JP2010520499A - 第三高調波に基づく光ファイバー光源 - Google Patents

Abstract

第三高調波の発生を通して光を発生する、光ファイバーをベースにした光源。光源は波長λ_Ｐの基本モードを有するポンプ光を供給するポンプ光源を備えている。また、光源はポンプ光源に光学的に接続された光ファイバーも備えている。光ファイバー・コアの屈折率プロファイルが（ｉ）相対屈折率値Δ_１を有する中央領域、（ｉｉ）中央領域を直接包囲し、相対屈折率値Δ_２を有する第１環状領域、および（ｉｉｉ）第１環状領域を直接包囲し、相対屈折率値Δ_３を有する第２環状領域を有している。光ファイバーは、条件Δ_２＜Δ_１、Δ_２＜Δ_３、および最大値{Δ_１、Δ_３}−Δ_２＞１．２％を満足する。ポンプ光により、波長λ_ＴＨ＝（１／３）λ_Ｐの高次モードを有する第三高調波光が発生し光ファイバーの出射端から出射される。ポンプ光の基本モードと第三高調波光の高次モードとが光ファイバーの長さにわたって重複することにより、１％以上の変換効率が得られる。

Description

関連出願の説明

本出願は２００７年２月２８日出願の米国特許出願番号１１/７１２１５９の利益および優先権を主張するものであり、前記参照により前記出願の内容がすべてそのまま本出願に組み込まれたものとする。

本発明は非線形光ファイバーおよび光源に関し、特には光ファイバー内に第三高調波を発生させることにより効率よく光を発生する光源に関するものである。

非線形光学材料はその電気分極が入射光場に対し非線形応答する特性を有している。一般に、この光学材料の非線形性は、それぞれ線形および非線形二次および三次の感受性を表す感受性係数χ^（１）、χ^（２）、およびχ^（３）を伴った全光場のべき級数展開で示される。

光の第三高調波の発生（単に、第三高調波の発生ともいう）は、光学材料の三次感受性χ^（３）を利用して入射（ポンプ）光の周波数を三倍にした光を発生する非線形の光学的プロセスである。しかし、多くの光学材料において、三次非線形感受性は二次感受性と比較して桁違いに小さく、その三次効果も二次効果（例えば、光の第二高調波の発生）と比較してはるかに変換効率が低い。

異なる幾つかの材料において、第三高調波を直接発生させることは理論上可能であるが、第三高調波を直接発生する光源は変換効率が非常に低いため、実際にはあまり使われていない。現在、殆どすべての周波数三逓倍方式は、単一媒体において第三高調波を直接発生させることを避け、強いχ^（２）係数を有する第１非線形結晶体に第ニ高調波を発生させ、次いで強いχ^（２）係数を有する第２非線形結晶体において周波数を加算する二段階処理を用いている。

第三高調波を直接発生することが実際上有益となるためには、１％以上の変換効率が必要である。しかし、光学材料の通常の分散により、基本（ポンプ）波がその結果として生じる高調波と異なる速度で材料中を伝搬するとき、基本波と高調波との間で適切な位相が維持できない。その結果、第三高調波とポンプ波とが破壊的に干渉し合い変換効率が悪化する。それ故、非線形光学的過程の変換効率を向上させる１つの方法に「位相整合」と呼ばれる方法がある。位相整合法においては、高調波とポンプ波とが建設的に干渉し合うよう適切に位相が維持される。

光ファイバー内に第三高調波を発生させることは可能である。一般に、光ファイバーにおいては、ファイバーの結晶対称性が欠如しているため、三次感受性χ^（３）の方が二次感受性χ^（２）より強い。しかし、光ファイバーのガラス材料の分散特性により、ポンプ光の基本モードと発生した第三高調波との間の位相の整合性が妨げられる。更に、従来の光ファイバーにおいては、ポンプ光の光場と高調波の光場との重なりが非常に小さいため変換効率が低く過ぎて（＜１％）商業用途として有用ではなかった。この欠点により、医療から材料加工やレーザー投影ディスプレイに至る各種用途に使用可能な第三高調波を直接発生する強固な商用光源が存在していない。

導波モードで第三高調波を発生させる微細構造ファイバーが提案されているが、その変換効率は１％をはるかに下回っている。第三高調波の発生にガラス・マイクロファイバーも提案されている。しかし、理論上良好な効率が得られるものの、直径がサブ波長の微細構造ファイバーを実際に製造することは非常に困難であり、またこのような細いファイバーを光学的に接続することも非常に困難である。

従って、商用に耐え得る充分に高い変換効率を有する第三高調波を直接発生させる光ファイバーをベースにした光源が必要とされている。

本発明の１つの態様は第三高調波の発生を通して光を発生する、光ファイバーをベースにした光源（第三高調波光源）である。この第三高調波光源は波長λ_Ｐの基本モードを有するポンプ光を供給するポンプ光源を有している。第三高調波光源は更に入射端、出射端、長さＬ、および中心線の周囲に形成され屈折率プロファイル（Δ（％））を有するコアを備え、前記入力端が前記ポンプ光源に光学的に接続されて成る光ファイバーも有している。前記コアの屈折率プロファイルは、（ｉ）中心線を中心とし、相対屈折率値Δ_１および外半径ｒ_１を有する中央領域、（ｉｉ）前記中央領域を直接包囲し、相対屈折率値Δ_２、内半径ｒ_１、および外半径ｒ_２を有する第１環状領域、および（ｉｉｉ）前記第１環状領域を直接包囲し、相対屈折率値Δ_３、内半径ｒ_２、および外半径ｒ_３を有する第２環状領域を有している。また、前記屈折率プロファイルは、条件Δ_２＜Δ_１、Δ_２＜Δ_３、および最大値{Δ_１、Δ_３}−Δ_２＞１．２％を満足する。前記ポンプ光により、波長λ_ＴＨ＝（１／３）λ_Ｐの高次モードを有する第三高調波光が発生する。この第三高調波光は前記光ファイバーの出射端から出射される。ポンプ光の基本モードと第三高調波光の高次モードとが前記光ファイバーの長さＬにわたって重複することにより、１％以上のポンプ光から第三高調波光への変換効率が得られる。

本発明のもう１つ態様は、光ファイバーを用いて第三高調波光を高能率に発生させる方法である。前記方法は入射端、出射端、長さＬ、および中心線の周囲に形成され、屈折率プロファイル（Δ（％））を備えたコアであって、（ｉ）中心線を中心とし、相対屈折率値Δ_１および外半径ｒ_１を有する中央領域、（ｉｉ）前記中央領域を直接包囲し、相対屈折率値Δ_２、内半径ｒ_１、および外半径ｒ_２を有する第１環状領域、および（ｉｉｉ）前記第１環状領域を直接包囲し、相対屈折率値Δ_３、内半径ｒ_２、および外半径ｒ_３を有する第２環状領域から成り、Δ_２＜Δ_１、Δ_２＜Δ_３、および最大値{Δ_１、Δ_３}−Δ_２＞１．２％を満足するコアを備えた光ファイバーを用意するステップを含んでいる。更に、前記方法は、波長λ_Ｐの基本モードを有するポンプ光を前記光ファイバーに入射させ、波長λ_ＴＨ＝（１／３）λ_Ｐの高次モードを有する第三高調波光を発生させ、前記ポンプ光の基本モードと前記第三高調波光の高次モードとを長さＬにわたり重複させることにより、１％以上の前記ポンプ光から前記第三高調波光への変換効率を得ることを含み、前記出射端から前記第三高調波光を出射させるステップも含んでいる。

本発明の更に別の態様は、前記概略説明し以下に詳述する、第三高調波光源を有して成る送信機を備えた光伝送システムである。前記システムは、前記第三高調波光により形成された光信号を受信するよう構成された受信機も備えている。更に、前記システムは前記送信機と受信機とを接続すると共に、前記光信号を伝送するよう構成された光ファイバー・リンクも備えている。

本発明の別の態様は、前記概略説明し以下に詳述する、少なくとも１つの第三高調波光源を備えた光学処理システムである。前記システムは少なくとも１つの第三高調波光源に光学的に接続され、該光源からの第三高調波光を調整するよう構成された調整光学系も備えている。

本発明の更なる特徴および効果は以下の発明を実施するための形態に記載されおり、その一部は当業者にとって明らかであり、また以下の発明を実施するための形態、特許請求の範囲、および添付図面を含む本明細書に記載の本発明を実施することにより認識できる。

前記概要説明および以下の詳細な説明は本発明の実施の形態を説明するものであり、本発明の本質および特徴を理解するための要旨あるいは構造の説明を意図したものである。添付図面は本発明の理解を深めるためのものであり、本明細書の一部を構成するものである。本発明の各種実施の形態が図面に示されており、その説明と共に本発明の原理および動作を説明するものである。

本発明の第三高調波光源に適した光ファイバーの概略側面図 光ファイバーを第三高調波による能率的な光源として使用可能にする、一般化した屈折率プロファイルに関連した図１の光ファイバーの各領域を示す２−２線断面図 図２に断面を示す光ファイバーの構造に関連して、光ファイバーの半径ｒ（μｍ）を関数とした理想的な相対屈折率プロファイルΔ（％）を示す図 光ファイバー製造時に発生する丸みを帯びた図３と同様の図 図１〜図４に示す光ファイバーを用いた本発明の光源の例示的な実施の形態の概略図 図３の一般化した相対屈折率プロファイルに対応した、相対屈折率プロファイルの第１の実施の形態を示す図 図３の一般化した相対屈折率プロファイルに対応した、相対屈折率プロファイルの第２の実施の形態を示す図 図３の一般化した相対屈折率プロファイルに対応した、相対屈折率プロファイルの第３の実施の形態を示す図 図３の一般化した相対屈折率プロファイルに対応した、相対屈折率プロファイルの第４の実施の形態を示す図 ポンプ光および第三高調波光の実効屈折率とファイバー半径のスケール係数との関係を示す図 ポンプ光および第三高調波光の実効屈折率と波長との関係を示す図 光ファイバーの実施例における、ポンプ光および第三高調波光のパワー変化の計算値を示す、ファイバーに沿ったパワー（Ｗ）と距離（ｍ）との関係を示す図 最大変換効率（％）（左側の軸）および最適ファイバー長（右側の軸）とファイバー損失（ｄＢ／ｋｍ）（横軸）との関係を示す図 本発明の第三高調波光源を用いた光伝送システムの概略図 本発明の第三高調波光源を少なくとも１つ用いた光学処理システムの概略図 複数の第三高調波光源を用いた加工対象物を照射するための光学処理システムの実施の形態例を示す図１５と同様の概略図

添付図面に例を示す本発明の現時点における好ましい実施の形態について詳細に説明する。同一あるいは同様の構成要素については、図面全体を通して可能な限り同一の番号または符号を付してある。

以下の説明において、「屈折率プロファイル」は屈折率または相対屈折率と導波ファイバーの半径との関係を示すものである。「相対屈折率パーセント」はΔ％＝[（ｎ_ｉ ^２−ｎ_ｃ ^２）/２ｎ_ｉ ^２] ×１００と定義される。ここで、ｎ_ｉは別に定めのない限り、領域ｉにおける最大屈折率であり、ｎ_ｃは以下に説明するクラッド領域の平均屈折率である。本明細書においては、別に定めのない限り、相対屈折率をΔ（％）（または単にΔ）で表しその値を“％”で示す。選択領域１、２、および３の相対屈折率をそれぞれΔ_１、Δ_２、およびΔ_３で表す。領域の屈折率がクラッド領域の平均屈折率より小さい場合、その相対屈折率パーセントは負となり、その領域は陥凹領域または陥凹屈折率を有していると言い、別に定めのない限り、相対屈折率が最も負になる点において算出される。領域の屈折率がクラッド領域の平均屈折率より大きい場合、相対屈折率パーセントは正となり、その領域は隆起領域または正の屈折率を有していると言う。本明細書において「アップ・ドーパント」とは非ドープの純ＳｉＯ_２に対し、屈折率を上昇させる性質を有するドーパントを意味する。また、本明細書において「ダウン・ドーパント」とは非ドープの純ＳｉＯ_２に対し、屈折率を低下させる性質を有するドーパントを意味する。アップ・ドーパントは、１つ以上の非アップ・ドーパントを伴う場合、負の相対屈折率を有する光ファイバー領域に存在できる。同様に、１つ以上の非アップ・ドーパントは正の相対屈折率を有する光ファイバー領域に存在できる。ダウン・ドーパントは、１つ以上の非ダウン・ドーパントを伴う場合、正の相対屈折率を有する光ファイバー領域に存在できる。同様に、１つ以上の非ダウン・ドーパントは負の相対屈折率を有する光ファイバー領域に存在できる。

以下、まず本発明の第三高調波光源に適した光ファイバーについて説明し、次に本発明の第三高調波光源の概要について述べる。次いで、第三高調波光源に用いられる光ファイバーの相対屈折率プロファイルの数学的基礎について述べ、次に第三高調波光源に用いられる光ファイバーの相対屈折率プロファイルの実施例について説明し、最後に本発明の第三高調波光源を用いた光通信システムについて述べる。

第三高調波光源に適した光ファイバー
図１は、以下に説明する、本発明の第三高調波光源に適した光ファイバー１０の概略側面図であり、図２は図１の２−２線断面図である。図２は第三高調波光源の一部として効率良く第三高調波を発生できる光ファイバー１０の一般的構造（即ち、屈折率プロファイル）を示している。例示的な実施の形態において、光ファイバー１０はステップ・インデックス型光ファイバーであり、中心線１８を有するコア１６を備えている。コア１６は屈折率ｎ_１（即ち、ｎ_ｉ、ｉ＝１）および外半径ｒ_１を有する中央コア領域２０、中央コア領域２０を囲み屈折率ｎ_２、内半径ｒ_１および外半径ｒ_２を有する第１環状コア領域３０、および第１環状コア領域３０を囲み、内半径ｒ_２および外半径ｒ_３を有する第２環状コア領域４０の３つ異なる領域、即ちセグメントから成っている。従って、半径ｒ_３がコア１６の外半径である。

例示的な実施の形態において、コア１６がドープ石英から成り、この場合中央コア領域２０がゲルマニウム・ドープ石英、即ち酸化ゲルマニウムをドープした石英から成っている。ゲルマニウム以外のドーパントを単独または組み合わせてコア１６内にド用いることができ、特に本発明の光ファイバーの中心線およびその近傍にドープすることにより、以下に説明する所望の相対屈折率プロファイルを得ることができる。本発明の好ましい実施の形態において、本発明の光ファイバーのコア１６は負にならない屈折率プロファイル、即ち、中心線から外半径ｒ_３にかけて負にならない屈折率プロファイルを有して成り、正の屈折率を有し、クラッドに直接包囲されて成ることが好ましい。一部の好ましい実施の形態において、光ファイバーは屈折率を低下させるドーパントをコアに含んでいない。別の好ましい実施の形態において、光ファイバーは１つ以上の屈折率を上昇させるドーパントおよび１つ以上の屈折率を低下させるドーパントをコアに含んでいる。

引き続き図２において、コア１６は屈折率ｎ_ｃ、内半径ｒ_３、および外半径ｒ_４を有する環状クラッド領域（クラッド）５０に包囲されている。例示的な実施の形態において、クラッド５０は酸化ゲルマニウムまたはフッ素ドーパントを含んでいない。例示的な実施の形態において、クラッド５０は純石英または実質的に純石英から成っている。別の例示的な実施の形態において、クラッド５０はフッ素ドーパントを含んでいる。クラッド５０は、例えば、蒸着プロセスにおいて蒸着されたクラッド材料、ロッド・イン・チューブ光学プリフォームにおけるチューブのようなジャケット状のもの、あるいは蒸着材料とジャケットとの組合せから成ることができる。クラッド５０は１つ以上のドーパントを含むことができる。例示的な実施の形態において、クラッド５０は一次被膜Ｐおよび一次被膜を包囲する二次被膜Ｓに包囲されている。

クラッド５０の屈折率ｎ_ｃを用いて相対屈折率パーセントΔ（％）が算出される。クラッド５０の屈折率はｎ_ｃであるため、クラッド半径ｒ_ｃ（ｒ_ｃ＞ｒ_３）におけるクラッドの相対屈折率パーセントはΔ（ｒ_ｃ）＝０％となる。例示的な実施の形態において、クラッド５０は一次被膜Ｐおよび一次被膜を直接包囲する二次被膜Ｓに直接包囲されている。

図３は図２に断面を示す本発明の非線形光ファイバー１０の光ファイバー半径ｒ（μｍ）を関数とした理想的な相対屈折率プロファイルΔ（％）をプロットしたものである。図３に示すように、第１環状領域３０は光ファイバー１０全体の相対屈折率プロファイルΔ（％）における“窪み”を表す相対屈折率Δ_２を有している、即ち、Δ_２＜Δ_１、Δ_２＜Δ_３である。また、中央コア領域２０および第２環状領域４０にそれぞれ関連付けられている相対屈折率Δ_１とΔ_３とは同一または異なる値を有することができる。従って、コア１６の相対屈折率の最大値はΔ_１またはΔ_３であり、最大値{Δ_１、Δ_３}と表記される。

例示的な実施の形態において、光ファイバー１０は最大値{Δ_１、Δ_３}−Δ_２＞１．２％、より好ましくは最大値{Δ_１、Δ_３}−Δ_２＞１．５％という特性を有している。また、例示的な実施の形態において、光ファイバー１０はΔ_１、Δ_３＞１．５％、より好ましくはΔ_１、Δ_３＞２．５％という特性を有している。更に、例示的な実施の形態において、中央コア領域２０の半径ｒ_１が０．５μｍ≦ｒ_１≦１μｍである。また、例示的な実施の形態において、光ファイバー１０は１．５≦ｒ_２/ｒ₁≦３．５という特性を有している。別の例示的な実施の形態において、光ファイバー１０は２．５≦ｒ_３/ｒ₁≦７という特性を有している。例示的な実施の形態において、光ファイバー１０は（相互に矛盾しない範囲において）１つ以上の前記特性を有している。

図４は図３の理想的な相対屈折率プロファイルと同様のプロット図であり、実際上発生するより丸みを帯びた相対屈折率プロファイルの例を示している。その理想的なプロファイルが太点線で示してある。

例示的な実施の形態において、ここに開示した各種光ファイバー１０が蒸着法によって製造される。各種光ファイバー１０が外付け溶着法（ＯＶＤ）によって製造されることがより好ましい。従って、例えば、既知のＯＶＤ法、厚密、および線引き技術を用いて本発明の導光ファイバーを製造できる。別の方法としては、修正化学気相蒸着法（ＭＣＶＤ）、気相軸付け法（ＶＡＤ）、およびプラズマ化学蒸着法（ＰＣＶＤ）を単独または別の蒸着法と組み合わせて用いることができる。従って、本発明の導光ファイバーの屈折率および断面プロファイルは、ＯＶＤ法、ＶＡＤ法、ＭＣＶＤ法を含みこれに限定されない当業者周知の製造方法によって達成できる。

第三高調波光源
図５は本発明の第三高調波光源１００の例示的な実施の形態の概略図である。第三高調波光源１００は波長λ_Ｐのポンプ光１１２を発生するよう構成されたポンプ光源１１０を備えている。例示的な実施の形態において、ポンプ光源１１０は波長λ_ＴＨ＝λ_Ｐ/３の単一波長第三高調波光１８０を発生させる単一波長レーザー源から成っている。以下、第三高調波光１８０の発生について詳細に説明する。例示的な実施の形態において、ポンプ光源１１０は同調可能なレーザー源から成り、ポンプ光の波長に応じて異なる波長の第三高調波光を発生させることができる。例示的なポンプ光源は半導体レーザーおよびエルビウム・ドープ・ファイバーやイッテルビウム・ドープ・ファイバーのようなファイバー・レーザーを備えている。ポンプ光源は連続波長レーザー源あるいはパルスレーザ源とすることができる。ポンプ光源は、レーザー源の他に、一段あるいはもう一段の光増幅器を備え、レーザーの出力、従って、ポンプ光を増幅できる。

また、第三高調波光源１００は、長さＬ、入射端１１４、および出射端１１６を有する光ファイバー部分１０を備えている。長さＬは高い変換効率が得られるような長さであり、例示的な実施の形態においては、１ｍ以下、５０ｍ以下、１００ｍ以下、あるいは１００ｍ以上である。長さＬの例については、第三高調波光源の変換効率との関連で以下に詳述する。例示的な実施の形態においては、１ｍ＜Ｌ＜６０ｍである。

光ファイバーの入射端１１２は、当技術分野で知られている多くの光結合方法のうちの１つによってポンプ光源１１０に光学的に接続されている。例示的な実施の形態において、光学フィルター１２０が出射端１１６またはその近傍に配されている。光学フィルター１２０は波長λ_Ｐの非変換ポンプ光（任意としてその他の波長）を除去し、波長λ_ＴＨ＝λ_Ｐ/３の第三高調波光を透過するよう構成されている。例示的な実施の形態において、外部光ファイバー１３０が、例えばフィルター１２０において、光ファイバー１０に光学的に接続されている。例示的な実施の形態において、外部光ファイバー１３０は光ファイバー１０の別の部分から成っている。

例示的な実施の形態において、第三高調波光源１００は光ファイバー１０に沿って配され、光ファイバー中を伝搬する第三高調波光１８０の一部を分岐するよう構成された光タップ１４０も備えている。タップ光ファイバー１４４の一端がタップ１４０に、他端が光検出器ユニット１５０にそれぞれ光学的に接続されている。光検出器ユニット１５０はタップ光ファイバー中を伝搬する分岐第三高調波光を受信検知するよう構成されている。光検出器ユニット１５０によって第三高調波周波数の光のみが検知される例示的な実施の形態において、光検出器ユニット１５０は、光検出器１５２および検出器１５２の前面に配され第三高調波周波数ｆ_ＴＨ以外の周波数を除去する光学フィルター１５４を備えている。例示的な実施の形態において、光学フィルター１５４は光学フィルター１２０と同種のフィルターである。別の例示的な実施の形態において、光タップ１４０が光学フィルター１２０の下流の外部光ファイバー１３０に配されるため、光学フィルター１５４を必要としない。

また、第三高調波光源１００はポンプ光源１１０および光検出器ユニット１５０に操作可能に接続された制御装置１６０も備えている。制御装置１６０は、以下に説明するように、第三高調波光源１００の動作を制御するよう構成されたマイクロプロセッサーから成っている。

第三高調波光源１００の動作において、制御装置１６０はポンプ光源１１０に対し起動信号Ｓ_Ｐを送り、第三高調波の変換効率が最適になるようポンプ光の波長を制御すると共にポンプ光源に所定の光量のポンプ光１１２を発生させる。ポンプ光１１２は光ファイバー１０に結合され、基本モードを有する導波としてファイバー中を伝搬する。

ポンプ光１１２により光ファイバー１０が第三高調波光１８０を発生する。前記のように、光ファイバー１０が特殊な特性を有しているため、以下に詳細に説明するように、ポンプ光の基本モードと第三高調波光１８０の１つの高次モード（例えば、ＬＰ_０４モード）とが良好に重複する。その結果、光ファイバー１０の長さＬ全体にわたり第三高調波光１８０が発生し、比較的高い変換効率が得られる。例示的な実施の形態において、変換効率が１％を超え、別の例示的な実施の形態においては好ましくは５％を超え、更に別の例示的な実施の形態においては好ましくは１５％を超えている。本発明の第三高調波光源の変換効率は、６０％がより達成可能と思われる最大変換効率ではあるが、約３０％〜約７０％の理論上の最大変換効率とすることができる。

第三高調波光１８０は光ファイバー１０の出射端１１６から出射される。出射端１１６またはその近傍に配置された任意の光学フィルター１２０により、非変換ポンプ光（光ファイバー１０に存在している第三高調波光を除く他の光）が遮断され、第三高調波光源１００からは第三高調波光１８０のみが出力される。

ところで、光タップ１４０において、少量の第三高調波光１８０が光ファイバー１０から分岐され検出器ユニット１５０によって検出される。例示的な実施の形態において、光検出器１５２の前面に配されたフィルター１５４によって、光タップ１４０において分岐されたポンプ光１１２がすべて遮断される。光検出器１５２は入射した第三高調波光１８０を検出し、検出した第三高調波光の光量を表す検出器信号Ｓ_Ｐを生成する。生成された検出器信号Ｓ_Ｐは制御装置１６０に供給される。制御装置１６０は検出器信号Ｓ_Ｐを受信し、それを処理することにより、光ファイバー１０に供給された所定光量のポンプ光１１２に対し発生した第三高調波光１８０の光量を評価するよう構成されている。制御装置１６０はポンプ光源１１０によるポンプ光１１２の波長λ_Ｐおよび/または光量を調整可能であり、第三高調波の変換効率を最適化できる。光ファイバー１０の出射端１１６における第三高調波光の必要出射光量に応じてポンプ光１１２の光量を増減できる。

光ファイバーをベースにした第三高調波発生の数学的基礎
第三高調波光源１００による効率的な第三高調波光の発生に関連する、図３に示す光ファイバー１０の一般化した屈折率差プロファイルΔ（％）の数学的および物理的基礎について説明する。
第三高調波の発生は、ポンプ光源からのポンプ光（信号）の周波数を三逓倍（即ち、波長を１/３に）した光を発生させる非線形プロセスである。ポンプが枯渇しない小さなポンプ信号を仮定した場合、光ファイバーによって第三高調波のパワーＰ_Ｓは下記式によって表される。

ここで、Ｐ_Ｐはポンプのパワー、ｋ_ｐはポンプの波数、ｎ_２は非線形屈折率、

は実効屈折率差に起因する線形位相不整合Δβおよび自己および相互位相変調に起因する非線形不整合を含む位相不整合率、およびｆ_ｉｊｋｌは以下に定義される非線形重なり積分である。

ここで、Ψ_ｉ（ｉ＝ｐ、ｓ）はそれぞれポンプ（ｐ）および高調波（ｓ）の光場である。

式１および式２は光ファイバー内に効率良く第三高調波を発生させるには２つの条件を満足する必要があることを示している。１つの条件は位相整合条件であり、ポンプ光と高調波光との実効屈折率をほぼ等しくする必要がある。もう１つの条件は、ポンプ光と高調波光の重なり積分ｆ_ｓｐｐｐの値を比較的大きして効率的な相互作用を確保することである。

ガラスの分散により、光ファイバーの屈折率は短波長において長波長よりはるかに高くなる。例えば、波長１５５０ｎｍにおける純石英の屈折率は１．４４４０であるが、５１７ｎｍの第三高調波の屈折率は１．４６１４である。この２つの波長間の相対屈折率差は１．２％である。コアとクラッドとの間の大きな屈折率変化（差）は位相整合条件を満足する上で必要である。しかし、ポンプの基本モードと第三高調波との間の位相整合は不可能である。第三高調波の高次モードを使う必要があり、それによってポンプ光と高調波光との間の重なり積分が非常に小さくなる。

例えば、単純なステップ・インデックス型ファイバーは第三高調波の発生に適していない。このような光ファイバーにおいては、ポンプのＬＰ_０１モードと高調波のＬＰ_０４モードとの間で位相整合が起きる。重なり積分値ｆ_ｐｐｐｓは僅か０．００５％であり小さ過ぎる。効率的に第三高調波を発生させるためには１％を超える重なり積分値が必要である。

環状屈折率陥凹領域
光ファイバー１０のコア１６の重要な特徴は、コア１６の屈折率プロファイルΔ（％）において窪みを成す環状コア領域３０である。この窪みにより、屈折率が窪みの屈折率より低い第１ＬＰ_０ｎモードの光パワーを増大する。

例示的な実施の形態において、ポンプの基本モードと屈折率陥凹領域より低い屈折率を有する高調波の第１ＬＰ_０ｎモードとの間の位相を整合するため、屈折率陥凹領域３０とコア１６の最大屈折率とのΔ（％）における差が、以下に説明するように、１．２％を超えることが好ましく、１．５％を超えることが更に好ましい。また、例示的な実施の形態において、Δ_１（％）およびΔ_３（％）がΔ_２（％）より１．５％以上大きいことが好ましく、２．５％以上大きいことが更に好ましい。更に、例示的な実施の形態において、中央コア領域の半径ｒ１が０．５〜１μｍである。また、例示的な実施の形態において、ｒ_２/ｒ_１の比が約１．５〜約３．５であることが好ましく、ｒ_３/ｒ_１の比が約２．５〜約７であることが好ましい。

屈折率プロファイルの例
以下の表１は、図３に示す一般化した屈折率プロファイルに基づく相対屈折率プロファイルΔ（％）の２２の例示的な実施の形態（実施例）をまとめたものである。実施例には、第１欄である“Ｅｘ” 欄（実施例欄）に１〜２２の番号が付してある。表１は５つの重なり積分ｆ_ｉｊｋｌを含む各種設計パラメータが示されている。表１の実施例における計算において、ポンプ波および高調波はそれぞれ１５５０ｎｍおよび５１７ｎｍと仮定した。Δ_１、Δ_２、およびΔ_３の所定の屈折率値、並びにｒ_２/ｒ_１およびｒ_３/ｒ_１の比に対し、ポンプモードの実効屈折率と高調波モードの実効屈折率とが略等しくなるように半径ｒ_１を選択した。すべての実施例において、ポンプモードはＬＰ_０１であり、高調波モードはＬＰ_０４である。３％以上の高いΔについては、高次第三高調波モードＬＰ_０３またはＬＰ_０２を用いて高調波を発生させることもできる。しかし、従来のドーパントを用いてΔの高いファイバーを製造することは困難である。

表１は重なり積分の絶対値ｆ_ｐｐｐｓが１〜５％であることを示しており、この値は単純なステップ・インデックス型ファイバーの値よりはるかに高い。実施例１、１３、１４、および２１の屈折率プロファイルをそれぞれ図６〜９に示す。

本発明の所定の屈折率プロファイルΔ（％）に対し、位相整合条件を２つの方法によって微調整できる。１つの方法は、ファイバー全体の直径ｄＦ＝２ｒ_４を変える（スケーリングする）ことにより、コア１６の半径ｒ_３を変えることである。

図１０は、実施例１（表１）の光ファイバー１０に関連した実効屈折率がファイバーのスケール係数によってどのように変化するかを示したものである。（光ファイバーの長さ方向に沿った）部分がそれぞれの異なる直径を有するように線引きすることにより、位相整合条件を満足するファイバー部分を選択できる。

もう１つの方法は、ポンプの波長を変えて屈折率を調整することである。図１１はポンプ波長λ_Ｐを関数として光ファイバー１０に関連した実効屈折率をプロットしたものである。第三高調波の波長λ_ＴＨ＝λ_Ｐ/３であるので、図１１はポンプ波長λ_Ｐのみを示している。図１１はポンプ波長λ_Ｐを変えることにより適切な位相整合が図れ、変換効率を向上できることを示している。変換効率の向上が第三高調波光源１００の第三高調波光の出力の増大につながる。

変換効率の理論的限界
ポンプ枯渇および信号波長とポンプ波長の両方におけるファイバー損失を考慮した数値モデルを用いた論理的に達成可能なパワー変換効率の計算を以下に示す。このモデルはポンプおよび高調波のパワーＰ_ｐ、Ｐ_ｓおよび位相係数φ_ｐ、φ_ｓの関係を表す以下の４つの微分方程式から成っている。

ここで、

ここで、ｆ_ｉｊｋｌは式（３）で定義、α_ｓおよびα_ｐはそれぞれ信号波長およびポンプ波長におけるファイバー損失である。

実施例１、１２、１３、および２１についてパワー変換効率を算出した結果を表２に示す。

ｆの算出におけるポンプ・パワーＰ_ｐは１０ｗであり、ポンプおよび第三高調波それぞれの波長におけるファイバー減衰α_ｓおよびα_ｐを２０ｄＢ/ｋｍとした。前記数値モデルにより、ポンプ・ビームおよび高調波ビームのファイバーに沿ったパワー変化を算出できる。

図１２は実施例１２のポンプ光および第三高調波光のパワー変化の計算値を示す、ファイバーに沿ったパワー（Ｗ）と距離（ｍ）との関係を示すプロット図である。ポンプのパワー変化を曲線１９０で示し、第三高調波のパワー変化を曲線１９２で示してある。これらのパワー変化曲線から、最大変換効率およびそれに対応する最適ファイバー長が決定される。前記４つの実施例の最大変換効率および最適ファイバー長が表２に示してある。

また、表１は重なり積分ｆ_ｓｐｐｐの増加と共に変換効率が向上することも示している。また、ファイバーの減衰も変換効率に大きく影響している。図１３は、ポンプ・パワー１０Ｗにおける、光ファイバーの減衰（ｄＢ/ｋｍで表したファイバー損失）を関数とする最大変換効率（％）（左側のＹ軸）を示す図である。また、最適ファイバイー長（メートル単位長Ｌ）も右側のＹ軸にプロットしてある。光ファイバーの損失が減少すると共に、ポンプ光と高調波光とがファイバーにおいてより長い距離にわたり相互作用することができるため、変換効率（最適ファイバー長）が増大する。図１３が示すように、光ファイバーの減衰が１０ｄＢ/ｋｍであれば、本発明において最高６７％の変換効率が理論的に可能である。

前記すべての実施例において、ポンプ光の波長λ_Ｐ＝１５５０ｎｍ、第三高調波の波長λ_ＴＨ＝１５５０ｎｍ/３＝５１６．６ｎｍである。しかし、本発明の原理を別のポンプ波長、例えば、λ_Ｐ＝１０６０ｎｍおよびλ_Ｐ＝８５０ｎｍの光ファイバーに適用して対応する波長の第三高調波を発生させることができる。

第三高調波光源に基づく光伝送システム
本発明の第三高調波光源は光伝送システムに大変適している。光伝送システムは光信号の送信機、光信号の受信機、および端部がそれぞれ送信機および受信機に光学的に接続され、その間に光信号を伝搬させる一定長の導光ファイバーまたは複数の導光ファイバーを含む光伝送リンクから成っている。光伝送リンクは端部同士を直列に接合または接続した短い複数のリンクから成っていてもよい。前記システムは、光増幅器、光減衰器、光アイソレーター、光スイッチ、光学フィルターのような光学装置、あるいは多重化装置や逆多重化装置を備えることができる。相互に接続された一連の光伝送システムを通信システムと呼ぶことができる。

例示的な実施の形態において、前記光伝送リンクが光装置間、例えば、２つの光増幅器間、あるいは多重化装置と光増幅器との間に延びる光ファイバー・スパンまたは直列に融着した複数の光ファイバーを備えている。スパンは目的とするシステム性能またはスパン終端における残留分散のようなパラメータを達成するために選択された１つ以上の光ファイバー・セクションを備えることができる。
例示的な実施の形態において、前記光伝送システムは光源１００からの第三高調波の波長λ_ＴＨに対応する１つ以上の波長帯域、波長領域、あるいは波長ウィンドウで動作する。

図１４は第三高調波光源１００を用いて波長λ_ＴＨの光信号２１０を生成する光ファイバー伝送システム２００の例示的な実施の形態を示している。システム２００は第三高調波光源１００を有する送信機２２０および受信機２３０を備えている。少なくとも１つの光ファイバーを有する光ファイバー・リンク２５０の末端部がそれぞれ送信機および受信機に光学的に接続されている。光ファイバー・リンクにより、送信機と受信機との間で光信号２１０を伝送することができる。システム２００は双方向通信が可能であることが好ましく、送信機２２０および受信機２３０は単に説明のために過ぎない。また、システム２００は光ファイバー・リンク２５０の１つ以上のセクションまたはスパンに光学的に接続された再生器、増幅器、あるいは分散補償モジュールのような１つ以上の光学装置を備えることができる。少なくとも１つの好ましい実施の形態において、本発明の光ファイバー通信システムは再生器が介在しない光ファイバー・リンクによって接続された送信機および受信機を備えている。別の好ましい実施の形態において、本発明の光ファイバー通信システムは増幅器が介在しない光ファイバー・リンクによって接続された送信機および受信機を備えている。更に別の好ましい実施の形態において、本発明の光ファイバー通信システムは増幅器、再生器、および中継器が介在しない光ファイバー・リンクによって接続された送信機および受信機を備えている。

光学処理システム
図１５は調整光学システム３１０に動作可能に接続された少なくとも１つの光源１００を備えた光学処理システム３００の概略図である。所定の用途に応じて第三高調波光１８０を調整する調整光学系３１０に第三高調波光１８０が供給される。光学処理システム３００は、例えば、調整光学系３１０が第三高調波光１８０を受けて光通信または光データ記憶システム用として変調するよう構成されている光送信機であってよい。別の例において、光学処理システム３００は装置検査、レーザー投影ディスプレイ、医療、材料加工、あるいはその他の用途に使用され、調整光学系３１０が第三高調波光１８０を受けて調整済み光ビーム３２０を形成する。

図１６はそれぞれ光ファイバー・セクション１３０によって調整光学系３１０に光学的に接続された複数の光源１００を有する光学処理システム３００の例示的な実施の形態を示している。光源１００を組み合わせることにより、所定の用途に対し比較的大きな光量の第三高調波光を提供できる。例示的な実施の形態において、調整済み光ビーム３２０は材料加工や医療用途等における加工対象物３３０の照射に用いられる。

本発明の精神および範囲を逸脱せずに、各種変更および変形が可能であることは当業者にとって明白である。従って、本発明は添付の特許請求の範囲およびその均等物に属する限りにおいて、かかる変更および変形を包含するものである。

１０ 光ファイバー
１６ コア
２０ 中央コア領域
３０ 第１環状コア領域
４０ 第２環状コア領域
５０ 環状クラッド領域(クラッド)
１００ 第三高調波光源
１１０ ポンプ光源
１１２ ポンプ光
１２０ 光学フィルター
１４０ 光タップ
１５０ 光検出器ユニット
１５２ 光検出器
１５４ 光学フィルター
１６０ 制御装置
１８０ 第三高調波光
２００ 光ファイバー伝送システム
２２０ 送信機
２３０ 受信機
２５０ 光ファイバー・リンク
３１０ 調整光学システム
３３０ 加工対象物

Claims (5)

1. 第三高調波の発生を通して光を発生する、光ファイバーをベースにした光源であって、
   波長λ_Ｐの基本モードを有するポンプ光を供給するポンプ光源と
   入射端、出射端、長さＬ、および中心線の周囲に形成され屈折率プロファイル（Δ（％））を有するコアを備え、前記入射端が前記ポンプ光源に光学的に接続されて成る光ファイバーと
   から成る光源において、
   前記コアの屈折率プロファイルが、（ｉ）中心線を中心とし、相対屈折率値Δ_１および外半径ｒ_１を有する中央領域、（ｉｉ）該中央領域を直接包囲し、相対屈折率値Δ_２、内半径ｒ_１、および外半径ｒ_２を有する第１環状領域、および（ｉｉｉ）該第１環状領域を直接包囲し、相対屈折率値Δ_３、内半径ｒ_２、および外半径ｒ_３を有する第２環状領域を有し、
   Δ_２＜Δ_１、Δ_２＜Δ_３、および最大値{Δ_１、Δ_３}−Δ_２＞１．２％であり、
   前記ポンプ光により、波長λ_ＴＨ＝（１／３）λ_Ｐの高次モードを有する第三高調波光が発生し前記光ファイバーの出射端から出射されるとき、前記ポンプ光の基本モードと前記第三高調波光の高次モードとが前記光ファイバーの長さＬにわたって重複することにより、１％以上の前記ポンプ光から前記第三高調波光への変換効率が得られる
   ことを特徴とする光源。
2. 前記光ファイバーが、下記条件：
   最大値{Δ_１、Δ_３}−Δ_２＞１．５％
   を満足することを特徴とする請求項１記載の光源。
3. 前記光ファイバーが、条件Δ_１、Δ_３＞１．５％を満足することを特徴とする請求項１記載の光源。
4. 前記光ファイバーが、条件Δ_１、Δ_３＞２．５％を満足することを特徴とする請求項１記載の光源。
5. 前記光ファイバーが、下記条件：
   （ａ）１．５≦ｒ_２/ｒ_１≦３．５および（ｂ）２．５≦ｒ_３/ｒ_１≦７
   の少なくとも１つを満足することを特徴とする請求項１記載の光源。

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