JP2013178374A - 光パルス圧縮装置および光パルス圧縮方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特殊なファイバーを用いずに所望形状の圧縮パルスを生成する光パルス圧縮装置等を提供する。
【解決手段】種光信号１２０のスペクトルの振幅および位相を周波数成分ごとに変調して光パルス整形を行い、当該光パルス整形により圧縮前光パルス１３０を生成する光パルス整形部３０と、圧縮前パルスの周波数帯域を拡大するとともに群速度分散を調整することで圧縮パルス１４０を生成して出射する圧縮部４０と、光パルス整形を行う前に目標とする所望形状の圧縮パルスの波形およびスペクトルに基づいて圧縮前パルスの波形、周波数成分ごとの振幅および位相の目標値１５０を計算するとともに、種光信号のスペクトルの振幅および位相を目標値と一致するように変調して圧縮前パルスを生成する演算制御部５０を含み、光パルス整形部から出射される圧縮前パルスを圧縮部に導入して、圧縮パルスを生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光パルスを圧縮する技術に関し、具体的には所望形状の圧縮パルスを形成する光パルス圧縮装置および光パルス圧縮方法に関する。

従来から幅の広い光パルスを圧縮して、より細い光パルスを生成する方法が提案されており、次の２つに大別できる。１つ目は分散減少ファイバーを利用する方法であり断熱ソリトン圧縮と呼ばれるものである（以下、第１の方法）。２つ目は帯域幅拡大と分散を用いた圧縮方法である（以下、第２の方法）。

第１の方法は、分散減少ファイバー、すなわち異常分散領域で分散値が長手方向に対して徐々に減少する特殊なファイバーに光パルスを通すことで、パルス幅を狭窄化しピーク強度を増大させる。第１の方法では、背景雑音の少ない高品質の光パルスを得ることができる。特許文献１の発明も、第１の方法によるパルス圧縮を行っている。

また、第２の方法について、本出願人は先願である特願２０１１−１７３１０号にて、生成された圧縮パルスと目標とする圧縮パルスとの差分を評価して光パルス整形器をフィードバック制御することで所望の圧縮パルスを得る手法（以下、フィードバックを用いた手法）を提案している。

特開２００６−１７１６７７号公報

ここで、第１の方法において、例えば分散減少ファイバーの分散値の長手方向の分布が急激である場合には、圧縮された光パルスにペデスタルと呼ばれる非圧縮成分が付随することが知られている。特許文献１は、非線形ファイバーと線形ファイバーとを交互に接続した分散減少ファイバーを用いて分散分布を最適化する発明を開示している。

しかし、第１の方法を用いる光パルス圧縮装置は、分散減少ファイバーという特殊なファイバーを用いる必要があるためコストが増大してしまう。また、分散減少ファイバーの特性（分散分布）についても現在のところ製造ばらつきが大きく、所望の圧縮パルスが得られない可能性がある。また、生成される圧縮パルスは形状がｓｅｃｈ^２型に限られ、形状を選択することが出来ない。

一方、第２の方法では、位相変調器又は非線形素子中での周波数帯域拡大と分散素子とを組み合わせて、光パルスを圧縮する。つまり、第１の方法のような特殊なファイバーを必要としないため、第２の方法を用いる光パルス圧縮装置は、比較的安価に製造可能である。

しかし、第２の方法では、例えばパルス光源から直接種光信号を入力したとしても、圧縮パルスにチャープとペデスタルが残ることを初めとして、所望の形状の圧縮パルスが得られないという問題があった。

ここで、本出願人が提案したフィードバックを用いた手法では、生成された圧縮パルスを実測して、繰り返しフィードバックして圧縮パルスを所望の形状に調整するが、確実に所望の形状に収束できるとは限らない。また、圧縮パルスを実測して繰り返しフィードバックしなければ収束しないため、所望の圧縮パルスを得るまでには所定の時間がかかる。そのため、所望形状の圧縮パルスを確実に得たい、得るまでの時間を短縮したいとの要求があった。

本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明のいくつかの態様によれば、周波数帯域幅拡大と分散を用いた圧縮方法を用いながらも、短時間で確実に所望形状の圧縮パルスを生成する光パルス圧縮装置等を提供する。

（１）本発明は、種光信号のスペクトルの振幅および位相を周波数成分ごとに変調して光パルス整形を行い、当該光パルス整形により圧縮前光パルスを生成する光パルス整形部と、前記圧縮前パルスの周波数帯域を拡大するとともに、群速度分散を調整することで圧縮パルスを生成して出射する圧縮部と、前記光パルス整形を行う前に、所望形状の前記圧縮パルスの波形およびスペクトルに基づいて前記圧縮前パルスの波形、周波数成分ごとの振幅および位相の目標値を計算するとともに、前記種光信号のスペクトルの振幅および位相を前記目標値と一致するように前記光パルス整形部を制御して前記圧縮前パルスを生成する演算制御部と、を備える。

本発明に係る光パルス圧縮装置は、受け取った種光信号を、光パルス整形部で周波数成分ごとに変調してから、圧縮部でパルス圧縮を行う。このとき、光パルス整形部は、圧縮前パルスの周波数ごとの振幅および位相の目標値を得て、目標値と一致するように変調を行う。ここで、目標値は、圧縮パルスとして目標とする波形（以下、目標波形）および／またはスペクトル（以下、目標スペクトル）に基づいて計算される。つまり、これらの発明に係る光パルス圧縮装置では、圧縮部に入力される圧縮前パルスが、目標となる圧縮パルス（以下、目標パルス）に基づく計算によって生成される。そのため、任意形状の目標パルスと一致する圧縮パルスを生成することが可能になる。

本発明に係る光パルス圧縮装置は演算制御部を含んでいる。そして、演算制御部が目標波形および／または目標スペクトルに基づいて目標値を計算し、光パルス整形部に出力する。このとき、様々な目標パルスを設定可能な、柔軟性の高い光パルス圧縮装置を実現することができる。

ここで、目標値はメモリー等の記憶装置に記憶されてもよい。そして、圧縮部がパルス圧縮を行う前に、光パルス整形部は記憶装置から目標値を取得してもよい。このとき、演算制御部は、目標値の計算を光パルス整形部の動作とは無関係に実行できる。

なお、種光信号とは、圧縮前パルスおよび圧縮パルスの元となる、光源部から出射される光信号である。圧縮前パルスとは、種光信号に基づいて光パルス整形部で生成される、圧縮部で圧縮される前の光パルスである。圧縮部では、周波数帯域拡大と分散を用いた圧縮を行う。そのため、分散減少ファイバーを利用する断熱ソリトン圧縮を行う場合と比べて、光パルス圧縮装置のコストを抑えることが可能である。このとき、圧縮部は、周波数帯域拡大によって生じるチャープを調整する構成をとる。一般的には、光ファイバー中で生じる自己位相変調により周波数帯域を拡大し、それに伴うアップチャープを分散素子によるダウンチャープで分散調整を行う構成である。

目標パルスは、例えばチャープとペデスタルのないｓｅｃｈ^２型パルス（「フーリエ変換限界パルス」と呼ばれる）であって、所定の幅や強度を設定したものであってもよい。目標値は、圧縮前パルスの周波数ごとの振幅および位相を直接的に表してもよいし、間接的に表してもよい。例えば、光パルス整形部が電流値によって振幅（すなわち強度）や位相を変調する光パルスシンセサイザーの場合には、目標値は電流値であってもよいし、適切な電流値を発生させる制御信号であってもよい。

ここで、本出願人は、先願である特願２０１１−１７３１０号にて、フィードバックを用いた手法を提案している。フィードバックを用いた手法では、圧縮パルスが目標パルスとなるようにフィードバック制御を行うが、必ずしも目標パルスが得られるとは限らない、すなわち目標パルスの形状が得られる保証はない。また、収束可能だとしても、収束するまで、すなわち目標パルスが得られるまで所定の時間がかかる。また、生成された圧縮パルスを実測した後に初めて、目標パルスへと収束させる制御信号を生成することができる。すなわち、圧縮パルスを実測せずに、目標パルスを生成することはできない。

これに対し、本発明では、圧縮パルスではなく、圧縮前パルスが目標値に一致するような変調を行う。ここで、目標値は計算によって求められ、圧縮パルスを実測する必要はない。つまり、目標パルスへと収束するまで時間がかかることはなく、圧縮パルスの実測の前に、また光パルス整形の実行前に目標値を算出できる。従って、パルス圧縮動作の開始当初から、目標パルスを得ることが可能である。

（２）この光パルス圧縮装置において、前記演算制御部は、パルスの伝播を記述する方程式を基に、前記目標パルスが前記圧縮部を逆伝播するプロセスに基づいて、前記圧縮前パルスの波形および周波数成分ごとの振幅および位相を計算して前記目標値を求めてもよい。

本発明に係る光パルス圧縮装置の演算制御部は、圧縮パルスの伝播を記述する方程式を逆伝播計算（すなわち、逆伝播アルゴリズムを用いた計算）することで、目標値を求める。圧縮パルスの伝播を記述する方程式は、例えば非線形シュレディンガー方程式である。本発明に係る光パルス圧縮装置は、このような方程式を逆伝播計算することによって目標値の精度を高めることが可能である。

（３）この光パルス圧縮装置において、前記演算制御部は、前記光パルス整形部が生成した圧縮前パルス、および前記圧縮部が生成した圧縮パルスの少なくとも一方を受け取り、スペクトルおよび波形の少なくとも一方を実測して、前記目標値への修正を行ってもよい。

本発明に係る光パルス圧縮装置の演算制御部は、圧縮前パルスおよび圧縮パルスの少なくとも一方を受け取って評価を行うことができる。そして、評価結果に基づくフィードバック制御を行い、目標値のずれを修正することが可能である。そのため、例えば前記の非線形シュレディンガー方程式におけるファイバー損失の係数が実際の圧縮部の特性と一致していなかった場合でも、目標値のずれを修正して圧縮パルスを目標パルスと一致させることができる。

なお、ここでのフィードバック処理は、計算上の誤差を修正するものである。そのため、前記のフィードバックを用いた手法に比べて、収束時間は短い。

（４）この光パルス圧縮装置において、前記圧縮部は、周波数帯域を拡大する位相変調部と、群速度分散を調整する分散素子部と、を含み、前記位相変調部は、位相変調器または非線形素子を含み、前記分散素子部は、回折格子対または分散ファイバーを含んでもよい。

本発明に係る光パルス圧縮装置の圧縮部は、位相変調部と分散素子部とを含む。位相変調部としては位相変調器または非線形素子を用いることができ、周波数帯域を拡大できる。また、分散素子部としては回折格子対または分散ファイバーを用いることができ、群速度分散を調整する。

本発明の係る光パルス圧縮装置の圧縮部は、これらの構成要素を柔軟に選択することが可能であり、構成の柔軟性を有する。

（５）この光パルス圧縮装置において、前記種光信号を生成する光源部を含んでもよい。

（６）この光パルス圧縮装置において、前記光源部は、単一周波数の光を発生するレーザーと、前記単一周波数の光に基づいて、前記種光信号として光周波数コムを生成する周波数コム発生器を含んでもよい。

（７）この光パルス圧縮装置において、前記光源部は、前記種光信号としてパルス光を生成するパルス光源を含んでもよい。

（８）この光パルス圧縮装置において、前記光源部は、前記種光信号の波長を可変とする機能を含んでもよい。

これらの発明に係る光パルス圧縮装置は、装置の外部から種光信号を受け取るのではなく、種光信号を生成する光源部を含んでいてもよい。このとき、例えば光パルス整形部への入射に適した種光信号を常に得ることができる。このとき、これらの発明に係る光パルス圧縮装置の光源部は、様々な構成をとることが可能であり、設計上の柔軟性を有する。

例えば光源部は、レーザーと周波数コム発生器とを含んでいてもよい。波長可変レーザーは単一周波数の光を発生し、周波数コム発生器は単一周波数の光に基づいて光周波数コムを生成する。

また、例えば光源部は、種光信号としてパルス光を生成するパルス光源を含んでもよい。パルス光源から出射される光をそのまま種光信号とするので、光パルス圧縮装置の構成を単純化することができる。

また、光源部は、種光信号の波長を可変とする機能を含んでもよい。このとき、種光信号は波長可変の機能によって中心波長を選ぶことができる。その結果として、圧縮パルスの波長を選択する機能が実現され、柔軟な圧縮パルス発生の機能が実現できる。

（９）この光パルス圧縮装置において、前記光パルス整形部は、前記種光信号を回折させる平面導波路型回折格子と、前記種光信号の振幅を周波数成分ごとに変調する強度変調器と、前記種光信号の位相を周波数成分ごとに変調する位相変調器と、を含んでもよい。

（１０）この光パルス圧縮装置において、前記光パルス整形部は、前記種光信号を回折させる回折格子と、前記種光信号の振幅および位相を周波数成分ごとに変調する空間変調器と、を含んでもよい。

（１１）この光パルス圧縮装置において、前記光パルス整形部は、奥行き方向に屈折率の分布構造を有する光ファイバーであって、当該分布構造により種光信号の周波数成分ごとに振幅および位相を変調する光ファイバーと、を含んでもよい。

これらの発明に係る光パルス圧縮装置の光パルス整形部は、様々な構成をとることが可能であり、設計上の柔軟性を有する。光パルス整形部は、平面導波路型回折格子と強度変調器と位相変調器とを含んでいてもよい。このとき、光パルス整形部を例えば１チップ化することも可能であり、小型化できる。また、光パルス整形部は、回折格子と空間変調器とを含んでいてもよい。このとき、設計変更にも比較的容易に対応可能である。さらに、光パルス整形部は、光ファイバー型のパルス整形器であってもよい。

（１２）この光パルス圧縮装置において、前記圧縮部への入力光強度を調整するための光増幅器および／または光減衰器を含んでもよい。

本発明に係る光パルス圧縮装置の光パルス整形部は、増幅器および／または光減衰器を含んでいてもよい。このとき、圧縮部への入力光強度を調整することができる。

（１３）光パルス整形により圧縮前光パルスを生成する光パルス整形部と、圧縮パルスを生成して出射する圧縮部と、前記光パルス整形部を制御して前記圧縮前パルスを生成する演算制御部と、を備えた光パルス圧縮装置の光パルス圧縮方法であって、前記演算制御部において、前記目標パルスを設定するステップと、前記演算制御部において、前記圧縮パルスの波形およびスペクトルに基づいて、前記圧縮前パルスの波形、周波数成分ごとの振幅および位相の目標値を計算するステップと、前記光パルス整形部において、前記演算制御部から前記目標値を取得し、受け取った種光信号の振幅および位相を周波数成分ごとに変調して、前記目標値通りの周波数成分ごとの振幅と位相を持つ前記圧縮前パルスを生成するステップと、前記光パルス整形部が生成した前記圧縮前パルスを前記圧縮部に導入することで、周波数帯域拡大と分散調整により圧縮して圧縮パルスを出力するステップと、を含む。

（１４）この光パルス圧縮方法において、前記演算制御部が、前記光パルス整形部が生成した圧縮前パルス、および前記圧縮部が生成した圧縮パルスの少なくとも一方を受け取るステップと、前記演算制御部が、スペクトルおよび波形の少なくとも一方を実測して、前記目標値への修正を行うステップと、を含んでもよい。

これらの発明に係る光パルス圧縮方法によれば、光パルス整形部が光パルス整形を実行する前に、演算制御部が目標値を計算するステップと、光パルス整形部が、圧縮前パルスを目標値と一致させるように変調するステップとを含む。そのため、本発明に係る光パルス圧縮方法は、光パルス圧縮装置が目標パルスと一致した所望の任意形状の圧縮パルスを生成することを可能にする。

そして、さらに演算制御部が、光パルス整形部が生成した圧縮前パルス、および圧縮部が生成した圧縮パルスの少なくとも一方を受け取るステップと、スペクトルおよび波形の少なくとも一方を実測して、前記目標値への修正を行うステップと、を含むことで、目標値のずれを修正して圧縮パルスを目標パルスと一致させることができる。

第１実施形態の光パルス圧縮装置のブロック図。 図２（Ａ）〜図２（Ｂ）は、本実施形態における光源部の構成例を示す図。 本実施形態における光パルス整形部が行う変調を説明する図。 本実施形態における光パルス整形部の構成例を示す図。 本実施形態における圧縮部の構成例を示す図。 図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、自己位相変調と分散を用いたパルス圧縮の従来例の圧縮パルスと目標パルスとを説明する図。 図７は本実施形態における演算制御部が行う計算を説明する図。 図８（Ａ）〜図８（Ｂ）は、計算で求められた圧縮前パルスを説明する図。 図９（Ａ）〜図９（Ｂ）は、従来例の圧縮パルスと本実施形態の圧縮パルスを説明する図。 図１０（Ａ）〜図１０（Ｂ）は変形例の光パルス圧縮装置のブロック図。

１．第１実施形態
１．１．光パルス圧縮装置の構成
図１は、第１実施形態の光パルス圧縮装置１０のブロック図である。図１に示すように、第１実施形態の光パルス圧縮装置１０は、光源部２０、光パルス整形部３０、圧縮部４０、演算制御部５０を含んで構成されている。なお、種光信号１２０を装置の外部から受け取ることが可能であれば、光源部２０を除く構成、すなわち光パルス圧縮装置１１の構成もとり得る。しかし、本実施形態では光源部２０が含まれているとして説明する。

本実施形態における光源部２０は種光信号１２０を生成する。種光信号１２０は圧縮前パルス１３０および圧縮パルス１４０の元となる光信号である。光パルス整形部３０は種光信号１２０の振幅および位相を周波数成分ごとに変調する光パルス整形を実行して圧縮前パルス１３０を生成する。なお、図１の種光信号１２０、圧縮前パルス１３０、圧縮パルス１４０のように例えば光ファイバーを通って伝送される光信号は、電気信号と区別するために図１〜図１０（Ｂ）において太線で表すものとする。

圧縮部４０は、圧縮前パルス１３０をパルス圧縮して圧縮パルス１４０を生成する。圧縮部４０は、周波数帯域幅拡大と分散を用いた圧縮を行う。そのため、特殊な分散減少ファイバーを利用する断熱ソリトン圧縮を行う場合と比べて、光パルス圧縮装置のコストを抑えることが可能である。

ここで、従来行われていたように、光パルス整形部３０は、例えば雑音成分のない短光パルスである圧縮前パルス１３０を生成すること（以下、従来例とする）ができる。しかし、圧縮パルス１４０はペデスタルを含むものとなり、ペデスタルに対応するスペクトル密度の分布異常も生じていた。

図６（Ａ）〜図６（Ｂ）は、従来例における、このような圧縮パルス１４０の波形、スペクトルをそれぞれ示すものである。図６（Ａ）は、圧縮された光パルスにペデスタルＰＤが付随している波形となっている。また、図６（Ｂ）は、ペデスタルＰＤに対応してスペクトル密度の分布異常ＤＥが生じている。

一方、図６（Ｃ）〜図６（Ｄ）は、目標波形の例としてチャープとペデスタルのない圧縮パルス１４０の波形、スペクトルをそれぞれ示すものである。すなわち、図６（Ｃ）は目標波形を、図６（Ｄ）は目標スペクトルを表している。例えば、目標波形は幅Ｔ_０［ｐｓ］、ピーク強度Ｐ_０［Ｗ］であってペデスタルがない図６（Ｃ）のような形状であると定めることができる。また、目標スペクトルは中心周波数Ｆ_０［ＴＨｚ］で図６（Ｄ）のような分布をしていると定めることができる。図６（Ｃ）〜図６（Ｄ）のような波形、スペクトルが得られれば、チャープとペデスタルのない圧縮パルス１４０であるといえる。

ここで、再び図１に戻る。本実施形態における演算制御部５０は、図６（Ｃ）〜図６（Ｄ）のような、目標波形および目標スペクトルをもとに、後述する所定の計算を行う。そして、圧縮前パルス１３０の周波数ごとの振幅および位相の目標値１５０を生成して、光パルス整形部３０に出力する。

この目標値１５０は、圧縮前パルス１３０の周波数ごとの振幅および位相を目標値１５０の指示通りにしたときに、圧縮パルス１４０が目標パルスになる値である。つまり、本実施形態における光パルス整形部３０は、目標値１５０に従って変調を制御して、圧縮パルス１４０が目標パルスとなるようにする。

ここで、光パルス整形部３０は、光パルス整形を実行する前に、目標値１５０を取得する。そのため、本実施形態の光パルス圧縮装置１０がパルス圧縮を開始したときに、当初から目標パルスに一致する圧縮パルス１４０を生成することができる。これは、フィードバック処理により徐々に圧縮パルスを目標パルスに近づける方法に比べて、確実に目標パルスが得られるとともに、収束にかかる時間を短くすることを可能にする。

また、光パルス整形部３０は、目標波形および目標スペクトルに基づく目標値１５０を得ている。よって、圧縮パルス１４０が目標パルスから大きく乖離することはなく、チャープとペデスタルのない圧縮パルス１４０が生成される。

本実施形態の光パルス圧縮装置１０は、光パルス整形部３０が目標値１５０に基づいて圧縮前パルス１３０を生成することで、周波数帯域拡大と分散を用いた圧縮方法を用いながらも、所望形状の圧縮パルス１４０を生成できる。以下では、本実施形態における圧縮装置１０の、光源部２０、光パルス整形部３０、圧縮部４０および演算制御部５０の詳細について順に説明する。

なお、目標値１５０は、目標波形および目標スペクトルに基づいて計算された、圧縮前パルス１３０の周波数ごとの振幅および位相そのものを表す値でもよい。しかし、本実施形態において、目標値１５０は、光パルス整形部３０において計算された振幅および位相に変調するための制御信号として与えられるものとする。これは、後述するように、本実施形態における光パルス整形部３０は、振幅（すなわち強度）や位相を電流制御器からの電流値に従って変調する。そのため、電流制御器への制御信号として目標値１５０を計算することが、最も効率的であるからである。

また、本実施形態では、光パルス整形部３０は、演算制御部５０が計算した目標値１５０を受け取る。しかし、別の実施形態として演算制御部５０を省略し、光パルス整形部３０は記憶装置に記憶された目標値１５０、又は圧縮装置１０の外部から供給される目標値１５０を受け取ってもよい。

そして、本実施形態では、光信号が伝送される経路に適宜増幅器が配置されてもよい（図外）。特に位相変調部４２に光ファイバーを用いる場合には、入力する光強度の調整が重要である。そのため、例えば光パルス整形部３０の入射部および出射部の少なくとも一方にＥＤＦＡ（エルビウム添加光ファイバー増幅器）に代表される光増幅器や光減衰器のいずれか一方が配置されていてもよい。

１．２．光源部
図２（Ａ）は、本実施形態における光源部２０の構成を例示する図である。光源部２０は、単一周波数の光１２２を発生するレーザー２２と、単一周波数の光１２２に基づいて、種光信号１２０として光周波数コムを生成する周波数コム発生器２４を含む。周波数コム発生器２４は、信号発生器２６からの信号１２６によりコム間隔の設定が可能である。

本実施形態における光源部２０は、波長可変レーザー２２を用いることで、光周波数コムの中心波長を選択することができる。周波数コム発生器２４は、例えば２つの従続接続されたニオブ酸リチウム材料の位相変調器を含んでいてもよい。また、信号発生器２６はマイクロ波発生器であってもよい。

このとき、信号発生器２６から例えば周波数１２．５ＧＨｚのマイクロ波信号が出力される。そして、マイクロ波信号は２つに分岐されて、一方は増幅後に片方のニオブ酸リチウム材料の位相変調器を駆動する。そして、もう一方のマイクロ波信号は、周波数逓倍器により２５．０ＧＨｚのマイクロ波信号となり、もう片方のニオブ酸リチウム材料の位相変調器を駆動する。このことにより、単一周波数の光１２２に位相変調を施し、変調周波数である１２．５ＧＨｚの周波数間隔を持つ光周波数コムが種光信号１２０として生成される。

なお、本実施形態における光源部２０は、図２（Ｂ）のように光周波数コムではなく通常のパルス光源２８の出力光を種光信号１２０としてもよい。パルス光源から出射される光をそのまま種光信号とするので、光パルス圧縮装置１０の構成を単純化することができる。

１．３．光パルス整形部
図３は、本実施形態における光パルス整形部３０が行う変調を説明する図である。なお、光パルス整形部は図３に示す構成であってもよいが、本実施形態における光パルス整形部３０は後述する図４の構成を例として説明する。光パルス整形部３０が行う変調の原理については、図３の構成でも図４の構成でも同じであるため、図３を用いて説明する。

図３には、空間型の回折格子７２Ａ、７２Ｂ、空間変調器７４、レンズ７６Ａ、７６Ｂと入射光ｆ（ｔ）と出射光ｆ（ｔ）＊ｈ（ｔ）が示されている。なお、＊はコンボリューション（畳み込み積分）を表す。空間変調器７４は周波数面上に配置されているものとする。なお、図３では周波数面に重ねて仮想のｘ軸が示されている。

図３の入射光ｆ（ｔ）は種光信号１２０に対応する。入射光ｆ（ｔ）は、回折格子７２Ａとレンズ７６Ａによって時間−空間変換されて、周波数毎に空間的に分解される。つまり、周波数面上でＦ（ω）と表すことができる。

そして、周波数面上に透過関数がＨ（ω）である空間変調器７４を配置すると、変調された信号Ｆ（ω）・Ｈ（ω）が得られる。空間変調器７４としては例えば液晶を用いることができ、振幅および位相を周波数成分ごとに変調できる。

信号Ｆ（ω）・Ｈ（ω）をレンズ７６Ｂと回折格子７２Ｂによって空間−時間変換すると、出射光ｆ（ｔ）＊ｈ（ｔ）が出力される。図３の出射光ｆ（ｔ）＊ｈ（ｔ）は圧縮前パルス１３０に対応する。

本実施形態の光パルス圧縮装置１０では、光パルス整形部３０は、目標波形および目標スペクトルに基づく目標値１５０を取得する。そこで、光パルス整形部３０は、圧縮前パルス１３０の周波数ごとの振幅および位相が目標値１５０に従う空間変調器７４を選択すればよい。つまり、光パルス整形部３０は、図３に示す空間的な変調を行う構成をとり得る。

図４は、平面導波路型回折格子３５を用いた本実施形態における光パルス整形部３０の構成を示す図である。図４の光パルス整形部３０は図３と同じ変調を平面的に行う。そのため、光パルス整形部３０のサイズが小さくなり集積化も可能である。

図４のように、光パルス整形部３０は、サーキュレーター３１、平面導波路型回折格子３５、強度変調器３７、位相変調器３８、ミラー３９、電流制御器６２を含む。平面導波路型回折格子３５は、アレイ導波路１３２で接続されている第１のスラブ導波路３２と第２のスラブ導波路３４とを含む。

光パルス整形部３０に入射された種光信号１２０は、サーキュレーター３１によって導波路１３１を通り、平面導波路型回折格子３５の第１のスラブ導波路３２に入射される。

第１のスラブ導波路３２の内部において、入射された種光信号１２０は扇型に発散し、波面に合わせて設けられた円弧状の接続部で各々のチャネルに分岐されてアレイ導波路１３２に同相入射する。

そして、第２のスラブ導波路３４において周波数が異なる波は周波数に依存して波面傾斜するために、導波路１３４との接続部で集束することになる。周波数成分ごとに分岐した導波路１３４のそれぞれの信号は強度変調器３７、位相変調器３８を通る。そして、ミラー３９で反射されて逆の経路をたどり、サーキュレーター３１によって圧縮前パルス１３０として出射される。

図４の通り、強度変調器３７、位相変調器３８は周波数ごとに、それぞれ振幅、位相の変調を行う。これは、図３の位相変調器７４に対応する。また、平面導波路型回折格子３５は、時間−空間変換、空間−時間変換を行う。つまり、ミラー３９で反射される前は、図３の回折格子７２Ａとレンズ７６Ａによる時間−空間変換に対応し、ミラー３９で反射された後は、図３のレンズ７６Ｂと回折格子７２Ｂによる空間−時間変換に対応する。

なお、ミラー３９に代えて別の平面導波路型回折格子を設けてもよいが、回路規模および回折格子の個別の誤差を考慮すると図４の構成が好ましい。

ここで、強度変調器３７、位相変調器３８は電流制御器６２からの電流値によって変調特性が変化する。すなわち、本実施形態における光パルス整形部３０は光パルスシンセサイザーである。例えば、平面導波路型回折格子３５は約３０本の導波路１３４に１２．５ＧＨｚ間隔で周波数成分を分岐してもよい。

また、例えば強度変調器３７はマハツェンダー型の干渉計であって２つあるアームの一方にヒーターを備えていてもよい。このとき、電流制御器６２からヒーターに電流を流すことで、熱光学効果によって石英ガラスの屈折率が変化して伝播する光の位相が変調される。両アームの信号が干渉する際、両アームからの光の位相差を調整することで、減衰量を変更できる。すなわち、強度を変調させることが可能である。

位相変調器３８はヒーターを備える導波路であってもよい。電流制御器６２からヒーターに電流を流すことで、導波路の屈折率が変化して位相を変調させることが可能である。

本実施形態において、目標値１５０は、圧縮前パルス１３０の周波数ごとの振幅と位相とを直接的に表すものではなく、電流制御器６２に適切な電流値１６２、１６４を出力させる制御信号であるとする。

１．４．圧縮部
図５は、本実施形態における圧縮部４０の構成例を示す図である。圧縮部４０は、位相変調部４２と分散素子部４４とを含む。圧縮部４０は、特殊な分散減少ファイバーを用いておらず、光パルス圧縮装置１０のコストを抑えることが可能である。

位相変調器４２は、圧縮前パルス１３０を受け取り、周波数帯域拡大後のパルス信号１４２を出射する。位相変調部４２としては、位相変調器としてニオブ酸リチウム変調器等を用いることができる。パルス信号１４２は、位相の変調によりスペクトルが拡大しているが、このときチャープが発生している。

分散素子４４は、パルス信号１４２を受け取り、圧縮パルス１４０を出射する。分散素子４４としては、回折格子対やファイバー等を用いることができる。分散素子４４は、周波数帯域拡大に伴うチャープを調整する群速度分散を生じさせる。

なお、位相変調部４２には、位相変調器に代えて高非線形ファイバー等の非線形素子を用いることもできる。

１．５．演算制御部
圧縮部４０は、例えば雑音成分のない短光パルスである圧縮前パルス１３０を受け取っても、チャープやペデスタルを含む圧縮パルス１４０を出射する。本実施形態の光パルス圧縮装置１０は、図７のように、演算制御部５０が目標値１５０を逆伝播計算で求めることで、この問題を解決できる。なお、図７では、図１と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

演算制御部５０は、例えば演算処理を行うＣＰＵ等であってもよい。演算制御部５０は、光パルス整形部３０が光パルス整形を実行する前に、目標波形（図６（Ｃ）参照）および／または目標スペクトル（図６（Ｄ）参照）から逆伝播計算を行う。なお、目標波形は例えばｓｅｃｈ^２型パルスであるが、どのような波形でも目標波形とすることが可能である。

演算制御部５０は、下記の式（１）の非線形シュレディンガー方程式を、逆伝播アルゴリズムを用いて計算することで目標値１５０を求める。

式（１）では、非線形項に自己位相変調だけを考慮しており、圧縮部４０におけるファイバー中の光パルスの伝播を適切に表している。式（１）は、非線形項に自己位相変調だけを考慮しており、ファイバー中の光パルスの伝播を適切に表している。ここで、αはファイバー損失、βは分散、γは非線形定数である。また、ｚはファイバーの分散距離で正規化した軸方向の距離、ｔはパルス幅で正規化した群速度で動く時間である。

逆伝播計算では前記の目標パルスを設定して圧縮前パルスを求めることになる。つまり、ファイバーを通って出力される光パルス（圧縮パルスに対応）を求めるのではない。従って、前記のα、β、γの符号を逆符号に変えて計算し、求めた圧縮前パルスの波形、周波数ごとの振幅および位相を得る。式（１）を逆伝播計算することによって目標値の精度を高めることが可能である。

図８（Ａ）〜図８（Ｂ）は、計算で求められた圧縮前パルスの波形とスペクトルの例を表す。一般に、チャープとペデスタルのない目標パルスから逆伝播計算すると、図８（Ａ）〜図８（Ｂ）のような結果が得られる。つまり、従来例で用いられていた雑音成分のない短光パルスの波形やスペクトルとは異なる、多くの雑音成分を含む波形、スペクトルが得られる。そして、演算制御部５０は、この計算結果に基づいて目標値１５０を生成する。

図９（Ａ）のように、従来例では圧縮前パルスとして、パルスレーザや強度変調により容易に得られるチャープやペデスタルのないきれいなパルスが用いられた結果、チャープやペデスタルが残った圧縮パルス１４０が得られるのに対し、本実施形態では、図９（Ｂ）のように目標パルス通りの圧縮パルス１４０が得られる。つまり、光パルス整形部３０において目標値１５０に従った圧縮前パルス１３０を生成した場合、圧縮部４０を通過した圧縮パルス１４０はチャープやペデスタルの無いパルスとなる。従来の方法では、このような目標値１５０に従った圧縮前パルスを求めることと実際に生成することが困難であった。

１．６．光パルス圧縮方法
ここで、本実施形態の光パルス圧縮装置１０は、次のようなステップを含む光パルス圧縮方法を用いる。まず、演算制御部５０が所望形状の圧縮パルス（目標パルス）を設定するステップを含み、演算制御部５０において、目標パルスの波形およびスペクトルに基づいて、圧縮前パルスの波形、周波数成分ごとの振幅および位相の目標値を計算するステップを含む。また、その後に、光パルス整形部３０が、圧縮前パルス１３０の周波数成分ごとの振幅および位相が目標値１５０と一致するように変調して、目標値１５０通りの周波数成分ごとの振幅と位相を持つ圧縮前パルス１３０を生成するステップを含む。また、最後に、生成した圧縮前パルス１３０を圧縮部４０に導入することで、周波数帯域拡大と分散調整により圧縮して圧縮パルス１４０を出力するステップを含む。

以上のように、本実施形態の光パルス圧縮装置１０は、演算制御部５０が目標波形および目標スペクトルに基づいて目標値１５０を計算し、光パルス整形部３０が目標値１５０に基づいて変調を行う。そのため、光パルス圧縮装置１０は、目標パルスと一致したチャープとペデスタルのない圧縮パルス１４０を生成することができる。

２．変形例
第１実施形態の光パルス圧縮装置１０の説明では、圧縮パルス１４０は目標パルスと一致するとしていた。しかし、例えば式（１）におけるパラメーターαが実際のファイバー損失とずれているような場合に、圧縮パルス１４０は目標パルスと完全には一致しない可能性がある。そこで、演算制御部５０が実測値に基づいて目標値１５０を修正できる本変形例について説明する。なお、第１実施形態と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。

図１０（Ａ）〜図１０（Ｂ）は本変形例のブロック図を表す。図１０（Ａ）〜図１０（Ｂ）では、演算制御部５０が実測値に基づいて目標値１５０を修正するためのフィードバックの経路を有している。本変形例では、演算制御部５０は波形測定装置および光スペクトラムアナライザーを含む（図外）。

図１０（Ａ）の光パルス圧縮装置１０Ａでは、演算制御部５０は圧縮前パルス１３０を測定する。このとき、目標値を直ちに修正できるという利点がある。一方、図１０（Ｂ）の光パルス圧縮装置１０Ｂでは、演算制御部５０は圧縮パルス１４０を測定する。このとき、圧縮パルス１４０自体の波形とスペクトルを直接に測定することができる。なお、光パルス圧縮装置は、圧縮前パルス１３０および圧縮パルス１４０の両方を測定可能であってもよい。

ここで、光パルス圧縮装置１０Ｂを例にとって測定方法について説明する。なお、光パルス圧縮装置１０Ａについては説明を省略するが、光パルス圧縮装置１０Ｂと同様の測定方法を行うことができる。

演算制御部５０の波形測定装置は、圧縮パルス１４０を目標波形と比較することで、ペデスタルの発生を判断できる。ペデスタルが発生している場合には、例えば式（１）の係数を修正した上で目標値を再計算するといった対応がとれる。

演算制御部５０の光スペクトラムアナライザーは、強度スペクトルについては直接に測定できる。強度スペクトルが目標スペクトルと一致しない場合には、強度変調器３７（図４参照）について調整を行うといった対応がとれる。

なお、演算制御部５０の光スペクトラムアナライザーでも位相スペクトルについては直接的な測定はできない。しかし、例えば測定した波形をある評価関数で評価し、目標波形に近づくように位相変調器３８（図４参照）について調整を行うといった対応がとれる。このときの評価関数として、波形のピーク強度の大きさを評価するものや、目標波形との差分を評価するものを用いることができる。なお、フィードバックのアルゴリズムには遺伝的アルゴリズムなどを用いてもよい。

３．その他
これらの例示に限らず、本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１０…光パルス圧縮装置、１０Ａ…光パルス圧縮装置、１０Ｂ…光パルス圧縮装置、１１…光パルス圧縮装置、２０…光源部、２２…波長可変レーザー、２４…周波数コム発生器、２６…信号発生器、２８…パルス光源、３０…光パルス整形部、３１…サーキュレーター、３２…第１のスラブ導波路、３４…第２のスラブ導波路、３５…平面導波路型回折格子、３７…強度変調器、３８…位相変調器、３９…ミラー、４０…圧縮部、４２…位相変調部、４４…分散素子部、５０…演算制御部、６２…電流制御器、７２Ａ…回折格子、７２Ｂ…回折格子、７４…空間変調器、７６Ａ…レンズ、７６Ｂ…レンズ、１２０…種光信号、１２２…単一周波数の光、１２６…信号、１３０…圧縮前パルス、１３１…導波路、１３２…アレイ導波路、１３４…導波路、１４０…圧縮パルス、１４２…パルス信号、１５０…目標値、１６２…電流値、１６４…電流値

Claims (14)

1. 種光信号のスペクトルの振幅および位相を周波数成分ごとに変調して光パルス整形を行い、当該光パルス整形により圧縮前光パルスを生成する光パルス整形部と、
   前記圧縮前パルスの周波数帯域を拡大するとともに、群速度分散を調整することで圧縮パルスを生成して出射する圧縮部と、
   前記光パルス整形を行う前に、所望形状の前記圧縮パルスの波形およびスペクトルに基づいて前記圧縮前パルスの波形、周波数成分ごとの振幅および位相の目標値を計算するとともに、前記種光信号のスペクトルの振幅および位相を前記目標値と一致するように前記光パルス整形部を制御して前記圧縮前パルスを生成する演算制御部と、
   を備えたことを特徴とする光パルス圧縮装置。
2. 請求項１に記載の光パルス圧縮装置において、
   前記演算制御部は、
   パルスの伝播を記述する方程式を基に、前記目標パルスが前記圧縮部を逆伝播するプロセスに基づいて、前記圧縮前パルスの波形および周波数成分ごとの振幅および位相を計算して前記目標値を求める、光パルス圧縮装置。
3. 請求項１乃至２のいずれか１項に記載の光パルス圧縮装置において、
   前記演算制御部は、
   前記光パルス整形部が生成した圧縮前パルス、および前記圧縮部が生成した圧縮パルスの少なくとも一方を受け取り、スペクトルおよび波形の少なくとも一方を実測して、前記目標値への修正を行う、光パルス圧縮装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光パルス圧縮装置において、
   前記圧縮部は、
   周波数帯域を拡大する位相変調部と、
   群速度分散を調整する分散素子部と、を含み、
   前記位相変調部は、
   位相変調器または非線形素子を含み、
   前記分散素子部は、
   回折格子対または分散ファイバーを含む、光パルス圧縮装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光パルス圧縮装置において、
   前記種光信号を生成する光源部を含む、光パルス圧縮装置。
6. 請求項５に記載の光パルス圧縮装置において、
   前記光源部は、
   単一周波数の光を発生するレーザーと、
   前記単一周波数の光に基づいて、前記種光信号として光周波数コムを生成する周波数コム発生器を含む、光パルス圧縮装置。
7. 請求項５に記載の光パルス圧縮装置において、
   前記光源部は、
   前記種光信号としてパルス光を生成するパルス光源を含む、光パルス圧縮装置。
8. 請求項５乃至７のいずれか１項に記載の光パルス圧縮装置において、
   前記光源部は、
   前記種光信号の波長を可変とする機能を含む、光パルス圧縮装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光パルス圧縮装置において、
   前記光パルス整形部は、
   前記種光信号を回折させる平面導波路型回折格子と、
   前記種光信号の振幅を周波数成分ごとに変調する強度変調器と、
   前記種光信号の位相を周波数成分ごとに変調する位相変調器と、を含む、光パルス圧縮装置。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光パルス圧縮装置において、
    前記光パルス整形部は、
    前記種光信号を回折させる回折格子と、
    前記種光信号の振幅および位相を周波数成分ごとに変調する空間変調器と、を含む、光パルス圧縮装置。
11. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光パルス圧縮装置において、
    前記光パルス整形部は、
    奥行き方向に屈折率の分布構造を有する光ファイバーであって、当該分布構造により種光信号の周波数成分ごとに振幅および位相を変調する光ファイバーと、を含む、光パルス圧縮装置。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の光パルス圧縮装置において、
    前記圧縮部への入力光強度を調整するための光増幅器および／または光減衰器を含む、光パルス圧縮装置。
13. 光パルス整形により圧縮前光パルスを生成する光パルス整形部と、圧縮パルスを生成して出射する圧縮部と、前記光パルス整形部を制御して前記圧縮前パルスを生成する演算制御部と、を備えた光パルス圧縮装置の光パルス圧縮方法であって、
    前記演算制御部において、所望形状の圧縮パルスを設定するステップと、
    前記演算制御部において、前記圧縮パルスの波形およびスペクトルに基づいて、前記圧縮前パルスの波形、周波数成分ごとの振幅および位相の目標値を計算するステップと、
    前記光パルス整形部において、前記演算制御部から前記目標値を取得し、受け取った種光信号の振幅および位相を周波数成分ごとに変調して、前記目標値通りの周波数成分ごとの振幅と位相を持つ前記圧縮前パルスを生成するステップと、
    前記光パルス整形部が生成した前記圧縮前パルスを前記圧縮部に導入することで、周波数帯域拡大と分散調整により圧縮して圧縮パルスを出力するステップと、を含む光パルス圧縮方法。
14. 請求項１３に記載の光パルス圧縮方法において、
    前記演算制御部が、前記光パルス整形部が生成した圧縮前パルス、および前記圧縮部が生成した圧縮パルスの少なくとも一方を受け取るステップと、
    前記演算制御部が、スペクトルおよび波形の少なくとも一方を実測して、前記目標値への修正を行うステップと、を含む光パルス圧縮方法。

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