JP7645554B2 - 光スペクトル生成装置、光スペクトル生成方法 - Google Patents

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。

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。

国際公開第２０１８／１８１２１３号

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。

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。

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。

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。

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。

実施例１の光スペクトル生成装置の構成を示した図。 スペクトル形状を模式的に示した図。 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。 光強度とファイバー長との関係を示したグラフ。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 スペクトル形状の測定結果を示したグラフ。 スペクトル形状を拡大して示したグラフ。 スペクトル形状の測定結果を示したグラフ。 光強度変調器１３の構成を示した図。 入力光および出力光のスペクトルを示したグラフ。 スペクトルを示したグラフ。 実施例２の光スペクトル生成装置の構成を示した図。 入力光および出力光のスペクトルを示したグラフ。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (19)

1. 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る光導波路と、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。
2. 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る光導波路と、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。
3. 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。
4. 前記パルス光のパルス形状は、ｓｅｃｈ^２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。
5. 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。
6. 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５に記載の光スペクトル生成装置。
7. 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６までのいずれか１項に記載の光スペクトル生成装置。
8. 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７に記載の光スペクトル生成装置。
9. 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７または請求項８に記載の光スペクトル生成装置。
10. 前記ガスはメタンである、ことを特徴とする請求項９に記載の光スペクトル生成装置。
11. 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７または請求項８に記載の光スペクトル生成装置。
12. 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６までのいずれか１項に記載の光スペクトル生成装置。
13. 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。
14. 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。
15. さらに、高非線形光ファイバーを有し、
    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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
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。

Images