誘導ブリルアン散乱を用いたスローライト生成の研究
Slow light generation by stimulated Brillouin scattering

あらまし誘導ブリルアン増幅によるパルス歪みを抑制した誘導ブリルアン散乱によるスローライト生成を実現するため、零利得法（ZG 法）および 2 重利得法（DG 法）の理論的および実験的検証を行い、その有効性を明らかにした。現在、石英ファイバが遅延媒体として主に研究されており、パラメトリック増幅を利用した波形整形を利用すればＷレベルに近い励起光が大石 泰丈 (yasutake OHISHI, Ph. D.)必要になるが、テルライトファイバを利用すれば、豊田工業大学大学院工学研究科教授

1dB/mW 以上の利得効率が実現できるため、実用的な(,Graduate School of Engineering, Professor Toyota

パラメトリック増幅媒体の開発が期待できる。誘導ブ

Techn ologi cal Institu te )リルアン増幅による波形歪みを補償するための手法と電子情報通信学会

応用物理学会日本セラミックス協会

して非線形効果による高効率波形整形を実現するため、

Optical Society of America IEEE 会員
受賞：2009 年

豊田奨学基金研究業績賞

1.55μm 帯分散シフト高非線形微細構造テルライト光2007 年 日本セラミックス協会学術賞 2001 年 電子情報通信学会業績賞

ファイバの作製に成功してパラメトリック利得の確認

1998 年し、高効率波形整形実現が可能であることを示した。

電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ

エレクトロニクス賞
1998 年

1998 年

NTT 研究開発本部長表彰

NTT 光エレクトロニクス研究所所長表彰

年光産業技術振興協会

櫻井健二郎氏記念賞

1997

１．はじめにFTTH の普及と急速なブロードバンド化の進展によ1997 年

Second Optoelectronics & Communications Conference,
Best paper award
究所所長表彰年

1997 年

1994 年り、基幹ネットワークにはますますの大容量化が求め

NTT 光エレクトロニクス研

電子情報通信学会論文賞られている。今後さらなる高速情報処理が必要と考え1992られており、これを実現するためこれまでの電気信号

NTT 研究開発本部長表彰

著書：セラミックス機能化ハンドブックエヌティーエス(共処理の速度・消費電力等の限界を超える全光信号処理著) 2010 年 先端ガラスの産業応用と新しい加工エヌティ技術の研究が行われている。超高速ネットワークのノーエス(共著)2007 年2009 年

ガラスの百科事典朝倉書店(共著)

ードでは、光パルスの波形整形や分離などの機能を実

光デバイス精密加工ハンドブック オプトロニク

現するための超高速全光スイッチや光パルス列を一時ス社(共著) 2003 年 ニューガラスハンドブック丸善(共著)1991 年

セラミックス辞典丸善 (共著)

的に保持する光バッファメモリーが必要になっている。

Optical fiber

amplifiers Artech House(共著) 1997 年

現在、光バッファメモリーの候補として光ファイバ遅研究専門分野：光ファイバ増幅

延線バッファが検討されているが、ファイバ長で遅延ァイバ光学

光ファイバレーザー 光フ

非線形光学 フォトニクスガラス

時間が決まり、半導体と異なり任意の時間での光パルスの取り出しができないという欠点のほか、小型化が困難という欠点もある。
全光型の光バッファメモリーの研究は、主に光半導体レーザによる光双安定素子などを用いたビットメモ
リと吸収や利得による大きな屈折率分散を利用した群速度の制御による、いわゆる、“slow light”を利用したものに分けられる。前者については、面発光半導体レーザの光双安定動作を用いたものが研究され、通信波長域で動作する素子の開発が行われている。光半導体
レーザを用いたものは、小型化および省エネルギー性に優れるもの動作波長を決定する際に、半導体材料お1TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

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Slow light generation by stimulated Brillouin scattering

よび構造の選定等の検討課題があると言われている。

いない。また、帯域を広げるのみならず、遅延に伴う一方、“slow light”を利用したものは 1999 年冷却希パルスの広がりによるメモリー容量の低下を解決する

ガス原子の EIT による実験以来、フォトニック結晶やことは重要な課題である。しかし、遅延と同時にパル光ファイバの非線形散乱を用いたものが研究されていスの広がりを抑えメモリー容量を拡大する手段は非常る。光ファイバのブリルアン増幅を用いた場合、遅延に重要にも拘らず開発されていない。

媒体である光ファイバと伝送路との結合性がよく、ま筆者らは、高非線形テルライトガラスを開発し、高た、励起強度を変えることにより遅延量を容易に可変非線形テルライト光ファイバによる光信号処理の研究にすることができることから、石英光ファイバを用いを進めてきた。
四光波混合によるパラメトリック増幅、

slow light 生成実験やシステム実験が最近行われてい波長変換等の他ＳＢＳ（誘導ブリルアン散乱）、ＳＲＳ（誘る。しかし、遅延特性と帯域はトレードオフの関係に導ラマン散乱）による slow light 生成の研究を行った。

あり、実システムではブリルアン増幅を用いた場合、1その結果、テルライト(TeO2 を主成分とするガラス）ビット程度のメモリーが実現できるに過ぎず、位相シファイバのＳＲＳを利用した場合、石英ファイバの 80フターへの応用ができる程度と考えられている。した倍以上の slow light 生成効率を持ちえることを明らかがって、何らの手法を用いて実システムの信号帯域でにした(1)。また、テルライトファイバのＳＢＳ特性をは十分なメモリー容量を実現する遅延特性を達成するこ

じめて明らかし、遅延効果を解析した結果、図１に示とが課題である。

すようにテルライトファイバのＳＢＳを利用した場合、増幅帯域を拡大するひとつの方法として複数の波長

たとえば 200m 長のとき、石英ファイバの 180 倍以上の遅延効果を持ちえることを明らかにした(2)。

を励起光とする他波長励起が考えられるが、ＳＢＳの効率が上げられないとトータルの励起量が増え電力消費

また、現在、slow light 特性が検討されている酸化ビ量の観点から実用性がない。そのため増幅効率を上げスマス系の光ファイバやカルコゲナイド光ファイバとる観点から非線形性の高いカルコゲナイドファイバや比較しても優れた特性を持つことを明らかした。たと酸化ビスマスガラス光ファイバを用いた slow light 生

えば、テルライト光ファイバなどの酸化物系のファイ成の実験が行われているが、損失低減が困難であり特バと比べ非常に大きい非線形性を有するカルコゲナイ

性向上が難しく実用性が確認できる段階には至ってドガラスと比較しても、3 倍もの遅延効果が実現でき

図１ ブリルアン増幅による各種ファイバの遅延特性の比較

2TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

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Slow light generation by stimulated Brillouin scatteringる(2)。これは、テルライトファイバがカルコゲナイド

２．零利得法（ZG 法）によるブリルアン利得によるファイバには及ばないものの石英ファイバに比べ 100

スローライトの発生倍近い高い非線形性を有することと、比較的低い伝送2 重利得法（DG (doublet gain) 法）との対比のため損失を持つためである。筆者らはテルライトファイバ

ZG (Zero gain) 法によるパルス遅延の特性の検討結果

がＳＢＳを利用した遅延ファイバデバイスを実現するについて述べる。これまで、ZG 法によるパルス遅延有力なファイバであると考えている。の特性の詳細解析が成されていなかった。通常のブリ本研究はブリルアン増幅を利用したファイバ型の可ルアン利得によるパルス遅延では、図２に示すように変光バッファを実現することを目的とする。本研究で励起光量を増大させると利得飽和が顕著になり、遅延は、ブリルアン増幅を利用した場合でも遅延に伴うパ量が著しく飽和する傾向にあった。たとえば、１W 近ルスの広がりを遅延と同時に補償できる機構を持つ可い励起をしたとしても遅延量は高々12ns 程度であっ変遅延媒体を開発することにより、これまで困難であた。この利得飽和を抑え、遅延量を増大させる手法がった遅延時間とビットレートで決まるメモリー容量のZG 法である。図２で示したように励起光として２つ増大を目指す。の周波数（波長）f p 1 および f p 2 を用いて励起する。そまた、現在、石英ファイバが遅延媒体として主に研れぞれの励起光による誘導アンチストークス散乱と誘究されており、パラメトリック増幅を利用した波形整導ストークス散乱との周波数を一致させる。アンチス形を利用すればＷレベルに近い励起光が必要になり、トークス散乱による損失スペクトルを変調周波数を上実用性がなくなる。しかし、テルライトファイバを利げて広くし、また誘導ストークス散乱による利得量を用すれば、1dB/mW 以上の利得効率が実現できるため、相殺させて利得が零となるようにする。その結果、図実用的なものが開発できる。したがって、テルライト

３(a)で示したような利得スペクトル、図３(b)で示しファイバを遅延媒体に利用すれば、ＳＢＳによる遅延効たような群屈折率変化スペクトルが得られる。ZG 法率も高く、また高効率な波形整形もできるため、遅延では群屈折率変化スペクトルがブリルアン利得のみとと遅延によるパルス広がりの補償を同時に実行でき、比較してより急峻な変化を示すことがわかる。

その結果ＳＢＳを使ったバッファメモリー容量を拡大

図４(a)、(b)はそれぞれ ZG 法によるパルス遅延時した実用的なバッファメモリーが実現できると期待で間とパルス広がり因子（入射パルス幅に対する出射パきる。以下、本研究で得られた成果を報告する。

ルス幅の比であり、１より大きければパルスは広がっ

図２ ブリルアン増幅によるパルス遅延特性．挿入図はパルス広がり因子の励起光量依存性

3TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

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図３ 零利得法（ZG 法）によるブリルアン利得の波長依存性（a）利得スペクトル、（ｂ）群屈折率変化

図４ ZG 法によるパルス遅延時間とパルス広がり因子のブリルアン利得と損失スペクトル幅の比（β）依存性ていることを示す。）のブリルアン利得と損失スペクト遅延量となっている。また、広がり因子は 3 程度にもル幅の比（β）でプロットしたものである。励起光量なることが分かる。このように、ZG 法ではパルス遅およびスペクトル幅の比（β）を大きくするに従い、延は大きくなるもの、パルスは遅延により広がること遅延量は大きくなり 250ns にも達することが分かる。

を定量的に明らかにした(3),(4)。次にこのパルスは遅延

これは、図２のブリルアン利得によるものの 20 倍以上による広がりを抑える手法を検討した。
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３．２重利得法（DG 法）によるブリルアン利得によるした相対遅延とパルス広がり因子の関係を示している。
Δ を大きくすることにより、パルス広がり因子は小さ

スローライトの発生
この手法は図５に示すように、２つの励起光を使いくなり、1 よりも小さくなり、パルスの圧縮を起こさ２つのブリルアン増幅帯を発生させてその全体の増幅せることができることがわかる。また、遅延もマイナスペクトルにより遅延の発生およびパルス波形の制御

スの遅延、つまり、ファストライト（fast light）の発(5)を行う方法である 。ブリルアン増幅スペクトルの幅生ができることがわかる。図６(b) (c) は Δ と相対遅延を ΓB、２つのブリルアン増幅スペクトルの間隔を 2Δとパルス広がり因子の関係を示したものであり、(c)はとする。
今後 Δ は ΓB をユニットして規格化して示す。

(b)を拡大したものである。相対遅延が１程度であり、図６(a)は Δ の変化による遅延量をパルス幅で規格化

パルス広がり因子は 1.4 以下から圧縮（1 以下）までで

図５

図６2 重利得法（DG 法）によるブリルアン利得(a):Δの変化による遅延量をパルス幅で規格化した相対遅延とパルス広がり因子の関係、(b): Δと相対遅延とパルス広がり因子の関係、(c): (b)を拡大したもの

5TELECOM FRONTIER No.76 2012 SUMMER

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きることが分かる。

りを抑えてパルスの遅延を起こさせることができるこ

図７(a) (b) は Δ による遅延の起こり方の変化を示しとを明らかにした。また、本手法はパルス波形の広がている。(a) の Δ＝0.7ΓB では、パルスが広がらずに遅りを抑えるだけでなく、圧縮も起こさせることができ、延していることが分かる。(b) の Δ＝0.9ΓB では、パル波形整形への応用が可能であることを明らかにした。

スの壊れる（パルスブレーキングが起こっている。
）こ実験により本手法の効果を検証した。図８は、DGとが分かり Δ を 0.9ΓB 以上にはできないことが分かる。

法によるスローライト発生のための実験構成図である。

これらの解析により DG 法によりパルス波形の広が

波長 1550nm の LD 光源の光を 2 分岐して一方を励起(b)(a)
図７

Δによるパルス遅延の起こり方の変化

図８ DG 法によりスローライト発生のための実験構成図

6

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光、他方を信号光とした。励起光は MZM (マッハツェ

おこること、10MHz 以下であればパルスの広がりは起ンダー変調器) による変調をかけて２つ波長の励起光こらずにパルス遅延が起こることが分かる。10MHz のを得て 2 重利得を実現した。変調周波数を変えることときの相対遅延（パルス幅で規格化）は、約 0.9 であにより Δ を変化させた。信号光も変調器を通すことにった。このように、DG 法によれば、パルス広がりをよりパルス光とした。

起こさせずに遅延を起こさせる、つまり、スローライ

図９(a) (b) は、それぞれ MZM の周波数によるパルストを発生させることができることを実験的に初めて実波形の変化および相対パルス遅延 （パルス幅で規格証した。図１０ は MZM の変調周波数が 30MHz 以上の化）とパルスの広がりまたは圧縮をプロットしたもの

場合の光パルスの変化である。理論で予想されたようである。特に(a)中の挿入図のスペクトルは、MZM のにパルスブレーキングを起こっていることが検証でき周波数による利得スペクトルの変化を示している。

た。したがって、MZM の変調周波数には上限が存在

MZM の変調周波数が上がるにつれてパルスの遅延がすることが実証できた。

図９ DG 法における MZM の周波数によるパルス波形の変化(a)（ブリルアン励起光量は 80mW.挿入図は MZM の周波数によるブリルアン利得スペクトルの変化）および相対パルス遅延（パルス幅で規格化）とパルスの広がりまたは圧縮の関係(b)7

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図１０

DG 法における MZM の周波数が 30 から 40MHz 時のパルス形状の変化 （ブリルアン励起光量は 80mW ）４．分散シフト微細構造テルライト光ファイバの作製域で高効率パラメトリック利得を実現させるのに必要誘導ブリルアン増幅による波形歪みを補償するためな零分散化することは困難であった。図１１に示す構造の手法としてパラメトリック利得等の非線形効果によの微細構造テルライト光ファイバの作製に成功し、零る高効率波形整形が考えられる。テルライトファイバ分散化に成功した (6)。図１１は図１２ に示したそれぞれは高非線形を有しているが、通信波長帯を含む近赤外のファイバの波長分散スペクトルである。近赤外域で

SHF

MHFLHF

図１１ 試作に成功した微細構造テルライト光ファイバの断面写真

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波長分散が零になっていることが分かる。この微細構

帯域は 70nm 以上あることが確認できた。このパラメ

造テルライト光ファイバを用いて通信波長帯域におけトリック増幅は高効率波形整形に応用が可能であるとる広帯域パラメトリック利得確認に成功した（図１３）。

考えている。

図１２ 図９に示した微細構造テルライトファイバの波長分散スペクトル

図１３ 微細構造テルライトファイバによるパラメトリック波長変換特性．励起波長は 1560nm.

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５．まとめ

fiber with multi-ring holes for supercontinuum

誘導ブリルアン増幅によるパルス歪みを抑制し，パgeneration”, Opt. Express, Vol. 17, pp.15481-15490,

ルス広がりを抑えた誘導ブリルアン散乱によるスロー(2009).

ライト生成を実現するため、零利得法（ZG 法）および 2 重利得法（DG 法）の理論的および実験的検証を行い、その有効性を明らかにした。また、誘導ブリルアン増幅による波形歪みを補償するための手法として非線形効果による高効率波形整形を実現するため、1.55μm 帯分散シフト高非線形微細構造テルライト光ファイバの作製に成功してパラメトリック利得の確認した。また、DG 法と ZG 法を併せた DG-ZG 法は、励起効率が向上すれば実用性があると考えられる。パラメトリック増幅による波形整形や DG-ZG 法はパルス広がりを抑える有効な手法として今後引き続き検討する。
参考文献(1) G. Qin, R. Jose and Y. Ohishi, “Stimulated Raman
scattering in tellurite glasses as a potential system forslow light generation”, J. Appl. Phys. Vol.101,
pp.093109-1 – 093109-5, (2007).
(2) G. Qin, H. Sotobayashi, M. Tsuchiya, A. Mori and Y.
Ohishi, “Stimulated Brillouin Amplification in aTellurite Fiber as a Potential System for Slow Light
Generation”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 46, pp.L810–
L812, (2007).
(3) G. Qin, T. Suzuki and Y. Ohishi, “Numerical Modelingof Zero-Gain Brillouin Slow Light in a Tellurite Fiber”,
Jpn. J. Appl. Phys. Vol.47, pp.4589-4591,(2007).
(4) G. Qin, T. Suzuki, Y. Ohishi, “Zero-broadening andpulse compression Brillouin slow light based on
doublet gain lines in an optical fiber”, Technical CD,
CLEO/IQEC2009, JWA59, (2009).
(5) G. Qin, T. Sakamoto, N. Yamamoto, T. Kawanishi, H.
Sotobayshi, T. Suzuki, Y. Ohishi, “Tunable all-opticalpulse compression and stretching via doublet Brillouingain lines in an optical fiber”, Opt. Lett., Vol. 34,
pp.1192-1194, (2009).
(6) M. Liao, X. Yan, G. Qin, C. Chaudhari, T. Suzuki, Y.

この研究は、平成１９年度ＳＣＡＴ研究助成の対象としてOhishi, “A highly non-linear tellurite microstructure採用され、平成２０年度～２２年度に実施されたものです。
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