JP2016173561A - Transmission device, measurement device using the same, device, and transmission method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光ファイバを用いた伝送装置、これを用いた測定装置、装置及び伝送方法に関する。 The present invention relates to a transmission apparatus using an optical fiber, a measuring apparatus, an apparatus, and a transmission method using the transmission apparatus.
光ファイバによる短パルス光の伝送では、光ファイバの分散によって短パルス光のパルス幅が広がることが問題となる。また、短パルスは、パルス幅が短くなるほどピークパワーが大きくなり、光ファイバ伝搬時に自己位相変調などの非線形光学効果によるパルス波形の変化が起こることがある。 In the transmission of short pulse light using an optical fiber, there is a problem that the pulse width of the short pulse light is widened due to dispersion of the optical fiber. Also, the short pulse has a peak power that increases as the pulse width becomes shorter, and the pulse waveform may change due to nonlinear optical effects such as self-phase modulation during propagation through the optical fiber.
これらを低減する方法として、短パルス光の伝搬経路に光ファイバの分散と逆符号の分散を有する光学素子を分散補償手段として追加する方法がある。特許文献1には、回折格子などの分散補償手段を介して短パルス光を光ファイバに入射する方法が記載されている。特許文献1では、光ファイバに入射する前に、パルス光に分散を与えてパルス幅を広げ、ピークパワーを低減させることにより、非線形光学効果によるパルス波形の変化を低減している。また、光ファイバ前後の分散量を調整することで、同時に分散の補償も行うことができる。分散補償手段としては、回折格子やプリズムを用いる。 As a method for reducing these, there is a method in which an optical element having dispersion opposite to that of the optical fiber is added as dispersion compensation means to the propagation path of the short pulse light. Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-228667 describes a method in which short pulse light is incident on an optical fiber via a dispersion compensation means such as a diffraction grating. In Patent Document 1, before being incident on an optical fiber, dispersion of pulse light is given to widen the pulse width to reduce peak power, thereby reducing changes in the pulse waveform due to the nonlinear optical effect. In addition, dispersion can be compensated at the same time by adjusting the amount of dispersion before and after the optical fiber. As the dispersion compensation means, a diffraction grating or a prism is used.
また、短パルス光は、波長帯域が広い強度スペクトルを有する。このような短パルス光を用いる場合は、広帯域の分散補償が必要になるため、特定波長における分散補償だけでなく、分散パラメータを波長で微分して得られる分散スロープを補償することが求められる。分散スロープを補償できないと、図2に示したように光ファイバから射出した射出光の時間波形が変形し、光ファイバに入射する前の入射光と比較してピークパワーが低下する。このような分散スロープを補償する方法として、特許文献2は、ファイバを伝送する前に、予め非線形光学効果を用いて短パルス光に適切な分散パラメータと分散スロープを与えるという方法が開示されている。 Moreover, short pulse light has an intensity spectrum with a wide wavelength band. When such short pulse light is used, broadband dispersion compensation is required, and therefore it is required to compensate not only dispersion compensation at a specific wavelength but also a dispersion slope obtained by differentiating the dispersion parameter with respect to wavelength. If the dispersion slope cannot be compensated, the time waveform of the emitted light emitted from the optical fiber is deformed as shown in FIG. 2, and the peak power is reduced as compared with the incident light before entering the optical fiber. As a method for compensating for such a dispersion slope, Patent Document 2 discloses a method in which an appropriate dispersion parameter and dispersion slope are given to a short pulse light in advance using a nonlinear optical effect before transmitting the fiber. .
しかしながら、回折格子などの分散補償手段を用いると、短パルス光の強度が低下して伝送効率が落ちることがある。また、特許文献1の回折格子は、光ファイバと同じ正の分散スロープを有するため、特定波長における分散補償は可能でも、分散スロープを考慮した補償が十分でなく、広帯域で分散を補償できないおそれがある。また、特許文献2のように非線形光学効果を用いた短パルス光のパルス波形の整形は、光強度依存性が存在するため、光源からの短パルス光の出力の不安定性がパルス波形形状の不安定性につながる。 However, when dispersion compensation means such as a diffraction grating is used, the intensity of the short pulse light may be reduced and transmission efficiency may be reduced. Further, since the diffraction grating of Patent Document 1 has the same positive dispersion slope as that of an optical fiber, even if dispersion compensation at a specific wavelength is possible, compensation considering the dispersion slope is not sufficient, and dispersion may not be compensated in a wide band. is there. Further, the shaping of the pulse waveform of the short pulse light using the nonlinear optical effect as in Patent Document 2 is dependent on the light intensity, and therefore the instability of the output of the short pulse light from the light source is anxiety of the pulse waveform shape. It leads to qualitative.
本発明はかかる課題を鑑みてなされたものであり、ファイバを用いて短パルス光を伝送する場合に、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and an object of the present invention is to reduce the influence of dispersion caused by an optical fiber and the nonlinear optical effect when transmitting short pulse light using a fiber.
本発明の一側面としての伝送装置は、パルス光を伝送する伝送装置であって、入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有する負分散媒質と、前記負分散媒質を通過したパルス光が入射する第1のファイバと、前記第1のファイバを通過したパルス光が入射する第2のファイバと、を有し、前記第1のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有し、前記第2のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において正の分散パラメータを有し、前記負分散媒質と前記第2のファイバとは、正の分散スロープを有し、前記第1のファイバは、負の分散スロープを有することを特徴とする。 A transmission device according to one aspect of the present invention is a transmission device that transmits pulsed light, and has passed through the negative dispersion medium having a negative dispersion parameter in a wavelength band included in incident pulsed light, and the negative dispersion medium A first fiber on which pulsed light is incident; and a second fiber on which pulsed light that has passed through the first fiber is incident, the first fiber being a wavelength band included in the incident pulsed light The second fiber has a positive dispersion parameter in the wavelength band included in the incident pulsed light, and the negative dispersion medium and the second fiber have a positive dispersion parameter. It has a slope, and the first fiber has a negative dispersion slope.
本発明の一側面としての伝送装置によれば、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減できる。 According to the transmission apparatus as one aspect of the present invention, it is possible to reduce the influence due to the dispersion by the optical fiber and the nonlinear optical effect.
(第1の実施形態)
本実施形態の伝送装置100について、図1を参照して説明する。図1は、伝送装置100の構成を説明するブロック図である。伝送装置100は、負分散媒質103(以下、「媒質103」と呼ぶ)と、第1のファイバ104と、第2のファイバ105と、を有する。第2のファイバ105は、光伝導素子106と接続されており、光源101からの短パルス光102(以下、「レーザー102」と呼ぶ)が、伝送装置100を介して光伝導素子106に入射する。ここで、短パルス光は、パルス幅がフェムト秒(fs)オーダのパルス光を指す。本実施形態では、特に、レーザ102としてパルス幅が100フェムト秒以下(100fs以下)の短パルス光を用いる。
(First embodiment)
A
光源101は、レーザ102を発生する。本実施形態では、光源101として、中心波長が1.55μm(1550nm)、繰り返し周波数が80MHz、ピークパワーが40kWのレーザ102を射出するファイバレーザを用いる。レーザ102の時間波形は、フーリエ変換限界に近く、パルス幅が30fsのガウシアン波形を有する。レーザ102の伝搬経路で且つ光源101の近傍に、別の部材で反射した戻り光によってレーザ102が不安定化することを防止するために、アイソレーター又は1/4波長板、偏光ビームスプリッタなどを設けてもよい。なお、光源101は、同じ波長帯とパルス幅を有するレーザ102を発生できればよく、例えば固体レーザ等の既知の光源を使用できる。
The
レーザ102は媒質103に入射する。媒質103は、レーザ102に含まれる波長帯の一部又は全部において、負の分散パラメータを有する。さらに、媒質103は、レーザ102に含まれる波長帯の一部又は全部において、正の分散スロープを持つバルク媒質である。なお、媒質103は、レーザ102に含まれる全ての波長帯において、分散パラメータが負、分散スロープが正となることが望ましい。
The
本実施形態では、媒質103としてシリコン(Si)板を利用する。なお、媒質103はシリコンに限らず、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、KRS−5(臭化タンタルとヨウ化タンタルの混晶)、臭化カリウム、塩化ナトリウムなどを用いてもよい。媒質103は、レーザ102がシリコンと空気との界面におけるフレネル損失を防ぐために、表面上に反射防止膜が形成されていることが望ましい。もしくは、フレネル損失を最小限に低減するために、レーザ102が媒質103に対しS偏光となり、かつ入射角がブリュースター角となるように配置してもよい。
In the present embodiment, a silicon (Si) plate is used as the
媒質103を透過したレーザ102は、次に第1のファイバ104に入射する。第1のファイバ104は、レーザ102に含まれる波長帯の一部又は全部において、負の分散パラメータを有する負分散ファイバである。以降の説明では、第1のファイバ104を「負分散ファイバ104」と呼ぶ。負分散ファイバ104は、レーザ102に含まれる波長帯の一部又は全部において、負の分散スロープを有する光ファイバである。なお、負分散ファイバ104は、レーザ102に含まれる全ての波長帯において、分散パラメータが負、分散スロープが負となることが望ましい。
The
一般的な光ファイバは正の材料分散を持ち、構造分散が小さいため、石英と同様に正の分散パラメータと正の分散スロープとを有するが、コア部の直径(コア径)を小さくすることにより負の構造分散を大きくして負の分散を有する負分散ファイバを作製できる。負分散ファイバは、一般的な光ファイバ(正の分散パラメータを有する正分散ファイバ)の分散補償手段として用いることができる。 A general optical fiber has a positive material dispersion and a small structural dispersion, so it has a positive dispersion parameter and a positive dispersion slope like quartz, but by reducing the diameter of the core (core diameter) A negative dispersion fiber having negative dispersion can be produced by increasing the negative structural dispersion. The negative dispersion fiber can be used as a dispersion compensation means for a general optical fiber (a positive dispersion fiber having a positive dispersion parameter).
なお、「分散パラメータ」とは、群速度の波長依存性を表す指標であり、物質の屈折率が波長に依存することに起因する。例えば正の分散パラメータを有する媒質中では波長が長いほど群速度が遅くなる。また、「分散スロープ」とは、分散パラメータの波長微分量である。本明細書では、正の分散パラメータを有するファイバを正分散ファイバ、負の分散パラメータを有するファイバを負分散ファイバと呼ぶ。 The “dispersion parameter” is an index representing the wavelength dependence of the group velocity, and is caused by the fact that the refractive index of the substance depends on the wavelength. For example, in a medium having a positive dispersion parameter, the group velocity decreases as the wavelength increases. The “dispersion slope” is the wavelength differential amount of the dispersion parameter. In this specification, a fiber having a positive dispersion parameter is referred to as a positive dispersion fiber, and a fiber having a negative dispersion parameter is referred to as a negative dispersion fiber.
負分散ファイバ104は、正分散ファイバと比較してコア直径が小さく、MFA(Mode Field Area)が小さい。典型的には、正分散ファイバのMFAは100μm2程度、負分散ファイバは10μm2以下であり、正分散ファイバが負分散ファイバの数十倍のMFAである。そのため、負分散ファイバ104における光密度は高くなる。そのため、負分散ファイバ104を伝搬する光は非線形光学効果の影響を受けやすい。すなわち、第2のファイバ105としての正分散ファイバにおける非線形光学効果を低減するよりも、負分散ファイバ104における非線形光学効果を低減する方が、レーザ102の効率的な伝送のために重要である。そこで、媒質103を介して光源101からのレーザ102を負分散ファイバ104に入射することにより、レーザ102のパルス幅を広げてピークパワーを低減する。
The
本実施形態では、波長1.55μmにおける分散パラメータが−75ps/nm/km、分散スロープが−0.75ps/nm2/km、モードフィールド径が3μm、非線形定数が0.0429(/m/W)のフォトニック結晶ファイバを負分散ファイバ104として用いる。材料としては、二酸化ケイ素(SiO2)を用いる。負分散ファイバ104はこれに限らず、負の分散と負の分散スロープを有するステップインデックス型ファイバ、又はフォトニック結晶ファイバ等を用いてもよい。
In this embodiment, the dispersion parameter at a wavelength of 1.55 μm is −75 ps / nm / km, the dispersion slope is −0.75 ps / nm 2 / km, the mode field diameter is 3 μm, and the nonlinear constant is 0.0429 (/ m / W). ) Is used as the
上述したように、負分散ファイバ104を伝搬する光は非線形光学効果の影響を受けやすい。そのため、媒質103を伝搬するレーザ102の光軸方向における媒質103の厚さは、媒質103を透過したレーザ102のピークパワーを十分低下させる程度に厚い必要がある。本実施形態では、媒質103の厚さを10mmとする。
As described above, the light propagating through the
第2のファイバ105は、レーザ102に含まれる波長帯の一部又は全部において、正の分散パラメータを有する正分散ファイバである。また、第2のファイバ105は、レーザ102に含まれる波長帯の一部又は全部において、正の分散スロープを有するシングルモードファイバである。以降の説明では、第2のファイバ105を「正分散ファイバ105」と呼ぶ。なお、正分散ファイバ105は、レーザ102に含まれる全ての波長帯において、分散パラメータが正、分散スロープが正となることが望ましい。正分散ファイバ105は、具体的には、石英ファイバやフォトニック結晶ファイバなどを利用できる。負分散ファイバ104を伝搬して射出したレーザ102は、正分散ファイバ105に入射する。ロバスト性を上げるために、負分散ファイバ104と正分散ファイバ105とを融着させて用いることが望ましい。
The
本実施形態では、正分散ファイバ105として、シングルモードファイバであるコーニング社のSMF−28を用いる。すなわち、正分散ファイバ105は、波長1.55μmにおける分散パラメータが17.41ps/nm/km、分散スロープが0.0584ps/nm2/km、モードフィールド径が10μm、非線形定数が0.00143(/m/W)の光ファイバである。負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105は、それぞれ偏波保持ファイバを用いることが望ましい。
In the present embodiment, SMF-28 from Corning, which is a single mode fiber, is used as the
負分散ファイバ104は、負の分散パラメータを有するため、負分散ファイバ104に入射したレーザ102は、負分散ファイバ104を伝搬するに従いパルス幅が大きくなり、ピークパワーが小さくなる。つまり、負分散ファイバ104の入射位置でピークパワーが十分小さければ、負分散ファイバ104内のすべての位置においてレーザ102のピークパワーは十分小さい。その後、レーザ102は、正分散ファイバ105に入射して、正分散ファイバ105の射出端では分散が補償されてピークパワーが大きくなる。
Since the
正分散ファイバ105から射出するレーザ102は、レーザ102が有する周波数領域において分散が補償されていることが望ましい。そのため、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105のそれぞれの群速度分散及び分散スロープの合計がゼロに近づくように、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105それぞれの長さを選択する。本実施形態では、媒質103の長さを10mm、負分散ファイバ104の長さを100mm、正分散ファイバ105の長さを950mmとした。各構成要素の長さについては後述する。
The
正分散ファイバ105から射出したレーザ102は、光伝導素子106に照射される。光伝導素子106は、テラヘルツ波を発生又は検出する光学素子で、低温成長させたGaAs又はInGaAs等を用いて構成される。光伝導素子106のレーザ102が照射される部分に反射防止膜を塗布してもよい。なお、伝送装置100からのレーザ102が入射する物質は、光伝導素子106に限らない。
The
また、正分散ファイバ105を光伝導素子106に照射するために、正分散ファイバ105の光伝導素子106側の先端にセルフォック(登録商標)レンズ又はボールレンズ等を集積してもよい。また、正分散ファイバ105の光伝導素子106側の先端を加工したピッグテール型、又は先球ファイバ等を利用した正分散ファイバ105でもよい。正分散ファイバ105のモードフィールド径と、光伝導素子106が必要とするレーザのビーム径が同程度であれば、直接結合(バットカップリング)方式で正分散ファイバ105と光伝導素子106とを接続させてもよい。
In order to irradiate the
ここからは、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105それぞれの、レーザ102の光軸方向における長さについて説明する。媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105のそれぞれの分散特性の簡略図を図3(a)に、それぞれの分散パラメータ及び分散スロープの符号を表1に示した。ここで、レーザ102の波長領域は、正分散ファイバ105のゼロ分散波長よりも長波長領域にある。
From here, the lengths of the medium 103, the
ある物質をレーザ102が伝搬した場合に、物質がレーザ102に与える分散の大きさは、分散パラメータ及び分散スロープで表すことができる。分散パラメータDは(4)式、分散スロープSは(5)式で与えられる。なお、レーザ102の波長をλ、光速度をc、レーザ102の波長における物質の屈折率をnとする。
When the
(4)式における屈折率nは、屈折率の波長依存性を表すセルマイヤー方程式((6)式)から算出できる(C.D.Salzberg and J.J.Villa、Journal of Optical Society of America、Vol.47、p.244、(1957))。 The refractive index n in the equation (4) can be calculated from the Selmeier equation (equation (6)) representing the wavelength dependence of the refractive index (CD Salzberg and JJ Villa, Journal of Optical Society of America, Vol. 47, p.244, (1957)).
(4)〜(6)式より、分散パラメータD及び分散スロープSを求めることができる。例えば媒質103であるシリコンは、波長λが1550nmの場合の分散パラメータDは−879.6ps/nm/kmで、分散スロープSは1.983ps/nm2/kmであり、1550nm帯において負の分散パラメータと正の分散スロープとを有する。
The dispersion parameter D and the dispersion slope S can be obtained from the equations (4) to (6). For example,
上述したように、負分散ファイバ104はMFAが小さいため、負分散ファイバ104を伝搬するレーザ102は非線形光学効果によってパルス波形が変化することがある。そのため、正分散ファイバ105における分散を補償するために、負分散ファイバ104を用いるだけでは、非線形光学効果によるレーザ102のパルス波形の変化が発生してしまう。その結果、レーザ102の時間波形及びスペクトルの形状が変化する。伝送装置100は、負分散ファイバ104における非線形光学効果の影響を低減するために、レーザ102を媒質103に入射してレーザ102のパルス幅を広げてピークパワーを低減している。
As described above, since the
フーリエ限界に近いレーザ102がある物質を伝搬している場合、伝搬している物質の非線形光学効果によってレーザ102の時間波形及びスペクトルの形状への影響が顕著になり始める伝搬長LNLは(7)式で表される。伝搬している物質の非線形光学定数をγ、物質に入射した時のレーザ102のピークパワーをPとする。
When a
また、ある物質を伝搬するレーザ102が分散によりパルス幅が広がるのに要する伝搬長LDは(8)式で表される。物質に入射する直前のレーザ102のパルス幅をT0、レーザ102が伝搬している物質の群速度分散をGVDとする。
Further, the propagation length L D of the
群速度分散GVDは、物質の分散パラメータDを用いて(9)式で表される。 The group velocity dispersion GVD is expressed by the equation (9) using the dispersion parameter D of the substance.
レーザ102がある物質を伝搬する伝搬長Lに対し、以下の(10)式及び(11)式を共に満たす時、非線形光学効果のパルス光への影響が無視できない。
When both the following formulas (10) and (11) are satisfied for the propagation length L in which the
ここで、本実施形態のレーザ102のパルス幅は30fs、ピークパワーは40kW、中心波長は1.55μmである。負分散ファイバ104の分散パラメータは−75ps/nm/km(群速度分散に換算して96fs2/mm)、非線形光学定数は0.0429(/m/W)とすると、LDは4.7mm、LNLは1.1mmである。よって、例えば長さ10mmの負分散ファイバ104を伝搬すると(10)式と(11)式とを同時に満たし、非線形光学効果の影響が現れる。
Here, the pulse width of the
図4は、レーザ102が異なる長さの負分散ファイバ104を伝搬した場合のレーザ102のスペクトルの変化を示した図である。図4(a)は、レーザ102が負分散ファイバ104を1mm伝搬した場合のレーザ102のスペクトルを示した図である。図4(b)は、レーザ102が負分散ファイバ104を5mm伝搬した場合のレーザ102のスペクトルを示した図である。図4(c)は、レーザ102が負分散ファイバ104を10mm伝搬した場合のレーザ102のスペクトルを示した図である。図4(a)〜図4(c)の直線で示したスペクトルが負分散ファイバ104伝搬後のレーザ102のスペクトルで、点線で示したスペクトルは光源101が出力したレーザ102のスペクトルである。
FIG. 4 is a diagram showing a change in the spectrum of the
上述したように、負分散ファイバ104は非線形光学効果が大きいため、レーザ102に対する負分散ファイバ104の非線形光学効果の影響を低減させることを考える。レーザ102に対する負分散ファイバ104の非線形光学効果の影響を低減するためには、レーザ102を以下の(1)〜(3)式を満たすような媒質103を介して負分散ファイバ104に入射する。なお、レーザ102の光軸方向における媒質103の長さをL1、媒質103に入射する直前のレーザ102のパルス幅をT0、媒質103の1mm当たりの群速度分散をb2とする。また、媒質103を通過する直前のレーザ102のピークパワーをP0、媒質103を通過した直後のレーザ102のピークパワーをP1、媒質103の単位長さ当たりの群速度分散をbndとする。
As described above, since the
媒質103を通過した後、長さ100mmの負分散ファイバ104を伝搬したレーザ102のスペクトルを計算で求めた結果を図5に示す。媒質103の厚さを2mm、3mm、5mm、10mmと変化させて算出したそれぞれのスペクトルを、図5(a)〜図5(d)に示した。媒質103が厚くなるほど、負分散ファイバ104に入射するレーザ102のピークパワーが低下することによりLNLが大きくなり、LD/LNLの値は小さくなる。媒質103の厚さを2mm、3mm、5mm、10mmと変化させた場合のLD/LNLは、それぞれ2.3、1.6、0.93、0.46である。
FIG. 5 shows the result of calculating the spectrum of the
LD<LNLとなる場合、すなわち媒質103の厚さが5mm、10mmの場合、図5(c)、図5(d)で示したようにスペクトルの形状はほぼ変化しない。一方、LD>LNLとなる場合、すなわち媒質103の厚さが2mm、3mmの場合は、図5(a)、図5(b)に示したようにスペクトルの形状に変化が見られる。これは、負分散ファイバ104の非線形光学効果に由来するもので、レーザ102の時間波形及びスペクトルの形状の崩れにつながる。
When L D <L NL , that is, when the thickness of the medium 103 is 5 mm or 10 mm, the shape of the spectrum hardly changes as shown in FIGS. 5C and 5D. On the other hand, when L D > L NL , that is, when the thickness of the medium 103 is 2 mm or 3 mm, a change is observed in the shape of the spectrum as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b). This is derived from the nonlinear optical effect of the
続いて、正分散ファイバ105の長さについて説明する。媒質103及び正分散ファイバ105は、それぞれ正の分散スロープを有し、負分散ファイバ104が負の分散スロープを有する。そのため、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105それぞれの長さを適切に設定することで、分散パラメータと分散スロープとを同時に補償することができる。
Next, the length of the
媒質103の長さL1、負分散ファイバ104の長さL2、正分散ファイバ105の長さL3は、それぞれの分散(D1、D2、D3)及び分散スロープ(S1、S2、S3)を用いて算出することができる。つまり、(12)式、(13)式の連立線形方程式を解けば良く、L1、L2、L3の比を一意に定めることができる。
D1L1+D2L2+D3L3=0 (12)
S1L1+S2L2+S3L3=0 (13)
The length L 1 of the medium 103, the length L 2 of the
D 1 L 1 + D 2 L 2 + D 3 L 3 = 0 (12)
S 1 L 1 + S 2 L 2 + S 3 L 3 = 0 (13)
実際には、より高次の分散が存在するため、(12)式、(13)式から全ての波長において分散の和が0となるような設計をすることは容易ではない。そのため、レーザ102に含まれる周波数領域(レーザ102の有するスペクトル領域)において、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105の合計分散量が十分小さくなるように、長さL1、L2、L3を微調整することが望ましい。 Actually, since higher-order dispersion exists, it is not easy to design such that the sum of dispersion becomes 0 at all wavelengths from the expressions (12) and (13). Therefore, the lengths L 1 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , L 2 , the L 3 it is desirable to fine tune.
本明細書の「合計分散量が十分小さい」とは、レーザ102の有するスペクトル領域において、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105の合計分散量b2allがパルス幅T0より小さいことを言うと定義する。この関係は、(14)式で表される。ここで、合計分散量とは、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105それぞれの分散の合計のことであり、(12)式の左辺で表される。
In this specification, “the total dispersion amount is sufficiently small” means that the total dispersion amount b 2all of the medium 103, the
媒質103の分散特性及び正分散ファイバ105の分散特性は、使用する材料の分散特性でおおむね定まる。一方、負分散ファイバ104の分散特性は、断面構造設計に応じて変更できる。負分散ファイバ104が有するべき分散特性について説明するために、図3(b)に媒質103と正分散ファイバ105の合計分散量を示した。媒質103と正分散ファイバ105の合計分散量が0となる波長λ0は、正分散ファイバ105のゼロ分散波長よりも長波長である。正分散ファイバ105のゼロ分散波長から波長λ0へ波長シフト量は媒質103の分散量によって変化する。
The dispersion characteristics of the medium 103 and the dispersion characteristics of the
負分散ファイバ104が有するべき分散特性は、媒質103と正分散ファイバ105との合計分散量と符号が逆であればよい。つまり、媒質103の分散特性及び正分散ファイバ105の分散特性と長さとが決定していれば、ゼロ分散波長λ0と負の分散スロープとを有するように負分散ファイバ104を選択すればよい。ゼロ分散波長λ0は、負分散ファイバ104のコア径やファイバ断面形状を変えることで調整できる。分散スロープ量は負分散ファイバ104の長さを変えることで調整できる。より高次の分散を考慮して微調整が必要な場合もあるが、高次分散が比較的小さい場合は上述のように各構成の分散特性や長さを求めることができる。
The dispersion characteristics to be possessed by the
なお、正分散ファイバ105を伝送した後のレーザ102は、高次の分散などにより複数のピークを有する可能性がある。レーザ102が同程度の大きさのピークを複数有する場合は、パルス幅が最適化されているとは言えない。そのため、レーザ102の主要ピークのパワーが、レーザ102全体のパワーの7割以上を占めることが望ましい。また、伝送装置100を伝送した後のレーザ102の主要ピークのパワーは、光源101から出力された直後のレーザ102のピークパワーの7割以上であることが望ましい。
Note that the
本実施形態では、媒質103の厚さを10mmとしている。この場合、光源101から出力されたレーザ102のパルス幅が30fsであったのに対し、媒質103から射出したレーザ102のパルス幅は813fsとなる。この場合、(2)式から求められる伝搬長LDは9.42mm、(3)式から求められる伝搬長LNLは15.7mmとなり、(1)式を満たす。よって、本実施形態の伝送装置100は、光ファイバによる非線形光学効果と分散の影響を低減して、レーザ102を効率よく伝送できる。
In the present embodiment, the thickness of the medium 103 is 10 mm. In this case, the pulse width of the
媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105それぞれの長さを微調整する場合、要求される長さの精度は、レーザ102のパルス幅に影響を与えない程度以下であることが望ましい。具体的には、光源101からのレーザ102のパルス幅をT0、正分散ファイバ605の単位長さ当たり群速度分散量をb2fiberとすると、正分散ファイバ605の長さに要求される調整精度ΔLfiberは、(15)式を満たすことが望ましい。
When finely adjusting the lengths of the medium 103, the
群速度分散量b2fiberは−22.1fs2/mm、パルス幅T0は30fsであるため、(15)式より、ΔLfiber<40mmとなる。本実施形態では、より精密に最適値を求めるため、ファイバ長を10mmずつ変化させながら合計分散量が最小となる組合せを探索した。媒質103と、負分散ファイバ104の長さの調整精度も同様にして求めることができる。光学系を構築する際には負分散ファイバ104、正分散ファイバ105の個体差により、カットバック法などによる長さの最適化が必要となる。その際に要求される負分散ファイバ104、正分散ファイバ105のそれぞれの長さの精度は、(15)式で求められる精度と同じである。「カットバック法」とは、ファイバを少しずつ切断して短くしながら特性等を調べることにより、最適なファイバの長さを求める方法である。
Since the group velocity dispersion amount b 2fiber is −22.1 fs 2 / mm and the pulse width T 0 is 30 fs, ΔL fiber <40 mm from the equation (15). In the present embodiment, in order to obtain an optimum value more precisely, a combination that minimizes the total dispersion amount is searched for while changing the fiber length by 10 mm. The adjustment accuracy of the length of the medium 103 and the
以上のように媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105のそれぞれの長さを設定した場合の伝送装置100の分散特性について図6を参照して説明する。媒質103と、負分散ファイバ104と、正分散ファイバ105のそれぞれが有する分散特性を図6(a)〜図6(c)に示した。また、上述のように媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105それぞれの長さを設定した伝送装置100における合計分散量を図6(d)に示した。図6(d)の破線は、(6)式を用いて求めた群速度分散T0 2=−900fs2を示す線である。レーザ102が有する波長帯域であるおよそ1450nmから1650nmの範囲において、(14)式が満たされており、分散補償が行われていることが分かる。
The dispersion characteristics of the
媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105を通過したレーザ102の時間波形及びスペクトルを計算によって取得した結果を図7に示した。図7(a)はレーザ102の時間波形で、図7(b)は時間波形をフーリエ変換した取得した横軸を周波数とする強度スペクトルである。図7(a)、図7(b)において、点線は媒質103に入射する前のレーザ102(入射光)のもので、実線は正分散ファイバ105から射出したレーザ102(射出光)のものである。
FIG. 7 shows the results obtained by calculating the time waveform and spectrum of the
時間波形は、split−step Fourier法(Govind P.Agrawal、Nonlinear Fiber Optics third Edition、Academic Pressを参照)と呼ばれる数値計算手法を用いて求めた。レーザ102の時間発展(時間の経過に伴うレーザ102の物理量の変化)を記述する微分方程式として、以下の(16)式〜(18)式を用いた。なお、レーザ102の波長をλ、レーザ102の電場の包絡線をA(z,t)、レーザ102が伝搬する物質の2次の群速度分散をβ2、レーザ102が伝搬する物質の3次の群速度分散をβ3とする。また、レーザ102が伝搬する物質の非線形係数をγ、レーザ102が伝搬する物質の分散パラメータをDとする。
The time waveform was obtained using a numerical calculation method called a split-step Fourier method (see Govind P. Agrawal, Nonlinear Fiber Optics third Edition, Academic Press). The following equations (16) to (18) were used as differential equations describing the time evolution of the laser 102 (changes in the physical quantity of the
図7(a)、図7(b)のどちらにおいても、媒質103を通過したことによりレーザ102のピークパワーが低減したことにより、時間波形及びスペクトルの形状に大きな崩れは見られなかった。また、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105の長さを調整して分散パラメータと分散スロープとを補償することにより、時間波形の形状は入射光とほぼ同じとなった。図7(a)に示した時間波形では、主要ピークの他に2つの小さなサイドピークが得られているが、入射光全体のパワーのうち主要ピークのパワーが占める割合は82%であり、射出光を光伝導素子106への照射光として用いることができる。
In both FIG. 7A and FIG. 7B, since the peak power of the
以上、伝送装置100の構成について説明した。本実施形態の伝送装置100によれば、媒質103を介してレーザ102を負分散ファイバ104に入射することにより、非線形光学効果による影響をレーザ102のパルス波形に影響を与えない程度まで低減できる。また、媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105の長さを上述にように設定することにより、分散パラメータ及び分散スロープを補償できる。よって、伝送装置100は、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減して、短パルス光を効率よく伝送できる。
The configuration of the
(第2の実施形態)
本実施形態の伝送装置800について図8を参照して説明する。図8は、伝送装置800の構成を説明する図である。本実施形態では、光源101としてファイバレーザ801を用いており、ファイバレーザ801からのレーザ802の伝搬経路上にコリメートレンズ810と集光レンズ811とを含む光学部を配置している。その他の部分は第1の実施形態と同様であるため、詳細な説明を省略する。
(Second Embodiment)
A
コリメートレンズ810と、媒質103と、集光レンズ811と、は1つの筐体850内に固定して配置されて一体になっている。ファイバレーザ801の射出ファイバ端は筐体850に接続されており、ファイバレーザ801から射出したレーザ802は、コリメートレンズ810によって平行光になった後、媒質103としてのシリコン板を透過する。筐体850は負分散ファイバ104と接続されており、媒質103を透過したレーザ802は、集光レンズ811によって集光されて負分散ファイバ104のコアに入射する。
The
コリメートレンズ810と、媒質103と、集光レンズ811と、を機械的に一体な構成にすることにより、負分散ファイバ104に入射するレーザ802の結合効率を向上でき、また結合効率を長時間にわたり安定化できる。
By mechanically integrating the
コリメートレンズ810は、負分散ファイバ104との相対位置を、コリメートレンズ810を伝搬するレーザ802の光軸と垂直な平面方向について調整するための構成を有することが望ましい。集光レンズ811も同様に、負分散ファイバ104との相対位置を調整できる構成を有していることが望ましい。相対位置を調整する構成を有することにより、レーザ802の負分散ファイバ104への結合効率を最適化できる。
The
媒質103、負分散ファイバ104及び正分散ファイバ105それぞれの長さが第1の実施形態と同じなら、媒質103は厚さ10mmのシリコンであり、コリメートレンズ810から集光レンズ811までの距離は10mm以上であればよい。媒質103としてのシリコンの分散パラメータの絶対値は、一般的な正分散ファイバの分散パラメータの絶対値よりも数十倍大きい。そのため、負分散ファイバ104の長さ及び正分散ファイバ105の長さと比較して、コンパクトな自由空間部を設計できる。
If the lengths of the medium 103, the
また、ファイバレーザ801から射出したレーザ802は、チャープを受けたパルス光であってもよい。例えば、媒質103が与える分散と同じチャープをファイバレーザ801が実現できるのであれば、媒質103は不要となる。この場合、ファイバレーザ801の射出ファイバと負分散ファイバ104とを直接融着させることで、パルス光を伝送する伝送装置を実現することができる。
The
以上、本実施形態の伝送装置800によれば、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減して、短パルス光を効率よく伝送できる。
As described above, according to the
(第3の実施形態)
本実施形態の伝送装置900について、図9(a)を参照して説明する。図9(a)は伝送装置900の構成を説明する図である。第1の実施形態では、伝送装置100からのレーザ(短パルス光)102は光伝導素子106に入射していたが、本実施形態では伝送装置100からのレーザ102はテラヘルツ波発生用の非線形光学素子906(以下、「素子906」と呼ぶ)に入射される。伝送装置900は、負分散媒質903(以下、「媒質903」と呼ぶ)と、第1のファイバ(負分散ファイバ)904と、第2のファイバ(正分散ファイバ)905と、を有する。第1の実施形態と同様の構成については、詳細な説明を省略する。
(Third embodiment)
A
図9(b)は、素子906の構成を説明する図である。素子906は、非線形結晶(非線形光学結晶)をコア層とする導波路907と、結合部材908と、を有する。結合部材908は、平面と円錐の曲面とを有するシリコンである。結合部材908は、結合部材908の平面部分が導波路907と近接するように配置されている。円錐の回転軸は、導波路907のコア層の中心軸と一致するように構成している。円錐の高さは導波路907の長さと同程度である。
FIG. 9B is a diagram illustrating the configuration of the
導波路907中の非線形結晶にレーザ902が伝搬すると、2次の非線形光学効果である光整流効果によってテラヘルツ波が発生する。発生したテラヘルツ波は導波路907から発せられ、導波路907と近接している結合部材908内を伝搬して円錐側面から射出する。この現象は、電気光学的チェレンコフ放射と呼ばれ、導波路907における非線形学結晶の断面積が小さいために、高い光密度を得ることができ、大きな非線形光学効果を用いた高強度テラヘルツ波発生方法として知られている。詳細は、IEEE Select.Topic.In Quantum Electron、Vol.19、p.8500212、(2013)を参照するとよい。
When the laser 902 propagates through the nonlinear crystal in the
正分散ファイバ905から射出される光は、導波路907に入射する。典型的には、導波路907は、レーザ102がシングルモードで伝搬するように、コア部の直径(コア径)が10μm程度の断面を有するように設計されている。非線形結晶としてはニオブ酸リチウム(LiNbO3)が用いられている。非線形結晶としてLiTaOx、NaTaOx、KTP、ZnTe、GaSe、GaAsなどを用いてもよい。
Light emitted from the
LiNbO3は固有の分散特性を有しており、導波路907に入射したレーザ102は、導波路907を伝搬している間にパルス幅が広がってしまう。電気光学的チェレンコフ放射は、2次の非線形光学効果を利用しているため、パルス幅の広がりに伴うピークパワーの減少は、発生するテラヘルツ波の強度低下をもたらす。発生するテラヘルツ波の強度を大きくするために、導波路907の中央部(導波路907の入射端から5mmの位置)でレーザ102のパルス幅が最短になるように、媒質903、負分散ファイバ904及び正分散ファイバ905の長さを選ぶことが望ましい。
LiNbO 3 has inherent dispersion characteristics, and the pulse width of the
媒質903、負分散ファイバ904及び正分散ファイバ905のそれぞれは、第1の実施形態と同様の材料のものを用いる。そのため、媒質903と、負分散ファイバ904と、正分散ファイバ905それぞれの長さは、第1の実施形態と異なる長さにする必要がある。
Each of the medium 903, the
LiNbO3の分散特性は、セルマイヤー方程式を用いて求めることができ、波長1550nmにおいて分散パラメータが78.30ps/nm/km、分散スロープが0.305ps/nm/kmである。媒質903、負分散ファイバ904及び正分散ファイバ905の長さを、それぞれ10mm、50mm、970mmとした時、長さ5mmのニオブ酸リチウムも含めた分散の合計を図10に示した。図10に示したように、レーザ102が有するスペクトル帯域全体に渡って分散が補償されていることを示している。
The dispersion characteristics of LiNbO 3 can be obtained using the Selmeier equation, and the dispersion parameter is 78.30 ps / nm / km and the dispersion slope is 0.305 ps / nm / km at a wavelength of 1550 nm. When the lengths of the medium 903, the
よって、本実施形態の伝送装置900によれば、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減して、短パルス光を効率よく伝送できる。
Therefore, according to the
(第4の実施形態)
本実施形態の測定装置(情報取得装置)1100について図11を参照して説明する。図11は、測定装置1100の構成を説明する図である。測定装置1100は、被検体1112で反射したテラヘルツ波パルス(以下、「テラヘルツ波」と呼ぶ)の時間波形を取得する測定装置である。測定装置1100は、テラヘルツ時間領域分光法(THz−TDS法:Terahertz Time Domain Spectroscopy)の原理を用いて測定を行う。
(Fourth embodiment)
A measurement apparatus (information acquisition apparatus) 1100 according to this embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a diagram for explaining the configuration of the
測定装置1100は、光源1101、ビームスプリッタ1102、遅延光学部1104、検出部1107、発生部1111、増幅部1113、出力部1114、第2の伝送装置1150、第1の伝送装置1151、及び照射部1153を有する。光源1101からの短パルス光は、ビームスプリッタ1102で発生部1111に入射するポンプ光と検出部1107に入射するプローブ光とに分岐される。
The
第1の伝送装置1151は、ポンプ光を発生部1111に伝送する第1の伝送部で、第1の負分散媒質1108(以下、「第1の媒質1108」と呼ぶ)と、第1の負分散ファイバ1109と、第1の正分散ファイバ1110と、を有する。第2の伝送装置1150は、プローブ光を検出部1107に伝送する第2の伝送部で、第2の負分散媒質1103(以下、「第2の媒質1103」と呼ぶ)と、第2の負分散ファイバ1105と、第2の正分散ファイバ1106と、を有する。第1の媒質1108、第2の媒質1103、第1の負分散ファイバ1109、第2の負分散ファイバ1105、第1の正分散ファイバ1110及び第2の正分散ファイバ1106のそれぞれは、第1の実施形態の対応する構成と同様の特性を有する。また、各構成は、第1の実施形態の記載の方法でそれぞれの長さが設定される。
The
第2の媒質1103と第1の媒質1108との長さが同じ場合は、第2の媒質1103と第1の媒質1108とを取り除き、光源1101とビームスプリッタ1102との間に媒質を1つ配置する構成でもよい。
When the lengths of the second medium 1103 and the first medium 1108 are the same, the second medium 1103 and the first medium 1108 are removed, and one medium is disposed between the
発生部1111としての光伝導素子には、不図示の電圧源が出力する電圧信号が印加される。第1の正分散ファイバ1110からポンプ光が発生部1111に照射されると、テラヘルツ波が発生する。発生部1111は、光が入射することによりテラヘルツ波を発生するもので、本実施形態では光伝導素子を用いる。なお、発生部1111は、これに限らず、第3の実施形態の素子906のような非線形結晶を用いたテラヘルツ波発生素子等、既知のものを利用できる。発生部1111で発生したテラヘルツ波は、被検体1112に照射され、被検体1112で反射したテラヘルツ波が検出部1107に到達する。
A voltage signal output from a voltage source (not shown) is applied to the photoconductive element as the
検出部1107は、第2の正分散ファイバ1106から射出したプローブ光を用いてテラヘルツ波を検出する。本実施形態では、検出部1107として光伝導素子を用いる。テラヘルツ波が検出部1107に入射している時にプローブ光が検出部1107に入射すると、テラヘルツ波を検出した信号として電流が得られる。得られた電流は増幅器1113によって電圧信号へと変換され、出力部1114に送られる。
The
発生部1111に印加する電圧信号を交流とすることで、発生部1111で発生したテラヘルツ波に強度変調をかけ、検出部1107の検出信号をロックイン検出してもよい。また、テラヘルツ波の強度変調手段として、第1の負分散ファイバ1109に入射する前にチョッパーを用いてポンプ光を変調してもよい。
By making the voltage signal applied to the
遅延光学部1104は、ポンプ光の光路長とプローブ光の光路長との光路長差を変更して、検出部1107にテラヘルツ波が入射する間隔(遅延時間)を光学的に調整する部分である。遅延時間を変更しながら検出部1107で検出されるテラヘルツ波を測定することにより、THz−TDS法を用いた時間波形の測定が行われる。出力部1114によって遅延光学部1104を制御することで遅延時間を変化させ、遅延間隔毎に検出部1107から得られるテラヘルツ波の信号をプロットすることで、テラヘルツ波の時間波形を取得できる。
The delay
本実施形態の測定装置1100は、被検体1112で反射したテラヘルツ波を検出しているが、被検体1112を透過したテラヘルツ波を検出する形態としてもよい。
Although the
また、テラヘルツ波の平行伝搬領域と垂直な方向に被検体1112を移動するためのステージを設け、被検体1112を適切な時間間隔で動かし、テラヘルツ波が被検体1112上に照射される位置(照射位置)を変更できる構成としてもよい。なお、「テラヘルツ波の平行伝搬領域」とは、波動光学的には、照射部1153で被検体1112に向けて集光されたテラヘルツ波の焦点深度のことであると定義する。「焦点深度」は、照射部1153がレーザのビーム径を絞った場合に、最も小さいビーム径をwとすると、入力パルス114のビーム径がw×√2以下になる範囲と定義する。
In addition, a stage for moving the subject 1112 in a direction perpendicular to the parallel propagation region of the terahertz wave is provided, the subject 1112 is moved at an appropriate time interval, and a position (irradiation) where the terahertz wave is irradiated on the subject 1112 The position may be changed. Note that the “parallel propagation region of the terahertz wave” is defined as the focal depth of the terahertz wave collected toward the subject 1112 by the
このような構成にすることにより、各照射位置で取得した時間波形をそれぞれ解析した結果を用いて、被検体1112の画像を取得するイメージングを行うこともできる。具体的には、テラヘルツ波の照射位置毎に取得されたテラヘルツ波の時間波形のデータを用い、各時間波形の形状やピーク値、フーリエ変換によって得られる振幅スペクトルや位相スペクトル、複素屈折率などの情報をもとに、イメージング像を得ることができる。 With such a configuration, it is also possible to perform imaging for acquiring an image of the subject 1112 using a result obtained by analyzing a time waveform acquired at each irradiation position. Specifically, using the time waveform data of the terahertz wave acquired for each terahertz wave irradiation position, the shape and peak value of each time waveform, amplitude spectrum and phase spectrum obtained by Fourier transform, complex refractive index, etc. An imaging image can be obtained based on the information.
本実施形態の測定装置1100は、ポンプ光及びにプローブ光を光ファイバで伝送している。光ファイバの分散及び非線形光学効果による影響が大きいと、ポンプ光及びプローブ光のパルス幅の広がりとそれに伴うピークパワーの低下により、テラヘルツ波のスペクトルの狭帯域化やピークパワーの低下等という問題が生じる。第1の伝送装置1151及び第2の伝送装置1150を有することにより、光ファイバによるポンプ光及びにプローブ光の分散及び非線形光学効果による影響を低減して、ポンプ光及びにプローブ光を効率よく伝送できる。そのため、発生するテラヘルツ波のスペクトルの狭帯域化とピークパワーの低下を低減できる。
The
なお、本実施形態では第1の伝送部及び第2の伝送部のそれぞれに上述の実施形態の伝送装置を用いているが、どちらか一方に伝送装置を用いてもよい。また、異なる光源からのパルス光をそれぞれ伝送する構成にしてもよい。 In the present embodiment, the transmission device of the above-described embodiment is used for each of the first transmission unit and the second transmission unit, but a transmission device may be used for either one. Moreover, you may make it the structure which each transmits the pulsed light from a different light source.
(第5の実施形態)
本実施形態の測定装置(情報取得装置)1200について、図12を参照して説明する。図12は、測定装置1200の構成を説明する図である。測定装置1200は、被検体1207の画像を取得するイメージングシステムである。測定装置1200は、光源1201、伝送装置1250、発生部1205、レンズ1206、1208、検出部1209、アンプ1210、制御部1211及び出力部1212を有する。
(Fifth embodiment)
A measurement apparatus (information acquisition apparatus) 1200 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a diagram for explaining the configuration of the
発生部1205は、非線形結晶を用いてテラヘルツ波を発生する発生素子である。ここでは、発生部1205は、第3の実施形態で述べた素子906と同様の構成であり、伝送装置1250からの光が入射することによりテラヘルツ波(テラヘルツ波パルス)を発生し、電気光学的チェレンコフ放射によってテラヘルツ波を射出する。伝送装置1250としては、第3の実施形態の伝送装置900を用いた。すなわち、伝送装置1250は、媒質903と、負分散ファイバ904及び正分散ファイバ905を有し、導波路907による分散を考慮して各構成の長さが設定されている。
The
発生部1205からのテラヘルツ波は、照射部としてのレンズ1206で集光されて被検体1207に照射される。被検体1207を透過したテラヘルツ波は、レンズ1208を介して検出部1209に入射する。レンズ1206、1208は、テラヘルツ波を集光する光学系であるが、テラヘルツ波の空間的広がりや、検出部1209の大きさ等によって、さらに追加したり省いたりしてもよい。また、レンズ1206、1208の代わりに放物面鏡を用いる構成でもよい。
The terahertz wave from the
検出部1209は被検体1407を透過したテラヘルツ波の平均出力を検出する。検出部1209としては、電子デバイスである、ショットキーバリアダイオード型、プラズモン型、FET型、または熱感熱式のパイロ型やボロメータ型などを用いることができる。本実施形態で得られるテラヘルツ波はサブピコ秒パルスであるため、検出部1209は、テラヘルツ波の時間波形を測定することはできない。テラヘルツ波パルスの繰り返し周波数は例えば80MHzであり、検出部1209は、テラヘルツ波の強度の時間平均を測定する。
The
時間平均を測定するためには、検出部1209の測定帯域がレーザ繰り返し周波数より例えば1/10程度である10MHz以下と十分低い必要がある。そのため、検出部1209としてパイロ型検出器等の測定帯域が狭い検出器を用いる場合は、測定信号をそのまま使用し、ダイオード等を用いる場合は、積分器又は低周波透過フィルター等による帯域調整手段を検出器出力信号に対して設ける。
In order to measure the time average, the measurement band of the
検出部1209として複数の検出素子を2次元アレイに配置した検出器を用いて、テラヘルツ波の出力や散乱パターン等を測定してもよい。また、テラヘルツ波の後方散乱や反射を検出できるように別の検出部1213を用いてもよい。SN比を向上させるために、制御部1211から光源1201に命令信号を送ることで出力光に強度変調をかけたり、空間光学部にチョッパーを用いたりすることでテラヘルツ波に強度変調をかけてロックイン検出する構成にしてもよい。
A terahertz wave output, a scattering pattern, or the like may be measured using a detector in which a plurality of detection elements are arranged in a two-dimensional array as the
検出部1209の検出結果は、アンプ1210で増幅された後、制御部1211を介して出力部1212に送られる。制御部1211は、測定装置1200の各構成を制御する。出力部1212は、検出部1209の検出結果を用いてテラヘルツ波の時間波形を取得したり、取得した時間波形を解析して被検体1207の情報を取得したりする。また、取得した被検体1207の情報を用いて被検体1207の画像を取得する。
The detection result of the
なお、本実施形態では、被検体1207の位置を固定しているが、被検体1207を移動させるステージ又はベルトコンベア等の移動手段を設けてもよい。被検体1207にテラヘルツ波が照射される位置と検出部1209の検出結果である出力信号の組合せから1次元イメージングや、2次元イメージング像を得ることができる。
In this embodiment, the position of the subject 1207 is fixed, but a moving means such as a stage or a belt conveyor for moving the subject 1207 may be provided. A one-dimensional imaging or a two-dimensional imaging image can be obtained from a combination of a position where the subject 1207 is irradiated with the terahertz wave and an output signal which is a detection result of the
本実施形態の測定装置1200は、伝送装置1250を用いて光を光ファイバで伝送している。光ファイバの分散及び非線形光学効果による影響が大きいと、ポンプ光及びプローブ光のパルス幅の広がりとそれに伴うピークパワーの低下により、テラヘルツ波のスペクトルの狭帯域化及びピークパワーの低下が起こることがある。伝送装置1250を有することにより、光ファイバによる分散及び非線形光学効果による影響を低減して、光を効率よく伝送できる。そのため、発生するテラヘルツ波のスペクトルの狭帯域化とピークパワーの低下を低減できる。
The
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、上記の実施形態だけでなく、変更を行うことで短パルスレーザー光の光ファイバ伝送を用いる様々な用途に適用可能である。テラヘルツ波発生以外の適用範囲例として、顕微鏡、医療機器、パルス加工装置などが挙げられる。また、上述の各実施形態に記載の伝送装置と、テラヘルツ波等の電磁波を発生又は検出する素子と、を接続してモジュール化された発生装置又は検出装置等の装置にも応用できる。なお、電磁波を発生又は検出する素子には、非線形結晶を含み電気光学的チェレンコフ放射を用いた素子、又は光伝導素子等のように、パルス光が入射することにより電磁波を発生する既知の素子を利用できる。 As mentioned above, although preferable embodiment of this invention was described, this invention is not limited to these embodiment, A various deformation | transformation and change are possible within the range of the summary. For example, the present invention can be applied not only to the above-described embodiment but also to various uses using optical fiber transmission of short pulse laser light by making modifications. Examples of application ranges other than the generation of terahertz waves include a microscope, a medical device, and a pulse processing device. Further, the present invention can also be applied to a device such as a generator or a detector that is modularized by connecting the transmission device described in each of the above-described embodiments and an element that generates or detects an electromagnetic wave such as a terahertz wave. The element that generates or detects electromagnetic waves is a known element that generates electromagnetic waves when pulsed light is incident, such as an element that includes a nonlinear crystal and uses electro-optic Cherenkov radiation, or a photoconductive element. Available.
また、上述の各実施形態において、第1のファイバ及び第2のファイバ等の光ファイバを用いているが、これらの光ファイバは、コア部とクラッド部とを有する構成でなくてもよい。例えば、クラッド部を設けず、光の伝搬方向と垂直な面内に屈折率分布を持たせて光を閉じ込めて導光する光導波路部材も、各実施形態の第1のファイバ、第2のファイバに含む。その場合、光ファイバのコア部とは、光導波路部材の中央部に存在し、周辺部の屈折率よりも高い部分のことを言う。 In the above-described embodiments, optical fibers such as the first fiber and the second fiber are used. However, these optical fibers do not have to have a core portion and a cladding portion. For example, the optical waveguide member that guides light by confining light by providing a refractive index distribution in a plane perpendicular to the light propagation direction without providing a cladding portion is also used for the first fiber and the second fiber of each embodiment. Included. In this case, the core portion of the optical fiber refers to a portion that exists in the central portion of the optical waveguide member and is higher than the refractive index of the peripheral portion.
100 伝送装置
103 負分散媒質
104 第1のファイバ(負分散ファイバ)
105 第2のファイバ(正分散ファイバ)
100
105 Second fiber (positive dispersion fiber)
Claims (13)
入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有する負分散媒質と、
前記負分散媒質を通過したパルス光が入射する第1のファイバと、
前記第1のファイバを通過したパルス光が入射する第2のファイバと、を有し、
前記第1のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において負の分散パラメータを有し、
前記第2のファイバは、入射するパルス光に含まれる波長帯において正の分散パラメータを有し、
前記負分散媒質と前記第2のファイバとは、正の分散スロープを有し、
前記第1のファイバは、負の分散スロープを有する
ことを特徴とする伝送装置。 A transmission device for transmitting pulsed light,
A negative dispersion medium having a negative dispersion parameter in a wavelength band included in incident pulsed light;
A first fiber on which pulsed light that has passed through the negative dispersion medium is incident;
A second fiber on which the pulsed light that has passed through the first fiber is incident,
The first fiber has a negative dispersion parameter in a wavelength band included in incident pulsed light,
The second fiber has a positive dispersion parameter in a wavelength band included in incident pulsed light,
The negative dispersion medium and the second fiber have a positive dispersion slope,
The transmission apparatus, wherein the first fiber has a negative dispersion slope.
前記負分散媒質に入射するパルス光に含まれる周波数領域において、合計分散量b2allが前記負分散媒質に入射するパルス光のパルス幅T0より小さい
ことを特徴とする請求項1に記載の伝送装置。
ただし、
T0は前記負分散媒質に入射するパルス光のパルス幅、
b2fは前記第1のファイバが有する単位長さ当たりの群速度分散、
P0は前記負分散媒質に入射するパルス光のピークパワー、
P1は前記負分散媒質を通過した直後のパルス光のピークパワー、
γは前記第1のファイバの非線形係数、
cは光速度、
L1は前記負分散媒質に入射するパルス光の光軸方向における前記負分散媒質の長さ The negative dispersion medium is configured to satisfy the formula (1),
2. The transmission according to claim 1, wherein the total dispersion amount b 2all is smaller than a pulse width T 0 of the pulse light incident on the negative dispersion medium in a frequency region included in the pulse light incident on the negative dispersion medium. apparatus.
However,
T 0 is the pulse width of the pulsed light incident on the negative dispersion medium,
b 2f is a group velocity dispersion per unit length of the first fiber,
P 0 is the peak power of the pulsed light incident on the negative dispersion medium,
P 1 is the peak power of the pulsed light immediately after passing through the negative dispersion medium,
γ is the nonlinear coefficient of the first fiber,
c is the speed of light,
L 1 is the length of the negative dispersion medium in the optical axis direction of the pulsed light incident on the negative dispersion medium
前記第1のファイバのゼロ分散波長は、前記第2のファイバのゼロ分散波長より長い
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の伝送装置。 The first fiber and the second fiber are single mode fibers,
The transmission apparatus according to claim 1 or 2, wherein a zero dispersion wavelength of the first fiber is longer than a zero dispersion wavelength of the second fiber.
ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の伝送装置。 4. The transmission device according to claim 1, wherein a zero dispersion wavelength of the second fiber is smaller than a wavelength included in pulsed light incident on the negative dispersion medium. 5.
ことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の伝送装置。 5. The transmission device according to claim 1, wherein a pulse width of the pulsed light incident on the negative dispersion medium is 100 femtoseconds or less.
前記負分散媒質と前記光学部とが配置されている筐体と、を更に有し、
前記筐体と前記第1のファイバとは接続されている
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の伝送装置。 An optical unit that focuses the pulsed light incident on the negative dispersion medium onto the negative dispersion medium;
A housing in which the negative dispersion medium and the optical unit are disposed;
The transmission apparatus according to claim 1, wherein the casing and the first fiber are connected.
ことを特徴とする請求項6に記載の伝送装置。 The transmission apparatus according to claim 6, wherein the casing is connected to an emission fiber of a light source that outputs pulsed light incident on the negative dispersion medium.
ことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の伝送装置。 The transmission apparatus according to claim 1, wherein the negative dispersion medium includes silicon.
ことを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の伝送装置。 The transmission apparatus according to any one of claims 1 to 8, wherein the first fiber and the second fiber include silicon dioxide.
パルス光が入射することによりテラヘルツ波を発生する発生部と、
前記発生部からのテラヘルツ波を前記被検体に照射する照射部と、
前記被検体からを透過した又は前記被検体で反射したテラヘルツ波を検出する検出部と、
光源からのパルス光を前記発生部又は前記検出部に伝送する伝送部と、を有し、
前記伝送部は、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の伝送装置である
ことを特徴とする測定装置。 A measuring device that irradiates a subject with terahertz waves to acquire information about the subject,
A generator that generates terahertz waves when pulsed light is incident;
An irradiation unit for irradiating the subject with terahertz waves from the generation unit;
A detection unit for detecting a terahertz wave transmitted from the subject or reflected by the subject;
A transmission unit that transmits pulsed light from a light source to the generation unit or the detection unit,
The measuring apparatus according to claim 1, wherein the transmission unit is the transmission apparatus according to claim 1.
請求項1乃至9のいずれか一項に記載の伝送装置と、
前記伝送装置からのパルス光が入射することによって、テラヘルツ波を発生又は検出する素子と、を有する
ことを特徴とする装置。 An apparatus for generating or detecting terahertz waves,
A transmission apparatus according to any one of claims 1 to 9,
And an element that generates or detects a terahertz wave when pulsed light from the transmission device is incident thereon.
ことを特徴とする請求項11に記載の装置。 The apparatus of claim 11, wherein the element comprises a photoconductive element.
ことを特徴とする請求項11に記載の装置。 The apparatus of claim 11, wherein the element comprises a nonlinear crystal.
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