JP4499495B2 - パルス光伝送装置及びパルス光伝送調整方法 - Google Patents

Description

本発明は、パルス光を伝送するパルス光伝送装置、及びパルス光の伝送条件を調整するパルス光伝送調整方法に関するものである。

近年、パルスレーザ光源において、フェムト秒領域の超短パルスレーザ光源の開発が進められている。このようなレーザ光源によって生成されるフェムト秒パルス光を産業上の様々な分野に応用するため、その光学系の簡略化、あるいは操作性の向上の観点から、光ファイバによるパルス光伝送が検討されている。また、一般的な光ファイバを用いたレーザ光の伝送については、特許文献１、２にマルチモードファイバを用いたＣＷレーザ光の伝送に関する記載がある。
特開平８−１６７７５４号公報 特開平１１−１４８６９号公報

光ファイバを用いてフェムト秒パルス光を伝送する場合、光ファイバ中での波長分散や自己位相変調などによるパルス光の波形歪みの発生が問題となる。例えば、マルチモードファイバを用いた光の伝送では、低次伝搬モードから高次伝搬モードまでの多くのモードが混在して伝送される。このとき、パルス光伝送による遅延時間がモード毎に生じる（多モード分散）ため、出力パルス光の時間波形が歪み、結果としてマルチモードファイバの帯域が劣化する。特に、広帯域のスペクトル成分を有するパルス光を伝送させる場合、同じスペクトル成分でも上記のように伝搬モードによって位相特性が異なるため、伝搬モードなどの伝送状況の変化によって出力パルス光の波形が変化することとなる。

また、マルチモードファイバでは、その伝送帯域は伝送損失が６ｄＢになる周波数によって定義されているが、コア径が５０μｍのマルチモードファイバでの代表的な帯域の値は５００ＭＨｚ・ｋｍである。この場合、長さ１００ｍの光ファイバで帯域が５ＧＨｚとなり、伝送可能なパルス光の最短パルス幅は概算で５ＧＨｚの逆数、すなわち０．２ｎｓとなる。このことから、広帯域スペクトルのフェムト秒パルス光を１００ｍもの長さのマルチモードファイバを用いて伝送することは困難であると考えられる。

上記の理由により、広帯域のスペクトル成分を有するパルス光の伝送には、通常、シングルモードファイバが用いられる。しかしながら、シングルモードファイバを用いたパルス光の伝送では、シングルモードファイバはマルチモードファイバに比べて破壊閾値が低く、大きいエネルギーのパルス光を伝送することができないなどの制限があるという問題がある。

本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、光ファイバを用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を好適に伝送することが可能なパルス光伝送装置、及びパルス光伝送調整方法を提供することを目的とする。

本願発明者は、上記した光ファイバによるフェムト秒パルス光の伝送について検討を重ねた結果、光ファイバへのパルス光の入力条件を好適に制御することにより、光ファイバとしてマルチモードファイバを用いた場合であってもパルス光の伝送が可能となることを見出し、本発明に到達した。

すなわち、本発明によるパルス光伝送装置は、（１）所定波長のパルス光を出射するパルス光源と、（２）パルス光を伝送するマルチモードファイバと、（３）パルス光源から出射されたパルス光を、マルチモードファイバの光軸に対してパルス光の入力軸を一致させ、マルチモードファイバの中心近傍の位置にパルス光を入力する入力条件でマルチモードファイバへと入力する入力光学系と、（４）マルチモードファイバを伝送されるパルス光の分散補償条件を含む伝送条件を、マルチモードファイバの入力側及び出力側の少なくとも一方において、マルチモードファイバでの伝送によって生じる出力パルス光の広がりが小さくなるように制御するパルス光制御手段とを備えることを特徴とする。

上記したパルス光伝送装置においては、パルス光の伝送にマルチモードファイバを用いるとともに、マルチモードファイバに対するパルス光の入力条件を所定の伝搬モードでの伝送が可能な条件に設定する入力光学系を設置している。このような入力光学系を設けることにより、マルチモードファイバを用いてフェムト秒パルス光などの短パルス光を好適に伝送することが可能となる。また、マルチモードファイバでは、例えば大きいエネルギーのパルス光の伝送など、様々な条件でのパルス光伝送が可能となる。さらに、上記装置では、入力光学系に加えて、伝送されるパルス光の伝送条件を制御するパルス光制御手段を設けている。これにより、伝送装置からの出力パルス光として、好適な特性のパルス光を得ることができる。

ここで、パルス光源は、パルス光としてパルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源であることが好ましい。上記構成のパルス光伝送装置は、特にこのような短パルス幅のパルス光の伝送に対して有効である。また、パルス光を伝送するマルチモードファイバは、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバであることが好ましい。

また、パルス光制御手段は、マルチモードファイバを伝送されるパルス光に対して所定の変調を付与するための光変調手段を含むことが好ましい。このような光変調手段を用いることにより、例えばパルス光への所望の情報の付加など、様々なパルス光伝送の制御が可能となる。

また、パルス光伝送装置は、マルチモードファイバによるパルス光の伝送状況を評価する伝送評価手段と、伝送評価手段による伝送状況の評価結果に基づいて、入力光学系及びパルス光制御手段の少なくとも一方の動作を制御する伝送制御手段とを備える構成としても良い。このような構成では、マルチモードファイバによるパルス光伝送を精度良く制御することが可能となる。

また、パルス光をマルチモードファイバへと所定の入力条件で入力するための光学系の具体的な構成例としては、入力光学系が、パルス光を集光しつつマルチモードファイバへと入力するための平凸レンズを有する構成がある。

この場合、入力光学系は、パルス光源及び平凸レンズの間の所定位置に設置された板状部材を有し、板状部材は、平凸レンズの平面でパルス光の一部が反射された平面反射像、及び平凸レンズの凸面でパルス光の一部が反射された凸面反射像の観察に用いることが可能に構成されていることが好ましい。このような構成によれば、入力光学系によるマルチモードファイバへのパルス光の入力条件を好適に設定、あるいは調整することが可能となる。また、このような板状部材としては、パルス光源及び平凸レンズの間に設置されてパルス光が開口部を通過するアパーチャを用いることが好ましい。

また、さらに一般的な構成例としては、入力光学系が、パルス光を集光しつつマルチモードファイバへと入力するためのレンズを有する構成がある。この場合、入力光学系は、パルス光源及びレンズの間の所定位置に設置された板状部材を有し、板状部材は、レンズの光出射側の面でパルス光の一部が反射された第１の反射像、及びレンズの光入射側の面でパルス光の一部が反射された第２の反射像の観察に用いることが可能に構成されていることが好ましい。このような構成によっても、入力光学系によるマルチモードファイバへのパルス光の入力条件を好適に設定、あるいは調整することが可能となる。

本発明によるパルス光伝送調整方法は、（ａ）所定波長のパルス光を出射するパルス光源、パルス光を伝送するマルチモードファイバ、及びパルス光源から出射されたパルス光を集光しつつマルチモードファイバへと入力するレンズを所定の位置関係で設置する設置ステップと、（ｂ）パルス光源からマルチモードファイバへとパルス光を出射させ、レンズの光出射側の面でパルス光の一部が反射された第１の反射像、及びレンズの光入射側の面でパルス光の一部が反射された第２の反射像を観察する観察ステップと、（ｃ）第１の反射像及び第２の反射像の観察結果に基づいてマルチモードファイバへのパルス光の入力条件を調整することによって、マルチモードファイバでのパルス光の伝送の伝搬モードを調整する調整ステップとを備えることを特徴とする。

上記したパルス光伝送調整方法においては、マルチモードファイバを用いたパルス光の伝送について、マルチモードファイバへのパルス光の入力光学系としてレンズを設置するとともに、そのレンズからのパルス光の反射像を利用してパルス光の入力条件を調整している。これにより、マルチモードファイバを用いてフェムト秒パルス光などの短パルス光が好適に伝送されるように、その入力条件、及びマルチモードファイバでの伝搬モードなどの伝送条件を調整することが可能となる。

この場合、設置ステップにおいて、パルス光源及びレンズの間の所定位置に板状部材を設置し、観察ステップにおいて、板状部材を用いて第１の反射像及び第２の反射像を観察することが好ましい。このような構成によれば、レンズを含む入力光学系によるマルチモードファイバへのパルス光の入力条件の調整を、確実かつ簡単な方法で実行することが可能となる。

また、パルス光伝送調整方法は、（ａ）所定波長のパルス光を出射するパルス光源、パルス光を伝送するマルチモードファイバ、及びパルス光源から出射されたパルス光を集光しつつマルチモードファイバへと入力する平凸レンズを所定の位置関係で設置する設置ステップと、（ｂ）パルス光源からマルチモードファイバへとパルス光を出射させ、平凸レンズの平面でパルス光の一部が反射された平面反射像、及び平凸レンズの凸面でパルス光の一部が反射された凸面反射像を観察する観察ステップと、（ｃ）平面反射像及び凸面反射像の観察結果に基づいてマルチモードファイバへのパルス光の入力条件を調整することによって、マルチモードファイバでのパルス光の伝送の伝搬モードを調整する調整ステップとを備えることが好ましい。

上記したパルス光伝送調整方法においては、マルチモードファイバを用いたパルス光の伝送について、マルチモードファイバへのパルス光の入力光学系として平凸レンズを設置するとともに、その平凸レンズからのパルス光の反射像を利用してパルス光の入力条件を調整している。これにより、マルチモードファイバを用いてフェムト秒パルス光などの短パルス光が好適に伝送されるように、その入力条件、及びマルチモードファイバでの伝搬モードなどの伝送条件を調整することが可能となる。

本発明のパルス光伝送装置及びパルス光伝送調整方法によれば、パルス光の伝送にマルチモードファイバを用いるとともに、マルチモードファイバに対するパルス光の入力条件を所定の伝搬モードでの伝送が可能な条件とする入力光学系を用いることにより、マルチモードファイバを用いてフェムト秒パルス光などの短パルス光を好適に伝送することが可能となる。

以下、図面とともに本発明によるパルス光伝送装置、及びパルス光伝送調整方法の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。

図１は、本発明によるパルス光伝送装置の第１実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。パルス光伝送装置１Ａは、光ファイバを用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を伝送する装置である。本実施形態によるパルス光伝送装置１Ａは、パルスレーザ光源１０と、マルチモードファイバ１５と、入力光学系２０と、出力光学系２５と、パルス光制御部３０とを備えている。

パルスレーザ光源１０は、本伝送装置１Ａでの伝送対象となる所定波長のパルス光（所定波長帯域のスペクトル成分を有するパルス光）を出射するパルス光源である。また、このパルス光源１０から出射されたパルス光を伝送するための光ファイバとして、マルチモードファイバ１５が所定の伝送経路に沿って設置されている。

パルス光源１０とマルチモードファイバ１５との間には、入力光学系２０が設けられている。この入力光学系２０は、パルス光源１０から出射されたパルス光を、所定の入力条件でマルチモードファイバ１５へと入力端１５ａから入力する光学系である。また、入力光学系２０を構成する光学要素と、マルチモードファイバ１５の入力端１５ａ側の所定部分とは、好ましくは、図１に模式的に示すように、互いに位置決めされた状態で保持機構（制御機構）２０ａによって一体に保持される。

入力光学系２０は、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件が、マルチモードファイバ１５において所定の伝搬モードでのパルス光伝送が可能な条件、好ましくは基本モードだけが伝搬するシングルモードのパルス光伝送が可能な条件となるように構成されている。また、マルチモードファイバ１５の出力端１５ｂ側には、必要に応じて出力光学系２５が設けられる。

また、パルス光源１０と入力光学系２０との間には、パルス光制御部３０が設けられている。パルス光制御部３０は、マルチモードファイバ１５を伝送されるパルス光の伝送条件を制御するための制御手段である。このように、パルス光制御部３０でパルス光の伝送条件を制御することにより、伝送装置１Ａからの出力パルス光の特性を制御することができる。本実施形態においては、このパルス光制御部３０は、マルチモードファイバ１５を伝送されるパルス光の分散補償条件を制御する分散補償部３１と、パルス光に対して所定の変調を付与するための光変調部３２とを含んで構成されている。なお、入力光学系２０及びパルス光制御部３０の構成等については、具体的には後述する。

上記実施形態によるパルス光伝送装置１Ａの効果について説明する。

図１に示したパルス光伝送装置１Ａにおいては、パルス光源１０から出射されるパルス光を伝送する光ファイバとして、マルチモードファイバ１５を用いている。これにより、シングルモードファイバを用いた場合に比べて、例えば大きいエネルギーのパルス光の伝送など、様々な条件でのパルス光伝送が可能となる。これは、フェムト秒パルス光などのパルス光を産業上の様々な分野に応用する上で非常に有用である。

また、このマルチモードファイバ１５を用いたパルス光伝送のため、マルチモードファイバ１５に対するパルス光の入力条件を所定の伝搬モードでの伝送が可能な条件に設定する入力光学系２０を設置している。このような入力光学系２０を設けることにより、マルチモードファイバ１５を用いてフェムト秒パルス光などの短パルス光を好適に伝送することが可能となる。例えば、マルチモードファイバ１５の光軸に対してパルス光の入力軸を充分な精度で一致させ、マルチモードファイバ１５の中心近傍の位置にパルス光を入力することにより、基本モードだけが伝搬するパルス光のシングルモード伝送を実現することも可能である。

ここで、伝送対象となるパルス光を出射するパルス光源としては、パルス光伝送装置の用途等に応じて様々なものを適用して良いが、特に、パルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源を用いることが好ましい。上記構成のパルス光伝送装置１Ａは、特にこのようなフェムト秒領域で短パルス幅のパルス光の伝送、例えば、広帯域のスペクトル成分を有するフェムト秒パルス光の伝送に対して有効である。このようなパルスレーザ光源としては、例えば、チタンサファイアレーザがある。また、このようなパルス光源は、単一のパルス光を出射する構成、または、複数のパルス光を合成して出射する構成として良い。

また、パルス光源として、レーザ光源を１次光源とし、１次光源から供給されたレーザ光を媒質中で伝搬させることによって発生する２次的な光を伝送対象のパルス光として出射する構成を用いても良い。このような２次的な光の発生に用いられる媒質としては、例えばフォトニック結晶、非線形光学結晶などが挙げられる。

また、入力光学系２０において制御されるパルス光のマルチモードファイバ１５への入力条件としては、具体的には例えば、入力端１５ａでのパルス光の入力位置（集光位置）の他、集光径、開口数、光強度、伝搬方向、空間分布、または入力する際の波面の傾き、あるいはそれらの組合せがある。また、パルス光の伝送に用いるマルチモードファイバとしては、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバを用いることが好ましい。あるいは、ステップインデックス型のマルチモードファイバを用いても良い。

さらに、上記したパルス光伝送装置１Ａでは、パルス光源１０及びマルチモードファイバ１５に対し、入力光学系２０に加えて、パルス光制御部３０を設けている。このようなパルス光制御部３０でパルス光の伝送条件を制御することにより、伝送装置１Ａからの出力パルス光として、好適な特性のパルス光を得ることができる。特に、パルス光の伝送においては、マルチモードファイバ１５での分散が問題となる。これに対して、パルス光制御部３０は、上記したように、マルチモードファイバ１５においてパルス光に生じる分散を補償する分散補償手段の機能を有し、伝送条件としての分散補償条件を制御するように構成されている。

このパルス光制御部３０については、分散補償条件以外の伝送条件についても制御する構成としても良い。そのような制御対象としては、例えばパルス光の波形がある。この場合、制御されるパルス光の波形のパラメータとしては、例えば、パルス光の時間波形の形状自体、パルス幅、パルス強度、などが挙げられる。

また、図１の構成では、パルス光制御部３０は、パルス光に変調を付与する光変調部３２を有している。このような光変調部３２を用いることにより、例えばパルス光への所望の情報の付加など、様々なパルス光伝送の制御が可能となる。光変調部３２によるパルス光の変調については、具体的には、パルス光源１０から出射されるパルス光に対し、その波長毎の振幅（強度）、位相、及び偏光の少なくとも１つを変調する構成とすることが好ましい。

なお、このパルス光制御部３０については、図１ではマルチモードファイバ１５に対して入力側に配置しているが、出力側に配置する構成としても良く、あるいは、入力側及び出力側の両方に配置する構成としても良い。一般には、パルス光制御部３０は、マルチモードファイバ１５の入力側及び出力側の少なくとも一方においてパルス光を制御する構成であれば良い。例えば、パルス光を変調して情報を付加した状態で伝送する場合、パルス光制御部３０のうちでパルス光への情報の付加に用いる部分をマルチモードファイバ１５の入力側に、分散補償などの伝送条件の制御等に用いる部分を入力側または出力側に配置する構成を用いることができる。

また、パルス光制御部３０の具体的な構成及び機能については、図１に示した構成に限定されるものではなく、様々な構成を用いて良い。例えば、光変調部３２によるパルス光に対する変調の付与は、不要であれば行わない構成としても良い。また、分散補償部３１による分散補償、及び光変調部３２による変調の付与は、必ずしも別個に行う構成でなくても良い。したがって、分散補償部３１及び光変調部３２としては、別々の光学系を用いる構成、あるいは、単一の光学系を用いる構成のいずれも可能である。また、入力光学系２０及びパルス光制御部３０の全体を、両者の機能を併せ持つ単一の光学系から構成することも可能である。

図２は、本発明によるパルス光伝送装置の第２実施形態の構成を模式的に示すブロック図である。本実施形態によるパルス光伝送装置１Ｂは、図１に示した構成に加えて、伝送評価部４０と、伝送制御部４５とを備えている。

伝送評価部４０は、マルチモードファイバ１５によるパルス光の伝送状況を評価する評価手段である。具体的には、伝送評価部４０は、パルス光源１０から出射されてマルチモードファイバ１５の入力端１５ａへと入力されるパルス光、またはマルチモードファイバ１５を伝送されて出力端１５ｂから出力されるパルス光の一方または両方を計測し、その計測結果を参照してマルチモードファイバ１５でのパルス光の伝送状況を評価する。この伝送評価部４０での伝送状況の評価結果は、伝送制御部４５へと入力されている。伝送制御部４５は、伝送評価部４０によるパルス光の伝送状況の評価結果に基づいて、入力光学系２０及びパルス光制御部３０の少なくとも一方の動作を制御する制御手段である。

このように、伝送評価部４０及び伝送制御部４５を備えた構成では、マルチモードファイバ１５でのパルス光の実際の伝送状況に応じて、精度良くパルス光伝送を制御することが可能となる。例えば、伝送制御部４５によってパルス光制御部３０の動作を制御した場合、伝送装置１Ｂからの出力パルス光の波形等を精度良く制御することができる。また、伝送制御部４５によって入力光学系２０の動作を制御した場合、マルチモードファイバ１５でのパルス光の伝送の伝搬モードを精度良く制御することができる。

なお、入力光学系２０においてマルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件を制御する場合には、マルチモードファイバ１５に対するパルス光の入射位置、及び入射角度を制御することが好ましい。このような入力条件の制御は、入力光学系２０を構成する各光学要素に対して調整機構を付加することによって実現できる。このような調整機構としては、例えば、光学要素の３次元的な位置や傾きを調整する機構を付加すれば良い。あるいは、入力光学系２０側ではなく、マルチモードファイバ１５の位置や傾きを調整する構成としても良い。

本発明によるパルス光伝送装置の具体的な構成、及びマルチモードファイバでのパルス光の伝送条件を調整するためのパルス光伝送調整方法についてさらに説明する。

図３は、パルス光伝送装置に用いられる入力光学系の一例を示す構成図である。本構成例においては、入力光学系２０を構成する光学要素として、パルス光源１０から出射されたパルス光を集光しつつマルチモードファイバ１５へと入力するための平凸レンズ２２を用いている。

具体的には、図３においては、平凸レンズ２２の２つのレンズ面のうち、マルチモードファイバ１５側のレンズ面が平面（平坦面）２２ａ、パルス光源１０側のレンズ面が凸面２２ｂとなっている。また、パルス光源１０と平凸レンズ２２との間には、パルス光源１０からマルチモードファイバ１５へと向かうパルス光が開口部２１ｃを通過するアパーチャ２１が設置されており、これらのアパーチャ２１及び平凸レンズ２２によって入力光学系２０が構成されている。

このような構成により、パルス光源１０からのパルス光をマルチモードファイバ１５へと好適な入力条件で入力することができる。また、このような平凸レンズ２２は、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件、及びマルチモードファイバ１５でのパルス光の伝送条件の調整、設定を行う上でも有用である。

具体的には、入力光学系２０の平凸レンズ２２を利用したパルス光伝送調整方法では、まず、パルス光源１０、マルチモードファイバ１５、及び平凸レンズ２２を、それぞれ所定の位置関係となる初期位置に設置する（設置ステップ）。続いて、パルス光源１０からマルチモードファイバ１５へとパルス光を出射させ、平凸レンズ２２の平面２２ａでパルス光の一部が反射された平面反射像、及び凸面２２ｂでパルス光の一部が反射された凸面反射像を観察する（観察ステップ）。

そして、平面反射像、及び凸面反射像の観察結果に基づいて、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件を調整する。具体的には、平凸レンズ２２の平面２２ａからの平面反射像の中心位置、及び凸面２２ｂからの凸面反射像の中心位置が、マルチモードファイバ１５へと入力されるパルス光の中心軸と一致するように、パルス光源１０、平凸レンズ２２、及びマルチモードファイバ１５の位置関係を調整する。これにより、パルス光の伝送の伝搬モードなど、マルチモードファイバ１５でのパルス光の伝送条件が調整される（調整ステップ）。

このように、平凸レンズ２２からの反射像を利用してパルス光の入力条件を調整する調整方法によれば、マルチモードファイバ１５を用いてフェムト秒パルス光などの短パルス光が好適に伝送されるように、その入力条件、及びマルチモードファイバ１５での伝搬モードなどの伝送条件を調整することが可能となる。

また、平凸レンズ２２からのパルス光の反射像の観察方法については、パルス光源１０及び平凸レンズ２２の間に配置されたアパーチャ２１を用いて平面反射像及び凸面反射像を観察することが好ましい。このような構成によれば、平凸レンズ２２を含む入力光学系２０によるマルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件の調整を、確実かつ簡単な方法で実行することが可能となる。一般には、パルス光源１０及び平凸レンズ２２の間の所定位置に配置された板状部材を用いて平面反射像及び凸面反射像の観察を行う構成とすることが好ましい。また、このような板状部材については、パルス光の入力条件の調整等を終えた後、取り外しが可能な機構を有する構成としても良い。

図４は、図３に示した平凸レンズ２２を含む入力光学系２０を用いて行われるパルス光伝送調整方法について示す模式図である。この図４では、その中心位置に円形状の開口部２１ｃが設けられたアパーチャ２１を、平凸レンズ２２側から見た状態で示し、その下流側の面である反射像観察面２１ａ、観察面２１ａ上に投映された平凸レンズ２２の平面２２ａからの平面反射像Ａ、及び観察面２１ａ上に投映された凸面２２ｂからの凸面反射像Ｂを図示している。また、図中においては、反射像Ａ、Ｂのそれぞれを、斜線を付して模式的に示している。

平凸レンズ２２を介したマルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件が好適に調整された状態では、図４に示すように、平面反射像Ａ、及び凸面反射像Ｂのいずれも、アパーチャ２１の中心軸上の位置を中心とする円形状の光像となる。また、これらの反射像Ａ、Ｂのうち、凸面反射像Ｂは、反射面となる平凸レンズ２２の凸面２２ｂの形状により平凸レンズ２２からアパーチャ２１へと広がりつつ入射するため、その像の大きさが平面反射像Ａよりも大きくなっている。これら２種類の反射像Ａ、Ｂを利用し、反射像Ａ、Ｂがアパーチャ２１の観察面２１ａ上で同心円状のパターンとなるように調整することにより、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件の調整を、簡単な入力光学系２０の構成及び調整方法で実現することができる。なお、マルチモードファイバ１５へのパルス光の具体的な入力条件については、上記したように、マルチモードファイバ１５の中心近傍の位置にパルス光を入力することが好ましい。

上記した入力条件でパルス光源１０とマルチモードファイバ１５とを接続した場合、マルチモードファイバ１５における高次伝搬モードでのパルス光の伝送を抑制して、光ファイバとしてマルチモードファイバ１５を用いたにもかかわらず、実質的に基本モードだけが伝搬するパルス光のシングルモード伝送が実現可能である。また、パルス光の空間モードについては、マルチモードファイバ１５から出力されるパルス光の空間モードを、ガウス型の強度分布に近い良好な分布形状とすることが好ましいと考えられる。したがって、このような空間モードについても考慮しつつ、入力光学系２０によるパルス光の入力条件を調整することが望ましい。

なお、マルチモードファイバ１５の入力端１５ａの端面が平面形状に研磨されている場合には、平凸レンズ２２の平面２２ａ、凸面２２ｂからのパルス光の反射像に加えて、マルチモードファイバ１５の入力端１５ａからの反射像をも入力条件の調整に利用することとしても良い。これにより、入力条件の調整をさらに精度良く行うことができる。

また、このように入力条件の調整を行うための入力光学系の構成としては、一般には、入力光学系２０が、パルス光を集光しつつマルチモードファイバ１５へと入力するためのレンズを有する構成とすれば良い。このような構成によっても、マルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件の調整を、簡単な入力光学系２０の構成及び調整方法で実現することができる。この場合のレンズとしては、平凸レンズに限らず、両面が凸面のレンズを用いても良い。

また、この場合のレンズからの反射像の観察については、入力光学系は、パルス光源及びレンズの間の所定位置に設置されたアパーチャなどの板状部材を有し、板状部材は、レンズの光出射側（マルチモードファイバ側）の面でパルス光の一部が反射された第１の反射像、及びレンズの光入射側（パルス光源側）の面でパルス光の一部が反射された第２の反射像の観察に用いることが可能に構成されていることとすれば良い。

また、上記した例では、パルス光源１０から供給されるパルス光が概ね均一な平面波であることを前提としているが、パルス光の波面が不均一である場合には、空間フィルタ等を介して波面を均一とした後にマルチモードファイバ１５へと入力することが好ましい。また、平凸レンズなどのレンズを用いた構成の入力光学系２０においても、パルス光制御部３０については、入力光学系２０とは別個の光学系として設置する構成、あるいは入力光学系２０によってパルス光制御部３０を兼ねる構成のいずれも可能であることは、図１に関して上述した通りである。

図５は、パルス光伝送装置に用いられるパルス光制御部の一例を示す構成図である。本構成例においては、パルス光制御部３０は、波形整形器３６と、伸張器３７とを有して構成されている。

波形整形器３６は、例えば、入力されたパルス光を回折格子やプリズム等の分光素子によって分光し、その各スペクトル成分（波長成分）に対して変調素子によって変調を付与した後にスペクトル成分を合波するように構成される。図５においては、波形整形器３６は、パルス光源１０からのパルス光を分光する回折格子３６ａ、分光された光を結像する円筒凹面ミラー３６ｂ、凹面ミラー３６ｂから入射されるパルス光の各スペクトル成分に対して位相変調を付与する空間光変調器３６ｃ、変調された光を集光する円筒凹面ミラー３６ｄ、及び集光された光を合波して変調後のパルス光とする回折格子３６ｅから構成されている。

また、伸張器３７は、回折格子やプリズム等の分光素子によってパルス光の各スペクトル成分に対して２次の位相変調を付与するように構成される。図５においては、伸張器３７は、波形整形器３６からのパルス光を分光する回折格子３７ｂ、分光されたパルス光の各スペクトル成分に対して位相変調を付与するための回折格子３７ｃ、及び全反射ミラー３７ｄから構成されている。

また、この伸張器３７には、波形整形器３６の回折格子３６ｅと、伸張器３７の回折格子３７ｂとの間に、一部反射ミラー３７ａが配置されている。この一部反射ミラー３７ａは、波形整形器３６から入力された光を回折格子３７ｂへと透過させるとともに、回折格子３７ｂからの光を反射して入力光学系２０へ向けて出力するために用いられる。

図５に示した構成のパルス光制御部３０を用いたパルス光の波形等の制御について説明する。まず、波形整形器３６に入力されたパルス光源１０からのパルス光は、回折格子３６ａによって分光された後、円筒凹面ミラー３６ｂによって各スペクトル成分がフーリエ面上に空間的に分離した状態で結像される。このフーリエ面上に配置された空間光変調器３６ｃでは、これらのパルス光のスペクトル成分に対して、それぞれ独立した位相変調が付与される。変調されたパルス光のスペクトル成分は、円筒凹面ミラー３６ｄ及び回折格子３６ｅによって合波される。この波形整形器３６では、主として、伸張器３７では補正しきれない分の補正が行われる。

また、伸張器３７に入力された波形整形器３６からのパルス光は、回折格子３７ｂ、３７ｃによって２次の位相変調が付与された後、全反射ミラー３７ｄによって反射され、再び回折格子３７ｃ、３７ｂで回折されて、反射ミラー３７ａを介して出力される。この伸張器３７では、主として、２次の位相分散に対する補正が行われる。なお、このような構成において、全反射ミラー３７ｄを紙面に対して垂直方向にあおることにより、回折格子３７ｂ、３７ｃの位置では入力時と出力時とでパルス光の位置が上下に分離され、変調後のパルス光の取り出しが容易となる。この場合、例えば、一部透過ミラー３７ａを全反射ミラーとし、パルス光の出力光路のみに対して配置する構成としても良い。

このように波形整形器３６及び伸張器３７を有するパルス光制御部３０は、分散補償部３１及び光変調部３２の機能を併せ持っている。また、パルス光制御部３０については、図５に示した構成例以外にも、様々な構成を用いて良い。例えば、図５において、波形整形器３６と伸張器３７との設置順序は逆でも良く、また、いずれか一方のみを設置する構成としても良い。また、パルス光制御部３０に用いられる光変調器としては、位相パターンを制御可能な空間光変調器や固定位相パターンの光変調器などの位相変調素子を用いることができる。あるいは、空間光変調器の前後に偏光子を配置することにより、パルス光の各スペクトル成分に対して強度変調を付与することも可能である。

図６は、パルス光伝送装置の他の例を示す構成図である。本構成例においては、図５に示した構成に加えて、伝送評価部４０として機能するパルス幅計測器４１と、伝送制御部４５とを備えている。

パルス幅計測器４１は、マルチモードファイバ１５を伝送されて出力端から出力されるパルス光のパルス幅を計測する計測手段である。本構成例では、このパルス幅計測器４１による出力パルス光のパルス幅の計測結果に基づいて、マルチモードファイバ１５でのパルス光の伝送状況が評価される。伝送制御部４５は、図２に関して上述したように、伝送評価部４０であるパルス幅計測器４１による評価結果に基づいて、入力光学系２０及びパルス光制御部３０の少なくとも一方の動作を制御する。このような伝送条件の制御は、例えば、マルチモードファイバ１５での伝送によって生じる出力パルス光の広がりが小さい場合を好ましい伝送状況とする制御基準に基づいて実行することができる。

伝送制御部４５によってパルス光制御部３０の動作を制御する場合、図６に示した構成では、伝送制御部４５が波形整形器３６の空間光変調器３６ｃでの位相変調パターンを制御する構成を用いることができる。あるいは、パルス光制御部３０の他の光学要素を制御する構成としても良い。

また、伝送制御部４５によって入力光学系２０の動作を制御する場合、伝送制御部４５が入力光学系２０に設けられた集光レンズ（例えば図３に示した平凸レンズ２２）の位置及び傾きを制御する構成を用いることができる。また、パルス光の伝送に用いられるマルチモードファイバ１５に制御機構が付加されている場合には、マルチモードファイバ１５の入射端の位置及び傾きを制御する構成としても良い。

以下、図６に示した構成を参照しつつ、パルス光伝送装置のマルチモードファイバにおけるパルス光の伝送条件、及びその調整の実施例について説明する。

ここでは、溝本数１２００本／ｍｍの回折格子３６ａ、３６ｅ、及び曲率半径５００ｍｍの円筒凹面ミラー３６ｂ、３６ｄを用いて波形整形器３６を構成する。また、光の入射角度が２４°となるように設置された溝本数１８００本／ｍｍの回折格子３７ｂ、３７ｃを用いて伸張器３７を構成し、回折格子３７ｂから１３００ｍｍ程度の空間を伝搬した後に回折格子３７ｃで平行光とされる構成とする。

また、一部透過ミラー３７ａを介してパルス光制御部３０から出力されたパルス光に対し、入力光学系２０において焦点距離５０ｍｍの平凸レンズを設置する。また、パルス光を伝送するマルチモードファイバ１５としては、コア径５０μｍ、長さ９６ｍのマルチモードファイバを用いる。また、平凸レンズ及びマルチモードファイバには、それぞれ位置及び傾きを制御する制御機構が付加されている。一方、マルチモードファイバ１５を伝送された出力パルス光に対し、パルス幅計測器４１として自己相関器を設置し、マルチモードファイバ１５の出力端から出力されたパルス光が１０倍の対物レンズを介してコリメートされた後に、自己相関器へと導かれる構成とする。

自己相関器は、計測対象として入射したパルス光のパルス幅に依存した電気信号を出力する。本実施例では、パルス幅が短くなると自己相関器からの出力信号強度が大きくなるように構成している。なお、伝送評価部４０については、パルス幅計測器４１である自己相関器に限定されるものではない。例えば、マルチモードファイバ１５から出力されるパルス光のスペクトルに対して評価、制御を行う場合には、伝送評価部として分光器を用いることができる。また、パルス光の空間モードに対して評価、制御を行う場合には、伝送評価部としてＣＣＤカメラを用いることができる。

自己相関器からの出力信号は、伝送制御部４５を構成するコンピュータに入力される。伝送制御部４５は、自己相関器からの信号強度が大きくなるように入力光学系２０及びパルス光制御部３０の動作を制御する。この場合、伝送制御部４５による伝送条件の制御の試行回数が多くなるにしたがって、短い出力パルス幅が達成されて、自己相関器からの出力信号強度が大きくなる。

また、図３に示したように平凸レンズ２２からの反射像を観察する構成において、アパーチャ２１での反射像Ａ、ＢをＣＣＤカメラ等によってモニタし、そのモニタ結果をパルス光の伝送状況の評価結果として伝送条件の制御を行う構成とすることも可能である。

図７は、パルスレーザ光源１０から出射されるパルス光の自己相関波形を示すグラフであり、横軸は時間（ｆｓ）、縦軸は強度を示している。この自己相関波形に示すように、パルス光源１０からのパルス光のパルス幅は９５ｆｓであった。

このパルス光に対して、パルス光制御部３０の伸張器３７で位相変調の付与を行った。図８は、伸張器３７の位相分散特性を示すグラフであり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は位相分散（ｒａｄ）を示している。また、図９は、伸張器３７から出力されるパルス光の時間波形を示すグラフであり、横軸は時間（１００ｐｓ／ＤＩＶ）、縦軸は強度を示している。ここでは、図７に示した自己相関波形を有するパルス光に対し、図８に示す位相分散を付与した結果、図９の時間波形に示すように、パルス光のパルス幅が３８２ｐｓまで広げられている。

このようにパルス幅が広げられたパルス光をマルチモードファイバ１５によって伝送する。図１０は、マルチモードファイバ１５の位相分散特性を示すグラフであり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は位相分散（ｒａｄ）を示している。また、図１１は、マルチモードファイバ１５から出力されるパルス光の自己相関波形を示すグラフであり、横軸は時間（ｆｓ）、縦軸は強度を示している。なお、位相分散特性については、同じ長さの合成石英のパラメータにより算出された計算値を示している。

図１１の自己相関波形に示すように、図１０に示すマルチモードファイバ１５の位相分散と、図８に示した伸張器３７の位相分散とが打ち消しあった結果、出力パルス光のパルス幅は３１３ｆｓまで圧縮されている。また、このようなパルス幅の圧縮については、入力光学系２０によるマルチモードファイバ１５へのパルス光の入力条件の制御、及びマルチモードファイバ１５での伝搬モードの制御による効果も大きい。

ここで、図６に示した構成において、波形整形器３６による位相制御を行わない場合、伸張器３７によってマルチモードファイバ１５の２次位相分散は補正できるが、３次以上の高次の位相分散を補正することが困難である。一方、パルス光を伝送するマルチモードファイバ１５が長くなるにつれて、高次の位相分散の影響も大きくなる。

図１２は、パルス光の時間波形（計算値）を示すグラフであり、横軸は時間（ｆｓ）、縦軸は強度を示している。また、図１３は、合成石英ブロックの３次位相分散特性を示すグラフであり、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は位相分散（ｒａｄ）を示している。また、図１４は、分散付与後のパルス光の時間波形を示すグラフであり、横軸は時間（ｆｓ）、縦軸は強度を示している。

図１２に示すパルス幅７５ｆｓのパルス光に対して、長さ１００ｍの合成石英ブロックに対応する図１３の位相分散を付与すると、図１４に示すように、パルス光の時間波形に歪みが生じる。また、マルチモードファイバ１５での伝送中でパルス光に生じる高次の位相分散を正確に見積もることは困難である。これに対して、上述した自己相関器の出力信号強度に基づく伝送制御を行うことにより、このような高次の位相分散の影響を低減することが可能である。

図１５は、自己相関器の出力信号強度の変化を示すグラフであり、横軸は伝送制御の試行回数、縦軸は自己相関器の出力信号強度を示している。このように、パルス幅計測器４１である自己相関器、及び伝送制御部４５を用い、自己相関器からの出力信号強度が大きくなるように伝送条件のフィードバック自動制御を行うことにより、伝送制御の試行回数が多くなるにしたがって、自己相関器からの出力信号強度が徐々に大きくなっていることがわかる。

図１６は、このような自動制御を行った後の出力パルス光の自己相関波形を示すグラフであり、横軸は時間（ｆｓ）、縦軸は強度を示している。このように、自己相関器の出力信号強度を参照して伝送条件の自動制御を行うことにより、マルチモードファイバ１５において生じる高次の位相分散が補正され、出力パルス光のパルス幅を１８４ｆｓまで圧縮することができた。

なお、上記した位相分散はパルス光の強度には依存しない分散であるが、非線形光学効果によってパルス光の強度波形に依存する複雑な伝搬が生じる場合等においても、上記した自動制御方法によれば、その影響を補正することが可能である。また、マルチモードファイバ１５からの出力パルス光の時間波形をストリークカメラ、及び光オシロスコープを用いて計測したところ、いずれの計測結果においても、サテライトパルスが存在しないフェムト秒パルス光のマルチモードファイバ伝送が実現されていることが確認された。

また、このようにマルチモードファイバ１５を用いてパルス光を伝送する構成においても、自己位相変調によってスペクトル帯域を広げることが可能である。図１７は、パルス幅５０ｆｓ、中心波長８１２ｎｍ、繰返し周波数１ｋＨｚ、平均強度０．１ｍＷのパルス光を用いた場合に得られる出力パルス光のスペクトルを示すグラフである。また、図１８は、同様の条件で平均強度４６ｍＷのパルス光を用いた場合に得られる出力パルス光のスペクトルを示すグラフである。これらのグラフにおいて、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は強度を示している。

これらのグラフに示すように、パルス光を伝送させる光ファイバとしてマルチモードファイバ１５を用いた場合でも、上記したように低次の伝搬モードだけで選択的に伝送させつつ、自己位相変調等の非線形光学効果を効率良く生じさせて、スペクトル帯域を広げることが可能である。さらに、パルス光制御部３０によって入力パルス光の位相を制御することにより、出力パルス光のスペクトル、もしくは時間波形等を制御することも可能である。

本発明によるパルス光伝送装置、及びパルス光伝送調整方法は、上記した実施形態及び実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、パルス光を伝送するマルチモードファイバについては、マルチモードファイバを束ねたバンドルファイバを用いても良い。また、パルス光制御部３０でのパルス光の変調については、例えばＥ／Ｏ変調器やＡ／Ｏ変調器などのように、時刻に応じて異なる位相変調が与えられる素子を用いても良い。

本発明は、光ファイバを用いてフェムト秒パルス光などのパルス光を好適に伝送することが可能なパルス光伝送装置、及びパルス光伝送調整方法として利用可能である。

パルス光伝送装置の第１実施形態の構成を示すブロック図である。 パルス光伝送装置の第２実施形態の構成を示すブロック図である。 伝送装置に用いられる入力光学系の一例を示す構成図である。 図３に示した入力光学系を用いたパルス光伝送調整方法について示す模式図である。 伝送装置に用いられるパルス光制御部の一例を示す構成図である。 パルス光伝送装置の他の例を示す構成図である。 パルス光源から出射されるパルス光の自己相関波形を示すグラフである。 伸張器の位相分散特性を示すグラフである。 伸張器から出力されるパルス光の時間波形を示すグラフである。 マルチモードファイバの位相分散特性を示すグラフである。 マルチモードファイバから出力されるパルス光の自己相関波形を示すグラフである。 パルス光の時間波形を示すグラフである。 合成石英ブロックの３次位相分散特性を示すグラフである。 パルス光の時間波形を示すグラフである。 自己相関器の出力信号強度の変化を示すグラフである。 出力パルス光の自己相関波形を示すグラフである。 出力パルス光のスペクトルを示すグラフである。 出力パルス光のスペクトルを示すグラフである。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ…パルス光伝送装置、１０…パルスレーザ光源、１５…マルチモードファイバ、１５ａ…入力端、１５ｂ…出力端、２０…入力光学系、２０ａ…保持機構、２１…アパーチャ、２１ａ…反射像観察面、２１ｃ…開口部、２２…平凸レンズ、２２ａ…平面、２２ｂ…凸面、２５…出力光学系、３０…パルス光制御部、３１…分散補償部、３２…光変調部、３６…波形整形器、３７…伸張器、４０…伝送評価部、４１…パルス幅計測器、４５…伝送制御部。

Claims (11)

1. 所定波長のパルス光を出射するパルス光源と、
   前記パルス光を伝送するマルチモードファイバと、
   前記パルス光源から出射された前記パルス光を、前記マルチモードファイバの光軸に対して前記パルス光の入力軸を一致させ、前記マルチモードファイバの中心近傍の位置に前記パルス光を入力する入力条件で前記マルチモードファイバへと入力する入力光学系と、
   前記マルチモードファイバを伝送される前記パルス光の分散補償条件を含む伝送条件を、前記マルチモードファイバの入力側及び出力側の少なくとも一方において、前記マルチモードファイバでの伝送によって生じる出力パルス光の広がりが小さくなるように制御するパルス光制御手段と
   を備えることを特徴とするパルス光伝送装置。
2. 前記パルス光源は、前記パルス光としてパルス幅が１ｐｓ以下のパルスレーザ光を出射するパルスレーザ光源であることを特徴とする請求項１記載のパルス光伝送装置。
3. 前記パルス光制御手段は、前記マルチモードファイバを伝送される前記パルス光に対して所定の変調を付与するための光変調手段を含むことを特徴とする請求項１または２記載のパルス光伝送装置。
4. 前記マルチモードファイバによる前記パルス光の伝送状況を評価する伝送評価手段と、
   前記伝送評価手段による前記伝送状況の評価結果に基づいて、前記入力光学系及び前記パルス光制御手段の少なくとも一方の動作を制御する伝送制御手段と
   を備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載のパルス光伝送装置。
5. 前記入力光学系は、前記パルス光を集光しつつ前記マルチモードファイバへと入力するためのレンズを有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載のパルス光伝送装置。
6. 前記入力光学系は、前記パルス光源と前記レンズとの間の所定位置に設置され、その中心位置に円形状の開口部が設けられた板状部材を有し、前記板状部材は、前記レンズの光出射側の面で前記パルス光の一部が反射された前記開口部の中心軸上の位置を中心とする円形状の第１の反射像、及び前記レンズの光入射側の面で前記パルス光の一部が反射された前記開口部の中心軸上の位置を中心とする円形状の第２の反射像の観察に用いることが可能に構成されていることを特徴とする請求項５記載のパルス光伝送装置。
7. 前記入力光学系は、前記パルス光を集光しつつ前記マルチモードファイバへと入力するための前記レンズである平凸レンズを有することを特徴とする請求項５記載のパルス光伝送装置。
8. 前記入力光学系は、前記パルス光源と前記平凸レンズとの間の所定位置に設置され、その中心位置に円形状の開口部が設けられた板状部材を有し、前記板状部材は、前記平凸レンズの平面で前記パルス光の一部が反射された前記開口部の中心軸上の位置を中心とする円形状の平面反射像、及び前記平凸レンズの凸面で前記パルス光の一部が反射された前記開口部の中心軸上の位置を中心とする円形状の凸面反射像の観察に用いることが可能に構成されていることを特徴とする請求項７記載のパルス光伝送装置。
9. 前記マルチモードファイバは、グレーデッドインデックス型のマルチモードファイバであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項記載のパルス光伝送装置。
10. 所定波長のパルス光を出射するパルス光源、前記パルス光を伝送するマルチモードファイバ、及び前記パルス光源から出射された前記パルス光を集光しつつ前記マルチモードファイバへと入力するレンズを所定の位置関係で設置する設置ステップと、
    前記パルス光源から前記マルチモードファイバへと前記パルス光を出射させ、前記レンズの光出射側の面で前記パルス光の一部が反射された第１の反射像、及び前記レンズの光入射側の面で前記パルス光の一部が反射された第２の反射像を観察する観察ステップと、
    前記第１の反射像及び前記第２の反射像の観察結果に基づいて前記マルチモードファイバへの前記パルス光の入力条件を調整することによって、前記マルチモードファイバでの前記パルス光の伝送の伝搬モードを調整する調整ステップと
    を備えることを特徴とするパルス光伝送調整方法。
11. 前記設置ステップにおいて、前記パルス光源及び前記レンズの間の所定位置に板状部材を設置し、前記観察ステップにおいて、前記板状部材を用いて前記第１の反射像及び前記第２の反射像を観察することを特徴とする請求項１０記載のパルス光伝送調整方法。

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