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 * ytaku@ginjo.rcast.u-tokyo.ac.jp 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
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 OFT2004-49, 2004
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
超広帯域光源の構成 問題点 Nicholson, OL, 28(8), 643, 2003 1 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 程度 @200fs 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 -20-30 -40-50 -60 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 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
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 1000 1500 2000 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 1000 1500 2000 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, 1995. ultrashort pulse mode 1) Putnam, Opt. Lett., 23, 138, 1998. 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.
Experimental setup (noise-like pulse mode) Output spectrum 2.5m Pump 1480nm DSF 1.8m l/4λ l/2λ PBS WDM Coupler Corning Flexcor 1060 3.0m 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 1400 1500 1600 1700 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. 0.1 0.08 0.06 0.04 87nm 0.02 0 1400 1500 1600 1700 Yasunaka, CLEO2004, CThGG6, 2004 Intensity ASE Output pulse train Experimental setup of stretched pulse fiber laser Intensity [a.u.] 2 1 70ns 0-300-200-100 0 100 200 300 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 -40-20 0 20 40 Time [ps] background-free, intensity autocorrelation trace pulse envelope: ~20 ps Coherent spike: ~100fs (limited by the resolution of our autocorrelator) Yasunaka, CLEO2004, CThGG6, 2004 1.5m Pump 1480nm l/4λ l/2λ PBS WDM Coupler Corning Flexcor 1060 0.5m ISO l/4λ EDF 1.8m Without DSFs, the stretched pulse oscillation is obtained. Output port Intensity [a.u.] 1.5m 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 546fs 162fs Intensity [dbm] -20-30 -40-50 -60-70 -1 0 1-80 Delay[ps] 1500 1600 Wavelength[nm]
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 Dispersion@1550nm: 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 1200 1400 1600 1800 2000 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 OFT2004-49, 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] 10-10 -20 0 1540 1550 1560 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 : -0.74 ps 2 /km Nonlinear coefficient : 20 km -1 W 1 Fiber length : 60 m Khan, CLEO2005, CMV5, 2005
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. 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