JP2022542369A - 光周波数変換方法、装置及び機器 - Google Patents

光周波数変換方法、装置及び機器 Download PDF

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Abstract

光周波数変換方法、装置、及び機器に関し、前記光周波数変換方法は、マイクロ－ナノ光ファイバ（４０２）と導波光ファイバ（４０１）をカスケード接続することで、第１の数の短尺のマイクロ－ナノ光ファイバ（４０２）と第２の数の導波光ファイバ（４０１）とをカスケード接続して光周波数変換を行い、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバ（４０２）の長さは、基本周波数ポンプ光信号と周波数３逓倍光信号とのコヒーレンス長以下であり、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバ（４０２）をカスケード接続して生成した周波数３逓倍光をコヒーレントに重畳し、基本周波数ポンプ光の入射パワーを調整することで各周波数３逓倍光成分間の位相差を制御して干渉相長を実現し、それによって、周波数３逓倍光信号を大幅に強化させ、光周波数変換効率を効果的に向上させる。【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１９年８月２日に中国特許庁に提出された、出願番号２０１９１０７１３
０３７．１、発明の名称「光周波数変換方法、装置及び機器」の中国特許出願の優先権を
主張しており、その全内容は引用により本出願に組み込まれている。
本出願は、光周波数変換の技術分野に関し、特に光周波数変換方法、装置及び機器に関す
る。
非線形光学周波数変換は新しい波長コヒーレント光源を取得する重要な手段であり、現在
、複数のタイプの光ファイバを用いて光周波数変換を実現することができ、マイクロ－ナ
ノ光ファイバはそのうちの１種であり、サブ波長直径を有し、従来の単一モード光ファイ
バをテーパリング装置で断熱延伸することにより製造され得る。
光ファイバを周波数変換媒体として使用した場合、変換効率の向上が実用化における大き
な課題となっている。適当な直径を有するマイクロ－ナノ光ファイバでは、基本周波数光
波を入力することでモード間の位相整合を通じて周波数変換を発生することができ、周波
数変換過程はＳＰＭ（Ｓｅｌｆ－ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、自己位相変調）や
ＸＰＭ（Ｃｒｏｓｓ－ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ、相互位相変調）などの非線形
効果の影響を受け、このため、基本周波数光のポンプパワーにも高感受性である。現在の
研究から、マイクロ－ナノ光ファイバの長さがミクロンかミリメートルのスケールであれ
ば、基本周波数光と高調波との間の作用長さが限られているため、変換効率が低くなり、
一方、周波数変換媒体として長さがセンチメートルスケールのマイクロ－ナノ光ファイバ
を用いて、ポンプのパワーを最適化させると、変換効率をある程度向上させることができ
る反面、センチメートルオーダーのマイクロ－ナノ光ファイバは、光信号を伝搬する過程
において、光信号の高調波パワーが光ファイバの伝搬方向に伴って発振し、変換効果が好
適ではなく、このため、光変換効率を如何に効果的に向上させるかは、当業者が早急に解
決しなければならない技術的課題である。
本出願は、光変換効率を効果的に向上させるための光周波数変換方法、装置及び機器を提
供する。
以上に鑑み、本出願の第１の態様は、
第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光ファイバとを、各セグメントの
前記マイクロ－ナノ光ファイバの先頭と末尾に前記導波光ファイバが接続されるように順
次接続して、カスケード光ファイバを得るステップと、
前記カスケード光ファイバの入力端にポンプ光源をアクセスし、前記ポンプ光源によって
前記カスケード光ファイバに基本周波数ポンプ光信号を入力するステップと、
前記カスケード光ファイバの出力端において、光周波数変換された周波数３逓倍信号を取
得するステップと、
周波数３逓倍光信号がマルチビーム干渉主極大値であるか否かを判断し、干渉主極大値で
はない場合、前記周波数３逓倍光信号が前記マルチビーム干渉主極大値に達するまで、前
記基本周波数ポンプ光信号のパワーを調整するステップとを含み、
各セグメントの前記マイクロ－ナノ光ファイバの長さは、前記基本周波数ポンプ光信号と
前記周波数３逓倍信号とのコヒーレンス長以下である光周波数変換方法を提供する。
好ましくは、予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて前
記マイクロ－ナノ光ファイバを製造するステップをさらに含む。
好ましくは、予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて前
記マイクロ－ナノ光ファイバを製造する前記ステップの前に、
光ファイバ混合導波モードの固有方程式を確立するステップと、
前記固有方程式を求解して、異なるモードの有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係
を得るステップと、
前記有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係に基づいて、基本周波数基本モードと周
波数３逓倍高次モードとの位相整合を満たす光ファイバコアの直径を予め設定された光フ
ァイバ径とするステップとを含む。
好ましくは、前記マイクロ－ナノ光ファイバの製造精度及び前記ポンプ光源の光パワー範
囲に基づいて、前記予め設定された光ファイバ径を補正するステップをさらに含む。
好ましくは、予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて、
前記マイクロ－ナノ光ファイバを製造する前記ステップの前に、
前記マイクロ－ナノ光ファイバにおける前記ポンプ光源のポンプ光と周波数３逓倍光との
伝搬定数の不整合量に基づいて、前記ポンプ光と前記周波数３逓倍光とのコヒーレンス長
を算出するステップと、
前記コヒーレンス長以下の光ファイバ長を前記予め設定された光ファイバ長として決定す
るステップとをさらに含む。
好ましくは、前記予め設定された光ファイバ径の範囲は７６５．５ｎｍ～７６７ｎｍであ
る。
好ましくは、前記予め設定された光ファイバ長は３ｍｍである。
好ましくは、本出願の第２の態様は、
第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光ファイバとを、各セグメントの
前記マイクロ－ナノ光ファイバの先頭と末尾に前記導波光ファイバが接続されるように順
次接続してカスケード光ファイバを得るための接続モジュールと、
前記カスケード光ファイバの入力端にポンプ光源をアクセスし、前記ポンプ光源によって
前記カスケード光ファイバに基本周波数ポンプ光信号を入力するためのアクセスモジュー
ルと、
前記カスケード光ファイバの出力端において、光周波数変換された周波数３逓倍信号を取
得するための取得モジュールと、
周波数３逓倍光信号がマルチビーム干渉主極大値であるか否かを判断し、干渉主極大値で
はない場合、前記周波数３逓倍光信号が前記マルチビーム干渉主極大値に達するまで、前
記基本周波数ポンプ光信号のパワーを調整するための判断モジュールとを含み、
各セグメントの前記マイクロ－ナノ光ファイバの長さは、前記基本周波数ポンプ光信号と
前記周波数３逓倍信号とのコヒーレンス長以下である光周波数変換装置を提供する。
好ましくは、
予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて、前記マイクロ
－ナノ光ファイバを製造するための製造モジュールと、
光ファイバ混合導波モードの固有方程式を確立するための確立モジュールと、
固有方程式を求解して、異なるモードの有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係を得
るための求解モジュールと、
前記有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係に基づいて、基本周波数基本モードと周
波数３逓倍高次モードとの位相整合を満たす光ファイバコアの直径を予め設定された光フ
ァイバ径とするための選択モジュールと、
前記マイクロ－ナノ光ファイバの製造精度及び前記ポンプ光源の光パワー範囲に基づいて
、前記予め設定された光ファイバ径を補正するための補正モジュールと、
前記マイクロ－ナノ光ファイバにおける前記ポンプ光源のポンプ光と周波数３逓倍光との
伝搬定数の不整合量に基づいて、前記ポンプ光と前記周波数３逓倍光とのコヒーレンス長
を算出するための算出モジュールと、
前記コヒーレンス長以下の光ファイバ長を前記予め設定された光ファイバ長として決定す
るための決定モジュールとを含む。
本出願の第３の態様は、
プロセッサ及びメモリを含み、
前記メモリは、プログラムコードを記憶し、前記プログラムコードを前記プロセッサに伝
搬し、
前記プロセッサは、前記プログラムコード中の命令に従って、第１の態様のいずれかの光
周波数変換方法を実行する光周波数変換機器を提供する。
以上の技術案から分かるように、本出願の実施例は以下のような利点を有する。
本出願では、第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光ファイバとを、各
セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの先頭と末尾に導波光ファイバが接続されるよう
に順次接続して、カスケード光ファイバを得るステップと、カスケード光ファイバの入力
端にポンプ光源をアクセスし、ポンプ光源によってカスケード光ファイバに基本周波数ポ
ンプ光信号を入力するステップと、カスケード光ファイバの出力端において、光周波数変
換された周波数３逓倍信号を取得するステップと、周波数３逓倍光信号がマルチビーム干
渉主極大値であるか否かを判断し、干渉主極大値ではない場合、周波数３逓倍光信号がマ
ルチビーム干渉主極大値に達するまで、基本周波数ポンプ光信号のパワーを調整するステ
ップとを含み、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの長さは、基本周波数ポンプ光
信号と周波数３逓倍信号とのコヒーレンス長以下である光周波数変換方法を提供する。
本出願で提供される光周波数変換方法は、マイクロ－ナノ光ファイバと導波光ファイバを
カスケード接続することで、長尺のマイクロ－ナノ光ファイバを周波数変換媒体として使
用した従来の光周波数変換方式を、第１の数の短尺のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の
数の導波光ファイバとをカスケード接続して光周波数変換を行う方式に変換し、各セグメ
ントのマイクロ－ナノ光ファイバの長さは、基本周波数ポンプ光信号と周波数３逓倍光信
号とのコヒーレンス長以下であり、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバをカスケー
ド接続して生成した周波数３逓倍光をコヒーレントに重畳し、基本周波数ポンプ光の入射
パワーを調整することで各周波数３逓倍光成分間の位相差を制御して干渉相長を実現し、
それによって、周波数３逓倍光信号を大幅に強化させ、光周波数変換効率を効果的に向上
させる。
また、本出願で提供される光周波数変換方法は、以下の有益な効果をさらに備える。
（１）マイクロ－ナノ光ファイバ長が基本周波数光と高調波とのコヒーレンス長よりも長
い場合、マイクロ－ナノ光ファイバの表面粗さの影響により、高調波出力信号が入射ポン
プパワーの変化に伴ってランダム性を有し、周波数変換過程の予測や制御が困難になり、
本出願では、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバをカスケード接続して生成した周
波数３逓倍光をコヒーレントに重畳することに基づいて、出力された周波数３逓倍信号の
全体特性はコヒーレント重畳の特性に依存し、このように、各セグメントの前記カスケー
ドマイクロ－ナノ光ファイバの表面粗さのランダム性による影響を低減し、従来の周波数
３逓倍信号の入射ポンプパワーに伴う不規則な変化関係を規則的な変化関係に変更し、そ
れによって、周波数変換過程の制御性を向上させる。
（２）従来の光ファイバテーパリング装置では１ｃｍ以上のマイクロ－ナノ光ファイバを
製造することが困難であり、長尺のマイクロ－ナノ光ファイバを周波数変換媒体として使
用すると、光ファイバの製造が困難になるという問題をもたらし、それに対して、本出願
では、従来のように長尺のマイクロ－ナノ光ファイバを周波数変換媒体として使用する代
わりに、マイクロ－ナノ光ファイバと導波光ファイバをカスケード接続する方式を利用す
ることによって、マイクロ－ナノ光ファイバの製造し難さを低減させる。
（３）短尺のマイクロ－ナノ光ファイバでは、周波数変換過程の競合的非線形過程が抑制
され、出力された周波数３逓倍信号のスペクトル特性が改善される。
本出願で提供される光周波数変換方法の一実施例の模式的フローチャートである。 本出願で提供される光周波数変換方法の別の実施例の模式的フローチャートである。 本出願で提供される光周波数変換装置の一実施例の構造模式図である。 本出願の実施例で提供されるカスケード光ファイバの構造模式図である。 長さ３ｍｍのマイクロ－ナノ光ファイバを用いた場合の、光ファイバコアの直径ｄとポンプ光入射パワーＰ０に伴う光ファイバ末尾の周波数３逓倍変換効率の変化の関係図である。 マイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝１、長さＬ＝３ｍｍにおける周波数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図である。 マイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝１、長さＬ＝１２ｍｍにおける周波数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図である。 マイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝１、長さＬ＝１００ｍｍにおける周波数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図である。 マイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝４、各セグメントの長さＬ＝３ｍｍにおける周波数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図である。 マイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝４、セグメントごとに様々なランダムな直径変動があり、長さが順に２．７ｍｍ／３ｍｍ／３．１ｍｍ／３．２ｍｍである場合の周波数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図である。 Ｎ本の光の干渉因子の曲線図（Ｎ＝４）である。 カスケード光ファイバがＮ個の機能ユニット（Ｎ＝４）を含み、各機能ユニットのポンプ振幅透過率Ｔ＝１である場合のカスケードシステムの周波数３逓倍変換効率の曲線図である。 カスケード光ファイバがＮ個の機能ユニット（Ｎ＝４）を含み、各機能ユニットのポンプ振幅透過率Ｔ＝０．７６である場合のカスケードシステムの周波数３逓倍変換効率の曲線図である。 基本モード基本周波数光ＨＥ１１（ω１）と、異なるモードの周波数３逓倍光の有効屈折率がシリカ光ファイバの直径に従って変化する図である。 実際の光ファイバ径が補正後の予め設定された光ファイバ径値からずれた場合、ポンプ光と周波数３逓倍光との線形伝搬定数の不整合量と直径ずれ量との関係図である。［符号の説明］４０１、導波光ファイバ；４０２、マイクロ－ナノ光ファイバ。
当業者が本出願の態様をよりよく理解するために、以下、本出願の実施例の図面を参照し
て、本出願の実施例における技術案を明確かつ完全に説明するが、説明する実施例は本出
願の一部の実施例にすぎず、全ての実施例ではないことは明らかである。本出願の実施例
に基づいて、当業者が創造的な努力を必要とせずに取得した他のすべての実施例は、本出
願の保護範囲に属する。
理解を容易にするために、図１及び図４を参照して、本出願で提供される光周波数変換方
法の一実施例は、ステップ１０１～ステップ１０４を含む。
ステップ１０１、第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光ファイバとを
、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの先頭と末尾に導波光ファイバが接続される
ように順次接続して、カスケード光ファイバを得る。
ここで、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの長さは、基本周波数ポンプ光信号と
周波数３逓倍信号とのコヒーレンス長以下である。
ステップ１０２、カスケード光ファイバの入力端にポンプ光源をアクセスし、ポンプ光源
によってカスケード光ファイバに基本周波数ポンプ光信号を入力する。
ステップ１０３、カスケード光ファイバの出力端において、光周波数変換された周波数３
逓倍信号を取得する。
なお、本出願の実施例で提供される光周波数変換方法に適用できる光ファイバは、マイク
ロ－ナノ光ファイバを含むが、これに限定されるものではない。マイクロ－ナノ光ファイ
バは、従来の単一モード光ファイバを断熱延伸して形成されたサブ波長径の光ファイバで
ある。
本出願の実施例では、まず、第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光フ
ァイバとをカスケード接続したカスケード光ファイバを得る必要があり、図４に示すよう
に、図４において、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、…、ＬＮはマイクロ－ナノ光ファイバ長であり、
Ｌ１０、Ｌ２０、Ｌ３０、…、Ｌ（Ｎ＋１）０は導波光ファイバ長であり、Ｐ０はカスケ
ード光ファイバの入力端における基本周波数ポンプ光の入射光パワーであり、Ｐ１はカス
ケード光ファイバの出力端における基本周波数ポンプ光の残留パワーであり、Ｐ３は周波
数３逓倍光の出力パワーである。１セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバと、その後の
１セグメントの導波光ファイバは１つの機能ユニットを構成する。カスケード光ファイバ
と他の光学機器との良好な結合を確保するために、カスケード光ファイバの入力端及び出
力端は一般に全て導波光ファイバである。マイクロ－ナノ光ファイバと導波光ファイバと
の接続方式には、光ファイバ融着接続、光ファイバコネクタなどが含まれるが、これらに
限定されない。
本出願の光周波数変換は、二次高調波生成、三次高調波生成、４光波混合などを含むが、
これらに限定されない。本出願の技術案の技術的効果をより良く実現するために、本出願
では、シリカマイクロ－ナノ光ファイバにおけるポンプ光の三次高調波が周波数３逓倍信
号を発生させることを例とする。カスケード光ファイバの入力端にポンプ光源がアクセス
され、このポンプ光源によってカスケード光ファイバに基本周波数ポンプ光信号が入力さ
れ、この基本周波数ポンプ光信号がカスケード光ファイバにて周波数変換され、カスケー
ド光ファイバの出力端で周波数３逓倍光信号が出力される。
従来の研究では、長尺のマイクロ－ナノ光ファイバを光周波数変換媒体として使用する場
合、マイクロ－ナノ光ファイバ長は、実際の基本周波数ポンプ光信号と周波数３逓倍光信
号とのコヒーレンス長よりも長くなり、このとき、周波数３逓倍光パワーは不規則に発振
し、周波数変換効率を制限し、周波数３逓倍出力を制御しにくくし、このため、本出願の
実施例では、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの長さは、基本周波数ポンプ光信
号と周波数３逓倍光信号とのコヒーレンス長以下とする。
ステップ１０４、周波数３逓倍光信号がマルチビーム干渉主極大値であるか否かを判断し
、干渉主極大値ではない場合、周波数３逓倍光信号がマルチビーム干渉主極大値に達する
まで、基本周波数ポンプ光信号のパワーを調整する。
なお、実際の周波数変換過程において、逓倍周波数光パワーは複数の主極大値及び複数の
副極大値を有することが可能であり、このステップでは、いずれかの主極大値に達するこ
とができればよい。また、実際のニーズに応じて、達する主極大値の次数を変更すること
もできる。カスケード光ファイバを用いて生成した逓倍周波数の光パワーが主極大値に達
すると、逓倍周波数変換の効率も主極大値に達するので、入射ポンプパワーを調整する必
要がなくなる。もし逓倍周波数光パワーが主極大値に達していなければ、逓倍周波数変換
の効率はまだ主極大値に達しておらず、このため、パワー増幅ユニットとパワー低減ユニ
ットを利用して調整する必要がある。出力された逓倍周波数光パワーが主極大値であるか
否かを判断するために使用可能な測定機器は、光パワーメータ、光スペクトラムアナライ
ザ等を含むが、これらに限定されない。入射ポンプパワーの調整をより正確にするために
、入射ポンプパワーを決定するために入射ポンプパワーを複数回調整する場合があっても
よい。
本出願の実施例で提供される光周波数変換方法は、マイクロ－ナノ光ファイバと導波光フ
ァイバをカスケード接続することで、周波数変換媒体として長尺のマイクロ－ナノ光ファ
イバを使用する従来の光周波数変換方式を、第１の数の短尺のマイクロ－ナノ光ファイバ
と第２の数の導波光ファイバとをカスケード接続して光周波数変換を行う方式に変換し、
各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの長さは、基本周波数ポンプ光信号と周波数３
逓倍光信号とのコヒーレンス長以下であり、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバを
カスケード接続して生成した周波数３逓倍光をコヒーレントに重畳し、基本周波数ポンプ
光の入射パワーを調整することで各周波数３逓倍光成分間の位相差を制御して干渉相長を
実現し、それによって、出力された周波数３逓倍光信号を大幅に強化させ、光周波数変換
効率を効果的に向上させる。
理解を容易にするために、図２を参照して、本出願の実施例では、光周波数変換方法の別
の実施例を提供し、ステップ２０１～ステップ２１１を含む。
ステップ２０１、光ファイバ混合導波モードの固有方程式を確立する。
ステップ２０２、固有方程式を求解して、異なるモードの有効屈折率と光ファイバコアの
直径との関係を得る。
ステップ２０３、有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係に基づいて、基本周波数基
本モードと周波数３逓倍高次モードとの位相整合を満たす光ファイバコアの直径を予め設
定された光ファイバ径として選択する。
なお、本出願の実施例では、まず、マイクロ－ナノ光ファイバ（すなわち、光周波数変換
光ファイバ）の構造パラメータを設計する必要があり、構造パラメータは、光ファイバの
コア直径及び長さを含む。マイクロ－ナノ光ファイバの材料はシリカ（ＳｉＯ２）を選択
し、光ファイバの外側は空気であり、ＳｉＯ２の代表的な非線形屈折率係数ｎ（２）＝２
．７×１０－２０ｍ２／Ｗである。
本出願の実施例では、固有方程式は光学分野で一般的に用いられる方程式である。真空中
の光速をｃ、光の角周波数をω、波長をλ、伝搬定数をｋ＝２π／λとし、ステップ型光
ファイバのコアの屈折率をｎ１、クラッドの屈折率をｎ２、コアの直径をｄとする。光の
導波モードの光ファイバにおける伝搬定数はβ＝（ω／ｃ）ｎｅｆｆであり、ここでｎｅ
ｆｆは対応するモードの光ファイバにおける有効屈折率である。導波モードの半径方向の
正規化位相定数をＵ、導波モードの半径方向の正規化減衰定数をＷ、光ファイバの正規化
周波数をＶとすると、これらの表現式はそれぞれ次のとおりである。
Figure 2022542369000002
、 （１）
Figure 2022542369000003
、 （２）
Figure 2022542369000004
、 （３）
光ファイバにおける混合導波モードは、ＨＥｖｍ及びＥＨｖｍであり、ここで、ｖ及びｍ
は、それぞれモードの角度序数及び半径方向序数を表す。第一種のベッセル関数をＪ、補
正後の第二種のベッセル関数をＫで表すと、混合導波モードの固有方程式は次のようにな
る。
Figure 2022542369000005
、（４）
固有方程式を数値の方法により求解することによって、異なるモードの伝搬定数β又は有
効屈折率ｎｅｆｆと光ファイバコアの直径ｄとの関係を得るとともに、第１の光ファイバ
径を得ることができる。高効率周波数変換を取得する鍵は基本周波数光と周波数３逓倍光
が位相整合条件を満たすことであり、固有方程式を求解して得られた基本モード基本周波
数光ＨＥ１１（ω１）と異なるモード周波数３逓倍光の有効屈折率がマイクロ－ナノ光フ
ァイバ径に従って変化する関係は図１４に示され、図１４において、太い実線は基本モー
ド基本周波数光を表し、細い実線と細い破線は周波数３逓倍光を表す。図１４から、基本
周波数基本モードＨＥ１１（ω１）と周波数３逓倍ＨＥ１２（３ω１）モードの交点にお
ける光ファイバ径ｄ１＝７６６．４８ｎｍであり、この点では、２つの光波モードは等し
い有効屈折率を有し、すなわち、マイクロ－ナノ光ファイバにおけるこれらの線形伝搬定
数は同じであり、位相整合条件を大まかに満たすことができ、光ファイバ径は、マイクロ
－ナノ光ファイバの予め設定された光ファイバ径である。
ステップ２０４、マイクロ－ナノ光ファイバの製造精度及びポンプ光源の光パワー範囲に
基づいて、予め設定された光ファイバ径を補正する。
なお、ステップ２０３で得られた予め設定された光ファイバ径は大体の数値であり、マイ
クロ－ナノ光ファイバの最終的な直径サイズではない。予め設定された光ファイバ径を得
た上で、光ファイバの製造精度及び周波数変換に使用される基本周波数ポンプ光パワー範
囲に基づいて、予め設定された光ファイバ径を補正して、補正後の予め設定された光ファ
イバ径を得ることができ。この過程は以下の通りである。
基本周波数ポンプ光がカスケード光ファイバに入射され、非線形相互作用により三次高調
波が生成され、周波数３逓倍光の出力が得られる。光ファイバに沿った光の伝搬方向をｚ
、ポンプ光の角周波数をω１、周波数３逓倍光の角周波数をω３＝３ω１とすると、光フ
ァイバにおけるこれらの伝搬定数はそれぞれ
Figure 2022542369000006
及び
Figure 2022542369000007
となる。ポンプ光場が準連続であるとすると、三次高調波過程は、以下の結合モード連立
方程式によって記述されている。
Figure 2022542369000008
、（５）
Figure 2022542369000009
、（６）
ここで、Ａ１及びＡ３はそれぞれポンプ光及び周波数３逓倍光の振幅であり、それらのモ
ードの二乗値はそれぞれのパワーであり、すなわち、
Figure 2022542369000010
、
Figure 2022542369000011
であり、α１及びα３はそれぞれ光ファイバにおけるポンプ光と周波数３逓倍光の損失係
数であり、ｎ（２）は光ファイバの非線形屈折率係数であり、ｋ１は真空中におけるポン
プ光の伝搬定数であり、δβ＝β３－３β１は光ファイバにおけるポンプ光と周波数３逓
倍光の伝搬定数の不整合量である。ｊは光場の非線形重畳積分であり、その値は２つの伝
搬モードに対応する光場分布及び光ファイバ径によって決定され、ここでｊ３はポンプ光
と周波数３逓倍光間の重畳積分であり、ｊ１とｊ５はそれぞれポンプ光と周波数３逓倍光
のＳＰＭ効果を反映し、ｊ２はポンプ光と周波数３逓倍光間のＸＰＭ効果を反映する。
高調波変換過程にはＳＰＭ／ＸＰＭ効果が同時に存在するので、総伝搬定数不整合量は以
下のように表されてもよい。
Figure 2022542369000012
、 （７）
ここで、δβは線形部分であり、一定の導波モードに対して、δβはマイクロ－ナノ光フ
ァイバのコア直径ｄに依存し、固有方程式を求解することによって得られ得る。光ファイ
バには一定の製造精度があり、表面粗さが避けられないため、実際の光ファイバコアの直
径は、ｄ＝ｄ０＋△ｄ＋δｄ（ｚ）と表すことができ、ここで、ｄ０は期待値、△ｄは期
待値からの実際値の平均偏差、δｄ（ｚ）はランダムな直径変動である。したがって、マ
イクロ－ナノ光ファイバを延伸した後、δβはほぼ一定になるが、それは定数ではなく、
マイクロ－ナノ光ファイバの伝搬方向ｚに応じてランダムな小幅な変動がある。δβＮＬ
はＳＰＭとＸＰＭによる非線形位相シフト量であり、以下のように表されてもよい。
Figure 2022542369000013
、（８）
ポンプ光の入射パワーをＰ１（ｚ＝０）Ｐ０とすると、周波数変換過程におけるポンプ光
パワーＰ１（ｚ）と周波数３逓倍パワーＰ３（ｚ）は相関しており、非線形重複積分ｊは
コア直径ｄと相関する。明らかに、光ファイバコアの直径ｄとポンプ光の入射パワーＰ０
は総伝搬定数不整合量δβｔｏｌに共に作用し、周波数３逓倍の変換効率に影響する。
実際には、光ファイバの粗さによる線形ランダム位相不整合量及びＳＰＭ／ＸＰＭ効果に
よる非線形位相シフト量は、周波数変換効率を数桁低下させるのに十分である。したがっ
て、実用上の効率的な周波数変換を実現するためには、システム設計を行う際にこれらの
影響を総合的に考慮する必要がある。
周波数変換効率をη＝Ｐ３／Ｐ０とすると、関係η－ｄ－Ｐ０は式（４）、（５）、（６
）を数値の方法により求解することにより得られる。上記予め設定された光ファイバ径に
基づいて、光ファイバの製造精度及び使用しようとする入射ポンプ光パワー範囲に基づい
て補正し、補正後の予め設定された光ファイバ径を取得し、この補正後の予め設定された
光ファイバ径に基づいて光ファイバを製造することができる。
ステップ２０５、マイクロ－ナノ光ファイバにおけるポンプ光源のポンプ光と周波数３逓
倍光との伝搬定数の不整合量に基づいて、ポンプ光と周波数３逓倍光とのコヒーレンス長
を算出する。
ステップ２０６、コヒーレンス長以下の光ファイバ長を、予め設定された光ファイバ長と
して決定する。
なお、本出願の実施例では、マイクロ－ナノ光ファイバ長を設計する必要がある。内容は
、基本周波数光と周波数３逓倍光とのコヒーレンス長を算出し、コヒーレンス長に基づい
て最適化光ファイバ長を推定し、最適化光ファイバ長に基づいて光ファイバを製造する。
ここで、基本周波数光と周波数３逓倍光とのコヒーレンス長は、以下のとおりである。
Figure 2022542369000014
、 （９）
ステップ２０４において、η－ｄ－Ｐ０関係から最適化された（ｄ、Ｐ０）の値を決定す
ることができ、これらを（式８）と（式７）に代入し、固有方程式（４）を連立すること
により、総伝搬定数不整合量δβｔｏｌを推定し、式（９）によりコヒーレンス長Ｌｃを
算出することができる。周波数変換光ファイバの長さがコヒーレンス長よりも短い場合、
周波数３逓倍信号強度は、伝搬方向に沿って単調に増加することができ、周波数変換光フ
ァイバの長さが前記コヒーレンス長よりも長い場合、周波数３逓倍信号は、伝搬方向に沿
って不規則に発振する。周波数変換過程の制御を容易にするためには、周波数変換光ファ
イバの長さはコヒーレンス長以下でなければならない（周波数３逓倍信号を最大限に強化
させるために、マイクロ－ナノ光ファイバの最適長さはコヒーレンス長と等しい）。
実際には、総伝搬定数不整合量δβｔｏｌは正確に得られず、（式９）から算出されたコ
ヒーレンス長は大まかに推定された数値にすぎず、数値シミュレーションや実験によって
補正する必要があることが理解できる。数値シミュレーションは式（５）、（６）を求解
することによって光ファイバ伝搬方向に伴う周波数３逓倍変換効率の変化傾向、すなわち
η－ｚの関係を得て、もしこの関係が単調に増加すれば、光ファイバ長はコヒーレント長
以下であり、使用することができ、周波数３逓倍で飽和や発振が発生した場合は、光ファ
イバ長を小さい値に補正する必要がある。試験では、この長さの光ファイバにより出力さ
れる周波数３逓倍信号の入射ポンプパワーに伴う変化傾向、すなわちη－Ｐ０の関係を測
定することができ、この関係が単調に増加すれば、光ファイバ長は、使用されたポンプパ
ワーの範囲で対応するコヒーレンス長以下である。試験において周波数３逓倍出力スペク
トルを同時に測定することができ、もしスペクトルが広げられなければ、その長さの周波
数変換光ファイバでは、他の競争的な非線形物理過程が励起されていないことを示し、光
ファイバの長さは実際には適用可能であり、スペクトルが広げられれば、光ファイバ長を
小さい値に補正する必要がある。
また、設計された周波数変換光ファイバの長さは、使用しようとする光ファイバ製造機器
で実現可能である必要がある。明らかに、コヒーレント長が長いほど、周波数変換効率の
向上に有利であるが、式（９）から分かるように、コヒーレンス長が長いほど、許容でき
る総伝搬定数不整合量が小さいこと、すなわちマイクロ－ナノ光ファイバのコア直径の実
際値と期待値との許容偏差が小さいことを意味し、光ファイバ製造機器の製造精度に対す
る要求が高い。したがって、周波数変換光ファイバの長さを設計する際には、使用しうよ
うとする光ファイバ製造機器の製造精度を十分に考慮する必要がある。
ステップ２０７、予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づい
て、マイクロ－ナノ光ファイバを製造する。
なお、本出願の実施例では、マイクロ－ナノ光ファイバの予め設定された光ファイバ径及
び予め設定された光ファイバ長が得られた後、予め設定された光ファイバ径及び予め設定
された光ファイバ長に基づいてマイクロ－ナノ光ファイバを製造し、ここで、予め設定さ
れた光ファイバ径は、ステップ２０３で得られた予め設定された光ファイバ径であっても
よいし、ステップ２０４で得られた補正後の予め設定された光ファイバ径であってもよい
。
ステップ２０８、第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光ファイバとを
、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの先頭と末尾に導波光ファイバが接続される
ように順次接続して、カスケード光ファイバを得る。
ここで、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの長さは、基本周波数ポンプ光信号と
周波数３逓倍信号とのコヒーレンス長以下である。
ステップ２０９、カスケード光ファイバの入力端にポンプ光源をアクセスし、ポンプ光源
によって基本周波数ポンプ光信号にカスケード光ファイバを入力する。
ステップ２１０、カスケード光ファイバの出力端において、光周波数変換された周波数３
逓倍信号を取得する。
なお、本出願の実施例では、ステップ２０８～２１０は、前の実施例におけるステップ１
０１～１０３と一致しており、ここでは詳しく説明しない。
ステップ２１１、カスケード光ファイバによって出力された周波数３逓倍光信号がマルチ
ビーム干渉主極大値であるか否かを判断し、干渉主極大値ではない場合、周波数３逓倍光
信号がマルチビーム干渉主極大値に達するまで、基本周波数ポンプ光信号のパワーを調整
する。
なお、カスケード光ファイバに入射するポンプパワーを
Figure 2022542369000015
とすると、導波光ファイバのポンプ光損失が極めて小さいため、第１セグメントの周波数
変換光ファイバの入射面までのポンプパワーは依然として約Ｐ０であり、同様に、各機能
ユニットのポンプ振幅透過率をＴ、各セグメントの周波数変換光ファイバの周波数３逓倍
パワー変換効率を全てη０とする。既存の研究結果によると、
Figure 2022542369000016
であり、ここで、ｇは光ファイバの非線形屈折率係数ｎ（２）、ポンプ光及び周波数３逓
倍光の間の非線形重畳積分ｊ３などのパラメータによって決定される係数である。ポンプ
光が第ｎ（ｎ＝１、２、…、Ｎ）セグメントの周波数変換光ファイバを通過するとき、複
素振幅Ａ３ｎの周波数３逓倍光が独立して生成され、カスケードシステムの末尾から出力
される周波数３逓倍複素振幅はすべての周波数３逓倍複素振幅を重畳したものである。
簡単にするために、
Figure 2022542369000017
、
Figure 2022542369000018
とすると、前記カスケードシステムの末尾から出力される周波数３逓倍複素振幅は、以下
のように記述されてもよい。
Figure 2022542369000019
（１０）
ここで、△は隣接する２本の周波数変換光ファイバから生成する周波数３逓倍光の位相差
である。実際には、△は機能ユニットを通過した周波数３逓倍光の位相変化であり、伝搬
距離に伴うポンプ光と周波数３逓倍光の動的変化を無視すると、次のように近似的に表現
されてもよい。
Figure 2022542369000020
（１１）
式（１１）の一番目の角括弧内は、周波数３逓倍が導波光ファイバを介して生成する位相
変化であり、線形伝搬による部分と非線形変調ＳＰＭ／ＸＰＭによる部分とを含み、同様
に、２番目の角括弧内は、周波数３逓倍が周波数変換光ファイバを介して生成する位相変
化である。式（１１）において、β３０及びβ３はそれぞれ導波光ファイバとマイクロ－
ナノ光ファイバにおける周波数３逓倍の伝搬定数であり、ｊ５０とｊ５、ｊ２０とｊ２は
それぞれそれらの中でＳＰＭとＸＰＭを記述する非線形重畳積分である（一般には、周波
数変換光ファイバのコア材料は、導波光ファイバのコア材料とは異なり、これらは異なる
非線形屈折率係数ｎ（２）を有し、ここでは近似的に等しいものとする。）
式（１０）は、１つの機能ユニットを通過したポンプ振幅透過率Ｔ＝１とすると、次のよ
うに簡略化されてもよい。
Figure 2022542369000021
、 （１２）
すなわち、カスケード光ファイバから出力される周波数３逓倍パワーは以下のとおりであ
る。
Figure 2022542369000022
、 （１３）
このような場合、カスケード光ファイバの総周波数３逓倍変換効率は以下のとおりである
。
Figure 2022542369000023
、 （１４）
ここで、
Figure 2022542369000024
はマルチビーム干渉因子であり、カスケード光ファイバの周波数３逓倍信号はシングルセ
グメントの光ファイバの周波数３逓倍信号と干渉の２種類の効果が共同作用した結果であ
ることを示している。
マルチビーム干渉因子から分かるように、
Figure 2022542369000025
の場合、それは極大値Ｎ２があり、これらの極大値は主極大、ｍは主極大に次ぐものであ
り、
Figure 2022542369000026
がπの整数倍と等しく、
Figure 2022542369000027
がπの整数倍ではない場合、すなわち、
Figure 2022542369000028
の場合、それは極小値があり、その数値はゼロであり、隣接する２つのゼロ値の間に副極
大がある。隣接する２つの主極大の間にＮ－１個のゼロ値があり、Ｎ－２個の副極大値が
あることが容易に分かる。図１１を参照して、図１１はＮ本の光の干渉因子の曲線（Ｎ＝
４）である。隣接する２つのゼロ値間（△ｍ’＝１）の位相差間隔はδ△＝２π／Ｎであ
り、式（１１）を組み合わせて分かるように、隣接する２つのゼロ値間のポンプパワー間
隔は以下のとおりである。
Figure 2022542369000029
、 （１５）
主極大とそれに隣接するゼロ値との間のポンプパワー間隔も式（１５）の形である。各セ
グメントの周波数変換光ファイバの周波数３逓倍パワー変換効率η０は１よりはるかに小
さく、非線形重畳積分ｊ５０とｊ２０（ｊ５とｊ２）は同じオーダであるため、式（１５
）におけるＳＰＭの作用はＸＰＭよりはるかに小さく、これを無視すると次のような簡略
化された形が得られる。
Figure 2022542369000030
（１６）
各段の主極大は、シングルセグメントの光ファイバの周波数３逓倍パワー変換効率
Figure 2022542369000031
によって変調され、すなわち、各段の変換効率の主極大は
Figure 2022542369000032
になる。式（１４）と式（１１）を組み合わせると、図２が得られ、図１２はカスケード
光ファイバがＮ個の機能ユニット（Ｎ＝４）を含み、各機能ユニットのポンプ振幅透過率
Ｔ＝１である場合のカスケード光ファイバの周波数３逓倍変換効率の曲線であり、ここで
、点線は１つの機能ユニットが生成する周波数３逓倍パワー変換効率因子の曲線である。
式（１０）において、１つの機能ユニットのポンプ振幅透過率Ｔ＜１の場合、上記の法則
は依然として存在するが、式（１６）に示すように、Ｔの値は主極大間の間隔に影響を与
える。図１３を参照して、図１３は、カスケード光ファイバがＮ個の機能ユニット（Ｎ＝
４）を含み、各機能ユニットのポンプ振幅透過率Ｔ＝０．７６である場合のカスケード光
ファイバの周波数３逓倍変換効率の曲線であり、ここで、点線は１つの機能ユニットが生
成する周波数３逓倍パワー変換効率係数の曲線である。
カスケード光ファイバの出力端に基づく光信号には、周波数変換によって生成された逓倍
周波数光と、変換されていない残りの基本周波数光とが混ざっていることが理解できる。
カスケード光ファイバの出力端に光フィルタを接続し、所望の逓倍周波数信号を得るため
にカスケード光ファイバの出力信号に特定の帯域のフィルタ処理を施してもよい。
さらに、予め設定された光ファイバ径の範囲は、７６５．５ｎｍ～７６７ｎｍである。
予め設定された光ファイバ長は３ｍｍである。
なお、本出願の実施例では、補正後の予め設定された光ファイバ径ｄ２＝７６６．３０ｎ
ｍに基づいてマイクロ－ナノ光ファイバを製造する場合、図１５を参照して、図１５は、
実際の光ファイバ径が補正後の予め設定された光ファイバ径からずれた場合、ポンプ光と
周波数３逓倍光との線形伝搬定数の不整合量と直径ずれ量との関係である。既存の研究結
果によれば、光ファイバ径の最大ずれ量が約１ｎｍであると、線形伝搬定数不整合量は
Figure 2022542369000033
になり、次に、ポンプ光入射パワーが２０００Ｗ付近であるとすれば、総伝搬定数不整合
量として
Figure 2022542369000034
であると大まかに推定できる。したがって、基本周波数光と周波数３逓倍光とのコヒーレ
ンス長
Figure 2022542369000035
によれば、δβｔｏｌは総伝搬定数不整合量であり、基本周波数光と周波数３逓倍光との
コヒーレンス長は
Figure 2022542369000036
である。数値シミュレーション及び既存の実験結果から、周波数変換光ファイバの長さは
３ｍｍが適用可能であり、しかもこの長さは一般のマイクロ－ナノ光ファイバ製造機器で
は容易に実現できることが明らかになる。
以下、本出願の実施例における光周波数変換方法の実施流れを説明する。
カスケード光ファイバに入射するポンプ光パワーを制御するために、ポンプ光源の後に光
パワーを高めるための光増幅器と、実際にシステムに入射するポンプパワーを柔軟に制御
するための調整可能な光減衰器を追加する。準連続光励起光ファイバが使用されており、
励起光と周波数３逓倍波長は真空中でそれぞれλ１＝１５５０ｎｍ、λ３＝５１７ｎｍで
ある。マイクロ－ナノ光ファイバ材料はシリカ（ＳｉＯ２）であり、光ファイバの外側は
空気であり、ＳｉＯ２の代表的な非線形屈折率係数はｎ（２）＝２．７×１０－２０ｍ２
／Ｗである。
光ファイバモードの固有値方程式を求解すると、マイクロ－ナノ光ファイバ径に伴う基本
モード基本周波数光ＨＥ１１（ω１）と異なるモードの周波数３逓倍光の有効屈折率の変
化の関係が得られ、図１４を参照して、図１４において、太い実線は基本モード基本周波
数光を表し、細い実線と細い破線は周波数３逓倍光を表す。図１４から、基本周波数基本
モードＨＥ１１（ω１）と周波数３逓倍ＨＥ１２（３ω１）モードの交点における光ファ
イバ径ｄ１＝７６６．４８ｎｍであり、この点では、２つの光波モードは等しい有効屈折
率を有し、すなわちマイクロ－ナノ光ファイバにおける線形伝搬定数は同じであり、位相
整合条件を大まかに満たすことができ、光ファイバ径はマイクロ－ナノ光ファイバの予め
設定された光ファイバ径である。
式（４）と式（５）、式（６）を数値の方法により求解すると、η－ｄ－Ｐ０の関係が得
られ、図５を参照して、図５は、長さ３ｍｍの周波数変換光ファイバを用い、光ファイバ
コアの直径ｄが７６５．５ｎｍ～７６７ｎｍの間であり、ポンプ光の入射パワーＰ０が０
～３０００Ｗの間である場合の周波数３逓倍の期待変換効率である（ポンプ光と周波数３
逓倍光の損失は考慮されていない）。ＳＰＭ／ＸＰＭに起因する非線形位相シフトを考慮
すると、上記予め設定された光ファイバ径ｄ１＝７６６．４８ｎｍでは、周波数３逓倍変
換効率が低い。ポンプ光入射パワーが２０００Ｗ付近に設定されている場合、補正後の予
め設定された光ファイバ径ｄ２＝７６６．３０ｎｍとし、この数値に基づいて光ファイバ
を製造することができる。ただし、マイクロ－ナノ光ファイバの製造には一定の直径精度
があり、マイクロ－ナノ光ファイバの表面にも一定のランダム粗さがあるので、補正後の
予め設定された光ファイバ径の値は唯一ではなく、実際にはいくつかの試験を通じて、補
正後の予め設定された光ファイバ径の値の最適化を行ってもよい。
補正後の予め設定されたの光ファイバ径ｄ２＝７６６．３０ｎｍに基づいてマイクロ－ナ
ノ光ファイバを製造し、図１５を参照して、図１５は、実際の光ファイバ径が補正後の予
め設定された光ファイバ径値からずれた場合、ポンプ光と周波数３逓倍光との間の線形伝
搬定数の不整合量と直径ずれ量との関係である。既存の研究結果から、光ファイバ径の最
大ずれ量が約１ｎｍであれば、線形伝搬定数不整合量は
Figure 2022542369000037
であると推定し、次にポンプ光入射パワーが２０００Ｗ付近であるとすれば、総伝搬定数
不整合量は
Figure 2022542369000038
であると大まかに推定することができる。したがって、式（９）によれば、基本周波数光
と周波数３逓倍光とのコヒーレンス長は
Figure 2022542369000039
になる。数値シミュレーション及び既存の実験結果から、マイクロ－ナノ光ファイバ長は
３ｍｍが適用可能であり、しかもこの長さは一般のマイクロ－ナノ光ファイバ製造機器で
は容易に実現できることを示している。
シリカ単一モード光ファイバを選択し、断熱延伸法によりティーピングを行い、４セグメ
ントのマイクロ－ナノ光ファイバを製造する。マイクロ－ナノ光ファイバ径はすべてｄ２
＝７６６．３０ｎｍとし、単純化のために各セグメントの長さは３ｍｍとされており、す
なわち、
Figure 2022542369000040
である。
前記単一モード光ファイバは、基本周波数波長１５５０ｎｍで開口数ＮＡ＝０．１４、パ
ワー損失係数α１＝０．５ｄＢ／ｋｍであり、周波数３逓倍波長５１７ｎｍはこのシング
ルモード光ファイバの低損失窓から外れており、大まかな数値解析のため、パワー損失は
基本周波数光の約２０倍、すなわちα３＝１０ｄＢ／ｋｍとする。上記マイクロ－ナノ光
ファイバは、単一モード光ファイバをティーピングしたものであり、また、単一モード光
ファイバのティーピングしていない部分を導波光ファイバとして使用する。５セグメント
の導波光ファイバを取り、各セグメントの長さを等しくし、実際の接続の必要性を考慮し
て導波光ファイバ長を
Figure 2022542369000041
とする。
上記周波数変換光ファイバと導波光ファイバとを図４のように順次接続して１本のカスケ
ード光ファイバとし、カスケード光ファイバにおける光信号の入力端と出力端を全て導波
光ファイバとする。
波長１５５０ｎｍの基本周波数ポンプ光を、長さＬ１０の導波光ファイバからカスケード
光ファイバに結合し、長さＬ５０の導波光ファイバから出力された光を光ファイバフィル
タに結合し、波長５１７ｎｍの周波数３逓倍信号光を取り出し、スペクトロメータで観測
する。周波数３逓倍信号パワーが主極大値に達するまで入射ポンプパワーを調整する。
本出願の実施例の利点をより明確にするために、以下、図６～図９を参照して本出願の実
施例の技術的効果について説明し、図６～図９は、カスケード光ファイバが異なるパラメ
ータを有する場合の周波数３逓倍変換効率の図である。
図６はマイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝１、長さＬ＝３ｍｍにおける周波数
３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図であり、その出力効率ηｏｕｔｐｕｔは入射
ポンプパワーＰ０に従って単調に増加するが、作用長が限られているため、Ｐ０を３００
０Ｗに高めても変換効率は１％未満である。
図７はマイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝１、長さＬ＝１２ｍｍにおける周波
数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図である。Ｌがコヒーレンス長Ｌｃを超えて
いるため、周波数３逓倍パワーは伝搬方向に沿って発振し、入射ポンプパワーＰ０は非線
形位相シフトによってこの発振周期に影響を与え、周波数変換光ファイバの末尾から出力
されるのは周波数３逓倍パワーの発振のピーク値又は谷値、又はそれらの間のいずれかの
値である可能性があり、したがって、いくつかの最適な入射ポンプパワー値が存在する。
図７のように周波数３逓倍出力効率はＰ０＝１７９４ＷとＰ０＝２７５９Ｗでそれぞれ極
値に達する。図６と比較すると、光波作用長は４倍に増加しているものの、伝搬方向に沿
った周波数３逓倍の発振は全体の周波数変換効果を制限し、変換効率は２％未満である。
且つ、長さ１２ｍｍのマイクロ－ナノ光ファイバは製造難度が著しく高くなり、全体とし
て脆弱で切断しやすくなり、逓倍周波数システムのロバスト性に影響を与える。
図８はマイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝１、長さＬ＝１００ｍｍにおける周
波数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図である。図７と比較すると、作用長がよ
り長いため、周波数３逓倍パワーの発振が顕著になり、極値点が多く出現し、Ｐ０＝２２
４６Ｗでは４％の最大変換効率が得られる。この場合、マイクロ－ナノ光ファイバ表面の
ランダムな粗さの影響は非常に深刻であり、周波数３逓倍パワーと入射ポンプパワーとの
関係は規則的ではなく、入射ポンプパワーを増大させた後の周波数３逓倍の出力効果がど
のようになるかを予測することができず、周波数変換過程には明らかな規則がなく、操作
が困難である。
図９はマイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝４、各セグメントの長さＬ＝３ｍｍ
における周波数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係図である。曲線には３つの主極
大値が現れ、しかも前記主極大値はポンプパワーの増大に伴って増大し、それぞれ、Ｐ０
＝９３５Ｗではηｏｕｔｐｕｔ＝２．６２％であり、Ｐ０＝１８６９Ｗではηｏｕｔｐｕ
ｔ＝８．８９％であり、Ｐ０＝２８１９Ｗではηｏｕｔｐｕｔ＝１２．５１％である。２
つの主極大値の間に２つの副極大値が存在する。この過程は、異なるマイクロ－ナノ光フ
ァイバで生成された周波数３逓倍信号がシステムの出力端に重畳されてマルチビーム干渉
現象が発生し、各周波数３逓倍信号間の位相が同じ場合干渉強化が発生し、各周波数３逓
倍信号間の位相が逆の場合干渉弱化が発生するものと理解することができる。
図６と図９を比較すると、同じ短尺の周波数変換光ファイバをカスケード接続することに
より、周波数３逓倍変換効率を非常に大幅に向上できることが分かり、図７、図８、図９
を比較すると、長尺のマイクロ－ナノ光ファイバをいくつかに等分してからカスケード接
続することにより、全体の周波数変換効率を向上させることができ、周波数３逓倍信号は
規則的で操作が容易であることが分かる。カスケード接続された各セグメントのマイクロ
－ナノ光ファイバで生成された周波数３逓倍光はコヒーレントに重畳され、周波数３逓倍
信号の全体的な出力特性はマルチビーム干渉特性に依存し、各セグメントのマイクロ－ナ
ノ光ファイバの表面粗さによるランダムな影響を低減する。
なお、図９において、４セグメントの周波数変換光ファイバは完全に同じであるが、理想
的な場合にすぎず、どのような光ファイバ製造機器にも製造誤差が存在し、また製造する
ごとにランダムな要素の影響があり、完全に均一な複数の周波数変換光ファイバ又は導波
光ファイバを製造することは不可能であるためである。実際の製造誤差を考慮した場合の
効果は図１０を参照すればよく、図１０はマイクロ－ナノ光ファイバのセグメント数Ｎ＝
４、セグメントごとに様々なランダムな直径変動があり、長さが順に２．７ｍｍ／３ｍｍ
／３．１ｍｍ／３．２ｍｍである場合の周波数３逓倍変換効率－入射ポンプパワーの関係
図である。各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバが製造誤差によりわずかに異なる場
合、主極大値の大きさは変化するが、周波数３逓倍信号の法則には明らかな変化が見られ
ないことが認められる。以上から、本出願で提供される光周波数変換方法は、システムデ
バイスの製造誤差に対してより高い許容度を有するため、カスケード光ファイバをより容
易に得ることができる。
理解を容易にするために、図３を参照して、本出願では、光周波数変換装置の実施例も提
供されており、
第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光ファイバとを、各セグメントの
マイクロ－ナノ光ファイバの先頭と末尾に導波光ファイバが接続されるように順次接続し
てカスケード光ファイバを得るための接続モジュール３０１と、
カスケード光ファイバの入力端にポンプ光源をアクセスし、ポンプ光源によってカスケー
ド光ファイバに基本周波数ポンプ光信号を入力するためのアクセスモジュール３０２と、
カスケード光ファイバの出力端において、光周波数変換された周波数３逓倍信号を取得す
るための取得モジュール３０３であって、
ここで、各セグメントのマイクロ－ナノ光ファイバの長さは、基本周波数ポンプ光信号と
周波数３逓倍信号とのコヒーレンス長以下である取得モジュール３０３と、
カスケード光ファイバから出力される３逓倍光信号が主極大値であるか否かを判断し、干
渉主極大値ではない場合、３逓倍光信号がマルチビーム干渉主極大値に達するまで、基本
周波数ポンプ光信号のパワーを調整するための判断モジュール３０４と、
予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて、マイクロ－ナ
ノ光ファイバを製造するための製造モジュール３０５と、
光ファイバ混合導波モードの固有方程式を確立するための確立モジュール３０６と、
固有方程式を求解して、異なるモードの有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係を得
るための求解モジュール３０７と、
有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係に基づいて、基本周波数基本モードと周波数
３逓倍高次モードとの位相整合を満たす光ファイバコアの直径を予め設定された光ファイ
バ径とするための選択モジュール３０８と、
マイクロ－ナノ光ファイバの製造精度及びポンプ光源の光パワー範囲に基づいて、予め設
定された光ファイバ径を補正するための補正モジュール３０９と、
マイクロ－ナノ光ファイバにおけるポンプ光源のポンプ光と３逓倍光との伝搬定数の不整
合量に基づいて、ポンプ光と３逓倍光とのコヒーレンス長を算出するための算出モジュー
ル３１０と、
コヒーレンス長以下の光ファイバ長を予め設定された光ファイバ長として決定するための
決定モジュール３１１とを含む。
本出願では、さらに、
プロセッサ及びメモリを含み、
メモリは、プログラムコードを記憶し、プログラムコードをプロセッサに伝搬し、
プロセッサは、プログラムコード中の命令に従って、前述した光周波数変換方法の実施例
における光周波数変換方法を実行する光周波数変換機器を提供する。
本出願で提供されるいくつかの実施例では、開示された装置及び方法は、他の形態によっ
て実現されてもよいことが理解すべきである。例えば、上述した装置の実施例は単なる模
式的なものに過ぎず、例えば、前記ユニットの区分は、単なる論理的機能による区分であ
り、実際に実現する際には、複数のユニット又はコンポーネントが他のシステムに結合又
は集積されてもよく、又はいくつかの特徴が無視されてもよく、又は実行されなくてもよ
いなど、他の区分が実装されてもよい。別の点では、表示又は説明されている相互の結合
又は直接結合又は通信接続は、いくつかのインターフェース、装置又はユニットを介した
間接的結合又は通信接続であってもよいし、電気的、機械的、又は他の形態であってもよ
い。
前記分離された部材として説明されるユニットは、物理的に分離されていてもよく、物理
的に分離されていなくてもよく、ユニットとして表示される部材は、物理的なユニットで
あってもよく、物理的なユニットでなくてもよく、すなわち、１つの場所に配置されてい
てもよく、複数のネットワークユニットに分散されていてもよい。これらのユニットの一
部又は全部は、実際の必要に基づいて、本実施例の態様の目的を達成するために選択され
てもよい。
また、本出願の様々な実施例における各機能ユニットは、１つの処理ユニットに集積され
ていてもよいし、個々のユニットは物理的に単独で存在していてもよいし、２つ以上のユ
ニットは１つのユニットに集積されていてもよい。上記集積ユニットは、ハードウェアの
形態で実現されてもよいし、ソフトウェア機能ユニットの形態で実現されてもよい。
前記集積ユニットは、ソフトウェア機能ユニットの形態で実現され、独立した製品として
販売又は使用される場合、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶することができる
。このような理解に基づいて、。本出願の技術案の本質的若しくは先行技術に対する貢献
の部分又は当該技術案の全部若しくは一部は、ソフトウェア製品の形態で具現化されても
よく、このコンピュータソフトウェア製品は、記憶媒体に記憶され、コンピュータ機器（
パーソナルコンピュータ、サーバ、又はネットワーク機器などであってもよい）を介して
、本出願の様々な実施例に記載の方法のステップの全部又は一部を実行するためのいくつ
かの命令を含む。一方、前記記憶媒体は、ＵＳＢメモリ、リムーバブルハードディスク、
読み取り専用メモリ（英語のフルネーム：Ｒｅａｄ－Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ、英語の略
語：ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（英語のフルネーム：Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓ
ｓ Ｍｅｍｏｒｙ、英語の略語：ＲＡＭ）、磁気ディスク又は光ディスク等、プログラム
コードを記憶可能な各種媒体を含む。
上記のように、以上の実施例は、本出願の技術案を説明するために過ぎず、それを限定す
るものではなく、前述の実施例を参照して本出願について詳細な説明を行ったが、当業者
が理解できるように、前述各実施例に記載の技術案を補正したり、その中の一部の技術的
特徴を均等に置換したりすることが可能であり、これらの補正又は置換は、対応する技術
案の本質を本出願の各実施例の技術案の精神及び範囲から逸脱させることはない。

Claims (10)

  1. 光周波数変換方法であって、
    第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光ファイバとを、各セグメントの
    前記マイクロ－ナノ光ファイバの先頭と末尾に前記導波光ファイバが接続されるように順
    次接続して、カスケード光ファイバを得るステップと、
    前記カスケード光ファイバの入力端にポンプ光源をアクセスし、前記ポンプ光源によって
    前記カスケード光ファイバに基本周波数ポンプ光信号を入力するステップと、
    前記カスケード光ファイバの出力端において、光周波数変換された周波数３逓倍信号を取
    得するステップと、
    周波数３逓倍光信号がマルチビーム干渉主極大値であるか否かを判断し、干渉主極大値で
    はない場合、前記周波数３逓倍光信号が前記マルチビーム干渉主極大値に達するまで、前
    記基本周波数ポンプ光信号のパワーを調整するステップとを含み、
    各セグメントの前記マイクロ－ナノ光ファイバの長さは、前記基本周波数ポンプ光信号と
    前記周波数３逓倍信号とのコヒーレンス長以下である、ことを特徴とする光周波数変換方
    法。
  2. 予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて前記マイクロ－
    ナノ光ファイバを製造するステップをさらに含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光
    周波数変換方法。
  3. 予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて前記マイクロ－
    ナノ光ファイバを製造する前記ステップの前に、
    光ファイバ混合導波モードの固有方程式を確立するステップと、
    前記固有方程式を求解して、異なるモードの有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係
    を得るステップと、
    前記有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係に基づいて、基本周波数基本モードと周
    波数３逓倍高次モードとの位相整合を満たす光ファイバコアの直径を予め設定された光フ
    ァイバ径とするステップとを含む、ことを特徴とする請求項２に記載の光周波数変換方法
    。
  4. 前記マイクロ－ナノ光ファイバの製造精度及び前記ポンプ光源の光パワー範囲に基づいて
    、前記予め設定された光ファイバ径を補正するステップをさらに含む、ことを特徴とする
    請求項３に記載の光周波数変換方法。
  5. 予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて、前記マイクロ
    －ナノ光ファイバを製造する前記ステップの前に、
    前記マイクロ－ナノ光ファイバにおける前記ポンプ光源のポンプ光と周波数３逓倍光との
    伝搬定数の不整合量に基づいて、前記ポンプ光と前記周波数３逓倍光とのコヒーレンス長
    を算出するステップと、
    前記コヒーレンス長以下の光ファイバ長を前記予め設定された光ファイバ長として決定す
    るステップとをさらに含む、ことを特徴とする請求項２に記載の光周波数変換方法。
  6. 前記予め設定された光ファイバ径の範囲は７６５．５ｎｍ～７６７ｎｍである、ことを特
    徴とする請求項１に記載の光周波数変換方法。
  7. 前記予め設定された光ファイバ長は３ｍｍである、ことを特徴とする請求項１に記載の光
    周波数変換方法。
  8. 光周波数変換装置であって、
    第１の数のマイクロ－ナノ光ファイバと第２の数の導波光ファイバとを、各セグメントの
    前記マイクロ－ナノ光ファイバの先頭と末尾に前記導波光ファイバが接続されるように順
    次接続してカスケード光ファイバを得るための接続モジュールと、
    前記カスケード光ファイバの入力端にポンプ光源をアクセスし、前記ポンプ光源によって
    前記カスケード光ファイバに基本周波数ポンプ光信号を入力するためのアクセスモジュー
    ルと、
    前記カスケード光ファイバの出力端において、光周波数変換された周波数３逓倍信号を取
    得するための取得モジュールと、
    周波数３逓倍光信号がマルチビーム干渉主極大値であるか否かを判断し、干渉主極大値で
    はない場合、前記周波数３逓倍光信号が前記マルチビーム干渉主極大値に達するまで、前
    記基本周波数ポンプ光信号のパワーを調整するための判断モジュールとを含み、
    各セグメントの前記マイクロ－ナノ光ファイバの長さは、前記基本周波数ポンプ光信号と
    前記周波数３逓倍信号とのコヒーレンス長以下である、ことを特徴とする光周波数変換装
    置。
  9. 予め設定された光ファイバ径及び予め設定された光ファイバ長に基づいて、前記マイクロ
    －ナノ光ファイバを製造するための製造モジュールと、
    光ファイバ混合導波モードの固有方程式を確立するための確立モジュールと、
    固有方程式を求解して、異なるモードの有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係を得
    るための求解モジュールと、
    前記有効屈折率と光ファイバコアの直径との関係に基づいて、基本周波数基本モードと周
    波数３逓倍高次モードとの位相整合を満たす光ファイバコアの直径を予め設定された光フ
    ァイバ径とするための選択モジュールと、
    前記マイクロ－ナノ光ファイバの製造精度及び前記ポンプ光源の光パワー範囲に基づいて
    、前記予め設定された光ファイバ径を補正するための補正モジュールと、
    前記マイクロ－ナノ光ファイバにおける前記ポンプ光源のポンプ光と周波数３逓倍光との
    伝搬定数の不整合量に基づいて、前記ポンプ光と前記周波数３逓倍光とのコヒーレンス長
    を算出するための算出モジュールと、
    前記コヒーレンス長以下の光ファイバ長を前記予め設定された光ファイバ長として決定す
    るための決定モジュールとを含む、ことを特徴とする請求項８に記載の光周波数変換装置
    。
  10. 光周波数変換機器であって、
    プロセッサ及びメモリを含み、
    前記メモリは、プログラムコードを記憶し、前記プログラムコードを前記プロセッサに伝
    搬し、
    前記プロセッサは、前記プログラムコード中の命令に従って、請求項１～７のいずれかに
    記載の光周波数変換方法を実行する、ことを特徴とする光周波数変換機器。
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