JPS63125919A

JPS63125919A - 光ソリトン発生方法

Info

Publication number: JPS63125919A
Application number: JP27199886A
Authority: JP
Inventors: Masataka Nakazawa; 正隆中沢; Yoshiyuki Aomi; 青海　恵之; Takashi Nakajima; 隆中島; Yasuro Kimura; 康郎木村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1986-11-17
Filing date: 1986-11-17
Publication date: 1988-05-30
Anticipated expiration: 2011-01-29
Also published as: JPH087356B2

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】［産業上の利用分野］本発明は、光ファイバ中のカー効果による自己位相変調
効果とファイバ中での異常分散がつり合うことによって
生ずる光ソリトンの発生方法に関し、特に半導体レーザ
の微弱な光パルスを、光ファイバ中での誘導ラマン散乱
により自己位相変調効果が発生するレベルにまでパルス
強度を増幅し、異常分散とのつり合いによって波長可変
なソリトンパルスを発生させる方法に関するものである
。

［従来の技術］光ソリトンの存在の可能性が１９７３年Ｂａ１ｌ研究所
のＡ、ＨａｓｅｇａｗａおよびＰ、Ｔａｐｐｅｒｔ　（
八ｐｐ１．ｌ’ｈｙｓ。

Ｌｅｔｔ、、Ｖｏｌ、２３．Ｐ、Ｌ４２　”−Ｔｒａｎ
ｓｍｉｓｓｉｏｎ　ｏｆｓｔａｔｉｏｎａｒｙ　ｎｏｎ
口ｎｅａｒ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｐｕｌｓｅｓ　１ｎｄｉ
ｓｐｅｒｓｉｖｅ　ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｆｉｂｅｒ
ｓ’　）により指摘されて以来、非線形波動の伝搬に関
する研究が盛んになってきている。中でもソリトンを実
証したＭｏ１ｌｅｎａｕｅｒ等の実験を期に飛躍的にそ
の研究が進んでいる（Ｌ、Ｆ、　Ｍｏ１ｌｅｎａｕｅｒ
、Ｒ，Ｈ，５ｔｏｌｅｎ。

Ｊ、Ｐ、Ｇｏｒｄｏｎ；　　Ｐｈｙｓ、Ｒｅｖ、Ｌｅｔ
ｔ、、Ｖｏｌ、４５．Ｐ、１０９５゜１９８０″Ｅｘｐ
ｅｒｉｍｅｎｔａｌ　　ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ　　ｏ
ｆ　　ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄｐｕｌｓｅ　　ｎａｒｒｏ
ｗｉｎｇ　　ａｎｄ　　５ｏｌｉｔｏｎｓ　　ｉｎ　　
ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ″　）。

今までのソリトンの実験に例外なく用いられてきたＦセ
ンタ（色中心）レーザの構成図を第９図に示す。図にお
いて１はモード同期ＹＡＧレーザ、２、２’　、２”は
レーザ鏡、３はＦセンタ結晶、４は結晶冷却用液体Ｎ２
デユワ−１５は波長可変用複屈折フィルタである。、Ｆ
センタレーザはＹＡＧ　レーザ１により励起される同期
レーザであり、レーザ鏡２″より透過して得られる出力
はピーク出力１００Ｗ程度、幅８ｐｓ、１．４８〜１．
６０μｍにて波長可変な特性をもつ。しかし、レーザ結
晶をいつも液体Ｎ２温度に冷却しておかなければならな
いこと、パルスの繰り返しが’／ＡＧレーザの周期に固
定され可変ではないこと、結晶の寿命が短いこと、パル
ス幅が高出力のままで可変できないこと等の欠点があっ
た。このためソリトン研究はごく一部のＦセンタレーザ
保有グループによりその成果が発表されてきた。

第１Ｏ図にＦセンタレーザによるソリトンの発生方法と
測定方法について示す。第９図に示したＦセンタレーザ
６からの光パルスは単一モード光ファイバ７に入射する
。光パルスの波長はもともと１．３０μｍより長い波長
の異常分散域に設定されているため、単一モード光ファ
イバ中の自己位相変調効果とつり合い、最終的に光ソリ
トンが発生する。光ファイバからのソリトンパルスを半
透過鏡８、位置可変用コーナーキューブ９、対物レンズ
１０、第２高調波発生用結晶１１、光検出器１２から成
る自己相関計に入射させ、位置可変用コーナーキューブ
９を移動させることにより自己相関をとる。ソリトンパ
ルス幅は、自己相関により得られた波形より求められる
。このようにして得られたソリトンの波形を第１１図に
示す。第１１図（八）は光ファイバ人力波形であり、そ
のビークパワーを変化させた時の光ファイバ出力波形を
第１１図（Ｂ）に示す。入力パワーが１．２Ｗ程度まで
はレーザ出力波形と光ファイバ出力波形は変化がない。

パワーを５Ｗにまで増加するとパルス幅は狭くなり始め
Ｎ＝１ソリトンが形成されていく様子がわかる。さらに
人力を１１．４Ｗとすると、高次ソリトンが励振されて
いくことがわかる。

［発明が解決しようとする問題点］以上示したようにＦセンタレーザにより光ソリトンの発
生は充分可能であるものの、ソリトンの繰り返し、パル
ス幅の可変性、波長可変性等のソリトンの制御性が悪い
。例えばソリトンの超短パルス性によるＩ　Ｇｂｉｔ／
ｓの通信の可能性を追求する場合、現状のＦセンタレー
ザを用いる限り０．１Ｇｂｉｔ／ｓがその限界となって
いる。また、冷却装置が不可欠であることはレーザの汎
用性を欠くとともに、安定なパルス動作を維持すること
が難しかった。加えて、このレーザにファイバ端面もし
くは光学系からの反射が帰還されるとその発振が停止す
る欠点があり、わずかな反射もレーザ発振を不安定にす
る要因となっていた。

本発明は半導体レーザからの微弱な光パルスを誘導ラマ
ン散乱により増幅し、異常分散によりパルスを圧縮する
ことにより今までの欠点を解決し、定常的に安定でかつ
幅の狭いソリトンパルス列を提供することを目的とする
。また、半導体レーザ光の繰り返し周波数の可変性およ
び誘導ラマン散乱の広帯域性に着目し、任意の繰り返し
周期でかつ波長可変な光ソリトンパルス列を提供するこ
とを目的とする。

［問題点を解決するための手段］このような目的を達成するために、本発明の光ソリトン
発生方法の第１の態様は光ファイバ中の自己位相変調効
果と群速度分散とがつり合うことによって生ずる光ソリ
トンを発生させるにおいて、異常分散波長域で動作する
半導体レーザからの光パルスを誘導ラマン散乱により直
接光増幅することにより波長可変な光ソリトンを発生さ
せることを特徴とする。

また本発明の光ソリトン発生方法の第２の態様は光ファ
イバ中の自己位相変調効果と群速度分散とがつり合うこ
とによって生ずる光ソリトンを発生させる方法において
、連続波発振する２つの信号光を同時に光ファイバに入
射させ、誘導ラマン散乱と変調不安定性を用いて、２つ
の信号光の周波数差と同じくり返しのソリトン列を作る
ことを特徴とする。

［作　用］本発明においては光ソリトンを発生するために微弱な光
パルスを発生する半導体レーザと高利得な誘導ラマン散
乱を組み合わせる。

本方法は従来不可能とされていたＦセンタレーザ以外に
よるソリトン発生を、半導体レーザと誘導ラマン散乱に
よって可能にし、加えて、半導体レーザのパルス幅は任
意に変化できるので、ソリトンの幅も可変できる。

また、変調不安定性により正弦波的に振動をくり返す信
号光を光ソリトン列に変換できるとともに、２つの連続
波発振する信号光を誘導ラマン散乱と変調不安定性を用
いて数Ｔ）ｌｚのくり返しを有するソリトンパルス列に
変換できる。

［実施例］以下に、図面を参照して、本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の実施例の構成図である。図において、
７は単一モード光ファイバ、１３は誘導ラマン敗乱励起
用光源、１４はダイクロイックミラー、１５は信号光用
半導体レーザ光源である。

これを動作するにはシリカ系単一モード光ファイバの零
分散波長１．３０μｍより長波長側にある光源を誘導ラ
マン散乱励起用光源１３として用いる。波長１．３２μ
ｍ、　１．３４　μｍ、　１．４４μｍの発振線をもつ
ＹＡＧレーザ、Ｅｒ３＋レーザ、もしくはＦセンタレー
ザが光源として適している。中でもＹＡＧレーザは高出
力であり、ラマン増幅による第１ストークス波長はシフ
ト景が４６０　ｃｍ−’であることからそれぞれ、１．
４１μｍ、１．４３μｍ、１．５４μｍとなりいずれの
波長でもソリトンが形成される。

さて、この励起光は、半導体レーザからの信号光１５と
ダイクロイクミラ−１４で重ね合わされ、単一モード光
ファイバ７に導かれる。ダイクロイックミラー１４は波
長選択性のある鏡で励起光は全通過、信号光は全反射し
て効率よくファイバに結合する。信号光波長はラマン利
得が最大となるストークス波長に設定しておく。単一モ
ード光ファイバ７中をその２つの波が伝搬するにつれ、
誘導ラマン散乱により励起光のエネルギーは信号光に移
り増幅される。増幅媒体として偏波保持ファイバを用い
た時の誘導ラマン増幅の特性はＭ、Ｎａｋａｚａｗａ、
　”Ｈｉｇｈｌｙ　Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ＲａｍａｎＡ
ｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ａ　Ｐｏｌａｒｉｚ
ａｔｉｏｎ−ＰｒｅｓｅｒｖｉｎｇＯｐｔｉｃａｌ　Ｆ
ｉｂｅｒ　” （Ａｐｐｌ、ｐｈｙｓ、Ｌｅｔｔ、、　Ｖｏｌ、４６　
Ｐ、６２Ｂ−６３０，１９８５）によれば第２図ないし
第４図のようになる。第２図に示すようにラマン利得は
ＩＷの連続波もしくはパルス励起人力に対して２０ｄＢ
以上の利得がある。

従って信号光人力がｌＯｍ　Ｗの場合、ストークス光の
出力はＩＷ以上に容易になり得る。

光ファイバ中のソリトンは非線形シュレディンガ方程式
で与えられることがＨ，ｌｌａｓｅｇａｗａ等により理
論的に示されており（１１，１（ａｓｅｇａｗａ　ａｎ
ｄＦ、Ｔａｐｐｅｒｔ；前掲論文）前述したように１９
８０年Ｍｏ１ｌｅｎａｕｅｒ等によって観測された。単
一モード光ファイバでのＮ＝１ソリトン発生に必要なパ
ワーＰＨ＝　１はコア断面積をＡｅｆｆ、ストークスパ
ルスの幅をτＳ、群速度分散をＤ、非線形屈折率をｎ２
、波長をλ５とするとて与えられる（中沢正隆“ソリトンレーザー”固体物理
、第２１巻、９　　Ｐ、４７．１９８６）、　　従って
通常の単一モード光ファイバの場合、１Ｄｌ＝１６ｐｓ
／ｋｍ　−ｎｍ、　　ｒ　　５−７ｐｓ　、　　λ　ｓ
−１，５５μ　ｍ、　　　Ａｓｒｒ−５〜１０−’ｃｍ
２　とすると、ＰＨ＝　１はＰＮ□＝０．５〜１．ＯＷとなる。誘導ラマン散乱でのストークス出力はＩＷ程度
になるので、上記の計算から容易に光ソリトンが形成さ
れること力作かる。第３図はラマン波長帯域を示してお
り、１３０ｃ＋ｎ−’の幅であり、これに光速をかける
と、３．９Ｔ）ｌｚの帯域となる。すなわちｌｐｓのパ
ルスを増幅するのに充分広い帯域であることがわかる。

また第４図は信号光レベルを示しており、雑音レベルと
の差より２４ｄＢ程度のＳ／Ｎ比がとれることがわかり
、低雑音ソリトン増幅が可能であることを示している。

第５図に光ソリトンの発生をより容易にする方法を示す
。図において１６は高利得ラマン増幅用単一モード光フ
ァイバで、例えばコアにＧｅｍ２を高濃度にドープした
単一モード光ファイバが用いられる。他の構成は第１図
の実施例と同じである。光ファイバ１６は通常のシリカ
系ファイバに比べて９倍程度のラマン利得が得られる。

したがってストークスパワーを大きくし、容易にソリト
ンが形成できる。

第６図は励起用光源１３からの励起光と信号用光源１５
からの信号光を光ファイバカップラ１７によって高利得
ラマン増幅用単一モード光ファイバ１６に入射させ、光
ソリトンを光ファイバカップラ１７’から出射させるよ
うにしたものである。

第５図および第６図に示したいずれの方法においても、
半導体レーザの繰り返しを変化させることにより任意の
繰り返しのソリトン列を発生できる。

励起光人力を増加していくと、誘導ラマン散乱による第
１ストークス光の利得は大きくなるが、ある励起入力パ
ワー以上になると第２ストークス光が発生し、それ以上
第１ストークス光の利得がふえない。このためソリトン
の振幅の上限が限定されるが、これは次のような方法に
より解決できる。■単一モード光ファイバのコア部に重
水素を封入し、そのラマン散乱を用いると、波長１．０
６μｍの光に対して第１ストーク光が１．５６μｍとな
る。２次ストークス光は２μｍ近傍となるが、この波長
ではシリカ系光ファイバは損失が非常に大きいため成長
しない。■Ｐ２Ｏ５をコア材料としたファイバを用い、
波長１．３２もしくは１．３４μｍ励起で第１ストーク
ス波長を１．５〜１．６　μｍに設定し、■と同様に２
次ストークス光を抑制する。■ファイバを小径に巻くこ
とによって生ずる光損失が２次ストークスにおいて極端
に大きくなることを用いる、等がある。

第７図および第８図にそれぞれ本発明の他の実施例を示
す。ともに２個の信号光用半導体レーザ光源１５．１５
’　を有しているが、それ以外の構成は第７図の例は第
５図に示した例と、第８図の例は第６図に示した例と同
様である。ここで２個の信号光用半導体レーザ光源から
の信号光を人力し、誘導ラマン散乱と変調不安定性（Ａ
　、ｔｌａｓｅｇａｗａ　。

Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ　　ｏｆ　　ａ　　ｔｒａｉｎ　
　ｏｆ　　５ｏｌｉｔｏｎ　　ｐｕｌｓｅｓ　　ｂｙｉ
ｎｄｕｃｅｄ　ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｌ　１ｎｓｔａ
ｂｉｌｉｔｙ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓ”　
Ｏｐｔ、Ｌｅｔｔ、、　Ｖｏｌ、　９　、　Ｐ、２８８
１９８４）　　とを用いて二つの信号光源の発振周波数
差と等しい繰り返しのソリトンパルス列が得られる。従
って発振周波数差を数ＴＨｚとすれば数ＴＨｚの超高速
の繰り返しのソリトンパルス列が得られる。変調不安定
性とはわずかに変調のかかった正弦波状の連続波がファ
イバの分散と自己位相変調効果により゛最終的にソリト
ンになる現象である。ファイバ入射端で微弱であった光
源１５と１５’　からの信号のビート成分がラマン増幅
され、さらに変調不安定性により、その正弦波がソリト
ン化していく。従って、ビート周波数を変化させること
により、任意の繰り返しのパルス列が出力できることに
なる。

［発明の効果コ以上説明したように、本発明により初めて任意のくり返
し周期を有するソリトンパルス列を容易に作り出すこと
ができるとともに、ソリトンの幅および波長も誘導ラマ
ン散乱の帯域内で自由に変化することができる利点があ
る。　また、変調不安定性により正弦波的に振動をくり
返す信号光を光ソリトン列に変換できるとともに、２つ
の連続波発振する信号光を誘導ラマン散乱と変調不安定
性を用いて数ＴＨｚのくり返しを有するソリトンパルス
列に変換できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の構成図、第２図は励起入力とラマン利得との関係を示す特性図、第３図はラマン波長帯域と利得との関係を示す特性図、第４図は励起人力と信号光および雑音レベルとの関係を
示す特性図、第５図および第６図はそれぞれ本発明の他の実施例の構
成図、第７図および第８図はそれぞれ本発明のさらに他の実施
例の構成図、第９図はＦセンタレーザの構成図、第１０図は従来の光ソリトンの発生および測定方法の構
成図、第１１図（Ａ）　、　（Ｂ）はそれぞれＦセンタレーザ
の出力波形図およびソリトンの波形図である。ｌ・・・モード同期ＹＡＧレーザ光源、２、２’　　、
２”・・・Ｆセンタレーザ共振器用レーザ鏡、３・・・
Ｆセンタレーザ結晶、４・・・冷却用デユワ−１５・・・複屈折フィルター、６・・・Ｆセンタレーザ、７・・・単一モード光ファイバ、８・・・半透過鏡、９・・・コーナーキューブ、ｌＯ・・・対物レンズ、１１・・・第２高調波発生用結晶、１２・・・光検出器、１３・・・誘導ラマン散乱励起用光源、１４・・・ダイ
クロイックミラー、１５、１５’　・・・信号光用半導体レーザ光源、１６
・・・高利得ラマン増幅用単一モード光ファイバ、１７
・・・光ファイバカップラー。

Claims

【特許請求の範囲】１）光ファイバ中の自己位相変調効果と群速度分散とが
つり合うことによって生ずる光ソリトンを発生させる方
法において、異常分散波長域で動作する半導体レーザか
らの光パルスを、誘導ラマン散乱により直接光増幅する
ことにより波長可変な光ソリトンを発生させることを特
徴とする光ソリトン発生方法。２）光ファイバ中の自己位相変調効果と群速度分散とが
つり合うことによって生ずる光ソリトンを発生させる方
法において、連続波発振する２つの信号光を同時に光フ
ァイバに入射させ、誘導ラマン散乱と変調不安定性を用
いて、前記２つの信号光の周波数差と同じくり返しのソ
リトン列を作ることを特徴とする光ソリトン発生方法。３）前記周波数差が数ＴＨｚであることを特徴とする特
許請求の範囲第２項記載の光ソリトン発生方法。