JP5242014B2 - Ｃｐｆパルス成型器 - Google Patents

Description

本発明は、光ファイバ通信システムにおける光パルス発生技術に適用されるCPFパルス成型器の技術分野に関するものであり、特にCLバンド（1530〜1610nm）の波長帯で波長可変なCPFパルス成型器の技術分野に関するものである。

非線形媒体である高非線形ファイバ（HNLF）と、分散媒体である異常分散ファイバ（例えばシングルモードファイバ；SMF）とを交互に組み合わせて構成されるCPFパルス成型器に関しては、これまでに様々な技術開発が行われてきている。上記のように構成されたCPFパルス成型器は、ファイバの非線形定数と分散値の両方が長手方向に櫛状のプロファイルを形成していることから、Comb-like Profiled Fiber（CPF）パルス成型器と呼ばれている。

CPFパルス成型器の特徴は、全長が短いにもかかわらず、高効率で高品質なパルス成形が可能なことである。ここでいう高品質なパルス成形とは、高次ソリトン圧縮の際に生じるような、ペデスタル増大現象や変調不安定利得による著しい雑音増幅現象、及びそれに伴うタイミングジッタ付加が発生しないパルス成形を意味する。

CPFパルス成型器の設計方法として、例えば非特許文献１に示されている方法を用いることができる。非特許文献１の方法によれば、高精度な光パルス列を出力可能なCPFパルス成型器を容易に設計することができる。

光ファイバの分散特性は、通常、波長によって異なり，同じファイバ長での累積分散量も波長によって異なってしまう。
前記累積分散量は、設計値にある程度近くなければならないが，分散特性が波長によって変化すると、波長が設計上の中心波長から離れるに従って、累積分散量も設計値から離れていくことになる。そして、累積分散量が所定の誤差以上となる波長に対しては、CPFパルス成型器は正常に動作しなくなる。

非特許文献１に示されている方法を用いて設計されたCPFパルス成型器においても、動作波長によってCPFパルス成型器の累積分散量が変化すれば、広帯域の動作波長に対して同一設計および同一入力条件に対して同じ特性のパルス成型が実現できなくなるという問題があった。

そこで非特許文献２に記載の実施例では、HNLFとSMFとを組み合わせた従来構成のCPFパルス成型器において、入力パワーを調整することにより、すべての波長帯で同等の出力パルス幅が得られるようにしている。ここで報告されているCPFパルス成型器は、1570nmでパルス圧縮動作が最適化されるように設計されており、CLバンド(1530~1610nm)の波長帯で波長可変としている。入力パルスは40GHz繰り返しRZ（Return-to-Zero）パルス列を用いており、8.5psの入力パルス幅を1.8psに圧縮している。

上記従来の技術は、ピコ秒オーダーで光パルスを成型するものであったが、最近ではさらにフェムト秒オーダーの光源の利用ニーズも高まっている。例えば、各種科学技術研究の分野や、エネルギーを大きくして二光子吸収などのプロセスによる加工分野での利用がある。

フェムト秒パルス光源として、従来は主にモードロックレーザが用いられていたが、これは比較的特性が不安定で、パルス繰り返し周波数や発振波長が固定されてしまうといった問題があった。そこで、非特許文献４に示されているように、分散フラット・分散減少ファイバを用いることにより、Cバンドにおける波長可変フェムト秒圧縮を実現した例がすでに知られている。

一方、波長変化に対する分散特性の変化量がきわめて小さいファイバの開発も進められており、例えば非特許文献３では、分散値D[ps/nm/km]の波長λ[nm]に対する変化量を示す、分散スロープの値が零である分散シフトファイバ（Zero-slope non-zero dispersion-shifted fiber; ZS-NZDSF）の開発について報告されている。但し、ZS-NZDSFをCPFパルス成型器に適用した実施例はこれまでに見られない。
T. Inoue et al., "Design of comb-like profiled fiber for efficient pulse compression based on stationary rescaled-pulse propagation," Proc. OFC2005, JWA7 (2005). T. Inoue and S. Namiki, "CL-Band Tunable Optical Pulse Compression Based on Stationary Rescaled Pulse Propagation in Comb-Like Profiled Fibre," ECOC2005, Mo.3.5.2, Grasgow, Scotland (2005). N. Kumano, K. Mukasa, S. Matsushita, and T. Yagi, "Zero Dispersion-Slope NZ-DSF with Ultra Wide Bandwidth over 300nm", ECOC2002, PD1.4, Copenhagen, Denmark (2002). K. R. Tamura and M. Nakazawa, " Femtosecond Soliton Generation over a 32-nmWavelength Range Using a Dispersion-Flattened Dispersion-Decreasing Fiber," IEEE Photon. Technol. Lett., vol.11, pp.319-321 (1999).

しかしながら、上記従来のCPFパルス成型器では、以下のような課題があった。
従来の構成、すなわちHNLFとSMFを組み合わせた構成で、1570nmでパルス圧縮動作が最適化されるようにCPFを設計した場合、入力パワーを調整することにより、すべての波長帯で同等の出力パルス幅が得られる。ただし、パワーの調整幅が全体で2~2.5dBの範囲に及び、さらにペデスタル等のパルス品質が波長依存性を示す(具体的には、設計波長より短波長ではペデスタルが増大し、長波側ではそれが抑圧される)という問題が発生していた。願わくは、すべての波長で同じ動作パワーで、出力パルス品質も波長無依存となるのが好ましい。

この問題は主に、SMFの分散値が、光の波長もしくは周波数に対して変化することに起因する。光ファイバの分散値の表し方は二通りあって、D [ps/nm/km]とβ₂ [ps²/km]であり、それぞれの値には

という関係がある。ここでλは波長、cは真空中の光速である。Dとβ₂のうち、ファイバ中の光パルス伝搬特性を決める普遍的な量は、β₂である。つまり同じβ₂の値であれば、任意の波長λで分散の強さは同じであるが、一方で、あるDの値が示す分散の強さは、波長λに依存する。SMFの分散値β₂は典型値として、波長が1570nmのときにβ₂ = -22.8 [ps²/km]である。またλ = 1530nmのときはβ₂ = -18.8 [ps²/km]、λ = 1610nmのときはβ₂ = -27.2 [ps²/km]である。このように、SMFの分散値が波長によって変化することから、CPFにおけるパルス成型特性は、波長によって変化することになる。

そのため、例えば1.5μm帯の光をSHG（Second Harmonic Generation；2次高調波発生）で800nm帯に波長変換するにあたっても、もとの1.5μm帯においてより広帯域で波長可変圧縮動作するのが望ましいが、従来のCPFを用いる場合はこれを実現するのが困難となる。一方、分散フラット・分散減少ファイバを用いて波長可変なフェムト秒圧縮を行わせる従来の方法では、Cバンドでは実現できるものの、CLバンドの広帯域では四次分散の影響のため波長可変なフェムト秒圧縮を実現することは困難となる。

そこで、本発明はこれらの問題を解決するためになされたものであり、CLバンド(1530~1610nm)の波長帯で波長可変であるCPFパルス成型器を提供することを目的とする。

この発明のCPFパルス成型器の第１の態様は、非線形媒体と分散媒体とを交互に複数組み合わせて構成されるCPF（Comb-like Profiled Fiber） を備えたCPFパルス成型器であって、所定の波長λ_０[nm]における分散値をβ_２０[ps² /km]とし、所定の波長範囲λ_０±Δλにおける分散値とβ_２０との差の絶対値の最大値をΔβ_２としたとき、波長の変化幅Δλ＝４０[nm]に対して｜Δβ _２ /β _２０ ｜＝０．１９３となるシングルモードファイバ（SMF）と比較して、前記分散媒体の一部または全部が、前記所定の波長範囲λ_０±Δλにおける｜Δβ_２ /β_２０｜が前記SMFより小さい値を有することを特徴とするCPFパルス成型器である。

この発明のCPFパルス成型器の第２の態様は、前記所定の波長範囲λ _０ ±Δλの光パルスを出射して前記ＣＰＦに入射するパルス光源を備えることを特徴とするCPFパルス成型器である。

第３の態様は、前記分散媒体の一部または全部が、ノンゼロ分散シフト光ファイバ（ZS-NZDSF；Zero-Slope Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber）であることを特徴とするCPFパルス成型器である。

第４の態様は、前記分散媒体の一部が前記ノンゼロ分散シフト光ファイバであり、残りがシングルモードファイバ（SMF）であることを特徴とするCPFパルス成型器である。

第５の態様は、前記CPFの上流側に、所定の長さの別の分散媒体を追加していることを特徴とするCPFパルス成型器である。

第６の態様は、前記別の分散媒体が、前記所定の波長範囲における｜Δβ_２ /β_２０｜が波長の変化幅Δλ＝４０[nm]に対して｜Δβ _２ /β _２０ ｜＝０．１９３となるシングルモードファイバ（SMF）より小さい値を有することを特徴とするCPFパルス成型器である。

第７の態様は、前記別の分散媒体が、ノンゼロ分散シフト光ファイバであることを特徴とするCPFパルス成型器である。

第８の態様は、前記所定の波長範囲が、少なくともＣバンド及びＬバンドを含むことを特徴とするCPFパルス成型器である。

以上説明したように本発明によれば、分散媒体にZS-NZDSFを用いることにより、累積分散量が所定の波長帯域内でほぼ均等となるCPFパルス成型器を提供することできる。

また、前記所定の波長帯域内で波長を変化させる場合には、出力パルスのパルス幅を均等にするための入力パワーの調整幅を従来より大幅に縮小できるとともに、品質が波長依存性のない均一な出力パルスを得ることが可能なCPFパルス成型器を提供することができる。

さらに、本発明のCPFパルス成型器によれば、CLバンドで波長可変なフェムト秒圧縮を実現することができ、安定で高品質なフェムト秒パルス光源として利用可能となる。

図面を参照して本発明の好ましい実施の形態におけるCPFパルス成型器の構成について詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

CPFパルス成型器は、パルスに非線形効果を及ぼすHNLFと、異常分散効果を及ぼすファイバから構成されるが、異常分散ファイバとして従来のSMFの代わりに、分散値β₂の波長依存性がSMFより小さいファイバ、あるいはβ₂が波長に依存しないファイバを用いれば、CPF動作特性の波長依存性は抑圧、もしくは解消される。例えば、ある波長において分散スロープが零で、分散値が異常分散領域である、ゼロスロープ分散シフトファイバ(Zero-slope dispersion-shifted fiber; ZS-NZDSF)が報告されているが、そのようなファイバを用いればよい。

ここで分散スロープとは、分散値D[ps/nm/km]が波長λ[nm]に対して線形に変化する割合を示すもので、スロープ値はS[ps/nm²/km] = dD/dλで定義される。また、β₂の周波数依存性を示す値として、β₂の周波数ωによる一階微分で定義されるβ₃ = dβ₂/dωが用いられるが、ある波長λにおいて、Sとβ₃は次の関係にある。

分散スロープ値Sが零の場合でも、β₃は一般に零とならないが、Sが小さいファイバであれば、傾向としてβ₂の波長依存性は小さくなる。SMFおよび非特許文献３で報告されているZS-NZDSFの、波長λ[nm]に対する分散値D[ps/nm/km]およびβ₂ [ps²/km]の値を図１と２に示す。図１から、ZS-NZDSFはSMFより分散スロープ値Sの絶対値が小さく、ある波長においてはスロープ値Sが零となっている。また図２においてSMFと比較して、ZS-NZDSFのβ₂の波長依存性が小さいことがわかる。

ある波長λ₀[nm]において最適に動作するように設計したCPFパルス成型器に対して、λ₀±Δλ [nm]の範囲で波長可変動作を行う際の、SMFもしくはZS-NZDSFの分散値β₂の波長依存性を評価する値として、以下に定義する値を用いる。まず、波長λ₀[nm]における分散値をβ₂₀とする。次に、λ₀±Δλ[nm]の波長範囲で、ファイバの分散値とβ₂₀との差の絶対値の最大値をΔβ₂とおく。このとき、|Δβ₂/β₂₀|の値はλ₀±Δλ[nm]の波長範囲におけるファイバ分散値の波長依存性を示し、値が小さいほど、波長依存性が小さいと言える。

例えばλ₀ = 1570 [nm]、Δλ= 40 [nm]としたとき、SMFの場合β₂₀ = -22.8 [ps²/km]、Δβ₂ = 4.4 [ps²/km]であるから、|Δβ₂/β₂₀| = 0.193である。一方、図２に示したZS-NZDSFの#1, #2, および#3の場合は、それぞれβ₂₀ = -6.712、-8.595、-11.572 [ps²/km]、Δβ₂ = 0.29、0.74、1.01 [ps²/km]、|Δβ₂/β₂₀| = 0.043、0.086、0.087である。よっていずれのZS-NZDSFも、SMFと比較して|Δβ₂/β₂₀|が小さいことがわかる。また、ZS-NZDSF #1が最も波長依存性が小さいことがわかる。

式（２）においてβ₃ = 0、すなわちすべての周波数uあるいは波長λに対してβ₂ が一定となるためには、左辺を零とおいて、分散値Dと波長λに対する微分方程式

を解き、D[ps/nm/km]が

なる式で表すことができればよい。ただしCは任意定数である。例えばλ = 1580nmでD = 5 ps/nm/kmの場合、C = Dλ² = 5´1580² [ps´nm/km]となる。このとき、1580nmにおけるスロープ値はS = -2C/λ³ = -2D/λ= -0.0063[ps/nm²/km]と計算される。なお図１および図２に示したZS-NZDSFの#1に関しては、この条件にほぼ一致し、波長λ = 1580nm付近では、β₂の値が波長に対して一定である。

40GHz繰り返しRZパルス列の幅を圧縮し、電力半値幅(FWHM)を8.5psから1.8psに圧縮するためのCPFを設計する。そして、非線形シュレディンガー方程式を用いた数値シミュレーションによって、パルス圧縮の結果を示す。

入力パルスは、波長可変光源より出力される連続光を、ZカットLN強度変調器によって変調して得られるパルスを想定する。図３に自己相関波形を示す。このパルスは、フーリエ変換限界の場合にFWHMが6.1psとなる帯域を持つパルスがアップチャープしたもので、自己相関波形をsech関数でフィッティングしてFWHMを算出すると、8.5psになるように設定している。以下では、このパルス列を入力として用いた場合のパルス圧縮結果を示す。

従来型CPFは、 HNLFとSMFを交互に接続して構成される。これに対して、ZS-NZDSFを用いた本発明のCPFの効果を明らかにするため、簡単のためSMFとZS-NZDSFの非線形性と損失をそれぞれ零と仮定する。従来型および本発明のCPFを設計し、パルス圧縮結果を数値計算により検証する。図４に、CPFを構成するために用いるHNLF、SMF、ZS-NZDSFの分散値、分散スロープ値、非線形定数、そして損失を示す。ここでZS-NZDSFの分散スロープ値はすべての波長で零であり、またSMFとZS-NZDSFの非線形定数と損失を零としている。

従来型CPFの設計と圧縮結果
従来の構成、すなわちHNLFとSMFを交互に接続したCPFの構成で、HNLFとSMFの組が六段の場合の設計と、これを用いたパルス圧縮特性の計算結果を示す。

図５は、中心波長λ₀ = 1570nmのときに平均パワー19.5dBmでパルスを入力する際に、出力パルス幅が1.8psで最適化されるように設計した六段CPFパルス成型器の構成を示している。ただし、SBS（誘導ブリルアン散乱）の抑圧を目的として、1段目と2段目の後にアイソレータを挿入することを考え、それぞれ挿入損失0.5dBを加えている。なお、通常アイソレータの挿入損は波長依存性を持っているが、ここでは簡単のため無視した。

入力パワーを19.5dBmに固定し、入力パルスの中心波長λ₀を1530nmから20nmおきに1610nmまで変化させたときの、六段CPF出力パルスの時間幅とピークペデスタル比の値を図６に示す。ただしピークペデスタル比は、出力パルスの自己相関波形において、sech関数でフィッティングした曲線とのずれが、比で1dBとなる点とピーク値との比で定義する。

また、出力パルスの自己相関波形を図７および図８に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。
図６と図７および図８から、同じ入力パワーのもとでは、出力パルスの時間幅とピークペデスタル比が大きな波長依存性を持つことがわかる。これはSMFの分散値が、波長によって変化するためである。

一方、非特許文献２で示されているように、各波長に対して入力パワーを調整することで、出力パルスの時間幅を所望の値に調整することができる。図５に設計を示した従来型CPFパルス成型器に対して、各波長において出力幅が約1.8psとなるように最適化した入力パワーと、そのときの出力パルスの時間幅およびピークペデスタル比を図９に示す。
また、出力パルスの自己相関波形を図１０および図１１に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

図９および図１０と図１１から、設計波長である1570nmより短い波長では、入力パワーを減少させることにより、設計した出力幅である1.8psに近い値を得ることができる。逆に1570nmより長い波長では、入力パワーを増加させることで、約1.8psの幅が得られる。ただし、ピークペデスタル比は依然として波長依存性を持っている。また動作波長を変化させる際に、約1.7dBの範囲で入力パワーを調整する必要があって、これはパルス光源の操作を複雑化するもので、光源の構成を簡略化するという観点からは好ましくない。

本発明のCPFの設計と圧縮結果
パルス圧縮特性に対するSMFの分散スロープの影響を低減するため、SMFの代わりにZS-NZDSFを用いてCPFを構成する。図５に設計を示した従来型CPFにおいて、一部のSMFのみをZS-NZDSFに置き換える方法も考えられるが、ここではHNLFとZS-NZDSFのみでCPFを構成することを考える。本発明のCPFの構成として、HNLFとZS-NZDSFの組が六段の場合の設計と、これを用いたパルス圧縮特性の計算結果を以下に示す。

図１２は、中心波長1570nmのときに平均パワー19.5dBmでパルスを入力する際に、出力パルス幅が1.8psで最適化されるように設計した本発明の六段CPFパルス成型器の構成を示しており、SMFの代わりにZS-NZDSFを用いたことを除いては、図５と同様の構成である。図５に示した従来型CPFの設計と比較すると、SMF長とZS-NZDSF長のみが異なっており、SMFとZS-NZDSFの分散値の比に応じて、各段のZS-NZDSFが長く設定されている。

入力パワーを19.5dBmに固定し、入力パルスの中心波長λ₀を1530nmから20nmおきに1610nmまで変化させたときの、六段CPF出力パルスの時間幅とピークペデスタル比の値を図１３に示す。
また、出力パルスの自己相関波形を図１４および図１５に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

図１３と図１４および図１５から、HNLFとZS-NZDSFを用いてCPFを構成することで、出力パルスの時間幅とピークペデスタル比の波長依存性が、従来型CPFの場合と比較して、大きく抑圧されていることがわかる。わずかな波長依存性の原因は、先に述べたとおり、ZS-NZDSFの普遍的な分散量であるβ₂[ps²/km]が、波長λ[nm]によって変化するためである。

本発明のCPFを用いる場合でも、各波長に対して入力パワーを最適化することで、より設計値に近い出力パルス幅を実現することができる。
各波長において最適化した入力パワーと、そのときの出力パルスの時間幅およびピークペデスタル比を図１６に示す。
また、出力パルスの自己相関波形を図１７および１８に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

図１６の結果と、図９に示した従来型CPFを用いた場合の結果を比較すると、本発明のCPFを用いることで、入力パワーの調整幅と、ピークペデスタル比の波長依存性が大きく低減されたことがわかる。

以上のように、HNLFとZS-NZDSFを交互に接続して構成する本発明のCPFを用いることで、HNLFとSMFからなる従来のCPFと比較して、出力パルス特性の波長依存性を低減できることが確認できた。

これまでは、本発明の効果を検証するために、すべての波長でZS-NZDSFの分散スロープを零とおき、また SMFとZS-NZDSFの非線形性と損失をそれぞれ零と仮定してきた。そこで、より現実的な条件設定を行った場合でも、本発明のCPFが効果的であることを数値シミュレーションによって示す。

まず、現実のZS-NZDSFの波長分散特性として、図１および２に測定結果を示したZS-NZDSFのうち、#2のファイバの値を用いる。なお分散値の波長依存性の観点からは、先に述べた|Δβ₂/β₂₀|の値から、#2のZS-NZDSFよりも#1が有利であるが、#1のファイバは分散値が小さいことから、ファイバ長が長くなり、さらに非線形効果が出やすいという問題点がある。

次にSMFとZS-NZDSFの非線形定数と損失として現実的な値を考慮する。HNLF、SMF、ZS-NZDSFそれぞれの1570nmにおける分散値、分散スロープ値、非線形定数、そして損失の値を図１９に示す。ただし、ZS-NZDSFの分散スロープ値は、図１で1570nmにおける値を示している。以下では、各ファイバのパラメータとして、図１９と図１に示した値を用いてCPFの設計、およびパルス圧縮の計算を行う。

従来型CPFの設計と圧縮結果
まず従来構成のCPFを用いた場合の設計と、パルス圧縮計算結果を示す。
図２０は、中心波長1570nmのときに平均パワー19.5dBmでパルスを入力する際に、出力パルス幅が1.8psで最適化されるように設計した六段CPFパルス成型器の構成を示している。ただし、SBSの抑圧を目的として、1段目と2段目の後にアイソレータを挿入することを考え、それぞれ挿入損失0.5dBを加えている。なお、通常アイソレータの挿入損は波長依存性を持っているが、ここでは簡単のため無視した。

入力パワーを19.5dBmに固定し、入力パルスの中心波長λ₀を1530nmから20nmおきに1610nmまで変化させたときの、六段CPF出力パルスの時間幅とピークペデスタル比の値を図２１に示す。
また、出力パルスの自己相関波形を図２２および図２３に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

図２１と図２２および図２３から、入力パワーを固定した場合に波長を変化させると、出力パルスの幅とピークペデスタル比が大きな波長依存性を持つことがわかる。これは、図６と図７および図８に示した結果と同様である。

一方、図２１に設計を示した従来型CPFパルス成型器に対して、各波長において出力パルスの時間幅が等しくなるように最適化した入力パワーと、そのときの出力パルスの時間幅およびピークペデスタル比を図２４に示す。また、出力パルスの自己相関波形を図２５および図２６に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

このように、現実的な条件設定を行った場合でも、従来型CPFにおいて各波長に対する入力パワーを最適化することで所望のパルス幅を得ることはできる。ところがパワーの調整範囲は1.7dBにおよび、さらにピークペデスタル比は依然として波長依存性を持つ。

本発明のCPFの設計と圧縮結果
ZS-NZDSFのパラメータとして、図１９と図１に示した値を用いる際、CPFを構成する上で慎重に考察すべき点は、ZS-NZDSFで発生する非線形効果がSMFと比較して大きいということである。そもそもZS-NZDSFはSMFよりも大きな非線形定数を持っているが、加えてZS-NZDSFの分散値はSMFの約1/3であることから、CPFを構成するためにSMFと同じ分散量を与えるために、ファイバ長をより長く設定する必要があって、結果的に非線形効果の蓄積量も増大するのである。非線形性と損失を無視した場合は、図５と図１２に示したように、従来型および本発明のCPF設計の相違点が、SMF長とZS-NZDSF長のみであった。これに対して、図１９と図１に示したファイバパラメータを用いてCPFを設計する場合、段数やHNLF長などが、図２０に設計を示した従来型CPFとは異なる結果となる。

図２７に、HNLFとZS-NZDSFの組が四段で構成される本発明のCPFパルス成型器の設計を示す。ただし、SBSの抑圧を目的として、一段目と二段目の後にアイソレータを挿入することを考え、それぞれ挿入損失0.5dBを加えている。なお、通常アイソレータの挿入損は波長依存性を持っているが、ここでは簡単のため無視した。

入力パワーを19.5dBmに固定し、入力パルスの中心波長λ₀を1530nmから20nmおきに1610nmまで変化させたときの出力パルスの時間幅とピークペデスタル比を図２８に示す。また、出力パルスの自己相関波形を図２９および図３０に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

図２８と図２９および図３０から、出力特性に波長依存性が見られるものの、図２１と図２２および図２３と比較すると、本発明のCPFを用いることで波長依存性が抑圧されていることがわかる。

一方、図２７に設計を示した本発明のCPFパルス成型器に対して、各波長において出力パルスの時間幅が等しくなるように最適化した入力パワーと、そのときの出力パルスの時間幅およびピークペデスタル比を図３１に示す。また、出力パルスの自己相関波形を図３２および図３３に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

図３１の結果と、図２４に示した従来型CPFを用いた場合の結果を比較すると、本発明のCPFを用いることにより、入力パワーの調整幅と、ピークペデスタル比の波長依存性が大きく低減されたことがわかる。
以上より、現実的なパラメータ設定を行った場合でも、HNLFとZS-NZDSFを交互に接続して構成する、本発明のCPFの効果を確認できた。

図１９にパラメータを示したZS-NZDSFにおいて、幅6psで40GHz繰り返しのsechパルス列が光ソリトンとして伝搬するために必要なパワーは約18.1dBmと計算される。つまり19.5dBmの入力パワーで図３に示したパルスをZS-NZDSFに入力すると、ソリトン効果によってパルスの幅が圧縮されることになる。その結果、図２７に設計を示したCPFにおいて、一段目のHNLFを除去した構成でも、ZS-NZDSFのみでパルスのスペクトルを広げ、同時に時間幅を圧縮することが可能である。以下に数値シミュレーションによって得た結果を示す。

例えば、図２７に示したCPF の一段目について、HNLF長を零とし、代わりにZS-NZDSF長を1.7kmとおいた場合に、ほぼ同じ出力波形が得られる。入力パワーを19.5dBm、波長を1570nmとしたときに、図２７の一段目を伝搬したパルスと、ZS-NZDSF1.7kmを伝搬したパルスの自己相関波形を重ねてプロットし、図３４と図３５にそれぞれ線形軸と対数軸で示す。なお点線は、時間幅3.34ps相当のsechパルスを示している。図３４と図３５から、図２７に示したCPF の一段目について、HNLF長を零とし、代わりにZS-NZDSF長を1.7kmとおいた場合でも、一段目出力波形がほぼ同じであることがわかる。

図２７に示したCPFにおいて、一段目のHNLF長を零とし、ZS-NZDSF長を1700mに変更すると、構成は図３６のようになる。図３６において、一段目はZS-NZDSFのみであるから、HNLFとZS-NZDSFからなるCPFの一段とは異なるが、ここでは便宜上CPFの一段と言い、図３６の構成を四段CPFパルス成型器と言う。

入力パワーを19.5dBmに固定し、入力パルスの中心波長λ₀を1530nmから20nmおきに1610nmまで変化させたときの出力パルスの時間幅とピークペデスタル比を図３７に示す。また、出力パルスの自己相関波形を図３８および図３９に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

図２８と図２９および図３０とほぼ同じ結果が得られた。一方、図３６に設計を示した本発明のCPFパルス成型器に対して、各波長において出力パルスの時間幅が等しくなるように最適化した入力パワーと、そのときの出力パルスの時間幅およびピークペデスタル比を図４０に示す。また、出力パルスの自己相関波形を図４１および図４２に示す。なお点線は時間幅1.8ps相当のsechパルスを示している。

図３１と図３２および図３３とほぼ同じ結果が得られた。このように、CPF一段目のHNLF長を零として、ZS-NZDSFのみの構成とすることで、出力特性を保持しながら、構成が簡略化されたCPFを実現することができる。

上記実施例では、いずれも本発明のCPFパルス成型器を用いて光パルスの電力半値幅を8.5psから1.8psに圧縮している。これに加えて、本発明のCPFパルス成型器によれば、CLバンド帯で波長可変なフェムト秒圧縮を実現することが可能となる。CLバンド帯での波長可変フェムト秒圧縮は、HNLFとSMFを組み合わせた従来のCPFでは実現不可能であった。

本発明のCPFパルス成型器により波長可変フェムト秒圧縮を実現するための構成例を図４３に示す。同図では、光パルス生成部110において電力半値幅約8.5psの40GHz繰り返しパルス列を生成し、本発明のCPFパルス成型器１０１を含むパルス成型器100が、前記パルス列を入力して電力半値幅を圧縮する構成を示している。

本実施例のパルス成型器100は、1.8km長ZS−NZDSF 102と、低分散スロープを有するHNLFと零分散スロープのZS−NZDSFからなるCPF101とで構成されている。CPF101は、前記HNLFとZS−NZDSFとを5段組み合わせて構成されており、本実施例ではCPF101の前段にさらに1.8km長のZS−NZDSF 102を備えている。1.8km長ZS−NZDSF 102は、ソリトン効果によりパルス圧縮を行うソリトン変換器として機能するものであり、光パルス生成部110から入力した電力半値幅約8.5psのパルス列を幅約4ps（sech関数でフィッティングしたときの電力半値幅）に圧縮している。

1.8km長ZS−NZDSF 102で電力半値幅が約4psに圧縮されたパルス列は、アイソレータ103を経由してCPF101に入力される。ここでアイソレータ103は、CPF101におけるSBSを抑圧することを目的に、1.8km長ZS−NZDSF 102とCPF101との間に設置されている。

CPF101は、前記HNLFとZS−NZDSFとを交互に5段組み合わせて構成されている。CPF101に用いられるZS−NZDSF、および1.8km長のZS−NZDSF 102のそれぞれの分散値の測定結果を図44に示す。λ0 = 1570 [nm]、Δλ= 40 [nm]としたとき、図44に示したZS-NZDSFの1.8kmNZDSF, CPF1,2段目のNZDSF, およびCPF3〜5段目のNZDSFについて、それぞれβ20 = -10.14、-8.16、-3.44 [ps2/km]、Δβ2 = 1.028、0.662、0.622 [ps2/km]、|Δβ2/β20| = 0.101、0.081、0.181である。CPF101は、分散値の異なる2種類のNZDSFを用いており、1、2段目のNZDSFは、3〜5段目のNZDSFよりも高い分散値を有している。また、1.8km長ZS−NZDSF 102には、上記のCPF101に用いられる2種類のNZDSFよりもさらに高い分散値を有するNZDSFを用いている。

1.8km長ZS−NZDSF 102に用いられるNZDSF、およびCPF101に用いられる2種類のNZDSFは、図44に見られるとおり、いずれも分散スロープがほぼゼロとなっているのが特徴である。図44には、参考としてSMFの分散値も併せて示している。同図に示したSMF は、波長1550nmのときの分散値が16.264ps/nm/kmで、分散スロープ値が0.0586ps/nm²/kmのものである。

図44に示す分散値を有するNZDSFを用いて構成されたCPF101は、その分散値と非線形定数が図45に示すようなプロファイルを形成する。なおCPFの後段ではファイバ長が数mのオーダーであるが、分散値の小さなNZDSFを用いることで、ファイバ長に高い精度が要求されず、調整を容易にできるようにしている。CPF101の分散値と非線形定数のプロファイルをこのように形成することにより、1.8km長ZS−NZDSF 102から入力した電力半値幅約4psのパルス列を、電力半値幅100fs程度のフェムト秒オーダーのパルス列に変換することができる。

一方、光パルス生成部110は、TLS（Tunable Laser Source；波長可変光源）111と、40GHz正弦波電気信号発振器112と、LNM（Lithium Niobate Modulator；LN変調器）113と、EDFA（Erbium Doped Fiber Amplifier；エルビウム添加ファイバ増幅器）114と、BPF（Band Pass Filter）115と、PC（Polarization Controller；偏波コントローラ）116と、VOA（Variable Optical Attenuator；可変光減衰器）117とから構成されている。

TLS111は、連続光であるレーザー光を波長可変に出力させるものであり、前記レーザー光の位相を変調するためのCC（Coherence Control）機能を持たせている（図中ではTLS（w/CC）と表記）。該CC機能は、1.8km長 ZS−NZDSF 102でのSBSを抑圧するために備えられたものである。1.8km長 ZS−NZDSF 102を複数に分割し、その間にアイソレータを挿入することで、前記CC機能を用いないようにすることも可能である。

LNM113は、TLS111から出力されるレーザー光を40GHz正弦波電気信号発振器112から印加された40GHzの電気信号に従って強度変調することによって、繰り返し周波数が40GHzのパルス列を出力する。ここでは、パルス列の繰り返し周波数を40GHzとしたが、40GHz正弦波電気信号発振器112からLNM113に印加する電気信号の繰り返し周波数を変化させることで、パルス列の繰り返し周波数を可変とすることができる。

TLS111から出力されるレーザー光として、CLバンド帯の広帯域の波長のものを対象とする本実施例では、EDFA114として2段構成のものと3段構成のものの2種類を用いている。すなわち、例えば前記波長がCバンドの1530nmとLバンドの1570nmのときには2段構成とし、Lバンドの1610nmのときには3段構成としている。

上記構成の光パルス生成部110と本発明のCPFパルス成型器101を含むパルス成型器100を用いて実現したフェムト秒圧縮の例を、実験結果にもとづいて以下に説明する。図46は、CPFパルス成型器100の入力光の波長が1530nmのときの自己相関波形とスペクトルの測定結果を示している。図46に示す入力光の電力半値幅（FWHM）は、8.56psとなっている。

図46に示す入力光を1.8km長ZS−NZDSF 102に入力して成型されたパルス波形の測定結果を図47に示す。同図より、電力半値幅8.56psの入力光が3.30psに圧縮されて1.8km長ZS−NZDSF 102から出力されることがわかる。なお、上記結果は、1.8km長ZS−NZDSF 102への入力パワー（すなわち、パルス成型器100への入力パワー）を20.0dBmとしたときの結果である。

1.8km長ZS−NZDSF 102からの出力光を、さらにCPF101に入力して成型したパルスの測定結果を図48に示す。図48（a）に示す自己相関波形では、CPF101からの出力パルスの波形をガウス関数でフィッティングして電力半値幅を求めている。その結果、CPF101の出力パルスのパルス幅は、108fsに圧縮されていることがわかる。また図48（b）からは、CPF101の出力パルスのスペクトルが十分広がっていることがわかる。

同様にして、パルス成型器100の入力光の波長が1570nmのときと1610nmのときの測定結果を、それぞれ図49〜51と図52〜54に示す。波長が1570nmのときには、パルス成型器100への入力光のパルス幅は8.69psであり、入力パワーは19.5dBmとしている。その結果、1.8km長ZS−NZDSF 102からの出力光の電力半値幅は、3.98psに圧縮され、さらにCPF101で97.1fsまで圧縮されている。

また、パルス成型器100への入力光の波長が1610nmのときには、前記入力光のパルス幅は8.56psであり、入力パワーは21dBmとしている。その結果、1.8km 長ZS−NZDSF 102からの出力光の電力半値幅は、3.72psに圧縮され、さらにCPF101で104fsまで圧縮されている。

一方、図51（b）、図54（b）に示すスペクトルからは、図48（b）と同様に、中心波長を大きく変化させてもCPF101の出力パルスのスペクトルが十分広がっていることがわかる。

上記の通り、本実施例のCPFパルス成型器101を含むパルス成型器100によれば、LNM113の出力光である波長1530nm〜1610 nmのCLバンドの光パルスに対し、電力半値幅を約8.5psから100fs程度にフェムト秒圧縮することが可能となる。これは、本実施例のパルス成型器100で、ZS-NZDSFを用いてCPF101を形成させるようにしたことによるものである。なお、CPFパルス成型器101の出力光にペデスタルの発生が見られる場合には、CPF101の段数を増やして精密に設計することで、該ペデスタルを低減することができる。

分散フラット・分散減少ファイバを用いて波長可変なフェムト秒圧縮を行う従来の方法に比べて、本実施例のCPFパルス成型器101は、HNLFとZS-NZDSFとを組み合わせて実現できることから、高い生産性が得られる。また、本実施例のCPFパルス成型器101は、非線形媒体と分散媒体の両方に広帯域で分散フラットなHNLFとZS-NZDSFを用いているので、CLバンドの広帯域で波長可変なフェムト秒圧縮を実現することが可能となっている。

また、フェムト秒パルス光源として従来から用いられているモードロックレーザでは、パルス繰り返し周波数や発振波長が固定されていたのに対し、本発明のCPFパルス成型器では、パルス繰り返し周波数、発振波長とも可変とすることができるだけでなく、データ変調を行うことも可能となり、かつ安定した特性のパルス列を成型することができる。

さらに、本発明のCPFパルス成型器によれば、高次ソリトン圧縮と比較して雑音増幅を低く抑えることができ、CPFの段数を増やすことでペデスタルを低減することも可能である。

以上に示したように、ZS-NZDSFを用いることで、パルス圧縮動作の波長依存性を大幅に低減できる。なお本実施例では、1530nmから1610nmまでの範囲における計算結果や実験結果を示したが、さらに短波長側（Sバンド）や、長波長側でも動作可能である。

図１は、波長λ[nm]に対する、ZS-NZDSFとSMFの分散値D[ps/nm/km]を示すグラフである。 図２は、波長λ[nm]に対する、ZS-NZDSFとSMFの分散値β₂ [ps²/km]を示すグラフである。 図３は、入力パルス列の自己相関波形を示すグラフである。 図４は、CPFを構成するファイバのパラメータを示す表である。 図５は、従来型六段CPFパルス成形器の設計値を示す表である。 図６は、各波長に対する従来型六段CPFパルス成形器出力パルスの時間幅とピークペデスタル比を示す表である。 図７は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの、従来型六段CPFの出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図８は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの、従来型六段CPFの出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図９は、従来型CPFを用いた場合の各波長に対する最適入力パワーと、出力パルスの時間幅およびピークペデスタル比を示す表である。 図１０は、入力パワーを各波長で最適化したときの、従来型六段CPFの出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図１１は、入力パワーを各波長で最適化したときの、従来型六段CPFの出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図１２は、本発明の六段CPFパルス成形器の設計値を示す表である。 図１３は、各波長に対する本発明の六段CPFパルス成形器出力パルスの時間幅とピークペデスタル比を示す表である。 図１４は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの、本発明の六段CPFの出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図１５は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの、本発明の六段CPFの出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図１６は、本発明の六段CPFを用いた場合の、各波長に対する最適入力パワーと、出力パルスの時間幅およびピークペデスタル比を示す表である。 図１７は、入力パワーを各波長で最適化したときの、本発明の六段CPFの出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図１８は、入力パワーを各波長で最適化したときの、本発明の六段CPFの出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図１９は、CPFを構成するファイバのパラメータを示す表である。 図２０は、従来型六段CPFパルス成形器の設計値を示す表である。 図２１は、各波長に対する従来型六段CPFパルス成形器出力パルスの時間幅とピークペデスタル比を示す表である。 図２２は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの従来型CPFの出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図２３は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの従来型CPFの出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図２４は、各波長における従来型六段CPFパルス成形器の入力パワーと、出力パルスの幅とピークペデスタル比を示す表である。 図２５は、入力パワーを各波長で最適化したときの、従来型六段CPF出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図２６は、入力パワーを各波長で最適化したときの、従来型六段CPF出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図２７は、ZS-NZDSFを用いた本発明の四段CPFパルス成形器の設計値を示す表である。 図２８は、各波長に対する本発明の四段CPFパルス成形器出力パルスの時間幅とピークペデスタル比を示す表である。 図２９は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの、本発明の四段CPFの出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図３０は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの、本発明の四段CPFの出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図３１は、各波長における本発明の四段CPFパルス成形器の入力パワーと、出力パルスの幅とピークペデスタル比を示す表である。 図３２は、入力パワーを各波長で最適化したときの、本発明の四段CPF出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図３３は、入力パワーを各波長で最適化したときの、本発明の四段CPF出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図３４は、入力パワーを19.5dBm、波長を1570nmとしたときに、図２７の一段目と、ZS-NZDSF1.7kmのそれぞれを伝搬したパルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図３５は、入力パワーを19.5dBm、波長を1570nmとしたときに、図２７の一段目と、ZS-NZDSF1.7kmのそれぞれを伝搬したパルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図３６は、ZS-NZDSFを用い、一段目のHNLF長を零とした本発明の四段CPFパルス成形器の設計値を示す表である。 図３７は、各波長に対する、表１７０の四段CPFパルス成形器出力パルスの時間幅とピークペデスタル比を示す表である。 図３８は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの、本発明の四段CPFの出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図３９は、入力パワーを19.5dBmに固定したときの、本発明の四段CPFの出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図４０は、各波長における、図３６の四段CPFパルス成形器の入力パワーと、出力パルスの幅とピークペデスタル比を示す表である。 図４１は、入力パワーを各波長で最適化したときの、図３６の四段CPF出力パルスの自己相関波形（線形軸表示）を示すグラフである。 図４２は、入力パワーを各波長で最適化したときの、図３６の四段CPF出力パルスの自己相関波形（対数軸表示）を示すグラフである。 図４３は、波長可変フェムト秒圧縮を実現する本発明のCPFパルス成型器の実施例を示す構成図である。 図４４は、CPF101に用いられるZS−NZDSF、および1.8km長ZS−NZDSF 102のそれぞれの分散値を示す図である。 図４５は、CPF101の分散値と非線形定数のプロファイルを示す図である。 図４６は、入力光波長が1530nmのとき、パルス成型器100の入力パルスの自己相関波形とスペクトルの測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。 図４７は、入力光波長が1530nmのとき、1.8km長ZS−NZDSF 102で成型された波形の測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。 図４８は、入力光波長が1530nmのとき、CPF101で成型された波形の測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。 図４９は、入力光波長が1570nmのとき、パルス成型器100の入力パルスの自己相関波形とスペクトルの測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。 図５０は、入力光波長が1570nmのとき、1.8km長ZS−NZDSF 102で成型された波形の測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。 図５１は、入力光波長が1570nmのとき、CPF101で成型された波形の測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。 図５２は、入力光波長が1610nmのとき、パルス成型器100の入力パルスの自己相関波形とスペクトルの測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。 図５３は、入力光波長が1610nmのとき、1.8km長ZS−NZDSF 102で成型された波形の測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。 図５４は、入力光波長が1610nmのとき、CPF101で成型された波形の測定結果を示す図である。(a)が自己相関波形であり、（b）がスペクトルである。

符号の説明

１００・・・CPFパルス成型器
１０１・・・CPF
１０２・・・1.8km長ZS-NZDSF
１０３・・・アイソレータ
１１０・・・光パルス生成部
１１１・・・TLS
１１２・・・40GHz正弦波電気信号発振器
１１３・・・LNM
１１４・・・EDFA
１１５・・・BPF
１１６・・・PC
１１７・・・VOA

Claims (8)

1. 非線形媒体と分散媒体とを交互に複数組み合わせて構成されるCPF（Comb-like Profiled Fiber） を備えたCPFパルス成型器であって、
   所定の波長λ_０[nm]における分散値をβ_２０[ps² /km]とし、所定の波長範囲λ_０±Δλにおける分散値とβ_２０との差の絶対値の最大値をΔβ_２としたとき、
   波長の変化幅Δλ＝４０[nm]に対して｜Δβ _２ /β _２０ ｜＝０．１９３となるシングルモードファイバ（SMF）と比較して、前記分散媒体の一部または全部が、前記所定の波長範囲λ_０±Δλにおける｜Δβ_２ /β_２０｜が前記SMFより小さい値を有する
   ことを特徴とするCPFパルス成型器。
2. 前記所定の波長範囲λ_０±Δλの光パルスを出射して前記ＣＰＦに入射するパルス光源を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載のCPFパルス成型器。
3. 前記分散媒体の一部または全部が、ノンゼロ分散シフト光ファイバ（ZS-NZDSF；Zero-Slope Non-Zero Dispersion-Shifted Fiber）である
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のCPFパルス成型器。
4. 前記分散媒体は、一部が前記ノンゼロ分散シフト光ファイバであり、残りがシングルモードファイバ（SMF）である
   ことを特徴とする請求項３に記載のCPFパルス成型器。
5. 前記CPFの上流側に、所定の長さの別の分散媒体を追加している
   ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のCPFパルス成型器。
6. 前記別の分散媒体は、前記所定の波長範囲における｜Δβ_２ /β_２０｜が波長の変化幅Δλ＝４０[nm]に対して｜Δβ _２ /β _２０ ｜＝０．１９３となるシングルモードファイバ（SMF）より小さい値を有する
   ことを特徴とする請求項５に記載のCPFパルス成型器。
7. 前記別の分散媒体は、ノンゼロ分散シフト光ファイバである
   ことを特徴とする請求項５または請求項６に記載のCPFパルス成型器。
8. 前記所定の波長範囲は、少なくともＣバンド及びＬバンドを含む
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のCPFパルス成型器。

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