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JP7645554B2 - Optical spectrum generating device and optical spectrum generating method - Google Patents
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JP7645554B2 - Optical spectrum generating device and optical spectrum generating method - Google Patents

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Description

本開示は、線状のピークを有した光スペクトルを生成する装置、およびその方法に関するものである。 The present disclosure relates to an apparatus and method for generating an optical spectrum having a linear peak.

線幅の非常に狭いスペクトル線が離散的に等間隔で櫛歯状に並んだ光スペクトルは光周波数コムと呼ばれ、周波数の物差しとして利用されている。光周波数コムの生成方法としては、モードロックレーザーを用いる方法が知られている。An optical spectrum in which spectral lines with extremely narrow linewidths are arranged discretely and equidistantly like comb teeth is called an optical frequency comb and is used as a frequency ruler. A known method for generating an optical frequency comb is to use a mode-locked laser.

国際公開第2018/181213号International Publication No. 2018/181213

しかし、線状のピークを有した光スペクトルを生成する装置は高価であり、装置の低コスト化が求められていた。また、線状のピークが得られる波長も限られていた。However, the devices that generate optical spectra with linear peaks are expensive, and there has been a demand for lower-cost devices. In addition, the wavelengths at which linear peaks can be obtained are also limited.

そこで本開示は、線状のピークを有した光スペクトルを生成する光スペクトル生成装置および光スペクトル生成方法を実現することを目的とする。Therefore, the present disclosure aims to realize an optical spectrum generating device and an optical spectrum generating method that generate an optical spectrum having a linear peak.

発明者らは、スペクトルに線状のディップを有したパルス光を光導波路に通すと、その光導波路における伝搬距離に応じてディップの波長における光強度が周期的に変化しディップとピークとが交互に現れる現象を発見した。本開示はこの新規な現象に基づくものである。The inventors have discovered a phenomenon in which, when pulsed light having a linear dip in its spectrum is passed through an optical waveguide, the light intensity at the wavelength of the dip changes periodically depending on the propagation distance in the optical waveguide, causing dips and peaks to appear alternately. This disclosure is based on this novel phenomenon.

本開示は、ピークを有したスペクトルのパルス光を生成する光スペクトル生成装置であって、パルス光を発生させるパルス光源と、パルス光源からのパルス光の所定波長を強度変調または位相変調する光変調器と、光強度変調器からのパルス光を伝搬させ、パルス光に非線形効果を生じさせ、所定波長にピークを生じさせる光導波路とを有し、パルス光のスペクトル幅は、ディップのスペクトル幅の2倍以上であり、光導波路は、パルス光が、光導波路におけるパルス光の伝搬距離に応じて所定波長においてピークとディップを交互に周期的に繰り返すようにし、光導波路の長さは、所定波長がピークとなったときに光導波路からパルス光が取り出されるように設定されている、ことを特徴とする光スペクトル生成装置である。 The present disclosure relates to an optical spectrum generation device that generates pulsed light having a spectrum having a peak, the optical spectrum generation device comprising: a pulsed light source that generates pulsed light; an optical modulator that intensity-modulates or phase-modulates a predetermined wavelength of the pulsed light from the pulsed light source; and an optical waveguide that propagates the pulsed light from the optical intensity modulator, causes a nonlinear effect in the pulsed light, and generates a peak at the predetermined wavelength, wherein the spectral width of the pulsed light is at least twice the spectral width of the dip, the optical waveguide causes the pulsed light to alternately and periodically repeat peaks and dips at the predetermined wavelength depending on the propagation distance of the pulsed light in the optical waveguide, and the length of the optical waveguide is set such that the pulsed light is extracted from the optical waveguide when the predetermined wavelength reaches its peak .

本開示によれば、線状のピークを有した光スペクトルを生成する装置を安価に実現することができる。 The present disclosure makes it possible to inexpensively realize an apparatus for generating an optical spectrum having a linear peak.

実施例1の光スペクトル生成装置の構成を示した図。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical spectrum generating device according to a first embodiment. スペクトル形状を模式的に示した図。FIG. 2 is a schematic diagram showing a spectrum shape. パルス光のスペクトルと伝搬距離の関係を示したグラフ。Graph showing the relationship between the spectrum of pulsed light and the propagation distance. 光強度とファイバー長との関係を示したグラフ。Graph showing the relationship between light intensity and fiber length. ディップのスペクトル幅とピークのスペクトル幅の関係を示したグラフ。Graph showing the relationship between the spectral width of a dip and the spectral width of a peak. ディップの吸収率とピークの光強度との関係を示したグラフ。1 is a graph showing the relationship between the dip absorptance and the peak light intensity. 光強度とファイバー長との関係について、ディップのスペクトル幅の依存性を調べた結果を示したグラフ。Graph showing the results of investigating the dependence of the spectral width of the dip on the relationship between light intensity and fiber length. 光強度とファイバー長との関係について、パルス光のピーク出力の依存性を調べた結果を示したグラフ。Graph showing the results of investigating the dependence of peak output of pulsed light on the relationship between light intensity and fiber length. パルス光のスペクトル形状をガウス型に替えた場合の光強度とファイバー長との関係について示したグラフ。1 is a graph showing the relationship between light intensity and fiber length when the spectral shape of the pulsed light is changed to a Gaussian shape. パルス光のスペクトル形状をスーパーガウス型に替えた場合の光強度とファイバー長との関係について示したグラフ。Graph showing the relationship between light intensity and fiber length when the spectral shape of the pulsed light is changed to a super-Gaussian type. ディップのスペクトル形状をガウス型に替えた場合の光強度とファイバー長との関係について示したグラフ。Graph showing the relationship between light intensity and fiber length when the spectral shape of the dip is changed to a Gaussian type. スペクトル形状とそれらに対応する時間波形と位相を示したグラフ。Graph showing the spectral shapes and their corresponding time waveforms and phases. パルス光のスペクトルと伝搬距離の関係を示したグラフ。Graph showing the relationship between the spectrum of pulsed light and the propagation distance. スペクトルの測定結果を示したグラフ、数値計算により求めたスペクトルを示したグラフ。Graphs showing the results of spectrum measurement and graphs showing spectra obtained by numerical calculation. スペクトル形状の測定結果を示したグラフ。1 is a graph showing the measurement results of the spectral shape. スペクトル形状を拡大して示したグラフ。Graph showing an enlarged view of the spectrum shape. スペクトル形状の測定結果を示したグラフ。1 is a graph showing the measurement results of the spectral shape. 光強度変調器13の構成を示した図。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a light intensity modulator 13. 入力光および出力光のスペクトルを示したグラフ。1 is a graph showing the spectra of input light and output light. スペクトルを示したグラフ。Graph showing the spectrum. 実施例2の光スペクトル生成装置の構成を示した図。FIG. 13 is a diagram showing the configuration of an optical spectrum generating device according to a second embodiment. 入力光および出力光のスペクトルを示したグラフ。1 is a graph showing the spectra of input light and output light.

以下、本開示の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本開示は実施例に限定されるものではない。 Specific examples of the present disclosure are described below with reference to the figures, but the present disclosure is not limited to the examples.

図1は、実施例1の光スペクトル生成装置の構成を示した図である。図1のように、実施例1の光スペクトル生成装置は、短パルス光源10と、光増幅器11と、波長シフトファイバー12と、光強度変調器13と、光導波路14と、を有している。実施例1の光スペクトル生成装置は、発明者らが発見した現象を利用するものである。その現象は、スペクトルに狭線幅のディップ(光強度の急激な落ち込み)を有したパルス光を光導波路14に通すと、その光導波路14における伝搬距離に応じて、ディップの波長における光強度が周期的に変化し、ディップとピークとが交互に現れるというものである。以下、この現象をスペクトラルピーキングと呼ぶことがある。実施例1の光スペクトル生成装置は、このスペクトラルピーキングを利用して、ディップをピークに変換するものである。 Figure 1 shows the configuration of the optical spectrum generator of the first embodiment. As shown in Figure 1, the optical spectrum generator of the first embodiment has a short pulse light source 10, an optical amplifier 11, a wavelength shifting fiber 12, an optical intensity modulator 13, and an optical waveguide 14. The optical spectrum generator of the first embodiment utilizes a phenomenon discovered by the inventors. This phenomenon is that when pulsed light having a narrow linewidth dip (a sudden drop in optical intensity) in the spectrum is passed through the optical waveguide 14, the optical intensity at the dip wavelength changes periodically depending on the propagation distance in the optical waveguide 14, and dips and peaks appear alternately. Hereinafter, this phenomenon may be called spectral peeking. The optical spectrum generator of the first embodiment utilizes this spectral peeking to convert dips into peaks.

短パルス光源10は、パルス幅(時間幅)の狭い光を放射する光源である。たとえばリング型共振器のファイバーレーザーなどを用いることができる。パルス光の時間幅(半値全幅)は、たとえば10fs~100psである。また、光周波数コムを出力する光周波数コム光源を用いることも可能である。The short pulse light source 10 is a light source that emits light with a narrow pulse width (time width). For example, a fiber laser with a ring resonator can be used. The time width (full width at half maximum) of the pulse light is, for example, 10 fs to 100 ps. It is also possible to use an optical frequency comb light source that outputs an optical frequency comb.

パルス光のパルス形状は任意であり、たとえばsech2 型(ソリトン)、ガウス型、スーパーガウス型などである。特に、sech2 型が好ましい。より明瞭で綺麗な線状のピークを得ることができる。 The pulse shape of the pulsed light is arbitrary, for example, SECH 2 type (soliton), Gaussian type, super Gaussian type, etc. SECH 2 type is particularly preferable, as it can provide a clearer and more beautiful linear peak.

光増幅器11は、短パルス光源10からのパルス光の光強度を増幅する装置である。たとえば、エルビウムドープファイバーアンプなどの希土類ドープ光ファイバーアンプを用いることができる。後段の光導波路14における非線形効果は、一定の光強度以上で生ずるため、光増幅器11を用いて光強度の増幅を図っている。また、スペクトラルピーキングの周期は光強度にも依存する。そのため、光増幅器11における増幅率によってスペクトラルピーキングの周期を調整することができる。The optical amplifier 11 is a device that amplifies the light intensity of the pulsed light from the short pulse light source 10. For example, a rare-earth doped optical fiber amplifier such as an erbium doped fiber amplifier can be used. Since the nonlinear effect in the downstream optical waveguide 14 occurs above a certain light intensity, the optical amplifier 11 is used to amplify the light intensity. The period of the spectral peeking also depends on the light intensity. Therefore, the period of the spectral peeking can be adjusted by the amplification factor of the optical amplifier 11.

波長シフトファイバー12は、光増幅器11からのパルス光の波長をシフトするものである。これにより、パルス光のスペクトルに対する後段の光強度変調器13による吸収ピークの位置を調整する。たとえば、パルス光のピーク波長が吸収ピークの波長付近となるように調整する。波長シフトファイバー12における波長シフト量は光強度に依存するため、光増幅器11によって波長シフト量を制御できる。The wavelength shift fiber 12 shifts the wavelength of the pulsed light from the optical amplifier 11. This adjusts the position of the absorption peak caused by the downstream optical intensity modulator 13 relative to the spectrum of the pulsed light. For example, the peak wavelength of the pulsed light is adjusted to be close to the wavelength of the absorption peak. Since the amount of wavelength shift in the wavelength shift fiber 12 depends on the light intensity, the amount of wavelength shift can be controlled by the optical amplifier 11.

光強度変調器13は、波長シフトファイバー12からのパルス光に対して狭帯域の吸収を生じさせ、パルス光のスペクトルに線状のディップを生じさせるフィルタである。生じさせるディップは1つである必要はなく、複数生じさせてもよい。等間隔で並んだディップを生じさせれば、スペクトラルピーキングによって線状のピークが等間隔で並んだスペクトルの生成が可能である。ディップの波長は、パルス光の波長帯域内であれば任意の波長でよい。ただし、ピークの強度を十分に高めるためには中心波長付近が好ましい。 The optical intensity modulator 13 is a filter that causes narrowband absorption of the pulsed light from the wavelength shifting fiber 12, producing a linear dip in the spectrum of the pulsed light. It is not necessary to produce a single dip; multiple dips may be produced. By producing equally spaced dips, it is possible to generate a spectrum with equally spaced linear peaks by spectral peeking. The wavelength of the dip may be any wavelength within the wavelength band of the pulsed light. However, to sufficiently increase the intensity of the peak, it is preferable to use a wavelength near the central wavelength.

光強度変調器13によるディップのスペクトル形状は任意であるが、ローレンツ型やガウス型、sech2 型などが好ましい。よりきれいで明確なピークを得ることができる。 The spectral shape of the dip by the optical intensity modulator 13 can be any shape, but a Lorentzian type, a Gaussian type, a Sech 2 type, etc. are preferable, since a cleaner and clearer peak can be obtained.

パルス光のスペクトル幅(半値全幅)がディップのスペクトル幅(半値全幅)の2倍以上となるようにする。このようにパルス光のスペクトル幅またはディップのスペクトル幅を設定することにより、スペクトラルピーキングを発生させることができる。これを満たす範囲であればディップのスペクトル幅は任意であるが、たとえば10nm以下、好ましくは1nm以下である。The spectral width (full width at half maximum) of the pulsed light is set to be at least twice the spectral width (full width at half maximum) of the dip. By setting the spectral width of the pulsed light or the spectral width of the dip in this way, it is possible to generate spectral peeking. As long as this is satisfied, the spectral width of the dip can be any value, but is, for example, 10 nm or less, preferably 1 nm or less.

ディップにおける吸収率は任意であるが、ピークの光強度を十分に高めるためには50%以上の吸収率とすることが好ましい。より好ましくは70%以上、さらに好ましくは90%以上である。The absorption rate in the dip can be any value, but in order to sufficiently increase the peak light intensity, it is preferable to have an absorption rate of 50% or more. More preferably, it is 70% or more, and even more preferably, it is 90% or more.

光強度変調器13は、狭帯域の吸収ピークを有したものであれば任意であり、ガスセル、回折格子、フォトニック結晶などを用いることができる。特に、回折格子としてファイバーブラッググレーティング(FBG)を用いると、実施例1の光スペクトル生成装置をオールファイバーで構成することができ、取り扱いが容易となる。また、回折格子やフォトニック結晶の場合、温度制御によって吸収ピークの波長を変化させることも可能である。The optical intensity modulator 13 can be any type having a narrowband absorption peak, and can be a gas cell, a diffraction grating, a photonic crystal, or the like. In particular, if a fiber Bragg grating (FBG) is used as the diffraction grating, the optical spectrum generating device of Example 1 can be constructed with all fibers, making it easy to handle. In addition, in the case of a diffraction grating or a photonic crystal, it is also possible to change the wavelength of the absorption peak by controlling the temperature.

図18のように、回折格子132と空間光変調器(SLM)131を用いることにより、任意の波長にディップを生じさせてもよい。つまり、回折格子132によってパルス光を波長分離し、波長によってSLM131への到達位置が異なるようにする。SLM131は、その光の到達位置ごとに光強度を変調することができるので、所望の波長の光強度を弱めてディップを生じさせることができる。光強度は、散乱により弱めてもよいし、吸収により弱めてもよい。たとえば、液晶による回折格子によって光を散乱させることにより光強度を弱める方式でもよいし、MEMSミラーにより反射角を変えることで光強度を弱める方式でもよい。なお、図18では回折格子132とSLM131の両方を反射型としているが、一方または両方を透過型としてもよい。また、回折格子132に替えてプリズムなどの他の波長分離素子を用いて波長分離してもよい。As shown in FIG. 18, a dip may be generated at any wavelength by using a diffraction grating 132 and a spatial light modulator (SLM) 131. In other words, the diffraction grating 132 separates the pulsed light into wavelengths, so that the position at which the light reaches the SLM 131 differs depending on the wavelength. The SLM 131 can modulate the light intensity for each position at which the light reaches, so that a dip can be generated by weakening the light intensity of a desired wavelength. The light intensity may be weakened by scattering or by absorption. For example, a method of weakening the light intensity by scattering the light using a liquid crystal diffraction grating or a method of weakening the light intensity by changing the reflection angle using a MEMS mirror may be used. Note that, although both the diffraction grating 132 and the SLM 131 are reflective in FIG. 18, one or both may be transmissive. In addition, the wavelength may be separated using another wavelength separation element such as a prism instead of the diffraction grating 132.

回折格子132とSLM131を用いる方式では、周波数間隔が等しい複数のディップを生じさせることができるので、スペクトラルピーキングによりディップをピークに変換することで光周波数コムを生成することができる。 In the method using the diffraction grating 132 and SLM 131, multiple dips with equal frequency intervals can be generated, and an optical frequency comb can be generated by converting the dips into peaks using spectral peaking.

たとえば、波長範囲が50nmの場合、SLM131のピクセル数が1250ではスペクトル分解能40pm、ピクセル数が4000であればスペクトル分解能12pmでディップを生成することができる。For example, if the wavelength range is 50 nm, a dip can be generated with a spectral resolution of 40 pm if the SLM 131 has 1250 pixels, and with a pixel count of 4000, a dip can be generated with a spectral resolution of 12 pm.

ガスセルを用いる場合、特に、メタン、エタン、二酸化炭素などのガスの吸収は、等間隔で多数の吸収ピークを有するので、線状のピークが等間隔で並んだスペクトルを生成することができる。When using a gas cell, it is possible to generate a spectrum with linear peaks spaced at equal intervals, particularly for gases such as methane, ethane, and carbon dioxide, which have numerous equally spaced absorption peaks.

なお、実施例1では、光強度変調器13により吸収、反射させることで、光強度変調器13の透過光にディップを生じさせているが、透過光でなく反射光にディップを生じさせるものであってもよい。In addition, in Example 1, a dip is generated in the transmitted light of the light intensity modulator 13 by absorbing and reflecting the light using the light intensity modulator 13, but a dip may also be generated in the reflected light instead of the transmitted light.

光導波路14は、光強度変調器13からのパルス光を伝搬させ、パルス光に非線形効果を生じさせるものである。この非線形効果により、ディップの波長における光強度を変化させ、ディップをピークに変換している。The optical waveguide 14 propagates the pulsed light from the optical intensity modulator 13 and generates a nonlinear effect in the pulsed light. This nonlinear effect changes the light intensity at the wavelength of the dip, converting the dip into a peak.

光導波路14は、パルス光を伝搬させ、そのパルス光に非線形効果を生じさせるものであれば任意でよい。たとえば光ファイバーでもよいし、平面光導波路、矩形光導波路などであってもよい。また、フォトニック結晶構造でもよい。実施例1の光スペクトル生成装置をオールファイバーで構成できる点からは、光ファイバーであることが好ましい。The optical waveguide 14 may be any that propagates pulsed light and generates a nonlinear effect in the pulsed light. For example, it may be an optical fiber, a planar optical waveguide, a rectangular optical waveguide, or the like. It may also be a photonic crystal structure. Since the optical spectrum generating device of Example 1 can be constructed entirely of fiber, it is preferable that it be an optical fiber.

光導波路14における伝搬距離は、ディップがピークに変換されたタイミングで光導波路14から出力されるように設定されている。ディップの波長における光強度は伝搬距離に応じて周期的に変動してディップとピークとを交互に繰り返すため、光導波路14における伝搬距離が適切に設定されていれば、ピークとなったタイミングで光導波路14から出力させることができる。ピークの光強度を十分に高めるために、ディップの波長における光強度が極大値付近となるタイミングに伝搬距離が設定されていることが好ましい。極大値付近とは、たとえば極大値の光強度に対して0.5倍以上となる範囲である。より好ましくは0.8倍以上、さらに好ましくは0.9倍以上である。特に、最初の極大値付近となるように伝搬距離が設定されていることが好ましい。つまり、極大値付近となる伝搬距離のうち、最小の伝搬距離に設定されていることが好ましい。伝搬距離が長くなるほど光強度はラマン散乱等に起因して減少していくためである。また、複数のディップをピークに変換する場合、伝搬距離が長くなるとそれらのディップ間でのスペクトラルピーキングの周期のずれが顕著となるためである。The propagation distance in the optical waveguide 14 is set so that the light is output from the optical waveguide 14 at the timing when the dip is converted into a peak. Since the light intensity at the wavelength of the dip fluctuates periodically according to the propagation distance and alternates between dips and peaks, if the propagation distance in the optical waveguide 14 is set appropriately, the light can be output from the optical waveguide 14 at the timing when the peak occurs. In order to sufficiently increase the light intensity of the peak, it is preferable that the propagation distance is set at the timing when the light intensity at the wavelength of the dip is near the maximum value. Near the maximum value is, for example, a range that is 0.5 times or more the light intensity of the maximum value. More preferably, it is 0.8 times or more, and even more preferably, it is 0.9 times or more. In particular, it is preferable that the propagation distance is set so that the light is near the first maximum value. In other words, it is preferable that the propagation distance is set to the minimum propagation distance among the propagation distances that are near the maximum value. This is because the light intensity decreases due to Raman scattering and the like as the propagation distance becomes longer. Also, when multiple dips are converted into peaks, the shift in the period of spectral peeking between those dips becomes significant as the propagation distance becomes longer.

光導波路14を光ファイバーとする場合、異常分散のシングルモード光ファイバーを用いるとよい。異常分散のシングルモード光ファイバーでは、ソリトンへと波形を整形できるので、生成するピークの形状をより綺麗で明瞭とすることができる。When the optical waveguide 14 is an optical fiber, it is advisable to use a single-mode optical fiber with anomalous dispersion. In a single-mode optical fiber with anomalous dispersion, the waveform can be shaped into a soliton, so that the shape of the generated peak can be made cleaner and clearer.

また、光導波路14として小径コアファイバーも好適である。小径コアファイバーは、非線形効果が大きく、効率的にスペクトラルピーキングを生じさせることができる。また、SN比(バックグラウンドの光強度に対するピークの光強度の比)を向上させることができる。A small-core fiber is also suitable as the optical waveguide 14. A small-core fiber has a large nonlinear effect and can efficiently generate spectral peaking. It can also improve the signal-to-noise ratio (the ratio of the peak light intensity to the background light intensity).

また、光導波路14として光ファイバーアンプも好適である。光ファイバーアンプを用いれば、効率的にスペクトラルピーキングを生じさせることができ、同時にピーク強度も高めることができる。光ファイバーアンプとして、たとえばエルビウムドープファイバーアンプ(EDFA)を用いることができる。 Also suitable as the optical waveguide 14 is an optical fiber amplifier. By using an optical fiber amplifier, it is possible to efficiently generate spectral peaking and at the same time increase the peak intensity. For example, an erbium-doped fiber amplifier (EDFA) can be used as the optical fiber amplifier.

また、光導波路14への入力前にパルス光をスーパーコンティニューム光に変換してもよいし、光導波路14から出力後にパルス光をスーパーコンティニューム光に変換してもよい。スーパーコンティニューム光への変換は、高非線形光ファイバーを用いることができる。スーパーコンティニューム光へ変換することでSN比向上を図ることができる。また、スペクトル幅が非常に大きくなるため、ピークの本数を増加させることができる。たとえば、異常分散のシングルモード光ファイバーと、その後段に接続された高非線形光ファイバーとによって光導波路14を構成してもよい。 The pulsed light may be converted to supercontinuum light before being input to the optical waveguide 14, or may be converted to supercontinuum light after being output from the optical waveguide 14. A highly nonlinear optical fiber may be used for conversion to supercontinuum light. By converting to supercontinuum light, the signal-to-noise ratio can be improved. In addition, the spectral width becomes very large, so the number of peaks can be increased. For example, the optical waveguide 14 may be formed by an anomalous dispersion single-mode optical fiber and a highly nonlinear optical fiber connected to the rear of the fiber.

また、光導波路14は複数種類の光ファイバーや平面光導波路、矩形光導波路などを接続して構成されていてもよい。 In addition, the optical waveguide 14 may be constructed by connecting multiple types of optical fibers, planar optical waveguides, rectangular optical waveguides, etc.

以上、実施例1の光スペクトル生成装置によれば、線状のピークを有したスペクトルのパルス光を生成することができる。特に、線状のピークが等間隔で櫛歯状に並んだ光スペクトルを生成することができる。また、光強度変調器13によりディップの波長を制御することで、線状のピークを所望の波長とすることができる。As described above, the optical spectrum generating device of the first embodiment can generate pulsed light with a spectrum having linear peaks. In particular, an optical spectrum can be generated in which linear peaks are arranged at equal intervals in a comb-like pattern. In addition, by controlling the wavelength of the dip using the optical intensity modulator 13, the linear peak can be set to a desired wavelength.

次に、実施例1の光スペクトル生成装置の動作について説明する。 Next, the operation of the optical spectrum generating device of Example 1 will be described.

パルス光源10から放射されたパルス光は、光増幅器11によって光強度が増幅され、波長シフトファイバー12によって波長帯域が調整された後、光強度変調器13に通される。パルス光は光強度変調器13吸収ピークにおいて強い吸収を受ける。そのため、光強度変調器13を透過したパルス光のスペクトルは、ディップを有することになる(図2(a)参照)。The pulsed light emitted from the pulsed light source 10 has its light intensity amplified by the optical amplifier 11, its wavelength band adjusted by the wavelength shift fiber 12, and then passed through the optical intensity modulator 13. The pulsed light is strongly absorbed at the absorption peak of the optical intensity modulator 13. Therefore, the spectrum of the pulsed light transmitted through the optical intensity modulator 13 has a dip (see FIG. 2(a)).

次に、光強度変調器13からのパルス光は、光導波路14に通される。ここで、ディップの波長における光強度は、光導波路14における伝搬距離に応じて周期的に変化し、ディップとピークとを交互に繰り返す。ここで、光導波路14における伝搬距離は、ディップがピークに変換されたタイミングで光導波路14から出力されるように設定されている。そのため、光導波路14から出力されるパルス光は、ディップであった波長に線状のピークを有したスペクトルとなる(図2(b)参照)。ディップを複数有する場合も、それらを同時にピークに変換することができる。また、パルス光源10を光周波数コム光源とする場合、光周波数コムを切り出すことができ、特にディップを等間隔で複数とすることで、光周波数コムを等間隔で切り出すことができる。また、光強度変調器13によりディップの波長を制御することで、ピークを所望の波長とすることができる。Next, the pulsed light from the optical intensity modulator 13 is passed through the optical waveguide 14. Here, the optical intensity at the wavelength of the dip changes periodically according to the propagation distance in the optical waveguide 14, and dips and peaks are repeated alternately. Here, the propagation distance in the optical waveguide 14 is set so that the light is output from the optical waveguide 14 at the timing when the dip is converted to a peak. Therefore, the pulsed light output from the optical waveguide 14 has a spectrum with a linear peak at the wavelength that was a dip (see FIG. 2(b)). Even if there are multiple dips, they can be converted to peaks at the same time. In addition, when the pulsed light source 10 is an optical frequency comb light source, an optical frequency comb can be extracted, and in particular, by making the dips equally spaced, the optical frequency comb can be extracted at equal intervals. In addition, by controlling the wavelength of the dip with the optical intensity modulator 13, the peak can be set to a desired wavelength.

なお、スペクトラルピーキングの周期は、光導波路14における伝搬距離以外に、パルス光の光強度にも依存する。そのため、光導波路14における伝搬距離の制御に替えて、パルス光の光強度の制御によって、ディップがピークに変換されたタイミングで光導波路14から出力されるように設定することも可能である。パルス光の光強度が強いほど光導波路14における非線形効果が大きくなり、位相変化量が大きくなるので、スペクトラルピーキングの周期は短くなる。もちろん、光強度と光導波路14における伝搬距離の両方を制御してもよい。 The period of spectral peeking depends not only on the propagation distance in the optical waveguide 14 but also on the optical intensity of the pulsed light. Therefore, instead of controlling the propagation distance in the optical waveguide 14, it is also possible to set the pulsed light to be output from the optical waveguide 14 at the timing when the dip is converted into a peak by controlling the optical intensity of the pulsed light. The stronger the optical intensity of the pulsed light, the greater the nonlinear effect in the optical waveguide 14 and the greater the amount of phase change, resulting in a shorter period of spectral peeking. Of course, both the optical intensity and the propagation distance in the optical waveguide 14 may be controlled.

以上、実施例1の光スペクトル生成装置によれば、スペクトルにおける線状のディップを線状のピークに変換することができ、所望の波長に線状のピークを有したスペクトルのパルス光を生成することができる。特に、複数の線状のピークが等間隔で櫛歯状に並んだ光スペクトルを生成することができる。As described above, the optical spectrum generating device of the first embodiment can convert linear dips in a spectrum into linear peaks, and generate pulsed light having a spectrum with a linear peak at a desired wavelength. In particular, it can generate an optical spectrum in which multiple linear peaks are arranged at equal intervals in a comb-like pattern.

次に、実施例1の光スペクトル生成装置に関する各種実験結果について説明する。Next, various experimental results regarding the optical spectrum generating device of Example 1 will be explained.

実施例1の光スペクトル生成装置の光導波路14から放射されるパルス光のスペクトルを数値計算により求めた。この数値計算における各種条件は次の通りである。光導波路14に入力されるパルス光は、スペクトル幅6nm、パルス幅400fsのsech2 型(ソリトン)でピーク出力500W、中心波長1650nmとした。また、ディップは、中心波長が1650nm、スペクトル幅(半値全幅)が20pmのローレンツ型で、吸収率85%とした。また、光導波路14は異常分散シングルモードファイバーとし、パルス光の波長範囲において二次分散値β2 =-33ps2 /km、三次分散値β3 =0.18ps3 /km、MFD=11μmとし、ソリトン次数N=0.94とした。また、吸収による位相シフトの影響は無視した。 The spectrum of the pulsed light emitted from the optical waveguide 14 of the optical spectrum generating device of the first embodiment was calculated by numerical calculation. Various conditions in this numerical calculation are as follows. The pulsed light input to the optical waveguide 14 was a sech 2 type (soliton) with a spectral width of 6 nm and a pulse width of 400 fs, a peak output of 500 W, and a central wavelength of 1650 nm. The dip was a Lorentz type with a central wavelength of 1650 nm and a spectral width (full width at half maximum) of 20 pm, and an absorption rate of 85%. The optical waveguide 14 was an anomalous dispersion single mode fiber, and in the wavelength range of the pulsed light, the second-order dispersion value β 2 = -33 ps 2 /km, the third-order dispersion value β 3 = 0.18 ps 3 /km, the MFD = 11 μm, and the soliton order N = 0.94. The effect of phase shift due to absorption was ignored.

図3は、光導波路14から出力されるパルス光のスペクトルと、光導波路14における伝搬距離の関係を数値計算により求めた結果を示したグラフである。図3(a)はラマン散乱を考慮した場合、図3(b)はラマン散乱を無視した場合である。また、図4は、波長1650nmにおける光強度と光導波路14のファイバー長(伝搬距離)との関係を示したグラフである。図3において実線はラマン散乱を考慮した場合、点線はラマン散乱を無視した場合である。 Figure 3 is a graph showing the results of a numerical calculation of the relationship between the spectrum of the pulsed light output from the optical waveguide 14 and the propagation distance in the optical waveguide 14. Figure 3(a) shows the case where Raman scattering is taken into account, and Figure 3(b) shows the case where Raman scattering is ignored. Figure 4 is a graph showing the relationship between the light intensity at a wavelength of 1650 nm and the fiber length (propagation distance) of the optical waveguide 14. In Figure 3, the solid line shows the case where Raman scattering is taken into account, and the dotted line shows the case where Raman scattering is ignored.

図3、4のように、波長1650nmにおける光強度が伝搬距離に応じて周期的に変化し、ディップからピーク、ピークからディップと連続的に変化することがわかった。これにより光導波路14の伝搬距離を適切に設定すれば、ピークを有したスペクトルの光パルスを光導波路14から放射させることができるとわかった。また、図3(a)、図4のように、ラマン散乱を考慮するとスペクトル全体としては伝搬距離に応じて長波長側へとシフトし、光強度も全体的に低下していくが、ディップとピークが周期的に変化する波長は1650nmであり変化しなかった。 As shown in Figures 3 and 4, it was found that the light intensity at a wavelength of 1650 nm changes periodically according to the propagation distance, and changes continuously from a dip to a peak and from the peak to a dip. This shows that if the propagation distance of the optical waveguide 14 is appropriately set, it is possible to emit an optical pulse with a spectrum having a peak from the optical waveguide 14. Furthermore, as shown in Figures 3(a) and 4, when Raman scattering is taken into consideration, the spectrum as a whole shifts to the long wavelength side according to the propagation distance, and the optical intensity also decreases overall, but the wavelength at which the dips and peaks change periodically is 1650 nm and does not change.

図5(a)は、ディップのスペクトル幅とピークのスペクトル幅の関係を示したグラフであり、図5(b)はディップとピークを拡大して示した図である。パルス光のパルス幅は200fs、400fsとし、他の数値計算の条件は図3、4と同様である。 Figure 5(a) is a graph showing the relationship between the spectral width of the dip and the spectral width of the peak, and Figure 5(b) is an enlarged view of the dip and the peak. The pulse width of the pulsed light is 200 fs and 400 fs, and other numerical calculation conditions are the same as those in Figures 3 and 4.

図5のように、ピークのスペクトル幅は、ディップのスペクトル幅のおよそ0.8倍となることがわかった。As shown in Figure 5, the spectral width of the peak was found to be approximately 0.8 times the spectral width of the dip.

図6(a)は、波長1650nmにおけるディップの吸収率とピークの光強度との関係を数値計算により求めた結果を示したグラフであり、図6(b)は、ディップの吸収率を99%としたときのスペクトルを示したグラフである。伝搬距離を0m、11.2mとし、ラマン散乱を考慮した以外は図3、4と同一の条件とした。光強度は吸収がない場合の波長1650nmの光強度で規格した値である。 Figure 6(a) is a graph showing the results of a numerical calculation of the relationship between the dip absorption rate and peak light intensity at a wavelength of 1650 nm, and Figure 6(b) is a graph showing the spectrum when the dip absorption rate is set to 99%. The propagation distances were set to 0 m and 11.2 m, and the conditions were the same as in Figures 3 and 4, except that Raman scattering was taken into account. The light intensity is a value normalized to the light intensity at a wavelength of 1650 nm when there is no absorption.

図6のように、吸収率が0~25%までは、ピークの光強度はおよそ線形に増加し、吸収量と同等であった。吸収率が50%以上では、ピークの光強度は指数関数的に増加し、吸収率99%ではピークの光強度はおよそ240%となった。この結果、ディップの吸収率は50%以上が好ましいことがわかった。As shown in Figure 6, when the absorption rate was between 0 and 25%, the peak light intensity increased approximately linearly and was equivalent to the amount of absorption. When the absorption rate was 50% or more, the peak light intensity increased exponentially, and at an absorption rate of 99%, the peak light intensity was approximately 240%. As a result, it was found that an absorption rate of 50% or more for the dip is preferable.

図7は、波長1650nmにおける光強度と光導波路14のファイバー長(伝搬距離)との関係について、ディップのスペクトル幅の依存性を調べた結果を示したグラフである。ディップのスペクトル幅を変化させた以外は図3、4と同じ条件とした。 Figure 7 is a graph showing the results of investigating the dependence of the spectral width of the dip on the relationship between the light intensity at a wavelength of 1650 nm and the fiber length (propagation distance) of the optical waveguide 14. The conditions were the same as those in Figures 3 and 4, except that the spectral width of the dip was changed.

図7のように、ディップのスペクトル幅が3nmまでは周期的な光強度の変化が見られたが、3nmを超えると周期的な変化は見られなかった。このことから、ディップをピークへと変換するためには、パルス光のスペクトル幅をディップのスペクトル幅の2倍以上とする必要があることがわかった。As shown in Figure 7, periodic changes in light intensity were observed up to a dip spectral width of 3 nm, but no periodic changes were observed when the width exceeded 3 nm. This shows that in order to convert a dip into a peak, the spectral width of the pulsed light must be at least twice the spectral width of the dip.

図8は、波長1650nmにおける光強度と光導波路14のファイバー長(伝搬距離)との関係について、パルス光のピーク出力の依存性を調べた結果を示したグラフである。パルス光のピーク出力を400W、500Wと変化させた以外は図3、4と同じ条件とした。 Figure 8 is a graph showing the results of investigating the dependency of the peak output of the pulsed light on the relationship between the light intensity at a wavelength of 1650 nm and the fiber length (propagation distance) of the optical waveguide 14. The conditions were the same as those in Figures 3 and 4, except that the peak output of the pulsed light was changed to 400 W and 500 W.

図8のように、光強度は周期的に変化し、その周期は伝搬距離とピーク出力によって変化することがわかった。このことから、波長1650nmにおける光強度が極大となるタイミングで光導波路14から出力されるように制御するためには、光導波路14における伝搬距離またはパルス光のピーク出力を制御すればよいことがわかった。As shown in Figure 8, it was found that the light intensity changes periodically, and the period changes depending on the propagation distance and the peak output. From this, it was found that in order to control the output from the optical waveguide 14 at the timing when the light intensity at a wavelength of 1650 nm is maximized, it is sufficient to control the propagation distance in the optical waveguide 14 or the peak output of the pulsed light.

図9(a)は、パルス光のスペクトル形状をsech2 型からガウス型に替えた場合の、波長1650nmにおける光強度と光導波路14のファイバー長(伝搬距離)との関係について示したグラフである。スペクトル形状をガウス型とし、ピーク出力を500W、700W、1000Wと変化させた以外は図3、4と同じ条件とした。また、図9(b)は、ピーク出力500W、ファイバー長16mとしたときのパルス光のスペクトル形状を示したグラフである。 Fig. 9(a) is a graph showing the relationship between the light intensity at a wavelength of 1650 nm and the fiber length (propagation distance) of the optical waveguide 14 when the spectral shape of the pulsed light is changed from Sech 2 type to Gaussian type. The conditions were the same as those in Figs. 3 and 4, except that the spectral shape was Gaussian and the peak output was changed to 500 W, 700 W, and 1000 W. Fig. 9(b) is a graph showing the spectral shape of the pulsed light when the peak output was 500 W and the fiber length was 16 m.

図9のように、スペクトル形状をガウス型とした場合にも、光強度は周期的に変化し、ディップからピークへと変換可能であることがわかった。また、sech2 型に比べてピークの形状は若干崩れているが、細く線状で強いピークであった。 As shown in Figure 9, even when the spectrum shape is Gaussian, the light intensity changes periodically and it is possible to convert dips into peaks. In addition, although the shape of the peak is slightly distorted compared to the SECH 2 type, it is still a thin, linear, and strong peak.

図10(a)は、パルス光のスペクトル形状をsech2 型からスーパーガウス型に替えた場合の、波長1650nmにおける光強度と光導波路14のファイバー長(伝搬距離)との関係について示したグラフである。スペクトル形状をスーパーガウス型とし、ピーク出力を500W、750W、1000Wと変化させた以外は図3、4と同じ条件とした。また、図10(b)は、ピーク出力500W、ファイバー長0m、26mとしたときのパルス光のスペクトル形状を示したグラフである。 Fig. 10(a) is a graph showing the relationship between the light intensity at a wavelength of 1650 nm and the fiber length (propagation distance) of the optical waveguide 14 when the spectral shape of the pulsed light is changed from Sech 2 type to Super Gaussian type. The conditions were the same as those in Figs. 3 and 4, except that the spectral shape was Super Gaussian type and the peak output was changed to 500 W, 750 W, and 1000 W. Fig. 10(b) is a graph showing the spectral shapes of the pulsed light when the peak output was 500 W and the fiber lengths were 0 m and 26 m.

図10のように、スペクトル形状をスーパーガウス型とした場合にも、光強度は周期的に変化し、ディップからピークへと変換可能であることがわかった。また、sech2 型に比べてピークの形状は若干崩れているが、細く線状で強いピークであった。また、全体のスペクトル形状がより狭くなることがわかった。 As shown in Figure 10, even when the spectral shape is a super-Gaussian type, the light intensity changes periodically and it is possible to convert dips into peaks. In addition, although the shape of the peak is slightly distorted compared to the SECH 2 type, it is a thin, linear, and strong peak. It was also found that the overall spectral shape becomes narrower.

図3、4、9、10を比較すると、パルス光のスペクトル形状はsech2 型が最も好ましいことがわかった。sech2 型のソリトンパルスは、定常状態では時間波形にわたって一様な位相シフトを受け、パルス波形も安定で維持されるため、ガウス型やスーパーガウス型に比べてピーク形状が綺麗に出ると考えられる。 3, 4, 9, and 10, it was found that the spectral shape of the pulsed light is most favorable for the sech 2 type. The sech 2 type soliton pulse undergoes a uniform phase shift over the time waveform in the steady state, and the pulse waveform is also maintained stably, so it is thought that the peak shape is cleaner than that of the Gaussian or super-Gaussian types.

図11(a)は、ディップのスペクトル形状をローレンツ型からガウス型に替えた場合の、波長1650nmにおける光強度と光導波路14のファイバー長(伝搬距離)との関係について示したグラフである。ディップのスペクトル形状をガウス型とし、ピーク出力500Wとした以外は図3、4と同じ条件とした。また、図11(b)は、ファイバー長0m、26mとしたときのパルス光のスペクトル形状を示したグラフである。 Figure 11(a) is a graph showing the relationship between the light intensity at a wavelength of 1650 nm and the fiber length (propagation distance) of the optical waveguide 14 when the spectral shape of the dip is changed from Lorentzian to Gaussian. The conditions were the same as those in Figures 3 and 4, except that the spectral shape of the dip was Gaussian and the peak output was 500 W. Figure 11(b) is a graph showing the spectral shape of the pulsed light when the fiber lengths were 0 m and 26 m.

図11のように、ディップのスペクトル形状をガウス型とした場合も、ローレンツ型の場合と同様に、細く線状で強いピークとすることができた。 As shown in Figure 11, even when the spectral shape of the dip was Gaussian, a thin, linear, and strong peak was obtained, just as in the case of the Lorentzian shape.

図12(a)~(c)は、ファイバー長が0m、6m、12mのときのスペクトル形状を示し、図12(d)~(f)は、それらに対応する時間波形と位相を示したグラフである。 Figures 12 (a) to (c) show the spectral shapes when the fiber lengths are 0 m, 6 m, and 12 m, and Figures 12 (d) to (f) are graphs showing the corresponding time waveforms and phases.

図12から、ディップとピークが周期的に現れる理由は次のように考えられる。図12(d)~(f)のように、時間波形は、幅の狭いパルスと、幅の広いパルスの重ね合わせで表現される。幅の広いパルスは、スペクトル形状におけるディップやピークに対応し、幅の狭いパルスは、ディップやピーク以外の部分に対応している。ファイバー長が0mでは、図12(d)のように、幅の狭いパルスと幅の広いパルスとで位相がπ異なっていて打ち消されるため、図12(a)のようにスペクトル形状においてはディップとなる。パルス光が光導波路14を伝搬すると、幅の狭いパルスは強度が強いため非線形効果による位相シフトを連続的に受ける。一方、幅の広いパルスは強度が弱いため位相シフトは無視できるほど小さい。そのため、幅の狭いパルスと幅の広いパルスとの位相差が、ファイバー長に応じて周期的に変化し、図12(f)のように位相差が0、またはπの偶数倍となったときに、幅の狭いパルスと幅の広いパルスとが強め合い、図12(c)のようにスペクトル形状においては強い線状のピークとなる。また、図12(d)のように位相差がπ、またはπの奇数倍となったときに、図12(a)のようにスペクトル形状においては線状のディップとなる。このようにして、ファイバー長に応じて光強度が周期的に変化し、ディップとピークが交互に周期的に現れる。 From Figure 12, the reason why dips and peaks appear periodically can be considered as follows. As shown in Figures 12(d) to (f), the time waveform is expressed by the superposition of narrow and wide pulses. The wide pulses correspond to the dips and peaks in the spectral shape, and the narrow pulses correspond to the parts other than the dips and peaks. When the fiber length is 0 m, as shown in Figure 12(d), the narrow pulses and the wide pulses have a phase difference of π and cancel each other out, resulting in a dip in the spectral shape as shown in Figure 12(a). When pulsed light propagates through the optical waveguide 14, the narrow pulses are strong and therefore continuously subjected to a phase shift due to nonlinear effects. On the other hand, the wide pulses are weak and the phase shift is small enough to be ignored. Therefore, the phase difference between the narrow pulse and the wide pulse changes periodically according to the fiber length, and when the phase difference is 0 or an even multiple of π as shown in Fig. 12(f), the narrow pulse and the wide pulse reinforce each other, resulting in a strong linear peak in the spectrum shape as shown in Fig. 12(c). Also, when the phase difference is π or an odd multiple of π as shown in Fig. 12(d), the spectrum shape shows a linear dip as shown in Fig. 12(a). In this way, the light intensity changes periodically according to the fiber length, and dips and peaks appear alternately and periodically.

図13は、ディップをメタンの1650nm付近の複数の吸収線とした場合について、光導波路14から出力されるパルス光のスペクトルと、光導波路14における伝搬距離の関係を数値計算により求めた結果を示したグラフである。パルス光は、パルス幅400fsのsech2 型でピーク出力2kW、中心波長1650nmとした。他の条件は図3、4と同様とした。 13 is a graph showing the results of numerical calculations of the relationship between the spectrum of the pulsed light output from the optical waveguide 14 and the propagation distance in the optical waveguide 14, in the case where the dips are multiple absorption lines of methane near 1650 nm. The pulsed light was a sech 2 type with a pulse width of 400 fs, a peak output of 2 kW, and a central wavelength of 1650 nm. Other conditions were the same as those in FIGS. 3 and 4.

図13のように、複数のディップを有する場合であっても、伝搬距離に応じてそれらのディップの波長における光強度が周期的に変化し、複数の線状のピークに同時に変換可能であることがわかった。また、メタンの吸収線は等間隔で並んでいるため、変換された複数の線状のピークも等間隔であった。また、各ピークの強度はパルス光の中心波長付近で強く、中心波長から離れるほど弱くなることがわかった。また、伝搬距離が長くなると各ピークの周期性にずれが生じることもわかった。これは、位相シフト量に波長依存性があるためと考えられる。また、図13から、290GHzの超高繰り返し率のパルス列を生成可能であることがわかった。As shown in Figure 13, even in the case of multiple dips, the light intensity at the wavelengths of those dips changes periodically depending on the propagation distance, and it was found that it is possible to simultaneously convert into multiple linear peaks. Furthermore, since the absorption lines of methane are arranged at equal intervals, the converted multiple linear peaks are also at equal intervals. It was also found that the intensity of each peak is strong near the central wavelength of the pulsed light, and becomes weaker the further away from the central wavelength. It was also found that the periodicity of each peak shifts as the propagation distance increases. This is thought to be because the amount of phase shift is wavelength dependent. Furthermore, Figure 13 shows that it is possible to generate a pulse train with an ultra-high repetition rate of 290 GHz.

次に、実施例1の光スペクトル生成装置を実際に作製し、その出力を光スペクトルアナライザーと光パワーにより測定し、各平均出力におけるスペクトル形状を測定した。具体的な装置構成は次の通りとした。短パルス光源10は、偏波保持Erドープファイバーと単層カーボンナノチューブを用いたリング型共振器のファイバーレーザーとし、繰り返し率28MHz、パルス幅300fs、中心波長1556nmのパルス光が出力されるものを用いた。光増幅器11には、全偏波保持型のErドープファイバー増幅器を用いた。波長シフトファイバー12には、異常分散シングルモード偏波保持ファイバーを用い、その出力はパルス幅200fsのsech2 型ソリトンパルスとした。また、中心波長が1650nmとなるように光増幅器11において出力を調整した。光強度変調器13はメタンガスを封入したガスセルとし、波長シフトファイバー12からの出力をロングパスフィルタに通した後、ガスセルに通した。光導波路14は20mのシングルモードファイバーとし、ガスセルを透過したパルス光をシングルモードファイバーに通した。 Next, the optical spectrum generating device of Example 1 was actually manufactured, and its output was measured by an optical spectrum analyzer and optical power, and the spectral shape at each average output was measured. The specific device configuration was as follows. The short pulse light source 10 was a fiber laser with a ring-type resonator using a polarization-maintaining Er-doped fiber and a single-walled carbon nanotube, and was used that output pulse light with a repetition rate of 28 MHz, a pulse width of 300 fs, and a central wavelength of 1556 nm. The optical amplifier 11 was a fully polarization-maintaining Er-doped fiber amplifier. The wavelength shifting fiber 12 was an anomalous dispersion single-mode polarization-maintaining fiber, and its output was a sech 2 type soliton pulse with a pulse width of 200 fs. The output was adjusted in the optical amplifier 11 so that the central wavelength was 1650 nm. The optical intensity modulator 13 was a gas cell filled with methane gas, and the output from the wavelength shifting fiber 12 was passed through a long-pass filter and then through the gas cell. The optical waveguide 14 was a 20 m single mode fiber, and the pulsed light transmitted through the gas cell was passed through the single mode fiber.

図14(a)は、スペクトルの測定結果を示したグラフ、図14(b)は、数値計算により求めたスペクトルを示したグラフである。図14(a)のように、平均出力1.0mWではメタンガスによる等間隔の複数の吸収線が見られた。平均出力が大きくなると、ソリトン効果によりスペクトル幅が圧縮され、吸収線の波長における光強度が変化し、線状のディップを線状のピークに変換できることがわかった。また、図14(a)と図14(b)とを比較すると、測定結果は数値計算の結果とおおよそ一致していた。 Figure 14(a) is a graph showing the measured spectrum, and Figure 14(b) is a graph showing the spectrum obtained by numerical calculation. As shown in Figure 14(a), at an average output of 1.0 mW, multiple equally spaced absorption lines due to methane gas were observed. It was found that as the average output increases, the soliton effect compresses the spectral width, changing the light intensity at the wavelength of the absorption line and converting a linear dip into a linear peak. Furthermore, when Figures 14(a) and 14(b) are compared, the measured results roughly matched the results of the numerical calculation.

次に、光導波路14をファイバー長が5mでMFD=5.5μmの小径コアファイバーに替えて同様にスペクトル形状を測定した。図15はそのスペクトル形状の測定結果を示したグラフである。図15のように、吸収線の波長における光強度が変化し、線状のディップを線状のピークに変換できることがわかった。また、小径コアファイバーは図14で用いたシングルモードファイバーに比べてソリトン次数が高いため、平均出力が大きいほどスペクトル幅が広がった。スペクトル幅が広がった結果、ディップやピークの数も増加した。また、平均出力が大きいほど自己位相変調とラマン散乱によるスペクトル形状の崩れが大きくなった。Next, the optical waveguide 14 was replaced with a small-core fiber with a fiber length of 5 m and MFD = 5.5 μm, and the spectral shape was measured in the same manner. Figure 15 is a graph showing the measurement results of the spectral shape. As shown in Figure 15, it was found that the light intensity at the wavelength of the absorption line changes, and linear dips can be converted into linear peaks. In addition, since the small-core fiber has a higher soliton order than the single-mode fiber used in Figure 14, the spectral width widened as the average output power increased. As a result of the broadening of the spectral width, the number of dips and peaks also increased. In addition, the larger the average output power, the greater the distortion of the spectral shape due to self-phase modulation and Raman scattering.

図16は、波長1650nm付近のスペクトル形状を拡大して示したグラフである。図16のように、スペクトル幅20pmのディップがスペクトル幅18pmのピークに変換されており、数値計算の結果とおおよそ一致していた。また、パルス形状の崩れによってバックグラウンドの出力レベルが低く、高いSN比が得られた。 Figure 16 is a graph showing an enlarged view of the spectral shape around a wavelength of 1650 nm. As shown in Figure 16, the dip with a spectral width of 20 pm was converted into a peak with a spectral width of 18 pm, which roughly matched the results of the numerical calculation. In addition, the collapse of the pulse shape resulted in a low background output level, and a high signal-to-noise ratio was obtained.

次に、光導波路14をシングルモードファイバーと正常分散の高非線形光ファイバーを順に接続したものに替えて同様にスペクトル形状を測定した。前段のシングルモードファイバーは10cmとし、後段の高非線形光ファイバーは5mとした。高非線形光ファイバーの二次分散値β2 =6.4ps2 /km、三次分散値β3 =0.0057ps3 /kmとし、非線形係数は波長1.56μmで23W-1km-1とした。 Next, the optical waveguide 14 was replaced with a single mode fiber and a normal dispersion highly nonlinear optical fiber connected in sequence, and the spectrum shape was measured in the same manner. The front-stage single mode fiber was 10 cm long, and the rear-stage highly nonlinear optical fiber was 5 m long. The highly nonlinear optical fiber had a second-order dispersion value β = 6.4 ps /km, a third-order dispersion value β = 0.0057 ps /km, and a nonlinear coefficient of 23 W -1 km -1 at a wavelength of 1.56 μm.

図17はスペクトル形状の測定結果を示したグラフである。図17のように、吸収線の波長における光強度が変化し、平均出力が増加するにつれて線状のディップと線状のピークが周期的に変化することがわかった。また、高非線形光ファイバーによる強い自己位相変調のためスペクトル幅が大きく広がり、ピークの本数が増加し、SN比も増加することがわかった。 Figure 17 is a graph showing the measurement results of the spectral shape. As shown in Figure 17, it was found that the light intensity at the wavelength of the absorption line changes, and that the linear dips and linear peaks change periodically as the average output increases. It was also found that the strong self-phase modulation caused by the highly nonlinear optical fiber greatly broadens the spectral width, increases the number of peaks, and increases the signal-to-noise ratio.

次に、光強度変調器13として、図18に示す回折格子132とSLM131の組み合わせを用いた。回折格子132には、900line/mmのものを用い、SLM131には20μmピッチで800ピクセルのものを用いた。 Next, a combination of a diffraction grating 132 and an SLM 131 shown in Fig. 18 was used as the light intensity modulator 13. The diffraction grating 132 used had a resolution of 900 lines/mm, and the SLM 131 had a pitch of 20 μm and 800 pixels.

図19は、図18の光強度変調器13への入力光および出力光のスペクトルを示したグラフである。図19のように、等間隔の複数のディップを所望の波長に生成することができた。 Figure 19 is a graph showing the spectrum of the input light and output light to the optical intensity modulator 13 of Figure 18. As shown in Figure 19, multiple equally spaced dips could be generated at the desired wavelength.

図20は、図18の光強度変調器13からの光を光ファイバーに通した後のスペクトルを示したグラフである。図20のように、ディップをピークに変換することができた。この結果、図18の光強度変調器13を用いれば、所望の波長にピークを生成できることがわかった。 Figure 20 is a graph showing the spectrum after the light from the optical intensity modulator 13 in Figure 18 is passed through an optical fiber. As shown in Figure 20, the dip could be converted into a peak. As a result, it was found that the use of the optical intensity modulator 13 in Figure 18 makes it possible to generate a peak at a desired wavelength.

図21は、実施例2の光スペクトル生成装置の構成を示した図である。実施例2の光スペクトル生成装置は、実施例1の光スペクトル生成装置の光強度変調器13を、光位相変調器23に替えたものであり、他の構成は同様である。 Figure 21 is a diagram showing the configuration of an optical spectrum generating device of Example 2. In the optical spectrum generating device of Example 2, the optical intensity modulator 13 of the optical spectrum generating device of Example 1 is replaced with an optical phase modulator 23, and the other configurations are the same.

光位相変調器23は、任意の波長の位相を変調する装置である。その構成は、図18と同様に、回折格子132とSLM131を組み合わせた構成とすることができる。ただし、SLM131により強度変調させるのではなく、位相変調させる点で異なっている。光位相変調器23により所定の波長が位相変調されたパルス光を、光導波路14に通すと、実施例1と同様に位相変調された波長にスペクトルピーキングが発生する。つまり、位相変調された波長に光導波路14の伝送距離に応じてディップとピークが交互に繰り返し現れる。したがって、光導波路14の伝送距離を適切に設定することで、所定の波長に線状のピークを有したスペクトルのパルス光を生成することができる。位相変調量は0でなければ任意でよいが、πに近いほどピーク強度を大きくすることができる。たとえば、0.1~π(rad)、または-π~-0.1(rad)の位相変調量とする。 The optical phase modulator 23 is a device that modulates the phase of an arbitrary wavelength. Its configuration can be a combination of a diffraction grating 132 and an SLM 131, as in FIG. 18. However, it is different in that the SLM 131 modulates the phase instead of the intensity. When the pulsed light whose predetermined wavelength is phase-modulated by the optical phase modulator 23 is passed through the optical waveguide 14, spectrum peaking occurs in the phase-modulated wavelength as in the first embodiment. That is, dips and peaks appear alternately and repeatedly in the phase-modulated wavelength according to the transmission distance of the optical waveguide 14. Therefore, by appropriately setting the transmission distance of the optical waveguide 14, it is possible to generate pulsed light whose spectrum has a linear peak at a predetermined wavelength. The phase modulation amount can be any amount other than 0, but the closer it is to π, the greater the peak intensity can be. For example, the phase modulation amount is set to 0.1 to π (rad) or -π to -0.1 (rad).

このように、強度変調ではなく位相変調でもスペクトルピーキングが発生する理由は、図12に示唆されている通りである。つまり、位相変調を受けた領域と、位相変調を受けた領域以外の部分とでは、非線形効果によって光導波路14中における位相シフト量に違いが生じる。そのため、位相変調を受けた領域と位相変調を受けた領域以外の部分との位相差が、伝送距離に応じて周期的に変化し、位相差が0、またはπの偶数倍となったときに強め合い、位相差がπ、またはπの奇数倍となったときに弱め合う。その結果、光導波路14における伝送距離に応じて光強度が周期的に変化し、ディップとピークが交互に周期的に現れる。 The reason why spectral peaking occurs not only in intensity modulation but also in phase modulation is as suggested in Figure 12. In other words, a difference in the amount of phase shift occurs in the optical waveguide 14 between the phase-modulated area and the area other than the phase-modulated area due to nonlinear effects. Therefore, the phase difference between the phase-modulated area and the area other than the phase-modulated area changes periodically according to the transmission distance, and they strengthen each other when the phase difference is 0 or an even multiple of π, and weaken each other when the phase difference is π or an odd multiple of π. As a result, the light intensity changes periodically according to the transmission distance in the optical waveguide 14, and dips and peaks appear alternately and periodically.

なお、強度変調と位相変調の双方を行ってもよい。同様にスペクトルピーキングが発生し、ピークを生成することができる。 It is also possible to perform both intensity modulation and phase modulation. This can result in spectral peaking and generate peaks.

図22は、実施例2の光スペクトル生成装置の光導波路14から放射されるパルス光のスペクトルを数値計算により求めた結果である。図22(a)は、光導波路14に入力されるパルス光のパワースペクトルと位相スペクトルを示したグラフである。図22(b)は、光導波路14から出力されるパルス光のパワースペクトルを示したグラフである。図22(a)のように、入力させるパルス光は、所定の周波数間隔で位相変調を受けている。そして図22(b)のように、位相変調を受けた波長にピークが生成されることがわかった。 Figure 22 shows the results of numerical calculation of the spectrum of pulsed light emitted from the optical waveguide 14 of the optical spectrum generating device of Example 2. Figure 22(a) is a graph showing the power spectrum and phase spectrum of the pulsed light input to the optical waveguide 14. Figure 22(b) is a graph showing the power spectrum of the pulsed light output from the optical waveguide 14. As shown in Figure 22(a), the input pulsed light is phase modulated at a predetermined frequency interval. It was found that a peak is generated at the phase-modulated wavelength, as shown in Figure 22(b).

(各種変形例)
本開示の光スペクトル生成装置は、線状のピークを複数有したスペクトルを生成するのに好適である。そのようなスペクトルの光は、光多重通信などに利用することができる。
(Various modified examples)
The optical spectrum generating device of the present disclosure is suitable for generating a spectrum having multiple linear peaks. Light with such a spectrum can be used for optical multiplexing communications, etc.

また、本開示の光スペクトル生成装置は、光周波数コムを等間隔で切り出すのに好適である。従来の光周波数コム生成方法はコム間隔が狭く、実用上、コム間隔を広げたり、コム線を適度に間引くことが求められていたが、そのような制御は困難であった。しかし、本開示によれば、光強度変調器13の特性によって光周波数コムを所望の間隔で切り出すことができるので、実用性を向上させることができる。たとえば、従来の光周波数コムではコム間隔は数十MHzであったが、本開示によればこれを数百GHzの間隔で切り出すことができる。 The optical spectrum generating device disclosed herein is also suitable for extracting optical frequency combs at equal intervals. Conventional optical frequency comb generation methods have narrow comb intervals, and in practice, it has been necessary to widen the comb interval or thin out the comb lines appropriately, but such control has been difficult. However, according to the present disclosure, the optical frequency comb can be extracted at desired intervals due to the characteristics of the optical intensity modulator 13, thereby improving practicality. For example, while the comb interval in conventional optical frequency combs is tens of MHz, this can be extracted at intervals of hundreds of GHz according to the present disclosure.

また、本開示の光スペクトル生成装置によれば、高繰り返し率のパルス光とすることができるので、光サンプリングにも好適である。 In addition, the optical spectrum generating device disclosed herein can produce pulsed light with a high repetition rate, making it suitable for optical sampling.

本開示により生成するピークの波長は限定されず、任意の波長のピークを生成することができる。たとえば、中赤外線帯域や遠赤外線帯域などにおいてもピークを生成することができる。The wavelength of the peak generated by this disclosure is not limited, and a peak of any wavelength can be generated. For example, a peak can be generated in the mid-infrared band or the far-infrared band.

本開示は、光周波数コムの生成、光波長多重通信、光サンプリングなどに利用することができる。 This disclosure can be used for generating optical frequency combs, optical wavelength division multiplexing communications, optical sampling, etc.

10:パルス光源
11:光増幅器
12:波長シフトファイバー
13:光強度変調器
14:光導波路
23:光位相変調器
10: Pulse light source 11: Optical amplifier 12: Wavelength shifting fiber 13: Optical intensity modulator 14: Optical waveguide 23: Optical phase modulator

Claims (19)

ピークを有したスペクトルのパルス光を生成する光スペクトル生成装置であって、
前記パルス光を発生させるパルス光源と、
前記パルス光源からの前記パルス光の所定波長を強度変調または位相変調する光変調器と、
前記光変調器からの前記パルス光を伝搬させ、前記パルス光に非線形効果を生じさせ光導波路と、を有し、
前記パルス光のスペクトル幅は、前記所定波長のスペクトル幅の2倍以上であり、
前記光導波路は、前記パルス光が、前記光導波路における前記パルス光の伝搬距離に応じて前記所定波長においてピークとディップを交互に周期的に繰り返すようにし、
前記光導波路の長さは、前記所定波長がピークとなったときに前記光導波路から前記パルス光が取り出されるように設定されている、
ことを特徴とする光スペクトル生成装置。
An optical spectrum generating device for generating pulsed light having a spectrum with a peak, comprising:
a pulsed light source that generates the pulsed light;
an optical modulator that intensity-modulates or phase-modulates a predetermined wavelength of the pulsed light from the pulsed light source;
an optical waveguide that propagates the pulsed light from the optical modulator and causes a nonlinear effect on the pulsed light,
a spectral width of the pulsed light is equal to or greater than twice the spectral width of the predetermined wavelength,
the optical waveguide is configured so that the pulsed light alternates between peaks and dips at the predetermined wavelength in accordance with a propagation distance of the pulsed light in the optical waveguide;
the length of the optical waveguide is set so that the pulsed light is extracted from the optical waveguide when the predetermined wavelength reaches a peak.
An optical spectrum generating device comprising:
ピークを有したスペクトルのパルス光を生成する光スペクトル生成装置であって、
前記パルス光を発生させるパルス光源と、
前記パルス光源からの前記パルス光の所定波長を強度変調または位相変調する光変調器と、
前記光変調器からの前記パルス光を伝搬させ、前記パルス光に非線形効果を生じさせ光導波路と、を有し、
前記パルス光のスペクトル幅は、前記所定波長のスペクトル幅の2倍以上であり、
前記光導波路は、前記パルス光が、前記光導波路における前記パルス光の伝搬距離に応じて前記所定波長においてピークとディップを交互に周期的に繰り返すようにし、
前記パルス光の光強度は、前記所定波長がピークとなったときに前記光導波路から前記パルス光が取り出されるように設定されている、
ことを特徴とする光スペクトル生成装置。
An optical spectrum generating device for generating pulsed light having a spectrum with a peak, comprising:
a pulsed light source that generates the pulsed light;
an optical modulator that intensity-modulates or phase-modulates a predetermined wavelength of the pulsed light from the pulsed light source;
an optical waveguide that propagates the pulsed light from the optical modulator and causes a nonlinear effect on the pulsed light,
a spectral width of the pulsed light is equal to or greater than twice the spectral width of the predetermined wavelength,
the optical waveguide is configured so that the pulsed light alternates between peaks and dips at the predetermined wavelength in accordance with a propagation distance of the pulsed light in the optical waveguide;
the light intensity of the pulsed light is set so that the pulsed light is extracted from the optical waveguide when the predetermined wavelength reaches a peak.
An optical spectrum generating device comprising:
前記光導波路の長さは、前記所定波長がピークとなる最小の距離に設定されている、請求項1に記載の光スペクトル生成装置。2. The optical spectrum generation device of claim 1, wherein the length of the optical waveguide is set to a minimum distance at which the predetermined wavelength reaches a peak. 前記パルス光のパルス形状は、sech型である、ことを特徴とする請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の光スペクトル生成装置。 4. The optical spectrum generating device according to claim 1 , wherein the pulse shape of the pulsed light is a Sech 2 type. 前記光変調器は、複数の波長に強度変調または位相変調を生じさせる、ことを特徴とする請求項1から請求項4までのいずれか1項に記載の光スペクトル生成装置。 5. The optical spectrum generating device according to claim 1 , wherein the optical modulator generates intensity modulation or phase modulation for a plurality of wavelengths. 前記光変調器は、等間隔で離散的に並んだ複数の波長に強度変調または位相変調を生じさせる、ことを特徴とする請求項に記載の光スペクトル生成装置。 6. The optical spectrum generating device according to claim 5 , wherein the optical modulator generates intensity modulation or phase modulation for a plurality of wavelengths that are discretely arranged at equal intervals. 前記光変調器は、前記所定波長を強度変調してディップを生じさせる光強度変調器である、ことを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の光スペクトル生成装置。 7. The optical spectrum generating device according to claim 1 , wherein the optical modulator is an optical intensity modulator that generates a dip by intensity-modulating the predetermined wavelength. 前記ディップのスペクトル形状は、ローレンツ型またはガウス型である、ことを特徴とする請求項に記載の光スペクトル生成装置。 8. The optical spectrum generating device according to claim 7 , wherein the spectral shape of the dip is Lorentzian or Gaussian. 前記光強度変調器は、ガスであることを特徴とする請求項または請求項に記載の光スペクトル生成装置。 9. The optical spectrum generating device according to claim 7 , wherein the optical intensity modulator is a gas. 前記ガスはメタンである、ことを特徴とする請求項に記載の光スペクトル生成装置。 10. The optical spectrum generating device of claim 9 , wherein the gas is methane. 前記光強度変調器は、
前記パルス光源からの前記パルス光を波長分離する波長分離素子と、
前記波長分離素子からの光が波長ごとに異なる位置に入射し、その位置ごとに光を強度変調する空間光強度変調器と、
を有する、ことを特徴とする請求項または請求項に記載の光スペクトル生成装置。
The optical intensity modulator includes:
a wavelength separation element that separates the wavelengths of the pulsed light from the pulsed light source;
a spatial light intensity modulator that causes light from the wavelength separation element to enter a different position for each wavelength and intensity-modulates the light for each position;
9. The optical spectrum generating device according to claim 7 or 8 , further comprising:
前記光変調器は、前記所定波長を位相変調する光位相変調器である、ことを特徴とする請求項1から請求項までのいずれか1項に記載の光スペクトル生成装置。 7. The optical spectrum generating device according to claim 1 , wherein the optical modulator is an optical phase modulator that phase-modulates the predetermined wavelength. 前記光位相変調器は、
前記パルス光源からの前記パルス光を波長分離する波長分離素子と、
前記波長分離素子からの光が波長ごとに異なる位置に入射し、その位置ごとに光を位相変調する空間光位相変調器と、
を有する、ことを特徴とする請求項12に記載の光スペクトル生成装置。
The optical phase modulator comprises:
a wavelength separation element that separates the wavelengths of the pulsed light from the pulsed light source;
a spatial light phase modulator that causes light from the wavelength separation element to enter at different positions for each wavelength and phase-modulates the light for each position;
13. The optical spectrum generating device according to claim 12 , further comprising:
前記パルス光源は、光周波数コムを出力する光周波数コム光源である、ことを特徴とする請求項1から請求項13までのいずれか1項に記載の光スペクトル生成装置。 14. The optical spectrum generating device according to claim 1, wherein the pulsed light source is an optical frequency comb light source that outputs an optical frequency comb. さらに、高非線形光ファイバーを有し、Furthermore, the device has a highly nonlinear optical fiber.
高非線形光ファイバーは、前記光変調器からの前記パルス光を前記光導波路に入力する前に、または、前記光導波路から出力後に、前記パルス光を、スーパーコンティニューム光に変換する、ことを特徴とする請求項1から請求項14までのいずれか1項に記載の光スペクトル生成装置。15. The optical spectrum generating device according to claim 1, wherein a highly nonlinear optical fiber converts the pulsed light from the optical modulator into supercontinuum light before inputting the pulsed light from the optical modulator into the optical waveguide or after outputting the pulsed light from the optical waveguide.
前記光導波路は、異常分散のシングルモードファイバーと、前記異常分散のシングルモードファイバーの後段に接続された高非線形光ファイバーと、により構成され、
前記高非線形光ファイバーは、前記パルス光を、スーパーコンティニューム光に変換する、ことを特徴とする請求項1から請求項14までのいずれか1項に記載の光スペクトル生成装置。
the optical waveguide is composed of an anomalous dispersion single mode fiber and a highly nonlinear optical fiber connected to a rear stage of the anomalous dispersion single mode fiber ,
15. The optical spectrum generating device according to claim 1, wherein the highly nonlinear optical fiber converts the pulsed light into supercontinuum light .
前記光導波路は、光ファイバーアンプである、ことを特徴とする請求項1から請求項14までのいずれか1項に記載の光スペクトル生成装置。 15. The optical spectrum generating device according to claim 1, wherein the optical waveguide is an optical fiber amplifier. ピークを有したスペクトルのパルス光を生成する光スペクトル生成方法であって、
前記パルス光の所定波長に強度変調または位相変調を生じさせた後、光導波路に前記パルス光を伝搬させて前記パルス光に非線形効果を生じさせ、
前記光導波路は、前記パルス光が、前記光導波路における前記パルス光の伝搬距離に応じて前記所定波長においてピークとディップを交互に周期的に繰り返すようにし、
前記光導波路の長さは、前記所定波長がピークとなったときに前記光導波路から前記パルス光が取り出されるように設定する、
ことを特徴とする光スペクトル生成方法。
1. A method for generating pulsed light having a peaked spectrum, comprising:
After subjecting the pulsed light to intensity modulation or phase modulation at a predetermined wavelength, the pulsed light is propagated through an optical waveguide to cause a nonlinear effect in the pulsed light;
the optical waveguide is configured so that the pulsed light alternates between peaks and dips at the predetermined wavelength in accordance with a propagation distance of the pulsed light in the optical waveguide;
the length of the optical waveguide is set so that the pulsed light is extracted from the optical waveguide when the predetermined wavelength reaches a peak.
2. A method for generating an optical spectrum comprising:
ピークを有したスペクトルのパルス光を生成する光スペクトル生成方法であって、
前記パルス光の所定波長に強度変調または位相変調を生じさせた後、光導波路に前記パルス光を伝搬させて前記パルス光に非線形効果を生じさせ、
前記光導波路は、前記パルス光が、前記光導波路における前記パルス光の伝搬距離に応じて前記所定波長においてピークとディップを交互に周期的に繰り返すようにし、
前記光導波路の光強度は、前記所定波長がピークとなったときに前記光導波路から前記パルス光が取り出されるように設定する、
ことを特徴とする光スペクトル生成方法。
1. A method for generating a pulsed light having a spectrum with a peak, comprising:
After subjecting the pulsed light to intensity modulation or phase modulation at a predetermined wavelength, the pulsed light is propagated through an optical waveguide to cause a nonlinear effect in the pulsed light;
the optical waveguide is configured so that the pulsed light alternates between peaks and dips at the predetermined wavelength in accordance with a propagation distance of the pulsed light in the optical waveguide;
the light intensity of the optical waveguide is set so that the pulsed light is extracted from the optical waveguide when the predetermined wavelength reaches a peak.
2. A method for generating an optical spectrum comprising:
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