JP2016090944A - Spectrum compressor, nonlinear optical microscope, optical analog/digital conversion system, and method for spectrum compression - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置、そのようなスペクトル圧縮装置を備える、非線形光学顕微鏡および光アナログ/デジタル変換システム、ならびに、スペクトル圧縮方法に関する。 The present invention relates to a spectral compression apparatus that performs spectral compression of an optical signal, a nonlinear optical microscope and an optical analog / digital conversion system including such a spectral compression apparatus, and a spectral compression method.
光信号を利用する様々な技術分野(例えば、光OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)、光アナログ/デジタル変換、非線形光学顕微鏡など)において、光信号のスペクトル圧縮技術が利用されている。例えば、コヒーレントアンチストークスラマン散乱(CARS)顕微鏡では、CARS光のスペクトル分解能を高めるために、ポンプ光のスペクトル圧縮を行う(例えば、非特許文献1を参照)。非特許文献1では、スペクトル圧縮に、自己位相変調が利用されている。
In various technical fields using optical signals (for example, Optical Frequency Division Multiplexing (OFDM), optical analog / digital conversion, nonlinear optical microscope, etc.), spectral compression techniques of optical signals are used. For example, in a coherent anti-Stokes Raman scattering (CARS) microscope, spectral compression of pump light is performed in order to increase the spectral resolution of CARS light (see, for example, Non-Patent Document 1). In
しかしながら、非特許文献1のように自己位相変調を利用してスペクトル圧縮を行う場合、スペクトル圧縮は、自己位相変調を発生させる光学デバイスの物理的特性に依存する。つまり、光学デバイスの自己位相変調に関する特性の物理的限界によってスペクトル圧縮率が制限される。
However, when spectral compression is performed using self-phase modulation as in Non-Patent
そこで、本発明は、高いスペクトル圧縮率を実現することができるスペクトル圧縮装置等を提供する。 Therefore, the present invention provides a spectral compression apparatus and the like that can realize a high spectral compression ratio.
本発明の一態様に係るスペクトル圧縮装置は、第1分散光信号が有する第1中心周波数と異なる第2中心周波数を有する光信号に、前記第1分散光信号が有する第1分散量の2倍または2分の1である第2分散量の波長分散を与えることにより、第2分散光信号を出力する波長分散部と、前記第1分散光信号および前記第2分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合部と、を備える。 According to an aspect of the present invention, there is provided a spectrum compression device that adds an optical signal having a second center frequency different from the first center frequency of the first dispersed optical signal to twice the first dispersion amount of the first dispersed optical signal. Alternatively, a wavelength dispersion unit that outputs a second dispersion optical signal by synchronizing with the first dispersion optical signal and the second dispersion optical signal by providing wavelength dispersion of the second dispersion amount that is a half. And a four-wave mixing unit that outputs a spectrum-compressed optical signal by generating four-wave mixing.
この構成によれば、第1分散量を有する第1分散光信号と第1分散量の2倍または2分の1である第2分散量の第2波長分散が与えられた第2分散光信号とを同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることができる。したがって、四光波混合によって生成されるアイドラ光の狭帯域化を実現することができ、スペクトル圧縮された光信号を出力することができる。つまり、四光波混合によって容易に高いスペクトル圧縮率を実現することができる。 According to this configuration, the first dispersed optical signal having the first dispersion amount and the second dispersed optical signal provided with the second chromatic dispersion of the second dispersion amount that is twice or half of the first dispersion amount. Can be used in a synchronized state to cause four-wave mixing. Therefore, it is possible to realize a narrow band of idler light generated by four-wave mixing, and output a spectrum-compressed optical signal. That is, a high spectral compression ratio can be easily realized by four-wave mixing.
例えば、前記スペクトル圧縮装置は、さらに、前記第1中心周波数を有する第1光信号に、前記第1分散量の波長分散を与えることにより、前記第1分散光信号を出力する第1波長分散部を備えてもよい。 For example, the spectral compression device further provides a first wavelength dispersion unit that outputs the first dispersion optical signal by giving wavelength dispersion of the first dispersion amount to the first optical signal having the first center frequency. May be provided.
この構成によれば、第1分散量の第1波長分散を第1光信号に与えることで第1分散光信号を出力することができる。したがって、入力光信号(第1光信号)が適切な分散量を有していない場合であっても、入力光信号のスペクトル圧縮を実現することができ、汎用性を高めることができる。 According to this configuration, it is possible to output the first dispersed optical signal by giving the first chromatic dispersion of the first dispersion amount to the first optical signal. Therefore, even if the input optical signal (first optical signal) does not have an appropriate amount of dispersion, spectral compression of the input optical signal can be realized, and versatility can be improved.
本発明の一態様に係る非線形光学顕微鏡は、ポンプ光およびストークス光を試料に照射し、前記試料から非線形光学現象によって生じる出力光を検出する非線形光学顕微鏡であって、上記のスペクトル圧縮装置を備え、前記スペクトル圧縮装置は、前記ポンプ光または前記出力光のスペクトル圧縮に用いられる。 A nonlinear optical microscope according to one aspect of the present invention is a nonlinear optical microscope that irradiates a sample with pump light and Stokes light, and detects output light generated by the nonlinear optical phenomenon from the sample, and includes the spectral compression device described above. The spectral compression device is used for spectral compression of the pump light or the output light.
この構成によれば、スペクトル圧縮装置から出力されるスペクトル圧縮された光信号をポンプ光として用いることができる。または、試料から生じる出力光のスペクトル圧縮を行うことができる。したがって、試料から生じる出力光のスペクトル分解能を向上させることができる。 According to this configuration, a spectrally compressed optical signal output from the spectral compression device can be used as pump light. Alternatively, spectral compression of output light generated from the sample can be performed. Therefore, the spectral resolution of output light generated from the sample can be improved.
本発明の一態様に係る光アナログ/デジタル変換システムは、アナログ光信号をデジタル信号に変換する光アナログ/デジタル変換システムであって、前記アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の第1光信号に変換する変換部と、前記第1光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置と、前記スペクトル圧縮装置から出力されるスペクトル圧縮された光信号の波長を測定することにより、前記アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する測定部とを備え、前記スペクトル圧縮装置は、前記第1光信号に第1分散量の第1波長分散を与えることにより、第1分散光信号を出力する第1波長分散部と、前記第1光信号が有する第1中心周波数と異なる第2中心周波数を有する第2光信号に、前記第1分散量の2倍または2分の1である第2分散量の第2波長分散を与えることにより、第2分散光信号を出力する第2波長分散部と、前記第1分散光信号および前記第2分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合部と、を備える。 The optical analog / digital conversion system which concerns on 1 aspect of this invention is an optical analog / digital conversion system which converts an analog optical signal into a digital signal, Comprising: The said analog optical signal respond | corresponds to the signal strength of the said analog optical signal By measuring the wavelength of the spectrum-compressed optical signal output from the spectrum compression device, the conversion unit that converts the wavelength into the first optical signal, the spectrum compression device that performs spectrum compression of the first optical signal, A measurement unit that obtains a digital signal corresponding to the signal intensity of the analog optical signal, and the spectral compression device gives a first chromatic dispersion of a first dispersion amount to the first optical signal, thereby providing a first dispersion. A first wavelength dispersion unit that outputs an optical signal, and a second optical signal having a second center frequency different from the first center frequency of the first optical signal, A second chromatic dispersion unit that outputs a second dispersed optical signal by providing a second chromatic dispersion of a second dispersion amount that is twice or a half of the first dispersion amount; and the first dispersed optical signal, And a four-wave mixing unit that outputs a spectrum-compressed optical signal by generating four-wave mixing using the second dispersed optical signal in a synchronized state.
この構成によれば、スペクトル圧縮装置を利用して、アナログ光信号の信号強度に対応する波長を有する第1光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる。したがって、光アナログ/デジタル変換における解像度を向上させることができる。 According to this configuration, it is possible to improve the compression ratio of the spectrum of the first optical signal having a wavelength corresponding to the signal intensity of the analog optical signal using the spectrum compression device. Therefore, the resolution in the optical analog / digital conversion can be improved.
なお、本発明は、このような特徴的な構成要素を備えるスペクトル圧縮装置、非線形光学顕微鏡および光アナログ/デジタル変換システムとして実現することができるだけでなく、例えばスペクトル圧縮装置に含まれる特徴的な構成要素が実行する処理をステップとするスペクトル圧縮方法として実現することができる。 The present invention can be realized not only as a spectrum compression apparatus, a nonlinear optical microscope, and an optical analog / digital conversion system including such characteristic components, but also, for example, a characteristic configuration included in the spectrum compression apparatus. It can be realized as a spectrum compression method in which processing executed by an element is a step.
本発明の一態様に係るスペクトル圧縮装置等は、光信号のスペクトル圧縮率を向上させることができる。 The spectrum compression device and the like according to one embodiment of the present invention can improve the spectrum compression rate of an optical signal.
以下、実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明する。 Hereinafter, embodiments will be specifically described with reference to the drawings.
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置および接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、請求の範囲を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。 It should be noted that each of the embodiments described below shows a comprehensive or specific example. Numerical values, shapes, materials, components, arrangement positions and connection forms of components, steps, order of steps, and the like shown in the following embodiments are merely examples, and are not intended to limit the scope of the claims. In addition, among the constituent elements in the following embodiments, constituent elements that are not described in the independent claims indicating the highest concept are described as optional constituent elements.
また、以下では、光信号がパルス光である場合について説明する。 Hereinafter, a case where the optical signal is pulsed light will be described.
(実施の形態1)
[スペクトル圧縮装置の構成]
図1は、実施の形態1に係るスペクトル圧縮装置100の構成図である。スペクトル圧縮装置100は、光信号のスペクトル圧縮を行う。図1に示すように、スペクトル圧縮装置100は、第1波長分散部101と、第2波長分散部102と、四光波混合部103とを備える。
(Embodiment 1)
[Configuration of spectrum compression device]
FIG. 1 is a configuration diagram of a
第1波長分散部101は、第1光信号10に第1分散量の第1波長分散を与えることにより、第1分散光信号11を出力する。第1分散光信号11は、チャープされた光信号である。
The first
本実施の形態では、第1波長分散部101は、第1光伝送媒体(例えば第1光ファイバ)である。第1光信号10は、第1光伝送媒体内を伝搬する。第1光伝送媒体内を伝搬することにより、第1光信号10に第1波長分散が与えられ、その結果、第1分散光信号11が出力される。
In the present embodiment, the first
第2波長分散部102は、第1光信号10の第1中心周波数(つまり第1分散光信号11の中心周波数)と異なる第2中心周波数を有する第2光信号20に、第2分散量の第2波長分散を与えることにより、第2分散光信号21を出力する。第2分散光信号21は、チャープされた光信号である。
The second
本実施の形態では、第2波長分散部102は、第2光伝送媒体(例えば第2光ファイバ)である。第2光信号20は、第2光伝送媒体内を伝搬する。第2光伝送媒体内を伝搬することにより、第2光信号20に第2波長分散が与えられ、その結果、第2分散光信号21が出力される。
In the present embodiment, the second
ここで、第2分散量は、第1分散量の2倍または2分の1である。なお、本説明において、「2倍」および「2分の1」とは、厳密な2倍および2分の1に加えて、実質的な2倍および2分の1も含む。つまり、「2倍」および「2分の1」は、「略2倍」および「略2分の1」を意味する。 Here, the second dispersion amount is twice or half of the first dispersion amount. In the present description, “double” and “half” include substantially double and half in addition to exact double and half. That is, “double” and “half” mean “approximately twice” and “approximately half”.
四光波混合部103は、第1分散光信号11および第2分散光信号21を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号30を出力する。つまり、四光波混合部103は、第1分散信号11のパルス幅の中心と第2分散光信号21のパルス幅の中心とを略一致させた状態で第1分散信号11および第2分散光信号21を用いて四光波混合を生じさせる。その結果、スペクトル圧縮された光信号30が出力される。
The four-
四光波混合とは、非線形光学現象である。四光波混合では、異なる周波数または波長を有する2以上の光が非線形光学効果を有する光伝送媒体に入力された場合に、別の周波数または波長を有する光(アイドラ光という)が生成される。 Four-wave mixing is a nonlinear optical phenomenon. In four-wave mixing, when two or more lights having different frequencies or wavelengths are input to an optical transmission medium having a nonlinear optical effect, light having another frequency or wavelength (referred to as idler light) is generated.
本実施の形態では、四光波混合によって、第1分散光信号11および第2分散光信号21の各々の中心周波数とは異なる中心周波数を有する2つのアイドラ光が生成される。2つのアイドラ光の第3中心周波数ω3および第4中心周波数ω4は、第1分散光信号11の第1中心周波数ω1(第1光信号10の中心周波数と同じ)および第2分散光信号21の第2中心周波数ω2(第2光信号20の中心周波数と同じ)を用いて、以下の式(1)で表される。
ここでは、第3中心周波数ω3を有するアイドラ光を第1アイドラ光と呼び、第4中心周波数ω4を有するアイドラ光を第2アイドラ光と呼ぶ。このとき、第1アイドラ光および第2アイドラ光の一方は、スペクトル圧縮された光信号30に相当する。
Here, idler light having the third center frequency ω 3 is referred to as first idler light, and idler light having the fourth center frequency ω 4 is referred to as second idler light. At this time, one of the first idler light and the second idler light corresponds to the
スペクトル圧縮とは、光信号の帯域幅(スペクトル幅)を狭くすることを意味する。つまり、スペクトル圧縮とは、狭帯域化を意味する。帯域幅(スペクトル幅)とは、例えば、スペクトルの強度が、ピーク強度より小さい閾値強度(例えばピーク強度の半分の強度)以上である周波数または波長の範囲である。 Spectral compression means narrowing the bandwidth (spectral width) of an optical signal. That is, spectrum compression means narrowing of the band. The bandwidth (spectrum width) is, for example, a frequency or wavelength range in which the spectrum intensity is equal to or greater than a threshold intensity (for example, half the peak intensity) smaller than the peak intensity.
四光波混合部103は、第1分散光信号11および第2分散光信号21を用いた四光波混合によって生じた2つのアイドラ光のうちの一方を、第1光信号10および第2光信号20よりも帯域幅が狭いアイドラ光(スペクトル圧縮された光信号30)として出力する。なお、アイドラ光におけるスペクトル圧縮の原理の詳細については後述する。
The four-
ここで、四光波混合部103の具体的な構成例について説明する。本実施の形態では、四光波混合部103は、非線形光伝送媒体104と、光バンドパスフィルタ105とを備える。
Here, a specific configuration example of the four-
非線形光伝送媒体104は、非線形光学効果を有する光伝送媒体である。具体的には、非線形光伝送媒体104は、例えば、高非線形光ファイバ(HNLF)である。
The nonlinear
第1波長分散部101および第2波長分散部102からそれぞれ出力された第1分散光信号11および第2分散光信号21は、同期して合波され、非線形光伝送媒体104に入力され、非線形光伝送媒体104内を伝搬する。非線形光伝送媒体104では、第1分散光信号11および第2分散光信号21によって四光波混合が生じ、その結果、2つのアイドラ光を含む光信号が非線形光伝送媒体104から出力される。
The first dispersed
光バンドパスフィルタ105は、非線形光伝送媒体104から出力された光信号から、スペクトル圧縮された光信号30(第1アイドラ光および第2アイドラ光の一方)を抽出する。つまり、光バンドパスフィルタ105は、非線形光伝送媒体104から出力された光信号から、第1分散光信号11、第2分散光信号21、および不要なアイドラ光(第1アイドラ光および第2アイドラ光の他方)を除去する。
The
[スペクトル圧縮方法における処理]
次に、以上のように構成されたスペクトル圧縮装置100における処理について説明する。図2は、実施の形態1に係るスペクトル圧縮方法を示すフローチャートである。
[Processing in spectrum compression method]
Next, processing in the
まず、第1光信号10に第1分散量の第1波長分散を与えることにより、第1分散光信号11が出力される(S101)。続いて、第1光信号10が有する第1中心周波数と異なる第2中心周波数を有する第2光信号20に、第1分散量の2倍または2分の1である第2分散量の第2波長分散を与えることにより、第2分散光信号21が出力される(S102)。最後に、第1分散光信号11および第2分散光信号21を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号30が出力される(S103)。
First, the first dispersed
[スペクトル圧縮の原理]
次に、本実施の形態におけるスペクトル圧縮の原理について説明する。ここでは、第1光信号10および第2光信号20がガウス型の光パルスである場合について説明する。
[Principle of spectrum compression]
Next, the principle of spectrum compression in the present embodiment will be described. Here, a case where the first
まず、ガウス型の光パルスの波長分散について説明する。 First, wavelength dispersion of a Gaussian light pulse will be described.
ガウス型の光パルスは、以下の式(2)で表される。
ここで、Eは光の電場成分を表し、Tは時間を表し、T0はパルス幅を表し、ωcは中心周波数を表す。 Here, E represents the electric field component of light, T represents time, T 0 represents the pulse width, and ω c represents the center frequency.
このガウス型の光パルスに波長分散が与えられた場合、分散光信号は以下の式(3)で表される。
ここで、zは伝搬距離を表し、β2は群速度分散(GVD:Group−Velocity Dispersion)パラメータを表す。 Here, z represents a propagation distance, and β 2 represents a group velocity dispersion (GVD) parameter.
このとき、分散光信号の瞬時周波数は、以下の式(4)で表される。
したがって、第1分散光信号11および第2分散光信号21の各々の瞬時周波数は、以下の式(5)で表すことができる。
ここで、β21およびβ22は、それぞれ第1波長分散部101および第2波長分散部102におけるGVDパラメータである。また、ω1およびω2は、それぞれ第1分散光信号11の第1中心周波数および第2分散光信号21の第2中心周波数である。また、C(β21)およびC(β22)は、第1分散量および第2分散量を表す。
Here, β 21 and β 22 are GVD parameters in the first
次に、四光波混合について説明する。 Next, four-wave mixing will be described.
第1分散光信号11および第2分散光信号21を同期させた状態で用いた四光波混合によって生成される第1アイドラ光および第2アイドラ光の瞬時周波数は、以下の式(6)で表される。
ここで、第2分散量は、第1分散量の2倍または2分の1であるので、以下の式(7)または式(8)が成り立つ。
したがって、第1アイドラ光または第2アイドラ光の瞬時周波数は、以下の式(9)または式(10)で表される。
このように、第2分散量が第1分散量の2倍である場合、つまり、式(7)が満たされる場合には、式(9)で表されるように第1アイドラ光の瞬時周波数は一定となる。また、第2分散量が第1分散量の2分の1である場合、つまり、式(8)が満たされる場合には、式(10)で表されるように第2アイドラ光の瞬時周波数は一定となる。すなわち、第1分散光信号11および第2分散光信号21を同期させた状態で用いた四光波混合によって、スペクトル圧縮されたアイドラ光(第1アイドラ光または第2アイドラ光)が生成される。
As described above, when the second dispersion amount is twice the first dispersion amount, that is, when the equation (7) is satisfied, the instantaneous frequency of the first idler light is expressed by the equation (9). Is constant. In addition, when the second dispersion amount is half of the first dispersion amount, that is, when Expression (8) is satisfied, the instantaneous frequency of the second idler light is represented by Expression (10). Is constant. In other words, spectrum-compressed idler light (first idler light or second idler light) is generated by four-wave mixing used in a state where the first dispersed
図3は、実施の形態1に係る四光波混合を説明するためのグラフである。図3において、縦軸は周波数を示し、横軸は時間を示す。また、(a)は、第1光信号および第2光信号を用いた四光波混合を表し、(b)は、第1分散光信号および第2分散光信号を用いた四光波混合を表す。なお、図3では、第2分散量が第1分散量の2倍である場合を示す。 FIG. 3 is a graph for explaining four-wave mixing according to the first embodiment. In FIG. 3, the vertical axis represents frequency, and the horizontal axis represents time. (A) represents four-wave mixing using the first optical signal and the second optical signal, and (b) represents four-wave mixing using the first dispersed optical signal and the second dispersed optical signal. FIG. 3 shows a case where the second dispersion amount is twice the first dispersion amount.
(a)に示すように、第1光信号10の波長時間分布31aおよび第2光信号20の波長時間分布32aは、縦長の長円形状を有する。つまり、第1光信号10および第2光信号20の各々は、比較的狭い時間幅の中に比較的広い帯域幅の成分を含む。この場合、第1アイドラ光の波長時間分布33aおよび第2アイドラ光の波長時間分布34aも、第1光信号10の波長時間分布31aおよび第2光信号20の波長時間分布32aと同一の形状となる。
As shown in (a), the
これに対して、(b)に示すように、第1分散光信号11の波長時間分布31bおよび第2分散光信号21の波長時間分布32bは、傾斜した長円形状を有する。第2分散量が第1分散量の2倍であるので、第2分散光信号21の波長時間分布32bは、第1分散光信号11の波長時間分布31bよりも2倍傾いている。
On the other hand, as shown in (b), the
この場合、第1アイドラ光の波長時間分布33bは、式(9)からも明らかなように、横長の長円形状を有する。つまり、第1アイドラ光は、比較的広い時間幅の中に比較的狭い帯域幅の成分を含む。すなわち、第1アイドラ光の帯域幅は、第1分散光信号11および第2分散光信号21の各々の帯域幅よりも狭くなっている。なお、第2アイドラ光の波長時間分布34bは、第2分散光信号21の波長時間分布32bと同様の形状となっている。
In this case, the
[シミュレーション結果]
次に、以上のようなスペクトル圧縮のシミュレーション結果について説明する。このシミュレーションの条件は、以下のとおりである。
[simulation result]
Next, the simulation result of the spectrum compression as described above will be described. The conditions for this simulation are as follows.
第1光信号10の中心波長は1560nmであり、第2光信号20の中心波長は1550nmである。第1光信号10および第2光信号20のパルス幅は、ともに2.1psである。
The center wavelength of the first
また、第1光信号10に第1波長分散を与えるための第1波長分散部101として、30mの長さを有する第1分散補償光ファイバ(DCF)が用いられる。この第1DCFの光学特性は、以下のとおりである。
非線形性(Nonlinearity):3.7 /W/km
分散(Dispersion):−106 ps/nm/km
分散勾配(Dispersion slope):0.06 ps/nm2/km
Further, a first dispersion compensating optical fiber (DCF) having a length of 30 m is used as the first
Nonlinearity: 3.7 / W / km
Dispersion: −106 ps / nm / km
Dispersion slope: 0.06 ps / nm 2 / km
また、第2光信号20に第2波長分散を与えるための第2波長分散部102として、30mの長さを有する第2DCFが用いられる。この第2DCFの光学特性は、以下のとおりである。
非線形性(Nonlinearity):3.7 /W/km
分散(Dispersion):−212 ps/nm/km
分散勾配(Dispersion slope):0.06 ps/nm2/km
Further, a second DCF having a length of 30 m is used as the second
Nonlinearity: 3.7 / W / km
Dispersion: -212 ps / nm / km
Dispersion slope: 0.06 ps / nm 2 / km
このように、第2波長分散部102における第2分散量は、第1波長分散部101における第1分散量の2倍である。
As described above, the second dispersion amount in the second
四光波混合部103としては、HNLFが用いられる。このHNLFの光学特性は、以下のとおりである。
非線形性(Nonlinearity):6.2 /W/km
分散(Dispersion):0.325 ps/nm/km
分散勾配(Dispersion slope):0.031 ps/nm2/km
As the four-
Nonlinearity: 6.2 / W / km
Dispersion: 0.325 ps / nm / km
Dispersion slope: 0.031 ps / nm 2 / km
図4および図5は、実施の形態1に係るシミュレーション結果を示すグラフである。具体的には、図4は、HNLFから出力された光信号のスペクトルを示す。また、図5は、第1光信号10のスペクトル51と、スペクトル圧縮された光信号30のスペクトル52とを示す。
4 and 5 are graphs showing simulation results according to the first embodiment. Specifically, FIG. 4 shows a spectrum of an optical signal output from the HNLF. FIG. 5 shows a
図4に示すように、HNLFから出力された光信号には、第1分散光信号11(1560nm)および第2分散光信号21(1550nm)に加えて、四光波混合によって生成された第1アイドラ光(1570nm)および第2アイドラ光(1540nm)が含まれる。このHNLFから出力された光信号から第1アイドラ光がスペクトル圧縮された光信号30として抽出される。
As shown in FIG. 4, in addition to the first dispersed optical signal 11 (1560 nm) and the second dispersed optical signal 21 (1550 nm), the first idler generated by four-wave mixing is included in the optical signal output from the HNLF. Light (1570 nm) and second idler light (1540 nm) are included. The first idler light is extracted from the optical signal output from the HNLF as an
このとき、図5から明らかなように、スペクトル圧縮された光信号30(第1アイドラ光)のスペクトル52の半値幅(0.4nm)は、第1光信号10のスペクトル51の半値幅(2.4nm)よりも狭くなっている。ここでは、スペクトルの幅は、6分の1まで圧縮されており、四光波混合によって高いスペクトル圧縮が実現されている。
At this time, as is apparent from FIG. 5, the half width (0.4 nm) of the
[効果]
以上のように、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置によれば、第1分散量を有する第1分散光信号と第1分散量の2倍または2分の1である第2分散量を有する第2分散光信号とを同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることができる。したがって、四光波混合によって生成されるアイドラ光の狭帯域化を実現することができ、スペクトル圧縮された光信号を出力することができる。つまり、四光波混合によって容易に高いスペクトル圧縮率を実現することができる。
[effect]
As described above, the spectrum compression apparatus according to the present embodiment has the first dispersion optical signal having the first dispersion amount and the second dispersion amount that is twice or half the first dispersion amount. Four-wave mixing can be generated using the second dispersed optical signal in a synchronized state. Therefore, it is possible to realize a narrow band of idler light generated by four-wave mixing, and output a spectrum-compressed optical signal. That is, a high spectral compression ratio can be easily realized by four-wave mixing.
特に、従来から非線形光学効果を利用してスペクトル圧縮を行っている装置(例えば、CARS顕微鏡など)では、本実施の形態に係るスペクトル圧縮装置を実現するために複雑な構成を付加する必要がない。したがって、製造コストの増加を抑制しつつ、高いスペクトル圧縮率を実現することができる。 In particular, an apparatus that has conventionally performed spectrum compression using a nonlinear optical effect (for example, a CARS microscope) does not require a complicated configuration to realize the spectrum compression apparatus according to the present embodiment. . Therefore, a high spectral compression ratio can be realized while suppressing an increase in manufacturing cost.
(実施の形態2)
実施の形態2では、実施の形態1に係るスペクトル圧縮装置の応用例として、光アナログ/デジタル変換システムについて説明する。
(Embodiment 2)
In the second embodiment, an optical analog / digital conversion system will be described as an application example of the spectrum compression apparatus according to the first embodiment.
[光アナログ/デジタル変換システムの構成]
図6は、実施の形態2に係る光アナログ/デジタル変換システム1000の構成図である。図6において、図1に記載の構成要素と実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
[Configuration of optical analog / digital conversion system]
FIG. 6 is a configuration diagram of an optical analog /
光アナログ/デジタル変換システム1000は、アナログ光信号をデジタル信号に変換する。光アナログ/デジタル変換システム1000は、実施の形態1に係るスペクトル圧縮装置200と、変換部300と、測定部400とを備える。
The optical analog /
変換部300は、アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の第1光信号に変換する。具体的には、変換部300は、例えば、自己周波数シフトを発生させる非線形性光ファイバである。
The
変換結果の第1光信号は、スペクトル圧縮装置100の入力となる。
The first optical signal resulting from the conversion is input to the
スペクトル圧縮装置200は、第1光信号のスペクトル圧縮を行う。具体的には、スペクトル圧縮装置200は、第1波長分散部201と、第2波長分散部202と、四光波混合部203とを備える。
The
第1波長分散部201は、第1光信号に第1分散量の第1波長分散を与えることにより、第1分散光信号を出力する。この第1波長分散部201は、実施の形態1における第1波長分散部101に対応する。
The first
第2波長分散部202は、第1光信号が有する第1中心周波数と異なる第2中心周波数を有する第2光信号に第1分散量の2倍または2分の1である第2分散量の第2波長分散を与えることにより、第2分散光信号を出力する。この第2波長分散部202は、実施の形態1における第2波長分散部102に対応する。
The second
四光波混合部203は、第1分散光信号および第2分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する。四光波混合部203は、非線形光伝送媒体104と、光バンドパスフィルタ205とを備える。
The four-
光バンドパスフィルタ205は、非線形光伝送媒体104から出力された光信号から、スペクトル圧縮された光信号(第1アイドラ光および第2アイドラ光のうちの一方)を抽出する。つまり、光バンドパスフィルタ205は、非線形光伝送媒体104から出力された光信号から、第1分散光信号、第2分散光信号および不要なアイドラ光(第1アイドラ光および第2アイドラ光のうちの他方)を除去する。
The
測定部400は、スペクトル圧縮装置200から出力されたスペクトル圧縮された光信号の波長を測定することにより、アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する。具体的には、測定部400は、例えば、アレイ導波路回折格子(AWG:Arrayed Waveguide Gratings)である。
The
なお、変換部300および測定部400については、非特許文献2と同様であるので、詳細な説明を省略する。
Note that the
[効果]
以上のように、本実施の形態に係る光アナログ/デジタル変換システム1000によれば、スペクトル圧縮装置200を利用して、アナログ光信号の信号強度に対応する波長を有する光信号のスペクトルの圧縮率を向上させることができる。したがって、光アナログ/デジタル変換における解像度を向上させることができる。
[effect]
As described above, according to the optical analog /
(実施の形態3)
実施の形態3では、実施の形態1に係るスペクトル圧縮装置の応用例として、非線形光学顕微鏡について説明する。
(Embodiment 3)
In the third embodiment, a nonlinear optical microscope will be described as an application example of the spectrum compression apparatus according to the first embodiment.
[非線形光学顕微鏡の構成]
図7は、実施の形態3に係る非線形光学顕微鏡2000の構成図である。図7において、図1に記載の構成要素と実質的に同一の構成要素については、同一の符号を付し、説明を適宜省略する。
[Configuration of nonlinear optical microscope]
FIG. 7 is a configuration diagram of the nonlinear
非線形光学顕微鏡2000は、ポンプ光およびポンプ光と波長が異なるストークス光を試料70に照射し、試料70から非線形光学現象によって生じる出力光を検出する。具体的には、非線形光学顕微鏡2000は、例えば、CARS顕微鏡である。
The nonlinear
非線形光学顕微鏡2000は、光源500と、分光器600とを備える。
The nonlinear
光源500は、ポンプ光およびストークス光を試料70に照射する。具体的には、光源500は、例えば超短光パルスレーザ(図示せず)を含む。さらに、光源500は、スペクトル圧縮装置100を含む。光源500は、スペクトル圧縮装置100から出力されるスペクトル圧縮された光信号をポンプ光として試料70に照射する。
The
分光器600は、試料70から生じる非線形光学現象によって生じる出力光を検出する。具体的には、分光器600は、試料70から生じたCARS光を検出する。
The
なお、非線形光学顕微鏡2000のスペクトル圧縮装置100を除く構成要素については、非特許文献2と同様でよいので、詳細な説明を省略する。
Note that components other than the
[効果]
以上のように、本実施の形態に係る非線形光学顕微鏡2000によれば、スペクトル圧縮装置100から出力されるスペクトル圧縮された光信号をポンプ光として用いることができ、試料70から生じた出力光のスペクトル分解能を向上させることができる。
[effect]
As described above, according to the nonlinear
(他の実施の形態)
以上、本発明の実施の形態に係るスペクトル圧縮装置、光アナログ/デジタル変換システムおよび非線形光学顕微鏡について説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれてもよい。
(Other embodiments)
The spectral compression apparatus, the optical analog / digital conversion system, and the nonlinear optical microscope according to the embodiment of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to this embodiment. Unless it deviates from the gist of the present invention, various modifications conceived by those skilled in the art have been made in this embodiment, and forms constructed by combining components in different embodiments are also included in the scope of the present invention. May be.
例えば、上記各実施の形態において、スペクトル圧縮装置は、第1波長分散部を備えていたが、第1波長分散部を備えなくてもよい。この場合、第1分散量を有する第1分散光信号がスペクトル圧縮装置に入力されればよい。 For example, in each of the above embodiments, the spectrum compression apparatus includes the first wavelength dispersion unit, but may not include the first wavelength dispersion unit. In this case, the first dispersion optical signal having the first dispersion amount may be input to the spectrum compression device.
なお、上記実施の形態3では、スペクトル圧縮装置は、ポンプ光のスペクトル圧縮に用いられていたが、非線形光学顕微鏡におけるスペクトル圧縮装置の用途はこれに限らない。例えば、スペクトル圧縮装置は、試料から生じた出力光(例えばCARS光)のスペクトル圧縮に用いられてもよい。これにより、試料70から生じた出力光のスペクトル分解能を向上させることができる。
In the third embodiment, the spectrum compression apparatus is used for the spectrum compression of the pump light. However, the use of the spectrum compression apparatus in the nonlinear optical microscope is not limited to this. For example, the spectral compression device may be used for spectral compression of output light (for example, CARS light) generated from a sample. Thereby, the spectral resolution of the output light generated from the
また、上記実施の形態2および3では、スペクトル圧縮装置を光アナログ/デジタル変換システムおよび非線形光学顕微鏡に用いる応用例を説明したが、スペクトル圧縮装置は、他の装置に応用されてもよい。例えば、スペクトル圧縮装置は、光OFDM用の信号分離装置あるいは波長計などに用いられてもよい。 In the second and third embodiments, the application example in which the spectrum compression device is used in the optical analog / digital conversion system and the nonlinear optical microscope has been described. However, the spectrum compression device may be applied to other devices. For example, the spectrum compression device may be used for a signal separation device or a wavelength meter for optical OFDM.
本発明は、光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置として利用でき、光アナログ/デジタル変換システム、非線形光学顕微鏡、あるいは波長計などに応用することができる。 The present invention can be used as a spectral compression device that performs spectral compression of an optical signal, and can be applied to an optical analog / digital conversion system, a nonlinear optical microscope, a wavelength meter, or the like.
10 第1光信号
11 第1分散光信号
20 第2光信号
21 第2分散光信号
30 スペクトル圧縮された光信号
31a、31b、32a、32b、33a、33b、34a、34b 波長時間分布
51、52 スペクトル
70 試料
100、200 スペクトル圧縮装置
101、201 第1波長分散部
102、202 第2波長分散部
103、203 四光波混合部
104 非線形光伝送媒体
105、205 光バンドパスフィルタ
300 変換部
400 測定部
500 光源
600 分光器
1000 光アナログ/デジタル変換システム
2000 非線形光学顕微鏡
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記第1分散光信号および前記第2分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合部と、を備える
スペクトル圧縮装置。 An optical signal having a second center frequency that is different from the first center frequency of the first dispersed optical signal has a second dispersion amount that is twice or a half of the first dispersion amount of the first dispersed optical signal. A wavelength dispersion unit that outputs the second dispersion optical signal by providing wavelength dispersion;
A four-wave mixing unit that outputs a spectrum-compressed optical signal by generating four-wave mixing using the first dispersed optical signal and the second dispersed optical signal in a synchronized state. .
前記第1中心周波数を有する第1光信号に、前記第1分散量の波長分散を与えることにより、前記第1分散光信号を出力する第1波長分散部を備える
請求項1に記載のスペクトル圧縮装置。 The spectral compression device further includes:
The spectrum compression according to claim 1, further comprising: a first wavelength dispersion unit that outputs the first dispersion optical signal by giving wavelength dispersion of the first dispersion amount to the first optical signal having the first center frequency. apparatus.
請求項1に記載のスペクトル圧縮装置を備え、
前記スペクトル圧縮装置は、前記ポンプ光または前記出力光のスペクトル圧縮に用いられる
非線形光学顕微鏡。 A nonlinear optical microscope that irradiates a sample with pump light and Stokes light, and detects output light generated by the nonlinear optical phenomenon from the sample,
A spectral compression apparatus according to claim 1,
The spectral compression device is a nonlinear optical microscope used for spectral compression of the pump light or the output light.
前記アナログ光信号を、当該アナログ光信号の信号強度に対応する波長の第1光信号に変換する変換部と、
前記第1光信号のスペクトル圧縮を行うスペクトル圧縮装置と、
前記スペクトル圧縮装置から出力されるスペクトル圧縮された光信号の波長を測定することにより、前記アナログ光信号の信号強度に対応するデジタル信号を取得する測定部とを備え、
前記スペクトル圧縮装置は、
前記第1光信号に第1分散量の第1波長分散を与えることにより、第1分散光信号を出力する第1波長分散部と、
前記第1光信号が有する第1中心周波数と異なる第2中心周波数を有する第2光信号に、前記第1分散量の2倍または2分の1である第2分散量の第2波長分散を与えることにより、第2分散光信号を出力する第2波長分散部と、
前記第1分散光信号および前記第2分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合部と、を備える
光アナログ/デジタル変換システム。 An optical analog / digital conversion system for converting an analog optical signal into a digital signal,
A converter that converts the analog optical signal into a first optical signal having a wavelength corresponding to the signal intensity of the analog optical signal;
A spectral compression device for performing spectral compression of the first optical signal;
A measurement unit that obtains a digital signal corresponding to the signal intensity of the analog optical signal by measuring the wavelength of the spectrally compressed optical signal output from the spectral compression device;
The spectral compression device comprises:
A first chromatic dispersion unit that outputs a first dispersed optical signal by giving a first chromatic dispersion of a first dispersion amount to the first optical signal;
The second optical dispersion having a second dispersion amount that is twice or half the first dispersion amount is applied to a second optical signal having a second center frequency different from the first center frequency of the first optical signal. A second wavelength dispersion unit that outputs a second dispersion optical signal by providing,
A four-wave mixing unit that outputs a spectrum-compressed optical signal by generating four-wave mixing using the first dispersed optical signal and the second dispersed optical signal in a synchronized state; Digital conversion system.
前記第1分散光信号および前記第2分散光信号を同期させた状態で用いて四光波混合を生じさせることにより、スペクトル圧縮された光信号を出力する四光波混合ステップと、を含む
スペクトル圧縮方法。 An optical signal having a second center frequency that is different from the first center frequency of the first dispersed optical signal has a second dispersion amount that is twice or a half of the first dispersion amount of the first dispersed optical signal. A chromatic dispersion step of outputting a second dispersed optical signal by providing chromatic dispersion;
A four-wave mixing step of outputting a spectrum-compressed optical signal by generating four-wave mixing by using the first dispersed optical signal and the second dispersed optical signal in a synchronized state. .
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CN110930466A (en) * | 2019-10-22 | 2020-03-27 | 杭州电子科技大学 | Hyperspectral adaptive compressive sensing method for BOIs (Bill of information) in any shapes |
-
2014
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CN110930466A (en) * | 2019-10-22 | 2020-03-27 | 杭州电子科技大学 | Hyperspectral adaptive compressive sensing method for BOIs (Bill of information) in any shapes |
CN110930466B (en) * | 2019-10-22 | 2023-08-29 | 杭州电子科技大学 | Hyperspectral self-adaptive compressive sensing method for BOIs with arbitrary shape |
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