JP6420378B2 - 波長可変の超短パルスレーザのためのファイバ構造 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、一般に波長可変の超短パルスレーザにおける使用のためのファイバ構造に関わる。より具体的には、本発明の実施形態は、ソリトン自己周波数シフトを可能とする高次モードファイバのためのファイバ構造に関わり、そこではそのようなファイバを利用するシステムは波長をポンプ波長から移転波長にシフトするための第１のファイバと、パルスを移転波長から出力波長にシフトするための第２のファイバを持つ。

［関連出願への相互参照］
本出願は、２０１１年１０月６日に出願された「波長可変の超短パルスレーザのためのファイバ構造」と題する米国仮出願特許Ｎｏ．６１／５４４，０３４に基づく優先権を主張し、該出願の開示はその全体が参照によりここに組み込まれる。

［関連する技術の説明］
異常分散を持つファイバにおけるソリトン自己周波数シフト（ＳＳＦＳ）は、超短パルス（つまり、約１ｐｓより小さいパルス幅を持つ）の波長シフトのための効果的な方法であることが分かっている。異常分散はソリトンパルスを保つための必要条件であり、１３００ｎｍ未満の波長に対しては、異常分散は従来のシングルモードファイバでは得られない。しかし、屈折率導波フォトニック結晶ファイバ、中空コアファイバ、または高次モード（ＨＯＭ）を伝搬するように構成されたファイバのいずれを用いても、１３００ｎｍ未満の広い波長範囲において異常分散を得ることが可能である。

いくつかの用途に、例えば多光子イメージングに好適となるために、必要なパルスエネルギーは一般的にｎＪの領域にある。屈折率導波フォトニック結晶ファイバは非常に低いパルスエネルギーを必要とし、中空コアファイバ内のＳＳＦＳは非常に高いパルスエネルギーを必要として、そのような用途に対しては両方を不適当にしてしまう。しかし、ＨＯＭファイバはそのような範囲のパルスエネルギーにおいて有用かもしれない。

ソリトンパルスのために必要なパルスエネルギーは

で与えられ、ここにＴはソリトンパルス幅、Ｎはソリトン次数を定義する整数、Ｄはファイバの分散係数、Ａ_ｅｆｆはファイバの有効断面積、Ｋは定数である。

ＨＯＭファイバは、ＳＳＦＳを使うことによりパルスの波長を調整することが可能であるように、特定の分散係数と有効断面積を用いて画設されうる。現在のＨＯＭファイバ構造はＬＰ_０２モードにおいて１０６４ｎｍから１２００ｎｍにまでシフトすることを可能にし、ＳＳＦＳを使って約０．８ｎＪのエネルギーを持つ出力パルスに結実する。ＳＳＦＳとチェレンコフ発生の組み合わせを用いて、１３５０ｎｍまでの更なるシフトが達成されることが可能であり、後者は約０．６６ｎＪの出力パルスエネルギーを持つ。さらに、ＳＳＦＳと０．６ｎＪの出力パルスエネルギーを有するチェレンコフ発生の組み合わせを用いて、７７５ｎｍから８５０ｎｍへのシフトが実演されている。

１０６０ｎｍでポンプされるとき１３００ｎｍにおいてチェレンコフ発生をもたらす、１０６０ｎｍにおけるポンピングのための典型的な従来技術のＨＯＭファイバに対して、図１Ａと図１Ｂは、それぞれ有効屈折率と、分散係数および有効断面積を示す参照を提供する。図示されるように、ＬＰ_０２モードの有効屈折率と他のモードの有効屈折率の間の１つだけの交差が、動作波長範囲より十分低い、約９４０ｎｍで起こる。ＨＯＭファイバ中の光は、その光が１つまたはそれ以上の他のモードとのモード交差を持つモードにある場合、一般的にどのような用途に対しても有用でない。そのようなモード交差は、おそらくモード結合を引き起こし、関与するモード間で光のパワーを分配して、結果としてその特定の波長でのシングルモード動作を妨げるであろう。ポンプ波長における既知のＨＯＭファイバ構造に対するＤ・Ａ_ｅｆｆの値は３．０ｆｓより小さいことが良く知られている。

上に述べられたように、現在のＨＯＭファイバ構造は波長シフトされたパルスのパルスエネルギーをちょうど１ｎＪ未満に限ってきた。しかし、例えば生体測定による医学的利用のような実際の用途のためには、２−５ｎＪの範囲のパルスエネルギーが必要である。従って、波長可変の超短パルスレーザのために改良されたファイバ構造に対する要求がある。

本発明の実施形態は、一般に波長可変の超短パルスレーザのためのファイバ構造に関わる。更に具体的には、本発明の実施形態は、ソリトン自己周波数シフトを可能とする高次モードファイバのためのファイバ構造を具体化するシステムに関わり、そこではシステムは波長をポンプ波長から移転波長にシフトするための第１のファイと、パルスを移転波長から出力波長にシフトするための第２のファイバを備える。

本発明の一つの実施形態では、波長可変の短パルスファイバレーザシステムは、入力波長を持つパルスを供給するためのパルス発生器と；モード変換器と；該パルスを入力波長から移転波長にシフトするための第１の画設されたファイバ；および該パルスを移転波長から出力波長にシフトするための第２の画設されたファイバを備える。

本発明の他の実施形態では、波長可変の短パルスファイバレーザシステムは、入力波長を持つパルスを供給するためのモードロックレーザと；長周期回折格子モード変換器と；該パルスを入力波長から移転波長にシフトするための第１の画設されたＨＯＭファイバ；および該パルスを移転波長から出力波長にシフトするための第２の画設されたＨＯＭファイバを備え、該第１の画設されたファイバは、入力波長において３ｆｓより大きいＤ・Ａ_ｅｆｆを持つ高次モードを使う。

本発明の更に他の実施形態では、超短パルスを波長シフトする方法は、以下を含む：入力波長を持つパルスを供給するためのパルス発生器と、モード変換ファイバと、第１の画設されたファイバ、および第２の画設されたファイバを備えるシステムを用意する；該パルスを該パルス発生器から該モード変換ファイバへ伝搬させ、該パルスを入力モードから高次モードへ変換する；該パルスを該モード変換ファイバから該第１の画設されたファイバへ伝搬させ、入力波長を移転波長にシフトする；および該パルスを該第１の画設されたファイバから該第２の画設されたファイバへ伝搬させ、移転波長を出力波長にシフトする。

上に記載された本発明の特徴が詳細に理解されることが可能なやり方として、上に短くまとめられた本発明の実施形態の更に具体的な説明が、添付された図面に描かれる実施形態を参照することによって得られてよい。しかし、添付された図面は本発明の範囲内に含まれる実施形態のうちの典型的な実施形態だけを描くものであることに注意すべきであり、従って、本発明は他の等しく効果的な実施形態を認めてよいので、（図面は）制限していると考えるべきでない。

図１Ａは、従来技術の中で知られる典型的なＨＯＭファイバについての、導波モードの有効屈折率を説明するグラフを表す。 図１Ｂは、従来技術の中で知られる典型的なＨＯＭファイバについての、分散と有効断面積を説明するグラフを表す。 図２は、本発明の１つの実施形態による波長可変の短パルスファイバレーザシステムの概略図を表す。 図３Ａは、本発明の１つの実施形態による第１のファイバについての、導波モードの有効屈折率を示すグラフを表す。 図３Ｂは、図３Ａに示される第１のファイバについての、分散と有効断面積を示すグラフを表す。 図３Ｃは、図３Ａに示される第１のファイバについての屈折率プロファイルを示すグラフを表す。 図４Ａは、本発明の１つの実施形態による第２のファイバについての、導波モードの有効屈折率を示すグラフを表す。 図４Ｂは、図４Ａに示される第２のファイバについての、分散と有効断面積を示すグラフを表す。 図４Ｃは、図４Ａに示される第２のファイバについての屈折率プロファイルを示すグラフを表す。 図５は、本発明の実施形態によるファイバ構造を利用するシステムについての、分散と有効断面積を示すグラフを表す。 図６は、本発明の１つの実験的な実施形態による３重クラッド導波路を構成するコアと環状導波路の、概略の屈折率プロファイルを表す。 図７は、図６の実験的な実施形態による多数の異なる導波路の微小なばらつきについて、モード交差波長を１０６０ｎｍの波長におけるＤ・Ａ_ｅｆｆ積の関数として示すグラフを表す。 図８は、図６の実験的な実施形態によるＨＯＭファイバの中の最も低い４つの伝搬モードの有効屈折率を示すグラフを表す。 図９は、図６の実験的な実施形態による、コア導波路中のＬＰ_０１モードについての有効屈折率と、リング導波路中のＬＰ_０１とＬＰ_１１についての有効屈折率を示すグラフを表す。 図１０は、図６の実験的な実施形態によるＬＰ_０２モードの、分散、有効断面積、およびＤ・Ａ_ｅｆｆ積曲線を示すグラフを表す。 図１１は、図６の実験的な実施形態による、シフトされたソリトンパルスについて測定されたスペクトルを、ＬＰ_０２モードでのパルス伝搬に対応するシミュレーションと共に示し、および該ソリトンパルスの対応する測定された強度自己相関を示す、グラフを表す。

ここに用いられる表題は編成する目的だけのためのものであり、説明の範囲、または請求の範囲を制限するために用いられるように意図されていない。本出願全体で使われるにあたって、「してよい（ｍａｙ）」の言葉は、義務の意味（つまり、「でなければならない」の意味）よりむしろ、許可の意味（つまり、「可能性を持つ」を意味する）で使われる。同様に、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅ、ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ、ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」の言葉は、含むがそれに限らないことを意味する。理解を助けるために、可能な限り同じ参照番号が、（複数の）図に共通する同じ部分を指示するために用いられている。

［詳細な説明］
本発明の実施形態は、一般に波長可変の超短パルスレーザのためのファイバ構造に関わる。より具体的には、本発明の実施形態は、ソリトン自己周波数シフトを可能とする高次モードファイバのためのファイバ構造に関わり、そこでは創意に富んだファイバを組み込むシステムは、波長をポンプ波長から移転波長にシフトするための第１のファイバと、パルスを移転波長から出力波長にシフトするための第２のファイバを備える。

ここに用いられるように、用語「およそ（ａｂｏｕｔ）」または「約（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、あるいはそれらの派生語は、数値を参照する場合は、その数値のいずれかの方向に１０パーセント以内に含むとみなされるべきである。更に、そのような用語が記述された固定的な数値（例えば「０」）に用いられる場合は、当該分野における通常の当業者によって普通に使われているように、その固定的な数値はいずれかの方向に合理的な尺度における１単位以内に含むものとみなされるべきである。

本発明の実施形態は、一般にここに詳しく説明するようにＨＯＭファイバの使用を必要とする。一般的に説明されるように、ＨＯＭファイバはＬＰ_０２モードで動作していてよい。示される実施例がＬＰ_０２モードを利用することがあるとしても、さらに高次のモード、例えばＬＰ_０３、ＬＰ_０４、ＬＰ_１１、またはＬＰ_２１が本発明の実施形態に用いられてよいことが認識されなければならない。しかし、ＬＰ_０２より高いモードに進む場合に極端に増加させられる導波モードの数により、望ましくないモード交差の極端な増加に伴う追加の問題が生ずるかもしれないこともまた認識される。これらの問題点にもかかわらず、論じられる実施形態の範囲を更なる実施形態にどう適用するかを通常の技量を持つ者は認識しているであろうから、そのような更なる実施形態は、他の高次モードを含むと見なされるべきであり、また本発明の全ての実施形態の範囲の内に含まれるべきである。

図２は、本発明の１つの実施形態による波長可変の短パルスファイバレーザシステムの概略図を表す。システムは一般に、シングルモードファイバ出力を持つレーザ源、モード変換器、第１の画設されたファイバ（ここでは「ＬＳ５」ファイバとしても引用される）、第２の画設されたファイバ（ここでは「ＲＳ３」ファイバとしても引用される）、および第１と第２の画設されたファイバの間の接続を備える。接続は、融着、機械的接続または類似のものを含んでよい。代わりに、接続は、伝統的な接続よりむしろレンズ結合を含んでよい。

多くの実施形態において、モード変換器、第１の画設されたファイバおよび第２の画設されたファイバは、それぞれ異なるＨＯＭファイバである。しかし、代替の実施形態において、本発明の実施形態の方法およびシステムは、適切な代替えの実施形態を達成するために、単一の特殊化されたＨＯＭファイバ、１対の特殊化されたＨＯＭファイバまたは３つより多くのファイバを利用してよい。

レーザ源は、本発明の実施形態に適合するどんなレーザ源またはパルス発生器を備えてもよい。多くの実施形態において、レーザ源はモードロックレーザ、例えば７０−９０ＭＨｚ Ｔｉ：サファイア モードロックレーザを備える。ひとつの実施形態では、レーザ源は５ｆｓと数ｐｓの間のパルス幅を持つ、およそ６５０ｎｍと１１００ｎｍの間の最初の入力波長を発生することができる。４．０Ｗまでの出力パワーが利用できる。

多くの実施形態において、レーザ源からのパルスはモード変換器ファイバとして働くＨＯＭファイバに結合されるシングルモードファイバに入る。ひとつの実施形態では、モード変換器ファイバは長周期回折格子（ＬＰＧ）モード変換器として使われるＨＯＭファイバを備える。代替の実施形態では、どのようなタイプのモード変換器も使われてよい。

モード変換器ファイバは、図に示されるように第１の画設されたファイバに接続される。第１の画設されたファイバは一般にソリトンを発生するように働き、光バルスを第１の画設されたファイバと第２の画設されたファイバの間でレーザ源からの入力波長から移転波長（「シフト波長」とも呼ばれる）にシフトするためにＳＳＦＳを用いる。先に紹介されたように、第１の画設されたファイバと第２の画設されたファイバは一般にＨＯＭファイバであるが、特別に画設された同一のＨＯＭファイバであってもよい。

シフト波長は、この波長間隔の内で他のモードとのモード交差が無ければ、ポンプ波長より高いどんな波長を含んでいてもよい。モード交差は別として、シフト波長は、分散がＳＳＦＳ過程全般に亘って異常のままであるという要求によって制限されてもよい。そのうえ、シフト波長をさらに制限して、第１の画設されたファイバと第２の画設されたファイバの間でのＤ・Ａ_ｅｆｆ不整合は１００倍未満にとどまらなければならない（つまり、ソリトン次数不整合＜１０）。

上記の動作パラメータを考慮して、第１の画設されたファイバと第２の画設されたファイバのそれぞれに対して所望の屈折率プロファイルが構成されることが可能である。第１の画設されたファイバの屈折率プロファイルについて、かかるファイバは中央コア、前記コアを囲む内側トレンチ、前記トレンチを囲むリング、前記リングを囲む外側トレンチ、および外側クラッドを備える。

ある実施形態では、第１の画設されたファイバの中央コアは一般に、約０．７５μｍから約２．０μｍの間の半径を持ち、外側クラッドに対して約２０．０から約４０．０（１０^−３の単位で）の間の屈折率差を持つ、屈折率が高くされた領域を持ってよい。一つの例示的な実施形態では、中央コアは所望の屈折率を達成するために適切な量のＧｅＯ_２でドープされたＳｉＯ_２を含んでよいが、しかし他のドーパントを含んで良い。

内側トレンチは、約１．７５μｍから２．５μｍの間の幅を持ち、外側クラッドに対して約−３．０から約−１３．０（１０^−３の単位で）の間の屈折率差を持つ、屈折率が低くされた領域であってよい。内側トレンチは一般に、所望の屈折率を達成するために適切な量のＦ、および随意にＧｅＯ_２でドープされたＳｉＯ_２を含んでよい。

リングは、約２．０μｍから５．０μｍの間の幅を持ち、外側クラッドに対して約５．０から約２０．０（１０^−３の単位で）の間の屈折率差を持つ、屈折率が高くされた領域であってよい。リングは一般に、所望の屈折率を達成するために適切な量のＧｅＯ_２、および随意にＦでドープされたＳｉＯ_２を含んでよい。

外側トレンチは一般に約１．７５μｍから４．５μｍの間の幅を持ち、かつ外側クラッドに対して約１．５から約−３．５（１０^−３の単位で）の間の屈折率差を持つ。外側トレンチは一般に、所望の屈折率を達成するために適切な量のＰ_２Ｏ_２、Ｆ、および随意にＧｅＯ_２でドープされたＳｉＯ_２を含んでよい。

多くの実施形態において、外側クラッドは一般にＳｉＯ_２を含み、かつ約５０μｍから約７５μｍの間の外側の半径を持つ。

１つの例示的な第１の画設されたファイバの具体的な構造が、以下の表１に示される。

図３Ａ−３Ｃは、本発明の１つの実施形態による第１の画設されたファイバについて、導波モードの有効屈折率、分散と有効断面積、および屈折率プロファイルを示すグラフを表す。

第２の画設されたファイバの屈折率プロファイルについて、かかるファイバもまた中央コア、前記コアを囲む内側トレンチ、前記トレンチを囲むリング、前記リングを囲む外側トレンチ、および外側クラッドを備える。ある実施形態では、第２の画設されたファイバの中央コアは一般に、約０．８５μｍから約２．２５μｍの間の半径を持ち、外側クラッドに対して約２０．０から約４０．０（１０^−３の単位で）の間の屈折率差を持つ、屈折率が高くされた領域を持ってよい。中央コアは一般に、所望の屈折率を達成するために適切な量のＧｅＯ_２でドープされたＳｉＯ_２を含んでよい。

第２の画設されたファイバの内側トレンチは、約０．５μｍから２．５μｍの間の幅を持ち、外側クラッドに対して約０．０から約−１３．０（１０^−３の単位で）の間の屈折率差を持つ、屈折率が低くされた領域であってよい。内側トレンチは一般に、所望の屈折率を達成するために適切な量のＦ、および随意にＧｅＯ_２でドープされたＳｉＯ_２を含んでよい。

第２の画設されたファイバのリングは、約２．０μｍから４．５μｍの間の幅を持ち、外側クラッドに対して約５．０から約２０．０（１０^−３の単位で）の間の屈折率差を持つ、屈折率が高くされた領域であってよい。リングは一般に、所望の屈折率を達成するために適切な量のＧｅＯ_２、および随意にＦでドープされたＳｉＯ_２を含んでよい。

外側トレンチは一般に約１．７５μｍから４．５μｍの間の幅を持ち、かつ外側クラッドに対して約１．５から約−５．０（１０^−３の単位で）の間の屈折率差を持つ。外側トレンチは一般に、所望の屈折率を達成するために適切な量のＰ_２Ｏ_２、Ｆ、および随意にＧｅＯ_２でドープされたＳｉＯ_２を含んでよい。

多くの実施形態において、外側クラッドはＳｉＯ_２を含み、かつ約５０μｍから約７５μｍの間の外側の半径を持つ。

１つの例示的な第２の画設されたファイバの具体的な構造が、以下の表２に示される。

図４Ａ−４Ｃは、本発明の１つの実施形態による第２の画設されたファイバについて、導波モードの有効屈折率、分散と有効断面積、および屈折率プロファイルを示すグラフを表す。

それぞれ第１の画設されたファイバおよび第２の画設されたファイバについて、図３Ａ−３Ｃと図４Ａ−４Ｃの間に表わされる例示的な実施形態に対して、ファイバによるＳＳＦＳの総合特性の解析が実施された。例示的な実施形態において検討されたシフト波長は約１１００ｎｍに設定され、そしてソリトンの可能性のある最も高い出力波長は約１３００ｎｍであった。図から、第１の画設されたファイバが、１０６０ｎｍつまりおよそポンプ波長においてＤ・Ａ_ｅｆｆ＝１７ｆｓを持つことが注目されるが、ポンプ波長は１０６０ｎｍに限られず、それどころか第１の画設されたファイバが異常分散を持つどのような波長も使われることができるであろう。本発明の種々の実施形態で、ポンプ波長においてＤ・Ａ_ｅｆｆ＝は３ｆｓより大きい。

エネルギーが第１の画設されたファイバから第２の画設されたファイバへ伝わる１１００ｎｍの例示なシフト波長において、Ｄ・Ａ_ｅｆｆは第１の画設されたファイバおよび第２の画設されたファイバに対してそれぞれおよそ２７ｆｓおよび５ｆｓである。従って、Ｄ・Ａ_ｅｆｆ比は約５．４である。

図５は、本発明の実施形態によるファイバ構造を利用するシステムについて、分散と有効断面積を示すグラフを表す。図５に示されるように、光はＬＰ_０２モードで第１の画設されたファイバに結合される。描かれる実施形態ではこれは１０６０ｎｍで行われるが、Ｄ・Ａ_ｅｆｆ積が正である限り、それは分散が異常であることを意味するので、どんな波長でもよいであろう。

パルスエネルギーとパルス幅に依存して、光はソリトンを形成するであろう。ソリトンが次数１であれば、それはＳＳＦＳによってより長波長に向かってシフトし始めるであろう。ＬＳ５ファイバに形成されるソリトンの次数が１より大きく、かつ幅がフェムト秒の時間スケールにあれば、ファイバの長さが十分長い場合、該パルスはソリトン分裂を起こしてＮ個の１次ソリトンに分かれるであろう。ここに、Ｎは形成された高次ソリトンの次数であり、この過程が完了するためには、長さは所望のパルスエネルギー、パルス形状、および幅に依存する。

ソリトンの次数は、上のパルスエネルギーソリトン方程式から定められ、パルスエネルギーまたはパルス幅のいずれの変化に依っても調整され得るであろう。第１の画設されたファイバの長さは、分裂過程から分かれ出る基本ソリトンの最初のものが１１００ｎｍ付近の波長へシフトされるようなものであるべきである。

典型的な実施形態にとっては、１１００ｎｍが第１の画設されたファイバから第２の画設されたファイバへの結合のための目標波長であり、これは、他のモードへのモード結合を避けるために、モード交差によって制限されるからである。しかし、実際の波長は、入力パルスエネルギーとパルス幅に依存して、数ｎｍ変化することができ、これは第２の画設されたファイバの中の出力ソリトンのシフトを制御するために利用される。その結果、第１の画設されたファイバと第２の画設されたファイバの間の結合のための目標波長は、可能なより長い結合波長を生じるためにＬＰ_０２とＬＰ_１１のモードの間のモード交差から約２０ｎｍ離して配置される。光が第１の画設されたファイバから第２の画設されたファイバに結合されるときは、第２の画設されたファイバにおけるＤ・Ａ_ｅｆｆ積が第１の画設されたファイバにおけるよりも低いので、おそらく第２の画設されたファイバに高次ソリトンを形成するであろう。

多くの実施形態において、第２の画設されたファイバにおけるＤ・Ａ_ｅｆｆ積が第１の画設されたファイバにおけるよりも高くないことが重要であり、これは第２の画設されたファイバにおけるソリトンの形成を困難にするであろうからである。しかしながら、パルスが分散するにつれてパルス幅が増え、それはソリトンを形成するために必要なパルスエネルギーを低くするので、小さい差はおそらく許されるであろう。

ソリトン次数が高すぎないこともまた重要であり、これは広帯域スーパーコンティニュアムスペクトルを生成するであろうからである。第２の画設されたファイバの中の高次ソリトンは、もう１度分裂を起こし、さらに長い波長に向かってシフトし続ける基本ソリトンを分離するであろう。第２の画設されたファイバ中でＤ・Ａ_ｅｆｆ積が非負である領域内に長さが固定されれば、このソリトンの最終の波長は入力パルスエネルギーまたはパルス幅によって調整できる。図５に示されるように、目標出力波長は１２８０ｎｍに設定されている。

第１の画設されたファイバのうちの意図された動作領域は、ＬＰ_０２とＬＰ_１１のモードの間のモード交差についての図５の左側にあり、第２の画設されたファイバのうちの意図された動作領域は、ＬＰ_０２とＬＰ_１１のモードの間のモード交差についての図５の右側にあることが注目されるべきである。

本発明の実施形態により、異常分散を得るために高次モードファイバを使う、提案される段階は、検討される波長領域に限られないで、実際はどのような波長においても適用され得る一般的な方法である。従って、ポンプ源と高次モードファイバの正しい組み合わせによって、どのような望みの波長においても光を発生することが可能に違いない。

図５によって描写されるように、シミュレーションは、４００ｆｓの半値全幅のパルス幅を持つｓｅｃｈ^２パルスにおける１０６４ｎｍで１０ｎＪのポンプエネルギーに対して、０．２２ｍの第１の画設されたファイバ中を伝搬の後、６．８２ｎＪのエネルギーをもって１０９９ｎｍでソリトンが発生することを示す。第１の画設されたファイバと第２の画設されたファイバの間で０．５ｄＢの接続損失が起こることが仮定される。更に第２の画設されたファイバ中での０．０７ｍの伝搬の後、４．３６ｎＪのパルスが１２１３ｎｍにおいて発生する。

［実験的な実施形態］
上に議論した例示的な実施形態に加えて、本発明の一つの実施形態を利用して実験が行われた。実験の始めにあたって、新しいＨＯＭファイバがここに述べられる設計基準に基づいて作成され、結果としてのソリトンは、１０８５ｎｍの波長において２１６ｆｓの時間幅と６．３ｎＪのパルスエネルギーを持っていた。実演されたパルスエネルギーは、１３００ｎｍ未満の波長での中実シリカファイバでの以前の記録より約６倍高かった。

結果としてのＨＯＭファイバは更に、ｆｓ動作での検討された調整範囲に対して現在のＹｂファイバレーザシステムよりも良いパルスエネルギーを示した。ソリトンエネルギーは直接Ｄ・Ａ_ｅｆｆ積に比例する。従って、ソリトンエネルギーを増加することは、ソリトンが伝搬するモードに対して非常に大きい異常分散および／または大きい有効モード断面積を持つファイバの構造の問題であった。実験はＨＯＭファイバにおけるＬＰ_０２モードに集中した。ＬＰ_０２モードの導波路分散を増大するために、ファイバは３重クラッド構造を有していた。ＨＯＭファイバの構造のパラメータ空間は、最も高いソリトンエネルギーのための最適構造を見出すために異なる構成の数値計算を実行することにより、徹底的に調査された。

最適化された構造は、ソリトンエネルギーとＳＳＦＳのための波長範囲との妥協であった。直観的な説明は、３重クラッド構造においてＬＰ_０１モードに対する群速度分散のスケーリングに注目することを提起し、それはＬＰ_０２モードに対しても当てはまる。３重クラッド構造は、図６に示されるように、２つの導波路、コア導波路とリング導波路の重ね合わせと見ることが可能である。

２つの零分散波長の間の、（例えば図３Ｂと図４Ｂに見られるような）Ｄ曲線の下の面積は、コア導波路とリング導波路の群屈折率差により与えられる一定値であると見なすことができる。従って、より大きいピークのＤは、より狭い、分散が異常な波長領域をもたらす。Ｄ曲線のピークが増大すると、ＬＰ_０２モードとＬＰ_１１モードの有効屈折率はＤ曲線のピークにより近い波長で交差する。図７に、このモード交差波長が、１０６０ｎｍの波長におけるＤ・Ａ_ｅｆｆ積の関数として、多数の異なる導波路の微小なばらつきに対して示される。

図７は、Ｄ・Ａ_ｅｆｆ積が増加するに従ってモード交差波長が入力波長（つまり、〜１０６０ｎｍ）へより近づくことを示し、これは一般に安定動作のために望ましくない。作成プロセスのうちのどのような不完全さも、完全な円筒対称性の欠けたファイバをもたらすかもしれない。それゆえ、どのようなモード交差も、おそらくその２つのモード間の強い結合を作り出すであろう。モード交差は、どのような著しい損失もなくソリトンが形成されてシフトされることが可能な波長範囲を制限する。ソリトンエネルギーと安定性の折衷として、最適化された実験的な構造はＬＰ_０２とＬＰ_１１のモードの間のモード交差を１１２０ｎｍ付近に持った。図８は、ＨＯＭファイバのための選ばれた構造の最初の４つのＬＰモードに対して、有効屈折率を波長の関数として示す。

３重クラッド構造のコアとリングの導波路への分解を示すために、コアとリングの導波路に対して、波長の関数としての有効屈折率が図９に示される。コアとリングの導波路の、個々のＬＰ_０１モードの有効屈折率は、約１１２０ｎｍで交差する。コアとリングの導波路は３重クラッド構造の中の結合された導波路であり、それらは同一の角度対称性を持っているので、２つのＬＰ_０１モードは、図８と９を比べてわかるように、直交の要求を満たすために擬交差を起こすように強制される。ＬＰ_０２モードは、より短い波長において分離したリング導波路のＬＰ_０１モードとして出発し、より長い波長において分離したコア導波路のＬＰ_０１モードとして終わる。

従って、ＬＰ_０２とＬＰ_１１のモードの間のモード交差は２つのＬＰ_０１モードの間の擬交差の効果として起こる。分離したコアとリングの導波路での２つのＬＰ_０１モードの間の交差角が９０°に近いほど、擬交差が経験する曲率はより大きい。有効屈折率における曲率は、実質的に分散値に直接関連している。しかし図９から、交差角が９０°に近いほど、コアのＬＰ_０１モードとリングのＬＰ_１１のモードの間のモード交差はコアのＬＰ_０１モードとリングのＬＰ_０１のモードの間のモード交差により近い。従って、３重クラッド構造のゆえに、ＬＰ_０２モードでの高い異常分散値とＬＰ_０２とＬＰ_１１のモードの間のモード交差波長の位置との間には当然のトレードオフがある。

図１０は、群速度分散とＬＰ_０２モードの有効断面積およびＤ・Ａ_ｅｆｆ積を示す。図８と１０は、モード交差波長がＤ曲線のピークにおける波長に非常に近いことを示す。ポンプとして使われるＹｂベースのファイバレーザシステムとしては、ＳＳＦＳのためにＤ曲線の左側が使われるべきである。この最適化プロセスにおいて、重点はＬＰ_０２モードに限られたが、他のＨＯＭも使われ得るだろう。一般に、より多くのモード交差が含まれるのでプロセスはより複雑になるであろう。

試験の結果として、図１０に示される構造に基づくＨＯＭファイバが作成された。図１１は、入力源が波長１０４５ｎｍのＩＭＲＡ ＦＣＰＡ μＪｅｗｅｌシステムであって、２５ｃｍの最適化されたＨＯＭファイバの後で測定された出力スペクトルを示す。入力パルスのＦＷＨＭのパルス幅は約６００ｆｓであり、ファイバへの入力パルスエネルギーは２３ｎＪである。ファイバはＨＯＭファイバであり、パルスは自由空間から結合されるので、パルスエネルギーの一部分だけがＬＰ_０２モードに結合される。その分率は、図１１に示されるＬＰ_０２モードでのパルス伝搬のシミュレーションから、４８％であると見積もられる。

将来の用途のために、ＬＰ_０２モードの励起が長周期回折格子の利用によってさらに効率的に成し遂げられるであろうことが決定づけられた。それにもかかわらず、ＬＰ_０２モードは異常分散を持つ唯一の伝搬モードであり、従ってソリトンパルスとそれに続くＳＳＦＳに対応することのできる唯一のモードである。図１１は、ソリトンが１０８５ｎｍの中心波長にシフトしてしまったことを示す。ソリトンのエネルギーは、ファイバから出る全パワーと１０６４ｎｍにバンドエッジを持つ長波長通過フィルタを経るパワーを記録することにより測定される。これは６．３ｎＪのソリトンエネルギーという結果となり、１３００ｎｍ未満の波長での中実コアファイバでの以前の記録より約６倍高い。ソリトンパルスのパルス幅は２次強度自己相関を使って測定され、ｓｅｃｈ^２パルスプロファイルを仮定して、ＦＷＨＭは２１６ｆｓである。自己相関測定は長波長通過フィルタを設置して行われた。

１０８５ｎｍにおける理論的Ｄ・Ａ_ｅｆｆ積は２９ｆｓであり、これは測定されたパルス幅とともに６．３ｎＪの基本ソリトンパルスエネルギーを生ずる。結果としてのＨＯＭファイバは、ｆｓ動作を有する考慮された調整範囲に対して現在のＹｂファイバレーザシステムよりも良いパルスエネルギーをも提供し、さらに異常領域の波長とバンド幅の両方を巧みに設計する可能性を提供する。該ＨＯＭファイバは、さらに柔軟な構造基盤を提供する。結論として、１３００ｎｍ未満の波長での中実コアファイバ中で２１６ｆｓの時間的ＦＷＨＭと６．３ｎＪの記録的パルスエネルギーを持つ強力なソリトンパルスを達成するために、最適化されたＨＯＭファイバが画設された。

上述は、本発明の実施形態に向けられるものであるが、本発明の他の更なる実施形態が、その基本的な範囲から逸脱することなく案出されてよい。ここに記述される種々の実施形態が、記述される他のいずれの実施形態との組み合わせにおいても、ここに含まれる範囲から逸脱することなく利用されてよいことも理解される。さらに、具体的な用途が要求するなら、本発明の実施形態は規模拡大が可能である。

Claims (3)

1. 波長可変の短パルスファイバレーザシステムであって、
   入力波長を有するパルスを提供するためのパルス発生器、
   高次モードファイバを備えるモード変換器、
   前記パルスを前記入力波長から移転波長にシフトするための第１の画設された高次モードファイバ、および
   前記パルスを前記移転波長から出力波長にシフトするための第２の画設された高次モードファイバ
   を備え、
   前記第１の画設されたファイバが前記入力波長において３ｆｓより大きいＤ・Ａ_ｅｆｆを有する高次モードを用い、ここで、Ｄはファイバの分散係数、Ａ_ｅｆｆはファイバの有効断面積であり、
   前記第１の画設されたファイバのＤ・Ａ_ｅｆｆと前記第２の画設されたファイバのＤ・Ａ_ｅｆｆの比が１００倍より小さく、
   前記入力波長と前記移転波長の間の波長範囲において、前記第１の画設されたファイバの１つの高次モードの有効屈折率が前記第１の画設されたファイバの他のどの導波モードの有効屈折率とも重ならず、
   前記移転波長と前記出力波長の間の波長範囲において、前記第２の画設されたファイバの１つの高次モードの有効屈折率が前記第２の画設されたファイバの他のどの導波モードの有効屈折率とも重ならない、波長可変の短パルスファイバレーザシステム。
2. 前記パルス発生器がモードロックレーザを備える、請求項１に記載のシステム。
3. 超短パルスを波長シフトする方法であって、
   請求項１または２に記載のシステムを提供すること、
   前記パルスを前記モード変換器ファイバから前記第１の画設された高次モードファイバへ伝搬させ、前記入力波長を移転波長にシフトすること、および
   前記パルスを前記第１の画設された高次モードファイバから前記第２の画設された高次モードファイバへ伝搬させ、前記移転波長を出力波長にシフトすること、
   を含み、
   前記高次モードにおける前記第１の画設されたファイバが前記入力波長において３ｆｓより大きいＤ・Ａ_ｅｆｆを有し、ここで、Ｄはファイバの分散係数、Ａ_ｅｆｆはファイバの有効断面積であり、
   前記入力波長と前記移転波長の間の波長範囲において、前記第１の画設されたファイバの１つの高次モードの有効屈折率が前記第１の画設されたファイバの他のどの導波モードの有効屈折率とも重ならず、かつ
   前記移転波長と前記出力波長の間の波長範囲において、前記第２の画設されたファイバの１つの高次モードの有効屈折率が前記第２の画設されたファイバの他のどの導波モードの有効屈折率とも重ならない、超短パルスを波長シフトする方法。

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