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さあしゃみょうだに
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1 発表内容第 35 回フォトニクスフォーラム高出力超広帯域光源の開発多久島裕一上原昇 * [email protected] 東京大学先端科学技術研究センター *santec 株式会社スーパーコンティニューム発生とは白色光源としてのスーパーコンティニューム雑音状パルスを用いた超広帯域光源 SC 発生を用いた超広帯域白色光源の安定性応用まとめ高強度 ( パルス ) 光源スーパーコンティニューム (SC) 発生スーパーコンティニューム発生高強度の光を非線形光学媒質に注入すると媒質中の非線形光学効果 ( 自己位相変調四光波混合ラマン散乱など ) によりスペクトルが非常に広がる現象入力パルススペクトル非線形媒質 ( 石英系光ファイバ ) 波長 SC 光スペクトル波長歴史的背景 (1) 1966 Bloembergen SPMによるスペクトル広がりの観測 (Phys. Rev. Lett., 16, 216, 1966) (1964 Jonesらも同様の実験その後 1967 Shimizuにより説明 ) 1969 Alfano and Shapiro ピコ秒パルスを用いた超広帯域光発生 (Phys. Rev. Lett., 26, 584, 1970) 1974 Stolenら石英系光ファイバを用いたSPMによるスペクトル広がりの観測 (Phys. Rev. A, 17, 1448, 1974) 1981 Nakatsukaら正常分散ファイバによるスペクトル広帯域化 (Phys. Rev. Lett., 47, 910, 1981) 1982 Shankらファイバ中のSC 発生のフェムト秒パルス発生への応用 (APL, 40, 761, 1982) Q-switched ruby +liquid CS 2 Nd:glass mode-locked lasr +BK7 mode-locked Ar laser+silica fiber ML dye-laser +silica fiber 超広帯域 (>300nm)SC: 光部品検査用光源センサ用光源への応用

2 Emission in the region 4000 to 7000 A via four-photon coupling in glass Alfano and Shapiro, Phys. Rev. Lett., 24, 584, 1970 Nd:glass Q-switched mode-locked laser+shg, 530nm, 5mJ, 4-8 psec BK7 Compression of femtosecond optical pulses C.V. Shank, R.L. Fork, R. Yen, and R. H. Stolen, APL, 40, 761, 1982 Nd: YAG mode-locked, 619 nm, 90 fs to 30 fs 歴史的背景 (2) SC 光源の用途 1993 Moriokaら近赤外 (1300nm) でのファイバを用いた SC 発生と多波長光源への応用 (EL, 29, 862, 1993) Nd:YAG ML+DSF? 超短パルス発生超高速光通信用光源 WDM 用光源 1994 Moriokaら 1550nm 帯でのファイバを用いたSC 発生と多波長光源への応用 (EL, 30, 1166, 1994) 1998 Takushimaら半導体モード同期光源を用いたSC 発生と多波長光源への応用 (PTL, 1998) 1999 Rankaら PCFを用いたSC 発生 (CLEO1999, CD8) Fiber laser+ anomalous dispersion fiber semiconducttor laser+ normal dispersion fiber SC 発生多波長パルス CW 光源白色光源全光信号処理センサー用光源分光用光源光部品検査用光源 2000 Jonesら (JILA) Holozwarthら (Max-Plank) PCFを用いたオクターブバンドSC 発生と光クロックへの応用 (Science, 288, 635, 2000) femtosecond ML laser +photonic crystal fiber 要求される性能帯域幅出力パワー雑音 ( 時間領域スペクトル領域 ) スペクトル平坦性スペクトル安定性スペクトル拡散効率多久島ら信学技報 OFT , 2004

3 スーパーコンティニューム光の特徴一般的な SC 発生法白色ランプスーパーコンティニューム光パルス光源非線形ファイバレーザー超短パルス光源光ファイバ ( 非線形媒質 ) 帯域集光性広い :UV~IR 広い : 近赤外狭い : 数 nm λ λ λ 悪いスポット : 数 mm 良いスポット : 数 μm 良いスポット : 数 μm 超短パルス時間幅が短いピークパワーが高い急峻な強度の傾きを持つ t 非線形光学効果自己位相変調相互位相変調四光波混合ラマン散乱自己急峻効果非線形偏波回転 + 異常分散ソリトン効果パルス圧縮正常分散シミラリトン + 零 ~ 異常分散パラメトリック増幅変調不安定 100nm 程度の狭い SC 発生では自己位相変調が支配的それ以上ではすべての効果の寄与するファイバの分散値が重要非線形光学における石英系光ファイバの特徴例 : All-fiber, octave-spanning supercontinuum Nicholson, OL, 28(8), 643, 2003 材料としての性質 3 次非線形感受率は非常に小さい ( 石英系で2.2~2.9x10-20 [m 2 /W]( 屈折率換算 )) 非常に応答が速い (1-10fsec) 2 次非線形感受率は零 (*) ファイバとしての性質導波構造を持ち伝搬に伴うビームの変化が無視できる非常に狭い面積 (5~7x10-11 [m 2 ]) に光が閉じ込められる伝送損失が小さい分散を制御できる入力 : 188fs soliton laser, 33 MHz ファイバ : 10 m, 高非線形ファイバ (HNLF) 長い相互作用長 + 超高速応答 + 光の閉じ込め = 理想的な非線形材料

4 超広帯域光源の構成問題点 Nicholson, OL, 28(8), 643, 雑音状パルス光源 80nm 2 スーパーコンティニューム発生 >950nm 光パワー [dbm/nm] 雑音状パルス光源スーパーコンティニューム光高出力化が難しい増幅器内その他のファイバでの非線形効果 SC ファイバまでの取り回しが面倒パッチコードファイバの分散でパルスが崩れるトレランスは 30cm スペクトルの平坦性が悪いスペクトルの安定性が悪い数 db の変動がある波長 [μm] ノイズライクパルス = パルス光と雑音光の中間パルスレーザ光 ( モード同期 ) 雑音状パルス ( ノイズライクパルス ) 開発するファイバレーザの出力 ( 擬似モード同期 ) 白色光 ( 雑音光 ) 1 雑音状パルス光源なぜ雑音光を用いるのか? 強度波形がスペクトル幅の逆数程度の細かい構造を持つ超短パルス光の集まりとして機能する SPM による周波数偏移は強度波形の時間微分に比例するのでスペクトルを広げる能力はある ~ 数百 fs 時間 ~ 数 10ps 時間全体的にはパルスパルスの内部は雑音光時間波形歪みを受けても雑音光としての性質は保たれる高い分散非線形耐力パルスの取り扱いが容易高出力化も容易高出力高出力平坦なスペクトル短期安定度悪 SCスペクトルの平坦性悪広帯域 ( 利得媒質の帯域をはるかに上回る ) 平坦なスペクトル短期安定度良短期安定度良低出力低集光性 t

5 超短パルスからの SC 発生 Gaussian, pulse width 300 fs, peak power 300W 雑音光からの SC 発生 Gaussian noise, bandwidth 20nm, peak power ~300W Power [a.u.] 5.0 m 1.0 m L=0m 14 m Time [10 ps/div] 10ps 25 m Spectrum [10dB/div] 25 m 14 m 5.0 m 1.0 m L=0m Takushima, Opt. Express, 13(15), 5871, 2005 Power [a.u.] 5.0 m 1.0 m L=0m 14 m Time [10 ps/div] 25 m 10ps Spectrum [10dB/div] 25 m 14 m 5.0 m 1.0 m L=0m The effective interaction length becomes long broad SC spectrum Takushima, Opt. Express, 13(15), 5871, 2005 Stretched pulse fiber laser Dispersion management: normal (positive) GVD gain fiber + anomalous (negative) GVD fiber Additive-pulse mode-locking: Nonlinear polarization rotation+polarizer (intensity-dependent loss element)) Noise-like pulse mode in stretched pulse lasers Noise-like pulse mode of operation has been found in stretched pulse lasers with nearly zero cavity dispersion. 1) Long-duration, noise-like square pulse Long-cavity (800m) passively mode-locked EDF laser. Noise-like square pulse (10 nsec) ~10ns anomalous normal 2) Short-duration, noise like pulse Found in conventional stretched pulse fiber lasers Switching from ultrashort pulse mode to noise-like pulse mode was obtained by adjusting polarization controllers. Noise-like pulse (5~50 ps) ~50ps Tamura, Opt. Lett., 18, 1080, 1993; Haus, 31, 591, ultrashort pulse mode 1) Putnam, Opt. Lett., 23, 138, Similar mode of oscillation can be seen in figure-of-8 lasers. (Seong, PTL 14, 459, 2002). 2) Horowitz, PTL 10, 1389, 1998; Horowitz, Opt. Lett., 22, 799, 1997.

6 Experimental setup (noise-like pulse mode) Output spectrum 2.5m Pump 1480nm DSF 1.8m l/4λ l/2λ PBS WDM Coupler Corning Flexcor m ISO l/4λ EDF 2.5m Output port DSF 1.8m 2.4m Almost the same to conventional stretched pulse fiber lasers. short EDF with high normal GVD are used to increase in nonlinearity ratio G DSFs with low anomalous GVD Yasunaka, CLEO2004, CThGG6, 2004 Intensity [10dB/div] 3dB bandwidth 87nm ~40nm Pump power: 0.5W (In Tech. Digest, 1.5W should read 0.5W) Output power: 72 mw Blue: ASE spectrum when the light path of the cavity is blocked nm Yasunaka, CLEO2004, CThGG6, 2004 Intensity ASE Output pulse train Experimental setup of stretched pulse fiber laser Intensity [a.u.] ns Time [ns] Low-speed oscilloscope trace Repetition rate: 14 MHz (fundamental frequency) The repetition rate did not change when the pump power was raised up to 1.2 W. Intensity [a.u.] ~120fs ~20ps Time [ps] background-free, intensity autocorrelation trace pulse envelope: ~20 ps Coherent spike: ~100fs (limited by the resolution of our autocorrelator) Yasunaka, CLEO2004, CThGG6, m Pump 1480nm l/4λ l/2λ PBS WDM Coupler Corning Flexcor m ISO l/4λ EDF 1.8m Without DSFs, the stretched pulse oscillation is obtained. Output port Intensity [a.u.] 1.5m fs 162fs Intensity [dbm] Delay[ps] Wavelength[nm]

7 Supercontinuum generation using HNL fiber スペクトルのリプルとスペクトル変化との関係 fiber laser ATT Highly nonlinear fiber, 1km 0.60 ps 2 /km Nonlinear coefficient: 20 /W/km monochromator Seed pulse spectrum Broadband spectrum Optical power [10dB/div] (e)72mw (d)28mw (c)6.3mw (b)2.5mw (a) 0.63mW 950nm parameter: launched power Yasunaka, CLEO2004, CThGG6, 2004, Takushima, Electron. Lett., 41(7), 399, 2005 P 0 P 0 +ΔP 0 リプルの移動によりスペクトル強度が急激に変化する入力のわずかな変化が大きなスペクトル強度変化になる f f f f Spectral density drastically changes! 多久島ら信学技報 OFT , 2004 例変調利得 ( パワー変動に対する感度 ) ΔPs ( λ) / Ps ( λ) gnoise ( λ) = ΔP0 / P0 P s (λ): 波長 λにおける P 0 : 入力パルス光 gnoise [db] Ozeki, IEICE Trans. Electron., E88-C(5), 904, 2005 Conventional, passively Mode-locked EDF laser using a SESAM. 1.5-ps soliton pulse, Repetition rate 20 MHz, APC feedback system. Noise-like pulses generated from an EDF laser. 20-ps pulse width, Repetition rate 6.5 MHz, APC feedback system. 実験系 Input DSF HNLF HNLF parameters : Output Mode-field diameter : 3.7 μm Propagation loss : 0.69 db/km Zero-dispersion wavelength : 1538 nm Group-velocity dispersion : ps 2 /km Nonlinear coefficient : 20 km -1 W 1 Fiber length : 60 m Khan, CLEO2005, CMV5, 2005

8 超短パルス光源を用いた SC 光のスペクトル安定性 (a) SC spectrum (b) Spectral stability 雑音状パルスを用いた場合のスペクトル安定性 (a) SC spectrum (b) Spectral stability Large Ripples Spectral stability > 1.0 db Spectral stability < 0.05 db Spectral uniformity = 13 db Large ripples Spectral uniformity = 5 db Negligible ripples Spectral stability = Spectrum(90 Min.) - Spectrum(0 Min.) Khan, CLEO2005, CMV5, 2005 Spectral stability = Spectrum(90 Min.) - Spectrum(0 Min.) Khan, CLEO2005, CMV5, 2005 広帯域良好な平坦性高いスペクトル密度光部品検査用光源光アクセスネットワーク用光部品の評価例 (1) PON フィルタ用超広帯域 AR 薄膜の評価 >70dB シングルモードファイバ出力( 回折限界ビーム ) 高いパワー結合効率ナノ構造デバイスフォトニック結晶などMFDの小さなデバイスにも有効 Uehara, OFC2005, OFL3 上原ら光アライアンス 2005 年 7 月号 p.54

FTTH 用光フィルタの評価光アクセスネットワーク用光部品の評価例 (2) 先端デバイスの評価例 Characterization of a hollow tunable waveguide grating (courtesy of Prof.

$, CLEO 2005, CPDA6) Transmittance Reflectance Slab waveguide Grating region Displacement PZT DBR 1st-order circular diffraction grating DBR$ ミラー Scatter light BS 検出器リファレンス Mirror scanning 反射散乱光干渉パルス波形 Horizontal scanning サンプル [μm] 平坦な SC 光 + ガウス型フィルタ

ミラー Scatter light BS 検出器リファレンス Mirror scanning 反射散乱光干渉パルス波形 Horizontal scanning サンプル [μm] 平坦な SC 光 + ガウス型フィルタ

9 FTTH 用光フィルタの評価光アクセスネットワーク用光部品の評価例 (2) 先端デバイスの評価例 Characterization of a hollow tunable waveguide grating (courtesy of Prof. Fumio Koyama, Tokyo Institute of Technology, Y. Sakurai et al., CLEO 2005, CPDA6) Transmittance Reflectance Slab waveguide Grating region Displacement PZT DBR 1st-order circular diffraction grating DBR PZT V Displacement Input/Output light DBR with grating DBR with grating OCT の原理構成図医療用センサへの応用 (OCT) 単峰性 ( ガウス型 ) のスペクトル形状が望ましいまとめ広帯域光源ミラー Scatter light BS 検出器リファレンス Mirror scanning 反射散乱光干渉パルス波形 Horizontal scanning サンプル [μm] 平坦な SC 光 + ガウス型フィルタ雑音状パルスを用いたスーパーコンティニューム発生について概説した雑音光が超短パルスの集まりとして機能する平坦なSCスペクトルの発生が可能高出力化が容易取り扱いも簡便白色光源として優れた特徴広帯域高強度良好なスペクトル平坦性スペクトル安定性ノイズライクファイバレーザ ASE 雑音光源を用いて 1000nm 程度の SC 光発生が実現応用光部品検査用光源医療用センサ光源 Depth Ref: MIT Prof.J. G. Fujimoto 上原ら光アライアンス 2005 年 7 月号 p.54

Microsoft PowerPoint - 山形大高野send ppt [互換モード]

Microsoft PowerPoint - 山形大高野send ppt [互換モード] , 2012 10 SCOPE, 2012 10 2 CDMA OFDMA OFDM SCOPE, 2012 10 OFDM 0-20 Relative Optical Power [db] -40-60 10 Gbps NRZ BPSK-SSB 36dB -80-20 -10 0 10 20 Relative Frequency [GHz] SSB SSB OFDM SSB SSB OFDM OFDM