(57)【要約】【課題】光ファイバに入力されるパルス光の歪みを許容できるレベル以下に抑えることができる非線形光信号処理装置を提供する。【解決手段】非線形光信号処理装置１では、パルス光源１０から自由空間へ出力されたパルス光は、入射光学系２０により第１光ファイバ３０の入射端３１に入力される。第１光ファイバ３０の入射端３１に入力されたパルス光は、第１光ファイバ３０により導波され、第１光ファイバ３０の出射端３２から出力され、第２光ファイバ４０の入射端４１に入力され、第２光ファイバ４０により導波される。この第２光ファイバ４０において、パルス光導波に伴う非線形光学現象に因り新たな波長のパルス光が発生して、この新たな波長のパルス光が第２光ファイバ４０の出射端４２から出力される。第２光ファイバ４０のモードフィールド径より第１光ファイバ３０のモードフィールド径が大きい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光を自由空間へ出力するパルス光源と、
前記パルス光源から出力されるパルス光を入射端に入力して導波し、この導波したパルス光を出射端から出力する第１光ファイバと、
前記第１光ファイバの出射端と接続された入射端を有し、前記第１光ファイバの出射端から出力されるパルス光を入射端に入力して導波し、このパルス光導波に伴う非線形光学現象に因り新たな波長のパルス光を発生して、この新たな波長のパルス光を出射端から出力する第２光ファイバと、
前記パルス光源から出力されるパルス光を前記第１光ファイバの入射端に入力させる入射光学系と、
を備え、
前記第１光ファイバは前記第２光ファイバのモードフィールド径より大きいモードフィールド径を有し、前記第１光ファイバに入力されるパルス光のピークパワーに対する前記第１光ファイバから出力されるパルス光のピークパワーの比、及び前記第１光ファイバに入力されるパルス光のパルス幅に対する前記第１光ファイバから出力されるパルス光のパルス幅の比が０．５以上１．５以下である、
ことを特徴とする非線形光信号処理装置。
【請求項２】
前記比が０．７以上１．３以下であることを特徴とする請求項１記載の非線形光信号処理装置。
【請求項３】
前記第１光ファイバから出力されるパルス光のピークパワー及びパルス幅それぞれの２４時間に亘る最大変動率が５０％以下であることを特徴とする請求項１記載の非線形光信号処理装置。
【請求項４】
前記第１光ファイバから出力されるパルス光のピークパワー及びパルス幅それぞれの７日間に亘る最大変動率が５０％以下であることを特徴とする請求項１記載の非線形光信号処理装置。
【請求項５】
波長１.５５μｍにおいて前記第１光ファイバのモードフィールド径が８μｍ以上であり、前記第１光ファイバのファイバ長が１ｍｍ以上２０ｍ以下であり、
波長１.５５μｍにおいて前記第２光ファイバのモードフィールド径が５μｍ以下であり、前記第２光ファイバのファイバ長が１ｍｍ以上１０００ｍ以下である、
ことを特徴とする請求項１記載の非線形光信号処理装置。
【請求項６】
前記第２光ファイバから出力されるパルス光のスペクトルの２０ｄＢ帯域幅が、前記第１光ファイバから出力されるパルス光のスペクトルの２０ｄＢ帯域幅の５倍以上である、ことを特徴とする請求項１記載の非線形光信号処理装置。
【請求項７】
前記第１光ファイバと前記第２光ファイバとの接続損失が１ｄＢ以下であることを特徴とする請求項１記載の非線形光信号処理装置。
【請求項８】
波長１.５５μｍにおける前記第１光ファイバのモードフィールド径が１２μｍ以上であり、伝搬するパルス光がシングルモードである、ことを特徴とする請求項１記載の非線形光信号処理装置。
【請求項９】
前記第１光ファイバおよび前記第２光ファイバそれぞれに入力されるパルス光の時間帯域積が０.５以下であることを特徴とする請求項１記載の非線形光信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ファイバにおける非線形光学現象を利用する光コンポーネントに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光ファイバにレーザ光を入力させて非線形光学現象を発現させることにより、この光ファイバにおいて広帯域光を生成したり、入力光波長と異なる波長の光を発生したりすることができる。光ファイバの実効コア断面積が小さいほど、また、中心コア付近の非線形係数が高いほど、非線形光学現象は強められる。実効コア断面積を小さくするためには、一般にコア径を小さくすることが求められる。一方、非線形係数を高めるためには、中心コアに添加するＧｅ等の濃度を上げるなどの処置が必要となる。
【０００３】
このような非線形性が高い光ファイバは、効率良く非線形光学現象を発現させることができるが、一般にコア径が小さくなることから、パルス光源からの出力光を安定かつ高効率に結合させることが難しい。特に、レーザ光源が固体レーザのような空間出力の場合には、レーザ光源と光ファイバとの相対的な位置の揺らぎが、光ファイバを伝播する光のパワーの揺らぎとなってしまう。
【０００４】
例えば、光ファイバに入力するパルス光のパワーやパルス幅が変動すると、光ファイバで発生する広帯域光のスペクトル形状が変動することが知られている（例えば、非特許文献１，２を参照）。したがって、非線形光学現象を利用する光ファイバから所望の出力特性を安定して得ようとする場合、当該光ファイバに入力するパルス光の条件が安定するよう管理する必要がある。
【非特許文献１】J. Opt. Soc. Am. B, vol.19, pp.2148-2155, 2002
【非特許文献２】J. Opt. Soc. Am. B, vol.19, pp.2156-2164, 2002
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レーザ光源と光ファイバとの結合自体は、従来から様々な検討がなされている。特に、半導体レーザ光源の出力と光ファイバとの結合については既に数多くの報告事例がある。しかし、これらの報告の殆どは、レーザ光源から出力されたレーザ光を如何にパワーロス少なく光ファイバに結合させるかについてである。非線形性光ファイバに入力されるパルス光のピークパワー、パルス波形、スペクトル形状について規定した事例は見られない。つまり、所望の特性を有する広帯域光や波長変換光を得るために重要な、非線形性の高い光ファイバへのパルス光入力条件が管理されていなかった。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光ファイバに入力されるパルス光の歪みを許容できるレベル以下に抑えることができる非線形光信号処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、(1) パルス光を自由空間へ出力するパルス光源と、(2) パルス光源から出力されるパルス光を入射端に入力して導波し、この導波したパルス光を出射端から出力する第１光ファイバと、(3) 第１光ファイバの出射端と接続された入射端を有し、第１光ファイバの出射端から出力されるパルス光を入射端に入力して導波し、このパルス光導波に伴う非線形光学現象に因り新たな波長のパルス光を発生して、この新たな波長のパルス光を出射端から出力する第２光ファイバと、(4) パルス光源から出力されるパルス光を第１光ファイバの入射端に入力される入射光学系と、を備えることを特徴とする。更に、第１光ファイバは第２光ファイバのモードフィールド径より大きいモードフィールド径を有し、第１光ファイバに入力されるパルス光のピークパワーに対する第１光ファイバから出力されるパルス光のピークパワーの比、及び第１光ファイバに入力されるパルス光のパルス幅に対する第１光ファイバから出力されるパルス光のパルス幅の比が０．５以上１．５以下であることを特徴とする。
【０００８】
本発明に係る非線形光信号処理装置では、パルス光源から自由空間へ出力されたパルス光は、入射光学系により第１光ファイバの入射端に入力される。第１光ファイバの入射端に入力されたパルス光は、第１光ファイバにより導波され、第１光ファイバの出射端から出力され、第２光ファイバの入射端に入力され、第２光ファイバにより導波される。この第２光ファイバにおいて、パルス光導波に伴う非線形光学現象に因り新たな波長のパルス光が発生して、この新たな波長のパルス光が第２光ファイバの出射端から出力される。
【０００９】
第２光ファイバのモードフィールド径より第１光ファイバのモードフィールド径が大きいことから、入射光学系によるパルス光源と第１光ファイバとの光結合の効率が安定し、第２光ファイバにおける非線形光学現象が有効に発現し得る。また、第１光ファイバの出射端と第２光ファイバの入射端とが融着等により接続されていることから、第１光ファイバの出射端と第２光ファイバの入射端との光結合の効率も安定している。このように、パルス光源と第２光ファイバとの間に第１光ファイバを介在させて、第１光ファイバにおける出力パルス光形状を入力パルス光形状と大きく相違させずに第２光ファイバに導くことにより、パルス光源から出力されるパルス光の劣化を最低限許容できる範囲に留めつつ所望の出力光の生成を行うことができる。
【００１０】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、比が０．７以上１．３以下であるのが好適である。この場合には、比が０．７以上１．３以下であることにより、パルス光源から出力されるパルス光の条件から直接に、第２光ファイバから出力されるパルス光の条件を精度良く予測することが可能となる。
【００１１】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、第１光ファイバから出力されるパルス光のピークパワー及びパルス幅それぞれの２４時間に亘る最大変動率が５０％以下であるのが好適である。なお、変動率は、「２×（最大値−最小値）／（最大値＋最小値）」で定義される。この場合には、２４時間に亘る変動率の最大許容値を規定することにより、研究開発用途など、実用上最低限の条件として使用に耐えることが可能となる。
【００１２】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、第１光ファイバから出力されるパルス光のピークパワー及びパルス幅それぞれの７日間に亘る最大変動率が５０％以下であるのが好適である。この場合には、７日間に亘る変動率の最大許容値を規定することにより、実際の光通信ネットワークや光計測装置などへ適用することが可能となる。
【００１３】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、波長１.５５μｍにおいて第１光ファイバのモードフィールド径が８μｍ以上であり、第１光ファイバのファイバ長が１ｍｍ以上２０ｍ以下であり、波長１.５５μｍにおいて第２光ファイバのモードフィールド径が５μｍ以下であり、第２光ファイバのファイバ長が１ｍｍ以上１０００ｍ以下であるのが好適である。この場合には、第１光ファイバの波長１.５５μｍにおけるモードフィールド径を８μｍ以上とすることで、通常のパルス光源から出力されるシングルモードのパルス光の結合効率を５０％以上にすることができる。一方、第２光ファイバの波長１.５５μｍにおけるモードフィールド径を５μｍ以下とすることで、通常のシングルモードファイバを使用した場合に比べて、４倍以上の非線形性を実現することができ、その分効率の改善が期待できる。ファイバ長については、第１光ファイバで１ｍｍ以上２０ｍ以下とすることで、結合に必要な最低限のファイバ長を確保しつつ、不必要に長くしないことにより第１光ファイバでのパルス波形の劣化を制限することができる。一方、第２光ファイバについては、非線形光学現象は入力パルスパワーとファイバ長、実質は実効長に依存するため、パルスパワーを高くすれば、それだけファイバ長が短くて済むようになるが、あまり高くすると局所的な温度上昇などによりファイバが焼けたり破損したり、また劣化したりするなどの問題が発現するため、実質的には１ｍｍ以上とすることで、これを回避することができる。また、１０００ｍ以下とすることで、伝送損失の増大による出力パルスパワーの低下を避けることが可能となり、同時に波長分散や偏波モード分散などのファイバの長手方向における特性変動に起因する出力パルス光の不安定性の発現を回避することが可能となる。
【００１４】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、第２光ファイバから出力されるパルス光のスペクトルの２０ｄＢ帯域幅が、第１光ファイバから出力されるパルス光のスペクトルの２０ｄＢ帯域幅の５倍以上であるのが好適である。この場合には、第２光ファイバにおいて非線形光学現象により広帯域なパルス光を生成することができ、しかも、この条件において第１光ファイバにおける非線形光学現象の影響を相対的に無視できるレベルとすることができるので、広帯域光生成の机上検討を第２光ファイバにおける非線形光学現象だけを考慮して行うことができるため設計が容易になる。
【００１５】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、第１光ファイバと第２光ファイバとの接続損失が１ｄＢ以下であるのが好適である。この場合には、接続損失を１ｄＢ以下とすることで、第１光ファイバから出力されたパルス光のパワーの減衰量を２０％以下に抑えることができ、第２光ファイバにおける非線形光学現象の発現効果の減退を回避することが可能となる。
【００１６】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、波長１.５５μｍにおける第１光ファイバのモードフィールド径が１２μｍ以上であり、伝搬するパルス光がシングルモードであるのが好適である。この場合には、第１光ファイバのモードフィールド径を当該値以上とすることにより、従来のシングルモード光ファイバを使用した場合より、結合効率を５％以上改善することが期待される。更に、モードフィールド径を拡大させたことにより、パルス光の空間結合に対するトレランスが２０％以上改善されるので、それだけパワー変動の低減を図ることが可能となる。
【００１７】
本発明に係る非線形光信号処理装置は、第１光ファイバおよび第２光ファイバそれぞれに入力されるパルス光の時間帯域積が０.５以下であるのが好適である。この場合には、時間帯域積が０.５以下の高品質のパルス光が、非線形光学現象を起こすファイバへ入力されることにより、雑音成分の生成を抑制し、理想的な広帯域光や波長変換光の出力を実現することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、光ファイバに入力されるパルス光の歪みを許容できるレベル以下に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２０】
図１は、本実施形態に係る非線形光信号処理装置１の構成図である。この図に示される非線形光信号処理装置１は、パルス光源１０、入射光学系２０、第１光ファイバ３０および第２光ファイバ４０を備える。
【００２１】
パルス光源１０は、パルス光を自由空間へ出力するものである。入射光学系２０は、コリメータレンズ２１および集光レンズ２２を含み、パルス光源１０から出力されたパルス光を第１光ファイバ３０の入射端３１へ入力させる。第１光ファイバ３０は、パルス光源１０から出力されて入射光学系２０を経たパルス光を入射端３１に入力して導波し、この導波したパルス光を出射端３２から出力する。
【００２２】
第２光ファイバ４０の入射端４１は、第１光ファイバ３０の出射端３２と融着等により接続されている。パルス光源１０から出力されるパルス光の波長において、第２光ファイバ４０のモードフィールド径は、第１光ファイバ３０のモードフィールド径より小さい。第２光ファイバ４０は、第１光ファイバ３０の出射端３２から出力されるパルス光を入射端４２に入力して導波し、このパルス光導波に伴う非線形光学現象に因り新たな波長のパルス光を発生して、この新たな波長のパルス光を出射端４２から出力する。
【００２３】
そして、第１光ファイバ３０に入力されるパルス光のピークパワー及びパルス幅に対して、第１光ファイバ３０から出力されるパルス光のピークパワー及びパルス幅それぞれの比が５０％以下である。
【００２４】
この非線形光信号処理装置１では、パルス光源１０から自由空間へ出力されたパルス光は、入射光学系２０により第１光ファイバ３０の入射端３１に入力される。第１光ファイバ３０の入射端３１に入力されたパルス光は、第１光ファイバ３０により導波され、第１光ファイバ３０の出射端３２から出力され、第２光ファイバ４０の入射端４１に入力され、第２光ファイバ４０により導波される。この第２光ファイバ４０において、パルス光導波に伴う非線形光学現象に因り新たな波長のパルス光が発生して、この新たな波長のパルス光が第２光ファイバ４０の出射端４２から出力される。
【００２５】
第２光ファイバ４０のモードフィールド径より第１光ファイバ３０のモードフィールド径が大きいことから、入射光学系２０によるパルス光源１０と第１光ファイバ３０との光結合の効率が安定し、第２光ファイバ４０における非線形光学現象が有効に発現し得る。また、第１光ファイバ３０の出射端３２と第２光ファイバ４０の入射端４１とが融着等により接続されていることから、第１光ファイバ３０の出射端３１と第２光ファイバ４０の入射端４１との光結合の効率も安定している。このように、パルス光源１０と第２光ファイバ４０との間に第１光ファイバ３０を介在させて、第１光ファイバ３０における出力パルス光形状を入力パルス光形状と大きく相違させずに第２光ファイバ４０に導くことにより、パルス光源１０から出力されるパルス光の劣化を最低限許容できる範囲に留めつつ所望の出力光の生成を行うことができる。
【００２６】
図２は、本実施形態に係る非線形光信号処理装置１における第１光ファイバ３０からの出力パルス光の時間的変動、および、パルス光源１０から第１光ファイバ４０を経ずに直接に第２光ファイバ４０にパルス光を入力させた場合における第２光ファイバ４０からの出力パルス光の時間的変動、それぞれを示す図である。パルス光源１０から出力されるパルス光のパワーは６０ｍＷである。この図に示されるように、非線形光信号処理装置１における第１光ファイバ３０からの出力パルス光の時間的変動は、５時間に亘って１ｍＷである。これに対して、パルス光源１０から第１光ファイバ４０を経ずに直接に第２光ファイバ４０にパルス光を入力させた場合における第２光ファイバ４０からの出力パルス光の時間的変動は、５時間に亘って２０ｍＷである。このように、パルス光源１０から直接に第２光ファイバ４０にパルス光を入力させた場合における第２光ファイバ４０からの出力パルス光の時間的変動は大きい。
【００２７】
図３〜図５は、第２光ファイバ４０に入力されるパルス光のパワーを３０ｍＷ，４０ｍＷおよび６０ｍＷそれぞれとした場合における第２光ファイバ４０から出力される広帯域光（スーパーコンティニューム光）のスペクトルを示す図である。ここで用いた第２光ファイバ４０は、波長１.５５μｍにおいて、ファイバ損失が０.５５ｄＢ／ｋｍであり、波長分散が−０.２７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープが−０.００２４ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、実効コア断面積が１６.４μｍ２であり、モードフィールド径が４.６μｍであり、カットオフ波長が９８４ｎｍであり、偏波モード分散が０.０３ｐｓ／ｋｍ１／２であり、ファイバ長が１０ｍである。
【００２８】
図３に示されるように、第２光ファイバ４０に入力されるパルス光のパワーが６０ｍＷである場合、第２光ファイバ４０から出力される広帯域光は１３００ｎｍから１７００ｎｍ以上までの波長域にある。この波長域は光通信帯全域をカバーしているので、１.３μｍおよび１.５５μｍのハイブリッド光部品などの各種部品や装置の評価に適用できるほか、通信用光源、波長可変光源、センサー用光源などに活用可能である。
【００２９】
図４に示されるように、第２光ファイバ４０に入力されるパルス光のパワーが４０ｍＷである場合（すなわち、約３０％低減した場合）、第２光ファイバ４０から出力される広帯域光は１４００ｎｍから１７００ｎｍまでの班長域になる。この波長域は通信波長帯全域をカバーすることができない。特に、１.３μｍ帯の光源としては５０ｄＢ以上強度が減衰しているため、全く使用に耐えられないことが明らかである。
【００３０】
図５に示されるように、第２光ファイバ４０に入力されるパルス光のパワーが３０ｍＷである場合（すなわち、約５０％低減した場合）、第２光ファイバ４０から出力される広帯域光は１５００ｎｍから１６００ｎｍまでの班長域になる。１４００ｎｍ近傍や１６００ｎｍ以上の波長では強度の低下が観測される。このレベルまでパワーが低減すると、もはや広帯域光源として活用することができず、他の発光ダイオード等と同程度となってしまう。
【００３１】
図６は、本実施形態に係る非線形光信号処理装置１において第２光ファイバ４０から出力ざれる光のスペクトルを示す図である。この図では、互いに異なる２つの時刻それぞれにおけるスペクトルが示されている。ここで用いた第１光ファイバ３０は、波長１.５５μｍにおいて、ファイバ損失が０.２ｄＢ／ｋｍであり、波長分散が１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープが０.０６ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、実効コア断面積が８５μｍ２であり、モードフィールド径が１０.３μｍであり、カットオフ波長が１２８０ｎｍであり、偏波モード分散が０.０５ｐｓ／ｋｍ１／２であり、ファイバ長が０.５ｍである。また、ここで用いた第２光ファイバ４０は、既に図３〜図５で示したものと同じものである。この図に示されるように、適当な第１光ファイバ３０を配置することにより、第２光ファイバ４０に入力される光のパワーの変動を１ｍＷ以下に抑えることが可能となる。これにより、図示のように、第２光ファイバ４０から出力される光のスペクトルの変動を抑えることが可能となり、光通信帯域全域での評価光源を安定に実現することができる。
【００３２】
更に、第１光ファイバ３０として、よりモードフィールド径を拡大した光ファイバを用いるのが好ましい。例えば、モードフィールド径を拡大した第１光ファイバ３０は、ファイバ損失が０.１７ｄＢ／ｋｍであり、波長分散が２０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープが０.０６ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、実効コア断面積が１１５μｍ２であり、モードフィールド径が１２.２μｍであり、カットオフ波長が１４６０ｎｍであり、偏波モード分散が０.０４ｐｓ／ｋｍ１／２であり、ファイバ長が０.５ｍである。このようなモードフィールド径を拡大した第１光ファイバ３０を用いることにより、第１光ファイバの出力パワーの変動量を１％以下に抑えることが可能である。
【００３３】
また、第２光ファイバ４０として、より非線形性を高めた光ファイバを用いるのが好ましい。例えば、非線形性を高めた第２光ファイバ４０は、ファイバ損失が０.７ｄＢ／ｋｍであり、波長分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍであり、分散スロープが０.０３ｐｓ／ｎｍ２／ｋｍであり、実効コア断面積が１１μｍ２であり、モードフィールド径が３.８μｍであり、カットオフ波長が１２００ｎｍであり、偏波モード分散が０.０８ｐｓ／ｋｍ１／２であり、非線形係数γが２０Ｗ-１ｋｍ-１である。このような第２光ファイバ４０を例えば２ｍ用いることで、上図と同程度のスペクトルを生成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本実施形態に係る非線形光信号処理装置１の構成図である。
【図２】本実施形態に係る非線形光信号処理装置１における第１光ファイバ３０からの出力パルス光の時間的変動、および、パルス光源１０から第１光ファイバ４０を経ずに直接に第２光ファイバ４０にパルス光を入力させた場合における第２光ファイバ４０からの出力パルス光の時間的変動、それぞれを示す図である。
【図３】第２光ファイバ４０に入力されるパルス光のパワーを６０ｍＷとした場合における第２光ファイバ４０から出力される広帯域光（スーパーコンティニューム光）のスペクトルを示す図である。
【図４】第２光ファイバ４０に入力されるパルス光のパワーを４０ｍＷとした場合における第２光ファイバ４０から出力される広帯域光（スーパーコンティニューム光）のスペクトルを示す図である。
【図５】第２光ファイバ４０に入力されるパルス光のパワーを３０ｍＷとした場合における第２光ファイバ４０から出力される広帯域光（スーパーコンティニューム光）のスペクトルを示す図である。
【図６】本実施形態に係る非線形光信号処理装置１において第２光ファイバ４０から出力ざれる光のスペクトルを示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１…非線形光信号処理装置、１０…パルス光源、２０…入射光学系、２１…コリメータレンズ、２２…集光レンズ、３０…第１光ファイバ、３１…入射端、３２…出射端、４０…第２光ファイバ、４１…入射端、４２…出射端。
【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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