JPH0232323A - Method and device for generating optical pulse train - Google Patents
Method and device for generating optical pulse trainInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
［産業上の利用分野］
本発明は、超高速光通信においてその光源となる超高速
光パルス列を発生させる方法および装置に関するもので
ある。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Field of Industrial Application] The present invention relates to a method and apparatus for generating an ultra-high-speed optical pulse train that serves as a light source in ultra-high-speed optical communications.
［従来の技術１
従来、光パルスを発生させる方法としては、■レーザー
のモード同期技術またはＱスイッチ技術を使用する方法
、０周波数が時間的に変化する波を分散性媒質中に通過
する方法等が主であった。[Conventional technology 1 Conventionally, methods for generating optical pulses include: ■ Methods using laser mode-locking technology or Q-switch technology, methods in which waves whose zero frequency changes over time are passed through a dispersive medium, etc. was the main thing.
■のレーザーのモード同期技術について説明すると、ま
ずレーザー共振器内部にＦＭもしくはＡＭ変調器を挿入
し、共振器の往復伝搬時間で決定される繰り返し周波数
でレーザー電場を変調する。この結果、レーザーの発振
周波数の縦モードが互いに引き込みを起こし、各モード
が一定の位相関係をもって発振する。この結果、レーザ
ー媒質の帯域で決定されるパルス幅をもつパルスが発生
できる。To explain the laser mode-locking technique (2), first, an FM or AM modulator is inserted inside a laser resonator, and the laser electric field is modulated at a repetition frequency determined by the round-trip propagation time of the resonator. As a result, the longitudinal modes of the laser's oscillation frequency are attracted to each other, and each mode oscillates with a certain phase relationship. As a result, a pulse with a pulse width determined by the band of the laser medium can be generated.
この方法は今日においてもレーザー技術の最も重要なも
のであり、ＹへＧレーザーにおいては繰り返し周波数１
００Ｍ）１．で１００ｐｓ（１００ｘ １０−１２秒）
程度、色素レーザーでは繰り返し周波数５０〜２００Ｍ
１＋ｚで０．１−１ｐｓ程度のパルスを発生できる。レ
ーザーのモード同期の理論に関しては、Ａ、Ｙａｒｉｖ
著゛光エレクトロニクスの基礎°°丸善株式会社（多田
邦雄、神谷武志共訳）６．６章（Ｐ、１２０〜１３７）
もしくは霜田光−著“量子エレクトロニクス上巻°゛裳
華房、第２章（Ｐ、１６６〜１９９）に説明されている
。This method is still the most important in laser technology today, and in Y to G lasers, the repetition frequency is 1.
00M)1. at 100ps (100x 10-12 seconds)
For dye lasers, the repetition frequency is 50 to 200M.
A pulse of about 0.1-1 ps can be generated at 1+z. Regarding the theory of laser mode-locking, see Yariv A.
Author: Fundamentals of Optoelectronics °° Maruzen Co., Ltd. (co-translated by Kunio Tada and Takeshi Kamiya) Chapter 6.6 (P, 120-137)
Or, it is explained in "Quantum Electronics Vol. 1" by Hikaru Shimoda, Shokabo, Chapter 2 (P, 166-199).
また、色素レーザーにおける光パルスの最近の報告とし
ては、
Ｍ、Ｎａｋａｚａｗａ、 Ｔ、Ｎａｋａｓｈｉｍａ、
Ｈ，Ｋｕｂｏｔａ、 ａｎｄＳ、５ｅｉｋａｉ“６５
−ｆｅｍｔｏ ５ｅｃｏｎｄ ｐｕｌｓｅ ｇｅｎｅｒ
ａｔｉｏｎｆｒｏｍ ａ ５ｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ
ｐｕｍｐｅｄ ｄｙｅ ｌａｓｅｒｗｉｔｈｏｕｔ
ａ ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ−ｐｕｌｓｅ ｍｏｄｅ−
１ｏｃｋｉｎｇｔｅｃｈｎｉｑｕｅ”米国０ｐｔｉｃｓ
Ｌｅｔｔｅｒｓ ｖｏｌ、１２．Ｎｏ、９Ｐ、６８１
〜８８３ （１９８７）がある。Also, recent reports on optical pulses in dye lasers include M, Nakazawa, T, Nakashima,
H, Kubota, and S, 5eikai “65
-femto 5econd pulse generator
ation from a 5ynchronously
pumped dye laserwithout
a colliding-pulse mode-
1ockingtechnique”USA0ptics
Letters vol, 12. No, 9P, 681
~883 (1987).
モード同期技術は短パルスを発生させる方法としては大
変有効であり、大抵の場合にこの方法に依存していると
いってよい。しかし、高速繰り返しにはおのずと制限が
でてくる。これは、共振器の光の往復時間を用いている
ためてあり（共振器長をし、光速をＣとすると往復時間
ＴはＴ＝２Ｌ／Ｃとなる）、Ｌ＝１ｍとすると、１５０
ＭＩＩｚの繰り返し周波数となる。これ以上に繰り返し
周波数を増大させるためには、共振器長りを短くする必
要があるか、共振器長が短い半導体レーザーを用いたと
しても、３０ＧＨｚ −１００ＧＨｚ程度が限界である
。Mode-locking technology is a very effective method for generating short pulses, and it can be said that most applications rely on this method. However, there are limits to high-speed repetition. This is because the round trip time of light in the resonator is used (if the resonator length is the length of the resonator and the speed of light is C, the round trip time T is T = 2L/C), and if L = 1 m, then 150
This is the repetition frequency of MIIz. In order to increase the repetition frequency beyond this, it is necessary to shorten the resonator length, or even if a semiconductor laser with a short resonator length is used, the limit is about 30 GHz to 100 GHz.
また、Ｑスイッチ法は共振器長とは無関係であるか、反
転分布の０Ｎ−ＯＦＦを用いるため、高出力パルスは得
られるものの、その繰り返し周波数は１００ＫＨｚ程度
が限界である。しかもまた、この方法ではレーザーの縦
モードを制御しないため、パルス幅も数１０ｎｓ〜μＳ
と大きい。Furthermore, since the Q-switch method is independent of the resonator length or uses ON-OFF with population inversion, although high output pulses can be obtained, the repetition frequency is limited to about 100 KHz. Moreover, since this method does not control the longitudinal mode of the laser, the pulse width can range from several tens of ns to μS.
It's big.
以上に述べてきたモード周期法およびＱスイッチ法の構
成例を第７図および第８図に、それぞれ、示す。ここで
、１および１′はレーザーミラー、２はレーザー媒質で
ある。第７図において、３はＡ１４もしくはＦＭのモー
ト同期素子（モートロッカー）であって、超音波光偏向
器で構成できる。第８図において、４はＱスイッチ素子
であり、やはり光偏向器を用いて構成でき、これにより
レーザー共振器のＱ値を制御する。Configuration examples of the mode periodic method and the Q-switch method described above are shown in FIGS. 7 and 8, respectively. Here, 1 and 1' are laser mirrors, and 2 is a laser medium. In FIG. 7, reference numeral 3 denotes an A14 or FM moat synchronization element (mortocker), which can be constructed from an ultrasonic optical deflector. In FIG. 8, reference numeral 4 denotes a Q-switch element, which can also be configured using an optical deflector, thereby controlling the Q value of the laser resonator.
次に、■の方法を電気光学効果を用いて実現する方法を
第９図に示し、同しく光ファイバと回折格子対を用いて
実現する方法を第１０図に示す。第９図においては、単
一周波数の連続波を入力波どして用意し、その人力波を
ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ３等の周波数および位相変調
が可能な光変調器５に通すことにより、その人力波の周
波数が時間的に変化した波に変化させる。その波を分散
性媒質６に通過させることにより、パルス波を得ること
ができる。この方法では任意の繰り返し周波数のパルス
を形成できる利点があるが、変調器の応答速度が電気的
要因から１００ＧＨｚ程度となってしまうため、それ以
上の高速性は望めない。Next, FIG. 9 shows a method for implementing the method (2) using the electro-optic effect, and FIG. 10 shows a method for implementing the method using an optical fiber and a pair of diffraction gratings. In FIG. 9, a continuous wave of a single frequency is prepared as an input wave, and the human-powered wave is passed through an optical modulator 5 made of LiNbO3, LiTaO3, etc. capable of frequency and phase modulation. Change the frequency to a wave whose frequency changes over time. By passing the wave through the dispersive medium 6, a pulse wave can be obtained. Although this method has the advantage of being able to form pulses with any repetition frequency, the response speed of the modulator is approximately 100 GHz due to electrical factors, and higher speeds cannot be expected.
第１Ｏ図の方法は、最近ｌＯフェムト秒（１０×１ｏ−
１ｓ秒）程度のパルスを発生させる方法とじて有望視さ
れている。まず、高出力であり、かつパルス幅か比較的
大きい人力パルスを光ファイバ７に入射させる。この光
ファイハフ中の非線形効果の１つである自己位相変調効
果と群速度分散により、正にチャーブしたパルスを作り
出す。そのパルスを第９図の方法と同様の分散性媒質６
（この場合には２枚の回折格子６ａとδｂを平行に向い
合わせて配置した装置）を通過させることにより、超短
パルス化が可能となる。しかし、この方法においても、
繰り返し周波数をＩＧＨｚ以上にすることは、人力パル
スがモード同期パルスであるため難しい。The method of Fig.
This method is considered promising as a method for generating pulses of about 1 s seconds. First, a human pulse with high output and a relatively large pulse width is made to enter the optical fiber 7. The self-phase modulation effect and group velocity dispersion, which are one of the nonlinear effects in this optical fiber huff, produce a positively chirped pulse. The pulse is transferred to a dispersive medium 6 similar to the method shown in FIG.
(In this case, a device in which two diffraction gratings 6a and δb are arranged facing each other in parallel) allows ultrashort pulses to be generated. However, even with this method,
It is difficult to increase the repetition frequency to IGHz or higher because the manual pulse is a mode-locked pulse.
従来技術としては、前述した方法以外に、非線形性を用
いる方法として、光ソリトン発生法および共振器を有し
ない変調不安定性法がある。光ソリトンは光フアイバ中
での自己位相変調効果と負の群速度分散とが釣り合うこ
とによって発生し、ｌｐｓ以下のパルスを比較的高い繰
り返し周波数で発生できる。変調不安定性（Ｍｏｄｕｌ
ａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ 、以下ではＭ
Ｔと略す）は、高出力の連続波を負の群速度分散に入射
すると僅かな雑音が周期性をもってパルス化する現象で
あり、高繰り返し周波数のパルスを発生できる。いずれ
もＢｅ１ｌ研究所のＡ、Ｈａｓｅｇａｗａによって提案
されている。しかし、旧についてはパルス化するものの
、実験的にはその変調度が浅いため、パルスとは言いが
たいところがある。In addition to the methods described above, conventional techniques include an optical soliton generation method and a modulation instability method without a resonator, which use nonlinearity. Optical solitons are generated by a balance between self-phase modulation effects and negative group velocity dispersion in optical fibers, and pulses of less than lps can be generated at a relatively high repetition frequency. Modulation instability (Modul
ationalInstability, hereafter M
(abbreviated as T) is a phenomenon in which a small amount of noise becomes pulses with periodicity when a high-output continuous wave is input into a negative group velocity dispersion, and pulses with a high repetition frequency can be generated. All of these have been proposed by A. Hasegawa of the Bel Institute. However, although the old method produces pulses, experimentally the modulation depth is shallow, so it is difficult to call it a pulse.
［発明が解決しようとする課題］
以上概観してきたように、これまでに数多くの光パルス
発生法があるものの、１ＴＨｚ（１０１２ｔｌｚ）の繰
り返し周波数をもつ光パルスを発生できる光パルス装置
は実現していなかった。[Problems to be solved by the invention] As outlined above, although there are many optical pulse generation methods to date, an optical pulse device that can generate optical pulses with a repetition frequency of 1 THz (1012 tlz) has not been realized. There wasn't.
そこで本発明の目的は、以上述べてきた光パルス列の高
繰り返し特性の上限をいっきょに１００倍程度高めて、
超高速のパルス列を発生させる方法および装置を提供す
ることにある。Therefore, the purpose of the present invention is to increase the upper limit of the high repetition characteristics of the optical pulse train described above by about 100 times,
An object of the present invention is to provide a method and apparatus for generating an ultrahigh-speed pulse train.
［課題を解決するための手段］
このような目的を達成するために、本発明方法は、自己
位相変調効果を誘起できる分散性媒質により光共振器を
構成し、光共振器に高出力の比較的パルス幅の広い光パ
ルスを入射せしめ、その光パルスの光共振器内での伝搬
時間を光パルスの繰り返し周期の整数倍に同期させるこ
とにより、分散性媒質中の変調不安定性により光パルス
を繰り返し周波数か数Ｔｌ＋□の超高速パルス列に変換
し、さらに光共振器の正帰還効果により超高速繰り返し
パルス列を周期として、光パルス発振を行なうことを特
徴とする。[Means for Solving the Problem] In order to achieve such an object, the method of the present invention configures an optical resonator with a dispersive medium that can induce a self-phase modulation effect, and provides a high-output comparison to the optical resonator. By injecting an optical pulse with a wide target pulse width and synchronizing the propagation time of the optical pulse within the optical resonator to an integral multiple of the repetition period of the optical pulse, the optical pulse can be reduced by modulation instability in the dispersive medium. It is characterized in that it converts into an ultra-high-speed pulse train with a repetition frequency of several Tl+□, and further performs optical pulse oscillation with the ultra-high-speed repetition pulse train as a period due to the positive feedback effect of the optical resonator.
本発明方法の他の形態は、光パルスの代りに高出力の連
続光を用い、連続光と変調不安定性の周波数たけ周波数
シフトした第２の連続光とを同時に光共振器に入射させ
、その入射光の光共振器内での伝搬時間を変調不安定性
によって生ずる光パルス列の周期の整数倍に同期させる
ことにより、光共振器内に定常的に超高速光パルス列を
発生させることを特徴とする。Another form of the method of the present invention uses a high-power continuous light instead of a light pulse, and simultaneously makes the continuous light and a second continuous light whose frequency is shifted by the frequency of the modulation instability enter an optical resonator. It is characterized by constantly generating an ultrahigh-speed optical pulse train within the optical resonator by synchronizing the propagation time of the incident light within the optical resonator to an integral multiple of the period of the optical pulse train caused by modulation instability. .
本発明装置は、高出力の比較的パルス幅の広い光パルス
を発生する励起光源と、自己位相変調効果を誘起できる
分散性媒質により構成した光共振器と、励起光源からの
光パルスを光共振器に入射させると共に、光共振器から
光パルス列を出力する手段と、光共振器の途中に配置さ
れ、光共振器の共振器長を可変となし、それにより、光
パルスの光共振器内での伝搬時間を光パルスの繰り返し
周期の整数倍に同期させる手段とを具え、分散性媒質中
の変調不安定性により光パルスを繰り返し周波数が数Ｔ
ｌ＋□の超高速パルス列に変換し、さらに光共振器の正
帰還効果により超高速繰り返しパルス列を周期として、
光パルス発振を行なうようにしたことを特徴とする。The device of the present invention consists of an excitation light source that generates a high-output optical pulse with a relatively wide pulse width, an optical resonator made of a dispersive medium capable of inducing a self-phase modulation effect, and an optical resonator that emits the optical pulses from the excitation light source. A means for inputting the optical pulse train into the optical resonator and outputting the optical pulse train from the optical resonator. means for synchronizing the propagation time of the optical pulse to an integer multiple of the repetition period of the optical pulse, and the repetition frequency of the optical pulse is several T due to modulation instability in the dispersive medium.
It is converted into an ultra-high-speed pulse train of l+□, and further, due to the positive feedback effect of the optical resonator, the period is set to an ultra-high-speed repetitive pulse train,
It is characterized in that it performs optical pulse oscillation.
本発明装置の他の形態は、高出力の第１の連続光を発生
する第１光源と、自己位相変調効果を誘起できる分散性
媒質により構成した光共振器と、分散性媒質中の変調不
安定性の周波数だけ周波数シフトさせた第２の連続光を
発生する第２光源と、第１および第２の連続光を合成す
る手段と、その合成された出力光を光共振器に入射させ
ると共に、光共振器から光パルス列を出力する手段と、
光共振器の途中に配置され、光共振器の共振器長を可変
となし、それにより、合成された出力光の光共振器内で
の伝搬時間を変調不安定性によって生ずる光パルス列の
周期の整数倍に同期させる手段とを具え、光共振器より
超高速光パルス列を発生させるようにしたことを特徴と
する。Another form of the device of the present invention includes a first light source that generates a high-output first continuous light, an optical resonator made of a dispersive medium that can induce a self-phase modulation effect, and an optical resonator that is unstable in modulation in the dispersive medium. a second light source that generates a second continuous light whose frequency is shifted by a fixed frequency; a means for combining the first and second continuous light; and inputting the combined output light into an optical resonator; means for outputting an optical pulse train from the optical resonator;
It is placed in the middle of the optical resonator, and the resonator length of the optical resonator is made variable, thereby making the propagation time of the combined output light within the optical resonator an integer of the period of the optical pulse train caused by modulation instability. The present invention is characterized in that it includes a means for synchronizing twice as much, and is configured to generate an ultrahigh-speed optical pulse train from an optical resonator.
［作 用］
本発明では、分散性媒質中の非線形波動の伝搬の際、発
生する変調不安定性を光共振器の中で実現し、その利得
によりＴＨｚ領域でのパルス列を発振させる。従来のモ
ート同期法、Ｑスイッチ法、および光変調器による方法
とは、分散性媒質中の非線形性を用いる点が異なり、こ
の結果、従来不可能であったＴＨｚ繰り返しのパルス列
を発生させることができる。[Function] In the present invention, modulation instability that occurs during propagation of nonlinear waves in a dispersive medium is realized in an optical resonator, and a pulse train in the THz region is oscillated by its gain. This method differs from the conventional mote synchronization method, Q-switch method, and optical modulator method in that it uses nonlinearity in a dispersive medium, and as a result, it is possible to generate a THz repetitive pulse train, which was previously impossible. can.
本発明では、従来技術としての非線形効果によるパルス
発生にあたって、光共振器内での正帰還効果を利用する
ことにより、光共振器内に定常的なパルスを誘起させる
ことにより、１００％近い変調度をもつ変調、すなわち
完全な超高速光パルス列を作り出す。この光共振器を利
用した非線形波動の発振現象は、光パルスの発生ばかり
でなく、プラズマ、および流体等においても実現可能で
あり、幅広い各種パルス発生に適用できる。In the present invention, when generating pulses by nonlinear effects as in the conventional technology, by inducing a steady pulse in the optical resonator by utilizing the positive feedback effect within the optical resonator, the modulation degree is close to 100%. modulation, that is, creating a complete ultrafast optical pulse train. This nonlinear wave oscillation phenomenon using an optical resonator can be realized not only in the generation of optical pulses, but also in plasma, fluid, etc., and can be applied to a wide variety of pulse generation.
［実施例］
以下に、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。[Examples] Examples of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第１図は本発明の第一の実施例を示す構成図であって、
ここで、７は非線形効果の一つである自己位相変調効果
を誘起できる分散性媒質、たとえば１．２ μｍ、１．
３ μｍおよび１ 、５ ｕ ｍ −！ｌＦ！−’ｆ分
散をもつ単一モード光ファイバによる光フアイバ共振器
、８は励起光源、たとえば、高出力半導体レーザー １
．３ μｍ帯ＹＡＧ レーザーもしくはＫＣゼＮａＣｊ
２結晶を用いたカラーセンターレーザーによる光源であ
る。９は光フアイバ共振器７から励起光源８への反射を
取り除く光アイソレーターである。１０は偏波依存性の
ある半透過鏡であり、１１および１１’ は光フアイバ
共振器７へのビーム結合用レンズである。１２は光フア
イバ共振器７の共振器長を可変し、この光共振器７内の
光の伝搬時間を励起光源８からの励起光の繰り返しに正
確に一致させるために調整を行う可動形のコーナーキュ
ーブである。１３は光フアイバ共振器７の出射端におけ
る楕円偏光を直線偏光にし、かつ偏光方向を任意の方向
に制御できる偏光制御素子てあり、励起光の波長に対し
て属波長板と％波長板とから成る。FIG. 1 is a configuration diagram showing a first embodiment of the present invention,
Here, 7 is a dispersive medium capable of inducing a self-phase modulation effect, which is one of the nonlinear effects, for example, 1.2 μm, 1.
3 μm and 1,5 μm −! lF! An optical fiber resonator made of a single mode optical fiber with -'f dispersion; 8 is a pumping light source, such as a high-power semiconductor laser; 1
．． 3 μm band YAG laser or KCze NaCj
This is a light source using a color center laser using two crystals. 9 is an optical isolator that removes reflection from the optical fiber resonator 7 to the excitation light source 8. 10 is a polarization-dependent semi-transmissive mirror, and 11 and 11' are lenses for beam coupling to the optical fiber resonator 7. Reference numeral 12 denotes a movable corner that varies the resonator length of the optical fiber resonator 7 and adjusts the propagation time of light within the optical resonator 7 to accurately match the repetition of excitation light from the excitation light source 8. It's a cube. Reference numeral 13 denotes a polarization control element which converts the elliptically polarized light at the output end of the optical fiber resonator 7 into linearly polarized light and can control the polarization direction in any direction. Become.
この装置を動作させるには、励起光源８からの比較的幅
広の光パルスを、光アイソレータ９から半透過鏡ｌＯを
介し、さらに結合レンズ１１を経て、光フアイバ共振器
７に結合する。その光パルスが光フアイバ中を伝搬して
いくにつれて、パラメトリックな雑音から発生した変調
不安定性により、幅広の光パルスの上に非常に細いパル
ス列が形成され始める。To operate this device, a relatively wide light pulse from an excitation light source 8 is coupled from an optical isolator 9 through a semi-transmissive mirror 1O and then through a coupling lens 11 into an optical fiber resonator 7. As the light pulse propagates through the optical fiber, modulation instability caused by parametric noise begins to form a very narrow pulse train on top of the wide light pulse.
このようにして、変調の浅いリップルをもった光ファイ
バからの出力パルスは、コーナーキューブ１２および偏
波制御素子１３を経て半透過鏡ｌＯに入射する。ここで
、半透過鏡１０は偏波依存性を有するので、偏波制御素
子１３を回転させて、出力の一部分が透過するように設
定する。また、偏波制御素子１３からの出力が、半透過
鏡１０上において継続して入射している励起光パルスと
重なるように、コーナーキューブ１２を移動させて同期
をとる。なお、かかる出力は半透Ａ鏡ｌＯで反射されて
、取り出される。In this way, the output pulse from the optical fiber with shallow modulation ripples passes through the corner cube 12 and the polarization control element 13 and enters the semi-transmissive mirror IO. Here, since the semi-transmissive mirror 10 has polarization dependence, the polarization control element 13 is rotated so that a portion of the output is transmitted. Further, the corner cube 12 is moved and synchronized so that the output from the polarization control element 13 overlaps with the excitation light pulse that is continuously incident on the semi-transmissive mirror 10. Note that this output is reflected by the semi-transparent mirror IO and taken out.
このように設定すると、光フアイバ共振器７のループを
１回通過した後では、第２図（ａ） に示すような変調
の浅いリップル状のＭＩであったものが、何回も光共振
器のループを通過することにより増幅され、発振を開始
し、第２図（ｂ） に示すような定常的な発振状態の超
高速光パルス列となって取り出される。With this setting, after passing through the loop of the optical fiber resonator 7 once, the ripple-like MI with shallow modulation as shown in FIG. The light is amplified by passing through the loop, starts oscillation, and is extracted as an ultrafast optical pulse train in a steady oscillation state as shown in FIG. 2(b).
ここで、光ファイバとして非線形性が高い材料のものを
用いれば、低い励起入力で発振を開始するため、半導体
レーザー等の連続光源でも発振が可能となる。Here, if a material with high nonlinearity is used as the optical fiber, oscillation will start with a low excitation input, so oscillation will be possible even with a continuous light source such as a semiconductor laser.
変調不安定性（Ｍｌ）の利得をｇＭｔとすると、ｇＭｔ
は、
と表わすことができる。ここで、 ｋ″は光ファイ数、
ωは励起光（キャリア）周波数、Ｃは光速、ｎ２は非線
形屈折率、ＩＥ１２は人力電場のパワー密度である。最
大利得はｇＭｔ（Ω）をΩに関して微分することによっ
て得られ、その変調周波数Ω□□は
で与えられ、最大利得はｇ□８は
で与えられる。If the gain of modulation instability (Ml) is gMt, then gMt
can be expressed as . Here, k″ is the number of optical fibers,
ω is the excitation light (carrier) frequency, C is the speed of light, n2 is the nonlinear refractive index, and IE12 is the power density of the human electric field. The maximum gain is obtained by differentiating gMt(Ω) with respect to Ω, the modulation frequency Ω□□ is given by, and the maximum gain is given by g□8.
パルス幅１３ｐｓ。Pulse width 13ps.
ｘ １０−”ｃｍ２／ｗ（ μｍとすると、 例えばパルスｌ Ｅ、ｌ ２−Ｉｐ−２０Ｗ。x 10-”cm2/w ( If it is μm, For example, pulse lE, l2-Ip-20W.
有効断面積５ ｘ １０−’ｃｍ２、ｒ＋２−３．２シ
リカ系ガラス）、波長λ＝１．５５
ｇ ａ＋ａｘは２ Ｘ １０−’（１／ｌ１１） と
なり、長さ１００ｍの共振器の場合、１１０１ｏ （ｃ
”％１０８１００１１−８．７ｄ［ｌの利得を有する
ことになる。共振器が定常的な発振を開始するためには
、共振器内の損失をし、利得をｇ、ファイバ長をρとす
ると、Ｌｅ”” φ（ｒＬ、 ｌ ｒ、 Ｉ’＋１．
− １ （４）を
満たす必要がある。Effective cross-sectional area 5 x 10-' cm2, r+2-3.2 silica glass), wavelength λ = 1.55 g a+ax is 2 x 10-' (1/l11), and in the case of a resonator with a length of 100 m, 1101o (c
It has a gain of %10810011-8.7d[l.In order for the resonator to start steady oscillation, the loss within the resonator is reduced, the gain is g, and the fiber length is ρ. Le"" φ(rL, l r, I'+1.
- 1 (4) must be satisfied.
すなわち、振幅決定方程式として、
（−（：ｇ （ＩＥＩ２１ｊ −１（５）位相決定方程
式としては、
φ（Ω、 ＩＥＩ２）ｆ、＝２ｍπ（ｍ−１，２，３＝
・）（６）を得る。式（５）のｇ （ＩＥＩ’）は光パ
ルスの強度が増すと、飽和が発生して減少し、定常値Ｅ
ｓが決定される。一方、位相φは、強度ｌＥｓ１２の関
数として与えられる。That is, as the amplitude determining equation, (-(:g (IEI21j -1(5)) as the phase determining equation, φ(Ω, IEI2)f, = 2mπ(m-1, 2, 3 =
・) Obtain (6). As the intensity of the optical pulse increases, g (IEI') in equation (5) decreases due to saturation, and reaches the steady value E
s is determined. On the other hand, the phase φ is given as a function of the intensity lEs12.
実際に、カラーセンターレーザーを用いて実験を行った
ところ、上記の発振に成功した。ここで、光源としては
波長１．４８〜１．５５μｍで波長可変なカラーセンタ
ーレーザーであって、パルス幅は１３ｐｓ、繰り返し周
波数は１００ ＭＨｚ、ピーク出力は２０Ｗ程度のもの
を用いた。光ファイバとしては、１５２５μｍに７分散
をもつ分散シフトファイバを用いた。光ファイバ長はＬ
ｏｏｍとした。分散シフトしたファイバに対して群速度
分散が−ｌ〜−５ｐｓ／ｋｍ・ｎｍ程度になる波長に励
起波長を設定した。これは、式（２）から判るように、
ｋ″、すなわち群速度分散が小さい場合に、その平方根
に反比例して、発振の繰り返しが増すため、ｋ″を小さ
い領域で動作させるためである。When we actually conducted an experiment using a color center laser, we succeeded in achieving the above oscillation. Here, the light source used was a color center laser variable in wavelength from 1.48 to 1.55 μm, with a pulse width of 13 ps, a repetition frequency of 100 MHz, and a peak output of about 20 W. As the optical fiber, a dispersion shifted fiber having 7 dispersion at 1525 μm was used. Optical fiber length is L
It was ooom. The excitation wavelength was set to a wavelength at which the group velocity dispersion of the dispersion-shifted fiber was approximately −1 to −5 ps/km·nm. As can be seen from equation (2), this is
This is because when k'', that is, the group velocity dispersion, is small, the repetition of oscillation increases in inverse proportion to its square root, so k'' is operated in a small region.
励起波長を１．５４５μｍに設定した場合、得られた高
速パルス発振の自己相関波形を第３図に示す。第３図よ
り、非常に高速のパルス列が実現されており、その繰り
返し周波数は１．７８ＴＨｚ、パルス幅は約０．５６ｐ
ｓであることがわかる。FIG. 3 shows the autocorrelation waveform of the high-speed pulse oscillation obtained when the excitation wavelength was set to 1.545 μm. From Figure 3, a very high-speed pulse train has been realized, with a repetition frequency of 1.78 THz and a pulse width of approximately 0.56 p.
It turns out that s.
第４図は光ファイバ長を２５０ｍとした場合の励起人力
と発振出力との関係を示す。第４図より、閾値は１７．
５ｍＷ（平均）であり、ビークパワーに換算すると１３
．５Ｗとなる。FIG. 4 shows the relationship between pumping power and oscillation output when the optical fiber length is 250 m. From FIG. 4, the threshold value is 17.
5mW (average), converted to peak power 13
．． It becomes 5W.
また、励起波長を零分散波長より長波長側において変化
させると、任意の繰り返し周波数のパルス列を発生させ
ることができることになる。Furthermore, by changing the excitation wavelength on the longer wavelength side than the zero dispersion wavelength, it is possible to generate a pulse train with an arbitrary repetition frequency.
光源として光パルスを用いる代わりに、高出力連続光を
用いても高速パルス発振は可能となる。High-speed pulse oscillation is also possible by using high-power continuous light instead of using optical pulses as a light source.
その構成例を第５図に示す。ここで、第１図と異なる点
は、励起光源８として連続光光源を用い、ダイクロイッ
クミラー１４と第２の連続光の光源１５を追加した点で
ある。An example of its configuration is shown in FIG. Here, the difference from FIG. 1 is that a continuous light source is used as the excitation light source 8, and a dichroic mirror 14 and a second continuous light source 15 are added.
光パルスを用いる場合、光パルスの自己位相変調効果に
より雑音が形成され、発振の種となった。しかし、連続
光の場合、自己位相変調効果か発生しないため、あらか
じめ最初から旧か発生ずるようにストークスシフトした
変調波を共振器７に結合する必要がある。そのために、
信号光用光源１５からの光をダイクロイックミラー１４
を介して共振器７に導く。すなわち、光源８と光源１５
の差周波数Ωが式（２）で決定されるように、信号光用
光源１５の波長をあらかじめシフトする。次に、共振器
長の決定であるが、共振器内伝搬時間を発生するＭＩの
繰り返しの整数倍に設定する。このようにすると、励起
光と出力光との間に同期がかかり、定常的なパルス発振
が可能となる。その結果得られる光パルス列は第６図に
示すようになる。When using optical pulses, noise was formed due to the self-phase modulation effect of the optical pulses, which became the seed for oscillation. However, in the case of continuous light, since the self-phase modulation effect does not occur, it is necessary to couple a Stokes-shifted modulated wave to the resonator 7 from the beginning so as to generate the old signal. for that,
The light from the signal light source 15 is transferred to the dichroic mirror 14.
is guided to the resonator 7 via the . That is, light source 8 and light source 15
The wavelength of the signal light source 15 is shifted in advance so that the difference frequency Ω is determined by equation (2). Next, the resonator length is determined, and is set to an integral multiple of the MI repetition that generates the intra-resonator propagation time. In this way, the excitation light and the output light are synchronized, allowing steady pulse oscillation. The resulting optical pulse train is shown in FIG.
強度高速パルス列の形成も共振器を構成することによっ
て可能となる。Formation of intense high-speed pulse trains is also possible by constructing a resonator.
［発明の効果］
以上説明したように、本発明によれば、Ｍｌの効果を光
共振器内で誘起し、高繰り返し周波数のパルス発振を定
常的に発生できるのであるから、高々１〜ｌ０ＧＩ（ｚ
のパルス列の繰り返しである現状に対して、−挙にＴ）
Ｉｚの領域まで、１０２〜１０３倍はど高い繰り返し周
波数に高めることができる利点がある。したがって、本
発明は、超高速の大容量光通信を実現するための光パル
ス列を発生するのに有効である。しかもまた、本発明で
は、励起波長を適当に変えることにより、負の分散量を
変え、それにより、高速パルス列の繰り返し周波数を式
（２）に従って任意に変えることができる利点がある。[Effects of the Invention] As explained above, according to the present invention, the effect of Ml can be induced in the optical resonator and pulse oscillation with a high repetition frequency can be generated steadily. z
In contrast to the current situation where the pulse train is repeated, - especially T)
There is an advantage that the repetition frequency can be raised to a 102 to 103 times higher repetition frequency up to the Iz region. Therefore, the present invention is effective in generating optical pulse trains for realizing ultra-high-speed, large-capacity optical communication. Furthermore, the present invention has the advantage that by appropriately changing the excitation wavelength, the amount of negative dispersion can be changed, and thereby the repetition frequency of the high-speed pulse train can be arbitrarily changed according to equation (2).
さらにまた、本発明方法は、あらゆる分散性媒質中での
非線形波動に対して応用できるため、流体におけるパル
ス列およびプラズマ中における高Furthermore, since the method of the present invention can be applied to nonlinear waves in any dispersive medium, pulse trains in fluids and high
第１図は本発明装置の一実施例を示す構成図、
第２図（ａ）および（ｂ）は本発明の発振の状況を説明
する波形図、
第３図は本発明についての実験により観測された超高速
パルス列の発振波形図、
第４図は本発明が発振現象であることを示す出力特性図
、
第５図は本発明の第２の実施例を示す構成図、
第６図はその高速繰り返しパルス列発振の波形を示す波
形図、
第７図はＡＭもしくはＦＭモード同期用素子を挿入した
従来のモード同期レーザーの一例を示す構成図、
第８図はＱスイッチ素子を共振器内に挿入した従来のＱ
スイッチレーザーの一例を示す構成図、
第９図は光変調器を用いるパルス発生の従来例を示す構
成図、
第１Ｏ図は光ファイバと回折格子対を用いるパルス発生
の従来例を示す構成図である。
１４・・・ダイクロイックミラー
１５・・・信号光用光源。Fig. 1 is a configuration diagram showing an embodiment of the device of the present invention, Fig. 2 (a) and (b) are waveform diagrams explaining the oscillation situation of the present invention, and Fig. 3 is an observation obtained by experiment regarding the present invention. 4 is an output characteristic diagram showing that the present invention is an oscillation phenomenon, FIG. 5 is a configuration diagram showing the second embodiment of the present invention, and FIG. 6 is a diagram showing the configuration of the second embodiment of the present invention. A waveform diagram showing the waveform of high-speed repetitive pulse train oscillation, Figure 7 is a configuration diagram showing an example of a conventional mode-locked laser in which an AM or FM mode-locking element is inserted, and Figure 8 is a Q-switch element inserted into the resonator. The conventional Q
Fig. 9 is a block diagram showing an example of a switch laser; Fig. 9 is a block diagram showing a conventional example of pulse generation using an optical modulator; Fig. 1O is a block diagram showing a conventional example of pulse generation using an optical fiber and a pair of diffraction gratings. be. 14... Dichroic mirror 15... Light source for signal light.
Claims (1)
共振器を構成し、該光共振器に高出力の比較的パルス幅
の広い光パルスを入射せしめ、その光パルスの前記光共
振器内での伝搬時間を前記光パルスの繰り返し周期の整
数倍に同期させることにより、前記分散性媒質中の変調
不安定性により前記光パルスを繰り返し周波数が数ＴＨ
ｚの超高速パルス列に変換し、さらに前記光共振器の正
帰還効果により超高速繰り返しパルス列を周期として、
光パルス発振を行なうことを特徴とする光パルス列発生
法。 ２）請求項１記載の方法において、前記光パルスの代り
に高出力の連続光を用い、該連続光と前記変調不安定性
の周波数だけ周波数シフトした第２の連続光とを同時に
前記光共振器に入射させ、その入射光の当該光共振器内
での伝搬時間を前記変調不安定性によって生ずる光パル
ス列の周期の整数倍に同期させることにより、前記光共
振器内に定常的に超高速光パルス列を発生させることを
特徴とする光パルス列発生法。 ３）高出力の比較的パルス幅の広い光パルスを発生する
励起光源と、 自己位相変調効果を誘起できる分散性媒質により構成し
た光共振器と、 前記励起光源からの前記光パルスを前記光共振器に入射
させると共に、前記光共振器から光パルス列を出力する
手段と、 前記光共振器の途中に配置され、前記光共振器の共振器
長を可変となし、それにより、前記光パルスの前記光共
振器内での伝搬時間を前記光パルスの繰り返し周期の整
数倍に同期させる手段とを具え、前記分散性媒質中の変
調不安定性により前記光パルスを繰り返し周波数が数Ｔ
Ｈｚの超高速パルス列に変換し、さらに前記光共振器の
正帰還効果により超高速繰り返しパルス列を周期として
、光パルス発振を行なうようにしたことを特徴とする光
パルス列発生装置。 ４）高出力の第１の連続光を発生する第１光源と、 自己位相変調効果を誘起できる分散性媒質により構成し
た光共振器と、 前記分散性媒質中の変調不安定性の周波数だけ周波数シ
フトさせた第２の連続光を発生する第２光源と、 前記第１および第２の連続光を合成する手段と、 その合成された出力光を前記光共振器に入射させると共
に、前記光共振器から光パルス列を出力する手段と、 前記光共振器の途中に配置され、前記光共振器の共振器
長を可変となし、それにより、前記合成された出力光の
前記光共振器内での伝搬時間を前記変調不安定性によっ
て生ずる光パルス列の周期の整数倍に同期させる手段と を具え、前記光共振器より超高速光パルス列を発生させ
るようにしたことを特徴とする光パルス列発生装置。[Claims] 1) An optical resonator is constructed of a dispersive medium capable of inducing a self-phase modulation effect, and a high-output optical pulse with a relatively wide pulse width is made incident on the optical resonator. By synchronizing the propagation time within the optical resonator to an integral multiple of the repetition period of the optical pulse, the repetition frequency of the optical pulse is reduced to several TH due to modulation instability in the dispersive medium.
z into an ultra-high-speed pulse train, and further, by the positive feedback effect of the optical resonator, the period is set to an ultra-high-speed repetitive pulse train,
An optical pulse train generation method characterized by performing optical pulse oscillation. 2) The method according to claim 1, wherein a high-power continuous light is used instead of the optical pulse, and the continuous light and a second continuous light whose frequency has been shifted by the frequency of the modulation instability are simultaneously transmitted to the optical resonator. By synchronizing the propagation time of the incident light within the optical resonator to an integer multiple of the period of the optical pulse train caused by the modulation instability, an ultrafast optical pulse train is constantly generated within the optical resonator. An optical pulse train generation method characterized by generating. 3) an excitation light source that generates a high-power optical pulse with a relatively wide pulse width; an optical resonator configured with a dispersive medium capable of inducing a self-phase modulation effect; a means for outputting an optical pulse train from the optical resonator and making the resonator length of the optical resonator variable; means for synchronizing the propagation time within the optical resonator to an integer multiple of the repetition period of the optical pulse, the repetition frequency of the optical pulse being several T due to modulation instability in the dispersive medium.
An optical pulse train generator characterized in that the optical pulse train is converted into an ultra-high-speed pulse train of Hz, and further oscillates with the ultra-high-speed repetitive pulse train as a period due to the positive feedback effect of the optical resonator. 4) a first light source that generates a first continuous light of high output; an optical resonator configured with a dispersive medium capable of inducing a self-phase modulation effect; and a frequency shifted by the frequency of modulation instability in the dispersive medium. a second light source that generates second continuous light; a means for combining the first and second continuous light; and a means for inputting the combined output light into the optical resonator; means for outputting an optical pulse train from the optical resonator, the resonator length of the optical resonator being variable, and thereby controlling the propagation of the combined output light within the optical resonator; and means for synchronizing time to an integer multiple of the period of the optical pulse train caused by the modulation instability, and generating an ultrahigh-speed optical pulse train from the optical resonator.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18021088A JPH0754389B2 (en) | 1988-07-21 | 1988-07-21 | Optical pulse train generation method and device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18021088A JPH0754389B2 (en) | 1988-07-21 | 1988-07-21 | Optical pulse train generation method and device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0232323A true JPH0232323A (en) | 1990-02-02 |
| JPH0754389B2 JPH0754389B2 (en) | 1995-06-07 |
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|---|---|---|---|
| JP18021088A Expired - Fee Related JPH0754389B2 (en) | 1988-07-21 | 1988-07-21 | Optical pulse train generation method and device |
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|---|---|
| JP (1) | JPH0754389B2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6879605B2 (en) | 2000-07-24 | 2005-04-12 | Laserfront Technologies, Inc. | Method and apparatus for performing pattern defect repair using Q-switched mode-locked pulse laser |
-
1988
- 1988-07-21 JP JP18021088A patent/JPH0754389B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6879605B2 (en) | 2000-07-24 | 2005-04-12 | Laserfront Technologies, Inc. | Method and apparatus for performing pattern defect repair using Q-switched mode-locked pulse laser |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0754389B2 (en) | 1995-06-07 |
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