(57)【要約】【課題】時間幅がフェムト秒台の短パルス光の増幅を行うための増幅ファイバーとして特殊なものでないエルビウムファイバーを使用した場合でも小型化を図ることができる短パルス光増幅器を提供すること。【解決手段】短パルス光増幅器１Ａでは、短パルス光発振器１１から供給された短パルス光が、先ず、シングルモードファイバー１８を所定方向で通過し、次に、ＥＤＦ１９を所定方向で通過した後、ＦＲＭ２３で反射されて、当該ＥＤＦ１９を逆方向で再び通過し、次に、当該シングルモードファイバー１８を逆方向で再び通過する。このとき、シングルモードファイバー１８では、非線形定数に基づく群速度分散により、短パルス光発振器１１から入射された短パルス光の時間幅を拡張する一方で、異常分散領域に基づくソリトン圧縮により、ＥＤＦ１９から入射された短パルス光の時間幅を圧縮する。【選択図】　図１
2004134704.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
短パルス光発振器から供給された短パルス光を二重経路形態の増幅ファイバーで増幅する短パルス光増幅器であって、
前記短パルス光発振器と前記増幅ファイバーの間に配設されたファイバーを備えたこと、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項２】
請求項１に記載する短パルス光増幅器であって、
前記ファイバーは、前記短パルス光発振器から入射された短パルス光の時間幅を拡張する一方で前記増幅ファイバーから入射された短パルス光の時間幅を圧縮すること、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載する短パルス光増幅器であって、
前記ファイバーは、入射される短パルス光の波長に対して異常分散領域にあること、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、
前記ファイバーは、シングルモードファイバーであること、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、
前記ファイバーは、短パルス光の増幅に応じて長さが調整されたものであること、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、
前記短パルス光発振器と前記ファイバーの間に配設されたバンドパスフィルターを備え、
前記バンドパスフィルターは、前記短パルス光発振器から入射された短パルス光のスペクトル幅を減少させるとともに時間幅を拡張すること、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、
前記短パルス光発振器と前記ファイバーの間に配設された偏光ビームスプリッターを備え、
前記偏光ビームスプリッターは、前記短パルス光発振器から入射された短パルス光を前記ファイバーに向けて通過させる一方、前記ファイバーから入射された短パルス光を外部に出力として取り出すこと、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項８】
請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、
前記短パルス光発振器と前記ファイバーの間に配設された偏波分離カプラを備え、
前記偏波分離カプラは、前記短パルス光発振器から入射された短パルス光を前記ファイバーに向けて通過させる一方、前記ファイバーから入射された短パルス光を外部に出力として取り出すこと、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、
前記増幅ファイバーの両側からポンプする構成にあること、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項１０】
請求項１乃至請求項９のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、
前記短パルス光発振器から前記ファイバーに入射される短パルス光の入力を調節する短パルス光入力調節手段を備えたこと、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項１１】
請求項１０に記載する短パルス光増幅器であって、
前記短パルス光入力調節手段は、偏光ビームスプリッターと１／２波長板の組合せであること、を特徴とする短パルス光増幅器。
【請求項１２】
請求項１０に記載する短パルス光増幅器であって、
前記短パルス光入力調節手段は、ＮＤフィルターであること、を特徴とする短パルス光増幅器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、時間幅がフェムト秒台でピークパワーが高いパルスを増幅するための短パルス光増幅器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２３は、従来技術の高出力光パルスの発生装置、すなわち、フェムト秒台の高出力パルスを生成するシステムの構成を示す模式図である。図２３に示すように、ファイバー発振器２１０が、種パルス（シードパルス）を供給する。ファイバー発振器２１０としては、たとえば、１．５μｍの波長で作動する環境変動に対して安定なエルビウムファイバーレーザーを採用することができる。ファイバー発振器２１０は、１〜５ｍＷの間で調節することができる平均出力パワーをもって、５０ＭＨｚの反復率で３００フェムト秒のパルスを供給するだけの能力がある。
【０００３】
そして、図２３のシステムでは、波長１．５μｍのパルスが、アイソレーター２１２を介してエルビウム増幅ファイバー２１１にカップリングされる。続いて、偏光ビームスプリッター２１３が配設され、さらに二つの波長板２１４，２１５とが偏光ビームスプリッター２１３の後に配設されており、増幅ファイバー２１１の中に発射された信号光の偏光状態を調節することができるようになっている。波長板２２１（図２３中の偏光ビームスプリッター２１３の左側にある）は、偏光ビームスプリッター２１３に入射する光パルスの入力を調整する。また、波長板２２２は、後述するＰＰＬＮ（周期性ポーリングＬｉＮｂＯ３）２２０に入射する光パルスの偏光状態を最適化し、レンズ系２２３は、信号光を増幅ファイバー２１１にカップリングさせる。
【０００４】
また、図２３に示すように、増幅ファイバー２１１は、波長１．４８μｍのポンプ２１６により、波長分割多重化カップラー（ＷＤＭ）２１７を通じてポンピングされる。ここで、ポンプ光は、広域帯域アイソレーターを通過して、波長１．５μｍでの高出力信号光の漏れによる損傷を回避している。また、図２３には、分散補償ファイバー２１８が図示されているが、図２３のシステムは必ずしも分散補償ファイバーの採用を必要とするものではない。
【０００５】
図２３に示すように、信号光の増幅のために、二重経路（ダブルパス）形態を使用することができる。二重経路形態では、増幅ファイバー２１１の一端にファラデー回転鏡（ＦＲＭ）２１９を装備すると有利である。増幅ファイバー２１１の出力光の偏光状態は、入力時の偏光状態とは直交しており、そしてそれゆえに、前述の偏光ビームスプリッター２１３により１００％近い効率で、同システムからの増幅光は出力カップリングされうる。
【０００６】
ここで、増幅ファイバー２１１の中で探された非線形周波数シフトが存在するものの、増幅ファイバー２１１の入力部での二つの波長板２１４，２１５を調整することによって、増幅された光を非常に高い効率の出力カップリングで取り出すことが可能になる。
【０００７】
尚、図２３に示すように、増幅され圧縮されたパルスは、制御焦点（コントロール・フォーカシング）が使用されている周期性ポーリングＬｉＮｂＯ３（ＰＰＬＮ）２２０の０．８ｍｍの長さの中で、倍波長に変換されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−７３８５１号公報（第７−８頁、第１図）
【０００９】
この点、図２３のシステムでは、種パルス（シードパルス）の増幅に増幅ファイバー２１１を使用していることから、装置の小型化と安定性が良いと言うメリットがある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ファイバー発振器２１０から供給される種パルス（シードパルス）の時間幅がフェムト秒台なので、その平均出力パワーがｍＷ台であっても、そのピークパワーはｋＷ台となる。従って、増幅ファイバー２１１として、市場で入手可能なエルビウム増幅ファイバーを使用した場合、例えば、そのエルビウム濃度が１７００ｐｐｍで、そのモードフィールド径が約８μｍ（＠１５５０ｎｍ）のものを使用すると、そのモードフィールド径が細いため、時間幅がフェムト秒でピークパワーが高い短パルス光の増幅では、非線形現象が発生して、波長変換や四光波混合等が起きてしまい、増幅効率が落ちてしまう。特に、この現象は、短パルス光のピークパワーが高い程顕著になるので、増幅により、短パルス光の出力が大きくなるほど、弊害となって現れる。
【００１１】
この点、特許文献１では、増幅ファイバー２１１として、特殊なものを使用することにより解決が図られているが、特殊なものでないエルビウム増幅ファイバーを使用する場合に、本現象を起こさないようにするためには、増幅前において、予め種パルスを時間的に拡張して、そのピークパワーを低くすることにより、非線形現象の発生を困難とし、増幅後において時間的に圧縮する技術の応用が考えられる。もっとも、そのためには、レンズ系２２３と増幅ファイバー２１１の間に、伸縮器と圧縮器を兼ねた回折格子などを配設することが必要となり、装置の小型化を維持することが困難であった。
【００１２】
尚、特殊なものでないエルビウム増幅ファイバーとしては、例えば、市場で入手可能なもの、低非線形なもの、高出力用なもの、その他のエルビウムドープファイバーをいう。
【００１３】
そこで、本発明は、上述した点を鑑みてなされたものであり、時間幅がフェムト秒台の短パルス光の増幅を行うための増幅ファイバーとして特殊なものでないエルビウムファイバーを使用した場合でも小型化を図ることができる短パルス光増幅器を提供することを課題とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
この課題を解決するために成された請求項１に係る発明は、短パルス光発振器から供給された短パルス光を二重経路形態の増幅ファイバーで増幅する短パルス光増幅器であって、前記短パルス光発振器と前記増幅ファイバーの間に配設されたファイバーを備えたこと、を特徴としている。
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載する短パルス光増幅器であって、前記ファイバーは、前記短パルス光発振器から入射された短パルス光の時間幅を拡張する一方で前記増幅ファイバーから入射された短パルス光の時間幅を圧縮すること、を特徴としている。
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載する短パルス光増幅器であって、前記ファイバーは、入射される短パルス光の波長に対して異常分散領域にあること、を特徴としている。
また、請求項４に係る発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、前記ファイバーは、シングルモードファイバーであること、を特徴といている。
【００１５】
また、請求項５に係る発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、前記ファイバーは、短パルス光の増幅に応じて長さが調整されたものであること、を特徴としている。
また、請求項６に係る発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、前記短パルス光発振器と前記ファイバーの間に配設されたバンドパスフィルターを備え、前記バンドパスフィルターは、前記短パルス光発振器から入射された短パルス光のスペクトル幅を減少させるとともに時間幅を拡張すること、を特徴としている。
【００１６】
また、請求項７に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、前記短パルス光発振器と前記ファイバーの間に配設された偏光ビームスプリッターを備え、前記偏光ビームスプリッターは、前記短パルス光発振器から入射された短パルス光を前記ファイバーに向けて通過させる一方、前記ファイバーから入射された短パルス光を外部に出力として取り出すこと、を特徴としている。
また、請求項８に係る発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、前記短パルス光発振器と前記ファイバーの間に配設された偏波分離カプラを備え、前記偏波分離カプラは、前記短パルス光発振器から入射された短パルス光を前記ファイバーに向けて通過させる一方、前記ファイバーから入射された短パルス光を外部に出力として取り出すこと、を特徴としている。
【００１７】
また、請求項９に係る発明は、請求項１乃至請求項８のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、前記増幅ファイバーの両側からポンプする構成にあること、を特徴としている。
【００１８】
また、請求項１０に係る発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一つに記載する短パルス光増幅器であって、前記短パルス光発振器から前記ファイバーに入射される短パルス光の入力を調節する短パルス光入力調節手段を備えたこと、を特徴としている。
また、請求項１１に係る発明は、請求項１０に記載する短パルス光増幅器であって、前記短パルス光入力調節手段は、偏光ビームスプリッターと１／２波長板の組合せであること、を特徴としている。
また、請求項１２に係る発明は、請求項１０に記載する短パルス光増幅器であって、前記短パルス光入力調節手段は、ＮＤフィルターであること、を特徴としている。
【００１９】
このような特徴を有する本発明の短パルス光増幅器では、二重経路形態をとっており、短パルス光発振器から供給された短パルス光が、増幅ファイバーを所定方向で通過した後、当該増幅ファイバーを逆方向で再び通過することにより、増幅される。また、短パルス光発振器と増幅ファイバーの間には、シングルモードファイバーなどのファイバーが配設されている。従って、短パルス光発振器から供給された短パルス光は、先ず、ファイバーを所定方向で通過し、次に、増幅ファイバーを所定方向で通過した後、当該増幅ファイバーを逆方向で再び通過し、次に、当該ファイバーを逆方向で再び通過することになる。
【００２０】
この点、ファイバーでは、非線形定数に基づく群速度分散により、短パルス光発振器から入射された短パルス光の時間幅を拡張する一方で、異常分散領域に基づくソリトン圧縮により、増幅ファイバーから入射された短パルス光の時間幅を圧縮する。従って、短パルス光発振器から供給された短パルス光は、時間幅がフェムト秒でピークパワーが高いものであっても、増幅ファイバーを所定方向で通過する以前において、ファイバーを所定方向で通過することにより、その時間幅が拡張されて、そのピークパワーが低くなっていることから、増幅ファイバーを所定方向及び逆方向で２回通過することにより大きく増幅されても、非線形現象の発生を伴うことがない。そして、増幅された短パルス光は、増幅ファイバーからファイバーに入射し、ファイバーを逆方向で再び通過することにより、時間的に圧縮され、その後に、出力として外部に取り出される。
【００２１】
すなわち、本発明の短パルス光増幅器では、短パルス光を供給する短パルス光発振器と二重経路形態の増幅ファイバーの間に配設されたファイバーにより、増幅ファイバーの増幅前において、予め種パルスを時間的に拡張し、そのピークパワーを低くして、非線形現象の発生を困難とする一方で、増幅ファイバーの増幅後において時間的に圧縮しており、従来技術の回折格子とは異なって、ファイバーを伸縮器及び圧縮器として使用していることから、時間幅がフェムト秒台の短パルス光の増幅を行うための増幅ファイバーとして特殊なものでないエルビウムファイバーを使用した場合でも、小型化を図ることができる。
【００２２】
また、本発明の短パルス光増幅器では、増幅された短パルス光は、増幅ファイバーからファイバーに入射し、ファイバーを逆方向で再び通過することにより、時間的に圧縮され、その後に、出力として外部に取り出されるが、このとき、外部に取り出される短パルス光の時間幅は、ファイバーの長さに依存するので、短パルス光の増幅に応じて、ファイバーの長さを調整することは有効である。
【００２３】
また、本発明の短パルス光増幅器では、短パルス光発振器から供給された短パルス光は、ファイバーを所定方向で通過することにより、その時間幅が拡張されるが、このとき、短パルス光の時間幅の拡張は、ファイバーの長さに依存するものの、短パルス光発振器とファイバーの間にバンドパスフィルターを配設すれば、当該バンドパスフィルターは、短パルス光発振器から入射された短パルス光のスペクトル幅を減少させるとともに時間幅を拡張するので、ファイバーの長さに依存することなく、短パルス光の時間幅を拡張させることができる。特に、このことは、波長変換を考慮してファイバーの長さが決定されたとしても、当該ファイバーの長さに制約されることなく、出力として外部に取り出される短パルス光の時間幅を調節できる点で有効である。
【００２４】
尚、本発明の短パルス光増幅器では、短パルス光発振器から入射された短パルス光をファイバーに向けて通過させる一方、ファイバーから入射された短パルス光を外部に出力として取り出すものとして、例えば、短パルス光発振器とファイバーの間に配設された偏光ビームスプリッターや偏波分離カプラなどがある。
【００２５】
また、本発明の短パルス光増幅器において、増幅ファイバーの両側からポンプする構成にすれば、非線形現象の発生を伴うことなく、外部に取り出される出力を更に上げることができる。
【００２６】
また、本発明の短パルス光増幅器では、短パルス光発振器からファイバーに入射される短パルス光の入力を調節する短パルス光入力調節手段として、例えば、偏光ビームスプリッターと１／２波長板の組合せや、ＮＤフィルターなどがある。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照にして説明する。図１は、第１実施の形態の短パルス光増幅器１Ａの概要を示したものである。図１に示すように、第１実施の形態の短パルス光増幅器１Ａは、短パルス光発振器１１や、アイソレータ１２、１／２波長板１３、偏光ビームスプリッター（以下、「ＰＢＳ」という）１４、１／４波長板１５、１／２波長板１６、レンズ１７、シングルモードファイバー１８、増幅ファイバー（以下、「ＥＤＦ」という）１９、波長分割多重化カップラー（以下、「ＷＤＭ」という）２０、ポンプ２１、分散補償ファイバー２２、ファラデーローターミラー（以下、「ＦＲＭ」）２３などから構成されており、短パルス光発振器１１から供給された短パルス光を二重経路（ダブルパス）形態で増幅するものである。
【００２８】
この点、短パルス光発振器１１は、エルビウムファイバーレーザーであって、波長が約１５６０ｎｍで時間幅が約３００ｆｓの短パルス光を５０ＭＨｚの周期で繰り返して出力するものであり、その平均出力パワーは約５ｍＷである。ここで、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光について、スペクトル波形を図２に示すとともに、時間波形（オートコリレータ波形）を図３に示す。そして、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光は、アイソレータ１２及び、１／２波長板１３、ＰＢＳ１４、１／４波長板１５、１／２波長板１６、レンズ１７を介して、シングルモードファイバー１８に入射される。
【００２９】
このとき、１／２波長板１３は、ＰＢＳ１４と組み合わされることにより、シングルモードファイバー１８に入射される短パルス光の出力パワーを調整することができる。また、ＰＢＳ１４により、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光をシングルモードファイバー１８に向けて反射させている。また、１／４波長板１５と１／２波長板１６により、短パルス光発振器１１から出力されシングルモードファイバー１８に入射される短パルス光の偏光状態を調節することができる。また、レンズ１７により、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光を集光し、シングルモードファイバー１８に入射させている。
【００３０】
また、シングルモードファイバー１８は、１５６０ｎｍの波長に対して異常分散にある標準的な通信用光ファイバー（例えば、コーニング社の商標ＳＭＦ−２８）を使用しており、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光が入射し通過するものである。ここで、長さが３ｍのシングルモードファイバー１８を通過した短パルス光について、スペクトル波形を図６に示すとともに、時間波形（オートコリレータ波形）を図７に示す。図３と図７を比較することにより、３ｍのシングルモードファイバー１８を通過した短パルス光は、その時間幅が約９０ｆｓ広がっていることがわかる。また、長さが１６ｍのシングルモードファイバー１８を通過した短パルス光について、スペクトル波形を図８に示すとともに、時間波形（オートコリレータ波形）を図９に示す。図３と図９を比較することにより、１６ｍのシングルモードファイバー１８を通過した短パルス光は、その時間幅が約１３００ｆｓ広がっていることがわかる。さらに、図７と図９を比較することにより、シングルモードファイバー１８を通過した短パルス光の時間幅は、シングルモードファイバー１８が長くなるほど、広がっていくことがわかる。これは、シングルモードファイバー１８においては、１５６０ｎｍの波長に対して異常分散にあるが、その非線形定数が比較的小さく、さらに、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光のピークパワーが０．３３ｋＷにあることから、通過後の短パルス光の時間幅は群速度分散で拡張するものと考えられる。そして、シングルモードファイバー１８を通過して時間幅が拡張された短パルス光は、ＥＤＦ１９に入射される。
【００３１】
また、ＥＤＦ１９は、Ｅｒ３＋，ＥｒＹｂ＋のいずれかがドープされたファイバーであり、波長１４８０ｎｍのＬＤのポンプ２１により、ＷＤＭ２０を通じてポンピングされる。尚、ＥＤＦ１９は、シングルモードファーバーや、マルチモードファイバー、その他のファイバーであってもよい。そして、ＥＤＦ１９を通過して増幅された短パルス光は、ＷＤＭ２０を介して、分散補償ファイバー２２（場合により不用な事もある）を通過し、ＦＲＭ２３により偏光面が９０度回転されるとともに逆方向へ進み、再び、当該分散補償ファイバー２２に通過し、ＷＤＭ２０を介して、ＥＤＦ１９に入射される。従って、シングルモードファイバー１８を通過して時間幅が拡張された短パルス光は、ＥＤＦ１９を２度通過することにより増幅され、再び、シングルモードファイバー１８に入射される。
【００３２】
このとき、シングルモードファイバー１８においては、異常分散領域に基づくソリトン圧縮により、ＥＤＦ１９から入射された短パルス光の時間幅が圧縮される。そして、シングルモードファイバー１８を通過して時間幅が拡張された短パルス光は、レンズ１７、１／２波長板１６、１／４波長板１５を介して、ＰＢＳ１４に入射される。このとき、ＰＢＳ１４に入射された短パルス光は、ＦＲＭ２３により偏光面が９０度回転されたものであることから、短パルス光発振器１１に向けられることなく、ＰＢＳ１４を直進して通過するので、外部に出力として取り出すことができる。尚、ＰＢＳ１４と短パルス光発振器１１の間には、アイソレータ１２が配設されているので、仮に、ＥＤＦ１９で増幅された短パルス光が短パルス光発振器１１に向けられることになっても、短パルス光発振器１１を保護することができる。
【００３３】
また、図１８は、第２実施の形態の短パルス光増幅器１Ｂの概要を示したものである。図１８と図１を比較すればわかるように、第２実施の形態の短パルス光増幅器１Ｂは、第１実施の形態の短パルス光増幅器１Ａに対して、シングルモードファイバー１８とＥＤＦ１９の間に、ＷＤＭ６０を介したポンプ６１が配設されたものである。このように、第２実施の形態の短パルス光増幅器１Ｂでは、ＥＤＦ１８の両側にＷＤＭ２０，６０を置き、ＥＤＦ１９を両側からＷＤＭ２０，６０を通じてポンピングしているので、ＰＢＳ１４から取り出される短パルス光の出力を更に上げることができる。
【００３４】
また、第２実施の形態の短パルス光増幅器１Ｂにおいて、図１９に示すように、ＰＢＳ１４からの外側に光スペアナＡ４１を配設するとともに、シングルモードファイバー１８とＷＤＭ６０の間にカプラ４２を介した光スペアナＢ４３を配設することにより、シングルモードファイバー１８で短パルス光の時間幅の圧縮が行われる前後のスペクトル波形を測定した。ここでは、シングルモードファイバー１８の長さを０．７ｍ、ＥＤＦ１９の長さを６ｍとした。
【００３５】
図１０は、シングルモードファイバー１８で短パルス光の時間幅の圧縮が行われた後のスペクトル波形を示した図であり、図１１は、シングルモードファイバー１８で短パルス光の時間幅の圧縮が行われる前のスペクトル波形を示した図である。尚、ここでは、ポンプ２１，６１について、一方が８００ｍＡ，１４８０ｎｍ，２００ｍＷのＬＤを使用し、他方が８００ｍＡ，１４８０ｎｍ，２００ｍＷのＬＤを使用している。図１０と図１１により、ＥＤＦ１９から入射された短パルス光は、シングルモードファイバー１８を通過すると、異常分散領域に基づくソリトン圧縮により、そのスペクトル幅が拡張することがわかり、そのため、その時間幅が圧縮されることが証明された。
【００３６】
また、図１２は、シングルモードファイバー１８で短パルス光の時間幅の圧縮が行われた後のスペクトル波形を示した図であり、図１３は、シングルモードファイバー１８で短パルス光の時間幅の圧縮が行われる前のスペクトル波形を示した図である。尚、ここでは、ポンプ２１，６１について、一方が１０００ｍＡ，１４８０ｎｍ，２５０ｍＷのＬＤを使用し、他方が１０００ｍＡ，１４８０ｎｍ，２５０ｍＷのＬＤを使用している。図１２と図１３により、ＥＤＦ１９から入射された短パルス光は、シングルモードファイバー１８を通過すると、異常分散領域に基づくソリトン圧縮により、そのスペクトル幅が拡張することがわかり、そのため、その時間幅が圧縮されることが証明された。
【００３７】
また、図１４は、シングルモードファイバー１８で短パルス光の時間幅の圧縮が行われた後のスペクトル波形を示した図であり、図１５は、シングルモードファイバー１８で短パルス光の時間幅の圧縮が行われる前のスペクトル波形を示した図である。尚、ここでは、ポンプ２１，６１について、一方が１２００ｍＡ，１４８０ｎｍ，３００ｍＷのＬＤを使用し、他方が１２００ｍＡ，１４８０ｎｍ，３００ｍＷのＬＤを使用している。図１４と図１５により、ＥＤＦ１９から入射された短パルス光は、シングルモードファイバー１８を通過すると、異常分散領域に基づくソリトン圧縮により、そのスペクトル幅が拡張することがわかり、そのため、その時間幅が圧縮されることが証明された。
【００３８】
また、図１７は、第２実施の形態の短パルス光増幅器１Ｂにおいて、ＥＤＦ１９から入射された短パルス光がシングルモードファイバー１８を通過した際にその時間幅が圧縮されることに対し、シングルモードファイバー１８の長さとの関係を示したものである。図１７によれば、ＥＤＦ１９から入射した短パルス光は、長いシングルモードファイバー１８を通過するほど、その時間幅が大きく圧縮されることがわかる。すなわち、シングルモードファイバー１８の長さによって、短パルス光の時間幅の圧縮の度合いが変わる。
【００３９】
一方、図１６は、第２実施の形態の短パルス光増幅器１Ｂにおいて、ＥＤＦ１９で増幅された短パルス光の出力パワーに対し、当該短パルス光の時間幅を１００ｆｓに圧縮するのに必要なシングルモードファイバー１８の長さとの関係を示したものである。図１６によれば、ＥＤＦ１９から入射した短パルス光の出力パワーが高いほど、必要なシングルモードファイバー１８の長さは短くなる。すなわち、ＥＤＦ１９で増幅された短パルス光の出力パワーにより、当該短パルス光の時間幅を１００ｆｓに圧縮するのに必要なシングルモードファイバー１８の最適長が変わる。
【００４０】
また、図２０は、第３実施の形態の短パルス光増幅器１Ｃの概要を示したものである。図２０と図１を比較すればわかるように、第３実施の形態の短パルス光増幅器１Ｃは、第１実施の形態の短パルス光増幅器１Ａに対して、１／２波長板１３とＰＢＳ１４の間に３ｎｍのバンドパスフィルター３１を配設したものである。ここで、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光について、バンドパスフィルター３１を通過した後のスペクトル波形を図４に示すとともに、時間波形（オートコリレータ波形）を図５に示す。図３と図５を比較すればわかるように、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光は、バンドパスフィルター３１を通過することにより、その時間幅が約１０００ｆｓ拡張し、そのピークパワーが減じたことがわかる。
【００４１】
また、図２１は、第４実施の形態の短パルス光増幅器１Ｄの概要を示したものである。図２１と図１を比較すればわかるように、第１実施の形態の短パルス光増幅器１Ａでは、１／２波長板１３とシングルモードファイバー１８との間に、ＰＢＳ１４及び、１／４波長板１５、１／２波長板１６、レンズ１７が配設されているが、第４実施の形態の短パルス光増幅器１Ｄでは、それらに代わって、レンズ５３及び、２個の偏波分離カプラ５１，５２が配設されている。第４実施の形態の短パルス光増幅器１Ｄでは、このような構成であっても、偏波分離カプラ５２から、増幅された短パルス光を外部に出力として取り出すことができる。尚、レンズ５３は、短パルス光発振器１１から出力された短パルス光を偏波分離カプラ５１に集光するためのものである。
【００４２】
以上詳細に説明したように、本実施の形態の短パルス光増幅器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄでは、図１及び、図１８，図２０，図２１に示すように、二重経路（ダブルパス）形態をとっており、短パルス光発振器１１から供給された短パルス光（波長が約１５６０ｎｍ・時間幅が約３００ｆｓ・反復率が５０ＭＨｚ・平均出力パワーが約５ｍＷ）が、ＥＤＦ１９を所定方向で通過した後、ＦＲＭ２３で反射されて、当該ＥＤＦ１９を逆方向で再び通過することにより、増幅される。また、短パルス光発振器１１とＥＤＦ１９の間には、シングルモードファイバー１８が配設されている。従って、短パルス光発振器１１から供給された短パルス光は、先ず、シングルモードファイバー１８を所定方向で通過し、次に、ＥＤＦ１９を所定方向で通過した後、ＦＲＭ２３で反射されて、当該ＥＤＦ１９を逆方向で再び通過し、次に、当該シングルモードファイバー１８を逆方向で再び通過することになる。
【００４３】
この点、シングルモードファイバー１８では、非線形定数に基づく群速度分散により、短パルス光発振器１１から入射された短パルス光の時間幅を拡張する一方で（図３，図７，図９参照）、異常分散領域に基づくソリトン圧縮により、ＥＤＦ１９から入射された短パルス光の時間幅を圧縮する（図１０〜図１７参照）。従って、短パルス光発振器１１から供給された短パルス光は、図３に示すように、時間幅がフェムト秒でピークパワーが高いものであっても、ＥＤＦ１９を所定方向で通過する以前において、シングルモードファイバー１８を所定方向で通過することにより、その時間幅が拡張されて、そのピークパワーが低くなっていることから、ＥＤＦ１９を所定方向及び逆方向で２回通過することにより大きく増幅されても、非線形現象の発生を伴うことがない。そして、増幅された短パルス光は、ＥＤＦ１９からシングルモードファイバー１８に入射し、シングルモードファイバー１８を逆方向で再び通過することにより、時間的に圧縮され、その後に、出力として外部に取り出される。
【００４４】
すなわち、本実施の形態の短パルス光増幅器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄでは、短パルス光を供給する短パルス光発振器１１と二重経路形態のＥＤＦ１９の間に配設されたシングルモードファイバー１８により、ＥＤＦ１９の増幅前において、予め種パルスを時間的に拡張し、そのピークパワーを低くして、非線形現象の発生を困難とする一方で、ＥＤＦ１９の増幅後において時間的に圧縮しており、従来技術の回折格子とは異なって、巻き取ることができるシングルモードファイバー１８を伸縮器及び圧縮器として使用することにより、伸縮器及び圧縮器に必要なスペースをなくすことができるので、時間幅がフェムト秒台の短パルス光の増幅を行うためのＥＤＦ１９として特殊なものでないエルビウムファイバーを使用した場合でも、小型化を図ることができる。
【００４５】
また、本実施の形態の短パルス光増幅器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄでは、増幅された短パルス光は、ＥＤＦ１９からシングルモードファイバー１８に入射し、シングルモードファイバー１８を逆方向で再び通過することにより、時間的に圧縮され、その後に、出力として外部に取り出されるが、このとき、外部に取り出される短パルス光の時間幅は、シングルモードファイバー１８の長さに依存するので（図１７参照）、外部に取り出される短パルス光の時間幅が、ＥＤＦ１９による短パルス光の増幅に応じて変化しても、シングルモードファイバー１８の長さで調整することができる（図１６参照）。
【００４６】
また、本実施の形態の短パルス光増幅器１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄでは、短パルス光発振器１１から供給された短パルス光は、シングルモードファイバー１８を所定方向で通過することにより、その時間幅が拡張されるが、このとき、短パルス光の時間幅の拡張は、シングルモードファイバー１８の長さに依存するものの（図６〜図９参照）、第３実施の形態の短パルス光増幅器１Ｃのように、短パルス光発振器１１とシングルモードファイバー１８の間にバンドパスフィルター３１を配設すれば（図２０参照）、当該バンドパスフィルター３１は、短パルス光発振器１１から入射された短パルス光のスペクトル幅を減少させるとともに時間幅を拡張するので（図２〜図５参照）、シングルモードファイバー１８の長さに依存することなく、短パルス光の時間幅を拡張させることができる。
【００４７】
また、短パルス光発振器１１から供給された短パルス光は、シングルモードファイバー１８を逆方向で通過することにより、その時間幅が圧縮されるが、このとき、そのスペクトル幅は拡大する（図１０〜図１５）。この点、図２２の第５実施の形態の短パルス光増幅器１Ｅのように、第１実施の形態の短パルス光増幅器１ＡのＰＢＳ１４の出力側において、１／２波長板７１及び、レンズ７２、周波数変換器である周期性ポーリングＬｉＮｂＯ３（以下、「ＰＰＬＮ」という）７３、レンズ７４を配設することにより、ＰＢＳ１４から外部に出力として取り出された短パルス光に対し、その波長を１５６０ｎｍから倍波の７８０ｎｍとする場合では、ＰＰＬＮ７３には短パルス光の周期に依存した波長選択性があるので、短パルス光のスペクトル幅が過大に広がると、ＰＰＬＮ７３の変換効率の低下につながるので、倍波の７８０ｎｍに変換された短パルス光の出力パワーを大きくすることができなくなる。一方、ＰＰＬＮ７３は、短パルス光の時間幅に関し、ピークパワーが高いほど変換効率が良くなるので、短パルス光の時間幅が短くなるほど、倍波の７８０ｎｍに変換された短パルス光の出力パワーを大きくすることができる。従って、ＰＰＬＮ７３において倍波の７８０ｎｍに変換された短パルス光の出力パワーを大きくするには、シングルモードファイバー１８を逆方向で通過することにより圧縮される短パルス光の時間幅を最適な値（ここでは、５０〜１００ｆｓ）にする必要がある。
【００４８】
すなわち、バンドパスフィルター３１が、シングルモードファイバー１８の長さに依存することなく、短パルス光の時間幅を拡張させることができることは、ＰＰＬＮ７３における波長選択性の理由により、シングルモードファイバー１８の長さが決定されたとしても、ＰＢＳ１４から外部に取り出された短パルス光の時間幅の観点（ＰＰＬＮ７３において倍波の７８０ｎｍに変換された短パルス光の出力パワーを大きくする観点）からすれば、当該シングルモードファイバー１８の長さに制約されることなく、ＰＢＳ１４から外部に取り出された短パルス光の時間幅を調節できるので有効である。
【００４９】
尚、本実施の形態の短パルス光増幅器１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、短パルス光発振器１１とシングルモードファイバー１８の間に配設されたＰＢＳ１４により、短パルス光発振器１１から入射された短パルス光をシングルモードファイバー１８に向けて通過させる一方で、シングルモードファイバー１８から入射された短パルス光を外部に出力として取り出している（図１，図１８，図２０参照）。この点、第４実施の形態の短パルス光増幅器１Ｄのように、短パルス光発振器１１とシングルモードファイバー１８の間に配設された２個の偏波分離カプラ５１，５２により、同様なことを行うことができる（図２１参照）。
【００５０】
また、第２実施の形態の短パルス光増幅器１Ｂのように、ＥＤＦ１８の両側にＷＤＭ２０，６０を置き、ＥＤＦ１９を両側からＷＤＭ２０，６０を通じてポンピングすることにより、ＥＤＦ１９の両側からポンプする構成にすれば（図１８参照）、非線形現象の発生を伴うことなく、外部に取り出される出力パワーを更に上げることができる。
【００５１】
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものでなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
例えば、本実施の形態の短パルス光増幅器１Ａ，１Ｂ，１Ｃでは、短パルス光発振器１１からシングルモードファイバー１２に入射される短パルス光の入力を調節する短パルス光入力調節手段として、ＰＢＳ１４と１／２波長板１３の組合せを採用しているが、この点、図示しないＮＤフィルターなどを採用してもよい。
【００５２】
【発明の効果】
本発明の短パルス光増幅器では、短パルス光を供給する短パルス光発振器と二重経路形態の増幅ファイバーの間に配設されたファイバーにより、増幅ファイバーの増幅前において、予め種パルスを時間的に拡張し、そのピークパワーを低くして、非線形現象の発生を困難とする一方で、増幅ファイバーの増幅後において時間的に圧縮しており、従来技術の回折格子とは異なって、ファイバーを伸縮器及び圧縮器として使用していることから、時間幅がフェムト秒台の短パルス光の増幅を行うための増幅ファイバーとして特殊なものでないエルビウムファイバーを使用した場合でも、小型化を図ることができる。
【００５３】
また、本発明の短パルス光増幅器では、増幅された短パルス光は、増幅ファイバーからファイバーに入射し、ファイバーを逆方向で再び通過することにより、時間的に圧縮され、その後に、出力として外部に取り出されるが、このとき、外部に取り出される短パルス光の時間幅は、ファイバーの長さに依存するので、短パルス光の増幅に応じて、ファイバーの長さを調整することは有効である。
【００５４】
また、本発明の短パルス光増幅器では、短パルス光発振器から供給された短パルス光は、ファイバーを所定方向で通過することにより、その時間幅が拡張されるが、このとき、短パルス光の時間幅の拡張は、ファイバーの長さに依存するものの、短パルス光発振器とファイバーの間にバンドパスフィルターを配設すれば、当該バンドパスフィルターは、短パルス光発振器から入射された短パルス光のスペクトル幅を減少させるとともに時間幅を拡張するので、ファイバーの長さに依存することなく、短パルス光の時間幅を拡張させることができる。特に、このことは、波長変換を考慮してファイバーの長さが決定されたとしても、当該ファイバーの長さに制約されることなく、出力として外部に取り出される短パルス光の時間幅を調節できる点で有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態による短パルス光増幅器の概要を示した図である。
【図２】本発明の第１実施形態による短パルス光増幅器において、短パルス光発振器から出力された短パルス光であって増幅ファイバーに入射される前のスペクトル波形の一例を示した図である。
【図３】本発明の第１実施形態による短パルス光増幅器において、短パルス光発振器から出力された短パルス光であって増幅ファイバーに入射される前の時間波形の一例を示した図である。
【図４】本発明の第３実施形態による短パルス光増幅器において、短パルス光発振器から出力された短パルス光がバンドパスフィルターを通過した後であって増幅ファイバーに入射される前のスペクトル波形の一例を示した図である。
【図５】本発明の第３実施形態による短パルス光増幅器において、短パルス光発振器から出力された短パルス光がバンドパスフィルターを通過した後であって増幅ファイバーに入射される前の時間波形の一例を示した図である。
【図６】本発明の第１実施形態による短パルス光増幅器において、長さが３ｍのシングルモードファイバーを通過した短パルス光であって増幅ファイバーに入射される前のスペクトル波形の一例を示したものである。
【図７】本発明の第１実施形態による短パルス光増幅器において、長さが３ｍのシングルモードファイバーを通過した短パルス光であって増幅ファイバーに入射される前の時間波形の一例を示したものである。
【図８】本発明の第１実施形態による短パルス光増幅器において、長さが１６ｍのシングルモードファイバーを通過した短パルス光であって増幅ファイバーに入射される前のスペクトル波形の一例を示したものである。
【図９】本発明の第１実施形態による短パルス光増幅器において、長さが１６ｍのシングルモードファイバーを通過した短パルス光であって増幅ファイバーに入射される前の時間波形の一例を示したものである。
【図１０】本発明の第２実施形態による短パルス光増幅器において、シングルモードファイバーで短パルス光の時間幅の圧縮が行われた後のスペクトル波形の一例を示した図である。
【図１１】本発明の第２実施形態による短パルス光増幅器において、シングルモードファイバーで短パルス光の時間幅の圧縮が行われる前のスペクトル波形の一例を示した図である。
【図１２】本発明の第２実施形態による短パルス光増幅器において、シングルモードファイバーで短パルス光の時間幅の圧縮が行われた後のスペクトル波形の一例を示した図である。
【図１３】本発明の第２実施形態による短パルス光増幅器において、シングルモードファイバーで短パルス光の時間幅の圧縮が行われる前のスペクトル波形の一例を示した図である。
【図１４】本発明の第２実施形態による短パルス光増幅器において、シングルモードファイバーで短パルス光の時間幅の圧縮が行われた後のスペクトル波形の一例を示した図である。
【図１５】本発明の第２実施形態による短パルス光増幅器において、シングルモードファイバーで短パルス光の時間幅の圧縮が行われる前のスペクトル波形の一例を示した図である。
【図１６】本発明の第２実施の形態の短パルス光増幅器において、ＥＤＦで増幅された短パルス光の出力パワーに対し、当該短パルス光の時間幅を１００ｆｓに圧縮するのに必要なシングルモードファイバーの長さとの関係を示したものである。
【図１７】本発明の第２実施の形態の短パルス光増幅器において、ＥＤＦから入射された短パルス光がシングルモードファイバーを通過した際にその時間幅が圧縮されることに対し、シングルモードファイバーの長さとの関係を示したものである。
【図１８】本発明の第２実施形態による短パルス光増幅器の概要を示した図である。
【図１９】本発明の第２実施形態による短パルス光増幅器において、シングルモードファイバーで短パルス光の時間幅の圧縮が行われる前後のスペクトル波形を測定する際の概要を示した図である。
【図２０】本発明の第３実施形態による短パルス光増幅器の概要を示した図である。
【図２１】本発明の第４実施形態による短パルス光増幅器の概要を示した図である。
【図２２】本発明の第５実施形態による短パルス光増幅器であって、外部に出力として取り出された短パルス光に対し、その波長を１５６０ｎｍから倍波の７８０ｎｍとする際の概要を示した図である。
【図２３】従来技術の高出力光パルスの発生装置、すなわち、フェムト秒台の高出力パルスを生成するシステムの構成を示す模式図である。
【符号の説明】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ　短パルス光増幅器
１１　短パルス光発振器
１３　１／２波長板
１４　偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
１８　シングルモードファイバー
１９　増幅ファイバー（ＥＤＦ）
２１，６１　ポンプ
３１　バンドパスフィルター
５１，５２　偏波分離カプラ
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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