JPH06507258A - 光パルス圧縮方法および圧縮装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 先パルス圧縮方法および圧縮装置 ［発明の背景］ １、本発明の分野 本発明は先パルス長を短縮する方法に関し、特に光が伝送される先導波体の屈折 率を選択的に変化することによって光パルス長を短縮する方法に関する。

２、従来技術の説明 光パルスの発生が好ましく、また必要とされる種々の異なった応用が知られてい る。化学反応の測定および距離の測定のようなこれらの幾つかの応用において、 光パルスが非常に短いことが重要である。非常に短い光パルスを利用することに よって、対象物が動く時間を有する前に分子のような微細な対象物を見ることは 可能である。したがって、時間分解能はパルス長によって影響される。付加的な 応用は、情報を伝送するパルスがより短く、したがってより少ない間隔しか必要 としないために、より有効に情報を移送する能力を含む。

さらに光パルスを圧縮することによって、もとのパルスの強度以上にパルスの強 度を非常に増すことは可能である。したがって、もとの先パルスを発生するのに 必要な電力が削減できるという利点がある。

所望される光パルス長を発生するために、発生された後にパルス長を圧縮するこ とが一般に必要である。光、＜ルス長を減少するための技術の種々の方法が知ら れている。これらの方法の１８つは一般的に飽和可能な吸収と呼ばれ、１／−ザ 過程によって発せられる先パルススパイクの比較的高強度の部分が吸収材料を通 過することができ、一方比較的弱い光パルススパイクの側面の部分は吸収される ように、適当な非線形の吸収材料は光路内、一般にはレーザ空洞内に配置される 。結果として、先パルスの高強度の部分または中央部分のみは吸収材を通過する ことができ、したがって先パルス長を短くする。しかしながらこの手段は、光パ ルスの全エネルギを減少させる。

先パルス長を減少する第２の方法は、光パルスの時間的に変化する周波数のチャ ーブな変動を発達させるようにパルスの強度に依存して変化する屈折率を有する 媒体を介して光パルスを送ることを含む。この時間的に変化するパルスは、パル スの後端部が前端部に追い付くことができるように、その分散性媒体を通して送 られることができる。上述の両方の方法は、物理学百科事典、Ｅｄ、Ｒ，Ｇ、Ｌ ｅｒｎｅｒ＆Ｇ。

Ｌ、Ｔｒ　ｆ　ｇｇ、ＮＹＳＶＣＨ出版社（１９９１）のＣ，Ｌ、　Ｔａｎｇの ”Ｕｌｔｒａｓｈｏｒｔ　０ｐｔｉｃａｌ　Ｐｕｔｓｅｓ”においてより詳しく 示されている。

先パルス長の短縮のための従来技術は、所望される結果を生じるために複雑な、 および、または比較的効果がなくなる障害を受ける。さらに、従来技術において 既知の方法の能力を越えて先パルスを短縮することが要求されている。必要なこ とは光パルス長を簡単で効率的に短縮させる方法を開発することである。本発明 の目的はそのような方法を提供することである。

［発明の概要］ 本発明は、パルスが導波体を伝送されるとき光パルスの後端部が光パルスの前端 部に追い付くように、導波体の材料の屈折率を急速に変化することによって、先 導波体を伝送される光パルス長を短縮する方法を開示する。特に、光パルスが光 学的媒体を伝わるとき、光パルスの前端部を取り囲む媒体の屈折率が光パルスの 後端部を取り囲む媒体の屈折率より高くなるように、媒体の屈折率が変化される 。これはパルスの前端部の速度を後端部より遅くさせ、したがって後端部が前端 部に追い付かせることを可能にする。

好ましい実施例において、光パルスは光フアイバケーブルのような光学的導波体 内に閉じ込められ、導波体は電荷伝送媒体によって取り囲まれる。適当な電圧電 位は、電場がパルスの前を取り囲む導波体の領域において光パルスの伝達方向に 対して実質的に横断方向に導波体を横切って発生されるように、導体に与えらえ る。電場によって生じられる電気φ光効果は導波体の偏光をもたらし、したがっ て光パルスの前端部で屈折率を変化する。

別の好ましい実施例において、導波体はピエゾ電気材料によって取り囲まれ、そ の後電荷伝送媒体によって取り囲まれる。適当な電位を媒体に与えることによっ て、材料の屈折率が変化されるように、ピエゾ電気材料は導波体を圧縮する。

結果として、その領域内により高い屈折率を提供するためにパルスの前端部にお ける導波体の領域を圧縮することによって、先パルスの後端部は前端部に追い付 く。

本発明の付加的な目的、利点、および特徴は、添付図面と関連した以下の説明お よび添付される請求の範囲から明らかになり、理解されるであろう。

［図面の簡単な説明］ 図１は、本発明の好ましい実施例の先導波体である。

図２は、本発明の別の好ましい実施例の先導波体である。

［実施例の詳細な説明］ 光パルス長の短縮に関する好ましい実施例における以下の記載はまったく単に典 型的なものであり、本発明、その応用または使用を限定しようと意図するもので はない。

記載されるように、本発明は、電場によって導波体媒体の屈折率を変化すること によって先導波体内を伝播する光パルスの短縮に関する。この方法の理論上の態 様の一般的な説明を本発明のより良い理解を与えるために以下に述べる。

電気的進行波管、すなわち管内に電場を生成する導電性の管において、電場は時 間に関して非常に速く変化されることができる。実質的な変化は、■が単位がボ ルトの電圧であるとき、ｄＥ／ｄｔが１０９■／Ｃｍ秒より大きいほど高く達成 されることができる。電気・光導波体がそのような電気的進行波管内に配置され るとき、ｄｎ／ｄｔがほぼ１０９／秒である電場によって導波体の屈折率を変化 することは可能である。この時間は、顕著な光パルスの短縮を達成するのに十分 である。

実際の環境において先パルスの短縮を与えるために、予想されるべき先パルスの 短縮を評価することが必要とされる。

これを行うために、屈折率ｎが時間ｔに関して線形に変化する（すなわち、以下 の式参照）先導波体をまず初めに考察する。

ｎ　（ｔ）謹ｎ　＋ｎｔ 導波体の下の距離をｘ１重液体の長さをＬとすると、ｄｘ／ｄｔ−ｃ／（ｎ　＋ ｎｔ） である。

先パルスの前縁が時間１−０において導波体中の伝播を開始し、後縁が時間ｔ　 のとき導波体中の伝播を開始するとき、最終パルス長（ｘ−Ｌ）ともとのパルス 長（ｘ　−０）は、Ｒ−最終パルス長／もとのパルス長 −ｕｐ　（ｎＬ／ｃ）である。

例えば、ｎ−１０／秒、Ｃ−Ｃ−３Ｘ１０１Ｏ／秒、Ｌ−３０ｃｍのとき、 Ｒ−ｅ　”　である。より長い光パルス長には、Ｒはより小さいであろう。例え ば、上記の変数においてＬ−３００ｃｍ上述の計算において仮定されるように、 屈折率ｎが導波体の端から端まで一様に変化されるとき、結果として全体の変化 　ｎＴ（ｔ）は非常に大きくなるであろう。

ここでＴ（ｔ）は、先パルスの後縁が距離りを伝送するのに必要な時間である。

これは、以下のように表される。

Ｔ　（ｔ　ｏ）−−ｎ０／ｎ＋　（ｔ　０＋ｎ／ｎ）ｅＸｐ　（ｎＬ／ｃ）した がって、小さいＲに関して、 △ｎ−ｎ（Ｔ（ｔ　）＋ｔ　） 一−ｎ　。＋ｎ　ｔ　。＋　（ｔ　ｏ＋ｎ／ｎ）　ｅｌｐ　（ｎＬ／ｃ）−０（ −ｎ） これを避けるために、全導波体中同時にではなく、パルスがあるところのみでｎ −１であることは重要である。この方法において、各部分で必要とされる全電圧 の変化（ｎの変化を生じる全電圧の変化）は法外なものではない。

このパルス長の短縮方法の説明は、図に関して示される。

図１は進行波管ｌＯを示す。進行波管導波体ｌＯは、電荷伝送媒体１２および光 フアイバケーブルのような導波体として作用する光学的媒体１４を含む。光学的 媒体１４は、従来技術のように、光が媒体１４内に閉じ込められるように、屈折 率が光学的媒体１４の中央部でその外面よりも大きくなるように傾斜屈折率を有 することが可能である。さらに光学的媒体１４は、光学的媒体１４の偏光を電場 によって変化させるニオブ酸リチウムのような適当な結晶材料でよい。

電荷伝送媒体１２は、光学的媒体１４の伝播方向に対して実質的に横断方向の電 場を発生する電圧電位を受ける、任意の適当な導電性材料または誘電体材料であ ることができる。電圧電位は、適当な電荷発生装置（図示せず）によって電荷伝 送媒体１２に与えられる。電荷伝送媒体１２は、光フアイバケーブルの外側の層 、または光学的媒体１４の対向する側面に適当に配置される一対のプレートであ ることができる。図１に示される実施例において、電荷伝送媒体１２はこれらの 例のいずれかである。また電荷伝送媒体１２は、光学的媒体１４から一定の間隔 を置かれて示されている。図示の構造はこの方法において有効であるが、電荷伝 送媒体１２が光学的媒体１４の外面と接触することが可能であるので、図示の構 造は必ずしも必要ではない。雫に明瞭にするために、この構造が示されているだ けである。

動作において、先パルスは、光学的媒体１４の一方の端部で、レーザまたは発光 ダイオードのようなパルス発生装置（図示せず）によって導入される。同時に、 電荷のパルスが光学的媒体１４の伝達方向に対して実質的に横断方向の電場を生 じるように、電荷のパルスは電荷伝送媒体１２上に発生される。電場のパルスは 、先パルスと同じ速度で光学的媒体１４上で伝達される。互いに関スル電荷パル スおよび先パルスのタイミングを合わせることによって、光学的媒体１４の両端 を横切る電場を発達することが可能であり、それは光パルスの前端部に隣接した 領域においてのみ、光学的媒体１４の材料の偏光を変化する。この関係において 先パルスの前端部は、光パルスの後端部がそれに追い付くことが可能であるよう に、減速され、したがって先パルス長を短くしその強度を増す。別の実施例にお いて、電場は光学的媒体１４に連続して供給され、パルスの後端部が屈折率の低 い領域を通って伝送されるように光パルスの後端部が光学的媒体１４中に放射さ れるので、パルス状態で放出される。したがって上記と同じ結果を達成する。

上記に示されるように、理論的に先パルスをほとんどゼロまで減少することは可 能である。したがって、先パルスが伝播する距離、発生される電場の強度、およ び光学的媒体の光学的屈折性質を適当に計算することによって、所望される大き さまで光パルスの長さを短縮することが可能とされる。光パルス長は非常に短い 光パルスの強度の有害な影響によって限定され、先パルスによって発生される電 場が光学的材料にることか注目されるであろう。

さて図２において、先導波体の媒体が圧縮されることによって屈折率を変化する 第２の好ましい実施例が示されている。

特に、外部の電荷伝送媒体１８を含む進行波導波体１６が示されている。電荷伝 送媒体１８は、光フアイバケーブルのような光学的媒体２２を取り囲んでいるピ エゾ電気層２０の周りに配置されている。光学的媒体２２は、光を閉じ込めるた めに傾斜屈折率を有する。上記のように電荷伝送媒体１８は、電場をピエゾ電気 層２０内に生成するために、電圧電位を受ける金属の導体または誘電体であるこ とができる。ピエゾ電気層２０は、チタン酸バリウム（Ｂ　ａ　Ｔ　ｉｏ　３　 ）のような任意の適当なピエゾ電気材料であることができる。光学的媒体２２は 、ピエゾ電気層２０によって十分に圧縮されることができる任意の適当な光学的 材料であることができる。好ましい実施例において、光学的材料は二酸化テルル である。

この実施例において電荷伝送媒体１８は、ピエゾ電気層２０内に電場を生成し、 ピエゾ電気層２０に光学的媒体２２を高密度になるように強制的に圧縮させ、し たがってその屈折率を増加させる。電荷伝送媒体１８は、明瞭にするためにピエ ゾ電気層２０および光学的媒体２２から分離されて示されているが、それらの層 の全てが互いに接触可能であることが理解されるであろう。

一例において光パルスは、適当な装置（図示せず）によって発生され、光学的媒 体２２に導入される。同時に電圧電位は、ピエゾ電気層２０の寸法を変化させる 電荷伝送媒体１８に供給され、パルスが光学的媒体２２内に導入されるとき、光 学的媒体２２の屈折率がより高くなるように光学的媒体２２が圧縮される。

パルスの後端部が光学的媒体２２内に導入される前の適当な時間に電圧電位を解 放することによって、光パルスの前端部は圧縮された高い屈折率の光学的媒体２ ２の領域を通って伝送される。さらに、光パルスの後端部は圧縮されていない光 学的媒体２２の部分を通って伝送し、したがって、前端部より速く後端部を伝送 させるようなより低い屈折率をに有する。この方法において、後端部は前端部に 追い付くであろう、したがって先パルスの長さは減少する。

別の例において、電位は電荷伝送媒体１８に連続的に供給され、先パルスの後端 部が光学的媒体２２内に放射されるとき電位を解放することが可能である。この 例において光パルスの後端部だけが圧縮されていない光学的媒体２２の部分を介 して伝送され、−刀先学的媒体２２の残りの部分は圧縮されている。

上述のように、電場の強度、光学的媒体２２の光学的特性、およびピエゾ電気の 材料の圧縮率のような異なる特性を計算することによって、光学的媒体２２の出 力端部で光パルス長を決定することが可能である。

以上は、本発明の単に例示的な実施例を開示したものである。当業者は、その様 な記述および添付される図および請求の範囲から各種の変化、応用、および変化 が以下の請求の範囲において限定される本発明の技術的範囲から逸脱することな くこの範囲において成されることが可能であることを容易に認めるであろう。

国際調査報告　。ｒＴ／ＩＩｃ。ｆｆ／’ｎＨＱ？、　、ム、　ＰＣＴ／ＵＳ　 ９３１０１１５２

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．光学的媒体を通って光放射パルスを導き、発光のパルスの後端部が前端部よ り速く伝送されるように光放射パルスの前端部が伝送される光学的媒体の部分と 光放射パルスの後端部が伝送される光学的媒体の部分との間で光学的媒体の屈折 率を変化させるステップを含む光放射パルス長を短縮する方法。
2. ２．光学的媒体の屈折率を変化させるステップは、光放射パルスの伝達の方向に 対して実質的に横断方向の電場を発生するために、電圧電位を前記光学的媒体に 関して配置されている電荷伝送媒体に印加するステップを含む請求項１記載の方 法。
3. ３．電圧電位を加えるステップは、光放射パルスの前端部が光学的媒体内に放射 されるときとほぼ同時に前記電荷伝送媒体に電圧電位を発生し、電場が光放射パ ルスの前端部に続くように光放射パルスの後端部が光学的媒体内に放射される前 に電圧電位を解放するステップを含む請求項２記載の方法。
4. ４．電圧電位を加えるステップが、連続的に前記電荷伝送媒体上に電圧電位を発 生し、光放射パルスの後端部が光学的媒体内に発生されると同時にパルスされる 方法において電圧電位を放すステップを含む請求項２記載の方法。
5. ５．光学的媒体の屈折率を変化するステップが、光学的媒体に関して電荷伝送媒 体を配置し、電荷伝送媒体と光学的媒体の間にピエゾ電気材料を配置し、電荷伝 送媒体に電圧電位を印加するステップを含み、電圧電位によって発生される電場 は、光学的媒体を圧縮して光学的媒体の屈折率を変化させるピエゾ電気材料の物 理的な大きさを変化させる請求項１記載の方法。
6. ６．電圧電位を印加するステップが、光放射パルスの前端部が光学的媒体内に発 生されるときとほぼ同時に電荷伝送媒体に電圧電位を発生し、電場が光放射パル スの前端部に続くように光放射パルスの後端部が光学的媒体内に発生される前に 電圧電位を解放するステップを含む請求項５記載の方法。
7. ７．電圧電位を印加するステップが、連続的に電荷伝送媒体上に電圧電位を発生 し、光放射パルスの後端部が光学的媒体内に発生されると同時にパルスされる方 法において電圧電位を解放するステップを含む請求項５記載の方法。
8. ８．光学媒体は光ファイバケーブルであり、電荷伝送媒体は光ファイバケーブル の外側の層である請求項２記載の方法。
9. ９．電荷伝送媒体およびピエゾ電気材料を光学媒体と電荷伝送媒体の間に配置す るステップにおいて、光学ケーブルを形成する請求項５記載の方法。
10. １０．前記ピエゾ電気材料はチタン酸バリウムである請求項５記載の方法。
11. １１．前記光学媒体は二酸化テルル導波体である請求項１記載の方法。
12. １２．光放射パルスを導く光学的媒体と、電場を生じるための電圧電位を受ける ように動作し、電場を発生するための電荷伝送手段とを含む光放射パルス長を短 縮するための装置において、 電場は光学的媒体の屈折率を、光放射パルスの後端部が光放射パルスの前端部に 追い付くことができるように、光放射パルスの前端部が位置される領域と光放射 パルスの後端部が位置される領域の間で変化させることができる光放射パルス長 を短縮するための装置。
13. １３．電荷伝送手段は、電場が光学的媒体を通る光放射パルスの前端部に追従す るようにパルス状の電場を生成させる請求項１２記載の装置。
14. １４．電荷伝送手段は、連続的に電場を生成し、光放射パルスの後端部が光学的 媒体内に入るときパルス状の電場を解放する請求項１２記載の装置。
15. １５．さらにピエゾ電気材料を含み、このピエゾ電気材料は、電場がピエゾ電気 材料の大きさを変化をさせるように配置され、光学的媒体の屈折率を変化させる ために光学的媒体を圧縮する請求項１２記載の装置。
16. １６．前記電荷伝送手段は、電場が光学的媒体を通る光放射パルスの前端部に追 従するようにパルス状の電場を生成させる請求項１５記載の装置。
17. １７．前記電荷伝送手段は、連続的に電場を生じ、光放射パルスの後端部が光学 的媒体内に入るときパルス状の電場を解放する請求項１５記載の装置。
18. １８．装置は光ファイバケーブルとして構成され、電荷伝送手段は光ファイバケ ーブルの外側の導体である請求項１２記載の装置。
19. １９．前記ピエゾ電気材料はチタン酸バリウムである請求項１５記載の装置。
20. ２０．前記光学媒体は二酸化テルル光学的導波体である請求項１５記載の装置。