JP5182867B2 - 超短光パルスの増幅方法及び超短光パルス増幅装置、並びに広帯域コム発生装置 - Google Patents

Description

この発明は、モード同期ファイバレーザの出力を光ファイバ増幅器で増幅する超短光パルスの増幅方法及び超短光パルス増幅装置、並びに光周波数計測に適した光コムを発生させる広帯域コム発生装置に関する。

エルビウム添加光ファイバ増幅器(以下、ＥＤＦＡという)の研究は、１９８７年に光高速通信の長距離光伝送システム実現のために始められ、１９８９年にＬＤ励起によるＥＤＦＡが実現されたことにより本格化した。１９９０年にはＥＤＦＡによる超短光パルス増幅が報告され、１９９２年頃にはＥＤＦＡを用いたモード同期ファイバレーザ（Ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｆｉｂｅｒ ｌａｓｅｒ)について報告がなされた。一方、２０００年頃になると、モード同期ファイバレーザとフォトニック結晶ファイバ(以下、ＰＣＦという)を用いた広帯域光周波数コムによる光周波数計測が注目されるようになり、２００３年にはモード同期ファイバレーザによる光コムがＥＤＦＡと高非線形ファイバ（以下、ＨＮＬＦという）やＰＣＦによって広帯域化され、続いて光周波数計測も実現した。モード同期ファイバレーザの出力は一般に数ｍＷに制限され、そのままでは広帯域化できないため、これらの研究ではＥＤＦＡによる超短光パルスの増幅が行われている。

R. J. Mears, et al., Electron. Lett. 23, 1026 (1987) E. Desurvire, et al., Opt. Lett. 12, 888 (1987) M. Nakazawa, et al., Electron. Lett. 25 199 (1989) Y. Kimura, et al., Electron. Lett. 25 1656 (1989) K. Suzuki, et al., "Subpicosecond soliton amplification and transmission using Er3+-doped fibers pumped by InGaAsP laser diodes," Opt. Lett. 15,865-867 (1989). M. Nakazawa, et al., "Femtosecond erbium-doped optical fiber amplifier," Appl. Phys. Lett. 57, 653-655 (1990). K. Tamura, et al., "Self-starting additive pulse mode-locked erbium fiber laser," Electron. Lett. 28, 2226-2228 (1992). N. Nakazawa, et al., "Continuum suppressed, uniformly repetitive 136 fs pulse generation from an erbium-doped fibre laser with nonlinear polarisation rotation," Electron. Lett. 29, 1327-1329 (1993). D. J. Jones, et al., "Carrier-envelope phase control of femtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis," Science vol. 288, 635 (2000). F. Tauser, et al., "Amplified femtosecond pulses from an Er:fiber system: Nonlinear pulse shortening and self-referencing detection of the carrier-envelope phase evolution," Optics Express 11, 594 (2003). F.-L. Hong, et al.,"Broad-spectrum frequency comb generation and Carrier envelope offset frequency measurement by second-harmonic generation of a mode-locked fiber laser," Opt. Lett 28, 1516-1518 (2003). T. R. Schibli, et al., "Frequency metrology with a turnkey all-fiber system," Opt. Lett. 29, 2467-2469 (2004). H. Inaba, et al., "Long-term measurements of optical frequencies using a simple, robust and low-noise fiber based frequency comb," Opt. Express 14,5223-5231 (2006), J. W. Nicholson, et al., "High power, single mode, all-fiber source of femtosecond pulses at 1550 nm and its use in supercontinuum generation," Opt. Express 12,3025-3033 (2004).

本件発明者等は、モード同期ファイバレーザ及び光ファイバ増幅器を多数作製し、様々な高非線形ファイバにより1オクターブを超える広帯域光コムを発生させてきた。そうした中、励起パワーや入力パワーが同じであるにもかかわらず、光ファイバ増幅器からの出力が装置ごとに一定しない現象に悩まされてきた。また、たまたま低い出力しか得られない装置では、高非線形ファイバによるスペクトル拡大が十分に得られない場合があった。本件発明者等の知見によれば、光ファイバ増幅器からの出力が装置ごとに一定しない現象の原因は、光ファイバ増幅器への入射パルスのチャープ量が一定していないことによるものであることが明らかになった。

本発明の目的は、モード同期ファイバレーザと光ファイバ増幅器を併用し、装置ごとに出力が一定しない現象をなくし、高い出力が確実に得られる超短光パルスの増幅方法及び超短光パルス増幅装置、並びに広帯域光コム発生装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）モード同期ファイバレーザと、シングルモードファイバと、増幅媒体ファイバを有する光ファイバ増幅器とを用い、該光ファイバ増幅器からの超短光パルスの平均出力が最大となるように該シングルモードファイバ又は該増幅媒体ファイバのファイバ長を選定することを特徴とする超短光パルスの増幅方法。
（２）モード同期ファイバレーザと、該モード同期ファイバレーザの出力側に接続されたシングルモードファイバと、該シングルモードファイバの出力側に接続された増幅媒体ファイバを有する光ファイバ増幅器とを含み、該シングルモードファイバのファイバ長は、該光ファイバ増幅器からの超短光パルスの平均出力が最大となるように選定されていることを特徴とする超短光パルス増幅装置。
（３）モード同期ファイバレーザと、該モード同期ファイバレーザの出力側に接続されたシングルモードファイバと、該シングルモードファイバの出力側に接続された増幅媒体ファイバを有する光ファイバ増幅器とを含み、該増幅媒体ファイバのファイバ長は、該光ファイバ増幅器からの超短光パルスの平均出力が最大となるように選定されていることを特徴とする超短光パルス増幅装置。
（４）上記（２）又は（３）に記載の超短光パルス増幅装置と、該超短光パルス増幅装置の出力側に接続された波長を広帯域化する高非線形ファイバとを含む広帯域光コム発生装置。

本発明の高出力超短光パルス増幅装置によれば、出力の高い超短光パルスが得られ、又は、同じ出力を低い励起パワーで得ることができる。また、本発明の広帯域光コム発生装置によれば、高出力超短光パルス増幅装置から出力される増幅された超短光パルスを高非線形ファイバで広帯域化することにより、波長１．５μｍ帯を中心とする１オクターブ以上の広帯域光コムを容易かつ最適に発生させることができる。

本発明の第１の実施形態を図１及び図２を用いて説明する。
図１は、入射パルスのチャープ量を変化させたときの光ファイバ増幅器の出力とパルス幅の関係を示す図である。同図において、白い四角と黒い四角は、それぞれ光ファイバ増幅器の出力及び入射光パルスの幅であり、最短パルスの時をゼロとしている。
シングルモードファイバ（ＳＭＦ）は波長１．５μｍ帯では異常分散を持っているので、ファイバレーザと光ファイバ増幅器との間のＳＭＦ長を変化させることにより入射パルスのチャープ量を変化させることができる。波長１．５μｍ帯で正常分散を持つＥＤＦＡからの出力を観察すると、入射パルスが僅かに異常分散側にチャープした領域に、パワーが最大となる入射チャープ量が存在する。パワー増大にはスペクトル拡大を伴っている。このように入射光パルスのチャープ量を調整することにより、高出力の超短光パルス増幅装置が得られる。又は、同じ出力を低い励起パワーで得ることができる。

図２は、本実施形態の発明に係る高出力超短光パルス増幅装置の構成を示す図である。
同図において、ＷＤＭカプラ（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒ）は波長分割多重カプラ、ＥＤＦ（Ｅｒｂｉｕｍ Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ）はエルビウム添加ファイバ、ＳＭＦ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）はシングルモードファイバである。

図２において、図示左側のリングがモード同期ファイバレーザ１、図示右側のＷＤＭカプラ〜ＷＤＭカプラ間が光ファイバ増幅器３を構成し、モード同期ファイバレーザ１と光ファイバ増幅器３間（図示Ａ〜Ｂ）はシングルモードファイバ２を基本としたいくつかの光学素子で接続されている。ここで、図示Bの左隣のWDMカプラは光ファイバ増幅器３のために存在するが、実際に増幅が起こるエルビウムファイバより手前にあるため、増幅される光パルスにとってはシングルモードファイバ２の一部となっている。モード同期ファイバレーザ１により波長１．５μｍ帯の超短光パルス列が出力される。このレーザは非線形偏波回転を利用したモード同期機構を用いており、これに関する詳細は非特許文献６及び非特許文献７に記載されている。ここでは、これらの文献に記載されたものを改良し、偏波コントローラを加えることによりモード同期動作の最適化のための調整を可能としている。
また、光ファイバ増幅器３は、光ファイバ増幅器３を構成するはＥＤＦ（エルビウム添加ファイバ）の両方向（どちらか片方向でも可）から半導体レーザによりＷＤＭカプラ（波長分割多重カプラ）を経て励起されている。ここで用いたＥＤＦ（エルビウム添加ファイバ）は１５３０ｎｍにおいて２０ｄＢ／ｍ程度の吸収係数を持ち、−３０ｐｓ／ｍ／ｋｍ程度の分散値を持っている。また、半導体レーザ（励起レーザ）は波長９８０ｎｍ（１４８０ｎｍでも可）、出力２００−５００ｍＷのものを用いた。
モード同期ファイバレーザ１と光ファイバ増幅器３間に接続されるＳＭＦ（シングルモードファイバ）２の長さを調整し、入射パルスのチャープ量を光ファイバ増幅器３からの出力が最大になるように選定することにより、高出力の超短光パルスを発生させることができる。

次に、本発明の第２の実施形態を図２及び図３を用いて説明する。
図３は本実施形態の発明に係る広帯域光コム発生装置の構成を示す図である。
同図に示すように、本発明の広帯域光コム発生装置は、モード同期ファイバレーザ１、ＳＭＦ（シングルモードファイバ）２、光ファイバ増幅器３（１）、３（２）及び高非線形ファイバ４（１）、４（２）から構成される。広帯域光コム発生装置を光周波数計測などに用いる場合、「オフセット信号」及び「被測定レーザとのビート信号」の検出が必要である。そのため、それらの信号をそれぞれ最適に得るためには、モード同期ファイバレーザ１の出力を２つに分けて、独立に光ファイバ増幅器３（１）、３（２）で増幅することが望ましい。また、高非線形ファイバ４（１）、４（２）にピーク強度の大きな光パルスが入射すると、強い非線形光学効果によりスペクトルが拡がり、広帯域光コムが出力される。
本発明の広帯域光コム発生装置は、図２に示した、モード同期ファイバレーザ１と、ＳＭＦ（シングルモードファイバ）２と、光ファイバ増幅器３（１）、３（２）とからなる高出力超短光パルス増幅装置の出力を、広帯域光コム発生装置の構成の一部として使用するものである。なお、図３において、ＳＭＦ（シングルモードファイバ）２のシングルモードファイバ長を変化させることにより入射パルスのチャープ量を変化させる。２つの光ファイバ増幅器３（１）、３（２）からの出力は、それぞれオフセット信号及びビート信号を得るために用いる。これに関する詳細は、例えば、非特許文献１３に記載されている。

図３に示すように、モード同期ファイバレーザ１から波長１．５μｍ帯の光コムが出力され、出力された光コムは２つに分けられ、それぞれＳＭＦ（シングルモードファイバ）２のシングルモードファイバ長を変化させることにより入射パルスのチャープ量の調整を経た後、それぞれ光ファイバ増幅器３（１）、３（２）に入力される。光ファイバ増幅器３（１）、３（２）で増幅された光コムは、もう一度分散調整（これらの調整が必要なことは広く知られている）された後、高非線形ファイバ４（１）、４（２）により広帯域化（波長１−２μｍ）される。これは、モード同期ファイバレーザ及び光ファイバ増幅器を用いた一般的な光周波数計測の手法であり、詳細は、いくつかの論文に記載されている。本実施形態では、モード同期ファイバレーザ１からの約４ｍＷ の出力がそれぞれ光ファイバ増幅器３（１）、３（２）により約２２０ｍＷに増幅され、光ファイバ増幅器３（１）、３（２）のそれぞれの出力は、それぞれ高非線形ファイバ４（１）、４（２）に入射している。上記の分散調整を行わない場合は、最低で１５０ｍＷまで出力が低下することもあった。

次に段落００１０などで述べたように、モード同期ファイバレーザ１と光ファイバ増幅器３間に接続されるＳＭＦ（シングルモードファイバ）２の長さを調整し、入射パルスのチャープ量を光ファイバ増幅器３からの出力が最大になるように選定することにより、高出力の超短光パルスを発生させることができる。
ところで、一般的に波長1.5 μm帯においては、シングルモードファイバは波長が長くなると屈折率が上がる異常分散を持ち、光ファイバ増幅器に含まれる増幅媒体ファイバであるエルビウム添加光ファイバは、波長が長くなると屈折率が下がる正常分散を持つ。
最適なシングルモードファイバ長は、光増幅器中の増幅媒体ファイバ長とのバランスにより決まっており、その最適な組み合わせは多数ある。
したがって超短光パルスの増幅に当たって、光ファイバ増幅器からの超短光パルスの平均出力が最大となるようにするためには、増幅媒体ファイバ長を固定してシングルモードファイバ長を調整して選ぶ方法も採れるし、シングルモードファイバ長を固定して増幅媒体ファイバ長を調整して選ぶことも可能である。

入射パルスのチャープ量を変化させたときの光ファイバ増幅器の出力とパルス幅を示す図である。 第１の実施形態の発明に係る高出力超短光パルス増幅装置の構成を示す図である。 第２の実施形態の発明に係る広帯域光コム発生装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ モード同期ファイバレーザ
２ シングルモードファイバ
３、３（１）、３（２） 光ファイバ増幅器
４（１）、４（２） 高非線形ファイバ
ＷＤＭカプラ 波長分割多重カプラ
ＥＤＦ エルビウム添加ファイバ
ＳＭＦ シングルモードファイバ

Claims (3)

1. モード同期ファイバレーザと、該モード同期ファイバレーザの出力側に接続されたシングルモードファイバと、該シングルモードファイバの出力側に接続された増幅媒体ファイバを有する光ファイバ増幅器とを用いた超短光パルスの増幅方法であって、
   前記増幅媒体ファイバはエルビウム添加ファイバで構成され、
   前記シングルモードファイバのファイバ長は、前記増幅媒体ファイバのファイバ長を固定して前記シングルモードファイバのファイバ長を変化させて接続したときの前記光ファイバ増幅器からの超短光パルスの平均出力の変化を観察し、当該平均出力がピークとなるすなわち最大となるときの前記シングルモードファイバのファイバ長の値に調整することにより、前記光ファイバ増幅器からの超短光パルスの平均出力が最大となるように前記シングルモードファイバのファイバ長を選定して接続することを特徴とする超短光パルスの増幅方法。
2. モード同期ファイバレーザと、該モード同期ファイバレーザの出力側に接続されたシングルモードファイバと、該シングルモードファイバの出力側に接続された増幅媒体ファイバを有する光ファイバ増幅器とを含み、
   前記増幅媒体ファイバはエルビウム添加ファイバで構成され、
   前記シングルモードファイバのファイバ長は、前記増幅媒体ファイバのファイバ長を固定して前記シングルモードファイバのファイバ長を変化させて接続したときの前記光ファイバ増幅器からの超短光パルスの平均出力の変化から、当該平均出力がピークとなるすなわち最大となるときの前記シングルモードファイバのファイバ長の値に選定したものを接続することにより、前記光ファイバ増幅器からの超短光パルスの平均出力が最大となるように調整されていることを特徴とする超短光パルス増幅装置。
3. 請求項２に記載の超短光パルス増幅装置と、該超短光パルス増幅装置の出力側に接続された波長を広帯域化する高非線形ファイバとを含む広帯域光コム発生装置。

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