JPH11242249A - 光パルスコンプレッサおよび光通信システム - Google Patents
光パルスコンプレッサおよび光通信システムInfo
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- JPH11242249A JPH11242249A JP10347394A JP34739498A JPH11242249A JP H11242249 A JPH11242249 A JP H11242249A JP 10347394 A JP10347394 A JP 10347394A JP 34739498 A JP34739498 A JP 34739498A JP H11242249 A JPH11242249 A JP H11242249A
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- fiber
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- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
- G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
- G02F1/35—Non-linear optics
- G02F1/365—Non-linear optics in an optical waveguide structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
- H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
- H01S3/0057—Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping
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- Physics & Mathematics (AREA)
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- General Physics & Mathematics (AREA)
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- Optical Communication System (AREA)
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Optical Fibers, Optical Fiber Cores, And Optical Fiber Bundles (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 光パルスコンプレッサを改善する。
【解決手段】 本光パルスコンプレッサは、パルス源
と、ブラッグゲーティングのような周期構造を含む非線
形光導波路部と、負分散部を含む線形光導波路部とから
なり、非線形光導波路部は、正の分散を与える。非線形
導波路は、線形導波路の２次屈折率Ｎ2’の少なくとも
１０倍である２次屈折率Ｎ2を有するべきである。非線
形導波路は、コア内にブラッググレーティングを有する
カルコゲナイドファイバであることが好ましい。標準的
な光ファイバよりもグレーティングは分散の大きさが数
オーダー大きいので、非線形導波路部の長さは悪影響を
与えるプロセスを減らして、数ｃｍまで小さくすること
ができる。モデリングによると、約２０ｃｍの長さのグ
レーティングによって、初期６０ｐｓパルスで、５の圧
縮ファクターを達成することができる。
と、ブラッグゲーティングのような周期構造を含む非線
形光導波路部と、負分散部を含む線形光導波路部とから
なり、非線形光導波路部は、正の分散を与える。非線形
導波路は、線形導波路の２次屈折率Ｎ2’の少なくとも
１０倍である２次屈折率Ｎ2を有するべきである。非線
形導波路は、コア内にブラッググレーティングを有する
カルコゲナイドファイバであることが好ましい。標準的
な光ファイバよりもグレーティングは分散の大きさが数
オーダー大きいので、非線形導波路部の長さは悪影響を
与えるプロセスを減らして、数ｃｍまで小さくすること
ができる。モデリングによると、約２０ｃｍの長さのグ
レーティングによって、初期６０ｐｓパルスで、５の圧
縮ファクターを達成することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光パルスコンプレ
ッサに関し、特に、時間領域において多重化された光通
信システムに有用な光パルスコンプレッサに関する。
ッサに関し、特に、時間領域において多重化された光通
信システムに有用な光パルスコンプレッサに関する。
【０００２】
【従来の技術】光通信システムにおいてビットレートを
増やすには、より短い光パルスの生成を必要とする。時
間領域で多重化される光通信システムにおいて、たくさ
んの低ビットレートのバイナリィ光パルスデータストリ
ームがインターリーブされ、１つの高ビットレートのデ
ータストリームを形成する。異なるデータストリームの
パルスの間の重なり合いを防ぐため、低ビットレートの
ストリーム上のパルスのドゥティサイクルは小さくなけ
ればならない。例として、低ビットレートストリーム
は、１０Ｇビット／ｓビットレートを有する。これは、
各パルスに対して１００ｐｓのタイムスロットを与え
る。このパルスは、１００ｐｓよりも短くなければなら
ない。しかしもし１００Ｇビット／ｓシステムへとこの
ようなストリームを１０個インターリーブすることを望
めば、１００ｐｓにて１０のパルスが入っていなければ
ならない。このような短いパルスは、高速電子機器や、
電子吸収変調レーザ（ＥＭＬ）のような従来のレーザ源
の利用によっては通常得ることができない。
増やすには、より短い光パルスの生成を必要とする。時
間領域で多重化される光通信システムにおいて、たくさ
んの低ビットレートのバイナリィ光パルスデータストリ
ームがインターリーブされ、１つの高ビットレートのデ
ータストリームを形成する。異なるデータストリームの
パルスの間の重なり合いを防ぐため、低ビットレートの
ストリーム上のパルスのドゥティサイクルは小さくなけ
ればならない。例として、低ビットレートストリーム
は、１０Ｇビット／ｓビットレートを有する。これは、
各パルスに対して１００ｐｓのタイムスロットを与え
る。このパルスは、１００ｐｓよりも短くなければなら
ない。しかしもし１００Ｇビット／ｓシステムへとこの
ようなストリームを１０個インターリーブすることを望
めば、１００ｐｓにて１０のパルスが入っていなければ
ならない。このような短いパルスは、高速電子機器や、
電子吸収変調レーザ（ＥＭＬ）のような従来のレーザ源
の利用によっては通常得ることができない。
【０００３】非線形光パルスコンプレッサにより、より
短いパルスを得ることができる。このようなコンプレッ
サは通常、光パルスのソース、正分散特性（正の群速度
分散）を有するある長さの非線形光ファイバ、グレーテ
ィングの対、またはプリズムの対のような負分散部から
なる。この非線形線は正分散によりチャープされるパル
スのスペクトルバンド幅を増加させ、続く負分散部は、
パルスの継続時間をバンド幅により制限されたパルスへ
と圧縮する。
短いパルスを得ることができる。このようなコンプレッ
サは通常、光パルスのソース、正分散特性（正の群速度
分散）を有するある長さの非線形光ファイバ、グレーテ
ィングの対、またはプリズムの対のような負分散部から
なる。この非線形線は正分散によりチャープされるパル
スのスペクトルバンド幅を増加させ、続く負分散部は、
パルスの継続時間をバンド幅により制限されたパルスへ
と圧縮する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】従来技術のパルスコン
プレッサの問題として、必要な正分散を与えるため通
常、長い長さのファイバを必要とすることがある（典型
的には数百メートル）。このようなファイバを通る強度
の強いパルスは、パルス圧縮に悪影響を与える励起ラマ
ン散乱（stimulated Raman scattering）の様な非線形
プロセスの影響を受けてしまう。このように、本発明
は、光パルスコンプレッサを改善することを目的とす
る。
プレッサの問題として、必要な正分散を与えるため通
常、長い長さのファイバを必要とすることがある（典型
的には数百メートル）。このようなファイバを通る強度
の強いパルスは、パルス圧縮に悪影響を与える励起ラマ
ン散乱（stimulated Raman scattering）の様な非線形
プロセスの影響を受けてしまう。このように、本発明
は、光パルスコンプレッサを改善することを目的とす
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明に従って、光パル
スコンプレッサは、パルス源と、ブラッグゲーティング
のような周期構造を含む非線形光導波路部と、負分散部
を含む線形光導波路部とからなり、非線形光導波路部
は、正の分散を与える。非線形導波路は、線形導波路の
２次屈折率Ｎ2’の少なくとも１０倍である２次屈折率
Ｎ2を有するべきである。非線形導波路は、コア内にブ
ラッググレーティングを有するカルコゲナイド(chalcog
enide)ファイバであることが好ましい。標準的な光ファ
イバよりもグレーティングは分散の大きさが数オーダー
大きいので、非線形導波路部の長さは悪影響を与えるプ
ロセスを減らして、数ｃｍまで小さくすることができ
る。モデリングによると、約２０ｃｍの長さのグレーテ
ィングによって、初期６０ｐｓパルスで、５の圧縮ファ
クターを達成することができる。
スコンプレッサは、パルス源と、ブラッグゲーティング
のような周期構造を含む非線形光導波路部と、負分散部
を含む線形光導波路部とからなり、非線形光導波路部
は、正の分散を与える。非線形導波路は、線形導波路の
２次屈折率Ｎ2’の少なくとも１０倍である２次屈折率
Ｎ2を有するべきである。非線形導波路は、コア内にブ
ラッググレーティングを有するカルコゲナイド(chalcog
enide)ファイバであることが好ましい。標準的な光ファ
イバよりもグレーティングは分散の大きさが数オーダー
大きいので、非線形導波路部の長さは悪影響を与えるプ
ロセスを減らして、数ｃｍまで小さくすることができ
る。モデリングによると、約２０ｃｍの長さのグレーテ
ィングによって、初期６０ｐｓパルスで、５の圧縮ファ
クターを達成することができる。
【０００６】
【発明の実施の形態】この説明は、２つの部分に分けて
ある。第１部は、パルスコンプレッサおよびそれを用い
る光通信システムの構造的な特徴を説明する。第２部
は、本発明の基本となる理論を説明し、その動作におけ
る数学的なモデリングを提示する。
ある。第１部は、パルスコンプレッサおよびそれを用い
る光通信システムの構造的な特徴を説明する。第２部
は、本発明の基本となる理論を説明し、その動作におけ
る数学的なモデリングを提示する。
【０００７】第１部：光パルスコンプレッサおよび通信
システム 図１は、中央波長λのパルス源１０と、パルスに対して
正分散を与えるブラッググレーティングのような周期的
構造１２を含む非線形導波路１１の第１部分と、および
負分散部１４を含む線形導波路１３の第２部分とからな
る光パルスコンプレッサ９を概略的に示してある。パル
ス源１０は、変態制限されたパルス(transform-limited
pulse)を与えるために選択され、適合したモードロッ
クトレーザ（mode-locked laser）、あるいは半導体レ
ーザであることが好ましい。このようなパルスは、その
幅に対して最小スペクトル成分を有し、そのスペクトル
幅を増やすことなしにさらに圧縮し、そのスペクトル幅
を増やすことなしにさらに圧縮することが通常できな
い。好ましい中央波長λは約１．５５μｍである。
システム 図１は、中央波長λのパルス源１０と、パルスに対して
正分散を与えるブラッググレーティングのような周期的
構造１２を含む非線形導波路１１の第１部分と、および
負分散部１４を含む線形導波路１３の第２部分とからな
る光パルスコンプレッサ９を概略的に示してある。パル
ス源１０は、変態制限されたパルス(transform-limited
pulse)を与えるために選択され、適合したモードロッ
クトレーザ（mode-locked laser）、あるいは半導体レ
ーザであることが好ましい。このようなパルスは、その
幅に対して最小スペクトル成分を有し、そのスペクトル
幅を増やすことなしにさらに圧縮し、そのスペクトル幅
を増やすことなしにさらに圧縮することが通常できな
い。好ましい中央波長λは約１．５５μｍである。
【０００８】非線形部１１は、紫外線照射により形成さ
れたブラッググレーティング１２を有するある長さの光
ファイバからなることが好ましい。この光ファイバは、
第２部分と比較して非線形光特性を有するカルコゲナイ
ドガラスのような材料のコア１５を有することが好まし
い。第１部分は第２部分の２次屈折率Ｎ2’よりも１０
倍以上大きい２次屈折率Ｎ2を有するべきである。通常
はＮ2＞１００Ｎ2’であり、一般的にはＮ2’に対して
Ｎ2が大きいほど望ましい。導波路の長さは通常５００
ｃｍよりも小さい。グレーティング１２は通常、波長λ
（グレーティングの長波長側のバンドギャップに近い）
の光に対して急勾配（steep）な正分散の領域を有する
アポダイゼーション(apodization)されたグレーティン
グであることが好ましい。
れたブラッググレーティング１２を有するある長さの光
ファイバからなることが好ましい。この光ファイバは、
第２部分と比較して非線形光特性を有するカルコゲナイ
ドガラスのような材料のコア１５を有することが好まし
い。第１部分は第２部分の２次屈折率Ｎ2’よりも１０
倍以上大きい２次屈折率Ｎ2を有するべきである。通常
はＮ2＞１００Ｎ2’であり、一般的にはＮ2’に対して
Ｎ2が大きいほど望ましい。導波路の長さは通常５００
ｃｍよりも小さい。グレーティング１２は通常、波長λ
（グレーティングの長波長側のバンドギャップに近い）
の光に対して急勾配（steep）な正分散の領域を有する
アポダイゼーション(apodization)されたグレーティン
グであることが好ましい。
【０００９】分散を達成するための大体の周期的構造と
しては、周期的なフォトニックバンドギャップ構造また
はファイバのクラッドにおける周期的な摂動（perturba
tion）がある。
しては、周期的なフォトニックバンドギャップ構造また
はファイバのクラッドにおける周期的な摂動（perturba
tion）がある。
【００１０】線形導波路１３は、従来の伝送ファイバで
良く、負分散を与えるプリズムのような負分散部１４の
いずれとつながっていてもよい。負分散部１４はグレー
ティングであることが好ましい。ここで、導波路は線形
的な光学特性を有するシリカのような材料のコア（図示
せず）を有するファイバであることが理想的である。負
分散部１４は、波長λ（グレーティングの短波長側）の
光に対する急勾配な負分散の領域を有するアポライゼー
ションされたブラックグレーティングである。
良く、負分散を与えるプリズムのような負分散部１４の
いずれとつながっていてもよい。負分散部１４はグレー
ティングであることが好ましい。ここで、導波路は線形
的な光学特性を有するシリカのような材料のコア（図示
せず）を有するファイバであることが理想的である。負
分散部１４は、波長λ（グレーティングの短波長側）の
光に対する急勾配な負分散の領域を有するアポライゼー
ションされたブラックグレーティングである。
【００１１】動作時において、パルス源１０からの変態
制限されたパルスが第１導波路部分１１内に、ここで高
い正分散でグレーティング１２を伝搬する。第１部分の
出力は、継続時間が大きくなり、スペクトル成分が大き
くなったパルスである。この広くなったスペクトルパル
スは、負分散部１３に入り、スペクトル成分を再構成す
るチャープ補償を伴って、非常に短いパルスを作る。
制限されたパルスが第１導波路部分１１内に、ここで高
い正分散でグレーティング１２を伝搬する。第１部分の
出力は、継続時間が大きくなり、スペクトル成分が大き
くなったパルスである。この広くなったスペクトルパル
スは、負分散部１３に入り、スペクトル成分を再構成す
るチャープ補償を伴って、非常に短いパルスを作る。
【００１２】図２は、図１のパルスコンプレッサを用い
る光通信システムを示す。概略的には、この光通信シス
テムは、複数のパルスコンプレッサ９と、時分割マルチ
プレキサ２０と、複数の時間多重化された信号チャネル
を送信する伝送ファイバ２１とを有する。ファイバ２１
の受信端では、対応する受信器２３へ１若しくは複数個
の伝送したチャネルを提供する時分割出マルチプレキサ
２２がある。コンプレッサ９は、図１に示したものであ
る。そのほかの部分は従来技術のものであり、周知であ
る。
る光通信システムを示す。概略的には、この光通信シス
テムは、複数のパルスコンプレッサ９と、時分割マルチ
プレキサ２０と、複数の時間多重化された信号チャネル
を送信する伝送ファイバ２１とを有する。ファイバ２１
の受信端では、対応する受信器２３へ１若しくは複数個
の伝送したチャネルを提供する時分割出マルチプレキサ
２２がある。コンプレッサ９は、図１に示したものであ
る。そのほかの部分は従来技術のものであり、周知であ
る。
【００１３】動作時において、各送信器（例えば、各パ
ルス源１０）は、低ビットレートのシーケンス、高いド
ゥティサイクルのパルスからなるチャネルをコンプレッ
サの対応する分散部非線形導波路１１、グレーティング
１２へと発する。得られた低ビットレート、低ドゥーテ
ィサイクルのパルスは、マルチプレキサ２０によりイン
ターリーブされ、ファイバ２１上に高ビットレートの時
間多重化ストリームとして送信される。デマルチプレキ
サ２２において、１若しくは複数個の送信チャネルは、
受信器２３による受信のために分離することとできる。
ルス源１０）は、低ビットレートのシーケンス、高いド
ゥティサイクルのパルスからなるチャネルをコンプレッ
サの対応する分散部非線形導波路１１、グレーティング
１２へと発する。得られた低ビットレート、低ドゥーテ
ィサイクルのパルスは、マルチプレキサ２０によりイン
ターリーブされ、ファイバ２１上に高ビットレートの時
間多重化ストリームとして送信される。デマルチプレキ
サ２２において、１若しくは複数個の送信チャネルは、
受信器２３による受信のために分離することとできる。
【００１４】第２部：理論および数学的モデル 近赤外（近ＩＲ）スペクトル領域における光ファイバの
短パルス電波は、（電気光学）カー効果（Kerr effec
t）および群速度分散（ＧＶＤ：group velocitydispers
ion）によって自己位相変調（ＳＰＭ：self-phase modu
lation）により主に支配される。これらの効果の相対的
な強さは、固有の長さスケール、すなわち、分散長さＬ
Dおよび非線形長さＬNLにより通常与えられる。これら
は以下のように定義される。
短パルス電波は、（電気光学）カー効果（Kerr effec
t）および群速度分散（ＧＶＤ：group velocitydispers
ion）によって自己位相変調（ＳＰＭ：self-phase modu
lation）により主に支配される。これらの効果の相対的
な強さは、固有の長さスケール、すなわち、分散長さＬ
Dおよび非線形長さＬNLにより通常与えられる。これら
は以下のように定義される。
【数１】 ここで、τ0は、半値全幅（ＦＷＨＭ）パルス幅であ
り、β”＝ｄ2β／ｄω2は、ファイバのＧＶＤであり、
ｓ2は、パルスの形に依存する数的ファクタであり（ガ
ウス型に対して２．７７、ハイパボリックセカンド型に
対して３．１１）、λは、波長であり、Ａeffは、有効
モード面積であり、ｎ2は、非線形屈折率であり、Ｐ
は、パルスのピークパワーである。
り、β”＝ｄ2β／ｄω2は、ファイバのＧＶＤであり、
ｓ2は、パルスの形に依存する数的ファクタであり（ガ
ウス型に対して２．７７、ハイパボリックセカンド型に
対して３．１１）、λは、波長であり、Ａeffは、有効
モード面積であり、ｎ2は、非線形屈折率であり、Ｐ
は、パルスのピークパワーである。
【００１５】ＳＰＭとＧＶＤの相互作用により、ファイ
バにおける重要なパルスシェーピングにつながり、負
（すなわち異常）ＧＶＤに対してはソリトンがパルスの
発展を支配する。正（正常）分散領域では、ＳＰＭとＧ
ＶＤの組合わさった効果によってパルススペクトルが広
くなり、パルスか矩形となり、全パルス幅にわたって線
形なチャープを作り、これは負分散要素により補償され
る。
バにおける重要なパルスシェーピングにつながり、負
（すなわち異常）ＧＶＤに対してはソリトンがパルスの
発展を支配する。正（正常）分散領域では、ＳＰＭとＧ
ＶＤの組合わさった効果によってパルススペクトルが広
くなり、パルスか矩形となり、全パルス幅にわたって線
形なチャープを作り、これは負分散要素により補償され
る。
【００１６】変態制限されたパルスを圧縮することに
は、ＳＰＭを用いることにより達成されるスペクトル広
域化を必要とする。しかし、純粋なＳＰＭ（数πの非線
形位相シフトに対して）は、パルススペクトルにおける
ヌルへとつながる。これらのヌルは、線形システムによ
って除去することができず、このためＳＰＭとＧＶＤの
両方が変態限界に近い圧縮パルス（すなわち、時間とス
ペクトル領域両方において高品質なパルス）を作る目的
を達成するために必要となる。この理想的な圧縮に近づ
けるための圧縮方式は、ＬDとＬNLの幾何学的な平均に
比例するファイバの長さを必要とする。数式（１）から
ＬDは、τ0 2と比例し、ＬNLは（固定したパルスエネル
ギーに対して）τ0に比例するので、ファイバの理想的
な長さＬはτ0 3/2としてスケーリングされる。すなわ
ち、より長いパルスは、効率的な圧縮のためにはより長
いファイバの長さを必要とする。加えて、標準的なファ
イバにおける強度の強い標準的なファイバにおけるイン
トリンシックなファイバ分散は非常に小さく（赤外領域
において１０ｐｓ2／ｋｍのオーダーである）、非常に
長い分散長さへとつながる。
は、ＳＰＭを用いることにより達成されるスペクトル広
域化を必要とする。しかし、純粋なＳＰＭ（数πの非線
形位相シフトに対して）は、パルススペクトルにおける
ヌルへとつながる。これらのヌルは、線形システムによ
って除去することができず、このためＳＰＭとＧＶＤの
両方が変態限界に近い圧縮パルス（すなわち、時間とス
ペクトル領域両方において高品質なパルス）を作る目的
を達成するために必要となる。この理想的な圧縮に近づ
けるための圧縮方式は、ＬDとＬNLの幾何学的な平均に
比例するファイバの長さを必要とする。数式（１）から
ＬDは、τ0 2と比例し、ＬNLは（固定したパルスエネル
ギーに対して）τ0に比例するので、ファイバの理想的
な長さＬはτ0 3/2としてスケーリングされる。すなわ
ち、より長いパルスは、効率的な圧縮のためにはより長
いファイバの長さを必要とする。加えて、標準的なファ
イバにおける強度の強い標準的なファイバにおけるイン
トリンシックなファイバ分散は非常に小さく（赤外領域
において１０ｐｓ2／ｋｍのオーダーである）、非常に
長い分散長さへとつながる。
【００１７】このことは、標準的なファイバコンプレッ
サにて、標準的なファイバコンプレッサにて伝搬する長
い入力パルスに対して、理想的な圧縮のためにはファイ
バは非常に長くなければならないことを示唆する。この
場合、ピークパワーは圧縮に悪影響を与える励起ラマン
散乱に対応するしきい値を超えることを防ぐためにスケ
ールダウンしなければならない。例えば、もしパルスが
長さ１０ｐｓであり中央波長１．５μｍであり、標準的
なファイバにて伝搬するとすれば、分散長さは約５ｋｍ
である。１ｎＪのパルスエネルギーに対して、非線形長
さは約０．５ｍであり、この場合ラマンしきい値を超え
てしまい、良好なコンプレッサが得られなくなる。した
がって、１０〜１００ｐｓ（例えば、モードロックＮ
ｄ：ＹＡＧレーザ、あるいは半導体レーザのもの）のオ
ーダーのパルス幅に対する非線形パルスシェーピングを
短いファイバ長さにおいて観測するには、高度に分散さ
れたファイバ要素が必要である。このような要素はファ
イバグレーティングであり、ここでは動作波長は阻止バ
ンド（stopband）（フォトニックギャップ）を外れたば
かりのところである。
サにて、標準的なファイバコンプレッサにて伝搬する長
い入力パルスに対して、理想的な圧縮のためにはファイ
バは非常に長くなければならないことを示唆する。この
場合、ピークパワーは圧縮に悪影響を与える励起ラマン
散乱に対応するしきい値を超えることを防ぐためにスケ
ールダウンしなければならない。例えば、もしパルスが
長さ１０ｐｓであり中央波長１．５μｍであり、標準的
なファイバにて伝搬するとすれば、分散長さは約５ｋｍ
である。１ｎＪのパルスエネルギーに対して、非線形長
さは約０．５ｍであり、この場合ラマンしきい値を超え
てしまい、良好なコンプレッサが得られなくなる。した
がって、１０〜１００ｐｓ（例えば、モードロックＮ
ｄ：ＹＡＧレーザ、あるいは半導体レーザのもの）のオ
ーダーのパルス幅に対する非線形パルスシェーピングを
短いファイバ長さにおいて観測するには、高度に分散さ
れたファイバ要素が必要である。このような要素はファ
イバグレーティングであり、ここでは動作波長は阻止バ
ンド（stopband）（フォトニックギャップ）を外れたば
かりのところである。
【００１８】ファイバグレーティングは、グレーティン
グの阻止バンドに近い非常に大きなＧＶＤを有する。こ
れは、クラマース−クロ−ニッヒ（Kramers-Kronig）の
関係式の直接的な結果である。グレーティングはシャー
プな共鳴を構成するので、強い分散を伴う。別の視点で
見ると、グレーティングにおける複数の反射が非常に周
波数依存性の高い時間遅延を挿入する。阻止バンドの外
れたすぐのところで動作させることにより、グレーティ
ングは伝送（パスバンド）にて用いられ、グレーティン
グをアポダイゼーションすることにより振幅応答におけ
るリップルを除去することができる。典型的なファイバ
グレーティングにおいてＧＶＤはプレーンなファイバＧ
ＶＤの大きさよりも６桁も大きくすることができる。個
のような非常に高い分散は阻止バンドのバンド幅によっ
て大まかに制限される。ＧＶＤが増加すると、分散長さ
を数十ｋｍから２〜３ｃｍへと減らすことができる。ピ
コ秒パルスの効率的なパルス圧縮が適切なファイバグレ
ーティングを有する非常に短い長さのファイバにより達
成され、線形的なチャープを全域にわたって有する矩形
パルスを作ることができる。これらのパルスは次に、プ
リズム対、グレーティング対またはファイバグレーティ
ングデバイスのような異常ＧＶＤを有する線形システム
を用いて圧縮することができる。
グの阻止バンドに近い非常に大きなＧＶＤを有する。こ
れは、クラマース−クロ−ニッヒ（Kramers-Kronig）の
関係式の直接的な結果である。グレーティングはシャー
プな共鳴を構成するので、強い分散を伴う。別の視点で
見ると、グレーティングにおける複数の反射が非常に周
波数依存性の高い時間遅延を挿入する。阻止バンドの外
れたすぐのところで動作させることにより、グレーティ
ングは伝送（パスバンド）にて用いられ、グレーティン
グをアポダイゼーションすることにより振幅応答におけ
るリップルを除去することができる。典型的なファイバ
グレーティングにおいてＧＶＤはプレーンなファイバＧ
ＶＤの大きさよりも６桁も大きくすることができる。個
のような非常に高い分散は阻止バンドのバンド幅によっ
て大まかに制限される。ＧＶＤが増加すると、分散長さ
を数十ｋｍから２〜３ｃｍへと減らすことができる。ピ
コ秒パルスの効率的なパルス圧縮が適切なファイバグレ
ーティングを有する非常に短い長さのファイバにより達
成され、線形的なチャープを全域にわたって有する矩形
パルスを作ることができる。これらのパルスは次に、プ
リズム対、グレーティング対またはファイバグレーティ
ングデバイスのような異常ＧＶＤを有する線形システム
を用いて圧縮することができる。
【００１９】パルス圧縮は以下の２つの方法のうちの１
つによって通常達成される。１つはソリトン圧縮であ
り、１つはファイバグレーティングまたはファイバプリ
ズム圧縮である。この後者の方法が通常望まれる。なぜ
ならそれはよりクリーンな圧縮パルスを得られるからで
ある。これに対しソリトン圧縮は通常圧縮パルス上にペ
デスタルと共に得られる。この第２の方法においては、
正分散を有するファイバが用いられ、パルススペクトル
を広くし、パルス全域にわたる非常に線形なチャープを
有する矩形強度特性を生成する。ＳＰＭは新しい周波数
を生成し、パルススペクトルを広くする。ＧＶＤはチャ
ープを線形化し、パルスを「矩形化」する。この線形チ
ャープは次に、負分散要素（例えば、グレーティング
対、プリズム対、反射におけるチャープトファイバグレ
ーティング動作）によって補償され、ほぼ変態制限され
た圧縮パルスを作る。この技術は最も最短な光パルスの
いくつかを作ることに用いられた。この方法は非線形効
果およびスペクトル広域化に依存し、これらはチャープ
トグレーティングのようなデバイスによる単純なチャー
プ補償とは対照的であることに留意されたい。これらの
チャープ補償器は、新しいバンド幅を生成しない線形シ
ステムである。以下の解析では、線形な偏光パルスを想
定し、線形および非線形の複屈折の影響を無視すること
とする。
つによって通常達成される。１つはソリトン圧縮であ
り、１つはファイバグレーティングまたはファイバプリ
ズム圧縮である。この後者の方法が通常望まれる。なぜ
ならそれはよりクリーンな圧縮パルスを得られるからで
ある。これに対しソリトン圧縮は通常圧縮パルス上にペ
デスタルと共に得られる。この第２の方法においては、
正分散を有するファイバが用いられ、パルススペクトル
を広くし、パルス全域にわたる非常に線形なチャープを
有する矩形強度特性を生成する。ＳＰＭは新しい周波数
を生成し、パルススペクトルを広くする。ＧＶＤはチャ
ープを線形化し、パルスを「矩形化」する。この線形チ
ャープは次に、負分散要素（例えば、グレーティング
対、プリズム対、反射におけるチャープトファイバグレ
ーティング動作）によって補償され、ほぼ変態制限され
た圧縮パルスを作る。この技術は最も最短な光パルスの
いくつかを作ることに用いられた。この方法は非線形効
果およびスペクトル広域化に依存し、これらはチャープ
トグレーティングのようなデバイスによる単純なチャー
プ補償とは対照的であることに留意されたい。これらの
チャープ補償器は、新しいバンド幅を生成しない線形シ
ステムである。以下の解析では、線形な偏光パルスを想
定し、線形および非線形の複屈折の影響を無視すること
とする。
【００２０】パルス圧縮技術は次の２つの重要なパラメ
ータにより支配される。
ータにより支配される。
【数２】
【００２１】長さｚoptは、ファイバの最適長であり
（もしｚ＜ｚoptであればチャープはまだ線形化されて
おらず、ｚ＞ｚoptであれば、ＧＶＤ誘導パルス広域化
および対応するピーク強度における減少がＳＰＭに対し
その有効性を失わせる結果となる）、最良の圧縮結果は
ファイバ長さｚ＝ｚoptのときに達成される。この場
合、圧縮ファクタＦcは、Ｎ＝１．６Ｆcという式によっ
てＮと関係している。
（もしｚ＜ｚoptであればチャープはまだ線形化されて
おらず、ｚ＞ｚoptであれば、ＧＶＤ誘導パルス広域化
および対応するピーク強度における減少がＳＰＭに対し
その有効性を失わせる結果となる）、最良の圧縮結果は
ファイバ長さｚ＝ｚoptのときに達成される。この場
合、圧縮ファクタＦcは、Ｎ＝１．６Ｆcという式によっ
てＮと関係している。
【００２２】線形性がチャープされた矩形パルスがファ
イバから出ると、そのチャープは異常分散素子によって
補償する必要がある。この異常分散素子は通常、グレー
ティング対またはプリズム対であり、これら両方は非常
に小さな高次分散を有し、非線形性を有さない。しか
し、もしこの非線形性が十分に小さいか、またはピーク
パワーが十分に低ければ（Ｌ＜＜ＬNLであるように）、
ファイバグレーティングは阻止バンドの２つの側上に反
対符号のＧＶＤを有するので用いることができる。ここ
で、コンプレッサの非線形部分がもしＧＶＤとＳＰＭの
みが存在するとき、すなわち、より高い次元の分散また
はより高い次元の非線形性がない場合に、これらの理想
的な結果を与えることは強調すべきことである。コンプ
レッサの線形部分は理想的には負のＧＶＤのみを有す
る。
イバから出ると、そのチャープは異常分散素子によって
補償する必要がある。この異常分散素子は通常、グレー
ティング対またはプリズム対であり、これら両方は非常
に小さな高次分散を有し、非線形性を有さない。しか
し、もしこの非線形性が十分に小さいか、またはピーク
パワーが十分に低ければ（Ｌ＜＜ＬNLであるように）、
ファイバグレーティングは阻止バンドの２つの側上に反
対符号のＧＶＤを有するので用いることができる。ここ
で、コンプレッサの非線形部分がもしＧＶＤとＳＰＭの
みが存在するとき、すなわち、より高い次元の分散また
はより高い次元の非線形性がない場合に、これらの理想
的な結果を与えることは強調すべきことである。コンプ
レッサの線形部分は理想的には負のＧＶＤのみを有す
る。
【００２３】標準的なファイバコンプレッサにおける制
限ファクタは、励起ラマン散乱（ＳＲＳ：stimulated R
aman scattering）に対するしきい値である。このしき
い値はピーク強度とファイバ長さとともにスケーリング
し、しきい値に達するとパルス圧縮が相当に劣化する。
ピコ秒継続時間の実験においては、このことは通常、最
適長さ（Ｌ＜＜ｚopt）よりも非常に短いファイバ長さ
を用いることを意味する。この範囲において、圧縮比に
対する適切な数式は次により与えられる。
限ファクタは、励起ラマン散乱（ＳＲＳ：stimulated R
aman scattering）に対するしきい値である。このしき
い値はピーク強度とファイバ長さとともにスケーリング
し、しきい値に達するとパルス圧縮が相当に劣化する。
ピコ秒継続時間の実験においては、このことは通常、最
適長さ（Ｌ＜＜ｚopt）よりも非常に短いファイバ長さ
を用いることを意味する。この範囲において、圧縮比に
対する適切な数式は次により与えられる。
【数３】
【００２４】この圧縮ファクタは、最適ファイバ長さで
得られる圧縮よりも非常に小さくなることができる。
得られる圧縮よりも非常に小さくなることができる。
【００２５】近赤外領域においてファイバ分散が比較的
に小さいので、ピコ秒パルス圧縮には長い長さのファイ
バが必要となる。パスバンドにおいて動作するが、阻止
バンドに近くで動作するファイバグレーティングは、高
度分散性素子として動作し、２次分散は以下により与え
られる。
に小さいので、ピコ秒パルス圧縮には長い長さのファイ
バが必要となる。パスバンドにおいて動作するが、阻止
バンドに近くで動作するファイバグレーティングは、高
度分散性素子として動作し、２次分散は以下により与え
られる。
【数４】 ここで、ｎは線形屈折率であり、ｃは光速であり、κ＝
πΔｎη／λBは、グレーティングカプリング計数であ
り、Δｎは屈折率変調深さであり、ηは、ファイバコア
におけるエネルギーの割合であり、λBは、ブラッグ波
長である。δ＝（ｎ／ｃ）（ω−ωB）は、ディチュー
ニングパラメータであり、ωBは、ブラッグ周波数であ
る。このディチューニングは、短波長側では正であり、
長波長側では負であり、ここではＧＶＤは正である。我
々は正のＧＶＤのみを考えているので、このディチュー
ニングは常に負となる。以下の議論における混乱を防ぐ
ため、δに関してはδ自身ではなく、δの絶対値によっ
て議論する。
πΔｎη／λBは、グレーティングカプリング計数であ
り、Δｎは屈折率変調深さであり、ηは、ファイバコア
におけるエネルギーの割合であり、λBは、ブラッグ波
長である。δ＝（ｎ／ｃ）（ω−ωB）は、ディチュー
ニングパラメータであり、ωBは、ブラッグ周波数であ
る。このディチューニングは、短波長側では正であり、
長波長側では負であり、ここではＧＶＤは正である。我
々は正のＧＶＤのみを考えているので、このディチュー
ニングは常に負となる。以下の議論における混乱を防ぐ
ため、δに関してはδ自身ではなく、δの絶対値によっ
て議論する。
【００２６】バンドのエッジ（δ＝κ）の近くでは、高
次分散の項を無視できなくなる。位相（または伝搬）の
ティラ（Taylor）系列展開式における次の係数である３
次分散は、以下の式により与えられる。
次分散の項を無視できなくなる。位相（または伝搬）の
ティラ（Taylor）系列展開式における次の係数である３
次分散は、以下の式により与えられる。
【数５】
【００２７】効率的なパルス圧縮のため、この３次項を
最小化しなければならない。２次と３次分散の相対的な
重要性を比較するために、次のように性能指数（figure
ofmerit)を提示する。
最小化しなければならない。２次と３次分散の相対的な
重要性を比較するために、次のように性能指数（figure
ofmerit)を提示する。
【数６】 ここで、Ｔ0は、１／ｅ2強度点における全幅である。与
えられたパルス幅およびグレーティング強さ（κにより
特徴づけられる）に対して、上の式は特定のＭを達成す
るために必要なディチューニングを得ることに貢献す
る。
えられたパルス幅およびグレーティング強さ（κにより
特徴づけられる）に対して、上の式は特定のＭを達成す
るために必要なディチューニングを得ることに貢献す
る。
【００２８】圧縮に対する３次分散の影響を示すため、
理想的なコンプレッサ（ＧＶＤとＳＰＭのみを含むも
の）に対して少量の３次分散を加え、ＧＶＤ、ＳＰＭお
よび３次分散が存在するピーズ媒体にて伝搬する３０ｐ
ｓ変態制限されたガウス入力パルスをシミュレーション
する。図３は、３つのＭパラメータの値に対してのこの
シミュレーションの結果を示す。Ｍ＝０は、３次分散な
しの理想的な場合を表し、Ｍ＝０．１および０．０５の
場合も示した（参考のために、同じ入力パルスの標準的
なファイバではＭ＝７×１０-5である）。図でわかるよ
うに、３次分散は圧縮されたパルスに対して何らかのト
レーリング（trailing）エネルギーを発生させるリーデ
ィングエッジ上の構造と共に、パルスの非対称性を導入
する。従って、合理的なＭの値は、Ｍ＜０．０５であ
る。例として、パルス幅７０ｐｓ、グレーティング強さ
κ＝１００ｃｍ-1（Δｎ＝０．００４、λＢ＝１．０６
μｍ、ｎ＝８０％に対応する）を考え、数式（６）にお
いてＭ＝０．０５を用いると、１２３ｃｍ-1のディチュ
ーニングパラメータを得る（これはブラッグ波長に対し
て１．５ｎｍのシフトに対応する）。ここで数式（４）
を用いて２次分散を計算でき、β”＝６４ｐｓ2／ｃｍ
を得る。これは、この波長における標準的なファイバよ
りも約３×１０5大きい。これは、分散の長さを数ｋｍ
から数ｃｍへとスケールダウンできることを意味する。
理想的なコンプレッサ（ＧＶＤとＳＰＭのみを含むも
の）に対して少量の３次分散を加え、ＧＶＤ、ＳＰＭお
よび３次分散が存在するピーズ媒体にて伝搬する３０ｐ
ｓ変態制限されたガウス入力パルスをシミュレーション
する。図３は、３つのＭパラメータの値に対してのこの
シミュレーションの結果を示す。Ｍ＝０は、３次分散な
しの理想的な場合を表し、Ｍ＝０．１および０．０５の
場合も示した（参考のために、同じ入力パルスの標準的
なファイバではＭ＝７×１０-5である）。図でわかるよ
うに、３次分散は圧縮されたパルスに対して何らかのト
レーリング（trailing）エネルギーを発生させるリーデ
ィングエッジ上の構造と共に、パルスの非対称性を導入
する。従って、合理的なＭの値は、Ｍ＜０．０５であ
る。例として、パルス幅７０ｐｓ、グレーティング強さ
κ＝１００ｃｍ-1（Δｎ＝０．００４、λＢ＝１．０６
μｍ、ｎ＝８０％に対応する）を考え、数式（６）にお
いてＭ＝０．０５を用いると、１２３ｃｍ-1のディチュ
ーニングパラメータを得る（これはブラッグ波長に対し
て１．５ｎｍのシフトに対応する）。ここで数式（４）
を用いて２次分散を計算でき、β”＝６４ｐｓ2／ｃｍ
を得る。これは、この波長における標準的なファイバよ
りも約３×１０5大きい。これは、分散の長さを数ｋｍ
から数ｃｍへとスケールダウンできることを意味する。
【００２９】以下の点を強調すべきである。（１）上の
数式は伝送におけるグレーティング動作に関するもので
ある（すなわち、パスバンドにおいて）。（２）この阻
止バンドの外のグレーティングの分散性の振る舞いは、
鋭い共鳴のいずれの近くにも見つけることのできる強い
分散と類似している。（３）共鳴の近傍のおかげで、フ
ァイバの材料的な分散に比較して非常に高い分散を得る
ことができ、これは非常に遠い共鳴の結果であると言う
こと。（４）グレーティング応答におけるサイドローブ
から発生するコンプリケーションを防ぐため、これらの
サイドローブを除去するためにグレーティングのアポダ
イゼーションを用いること。（５）動作波長における分
散をグレーティングに熱あるいは歪みを与えることによ
りある程度チューンすることができ、これは線形屈折率
を変化させ、従ってディチューニングパラメータおよび
分散を変化させる。これらの特性は、本発明のファイバ
グレーティングを非常に有用な分散素子であることを示
している。
数式は伝送におけるグレーティング動作に関するもので
ある（すなわち、パスバンドにおいて）。（２）この阻
止バンドの外のグレーティングの分散性の振る舞いは、
鋭い共鳴のいずれの近くにも見つけることのできる強い
分散と類似している。（３）共鳴の近傍のおかげで、フ
ァイバの材料的な分散に比較して非常に高い分散を得る
ことができ、これは非常に遠い共鳴の結果であると言う
こと。（４）グレーティング応答におけるサイドローブ
から発生するコンプリケーションを防ぐため、これらの
サイドローブを除去するためにグレーティングのアポダ
イゼーションを用いること。（５）動作波長における分
散をグレーティングに熱あるいは歪みを与えることによ
りある程度チューンすることができ、これは線形屈折率
を変化させ、従ってディチューニングパラメータおよび
分散を変化させる。これらの特性は、本発明のファイバ
グレーティングを非常に有用な分散素子であることを示
している。
【００３０】パルス圧縮に対する一般的なデザイン基準
は２つのファクタにより制限される。すなわち、ピーク
強度と高次分散である。高いピーク強度は（１）ＳＲ
Ｓ、（２）ブラッグ共鳴のシフト（光学的スターク効果
と類似する）および阻止バンドに近い強度依存性分散へ
のシフト、（３）ＳＰＭにより広域化する初期パルスス
ペクトルの丸め打ち切り（truncation）（もしこの広域
化がディチューニングパラメータよりも大きければスペ
クトルはグレーティングによって「クリッピング」され
る）、の原因となるため悪影響を与えてしまう。最後
に、より高い次元の分散は上述のようにパルス歪みを発
生させてしまう。しかしもしこのより高い次元の分散も
また補償部分により補償されれば、このことは問題とな
らないこともある。以下においては、ファイバグレーテ
ィングの設計に及ぼすこれらの異なる影響によって発生
する制限について議論する。
は２つのファクタにより制限される。すなわち、ピーク
強度と高次分散である。高いピーク強度は（１）ＳＲ
Ｓ、（２）ブラッグ共鳴のシフト（光学的スターク効果
と類似する）および阻止バンドに近い強度依存性分散へ
のシフト、（３）ＳＰＭにより広域化する初期パルスス
ペクトルの丸め打ち切り（truncation）（もしこの広域
化がディチューニングパラメータよりも大きければスペ
クトルはグレーティングによって「クリッピング」され
る）、の原因となるため悪影響を与えてしまう。最後
に、より高い次元の分散は上述のようにパルス歪みを発
生させてしまう。しかしもしこのより高い次元の分散も
また補償部分により補償されれば、このことは問題とな
らないこともある。以下においては、ファイバグレーテ
ィングの設計に及ぼすこれらの異なる影響によって発生
する制限について議論する。
【００３１】ＳＲＳに対するしきい値は、ピークパワー
とファイバ長さの積に対して以下のように上限を与え
る。
とファイバ長さの積に対して以下のように上限を与え
る。
【数７】 ここで、ｇRは、動作波長におけるラマン利得係数（Ram
an gain coefficient）であり、Ｌeffは、損失により制
限される有効長さである。ここでは、関心ある長さはＬ
eff＝Ｌである。このことは、数式（１）に定めた非線
形長さに対して下限を与える。
an gain coefficient）であり、Ｌeffは、損失により制
限される有効長さである。ここでは、関心ある長さはＬ
eff＝Ｌである。このことは、数式（１）に定めた非線
形長さに対して下限を与える。
【数８】
【００３２】数式（８）に示した制限は、この種のコン
プレッサに対する一般的な制限であり、従ってグレーテ
ィングパラメータには関係しない。これから示す２つの
制限はファイバグレーティングに特有のものである。す
なわち、（１）非線形分散を与えるブラッグ共鳴の強度
依存性シフト、である。米国特許出願０８／９８９０９
３号（１９９７年１２月１１日出願）の付録において列
挙された文献に示されているように、κ＜＜δ0に対し
ては、ＬNLδ0＜＜１１がこの影響を最小化するために
必要である（ここで、δ0は低強度ディチューニングパ
ラメータである）。
プレッサに対する一般的な制限であり、従ってグレーテ
ィングパラメータには関係しない。これから示す２つの
制限はファイバグレーティングに特有のものである。す
なわち、（１）非線形分散を与えるブラッグ共鳴の強度
依存性シフト、である。米国特許出願０８／９８９０９
３号（１９９７年１２月１１日出願）の付録において列
挙された文献に示されているように、κ＜＜δ0に対し
ては、ＬNLδ0＜＜１１がこの影響を最小化するために
必要である（ここで、δ0は低強度ディチューニングパ
ラメータである）。
【００３３】ピーク強度による最後の制限は、入力パル
ススペクトルのＳＰＭ誘因スペクトル広域化による。こ
の広域化は、おおよそＦcとなる。なぜなら、これがコ
ンプレッサの意図した用途であるからである。ここで我
々は、このスペクトルがグレーティングの反射スペクト
ルと重なり合わないことを確実にしなければならない。
なぜなら、スペクトルがクリッピングしてしまうことと
なるからである。幅（ＦＷＨＭ）τ0の変態制限された
ガウス型パルスの入力バンド幅（ＦＷＨＭ）は、Δυ＝
０．４４１／τ0により与えられ、出力スペクトルバン
ド幅はおおよそ０．４４１Ｆc／τ0である。このスペク
トルバンド幅の半分はバンドエッジからのスペクトル距
離（｜δ｜＝κ）よりも以下のように小さくなければな
らない。
ススペクトルのＳＰＭ誘因スペクトル広域化による。こ
の広域化は、おおよそＦcとなる。なぜなら、これがコ
ンプレッサの意図した用途であるからである。ここで我
々は、このスペクトルがグレーティングの反射スペクト
ルと重なり合わないことを確実にしなければならない。
なぜなら、スペクトルがクリッピングしてしまうことと
なるからである。幅（ＦＷＨＭ）τ0の変態制限された
ガウス型パルスの入力バンド幅（ＦＷＨＭ）は、Δυ＝
０．４４１／τ0により与えられ、出力スペクトルバン
ド幅はおおよそ０．４４１Ｆc／τ0である。このスペク
トルバンド幅の半分はバンドエッジからのスペクトル距
離（｜δ｜＝κ）よりも以下のように小さくなければな
らない。
【数９】 ここで、ｌは、グレーティングの入力におけるファイバ
のパルスの空間的長さである。
のパルスの空間的長さである。
【００３４】最後に、グレーティングの純粋な線形的特
性、すなわち、より高い次元の分散を議論する。上述の
ようにこの制限は性能指数Ｍから由来する。数式（６）
を用いて、以下のようにディチューニングパラメータに
対する加減を得る（グレーティング強さが与えられたも
のとして）。
性、すなわち、より高い次元の分散を議論する。上述の
ようにこの制限は性能指数Ｍから由来する。数式（６）
を用いて、以下のようにディチューニングパラメータに
対する加減を得る（グレーティング強さが与えられたも
のとして）。
【数１０】 このことは、ＧＶＤに対する上限をも与える。δcを上
の制限値として定めれば、ＧＶＤに対する上限は以下の
ようになる。
の制限値として定めれば、ＧＶＤに対する上限は以下の
ようになる。
【数１１】
【００３５】分散長さに対する加減をその定義（数式
（１））を用いて設定することができる。
（１））を用いて設定することができる。
【数１２】
【００３６】圧縮ファクタがＮによってスケーリングさ
れるので、最大の圧縮のためには、非線形長さの下限で
動作させ、同時に分散長さを最大化することが好ましい
ことは明らかである。しかし、分散長さを増加すること
により、最適長さが増加し、技術的に困難であるグレー
ティング長さによって制限されてしまう。最適長さ（数
式（２）により定義される）とグレーティング長さＬの
比がよい基準となる。
れるので、最大の圧縮のためには、非線形長さの下限で
動作させ、同時に分散長さを最大化することが好ましい
ことは明らかである。しかし、分散長さを増加すること
により、最適長さが増加し、技術的に困難であるグレー
ティング長さによって制限されてしまう。最適長さ（数
式（２）により定義される）とグレーティング長さＬの
比がよい基準となる。
【数１３】
【００３７】ＳＲＳがもたらす制限は一番厳しいもので
ある。なぜなら、これは材料パラメータおよび動作波長
のみを伴うからである（他の強度依存性制限は注意深い
グレーティング設計により避けることができる）。この
場合、ｑは正規化した分散長さＬf／Ｌにより決めら
れ、平方根（１／２乗）依存性に従って増加する。理想
的にはｑ＝０が好ましいので、このことは分散長さに対
して上限を与える。特にｑ＞＞１に対しては、圧縮ファ
クタはＮ／１．６ではなく、１＋０．６Ｎ2（Ｌ／ＬD）
によりおおよそ与えられる。従って、１よりもあまり大
きくないｑの値に制限することとし、圧縮ファクタＦc
の定義と共に数式（１３）を用いることにより、圧縮比
に対する絶対的な上限を最終的に得ることができる。
ある。なぜなら、これは材料パラメータおよび動作波長
のみを伴うからである（他の強度依存性制限は注意深い
グレーティング設計により避けることができる）。この
場合、ｑは正規化した分散長さＬf／Ｌにより決めら
れ、平方根（１／２乗）依存性に従って増加する。理想
的にはｑ＝０が好ましいので、このことは分散長さに対
して上限を与える。特にｑ＞＞１に対しては、圧縮ファ
クタはＮ／１．６ではなく、１＋０．６Ｎ2（Ｌ／ＬD）
によりおおよそ与えられる。従って、１よりもあまり大
きくないｑの値に制限することとし、圧縮ファクタＦc
の定義と共に数式（１３）を用いることにより、圧縮比
に対する絶対的な上限を最終的に得ることができる。
【数１４】
【００３８】上の数式は、この種の圧縮に対して一般的
に成り立ち、いかなるグレーティングパラメータをも含
んでいないことに留意されたい。理想的には、この圧縮
比を達成し、合理的な長さを有するグレーティングを設
計するのが好ましい。
に成り立ち、いかなるグレーティングパラメータをも含
んでいないことに留意されたい。理想的には、この圧縮
比を達成し、合理的な長さを有するグレーティングを設
計するのが好ましい。
【００３９】数値の例 中央波長１．０６μｍを有する６０ｐｓガウスパルスの
パルス圧縮に必要なパラメータに関して議論する。この
波長では、ラマン利得の測定値（λ＝１μｍにおける）
は、ｇR＝１０-11ｃｍ／Ｗであり、ｎ2＝２．６×１０
-16ｃｍ2／Ｗである。従って、ｑ＝１に対しては、数式
（１４）により与えられる圧縮ファクタに対する上限
は、約６．３である。約５の圧縮を可能にするグレーテ
ィングの設計パラメータを議論する。１０ｍのファイバ
を伝搬する１．０６μｍにおける６０ｐｓパルスに対す
るラマンしきい値は実験的に、約１ｋＷであることが示
されている。従って、１ｍを超えるグレーティング長さ
に対しては、１０ｋＷの入力ピークアワーが用いられ
る。対応する非線形長さ（５０μｍ2の有効モード面積
に対して）は、ＬNL＝３．２ｃｍであり、これは下限と
して用いられる。５の圧縮ファクタを得るために、ＬD
＝６４ｃｍ、ＬNL＝２０７．４（対応するＧＶＤが６．
３ｐｓ／ｃｍで）、最適長さ６３．５ｃｍとなる。ディ
チューニングδ＝−８０ｃｍ-1およびグレーティング強
さＫ＝３２．４ｃｍ-1を選ぶことにより、０．０５のＭ
パラメータを得る（１８．９ｐｓ3／ｃｍの３次分散の
項で）。これらの数値は上の段落で示した制限に従うこ
とは容易に確認できるであろう。１ｍ長のグレーティン
グが最近になって示されているので、６３．５ｃｍのグ
レーティングが可能となっている。２０ｃｍであるより
短いグレーティング波、圧縮ファクタを多くても１０％
未満しか劣化させない。
パルス圧縮に必要なパラメータに関して議論する。この
波長では、ラマン利得の測定値（λ＝１μｍにおける）
は、ｇR＝１０-11ｃｍ／Ｗであり、ｎ2＝２．６×１０
-16ｃｍ2／Ｗである。従って、ｑ＝１に対しては、数式
（１４）により与えられる圧縮ファクタに対する上限
は、約６．３である。約５の圧縮を可能にするグレーテ
ィングの設計パラメータを議論する。１０ｍのファイバ
を伝搬する１．０６μｍにおける６０ｐｓパルスに対す
るラマンしきい値は実験的に、約１ｋＷであることが示
されている。従って、１ｍを超えるグレーティング長さ
に対しては、１０ｋＷの入力ピークアワーが用いられ
る。対応する非線形長さ（５０μｍ2の有効モード面積
に対して）は、ＬNL＝３．２ｃｍであり、これは下限と
して用いられる。５の圧縮ファクタを得るために、ＬD
＝６４ｃｍ、ＬNL＝２０７．４（対応するＧＶＤが６．
３ｐｓ／ｃｍで）、最適長さ６３．５ｃｍとなる。ディ
チューニングδ＝−８０ｃｍ-1およびグレーティング強
さＫ＝３２．４ｃｍ-1を選ぶことにより、０．０５のＭ
パラメータを得る（１８．９ｐｓ3／ｃｍの３次分散の
項で）。これらの数値は上の段落で示した制限に従うこ
とは容易に確認できるであろう。１ｍ長のグレーティン
グが最近になって示されているので、６３．５ｃｍのグ
レーティングが可能となっている。２０ｃｍであるより
短いグレーティング波、圧縮ファクタを多くても１０％
未満しか劣化させない。
【００４０】これらのパラメータを用いて、２つの異な
る方法によって伝搬を数値的にシミュレーションした。
すなわち、（１）アポライゼーションしたグレーティン
グに対しての非線形結合数式の完全に数値的な解と、
（２）上の材料パラメータによっての均一媒体によるス
プリットステップフーリエ（split-step Fourier）方法
である。これら両方の場合において、補償部分の前に出
力パルスに注目する。図４（Ａ）および（Ｂ）では、時
間および周波数領域においてそれぞれ入力および出力パ
ルスを示し、図４（Ｃ）では、補償部分のすぐ前におけ
るパルスおよびチャープを示す。図でわかるように、圧
縮されたパルスは時間領域において何らかの残余トレー
リングエネルギーを有し、そのスペクトルにおいて小さ
なこぶを有するが（これら両方は小さな３次分散の結果
である）、合理的な高品質である。この場合、より単純
なスプリットステップルーチンを用いた。図５（Ａ）、
（Ｂ）は、上の２つの異なるシミュレーション方法を同
じパラメータであるが２０ｃｍのグレーティング長さを
用いて行った結果を比較するものである。図５（Ａ）
は、分散補償部分の前のパルスの強度プロファイルを示
し、図５（Ｂ）は、圧縮ファクタ４．６のシステムの出
力において得られた圧縮パルスを示す。
る方法によって伝搬を数値的にシミュレーションした。
すなわち、（１）アポライゼーションしたグレーティン
グに対しての非線形結合数式の完全に数値的な解と、
（２）上の材料パラメータによっての均一媒体によるス
プリットステップフーリエ（split-step Fourier）方法
である。これら両方の場合において、補償部分の前に出
力パルスに注目する。図４（Ａ）および（Ｂ）では、時
間および周波数領域においてそれぞれ入力および出力パ
ルスを示し、図４（Ｃ）では、補償部分のすぐ前におけ
るパルスおよびチャープを示す。図でわかるように、圧
縮されたパルスは時間領域において何らかの残余トレー
リングエネルギーを有し、そのスペクトルにおいて小さ
なこぶを有するが（これら両方は小さな３次分散の結果
である）、合理的な高品質である。この場合、より単純
なスプリットステップルーチンを用いた。図５（Ａ）、
（Ｂ）は、上の２つの異なるシミュレーション方法を同
じパラメータであるが２０ｃｍのグレーティング長さを
用いて行った結果を比較するものである。図５（Ａ）
は、分散補償部分の前のパルスの強度プロファイルを示
し、図５（Ｂ）は、圧縮ファクタ４．６のシステムの出
力において得られた圧縮パルスを示す。
【００４１】これら２つのシュミュレーション方法の間
の近い間で、非常に良く一致したことは、阻止バンドか
ら離れると、非線形シュレーディンガー（ＮＬＳ:nonli
nearSchrodinger）式が適用される有効均一非線形分散
媒体としてグレーティングを考えることができることを
示している。このことは数値計算において非常に大きな
単純化をしたこととなる。なぜなら、スプリットステッ
プフーリエ方法は実装が単純で非常に速いからである。
このＮＬＳ近似は、パルスがギャップからスペクトルに
おいて十分に遠く、それらの相互作用が小さい場合に有
効である。このことはスペクトルバンド幅（すなわち、
パルススペクトルはギャップのエッジから多少のバンド
幅遠くなければならない）およびピーク強度（δＬNL＞
＞１）によって軽量化できる。
の近い間で、非常に良く一致したことは、阻止バンドか
ら離れると、非線形シュレーディンガー（ＮＬＳ:nonli
nearSchrodinger）式が適用される有効均一非線形分散
媒体としてグレーティングを考えることができることを
示している。このことは数値計算において非常に大きな
単純化をしたこととなる。なぜなら、スプリットステッ
プフーリエ方法は実装が単純で非常に速いからである。
このＮＬＳ近似は、パルスがギャップからスペクトルに
おいて十分に遠く、それらの相互作用が小さい場合に有
効である。このことはスペクトルバンド幅（すなわち、
パルススペクトルはギャップのエッジから多少のバンド
幅遠くなければならない）およびピーク強度（δＬNL＞
＞１）によって軽量化できる。
【００４２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明により光パル
スコンプレッサを改善することができた。
スコンプレッサを改善することができた。
【図１】本発明の光パルスコンプレッサの概略図であ
る。
る。
【図２】図１の光パルスコンプレッサを用いる光通信シ
ステムの概略図である。
ステムの概略図である。
【図３】３つのＭパラメータの値に対するシュミュレー
ションの時間遅延に対する強度のグラフ図である。
ションの時間遅延に対する強度のグラフ図である。
【図４】時間の関数としてのパルス振幅のグラフ図であ
る。
る。
【図５】圧縮の前（Ａ）および後（Ｂ）の強度特性のグ
ラフ図である。
ラフ図である。
９ 光パルスコンプレッサ １０ パルス源 １１ 非線形導波路 １２ 正分散部 １３ 線形導波路 １４ 負分散部 １５ コア ２０ 時分割マルチプレキサ ２１ 伝送ファイバ ２２ 時分割デマルチプレキサ ２３ 受信器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ガディー レンズ アメリカ合衆国，07023 ニュージャージ ー，ファンウッド，シャディー レイン 69
Claims (9)
- 【請求項１】 パルス源から光パルスを時間領域におい
て圧縮する光パルスコンプレッサであって、 （Ａ）前記光パルスに正分散を与える周期的構造を有す
る第１光導波路部と、前記第１光導波路部は、２次屈折
率Ｎ2により特徴づけられ、 （Ｂ）前記第１光導波路部に光学的につながっており、
前記光パルスに対して負分散を与える部分に光学的につ
ながっている第２光導波路部とを有し、 前記第２光導波路部は、０．１Ｎ2よりも小さい２次屈
折率Ｎ2’により特徴づけられることを特徴とする光パ
ルスコンプレッサ。 - 【請求項２】 前記周期的構造は、ブラッググレーティ
ングからなることを特徴とする請求項１記載の光パルス
コンプレッサ。 - 【請求項３】 前記第１光導波路部は、５００ｃｍより
も小さい長さを有することを特徴とする請求項１記載の
光パルスコンプレッサ。 - 【請求項４】 前記周期的構造は、アポダイゼーション
されたブラッググレーティングからなることを特徴とす
る請求項１記載の光パルスコンプレッサ。 - 【請求項５】 Ｎ2’は、０．０１Ｎ2以下であることを
特徴とする請求項１記載の光パルスコンプレッサ。 - 【請求項６】 前記負分散を与える部分は、ブラッググ
レーティングであることを特徴とする請求項１記載の光
パルスコンプレッサ。 - 【請求項７】 前記第１光導波路部は、周期的ブラッグ
グレーティングを有し、かつ、５００ｃｍよりも小さい
長さを有するカルコゲナイトガラスファイバの一部から
なることを特徴とする請求項１記載の光パルスコンプレ
ッサ。 - 【請求項８】 請求項１記載の光パルスコンプレッサの
複数からなり、これらがそれぞれ圧縮されたパルス信号
チャネルを提供する光通信システムであって、 （Ｃ）時間多重化された信号を作るために、前記信号チ
ャネルを時間領域においてインターリーブする時間分割
マルチプレキサと、 （Ｄ）前記時間多重化された信号を伝送する伝送導波路
とからなることを特徴とする光通信システム。 - 【請求項９】 前記時間多重化された信号から１若しく
は複数個のチャネルを分離する時間分割デマルチプレキ
サからなることを特徴とする請求項８記載の光通信シス
テム。
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|---|---|---|---|
| US08/989093 | 1997-12-11 | ||
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|---|---|
| JPH11242249A true JPH11242249A (ja) | 1999-09-07 |
| JP3404305B2 JP3404305B2 (ja) | 2003-05-06 |
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ID=25534746
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| JP34739498A Expired - Fee Related JP3404305B2 (ja) | 1997-12-11 | 1998-12-07 | 光パルスコンプレッサおよび光通信システム |
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| US (1) | US6108474A (ja) |
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| JP (1) | JP3404305B2 (ja) |
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1998
- 1998-12-01 EP EP98309842A patent/EP0922992B1/en not_active Expired - Lifetime
- 1998-12-01 DE DE69825401T patent/DE69825401T2/de not_active Expired - Lifetime
- 1998-12-07 JP JP34739498A patent/JP3404305B2/ja not_active Expired - Fee Related
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