(57)【要約】【課題】消光比を大幅に改善する新規な消光比改善方法及び装置を提供すること。【解決手段】光変調器で変調された高パワー光パルスＳ１が入射されて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスＳ１’を発生させる非線形光学媒質３１、３１’と、前記非線形光学媒質３１から発生された前記非線形光パルスＳ１’を波長選別する波長選別手段３２、３２’と、を有することを特徴とする光変調器の消光比改善。  非線形光学媒質が変調器ＯＮ時の高パワー光パルスの入射で入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを発生し、変調器ＯＦＦ時の光パルスの入射では非線形光パルスを発生しないので、入射光パルスと異なるスペクトルを波長選別することで消光比を大幅に改善することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光変調器で変調された高パワー光パルスを非線形光学媒質に入射させて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを発生させる非線形ステップと、
前記非線形ステップで発生した前記非線形光パルスを波長選別する選別ステップと、
を有することを特徴とする光変調器の消光比改善方法。
【請求項２】
前記非線形光学媒質は非線形ファイバで、前記非線形光パルスは該非線形ファイバの誘導ラマン散乱によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の光変調器の消光比改善方法。
【請求項３】
光変調器で変調された高パワー光パルスが入射されて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを発生させる非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質から発生された前記非線形光パルスを波長選別する波長選別手段と、
を有することを特徴とする光変調器の消光比改善装置。
【請求項４】
前記非線形光学媒質は非線形ファイバで、前記非線形光パルスは該非線形ファイバの誘導ラマン散乱によって生成されることを特徴とする請求項３に記載の光変調器の消光比改善装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、入射光を強度変調する光変調器の消光比改善方法、及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光変調器は、光通信システム、電界センサー、或いは繰り返しレーザパルスのパルス間引き器として有用である。
【０００３】
代表的な光変調器としてこれまで、マッハツェンダ型光変調器が知られている。LiNbO3に代表される電気光学結晶を基板として作製されるマッハツェンダ型光変調器は、図１０に示すように、一本の入力光導波路８１をＹ分岐８５で二本の干渉腕光導波路８２、８２’に分岐し、Ｙ分岐８５’で再び一本の出力光導波路８１’に交差させている（例えば、特許文献１参照）。入力光導波路８１に入力された信号光Ｉ0はＹ分岐８５で二等分されてＩ0／２となり、それぞれ干渉腕光導波路８２、８２’を伝播する。そしてＹ分岐８５’で合波され、出力光導波路８１’から出力される。二本の干渉腕光導波路８２、８２’の長さは等しくなるように作られており、理想的には図１１の点線で示す変調曲線に従って変調された信号光を出力する。すなわち、電極８３bを接地して電極８３aに電圧を印加しないと、干渉腕光導波路８２，８２’を伝播する二等分された信号光に位相差が生じないので、二等分された信号光はそのまま足し算され出力光導波路８１’から出力される信号光はＩ0でＯＮとなる。一方、電極８３ａに、二等分された信号光に位相差πが生じるＶπ電圧を印加すると、二等分された信号光がＹ分岐８５’で合波されると互いに打消し合い出力光導波路８１’から信号光が出力されずＯＦＦとなる。したがって、電圧を印加しない場合と印加した場合のＯＮ−ＯＦＦ消光比は０である。電極８３に電圧を印加すると位相差が生じるのは、電気光学効果で干渉腕光導波路８２，８２’の屈折率が変化するためである。
【０００４】
理想的には上記の通りであるが、実際は二本の干渉腕光導波路８２，８２’を全く同じに、すなわち、導波路の長さ、断面形状及び屈折率、電極との位置関係、などを同じにできないため、例えば、図１０の実線で示す変調曲線にシフトする。従ってこのシフトに起因して動作点がシフトし消光比が劣化する。しかもそのシフト量は個々の変調器の製造プロセスなどの影響を受け一定にすることができない。そこで、一方の干渉腕光導波路８２’の一部８４に干渉腕光導波路８２’と異なるドーパントをドープしてシフト量を調節することが行われている。しかし、折角調節したシフト量も環境温度が変化すると変動するし、電極に印加する電圧に直流成分が含まれると動作点がシフトするので、消光比が低下或いは劣化し、１００：１程度であった。
【０００５】
たとえば繰り返し周波数５０ＭＨｚのモードロックレーザを消光比が１００：１の光変調器で間引いて２５０ＫＨｚにしたとすると、変調器ＯＮ時に通過する強い光パルス１個に対し、ＯＦＦ時に通過する２００個の弱い光パルスがあるので、全体の強度比としては、１００：２００となり、２／３が不必要な光パルスになってしまう。光変調器で間引いた後に、増幅器で増幅して光パルスのパワーの増大を図る場合、この不必要な光パルスが増幅器で自然放出光を発生させてしまう。
【０００６】
従来の消光比改善方法は、電気吸収型光変調器の消光比を可飽和吸収体で改善するものである（特許文献２参照）。可飽和吸収体は、入射光パルスが強いと透過率が高く、弱いと透過率が低くなるので消光比を改善することができる。しかし、この方法では、変調器の消光比４：１を８：１と２倍程度改善するだけである。
【特許文献１】特開平１１−５２３１５号公報
【特許文献２】特開２００１−１８３７１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記の従来の光変調器、及び消光比改善方法の問題に鑑みてなされたものであり、消光比を大幅に改善する新規な消光比改善方法及び装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
課題を解決するためになされた請求項１に係る発明は、光変調器で変調された高パワー光パルスを非線形光学媒質に入射させて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを発生させる非線形ステップと、前記非線形ステップで発生した前記非線形光パルスを波長選別する選別ステップと、を有することを特徴とする光変調器の消光比改善方法である。
【０００９】
非線形光学媒質が変調器ＯＮ時の高パワー光パルスの入射で入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを発生し、変調器ＯＦＦ時の光パルスの入射では非線形光パルスを発生しないので、入射光パルスと異なるスペクトルを波長選別することで消光比を大幅に改善することができる。
【００１０】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の光変調器の消光比改善方法であって、前記非線形光学媒質は非線形ファイバで、前記非線形光パルスは該非線形ファイバの誘導ラマン散乱によって生成されることを特徴としている。
【００１１】
非線形ファイバが変調器ＯＮ時の高パワー光パルスの入射でソリトン自己周波数シフトにより入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを発生し、変調器ＯＦＦ時の光パルスの入射では非線形光パルスを発生しないので、入射光パルスと異なるスペクトルを波長選別することで消光比を大幅に改善することができる。このとき、非線形を起こしたパルスはラマンソリトンパルスとして伝搬するため、パルス形状はｓｅｃｈ2 を保ったまま単一ピークを保つことができる。したがって、その後チャープパルス増幅（伸張→増幅→圧縮）する際、３次の分散の影響を受けない。
【００１２】
課題を解決するためになされた請求項３に係る発明は、光変調器で変調された高パワー光パルスが入射されて入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを発生させる非線形光学媒質と、前記非線形光学媒質から発生された前記非線形光パルスを波長選別する波長選別手段と、を有することを特徴とする光変調器の消光比改善装置である。
【００１３】
また、請求項４に係る発明は、請求項３に記載の光変調器の消光比改善装置であって、前記非線形光学媒質は非線形ファイバで、前記非線形光パルスは該非線形ファイバの誘導ラマン散乱によって生成されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１４】
非線形光学媒質が変調器ＯＮ時の高パワー光パルスの入射で入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを発生し、変調器ＯＦＦ時の光パルスの入射では非線形光パルスを発生しないので、入射光パルスと異なるスペクトルを波長選別することで消光比を大幅に改善することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の最良の実施形態に係る光変調器の消光比改善装置を備えたパルス光源装置の構成図である。図２、図３は、図１の消光比改善装置の動作を説明するための図である。図２は、光パルスの分光強度及び波長選別手段の分光透過率を模式的に示す図で、図３は、光パルスの時間軸での強度を模式的に示す図である。
【００１７】
図示するように、本実施形態の光変調器の消光比改善装置を備えたパルス光源装置は、繰り返し高パワー光パルスを出力するパルス光源１とパルス光源１からの繰り返し光パルスを間引く光変調器２と、非線形光学媒質３１と波長選別手段３２を備えた消光比改善装置３とが光学的に連結されてなる。光変調器２と消光比改善装置３の間には、必要に応じて消光比改善装置３への入射光を増幅するための増幅器４が挿入される。各構成要素を連結する太い線は光ファイバでこの間は光パルスがファイバ中を伝搬する。なお、光ファイバを用いないで空中伝搬させても良い。
【００１８】
パルス光源１は、モードロックレーザや繰り返しパルス発振する半導体レーザ、ガスレーザ等をベースとし、必要に応じ増幅器を備えレーザ発振器からの光パルスを増幅して高パワー光パルスを出力する。
【００１９】
光変調器２は、たとえば、マッハツェンダ型強度変調器で、後段の増幅器４で１パルス当たりの増幅率を上げるために、パルス光源１からのパルスを間引く。
【００２０】
非線形光学媒質３１としては、高パワー光パルスが入射されると非線形光学効果により入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを出射するもので、非線形性ファイバ、非線形光学結晶等を用いることができる。
【００２１】
非線形性ファイバに高パワー光パルスが入射されると、誘導ラマン散乱により入射光パルスより長波長側にシフトしたスペクトルをもつ非線形光パルスが出射される。特許第３３９０７５５号に開示されているように、長波長側へのシフト量は入射光パルスのパワーに依存し、入射光パルスのパワーが大きいと入射光パルスと異なるスペクトルをもつソリトンパルスになる。
【００２２】
非線形光学結晶として、たとえば擬位相整合LiNbO3などを用いると、入射光パルスの第２高調波を発生することができる。また、擬位相整合LiNbO3をシリーズに二つ配置すると、第３高調波を、三つ配置すると第４高調波を、発生することができる。さらに、非線形光学媒質３１をキャビティ付のLiNbO3にしてパラメトリック発振させてもよい。
【００２３】
非線形光学媒質３１から発生された入射光パルスと異なるスペクトルをもつ非線形光パルスを波長選別する波長選別手段３２は、入射光スペクトルをカットして入射光スペクトル以外を通過させる機能を有するもので、光学フィルター、エタロン等を用いることができる。
【００２４】
次に、パルス光源１に、たとえば、パルス幅２００ｐｓ、繰り返し周波数５０ＭＨｚ、ピークパワー１Ｗ、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅５ｎｍの繰り返し光パルスを出力するモードロックファイバレーザを用い、非線形光学媒質３１に非線形性ファイバを、波長選別手段３２に光学フィルタを用いた場合について、図２と図３を使って消光比改善装置３の動作を説明する。
【００２５】
パルス光源１から出力された図３のＡに示す５０ＭＨｚの繰り返しパルスは、光変調器２で、たとえば図３のＢに示す２５０ＫＨｚの繰り返しパルスに変換される。しかし、光変調器２の消光比がたとえば１００：１で、変調効率が８０％の場合、１／（２５０ＫＨｚ）間隔の強い（ピークパワ０．８Ｗの）パルスの間に、１／（５０ＭＨｚ）間隔の弱い（ピークパワ８ｍＷの）パルスが残る。図３のＢの光パルスが、たとえば増幅率５００倍の増幅器４で増幅されて非線形性ファイバ２１に入射される。
【００２６】
図２のＡは、非線形性ファイバ３１の入射端での光パルスのスペクトルで、実線のＳ１は強い光パルス、点線のＳ２は弱い光パルスである。なお、このようなスペクトル波形は、たとえばスペクトラムアナライザ等で測定することができる。
【００２７】
図２のＢは、非線形性ファイバ３１の出射端での出射光パルスのスペクトルで、実線のＳ１’は、図２ＡのＳ１の光パルスの入射に対応し、点線のＳ２は図２ＡのＳ２の光の入射に対応する。すなわち、非線形性ファイバ３１に強い光パルス（Ｓ１）が入射されると、誘導ラマン散乱により入射光パルスのスペクトルより長波長側にシフトしたスペクトルをもつ非線形光パルスＳ１’が出射される。一方、非線形性ファイバ３１に弱い光パルス（Ｓ２）が入射されても、誘導ラマン散乱が起きないため、入射スペクトルと同じスペクトルの光パルスＳ２が出射される（非線形光パルスは出射されない）。なお、入射光パルスがＳ１よりさらに強くなると、波長シフト量が大きくなり、点線のＳ１”のように入射光パルスから分離してソリトンパルスになる。
【００２８】
図２Ｃは、光学フィルタ（波長選別手段）３２の分光透過率特性で、カットオフ波長λｃより長波長の光を透過し、λｃより短波長の光をカットする。ここでは、たとえば、λｃを図２に示すように、入射光パルスのスペクトルＳ１、Ｓ２の長波長端より長波長側に設定されている。
【００２９】
図２のＤは、光学フィルタ３２を透過した光パルスのスペクトルで、斜線のスペクトルは、スペクトルＳ１’の光がフィルタ３２を透過した後のスペクトル、点線のスペクトルは、スペクトルＳ１”の光がフィルタ３２を透過し後のスペクトルを示している。スペクトルＳ２の光パルスは、フィルタ３２で完全にカットされ、スペクトルは測定されてない。したがって、図３のＣに示すように、強い光パルスの間の弱い光パルスが無くなり、消光比（強い光パルス強度：弱い光パルス強度）が改善される。
【００３０】
（実施例１）
本実施例の消光比改善装置は、図１のパルス光源装置の消光比改善装置３であって、非線形光学媒質３１をコア径５μｍ、長さ３ｍの石英製光ファイバにし、波長選別手段２２をカットオフ波長λｃ＝１５６５ｎｍの短波長カットフィルタにしたものである。パルス光源１は、モードロックファイバレーザで、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅５ｎｍ、パルス幅２００ｐｓ、ピークパワー１Ｗ、繰り返し周波数５０ＭＨｚの光パルスを出力する。
【００３１】
光変調器２は、消光比が１００：１で、変調効率が８０％のマッハツェンダ型光変調器で、５０ＭＨｚの繰り返し周波数を２５０ＫＨｚに変換する。
【００３２】
増幅器４は、増幅率が５００倍のファイバ増幅器である。
【００３３】
したがって、非線形光学媒質３１には、中心波長１５５０ｎｍ、バンド幅５ｎｍ、パルス幅２００ｐｓ、ピークパワー０．４ＫＷ、繰り返し周波数２５０ＫＨｚの高パワー光パルスが入射されるようになっている。
【００３４】
図４は、光パルスの分光強度波形で、上段は非線形光学媒質３の入射端での波形、下段は短波長カットフィルタ３２を透過した後の非線形光パルスの波形である。
【００３５】
図５と図６は、光パルスのオッシロスコープ波形で、上段は消光比改善装置３の入射端での波形、下段は出射端での波形である。図５では強度の強いすなわち１／（２５０ＫＨｚ）間隔のパルスのみが観測されており、強度の弱い１／（５０ＭＨｚ）間隔のパルスはバックグランドに埋もれて見えない。そこで、強度の弱いパルスを見えるようにするため図５の縦軸を拡大した図が図６である。
【００３６】
図５、図６から消光比改善装置３の入射端での強いパルスと弱いパルスの比が１Ｖ：０．０１Ｖ＝１００：１であることがわかる。一方、消光比改善装置３の出射端での強いパルスと弱いパルスの比が１Ｖ：０．０００５Ｖ＝２０００：１であることがわかる。したがって、消光比改善装置で消光比を２０倍改善することができた。
【００３７】
（実施例２）
本実施例の消光比改善装置は、図７に示すように、モードロックファイバレーザ１からの光パルスをチャープパルス増幅して高パワ光パルスを発生するパルス光源装置に応用したものである。
【００３８】
パルス光源装置は、モードロックファイバレーザ１と、チャープパルス増幅装置４０とを備え、チャープパルス増幅装置４０は、伸張器４１と、増幅器４２と、圧縮器４３とを備えている。伸張器４１と増幅器４２との間にはパルスを間引くための光変調器２が配設され、増幅器４２と圧縮器４３との間には消光比改善装置３’が配設されている。
【００３９】
消光比改善装置３’は、非線形性ファイバ３１’と短波長カットフィルタ３２’を備えている。
【００４０】
モードロックファイバレーザ１は、中心波長１５６０ｎｍ、パルス幅３００ｆｓ、平均パワー１０ｍＷ、ピークパワー６７０Ｗ、繰り返し周波数５０ＭＨｚの光パルスを出力する。
【００４１】
伸張器４１は、波長分散が２００ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ、長さが１００ｍの光ファイバである。
【００４２】
光変調器２は、消光比が１００：１で、変調効率が８０％のマッハツェンダ型光変調器である。
【００４３】
増幅器４２は、コアにエルビウムをドープした長さが５ｍの利得ファイバ４２１と、ポンプ光源４２２と波長分割多重ファイバカップラ４２３とを備えており、増幅率は２０００倍である。
【００４４】
消光比改善装置３’の非線形性ファイバ３１’は、モードフィールド径６μｍ、長さ１１０ｍのシングルモードファイバである。短波長カットフィルタ３２のカットオフ波長は、１６００ｎｍである。
【００４５】
圧縮器４３は、回折格子４３１、４３２の対で構成されている。
【００４６】
本実施例の消光比改善装置を備えたパルス光源装置の動作結果を以下に記す。
【００４７】
先ず、モードロックファイバレーザ１からの３００ｆｓの光パルスが伸張器４２で２００ｐｓに伸張され、ピークパワーが１Ｗに低下した。次に、パルス幅２００ｐｓ、ピークパワー１Ｗ、繰り返し周波数５０ＭＨｚの光パルスが光変調器で変調されて、１／（２５０ＫＨｚ）間隔の強い（ピークパワー０．８Ｗの）パルスと、１／（５０ＭＨｚ）間隔の弱い（ピークパワー８ｍＷの）パルスからなる変調光パルス（図３参照）が出射された。次に、この変調光パルスが、増幅器４２で増幅され１／（２５０ＫＨｚ）間隔の強い（ピークパワー１．６ＫＷの）パルスと、１／（５０ＭＨｚ）間隔の弱い（ピークパワー１．６Ｗの）パルスからなる光パルス列にされた。次に、この光パルス列が消光比改善装置３’に入射されると、強い光パルスのとき非線形性ファイバ３１’の誘導ラマン散乱によって入射光パルスの長波長側に新たなパルスが生成され、自己位相変調と波長分散の相互作用であるソリトン効果で中心波長が１６４５ｎｍでスペクトル波形がｓｅｃｈ２型のソリトンパルスになった。図８に非線形性ファイバ３１’の出射端での出射光パルスのスペクトル測定結果を示す。一方、弱い光パルスのときは誘導ラマン散乱が起きず、ソリトンパルスの生成もなかった。次に、短波長カットフィルタ３２’で入射光パルスがカットされて図８に示すソリトンパルスのみ、すなわち１／（２５０ＫＨｚ）間隔の強い（ピークパワー１ＫＷの）パルスのみが出射された。なお、このときのノイズレベルは２０ｍＷであり、消光比が１０００：０．０２＝５０００：１と見積もられた。次に、パルス幅２００ｐｓの光パルスが圧縮器４３で６００ｆｓに圧縮された。図９に圧縮器４３後の光パルスの自己相関波形を示す。ファイバを用いた伸張器４１の３次の波長分散の影響を受けることがなく、ペデスタル成分がないバンド幅限界近いパルス（パルス幅３００ｆｓ）が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の最良の実施形態に係る光変調器の消光比改善装置を備えたパルス光源装置の構成図である。
【図２】光パルスの分光強度及び波長選別手段の分光透過率を模式的に示す図でである。
【図３】図１の消光比改善装置の動作を説明するための図である。
【図４】実施例１の消光比改善装置における光パルスの分光強度波形である。
【図５】実施例１の消光比改善装置における光パルスのオッシロスコープ波形である。
【図６】図５の縦軸を拡大したオッシロスコープ波形である。
【図７】実施例２の消光比改善装置を備えたパルス光源装置の概略構成図である。
【図８】実施例２の消光比改善装置における非線形性ファイバの出射端での出射光パルスのスペクトルである。
【図９】実施例２の消光比改善装置を備えたパルス光源装置から出力される光パルスの自己相関波形である。
【図１０】マッハツェンダ型光変調器の平面図である。
【図１１】変調信号電圧と出力光の関係を示す変調曲線である。
【符号の説明】
【００４９】
３、３’・・・・・・消光比改善装置
３１・・・・・・・・非線形光学媒質
３１’・・・・・・・非線形ファイバ
３２、３２’・・・・波長選別手段
Ｓ１・・・・・・・・高パワー光パルス
Ｓ１’、Ｓ１”・・・非線形光パルス
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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