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

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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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    • G02F1/00Devices 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
    • G02F1/35Non-linear optics
    • G02F1/365Non-linear optics in an optical waveguide structure
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    • H01SDEVICES 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
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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    • H01S3/0057Temporal shaping, e.g. pulse compression, frequency chirping

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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。

Description

【発明の詳細な説明】
【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。
【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。
【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。
【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。
【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
2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。
【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。
【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
2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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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、
2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。
【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
D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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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)。
【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。
【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。
【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)。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の光パルスコンプレッサの概略図であ
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。
【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。
【図4】時間の関数としてのパルス振幅のグラフ図であ
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。
【符号の説明】
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)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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。
  2. 【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。
  3. 【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。
  4. 【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。
  5. 【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。
  6. 【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。
  7. 【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。
  8. 【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。
  9. 【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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