JP4974161B2 - 光ファイバデバイス - Google Patents

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Description

本発明は、所定の中心波長を有するパルス光の入力を受け付け、入力したパルス光よりも波長帯域が拡張されたパルス光を出力する光ファイバデバイスに関するものである。
光通信において、伝送容量の増大化・信号速度の高速化に伴い、送受信部及び中継部で光信号処理を行なう場合に、電気的な変換処理を行わずに、光のまま処理を行う全光信号処理技術が、今後のキーテクノロジーとして注目されている。このような全光信号処理を行うデバイスとして、光ファイバ中の非線形効果を用いた光ファイバデバイスや半導体を用いたデバイスなどが研究されている。
スーパーコンティニュアム光源（以後ＳＣ光源と記載する）は、数十ｎｍ〜数百ｎｍといった広帯域なスペクトルを有するパルス光であるスーパーコンティニュアム光（以後ＳＣ光と記載する）を発生するパルス光源であり、全光信号処理を行うためのデバイスとしてだけでなく、広帯域光通信用光源や光コヒーレントトモグラフィなどのセンシング用光源としての用途が期待されている（非特許文献１参照）。
従来のＳＣ光源は、種光源となるパルス光源、光増幅器、光ファイバから構成される。パルス光源から出力したパルス光は、光増幅器で増幅され光ファイバの入力端に入力する。光ファイバ中では、入力したパルス光によって非線形効果が発生し、この非線形効果によって、パルス光のスペクトルの帯域が拡張し、スペクトルがきわめて広帯域に広がったパルス光、すなわちＳＣ光が光ファイバの出力端から出力する。なお、光ファイバ中で発生する非線形効果は、自己位相変調、相互位相変調、四光波混合、ラマン散乱など複数の非線形現象が混在した状態と考えられる。
ＳＣ光源においては、その光学特性に対して、光ファイバの波長分散値の設定条件が大きく影響する。そして、ＳＣ光源は、光ファイバの波長分散値の設定条件によって大きく２つの方式がある。１つは、非特許文献２のように、光ファイバとして、パルス光の入力端側から出力端側に向かって、異常分散から正常分散に連続的に変化していく分散減少光ファイバを用いる方法である。もう１つは、非特許文献３のように、全長に渡って一様な正常分散の光ファイバを使用する方法である。なお、正常分散光ファイバを用いたＳＣ光源は、スペクトルの平坦性が良いとともに、ノイズが少なくＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が良いという利点を有する。また、正常分散光ファイバ中で発生したSC光のスペクトルは、入力するパルス光の中心波長を中心として、長波長側及び短波長側に広がっていく。このとき、光ファイバの波長分散の絶対値が小さいほうが、スペクトルの広がりが大きいことが知られている。
高良秀彦 他、"スーパーコンティニウム光源によるマルチ光キャリア発生" レーザー研究 第30巻 第1号 p.33 2002年１月 K.Mori、 H.Takara、 S.Kawanishi、 M.Saruwatari and T.Morioka "Flatly broadened supercotinuum spectrum generated in a dispersion decreasing fibre with convex dispersion profile" Electron.Lett.、Vol.33、 No.21、 pp.1806-1808、 1997 Y.Takushima F.Futami and K.Kikuchi "Generation of over 140-nm wide Super-Continuum from a Normal Dispersion Fiber by using a Mode-Locked Semiconductor Laser Source" IEEE Photon. Technol.Lett.、 Vol.10、 No.11、 pp.1560-1562 (1998)
しかしながら、一般の光ファイバにおいては、波長が長くなるにつれて波長分散値が大きくなるように傾斜している、すなわち正の波長分散スロープを有している。そのため、光ファイバのゼロ分散波長より長波長側の波長領域では、波長分散が正値である異常分散領域となる。異常分散領域においてはスペクトルにＭＩ（Modulation Instability；変調不安定性）が発生するので、ＳＣ光のスペクトルが異常分散領域にまで広がると、スペクトル上にノイズやリップルが多くなり、波長平坦性が損なわれるという問題があった。またＳＣ光のスペクトルが正常分散領域内において広がる場合であっても、波長分散の絶対値が小さすぎると、スペクトルの波長に依存した変動が大きくなり、波長平坦性が損なわれるという問題があった。
一方、光ファイバ中で発生するＳＣ光を広帯域化する方法として、光ファイバの条長を長くし、光ファイバへ入力するパルス光の強度を高くして、光ファイバ中での非線形効果を増大させる方法がある。しかし、光ファイバの条長を長くしたり、パルス光強度を高くしたりすると、光ファイバ中でのＳＢＳ（Stimulated Brillouin Scattering；誘導ブリユアン散乱）が顕著に発生する。ＳＢＳは、あるしきい値以上の強度の光が入力すると発生し、入力した光の全てが透過されずに、ブリユアンシフトした光として後方に散乱されてしまう現象である。したがって、ＳＢＳしきい値以上の光を光ファイバに入力しても、光ファイバ中での非線形効果は増大しない。そのため、光ファイバへ入力するパルス光の強度には限界があり、ＳＣ光の広帯域化が困難であるという問題があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広帯域であってかつ波長平坦性が良好なパルス光を発生することができる光ファイバデバイスを提供することを目的とする。
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光ファイバデバイスは、所定の中心波長を有するパルス光の入力を受け付け該入力したパルス光よりも波長帯域が拡張されたパルス光を出力する光ファイバデバイスであって、直列に接続され、前記中心波長における波長分散値が負である複数の光ファイバを備え、前記複数の光ファイバは、クラッド部に対するコア部の比屈折率差が互いに異なるとともに、前記中心波長における波長分散の絶対値が前記パルス光の入力端側から出力端側に向かって増加し、且つ前記比屈折率差が前記パルス光の入力端側から出力端側に向かって減少するように接続されていることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバデバイスは、所定の中心波長を有するパルス光の入力を受け付け該入力したパルス光よりも波長帯域が拡張されたパルス光を出力する光ファイバデバイスであって、直列に接続され、前記中心波長における波長分散値が負である複数の光ファイバを備え、前記複数の光ファイバは、クラッド部に対するコア部の比屈折率差が互いに異なるとともに、前記中心波長における波長分散の絶対値が前記パルス光の入力端側から該入力端と出力端との間の所定の位置に向かって増加し、前記所定の位置から前記出力端側に向かって減少するように接続されていることを特徴とする。また、本発明に係る光ファイバデバイスは、この発明において、前記複数の光ファイバは、前記比屈折率差が前記パルス光の入力端側から出力端側に向かって減少するように接続されていることを特徴とする。
また、本発明に係る光ファイバデバイスは、上記の発明において、前記複数の光ファイバは、前記比屈折率差が２％以上であることを特徴とする。
本発明によれば、広帯域であってかつ波長平坦性が良好なパルス光を発生することができる光ファイバデバイスを実現できるという効果を奏する。
以下に、図面を参照して本発明に係る光ファイバデバイスの実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、本明細書において特に定義しない用語については、ＩＴＵ−Ｔ（国際電気通信連合）Ｇ．６５０．１における定義、測定方法に従うものとする。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る光ファイバデバイスを用いたＳＣ光源の概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、このＳＣ光源１０は、所定の中心波長のパルス光を出力するパルス光源１と、パルス光源１に接続し、パルス光源１が出力したパルス光を増幅する光増幅器２と、光増幅器２に接続し、光増幅器２が増幅したパルス光の入力を受け付けて、波長帯域が拡張されたパルス光であるＳＣ光を出力する光ファイバデバイス３とを備える。
パルス光源１は、たとえば光ファイバレーザであり、中心波長１５５０ｎｍ、パルス幅２．０ｐｓ、繰り返し周波数１０ＧＨｚのパルス光を出力する。光増幅器２は、たとえばダブルクラッド型のエルビウム−イットリビウム添加光ファイバ増幅器（ＥＹＤＦＡ）であり、パルス光源１が出力したパルス光を最大３０ｄＢｍ程度にまで増幅する。
光ファイバデバイス３は、直列に接続した第１段光ファイバ３１と、第２段光ファイバ３２とを備え、第１段光ファイバ３１の一端である入力端３ａから光増幅器２が増幅したパルス光の入力を受け付けて、第２段光ファイバ３２の一端である出力端３ｂから波長帯域が拡張されたＳＣ光を出力する。
図２は、図１に示す光ファイバデバイスの各段光ファイバの断面概略図である。図２に示すように、第１段光ファイバ３１は、コア部３１ａと、コア部３１ａの外周に形成され、コア部３１ａよりも屈折率が低いクラッド部３１ｂとを有する。また、第２段光ファイバ３２も同様に、コア部３２ａと、コア部３２ａの外周に形成され、コア部３２ａよりも屈折率が低いクラッド部３２ｂとを有する。さらに、クラッド部３１ｂ、３２ｂの外周には、図示しない紫外線硬化樹脂等からなる被覆を有する。
第１段光ファイバ３１と、第２段光ファイバ３２とは、各コア部３１ａ、３１ｂの各クラッド部３１ｂ、３２ｂに対する比屈折率差が互いに異なる。したがって、第１段光ファイバ３１と、第２段光ファイバ３２とは、ブリユアンシフト周波数が互いに異なるものとなる。その結果、光ファイバデバイス３は、同一の全長を有し比屈折率差が長手方向で一様な光ファイバと比較して、ＳＢＳのしきい値が高くなるので、ＳＢＳを発生させることなくより高い光強度のパルス光を入力することができ、より広帯域のＳＣ光を発生させることができる。なお、各段光ファイバの比屈折率差が２％以上であれば、非線形効果がきわめて高くなるので、より広帯域のＳＣ光を発生させることができる。
なお、比屈折率差は、各コア部３１ａ、３１ｂの屈折率の最高部の値をｎ１、各クラッド部３１ｂ、３２ｂの屈折率をｎｃ、としたとき、式（１）により定義される。
Δ＝｛（ｎ１−ｎｃ）／ｎｃ｝×１００ ・・・・・ （１）
さらに、第１段光ファイバ３１と、第２段光ファイバ３２とは、波長１５５０ｎｍにおける波長分散値が負、すなわち正常分散であって、かつ互いに異なる値になっている。図３は、図１に示す光ファイバデバイス３における長手方向の位置と波長１５５０ｎｍにおける波長分散値との関係を示す図である。なお、長さＬ３１の領域が第１段光ファイバ３１に対応し、長さＬ３２の領域が第２段光ファイバ３２に対応する。図３に示すように、第１段光ファイバ３１の波長分散値は、長手方向に対してほぼ一様に負の値Ｄ１（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）である。さらに、第２段光ファイバ３２の波長分散値は、長手方向に対してほぼ一様であって、値Ｄ１より小さい負の値Ｄ２（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）である。
ここで、前述のように、正常分散光ファイバ中で発生したSC光のスペクトルは、光ファイバを伝搬していくうちに、入力するパルス光の中心波長を中心として、長波長側及び短波長側に広がっていく。したがって、第２段光ファイバ３２におけるＳＣ光は、第１段光ファイバ３１におけるＳＣよりも長波長側及び短波長側に広がっている。ここで、第２段光ファイバ３２の波長分散値は、値Ｄ１より小さい負の値Ｄ２である。したがって、ＳＣ光が長波長側に広がったとしても、長波長側における波長分散値はその絶対値が十分に大きいものとなっており、ＭＩ等に起因するスペクトル上のノイズやリップルの増大が抑制される。その結果、第２段光ファイバ３２において、波長平坦性が良好なＳＣ光が発生する。
以上説明したように、本実施の形態１に係る光ファイバデバイス３を用いれば、広帯域であってかつ波長平坦性が良好なＳＣ光を発生することができる。
なお、実施の形態１においては、接続する光ファイバを２段としたが、３段以上の光ファイバを接続し、波長分散の絶対値がパルス光の入力端側から出力端側に向かって増加するようしてもよい。接続する光ファイバの段数を増加することによって、光ファイバデバイスの長手方向におけるＳＣ光のスペクトルの広がりに対応させて、長手方向における波長分散値の分布をより好適な値に設定することができる。
また、接続する光ファイバのうち比屈折率差が最も高い光ファイバを第１段とし、その後比屈折率差が大きい順番に光ファイバを接続することが好ましい。このように、接続する光ファイバの比屈折率差がパルス光の入力端側から出力端側に向かって減少するように光ファイバを接続していれば、光ファイバデバイスにおいて、入力端側のパルス光の強度が高い位置に、比屈折率差が大きく非線形効果が効率的に発生しやすい光ファイバを配置することとなるので、非線形効果を効率的に発生させることができる。
（実施の形態２）
つぎに、本発明の実施の形態２に係る光ファイバデバイスについて説明する。本実施の形態２に係る光ファイバデバイスは、３段の光ファイバが、該光ファイバの波長分散の絶対値がパルス光の入力端側から該入力端側と出力端との間の所定の位置に向かって増加し、この所定の位置から出力端側に向かって減少するように接続されている。
図４は、本実施の形態２に係る光ファイバデバイスの側面概略図である。図４に示すように、光ファイバデバイス４は、直列に接続した第１段光ファイバ４１と、第２段光ファイバ４２と、第３段光ファイバ４３とを備える。そして、実施の形態１と同様に、第１段光ファイバ４１の一端である入力端４ａから光増幅器が増幅したパルス光の入力を受け付けて、第３段光ファイバ４３の一端である出力端４ｂから波長帯域が拡張されたＳＣ光を発生させる。
また、実施の形態１と同様に、第１段光ファイバ４１、第２段光ファイバ４２、第３段光ファイバ４３は、それぞれ、コア部と、コア部の外周に形成され、コア部よりも屈折率が低いクラッド部とを有するとともに、比屈折率差が互いに異なっている。したがって、第１段光ファイバ４１と、第２段光ファイバ４２と、第３段光ファイバ４３とは、ブリユアンシフト周波数が互いに異なるものとなるので、ＳＢＳしきい値が高くなる。したがって、ＳＢＳを発生させることなくより高い光強度のパルス光を入力して、より広帯域のＳＣ光を発生させることができる。
図５は、図４に示す光ファイバデバイス４における長手方向の位置と波長１５５０ｎｍにおける波長分散値との関係を示す図である。なお、長さＬ４１の領域が第１段光ファイバ４１に対応し、長さＬ４２の領域が第２段光ファイバ４２に対応し、長さＬ４３の領域が第３段光ファイバ４３に対応する。図５に示すように、第１段光ファイバ４１の波長分散値は、長手方向に対してほぼ一様に負の値Ｄ３（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）である。さらに、第２段光ファイバ４２の波長分散値は、長手方向に対してほぼ一様であって、値Ｄ３より小さい負の値Ｄ４（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）である。さらに、第３段光ファイバ４３の波長分散値は、長手方向に対してほぼ一様であって、値Ｄ４より大きい負の値Ｄ５（ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）である。
この光ファイバデバイス４においては、光ファイバデバイス３と同様に、第２段光ファイバ４２の波長分散値が、値Ｄ３より小さい負の値Ｄ４であるから、第２段光ファイバ４２において、ＳＣ光が長波長側に広がったとしても、長波長側における波長分散値の絶対値が十分に大きいものとなっており、スペクトル上のノイズやリップルの増大が抑制され、波長平坦性が良好なＳＣ光が発生する。さらに、第３段光ファイバ４３において、ノイズやリップルが増大しない程度に波長分散値の絶対値を小さくすることによって、第３段光ファイバ４３中で発生する非線形効果を高めている。その結果、ノイズやリップルの増大が抑制されるとともに、さらに広帯域のＳＣ光を発生させることができる。
（実施例、比較例）
以下、本発明に係る光ファイバデバイスの実施例および比較例を詳細に説明する。なお、この実施例および比較例によりこの発明が限定されるものではない。
図６は、本発明の実施例、比較例において使用する光ファイバの光学特性を示す図である。なお、各光学特性は波長１５５０ｎｍにおける値である。また、Δはクラッド部に対するコア部の比屈折率差を示す。また、非線形定数γは、波長をλ、コア部の非線形屈折率をｎ２、有効コア断面積をＡｅｆｆとして、γ＝２πｎ２／（λＡｅｆｆ）と表される量である。図６に示すファイバ番号１〜３の光ファイバは、いずれも石英系光ファイバであって、コア部はＧｅを添加したシリカガラスからなり、クラッド部は屈折率調整用ドーパントを添加していない純シリカガラスからなる。また、その光学特性は、長手方向にほぼ一様である。さらに、ファイバ番号１〜３の光ファイバは、いずれも高非線形光ファイバであり、非線形定数γが標準のシングルモード光ファイバよりも約５倍以上大きく、非線形効果を効率的に発生できる。なお、このような高非線形光ファイバは、石英系の光ファイバにおいては、コア部へのＧｅの添加量を多くし、また有効断面積Ａｅｆｆを小さくし、コア部への光の閉じ込めを強くすることで実現されている。
つぎに、本発明の実施例１として、図６に示すファイバ番号１の光ファイバを第１段光ファイバとし、ファイバ番号２の光ファイバを第２段光ファイバとして接続し構成した光ファイバデバイスを準備した。なお、第１段、第２段光ファイバの条長は、いずれも２００ｍであるので、実施例１の光ファイバデバイスの全長は４００ｍである。同様に、実施例２として、ファイバ番号１、２、３の光ファイバをそれぞれ第１段、第２段、第３段光ファイバとして接続して構成した光ファイバデバイスを準備した。第１段〜第３段光ファイバの条長は、いずれも２００ｍであるので、実施例２の光ファイバデバイスの全長は６００ｍである。
一方、比較例１として、ファイバ番号１の光ファイバ１種類のみで構成した光ファイバデバイスを準備した。同様に、比較例２、３として、それぞれファイバ番号２、３の光ファイバのみで構成した光ファイバデバイスを準備した。なお、比較例１〜３の光ファイバデバイスの全長はいずれも６００ｍである。
（連続光に対するＳＢＳ特性）
はじめに、連続光を入力した場合の各実施例、比較例の光ファイバデバイスのＳＢＳの特性について説明する。図７〜９は、それぞれ比較例１〜３の光ファイバデバイスに波長１５５０ｎｍの連続光を入力した場合に発生するブリユアン散乱光スペクトルを示す図である。なお、図７〜９のいずれにおいても、横軸はブリユアンシフト周波数を示し、縦軸は相対的なブリユアンゲインを示す。図７〜９に示すように、比較例１〜３の光ファイバデバイスは、比屈折率差が異なるので、ブリユアン散乱光スペクトルにおいて異なる周波数のブリユアンピークを有していた。
図１０は、比較例１〜３の光ファイバデバイスのブリユアンピーク周波数およびＳＢＳしきい値を示す図である。図１０において、ＳＢＳしきい値については、全長が６００ｍの値は測定値であり、全長が２００ｍ、４００ｍの値は測定値から計算した計算値である。なお、上記計算は、以下の式（２）〜（４）を用いて行なった。
Ｐｔｈ＝２１（ＫＡｅｆｆ／ｇＢＬｅｆｆ）（１＋Δν／ΔνＢ） ・・・ （２）
Ｌｅｆｆ＝｛１−ｅｘｐ（−αＬ）｝／α ・・・ （３）
α＝（ｌｎ１０／１０）ａ ・・・ （４）
ただし、Ａｅｆｆ；有効断面積、Ｋ；偏光状態に依存するパラメータ（入射光と散乱光が互いに平行な時はＫ＝1、完全にランダムな時はＫ＝２）、Ｌ；全長、Ｌｅｆｆ；有効長、ΔνＢ；ブリユアンピークのスペクトル幅、Δν；入力光のスペクトル線幅、ｇＢ；ピークにおけるブリユアン利得係数、α；損失係数（単位；／ｋｍ）、ａ；損失係数（単位；ｄＢ／ｋｍ）である。
なお、損失係数ａとして、図６に示す伝送損失の値を用いた。また、入力光のスペクトル線幅Δνは２００ｋＨｚであり、図７〜９においてブリユアンピークのスペクトル幅は約３０ＭＨｚであったので、式（２）において、（１＋Δν／ΔνＢ）を１として計算を行なった。
図１０に示すように、比較例１〜３の光ファイバデバイスは、比屈折率差が異なるので、異なる周波数のブリユアンピークおよび異なるしきい値を有していた。また、いずれの光ファイバデバイスも、全長が長くなるにつれてＳＢＳしきい値が低くなっていた。
つぎに、実施例の光ファイバデバイスのＳＢＳの特性について説明する。図１１、１２は、実施例２の光ファイバデバイスに、第３段光ファイバ側あるいは第１段光ファイバ側から、上記比較例の場合と同様の連続光を入力した場合に発生するブリユアン散乱光スペクトルを示す図である。図１１、１２に示すように、実施例２の光ファイバデバイスは、比屈折率差が異なる３段の光ファイバを接続したので、ブリユアン散乱光スペクトルにおいて主要な３つのブリユアンピークを有していた。
図１３は、実施例１、２の光ファイバデバイスのブリユアンピーク周波数およびＳＢＳのしきい値を示す図である。
図１３と図１０との比較から示されるように、実施例１の光ファイバデバイスのブリユアンピーク周波数は、９．２０ＧＨｚ、９．５９ＧＨｚであり、比較例１、２の光ファイバデバイスのそれぞれのブリユアンピーク周波数とほぼ同じ値となっている。すなわち、実施例１の光ファイバデバイスのブリユアンピークは、構成する光ファイバの個々のブリユアンピークを重ねたものとなっている。実施例２も同様である。
また、全長が４００ｍである実施例１の光ファイバデバイスのＳＢＳしきい値は、１７．５３ｄＢｍである。この値は、比較例１、２の光ファイバデバイスの全長が４００ｍにおける計算値よりも約１〜４ｄＢだけ高くなっており、全長が２００ｍにおける計算値に近い値となっている。すなわち、実施例１の光ファイバデバイスにおいては、そのＳＢＳしきい値は、光ファイバデバイスの全長が長いにもかかわらず、構成する光ファイバの個々の短い条長におけるＳＢＳしきい値と対比できる程度の値となっている。すなわち、実施例１の光ファイバデバイスは、同一の全長を有し、長手方向で一様な光ファイバからなる比較例１〜３の光ファイバデバイスと比較して、ＳＢＳの発生がきわめて抑制されている。
さらに、実施例２の光ファイバデバイスのしきい値は、全長が６００ｍでありながら、１７．６８ｄＢｍであり、比較例１〜３の光ファイバデバイスの全長が６００ｍにおける計算値よりも約３〜６ｄＢだけ高くなっており、ＳＢＳの発生がさらに抑制されている。
（パルス光に対するＳＢＳ特性）
つぎに、パルス光を入力した場合の各実施例、比較例の光ファイバデバイスのＳＢＳの特性について説明する。はじめに、図６に示すファイバ番号１の光ファイバを長さ４８８０ｍとしたものをテスト光ファイバとして準備した。そして、このテスト光ファイバに、中心波長１５５０ｎｍ、パルス幅２．０ｐｓ、繰り返し周波数１０ＧＨｚのパルス光を入力した場合のＳＢＳしきい値を測定したところ、１８．１ｄＢｍであった。この結果から、上述した式（２）を用いて、長さが２００ｍ、４００ｍ、６００ｍの場合のそれぞれのＳＢＳしきい値を計算したところ、その値は、それぞれ２９．９ｄＢｍ、２７．０ｄＢｍ、２５．３ｄＢｍであった。この値を、図１０に示した連続光を入力した場合のＳＢＳしきい値と比較すると、全長が同じ条件では、パルス光入力の場合は、連続光入力の場合に比べ１３．２ｄＢ程度ＳＢＳしきい値が高くなることが分かる。
（ＳＣ光の特性）
つぎに、本発明の実施例、比較例の光ファイバデバイスにパルス光を入力した場合に発生するＳＣ光の特性について、シミュレーション計算の結果を用いて説明する。図１４は、実施例１−２、２−２および比較例１−２〜１−４の光ファイバデバイスの波長１５５０ｎｍにおける波長分散特性を示す図である。
なお、実施例１−２の光ファイバデバイスは、上述した実施例１の光ファイバデバイスと同様の構成を有する。そして、図１４に示すように、第１段光ファイバの波長分散値は−１．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。また、第２段光ファイバの波長分散値は−２．０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。また、第１段、第２段光ファイバの分散スロープは、いずれも０．０２２ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍである。
同様に、実施例２−２の光ファイバデバイスは、上述した実施例２の光ファイバデバイスと同様の構成を有する。そして、第１段光ファイバの波長分散値は−１．１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。また、第２段光ファイバの波長分散値は−１．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。さらに、第３段光ファイバの波長分散値は−１．１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。また、第１段〜第３段光ファイバの分散スロープは、いずれも０．０２２ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍである。
同様に、比較例１−２〜１−４の光ファイバデバイスを構成する光ファイバは、波長分散値がそれぞれ−１．２ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−０．９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、−０．８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープが、いずれも０．０２２ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍである。また、条長はそれぞれ２００ｍ、４００ｍ、６００ｍである。
つぎに、各実施例、比較例の光ファイバデバイスにパルス光を入力した場合に発生するＳＣ光の特性の計算結果について説明する。ここで、パルス光として、中心波長１５５０ｎｍ、パルス幅２．０ｐｓ、繰り返し周波数１０ＧＨｚのガウス形状のパルス光を用いた。また、パルス光の強度については、各実施例、比較例の光ファイバデバイスのＳＢＳしきい値と同値の平均光強度とした。なお、ＳＢＳしきい値は、図１０および１３に示した連続光入力の場合のＳＢＳしきい値と、上述したパルス光と連続光とのＳＢＳしきい値の比較結果とから算出した。
図１５は、各実施例、比較例において、ＳＣ光の特性の計算に用いる入力パルス光の平均強度を示す図である。なお、たとえば平均光強度が２９．９ｄＢｍの場合のパルス光のピークパワーは４３Ｗである。
図１６、１７は、それぞれ実施例１−２の光ファイバデバイスの第１段、第２段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。また、図１８〜２０は、それぞれ実施例２−２の光ファイバデバイスの第１段〜第３段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光スペクトルを示す図である。また、図２１〜２３は、それぞれ比較例１−２〜１−４の光ファイバデバイスの出力端におけるＳＣ光スペクトルを示す図である。なお、各実施例、比較例の光ファイバデバイスの波長分散値は、ＳＣ光が最も広がるように最適化されている。
図２４は、各実施例、比較例の光ファイバデバイスから出力するＳＣ光のスペクトル帯域幅を示す図である。なお、スペクトル中のピークから光強度が１０ｄＢ下がったレベルにおけるスペクトル帯域幅である１０ｄＢ帯域幅と、３ｄＢ下がったレベルにおけるスペクトル帯域幅である３ｄＢ帯域幅を示している。なお、１０ｄＢ帯域幅はスペクトル全体の幅を表しており、３ｄＢ帯域幅はスペクトルの平坦域を表していると考えられる。図２４に示すように、各実施例の光ファイバデバイスの出力するＳＣ光は、各比較例と同等以上の３ｄＢ帯域幅を維持しながら、比較例より広い１０ｄＢ帯域幅を実現している。特に、実施例２−２の光ファイバデバイスにおいては、第３段光ファイバの波長分散の絶対値を、第２段光ファイバの波長分散の絶対値よりも小さくすることによって、パルス光の時間的形状の変化や、ピークパワーの減衰を補うようにしており、きわめて広帯域のＳＣ光が発生している。
つぎに、図２５は、全長が同じである実施例２−２と比較例１−４との光ファイバデバイスに対して、入力するパルス光の平均光強度を変えた場合の、ＳＣ光の１０ｄＢ帯域幅の変化を示す図である。図２５に示すように、いずれの光ファイバデバイスにおいても、平均光強度が増加するについて１０ｄＢ帯域幅が広がっていく。比較例１−４の光ファイバデバイスは、ＳＢＳしきい値すなわち有効な平均光強度の上限値が２５．３ｄＢｍであり、この平均光強度における１０ｄＢ帯域幅である５５．０ｎｍがＳＣ光の広がりの上限である。しかしながら、実施例２−２の光ファイバデバイスは平均光強度の上限値が２９．９ｄＢｍであり、対応する１０ｄＢ帯域幅は８１．５ｎｍであり、きわめて広帯域のＳＣ光を出力できる。
ところで、上述したように、各実施例、比較例の光ファイバデバイスの波長分散値は、ＳＣ光が最も広がるように最適化されている。以下、比較例１−３を例として、最適化の手順について説明する。
図２６は、比較例１−３と同様の比屈折率差、非線形定数、および条長を有する光ファイバにおいて波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を変化させた場合のＳＣ光スペクトルを示す図である。なお、入力するパルス光については、図１５に示す比較例１−３の場合と同様のものとしている。図２６に示すように、波長分散値が小さいほうがスペクトルの広がりは大きいが、小さすぎるとＭＩによるノイズやリップルが増加したり、スペクトルの平坦性が劣化したりする。図２７は、図２６に示す場合における波長１５５０ｎｍの波長分散値と３ｄＢ帯域幅および１０ｄＢ帯域幅との関係を示す図である。図２７に示すように、３ｄＢ帯域幅および１０ｄＢ帯域幅は、いずれも波長分散値が−０．９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍの場合にもっとも大きくなるので、比較例１−３においては波長分散値を−０．９ｐｓ／ｎｍ／ｋｍとしている。なお、比較例１−２、１−４、実施例１−２、２−２についても、同様の方法で波長分散値の最適化を行なっている。
つぎに、本発明の実施例３について説明する。図２８は、実施例３の光ファイバデバイスにおいて接続する光ファイバの段番号と、それらの特性とを示す図である。なお、各光学特性は、ゼロ分散波長以外は、波長１５５０ｎｍにおける値を示している。また、各段の光ファイバの条長はいずれも１５０ｍであり、光ファイバデバイスの全長は６００ｍである。この実施例３に係る光ファイバデバイスは、比屈折率差が互いに異なる４本の光ファイバを、パルス光の入力端側から出力端側に向かって、比屈折率差が減少し、波長分散値の絶対値が増加するとともに、ゼロ分散波長が長波長側に移動するように接続している。
以下、この実施例３の光ファイバデバイスに、実施例２−２の場合と同様に、中心波長１５５０ｎｍ、パルス幅２．０ｐｓ、繰り返し周波数１０ＧＨｚ、平均光強度２９．９ｄＢｍのガウス形状のパルス光を入力した場合に発生するＳＣ光の計算結果について説明する。
図２９〜３２は、この実施例３の光ファイバデバイスにパルス光を入力した場合に、第１段〜第４段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光スペクトルを示す図である。図２９〜３２に示すように、ＳＣ光は、各段の光ファイバ中を伝搬するにつれてスペクトルが拡大する。一方、各段の光ファイバのゼロ分散波長は、後段になるにつれて長波長側に移動するように設定されている。
ここで、上述したように、ＳＣ光が異常分散領域まで広がってしまうと、ＭＩの発生によって、ＳＣ光のノイズ成分が増大する。しかしながら、実施例３の光ファイバデバイスは、各段の光ファイバにおいて、そのスペクトルの裾が常にゼロ分散波長より短波長側に位置するようにゼロ分散波長を設定しているので、ＳＣ光のスペクトルが拡大しても、ＳＣ光は常に正常分散領域に発生するようになっており、ノイズ成分の少ない、波長平坦性の良好なＳＣ光が発生している。具体的には、図３１に示す、光ファイバデバイスから出力するＳＣ光は、その１０ｄＢ帯域幅が８０．８６ｎｍと十分広いとともに、３ｄＢ帯域幅が３５．８７ｎｍとなっており、とくに波長平坦性が極めて良好であった。
本発明の実施の形態１に係る光ファイバデバイスを用いたＳＣ光源の概略構成を示すブロック図である。 図１に示す光ファイバデバイスの各段光ファイバの断面概略図である。 図１に示す光ファイバデバイスにおける長手方向の位置と波長１５５０ｎｍにおける波長分散値との関係を示す図である。 本発明の実施の形態２に係る光ファイバデバイスの側面概略図である。 図４に示す光ファイバデバイスにおける長手方向の位置と波長１５５０ｎｍにおける波長分散値との関係を示す図である。 本発明の実施例、比較例において使用する光ファイバの光学特性を示す図である。 比較例１の光ファイバデバイスに波長１５５０ｎｍの連続光を入力した場合に発生するブリユアン散乱光スペクトルを示す図である。 比較例２の光ファイバデバイスに波長１５５０ｎｍの連続光を入力した場合に発生するブリユアン散乱光スペクトルを示す図である。 比較例３の光ファイバデバイスに波長１５５０ｎｍの連続光を入力した場合に発生するブリユアン散乱光スペクトルを示す図である。 比較例１〜３の光ファイバデバイスのブリユアンピーク周波数およびＳＢＳしきい値を示す図である。 実施例２の光ファイバデバイスに、第３段光ファイバ側から、比較例の場合と同様の連続光を入力した場合に発生するブリユアン散乱光スペクトルを示す図である。 実施例２の光ファイバデバイスに、第１段光ファイバ側から、比較例の場合と同様の連続光を入力した場合に発生するブリユアン散乱光スペクトルを示す図である。 実施例１、２の光ファイバデバイスのブリユアンピーク周波数およびＳＢＳしきい値を示す図である。 実施例１−２、２−２および比較例１−２〜１−４の光ファイバデバイスの波長１５５０ｎｍにおける波長分散特性を示す図である。 各実施例、比較例において、ＳＣ光の特性の計算に用いる入力パルス光の平均強度を示す図である。 実施例１−２の光ファイバデバイスの第１段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 実施例１−２の光ファイバデバイスの第２段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 実施例２−２の光ファイバデバイスの第１段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 実施例２−２の光ファイバデバイスの第２段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 実施例２−２の光ファイバデバイスの第３段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 比較例１−２の光ファイバデバイスの出力端におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 比較例１−３の光ファイバデバイスの出力端におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 比較例１−４の光ファイバデバイスの出力端におけるＳＣ光のスペクトルを示す図である。 各実施例、比較例の光ファイバデバイスから出力するＳＣ光のスペクトル帯域幅を示す図である。 全長が同じである実施例２−２と比較例１−４との光ファイバデバイスに対して、入力するパルス光の平均光強度を変えた場合の、ＳＣ光の１０ｄＢ帯域幅の変化を示す図である。 比較例１−３と同様の比屈折率差、非線形定数、および条長を有する光ファイバにおいて波長１５５０ｎｍにおける波長分散値を変化させた場合のＳＣ光スペクトルを示す図である。 図２６に示す場合における波長１５５０ｎｍの波長分散値と３ｄＢ帯域幅および１０ｄＢ帯域幅との関係を示す図である。 実施例３の光ファイバデバイスにおいて接続する光ファイバの段番号と、それらの特性とを示す図である。 実施例３の光ファイバデバイスにパルス光を入力した場合に、第１段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光スペクトルを示す図である。 実施例３の光ファイバデバイスにパルス光を入力した場合に、第２段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光スペクトルを示す図である。 実施例３の光ファイバデバイスにパルス光を入力した場合に、第３段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光スペクトルを示す図である。 実施例３の光ファイバデバイスにパルス光を入力した場合に、第４段光ファイバの出力端側におけるＳＣ光スペクトルを示す図である。
符号の説明
１ パルス光源
２ 光増幅器
３、４ 光ファイバデバイス
３ａ、４ａ 入力端
３ｂ、４ｂ 出力端
１０ ＳＣ光源
３１、４１ 第１段光ファイバ
３２、４２ 第２段光ファイバ
３１ａ、３２ａ コア部
３１ｂ、３２ｂ クラッド部
４３ 第３段光ファイバ

Claims (4)

  1. 所定の中心波長を有するパルス光の入力を受け付け該入力したパルス光よりも波長帯域が拡張されたパルス光を出力する光ファイバデバイスであって、
    直列に接続され、前記中心波長における波長分散値が負である複数の光ファイバを備え、前記複数の光ファイバは、クラッド部に対するコア部の比屈折率差が互いに異なるとともに、前記中心波長における波長分散の絶対値が前記パルス光の入力端側から出力端側に向かって増加し、且つ前記比屈折率差が前記パルス光の入力端側から出力端側に向かって減少するように接続されている
    ことを特徴とする光ファイバデバイス。
  2. 所定の中心波長を有するパルス光の入力を受け付け該入力したパルス光よりも波長帯域が拡張されたパルス光を出力する光ファイバデバイスであって、
    直列に接続され、前記中心波長における波長分散値が負である複数の光ファイバを備え、前記複数の光ファイバは、クラッド部に対するコア部の比屈折率差が互いに異なるとともに、前記中心波長における波長分散の絶対値が前記パルス光の入力端側から該入力端と出力端との間の所定の位置に向かって増加し、前記所定の位置から前記出力端側に向かって減少するように接続されている
    ことを特徴とする光ファイバデバイス。
  3. 前記複数の光ファイバは、前記比屈折率差が前記パルス光の入力端側から出力端側に向かって減少するように接続されていることを特徴とする請求項２に記載した光ファイバデバイス。
  4. 前記複数の光ファイバは、前記比屈折率差が２％以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載した光ファイバデバイス。
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