JP3527984B2 - 非線形光ファイバの共振型非線形性測定方法及び共振型非線形性測定装置 - Google Patents

非線形光ファイバの共振型非線形性測定方法及び共振型非線形性測定装置

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JP3527984B2 JP2001401459A JP2001401459A JP3527984B2 JP 3527984 B2 JP3527984 B2 JP 3527984B2 JP 2001401459 A JP2001401459 A JP 2001401459A JP 2001401459 A JP2001401459 A JP 2001401459A JP 3527984 B2 JP3527984 B2 JP 3527984B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一対の光ファイバ
長周期格子間に非線形光ファイバを配して共振型非線形
性を測定する方法に関し、詳しくは光ファイバの非線形
光学的特性を容易に正確に測定できる非線形光ファイバ
の共振型非線形性測定方法及び共振型非線形性測定装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】最近、光通信分野においては非線形光フ
ァイバの共振型非線形性を用いた光電スイッチング素子
に対する研究が活発に行われている。ここで、共振型非
線形性とは光ファイバに添加された非線形材料の光吸収
帯域の光を発光するポンピング光源により光通信帯域で
非線形性を得ることを言う。この研究において、光ファ
イバの非線形性の測定は基本的に行われなければならな
い。
【０００３】従来、非線形光ファイバの共振型非線形性
を測定する方法として次のような方法が用いられてい
た。まず、パルス拡散を用いる方法がある。これは極め
て狭い周波数幅を有するパルスが非線形光ファイバを通
過するとき、そのパルスの幅が光ファイバの共振型非線
形性によって変わる特性を用いたものである。一般的に
パルス幅は光ファイバの非線形性により広がるのでパル
ス拡散と呼ばれており、パルス拡散の程度を測定するこ
とによって光ファイバの非線形性を測定することができ
る。そして、他の方法としてはポンピングプローブ方法
がある。この方法は広い周波数の帯域を走査することが
できるレーザを光源として、ポンピング光源の出力パワ
ーの変化に伴う広周波数帯域の光吸収変化に基づき、光
ファイバの非線形性を測定する方法である。この方法は
光ファイバのみならず、一般材料の非線形性を測定する
ためにも広く使用されている。
【０００４】その他の方法としては、マッハゼンダ干渉
計を用いる方法がある。これは光源を５０対５０に分け
て１つのビームは共振型非線形性が表れる光ファイバを
通過させ、残りのビームは共振型非線形性が表れない光
ファイバ及び位相変調器を通過させ、その後、２つのビ
ームを再び合わせたときに２つのビーム間に位相差が生
じるのを位相変調器で補償して非線形性を測定する方法
である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上述した方法は光ファ
イバ非線形性の測定に多く用いられる方法である。しか
し、これらの方法は次のような短所を有している。ま
ず、パルス拡散を用いる方法においては狭い周波数幅を
有するパルスが一番重要であり、このようなパルスを生
成することが容易でないことが問題である。そして、ポ
ンピングプローブ方法は広い周波数帯域を走査すること
ができる高価のレーザ光源がなければ適用できないとい
う問題がある。最後に、マッハゼンダ干渉計を用いる方
法は基本的に２つのビーム間の干渉現象を用いるので、
干渉が生じるように２つの光経路にある光部品等を良好
に配列しなければならず、比較的高価である位相変調器
を必要としている。
【０００６】本発明は斯かる事情に鑑みてなされたもの
であり、従来の非線形性を測定する方法の短所を解決
し、より安価で容易に非線形光ファイバの共振型非線形
性を測定することができる方法及び共振型非線形性測定
装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】第１発明の非線形光ファ
イバの共振型非線形性測定方法は、周期が同一である第
１光ファイバ長周期格子及び第２光ファイバ長周期格子
の間に非線形光ファイバを配して接続する過程と、共振
型非線形性を与えるポンピング光源と、前記非線形光フ
ァイバの非線形性を測定する波長光を発光する測定波長
光発光源とを前記第１光ファイバ長周期格子の端部に接
続する過程と、前記ポンピング光源及び測定波長光発光
源が発した光を前記第１光ファイバ長周期格子、前記非
線形光ファイバ及び第２光ファイバ長周期格子に通す過
程と、前記第１光ファイバ長周期格子及び第２光ファイ
バ長周期格子によって形成された前記波長光の干渉模様
の変化を、光スペクトル分析器により測定する過程とを
含むことを特徴とする。ここで、光ファイバ長周期格子
（long-period fiber gratings）とは、光ファイバコア
に数百μｍ（一般に１００〜５００μｍ）の周期（技術
的に長周期という）を有すべく一定の屈折率の変化又は
変形を与えたものをいう。
【０００８】第２発明の非線形光ファイバの共振型非線
形性測定方法は、第１発明において、前記第１光ファイ
バ長周期格子及び第２光ファイバ長周期格子は、格子用
光ファイバに刻んで形成してあることを特徴とする。
【０００９】第３発明の非線形光ファイバの共振型非線
形性測定方法は、第１発明において、前記第１光ファイ
バ長周期格子及び第２光ファイバ長周期格子は、前記非
線形光ファイバの両端部に刻んで形成してある請求項１
記載の非線形光ファイバの共振型非線形性測定方法。
【００１０】第４発明の非線形光ファイバの共振型非線
形性測定方法は、第１乃至第３発明のいずれかにおい
て、前記非線形性を測定する波長光の帯域を、前記第１
光ファイバ長周期格子及び第２光ファイバ長周期格子と
非線形光ファイバとの屈折率の差に基づいて変えるか、
又は、前記第１光ファイバ長周期格子及び第２光ファイ
バ長周期格子の格子周期を変化させて変えることを特徴
とする。
【００１１】第５発明の非線形光ファイバの共振型非線
形性測定方法は、第１乃至第４発明のいずれかにおい
て、前記第１光ファイバ長周期格子、第２光ファイバ長
周期格子及び非線形光ファイバは、ガラス又はポリマー
からなることを特徴とする。
【００１２】第６発明の非線形光ファイバの共振型非線
形性測定装置は、その間に非線形光ファイバを配すべく
なしてあり、周期が同一である一対の第１光ファイバ長
周期格子及び第２光ファイバ長周期格子と、前記非線形
光ファイバに共振型非線形性を与えるポンピング光源
と、前記非線形光ファイバの非線形性を測定する波長光
を発光する測定波長光発光源と、前記ポンピング光源及
び測定波長光発光源が発する光を分離又は結合すべくな
してあり、前記第１光ファイバ長周期格子及び第２光フ
ァイバ長周期格子の外側端部に夫々接続される第１波長
分割器及び第２波長分割器と、該第２波長分割器に接続
してあり、前記第１光ファイバ長周期格子及び第２光フ
ァイバ長周期格子によって形成された前記波長光の干渉
模様の変化を測定する光スペクトル分析器とを備えるこ
とを特徴とする。
【００１３】本発明に係る一対の光ファイバ長周期格子
間に非線形光ファイバを配して共振型非線形性を測定す
る方法による場合、次のような利点がある。本発明は、
既存のマッハゼンダ干渉計のように光の干渉現象を用い
ているが光の干渉が一対の光ファイバ長周期格子によっ
て容易に生じるという長所を有する。また、共振型非線
形性を測定するためにポンピングビームを用いており、
非線形性はこのポンピングビームによって生じ、熱的効
果によって生じるのが抑制されているので、非線形光フ
ァイバの共振型非線形性をより正確に測定することがで
きる。従って、簡単または経済的な方法で、非線形光フ
ァイバの共振型非線形性を測定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づき具体的に説明する。本発明は光ファイ
バのコアを通過する光が光ファイバ長周期格子対の一番
目の長周期格子において一部はコアで進行し、残りはク
ラッドで進行し、二番目の長周期格子においてコアとク
ラッドとで進行した光が出会って干渉が生じ、コアで進
行する特性を用いるものであり(B.H. Lee and J. Nishi
i, "Bending sensitivity of in-series long-period f
iber gratings," Opt. Lett., vol.23, No.20,pp. 1624
-1626, 1998) 、光ファイバ長周期格子対間に非線形光
ファイバを配し、光ファイバ長周期格子に影響を与えな
いポンピング光源による非線形光ファイバの非線形性
(M.J.F. Dig'onnet, R.W. sadowski, H.J. Shaw, and
R.H. Pantell, "Resonantly Enhanced Nonlinearity in
doped fibers for Low-Power All-Optical Switching:
A Review," Opt. Fiber Technol., vol. 3, pp.44-64,
1997)を干渉模様の変化により測定するものである。
【００１５】図１は、本発明の実施の形態に係る一対の
光ファイバ長周期格子を備える非線形光ファイバの共振
型非線形性測定装置の構成を示す模式図である。図１に
示したように、この非線形光ファイバの共振型非線形性
測定装置においては、周期が同一である２つの第１光フ
ァイバ長周期格子１０ａと第２光ファイバ長周期格子１
０ｂとの間に非線形性を測定しようとする非線形光ファ
イバ２０を溶融光ファイバ接着器を用いて連結し、第１
光ファイバ長周期格子１０ａの端部にポンピング光源３
０及び非線形性を測定しようとする波長光を発光する測
定波長光発光源４０から発光した光を分離又は結合させ
ることが可能である第１波長分割器５０ａを連結して、
第１波長分割器（ＷＤＭ）５０ａの入力端にポンピング
光源３０と測定波長光発光源４０とを接続してある。そ
して、非線形性を測定しようとする光が出射する非線形
光ファイバ２０の出力端に第２波長分割器５０ｂを接続
し、第２波長分割器５０ｂに接続された光スペクトル分
析器（ＯＳＡ）６０により、ポンピング光源３０に依存
する一対の第１，第２光ファイバ長周期格子１０ａ，１
０ｂによって形成された干渉模様の変化に対する情報を
得て、この情報から光ファイバの非線形性を求めること
になる。
【００１６】即ち、一対の第１，第２光ファイバ長周期
格子１０ａ，１０ｂの格子周期に変化を与えるポンピン
グ光源３０と非線形性を測定しようとする波長光を発光
する測定波長光発光源４０とが発する光を分離又は結合
できる第１，２波長分割器５０ａ，５０ｂを通して、非
線形光ファイバ２０の共振型非線形性を示す波長領域で
測定する。このとき、λ1 は非線形性を測定しようとす
る光の波長であり、λ2 は共振型非線形性を起こさせる
ために与えるポンピング光源３０が発する光の波長であ
る。ＬＤ（レーザダイオード）はポンピング用光源３０
に備えられており、第１，２波長分割器５０ａ，５０ｂ
はλ1 及びλ2 の波長のビーム等を分割したり、結合す
る役割を果たす。光スペクトル分析器６０は第１光ファ
イバ長周期格子１０ａ及び第２光ファイバ長周期格子１
０ｂによって形成されたλ1 領域の光スペクトルを示
す。ここで、第１，第２光ファイバ長周期格子１０ａ，
１０ｂ及び非線形光ファイバ２０はガラス又はポリマー
材料から構成することができる。
【００１７】具体的にポンピング光源３０による非線形
光ファイバ２０の非線形を測定する方法を以下に示す。
図１に示したように、一対の第１，第２光ファイバ長周
期格子１０ａ，１０ｂ間に非線形光ファイバ２０を配
し、ポンピング光源３０の強さを変化させると図２に示
すような干渉模様の移動を光スペクトル分析器６０を通
して得ることができ、ここで消滅干渉が生じた部分の波
長（λp ）、その移動変化（Δλ）、干渉模様の間隔
（Ｓ）、そして非線形光ファイバ２０の長さ（Ｌ）を次
式（１）に代入することによりポンピング光源３０によ
る非線形光ファイバ２０のコアでの有効屈折率変化（Δ
ｎeff core）を算出することができる（T.J. Ahn, B.H.
Kim,B.H. Lee, Y. Chung, U.C. Paek, and W.T. Han,
"Measurement of refractiveindex change upon UV ir
radiation of optical fiber using a LPG pair," Opto
electronics and Communications Conference 2000 Tec
hnical Digest, 2000,12P-45）。
【００１８】
【数１】
【００１９】この有効屈折率変化はポンピング光源３０
によって示される非線形性であり、これを用いて非線形
屈折率係数（ｎ2 ）が次式（２）により求められる（G.
P. Agrawal, "Nonlinear Fiber Optics, "Academic pre
ss, San Diego, 1995 ）。
【００２０】
【数２】
【００２１】ここで、Ｌeff は長さがＬであり、ポンピ
ング光源３０の波長からαpumpの吸収係数を有する非線
形光ファイバ２０の有効長さであって、次式（３）によ
り求められる。
【００２２】
【数３】
【００２３】また、ＰpumpとＡeff はそれぞれ非線形光
ファイバ２０に吸収されたポンピングパワー、非線形光
ファイバ２０のコアの有効断面積である。そして、ｂは
ポンピング光源３０及び非線形性を測定しようとする波
長光を発光する測定定波長光発光源４０の偏光状態に依
存する定数であり、任意の偏光を有する光ファイバでは
２／３であり、２つの光源の偏光が一致して維持される
光ファイバでは最大値としての１である。
【００２４】本発明の実施例において、一対の第１，第
２光ファイバ長周期格子１０ａ，１０ｂは非線形性を測
定しようとする帯域では干渉模様を生ぜしめるが、ポン
ピング光源３０の帯域では干渉模様を生ぜしめないよう
にする。または、ポンピング光源３０の波長は非線形光
ファイバ２０の光吸収帯域に一致させてもよい。例え
ば、６３２．８ｎｍの波長でコアとクラッドとの屈折率
の差が０．０１である格子用ガラス光ファイバに約１０
ｃｍの間隔を隔てて、それぞれ約２ｃｍにわたって２０
０μｍの周期を有する格子を振幅マスク（Amplitude Ma
sk）とＵＶレーザ（２４８ｎｍ）とを用いて刻んだ場
合、１５８０ｎｍ近傍で干渉模様が形成される。また、
Ｙｂ3+ が添加された非線形光ファイバ２０を用いる場
合、９８０ｎｍ近傍に光吸収帯域を有するので、Ｙｂ3+
が添加された非線形光ファイバ２０はポンピング光源
３０として９８０ｎｍのＬＤを用いてもよい。従って、
図１に示した第１，２波長分割器５０ａ，５０ｂは９８
０ｎｍの波長の光と１５８０の波長の光とを分離または
結合できる。一方、ポンピング光源３０の強さに依存す
る一対の第１，第２光ファイバ長周期格子１０ａ，１０
ｂによって形成された干渉模様の移動を光スペクトル分
析器６０で観測することになり、このとき、光スペクト
ル分析器６０の波長分解能によって測定結果の誤差が決
まるので、正確な測定のためには光スペクトル分析器６
０の分解能を最良にしなければならない。
【００２５】本発明は非線形光ファイバの共振型非線形
性を測定するために適切な方法であって、非線形光ファ
イバ２０の製作及びこれを用いた光素子の開発に用いら
れる。また、本発明の基本的な原理は非線形光ファイバ
２０の非線形性を一対の第１，第２光ファイバ長周期格
子１０ａ，１０ｂを用いて測定することにあり、上述し
た非線形光ファイバ２０を長周期格子が刻まれた二つの
光ファイバ間に配置する場合に限定されず、非線形光フ
ァイバ２０自体に一対の第１長周期格子１０ａ及び第２
長周期格子１０ｂを刻んで測定することにしてもよい。
【００２６】
【実施例】以下、本発明をその実施例に基づき詳細に説
明するが、本発明は下記の実施例のみに限定されるもの
ではない。 ［実施例］図１において、Ｙｂ3+ が添加された１６．
７ｃｍの非線形光ファイバ２０をコーティングを除き、
１５８０ｎｍに干渉模様を形成させる一対の第１，第２
光ファイバ長周期格子１０ａ，１０ｂ間に溶融接着器を
用いた接着により連結する。Ｙｂ3+ が添加された光フ
ァイバ２０に対して９８０ｎｍの波長の光を発光するポ
ンピング光源３０をＯｍＷから２２ｍＷまで変化させ
て、１５５０ｎｍを中心波長として有する広帯域の波長
光を発光する測定波長光発光源４０を用いて、１５８０
ｎｍ近傍で形成された干渉模様の移動を観察する。この
とき、光スペクトル分析器６０の分解能は０．０５ｎｍ
であった。
【００２７】ポンピング光源３０の強さに従う干渉模様
の移動現象を図２に示す。このとき、消滅干渉が著しく
生じた１５８０ｎｍ近傍の３つの波長などにおけるポン
ピング光源３０の強さに従う波長の移動を図３に示す。
図４はこれらの３つの波長の移動変化の平均を用いて式
（１）により算出したＹｂ3+ が添加された非線形光フ
ァイバ２０のコアでの有効屈折率変化を示したグラフで
ある。また、図５は、有効屈折率変化から式（２）によ
り求められる非線形屈折率係数を示したグラフである。
【００２８】［比較例１］図１の非線形光ファイバ２０
の位置に共振型非線形性がない１４．８ｃｍの常用単一
モード光ファイバを配置し、他の条件は実施例と同一に
した場合の、ポンピング光源３０の強さに従う１５８０
ｎｍ近傍の３つの波長の移動変化の平均値により求めた
有効屈折率の変化を図４のグラフに示す。
【００２９】［比較例２］図１の非線形光ファイバ２０
の位置に共振型非線形性がない１３ｃｍの格子用光ファ
イバを配置し、他の条件は実施例と同一にした場合の、
ポンピング光源３０の強さに従う１５８０ｎｍ近傍の３
つの波長の移動変化の平均値により求めた有効屈折率の
変化を図４のグラフに示す。上述した結果より、本発明
が提案した方法を用いて非線形性が大きい光ファイバ及
び非線形性が極めて小さい光ファイバに対して共振型非
線形性を測定した場合、非線形性が大きい光ファイバに
おいてポンピング光源３０に従う顕著な非線形性を示す
ことが判る。しかしながら、共振型非線形性が殆どない
格子用光ファイバ、又は常用単一モード光ファイバにお
いてはポンピング光源３０に従う光ファイバ２０のコア
での非線形性が殆ど表れないことが判る。
【００３０】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る一対の光フ
ァイバ長周期格子間に非線形光ファイバを配して共振型
非線形性を測定する方法による場合、次のような利点が
ある。本発明は、既存のマッハゼンダ干渉計のように光
の干渉現象を用いているが光の干渉が一対の光ファイバ
長周期格子によって容易に生じるという長所を有する。
また、共振型非線形性を測定するためにポンピングビー
ムを用いており、非線形性はこのポンピングビームによ
って生じ、熱的効果によって生じるのが抑制されている
ので、非線形光ファイバの共振型非線形性をより正確に
測定することができる。従って、簡単または経済的な方
法で、非線形光ファイバの共振型非線形性を測定するこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る一対の光ファイバ長
周期格子を備える非線形光ファイバの共振型非線形性測
定装置の構成を示す模式図である。
【図２】本発明の共振型非線形性測定装置にＹｂ3+ が
添加された非線形光ファイバを配し、９８０ｎｍの波長
を有するポンピング光源のパワーを変えた場合に、一対
の光ファイバ長周期格子対によって形成された１５８０
ｎｍ近傍の干渉模様の移動を調べた結果を示したグラフ
である。
【図３】図２で示す干渉模様で消滅干渉が生じた波長の
うち、３つの波長についてのポンピング光源のパワーに
従う波長の移動を示したグラフである。
【図４】本発明の共振型非線形測定装置に非線形光ファ
イバ、格子用光ファイバ及び常用単一モード光ファイバ
を配した場合に、９８０ｎｍのポンピング光源のパワー
に従って表れる干渉模様の移動変化を調べて求めた有効
屈折率変化を示したグラフである。
【図５】本発明の共振型非線形装置にＹｂ3+ が添加さ
れた非線形光ファイバを配した場合に、９８０ｎｍのポ
ンプパワーに従う干渉模様の移動変化を調べて算出した
非線形屈折率係数を示したグラフである。
【符号の説明】
１０ａ 第１光ファイバ長周期格子 １０ｂ 第２光ファイバ長周期格子 ２０ 非線形光ファイバ ３０ ポンピング光源 ４０ 測定波長光発光源 ５０ａ 第１波長分割器 ５０ｂ 第２波長分割器 ６０ 光スペクトル分析
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01M 11/00 - 11/02 G01J 1/00 G02B 6/00 G02F 1/365 - 1/39 H04B 10/08 H04B 17/00 - 17/02

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 周期が同一である第１光ファイバ長周期
    格子及び第２光ファイバ長周期格子の間に非線形光ファ
    イバを配して接続する過程と、共振型非線形性を与える
    ポンピング光源と、前記非線形光ファイバの非線形性を
    測定する波長光を発光する測定波長光発光源とを前記第
    １光ファイバ長周期格子の端部に接続する過程と、前記
    ポンピング光源及び測定波長光発光源が発した光を前記
    第１光ファイバ長周期格子、前記非線形光ファイバ及び
    第２光ファイバ長周期格子に通す過程と、前記第１光フ
    ァイバ長周期格子及び第２光ファイバ長周期格子によっ
    て形成された前記波長光の干渉模様の変化を、光スペク
    トル分析器により測定する過程とを含むことを特徴とす
    る非線形光ファイバの共振型非線形性測定方法。
  2. 【請求項２】 前記第１光ファイバ長周期格子及び第２
    光ファイバ長周期格子は、格子用光ファイバに刻んで形
    成してある請求項１記載の非線形光ファイバの共振型非
    線形性測定方法。
  3. 【請求項３】 前記第１光ファイバ長周期格子及び第２
    光ファイバ長周期格子は、前記非線形光ファイバの両端
    部に刻んで形成してある請求項１記載の非線形光ファイ
    バの共振型非線形性測定方法。
  4. 【請求項４】 前記非線形性を測定する波長光の帯域
    を、前記第１光ファイバ長周期格子及び第２光ファイバ
    長周期格子と非線形光ファイバとの屈折率の差に基づい
    て変えるか、又は、前記第１光ファイバ長周期格子及び
    第２光ファイバ長周期格子の格子周期を変化させて変え
    る請求項１乃至３のいずれかに記載の非線形光ファイバ
    の共振型非線形性測定方法。
  5. 【請求項５】 前記第１光ファイバ長周期格子、第２光
    ファイバ長周期格子及び非線形光ファイバは、ガラス又
    はポリマーからなる請求項１乃至４のいずれかに記載の
    非線形光ファイバの共振型非線形性測定方法。
  6. 【請求項６】 その間に非線形光ファイバを配すべくな
    してあり、周期が同一である一対の第１光ファイバ長周
    期格子及び第２光ファイバ長周期格子と、前記非線形光
    ファイバに共振型非線形性を与えるポンピング光源と、
    前記非線形光ファイバの非線形性を測定する波長光を発
    光する測定波長光発光源と、前記ポンピング光源及び測
    定波長光発光源が発する光を分離又は結合すべくなして
    あり、前記第１光ファイバ長周期格子及び第２光ファイ
    バ長周期格子の外側端部に夫々接続される第１波長分割
    器及び第２波長分割器と、該第２波長分割器に接続して
    あり、前記第１光ファイバ長周期格子及び第２光ファイ
    バ長周期格子によって形成された前記波長光の干渉模様
    の変化を測定する光スペクトル分析器とを備えることを
    特徴とする非線形光ファイバの共振型非線形性測定装
    置。
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