JP4913396B2 - 極短パルス光源 - Google Patents

Description

本発明は、光通信、光計測、材料加工、物理学等において用いる光圧縮器および極短パルス光源に関し、特に、光ファイバを用いてパルス光を圧縮し極短パルス光を生成する極短パルス光源に関する。

近年、光通信の高速化の要請に伴い、サブピコ秒等のパルス長の短い極短パルス光が必要となってきているが、電気回路の高速化の限界により極短パルス光を発生させることは困難になってきている。そのため、このような極短パルス光を、光ファイバの波長分散と非線形性を利用することで、パルス長を圧縮する光ファイバ圧縮器を用いて極短パルス光を発生する極短パルス光源が開発された。図１１は、上記の極短パルス光源の構成を概念的に示す図である。

図１１において、極短パルス光源１は、例えば数ピコ秒のパルス長のパルス光を出射するパルス光源１１と、パルス光源１１が出射したパルス光を光増幅するＥＤＦＡ（Er-Doped Fiber Amplifier）等の光増幅器１２と、光増幅したパルス光を圧縮する光ファイバ等からなる圧縮器１３とを備えるように構成される。

図１２は、圧縮器１３に用いる光ファイバの例を示す図である。圧縮器１３を構成する光ファイバとして、まず、ファイバ長手で波長分散が減少するＤＤＦ（Dispersion-Decreasing Fiber。例えば、非特許文献１参照。）、分散の異なる複数の光ファイバを用いてファイバ長手方向の分散プロファイルを変化させるＳＤＰＦ（Step-like Dispersion Profiled Fiber。例えば、非特許文献２参照。）、および分散の異なる2種類の光ファイバを用いてファイバ長手方向の分散プロファイルを変化させるＣＤＰＦ（Comb-like Dispersion Profiled Fiber。例えば、非特許文献３参照。）などの、光ファイバの波長分散と非線形性を利用する断熱ソリトン圧縮器がある。断熱ソリトン圧縮は基本ソリトンに光ファイバ中で緩やかな摂動を与え、非線形と分散の効果により光パルスを圧縮する方法であり、時間波形やスペクトル形状の劣化が少ない優れた圧縮方法である。ＤＤＦ方式は波長分散を緩やかに減少させることができるため、理想的な断熱ソリトン圧縮を行うことができる。しかしながら、波長分散が理想的に光ファイバ長手で減少するような光ファイバの作製は困難である。そこで、異なる波長分散を持つ複数の光ファイバを組み合わせてることにより、平均波長分散をファイバ長手で減少させ、近似的にＤＤＦプロファイルを実現するＳＤＰＦとＣＤＰＦが提案された。しかしながら、圧縮効率、製造の容易性等の観点から、非線形媒質としてＨＮＬＦ（Highly Non-Linear Fiber）の高い非線形性と、分散媒質としてＳＭＦ（Single Mode Fiber）の波長分散とを利用するＣＰＦ（Comb-like Profiled Fiber。例えば、非特許文献４参照。)を用いることがより好ましい。

上記の極短パルス光源１では、通常、光ファイバ内で偏光方向の変化が生じやすく、一般に直線偏向出力の光を得ることが困難である。そこで、偏光方向を保持させるために偏波保持材を有する光ファイバで圧縮器１３を作成する方法が開示されている（例えば、非特許文献１参照）。一方、図１３に示すように、モードロック型の極短パルス発振器において、ミラー付きファラデー回転子を用いて共振器内の偏光状態の変動を補償し、１つの偏光状態で動作する技術が開示された（例えば、非特許文献５参照）。

図１３において、極短パルス光源２は、励起光源２１と、ＷＤＭ（Wavelength Divisional Multiplexer）２２、ＥＤＦ３０、Polarizer２４、波長板２５、ミラー付きファラデー回転子２８、集光レンズ２７、ファラデー回転子２６、ミラー２９から構成される。励起光源２１はＷＤＭ２２を介してＥＤＦ３０を励起する。ミラー付きファラデー回転子２８は入射光に対して偏光を９０度回転した光を出力する。そして、ファラデー回転子２６とミラー付きファラデー回転子２８の間を往復することで、非偏波保持ファイバにおける偏光の変動が補償される。そのため、ファラデー回転子２８からの入力の直線偏向光に対して、垂直な直線偏向を有する光を得ることができる。

ケー．アール．タムラおよびエム．ナカザワ著：「偏波保持型分散フラット分散減少型パルス圧縮器からの５４フェムト秒１０ＧＨｚソリトンの発生」、オプティクス レター、２６巻、７６２頁、２００１年（K. R. Tamura and M. Nakazawa: "54-fs, 10-GHz soliton generation from a polarization-maintaining dispersion-flattened dispersion-decreasing fiber pulse compressor," Optical Letter, Vol.26, p.762, 2001.）。 エス．ヴィ．チェルニコフら著：「ソリトンパルスの発生および生成用の光ファイバ内のステップ状分散プロファイルの実験的実証」、エレクトロニクス レター、３０巻、４３３頁、１９９４（S.V. Chernikov et al.: "Experimental demonstration of step-like dispersion profiling in optical fibre for soliton pulse generation and compression," Electron. Letter, Vol.30, p.433, 1994.） エス．ヴィ．チェルニコフら著：「ソリトンパルス列発生用の櫛状分散プロファイルファイバ」、オプティクス レター、１９巻、５３９頁、１９９４（S.V. Chernikov et al.: "Comblike dispersion-profiled fiber for soliton pulse train generation", Opt. Lett., Vol.19, p.539, 1994.） ケー．イガラシら著：「高非線形ファイバを用いて平均分散を調節した櫛状分散プロファイルファイバを使用しての、超高品質ピュア１６０ＧＨｚサブピコ秒のソリトン列の発生」、CLEO2003、CMH7頁、２００３（K. Igarashi et al.: "Ultra-highly pure 160 GHz subpicosecond soliton train generation with average dispersion-managed comb-like dispersion profiled fiber using highly-nonlinear fiber," CLEO2003, CMH7, 2003.） エム．イー．ファーマンら著：「３６０ｆｓパルスを生成する、環境変動に強いカー効果型モードロックＥｒファイバレーザ」、オプティクス レター、１９巻、４３頁、１９９４（M. E. Fermann et al., "Environmentally Stable Kerr-type mode-lock erbium fiber laser producing 360-fs pulse", Optical Letter, Vol. 19, p.43, 1994.）

しかしながら、このような従来の光ファイバの波長分散と非線形性を利用して極短パルス光を発生する極短パルス光源では、偏波保持型の特殊な光ファイバでパルス圧縮器を構成すると、光ファイバが高価になるという問題がある。ここで、偏波保持型の特殊なファイバとは、パルス圧縮に最適な波長分散と非線形性を有するように製造された偏波保持型のファイバを意味し、通常のＳＭＦを偏波保持型にした偏波保持ファイバ（以下、ＰＭ−ＳＭＦ（Polarization Maintaining-SMF）という。）を意味するものではない。また、ＳＤＰＦやＣＤＰＦ，ＣＰＦのように異なる光ファイバを多段接続することでパルス圧縮する構成においては、コアの構造が異なることに加え接続の向きが限定される等のため接続が煩雑になること、偏波保持材を有する特殊な光ファイバが高価であること等の問題がある。また、接続の困難性の増大に伴い、特性の低下、特性のばらつきの増大、信頼性の低下等の問題が生ずる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、直線偏光出力の光パルスを得るために、偏波保持材を有する特殊な光ファイバと、その間の接続を必要としない極短パルス光源を提供するものである。

本発明に係る第１の態様は、光路上に配置され、光路中に２つの異なる方向から入射する光のうちの一方の方向から入射する光を通過させて前記光路中に出射し、他の方向から入射する光を別の光路に出射する光デバイスと、前記光デバイスを通過した光が入射する側に設けられ、入射したパルス光のスペクトルを広げるための光ファイバと、前記光ファイバの、前記光デバイスを通過した光が出射する側に設けられ、偏光方向を９０度変化させて前記光ファイバに戻す偏光回転手段と、を有するブランチを備え、更に前記光ファイバと前記偏光回転手段の間もしくは前記別の光路には、入射するパルス光のパルス時間幅を圧縮する別の光ファイバが設けられるとともに、トランスフォームリミットなパルス光を出射する光パルス発生器を有し、トランスフォームリミットなパルス光を前記光デバイスの入射端に入射することを特徴とする極短パルス光源である。

本発明に係る第２の態様は、第１の態様において、前記光デバイスが、ビームスプリッタもしくは、サーキュレータによって構成されることを特徴とする。

本発明に係る第３の態様は、第１の態様において、前記別の光路に設けられた前記別の光ファイバは、前記パルス光の偏光方向を保持する偏波保持光ファイバであることを特徴とする。

本発明に係る第４の態様は、第３の態様において、前記偏波保持光ファイバの出射端には、更に第二の前記ブランチが接続されていることを特徴とする。

本発明に係る第５の態様は、第３または第４の態様において、前記偏波保持光ファイバが、前記パルス光の偏光方向を保持する単一モード光ファイバによって構成されていることを特徴とする。

本発明に係る第６の態様は、第１の態様において、前記偏光回転手段が、前記パルス光が入射する面と反対側の面に反射鏡を有するミラー付きファラデー回転子によって構成されていることを特徴とする。

本発明に係る第７の態様は、第１乃至第４の態様のいずれか１つにおいて、前記ブランチを構成する前記光ファイバが、光学特性の非線形性を利用してパルス光のスペクトルを広げる高非線形ファイバを有することを特徴とする。

本発明に係る第８の態様は、第１乃至第４の態様のいずれか１つにおいて、前記ブランチを構成する前記光ファイバと前記偏光回転手段の間に設けられている前記別の光ファイバは単一モード光ファイバであり、各前記単一モード光ファイバが波長分散を利用してパルス光を圧縮することを特徴とする。

本発明に係る第９の態様は、第５の態様において、前記ブランチの前記光ファイバと前記偏光回転手段の間に接続された前記別の光ファイバが単一モード光ファイバであって、入射したパルス光が、前記単一モード光ファイバと前記偏波保持光ファイバとを交互に通過するように構成され、波長分散が通過経路で減少することを特徴とする。

本発明に係る第１０の態様は、第１の態様において、前記光パルス発生器と前記光デバイスの間には、前記光パルス発生器が出射した短パルス光を光増幅する光増幅器が接続されていることを特徴とする。

本発明に係る第１１の態様は、第１０の態様において、前記光パルス発生器がピコ秒台の短パルス光を出射することを特徴とする。

本発明は、光ファイバ内をパルス光が往復することによって非偏波保持ファイバ中の偏波を補償する構成を採用しているため、パルス圧縮用の特殊な偏波保持型の光ファイバを必要としない極短パルス光源を実現できる。

以下、本発明の実施の態様について、図面を用いて説明する。
図１は、本発明の第１の実施の態様の極短パルス光源のブロック構成を示す図である。図１において、極短パルス光源１００は、数ピコ秒程度のパルス長の短パルス光を光増幅して出射するパルス光源１１０と、パルス光源１１０から出射したパルス光を圧縮する光圧縮器１２０とを備えるように構成される。ここで、パルス光源１１０は、数ピコ秒程度のパルス長の短パルス光を出射する光パルス発生器１１１と、光パルス発生器１１１が出射した短パルス光を光増幅するＥＤＦＡ（Er-Doped Fiber Amplifier）等の光増幅器１１２とを有する。

図２は、図１の光パルス発生器１１１の構成の例を示す図である。図２の光パルス発生器は種パルス発生器１１４と、種パルス発生器１１４のチャープを補償するためのチャープ補償器１１３から構成される。種パルス発生器１１４は、直接変調型DFB-LD（Distributed Feedback Laser Diode）を100〜300 ps程度の電気パルスで利得スイッチすることで発生させる構成を持つ。利得スイッチして発生させた光パルスは、チャープを持つことがあるので、光パルスの各波長成分の光に所定の遅延時間を発生させパルスの時間波形を整えるチャープ補償器１１３を用いてチャープを補償し、トランスフォームリミットな光パルスにする。具体的には、分散補償光ファイバでチャープを補償するのがよい。以下、分散補償光ファイバが有するこの機能を分散補償という。

また、光パルス発生器１１１は、例えば、ＣＷ光を出射する波長可変光源（Tunable Light Source：ＴＬＳともいう。）、ＬＮ変調器および変調信号源を有し、波長可変光源が出射したＣＷ光をＬＮ変調器が変調信号源から出力された信号に応じて変調して所定のパルス長の短パルス光を出射する構成を有してもよい。ここで、光パルス発生器１１１が出射する光パルスのパルス長は、例えば数ピコ秒程度であるが、必要に応じてその他の長さでも良い。光パルス発生器１１１の構成は周知であるため、更なる説明を省略する。

光増幅器１１２は、光パルス発生器１１１から出力したパルス光の波長帯の光を光パルスに最適なパルスエネルギーまで増幅するものであり、必要に応じて用いればよい。例えば、ＥＤＦＡ等のファイバ増幅器、半導体光増幅器（Semiconductor Optical Amplifier：ＳＯＡ）等を用いることができる。

図３は、本発明の第１の実施の態様の光圧縮器のブロック構成を示す図である。図３において、光圧縮器１２０は、偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter：ＰＢＳ）１２１_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と、単位長さ当たりの非線形性が強いＨＮＬＦ（Highly Non-Linear Fiber）１２２_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、ＳＭＦ（Single Mode Fiber)１２３_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、ミラー付きファラデー回転子１２４_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と、入射した光の偏光方向を保持する偏波保持光ファイバ１２５_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とを有する。ここで、ｎは自然数である。

ここで、ＰＢＳ１２１_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、単位長さ当たりの非線形性が強いＨＮＬＦ１２２_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、ＳＭＦ１２３_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）、および、ミラー付きファラデー回転子１２４_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）によって構成される部分をｉ（ｉ＝１〜ｎ）番目のブランチというものとする。また、ｉ（ｉ＝１〜ｎ）番目のブランチと偏波保持光ファイバ１２５_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）によって構成される部分をｉ（ｉ＝１〜ｎ）番目の段というものとする。

各ＰＢＳ１２１_ｉは、光を直交する偏光方向分岐するようになっている。本発明では、ｉ番目のブランチは、後述するように、ｉ番目のブランチを戻ってくるパルス光の偏光方向が入射のとき偏光方向と相対的に９０度の角度をなすように構成される。そして、各ＰＢＳ１２１_ｉは、入射したパルス光を透過させてｉ番目のブランチに出射させ、ｉ番目のブランチを戻ってきたパルス光を反射して偏波保持光ファイバ１２５_ｉに出力するようになっている。

各ＨＮＬＦ１２２_ｉは、非線形定数が約20 /W/kmで、波長分散が約-0.2 ps/nm/kmのものを用いた。ＨＮＬＦ１２２_ｉは、非線形定数がファイバ内の光の進行方向に対して特殊な分布を有するものである必要はなく、一様となるものでよい。各ＨＮＬＦ１２２_ｉにおいて、パルス光は、非線形現象である自己位相変調により、新しい周波数成分を連続的に作り出す。すなわち、各ＨＮＬＦ１２２_ｉへの入射パルス光に対して、出力パルス光のスペクトルが広がることになる。また、自己位相変調によるチャープを持つことになる。

各ＨＮＬＦ１２２_ｉを通過する際に、光パルスは、自己位相変調によるチャープを持つ。具体的には、パルスの立ち上がり部分の周波数は搬送周波数より低くなり、パルスの立ち下がり部分の周波数は搬送周波数より高くなる。各ＨＮＬＦ１２２_ｉでスペクトルが広がったパルスのチャープを、異常分散ファイバで補償することで、パルスを圧縮することが可能である。各ＳＭＦ１２３_ｉは、16 ps/nm/km程度の異常分散を有する一般の単一モードファイバを用いて構成され、各ＨＮＬＦ１２２_ｉの往路で受ける自己位相変調によるチャープを補償する役割をもつ。

各ミラー付きファラデー回転子１２４_ｉは、往路で例えば入射の方向の回りに偏光方向がファラデー回転角θだけ回転し、反射によって位相が反転して偏光方向が合計θ＋１８０度回転し、復路で出射の方向の周りに偏光方向が−θ度すなわち入射の方向の回りにθ度回転し、合計２θ＋１８０度、偏光方向が回転するようになっている。以下、上記のファラデー回転角θを４５度とし、各ミラー付きファラデー回転子１２４_ｉは、各ミラー付きファラデー回転子１２４_ｉに入射するパルス光と出射するパルス光との偏光方向の相対的な角度が９０度になるように構成されているものとする。

各偏波保持光ファイバ１２５_ｉは、入射したパルス光の偏光方向を維持できるように構成された光ファイバからなる。具体的には、各偏波保持光ファイバ１２５_ｉは、例えば光学的な異方性による複屈折を有し、偏光方向を進行方向に直交する１つの軸（以下、偏光保持軸という。）に固定できる光ファイバからなるのでもよい。

各偏波保持光ファイバ１２５_ｉは16 ps/nm/km程度の異常分散をもつファイバであり、各ミラー付きファラデー回転子１２４_ｉで反射され、各ＨＮＬＦ１２２_ｉの復路で受ける自己位相変調によるチャープを補償する役割を持つ。各偏波保持光ファイバ１２５_ｉはSMFを偏波保持型にしたものであり、比較的安価で容易に入手可能な光ファイバである。

図４は、本発明の第１の実施の態様の光圧縮器を構成する各段について、パルス光の圧縮という観点から説明する図である。図４の上段の図は、ＨＮＬＦとＳＭＦとによって構成される従来のＣＰＦ（Comb-like Profiled Fiber）を概念的に示す説明図であり、図４の下段の図は、図３の光圧縮器１２０を構成する各段をパルス光の進行方向に見たときの等価的な光ファイバの配置を示す概念的に説明図である。

光圧縮器１２０を上記のように構成することによって、各段の光ファイバは、パルス光の圧縮という観点から図４の下段に示すように配列したものと等価的になる。図４すなわち、各段の光ファイバは、入射側から、ＨＮＬＦ１２２_ｉ、ＳＭＦ１２３_ｉ、ＳＭＦ１２３_ｉ、ＨＮＬＦ１２２_ｉ、ＰＭ−ＳＭＦ１２５_ｉの順番で光ファイバが配置されたＣＰＦと等価な配列になる。なお、ＳＭＦ１２３_ｉにおいて、単一モード光ファイバの替わりに偏光方向を保持する単一モード光ファイバを用いてもよい。ここで、パルス光の圧縮という観点からは、各段のＨＮＬＦ１２２_ｉ、ＳＭＦ１２３_ｉ、およびＰＭ−ＳＭＦ１２５_ｉによって、ＣＰＦに用いられる２対のＨＮＬＦとＳＭＦが構成される。図３に示す構成では、光圧縮器１２０は、１番目の段と２段目の段とからなるため、ＣＰＦに用いられる４対のＨＮＬＦとＳＭＦが構成されるもとの等価になる。

以下、本発明の第１の実施の態様の極短パルス光源および光圧縮器の作用について説明する。まず、光パルス発生器１１１を出射したパルス光は、光増幅器１１２によって増幅されて、光圧縮器１２０に入射する。光圧縮器１２０に入射したパルス光は、１番目の段で、ＰＢＳ１２１_１を透過して１番目のブランチをＨＮＬＦ１２２_１、ＳＭＦ１２３_１の順で通過し、ミラー付きファラデー回転子１２４_１に入射する。ここで、ＨＮＬＦ１２２_１およびＳＭＦ１２３_１が偏光方向を保持するように構成されていないため、ミラー付きファラデー回転子１２４_１に入射したパルス光は、一般に、ＨＮＬＦ１２２_１およびＳＭＦ１２３_１が有する光学特性に応じて偏光方向が変化する。ミラー付きファラデー回転子１２４_１に入射したパルス光は、偏光方向を９０度回転して反射する。ミラー付きファラデー回転子１２４_１を出射したパルス光は、１番目のブランチをＳＭＦ１２３_１、ＨＮＬＦ１２２_１の順に往路で生じた偏光方向の変化を補償するようにＰＢＳ１２１_１側に戻る。その結果、ＰＢＳ１２１_１に戻ったパルス光は、偏光方向が入射のときの偏光方向から９０度変化するため、ＰＢＳ１２１_１の出力ポートから取り出され、ＰＭ−ＳＭＦ１２５_１に出射する。ＰＭ−ＳＭＦ１２５_１に入射したパルス光は、偏光方向を保持したまま伝播し、１番目の段で合計、ＣＰＦに用いられるＨＮＬＦとＳＭＦ２対分の圧縮を受けることになる。

同様に、２番目の段で、パルス光は、ＰＢＳ１２１_２を透過して２番目のブランチをＨＮＬＦ１２２_２、ＳＭＦ１２３_２の順で通過し、ミラー付きファラデー回転子１２４_２に入射する。ここで、１番目の段と同様の理由で、ミラー付きファラデー回転子１２４_２に入射したパルス光は、一般に、ＨＮＬＦ１２２_２およびＳＭＦ１２３_２が有する光学特性に応じて偏光方向が変化する。ミラー付きファラデー回転子１２４_２に入射したパルス光は、１番目の段と同様に偏光方向が９０度変化して出射し、２番目のブランチをＳＭＦ１２３_２、ＨＮＬＦ１２２_２の順に往路で生じた偏光方向の変化を補償するようにＰＢＳ１２１_２側に戻る。その結果、ＰＢＳ１２１_２に戻ったパルス光は、偏光方向が入射のときの偏光方向から９０度変化するため、ＰＢＳ１２１_１の出力ポートから取り出され、ＰＭ−ＳＭＦ１２５_１に出射する。ＰＭ−ＳＭＦ１２５_２に入射したパルス光は、偏光方向を保持したまま伝播し、２番目の段で合計、ＣＰＦに用いられるＨＮＬＦとＳＭＦ２対分の圧縮を受けることになる。光圧縮器１２０に入射したパルス光は、１番目の段における圧縮と２番目の段における圧縮とで、合計、ＣＰＦに用いられるＨＮＬＦとＳＭＦ４対分に相当する圧縮を受けると共に、入射したときの偏光方向を維持したまま光圧縮器１２０を出射することになる。

図５は、パルス光の圧縮の評価に用いた光圧縮器１２０の構成の一例を示す図である。図５において、1番目の段のＨＮＬＦ１２２_１、ＳＭＦ１２３₁、およびＰＭ−ＳＭＦ１２５_１は、それぞれ１００ｍ、２００ｍ、１５０ｍの長さを有し、２番目の段のＨＮＬＦ１２２_２、ＳＭＦ１２３_２、およびＰＭ−ＳＭＦ１２５_２は、それぞれ１００ｍ、３５ｍ、４０ｍの長さを有する。なお、上記のパルス光の圧縮の評価には、図２に示す構成の光パルス発生器１１０を用いた。ここで、光パルスは、パルス光源１１１として用いた直接変調型のＤＦＢ−ＬＤ（Distributed Feedback − Laser Diode）を利得スイッチすることによって発生され、分散補償光ファイバで分散補償がなされている。

図６は、図５に示す構成の光圧縮器１２０のスペクトルの一例を説明するための図である。ここで、図６（ａ）は、光圧縮器１２０に入射させたパルス光の波長スペクトル特性を示す図であり、図６（ｂ）は、光圧縮器１２０から出射したパルス光の波長スペクトル特性を示す図である。図６から、光圧縮器１２０から出射したパルス光は、光圧縮器１２０に入射させたパルス光に比して、スペクトルが広がっていることがわかる。

図７は、図５に示す構成の光圧縮器１２０等から出力されたパルス光の自己相関波形を示す図である。図７（ａ）は、図５に示す構成の光圧縮器１２０から出射したパルス光の自己相関特性を示す図である。ここで、光圧縮器１２０には、図６（ａ）に示す波長スペクトル特性を有し、半値全幅が７．２ｐｓのパルス光が入射される。図５に示す構成の光圧縮器１２０からは、ｓｅｃｈ^２型のパルス光に圧縮され、半値全幅が２．３ｐｓのパルス光が出射する。

図７（ｂ）は、図５に示す長さ３５ｍのＳＭＦ１２３_２において、そのＳＭＦで直径６ｃｍのリングを１つ作ったときに得られた出射パルス光の自己相関波形を示す図である。このように、ＳＭＦ１２３_２中の偏光状態を変えてもＰＢＳ１２１_２とミラー付きファラデー回転子１２４_１の往路で偏光が補償され、一定の自己相関波形を得られる。同様に、図７（ｃ）は、直径６ｃｍのＳＭＦのリングを２つ付加したときに得られた出射パルス光の自己相関波形を示す図である。図７（ｂ）および（ｃ）から、非偏波非保持の光ファイバ中の偏光に変動を与えてもパルス光の自己相関波形が変化しないことがわかる。光圧縮器１２０中のＰＢＳ１２１_２は偏向方向に沿った成分のみを透過させる機能を持つので、もし、非偏波保持ファイバ中の往復で偏向方向が補償されないならば、ＰＢＳ１２１_２から出力される光パルスの強度やパルス幅は変化するはずである。非偏波非保持の光ファイバ中の偏光に変動を与えてもパルス光の自己相関波形が変化しないことから、光圧縮器１２０に入射されたパルス光は、ＨＮＬＦ１２２_ｉおよびＳＭＦ１２３_ｉを通過したときでも、これらを往復で通過することによって通過の際に生ずる偏光方向の変動が補償され、直線偏向を保持したまま出射することが示される。

本発明の第１の実施の態様の光圧縮器および極短パルス光源は、上記のように、偏波保持材を有する特殊な光ファイバを用いることなく構成されるため、ファイバ間の接続が容易になると共に、接続の困難に伴う、特性の低下、特性のばらつきの増大、信頼性の低下等を緩和でき、さらに、一般に普及しているＳＭＦおよびＨＮＬＦ、ＰＭ−ＳＭＦを用いることができるため、簡易な構成で実現できる。

また、ＳＭＦおよびＨＮＬＦ内でパルス光を往復させるため、従来の光圧縮器および極短パルス光源に比較してＳＭＦおよびＨＮＬＦの長さ及びこれらのファイバ間の接続の数を低減でき、性能、省スペース化、製造の容易さ、低コスト化等の観点で極めて大きな効果を有する。

なお、上記では、ミラー付きファラデー回転子１２４_１で反射し、戻ってきた光を取り出すためにＰＢＳ１２１_１を用いたが、ＰＢＳ１２１_１の代わりに偏波保持型のサーキュレータを用いてもよい。サーキュレータとは、一方の方向から入射する光を通過させて、戻ってきた光を別のポートから出力する機能を有する光デバイスである。入射ただし、９０度回転した偏光が出力されるので、偏波保持型のサーキュレータの出力ポートのＰＭ−ＳＭＦとＰＭ−ＳＭＦ１２５_１の軸を９０度回転させて融着するとよい。

図８は、本発明の第２の実施の態様の光圧縮器のブロック構成を示す図である。図８において、光圧縮器２２０は、ＰＢＳ２２１_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と、ＨＮＬＦ２２２_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と、ミラー付きファラデー回転子２２４_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）と、入射した光の偏光方向を保持する偏波保持光ファイバ２２５_ｉ（ｉ＝１〜ｎ）とを有する。

各ＰＢＳ２２１_ｉ、各ＨＮＬＦ２２２_ｉ、各ミラー付きファラデー回転子２２４_ｉ、および各偏波保持光ファイバ２２５_ｉは、それぞれ、第１の実施の態様の各ＰＢＳ１２１_ｉ、各ＨＮＬＦ１２２_ｉ、各ミラー付きファラデー回転子１２４_ｉ、および各偏波保持光ファイバ１２５_ｉと同様に構成されるため、更なる詳細な説明を省略する。

ここで、各段のＨＮＬＦ２２２_ｉおよび偏波保持光ファイバ２２５_ｉによって、ＣＰＦに用いられる１対のＨＮＬＦとＳＭＦが構成される。このように構成することによって、ＨＮＬＦとＳＭＦを１対ずつ増減させることができ、ＣＰＦの設計も容易になる。また、偏波保持材を有する特殊なファイバ間の接続が不要になると共に、従来の光圧縮器に比較してファイバ長を短縮できる等、本発明の第１の実施の態様の光圧縮器と同様の効果を得ることができる。

なお、上記では、光圧縮器がＣＰＦを構成する例について説明したが、本発明の第２の実施の態様の光圧縮器は、ＨＮＬＦ２２２_ｉをゼロ分散シフトファイバ（Dispersion shifted-fiber: DSF）に置き換え、光パルスが通過する経路で近似的に波長分散が減少する構成にすることによって、ＣＤＰＦ（Comb-like Dispersion Profiled Fiber）を実現することもできる。また、ＨＮＬＦ２２２_ｉを、ＳＤＰＦ（Step-like Dispersion Profiled Fiber）に最適な各ファイバに置き換え、出射側に近いブランチ程波長分散が小さくなるように構成することによって、ＳＤＰＦ（Step-like Dispersion Profiled Fiber）を実現することもできる。ただし、SDPFの場合、偏波保持光ファイバ２２５_ｉは各ＰＢＳ１２１_ｉを接続するための機能をもち、パルス圧縮過程には寄与しない。ＣＤＰＦやＳＤＰＦ，ＣＰＦの場合と異なり、DDF（Dispersion Decreasing Fiber）の場合は、波長分散が連続的に減少するファイバが必要になるため、ミラー付きファラデー回転子を用いた偏波保持技術を適用することができない。つまり、ＣＤＰＦやＳＤＰＦ，ＣＰＦは、異なるファイバを多段接続しているからこそ、ミラー付きファラデー回転子を用いた偏波保持技術を用いることができる。また、ＣＤＰＦやＣＰＦは、分散媒質にＳＭＦを用いるため、分散媒質の一部に標準なＰＭ−ＳＭＦを用いることがでる。そのため、少ない段数で構成できるため、特に有利である。さらに、ＣＰＦの場合は、非線形媒質にＨＮＬＦを用いるため、非線形媒質のファイバ長を短くすることができ、非偏波保持ファイバにおける、より速い偏向の変動を補償することができる。

図９は、本発明の第３の実施の態様の光圧縮器のブロック構成を示す図である。図９において、光圧縮器３２０は、ＰＢＳ３２１_ｉ（ｉ＝１〜ｋ）、ＨＮＬＦ３２２_ｉ（ｉ＝１〜ｋ）、ＳＭＦ３２３_ｉ（ｉ＝１〜ｋ）、ミラー付きファラデー回転子３２４_ｉ（ｉ＝１〜ｋ）、および、入射した光の偏光方向を保持する偏波保持光ファイバ３２５_ｉ（ｉ＝１〜ｋ）を有する第１のタイプの段と、ＰＢＳ３２１_ｊ（ｊ＝ｋ＋１〜ｎ）、ＨＮＬＦ３２２_ｊ（ｊ＝ｋ＋１〜ｎ）、ミラー付きファラデー回転子３２４_ｊ（ｊ＝ｋ＋１〜ｎ）、および、入射した光の偏光方向を保持する偏波保持光ファイバ３２５_ｊ（ｊ＝ｋ＋１〜ｎ）を有する第２のタイプの段とを備えるように構成される。ここで、ｋは１〜（ｎ−１）までの自然数である。

各ＰＢＳ３２１_ｉ、３２１_ｊ、各ＨＮＬＦ３２２_ｉ、３２２_ｊ、各ＳＭＦ３２３_ｉ、各ミラー付きファラデー回転子３２４_ｉ、３２４_ｊ、および各偏波保持光ファイバ３２５_ｉ、３２５_ｊは、それぞれ、第１の実施の態様の各ＰＢＳ１２１_ｉ、各ＨＮＬＦ１２２_ｉ、各ミラー付きファラデー回転子１２４_ｉ、および各偏波保持光ファイバ１２５_ｉと同様に構成されるため、更なる詳細な説明を省略する。

ここで、各第１のタイプの段のＨＮＬＦ３２２_ｉ、ＳＭＦ３２３_ｉ、および偏波保持光ファイバ３２５_ｉによって、ＣＰＦに用いられる２対のＨＮＬＦとＳＭＦが構成される。また、各第２のタイプの段のＨＮＬＦ３２２_ｊおよび偏波保持光ファイバ３２５_ｊによって、ＣＰＦに用いられる１対のＨＮＬＦとＳＭＦが構成される。このように構成することによって、各第１のタイプの段でパルス光の圧縮率を高くし、各第２のタイプの段でＨＮＬＦとＳＭＦを１対ずつ増減させることができる。また、偏波保持材を有するファイバ間の接続が不要になると共に、従来の光圧縮器に比較してファイバ長を短縮できる等、本発明の第１の実施の態様の光圧縮器と同様の効果を得ることができる。

なお、上記では、全ての第１のタイプの段の後段に第２のタイプの段が設けられる構成について説明したが、第２のタイプの段は、図１０に示すように、全ての第１のタイプの段の前段に設けられるのでも、いずれのタイプの段と段との間に設けられるのでもよい。さらに、本発明の第３の実施の態様の光圧縮器は、本発明の第１の実施の態様の光圧縮器と本発明の第２の実施の態様の光圧縮器とを組み合わせた構成を有するため、ＣＰＦとＣＤＰＦまたはＳＤＰＦとを組み合わせた構成にすることもできる。

図１４は、本発明の第４の実施の態様の極短パルス光源について説明する。本発明の第４の実施の態様の極短パルス光源１００の構成は、本発明の第１の実施の様態とだいたいにおいて同じである。図１３の極短パルス光源１００は、光パルス発生器１１１と、パルス光源10からのパルスエネルギーを増幅するための偏波保持型の光増幅器１１２と、光増幅器からのASE (Amplified Spontaneous Emission)を抑制するための偏波保持型のバンドパスフィルタ１１５と、光パルスを圧縮するために光圧縮器１２０から構成される。

ハルス発生器１１１は、偏波保持光ファイバ出力の直接変調Distributed Feedback-Laser Diodeを、３００MHz繰り返しの１４０ ｐｓ幅の電気パルスで利得スイッチ駆動することにより発生させた光パルスを、分散補償ファイバによりチャープを補償する構成からなり、6.4 psのパルス幅の光パルスを出力する。

光圧縮器１２０の構成は、本発明の第１の実施の様態と同じなので、詳細な説明を省く。ただし、各ＨＮＬＦ１２２_１と各ＳＭＦ１２３_１、各ＰＭ−ＳＭＦ１２５_１のファイバ長が本発明の第１の実施の様態と異なる。各ファイバ長は、具体的には、１００ｍのＨＮＬＦ１２２_１と５５ｍのＳＭＦ１２３_１、５５ｍのＰＭ−ＳＭＦ１２５_１、１００ｍのＨＮＬＦ１２２_２と２５ｍのＳＭＦ１２３_２、２５ｍのＰＭ−ＳＭＦ１２５_２からなる。

図１５は、図１４の光圧縮器１２０への入出力パルスのスペクトルの一例を説明するための図である。図１５から、光圧縮器１２０から出射したパルス光は、光圧縮器１２０に入射させたパルス光に比して、スペクトルが広がっていることがわかる。

図１６は、図１４の光圧縮器１２０への入出力パルスの自己相関波形を示す図である。
図１６より、半値全幅が6.4 psの入力パルスが光圧縮器１２０により、1.1 psまで圧縮されていることがわかる。光圧縮器１２０からの出力パルスの時間バンド幅積は0.29であり、ｓｅｃｈ²パルスのトランスフォームリミットの時間バンド幅席の0.31に近い値を持つ。

図１７（a）は、図１４の極短パルス光源１００から出力されるパルスの自己相関波形を室温で250分間測定したときの、図１７（ｂ）は、比較のために、光圧縮器１２０に図４の上段で示すような4対のHNLFとSMFから構成される従来のCPF圧縮器を用いたときの極短パルス光源から出力される自己相関波形のピーク強度とパルス幅の変動をプロットしたものである。図１７（a）で示すように、本発明の第４の実施の態様の極短パルス光源の自己相関波形のピーク強度とパルス幅の変動は、±2%以内と安定している。つまり、直線偏光パルスが保持されているため、安定した自己相関波形が得られる。それに対して、図１７（ｂ）で示すように、従来のCPFは偏波が保持されないため、自己相関波形が大きく変動していることが分かる。

本発明の光圧縮器および極短パルス光源は、偏波保持材を有する特殊な光ファイバ間の接続を必要としないという効果を有し、光通信、光計測、材料加工、物性測定、バイオ等の分野で利用される極短パルス光源等として有用である。

図１は、本発明の第１の実施の態様の極短パルス光源のブロック構成を示す図である。 図２は、光パルス発生器の他の構成例を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施の態様の光圧縮器のブロック構成を示す図である。 図４は、本発明の第１の実施の態様の光圧縮器を構成する各段について、パルス光の圧縮という観点から説明する図である。 図５は、パルス光の圧縮の評価に用いた光圧縮器１２０の構成の一例を示す図である。 図６は、図５に示す構成の光圧縮器１２０のスペクトルの一例を説明するための図である。 図７は、図５に示す構成の光圧縮器１２０等から出力されたパルス光の自己相関波形を示す図である。 図８は、本発明の第２の実施の態様の光圧縮器のブロック構成を示す図である。 図９は、本発明の第３の実施の態様の光圧縮器のブロック構成を示す図である。 図１０は、本発明の第３の実施の態様の光圧縮器の他のブロック構成を示す図である。 図１１は、従来の極短パルス光源の構成を概念的に示す図である。 図１２は、圧縮器１３に用いる光ファイバの例を示す図である。 図１３は、モードロック型の極短パルス発振器の構成を概念的に示す図である。 図１４は、本発明の第４の実施の様態の極短パルス光源の構成を示す図である。 図１５は、図１４に示す構成の極短パルス光源１００中の光圧縮器１２０への入出力パルスのスペクトルの一例を説明するための図である。 図１６は、図１４に示す構成の極短パルス光源１００中の光圧縮器１２０への入出力パルスの自己相関波形を説明するための図である。 図１７は、図１４に示す構成の極短パルス光源１００の光圧縮器１２０から出力される極短パルスと、従来の光圧縮器から出力される極短パルスの出力特性の時間依存性の比較を示す図である。

符号の説明

１ 極短パルス光源
２ モードロック型超短パルス発振器
１１ パルス光源
１２ 光増幅器
１３ 圧縮器
２１ 励起光源
２２ ＷＤＭ
２３ ＥＤＦ
２４ ビームスプリッタ
２５ 波長板
２６ ファラデー回転子
２７ 集光レンズ
２８ ミラー付きファラデー回転子
２９ ミラー
１００ 極短パルス光源
１１０ パルス光源
１１１、２１０ 光パルス発生器
１１２ 光増幅器
１１３ チャープ補償器
１１４ 種パルス発生器
１１５ バンドパスフィルタ
１２０、２２０、３２０、４２０ 光圧縮器
１２１_１、１２１_２、２２１_１〜４、３２１_１〜４、４２１_１〜４ 偏光ビームスプリッタ
１２２_１、１２２_２、２２２_１〜４、３２２_１〜４、４２２_１〜４ ＨＮＬＦ
１２３_１、１２３_２、３２３_１、３２３_２、４２３_３、４２３_４ ＳＭＦ
１２４_１、１２４_２、２２４_１〜４、３２４_１〜４、４２４_１〜４ ミラー付きファラデー回転子
１２５_１、１２５_２、２２５_１〜４、３２５_１〜４、４２５_１〜４ ＰＭ−ＳＭＦ

Claims (11)

1. 光路上に配置され、光路中に２つの異なる方向から入射する光のうちの一方の方向から入射する光を通過させて前記光路中に出射し、他の方向から入射する光を別の光路に出射する光デバイスと、
   前記光デバイスを通過した光が入射する側に設けられ、入射したパルス光のスペクトルを広げるための光ファイバと、
   前記光ファイバの、前記光デバイスを通過した光が出射する側に設けられ、偏光方向を９０度変化させて前記光ファイバに戻す偏光回転手段と、を有するブランチを備え、更に前記光ファイバと前記偏光回転手段の間もしくは前記別の光路の少なくとも一方に、入射するパルス光のパルス時間幅を圧縮する別の光ファイバが設けられるとともに、
   トランスフォームリミットなパルス光を出射する光パルス発生器を更に有し、トランスフォームリミットなパルス光を前記光デバイスの入射端に入射することを特徴とする極短パルス光源。
2. 前記光デバイスが、ビームスプリッタもしくは、サーキュレータによって構成されることを特徴とする請求項１に記載の極短パルス光源。
3. 前記別の光路に設けられた前記別の光ファイバは、前記パルス光の偏光方向を保持する偏波保持光ファイバであることを特徴とする請求項１に記載の極短パルス光源。
4. 前記偏波保持光ファイバの出射端には、更に第二の前記ブランチが接続されていることを特徴とする請求項３に記載の極短パルス光源。
5. 前記偏波保持光ファイバが、前記パルス光の偏光方向を保持する単一モード光ファイバによって構成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の極短パルス光源。
6. 前記偏光回転手段が、前記パルス光が入射する面と反対側の面に反射鏡を有するミラー付きファラデー回転子によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の極短パルス光源。
7. 前記ブランチを構成する前記光ファイバが、光学特性の非線形性を利用してパルス光のスペクトルを広げる高非線形ファイバを有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の極短パルス光源。
8. 前記ブランチを構成する前記光ファイバと前記偏光回転手段の間に設けられている前記別の光ファイバは単一モード光ファイバであり、各前記単一モード光ファイバが波長分散を利用してパルス光を圧縮することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の極短パルス光源。
9. 前記ブランチの前記光ファイバと前記偏光回転手段の間に接続された前記別の光ファイバが単一モード光ファイバであって、入射したパルス光が、前記単一モード光ファイバと前記偏波保持光ファイバとを交互に通過するように構成され、波長分散が通過経路で減少することを特徴とする請求項５に記載の極短パルス光源。
10. 前記光パルス発生器と前記光デバイスの間には、前記光パルス発生器が出射した短パルス光を光増幅する光増幅器が接続されていることを特徴とする請求項１に記載の極短パルス光源。
11. 前記光パルス発生器がピコ秒台の短パルス光を出射することを特徴とする請求項１０に記載の極短パルス光源。

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