不安定となり、より次数の低いソリトンとなる物理過程を指す。Ｎ≧２の高次のソリトンは、非線形ファイバーを伝搬する際に、以下に説明する非ソリトン放射によってエネルギーを失い不安定となる。エネルギーを失って不安定となったソリトンは、より低次のソリトンに分裂する。
【００２７】
「非ソリトン放射」とは、非線形ファイバー内の非線形光学効果の一つであり、ソリトンがそれと位相整合する周波数にパルスエネルギーを放出する物理過程を指す。ここでソリトンと位相整合する周波数とは、次式（４）を満たす周波数ωｄを指す。
【数４】
2017078823.tif 000006
【００２８】
一般に、可視領域および赤外領域にゼロ分散波長λ０をもつ高非線形ファイバーにおいて、ｍ＝４以上の高次の項は、ωｄを見積もる場合に無視することができる。また、式（４）の右辺は、ポンプ光として用いられるパルス光のピーク強度が１ＭＷ以下である場合、ωｄを見積もる際に無視することができる。よって、実質的には、ωｄは次式（５）を用いて求めることができる。
【数５】
2017078823.tif 000007
【００２９】
一般に、ソリトンの波長λｓ（＝２πｃ／ωｓ）は異常分散領域の波長であり、式（５）を満たすλｄ（＝２πｃ／ωｄ）は正常分散領域の波長である。なお、ｃは光速である。すなわち、異常分散領域の波長λｓをもつソリトンが非線形ファイバー内を伝搬するとき、非ソリトン放射によって、ゼロ分散波長λ０を跨いだ正常分散領域の波長λｄにソリトンのエネルギーの一部が放射される。また、非ソリトン光として放出されるエネルギーＰｄは、次式（６）で表される。
【数６】
2017078823.tif 000008
【００３０】
ただし、式（６）中のδ３は次式（７）で表される。
【数７】
2017078823.tif 000009
【００３１】
非特許文献１−３によれば、Ｐｄの値は、Ｎが増すにつれて大きくなる。すなわち、ソリトンが高次となるほど、より多くのエネルギーを非ソリトン光として放出する。
【００３２】
「ソリトン自己周波数シフト」とは、光ファイバー内のラマン散乱によって、ソリトンの周波数ωｓが低周波数側にシフトする過程を指す。すなわち、ソリトン自己周波数シフトによってソリトンの波長λｓは長波長側にシフトする。
【００３３】
「パルストラッピング」とは、ソリトンと正常分散領域の波長をもつパルス光との間の相互作用を指す。一般に、ソリトン自己周波数シフトによってソリトンの中心波長λｓが長波長側（すなわち低周波数側）にシフトすると、ソリトンによりトラップされたパルス光の中心波長は短波長側（すなわち高周波数側）にシフトする。非ソリトン放射によって発生した正常分散領域の波長をもつパルス光（非ソリトン光）は、このパルストラッピングによって、短波長側にシフトする。
【００３４】
高いピーク強度をもつポンプ光が非線形ファイバーに入射した場合、ポンプ光は以下の過程を経てＳＣ光となる。図９には、この過程を説明するための模式的なスペクトル９Ａ−９Ｇを示している。
【００３５】
まず、スペクトル９Ａに示すポンプ光が、高非線形ファイバーに入射する。ポンプ光は、異常分散領域の波長λｐをもつ。高非線形ファイバーに入射したポンプ光は、スペクトル９Ｂに示すように、複数のソリトン光となる。
【００３６】
ポンプ光より派生したソリトンは、非ソリトン放射により、スペクトル９Ｃに示すように、正常分散領域においてソリトン光と位相整合する波長にパルス光を放射する。以下、放射されたパルス光を非ソリトンと呼ぶ。
【００３７】
非ソリトン放射によりエネルギーが低下したソリトンは、不安定となり、スペクトル９Ｄに示すように、ソリトン分裂の過程を経て、より低次のソリトンに分裂する。
【００３８】
上述のようにして生じたソリトンは、ソリトン自己周波数シフトによって長波長側にシフトする。一方、非ソリトン光の一部は、パルストラッピングによりソリトンにトラップされ（すなわち、ソリトンと相互作用し）、その波長が短波側にシフトする。こうして、ソリトン自己周波数シフトおよびパルストラッピングによりスペクトルが広がり、スペクトル９Ｅに示すように、ＳＣ光が形成される。
【００３９】
なお、上記説明では、非ソリトン放射、ソリトン分裂、ソリトン自己周波数シフト、およびパルストラッピングを時系列で列記しているが、実際には、これらの物理過程は同時に起こり得る。また、ＳＣ光の発生において、上記の物理過程は複数回起こり得る。
【００４０】
上記の説明のように、異常分散領域の波長λｐをもつポンプ光を用いた場合、ポンプ光のエネルギーが正常分散領域のパルス光に移る主な物理過程は、非ソリトン放射である。非ソリトン放射は、ソリトンと位相整合する波長をもつパルス光である非ソリトン光が形成される過程であり、ソリトンの次数Ｎが大きいほど非ソリトン光のエネルギーは大きい。したがって、ソリトン分裂を経てソリトンの次数Ｎが小さくなると、非ソリトン放射により放出されるエネルギー、すなわち非ソリトン光のエネルギーは小さくなる。
【００４１】
スペクトル９Ｆは、λ１以上λ２以下の波長をもつ正常分散領域のパルス光を、ＳＣ光源の出力として取り出したあとのＳＣ光のスペクトルを示している。また、スペクトル９Ｇは、スペクトル９Ｆに示すＳＣ光の一部を高非線形ファイバーに戻したとき、高非線形ファイバーの出力端で生じるＳＣ光のスペクトルを示している。高非線形ファイバーに戻されるＳＣ光に含まれるソリトンは、非ソリトン放射によって正常分散領域のパルス光にエネルギーを放出し、その次数Ｎが小さくなっている。よって、そのような次数の低いソリトンを高非線形ファイバーに戻しても、強い非ソリトン放射は生じない。スペクトル９Ｇに示すように、ＳＣ光が高非線形ファイバーに戻されることにより、λ１以上λ２以下の出力波長帯において新たに光が発生しているものの、その強度は不十分なものになっている。
【００４２】
このように、共振器型ＳＣ光源においては、パルス光をポンプ光とした場合、高非線形ファイバーに戻されたＳＣ光の一部を形成するソリトンは、共振器型ＳＣ光源の出力となる正常分散領域におけるパルス光に十分に変換されないという課題が生じる。
【００４３】
これに対して、本発明に係る光源装置は、高非線形ファイバーに戻されたＳＣ光の一部を形成するソリトンを正常分散領域におけるパルス光に十分に変換し、もってポンプ光のパルス幅の広狭によらず十分に増強された高い出力を実現するものである。以下、第１実施形態において光源装置の基本的な構成について説明し、次いで、第２及び第３実施形態においてより具体的な構成について説明する。
【００４４】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態に係る光源装置について図１ないし図３を用いて説明する。
【００４５】
まず、本実施形態に係る光源装置の構成について図１および図２を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る光源装置の構成を説明する図である。図２は、本実施形態に係る光源装置における高非線形ファイバーの伝搬定数βの周波数一次微分β１および周波数二次微分β２の波長依存性を示す図である。
【００４６】
図１に示すように、本実施形態に係る光源装置１０は、広帯域光源であり、ポンプ光を発生するポンプ光源１１と、広帯域光であるＳＣ光を発生する高非線形ファイバー１２と、パルス光を増幅するための光増幅器１３とを有している。さらに、本実施形態に係る光源装置１０は、ポンプ光および発生した広帯域光の一部を高非線形ファイバー１２に入射するインプットカプラー１４と、発生した広帯域光の一部を出力光として取り出すアウトプットカプラー１５とを有している。
【００４７】
インプットカプラー１４と、高非線形ファイバー１２と、アウトプットカプラー１５と、光増幅器１３とは、パルス光を含む広帯域光が周回する光ループを形成している。
【００４８】
インプットカプラー１４は、２つの入力端と１つの出力端とを有する２入力１出力のカプラーである。インプットカプラー１４の一方の入力端には、ポンプ光源１１の出力端が光学的に接続されている。インプットカプラー１４の他方の入力端には、光増幅器１３の出力端が光学的に接続されている。また、インプットカプラー１４の出力端には、高非線形ファイバー１２の入射端が光学的に接続されている。ポンプ光源１１から出力されたポンプ光は、インプットカプラー１４を通って高非線形ファイバー１２にその入射端から入射して光ループ内に入るようになっている。
【００４９】
アウトプットカプラー１５は、１つの入力端と２つの出力端とを有する１入力２出力のカプラーである。アウトプットカプラー１５の入力端には、高非線形ファイバー１２の射出端が光学的に接続されている。また、アウトプットカプラー１５の一方の出力端には、光増幅器１３の入力端が光学的に接続されている。アウトプットカプラー１５の他方の出力端からは、光源装置１０の出力である出力光として、広帯域光に含まれる所定の波長範囲のパルス光が取り出されて出力されるようになっている。
【００５０】
ポンプ光源１１は、パルス光であるポンプ光を発生して出力するものである。ポンプ光源１１によるポンプ光のパルス幅は、特に限定されるものではないが、例えば１００ｐｓ以下の狭いものである。ポンプ光の波長も特に限定されるものではない。ポンプ光源１１としては、特に限定されるものではないが、例えば、Ｙｂドープファイバーレーザー等により構成されるパルスレーザーを用いることができる。
【００５１】
インプットカプラー１４およびアウトプットカプラー１５は、それぞれ例えば波長分割多重（Wavelength Division Multiplexing、ＷＤＭ）素子である。
【００５２】
高非線形ファイバー１２は、高い非線形係数を有し、ＳＣ光を発生させることが可能な光ファイバーであり、例えば、フォトニック結晶ファイバー（Photonic Crystal Fiber、ＰＣＦ）である。非線形係数γは次式（８）で表わされる。ωは入力パルスの光角周波数、ｎ２は非線形屈折率、ｃは真空中の光速、Ａｅｆｆは有効コア断面積である。一般的な光ファイバー（Ｃｏｒｎｉｎｇ製型番ＨＩ−１０６０）では、およそ６．５（（Ｗ・ｋｍ）−１）である。一般的に、γが１０（（Ｗ・ｋｍ）−１）を超えるような光ファイバーを高非線形ファイバーと呼ぶ。高非線形ファイバー１２は、ＮＫＴ  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ製型番ＳＣ−３．７−９７５を用いることができる。なお、第１ないし第３実施形態では、高非線形ファイバーを用いた場合を例に説明するが、高非線形ファイバーに限らず、非線形性を有する光ファイバーである非線形ファイバーを用いることができる。
【数８】
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【００５３】
光増幅器１３は、所定の波長範囲のパルス光を増幅するものであり、例えば、Ｅｒ、Ｙｂ等の希土類がドープされた光ファイバーを利得媒体とする希土類ドープファイバー増幅器である。
【００５４】
こうして、インプットカプラー１４と、高非線形ファイバー１２と、アウトプットカプラー１５と、光増幅器１３とにより形成される光ループを含む光源装置１０が構成されている。光源装置１０はチャープが０、すなわちフーリエ変換限界パルスの時に、時間幅が１００ｆｓ程度以下となるようなスペクトル幅を有する。例えば中心波長１０３０ｎｍのＳｅｃｈ２型のパルス光では、スペクトル幅が１１ｎｍ以上である。
【００５５】
図２は、高非線形ファイバー１２の伝搬定数βの周波数一次微分β１および周波数二次微分β２の波長依存性を模式的に示している。高非線形ファイバー１２の伝搬定数βは、ゼロ分散波長λ０でその周波数二次微分β２が０となる。高非線形ファイバー１２は、ゼロ分散波長λ０より短波長側にβ２＞０となる正常分散領域を有し、ゼロ分散波長λ０より長波長側にβ２＜０となる異常分散領域を有する。
【００５６】
ポンプ光源１１より出力されるポンプ光の波長λｐは、λｐ＞λ０である異常分散領域の波長である。インプットカプラー１４を通って光ループに入ったポンプ光は、高非線形ファイバー１２にその入射端から入射する。
【００５７】
高非線形ファイバー１２では、ポンプ光の少なくとも一部が波長変換されて広帯域光であるＳＣ光が発生する。高非線形ファイバー１２で発生した広帯域光は、高非線形ファイバー１２をその射出端から射出する。
【００５８】
アウトプットカプラー１５は、高非線形ファイバー１２の射出端からそこに入射した広帯域光に含まれる波長λ１以上λ２以下の波長範囲のパルス光を、光源装置１０の出力として光ループの外部にその一方の出力端から取り出す。波長λ１およびλ２は、上述のように、λ１＜λ２＜λ０を満たすものである。出力として取り出されずに残った広帯域光は、アウトプットカプラー１５の他方の出力端から出力される。
【００５９】
光増幅器１３は、アウトプットカプラー１５の他方の出力端からそこに入射した広帯域光に含まれる波長λ３以上λ４以下の波長範囲のパルス光を増幅する。波長λ３およびλ４は、λ０＜λ３＜λ４を満たし、さらに以下に述べる位相整合に関する条件を満たすものである。
【００６０】
インプットカプラー１４では、その一方の入力端にポンプ光源１１から波長λｐをもつポンプ光が入力されるとともに、その他方の入力端に光増幅器１３から波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光を含む広帯域光の一部が入力される。インプットカプラー１４は、入力される波長λｐをもつポンプ光と、入力される波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光を含む広帯域光の一部とを共通の出力端から出力する。出力された波長λｐをもつポンプ光及び波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光を含む広帯域光の一部は、高非線形ファイバー１２にその入射端から入射する。
【００６１】
光増幅器１３によって増幅されて、インプットカプラー１４を通って高非線形ファイバー１２に入射する波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光は、波長λ１以上λｐ未満の波長と位相整合している。なお、波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光は、波長λ１以上λ０未満の波長と位相整合していることが好ましく、波長λ１以上λ２以下の波長と位相整合していることがより好ましい。すなわち、波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光は、出力波長の範囲の下限の波長以上、ゼロ分散波長以下の波長と位相整合していることが好ましく、出力波長の範囲の波長と位相整合していることがより好ましい。
【００６２】
このように、増幅されたパルス光が位相整合する波長が、出力波長の範囲である波長λ１以上λ２以下の範囲により近く、さらには波長λ１以上λ２以下の範囲に含まれることで、出力波長の範囲でのＳＣ光の発生効率をより向上することができる。ここで、パルス光が波長λｄと位相整合しているとは、パルス光のピーク強度Ｐｉｎ、パルス幅Ｔ０、中心周波数ωｓと、ωｄ＝２πｃ／λｄとが式（５）を満たすことを指す。ここで、ｃは光速である。
【００６３】
以下、さらに図３を用いて、図１に示す本実施形態に係る光源装置１０の動作について説明する。図３は、本実施形態に係る光源装置１０における異なる位置での広帯域光のスペクトルを示す図である。図３には、ポンプ光より発生した広帯域光が図１の光ループ内を伝搬する場合の、位置Ａ、Ｂ、Ｃにおける広帯域光のスペクトル、および出力が増強された広帯域光のスペクトルをそれぞれ模式的に示している。図３に示すスペクトル３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、それぞれ図１に示す光源装置１０の光ループ内の位置Ａ、Ｂ、Ｃでの広帯域光のスペクトルである。位置Ａは、高非線形ファイバー１２の射出端の位置である。位置Ｂは、アウトプットカプラー１５の一方の出力端の位置である。位置Ｃは、光増幅器１３の出力端の位置である。また、図３に示すスペクトル３Ｄは、増幅されたパルス光が高非線形ファイバー１２に再び入射することによって生じる広帯域光のスペクトルであり、図１に示す光源装置１０の光ループ内の位置Ｄでのスペクトルである。位置Ｄは、位置Ａと同じく高非線形ファイバー１２の射出端の位置である。
【００６４】
インプットカプラー１４を通ってポンプ光源１１から光ループに入ったポンプ光は、高非線形ファイバー１２に入射する。高非線形ファイバー１２の内部において、ポンプ光は、ソリトン分裂、非ソリトン放射、ソリトン自己周波数シフト、およびパルストラッピングの物理過程を経て、広帯域光であるＳＣ光となる（スペクトル３Ａ）。光ループにおける高非線形ファイバー１２の射出端の位置である位置Ａにおいて、広帯域光は、正常分散領域の波長をもつパルス光と、異常分散領域の波長をもつパルス光とを含んでいる。
【００６５】
光ループ内を伝搬し、アウトプットカプラー１５に到達した広帯域光は、波長λ１以上λ２以下の波長をもつパルス光が出力光として光ループの外に取り出される。出力光として取り出されたパルス光は、コヒーレントな光である。一方、残った広帯域光（スペクトル３Ｂ）は、光ループを伝搬して光増幅器１３に到達する。
【００６６】
光増幅器１３では、広帯域光に含まれる波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光が増幅される。増幅されたパルス光を含む広帯域光（スペクトル３Ｃ）は、インプットカプラー１４を通って、高非線形ファイバー１２に入射する。
【００６７】
高非線形ファイバー１２に入射した波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光は、光増幅器１３で増幅されており、スペクトル３Ａで示した状態よりもピーク強度が高い状態にある。すなわち、増幅されたλ３以上λ４以下の波長をもつパルス光は、スペクトル３Ａの状態のパルス光よりも高い次数ＮをもつＮ≧２を満たす高次のソリトンとなることができる。このような２以上の次数Ｎをもつ高次のソリトンは、非ソリトン放射、パルス分裂、ソリトン自己周波数シフト、およびパルストラッピングの物理過程を経て、出力となる波長λ１以上λ２以下の波長をもつパルス光に効率よく変換される。こうして、出力が増強された広帯域光であるＳＣ光（スペクトル３Ｄ）が光ループに形成される。
【００６８】
高非線形ファイバー１２に入射した波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光は、光ループを構成する光ファイバーの波長分散によって、時間幅が広がりピーク強度が下がる。そこで、高非線形ファイバー１２に入射される前に、波長分散を補償する分散補償機構を入れることによりピーク強度を高めることで、より高い次数Ｎをもつ高次のソリトンを得ることができる。そのことによって、上述のように出力となる波長λ１以上λ２以下の波長をもつパルス光に効率よく変換される。波長λ３以上λ４以下の波長をもつパルス光が高非線形ファイバー１２に入射される直前でピーク強度を高めるための分散補償機構としては、例えば次のようにして実現することができる。すなわち、光ループを構成する光ファイバーに対して、波長λ３以上λ４以下の波長帯域において正常分散と異常分散を有する異なるファイバーを組み合わせることで実現できる。あるいは、そのような分散補償機構として、例えば、グレーティングやプリズムなどの分散を制御する機構や、チャープファイバブラッググレーティングを用いることができる。
【００６９】
以上のように、本実施形態によれば、光増幅器１３により増幅されたパルス光が、出力となる波長範囲のパルス光に変換されることにより、ポンプ光のパルス幅の広狭によらず、十分に増強された高い出力を実現することができる。
【００７０】
（第２実施形態）
本発明の第２実施形態に係る光源装置について図４を用いて説明する。本実施形態およびこれに続く第３実施形態では、それぞれより具体的な光源装置の構成の例について説明する。
【００７１】
図４は、本実施形態に係る光源装置の構成を説明する図である。図４に示すように、本実施形態に係る光源装置４０は、広帯域光源であり、ポンプ光を発生するポンプ光源であるＹｂドープファイバーレーザー４１と、高非線形ファイバーであるフォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ）４２とを有している。さらに、本実施形態に係る光源装置４０は、光増幅器であるＹｂドープファイバー増幅器４３と、インプットカプラーである２入力１出力のカプラー４４と、出力を取り出す１入力２出力のアウトプットカプラーであるカプラー４５とを有している。カプラー４５は以下で述べるようにスペクトルによって分岐する機能を有していていもよいため、望ましくはＷＤＭ素子である。
【００７２】
カプラー４４と、ＰＣＦ４２と、カプラー４５と、Ｙｂドープファイバー増幅器４３とは、上記第１実施形態と同様に、パルス光を含む広帯域光が周回する光ループを形成している。これらカプラー４４と、ＰＣＦ４２と、カプラー４５と、Ｙｂドープファイバー増幅器４３とは、融着で入力端と出力端とが接続されている。
【００７３】
カプラー４４の一方の入力端には、Ｙｂドープファイバーレーザー４１の出力端が光学的に接続されている。カプラー４４の他方の入力端には、Ｙｂドープファイバー増幅器４３の出力端が光学的に接続されている。また、カプラー４４の出力端には、ＰＣＦ４２の入射端が光学的に接続されている。Ｙｂドープファイバーレーザー４１から出力されたポンプ光は、カプラー４４を通ってＰＣＦ４２にその入射端から入射して光ループ内に入るようになっている。
【００７４】
カプラー４５の入力端には、ＰＣＦ４２の射出端が光学的に接続されている。また、カプラー４５の一方の出力端には、Ｙｂドープファイバー増幅器４３の入力端が光学的に接続されている。カプラー４５の他方の出力端からは、光源装置４０の出力である出力光として、広帯域光に含まれる所定の波長範囲のパルス光が取り出されて出力されるようになっている。
【００７５】
Ｙｂドープファイバーレーザー４１は、Ｙｂドープファイバーを利得媒体とするファイバーレーザーであり、出力光としてポンプ光を出力するパルスレーザーである。Ｙｂドープファイバーレーザー４１より出力されるポンプ光のパルス幅は、１００ｆｓ以上１００ｐｓ以下であり、その波長は１０１０ｎｍ以上１０３０ｎｍ以下である。
【００７６】
Ｙｂドープファイバー増幅器４３は、利得媒体としてのＹｂドープファイバー４３１と、Ｙｂドープファイバー４３１に入射する励起光を出力する励起光源４３２と、２入力１出力のＷＤＭ素子４３３とを有している。励起光源４３２の出力端は、ＷＤＭ素子４３３の一方の入力端に光学的に接続されている。Ｙｂドープファイバー増幅器４３の入力端となるＷＤＭ素子４３３の他方の入力端には、カプラー４５の一方の出力端が光学的に接続されている。ＷＤＭ素子４３３の出力端には、Ｙｂドープファイバー４３１の入射端が光学的に接続されている。Ｙｂドープファイバー増幅器４３の出力端となるＹｂドープファイバー４３１の出力端には、カプラー４４の他方の入力端が光学的に接続されている。
【００７７】
Ｙｂドープファイバー増幅器４３の利得波長は１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長帯を含んでおり、Ｙｂドープファイバー増幅器４３は、その波長範囲のパルス光を増幅することができる。
【００７８】
アウトプットカプラーであるカプラー４５は、上述のように１つの入力端と２つの出力端とを備えている。カプラー４５は、入力端より入射する広帯域光であるＳＣ光のうち、少なくとも１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長をもつパルス光を一方の出力端に出力し、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長をもつパルス光を他方の出力端に出力する。すなわち、カプラー４５は、少なくとも１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長をもつパルス光を、Ｙｂドープファイバー増幅器４３の入力端に光学的に接続された出力端に出力する。また、カプラー４５は、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長をもつパルス光を、光源装置４０の出力を取り出すための出力端に出力する。
【００７９】
また、インプットカプラーであるカプラー４４は、上述のように２つの入力端と１つの出力端とを備えている。カプラー４４には、Ｙｂドープファイバーレーザー４１の出力端に光学的に接続された一方の入力端より、波長１０１０ｎｍ以上１０３０ｎｍ以下のパルス光が入射する。また、カプラー４４には、Ｙｂドープファイバー増幅器４３の出力端に光学的に接続された他方の入力端より、波長１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下のパルス光を含む広帯域光が入射する。カプラー４４は、これらパルス光を含む広帯域光を、ＰＣＦ４２の入射端に光学的に接続された出力端より出力する。
【００８０】
ＰＣＦ４２のゼロ分散波長λ０は９５０ｎｍである。なお、上記第１実施形態において説明した図２は、ＰＣＦ４２の伝搬定数βの周波数一次微分β１および周波数二次微分β２の波長依存性をも示している。ＰＣＦ４２の長さは、ポンプ光のパルス幅および出力に応じて、光源装置４０の出力およびスペクトルが所望のものになるように選択することができる。上記Ｙｂドープファイバーレーザー４１をポンプ光の光源として用いた場合、波長４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光を含む広帯域光を発生させるためには、ＰＣＦ４２の長さは０．５ｍ以上１０ｍ以下の範囲で選択することができる。
【００８１】
Ｙｂドープファイバーレーザー４１からカプラー４４の入力端に入射したポンプ光は、カプラー４４の出力端より出力されてＰＣＦ４２の入射端に入射する。ＰＣＦ４２に入射したポンプ光は、ＰＣＦ４２での非線形光学効果により、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長をもつパルス光と、１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長をもつパルス光とを含む広帯域光であるＳＣ光に変換される。
【００８２】
ＰＣＦ４２の内部で生じた広帯域光は、ＰＣＦ４２の射出端より射出して、カプラー４５の入力端に入射する。広帯域光の一部を構成する４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長をもつパルス光は、光源装置４０の出力である出力光として、カプラー４５の他方の出力端より光ループの外部に取り出される。ここで出力光として取り出されたパルス光は、コヒーレントな光である。
【００８３】
一方、広帯域光の一部を構成する１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長をもつパルス光は、カプラー４５の一方の出力端より出力されて、Ｙｂドープファイバー増幅器４３の入力端に入射する。
【００８４】
Ｙｂドープファイバー増幅器４３では、入力端より入射した１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長をもつパルス光が、励起光源４３２から出力された励起光とともにＷＤＭ素子４３３を介してＹｂドープファイバー４３１にその入射端から入射する。励起光とともにＹｂドープファイバー４３１に入射したパルス光は、Ｙｂドープファイバー４３１の内部で増幅される。増幅されたパルス光は、Ｙｂドープファイバー４３１の射出端から射出して、Ｙｂドープファイバー増幅器４３の出力端から出力される。
【００８５】
Ｙｂドープファイバー増幅器４３から出力されたパルス光は、カプラー４４を介して、ＰＣＦ４２の入射端に入射する。ＰＣＦ４２に入射する１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長をもつパルス光のピーク強度Ｐｉｎは、パルス光が、次数Ｎが２以上の高次のソリトンとなるようにＹｂドープファイバー増幅器４３で増幅されている。このような増幅に際しては、パルス光のパルス幅Ｔ０と、ＰＣＦ４２の非線形係数γと伝搬定数βの周波数二次微分β２とが考慮される。
【００８６】
波長１０３０ｎｍおよび波長１０６０ｎｍと位相整合する波長は、式（５）より求めることができる。１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長におけるＰＣＦ４２の伝搬定数βの周波数二次微分β２および周波数三次微分β３の値がそれぞれ約４０（ｐｓ２／ｋｍ）および約０．１（ｐｓ３／ｋｍ）であるとする。この場合、波長１０３０ｎｍおよび波長１０６０ｎｍと位相整合する波長は、それぞれ約７９０ｎｍおよび約８１０ｎｍである。
【００８７】
ＰＣＦ４２の非線形係数γの値は、約１００（（Ｗ・ｋｍ）−１）である。また、Ｙｂドープファイバー増幅器４３の出力を変えることにより、パルス光のピーク強度を１ｋＷ以上とすることができる。このとき、ＰＣＦ４２に入射した１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長をもつパルス光は、ＰＣＦ４２の内部で次数Ｎが２以上の高次のソリトンとなる。すなわち、ＰＣＦ４２に入射した１０３０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下の波長をもつパルス光は、ＰＣＦ４２を伝搬する際、パルス分裂および非ソリトン放射の過程を経て、正常分散領域の波長である７９０ｎｍ以上８１０ｎｍ以下の波長をもつパルス光を放出する。
【００８８】
正常分散領域における７９０ｎｍ以上８１０ｎｍ以下の波長をもつパルス光の一部は、パルストラッピングおよびソリトン自己周波数シフトによって短波長側にシフトし、光源装置４０の出力となる４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下のパルス光を形成する。
【００８９】
上記第１実施形態において説明した図３は、本実施形態に係る光源装置４０の光ループ内の広帯域光のスペクトルをも示している。図３に示すスペクトル３Ａ、３Ｂ、３Ｃは、それぞれ図４に示す光源装置４０の光ループ内における位置Ａ、Ｂ、Ｃでの広帯域光のスペクトルである。また、図３に示すスペクトル３Ｄは、増幅されたパルス光がＰＣＦ４２に再び入射することによって生じる広帯域光のスペクトルであり、図４に示す光源装置４０の光ループ内における位置Ｄでのスペクトルである。
【００９０】
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態に係る光源装置について図５ないし図７を用いて説明する。
【００９１】
図５は、本実施形態に係る光源装置の構成を説明する図である。図５に示すように、本装置に係る光源装置５０は、広帯域光源であり、ポンプ光を発生するポンプ光源であるＹｂドープファイバーレーザー５１と、高非線形ファイバーであるＰＣＦ５２とを有している。さらに、本実施形態に係る光源装置５０は、光増幅器であるＥｒドープファイバー増幅器５３と、２入力１出力のインプットカプラーであるカプラー５４と、出力を取り出す１入力２出力のアウトプットカプラーであるカプラー５５とを有している。カプラー５５は以下で述べるようにスペクトルによって分岐する機能を有していていもよいため、望ましくはＷＤＭ素子である。
【００９２】
カプラー５４と、ＰＣＦ５２と、カプラー５５と、Ｅｒドープファイバー増幅器５３とは、上記第１実施形態と同様に、パルス光を含む広帯域光が周回する光ループを形成している。これらカプラー５４と、ＰＣＦ５２と、カプラー５５と、Ｅｒドープファイバー増幅器５３とは、融着で入力端と出力端が接続されている。
【００９３】
カプラー５４の一方の入力端には、Ｙｂドープファイバーレーザー５１の出力端が光学的に接続されている。カプラー５４の他方の入力端には、Ｅｒドープファイバー増幅器５３の出力端が光学的に接続されている。また、カプラー５４の出力端には、ＰＣＦ５２の入射端が光学的に接続されている。Ｙｂドープファイバーレーザー５１から出力されたポンプ光は、カプラー５４を通ってＰＣＦ５２にその入射端から入射して光ループ内に入るようになっている。
【００９４】
カプラー５５の入力端には、ＰＣＦ５２の射出端が光学的に接続されている。また、カプラー５５の一方の出力端には、Ｅｒドープファイバー増幅器５３の入力端が光学的に接続されている。カプラー５５の他方の出力端からは、光源装置５０の出力である出力光として、広帯域光に含まれる所定の波長範囲のパルス光が取り出されて出力されるようになっている。
【００９５】
Ｙｂドープファイバーレーザー５１は、Ｙｂドープファイバーを利得媒体とするファイバーレーザーであり、出力光としてポンプ光を出力するパルスレーザーである。Ｙｂドープファイバーレーザー５１より出力されるパルス光のパルス幅は１００ｆｓ以上１００ｐｓ以下であり、その波長は１０１０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下である。
【００９６】
Ｅｒドープファイバー増幅器５３は、利得媒体としてのＥｒドープファイバー５３１と、Ｅｒドープファイバー５３１に入射する励起光を出力する励起光源５３２と、２入力１出力のＷＤＭ素子５３３とを有している。励起光源５３２の出力端は、ＷＤＭ素子５３３の一方の入力端に光学的に接続されている。Ｅｒドープファイバー増幅器５３の入力端となるＷＤＭ素子５３３の他方の入力端には、カプラー５５の一方の出力端が光学的に接続されている。ＷＤＭ素子５３３の出力端には、Ｅｒドープファイバー５３１の入射端が光学的に接続されている。Ｅｒドープファイバー増幅器５３の出力端となるＥｒドープファイバー５３１の出力端には、カプラー５４の他方の入力端が光学的に接続されている。
【００９７】
Ｅｒドープファイバー増幅器５３の利得波長は１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長帯を含んでおり、Ｅｒドープファイバー増幅器５３は、その範囲の波長をもつパルス光を増幅することができる。
【００９８】
アウトプットカプラーであるカプラー５５は、上述のように１つの入力端と２つの出力端とを備えている。カプラー５５は、入力端より入射する広帯域光であるＳＣ光のうち、少なくとも１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長をもつパルス光を一方の出力端に出力し、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長をもつパルス光を他方の出力端に出力する。すなわち、カプラー５５は、少なくとも１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長をもつパルス光を、Ｅｒドープファイバー増幅器５３の入力端に光学的に接続された出力端に出力する。また、カプラー５５は、４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長をもつパルス光を、光源装置５０の出力を取り出すための出力端に出力する。
【００９９】
また、インプットカプラーであるカプラー５４は、上述のように２つの入力端と１つの出力端とを備えている。カプラー５４には、Ｙｂドープファイバーレーザー５１の出力端に光学的に接続された一方の入力端より、波長１０１０ｎｍ以上１０６０ｎｍ以下のパルス光が入射する。また、カプラー５４には、Ｅｒドープファイバー増幅器５３の出力端に光学的に接続された他方の入力端より、波長１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下のパルス光を含む広帯域光が入射する。カプラー５４は、これらパルス光を含む広帯域光を、ＰＣＦ５２の入射端に光学的に接続された出力端より出力する。
【０１００】
ＰＣＦ５２のゼロ分散波長λ０は９５０ｎｍである。図６は、ＰＣＦ５２の伝搬定数βの周波数一次微分β１および周波数二次微分β２の波長依存性を示している。ＰＣＦ５２の長さは、ポンプ光のパルス幅および出力に応じて、光源装置５０の出力およびスペクトルが所望のものになるように選択することができる。上記Ｙｂドープファイバーレーザー５１をポンプ光の光源として用いた場合、波長４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光を含む広帯域光を発生させるためには、ＰＣＦ５２の長さは０．５ｍ以上１０ｍ以下の範囲で選択することができる。
【０１０１】
Ｙｂドープファイバーレーザー５１からカプラー５４の入力端に入射したポンプ光は、カプラー５４の出力端より出力されてＰＣＦ５２の入力端に入射する。ＰＣＦ５２に入射したポンプ光は、ＰＣＦ５２での非線形効果により、４００ｎｍ以下７００ｎｍ以上の波長をもつパルス光と、１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長をもつパルス光とを含む広帯域光であるＳＣ光に変換される。
【０１０２】
ＰＣＦ５２の内部で生じた広帯域光は、ＰＣＦ５２の射出端より射出して、カプラー５５の入力端に入射する。広帯域光の一部を構成する４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長をもつパルス光は、光源装置５０の出力である出力光として、カプラー５５の他方の出力端より光ループの外部に取り出される。ここで出力光として取り出されたパルス光は、コヒーレントな光である。
【０１０３】
一方、広帯域光の一部を構成する１５３０ｎｍ以上１５７０以下の波長をもつパルス光は、カプラー５５の一方の出力端より出力されて、Ｅｒドープファイバー増幅器５３の入力端に入射する。
【０１０４】
Ｅｒドープファイバー増幅器５３では、入力端より入射した１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長をもつパルス光が、励起光源５３２から出力された励起光とともにＷＤＭ素子５３３を介してＥｒドープファイバー５３１にその入射端から入射する。励起光とともにＥｒドープファイバー５３１に入射したパルス光は、Ｅｒドープファイバー５３１の内部で増幅される。増幅されたパルス光は、Ｅｒドープファイバー５３１の射出端から射出して、Ｅｒドープファイバー増幅器５３の出力端から出力される。
【０１０５】
Ｅｒドープファイバー増幅器５３から出力されたパルス光は、カプラー５４を介して、ＰＣＦ５２の入射端に入射する。ＰＣＦ５２に入射する１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長をもつパルス光のピーク強度Ｐｉｎは、パルス光が、次数Ｎが２以上の高次のソリトンとなるようにＥｒドープファイバー増幅器５３で増幅されている。このような増幅に際しては、パルス光のパルス幅Ｔ０と、ＰＣＦ５２の非線形係数γと伝搬定数βの周波数二次微分β２とが考慮される。
【０１０６】
波長１５３０ｎｍおよび波長１５７０ｎｍと位相整合する波長は、式（５）より求めることができる。１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長におけるＰＣＦ５２の伝搬定数βの周波数二次微分β２および周波数三次微分β３の値がそれぞれ約６０（ｐｓ２／ｋｍ）および約０．０６（ｐｓ３／ｋｍ）であるとする。この場合、波長１５３０ｎｍおよび波長１５７０ｎｍと位相整合する波長は、それぞれ約５５０ｎｍおよび約５８０ｎｍである。
【０１０７】
ＰＣＦ５２の非線形係数γの値は、約１００（（Ｗ・ｋｍ）−１）である。また、Ｅｒドープファイバー増幅器５３の出力を変えることにより、パルス光のピーク強度を１ｋＷ以上とすることができる。このとき、ＰＣＦ５２に入射した１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長をもつパルス光は、ＰＣＦ５２の内部で次数Ｎが２以上の高次のソリトンとなる。すなわち、ＰＣＦ５２に入射した１５３０ｎｍ以上１５７０ｎｍ以下の波長をもつパルス光は、ＰＣＦ５２を伝搬する際、パルス分裂および非ソリトン放射の過程を経て、正常分散領域の波長である５５０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の波長をもつパルス光を放出する。
【０１０８】
正常分散領域における５５０ｎｍ以上５８０ｎｍ以下の波長をもつパルス光の一部は、パルストラッピングおよびソリトン自己周波数シフトによって短波長側にシフトし、光源装置５０の出力となる４００ｎｍ以上５８０ｎｍ以下のパルス光を形成する。
【０１０９】
図７は、本実施形態に係る光源装置５０の光ループ内の広帯域光のスペクトルである。図７に示すスペクトル７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、それぞれ図５に示す光源装置５０の光ループ内における位置Ａ、Ｂ、Ｃでの広帯域光のスペクトルである。また、図７に示すスペクトル７Ｄは、増幅されたパルス光がＰＣＦ５２に再び入射することによって生じる広帯域光のスペクトルであり、図５に示す光源装置５０の光ループ内における位置Ｄでのスペクトルである。
【０１１０】
非ソリトン放射によって正常分散領域に形成されるパルス光は、光源装置５０の出力となる波長のパルス光を含んでいる。すなわち、Ｅｒドープファイバー増幅器５３により増幅されるパルス光の波長が、光源装置５０の出力となるパルス光の波長と位相整合しているとき、非ソリトン放射により放出されるパルス光は光源装置５０の出力となる波長を含む。一般に、非ソリトン放射により形成されるパルス光は、ソリトン自己周波数シフトおよびパルストラッピングにより形成されるパルス光よりも強度が高い。したがって、非ソリトン放射により形成されるパルス光の波長が、光源装置５０の出力の波長に含まれる本実施形態では、光源装置５０の出力をより増強することができる。
【０１１１】
（変形実施形態）
本発明は、上記実施形態に限らず種々の変形が可能である。
【０１１２】
例えば、上記第２および第３実施形態では、高非線形ファイバーとしてＰＣＦを用いた場合を例に説明したが、高非線形ファイバーは、ＰＣＦに限定されるものではない。高非線形ファイバーは、例えば１０（Ｗ・ｋｍ）−１を超える非線形係数を有し、高い非線形性を示す光ファイバーであればよい。
【０１１３】
また、上記第２および第３実施形態では、光増幅器としてＹｂまたはＥｒドープファイバー増幅器を用いた場合を例に説明したが、光増幅器は、これらに限定されるものではなく、所定の波長範囲のパルス光を増幅することができるものであればよい。
【０１１４】
また、上記第２および第３実施形態では、ポンプ光源としてＹｂまたはＥｒドープファイバーレーザーを用いた場合を例に説明したが、ポンプ光源は、これらに限定されるものではなく、所望の波長及びパルス幅を有するパルス光を出力できるものであればよい。
【０１１５】
また、上記第２および第３実施形態では、光増幅器としてＹｂまたはＥｒドープファイバー増幅器を用いた場合を例に説明したが、光増幅器の構成はこれらに限定されるものではない。例えば、光増幅器は、Ｙｂドープファイバー増幅器とＥｒドープファイバー増幅器の両方により構成され、それぞれの増幅器が増幅する波長帯域全てを増幅する構成としてもよい。
【０１１６】
また、上記実施形態では、光増幅器を用いた場合を例に説明したが、ピーク強度を高めるために、光増幅器を用いるだけでなく、光ループを周回する光の分散を補償して短パルス化してもよい。そのために、光ループの波長分散を補償するように異なる種類の光ファイバーを組み合わせた構成としてもよい。図１１に、分散補償ファイバー１１１を分散補償デバイスとして用いた例を示す。なお、図１１に示す光源装置の構成は、Ｙｂドープファイバー増幅器４３に代えて分散補償ファイバー１１１を用いた点以外は、図４に示す光源装置の構成と同様である。分散補償ファイバー１１１は、波長λ３以上λ４以下の波長範囲の波長をもつ光のピーク強度を増幅するものである。また、分散補償ファイバー１１１の代わりに、グレーティングやプリズムを分散補償デバイスとして用いることもできる。図１２Ａないし図１２Ｆは、図１１の光ループ内の各位置におけるスペクトルとパルス時間との関係を模式的に表した図である。図１２Ａないし図１２Ｆは、それぞれ図１１に示す光ループ内の位置Ｉ−１、II、III、IV、Ｖ、Ｉ−２におけるスペクトルとパルス時間との関係を示している。
【０１１７】
また、上記実施形態では、高非線形ファイバーと、アウトプットカプラーと、光増幅器と、インプットカプラーとがこの順に光源装置における光ループの光路上に配置されている場合を例に説明したが、各構成要素の位置関係はこれに限定されるものではない。
【０１１８】
例えば、図１３（ａ）に示すように、本発明の光源装置において、第１実施形態に対して光増幅器１３とアウトプットカプラー１５の位置を入れ替えても、本発明の効果を得ることができる。第１実施形態では、アウトプットカプラー１５によって所定の波長範囲（λ１乃至λ２）のパルス光を出力し、残りのパルス光の所定の波長範囲（λ３乃至λ４）のパルス光を光増幅器１３で増幅している。これに対して、図１３（ａ）に示す光源装置１３０の構成では、所定の波長範囲（λ３乃至λ４）のパルス光を光増幅器１３で増幅した後、所定の波長範囲（λ１乃至λ２）のパルス光をアウトプットカプラー１５によって出力している。したがって、図１３（ａ）に示す光源装置１３０の構成によっても、第１実施形態で述べた作用が得られることは明らかである。またこの構成においては、図１３（ｂ）のように、アウトプットカプラー１５とインプットカプラー１４とを１個のカプラーで兼用することが可能である。このカプラーは２入力２出力のカプラーである。
【０１１９】
また、第１実施形態に対して、光増幅器１３をインプットカプラー１４と高非線形ファイバー１２との間に配置する構成であってもよい。この場合もアウトプットカプラー１５とインプットカプラー１４とを１個のカプラーで兼用することが可能である。
【０１２０】
また、本発明の光源装置は、測定対象物の内部の情報を取得する情報取得装置の光源装置として利用することができる。この情報取得装置としては、スペクトル・エンコード内視鏡や光コヒーレント・トモグラフィーが挙げられる。スペクトル・エンコード内視鏡の装置構成としては、本発明の光源装置の他に、光源装置からの光を分光して測定対象物に照射する分光器、測定対象物の情報を持った光を検出する検出器を備えている。一方、光コヒーレント・トモグラフィーの装置構成としては、以下の要素を備えていればよい。光コヒーレント・トモグラフィーは、本発明の光源装置、光源装置からの光を測定対象物へ照射する照射光と参照光とに分岐させ、測定対象物に照射された光の反射光と参照光による干渉光を発生させる干渉光学系と、干渉光を受光する検出器を備えている。
【符号の説明】
【０１２１】
１０…光源装置
１１…ポンプ光源
１２…高非線形ファイバー
１３…光増幅器
１４…インプットカプラー
１５…アウトプットカプラー
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１２Ｅ】
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【図１２Ｆ】
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【図１３】
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