JP5193188B2 - 光パルス成型器、光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法 - Google Patents
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Description
これに対してCDPFは、二種類の伝送用ファイバから構成されるため、製造が容易で、コストも低く抑えることができるという利点があり、実用化が期待されている。
S. V. Chernikov et al., "Soliton pulse compression in dispersion-decreasing fiber," Opt. Lett., Vol. 18, No. 7, pp.476-478 (1993). S. V. Chernikov et al., "Comblike dispersion-profiled fiber for soliton pulse train generation," Opt.Lett., Vol. 19, No. 8, pp.539-541, (1994). T. Inoue et al., "Optical Pulse Compression Based on Stationary Rescaled Pulse Propagation in a Comblike Profiled Fiber," J. Lightwave Technol., Vol. 24, No. 7, pp.2510-2522 (2006).
従って、多重密度を向上させるには、対数軸上において振幅が時間あるいは周波数の増大に対して二次的に減衰するGaussian(ガウス型関数)波形の方が望ましい。ここで、ガウス型関数とは、exp[−ax2]の形をした関数をいう。
また、出力パルスの波形は、時間波形および周波数波形とも、Gaussian型であり、多重度を向上させることができる。
図1に示すように、正常分散効果を持つ非線形媒体1と、異常分散媒体2を交互に接続して、光パルス成型器100を構成し、入力部3から種パルス4を入力すると、出力部5から圧縮された光パルス6が出力される。なお、一組の非線形媒体1と、異常分散媒体2をもって、本発明の光パルス成型器における一段と定義する。
正常分散効果を持つ非線形媒体1が、特に高い非線形性を必要とする場合は、高非線形光ファイバを使用する。
ここで、高い非線形性とは、非線形定数γが、γ>3[1/W/km]のものを言う。
ただしγ=(2π/λ)(n2/Aeff)であり、λは光の真空中における波長、n2およびAeffはそれぞれファイバのKerr係数および実効断面積である。また、上記CPFで使用されているHNLFでは、分散効果がほぼ無視できるほど小さいため、零分散HNLFが使用されていると考えてよい。
該光ファイバとしては、シングルモード光ファイバがよく用いられるが、その理由は、伝搬損失と非線形定数が小さく、さらに大きな異常分散値を持つためである。
前記回折格子としては、ファイバブラッググレーティング(FBG)を使用することができる。
CPFを構成するHNLFおよびSMFの仕様は、表1に記載した通りであり、この条件で、三段CPFの構成からなる、本発明の光パルス成型器を製作し、図2に示す実験システムでパルス圧縮実験を行った(なお、製作した三段CPF全体の伝搬損失は0.5dBであった)。なおSMFの分散値、非線形定数、そして伝搬損失はそれぞれ16.3ps/nm/km、1.3W−1km−1、そして0.2dB/kmとしている。
次に、SMF50mを伝搬した後の波形を図4A,図4Bに示す。同様に、点線はGaussian(ガウス型関数)に適合(フィッティング)させた関数である。
Gaussianフィッティングにより想定される、時間波形の電力半値幅は2.57psで、スペクトルの3dB帯域幅は0.177THzである。よって時間帯域幅積は、0.454である。
ただし、三段CPFへの平均入力パワーは可変光減衰器によって20dBmに調整されている。
このように、本発明の前述した効果が顕著に実現されていることが明らかとなった。
すなわち、図11は、ファイバ長手方向に対する、CPFのファイバ分散値と非線形定数、パルス幅、時間帯域幅積、そしてスペクトル幅を表している。
上記現象こそ、本願発明の主眼である、非線形媒体における正常分散効果の現われである。
CDPFやCPFの段数を増すと、高品質な出力パルスが得られるが、製作時の手間とコストが増大するため、必ずしも現実的な方法とは言えない。
すなわち、HLNF中で正常分散効果と非線形効果が同程度の大きさで同時に発生し、パルスがアップチャープを持って幅が広がりつつ、新たな周波数成分がアップチャープとして付加されるという動作が連続して起こることにより、非線形チャープの発生が妨げられ、線形に近いチャープとGaussian形状のパルス波形が得られたものと考えられる。
M. Takahashi et al., “Supercontinuum spectrum broadening by one-bobbin compact modules comprised of re-coated comb-like profiled fiber and HNLF,” Proceeding of Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2007, Paper OTuJ4, Anaheim, U.S.A., 2007.
に記載されている、従来型CPFを用いた、パルス圧縮の実験結果と本発明の上記実験結果との比較を表3に示す。この表から、本発明の効果がより明確にわかる。
なお、ファイバ長が短いため、ファイバの伝搬損失はほぼ無視できるほど小さな値である。
T. Inoue, “Study on Noise-induced Quality Degradation in Optical Pulse Compression Based on Comb-like Profiled Fiber,” Proceeding of 32nd European Conference on Optical Communication (ECOC), Paper We3.P.24, Cannes, France, 2006.
に記載されている。
零分散のHNLFとSMFから構成される、従来型のN段CPFを用いたパルス圧縮の際のタイミングジッタδt2は、上記の文献で開示されているように、
上記の文献には、パルス品質を向上させるためにCPF一段当たりの圧縮率を小さく設定し、段数を大きくすると、SMFの総長が大きくなって、出力パルス列のタイミングジッタも大きくなることが示されている。
(1)段数の少ないCDPFやCPFを用いて高効率パルス圧縮を行うと、出力パルスの品質が劣化する。
(2)一方で、パルス品質を向上させるべくCDPFやCPFの段数を増やすと、製作コストが増大する。
(3)累積分散値が増大すると、パルス列を圧縮する場合のタイミングジッタが増大する。
(4)DDFを用いて理想的な断熱ソリトン圧縮を行う場合でも、得られるパルスはsech型であり、Gaussian型のように、時間や周波数の増大に対して、それぞれ二次的に減衰するパルス波形を得ることはできず、パルスを時間あるいは周波数で多重化する際、Gaussian型パルスを用いることで期待される多重度を実現することはできない。
本発明により得られた超短光パルスを高エネルギーに増幅することで、パルスは高いピークパワーを持つことができる。
この、1ピコ秒以下という短時間に強いピークパワーを示すという性質を利用して、高性能な超短パルス加工機を実現できるほか、医療分野たとえば歯科手術などに、レーザに代わって利用されることが期待される。
本願発明は、このような超短パルス応用装置12の光源11に使用できる。
S. Taccheo et al., “Investigation and Design Rules of Supercontinuum Sources for WDM Applications,” Proceeding of Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2000, Paper ThA1, Baltimore, U.S.A, 2000.
に記載されているように、正常分散ファイバを用いたスーパーコンティニューム(SC)光発生を行う場合、種光源としてsech関数型パルスを用いるよりも、Gaussian型パルスを用いたほうが、平坦なスペクトルが得られることが知られている。そこで、本発明の光パルス成型器を用いたパルス光源を製作し、これにより発生されたGaussian型パルスを入力光として用いることで、平坦なスペクトルのSC光を発生できると期待される。
特に、ファイバブラッググレーティングを用いると、光パルス成型器をすべてファイバ型で構成できるため、光軸調整が不要であることや、光パルス成型器の大きさを小さくできる等、利点が多い。
次に、上記の非特許文献3に開示されている手法により、本発明の実施例で用いたCPFの設計について述べる。
(2)次に、この伝送路を伝搬する光パルスを想定し、その複素包絡線振幅が、下記の非線形シュレディンガー方程式により決定されるものとして、その非線形定常解を求めることにより、上記光パルス(すなわちSRP)の振る舞いを特定する。
(3)しかるのち、SRPの特性を実空間に当てはめ、所望の圧縮パルスが得られるように、実際のCPFの構成を決定する。
図14は、CPFの一段構成からなる、規格化空間上の伝送路を示す。ここで、Dは、ファイバの分散値で、正負の符号はそれぞれ異常分散および正常分散に対応する。またzはファイバ長手方向の距離を表している。ただし、分散値Dおよび距離zはともに規格化された値であるが、ファイバ非線形定数の長手方向の変化や、ファイバ損失によるパワー減衰の効果も反映しており、実空間におけるファイバ分散値と長手方向には原則として一対一に対応していない。
周知の平均化法を適用して計算し、図15A,図15B,図15Cに示すような各種SRP波形が得られた。
図15A,図15B,図15CはSRPの波形であり、図15Aは時間波形(実線)と瞬時周波数(点)、図15Bは自己相関波形、図15Cはスペクトルを表す。
上段は線形軸表示、下段は対数軸表示。各図で点線はGaussian関数によるフィッティングである。
ここで、線形チャープパラメータCは、t=0における瞬時周波数の傾き∂ω/∂t|t=0を用いて、C=(Δt2)(4ln2)−1∂ω/∂t|t=0と定義される。
まさに、この点が本発明の第1の特徴であり、先に述べた第1の態様の、「前記非線形媒体における非線形効果と分散効果の大きさが同程度に発生していること」にほかならない。
入力パルスは繰り返しが10GHz、時間幅がΔt0=2.5psのチャープフリーGaussianパルスとし、平均パワーを100mWとする。このときパルスのピークパワーは3.8Wである。
以上が、CPF設計手法の詳細である。
本発明は、このような設計手法と相俟って、うまれたものである。
さらにまた、本発明の光パルス成型器、光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法は、SC光発生の種光源の発生、そのSC光発生等に用いられ、様々な利点をもたらすことが期待される。また、本発明により得られた光パルスを高パワーに増幅することで、高性能な超短パルス加工機、医療機器等に応用できる可能性があるなど、産業上の利用可能性は高い。
Claims (13)
- 正常分散効果を持つ非線形媒体と、異常分散媒体とを交互に接続して構成される、光パルス成型器であって、
前記非線形媒体における非線形効果と分散効果の大きさが同程度に発生するように、前記非線形媒体の分散値と実効長を定める光パルス成型器。 - 前記光パルス成型器の出力パルス波形が、ガウス型関数に適合するように、入力種パルス、前記非線形媒体、前記異常分散媒体の仕様をそれぞれ定める請求項1に記載の光パルス成型器。
- 前記非線形媒体が、光ファイバである請求項1に記載の光パルス成型器。
- 前記非線形媒体が、高非線形光ファイバである請求項3に記載の光パルス成型器。
- 前記異常分散媒体が、光ファイバである請求項1に記載の光パルス成型器。
- 前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバである請求項5に記載の光パルス成型器。
- 前記異常分散媒体が、回折格子である請求項1に記載の光パルス成型器。
- 前記回折格子が、ファイバブラッググレーティングである請求項7に記載の光パルス成型器。
- 前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバであり、
前記高非線形光ファイバの長さが分散距離と同程度で、かつ非線形距離の3倍程度であり、前記シングルモード光ファイバの長さが分散距離と同程度である請求項4に記載の光パルス成型器。 - 前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバであり、
前記高非線形光ファイバの長さが分散距離の1.17倍で、かつ非線形距離の3.3倍であり、前記シングルモード光ファイバの長さが分散距離の1.29倍である請求項4に記載の光パルス成型器。 - 請求項1から10の何れか一項に記載の光パルス成型器を備える光パルス光源。
- 請求項11に記載の光パルス光源を備えるスーパーコンティニューム光発生装置。
- 正常分散効果を持つ非線形媒体と、異常分散媒体とを交互に接続して構成され、前記非線形媒体における非線形効果と分散効果の大きさが同程度に発生するように、前記非線形媒体の分散値と実効長を定める光パルス成型器を備える光パルス光源から出力されるガウス関数型パルスを、正常分散HNLFに入射して、平坦なスペクトルのスーパーコンティニューム光を発生するスーパーコンティニューム光発生方法。
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