JP2004152932A - 光パルスのタイミングジッター低減方法および装置 - Google Patents
光パルスのタイミングジッター低減方法および装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】レーザーの光パルス列のタイミングジッターを低減する光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置を提供する。
【解決手段】光路に光ファイバを用いたマッハ・ツェンダー型干渉計において、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記光パルス列のパルス周期の整数倍になるように設定し、当該マッハ・ツェンダー型干渉計に、レーザーから出力される光パルス列を入射し、干渉計から出射する光パルス列において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターを相殺する。
【選択図】 図１
【解決手段】光路に光ファイバを用いたマッハ・ツェンダー型干渉計において、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記光パルス列のパルス周期の整数倍になるように設定し、当該マッハ・ツェンダー型干渉計に、レーザーから出力される光パルス列を入射し、干渉計から出射する光パルス列において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターを相殺する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーの光パルス列のタイミングジッターを低減する光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光時分割多重（ＯＴＤＭ）伝送方式などを用いた高ビットレートの光ファイバ通信や、光サンプリング計測の技術分野など、高頻度で繰り返す超短パルスのパルス列を利用する通信技術の分野では、光パルス列のタイミングジッターの小さい安定な半導体レーザー光源が必要とされる。
【０００３】
光時分割多重（ＯＴＤＭ）伝送方式を用いる光ファイバ通信や光サンプリング計測などの応用分野においては、高頻度の繰り返し光パルス信号を安定して正確に発生させる技術は重要な技術課題である。これらの応用分野では、パルスの持続時間だけでなく、パルスのタイミングジッターに対して厳しい条件が課せられる。例えば、光時分割多重伝送方式でデータ通信を行う場合には、符号誤り率を１０−１２以下に抑えるため、タイミングジッターをビットレートの１／１４．１以下に抑える必要がある。これは、伝送速度１６０Ｇｂｉｔ／ｓのシステムにおいて４４３ｆｓ（フェムト秒）のジッターに相当する。
【０００４】
モード同期半導体レーザーは、小型で、低消費電力であり、他の半導体素子との集積化が可能である、などの特徴を有するため、上述した応用分野における有望な光源として期待されている。しかしながら、他のレーザー、例えば、モード同期ファイバレーザーなどと比較すると、共振器の体積が小さいため、自然放出光雑音の影響が大きく、タイミングジッターが比較的大きい。
【０００５】
モード同期半導体レーザーのタイミングジッターを抑圧するため、従来においては、▲１▼電気光学位相同期ループを利用する方法、▲２▼外部共振器構造を利用する方法、▲３▼サブハーモニック光注入を利用する方法、▲４▼光帰還を利用する方法、など種々の方法が提案されている。
【０００６】
▲１▼電気光学位相同期ループを利用する方法は、光パルスと基準電気信号の位相差を比較・検出し、半導体レーザーを電気的に負帰還制御してジッターを低減する方法である（非特許文献１を参照）。▲２▼外部共振器構造を利用する方法は、半導体レーザーの外部に鏡や回折格子を配置して、共振器の体積を増大することにより、自然放出光雑音の影響を低減する方法である（非特許文献２を参照）。▲３▼サブハーモニック光注入を利用する方法は、別の安定なパルスレーザー光源を用意し、その出力光を半導体レーザーに注入して同期を引き起こし、ジッターを低減する方法である（非特許文献３を参照）。また、▲４▼光帰還を利用する方法は、出力光パルスの一部を半導体レーザー自身に帰還し、干渉によりジッターを低減する方法である（非特許文献４を参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｌ． Ａ． Ｂｕｃｋｍａｎ， Ｊ． Ｂ． Ｇｅｏｒｇｅｓ， Ｊ． Ｐａｒｋ， Ｄ． Ｖａｓｓｉｌｏｖｓｋｉ， Ｊ． Ｍ． Ｋａｈｎ， ａｎｄ Ｋ． Ｙ． Ｌａｕ， ”Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｆｒｏｍ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ”， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， ５， １１３７ （１９９３）．
【非特許文献２】
Ｄ． Ｊ． Ｄｅｒｉｃｋｓｏｎ， Ｐ． Ａ． Ｍｏｒｔｏｎ， Ｊ． Ｅ． Ｂｏｗｅｒｓ， ａｎｄ Ｒ． Ｌ． Ｔｈｏｒｎｔｏｎ， ”Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｉｍｉｎｇ ｉｔｔｅｒ ｉｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｎｄ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｃａｖｉｔｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ５９， ３３７２ （１９９１）．；Ｌ． Ａ． Ｊｉａｎｇ， Ｍ． Ｅ． Ｇｒｅｉｎ， Ｅ． Ｐ． Ｉｐｐｅｎ， Ｃ． ＭｃＮｅｉｌａｇｅ， Ｊ． Ｓｅａｒｌｓ， ａｎｄ Ｈ． Ｙｏｋｏｙａｍａ， ”Ｑｕａｎｔｕｍ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ”， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， ２７， ４９ （２００２）．
【非特許文献３】
▲３▼ ９． Ｘ． Ｗａｎｇ， Ｈ． Ｙｏｋｏｙａｍａ， ａｎｄ Ｔ． Ｓｈｉｍｉｚｕ， ”Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ”， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， ８， ６１７ （１９９６）．；Ｓ． Ａｒａｈｉｒａ， Ｓ． Ｋｕｔｓｕｚａｗａ， ａｎｄ Ｙ． Ｏｇａｗａ， ”Ｅｘｔｒｅｍｅ ｔｉｍｉｎｇ ｊｉｔｔｅｒ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ”， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，３５， １８０５ （１９９９）．；Ｙ． Ｊ． Ｗｅｎ， Ｄ． Ｎｏｖａｋ， ａｎｄ Ｈ． Ｆ． Ｌｉｕ， ”Ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｏｆ ｌｏｎｇ ｃａｖｉｔｙ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ａｔ ｍｉｌｌｉｍｅｔｒｅ ｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｂｙ ｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ”， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ３６， ８７９ （２０００）．
【非特許文献４】
Ｐ． Ｌａｎｇｌｏｉｓ． Ｄ． Ｇａｙ， Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ， ａｎｄ Ｍ． Ｐｉｃｈｅ， ”Ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ｂｙ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ ｓｅｅｄｉｎｇ”， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， ２３， １１４ （１９９８）．；Ｌ． Ａ． Ｊｉａｎｇ， Ｋ． Ｓ． Ａｂｅｄｉｎ， Ｍ． Ｅ． Ｇｒｅｉｎ， ａｎｄ Ｅ． Ｐ． Ｉｐｐｅｎ，”Ｔｉｍｉｎｇ ｊｉｔｔｅｒ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｐｈｏｔｏｎｓｅｅｄｉｎｇ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ８０， １７０７ （２００２）．
【非特許文献５】
Ｄ． ｖｏｎ ｄｅｒ Ｌｉｎｄｅ， ”Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｂ， ３９， ２０１ （１９８６）．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述した４つの方法は、いずれの方法を用いても、モード同期半導体レーザーのタイミングジッターを低減することが可能であるが、これらの方法を用いるには、いずれも半導体レーザに対して直接に電気的、光学的に作用させる仕組みが必要があるため、パッケージ化された半導体レーザー素子には適用が不可能である。また、適用するにはかなりの困難性である。
【０００９】
具体的に説明すると、▲１▼の電気光学位相同期ループを利用する方法では、電気的な制御を行うため、タイミングジッター低減の周波数帯域が周波数１ＭＨｚ程度以下に制限される。▲２▼の外部共振器構造を利用する方法では、レーザーの構造が変更されるため、光パルスの繰り返し周波数が低下し、装置が大型になる欠点がある。▲３▼のサブハーモニック光注入を利用する方法では、別の安定なパルス光源を用意する必要があり、装置が複雑となり、大型化する。▲４▼の光帰還を利用する方法については、装置が大型になり、干渉を利用するため、機械的振動などの影響を受けやすい。このような様々な問題点がある。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、例えば、モード同期半導体レーザーに対して電気的、光学的に作用することなく、レーザーの光パルス列のタイミングジッターを低減する光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するため、本発明の光パルスのタイミングジッター低減方法は、光路に光ファイバを用いたマッハ・ツェンダー型干渉計において、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記光パルス列のパルス周期の整数倍になるように設定し、当該マッハ・ツェンダー型干渉計に、レーザーから出力される光パルス列を入射し、干渉計から出射する光パルス列において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターを相殺することを特徴とする。
【００１２】
また、別の特徴による本発明の光パルスのタイミングジッター低減方法は、光路に光増幅器および遅延線を含む光ファイバリング干渉計において、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記光パルス列のパルス周期の整数倍になるように設定し、当該光ファイバリング干渉計にレーザーから出力される光パルス列を入射し、干渉計から出射する光パルス列において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターを相殺することを特徴とする。
【００１３】
このような方法を実施するための装置として、本発明による光パルスのタイミングジッター低減装置は、レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定された遅延線を挿入した第１光路と、前記第１光路を光が伝搬した際に減衰する減衰量に対応した減衰量を与える光減衰器を挿入した第２光路と、入射光を分配して前記第１の光路および第２の光路に導出する第１の方向性結合器と、前記第１光路から導出された光および前記第２光路から導出された光を合成して出射光とする第２の方向性結合器とを有することを特徴とする。また、本発明の光パルスのタイミングジッター低減装置は、上記のように構成した光パルスのタイミングジッター低減装置を単位装置として、これらの干渉計装置の複数個を多段に直列接続するような構成としてもよい。
【００１４】
また、別の特徴による本発明の光パルスのタイミングジッター低減装置は、レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定された遅延線および光増幅器を挿入したリング状の光ファイバ光路と、前記光ファイバ光路に結合されて、レーザー光を入射すると共に、出射光を導出する方向性結合器とを有することを特徴とする。本発明の光パルスのタイミングジッター低減装置は、上記のように構成した光パルスのタイミングジッター低減装置を単位装置として、これらの干渉計装置の複数個を多段に直列接続するような構成としてしてもよい。
【００１５】
本発明の光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置は、タイミングジッターが生ずることが比較的多いモード同期半導体レーザーの光パルスのパルス列に対して適用すると効果的にタイミングジッターを低減できる。
【００１６】
また、本発明による光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置の特徴を、別の言葉で表現すると、
（１）本発明による光パルスのタイミングジッター低減方法においては、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間が、レーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定した光ファイバによるマッハ・ツェンダー型干渉計を用いる。このように設定された干渉計に、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列を入射すると、光ファイバ干渉計の方向性結合器から出力される光パルス列は、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターが相殺される。
【００１７】
（２）本発明による光パルスタイミングジッター低減装置は、光路差に起因する光伝搬の遅延時間が前記レーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記入射パルスの周期の整数倍になるように設定された光ファイバ・マッハ・ツェンダー型干渉計であり、このように設定された干渉計に、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列を入射すると、干渉計の出力において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターが相殺される。
【００１８】
（３）また、本発明による光パルスのタイミングジッターの低減装置は、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつかつ前記遅延時間が前記入射パルスの周期の整数倍になるように設定された光ファイバ・マッハ・ツェンダー型干渉計の複数個を多段直列接続したものを用いる。このように多段直列接続された干渉計に、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列を入射すると、干渉計の出力において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターが相殺される。
【００１９】
（４）光パルスのタイミングジッター低減装置においては、光路差に起因する光伝搬の遅延時間が前記レーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定され、かつ光路内に光増幅器を含む光ファイバのリング型干渉計を用いる。このようなリング型干渉計に、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列を入射すると、このリング型干渉計の出力において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターが相殺される。
【００２０】
このように、本発明の光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置によれば、タイミングジッターの低減は、レーザーから出斜された光パルスに対して、レーザー自体とは独立して別に行うため、半導体レーザー自体には電気的あるいは光学的な作用が不要である。このため、レーザーの構造や駆動回路を変更することなく、タイミングジッターを効果的に低減することが可能となる。また、マッハ・ツェンダー型干渉計は、受動光学部品のみで構成することができるため、構成が極めて単純である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施する場合に形態について、図を用いて具体的に説明する。以下の説明では、動作原理および装置構成の説明と共に、繰り返し周波数１９．４４４ＧＨｚの光パルス列のタイミングジッターを、低減した実験結果について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例にかかるタイミングジッター低減装置の構成を示す図である。図１において、１は第１方向性結合器、２は第２方向性結合器、３は可変遅延線、４は可変光減衰器、５は第１光路、６は第２光路である。図１に示すタイミングジッター低減装置は、マッハ・ツェンダー型の干渉計を構成しており、第１方向性結合器１が、入射した光パルスを２つの光路（第１光路５，第２光路６）に分配して射出し、光路差による遅延時間および減衰量を与えて第２方向性結合器２により合成した光パルスを射出する。その場合に、遅延時間は、レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定する。また、減衰量は、２つの光路を通過した光パルスの強度が２つの光路の出口において等しくなるように減衰量を設定する。したがって、この場合には、第２光路６に可変光減衰器４を設けることなく、第１光路５において光増幅器を設けるような構成としてもよい。
【００２３】
このように構成されたタイミングジッター低減装置に対して、タイミングジッターのある光パルス列を入射すると、そのタイミングジッターが低減されて、タイミング精度のよい光パルス列となる。例えば、入射する光パルス列としては、モード度半導体レーザーから射出されるレーザーの光パルスを用いる。
【００２４】
レーザーの光パルスＰｉｎ（ｔ）が、光ファイバを介して第１方向性結合器１に入射されると、第１方向性結合器１は、入射光を分配して光ファイバの第１光路５および第２光路６に導出する。第１光路１には、可変遅延線３が挿入されており、前述したように、可変遅延線３による遅延時間が、レーザーから出力される光パルス列に対して、第１光路および第２光路の光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定されているので、この遅延時間の後、第１光路５に入射された光が射出されて、第２方向性結合器２に入る。また、第２光路６には、可変光減衰器４が挿入されており、可変減衰器４には、前述したように、光減衰量を第１光路に光が伝搬した際に減衰する減衰量に対応した減衰量が与えられており、その減衰量で減衰した後、第２光路６に入射された光が射出されて、第２方向性結合器２に入る。
【００２５】
これにより、２つの光路を通過した光パルスの強度が２つの光路の出口において等しくなり、光路差による遅延時間の後、第１光路５および第２光路６のそれぞれの出口から導出される。第２方向性結合器２が、第１光路５から導出された光パルスおよび第２光路６から導出された光パルスを合成して、射出光Ｐｏｕｔ（ｔ）とする。この射出光は、後述するように、タイミングジッターが低減されたものとなっている。
【００２６】
次に動作原理について説明する。図１に示すタイミングジッター低減装置は、光路差を与える長さの異なる２本の光ファイバが、その両端で方向性結合器により結合される構造を有するマッハ・ツェンダー型の干渉計となっている。したがって、光路差を生じさせるための２本の光ファイバの長さの差をΔＬとすれば、光路差による遅延時間はτ＝ｎ・ΔＬ／ｃで表される。ここで、ｎは光路とする光ファイバの屈折率であり、ｃは真空中の光速度である。遅延時間は干渉計に入射する光パルスのコヒーレンス時間に比べて、十分に長いものとする。
【００２７】
入射する光パルスの繰り返し周期をＴｒｅｐとすると、干渉計の第１光路５（光路ａ）に配置されている可変遅延線３の遅延時間は、入射パルスの周期Ｔｒｅｐの整数倍、すなわち、τ＝ｍ・Ｔｒｅｐとなるように調整する。第２光路６（光路ｂ）に配置されている可変光減衰器４を調整して、２つの光路（光路ａ及び光路、ｂ）を伝搬した光パルス列の強度が等しくなるようにする。
【００２８】
干渉計に入射する光パルス列の強度を次式（数式１）で表すことができる。
【数式１】
ここで、ｇ（ｔ）は個々のパルスの時間波形であり、δＴｋがタイミングの変位を表す。δＴｋがパルス周期に比べて小さい場合、Ｐｉｎ（ｔ）は１次までのテーラー展開で近似でき、さらに、δＴｋを連続関数ＴＪ（ｔ）で置き換えることによって、次式（数式２）が得られる。
【数式２】
ここで、Ｐ０（ｔ）はタイミングジッターのない理想的なパルス列を表すものとする。以上の導出は、前述した従来の文献（非特許文献５）の付録に記載されているので、ここでの詳細な説明は省略する。
【００２９】
マッハ・ツェンダー型干渉計の出力光強度は、２つの光路を伝搬する光パルス列の強度の和として表すことができるため、数式３のようになる。これは、遅延時間がパルスのコヒーレンス時間に比べて十分に長いために、電場の干渉が生じないためである。
【数式３】
上記した数式１と数式３を比較すると、干渉計を通過した光パルス列のタイミング変位Ｊｏｕｔ（ｔ）が、次式（数式４）で表されることがわかる。
【数式４】
ここで、Ｊ（ｔ）、Ｊｏｕｔ（ｔ）のフーリエ変換を、それぞれＪ（ω）、Ｊｏｕｔ（ω）で表せば、数式４は次式（数式５）のように変換される。
【数式５】
数式５をみると明らかなように、数式５は、出力パルスのタイミング変動が入射パルする変動よりも常に小さく、フーリエ周波数ｆが、ｆ＝ω／２π＝（ｍ−１／２）／τにおいて、変動が完全に相殺されることを示している。したがって、Ｊ（ｔ）、およびＪｏｕｔ（ｔ）のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）、ＳＪ ｏｕｔ（ｆ）を用いれば、雑音パワー抑圧度Ｒ（ｆ）は、次式（数式６）で表すことができる。
【数式６】
【００３０】
図２は、タイミングジッター低減の動作原理を説明する波形図である。前述したように、マッハ・ツェンダー型干渉計では、光路差のある２つの光路（光路ａおよび光路ｂ）を伝搬したパルスの強度波形Ｐｉｎ（ｔ−τ）／２、Ｐｉｎ（ｔ）／２が、方向性結合器により合成されて、干渉計から出力される。干渉計から射出される光パルスの強度波形Ｐｏｕｔ（ｔ）は、波形Ｐｉｎ（ｔ−τ）／２、Ｐｉｎ（ｔ）／２が合成されたものとなる。時刻（ｔ−τ）および時刻ｔにおいて、光パルスが時間軸において正、負方向に対照的に変位したとする。このとき、干渉計の出力では二つのパルス強度がインコヒーレントに加算され、中心に位置したパルスを形成する。このようなパルス位置の対称的な変位は、フーリエ周波数ｆが、ｆ＝ω／２π＝（ｍ−１／２）／τの変動成分に対して発生する。したがって、干渉計の遅延時間、すなわち光路差により決まる特定の周波数で、タイミング変位が相殺されることになる。
【００３１】
上述した説明および数式６から明らかなように、タイミングジッターが低減できる周波数は、干渉計の遅延時間に依存し、周波数帯域が制限される。この制限は、多重光路干渉計を用いることにより緩和できる。次に、このような本発明のタイミングジッター低減装置の変形例について説明する。
【００３２】
図３は、本発明の他の実施例のタイミングジッター低減装置を説明する図である。図３に示すタイミングジッター低減装置は、図１により説明したようなマッハ・ツェンダー型干渉計のタイミングジッター低減装置を単位装置１１，１２，…，１３として、この単位装置１１，１２，…，１３のＮ個を直列に接続した構造の干渉計となっている。各マッハ・ツェンダー型干渉計の単位装置１１，１２，…，１３は、それぞれに２つの方向性結合器１および２と、可変遅延線３と、可変光減衰器４を備えるものとなっている。それぞれの単位装置１１，１２，…，１３の干渉計の遅延時間を、τ１、τ２、…、τＮとすれば、雑音パワー抑圧度は次式で与えられることになる。
【数式７】
【００３３】
次に、別の変形例として、多重光路干渉計のリング干渉計を用いる場合の本発明のタイミングジッター低減装置の変形例について説明する。
【００３４】
図４は、本発明の別の実施例のタイミングジッター低減装置を説明する図である。図４に示す本発明の別の変形例に係るタイミングジッター低減装置は、光増幅器を含むリング干渉計である。図４において、２０は光ファイバ、２１は方向性結合器、２２は可変遅延線、２３は光増幅器である。方向性結合器２１、可変遅延線２２、光増幅器２３を光ファイバによりリング状に結合することにより、リング干渉計を構成する。方向性結合器２１によりリング内に入射する分岐して入射させる。分岐比を方向性結合器２１により設定される。このリング干渉計においては、入射パルス列はリング内を周回し、多重光路干渉計として機能する。パルス列の周回数を増大するために、方向性結合器２１による光の分岐と伝搬損失を補償するための光増幅器２３が設けられている。分岐比が１：１の方向性結合器を用いた場合の雑音パワー抑圧度は次式（数式８）で与えられる。
【数式８】
ここで、Ｇは、リング干渉計の一周回当たりの透過率を表し、リング干渉計自体がレーザー発振するのを防ぐため、Ｇ＜２に設定する必要がある。
【００３５】
次に、本発明に係るタイミングジッター低減装置の有効性を確認するための実験結果については説明する。この実験では、繰り返し周波数１９．４４４ＧＨｚの光パルス列のタイミングジッターについて低減された実験結果が得られている。
【００３６】
図５は、実験に用いた装置の構成を示す図である。図５において、５０はルビジウム原子発振器、５１は周波数シンセサイザ、５２はモード動機半導体レーザー、５３はアイソレータ、５４はタイミングジッター低減装置であるマッハ・ツェンダー型の干渉計、５５は光検出器、５６はミキサ、５７は位相同期発振器、５８はベクトル信号解析装置である。この実験装置では、正確な時刻でのタイミングを測定するため、ルビジウム原子発振器５０の周波数１０ＭＨｚの発振信号を基本クロックとして、周波数シンセサイザ５１，位相同期発振器５７，ベクトル信号解析装置５８を動作させるようにしている。
【００３７】
光パルスを発光させるためのモード動機半導体レーザー５２としては、波長１５４２ｎｍのレーザー光を発光するモノリシック・モード同期半導体レーザーを用いた。モノリシック・モード同期半導体レーザーは、利得領域、可飽和吸収領域、受動導波路から構成され、可飽和吸収領域に逆バイアス電圧を印加することにより、受動モード同期で発光させる。逆バイアスを印加することに加えて、周波数シンセサイザ５１から出力される１９．４４４ＧＨｚの正弦波信号を印加すると、ハイブリッドモード同期が起こり、モード動機半導体レーザー５２から出力される光パルスが周波数シンセサイザ５１の出力と同期する。
【００３８】
モード動機半導体レーザー５２の各縦モードのスペクトル線幅は２．２ＧＨｚで、コヒーレンス長はおよそ２２ｍｍである。ハイブリッドモード同期動作するモード動機半導体レーザー５２から出力される光パルスを、アイソレータ５３を通過させた後、マッハ・ツェンダー型の光ファイバ干渉計５４に入射させる。干渉計５４を透過した光パルスは、光検出器５５で受光させて電気信号に変換し、周波数１９．４４４ＧＨｚの信号成分を、ミキサ５６により周波数１９．０００ＧＨｚを発振する位相同期発振器５７を用いて、周波数４４４ＭＨｚの中間周波信号に変換する。ミキサ５６からの中間周波信号は、ベクトル信号解析装置５８に入力して、ベクトル信号解析装置５８により、時間領域復調法によるタイミング変位の検出と、高速フーリエ変換によるパワースペクトル密度の計算を行った。すべての信号源と測定器には、ルビジウム（Ｒｂ）原子発振器からの周波数１０ＭＨｚの発振信号を共通参照信号して供給して行った。
【００３９】
最初に、図１に示す構造のマッハ・ツェンダー型の干渉計を用いて、タイミングジッター低減の実験を行った。干渉計の光路差は約５ｍで、半導体レーザーのコヒーレンス長２２ｍｍに比べて十分大きい。数式６より雑音パワー抑圧度が最小となる最低のフーリエ周波数はおよそ２０ＭＨｚと見積もられるため、干渉計の遅延時間は、可変遅延線を用いて微調整した。
【００４０】
図６は、繰り返し周波数１９．４４４ＧＨｚの光パルスに対するタイミングの３８μｓに渡る時間変化を示す図である。サンプリング間隔は１９５ｎｓ、データポイント数は１９９６である。灰色の線は半導体レーザーからの出力、黒色の線は干渉計からの出力を表している。両者を比較すると、干渉計を伝搬した後に、タイミング変動が減少していることがわかる。
【００４１】
図７は、フーリエ周波数に対するタイミング雑音のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）を示す図である。図７に示すように、タイミング雑音のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）をみると、曲線Ａは半導体レーザーを駆動するシンセサイザのタイミング雑音を示しており、曲線Ｂは半導体レーザーの出力パルスのタイミング雑音を示している。曲線Ａと曲線Ｂには大きな差があり、半導体レーザーのシンセサイザへの同期が不十分であることを表している。また、曲線Ｃは、干渉計の出力パルスのタイミング雑音を表している。曲線Ａおよび曲線Ｃを比較すると、干渉計の出力パルスにおいて、フーリエ周波数５ＭＨｚ以上の雑音が減少していることがわかる。曲線Ｃの右端では、雑音パワー抑圧度が最小となる周波数に近く、ほぼ２桁の雑音低減が得られていることがわかる。
【００４２】
図８は、フーリエ周波数に対する雑音パワー抑圧度を示す図である。図８に示す曲線Ａおよび曲線Ｂは、それぞれ２段接続のマッハ・ツェンダー型干渉計、およびリング干渉計でえられた雑音パワー抑圧度を示している。黒色の曲線は理論値を示しており、その上に重ねて表示した変動波形（灰色の線）は測定値を表している。これらの両者はよく一致している。マッハ・ツェンダー型干渉計では、雑音抑圧度が正弦波状に変化するため、低周波数領域で雑音を低減することは困難である。このため、より広い周波数帯域で雑音低減を実現するためには、より大きな光路差を有する干渉計を用いることにより、また、さらには接続段数を増加することによって対応する。
【００４３】
また、前述したように、これに対してはリング干渉計を用いることにより対応するようにしてもよい。リング干渉計では、鋭い共振ピークが残るものの、広帯域に渡り、雑音を低減することが可能である。図８の上部側に示す曲線Ｃ、Ｄ、Ｅは、タイミング雑音のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）から次式（数式９）を用いて計算したタイミングジッターσＪである。
【数式９】
ここで、ｆｈ、ｆｌは積分の上限と下限の周波数を表し、タイミングジッターσＪの値はｆｈ＝１８ＭＨｚに対して計算し、ｆｌの関数としてプロットした。曲線Ｃは、半導体レーザーの出力パルスに対する結果であり、１００ｋＨｚ〜１８ＭＨｚの周波数帯域におけるジッターは１．８７ｐｓである。曲線Ｃより、タイミングジッターの大部分は、周波数１ＭＨｚ以上の雑音成分から生じていることが理解される。曲線Ｄは、２段接続のマッハ・ツェンダー型干渉計により得られた結果であり、曲線Ｅは、リング干渉計により得られた結果である。タイミングジッターは、それぞれ０．９９１ｐｓ（曲線Ｄ）、０．８７ｐｓ（曲線Ｅ）であり、モード同期半導体レーザーの出力パルスに対して、５３％、および４７％に減少している。
【００４４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のタイミングジッター低減装置によれば、半導体レーザー自体に電気的あるいは光学的な作用を必要とすることなく、半導体レーザーの出力光パルスのタイミングジッターを低減することができる。タイミングジッターの低減は、半導体レーザーの外部で行うため、半導体レーザーの構造や駆動回路を変更することなく、タイミングジッターを効果的に低減することができる。これにより、装置が大幅に単純化され、パッケージ化された素子などレーザーに直接作用することができない場合にも適用可能である。また、光ファイバを長距離伝搬してきた光パルスなど、レーザー光源が手元に無い場合のタイミングジッターを低減する場合にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るタイミングジッター低減装置の構成を示す図である。
【図２】タイミングジッター低減の動作原理を説明する波形図である。
【図３】本発明の他の実施例のタイミングジッター低減装置を説明する図である。
【図４】本発明の別の実施例のタイミングジッター低減装置を説明する図である。
【図５】実験に用いた装置の構成を示す図である。
【図６】繰り返し周波数１９．４４４ＧＨｚの光パルスに対するタイミングの３８μｓに渡る時間変化を示す図である。
【図７】フーリエ周波数に対するタイミング雑音のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）を示す図である。
【図８】フーリエ周波数に対する雑音パワー抑圧度を示す図である。
【符号の説明】
１…第１方向性結合器
２…第２方向性結合器
３…可変遅延線
４…可変光減衰器
５…第１光路
６…第２光路
２０…光ファイバ
２１…方向性結合器
２２…可変遅延線
２３…光増幅器
５０…ルビジウム原子発振器
５１…周波数シンセサイザ
５２…モード動機半導体レーザー
５３…アイソレータ
５４…干渉計
５５…光検出器
５６…ミキサ
５７…位相同期発振器
５８…ベクトル信号解析装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザーの光パルス列のタイミングジッターを低減する光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光時分割多重（ＯＴＤＭ）伝送方式などを用いた高ビットレートの光ファイバ通信や、光サンプリング計測の技術分野など、高頻度で繰り返す超短パルスのパルス列を利用する通信技術の分野では、光パルス列のタイミングジッターの小さい安定な半導体レーザー光源が必要とされる。
【０００３】
光時分割多重（ＯＴＤＭ）伝送方式を用いる光ファイバ通信や光サンプリング計測などの応用分野においては、高頻度の繰り返し光パルス信号を安定して正確に発生させる技術は重要な技術課題である。これらの応用分野では、パルスの持続時間だけでなく、パルスのタイミングジッターに対して厳しい条件が課せられる。例えば、光時分割多重伝送方式でデータ通信を行う場合には、符号誤り率を１０−１２以下に抑えるため、タイミングジッターをビットレートの１／１４．１以下に抑える必要がある。これは、伝送速度１６０Ｇｂｉｔ／ｓのシステムにおいて４４３ｆｓ（フェムト秒）のジッターに相当する。
【０００４】
モード同期半導体レーザーは、小型で、低消費電力であり、他の半導体素子との集積化が可能である、などの特徴を有するため、上述した応用分野における有望な光源として期待されている。しかしながら、他のレーザー、例えば、モード同期ファイバレーザーなどと比較すると、共振器の体積が小さいため、自然放出光雑音の影響が大きく、タイミングジッターが比較的大きい。
【０００５】
モード同期半導体レーザーのタイミングジッターを抑圧するため、従来においては、▲１▼電気光学位相同期ループを利用する方法、▲２▼外部共振器構造を利用する方法、▲３▼サブハーモニック光注入を利用する方法、▲４▼光帰還を利用する方法、など種々の方法が提案されている。
【０００６】
▲１▼電気光学位相同期ループを利用する方法は、光パルスと基準電気信号の位相差を比較・検出し、半導体レーザーを電気的に負帰還制御してジッターを低減する方法である（非特許文献１を参照）。▲２▼外部共振器構造を利用する方法は、半導体レーザーの外部に鏡や回折格子を配置して、共振器の体積を増大することにより、自然放出光雑音の影響を低減する方法である（非特許文献２を参照）。▲３▼サブハーモニック光注入を利用する方法は、別の安定なパルスレーザー光源を用意し、その出力光を半導体レーザーに注入して同期を引き起こし、ジッターを低減する方法である（非特許文献３を参照）。また、▲４▼光帰還を利用する方法は、出力光パルスの一部を半導体レーザー自身に帰還し、干渉によりジッターを低減する方法である（非特許文献４を参照）。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｌ． Ａ． Ｂｕｃｋｍａｎ， Ｊ． Ｂ． Ｇｅｏｒｇｅｓ， Ｊ． Ｐａｒｋ， Ｄ． Ｖａｓｓｉｌｏｖｓｋｉ， Ｊ． Ｍ． Ｋａｈｎ， ａｎｄ Ｋ． Ｙ． Ｌａｕ， ”Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｆｒｏｍ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ａｎ ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌｏｏｐ”， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， ５， １１３７ （１９９３）．
【非特許文献２】
Ｄ． Ｊ． Ｄｅｒｉｃｋｓｏｎ， Ｐ． Ａ． Ｍｏｒｔｏｎ， Ｊ． Ｅ． Ｂｏｗｅｒｓ， ａｎｄ Ｒ． Ｌ． Ｔｈｏｒｎｔｏｎ， ”Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｏｆ ｔｉｍｉｎｇ ｉｔｔｅｒ ｉｎ ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｎｄ ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ ｃａｖｉｔｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ５９， ３３７２ （１９９１）．；Ｌ． Ａ． Ｊｉａｎｇ， Ｍ． Ｅ． Ｇｒｅｉｎ， Ｅ． Ｐ． Ｉｐｐｅｎ， Ｃ． ＭｃＮｅｉｌａｇｅ， Ｊ． Ｓｅａｒｌｓ， ａｎｄ Ｈ． Ｙｏｋｏｙａｍａ， ”Ｑｕａｎｔｕｍ−ｌｉｍｉｔｅｄ ｎｏｉｓｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ａ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ”， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， ２７， ４９ （２００２）．
【非特許文献３】
▲３▼ ９． Ｘ． Ｗａｎｇ， Ｈ． Ｙｏｋｏｙａｍａ， ａｎｄ Ｔ． Ｓｈｉｍｉｚｕ， ”Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｗｉｔｈ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅ ｔｒａｉｎ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ”， ＩＥＥＥ Ｐｈｏｔｏｎ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ｌｅｔｔ．， ８， ６１７ （１９９６）．；Ｓ． Ａｒａｈｉｒａ， Ｓ． Ｋｕｔｓｕｚａｗａ， ａｎｄ Ｙ． Ｏｇａｗａ， ”Ｅｘｔｒｅｍｅ ｔｉｍｉｎｇ ｊｉｔｔｅｒ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ａ ｐａｓｓｉｖｅｌｙ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ ｂｙ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｕｌｓｅ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ”， ＩＥＥＥ Ｊ． Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．，３５， １８０５ （１９９９）．；Ｙ． Ｊ． Ｗｅｎ， Ｄ． Ｎｏｖａｋ， ａｎｄ Ｈ． Ｆ． Ｌｉｕ， ”Ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｉｎｇ ｏｆ ｌｏｎｇ ｃａｖｉｔｙ Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ａｔ ｍｉｌｌｉｍｅｔｒｅ ｗａｖｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ ｂｙ ｓｕｂｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ”， Ｅｌｅｃｔｒｏｎ． Ｌｅｔｔ．， ３６， ８７９ （２０００）．
【非特許文献４】
Ｐ． Ｌａｎｇｌｏｉｓ． Ｄ． Ｇａｙ， Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ， ａｎｄ Ｍ． Ｐｉｃｈｅ， ”Ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒ ｂｙ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｐｈｏｔｏｎ ｓｅｅｄｉｎｇ”， Ｏｐｔ． Ｌｅｔｔ．， ２３， １１４ （１９９８）．；Ｌ． Ａ． Ｊｉａｎｇ， Ｋ． Ｓ． Ａｂｅｄｉｎ， Ｍ． Ｅ． Ｇｒｅｉｎ， ａｎｄ Ｅ． Ｐ． Ｉｐｐｅｎ，”Ｔｉｍｉｎｇ ｊｉｔｔｅｒ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｍｏｄｅｌｏｃｋｅｄ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ｗｉｔｈ ｐｈｏｔｏｎｓｅｅｄｉｎｇ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ．， ８０， １７０７ （２００２）．
【非特許文献５】
Ｄ． ｖｏｎ ｄｅｒ Ｌｉｎｄｅ， ”Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｌｙ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ ｌａｓｅｒｓ”， Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｂ， ３９， ２０１ （１９８６）．
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで上述した４つの方法は、いずれの方法を用いても、モード同期半導体レーザーのタイミングジッターを低減することが可能であるが、これらの方法を用いるには、いずれも半導体レーザに対して直接に電気的、光学的に作用させる仕組みが必要があるため、パッケージ化された半導体レーザー素子には適用が不可能である。また、適用するにはかなりの困難性である。
【０００９】
具体的に説明すると、▲１▼の電気光学位相同期ループを利用する方法では、電気的な制御を行うため、タイミングジッター低減の周波数帯域が周波数１ＭＨｚ程度以下に制限される。▲２▼の外部共振器構造を利用する方法では、レーザーの構造が変更されるため、光パルスの繰り返し周波数が低下し、装置が大型になる欠点がある。▲３▼のサブハーモニック光注入を利用する方法では、別の安定なパルス光源を用意する必要があり、装置が複雑となり、大型化する。▲４▼の光帰還を利用する方法については、装置が大型になり、干渉を利用するため、機械的振動などの影響を受けやすい。このような様々な問題点がある。
【００１０】
本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、例えば、モード同期半導体レーザーに対して電気的、光学的に作用することなく、レーザーの光パルス列のタイミングジッターを低減する光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記のような目的を達成するため、本発明の光パルスのタイミングジッター低減方法は、光路に光ファイバを用いたマッハ・ツェンダー型干渉計において、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記光パルス列のパルス周期の整数倍になるように設定し、当該マッハ・ツェンダー型干渉計に、レーザーから出力される光パルス列を入射し、干渉計から出射する光パルス列において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターを相殺することを特徴とする。
【００１２】
また、別の特徴による本発明の光パルスのタイミングジッター低減方法は、光路に光増幅器および遅延線を含む光ファイバリング干渉計において、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記光パルス列のパルス周期の整数倍になるように設定し、当該光ファイバリング干渉計にレーザーから出力される光パルス列を入射し、干渉計から出射する光パルス列において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターを相殺することを特徴とする。
【００１３】
このような方法を実施するための装置として、本発明による光パルスのタイミングジッター低減装置は、レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定された遅延線を挿入した第１光路と、前記第１光路を光が伝搬した際に減衰する減衰量に対応した減衰量を与える光減衰器を挿入した第２光路と、入射光を分配して前記第１の光路および第２の光路に導出する第１の方向性結合器と、前記第１光路から導出された光および前記第２光路から導出された光を合成して出射光とする第２の方向性結合器とを有することを特徴とする。また、本発明の光パルスのタイミングジッター低減装置は、上記のように構成した光パルスのタイミングジッター低減装置を単位装置として、これらの干渉計装置の複数個を多段に直列接続するような構成としてもよい。
【００１４】
また、別の特徴による本発明の光パルスのタイミングジッター低減装置は、レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定された遅延線および光増幅器を挿入したリング状の光ファイバ光路と、前記光ファイバ光路に結合されて、レーザー光を入射すると共に、出射光を導出する方向性結合器とを有することを特徴とする。本発明の光パルスのタイミングジッター低減装置は、上記のように構成した光パルスのタイミングジッター低減装置を単位装置として、これらの干渉計装置の複数個を多段に直列接続するような構成としてしてもよい。
【００１５】
本発明の光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置は、タイミングジッターが生ずることが比較的多いモード同期半導体レーザーの光パルスのパルス列に対して適用すると効果的にタイミングジッターを低減できる。
【００１６】
また、本発明による光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置の特徴を、別の言葉で表現すると、
（１）本発明による光パルスのタイミングジッター低減方法においては、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間が、レーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定した光ファイバによるマッハ・ツェンダー型干渉計を用いる。このように設定された干渉計に、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列を入射すると、光ファイバ干渉計の方向性結合器から出力される光パルス列は、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターが相殺される。
【００１７】
（２）本発明による光パルスタイミングジッター低減装置は、光路差に起因する光伝搬の遅延時間が前記レーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記入射パルスの周期の整数倍になるように設定された光ファイバ・マッハ・ツェンダー型干渉計であり、このように設定された干渉計に、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列を入射すると、干渉計の出力において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターが相殺される。
【００１８】
（３）また、本発明による光パルスのタイミングジッターの低減装置は、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつかつ前記遅延時間が前記入射パルスの周期の整数倍になるように設定された光ファイバ・マッハ・ツェンダー型干渉計の複数個を多段直列接続したものを用いる。このように多段直列接続された干渉計に、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列を入射すると、干渉計の出力において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターが相殺される。
【００１９】
（４）光パルスのタイミングジッター低減装置においては、光路差に起因する光伝搬の遅延時間が前記レーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定され、かつ光路内に光増幅器を含む光ファイバのリング型干渉計を用いる。このようなリング型干渉計に、モード同期半導体レーザーから出力される光パルス列を入射すると、このリング型干渉計の出力において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターが相殺される。
【００２０】
このように、本発明の光パルスのタイミングジッター低減方法および光パルスのタイミングジッター低減装置によれば、タイミングジッターの低減は、レーザーから出斜された光パルスに対して、レーザー自体とは独立して別に行うため、半導体レーザー自体には電気的あるいは光学的な作用が不要である。このため、レーザーの構造や駆動回路を変更することなく、タイミングジッターを効果的に低減することが可能となる。また、マッハ・ツェンダー型干渉計は、受動光学部品のみで構成することができるため、構成が極めて単純である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施する場合に形態について、図を用いて具体的に説明する。以下の説明では、動作原理および装置構成の説明と共に、繰り返し周波数１９．４４４ＧＨｚの光パルス列のタイミングジッターを、低減した実験結果について説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施例にかかるタイミングジッター低減装置の構成を示す図である。図１において、１は第１方向性結合器、２は第２方向性結合器、３は可変遅延線、４は可変光減衰器、５は第１光路、６は第２光路である。図１に示すタイミングジッター低減装置は、マッハ・ツェンダー型の干渉計を構成しており、第１方向性結合器１が、入射した光パルスを２つの光路（第１光路５，第２光路６）に分配して射出し、光路差による遅延時間および減衰量を与えて第２方向性結合器２により合成した光パルスを射出する。その場合に、遅延時間は、レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定する。また、減衰量は、２つの光路を通過した光パルスの強度が２つの光路の出口において等しくなるように減衰量を設定する。したがって、この場合には、第２光路６に可変光減衰器４を設けることなく、第１光路５において光増幅器を設けるような構成としてもよい。
【００２３】
このように構成されたタイミングジッター低減装置に対して、タイミングジッターのある光パルス列を入射すると、そのタイミングジッターが低減されて、タイミング精度のよい光パルス列となる。例えば、入射する光パルス列としては、モード度半導体レーザーから射出されるレーザーの光パルスを用いる。
【００２４】
レーザーの光パルスＰｉｎ（ｔ）が、光ファイバを介して第１方向性結合器１に入射されると、第１方向性結合器１は、入射光を分配して光ファイバの第１光路５および第２光路６に導出する。第１光路１には、可変遅延線３が挿入されており、前述したように、可変遅延線３による遅延時間が、レーザーから出力される光パルス列に対して、第１光路および第２光路の光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定されているので、この遅延時間の後、第１光路５に入射された光が射出されて、第２方向性結合器２に入る。また、第２光路６には、可変光減衰器４が挿入されており、可変減衰器４には、前述したように、光減衰量を第１光路に光が伝搬した際に減衰する減衰量に対応した減衰量が与えられており、その減衰量で減衰した後、第２光路６に入射された光が射出されて、第２方向性結合器２に入る。
【００２５】
これにより、２つの光路を通過した光パルスの強度が２つの光路の出口において等しくなり、光路差による遅延時間の後、第１光路５および第２光路６のそれぞれの出口から導出される。第２方向性結合器２が、第１光路５から導出された光パルスおよび第２光路６から導出された光パルスを合成して、射出光Ｐｏｕｔ（ｔ）とする。この射出光は、後述するように、タイミングジッターが低減されたものとなっている。
【００２６】
次に動作原理について説明する。図１に示すタイミングジッター低減装置は、光路差を与える長さの異なる２本の光ファイバが、その両端で方向性結合器により結合される構造を有するマッハ・ツェンダー型の干渉計となっている。したがって、光路差を生じさせるための２本の光ファイバの長さの差をΔＬとすれば、光路差による遅延時間はτ＝ｎ・ΔＬ／ｃで表される。ここで、ｎは光路とする光ファイバの屈折率であり、ｃは真空中の光速度である。遅延時間は干渉計に入射する光パルスのコヒーレンス時間に比べて、十分に長いものとする。
【００２７】
入射する光パルスの繰り返し周期をＴｒｅｐとすると、干渉計の第１光路５（光路ａ）に配置されている可変遅延線３の遅延時間は、入射パルスの周期Ｔｒｅｐの整数倍、すなわち、τ＝ｍ・Ｔｒｅｐとなるように調整する。第２光路６（光路ｂ）に配置されている可変光減衰器４を調整して、２つの光路（光路ａ及び光路、ｂ）を伝搬した光パルス列の強度が等しくなるようにする。
【００２８】
干渉計に入射する光パルス列の強度を次式（数式１）で表すことができる。
【数式１】
【数式２】
【００２９】
マッハ・ツェンダー型干渉計の出力光強度は、２つの光路を伝搬する光パルス列の強度の和として表すことができるため、数式３のようになる。これは、遅延時間がパルスのコヒーレンス時間に比べて十分に長いために、電場の干渉が生じないためである。
【数式３】
【数式４】
【数式５】
【数式６】
図２は、タイミングジッター低減の動作原理を説明する波形図である。前述したように、マッハ・ツェンダー型干渉計では、光路差のある２つの光路（光路ａおよび光路ｂ）を伝搬したパルスの強度波形Ｐｉｎ（ｔ−τ）／２、Ｐｉｎ（ｔ）／２が、方向性結合器により合成されて、干渉計から出力される。干渉計から射出される光パルスの強度波形Ｐｏｕｔ（ｔ）は、波形Ｐｉｎ（ｔ−τ）／２、Ｐｉｎ（ｔ）／２が合成されたものとなる。時刻（ｔ−τ）および時刻ｔにおいて、光パルスが時間軸において正、負方向に対照的に変位したとする。このとき、干渉計の出力では二つのパルス強度がインコヒーレントに加算され、中心に位置したパルスを形成する。このようなパルス位置の対称的な変位は、フーリエ周波数ｆが、ｆ＝ω／２π＝（ｍ−１／２）／τの変動成分に対して発生する。したがって、干渉計の遅延時間、すなわち光路差により決まる特定の周波数で、タイミング変位が相殺されることになる。
【００３１】
上述した説明および数式６から明らかなように、タイミングジッターが低減できる周波数は、干渉計の遅延時間に依存し、周波数帯域が制限される。この制限は、多重光路干渉計を用いることにより緩和できる。次に、このような本発明のタイミングジッター低減装置の変形例について説明する。
【００３２】
図３は、本発明の他の実施例のタイミングジッター低減装置を説明する図である。図３に示すタイミングジッター低減装置は、図１により説明したようなマッハ・ツェンダー型干渉計のタイミングジッター低減装置を単位装置１１，１２，…，１３として、この単位装置１１，１２，…，１３のＮ個を直列に接続した構造の干渉計となっている。各マッハ・ツェンダー型干渉計の単位装置１１，１２，…，１３は、それぞれに２つの方向性結合器１および２と、可変遅延線３と、可変光減衰器４を備えるものとなっている。それぞれの単位装置１１，１２，…，１３の干渉計の遅延時間を、τ１、τ２、…、τＮとすれば、雑音パワー抑圧度は次式で与えられることになる。
【数式７】
次に、別の変形例として、多重光路干渉計のリング干渉計を用いる場合の本発明のタイミングジッター低減装置の変形例について説明する。
【００３４】
図４は、本発明の別の実施例のタイミングジッター低減装置を説明する図である。図４に示す本発明の別の変形例に係るタイミングジッター低減装置は、光増幅器を含むリング干渉計である。図４において、２０は光ファイバ、２１は方向性結合器、２２は可変遅延線、２３は光増幅器である。方向性結合器２１、可変遅延線２２、光増幅器２３を光ファイバによりリング状に結合することにより、リング干渉計を構成する。方向性結合器２１によりリング内に入射する分岐して入射させる。分岐比を方向性結合器２１により設定される。このリング干渉計においては、入射パルス列はリング内を周回し、多重光路干渉計として機能する。パルス列の周回数を増大するために、方向性結合器２１による光の分岐と伝搬損失を補償するための光増幅器２３が設けられている。分岐比が１：１の方向性結合器を用いた場合の雑音パワー抑圧度は次式（数式８）で与えられる。
【数式８】
【００３５】
次に、本発明に係るタイミングジッター低減装置の有効性を確認するための実験結果については説明する。この実験では、繰り返し周波数１９．４４４ＧＨｚの光パルス列のタイミングジッターについて低減された実験結果が得られている。
【００３６】
図５は、実験に用いた装置の構成を示す図である。図５において、５０はルビジウム原子発振器、５１は周波数シンセサイザ、５２はモード動機半導体レーザー、５３はアイソレータ、５４はタイミングジッター低減装置であるマッハ・ツェンダー型の干渉計、５５は光検出器、５６はミキサ、５７は位相同期発振器、５８はベクトル信号解析装置である。この実験装置では、正確な時刻でのタイミングを測定するため、ルビジウム原子発振器５０の周波数１０ＭＨｚの発振信号を基本クロックとして、周波数シンセサイザ５１，位相同期発振器５７，ベクトル信号解析装置５８を動作させるようにしている。
【００３７】
光パルスを発光させるためのモード動機半導体レーザー５２としては、波長１５４２ｎｍのレーザー光を発光するモノリシック・モード同期半導体レーザーを用いた。モノリシック・モード同期半導体レーザーは、利得領域、可飽和吸収領域、受動導波路から構成され、可飽和吸収領域に逆バイアス電圧を印加することにより、受動モード同期で発光させる。逆バイアスを印加することに加えて、周波数シンセサイザ５１から出力される１９．４４４ＧＨｚの正弦波信号を印加すると、ハイブリッドモード同期が起こり、モード動機半導体レーザー５２から出力される光パルスが周波数シンセサイザ５１の出力と同期する。
【００３８】
モード動機半導体レーザー５２の各縦モードのスペクトル線幅は２．２ＧＨｚで、コヒーレンス長はおよそ２２ｍｍである。ハイブリッドモード同期動作するモード動機半導体レーザー５２から出力される光パルスを、アイソレータ５３を通過させた後、マッハ・ツェンダー型の光ファイバ干渉計５４に入射させる。干渉計５４を透過した光パルスは、光検出器５５で受光させて電気信号に変換し、周波数１９．４４４ＧＨｚの信号成分を、ミキサ５６により周波数１９．０００ＧＨｚを発振する位相同期発振器５７を用いて、周波数４４４ＭＨｚの中間周波信号に変換する。ミキサ５６からの中間周波信号は、ベクトル信号解析装置５８に入力して、ベクトル信号解析装置５８により、時間領域復調法によるタイミング変位の検出と、高速フーリエ変換によるパワースペクトル密度の計算を行った。すべての信号源と測定器には、ルビジウム（Ｒｂ）原子発振器からの周波数１０ＭＨｚの発振信号を共通参照信号して供給して行った。
【００３９】
最初に、図１に示す構造のマッハ・ツェンダー型の干渉計を用いて、タイミングジッター低減の実験を行った。干渉計の光路差は約５ｍで、半導体レーザーのコヒーレンス長２２ｍｍに比べて十分大きい。数式６より雑音パワー抑圧度が最小となる最低のフーリエ周波数はおよそ２０ＭＨｚと見積もられるため、干渉計の遅延時間は、可変遅延線を用いて微調整した。
【００４０】
図６は、繰り返し周波数１９．４４４ＧＨｚの光パルスに対するタイミングの３８μｓに渡る時間変化を示す図である。サンプリング間隔は１９５ｎｓ、データポイント数は１９９６である。灰色の線は半導体レーザーからの出力、黒色の線は干渉計からの出力を表している。両者を比較すると、干渉計を伝搬した後に、タイミング変動が減少していることがわかる。
【００４１】
図７は、フーリエ周波数に対するタイミング雑音のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）を示す図である。図７に示すように、タイミング雑音のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）をみると、曲線Ａは半導体レーザーを駆動するシンセサイザのタイミング雑音を示しており、曲線Ｂは半導体レーザーの出力パルスのタイミング雑音を示している。曲線Ａと曲線Ｂには大きな差があり、半導体レーザーのシンセサイザへの同期が不十分であることを表している。また、曲線Ｃは、干渉計の出力パルスのタイミング雑音を表している。曲線Ａおよび曲線Ｃを比較すると、干渉計の出力パルスにおいて、フーリエ周波数５ＭＨｚ以上の雑音が減少していることがわかる。曲線Ｃの右端では、雑音パワー抑圧度が最小となる周波数に近く、ほぼ２桁の雑音低減が得られていることがわかる。
【００４２】
図８は、フーリエ周波数に対する雑音パワー抑圧度を示す図である。図８に示す曲線Ａおよび曲線Ｂは、それぞれ２段接続のマッハ・ツェンダー型干渉計、およびリング干渉計でえられた雑音パワー抑圧度を示している。黒色の曲線は理論値を示しており、その上に重ねて表示した変動波形（灰色の線）は測定値を表している。これらの両者はよく一致している。マッハ・ツェンダー型干渉計では、雑音抑圧度が正弦波状に変化するため、低周波数領域で雑音を低減することは困難である。このため、より広い周波数帯域で雑音低減を実現するためには、より大きな光路差を有する干渉計を用いることにより、また、さらには接続段数を増加することによって対応する。
【００４３】
また、前述したように、これに対してはリング干渉計を用いることにより対応するようにしてもよい。リング干渉計では、鋭い共振ピークが残るものの、広帯域に渡り、雑音を低減することが可能である。図８の上部側に示す曲線Ｃ、Ｄ、Ｅは、タイミング雑音のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）から次式（数式９）を用いて計算したタイミングジッターσＪである。
【数式９】
【００４４】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明のタイミングジッター低減装置によれば、半導体レーザー自体に電気的あるいは光学的な作用を必要とすることなく、半導体レーザーの出力光パルスのタイミングジッターを低減することができる。タイミングジッターの低減は、半導体レーザーの外部で行うため、半導体レーザーの構造や駆動回路を変更することなく、タイミングジッターを効果的に低減することができる。これにより、装置が大幅に単純化され、パッケージ化された素子などレーザーに直接作用することができない場合にも適用可能である。また、光ファイバを長距離伝搬してきた光パルスなど、レーザー光源が手元に無い場合のタイミングジッターを低減する場合にも有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係るタイミングジッター低減装置の構成を示す図である。
【図２】タイミングジッター低減の動作原理を説明する波形図である。
【図３】本発明の他の実施例のタイミングジッター低減装置を説明する図である。
【図４】本発明の別の実施例のタイミングジッター低減装置を説明する図である。
【図５】実験に用いた装置の構成を示す図である。
【図６】繰り返し周波数１９．４４４ＧＨｚの光パルスに対するタイミングの３８μｓに渡る時間変化を示す図である。
【図７】フーリエ周波数に対するタイミング雑音のパワースペクトル密度ＳＪ（ｆ）を示す図である。
【図８】フーリエ周波数に対する雑音パワー抑圧度を示す図である。
【符号の説明】
１…第１方向性結合器
２…第２方向性結合器
３…可変遅延線
４…可変光減衰器
５…第１光路
６…第２光路
２０…光ファイバ
２１…方向性結合器
２２…可変遅延線
２３…光増幅器
５０…ルビジウム原子発振器
５１…周波数シンセサイザ
５２…モード動機半導体レーザー
５３…アイソレータ
５４…干渉計
５５…光検出器
５６…ミキサ
５７…位相同期発振器
５８…ベクトル信号解析装置
Claims (8)
- 光路に光ファイバを用いたマッハ・ツェンダー型干渉計において、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記光パルス列のパルス周期の整数倍になるように設定し、当該マッハ・ツェンダー型干渉計に、レーザーから出力される光パルス列を入射し、干渉計から出射する光パルス列において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターを相殺することを特徴とする光パルスのタイミングジッター低減方法。
- 光路に光増幅器および遅延線を含む光ファイバリング干渉計において、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が前記光パルス列のパルス周期の整数倍になるように設定し、当該光ファイバリング干渉計にレーザーから出力される光パルス列を入射し、干渉計から出射する光パルス列において、遅延時間に依存した周波数帯域でタイミングジッターを相殺することを特徴とする光パルスのタイミングジッター低減方法。
- レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定された遅延線を挿入した第１光路と、
前記第１光路を光が伝搬した際に減衰する減衰量に対応した減衰量を与える光減衰器を挿入した第２光路と、
入射光を分配して前記第１の光路および第２の光路に導出する第１の方向性結合器と、
前記第１光路から導出された光および前記第２光路から導出された光を合成して出射光とする第２の方向性結合器と
を有することを特徴とする光パルスのタイミングジッター低減装置。 - レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定された遅延線を挿入した第１光路と、
前記第１光路を光が伝搬した際に減衰する減衰量に対応した減衰量を与える光減衰器を挿入した第２光路と、
入射光を分配して前記第１の光路および第２の光路に導出する第１の方向性結合器と、
前記第１光路から導出された光および前記第２光路から導出された光を合成して出射光とする第２の方向性結合器と
から構成される干渉計装置の複数個を多段に直列接続した
ことを特徴とする光パルスのタイミングジッター低減装置。 - レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定された遅延線および光増幅器を挿入したリング状の光ファイバ光路と、
前記光ファイバ光路に結合されて、レーザー光を入射すると共に、出射光を導出する方向性結合器と
を有することを特徴とする光パルスのタイミングジッター低減装置。 - レーザーから出力される光パルス列に対して、光路差に起因する光伝搬の遅延時間がレーザーのコヒーレンス時間よりも十分に長く、かつ前記遅延時間が入射パルスの周期の整数倍になるように設定された遅延線および光増幅器を挿入したリング状の光ファイバ光路と、
前記光ファイバ光路に結合されて、レーザー光を入射すると共に、出射光を導出する方向性結合器と
から構成される干渉計装置の複数個を多段に直列接続した
ことを特徴とする光パルスのタイミングジッター低減装置。 - 光パルス列は、モード同期半導体レーザーの光パルスであることを特徴とする請求項３乃至請求項６のいずれかに記載の光パルスのタイミングジッター低減装置。
- 光パルス列は、モード同期半導体レーザーの光パルスであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光パルスのタイミングジッター低減方法。
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