JPWO2008126703A1 - 光パルス成型器、光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法 - Google Patents

光パルス成型器、光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法 Download PDF

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Abstract

ＣＰＦ型光パルス成型器において、出力パルスの品質を高く保ちながらCPF一段あたりの圧縮効率を大きく高めることにより段数を減らすこと、および時間波形と周波数波形がともにGaussian型である出力パルスを得ることにより多重度を向上できることが課題であった。従来のＣＰＦを構成していた零分散ＨＮＬＦに換え、正常分散ＨＮＬＦを使用することにより、上記課題を克服できた。また、圧縮効率を高めたことで、ファイバの融着個数を減らし、CPFの伝搬損失を低減することができた。

Description

本発明は、光パルスの時間波形を圧縮して所望の波形を得る光パルス成型器、その圧縮した光パルスを用いる光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法に関するもので、特に高速の光通信システムに用いられる超短光パルス、或いは材料加工その他の用途に用いられる超短光パルスを発生するための、光パルス成型器、その光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法に係るものである。
最近、高速大容量化の要求が高い光通信分野では、より高速な処理を実現するため、時間幅が数ピコ秒あるいはそれ以下である超短光パルスの利用が進められている。超短光パルスは、光通信において情報伝送媒体として使用され、情報を付加した光パルスを数ピコ秒あるいはそれ以下の短い時間間隔で伝送することで、超高速伝送を実現できる。
また、超短光パルスは、短い時間幅とともに高いエネルギーを持つ光パルスとして、物質を加工したり、あるいは物質の特性を高精度で観測したりすることに利用できるので、この分野での新しい可能性を求めて、近年、研究が盛んに進められている。
ところで、超短光パルスを直接発生させる手段としては、一般に、半導体レーザーダイオード（LD）の印加電流に信号を重畳し、出力光の強度を直接変調する方法や、LDより出力される連続光（CW）の強度を外部変調器によって変調する方法が知られている。しかしながら、LDそのものや、変調信号となる電気信号を発生させるための半導体、あるいは外部変調器の応答速度に上限があることから、時間幅が数ピコ秒以下の超短光パルスを直接発生させることは非常に難しかった。そのため、新しい、超短光パルスの発生方法が研究され、近年、その成果として、様々な方法が提案されるようになった。
超短光パルスを発生させる新しい方法として、例えば、光ファイバの非線形効果（Kerr効果）と分散効果を利用し、種となる光パルスの時間幅を圧縮して所望の波形に成型する方法が提案されている。なお、以下では、光パルスの時間幅を圧縮して所望の波形に成型することを単に「光パルスを圧縮すること」あるいは「光パルス圧縮」と言う。いくつか知られている、パルス圧縮の方法のなかでも、ファイバの分散値が長手方向に減少する分散減少ファイバ（Dispersion decreasing fiber; DDF）や、分散値が零である分散シフトファイバ（Dispersion-shifted fiber; DSF）とシングルモードファイバ（SMF）を交互に接続して構成する櫛形分散配置ファイバ（Comb-like dispersion profiled fiber; CDPF）は、断熱ソリトン圧縮と呼ばれるパルス圧縮手法により、高品質なパルス圧縮を実現できることが知られている。
ここでいう高品質なパルスとは、パルス形状が、例えば、sech型関数に、よい精度で一致し、ペデスタル（パルスの裾の部分で、その関数形に一致せず、一般に時間遅延に対して減衰すべき関数値よりも、大きな成分を言う）や周波数チャープ（瞬時周波数の時間変化）の非線形性などが小さいパルスのことをいう。ただし、sech x=2/(ｅｘ＋ｅ−ｘ）である。
しかし、上記のDDFは、所望の特性を実現することが技術的に容易ではなく、低い歩留まり率や高いコストが原因で、実用化は困難な現状にある。
これに対してCDPFは、二種類の伝送用ファイバから構成されるため、製造が容易で、コストも低く抑えることができるという利点があり、実用化が期待されている。
なお、DDFやCDPFを用いたパルス圧縮については、それぞれ、下記の非特許文献１および２に開示されている。さらに、CDPFの発展形として、分散が無視できるほど小さく、かつ非線形定数の大きな高非線形分散シフトファイバ（Highly nonlinear dispersion-shifted fiber; HNL-DSF、あるいは単にHighly nonlinear fiber; HNLF）をDSFに代えて使用し、HNLFとSMFを交互に接続した構成からなる、櫛形配置ファイバ（Comb-like profiled fiber;以下 CPFという）も提案されている。このCPFは、短いファイバ長で高い圧縮効率を実現できることから、注目を集めており、非特許文献３に圧縮器の設計手法を含む詳細が開示されている。
S. V. Chernikov et al., "Soliton pulse compression in dispersion-decreasing fiber," Opt. Lett., Vol. 18, No. 7, pp.476-478 (1993). S. V. Chernikov et al., "Comblike dispersion-profiled fiber for soliton pulse train generation," Opt.Lett., Vol. 19, No. 8, pp.539-541, (1994). T. Inoue et al., "Optical Pulse Compression Based on Stationary Rescaled Pulse Propagation in a Comblike Profiled Fiber," J. Lightwave Technol., Vol. 24, No. 7, pp.2510-2522 (2006).
ところで、CDPFやCPFを用いてパルス圧縮を行う際、段数を増やすと、圧縮特性がDDF中の断熱ソリトン圧縮のそれに近づき、高品質ｓｅｃｈパルスが得られることが知られている。
ところが、ＣＤＰＦやＣＰＦの段数を増やすと、圧縮器としてのサイズが増したり、ファイバどうしを融着接続する箇所の個数が増えて接続損失の合計値が増したりして、圧縮器の特性としては好ましくない。また、製作時の手間やコストが増えるなどの問題も発生する。
一方、sech関数型波形は対数軸上において、時間あるいは周波数の増大に対して線形に減衰する。一般に、光パルスを時間軸あるいは周波数軸上で多重する際、パルスどうしの重なりを考慮すると、多重する密度に制限が生ずる。
従って、多重密度を向上させるには、対数軸上において振幅が時間あるいは周波数の増大に対して二次的に減衰するGaussian（ガウス型関数）波形の方が望ましい。ここで、ガウス型関数とは、ｅｘｐ［−ａｘ２］の形をした関数をいう。
ところが、有限の段数のCDPFやCPFを用いた場合はもちろん、DDFを用いてパルス圧縮を行う場合でも、Gaussian波形のパルスを得る方法は従来知られていなかった。
本発明は、上記の問題点に着目してなされたもので、その第１の目的は、出力パルスの品質を高く保ちながら、CPF一段あたりの圧縮効率を大きく高めることにより段数を減らすことができる光パルス成型器、光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法を提案することにある。
本発明の第２の目的は、時間波形と周波数波形がともにGaussian型である、出力パルスを得ることにより、多重度を向上できる光パルス成型器、光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法を提案することにある。
上記課題を解決するための本発明の第１の態様は、正常分散効果を持つ非線形媒体と、異常分散媒体とを交互に接続して構成される、光パルス成型器であって、前記非線形媒体における非線形効果と分散効果の大きさが同程度に発生するように、前記非線形媒体の分散値と実効長を定める光パルス成型器である。
本発明の第２の態様は、前記光パルス成型器の出力パルス波形が、ガウス型関数に適合するように、入力種パルス、前記非線形媒体、前記異常分散媒体の仕様をそれぞれ定める光パルス成型器である。
本発明の第３の態様は、前記非線形媒体が、光ファイバである光パルス成型器である。
本発明の第４の態様は、前記非線形媒体が、高非線形光ファイバである光パルス成型器である。
本発明の第５の態様は、前記異常分散媒体が、光ファイバである光パルス成型器である。
本発明の第６の態様は、前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバである光パルス成型器である。
本発明の第７の態様は、前記異常分散媒体が、回折格子である光パルス成型器である。
本発明の第８の態様は、前記回折格子が、ファイバブラッググレーティングである光パルス成型器である。
本発明の第９の態様は、前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバであり、前記高非線形光ファイバの長さが分散距離と同程度で、かつ非線形距離の３倍程度であり、前記シングルモード光ファイバの長さが分散距離と同程度である光パルス成型器である。
本発明の第１０の態様は、前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバであり、前記高非線形光ファイバの長さが分散距離の１．１７倍で、かつ非線形距離の３．３倍であり、前記シングルモード光ファイバの長さが分散距離の１．２９倍である光パルス成型器である。
本発明の第１１の態様は、前記光パルス成型器を備える光パルス光源である。
本発明の第１２の態様は、前記光パルス光源を備えるスーパーコンティニューム光発生装置である。
本発明の第１３の態様は、正常分散効果を持つ非線形媒体と、異常分散媒体とを交互に接続して構成され、前記非線形媒体における非線形効果と分散効果の大きさが同程度に発生するように、前記非線形媒体の分散値と実効長を定める光パルス成型器を備える光パルス光源から出力されるガウス関数型パルスを、正常分散ＨＮＬＦに入射して、平坦なスペクトルのスーパーコンティニューム光を発生するスーパーコンティニューム光発生方法である。
本発明は、従来のＣＰＦを改良したものであり、従来のＣＰＦを構成していた零分散ＨＮＬＦに換え、正常分散ＨＮＬＦを使用した点に大きな特色がある。
本発明は、上述の各態様に記した構成であるから、出力パルスの品質を高く保ちながら、CPF一段あたりの圧縮効率を大きく高めることができる。
また、出力パルスの波形は、時間波形および周波数波形とも、Gaussian型であり、多重度を向上させることができる。
圧縮効率を高めたことで、ファイバの融着個数を減らし、CPFの伝搬損失を低減することができる等、従来技術の問題点を一挙に解決する、顕著な効果を奏する。
本発明のシステム構成図。 本発明の光パルス成型器の実験システム図。 本発明の光パルス成型器の帯域通過フィルタ出力パルスの自己相関波形図。 本発明の光パルス成型器の帯域通過フィルタ出力パルスの光スペクトル図。 SMF50m出力パルスの自己相関波形図。 SMF50m出力パルスの光スペクトル図。 本発明の光パルス成型器の一段目HNLF出力パルスの自己相関波形図。 本発明の光パルス成型器の一段目HNLF出力パルスの光スペクトル図。 本発明の光パルス成型器の一段目SMF出力パルスの自己相関波形図。 本発明の光パルス成型器の一段目SMF出力パルスの光スペクトル図。 本発明の光パルス成型器の二段目HNLF出力パルスの自己相関波形図。 本発明の光パルス成型器の二段目HNLF出力パルスの光スペクトル図。 本発明の光パルス成型器の二段目SMF段目出力パルスの自己相関波形図。 本発明の光パルス成型器の二段目SMF段目出力パルスの光スペクトル図。 本発明の光パルス成型器の三段目HNLF出力パルスの自己相関波形図。 本発明の光パルス成型器の三段目HNLF出力パルスの光スペクトル図。 本発明の光パルス成型器の三段目SMF出力パルスの自己相関波形図。 本発明の光パルス成型器の三段目SMF出力パルスの光スペクトル図。 ファイバ長手方向に対する、CPFのファイバ分散値と非線形定数、パルス幅、時間帯域幅積、そしてスペクトル幅のプロット図。 本発明の光パルス成型器を光パルス光源として用いた実施例を示す説明図。 本発明の光パルス成型器を使用して発生されたSC光のスペクトル波形図。 本発明の光パルス成型器の規格化された空間における伝送路を示す説明図。 SRPの波形であり、時間波形（実線）と瞬時周波数（点）を表す図。 SRPの波形であり、自己相関波形を表す図。 SRPの波形であり、スペクトルを表す図。
以下、本発明の上記各態様につき、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の光パルス成型器１００のシステム構成図である。
図１に示すように、正常分散効果を持つ非線形媒体１と、異常分散媒体２を交互に接続して、光パルス成型器１００を構成し、入力部３から種パルス４を入力すると、出力部５から圧縮された光パルス６が出力される。なお、一組の非線形媒体１と、異常分散媒体２をもって、本発明の光パルス成型器における一段と定義する。
前記の正常分散効果を持つ非線形媒体１は通常、シリカガラスをベースとする光ファイバで構成される。
正常分散効果を持つ非線形媒体１が、特に高い非線形性を必要とする場合は、高非線形光ファイバを使用する。
ここで、高い非線形性とは、非線形定数γが、γ＞３［１／Ｗ／ｋｍ］のものを言う。
ただしγ＝（２π／λ）（ｎ２／Ａｅｆｆ）であり、λは光の真空中における波長、ｎ２およびＡｅｆｆはそれぞれファイバのKerr係数および実効断面積である。また、上記ＣＰＦで使用されているＨＮＬＦでは、分散効果がほぼ無視できるほど小さいため、零分散ＨＮＬＦが使用されていると考えてよい。
さらに、前記の正常分散効果を持つ非線形媒体１として、非線形光ファイバ以外にも、屈折率が電界強度に比例する媒体であるフォトニック結晶ファイバ（Photonic Crystal Fiber; PCF）や導波路型デバイスを使用することもできる。シリカガラスをベースとする非線形光ファイバは伝搬損失が小さく、伝搬損失に対する非線形定数の比で定義される非線形性能指数は、PCFを含めたファイバ型の非線形媒体の中で最大である。また精密な分散制御も容易であり、零分散や、本発明において所望する正常分散も実現することができ、本発明の非線形媒体として最適である。一方、鉛ガラスやビスマスガラス、あるいはカルコゲナイドガラス等、シリカ以外のガラスをベースとするPCFは伝搬損失が大きく、分散制御も困難ではあるが、非線形定数がシリカガラス型のものよりも桁違いに大きく、本発明における非線形媒体としてのファイバ長を劇的に短くすることができる。
前記異常分散媒体２として、通常、光ファイバが使用される。
該光ファイバとしては、シングルモード光ファイバがよく用いられるが、その理由は、伝搬損失と非線形定数が小さく、さらに大きな異常分散値を持つためである。
また、前記異常分散媒体２として、回折格子を使用することもできる。
前記回折格子としては、ファイバブラッググレーティング(FBG)を使用することができる。
さらに、前記回折格子としてプリズム等を使用した波長分散媒体を使用することも可能である。
上記システム構成は、非線形媒体１が正常分散効果を持つ点を除けば、従来のＣＰＦの構成と同じであり、基本的なＣＰＦの設計手段は、非特許文献３に開示された方法に準ずる。該文献に示されている手法を用いながら、本発明を構成するCPFの設計方法の詳細は後述するとして、先ずは、本発明の実施により得られた成果を,実施例２により説明する。
図１に示す、正常分散効果を持つ非線形媒体１としてHNLFを、異常分散媒体２としてSMFを、それぞれ使用して、本発明のCPFを構成した。
CPFを構成するHNLFおよびSMFの仕様は、表１に記載した通りであり、この条件で、三段CPFの構成からなる、本発明の光パルス成型器を製作し、図２に示す実験システムでパルス圧縮実験を行った（なお、製作した三段CPF全体の伝搬損失は0.5dBであった）。なおＳＭＦの分散値、非線形定数、そして伝搬損失はそれぞれ１６．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、１．３Ｗ−１ｋｍ−１、そして０．２ｄＢ／ｋｍとしている。
Figure 2008126703
パルス光源としては、繰り返し周波数が10GHzの、半導体モードロックレーザーを用いた。光増幅器によって光電力を増幅した後、自然放出光雑音を除去するために、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）を通過させた。BPF出力パルスの自己相関波形と光スペクトルを図３Ａ，図３Ｂに示す。点線はそれぞれの波形をGaussian(ガウス型関数)に適合（フィッティング）させた関数である。
自己相関波形とスペクトルをGaussian関数によりフィッティングしたとき、フィッティング関数のパラメータは、時間波形の電力半値幅が2.37ps、スペクトルの3dB帯域幅が0.182THzであることに対応している。よって時間帯域幅積は０．４３０である。
次に、SMF50mを伝搬した後の波形を図４Ａ，図４Ｂに示す。同様に、点線はGaussian(ガウス型関数)に適合（フィッティング）させた関数である。
Gaussianフィッティングにより想定される、時間波形の電力半値幅は2.57psで、スペクトルの3dB帯域幅は0.177THzである。よって時間帯域幅積は、0.454である。
図４Ａ，図４Ｂに波形を示した、上記特性の種パルスを入力し、本発明を構成するHNLF及びSMFの１段目〜３段目の、それぞれの出力パルス波形を測定した結果を図５Ａ〜図１０Ｂに示す。
ただし、三段CPFへの平均入力パワーは可変光減衰器によって20dBmに調整されている。
上記各図で記載されている、点線は、それぞれのGaussianフィッティング関数である。いずれの波形も、Gaussian型関数に精度よく適合（フィッティング)していることがわかる。
このように、本発明の前述した効果が顕著に実現されていることが明らかとなった。
さて、CPF入力パルスおよび各段出力パルスの時間幅（FWHM）、スペクトル幅、時間帯域幅積をまとめると、表２のようになる。
Figure 2008126703
表２の結果を、表１に示したCPFの分散値および非線形定数とともに、CPFの長手方向にプロットすると、図１１のようになる。
すなわち、図１１は、ファイバ長手方向に対する、CPFのファイバ分散値と非線形定数、パルス幅、時間帯域幅積、そしてスペクトル幅を表している。
表２および図１１より、上記CPFの各段入力パルスの幅に対して、各段HNLF出力ではパルスの幅が2倍以上になっている。零分散のHNLFを用いた従来のCPFでは、HNLFの入出力でパルス幅はほとんど変化しないため、本発明のCPFにおけるパルス伝搬特性は、従来型CPFにおけるそれと大きく異なることがわかる。
上記現象こそ、本願発明の主眼である、非線形媒体における正常分散効果の現われである。
ところで、三段目SMF出力パルスの自己相関波形に注目すると、ピークペデスタル比が19.3dBという、高品質なGaussianパルスが得られていることがわかる。また、スペクトル波形についても、Gaussian形状のスペクトルが得られていることがわかる。
これらの特性は、従来のCDPFやCPF、あるいはDDFを用いたパルス圧縮では、決して、得ることのできなかったものであり、まさに、この点こそが、本発明の大きな特徴なのである。
なお、従来のＣＤＰＦやＣＰＦでは、段数を減らすと出力パルスの品質が劣化する傾向があった。
すなわち、所定の圧縮率が得られる圧縮器を設計する際、段数が多ければ一段あたりの圧縮効率は低下する代わりにパルスの品質は向上し、逆に少なければ一段あたりの圧縮効率は向上する代わりに品質は劣化するという、トレードオフの関係があった。
この関係は、非特許文献３に、理論と実験の双方により示されている。なお、「圧縮率」とは、入力パルスの幅に対する出力パルスの幅の比であり、この値が1より大きければ、出力パルスの幅が減少していることを意味する。
CDPFやCPFの段数を増すと、高品質な出力パルスが得られるが、製作時の手間とコストが増大するため、必ずしも現実的な方法とは言えない。
これに対して本発明では、段数の少ないＣＰＦにおいて、高品質なGaussianパルスに圧縮する技術を提案している。
本発明の、このような画期的な現象は、次のように説明がつく。
すなわち、HLNF中で正常分散効果と非線形効果が同程度の大きさで同時に発生し、パルスがアップチャープを持って幅が広がりつつ、新たな周波数成分がアップチャープとして付加されるという動作が連続して起こることにより、非線形チャープの発生が妨げられ、線形に近いチャープとGaussian形状のパルス波形が得られたものと考えられる。
次に、文献
M. Takahashi et al., “Supercontinuum spectrum broadening by one-bobbin compact modules comprised of re-coated comb-like profiled fiber and HNLF,” Proceeding of Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2007, Paper OTuJ4, Anaheim, U.S.A., 2007.
に記載されている、従来型CPFを用いた、パルス圧縮の実験結果と本発明の上記実験結果との比較を表３に示す。この表から、本発明の効果がより明確にわかる。
上記文献では、本発明における実験と同様の入力パルス条件で、六段CPFを用いて、幅0.5psのsech関数型パルスに圧縮している。なお、上記文献の従来型CPFでは、すべての段で使用されているHNLFの分散値が−0.39ps/nm/kmであり、CPF一段目のHNLF長20.5mは、非線形距離の0.95倍、分散距離の0.0045倍に相当する。このときHNLFにおいて分散距離と非線形距離に対するファイバ長の比は明らかに違うオーダーであり、分散効果はほとんど作用せず、非線形効果しか作用していないことがわかる。なお、非線形距離と分散距離の定義は後述する。
Figure 2008126703
表３より、本発明のCPFは従来型CPFと比較して、高効率かつ高品質なパルス圧縮を実現していることがわかる。
さらに、段数が少ない本発明のCPFでは、融着箇所が少ないことから、従来型CPFよりも損失が小さい値となっている。
なお、ファイバ長が短いため、ファイバの伝搬損失はほぼ無視できるほど小さな値である。
一方、DDFやCDPF、あるいは従来型CPFを用いてパルス列の時間幅を圧縮する際、タイミングジッタの増加が問題となっていた。従来型CPFにおいてタイミングジッタが増加する問題に関しては、文献
T. Inoue, “Study on Noise-induced Quality Degradation in Optical Pulse Compression Based on Comb-like Profiled Fiber,” Proceeding of 32nd European Conference on Optical Communication (ECOC), Paper We3.P.24, Cannes, France, 2006.
に記載されている。
零分散のHNLFとSMFから構成される、従来型のN段CPFを用いたパルス圧縮の際のタイミングジッタδｔ２は、上記の文献で開示されているように、
Figure 2008126703
 で与えられる。ここで、δｔ０ ２およびδｆ０ ２は入力パルスが持つタイミングジッタおよび中心周波数ジッタであり、β２ SMFはSMFの分散値、ΣｎＬｎ ＳＭＦはCPFを構成するSMFの総長である。
この式は、タイミングジッタが従来型CPF中のSMFの累積分散値に対して増加することを示しているが、従来型CPFを構成するHNLFが持つ分散値が零であるという条件をもとに導出されていて、厳密にはCPF全体の累積分散値によってタイミングジッタが決定されると考える方が理にかなっている。
上記の文献には、パルス品質を向上させるためにCPF一段当たりの圧縮率を小さく設定し、段数を大きくすると、SMFの総長が大きくなって、出力パルス列のタイミングジッタも大きくなることが示されている。
ここで、本発明のCPFと従来型のCPFに関して、表３に示されているCPF全体の総累積分散値を比較すると、本発明のCPFでは非常に小さい値であり、タイミングジッタの増大が抑圧されることが期待できる。
上記の実施例から明らかなように、本発明のCPF光パルス成型器は、出力パルスの品質を高く保ちながら、CPF一段あたりの圧縮効率を大きく高めることができる。また、出力パルスの波形は、時間波形および周波数波形とも、Gaussian型であり、多重度を向上させることができる。さらに、CPF全体の累積分散値が小さく保てるため、パルス列を圧縮する際のタイミングジッタの増大を抑圧することができる。その上、圧縮効率を高めたことで、ファイバの融着個数を減らし、CPFの伝搬損失を低減することができる等、顕著な効果を奏する。
以上の結果をまとめると、従来型CPFにおける下記の問題点が、本発明により一挙に解決されるようになる。
（１）段数の少ないCDPFやCPFを用いて高効率パルス圧縮を行うと、出力パルスの品質が劣化する。
（２）一方で、パルス品質を向上させるべくCDPFやCPFの段数を増やすと、製作コストが増大する。
（３）累積分散値が増大すると、パルス列を圧縮する場合のタイミングジッタが増大する。
（４）DDFを用いて理想的な断熱ソリトン圧縮を行う場合でも、得られるパルスはsech型であり、Gaussian型のように、時間や周波数の増大に対して、それぞれ二次的に減衰するパルス波形を得ることはできず、パルスを時間あるいは周波数で多重化する際、Gaussian型パルスを用いることで期待される多重度を実現することはできない。
図１２は、本発明の他の態様を示す実施例の説明図である。図１２において、１１は、本発明のパルス圧縮を利用した光パルス光源である。１２は、光パルス光源から入力された超短パルスを利用した装置である。
本発明により得られた超短光パルスを高エネルギーに増幅することで、パルスは高いピークパワーを持つことができる。
この、１ピコ秒以下という短時間に強いピークパワーを示すという性質を利用して、高性能な超短パルス加工機を実現できるほか、医療分野たとえば歯科手術などに、レーザに代わって利用されることが期待される。
本願発明は、このような超短パルス応用装置１２の光源１１に使用できる。
さらに、本発明は、スーパーコンティニューム（SC)光源として利用できる。特に本発明では、上述したように、時間波形と周波数波形がともにガウス型関数の、出力パルスを得ることができるから、多重度を向上できるので、波長多重（WDM）光通信用の多波長光源として、SCに利用できる。
また、文献
S. Taccheo et al., “Investigation and Design Rules of Supercontinuum Sources for WDM Applications,” Proceeding of Optical Fiber Communication Conference (OFC) 2000, Paper ThA1, Baltimore, U.S.A, 2000.
に記載されているように、正常分散ファイバを用いたスーパーコンティニューム（SC）光発生を行う場合、種光源としてsech関数型パルスを用いるよりも、Gaussian型パルスを用いたほうが、平坦なスペクトルが得られることが知られている。そこで、本発明の光パルス成型器を用いたパルス光源を製作し、これにより発生されたGaussian型パルスを入力光として用いることで、平坦なスペクトルのSC光を発生できると期待される。
図１３は、本発明のCPFを用いて圧縮され、波形が図１０Ａ，図１０Ｂに示されている光パルスを正常分散HNLFに入射し、出力光のスペクトルを測定した結果である。HNLFは長さが100 m、分散値が−0.10 ps/nm/km、非線形定数が15.8 W−１km−１、伝搬損失が1.1 dB/kmである。図１３より、100nm以上の広い帯域にわたってスペクトルが広がっており、良好なSC光が発生されていることがわかる。
既に述べたように、本発明に示したCPFにおいて、異常分散媒体としてSMFに代えて、同じ異常分散効果を与える回折格子を用いてもよい。
特に、ファイバブラッググレーティングを用いると、光パルス成型器をすべてファイバ型で構成できるため、光軸調整が不要であることや、光パルス成型器の大きさを小さくできる等、利点が多い。
以上、本発明の実施例について詳細に説明するとともに、本発明の効果について述べた。
次に、上記の非特許文献３に開示されている手法により、本発明の実施例で用いたCPFの設計について述べる。
上記非特許文献３に示されている手法は、本発明者等が発見した非線形定常パルスである、ステイショナリ・リスケールド・パルス(以下、ＳＲＰという)を用いて、具体的なCPFの設計を行う方法である。この方法の詳細は、上記文献に述べられているが、以下に、その設計手順を述べる。
（１）まず、図１４に示すように規格化された空間における伝送路を設定する。
（２）次に、この伝送路を伝搬する光パルスを想定し、その複素包絡線振幅が、下記の非線形シュレディンガー方程式により決定されるものとして、その非線形定常解を求めることにより、上記光パルス（すなわちSRP）の振る舞いを特定する。
（３）しかるのち、SRPの特性を実空間に当てはめ、所望の圧縮パルスが得られるように、実際のCPFの構成を決定する。
以下に、上記設計手順に従った、SRPの算出方法を説明する。
図１４は、CPFの一段構成からなる、規格化空間上の伝送路を示す。ここで、Dは、ファイバの分散値で、正負の符号はそれぞれ異常分散および正常分散に対応する。またzはファイバ長手方向の距離を表している。ただし、分散値Dおよび距離zはともに規格化された値であるが、ファイバ非線形定数の長手方向の変化や、ファイバ損失によるパワー減衰の効果も反映しており、実空間におけるファイバ分散値と長手方向には原則として一対一に対応していない。
なお、距離ｚにおける光パルスの複素包絡線振幅q(z,t)は、非線形シュレディンガー方程式i(∂q/∂z) + (D/2) (∂2q/∂t2) + |q|2q= 0によって決定されるものとする。図１３で、0 < z < z1の領域は、現実の伝送路では正常分散を持つHNLF(図１の１)に対応し、z1 < z < z2は異常分散値を持つSMF(図１の２)に対応する。
いま、この伝送路において、ピークパワーＰ＝３．３、電力半値幅（ＦＷＨＭ）Δｔ＝１．７６３のsech関数型パルスを入力パルスとし、圧縮率をＲ＝１．７２とおいてSRPを求める。
周知の平均化法を適用して計算し、図１５Ａ，図１５Ｂ，図１５Ｃに示すような各種SRP波形が得られた。
図１５Ａ，図１５Ｂ，図１５ＣはSRPの波形であり、図１５Ａは時間波形（実線）と瞬時周波数（点）、図１５Ｂは自己相関波形、図１５Ｃはスペクトルを表す。
上段は線形軸表示、下段は対数軸表示。各図で点線はGaussian関数によるフィッティングである。
図１５Ａ，図１５Ｂ，図１５Ｃより、時間波形と周波数波形ともにGausian関数によって精度よくフィッティングできていることがわかる。さらに、パルス中心付近のチャープはほぼ線形であると言える。ＦＷＨＭはΔｔ＝１．６８４、線形チャープパラメータはＣ＝−０．４４５である。
ここで、線形チャープパラメータＣは、ｔ＝０における瞬時周波数の傾き∂ω／∂ｔ｜ｔ＝０を用いて、Ｃ＝（Δｔ２）（４ｌｎ２）−１∂ω／∂ｔ｜ｔ＝０と定義される。
また、線形チャープパラメータが負であるということは、図１５Ａ上図のようにパルスがダウンチャープ（瞬時周波数が時間的に減少すること）していることを示しており、仮にチャープを完全に補償してパルスをフーリエ限界の状態にしたときのパルス幅は、Δｔ０＝Δｔ（１＋Ｃ２）−１／２＝１．５３９であると見積られる。
以上の条件において、図１４の伝送路の各ファイバの長さに注目すると、非線形ファイバの長さz1 = 1は分散距離の１．１７倍かつ非線形距離の３．３倍であり、また異常分散ファイバの長さz2−z1 = 0.02は分散距離の１．２９倍である。ここで、あるファイバの非線形距離ｚＮＬと分散距離ｚＤは、フーリエ限界時のパルス幅Δｔ０、ｚ＝０におけるパルスのピークパワーＰ、そして該当するファイバの分散値ｄを用いてそれぞれｚＮＬ＝１／Ｐ、ｚＤ＝Δｔ０ ２／（４ｌｎ２｜ｄ｜）で与えられる。なお、高非線形ファイバ等の非線形媒体の実効長は、非線形距離に対する実距離の比で定義される。例えば光ファイバの場合、ファイバ長をz1とおくと、実効長はz1／ｚＮＬで与えられる。上記の例では、z1／ｚＮＬ＝３．３であり、分散効果を考慮しない場合に、光パルスのピーク強度を与える時間（ｔ＝０）における非線形位相シフト量が３．３ｒａｄであることを意味している。すなわち非線形媒体の実効長とは、分散効果を無視した場合に光パルスに蓄積する非線形位相シフト量の最大値を意味している。以上の定義は、分散効果に関する実効長についても同様に適用でき、非線形距離の代わりに分散距離を用いることができる。
CPFを設計する上で、現実的な伝送路においても、CPFの各段で入力パルスのパラメータを用い、HNLFの長さが分散距離の１．１７倍かつ非線形距離の３．３倍となるようにHNLFの長さ、正常分散の値、そして非線形定数の値を、それぞれ設定し、またＳＭＦの長さが分散距離の１．２９倍となるように設定することで、一段当たりの圧縮率が１．７２であり、各段出力パルスの波形が図１５Ａ，図１５Ｂ，図１５Ｃに示されているSRP波形に一致するような、自己相似型パルス圧縮が実現できる。
ここで重要なことは、HNLFの長さが分散距離の１．１７倍かつ非線形距離の３．３倍であるという意味である。このことは、HNLFにおける非線形距離と分散距離が同じオーダーであり、HNLF中で非線形効果と分散効果が同程度発生することを示している。
まさに、この点が本発明の第１の特徴であり、先に述べた第１の態様の、「前記非線形媒体における非線形効果と分散効果の大きさが同程度に発生していること」にほかならない。
なお、先に示したSRP波形を求める上で、ピークパワーを２．８から４．０の間で変化させても、ピークパワーが３．３のときと同様の波形のSRPが得られた。このことは、HNLFの長さが非線形距離の３．３倍に厳密に一致している必要がなく、それに近い長さであれば、ある程度の変動幅が許容されることを意味している。
また図１４の伝送路で異常分散ファイバの長さｚ２−ｚ１の値が10%程度変動しても、同様の波形のSRPが得られた。このことは、SMFの長さが分散距離の１．２９倍に厳密に一致している必要がなく、それに近い長さであれば、ある程度の変動幅が許容されることを意味している。
さて、以上の知見を得て、一段あたりの圧縮率がＲ＝１．７２である三段CPFの設計をすると以下のようになる。
入力パルスは繰り返しが１０ＧＨｚ、時間幅がΔｔ０＝２．５ｐｓのチャープフリーGaussianパルスとし、平均パワーを１００ｍＷとする。このときパルスのピークパワーは３．８Wである。
なおパルスがチャープフリーであるということは、パルスがフーリエ限界にあることを意味する。このパルスの線形チャープパラメータCは0であるが、これをSRPの値である−0.445にするために、長さ48.3mのSMFを伝搬させる。その結果、パルス幅がΔｔ＝２．７４［ｐｓ］、ピークパワーがＰ＝３．４７［Ｗ］になることが計算できる。
三段目出力パルスの幅は２．７４／１．７２３＝０．５３８［ｐｓ］であり、チャープ補償によりフーリエ限界の状態にしたときの幅は０．５ｐｓと計算できる。CPF各段におけるHNLFとSMFの長さは次式より決定される。
Figure 2008126703
 ただし、β２［ｐｓ２／ｋｍ］はファイバ分散値であり、Ｄ［ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ］とは
Figure 2008126703
 の関係がある。なお、実空間における非線形距離ＬＮＬおよび分散距離ＬＤは、それぞれＬＮＬ＝１／γＰ、ＬＤ＝Δｔ０ ２／（４ｌｎ２β２）により定義される。HNLFの非線形定数γを１１［１／Ｗ／ｋｍ］とおき、ＳＭＦの分散値、非線形定数、そして伝搬損失をそれぞれ１６．３ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、１．３Ｗ−１ｋｍ−１、そして０．２ｄＢ／ｋｍとおくと、ＣＰＦ各段のHNLFの分散値と長さ、そしてSMFの長さが表４のように決定される。
Figure 2008126703
ただしここでは、ファイバどうしの接続損失と、ファイバの伝搬損失を無視している。その意味で表４の設計は理想的なものであり、仮にそのようなCPFができれば、パルス伝搬特性も理想的なSRPの振る舞いに完全に一致して、一段当たりの圧縮率が厳密にR=1.72である自己相似圧縮が実現する。
一方、現実のファイバのパラメータを考慮し、実際の設計を表４のように行い、これにもとづいてCPFを製作した。ただし、HNLFとSMFにおける伝搬損失をそれぞれ1および0.2dB/kmとし、HNLFとSMFを融着接続する際の損失を0.1dBと仮定している。
以上が、CPF設計手法の詳細である。
本発明は、このような設計手法と相俟って、うまれたものである。
上述したように、本発明の光パルス成型器は、出力パルスの品質を高く保ちながら、CPF一段あたりの圧縮効率を大きく高めることができる。また、出力パルスの波形は、時間波形および周波数波形とも、Gaussian型であり、多重度を向上させることができる。さらに、CPF全体の累積分散値が小さく保てるため、パルス列を圧縮する際のタイミングジッタの増大を抑圧することができる。その上、圧縮効率を高めたことで、ファイバの融着個数を減らし、CPFの伝搬損失を低減することができる等、光通信分野への利用価値は高い。
さらにまた、本発明の光パルス成型器、光パルス光源、スーパーコンティニューム光発生装置及びスーパーコンティニューム光発生方法は、SC光発生の種光源の発生、そのSC光発生等に用いられ、様々な利点をもたらすことが期待される。また、本発明により得られた光パルスを高パワーに増幅することで、高性能な超短パルス加工機、医療機器等に応用できる可能性があるなど、産業上の利用可能性は高い。

Claims (13)

  1. 正常分散効果を持つ非線形媒体と、異常分散媒体とを交互に接続して構成される、光パルス成型器であって、
    前記非線形媒体における非線形効果と分散効果の大きさが同程度に発生するように、前記非線形媒体の分散値と実効長を定める光パルス成型器。
  2. 前記光パルス成型器の出力パルス波形が、ガウス型関数に適合するように、入力種パルス、前記非線形媒体、前記異常分散媒体の仕様をそれぞれ定める請求項１に記載の光パルス成型器。
  3. 前記非線形媒体が、光ファイバである請求項１に記載の光パルス成型器。
  4. 前記非線形媒体が、高非線形光ファイバである請求項３に記載の光パルス成型器。
  5. 前記異常分散媒体が、光ファイバである請求項１に記載の光パルス成型器。
  6. 前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバである請求項５に記載の光パルス成型器。
  7. 前記異常分散媒体が、回折格子である請求項１に記載の光パルス成型器。
  8. 前記回折格子が、ファイバブラッググレーティングである請求項７に記載の光パルス成型器。
  9. 前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバであり、
    前記高非線形光ファイバの長さが分散距離と同程度で、かつ非線形距離の３倍程度であり、前記シングルモード光ファイバの長さが分散距離と同程度である請求項４に記載の光パルス成型器。
  10. 前記異常分散媒体が、シングルモード光ファイバであり、
    前記高非線形光ファイバの長さが分散距離の１．１７倍で、かつ非線形距離の３．３倍であり、前記シングルモード光ファイバの長さが分散距離の１．２９倍である請求項４に記載の光パルス成型器。
  11. 請求項１から１０の何れか一項に記載の光パルス成型器を備える光パルス光源。
  12. 請求項１１に記載の光パルス光源を備えるスーパーコンティニューム光発生装置。
  13. 正常分散効果を持つ非線形媒体と、異常分散媒体とを交互に接続して構成され、前記非線形媒体における非線形効果と分散効果の大きさが同程度に発生するように、前記非線形媒体の分散値と実効長を定める光パルス成型器を備える光パルス光源から出力されるガウス関数型パルスを、正常分散ＨＮＬＦに入射して、平坦なスペクトルのスーパーコンティニューム光を発生するスーパーコンティニューム光発生方法。
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