本発明は、光伝送システムにおける連続光光源および光源の制御方法、パルス発生技術に適用される装置及び光再生システムに関する。
光伝送システムにおいて、光ファイバへの入力光パワを制限する要因として、誘導ブリリュアン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＢＳ）の発生により、入力パワの一部が後方散乱し、伝送システムに悪影響を与えることが考えられる。 従来、ＳＢＳを抑制する技術としては、▲１▼電気的に光源を制御する技術と、▲２▼光学的に光源を制御する技術に分けることができる。 ▲１▼は、周波数変調（ＦＭ変調）や振幅変調（ＡＭ変調）、ｄｉｔｈｅｒなどの変調を電気的にかけるもので、５，３２９，３９６ １２／１９９４ Ｆｉｓｈｍａｎ ｅｔ ａｌ． に記載されている。 ▲２▼は、パルス光において特に有効なＣｒｏｓｓ−Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＸＰＭ）又はＳｅｌｆ−Ｐｈａｓｅ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＳＰＭ）といった光ファイバの非線形現象を用いて光のスペクトルを制御するものであり、Ｙ． Ｈｏｒｉｕｃｈｉ ｅｔ ａｌ． ，'Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｅｆｆｅｃｔｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｃｒｏｓｓ−ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ＷＤＭ ｒｅｐｅａｔｅｒｌｅｓｓ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ'，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ，ｖｏｌ． ３４，Ｎｏ． ４，ｐｐ． ３９０−３９１，（１９９８）． 及び６，５１６，１１３ Ｂ１ ４／２００３ Ｇｌｉｎｇｅｎｅｒ ｅｔ ａｌ． に記載されている。
また、近年、光信号伝送システムの大容量化への要求は、ますます高まっている。 これに対する大容量化の追究の流れとして、基幹系伝送システム容量のテラビット化の試みが活発化している。 このテラビット化実現の主要な方法が、波長分割多重方式（Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ：ＷＤＭ）と、光時分割多重方式（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ：ＯＴＤＭ）である。 前者は波長の異なる複数の光信号を束ねて一括伝送する方式であり、後者は光の伝送速度（単位時間当たりの伝送容量）自体を高める方式である。
これらの方式による光伝送システムにおいて、伝送路中に電気的でなく光の領域で信号を再生する中継器を用いる方法（光再生中継）がある。 このような光再生中継では、下記表１に示す技術が報告されている。
表１に示す（１）、（３）と（５）の方式は、電気信号変調を基本とするものである。 （２）と（４）の方式は、電気回路不要な全光技術を基本とするものである。 （１）はＭ． Ｎａｋａｚａｗａ ａｎｄ Ｅ． Ｙｏｓｈｉｄａ，ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ． ，１２，１６１３（２０００）． 、（２）はＫ． Ｔａｍｕｒａ ｅｔ ａｌ． ，Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ． ，１８，１０８０（１９９３）． 、（３）はＨ． Ｋｕｒｉｔａ ｅｔ ａｌ． ，ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ． Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｅ８１−Ｃ，１２９（１９９８）． 、（４）はＫ． Ｓａｔｏ，Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ． ，３７，７６３（２００１）． 、（５）はＨ． Ｋａｗａｔａｎｉ ｅｔ ａｌ． ，ＯＦＣ２００１，ＭＪ３−１（２００１）． にそれぞれ掲載されている。
また、表１以外の手法としては、２モード光をソリトン圧縮ファイバによって、ソリトンパルス列に変換する方式も提案されている（Ｅ．Ｍ．Ｄｉａｎｏｖ ｅｔ ａｌ．，ＯＬ，１４，１００８（１９８９））。
また、信号伝送の高速化のために、高ビットレートの光信号を発生させる光源を利用する手法がある。 この手法の一例としては、断熱ソリトン圧縮を利用した光パルス圧縮器が知られ、ホール（Ｒ．Ｃ．Ｒｅｅｖｅｓ−Ｈａｌｌ）他、「ラマン増幅器における断熱圧縮に基づいたピコ秒ソリトンパルス光源（Ｐｉｃｏｓｅｃｏｎｄ ｓｏｌｉｔｏｎ ｐｕｌｓｅ−ｄｕｒａｔｉｏｎ−ｓｅｌｅｃｔａｂｌｅ ｓｏｕｒｃｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｄｉａｂａｔｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎ Ｒａｍａｎ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）」、エレクトロンレター（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．）、２０００年、第３６巻，ｐ． ６２２−６２４に掲載されている。
以上背景を鑑みて、本発明では、光通信におけるＳＢＳ抑制効果を有する光源を提供し、また、小型かつ構造が単純な波形整形器、光パルス列発生装置、及び、光再生システムを提供することを目的とする。
本発明は、光伝送システムにおける光源、波形整形器、光パルス列発生装置、及び光再生システムに関する。
本発明のひとつである光パルス列発生装置は、２モードビート光発生部、ソリトン変換部とソリトン圧縮部から構成される。 これを図１に示すような従来のシステムでは、２モードビート信号光を、そのまま断熱ソリトン圧縮器へ導いていた。 一方、本発明では、図２に示すように、断熱ソリトン圧縮の前に予めソリトン波形整形器においてビート光をｓｉｎ型波形からソリトン波形へ変換する。 この結果、ソリトン断熱圧縮の圧縮効率を大きく向上させることが可能となるだけではなく、圧縮ファイバにおける誘導ブリリュアント散乱（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＢＳ）が抑制できる。
また、光源性能を決定付ける波形整形部と圧縮部は、ＣＤＰＦによって実現する。 ＣＤＰＦは分散ファイバと非線形ファイバとの組合せによって構成され、それらファイバペアの平均分散値を調整することによってパルスコントロールが可能となる。 このＣＤＰＦ技術によってソリトン変換部とソリトン圧縮部の分散プロファイルの最適化が容易になる。 本光源では、最適プロファイルの一つとして、ソリトン変換部に平均分散が増大するプロファイル、及び、ソリトン圧縮部に平均分散減少プロファイルを採用した。
また、理想的なＣＤＰＦを実現する上で、可能な限り非線形係数が大きいファイバを非線形ファイバに活用することが重要となる。 この観点からは、伝送に用いられるＳＭＦに比べて大きな非線形係数を有する高非線形ファイバ（ｈｉｇｈｌｙ−ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｂｅｒ：ＨＮＬＦ）の活用が望ましい。 この低分散ＨＮＬＦ活用によって分散だけでなく非線形係数も櫛状プロファイルとなり、分散ファイバと非線形ファイバの組合せであるＣＤＰＦをより理想的に作製することが可能な為である。 ただし、残留分散、分散スロープと非線形効果の相互作用の結果として生じる雑音増幅現象を看過してはならない。 この抑圧には正常分散ＨＮＬＦの活用が有効である。 これは、正常分散領域では非線形効果と分散の相互作用の結果として生じるパラメトリック利得発生が抑えられ、その結果、雑音増幅が抑圧される為である。
加えて、ビート光発生部の雑音低減化も重要である。 半導体レーザ（ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ：ＬＤ）２台の出力ＣＷ光を合波することによってビート光を得るのが一般的である。 しかしながら、ＬＤ出力パワーは数十ｍＷ程度が一般的であり、次段ソリトン変換並びにソリトン圧縮には不充分である。 その為にビート光の増幅が必要となるものの、この過程で必ず雑音が付加される。 これに対して、高出力（ ＞ ５０ｍＷ）ＬＤを使用することによって光増幅が不要な、言い換えれば雑音が付加されない、ビート光発生部が実現され得る（図７）。 実際に、１００ｍＷ出力のｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ−ｆｅｅｄｂａｃｋ ＬＤが開発されており、これを用いれば低雑音光ビート発生部が構築可能となる。
以上をまとめるに、本発明の光パルス列発生装置の特徴は以下である。
（１）２モードビート信号光に対するＣＤＰＦ波形整形とＣＤＰＦソリトン圧縮の組合せによるソリトン列発生。
（２）分散増大ＣＤＰＦ波形整形器と分散減少ＣＤＰＦソリトン圧縮器の組合せ。
（３）ＣＤＰＦ波形整形器とＣＤＰＦソリトン圧縮器への低分散ＨＮＬＦ活用。
（４）２台の高出力ＬＤを用いるＥＤＦＡ省略に伴う雑音低減化。
これら方式の結果として、高品質性だけではなく高圧縮性能を有する断熱ソリトン圧縮器が実現され、この圧縮器を光源に採用することによって、１００ＧＨｚ以上の繰返し周波数及びサブピコ秒領域の時間幅を有する超高純度ソリトン列の発生が可能となる。
一方で、光伝送システム応用に重要な、ソリトン列繰返し周波数の外部信号（電気・光）との同期も、本光源では容易に実現できる。 この外部同期可能な光源の構成を図８に示す。 図７の光源と光位相ロックロープ（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ：ＯＰＬＬ）部の組合せ構成である。 参照光信号、この図では外部電気入力信号によって駆動される変調器とＬＤの組合せから得られる光クロックパルス列、と光源出力光の一部に対して光領域での繰り返し周波数を比較する構成である。 周波数比較には、光ファイバにおける四光波混合（ｆｏｕｒ ｗａｖｅ ｍｉｘｉｎｇ：ＦＷＭ）を活用する。 この発生ＦＷＭ光のパワーが最大になるように、ビート光発生部のＬＤ波長を調整する。 特に、光領域での周波数比較を採用している為に、それに上限が無い点に注目されたい。
また、上記光源は、光再生中継サブシステムの光クロックパルス光源にも活用できる。 これを図９に示す。 劣化している伝送信号光を波形整形した後に、光信号から抽出（クロック抽出）したクロック周波数に基づき発生されるクロックパルス列を、光信号によってスイッチする構成である。 このクロック抽出及びクロックパルス列発生に、図８に示した光源を適用させる。 ここでのクロックパルス列の品質は、その伝送路性能を決定する為に極めて重要な光源性能である。 即ち、超高純度ソリトン列発生可能な本光源は、この光再生中継における光クロックパルス光源に適しているといえる。 また、上記と同様の理由から、本光源はＯＴＤＭ−ＤＥＭＵＸ部への応用にも適している。 これを図１０に示す。
更に、本発明は、光ファイバの非線形現象であるＸＰＭ、ＳＰＭ、Ｆｏｕｒ−Ｗａｖｅ Ｍｉｘｉｎｇ（ＦＷＭ）を用いて連続光光源のＳＢＳを抑制する技術に関する。 具体的に説明すると、本発明は、非線形現象を利用してマルチモードの連続光光源の各モードのスペクトル幅を広げる、もしくはピークパワが大きなモードのパワーを抑えることによりＳＢＳを抑制する方法および装置を提供することができる。
本発明は、従来技術に対し、更にＳＢＳ抑制効果を有する光源に関するものである。 特に本発明では、相対強度雑音（Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ：ＲＩＮ）が増加せず、ＳＢＳを抑制することができる。
ＸＰＭ、ＳＰＭなどの非線形現象を起こすためには、３次の非線形感受率を有する媒質において生じる光の強度に応じた屈折率変化が必要であるため、比較的その効果を発生させやすいパルス光に対して適用されてきた。 従って、本発明の対象である連続光に対してはあまり知見が得られていなかった。
更に、本発明のその他の実施態様を説明すると、波形整形器が挙げられる。 この波形整形器は、波形の整形及び圧縮の両方を兼ねることができる。 つまり、この波形整形器を２つ接続すれば、波形の整形と圧縮を行うことができることになる。
本発明にかかる波形整形器の１つの実施態様は、入力された光をソリトン光に変換する波形整形器において、高非線形光伝送路と、前記高非線形光伝送路よりも低い非線形係数を有し、かつ前記高非線形光伝送路と２次分散値の絶対値が相違する低非線形光伝送路とを複数配設した構造を有することを特徴とする。
この実施態様によれば、高非線形光伝送路と低非線形光伝送路とを複数配設することとしたため、等価的に分散減少伝送路を実現することができ、かつ高非線形光伝送路を用いたことで全体として高い分散特性を有する波形整形器を実現することができる。
また、本発明にかかる波形整形器の他の実施態様は、上記の発明において、入力端からの距離がソリトン周期以下となる領域に光アイソレータをさらに備えたことを特徴とする。
この実施態様によれば、ソリトン周期以下となる距離に光アイソレータを配置することとしたため、波形整形器中における誘導ブリリュアン散乱の発生を抑制することができ、強度の高いソリトン光を出力することができる。
また、本発明にかかる波形整形器の他の実施態様は、上記の発明において、前記光アイソレータは、異なる光伝送路の接合部に配設されることを特徴とする。
この実施形態によれば、光伝送路の接合部に光アイソレータを配設することとしたため、融着点数を減少させることが可能となり、光損失を低減した波形整形器を実現することができる。
また、本発明にかかる波形整形器の他の実施態様は、上記の発明において、前記光アイソレータは、前記高非線形光伝送路の前段に配設されることを特徴とする。
この実施形態によれば、光アイソレータが高非線形光伝送路の前段に配設されることとしたため、誘導ブリリュアン散乱の発生をより効果的に抑制することができる。 誘導ブリリュアン散乱は非線形光学効果の一種であることから、高非線形光伝送路において発生しやすい。 そのため、高非線形光伝送路の前段に光りアイソレータを配設することによって誘導ブリリュアン散乱の発生をより効果的に抑制することができる。
また、本発明にかかる光パルス発生装置の１つの実施態様は、非線形係数が３ｋｍ−１・Ｗ−１以上の高非線形光伝送路を備え、入力された光をラマン増幅しつつ断熱ソリトン圧縮によってパルス幅を圧縮するパルス幅圧縮手段と、該パルス圧縮手段に対してラマン増幅のための励起光を供給する励起光源と、該励起光源を前記パルス幅圧縮手段と光結合するための光結合手段とを備えたことを特徴とする。
この実施態様によれば、高非線形光伝送路中を伝送する光に対してラマン増幅を行うこととしたため、高非線形光伝送路の伝送路長を短縮化できると共に、出力光のパルス幅をより圧縮することができる。
また、本発明にかかる光パルス発生装置の他の実施態様は、上記の発明において、前記パルス幅圧縮手段前段に配設され、波形整形器と、該波形整形器前段に配設された発光手段とさらに備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる光パルス発生装置の実施態様は、上記の発明において、前記パルス圧縮手段前段に配設された光増幅器をさらに備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる光パルス発生装置の実施態様は、上記の発明において、前記パルス圧縮手段前段に配設された誘導ブリリュアン散乱抑制手段をさらに備えたことを特徴とする。
また、本発明にかかる光パルス発生装置の１つの実施態様は、伝送される光の繰返し周波数を抽出するクロック抽出装置と、波形整形器もしくは光パルス発生装置を備えた光クロックパルス列発生装置と、前記クロック抽出装置で抽出された周波数に基づいて、前記光クロックパルス列発生装置から出力される光を変調する光シャッター装置とを備えたことを特徴とする。
この実施態様によれば、光クロックパルス列発生装置として、本発明の光パルス発生装置を使用することとしたため、光パルスの強度揺らぎや時間揺らぎの少ない光クロックパルス列が得られる。
図１は、従来の２モードビート光のソリトン圧縮による超高繰り返しソリトン列発生を行なうシステムの構成図である。
図２は、本発明のソリトン波形成形器と断熱ソリトン圧縮器の組合せによる２モード光からの高繰り返しソリトン列発生を行なうシステムの構成図である。
図３は、図２に示すシステムにおいて、ソリトン波長成形器に分散増大ＣＤＰＦを、断熱ソリトン圧縮器に分散減少ＣＤＰＦを用いた機器構成を示す図である。
図４は、波形成形用ＣＤＰＦ、及び、ソリトン圧縮用ＣＤＰＦのファイバ特性プロファイルを示す図である。
図５Ａは、本発明の光パルス列発生装置による、入出力パルスの自己相関波形を示す図である。
図５Ｂは、本発明の光パルス列発生装置による、入出力パルスの光スペクトル波形を示す図である。
図６は、波形成形用ＣＤＰＦ、及び、図３よりも穏やかな分散減少を有するソリトン圧縮用ＣＤＰＦのファイバ特性プロファイルを示す図である。
図７は、高出力ＤＦＢ−ＬＤを用いたビート光発生部の構成図である。
図８は、２次分散値β ２の絶対値に対する基本ソリトン励起に必要な入力光の強度の依存性。 外部信号との同期が可能な光源の構成図である。
図９は、本発明の光源を、光再生中継サブシステムの光クロックパルス光源に応用した場合の構成図である。
図１０は、本発明の光源をＯＴＤＭ−ＤＥＭＵＸ部へ応用した場合の構成図である。
図１１は、分散媒質と非線形媒質が交互に配置された伝送路を示す図である。
図１２は、ＣＰＦの概念を示す図である。
図１３は、ＨＮＬＦにおけるラマン増幅器を用いる波形整形器の構成を示す図である。
図１４は、２次分散値β ２の絶対値に対する基本ソリトン励起に必要な入力光の強度の依存性を示す図である。
図１５は、出力パルス幅の限界値と入力光強度依存性を示すグラフである。
図１６は、ＣＰＦやＨＮＬＦにおけるラマン増幅器を用いた波形整形器を用いたパルス列発生装置を示す図。
図１７は、ＣＰＦを用いる光パルス列発生装置の構成を示す図である。
図１８は、波形成形用ＣＤＰＦ、及び、分散減少を有するソリトン圧縮用ＣＤＰＦのファイバ特性プロファイルを示す図である。
図１９Ａは、入出力パルスの自己相関波形を示すグラフである。
図１９Ｂは、光スペクトル波形を示すグラフである。
図２０は、ＣＷ光から光変調器を用いてビート光、又は、種パルスを発生させる種パルス発生部と、パルス波形整形器からなる光パルス発生器を示す図である。
図２１は、ソリトン長と入力パルス幅との関係を示すグラフである。
図２２Ａは、４０ＧＨｚパルス列発生の光源構成を示す図である。
図２２Ｂは、ＣＤＰＦの分散値と非線形係数のプロフィルを示す図である。
図２３Ａは、ＣＰＦ入出力パルス列の自己相関波形を示すグラフである。
図２３Ｂは、ＣＰＦ入出力パルス列の光スペクトル波形を示すグラフである。
図２４は、ＣＰＦ出力パルスの時間幅とピークペデスタル比の入力波形依存性を示すグラフである。
図２５は、自己相関波形上の隣接パルスピーク値の入力ビートのキャリア抑圧比依存性ＣＳＲを示すグラフである。
図２６Ａは、４０ＧＨｚパルス列光源の構成図を示す図である。
図２６Ｂは、ＣＤＰＦの分散値と非線形係数のプロファイルを示すグラフである。
図２７Ａは、ＣＤＰＦ入出力光パルス列の自己相関波形を示すグラフである。
図２７Ｂは、ＣＤＰＦ入出力光パルス列の光スペクトル波形を示すグラフである。
図２８は、ＥＤＦＡ−Ｆｒｅｅな光源の実施例を示す図である。
図２９は、ＣＰＦとＨＮＬＦにおけるラマン増幅器の波形整形器を用いる光パルス列発生器を示す図である。
図３０は、ＣＰＦ不使用及び使用の場合のＳＢＳ光パワーとＳＣＲＡ出力パワーの、ＳＣＲＡ入力パワー依存性を示すグラフである。
図３１は、ＳＣＲＡ出力パルス時間幅のラマン利得及び出力パワー依存性を示すグラフである。
図３２Ａと図３２Ｂは、それぞれ利得２．４、９．４、１１．６、１２．６ｄＢにおけるＲＡ出力パルス列の自己相関波形と光スペクトル波形である。
図３３は、ＸＰＭまたはＳＰＭによるＳＢＳ抑制効果の模式図である。
図３４は、ＦＷＭによるＳＢＳ抑制効果の模式図である。
図３５は、ＨＮＬＦを用いてＳＢＳ抑制を行った光源の測定伝送路におけるＳＢＳ抑制の効果を検証するための実験系である。
図３６は、ＨＮＬＦを用いたＳＢＳ抑制を行っていない光源の測定伝送路におけるＳＢＳ抑制の効果を検証するための実験系である。
図３７は、１４５５ｎｍの半導体レーザのＳＢＳ測定結果を示すグラフである。
図３８は、１４６１ｎｍの半導体レーザのＳＢＳ測定結果を示すグラフである。
図３９は、１４５５ｎｍの半導体レーザ光をＨＮＬＦに通した場合のスペクトルを示すグラフである。
図４０は、１４５５ｎｍの半導体レーザ光をＨＮＬＦに通さないときのスペクトルを示すグラフである。
図４１は、１４６１ｎｍの半導体レーザ光をＨＮＬＦに通した場合のスペクトルを示すグラフである。
図４２は、１４６１ｎｍの半導体レーザ光をＨＮＬＦに通さないときのスペクトルを示すグラフである。
図４３は、１４６１ｎｍの半導体レーザ光をＨＮＬＦに通した場合と、通さない場合のＲＩＮ測定結果を示すグラフである。
図４４は、ラマン増幅器の構成図である。
図４５は、２つの連続光光源を用いたＳＢＳ抑制光源の模式図である。
図４６は、２つの連続光光源を用いたＳＢＳ抑制光源の効果を確認するための実験系である。
図４７は、２つの連続光光源を用いたＳＢＳ抑制光源の効果を確認するための実験系に用いた各光源のＳＢＳ測定結果を示すグラフである。
図４８Ａは、２つの連続光光源を用いたＳＢＳ抑制光源の光がＴＷ−ＲＳファイバを伝搬した後のスペクトルを示すグラフである。
図４８Ｂは、２つの連続光光源を用いたＳＢＳ抑制光源の光がＴＷ−ＲＳファイバを伝搬した後のスペクトルを示すグラフである。
図４８Ｃは、２つの連続光光源を用いたＳＢＳ抑制光源の光がＴＷ−ＲＳファイバを伝搬した後のスペクトルを示すグラフである。
図４８Ｄは、２つの連続光光源を用いたＳＢＳ抑制光源の光がＴＷ−ＲＳファイバを伝搬した後のスペクトルを示すグラフである。
図４９Ａは、図４８Ａと図４８Ｂを拡大したグラフである。
図４９Ｂは、図４８Ａと図４８Ｃを拡大したグラフである。
図４９Ｃは、図４８Ｄを拡大したグラフである。
図５０は、２つの連続光光源を用いたＳＢＳ抑制光源のＳＢＳ抑制効果の模式図である。
図５１は、複数の波長を持つ光源をまとめてＳＢＳ抑制する場合のＳＢＳ抑制光源の模式図である。
図５２は、複数の波長を持つ光源のそれぞれをＳＢＳ抑制する場合のＳＢＳ抑制光源の模式図である。
図５３は、ＦＷＭによるパワ変化を調べるためのシミュレーションの構成図である。
図５４Ａは、１４６０ｎｍの分散が０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍのファイバを用いた時の、ファイバ長に対するトータルパワとピークパワの関係をシミュレーションによって見積もったグラフである。
図５４Ｂは、１４６０ｎｍの分散が１ｐｓ／ｎｍ／ｋｍのファイバを用いた時の、ファイバ長に対するトータルパワとピークパワの関係をシミュレーションによって見積もったグラフである。
図５４Ｃは、１４６０ｎｍの分散が５ｐｓ／ｎｍ／ｋｍのファイバを用いた時の、ファイバ長に対するトータルパワとピークパワの関係をシミュレーションによって見積もったグラフである。
図５５は、Ｐ・Ｌ ｅｆｆとピークパワの関係を示したグラフである。
図５６は、ピークパワが３ｄＢ落ちるときのＰ・Ｌ ｅｆｆと分散をプロットしたグラフである。
図５７は、各ＬＤの波長間隔を変えた時のピークパワの変化量とファイバ長の関係を示したグラフである。
図５８Ａは、実施の形態１にかかる波形整形器の構造を示す模式図である。
図５８Ｂは、実施の形態１にかかる波形整形器の群速度分散の分布の一例を示すグラフである。
図５９は、実施の形態１にかかる波形整形器によってソリトン変換を行った場合の入力光と出力光の自己相関関係の変化について説明するためのグラフである。
図６０は、実施の形態１の変形例にかかる波形整形器における群速度分散の分布の一例を示すグラフである。
図６１は、実施の形態２にかかる波形整形器の構造を示す模式図である。
図６２Ａ〜図６２Ｄは、は、アイソレータの有無および配置する位置による戻り光の強度の変化について説明するためのグラフである。
図６３Ａは出力光の自己相関関係を示すグラフである。
図６３Ｂは、出力光のスペクトル波形を示すグラフである。
図６４は、実施の形態３にかかる光パルス発生装置の構造を示す模式図である。
図６５は、２次分散値の絶対値に対して基本ソリトン励起に必要な入力光の強度の依存性を示すグラフである。
図６６は、パルス圧縮伝送路に入力する光の強度と圧縮パルス幅の限界値との関係を示すグラフである。
図６７は、実施の形態３の変形例にかかる光パルス発生装置の構造を示す模式図である。
図６８は、本発明の波形整形器を配置させた光再生システムの一構成例を示す図である。
図６９は、その他の実施形態にかかる構成を示す概要図である。
発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。
（光パルス列発生装置の実施形態）
まず、本発明に係る光パルス列発生装置の実施形態について説明する。 まず、本発明の光パルス列発生装置の実施例を図２と図３に示す。
図２は、本発明の光パルス列発生装置の、全般的システム構成を示す図である。 図２において、２モードビート信号光源（ｄｕａｌ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｏｕｒｃｅ）から出力された信号光の波形はｓｉｎ波形であるが、ソリトン波形整形器（ｓｏｌｉｔｏｎ ｓｈａｐｅｒ）によって、ソリトン整形された後の出力光は、ｓｅｃｈ ２波形の断熱ソリトン圧縮に適した形となる。 その後、断熱ソリトン圧縮器（ａｄｉａｂａｔｉｃ ｓｏｌｉｔｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）によって、テラビット伝送に適応するパルス光信号を得ることができる。 圧縮器前半において、ソリトン変換されたパルスが後半で圧縮されるプロセスである従来法に比べて、本手法では、圧縮器の最初から圧縮が生じ得る為に、圧縮性能向上が実現され得る。 更に、ソリトン波形整形器によって、ＳＢＳ効果発生の前にスペクトルが効率良く広帯域化され得る。 その結果、ＣＤＰＦ全体でのＳＢＳ効果が抑圧される。
図３では、ソリトン波形整形器に分散増大ＣＤＰＦを、断熱ソリトン圧縮器に分散減少ＣＤＰＦを適用した実施例を示す。 波長の異なる２台の半導体レーザの出力光を合波した後に、エルビウム添加物ファイバ増幅器や半導体光増幅器に入力する。 その増幅されたビート光を、２段のＣＤＰＦに入力する構成である。 この２段のＣＤＰＦに、分散増大ファイバと分散減少ファイバの組合せを活用することによって、パルス品質を劣化させずに高圧縮率を実現できる。 また、ＣＤＰＦ技術の活用によって、分散増大・分散減少プロファイルを容易に実現できるだけではなく、ファイバ長調整を通じて分散値を緻密に連続的にコントロールできる。
具体的な機器を説明すれば、本発明の光パルス列発生装置は、下記の機器から構成されている。
（１）モードの異なる光信号を発信する２台の半導体レーザ出力と、その光信号を合波して２モードビート信号光を作る合波器を備える２モードビート信号光源（Ｄｕａｌ−ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｏｕｒｃｅ）
（２）散増大ＣＤＰＦにより構成され、２モードビート信号光をソリトン変換するソリトン波形整形器（Ｓｏｌｉｔｏｎ ｓｈａｐｅｒ）
（３）散減少ＣＤＰＦで構成され、ソリトン変換された信号光を断熱ソリトン圧縮する断熱ソリトン圧縮器（Ａｄｉａｂａｔｉｃ ｓｏｌｉｔｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）加えて、高品質なソリトン列を発生させる上では、可能な限り非線形係数が大きなファイバ、即ちＨＮＬＦ、を活用することが重要となる。 理想的なＣＤＰＦでの非線形ファイバでは、非線形性のみが生じ、分散は抑圧される必要がある。 従来では、この非線形ファイバに２次分散値が極めて小さい分散シフト化ファイバを用いているものが多い。 このような２次分散値が極めて小さいファイバでは高次分散効果が増強され得る為に、一般には、パルス品質は劣化する。 これに対して、分散値の小さいＨＮＬＦは、分散効果が小さいだけではなく、非線形性も増強され、より理想的な非線形ファイバとして動作し得る。 この結果として、ＣＤＰＦ設計の自由度が向上し、圧縮パルス品質の劣化抑圧も容易となる。
この分散増大ＣＤＰＦと分散減少ＣＤＰＦは、ＨＮＬＦとＳＭＦの融着接続によって製造される。 従って、これらのＣＤＰＦは、Ｄ値がファイバの長さ方向に一定であるＨＮＬＦとＳＭＦの、たった２種類のファイバの長さを調整するだけで容易に構成され、その結果、現実の製造、施工時に多きなメリットを有する。 これに対し、上述したが、従来の分散増大ファイバおよび分散減少ファイバは、長さ方向に対しＤの値が緻密調整された光ファイバを使用する必要がある。 この光ファイバの製造は、大変困難であり、実際の製造、施工時に多大な時間とコストを有することになる。
また、ＨＮＬＦは、正常分散ＨＮＬＦと呼ばれる分散値がマイナスとなるファイバであり、これを用いた分散増大ＣＤＰＦによるソリトン波形整形器は、圧縮ファイバによるＳＢＳを抑えて雑音を抑制することができる。 また、正常分散ＨＮＬＦを用いたＣＤＰＦによるソリトン圧縮器との相性もよく、雑音の抑制された出力光を得ることができる。
このＣＤＰＦのファイバ特性は表２にまとめられている。
表２は、波形整形器及び断熱ソリトン圧縮に用いたＣＤＰＦのファイバ特性を示す。 Ｄａｖｅは平均分散値を表す。 １ｓｔ ｐａｉｒ〜３ｒｄ ｐａｉｒにおいては、ＨＮＬＦの長さを４０ｍに固定して、ＳＭＦの長さを長くしていくことによってＤ ａｖｅを増加させ、分散増大ＣＤＰＦを実現している。 これを波形成形器として使用する。
また、４ｔｈ ｐａｉｒ〜６ｔｈ ｐａｉｒにおいては、ＨＮＬＦの長さを１００ｍに固定して、ＳＭＦの長さを短くしていくことによってＤ
ａｖｅを減少させ、分散減少ＣＤＰＦを実現している。 これを、ソリトン圧縮用に使用する。
以上により、ＨＮＬＦとＳＭＦのたった２種類のファイバの長さを調整することで、所定の分散増大ＣＤＰＦと分散減少ＣＤＰＦを得ることができる。
ここで図４に、これらの波長成形、及び、ソリトン圧縮用のＣＤＰＦのファイバプロファイルを示す。 図４の上段のグラフは、理想的な分散プロファイルを示す。 グラフの縦軸は分散値Ｄを示し、単位はｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。 横軸はファイバ長手方向距離ｚを示し、単位はｍである。
図４の中段のグラフは、表２で示すＣＤＰＦの分散プロファイルを示す。 縦軸、横軸の単位は、図４の上段のグラフと同様である。 また、破線は、平均分散値Ｄ
ａｖｅを表している。
図４の下段のグラフは、表２で示すＣＤＰＦの非線形係数γのプロファイルを示す。 グラフの縦軸は非線形係数γを表し、単位は１／Ｗ／ｋｍである。 横軸は、ファイバ長手方向距離ｚを表し、単位はｍである。
まず、図４の中段のグラフに示した平均分散値Ｄ
ａｖｅからわかるように、波形整形を目的としたＣＤＰＦには、所定の分散増大プロファイルを有し、断熱ソリトン圧縮部を目的としたＣＤＰＦには、所定の分散減少プロファイルを有している。
また、ここで注目すべきことは、図４の下段のグラフから明らかなとおり、ＣＤＰＦにＨＮＬＦを活用したことによってファイバ分散だけではなく、非線形係数も櫛状のプロファイルを有するファイバを実現できたことである。 このことによって、非線形効果と分散効果を交互に生じせる、理想的なプロファイルを得ることができる。
つまり、非線形媒質と分散媒質の寸法を調整することによって、伝送特性を制御することができる。 ここでいう寸法とは、光ファイバの長さを始めとして、その他、媒体の長さ、厚み等、非線形特性、分散特性に影響を与えるあらゆる寸法が該当する。
ここで、ＨＮＬＦの実際の分散値と非線形係数はそれぞれ・０．８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍと２４ １／Ｗ／ｋｍである。 このＨＮＬＦの分散値がマイナス値をとる正常分散化によって、ソリトン圧縮におけるパラメトリック利得発生を抑圧でき、結果として雑音増大が抑圧されている。
次に、図５に、上述のビート光を、分散増大ＣＤＰＦを用いるソリトン変換、及び、分散増大ＣＤＰＦを用いるソリトン圧縮を行った結果の値、つまり、本発明の光パルス列発生装置の性能を示す入出力パルス波形を示す。
図５Ａは、入出力パルスの自己相関波形を黒丸に示す。 グラフの縦軸は光強度を表し、単位はａｒｂｉｔｒａｒｙ ｕｎｉｔである。 グラフの横軸は時間遅延を表し、単位はｐｓである。 また、理想的なｓｅｃｈ
２パルスの自己相関波形を破線で示す。
図５Ｂは、光スペクトル波形を示す。 グラフの縦軸はスペクトルを表し、単位は１０ｄＢ／ｄｉｖである。 グラフの横軸は波長を表し、単位はｎｍである。 また、理想的なｓｅｃｈ
２波形を破線で示す。
ここで注目すべきことは、実験結果と破線が自己相関波形上だけではなく、光スペクトルにおいても良く一致していることである。 更に、ＣＤＰＦ入出力パルススペクトルのモード幅に大きな変化が無いことから、ソリトン圧縮過程における雑音増幅が少ないことが証明されている。
以上の結果から、本発明の光パルス列発生装置によって得られた光パルスが、超高純度なソリトンであることを示している。 また、自己相関波形フィッティングから換算される時間幅は、８３０ｆｓである。
従って、２モード光光源と、正常分散ＨＮＬＦを使用した分散増大ＣＤＰＦによるソリトン波形成形器と、正常分散ＨＮＬＦを使用した分散減少ＣＤＰＦによるソリトン圧縮器とを組み合わせた光パルス列発生装置によって、サブピコ秒レベルの圧縮された超高純度ソリトンを得ることが可能となり、テラビット伝送の実用化に大きく近づいたと言える。
また、図４の実施例のＣＤＰＦに比べて、より緩やかに分散減少されるＣＤＰＦを適用することによって、更に、ソリトン圧縮の性能の向上が図られることが判明している。 その一例として、６ペアＣＤＰＦ断熱ソリトン圧縮部を有するソリトン圧縮器のファイバの特性を表３に示す。
Ｄ
ａｖｅは平均分散値を表す。 １ｓｔ ｐａｉｒ〜３ｒｄ ｐａｉｒにおいては、ＨＮＬＦの長さを４０ｍに固定して、ＳＭＦの長さを長くしていくことによってＤ ａｖｅを増加させ、分散増大ＣＤＰＦを実現している。 これを波形成形器として使用する。
また、４ｔｈ ｐａｉｒ〜９ｔｈ ｐａｉｒにおいては、ＨＮＬＦの長さを１００ｍに固定して、ＳＭＦの長さを短くしていくことによってＤ
ａｖｅを減少させ、分散減少ＣＤＰＦを実現している。 表３の場合に比べて、分散減少ＣＤＰＦの長さが２倍となっている。 これを、ソリトン圧縮用に使用する。
また、図６に、ＣＤＰＦのファイバ特性プロファイルを示す。 図６の上段のグラフは、表３で示すＣＤＰＦの分散プロファイルを示す。 グラフの縦軸は分散値Ｄを示し、単位はｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。 横軸はファイバ長手方向距離ｚを示し、単位はｍである。
図６の下段のグラフは、表３で示すＣＤＰＦの非線形係数γのプロファイルを示す。 グラフの縦軸は、非線形係数γを表し、単位は１／Ｗ／ｋｍである。 また、横軸はファイバ長手方向距離ｚを表し、単位はｍである。
以上のプロファイルを持つＣＤＰＦファイバによって、図５に示される出力光よりも、更に圧縮された超高純度ソリトンを得ることができる。
また、ビート光発生部の雑音低減化も重要である。 半導体レーザ（ＬＤ）２台の出力ＣＷ光を合波することによってビート光を得るのが一般的である。 しかしながら、ＬＤ出力パワーは数十ｍＷ程度が一般的であり、次段ソリトン変換並びにソリトン圧縮には不充分である。 その為にビート光の増幅が必要となる。 しかし、その増幅器の雑音が問題となる。
図３の光源部品において最も雑音付加が多いのがＥＤＦＡである。 言い換えるに、ＥＤＦＡを使用しない方式では、より高品質なソリトン列の発生が可能となる。 この考えに基づくＥＤＦＡ−ｆｒｅｅな光源の実施例を、図７に示す。 高出力（
＞ ５０ｍＷ）ＬＤ２台の出力ＣＷ光を、合波することによってビート光（ ＞ ５０ｍＷ）が得られる。 このビート光は次段ソリトン変換及び圧縮に十分な光パワーを有しているので、光増幅を必要としない。 したがって、より雑音が少ないソリトン列の発生が可能である。 また、ＥＤＦＡに用いられるポンプＬＤ、駆動回路を省略できる為に、装置自体の小型化もメリットの一つである。
次に、本光源の光伝送システムへの応用を考えると、光源の外部同期は必須機能である。 本光源は、このファンクション実現も容易に行える特長を有する。
これに関する実施例として、その光源構成を図８に示す。 図７に示した低雑音光源を基本とするソリトン列発生部とＯＰＬＬ（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅ ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ）部の組合せ構成である。 このＯＰＬＬ部の動作原理の詳細を以下に説明する。
外部入力光を参照信号とする場合、この外部入力光の繰返し周波数と２モード光のビート周波数を光領域で比較する。 この比較には光ファイバ非線形効果の一種である四光波混合（ｆｏｕｒ ｗａｖｅ ｍｉｘｉｎｇ：ＦＷＭ）現象を活用する。 外部光とビート光を合波しＨＮＬＦに入力し、ＦＷＭ光を発生させる。 このＦＷＭ光を波長フィルタで切出し、そのパワーをモニタする。 このＦＷＭ光パワーが最大となるように、ビート光発生部のＬＤ波長を調整することによって、周波数の同期が可能となる。 また、外部電気信号との同期をとる場合は、はじめに、その電気信号に基づくクロックパルス列を発生させる。 これには簡易かつ高速な電界吸収型半導体変調器（ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＥＡＭ）付ＤＦＢＬＤが適している。 また、必要であればＨＮＬＦを用いてパルス圧縮する。 この光クロックパルス列とビート光の繰返し周波数を、上述と同様に光領域で比較することによって同期が実現される。
また、長距離の伝送中に発生する信号光の波形の乱れや信号光パルスの時間ずれを、中継点で補償することは、テラビット長距離伝送における重要課題である。 これに関して、上記光源は、再生中継サブシステムの光クロックパルス光源にも活用できる。 これを図９に示す。
再生中継の初段では、劣化している伝送信号光のノイズ除去を行うことによって、ある程度、波形を成形することができる。 これは、閾値と飽和を有する入出力特性のデバイスを使用することによって実現される。
しかし、この機能だけでは、信号光パルスの時間ずれは補償されない。 この信号光パルスの時間ずれを補償する機能として、下記の説明するＲｅｔｉｍｉｎｇがある。
ここでは、タイミングのずれを有する信号を、基準繰り返し周波数のクロックパルス列によってスイッチングし、Ｒｅｔｉｍｉｎｇ機能を実現するものである。 光領域でのスイッチの実現法として、光ファイバの非線形効果に基づく方法が一般的といえる。
このＲｅｔｉｍｉｎｇで必要となるクロックパルス発生に、図８に示すＯＰＬＬ付きソリトン列発生装置を活用させることが有効である。 この出力パルスとして、入力信号光の繰り返し周波数に同期したソリトンパルス列が得られる。 この光源出力パルスは、高純度な信号光パルスなので、高品質伝送路の構築、すなわち、高性能伝送路と高品質伝送パルスの実現が必須の条件となるテラビット級ＯＴＤＭ伝送システムに、非常に適している。
また、本発明の光源は、ＯＴＤＭシステム受信部に必要となるＤＥＭＵＸ部のクロックパルス列発生に使用することに関しても、非常に適している。 この実施例を図１０に示す。
図１０に示されるシステムは、伝送された光信号を分岐して取り出し、その信号の繰り返し周波数の分周を有するクロックパルス列でスイッチするものである。 このクロックパルス列発生とクロック抽出に、図８に示す光源を採用する。 図１０では、Ｋｅｒｒ−ｓｈｕｔｔｅｒにて分岐をしているが、もちろん、他の装置、方法によって行なうこともできる。
この本発明の光源を利用することによって、ＤＥＭＵＸ部をより簡素な構成で実現することが可能となる。 加えて、図９の再生中継と同様に、スイッチ前にあらかじめ雑音除去をして波形成形することによって、更なる高性能化が可能である。
以上のように、本発明の光源は、発信部、中継部、受信部等、伝送システムのあらゆる部分において適用可能であり、本発明によって、テラビット級ＯＴＤＭ伝送システムの実現に大きく貢献するものである。
（光パルス列発生装置のその他の実施形態）
また、光パルスは時間・空間・周波数領域において興味深い特徴を有している。 エネルギーが時間的・空間的に集約している、スペクトルが広帯域化されている、などがその代表例であろう。 この特徴を活用した様々な応用が提案されており、微細加工、多光子吸収加工、サンプリング計測や光ファイバ通信などへの応用が期待されている。
光パルス発生法の主流が、モード同期チタンサファイアレーザに代表される大型固体レーザ装置である。 ただし、空間光学系を用いている為に、小型化困難であり安定性も乏しい。 これらの本質的な問題の為に、この光源の産業応用が疑問視されている。 一方、小型・安定性の観点からは半導体レーザ（ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ：ＬＤ）や誘電体・半導体光変調器を用いる方式に勝るものはない。 特に、この方式では電気信号との同期が容易であり、産業応用に必須な特徴を本質的に備えている方式といえよう。 ただし、この方式によって得られる光パルスの時間幅はたかだか１ｐｓ程度である為に、更なる時間幅短縮には光パルス圧縮器が必須となる。 更に、１台のＬＤからの出力パワーも数百ｍＷが限界であり、ワット級・マイクロジュール級増幅には外部光増幅器が必要となる。 本発明は、特に、前者のパルス圧縮に関する技術である。
簡素でＬＤ出力パルスとの整合性が良いパルス圧縮方式として、光ファイバ非線形効果を用いる方式がある。 特に、低雑音性に優れているのが基本ソリトンを活用する断熱ソリトン圧縮である。 光ソリトンは光ファイバ伝搬において摂動が存在した場合でも、ソリトン次数と呼ばれる以下の式で表されるパラメータＮを一定にするように自分自身の波形を変化させる。
ただし、γとβ
２は光ファイバの非線形係数［１／Ｗ／ｋｍ］と分散値［ｐｓ ２ ／ｋｍ］である。 また、Ｐ ０ 、Ｔ ０とε ｐは光ソリトンのピークパワー［Ｗ］、１／ｅ ２パルス幅［ｐｓ］とパルスエネルギー［ｐＪ］である。 摂動として、β ２が減少する場合やε ｐが増大する場合、光ソリトンはＮを一定化させるためにＴ ０を減少させる。 これが断熱ソリトン圧縮の原理である。
この断熱ソリトン圧縮プロセスの実現法として、（１）ファイバ長手方向に分散値が減少する分散減少ファイバ（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｄｅｃｒｅａｓｉｎｇ ｆｉｂｅｒ：ＤＤＦ）、（２）異種ファイバを組み合わせることによってＤＤＦを模倣するファイバ、そして（３）長手方向に緩やかな利得を有するファイバ、を活用する方式が提案されている。 ここでは、各々の特徴をまとめてみよう。
（１）ＤＤＦは理想的な断熱ソリトン圧縮ファイバである。 しかしながら、局所分散値を厳密に制御する必要があり、その作製は容易とはいえない。 分散揺らぎは雑音増幅につながり、圧縮パルスの品質劣化につながる。 また、入力パルス特性に対してＤＤＦ入力端分散値と分散減少率を最適化する必要があり、決して柔軟性が高い方式とはいえない。
（２）分散一定ファイバ数種類を接続することによってＤＤＦを模倣することが可能である。 数種類の異なる分散値を有する分散シフトファイバ（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｉｂｅｒ：ＤＳＦ）を接続するステップ状分散プロファイルファイバ（ｓｔｅｐ−ｌｉｋｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｆｉｂｅｒ：ＳＤＰＦ）と２種類の異なる分散値を有するＤＳＦを交互に配置するコム状分散プロファイルファイバ（ｃｏｍｂ−ｌｉｋｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｆｉｂｅｒ）がある。 これらは分散値を緻密に制御することが可能である一方で、ファイバ接続の融着ロスが存在する為に、圧縮性能の観点からは他手法に劣る。
（３）光ファイバ増幅器はエルビウム添加ファイバ増幅器（Ｅｒｂｉｕｍ ｄｏｐｅｄ ｆｉｂｅｒ ａｍｐｌｉｆｉｅｒ：ＥＤＦＡ）及びラマン増幅器に大別される。 特に後者のラマン増幅は、非線形光学効果である誘導ラマン散乱を利用して光増幅を行うため、ＥＤＦＡ等と異なり、励起光の強度および波長を変動させることによって増幅利得を調整することが可能である。 従って、入力される光の波形およびＤＳＦの分散値の変動を補償するように増幅利得を制御することによって、容易に断熱ソリトン圧縮が可能となる。 しかしながら、ラマン増幅を組み込んで光パルス圧縮器を構成した場合、光パルス圧縮器が大型化するという問題を有する。 これは、ラマン増幅はＥＤＦＡに比べて増幅効率が低く十分な光増幅には通常、数十ｋｍのファイバ長を有するＤＳＦ等が必要となり装置を小型化することが困難となる為である。
これら圧縮方式の共通の問題が誘導ブリリュアン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＢＳ）現象による入力パワー制限である。 ＳＢＳとは、光ファイバにおける光波パワーがある閾値に達した場合、後方散乱光が発生する現象である。 このために、圧縮ファイバに伝搬可能な光波パワーが制限され、効果的な断熱ソリトン圧縮プロセスの実現が困難となる。
以上の３形態の圧縮ファイバの中で本発明に関るのが（２）に記したＣＤＰＦと（３）のラマン増幅器である。 本発明は、これらの延長型と位置付けることも可能であるが、全く新しい概念であることに注意されたい。 ここで、以下で用いている波形整形器とは光波の時間及びスペクトル領域の波形を整形する装置を意味し、そこには光パルス圧縮やスペクトル広帯域化器も含まれることに注意されたい。
光パルスの波形を整形する手法として、伝送路の局所分散効果と局所非線形効果を通じて光波を制御する方式が一般的である。 光ソリトン、スーパーコンティニューム光などもこの方式に含まれる。 局所的な分散及び非線形効果を調整する従来法とは異なり、分散媒質と非線形媒質を交互に配置する伝送路によって光波を制御するのが本発明である。 本発明の概念図を図１１に示す。 特に、各分散媒質での分散による位相回転と各非線形媒質における非線形誘起位相回転が１ラジアン以下であれば、それらの媒質の寸法を調整することは局所的な分散と非線形を制御することと等価である。 ここでいう寸法とは、光ファイバの長さを始めとして、その他、媒体の長さ、厚み等、非線形特性、分散特性に影響を与えるあらゆる寸法が該当する。
分散媒質と非線形媒質が交互に配置された伝送路を実現する手法の一つが光ファイバであり、これも本発明である。 分散値だけでなく非線形係数も異なる２種類の光ファイバを交互に接続することによって、分散媒質と非線形媒質が交互に配置された伝送路を実現できる。 このような伝送路をここではＣＰＦ（ｃｏｍｂ−ｌｉｋｅ ｐｒｏｆｉｌｅｄ ｆｉｂｅｒ）と呼ぶ。 このＣＰＦの概念図が図１２である。 近年、従来ファイバに比べて倍以上大きな非線形係数を有する高非線形ファイバ（ｈｉｇｈｌｙ−ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｆｉｂｅｒ：ＨＮＬＦ）が実現されている。 非線形係数だけでなく通常分散シフトファイバ（ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ−ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｉｂｅｒ：ＤＳＦ）と同様に分散制御も可能であり、多様な分散値を有するＨＮＬＦが実現されている。 このようなＨＮＬＦを用いれば、ＣＰＦを作製することは容易である。 ゼロ分散を有するＨＮＬＦを非線形媒質として用い、従来のシングルモードファイバ（ｓｔａｎｄａｒｄ ｓｉｎｇｌｅ−ｍｏｄｅ ｆｉｂｅｒ：ＳＭＦ）を分散媒質とするＣＰＦがその一例である。 もちろん、ＨＮＬＦ以外のファイバ、例えば逆に非線形係数が小さいファイバなど、を用いてＣＰＦを作製しても構わない。
このＣＰＦに用いる光ファイバの条件を分散長Ｌ
Ｄと非線形長Ｌ ＮＬを用いてより定量的に示す。 Ｌ ＤとＬ ＮＬはそれぞれ分散効果と非線形効果による位相回転が１ラジアンとなるファイバ長を表し、以下の式で与えられる。
Ｌ
ＤとＬ ＮＬはそれぞれ分散効果と非線形効果による位相回転が１ラジアンとなるファイバ長を表す。 ＣＰＦでは、Ｌ ＮＬ ＜Ｌ Ｄとなるファイバを非線形媒質として用いて、Ｌ ＮＬ ＞Ｌ Ｄとなるファイバを分散媒質とする。
以下では、このＣＰＦの効果を示す。
ＣＰＦの大きな利点が局所分散値の緻密な制御が可能な点である。 一般に、ファイバの局所分散値を精密に制御するには高度なファイバ作製技術が必須である。 一方で、非線形媒質と分散媒質のペアの多段であるＣＰＦの局所分散値はその分散媒質の寸法、言い換えるならば各ペアの平均分散値、によって決定される。 例えば、上述のＨＮＬＦとＳＭＦでＣＰＦを構成した場合、ＣＰＦの局所分散値はＳＭＦ長によって緻密に調整可能である為に、曲分散値の制御が極めて容易である。 その結果、正確な光パルス制御が可能となる。 例えば、パルス伝搬方向に分散値が減少するファイバやその逆の分散増大ファイバもＣＰＦによって容易に実現できる。 それだけでなく、作製が容易ではないそれらの組合せ、分散が増大し減少するファイバや、その逆の分散が一旦減少し増大するファイバもＣＰＦの分散ファイバ長を調節するだけで容易に実現可能である。 更に、長手方向の分散値の安定化が作製上困難なファイバであっても、このＣＰＦを適用させれば一定分散を有するファイバを近似的には実現できる。
加えて、ＣＰＦはＳＢＳ抑圧効果を備えているという大きな利点を有する。 一般に、分散値や非線形係数が大きく異なるファイバでは、ブリリュアン利得帯域も大きく異なる。 従って、ＣＰＦに用いられる各ファイバは大きく異なるブリリュアン利得帯域を有しており、その結果としてＣＰＦのＳＢＳ閾値は、ＣＰＦと同程度のＣＰＦ構成の光ファイバのＳＢＳ閾値よりも減少する。 ＳＢＳ閾値が小さいＣＰＦでは、ＳＢＳ現象によって入力パワーが制限されない為に、光波制御が容易になる。 この特長を活かすのがＳＢＳ抑圧器としてＣＰＦを用いる手法である。 光波のスペクトルを広帯域化することによってＳＢＳを抑圧できる。 このスペクトル広帯域化にＣＰＦを用いることによって、動作パワー条件をより高パワー化できる。
また、アイソレータ挿入によってＳＢＳを抑圧することが可能である。 これは、アイソレータ挿入によってＳＢＳ誘起後方散乱光の蓄積を減少できる為である。 特に、ファイバ接続点が多いＣＰＦにはアイソレータを挿入しやすく、その挿入位置の最適化も容易である。 一般に、波形整形においてＳＢＳを抑圧する場合は、スペクトルが広帯域化される前にアイソレータを挿入するのが効果的である。 アイソレータのファイバ挿入位置はソリトン周期ｚ
ｓｏｌｉｔｏｎ以内が目安となる。
本発明の別形態が図１３のＨＮＬＦを用いるラマン増幅器を活用する波形整形器である。 ラマン利得媒質となるＨＮＬＦ、ポンプＬＤ、そしてポンプ光をＨＮＬＦへ入力する為のＷＤＭカプラからなる。 ラマン利得に用いているファイバとして、５Ｗ
−１ ｋｍ −１以上の非線形係数を有するＨＮＬＦを用いることが特徴である。 ＨＮＬＦは高い非線形係数γを有することから、入力されたソリトン光に対して、短いファイバ長で効率良くラマン増幅を行うことができる。 ラマン増幅は、非線形光学効果の一種であることから、非線形係数γの値が大きいほど単位ファイバ長あたりの増幅効率を高めることが可能となる。 このため必要なファイバ長を短くすることが可能となり、ラマン利得ファイバの長さを２ｋｍ程度と、非常に短くすることができる。 このことは波形整形器の小型化の観点からは非常に重要な利点であって、ＨＮＬＦを使用することによって小型の波形整形器が実現できる。 具体的には、従来の波形整形器と比べてラマン利得ファイバを１／１０程度の短尺化することが可能である。
また、本波形整形器では、所定の２次分散値β
２の絶対値に対して、入力される光波の強度を従来よりも低減することが可能である。 図１４は、２次分散値β ２の絶対値に対して基本ソリトン励起に必要な入力光の強度の依存性を示すグラフである。 図１４において、曲線ｌ １は従来の光パルス圧縮器について示し、曲線ｌ ２は、本発明について示す。 図１４からも明らかなように、例えば、｜β ２ ｜＝１ｐｓ ２ ／ｋｍの場合において、従来は入力光が１５０ｍＷ程度の強度を必要としていたのに対し、本発明では２０ｍＷ程度の強度の光を入力することによってパルス圧縮を行うことができる。 半導体レーザ素子を光源とした場合２０ｍＷ程度の出力であれば低い注入電流で容易に実現できるため、本発明にかかる光パルス発生装置では、光増幅器を省略することが可能であると共に、低消費電力の光パルス発生装置を実現することができる。
また、ラマン増幅ファイバにＨＮＬＦを用いた場合、ＨＮＬＦは高い非線形係数γを有するために従来の光パルス圧縮器よりも２次分散値β
２の値が大きな光ファイバを用いることが可能である。 上記したように、入力されるソリトン光は、基本ソリトン条件、具体的には（１）式においてＮ＝１を満たすことが好ましい。 従って、非線形係数γの値が小さい場合、２次分散値β ２の値を大きくするためには、入力されるソリトン光が高い強度が必要となることから、一般に２次分散値β ２の値は低く抑える必要があった。 本発明のラマン増幅ファイバ非線形係数γが高い値を有することから、これに対応して２次分散β ２も高い値に設定しても入力されるソリトン光の強度を高くする必要はなく、低強度の入力光によって高効率のパルス圧縮を行うことが可能である。
上述の２次分散値β
２の値を高くすることによる利点について説明する。 断熱ソリトン圧縮によるパルス幅の圧縮は、基本的には上記した（１）式に従うが、実際には高次の分散値によってパルス幅の圧縮は制限されることが知られている。 具体的には、３次分散値β ３ 、４次分散値β ４等が２次分散値β ２と比較して所定以上の値を有する場合、ソリトン光のパルス幅の圧縮を効率的に行うことができなくなる。 本発明では大きな２次分散値β ２を有するラマン利得ファイバを用いることができ、相対的に高次の分散値の値は低下することから、ソリトン光のパルス圧縮を行う際に高次分散値の影響を排除することが可能となる。 さらに、ＨＮＬＦは３次分散値β ３の値を従来よりも低くすることが可能である。 例えばβ ３の値を従来の１／３程度である０．０３ｐｓ ３ ／ｋｍ程度とすることができる。 このことによって、出力光のパルス幅をより小さい値にまで圧縮することが可能となる。
図１５は、ラマン増幅器に入力する光の強度と圧縮パルス幅の限界との関係を示すグラフである。 ここで、曲線１３は、本発明について示す曲線であり、曲線１４は、比較のため従来のＤＳＦを用いた波形整形器について示す曲線である。 曲線１３と曲線１４との比較から明らかなように、本発明では同一の入力光強度に対してより狭い範囲にまでパルス圧縮を行うことが可能である。 具体的には、従来のＤＳＦを用いた場合には１０ｍＷ程度の入力光強度の場合には数ｐｓ程度であっても圧縮することが困難であるのに対して、本波形整形器では２００ｆｓ程度にまでパルス幅を圧縮することができる。
また、１００ｆｓまでパルス幅を圧縮する場合、従来は２５０ｍＷ程度の入力光強度が必要であったのに対し、本ラマン増幅型波形整形器では、非線形係数γ＝１５Ｗ
−１ ｋｍ −１ 、３次分散値β ３ ＝０．１ｐｓ ３ ／ｋｍの場合は４６ｍＷで足り、γ＝１５Ｗ −１ ｋｍ −１ 、β ３ ＝０．０３ｐｓ ３ ／ｋｍの場合は１５ｍＷで足りる。 さらに、γ＝２５Ｗ −１ ｋｍ −１ 、β ３ ＝０．０３ｐｓ ３ ／ｋｍの場合には入力光の強度を８．３ｍＷであっても１００ｆｓのパルス幅を実現することができる。
なお、ラマン増幅ファイバにＨＮＦＬを用いた場合、従来のＤＳＦと比較して高次の分散値を低い値とすることが可能である。 例えば、３次分散値β
３の値について、ＤＳＦでは０．１ｐｓ ３ ／ｋｍ程度が一般的なのに対して、ＨＮＬＦでは０．０３ｐｓ ３ ／ｋｍ程度にまで３次分散値を低減することが可能である。 ３次分散値等の値を低減することが可能であることから、ＨＮＬＦでは高次の分散値に対して２次分散値の値を相対的に高めることが可能となる。 例えば、ラマン増幅ファイバの３次分散値が０．０３ｐｓ ３ ／ｋｍの場合には、１００ｆｓ程度にまでパルス幅を圧縮する場合に必要な２次分散値は、従来のＤＳＦでは２ｐｓ ２ ／ｋｍ程度必要となるのに対して、ＨＮＬＦでは、０．６ｐｓ ２ ／ｋｍ程度でも十分となる。
次に具体的な実施例について説明する。
本発明であるＣＰＦやＨＮＬＦにおけるラマン増幅器を用いた波形整形器を活用することによって高性能パルス列発生装置を実現できる。 その装置の形態を図１６に示す。 光ビート光発生部、ソリトン変換部、そして断熱ソリトン圧縮部の組合せである。 光ビート発生部はサイン波状信号を発生させる装置である。 次のソリトン変換部において、そのビート光をソリトン変換する。 その後、断熱ソリトン圧縮部において低雑音パルス圧縮する。 ソリトン変換部と圧縮部を分離することによって、それぞれに最適な伝送路設計を適用でき、その結果、高品質かつ高効率なソリトン圧縮が可能となる。 このソリトン変換器や断熱ソリトン圧縮器に上述のＣＰＦやラマン増幅器を用いることもできるし、それ以外のファイバを用いても構わない。
ＣＰＦ波形整形器を用いる光パルス列発生装置を図１７に示す。 これは図１６に示した光源の一形態であり、２台のＣＷ−ＬＤからなるビート光発生部、ＣＰＦソリトン変換部、そしてＣＰＦソリトン圧縮部の構成となっている。 ２台のＣＷ−ＬＤ出力ＣＷを合波することによって、それら波長差に対応した繰返し周波数を有する光ビートが得られる。 はじめのＣＰＦにおいて、このビート光を次段パルス圧縮に最適な波形であるソリトンに変換し、次のＣＰＦにおいてソリトン圧縮する。 ＣＰＦソリトン変換器を用いることによって、ビート光を直接ソリトン圧縮するのではなく、圧縮に最適なソリトンに変換した後に圧縮することによって、理想的な断熱ソリトン圧縮プロセスが実現できる。
ソリトン変換・圧縮に用いたＣＰＦはＨＮＬＦとＳＭＦの３ペア構成、即ち合計で６ペア構成である。 ＨＮＬＦの非線形係数は２４ １／Ｗ／ｋｍであり、その分散値は−０．８ｐｓ／ｎｍ／ｋｍである。 ここで、ＨＮＬＦの分散が負値の正常分散であることに注目されたい。 正常分散ＨＮＬＦを用いることによって、ＨＮＬＦでの変調不安定性（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ：ＭＩ）利得の発生を抑圧できる。 ＭＩ利得を通じて雑音と光パルスの相互作用が増強される為に、ＭＩ利得発生の抑圧は低雑音パルス列発生には重要である。
ＣＰＦの分散値Ｄと非線形係数γのプロファイルを図１８ＢとＣに示す。 Ｂ内の破線はＣＰＦ各ペアの平均分散値である。 ＣＰＦの初段３ペアがソリトン変換部、後段３ペアがソリトン圧縮部に相当する。 ＣＰＦに低分散ＨＮＬＦとＳＭＦを用いることによって分散値だけでなく非線形係数もコム状になり、非線形媒質と分散媒質が交互に配置された伝送路が実現されている。 また、ＣＰＦにおいて各ペア平均分散値が一旦増大して減少するように分散プロファイルが設計されている点に注目されたい。 ＣＰＦでは各ペア平均分散値が局所分散値の目安となるために、このＣＰＦは図１８Ａに示す分散増大ファイバと分散減少ファイバの組合せと等価である。 この分散増大ファイバに相当するＣＰＦがソリトン変換部であり、ここでビート光からソリトンへの効率良い変換が実現される。 その後の分散減少ファイバに相当するＣＰＦにおいて断熱ソリトン圧縮プロセスが実現される。 このＣＰＦの各ファイバの長さと各ペア分散値Ｄ ａｖｅを表４にまとめる。
また、ＣＰＦの第１ペアと第２ペアの間、及び、第４ペアと第５ペアの間に光アイソレータが挿入されている。 これによってＣＰＦにおけるＳＢＳを抑圧している。 もちろん、アイソレータ無挿入のＣＰＦもＳＢＳ抑圧効果を有しているものの、その効果をより増強する為に２台のアイソレータを挿入した。 目的に応じては、アイソレータの台数を増やしても、逆にアイソレータ台数を減少させても構わない。
上述のビート光をＣＰＦによってソリトン変換・圧縮を行った結果の値、つまり、本発明の光パルス列発生装置の性能を示す入出力パルス波形を図１９示す。 図１９Ａは、入出力パルスの自己相関波形を示す。 グラフの縦軸は光強度を表し、単位はａ． ｕ． である。 グラフの横軸は遅延を表し、単位はｐｓである。 図１９Ｂは、光スペクトル波形を示す。 グラフの縦軸はスペクトルを表し、単位はｄＢ／ｄｉｖである。 グラフの横軸は波長を表し、単位はｍｎである。 また、パルス波形をｓｅｃｈ
２波形にフィッティングした結果を破線で示す。 ここで注目すべきことは、実験結果と破線が自己相関波形上だけではなく、光スペクトルにおいても良く一致していることである。 更に、ＣＰＦ入出力パルススペクトルのスペクトル線幅に大きな変化が無いことから、ソリトン圧縮過程における雑音増幅が少ないことが証明されている。 また、自己相関波形フィッティングから換算される時間幅は８３０ｆｓである。 このときの時間帯域幅積ΔｔΔνは０．３４と算出され、ほぼフーリエ変換限界パルスが得られていることが示されている。 以上の結果から、本発明の光パルス列発生装置によって得られた光パルスが、超高純度なソリトンであることを示している。
本発明の別形態が図２０に示す構成を有する光源である。 ＣＷ光から光変調器を用いてビート光または種パルスを発生させる種パルス発生部と、その時間幅を短縮化させるパルス波形整形部から成る光パルス列発生器である。
種パルスは高速光変調器、例えばＬｉＮｂＯ ３変調器（ＬｉＮｂ ３ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：ＬＮＭ）や電界吸収効果型半導体光変調器など、によって発生される。 外部電気信号によって高速光変調器、例えばＬｉＮｂＯ ３光変調器や電界効果型半導体光変調器など、を駆動することによって、電気信号に同期した光信号を容易に発生することができる。 電気信号として電気パルス信号を用いた場合、その電気パルスと同様な光パルスが得られる。 もちろん、パルス繰返し周波数やパルス時間幅は電子回路の帯域によって制限され、現状ではそれらは４０ＧＨｚ、＞１０ｐｓ程度にとどまっている。
本光源では、種パルスはパルス波形整形部によって時間幅短縮化される。 光変調器を用いて発生される種パルスを非線形ファイバパルス圧縮する上で問題となるのは、そのファイバ長である。 光変調器によって得られるパルスの時間幅はたかだか１０ｐｓ程度である。 このような比較的広い光パルスを圧縮するには、数十ｋｍ以上の圧縮用ファイバが必要となる。 これはスペクトル帯域が４０ＧＨｚ程度の光パルスに対して郡速度分散効果の影響を与えるには長尺なファイバが必要である為である。 一般に基本ソリトンの特徴を活用する圧縮器の場合、そのファイバ長を決定付けるパラメータはソリトン長ｚ ｓｏｌｉｔｏｎである。 この値と入力パルス幅Δｔの関係を示したのが図２１である。 ここではファイバ分散値として１０ｐｓ ２ ／ｋｍを用いて計算した。 Δｔ増大に伴いｚ ｓｏｌｉｔｏｎはその２乗に比例し増大する。 例えば、２０ｐｓパルス圧縮に対してｚ ｓｏｌｉｔｏｎは１０ｋｍ程度である。 断熱ソリトン圧縮過程ではｚ ｓｏｌｉｔｏｎ程度のファイバにおける圧縮率は２〜３程度であることを考えると、２０ｐｓパルスを数ｐｓまで圧縮するには少なくても２０ｋｍ以上のファイバが必要となる。 このような長尺ファイバでは損失が大きくなる為に、理想的な圧縮の実現が困難となる。
一方で、実施例１で示したように、各ペア平均分散値の最適化とＨＮＬＦ使用によってＣＤＰＦ性能が改善されたＣＰＦでは、圧縮ファイバ短尺化と圧縮パルス品質保持の両立が実現されている。 これは１６０ＧＨｚビートに対して設計されているＣＰＦであり、４０ＧＨｚビート光や＞１０ｐｓ光パルスをそのまま適用することは不可能であるが、入力光に対して最適化することは可能である。 一般には、圧縮ファイバ長は繰り返し周波数の２乗に反比例するが、ＣＰＦの場合、分散ファイバ、具体的にはＳＭＦのみが長尺化されることになる。 よって、ＣＰＦ圧縮の場合、＞１０ｐｓパルスや４０ＧＨｚビート光に対しても圧縮ファイバ長は数キロオーダーとなり得る。 実際、本実施例に示した４０ＧＨｚビート光、即ち１２．５ｐｓパルスに対するＣＤＰＦのファイバ長はたかだか１．８ｋｍである。
本発明の一形態を図２２Ａに示す。 ２０ＧＨｚＲＦ信号によって駆動した多電極ＬＮＭによって波長可変レーザ出力ＣＷ光（波長λ ｉｎ ）をキャリア抑圧変調し４０ＧＨｚビート光を得る。 ＬＮＭの動作点を最適化することによって、駆動ＲＦ信号の２倍の周波数を有するパルス列の発生が可能でり、この方式はキャリア抑圧変調方式と呼ばれる。 この４０ＧＨｚビート光をＥＤＦＡによって２４ｄＢｍまで増幅し、ＣＰＦに入力する構成である。 ＣＰＦに入力される４０ＧＨｚビート光の自己相関波形と光スペクトル波形を図２３ＡとＢに示す。 光スペクトルアナライザの波長分解能は０．０１ｎｍである。 ビート光のキャリア抑圧比（ＣＳＲ）は１９ｄＢ程度である。 使用したＣＰＦはＨＮＬＦとＳＭＦの６ペア構成である。 そのＨＮＬＦの分散値と非線形係数はそれぞれ−０．７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍと２４ １／Ｗ／ｋｍである。 このＣＤＰＦの分散及び非線形係数のプロファイルを図２２Ｂに示す。 破線は各ペアの平均分散値を示す。 実施例１と同様に、各ペア平均分散値が前半３ペアでは増大し、後半３ペアでは減少するプロファイルとなっている。 このように分散プロファイルを最適化することによって、断熱ソリトン圧縮を基本とする方式でも１．８ｋｍまでの圧縮ファイバ短尺化が可能となる点に注目されたい。 このＣＰＦの各ファイバの長さを表５にまとめる。
λｉｎ ＝１５５６ｎｍでのＣＰＦ出力パルス列の自己相関波形と光スペクトル波形を図２３下部に示す。 比較の為にｓｅｃｈ ２状波形を破線で示す。 自己相関波形から計算される時間幅Δｔは３．３ｐｓであり、ペデスタル・ピーク比Ｒ ｐｐは１３ｄＢ程度である。 自己相関波形上での消光比は１５ｄＢ以上であるが、これは測定限界値である。 また、時間帯域幅積ΔｔΔνは０．３６であり、ほぼフーリエ変換限界パルスが得られていることを示している。 ここで、自己相関波形だけでなく、スペクトル波形上でも実験結果と破線が良く一致する点に注目されたい。 更に、ＣＳＲ増大も抑圧されている様子も示されている。 これら結果からＣＰＦによって低雑音・高純度ピコ秒ソリトン列が発生されていることが示された。
図２４はＣＰＦ出力パルスのΔｔ、ΔｔΔνとＲ
ｐｐのλ ｉｎ依存性である。 測定範囲１５３０〜１５６０ｎｍにおいてほぼ一定なΔｔとΔｔΔνが得られている。 Ｒ ｐｐに関しても、１５４０〜１５６０ｎｍにおいては＞１３ｄＢが確保されている。 ただし、短波長領域においてペデスタル量が増大する様子が示されている。 これは短波長領域ではＳＭＦ分散量が不充分である、言い換えるにＳＭＦが正分散スロープを有する為である。 以上の測定結果から、本圧縮器は１５４０〜１５６０ｎｍの動作帯域を有することが示された。 ただし、今回の測定範囲外の＞１５６０ｎｍまで帯域がカバーしている可能性もあることを追記しておく。
低ＣＳＲの光トーン光に対しては、パルス圧縮を通じて２０ＧＨｚパルス列成分が増強され得る。 この圧縮器の許容ＣＳＲを明らかにする為に、自己相関波形上での隣接パルスのピーク値Ｐ
ｎｅｉｇｈのＣＳＲ依存性を図２５に示す。 比較の為に２モードＣＷビート光に対する実験結果を白丸でプロットする。 ＣＳＲの減少に伴いＰ ｎｅｉｇｈが減少し２０ＧＨｚパルス列成分が成長する様子が示されている。 Ｐ ｎｅｉｇｈ ＞０．９には１７ｄＢ以上のＣＳＲが必要である。 この値は通常の多電極ＬＮＭを用いれば容易に得られる値である。
ここでは、本発明の別形態として、ビート光ではなく種パルスをＣＰＦによって圧縮する例を示す。 その構成図が図２６Ａである。 ＣＷレーザ、光変調器、ＣＰＦから成る。 ＣＷ光から光変調器によって光パルスを発生させる。 ここでは、高速ＬＮＭを用いており、４０ＧＨｚサイン波状電気信号によって、それを駆動している。 ただし、ＬＮＭの非線形入出力特性の為に光出力はサイン波よりも時間幅が狭いパルス状になる。 その自己相関波形と光スペクトル波形を図２７の上部に示す。 その光スペクトル上に置いて高次のコム成分が発生していることが示されており、自己相関波形から計算されるパルス時間幅は８ｐｓ程度である。 この光パルスをＥＤＦＡで２４ｄＢｍまで増幅し、ＣＰＦに入力する。 この例は、実施例２のＣＰＦ後段３ペアを用いている。 これは、実施例２のＣＰＦ前段３ペアの役割がビート光からソリトン列への変換であり、本構成では既にある程度ソリトン的な光パルスがＬＮＭ出力で得られており、前段３ペアが不要である為である。 ここで用いた３ペアＣＰＦの分散Ｄと非線形係数γのプロファイルを図２６Ｂに示す。 また、このＣＰＦ各ペアのファイバ長を表６にまとめる。
ＣＤＰＦ出力パルスの自己相関波形と光スペクトル波形を図２７下部に示す。 破線はソリトン波形である。 自己相関波形及び光スペクトル波形において実験結果と破線が良く一致することが示されている。 自己相関波形から換算される時間幅は２．３ｐｓである。 このときのΔｔΔνは０．３２であり、ほぼフーリエ変換限界パルスが得られている。
図１３の光源部品において最も雑音付加が多いのがＥＤＦＡである。 言い換えるに、ＥＤＦＡを使用しない方式ではより高品質なソリトン列の発生が可能となる。 この考えに基づくＥＤＦＡ−ｆｒｅｅな光源の実施例を図２８に示す。 高出力（＞５０ｍＷ）ＬＤ２台の出力ＣＷ光を合波することによってビート光（＞５０ｍＷ）が得られる。 このビート光は次段ソリトン変換及び圧縮に十分な光パワーを有しているので光増幅を必要としない。 したがって、より雑音が少ないソリトン列の発生が可能である。 また、ＥＤＦＡに用いられるポンプＬＤ駆動回路を省略できる為に、装置自体の小型かもメリットの一つである。
ここでは、ＣＰＦとＨＮＬＦにおけるラマン増幅（ｓｏｌｉｔｏｎ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｉｎ Ｒａｍａｎ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ：ＳＣＲＡ）の波形整形器を用いる光パルス列発生器を説明する。 その構成を示した図画が図２９である。 ＤＦＢＬＤ２台の出力ＣＷ光をカップラによって合波して得られる２モード１００ＧＨｚビート光をＣＰＦとＳＣＲＡからなる圧縮系に入力する構成である。 ここで、ＳＣＲＡファイバにおけるＳＢＳを抑圧する為にＣＰＦがＳＣＲＡの前段に配置されている点に注目されたい。 ＣＰＦはＨＮＬＦとシングルモードファイバの６ペア構成であり、その分散プロファイルは図１８に示されている。 また、ＳＢＳ抑圧効果を増強する為に、ＣＰＦには２つの低損失光アイソレータが挿入されている。
このＣＰＦを用いてソリトン変換されたパルスをＳＣＲＡ入力することによってＳＣＲＡファイバでのＳＢＳ抑圧が可能となる。 これを確認する為に、ＣＰＦ不使用及び使用の場合のＳＢＳ光パワーＰ ＳＢＳとＳＣＲＡ出力パワーＰ ｏｕｔのＳＣＲＡ入力パワーＰ ｉｎ依存性を図３０に示す。 ＣＰＦ不使用の場合（図３０上部）ではＳＢＳ閾値は１５ｍＷ程度であるのに対して、ＣＰＦを使用した場合（図３０下部）ではＳＢＳ閾値が４０ｍＷ以上に増加しているのが示されている。
このソリトン変換されたパルスをＳＣＲＡによって圧縮する。 このＳＣＲＡは２．４ｋｍ長低スロープＨＮＬＦと後方励起用ポンプＬＤ（出力パワー０．８Ｗ）と２台のＷＤＭカプラから構成される。 ＨＮＬＦの非線形係数、分散値及び分散スロープはそれぞれ２５ １／ｋｍ／Ｗ、１．０ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ及び０．０１３ｐｓ／ｎｍ ２ ／ｋｍである。 注目すべきは、ＨＮＬＦ活用によってＳＣＲＡファイバ長が数キロメートルオーダまで尺化されている点である。 数十キロメートルオーダのファイバが必要であった従来法と比べると、１／１０程度減少化されている。
ＳＣＲＡに入力されたパルスは、ＨＮＬＦを伝搬するに従いラマン利得をうけ断熱ソリトン圧縮される。 ＳＣＲＡ出力パルス時間幅Δｔのラマン利得Ｇ及び出力パワーＰ ｏｕｔ依存性を図３１の黒丸でプロットする。 破線は基本ソリトン励起パワーとなるＰ ｏｕｔを示す。 この破線以上の領域においてパルス圧縮が生じ、Ｇ増大に伴いΔｔが２．１ｐｓから８４０ｆｓに減少する様子が示されている。 更に、この圧縮のメカニズムを明らかにする為にΔｔ×Ｇを白丸プロットする。 圧縮が生じている領域ではΔｔ×Ｇが一定となることに注目されたい。 断熱ソリトン圧縮においてはこの値が一定となることから、本方式が断熱ソリトン圧縮に基づいていることが示された。
図３２Ａと３２Ｂはそれぞれ利得２．４、９．４、１１．６と１２．６ｄＢにおけるＲＡ出力パルス列の自己相関波形と光スペクトル波形である。 比較の為にｓｅｃｈ ２波形を破線で示す。 自己相関波形上だけでなく光スペクトル波形上においても破線と実験結果が良く一致しており、高純度ソリトンが発生されていることが示されている。 また、光スペクトル波形の中心波長付近の光パルス信号成分と雑音成分の比が４０ｄＢ以上確保されている点にも注目されたい。 以上結果から、ＲＡ出力パルスは低雑音かつ高純度なソリトンであることが示された。
（連続光光源の実施形態）
上述のように、光伝送システムにおいて、光ファイバへの入力光パワーを制限する要因としては、非線形現象が挙げられる。 その中でも誘導ブリリュアン散乱（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ：ＳＢＳ）は比較的小さな入力パワーで起きやすく、入力したパワーの一部を後方に散乱して伝送システムに悪い影響を与える。 本発明では光ファイバの非線形効果を用いた連続光光源のＳＢＳの抑制方法を開示する。
ＳＢＳを抑制する方法として大きく２つ上げることができる。 １つ目は光源のスペクトル幅を広くすることであり、２つ目は光源のピークパワを小さくすることである。 本発明では光ファイバの非線形現象であるＸＰＭ、ＳＰＭ、Ｆｏｕｒ−Ｗａｖｅ Ｍｉｘｉｎｇ（ＦＷＭ）を用いてＳＢＳを抑制する。 具体的に説明すると、本発明は、光ファイバの非線形現象を利用してマルチモードの連続光光源の縦モードのスペクトル幅を広げる、もしくはピークパワを抑えることによりＳＢＳを抑制する方法および装置である。
ＸＰＭ、ＳＰＭは光源のスペクトル幅を広げる効果があり、これによりＳＢＳを抑制することができる。 これは、スペクトル幅が広がるとブリリュアン利得が小さくなり、その結果としてＳＢＳ閾値が大きくなるためである。 なお、図３３はそのメカニズムの模式図である。
一般的に、連続光では光ファイバ中のＫｅｒｒ効果による屈折率変化が起きにくいため、これらの非線形現象はほとんど起きないとされている。 しかし、光源にマルチモードの連続光を用いることによりマルチモード間で発生するビートを用いてこれらの非線形現象を起きやすくすることが出来る。 これに対し、従来のＳＢＳ抑制では、主にパルス光に対してのみ適用してきた。 しかしながら、本発明では、光源にマルチモードの連続光を適用することにより、連続光でも非線形現象を起こすことが可能であり、この結果、ＳＢＳを抑制することができた。
図３４は、ＦＷＭを利用したＳＢＳの抑制のメカニズムを示した模式図である。 図３４では、光源のマルチモードのパワー配分を変化させ、１モード当りのパワーを小さくしている。 この結果、各縦モードのブリリュアン利得を小さくすることでＳＢＳを抑制することができる。
ＳＢＳを抑制するための連続光光源は、マルチモードで発振する半導体レーザと、零分散波長１４６１ｎｍの高非線形光ファイバ（Ｈｉｇｈｌｙ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｆｉｂｅｒ：ＨＮＬＦ）とから構成される。 なお、ＨＮＬＦは非線形定数γ＝２４．５／Ｗ／ｋｍ、光ファイバ長５００ｍを用いた。 光ファイバは長いほど、非線形定数は大きいほど非線形現象は起きやすくＳＢＳを抑制できるが、それに伴ってＨＮＬＦ中でのＳＢＳも起こりやすくなる。 また、ＨＮＬＦが長くなるほど挿入損失が大きくなる。 これらを加味して、ＨＮＬＦの長さと非線形係数は決定される。 また、ＨＮＬＦ前後の反射光を抑えるために、必要に応じてアイソレータを配置させても良い。 アイソレータはＨＮＬＦの入射前後の伝送路のいずれかもしくは両方に配置させる。
図３５では、さらにＳＢＳ測定用の構成が示されている。 ＨＮＬＦの出射側には、２０ｄＢタップと、ＳＢＳ測定の被測定光ファイバとしてｎｏｎｚｅｒｏ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｓｈｉｆｔｅｄ ｆｉｂｅｒであるＴｒｕｅＷａｖｅ登録商標 ＲＳ Ｆｉｂｅｒ（ＴＷ−ＲＳ）とが順に配置されている。 ＴＷ−ＲＳは長さを４０ｋｍとし、ＳＢＳが十分おきえる長さとした。 ２０ｄＢタップは、ＴＷ−ＲＳからの反射光のパワーを測定するためのＲｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｏｎｉｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅｔｅｒと、入射光のパワーを測定するためのＴｈｏｕｇｈｐｕｔ Ｍｏｎｉｔｏｒ Ｐｏｗｅｒ ＭｅｔｅｒとをＳＢＳ測定用伝送路に光学的に接続させるものである。 ＳＢＳの値は、これらの測定値を用いて算出する。 なお、ＳＢＳの値は、（Ｒｅｔｕｒｎ Ｌｏｓｓ；ＳＢＳ値）［ｄＢ］＝（Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ）［ｄＢｍ］−（Ｔｈｏｕｇｈｐｕｔ Ｐｏｗｅｒ）［ｄＢｍ］として評価した。
なお、ＳＢＳ抑制の効果を明確にするために、図３５の実験系が示すようにマルチモードで発振される半導体レーザの連続光をＨＮＬＦに通した場合の測定伝送路におけるＳＢＳ値（本実施例）と、図３６の実験系が示すようにＨＮＬＦを通さない場合の測定伝送路におけるＳＢＳ値（比較例）とを測定した。 図３５、図３６の実験系にはＡｔｔｅｎｕａｔｏｒが導入されているが、これは同一駆動条件における半導体レーザのＳＢＳ閾値を測定するために出力を変化させることができるようにするためである。
以下に、図３５、図３６のＳＢＳ測定用伝送路を用いた実験結果を示す。 なお、実験では、半導体レーザから出力された連続光をＨＮＬＦに通した場合と、通さない場合のＳＢＳ値、スペクトルとＲＩＮ特性の評価を行った。
図３７、図３８は、それぞれ１４５５ｎｍと１４６１ｎｍの半導体レーザを用いてＳＢＳ値を測定した結果を示すグラフである。 ＨＮＬＦを通すことによりＳＢＳ閾値が大きくなることを確認した。 特に、光ファイバの零分散波長１４６１ｎｍと半導体レーザの中心波長が近い１４６１ｎｍの半導体レーザにおいてＳＢＳ抑制効果が顕著である。 一般的にＦＷＭは光ファイバの零分散波長に光源の波長が近いほど起きやすいため、半導体レーザの波長を零分散波長にあわせたほうがよい。
図３９乃至図４２は１４５５ｎｍと１４６１ｎｍ半導体レーザからの連続光をＨＮＬＦに通した場合と、通さない場合のスペクトルをそれぞれ表す。 このとき、縦軸の光出力目盛りはトータルパワで０ｄＢｍに規格化された値を用いている。 １４５１ｎｍの半導体レーザをＨＮＬＦを通したときと通さないときのスペクトルである図３９と図４０の比較、１４６１ｎｍの半導体レーザをＨＮＬＦを通したときと通さないときのスペクトルである図４１と図４２の比較から、ＨＮＬＦを通すことでスペクトル全体がＦＷＭによりブロードになっていることが分かる。 特に光ファイバの零分散波長１４６１ｎｍに併せた１４６１ｎｍの半導体レーザで顕著にスペクトルがブロードになっている。 このスペクトルがブロードになった波長帯域と、ＳＢＳ値が抑制された波長帯域とが一致していることがわかる。 つまり、ＳＢＳ抑制効果の主な要因はＦＷＭにより、スペクトルがブロード化したからであると考えられる。
ＦＷＭによりスペクトルがブロード化した波長帯域；１４６１ｎｍの半導体レーザ光をＨＮＬＦに通した場合と、通さない場合のＲＩＮ特性の測定結果を図４３に示す。 図４３に示すように、ＲＩＮ特性の測定結果から、ＦＷＭによるＲＩＮの悪化がないことが確かめられた。 電気的制御によるＳＢＳ抑制技術では、変調やｄｉｔｈｅｒをかけている周波数においてＲＩＮが悪化する傾向があるが、ＦＷＭによるＳＢＳ抑制技術ではＲＩＮの悪化がほとんどない点が優れている。
上述した試験結果から、ＨＮＬＦに半導体レーザモジュールから出力されたマルチモードの連続光を通すことにより、ＳＢＳが抑制されることがわかる。 また、ＳＢＳを抑制した際にもＲＩＮの悪化がほとんどないことがわかる。 ＳＢＳ抑制の主な要因は、ＦＷＭによるものであり、ＦＷＭにより各縦モードのピーク値が小さくなるように光ファイバの非線形定数と光ファイバ長をコントロールすることにより効果的に抑制できる。
次に、上述した連続光光源のＳＢＳの抑制装置および方法を用いたラマン増幅器について説明する。
図４４は、ラマン増幅器の構成図である。 ラマン増幅器には、前方励起型、後方励起型、双方向励起型があるが、前方からの励起光源には特に優れたＲＩＮ特性が要求される。 これは、前方からの励起においては、励起光と信号光とが光ファイバ中を一緒に伝搬するため、励起光のＲＩＮ特性が信号光に影響を及ぼすからである。 つまり、励起光のＲＩＮ特性が悪い場合、信号光のＲＩＮ特性も悪くなってしまう恐れがある。
そのため、ラマン増幅器の前方励起用光源としてＲＩＮ特性の優れた半導体レーザの開発が行われてきた。 ラマン増幅起用に一般的に用いられている励起光源には、波長を固定するためＦｉｂｅｒ Ｂｒａｇｇ Ｇｒａｔｉｎｇ（ＦＢＧ）がつけられているが、ＦＢＧを付けるとＲＩＮが悪化する傾向がある。 そこでＲＩＮを改善するために、ＦＢＧがなくても波長が固定されるように半導体レーザのチップ内部にＧｒａｔｉｎｇをつけた半導体レーザが開発された。 しかしながら、内部にＧｒａｔｉｎｇを付けると縦モードのスペクトル幅が狭くなりＳＢＳが起きやすくなる傾向があった。 従って、ＳＢＳを抑制してもＲＩＮ特性が悪化しない本発明をこの内部にＧｒａｔｉｎｇを付けた半導体レーザに適用すれば、ラマン増幅器の前方励起用光源として非常に有効的な手段となる。 また、ＲＩＮ特性の問題とＳＢＳの問題の両方を解決することができるラマン増幅器を得ることができる。 もちろん、内部にＧｒａｇｉｎｇをつけた半導体レーザに本発明のＳＢＳ抑制手段を適用した方がＲＩＮとＳＢＳの両方を改善できるため効果的であるが、本発明のＳＢＳ抑制手段を内部にＧｒａｔｉｎｇのない半導体レーザに適用してもよい。
図４５を参照し、実施例６よりさらにＳＢＳ抑制効果を持つ光ファイバの非線形現象を利用した連続光光源のＳＢＳの抑制装置および抑制方法について説明する。
ＳＢＳ抑制連続光光源は、２つの連続光光源と、それら２つの出力光を合波するための合波器と、合波器を通過後の各連続光光源の偏光を非偏光化するための非偏光化器と非線形現象を引き起こすための非線形現象発生器から構成される。 ここで、非偏光化装置は必ずしも必要ではないが、非線形現象発生器が偏光依存性を持つ場合には非偏光化装置も用いた方が効率よく非線形現象を起こすことができるため、有効的である。
ここで、２つの連続光光源のうち少なくとも一方はマルチモードで発振する光源を用いる。 もう一方の光源は、２つの光源を足し合わせた際のモード周波数間隔が等間隔にならないようなマルチモードもしくはシングルモード光源を選ぶ。 例えば、モード間隔の異なるマルチモード光源を組み合わせてもよい。 また、モード間隔が同じ２つのマルチモード光源を用いた場合は、それぞれの光源を足し合わせたモード周波数が等間隔にならないようにすればよい。
合波器は、例えば偏波合成器を用いてもよい。 偏波合成をする際は、効率よく合成するために、光源からの出力及び偏波合成器に用いる光ファイバを偏波保持ファイバにするとよい。
非偏光化器は結晶型を用いてもファイバ型を用いてもよい。 偏波合成を効率よくするために、偏波合成器からの出力に用いる光ファイバは偏波保持ファイバにするとよい。
光ファイバ中での非線形現象の起きやすさを示すパラメータとしてｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔ
しくは光ファイバが長いほど非線形現象は大きくなる。 非線形現象をひきおこすための光ファイバは、光ファイバの零分散波長が２つの光源の波長に近い方が非線形現象の一つであるＦＷＭがおきやすいため、効率よくＳＢＳを抑制することができる。 また、ファイバ長が長いほど、非線形定数が大きいほど非線形現象が発生しやすいため、効率よくＳＢＳを抑制することができる。
図４６を用いて、非線形現象を利用した連続光光源のＳＢＳの抑制装置および抑制方法の具体的な実施方法を説明する。 今回は、非線形現象発生器として伝送路用光ファイバそのものを用いた。 つまり、伝送路中での連続光光源のＳＢＳを抑制するために、伝送路で発生する非線形現象を用いた。 伝送路としてＮｏｎｚｅｒｏ−ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ Ｓｈｉｆｔｅｄ ＦｉｂｅｒであるＴｒｕｅＷａｖｅ ＲＳを用いた。 なお、ＴｒｕｅＷａｖｅ ＲＳは零分散波長１４３９．４ｎｍ、非線形定数γ＝２／Ｗ／ｋｍ、光ファイバ長２０ｋｍを用いた。 連続光光源として１４４２ｎｍ付近でマルチモードで発振する半導体レーザを２つ用いた。 連続光光源の発信波長は非線形現象の一つであるＦＷＭがおきやすいように光ファイバの零分散波長に合わせた。 半導体レーザからの出力は偏波を保持するために偏波保持ファイバを用いた。 偏波合成器としては偏波保持型合波器を用いた。 非偏光化器としては、ファイバ型のものを用いた。 Ｄｅｐｏｌａｒｉｚｅｒからの出力をＴｒｕｅＷａｖｅ ＲＳに入射するためにＷＤＭ合波器を用いた。
図４７にＬＤ１とＬＤ２を単独で駆動した場合のＳＢＳ測定結果を示す。 ＳＢＳ測定は、ＴＷ−ＲＳの入力部における、入力パワと反射光パワから求めた。 ＬＤ１は約７０〜１７０ｍＷの間でＲｅｔｒｕｎ Ｌｏｓｓが約−３１ｄＢであり、ＳＢＳによる反射光パワがＲａｙｌｅｉｇｈ散乱レベル以下であることが分かる。 それに対して、ＬＤ２は約９０〜１９０ｍＷの間でＳＢＳによる反射光パワがＲａｙｌｅｉｇｈ散乱レベル以上であることがわかる。 しかし、ＬＤ１とＬＤ２の合計パワが２５０ｍＷになるように様々な組み合わせて駆動した場合、Ｒｅｔｕｒｎ Ｌｏｓｓが約−３１ｄＢであり、ＳＢＳによる戻り光パワがＲａｙｌｅｉｇｈ散乱レベル以下であった。 つまり、ＬＤ１とＬＤ２の両方を駆動することによりＳＢＳを抑制できる。
図４８Ａ〜ＤにＴＷ−ＲＳ伝送後のスペクトルを示す。 図４８ＡはＴＷ−ＲＳにＬＤ１単独で１２５ｍＷで入力した場合のスペクトルである（条件１−１）。 図４８ＢはＴＷ−ＲＳにＬＤ２単独で１２５ｍＷで入力した場合のスペクトルであり、ＬＤ２の縦モードの位置がＬＤ１の縦モードの位置とわずかにずれるように調整した（条件２−１）。 図４９Ａに図４８Ａと図４８Ｂを拡大したものを示す。 図４８ＣはＴＷ−ＲＳにＬＤ２単独で１２５ｍＷで入力した場合のスペクトルであり、ＬＤ２の縦モードの位置がＬＤ１の縦モードの間の中心からわずかにずれるように調整した（条件２−２）。 図４９Ｂｂ）に図４８Ａと図４８Ｃを拡大したものを示す。 図４８ＤはＬＤ１から条件１−１でＬＤ２から条件２−１で同時にＴＷ−ＲＳに光を入力した場合（条件Ｂｏｔｈ−１）のスペクトルと、ＬＤ１から条件１−１でＬＤ２から条件２−２で同時にＴＷ−ＲＳに光を入力した場合（条件Ｂｏｔｈ−２）のスペクトルを示す。 図４９Ｃは図４８Ｄを拡大したものである。 ＬＤを単独で駆動した図４８Ａ−Ｃと、２つ同時にＬＤを駆動した図４８Ｄを比較すると、スペクトルの包絡線が広がったことがわかる。 また、拡大図である図４９Ａ−Ｂと図４９Ｃを比較すると、２つ同時にＬＤを駆動したことにより縦モードのピークパワが小さくなっていることがわかる。 特に、条件Ｂｏｔｈ−２では縦モードがほとんど平坦になっている。 包絡線が広がり縦モードのピークパワが小さくなったことによりＳＢＳを抑制する効果がある。 包絡線が広がったのは、２つＬＤを駆動したことにより縦モードの本数が多くなったためＦＷＭが起きやすくなったからである。 縦モードのピークパワが小さくなったのは図５０で示すように、各ＬＤの縦モードの間にＦＷＭにより新しい波長が発生し、各ＬＤの縦モードと新しい波長でさらにＦＷＭが起き、パワが配分されるからである。
ここでは、伝送路自体を非線形現象発生器として用いたが、非線形現象発生器までを連続光光源とみなしてもよい。 非線形現象発生器として非線形係数が大きいファイバを用いれば、ファイバ長を短くしても同等の効果を得ることができる。
複数の波長からなるＳＢＳ抑制された連続光光源を得るために、図５１で示すように各波長でＳＢＳ抑制してもよいし、図５２で示すように、各波長を合波した後にまとめてＳＢＳ抑制をしてもよい。 各波長を合波する際は、ＷＤＭ合波器を用いてもよいし、マッハツェンダー合波器を用いてもよい。
図４５のＳＢＳ抑制光源において、ＳＢＳを抑制するためのファイバ条件を求めるために、シミュレーションによってＦＷＭの検討した。 各連続光光源は縦モード数８本、縦モード間隔約０．２ｎｍ（３５ＧＨｚ）のものを仮定した。 ただし、非偏光化装置により各連続光光源の隣り合う縦モードは直行するため、隣り合う縦モードはＦＷＭを起こさないものと仮定した。 つまり、シミュレーションでは各連続光光源の縦モード数を４本、縦モード間隔を０．４ｎｍ（７０ＧＨｚ）として行った。 シミュレーションの構成図を図５３に示す。
図５４Ａ〜Ｃに１４６０ｎｍにおける分散が０，１，５ｐｓ／ｎｍ ｋｍの時のシミュレーション結果を示す。 縦軸の”Ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ”はＨＮＬＦに入力前後におけるパワの変動量を示す。 ここでは、トータルパワとピークパワの両方を示す。 ＳＢＳ抑制光源としては、トータルパワを維持しつつ、ピークパワを下げることが有効的である。 図から、非線形定数が大きいほど、ファイバ長が長いほどピークパワが下がる傾向にあることが分かる。 また、分散が大きくなると、ピークパワが大きく落ちなくなる傾向があることがわかる。
非線形定数とパワーとファイバ長がＶａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒに与える影響を見積もるために、非線形定数とパワーと実効ファイバ長（Ｌ ｅｆｆ ）の積（ＰγＬ ｅｆｆ ）を横軸にとったものを図５５に示す。 ここでＬ ｅｆｆ ＝（１−ｅｘｐ（−α ｐ Ｌ））／α ｐであり、α ｐはファイバロスを表す。 図５５が示すように、分散が０ｐｓ／ｎｍ ｋｍ付近の時は、異なる非線形定数、ファイバ長、縦モードパワにおいても同じ振る舞いをすることがわかる。 例えば、縦モードパワを３ｄＢ落としたいときは、ＰγＬ ｅｆｆが０．０５以上になるように非線形発生装置の光ファイバを設計すればよい。 また、ＰγＬ ｅｆｆが０．１３付近まではピークパワが減少傾向にあることから、ＰγＬ ｅｆｆが０．１３より小さい領域で設計するのが好ましい。
分散がＶａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒに与える影響を見積もるために、横軸に分散を、縦軸にピークパワが３ｄＢ落ちる時のＰγＬ ｅｆｆをプロットした（図．５６）。 ピークパワが３ｄＢ落ちるということはＳＢＳが起きない領域で光ファイバに入力できるパワが２倍になることを意味する。 図５６から、ある非線形定数を持つ光ファイバにおいて、分散がある値を超えると、急激にＰγＬ ｅｆｆを大きくしないとピークパワが落ちなくなることが分かる。 従って、急激にＰγＬ ｅｆｆが大きくなる分散値より小さい分散を持つ光ファイバを非線形発生装置として用いるのがよい。 負の分散の場合のシミュレーションを行っていないが、分散の絶対値が重要であるため、正の分散と同じ傾向を示す。 例えば、非線形定数が２３／Ｗ／ｋｍのときは−１５〈分散〈１５の範囲で、非線形定数が１１／Ｗ／ｋｍのときは−５〈分散〈５の範囲で、非線形定数が５／Ｗ／ｋｍのときは−２〈分散〈２の範囲で設計するのがよい。
図５５のＳＢＳ抑制光源において、ＳＢＳを抑制するための各ＬＤの間隔を求めるために、シミュレーションによってＦＷＭの検討した。 シミュレーション条件は実施例４と同じで、ファイバは１４６０ｎｍにおける分散がファイバは分散が０ｐｓ／ｎｍ ｋｍ、非線形定数２３／Ｗ／ｋｍのものを用いた。 Ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｄｅ １−ｍとＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｍｏｄｅ ２−ｍ（ｍ＝１，２，３，４）をパラメータとして変化させたときのピークパワのピークパワの変動量を図． ５７に示す。 図． ５７が示すように、各ＬＤの波長間隔が縦モード間隔０．４ｎｍ（７０ＧＨｚ）の１／２である０．２０ｎｍ（３５ＧＨｚ）、１／４である０．１０ｎｍ（１７．５ＧＨｚ）の時には、ピークパワがあまり減少しないことがわかる。 ただし、１／８である０．５ｎｍ（８．７５ＧＨｚ）になると各ＬＤの波長間隔が縦モード間隔０．４ｎｍ（７０ＧＨｚ）の整数分の１でないときと同じくらいピークパワを抑えることができる。 （０．２ｎｍ、０．４ｎｍ、０．８ｎｍの場合は波長では０．４ｎｍの整数分の１になっているが、周波数で完全に整数分の１になっていない）各ＬＤの波長間隔が縦モード間隔０．４ｎｍ（７０ＧＨｚ）の整数分の１の時は、合波後の縦モードが等間隔なグリッド上に並ぶため、そのグリッド以外に新たに発生するＦＷＭがないためである。 従って、ピークパワを抑制するためには、合波後の縦モードが等間隔なグリッド上に並ばないようにするとよい。
（光整形器、光再生システムの実施形態について）
次に、波形整形器、光再生システムの実施形態について説明する。 図面の記載において、同一または類似部分には同一あるいは類似な符号を付している。 また、図面は模式的なものであり、現実のものとは異なることに留意する必要がある。 さらに、図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
この波形整形器は、波形の整形及び圧縮の両方を兼ねることができる。 つまり、この波形整形器を２つ接続すれば、波形の整形と圧縮を行うことができることになる。
まず、実施例１１にかかる波形整形器について説明する。 この波形整形器は、入力された光をソリトン光に変換するためのものである。 図５８Ａは、波形整形器の構造を示す模式図であり、図５８Ｂは、実施の形態１にかかる波形整形器の群速度分散Ｄの分布の一例を示すグラフである。
本実施例１１にかかる波形整形器は、図５８Ａに示すように、非線形係数が例えば３ｋｍ−１・Ｗ−１以上、好ましくは５．０ｋｍ−１・ｋｍ−１以上であって、例えば高非線形光ファイバ（Ｈｉｇｈ Ｎｏｎ−Ｌｉｎｅａｒ Ｆｉｂｅｒ）によって形成される高非線形光伝送路１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅと、非線形係数が例えば３ｋｍ−１・Ｗ−１以下、好ましくは１ｋｍ−１・Ｗ−１以下であって、例えば単一モード光ファイバ（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ Ｆｉｂｅｒ）によって形成される低非線形光伝送路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅとが交互に接続された構造を有する。 なお、ここで高非線形光伝送路および低非線形光伝送路の個数については必ずしも５個である必要はなく、６個以上であっても良いし、４個以下であっても良い。
図５８Ｂに示すように、高非線形光伝送路１ａ〜１ｅは、２次分散値β２の絶対値が４．０以上の等しい値を有し、それぞれの伝送路長Ｌａ〜ＬｅがＬａ＞Ｌｂ＞Ｌｃ＞Ｌｄとなるよう構成されている。 例えば、Ｌａ＝１００ｍ、Ｌｂ＝５０ｍ、Ｌｃ＝２５ｍ等というように、長手方向に進むに従って伝送路長が短くなる。
本実施例１１にかかる波形整形器は、高非線形光伝送路１ａ〜１ｅの伝送路長を長手方向に減少させることによって、等価的に分散減少ファイバを実現している。 具体的には、高非線形光伝送路１ａと低非線形光伝送路２ａ、高非線形光伝送路１ｂと低非線形光伝送路２ｂ等を対としてとらえ、各対における群速度分散Ｄ（＝（−２πｃ／λ２）β２）の値の平均値を考えた場合、高非線形光伝送路と低非線形光伝送路との対における２次分散値の絶対値は長手方向に減少しているとみなすことができる。 このため、本実施の形態１にかかる波形整形器に光を入力した場合、波形整形器中を伝搬するに従ってソリトン断熱圧縮が行われ、出力される光はソリトン光となる。
高非線形光伝送路１ａ〜１ｅは、非線形係数が例えば３ｋｍ−１・Ｗ−１以上、好ましくは５ｋｍ−１・Ｗ−１と高い値を備えた光伝送路によって形成されているために、分散性を高くすることが可能である。 一般に、ソリトン断熱圧縮を行うためには、光伝送路中における非線形性と分散性とが釣り合っている必要がある。 従って、従来のように低非線形性光伝送路のみで構成した場合に２次分散値を低く抑制する必要があることと異なり、本実施例１にかかる波形整形器では、非線形係数の増大に対応して分散性、具体的には２次分散値の絶対値を増加させることが可能となる。
このため、本実施例１１にかかる波形整形器では、２次分散値の絶対値を増加させることが可能であり、かつ２次分散値の絶対値の高い高非線形光伝送路１ａ〜１ｅを用いることで光伝送路の伝送長を短縮化することが可能となる。 理論上入力光をソリトン光に整形するために最低限必要となる伝送路長であるソリトン周期は、一般に２次分散値の絶対値に対応して決定され、２次分散値の絶対値が増大するとともにソリトン周期は短くなることが知られている。 本実施例１にかかる波形整形器では、高非線形光伝送路１ａ〜１ｅを使用しているため、２次分散値の絶対値を大きくすることが可能となり、この結果、波形整形器全体における伝送路長が短い、小型の波形整形器を実現することができる。
具体的に、１００ｍＷのピークパワーを有する３ｐｓパルスを入力した場合における波形整形器の構造の一例について以下に説明する。 高非線形光伝送路１ａ〜１ｅとして非線形係数が１５ｋｍ−１・Ｗ−１である高非線形光ファイバを使用し、低非線形伝送路２ａ〜２ｅとして単一モード光ファイバを使用した。 これらを用いて最適化を行った結果、波形整形器の特性は次のようになる。 すなわち、非線形長が０．６７ｋｍ、分散距離が０．１４ｋｍ、２次分散値の絶対値の平均値が４．３ｐｓ２／ｋｍであって、ソリトン周期が０．２５ｋｍである。 このため、波形整形器全体の伝送路長は０．２５ｋｍ〜０．６７ｋｍ程度と、従来の８ｋｍ〜２０ｋｍ程度と比較して格段に短くすることができ、小型の波形整形器を実現することができる。
図５９は、かかる構造の波形整形器を使用した場合の自己相関波形の変化について示すグラフである。 図５９上段は、波形整形器に入力させる入力光の自己相関波形を示し、図５９下段は、波形整形器から出力される出力光の自己相関波形を示す。 図５９下段のグラフに示すように、伝送路長が短いにもかかわらず、上記構造の波形整形器によって十分なソリトン光が得られている。
次に、本実施例１１にかかる波形整形器の利点について説明する。 本実施例１１にかかる波形整形器は、全体の伝送路長を短くすることによって、全体を小型化することが可能であるとともに、他の利点も有する。 まず、伝送路長を短くすることによって、光損失による強度の低下を抑制することが可能となる。 光伝送路として一般に使用される光ファイバは低損失であるものの、数ｋｍに渡って光を伝搬した場合、光ファイバ中における光損失を無視することはできない。
しかし、本実施例１１にかかる波形整形器では、入力光の伝搬距離を０．２５ｋｍ〜０．６７ｋｍ程度に抑制することができるため、光損失を実用上問題とならない程度に抑制することができる。
また、入力光の伝搬距離を短くすることによって、その他の非線形効果、例えば誘導ブリリュアン効果の発生を従来よりも抑制することができる。 誘導ブリリュアン効果の発生を抑制することで出力されるソリトン光の強度の飽和を避けることが可能となり、高い強度のソリトン光を出力することが可能となる。
また、本実施例１１にかかる波形整形器では、高非線形光伝送路と低非線形伝送路とを組み合わせた構造とすることで、副次的な利点も有する。 高非線形光伝送路として一般に使用される高非線形光ファイバは、現時点では分散制御を精密に行うことが容易ではなく、単独で分散減少伝送路を構成することは困難である。 しかし、本実施例１１にかかる波形整形器は、高非線形光伝送路の伝送路長を制御することによって等価的に分散減少伝送路を実現しているため、高非線形光ファイバを用いたにも関わらず精密な分散制御を行うことが可能となると期待される。 すなわち、所望の分散特性が得られない場合であっても、伝送路長を調整することで等価的に分散制御を行うことが可能となるという利点を有する。
（実施例１１の変形例）
次に、本実施例１１にかかる波形整形器の変形例について説明する。 変形例にかかる波形整形器は、非線形係数が例えば３ｋｍ−１・Ｗ−１以上、好ましくは５ｋｍ−１・Ｗ−１以上であって、２次分散値の絶対値が互いに相違する複数の高非線形光伝送路を組み合わせた構造を有する。
図６０は、変形例にかかる波形整形器の分散Ｄの分布の一例を示すグラフである。 図６０に示すように、変形例にかかる波形整形器は、長手方向に進むに従って２次分散値の絶対値が減少するように高非線形光伝送路が順次接続された構造を有する。 かかる構造によって波形整形器を構成した場合であっても、等価的に分散減少伝送路を実現することが可能である。 また、高非線形光伝送路を用いることによって、図５８Ａに示す構造の波形整形器と同様に伝送路長を短くすることができる。
次に、実施例１２にかかる波形整形器について説明する。 図６１は、実施例１２にかかる波形整形器の構造を示す模式図である。 実施例１２にかかる波形整形器は、誘導ブリリュアン散乱の発生を抑制するため、実施の形態１にかかる波形整形器に光アイソレータを配置したものである。 以下、本実施例１２にかかる波形整形器について、図６１を参照して説明する。
実施例１２にかかる波形整形器は、図６１に示すように、非線形係数が５．０ｋｍ−１・ｋｍ−１であって、例えば高非線形光ファイバによって形成される高非線形光伝送路１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ、１ｅと、非線形係数が１ｋｍ−１・Ｗ−１以下であって、例えば単一モード光ファイバによって形成される低非線形光伝送路２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅとが交互に接続された構造を有する。 また、本実施例１２にかかる波形整形器は、入力端４からの距離がソリトン周期よりも短くなる位置に光アイソレータ３ａ、３ｂが配置された構造を有する。 具体的には、低非線形光伝送路２ａと高非線形光伝送路１ｂとの間に光アイソレータ３ａが挿入され、低非線形光伝送路２ｂと高非線形光伝送路１ｃとの間に光アイソレータ３ｂが挿入されている。 なお、高非線形光伝送路１ａ〜１ｅ並びに低非線形光伝送路２ａ〜２ｅは、実施の形態１と同様の構造を有するため、ここでの説明は省略する。
光アイソレータ３ａ、３ｂは、波形整形器内部における誘導ブリリュアン散乱の発生を抑制するためのものである。 光アイソレータ３ａ、３ｂは、長手方向に伝送する光を透過する一方、戻り光を遮蔽する機能を有し、例えば、屈折率に異方性を有する複屈折結晶、波長板、ファラデー回転子等を組み合わせて形成される。
次に、光アイソレータ３ａ、３ｂが入力端４からの距離がソリトン周期よりも短い位置に配置される理由について説明する。 本願発明者等は、光アイソレータが配置される位置と誘導ブリリュアン散乱が発生する入力光の強度（以下、「ＳＢＳ閾値強度」と称する）との相関関係について測定し、光アイソレータを配置する位置の最適化を行っている。
まず、本実施例１２にかかる波形整形器を高非線形光伝送路１ａ〜１ｅと、低非線形光伝送路２ａ〜２ｅとを交互に組み合わせた構造のみによって構成し、光アイソレータを配置しない場合について説明する。 光アイソレータを配置しない構成の場合、ＳＢＳ閾値強度は５０ｍＷ程度となり、入力光の強度が５０ｍＷ以上となった場合には誘導ブリリュアン散乱による戻り光の強度が急激に増加し、波形整形器から出力される光の強度は飽和することが確認された。 また、光アイソレータを低非線形光伝送路２ｄと高非線形光伝送路１ｅとの間に配置して測定したところ、光アイソレータを配置しない場合と同様に、ＳＢＳ閾値強度は５０ｍＷであった。 波形整形器をさらに長尺化し、入力端４からさらに遠い位置に光アイソレータを配置した場合もＳＢＳ閾値強度は５０ｍＷ程度となり、光アイソレータを挿入することによるＳＢＳ閾値強度の改善はみられなかった。
一方、光アイソレータを低非線形光伝送路２ｃと高非線形光伝送路２ｄとの間に配置した構成の場合、ＳＢＳ閾値強度は７５ｍＷ程度にまで改善され、光アイソレータを挿入することによるＳＢＳ閾値強度が改善されることが明らかとなった。 さらに測定した結果、光アイソレータを低非線形光伝送路２ｂと高非線形光伝送路２ｃとの間に配置した場合のＳＢＳ閾値強度は１００ｍＷ、低非線形光伝送路２ａと高非線形光伝送路１ｂとの間に配置した場合には１５０ｍＷとなった。 かかる測定結果から、入力端４からの距離が一定値以下となる位置に光りアイソレータを配置した場合には、ＳＢＳ閾値強度が一定の改善がみられることが示された。
これらの測定結果からＳＢＳ閾値強度の改善がみられる光アイソレータの挿入位置について検討したところ、入力端４からの距離がソリトン周期よりも短い位置に光アイソレータを配置することが有効であることが明らかになった。 すでに説明したように、ソリトン周期は入力光がソリトン光に変換されるまでに必要とする伝送路長に対応する値である。 すなわち、誘導ブリリュアン散乱は入力光がソリトン光に変換される途上において主に発生し、入力端４からの距離がソリトン周期よりも短くなる位置に光アイソレータを配置することによって誘導ブリリュアン散乱の発生を抑制できる。 一方、入力光がソリトン光に変換された後は、誘導ブリリュアン散乱の発生はほとんど無く、ソリトン周期よりも遠方に光アイソレータを配置してもＳＢＳ閾値強度の改善はほとんどみられることはない。
従って、本実施の形態２にかかる波形整形器では、入力端４からの距離がソリトン周期よりも短くなる位置に光アイソレータ３ａ、３ｂを配置することによってＳＢＳ閾値強度を改善し、光強度の大きいソリトン光を出力可能な構造としている。
図６２Ａ〜図６２Ｄは、光アイソレータを配置することによるＳＢＳ閾値強度の改善の程度を説明するためのグラフである。 具体的には、図６２Ａは比較のため光アイソレータを配置しない波形整形器における戻り光の強度について示し、図６２Ｂ〜図６２Ｄは、光アイソレータ３ａのみを配置した場合、光アイソレータ３ｂのみを配置した場合および光アイソレータ３ａ、３ｂを配置した場合の戻り光の強度についてそれぞれ示す。
図６２Ａのグラフから明らかなように、光アイソレータを配置しない場合には入力光の強度が５０ｍＷ以上の領域で誘導ブリリュアン散乱に起因した戻り光の強度が急激に増加、すなわちＳＢＳ閾値強度が５０ｍＷとなる。 一方、図６２Ｂ〜図６２Ｄに示すように、光アイソレータを配置することによってＳＢＳ閾値強度は著しく改善され、特に、光アイソレータ３ａ、３ｂの双方を配置した場合にはＳＢＳ閾値強度は２００ｍＷ以上にまで改善される。 図６２Ｄのグラフからも明らかなように、誘導ブリリュアン散乱の発生を効果的に抑制するためには入力端４からの距離がソリトン周期よりも短くなる領域に光アイソレータを複数配置した構造とすることも有効であり好ましい。
次に、高強度の光を入力した場合に本実施例１２にかかる波形整形器によって得られる出力光の光特性について測定を行った。 図６３Ａは、出力光の自己相関波形を示すグラフであり、上段が光アイソレータを備えない波形整形器に関し、下段が本実施の形態２にかかる波形整形器に関するものである。 また、図６３Ｂは、出力光のスペクトル波形を示すグラフであり、上段が光アイソレータを備えない波形整形器に関し、下段が本実例１２にかかる波形整形器に関する。
高強度の光を入力した場合、光アイソレータを有さない波形整形器では誘導ブリリュアン散乱が発生することによって光伝送路中における光強度の値が制限される。 従って、伝搬中の光強度の値は一定の値に制限され、十分な強度を得られないことからソリトン変換が満足に行われず、図６３Ａの上段および図６３Ｂの上段に示すようなグラフとなる。
一方、本実施例１２にかかる波形整形器は、光アイソレータを配置することによって伝搬中における誘導ブリリュアン散乱の発生を抑制することができる。 そのため、ソリトン圧縮現象が生じ、所望のピコ秒ソリトンパルス列が得られていることが図６３Ａの下段および図６３Ｂの下段のようなグラフを得ることができる。
なお、光アイソレータ３ａまたは光アイソレータ３ｂは、高非線形光伝送路もしくは低非線形光伝送路の途上に配置する構造としてもよいが、異なる光伝送路の接合部に配置することが好ましい。 接合部に配置することで波形整形器の製造行程の煩雑化を避けられるだけでなく、例えば、異なる光伝送路の端部をそれぞれ両端ピグテイルとした光アイソレータを形成することによって、異なる光伝送路間の融着点数を減少させることが可能となる。 光伝送路間の融着部分においては一定の光損失が発生することから、本実施例２にかかる波形整形器は、融着点数を減少させることによって波形整形器中における光損失を低減できるという利点を有する。
また、図６１に示すように波形整形器が高非線形光伝送路と低非線形光伝送路との組み合わせによって形成される場合には、光アイソレータを高非線形光伝送路の前段に配置することが好ましい。 誘導ブリリュアン散乱は非線形光学効果の一種であるため、非線形係数の高い高非線形光伝送路中において特に発生しやすい。 従って、高非線形光伝送路の前段にアイソレータを設けることによって、高非線形光伝送路中で発生した戻り光を遮蔽することによってより効果的に誘導ブリリュアン散乱の発生を抑制できる。
なお、実施例１１の変形例にかかる波形整形器に光アイソレータを挿入した構造も誘導ブリリュアン散乱の抑制には効果的である。 この場合であっても、入力端からの距離がソリトン周期よりも短い領域に光アイソレータを配置することで、ＳＢＳ閾値強度を改善することができ、高い光強度を有するソリトン光を出力することが可能となる。
次に、実施例１３にかかる光パルス発生装置について説明する。 図６４は、本実施例１３にかかる光パルス発生装置の構造を示す模式図である。 光パルス発生装置の構造は、ソリトン光源６と、光パルス圧縮器７とに大別される。 ソリトン光源６は、光パルス圧縮器７に対してソリトン光を供給するためのものであり、光パルス圧縮器７は、入力されたソリトン光に対してソリトン断熱圧縮を施してパルス幅を圧縮するためのものである。
ソリトン光源６は、例えばビート光を出力する発光部８と、発光部８から出力された光をソリトン光に整形する波形整形器９とを備える。 また、光パルス圧縮器７は、外部から光を入力するための入力端１０と、入力端１０に接続されたパルス圧縮伝送路１１と、出力端１２とを備える。 また、パルス圧縮伝送路１１と出力端１２との間には合波器１３が配設され、合波器１３には励起光源１４が接続され、パルス圧縮伝送路１１に対して励起光を供給可能な構造を有する。
まず、ソリトン光源６について説明する。 ソリトン光源６を構成する発光部８は、本実施の形態３ではビート光を出力するものを用いる。 具体的には、発光部８は、周波数ｆ０のレーザ光を出力する半導体レーザ素子１５と、周波数ｆ０＋Δｆのレーザ光を出力する半導体レーザ素子１６と、半導体レーザ素子１５、１６から出力されるレーザ光を合波するための合波器１７とを備えた構造を有する。 周波数ｆ０、ｆ０＋Δｆのレーザ光を合波することにより、発光部８は、繰り返し周期Δｆのビート波を出力する機能を有する。
また、ソリトン光源６を構成する波形整形器９は、任意の構造のものを用いることが可能であるが、実施の形態１または２に記載された波形整形器を用いることが好ましい。 実施の形態１または２にかかる波形整形器を用いることによって、装置が小型で、高い出力のソリトン光を供給することが可能となるためである。
次に、光パルス圧縮器７の構造について説明する。 まず、パルス圧縮伝送路１１は、異常分散、すなわち正の分散値をする光ファイバによって形成される。 また、パルス圧縮伝送路１１は、非線形係数γが例えば３ｋｍ−１・Ｗ−１以上、好ましくは５．０ｋｍ−１Ｗ−１以上、より好ましくは１５ｋｍ−１Ｗ−１の値を有する。 以下では、パルス圧縮伝送路１１として非線形係数γが１５ｋｍ−１Ｗ−１となるものについて説明を行う。
励起光源１４は、パルス圧縮伝送路１１に対して励起光を供給するためのものである。 具体的には、励起光源１４は、例えば半導体レーザ素子によって構成され、所定の波長のレーザ光をパルス圧縮伝送路１１に対して出力する機能を有する。 なお、本実施の形態３では励起光の進行方向と増幅される光の進行方向とが反対方向となるいわゆる後方励起方式によってラマン増幅を行う構造を有することとする。 ただし、励起光と増幅される光の進行方向が同一となる前方励起方式を採用しても良く、前方励起方式と後方励起方式を組み合わせた双方向励起方式を採用しても良い。
また、励起光源１４から出力される光は、増幅される光の波長に対して１００ｎｍ程度短波長側にシフトした波長を有するものとする。 ラマン増幅においては、励起光の波長に対して１００ｎｍ程度長波長側にシフトした波長において増幅利得のピークが得られるためである。
つぎに、本実施例１３にかかる光パルス圧縮器の動作について説明する。 まず、外部から所定の条件を満たすソリトン光が入力端１０を介してパルス圧縮伝送路１１に入力される。 ここで、一例として、本実施例３にかかる光パルス圧縮器に入力されるソリトン光は、基本ソリトン条件を満たすものとする。 入力されたソリトン光は、パルス圧縮伝送路１１中において断熱ソリトン圧縮され、パルス圧縮された光が出力端１２から外部に出力される。
パルス圧縮伝送路１１中におけるソリトン断熱圧縮について、以下に詳細に説明する。 基本ソリトン条件を満たすソリトン光は、本実施の形態３にかかる光パルス圧縮器に入力された後も、パルス圧縮伝送路１１中を伝搬中に渡って基本ソリトン条件、すなわちソリトン次数が１となる条件を保持しようとする性質を有する。 ソリトン次数Ｎは、以下の（１）式によって与えられる。
Ｎ＝（γＰＴ２／｜β２｜）１／２・・・（１）
ここで、γはパルス圧縮伝送路１１の非線形係数であり、β２はパルス圧縮伝送路１１の２次分散値である。 また、Ｐはパルス圧縮伝送路１１中におけるソリトン光のピーク強度、Ｔはパルス圧縮伝送路１１中におけるソリトン光のパルス幅である。
パルス圧縮伝送路１１中を伝搬するソリトン光は、ソリトン次数を１に保持する性質を有するため、パルス圧縮伝送路１１中全般に渡って（１）式における左辺の値が１となる。 また、パルス圧縮伝送路１１中では、励起光源１４によって励起光が供給されることでラマン増幅が生じ、伝搬するソリトン光のピーク強度Ｐは増大する。
従って、（１）式の右辺ではソリトン光が伝搬するに従ってＰの値が増大する。 これに対して、基本ソリトン条件を維持するため、パルス圧縮伝送路１１中の伝搬中においてはＮ＝１が維持され、かつ非線形係数γは特に変動しない。 従って、（１）式の等号を維持するために、伝搬するソリトン光のパルス幅Ｔが減少することとなり、パルス幅Ｔの圧縮が行われることとなる。
本実施例１３にかかる光パルス圧縮器は、高い非線形係数γを有することから、入力されたソリトン光に対して、短いファイバ長で効率良くラマン増幅を行うことができる。 ラマン増幅は、非線形光学効果の一種であることから、非線形係数γの値が大きいほど単位ファイバ長あたりの増幅効率を高めることが可能となる。
このため、所定のピーク強度Ｐを得るために必要なファイバ長を短くすることが可能となり、光パルス圧縮に使用するパルス圧縮伝送路１１のファイバ長は２ｋｍ程度と、非常に短くすることができる。 このことは光パルス圧縮器の小型化の観点からは非常に重要な利点であって、パルス圧縮伝送路１１を使用することによって小型の光パルス圧縮器を実現できるという利点を有する。 具体的には、従来の光パルス圧縮器と比べてパルス圧縮伝送路１１を１／１０程度の伝送路長とすることが可能であり、小型の光パルス圧縮器によってパルス発生装置を構成することができる。
また、光パルス圧縮器７によれば、所定の２次分散値β２の絶対値に対して、入力されるソリトン光の強度を従来よりも低減することが可能である。 図６５は、２次分散値β２の絶対値に対して基本ソリトン励起に必要な入力光の強度の依存性を示すグラフである。 図６５において、曲線１１は従来の光パルス圧縮器について示し、曲線１２は、本実施例１３における光パルス圧縮器７について示す。
図６５からも明らかなように、例えば｜β２｜＝１ｐｓ２／ｋｍの場合において、従来は入力光が１５０ｍＷ程度の強度を必要としていたのに対し、本実施の形態３における光パルス圧縮器７は、２０ｍＷ程度の強度の光を入力することによってパルス圧縮を行うことができる。 半導体レーザ素子を光源とした場合２０ｍＷ程度の出力であれば低い注入電流で容易に実現できるため、本実施例１３にかかる光パルス発生装置では、光増幅器を省略することが可能であると共に、低消費電力の光パルス発生装置を実現することができる。
また、本実施例１３における光パルス圧縮器７は、高い非線形係数γを有するために、従来の光パルス圧縮器よりも２次分散値β２の値が大きな光ファイバを用いることが可能である。 上記したように、入力されるソリトン光は、基本ソリトン条件、具体的には（１）式においてＮ＝１を満たすことが好ましい。 従って、非線形係数γの値が小さい場合、２次分散値β２の値を大きくするためには、入力されるソリトン光が高い強度が必要となることから、一般に２次分散値β２の値は低く抑える必要があった。 本実施の形態３にかかる光パルス圧縮器では、非線形係数γが高い値を有することから、これに対応して２次分散値β２も高い値に設定しても入力されるソリトン光の強度を高くする必要はなく、低強度の入力光によって高効率のパルス圧縮を行うことが可能である。
パルス圧縮伝送路１１において、２次分散値β２の値を高くすることによる利点について説明する。 断熱ソリトン圧縮によるパルス幅の圧縮は、基本的には上記した（１）式に従って行われるが、実際には高次の分散値によってパルス幅の圧縮は制限されることが知られている。 具体的には、３次分散値β３、４次分散値β４等が２次分散値β２と比較して所定以上の値を有する場合、ソリトン光のパルス幅の圧縮を効率的に行うことができなくなる。 本実施例１３のように、２次分散値β２の値が高くなるパルス圧縮伝送路１１を用いた場合には、相対的に高次の分散値の値は低下することから、ソリトン光のパルス圧縮を行う際に高次分散値の影響を排除することが可能となる。 さらに、パルス圧縮伝送路１１は３次分散値β３の値を従来よりも低くすることが可能であって、例えばβ３の値を従来の１／３程度である０．０３ｐｓ３／ｋｍ程度とすることができる。 このことによって、出力光のパルス幅をより小さい値にまで圧縮することが可能となる。
図６６は、パルス圧縮伝送路１１に入力する光の強度と圧縮パルス幅の限界との関係を示すグラフである。 ここで、曲線１３は、本実施の形態３にかかる光パルス圧縮器について示す曲線であり、曲線１４は、比較のため従来の分散シフト化ファイバを用いた光パルス圧縮器について示す曲線である。 曲線１３と曲線１４との比較から明らかなように、本実施の形態３にかかる光パルス圧縮器は、同一の入力光強度に対してより狭い範囲にまでパルス圧縮を行うことが可能である。 具体的には、従来の分散シフト化ファイバを用いた場合には１０ｍＷ程度の入力光強度の場合には数ｐｓ程度であっても圧縮することが困難であるのに対して、本実施例１３にかかる光パルス圧縮器では、２００ｆｓ程度にまでパルス幅を圧縮することができる。
また、１００ｆｓまでパルス幅を圧縮する場合、従来は２５０ｍＷ程度の入力光強度が必要であったのに対し、本実施例１３における光パルス圧縮器では、非線形係数γ＝１５ｋｍ−１・Ｗ−１、３次分散値β３＝０．１ｐｓ３／ｋｍの場合は４６ｍＷで足り、γ＝１５ｋｍ−１／Ｗ−１、β３＝０．０３ｐｓ３／ｋｍの場合は１５ｍＷで足りる。 さらに、γ＝２５ｋｍ−１・Ｗ−１、β３＝０．０３ｐｓ３／ｋｍの場合には入力光の強度を８．３ｍＷであっても１００ｆｓのパルス幅を実現することができる。
なお、パルス圧縮伝送路１１は、従来の分散シフト化ファイバと比較して高次の分散値を低い値とすることが可能である。 例えば、３次分散値β３の値について、分散シフト化ファイバでは０．１ｐｓ３／ｋｍ程度が一般的なのに対して、パルス圧縮伝送路１１では、０．０３ｐｓ３／ｋｍ程度にまで３次分散値を低減することが可能である。 ３次分散値等の値を低減することが可能であることから、パルス圧縮伝送路１１では、高次の分散値に対して２次分散値の値を相対的に高めることが可能となる。 例えば、パルス圧縮伝送路１１の３次分散値が０．０３ｐｓ３／ｋｍの場合には、１００ｆｓ程度にまでパルス幅を圧縮する場合に必要な２次分散値は、従来の分散シフト化ファイバでは２ｐｓ２／ｋｍ程度必要となるのに対して、本実施例１３にかかる光パルス圧縮器では、０．６ｐｓ２／ｋｍ程度でも十分となる。
（実施例１３の変形例）
次に、実施例１３にかかる光パルス発生装置の変形例について説明する。 図６７は、変形例にかかる光パルス発生装置の構造を示す模式図である。 変形例においては、ソリトン光源６と光パルス圧縮器７との間に誘導ブリリュウアン散乱の発生を抑制するＳＢＳ発生抑制部２０と、光増幅器２１とを配置した構造を有する。 ここで、ＳＢＳ発生抑制部２０は、従来用いられて来たものを用いても良いが、実施の形態２と同様に光伝送路中に光アイソレータを配置する構造としても良い。 また、ＳＢＳ発生抑制部２０および光増幅器２１のいずれか一方のみを配置する構造としても良い。
以上、本発明を実施例１１〜１３に渡って説明してきたが、本発明はこれらの実施の形態に限定されるのではなく、当業者であれば様々な変形例、実施例に想到することが可能である。 例えば、実施例１１および実施例１２において、入力端４の前段にもう一対の高非線形光伝送路および低非線形伝送路を配設する構造としても良い。 ここで、前段に配設する高非線形光伝送路の伝送路長を高非線形光伝送路１ａよりも短くすることで、より効率的にソリトン変換を行うことが可能となる。
また、実施例１３では波形整形器９と光パルス圧縮器７とを別個配置する構造としたが、これらを一体的に形成することとしても良い。 光パルス圧縮器７を構成するパルス圧縮伝送路１１は、高い非線形係数を有することからビート光に対してソリトン断熱圧縮を行うことが可能であるため、例えばパルス圧縮伝送路１１の伝送路長を増大させることによって波形整形器９と光パルス圧縮器７とを一体的に形成することができる。
次に、実施例１４について説明する。 実施例１４にかかる光再生システムは、実施例１１もしくは１２にかかる波形整形器、または実施例１３にかかる光パルス発生装置を利用したものである。 図６８は、実施の形態４にかかる光再生システムの構造を示す模式図である。 以下、図６８を参照して、上述した波形整形器を用いた光再生システムについて説明する。
図６８に示す光再生システム１００は、増幅装置１０２と、合波器１０３と、クロック抽出装置１０４と、実施の形態１または２にかかる波形整形器（図５８、図６２参照）を備えた光パルス発生装置もしくは実施例３にかかる光パルス発生装置（図６４、図６７を参照）から構成される光クロックパルス列発生装置１０６と、光シャッター装置１０８とを含む。 増幅装置１０２は、減衰した信号光を増幅するもので、例えばエルビウム添加ファイバ型増幅器、ラマン増幅器、半導体増幅器、パラメトリック増幅器等をあげることができる。
クロック抽出装置１０４は、信号光パルスの繰返し周波数を抽出するもので、図示しないが、例えば、受光素子、電気的クロック抽出回路、半導体レーザから構成される電子回路を基本とする装置を含んで形成される。 この他にも、増幅装置、非線形光学媒質、光フィルタから構成される全光型クロック抽出装置もあげられる。 ここで、非線形光学媒質とは、例えば高非線形ファイバおよび半導体素子があげられる。
光クロックパルス列発生装置１０６は信号光パルス繰り返し周波数を有する光クロックパルス列を発生されるもので、上述した波形整形器（図５８、図６２を参照）を備えた光パルス発生装置もしくは光パルス発生装置（図６４、図６７を参照）を利用する。 構成、機能等については既に述べたため、ここでの説明は省略する。
光シャッター装置１０８は、合波器１０３で分波された信号光によって光クロックパルス列発生装置１０６の出力光を光変調する装置である。
実施例１４にかかる光再生システム１００では、伝送されてきた信号光を、まず増幅装置１０２によって増幅し、増幅された信号光を合波器１０３によって分岐し、一方の信号光はそのまま伝播されて光シャッター装置１０８に入射される。 他方の信号光は、クロック抽出装置１０４に入射される。 クロック抽出装置１０４の出力電気信号によって制御される光クロックパルス列発生装置１０６の出力光は光シャッター装置１０８に入射される。 光シャッター装置１０８において、合波器１０３から伝播された信号光で光クロックパルス列を光変調されることによって、信号光タイミングが再生される。
このように、光クロックパルス列発生装置１０６として、本発明の光パルス発生装置を使用すると、光パルスの強度揺らぎや時間揺らぎの少ない光クロックパルス列が得られる。
（光整形器、光再生システムの効果）
以上説明したように、この発明によれば、高非線形光伝送路と低非線形光伝送路とを複数配設し、高非線形光伝送路と低非線形光伝送路の２次分散値の絶対値を互いに相違させることとしたため、等価的に分散減少伝送路を実現することができ、かつ高非線形光伝送路を用いたことで全体として高い分散特性を有する波形整形器を実現することができるという効果を奏する。
また、この発明によれば、ソリトン周期以下となる距離に光アイソレータを配置することとしたため、波形整形器中における誘導ブリリュアン散乱の発生を抑制することができ、強度の高いソリトン光を出力することができるという効果を奏する。
また、この発明によれば、光伝送路の接合部に光アイソレータを配設することとしたため、融着点数を減少させることが可能となり、光損失を低減した波形整形器を実現することができるという効果を奏する。
また、この発明によれば、光アイソレータが高非線形光伝送路の前段に配設されることとしたため、誘導ブリリュアン散乱の発生をより効果的に抑制することができる。 誘導ブリリュアン散乱は非線形光学効果の一種であることから、高非線形光伝送路において発生しやすい。 そのため、高非線形光伝送路の前段に光りアイソレータを配設することによって誘導ブリリュアン散乱の発生をより効果的に抑制することができるという効果を奏する。
また、この発明によれば、高非線形光伝送路中を伝送する光に対してラマン増幅を行うこととしたため、高非線形光伝送路の伝送路長を短縮化できると共に、出力光のパルス幅をより圧縮することができるという効果を奏する。
また、この発明によれば、光再生システムを形成する光クロックパルス列発生装置として、上記の波形整形器および／または光パルス発生装置を使用する構成としたため、光パルスの強度揺らぎや時間揺らぎの少ない光クロックパルス列が得られるという効果を奏する。
（本発明にかかるその他の実施形態）
更に、本発明にかかるその他の実施形態について説明する。
この実施形態は、単一周波数光源をもとに、多様な光パルス列を作成する方法に関する。 基本的には、１つないし複数の単一周波数光源を組み合わせた後、非線形光学媒体を介して互いに相関のある複数の周波数を発生する。 これら互いに相関のある複数の周波数をアレー型導波路グレーティングにておのおのに分波し、それぞれの位相と強度を調整した後、同種のアレー型導波路グレーティングを介して再び合波する． この際、それぞれの位相と強度を調整することで所望のパルス列を実現することができ、また、このパルス列の波形を任意に可変できる．
本実施形態の構成は下記のように示される。
図６９に示すように、本発明は光源と、スペクトル線数を増やす非線形媒質、そして、スペクトル成分ごとに位相と強度を調整する調整部、及び、これをモニターし制御する部分からなる． 調整部による制御によって所望の時間波形を自在に操ることができる。
この実施形態では、２波長ないし、互いに位相相関を有する数波長からなる光源の出力が、非線形媒質を介して、周波数間隔を一定に保った多数の周波数を生成する。 この過程は、入射した光が非線形相互作用を通じて生じるため、生成された複数の周波数は互いに位相相関を有する． この位相相関を保持したまま、おのおのの周波数成分の位相を制御し強度を調整することで、原則的に周波数間隔の逆数に対応した繰り返し周期を持つ自在なパルス波形を合成することができる． パルス波形の時間幅は非線形媒質によって広がったスペクトル包絡線幅の逆数で与えられる． すなわち、本発明では、フーリエ級数展開されたパルス列のフーリエ成分を自在に調整し合成することを基本としている．
従来技術では、パルスの波形は自在に変更できない． 媒質の非線形、分散、損失特性、及びその帯域やスペクトルなどで固定的に決まってしまう． また、従来の材料でこれらを揃え所望の特性を実現する際、帯域や長さなどの限界がある。 従来技術では、良質なパルス波形を得るために断熱過程を用いる必要がありそのためパルス整形器としては、長さ、寸法が大きくなるという問題があった． 本方式では、パルス波形は可変にでき、精密な制御も可能である上、帯域による制限は、従来方式に比べ、無いため、逆に寸法や長さ、さらには、消費電力で有利にできる． したがって、本発明は、従来技術に比べ、パルス波形の可変性、大きさや消費電力、帯域などにおいて、優れている．
本発明にかかる実施例として下記が挙げられる。
光源は、２つの異なる発振波長を有するＤＦＢレーザなどの単一周波数光源（可変波長でも良い）を合波したビート光源でもよいし、一つの該単一周波数光源と外部変調器からなるパルス光源でも良い． 非線形媒質は、ＰＰＬＮ、光ファイバ、フォトニック結晶などを用いる． 位相・強度調整部には、ＰＬＣ技術を用いたアレー型導波路グレーティング（ＡＷＧ）と熱光学効果を応用した可変光減衰器（ＶＯＡ）と位相シフタを用いる。 位相シフタは、光の波長程度の位相遅延を制御できれば良い． ＰＬＣ技術に基づき集積回路上にこれらの調整部を具備することにより位相制御の安定性と制御性が飛躍的に向上する。 これらの系は、偏波保持系で行うとさらに安定性が向上する。 |
