自己位相変調

自己位相変調（SPM）詳解

自己位相変調（Self Phase Modulation、SPM）とは、光パルスのスペクトルを広げる非線形光学現象です。光パルスの強度分布によって屈折率が変化し、位相のずれが生じることで、スペクトルが変化します。特に、異常分散ファイバー中では、SPMによってパルス幅が短縮されるという、群速度分散とは逆の効果が現れます。これは、SPMによって広げられたスペクトルがフーリエ変換され、時間幅が短縮されるためです。

自己位相変調の原理

単峰形の光パルスを考えます。媒質の非線形屈折率により、パルスのピーク強度と裾部の強度で屈折率が異なります。この違いによって、パルスの位相の進み具合に差が生じます。この、パルスの強度変化に比例した位相変化こそが、自己位相変調です。位相の時間微分が周波数であるため、SPMは周波数変化を引き起こします。

媒質の非線形屈折率が正の場合、パルスの前半では位相が遅れ、周波数は低くなる（レッドシフト）傾向を示します。逆にパルスの後半では位相が進み、周波数は高くなる（ブルーシフト）傾向を示します。このように、パルス内で周波数が変化する現象を「チャーピング」と呼び、非線形屈折率が正の場合を「正のチャープ」と言います。 このチャープは、パルスの時間幅とスペクトル幅のトレードオフ関係を示し、パルス圧縮技術の基礎となります。

自己位相変調の用途

SPMは、主に以下の用途で利用されます。

超短パルスの生成: SPMは、パルスを短くするための重要なメカニズムです。適切な条件下でSPMを制御することで、極めて短い光パルスを生成することができます。
光パルスの波形整形: SPMによって生じる周波数変調を利用することで、光パルスの波形を整形することができます。例えば、チャープパルスを生成し、それを圧縮することで、より短いパルスを得ることが可能です。

光ファイバー伝播と自己位相変調

光ファイバーのコア直径（モードフィールド径：MFD）は非常に小さく設計されています。これは、断面積あたりの光エネルギー密度を高めるためです。光ファイバー内を伝播するパルスは、特に長距離伝播の場合、高エネルギー密度となるため、SPMなどの非線形効果が無視できなくなります。長距離伝送においては、SPMによる波形歪みを補償するための技術が重要になります。

まとめ

自己位相変調は、光パルスの時間領域と周波数領域の特性を変化させる重要な非線形光学現象です。その性質を利用した超短パルス生成技術や波形整形技術は、現代の光科学技術において不可欠な役割を担っています。また、光ファイバー通信においても、SPMは考慮すべき重要な非線形効果の一つであり、その理解と制御は、高性能な光通信システムの実現に不可欠です。

参考文献

山内薫, 五神真(2010)「先端光科学入門」強光子場科学研究懇親会　第11章　フェムト秒ファイバレーザ
「光学技術の事典」(2014)朝倉書店

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