ラマンファイバーレーザーによる超広帯域白色光発生の特性
電子工学専攻1

はじめに植田研究室

廣瀬祥史

2 次ストークス光が高出力に発する値を実験から求めた。このときの出力端の FBG の反射率は 15%で PDF

超広帯域白色光は、様々な応用が考えられている。近の長さは 700m であった。このとき入力 8.55W の時に年インターネットの普及により情報通信量が飛躍的にスロープ効率 42.7%、最大出力 3.14W、パワー変換効増大しており、光通信システムの大容量化が望まれて率 42%が得られた。 次に P 添加ファイバーの長さをいる。波長多重通信技術 (WDM) は、波長領域で信号を多重することによって、大容量光通信システムを可能にすることができる。白色光を用い多数のチャンネルを作り出すことも可能である [2]。当研究室では、ラマンファイバー増幅器の励起用光源として P2 O5 を添加したファイバーを用いたラマンファイバーレーザー(RFL) の研究が行われてきた。このラマンファイバーレーザーを用いて広帯域白色光を発生することができることが分かった。RFL に 350m のシリカファイバー(Corning 社製ファイバー Flexcor-1060) をつなげることにより 2 次ストークス光のスペクトルが広がり、中心波長 1483.4nm で、約 120nm(0dBm 以上) の帯域を持つ白色光が発生した。この白色光は、広帯域な RFA の励起光源として利用できるほか、ファイバーの損失、分

図 1: P 添加ファイバーラマンレーザー変化させたときの 1 次ストークス光、2 次ストークス光のスペクトル変化について述べる。P 添加ファイバーの長さを伸ばしていくと、1 次ストークス光、2 次ストークス光のスペクトルが広がっていくことが分かった。1次ストークス光のみの共振器を組んでファイバー長を変化させても、スペクトルに変化は見られなかった。

散測定にも応用できる。また一方で、この現象は WDMにとっては、チャンネル間のクロストークという悪影響を及ぼす。よって、この白色光発生の機構を理解することは非常に重要である。これまでの白色光発生は、自己位相変調 (SPM) によるものがほとんどであるが、このラマンファイバーレーザーは、CW 光であっても、スペクトルが広がる。フェムト秒レーザーなどの特殊な装置を必要としないのが、この白色光発生の利点で

図 2: P 添加ファイバの長さを変化させた時の 1 次スもある。本研究では、広帯域白色光発生の現象を理解

トークス光スペクトル変化するために、白色光の時間特性の評価、ファイバーレーザーを構成しているファイバーの分散測定を行い、どのようにスペクトルが広がっているのかを議論する。

2RFL のスペクトル特性
まず、RFL の諸特性について述べる。実験図については、図 1 の通りである。中心波長 1239 nm に反射率100%の共振器を組み１次ストークス光を強制的に閉じこめ、中心波長 1483.4 nm の FBG を用いた共振器を用いることによって 2 次ストークス光における RFL を発

図 3: P 添加ファイバの長さを変化させた時の 2 次ス
トークス光スペクトル変化振させている。出力側の FBG の反射率（R=50%,15%）や、PDF の長さ（300m,700m）を変えることによって、

1 次ストークス光は、短波長、長波長ともにスペクトルは広がっていくが、2 次ストークス光は長波長のみが広がっていった (図 2、図 3)。それぞれのスペクトル幅を表 1 に示す。2 つの異なる波長の CW 光より、こ
表 1: P 添加ファイバーの長さを変化させた時のスペクトル幅の変化
図 5: RFL と SC のスペクトル比較
中心波長 [nm]1st stokes

2nd stokes

12391483.4

波長幅 (0dBm 以上) [nm]@700m

93343192344@1140m@1840m
帯域幅 (0dBm 以上)[THz]@700m

1.72.5@1140m

6.43.1@1840m

8.4

6.0120nm、帯域幅 16.3THz も広がることが分かった。次に異なる種類のシングルモードファイバー (Spectran社製 SMT-A1310B) を融着し、スペクトルの変化を見た。図 6 のようになり、Flexcor-1060 のみが SC 光を発生した。超広帯域白色光の原因について考える。RFLのようなスペクトルが広がる現象としては、相互位相変調 (XPM) による変調不安定性が考えられる。これらの影響を定量的に評価するには、ファイバー中の分散、2 波長間の群速度不整合、1 次ストークス光、2 次

図 6: 異なるシングルモードファイバーによる違いストークス光のパワーがどれくらいかを測定する必要がある。そこで、まず時間特性特性として、RFL の出中で、1 次ストークス光 (1239nm)、2 次ストークス光力光の自己相関波形を測定し、RFL を構成している P添加ファイバーの分散、および群速度不整合を測定す(1484nm) が相互位相変調を起こしながら、スペクトルを広げていき、パルスを形成して、さらに Flexcor-1060ることにした。

ファイバー中で、1484nm 周辺の光が 4 光波混合とラマン散乱の効果により劇的にスペクトルを広げている可能3

超広帯域白色光発生の特性

RFL にシリカファイバー (Corning 社製ファイバーFlexcor-1060、350m) を融着することで (図 4)、2 次ス
トークス光のスペクトルがさらに広がり、超広帯域白色光 (SC) が発生した (図 5)。1 次ストークス光のスペクトルには変化が見られなかった。

性がある。4 光波混合の効果を大きくし、広帯域な光を発生するには、1484nm がゼロ分散波長にあるとよい。
これらを定量的に評価するために、SC 光の時間特性（パルス幅）、Flexcor-1060 ファイバー、SMT-A1310Bファイバーの分散を測定する必要がある。

超広帯域白色光の時間特性

4白色光の現象を理解するために、まず時間特性について測定をした。この章では、SC 光の時間特性について述べていく。
図 4: 2 次ストークス光の超広帯域白色光発生

4.1
RFL からの 2 次ストークス光の出力が 3.14W のとき、SC 光の出力は 2.67W であった。スペクトルは、1426nm から 1546nm (0dBm 以上) と、波長幅にしてバックグラウンドフリー SHG 強度自己相関計

ラマンファイバーレーザーによるスペクトル広がり、および広帯域白色光発生の原因を調べるためにバックグラウンドフリー SHG 強度自己相関計を自作し、自は、基本波と 2 倍波の群速度不整合 α である。2 倍波

己相関波形を測定した。入射してきた光は、ビームスのスペクトル幅は結晶の厚さを L とすると、(αL)−1 に制限されてしまう。群速度不整合 α は

α=dksdkf−dωsdωf(3)ただし、基本波の波動ベクトルを kf 、2 倍波の波動ベクトルを ks とする。α ＠ 1484nm は、-1.96[fs/mm] であ
図 7: バックグラウンドフリー SHG 強度自己相関計

る。今回、測定したい超広帯域白色光スペクトルの帯域幅は、1484nm で 20THz であるから (αL)−1 > 20THzであればよく、結晶は、25mm 以下であれば良い。よっプリッターによって 2 つに分けられ、コーナーリフレて、結晶の厚さは 5mm とした。また、1 次ストークス

クターによって 2 つの光が平行に取り出される。2 つ光 (1239nm) の自己相関波形を観測時は、結晶の厚さのビームの相対的時間差 τ は、一方のアームを移動すを 0.5mm とした。

ることで作られる。ビームはレンズによって SHG 結晶 (β − BaB2 O4 ) 上に集光される。第 1 種位相整合条

件 (o + o → e) が満足されると第 2 高調波が発生し、

τ = 0 付近で特に強い信号が出る。得られた信号光強度 ISH を τ の関数として測れば、SHG 強度自己相関(2)関数 G0 (τ ) が次のように求まる。

ISH (τ ) ∝Z ∞−∞4.2超広帯域白色光の強度自己相関波形
超広帯域白色光の自己相関波形を測定した。実験のセットアップは図 8 の通りである。WDM カップラーにより、励起光 (1064nm)、1 次ストークス光 (1239nm)(2)

I(t)I(t − τ )dt ≡ G0 (τ )(1)

を除き、2 次ストークス光 (1484nm) のみが Flexcor-1060 ファイバーを透過していく。SC 光の出力が最大のR∞
ここで、I(t) ∝ |E(t)|2 , −∞ I 2 (t)dt = 1 である。相関波形は対称関数であるため、非対称波形を検出できない。相関幅 ∆τ (FWHM) とパルス幅 tp (FWHM) との間にはパルス波形に依存した一定の関係がある。例えば、波形を I(t) = sech2 (t/T ) と仮定すれば、式 (1) から(2)G0 (τ ) =h³ τ ´³τ ´i3coth−1
Tsinh (τ /T ) T2

図 8: 実験図(2)時の自己相関波形は図 9 のようになった。バックグラとなる。これから ∆τ /tp = 1.55 が求まる。同様に Gauss√波形では ∆τ /tp = 2 となる。もし、パルスに構造がウンドフリーであるにもかかわらず、裾に信号がある

あれば τ ' 0 付近にコヒーレントスパイク (幅 τc ) が現時間を-50ps から 50ps まで動かしてみても一定であっれる。のは、CW 成分による信号である。この信号は、遅延た。片アームを閉じるとこの裾の信号は検出されない。

次に、装置の概要について述べる。第 2 高調波信号

そうすると、この相関波形は、コヒーレントスパイク

は、光電子増倍管（浜松ホトニクス製 H957-08）で測定である可能性がある。しかし、コヒーレントスパイクした。検出器の前にはフィルターを置き、基本波 ω を除の場合、ピークの信号と裾の信号の比は、2:1 になる。

去してある。遅延時間には、自動ステージ (駿河精機製

図 9 の場合、5:1 なのでパルス成分の強度相関波形を見K101-30LMS) を使用した。時間分解能は、3.3fs、ストロークは ±100ps である。GP-IB で、ステージを移動しながら AD 変換ボードで光電子増倍管の信号を取り込む。駆動プログラムは Labview で自作した。SHG 結晶
は、大きさが 5×5×5mm で、θ = 20.5[deg.] ϕ = 0[deg.]の面にカットされている。結晶面は、1484nm の光が直入射したときに最大になるような面を出すようにした。
結晶の厚さは、適切な設定をしないと、信頼性の高い測定を行うことができない。このとき、問題となるのていることになる。パルス波形かどうかを確認するた
めに、自己相関計に光を入れる前に、分散を与えパルス波形を変化させてみようとした。通常の石英基板等ではこの波長域では分散が小さいのでグレーティング対を使い分散を与えた。その時、パルス成分の相関幅は広がるが、コヒーレントスパイク成分は変わらず、コヒーレントスパイク成分と分離することができた。図 9からコヒーレントスパイクを除きフィッティングをかけた結果を図 10 に示す。このとき、相関幅は 460fs、パ図 9: 超広帯域白色光の強度自己相関波形

図 12: RFL 1 次ストークス光の自己相関波形波形を測定した。実験のセットアップは図 13 の通りである。WDM カップラーにより、励起光 (1064nm)、1次ストークス光 (1239nm) を除き、2 次ストークス光(1484nm) のみが出力される。自己相関波形を図 14 に示す。相関幅は 1.2ps、パルス幅は 749fs であることがわかった。 以上の結果より、RFL においてパルス成分
図 10: コヒーレントスパイクを除いた自己相関波形

ルス幅は 297fs であった。また、パワー依存性を見てみたが、相関幅に変化は見られなかった。
図 13: 実験図4.3ラマンファイバーレーザーの強度自己相関波形

次に、ラマンファイバーレーザーにおける 1 次ストークス光、および 2 次ストークス光の自己相関波形を測定した。まずはじめに 1 次ストークス光の自己相関波形を測定した。実験のセットアップは図 11 の通りである。WDM カップラーにより、励起光 (1064nm) を除き、1 次ストークス光 (1239nm) と、2 次ストークス光(1484nm) を分離している。まず、1 次ストークス光を取り出すために、FBG の反射率は、50%にして 1 次ストークス光の自己相関波形を見た。実験図を図 11 に、その時の自己相関波形を図 12 に示す。 図 12 の裾の図 14: RFL 2 次ストークス光の自己相関波形があることがわかった。高速オシロスコープを用いてパルスの繰り返し列を観測しようとしたが見ることはできなかった。自己相関計は、可動範囲は ±100ps であるから 10GHz 以上の繰り返しであれ測定可能である。

今回は、自己相関計でも繰り返しは見られなかった。これは、繰り返し列があるとしても、非常に不安定な場合、平均化されてしまい繰り返し周波数を測定するこ図 11: 実験図とができないと思われる。パルス列は、非常に不安定である可能性がある。

部分は、ステージの可動範囲外であるので見えないが、可動ステージを移動したところ、裾の信号は 0 まで落ちていた。相関幅は 100ps、パルス幅は 64.5ps であった。ただし、パルス波形が I(t) = sech2 (t/T ) であると仮定している。次に、2 次ストークス光の自己相関

5ファイバーの分散特性

RFL 中でのスペクトル広がり、パルス成形を考察するために PDF の分散を測定した。また、図 6 のよう

に RFL に接続するシングルモードファイバーの種類によって、白色光が発生しないことがわかった。この違いを考察するために各々のファイバーの分散を測定した。
超広帯域白色光発生の現象を理解していく上で、ファイバーの分散特性を調べることは、非常に重要である。
ここでは干渉法を用いた。干渉法では、得られたフリンジデータに波長分散の値が含まれているので、データより直接に分散を求めることができる。図 15 に分散特

図 16: 各々のファイバーの群速度不整合性の測定結果を示し、表 2 に 1239nm および 1483.4nmでの分散値を示す。Flexcor-1060 ファイバーは 1483nm付近がゼロ分散であるのが特徴である。 図 16 は、各々6超広帯域白色光の定量的な解析

6.1

ラマンファイバーレーザー

RFL でのスペクトル広がりは、相互位相変調 (XPM)による影響があると考えられる。この時、特に考えなくてはいけないのが 1 次ストークス光、2 次ストークス光間の群速度不整合である。RFL 中では、1 次ストークス光、2 次ストークス光がパルス化しているということが自己相関波形の測定で分かった。正分散領域に

図 15: 各々のファイバーの分散特性ある 1 次ストークス光の方がパルス幅が広く、64.5psである。お互いのパルスが相互作用できる長さは、群速度不整合が 0.13[ps/m] より、496m である。相互作用長が非常に長く、P 添加ファイバーは、相互位相変表 2: 各々のファイバーの分散特性調が起きやすいと思われる。相互位相変調により、連続光はパルス光へと変化していく。これを変調不安定

Fiber Parameter

Flexcor-1060

Spectran

PDF

D[ps/nm/km]@1239nm@1483.4nm-180.30-6.413-8.88.2性という。変調不安定性の利得を得られた分散値より計算してみた。計算した利得と、RFL の 1 次ストークス光スペクトルの比較を図 17 に示す。スペクトルにはのファイバーの 1483.4nm との群速度不整合について示している。フィッティングは、分散特性の際に得た式を積分し、1483.4nm が基準となるように積分定数を定めた。P 添加ファイバーは、他のファイバーにくらべて 1 次ストークス光 (1239nm)、2 次ストークス光

図 17: 変調不安定性の利得と、RFL1 次ストークス光(1483.4nm) 間の群速度不整合が小さいのが特徴である。
その量は 0.13[ps/m] である。各々のファイバーの 1 次ストークス光、2 次ストークス光間の群速度不整合は、表 3 にまとめた。

スペクトル

1.6THz にサイドバンドのピークがあり、計算した利得では 0.85THz である。計算と若干異なっているのは、計算時に 2 つの光のエネルギーのやりとりが全くない

表 3: 各々のファイバーの群速度不整合と仮定しているからである。厳密に計算するには、ラマン散乱によるエネルギーのやりとりを含めなくては

Fiber Parameter
GVM[ps/m]

Flexcor-1060

Spectran

PDFならない。2 次ストークス光のスペクトル広がりは、長2.00.960.13波長側のみ見られたが、これも XPM による影響が考えられる。というのも XPM は、互いのパルスが時間ずれを起こしながら位相変調を与えていくからである。

6.2超広帯域白色光発生白色光は、低分散な Flexcor-1060 のファイバーを接続したときのみ発生することがわかった。低分散であると、低ピークパワーのパルスであっても、容易にファイバー中にソリトンが伝搬する。というのも、基本ソリトンが伝搬するためのピークパワー P1 はP1 '3.11|β2 |γTF2 W HM

Flexcor-1060 ファイバーを接続することで 2 次ストー
クス光のスペクトルがさらに広がり超広帯域白色光を発生した。120nm の広がりを持つ。SMT-A1310B ファイバーでは白色光を発生することができなかった。また、1 次ストークス光に変化は生じなかった。RFL、および超広帯域白色光の時間特性を調べるのに、バックグ
ラウンドフリー自己相関計を用い、相関波形を観測し(4)である。Flexcor-1060 ファイバーの場合、1483.4nm で

P1 =0.99W となる。一方、SMT-A1301B ファイバーの場合、P1 =98.7W である。ゼロ分散波長に非常に近いということは、それだけ低ピークパワーでもソリトンが存在するということである。Flexcor-1060 ファイバー
は、低ピークパワーのパルスを形成している RFL につなぐと、高次ソリトンを発生していると思われる。高次ソリトンは、ラマン効果と 3 次の分散によって赤方に周波数がシフトし、1 次ソリトンを形成（自己周波た。RFL では、1 次ストークス光のパルス幅が 64.5ps、2 次ストークス光が 749fs であった。超広帯域白色光
は、パルス幅が 297fs である。超広帯域白色光の自己相関波形については、コヒーレントスパイクではないことを回折格子対を用いて、パルス幅を広げることにより確認した。各々のファイバーの分散特性を測定した。

P 添加ファイバーは、1 次ストークス光、2 次ストーク
ス光間の群速度不整合が 0.13[ps/m] と小さく、2 つの光は 500m 伝搬しても相互作用することができる。このことから、RFL でのスペクトル広がりは相互位相変調によるものと考えられる。Flexcor-1060 ファイバー、近の白色光発生においてアンチストークスパルスが長SMT-A1310B ファイバーの違いは、1483.4nm での分散値が前者が 0.3[ps/nm/km]、後者が 13[ps/nm/km]

波長にシフトしたソリトンと同じ速度で伝搬するようである。Flexcor-1060 ファイバーは、1483.4n がゼロ分数シフト）していると考えられる。また、ゼロ分散付に発生するという報告がある [4]。図 18 を見てみると、散付近であるのが特徴である。RFL から、低ピークパワーのパルスが発生し、Flexcor-1060 ファイバーによって、高次ソリトンを形成し、自己周波数シフトによって、長波長側にソリトン、短波長側にソリトンと同じ速度で伝搬するアンチストークスソリトンを形成すると思われる。

図 18: SC 光スペクトルと群速度不整合

参考文献[1] Govind P. Agrawal. ”Nonlinear fiber optics-thied短波長側のピークと、長波長側のピークにおける群速度不整合がほぼ同じである。長波長側の自己周波数シフトを理論的に見積もるには、ラマンファイバーレーザーのパルス列の繰り返しを測定し、パルスのピークパワーを見積もる必要があると思われる。

edition ”. Academic Press, (2001).
[2] K. Mori T. Morioka and M. Saruwatari. ”morethan 100-wavelength-channel picosecond opticalpulse generation from single laser source using supercontinuum in optical fibres ”. Electron. Lett.,Vol. 29, pp. 862—864, (1993).

7

結論RFL でのスペクトル広がり、Flexcor-1060 ファイバーでの超広帯域白色光発生の機構を調べるために、自己相関波形を測定し、また各々のファイバーの分散特性を評価した。RFL でのスペクトルは、P 添加ファイバーの長さをのばすことで広がっていく。1 次ストークス光 (1239nm 中心) で最大 43nm、2 次ストークス光(1483.4nm 中心) で最大 44nm の広がりをもつ。RFL に[3] 堀内幸夫. ”光ファイバ及び光伝送システムの波長分散測定法 ”. OPTRONICS, Vol. 6, pp. 124—130,(2000).
[4] Ryuji Okamura Norihiko Nishizawa and Toshio
Goto. ”widely wavelength tunable ultrashortsoliton pulse and anti-stokes pulse generation forwavelengths of 1.32-1.75µm ”. Jpn. J. Appl.
Phys., Vol. 39, pp. L409—L411, (2000).