JP2005192046A

JP2005192046A - パルス発生装置および方法

Info

Publication number: JP2005192046A
Application number: JP2003432922A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Takita; 裕瀧田; Shigeki Watanabe; 茂樹渡辺; Fumio Futami; 史生二見
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-12-26
Filing date: 2003-12-26
Publication date: 2005-07-14
Also published as: EP1575194A3; US20050141073A1; EP1575194A2; US7088491B2

Abstract

【課題】任意の繰返し周波数において正確にかつ安定に動作し、なお高OSNRを有し、かつRF変調周波数に制限されないピコ秒級の（デューティ比が高い）光パルスの生成方法および装置を提供する。
【解決手段】単一波長レーザ光源１０から出力された光を光位相変調器１１で位相変調し、新しい変調スペクトル成分を生成する。これらの変調スペクトル成分の位相を位相調整器１３でそろえることにより、時間領域でのパルス波を生成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光パルスを生成する装置に関する。

光通信システムでは通信ビットレートが10ギガビット/秒（Gb/s、ギカ：10⁹）もしくは40Gb/sの波長分割多重方式（WDM：Wavelength division multiplexing）が現在採用されている。しかし、この方式では通信容量の増大に伴い波長数が膨大となるために、各波長の信号の管理が困難となる。また、異なる波長の信号光の同期をとり、リアルタイムに信号処理を行うシステムが必要になるが、この構成も大変煩雑になる。このような観点から、単一波長信号で、大容量の通信が可能である光時分割多重方式（OTDM：Optical time division multiplexing）が有望である。ここで使用されるOTDMの通信用光源は、例えば10Gb/sの信号を160Gb/sに多重することを考えると、正確に10Gb/sでピコ秒級（ps、ピコ：10^-12）のパルス幅を有する光パルスを安定に生成できる必要がある。すなわちビットレートの周期時間に比べて十分に短い、すなわちデューティ比の高い時間幅の光パルスを正確なビットレートで安定に生成する必要がある。

これに向けた従来の光パルスの発生技術は大きく分けて次の二つがある。
（１）モード同期レーザパルス光源を使った技術
（２）直接変調型パルス光源を使った技術
図４は、モード同期レーザパルス光源を使った技術の基本構成を示す図である。

具体的な例としては、半導体モード同期レーザ（図４（a））、及びファイバモード同期レーザ(図４（b）)がある。駆動用RF（Radio Frequency）信号周波数、位相、利得励起用レーザ光のパワー、などのパラメータを制御することにより光信号対雑音比（Optical Signal-to-Noise Ratio）が高くかつRF信号周波数の制限を受けずにデューティ比の高いサブピコ秒の光パルスが生成できる。しかし一方で、モード同期レーザパルス光源は構造上、光パルスの繰り返し周波数を任意にかつ正確に実現できないという課題がある。

モード同期レーザでは、光パルスの繰返し周波数f₀はレーザの共振器長Lとの関係において、光速をc、共振器媒質の屈折率をn、Nを任意の整数として、

を満たさなければならない。
そのため、ある正確な繰返し周波数f₀、例えば10ギガヘルツ（GHz、ギガ：10⁹）±100Hzの光パルスを生成するためには、Lを正確に作りこまなければならない。

例えば、半導体モード同期レーザの場合を考えると、その共振器長は1センチメートル(cm)のオーダーであるがその誤差は１ナノメートル(ナノ：10^-9)以下に抑えなければならず製品化における歩留まりを考えるとこの実現は困難である。一方、ファイバモード同期レーザにおいては共振器長が数十メートル単位であるため、Nを調整することで半導体モード同期レーザほど厳しい長さ調節は必要ないが、共振器長が長いために少々の温度変化などにより共振器長の変化が大きくなる。ゆえに、任意に、かつ正確な繰返し周波数で安定に動作させることは難しい。

図５は、直接変調型パルス光源を使った技術の基本構成を示す図である。
具体的な例としては、たとえば電界吸収型光変調器（EAM：Electro-absorption modulator）を用いたパルス光源がある。単一波長レーザ光源、EAM、EAM駆動用RF信号源、及び直流電圧源で構成される。この方法ではEAM駆動用RF信号源の制御により任意の繰返し周波数において正確に安定な光パルスを発生可能である。しかし反面、EAMの光透過損失が大きいため、光増幅器を使用して出力パワーを増幅する場合、発生パルス光の光信号対雑音比（OSNR）が大幅に劣化するという問題がある。例えば、EAM自体の光透過損失は7デシベル（dB）程度であるが、光パルスを生成する際には、直流電圧源によりDCの負バイアス電圧をEAMに印加するため、光透過損失が20dB以上となりOSNRの劣化につながる。また、発生する光パルス波形はEAM駆動用RF信号源の波形に依存する為、変調周波数の周期時間と生成する光パルスの時間幅の比（デューティ比）が高い光パルスを生成することは難しいという短所もある。

上記のような技術の参考文献として、非特許文献１がある。
IEEE Journal of Quantum electronics, VOL 24, No. February 1988, pp. 382-387, title"Optical pulse compression using high-frequency; electrooptic phase modulation"

前述の通り、モード同期レーザパルス光源では高OSNRでサブピコ秒の光パルスを安定に発生させることができるが、一方で正確な共振器長を有するモード同期レーザパルス光源を作製することは歩留まりの面からも困難であり、任意にかつ正確な繰返し周波数での安定動作は難しい。また、直接変調型パルス光源は、制御が簡単で、任意にかつ正確な繰返し周波数での光パルス生成が可能であるが、一方、（１）光強度変調器における光透過損失が大きいため、OSNRの劣化につながる、（２）パルスの幅は変調周波数に制限されるためデューティ比の高い光パルスの生成が難しい、などの短所がある。

本発明の課題は、任意の繰返し周波数において正確にかつ安定に動作し、なお高OSNRを有し、かつRF変調周波数に制限されないピコ秒級の（デューティ比が高い）光パルスの生成方法および装置を提供することである。

本発明の光パルス発生装置は、単一波長光を出力する光源と、該光源からの光に位相変調をかけ、変調スペクトル成分を生成し、生成される光パルスに含まれる該変調スペクトル成分の各波長の位相を調整することで光パルスを生成する光パルス生成手段とを備えることを特徴とする。

本発明の光パルス発生方法は、単一波長光を出力する発光ステップと、該発光ステップからの光に位相変調をかけ、変調スペクトル成分を生成し、生成される光パルスに含まれる該変調スペクトル成分の各波長の位相を調整することで光パルスを生成する光パルス生成ステップとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、従来とは異なり、光パルスを生成するのに位相変調を行い、位相変調された結果得られる変調スペクトル成分の各波長の位相をそろえることにより、光パルスを生成する。

本発明により、制御が簡単で、任意の繰り返し周波数において正確かつ安定に動作し、なおかつ変調信号周波数に制限されず、デューティ比の高いピコ秒級のパルス幅を有する光パルスの生成が可能となる。

本発明の実施形態においては、次の手段により課題を解決する。
まず、単一波長レーザ光源（周波数ｆ）から出射される光に周波数f₀の位相変調を加える。この時、w（w＝２pｆ）を単一波長レーザ光源の角周波数、ｐを変調角周波数（ｐ＝２pf₀）の角周波数、mは位相変調度、Jνはν次の第一種ベッセル関数とすると、位相変調の結果生成される光の実部は(２)の式で表される。

この式においては、変調角周波数ｐ（すなわち周波数間隔f₀）毎に新しい波長成分（ν次のモード）が生成されていることが示されている。以降、これを変調スペクトル成分と呼ぶ。ここで、使用する周波数f及び変調周波数f₀の具体的数値について述べる。単一波長レーザ光源の周波数ｆは、光ファイバ通信では波長が1.5マイクロメートル（mm、マイクロ：10^-6）帯であるので、周波数では200テラヘルツ（THz、テラ：10¹²）帯となる。変調周波数f₀は、光パルスを光通信の送信用光源として使用する際にはビットレートに相当するため、すなわち10ギガヘルツ（GHz、ギガ：10⁹）、もしくは40GHzとなる。

図１は、本発明の第１の実施形態を説明する図である。図１(a)は全体の構成を示すずですある。
単一波長レーザ光源10から出射される光に位相変調器11で位相変調をかけると変調スペクトル成分が生成される。しかしこの位相変調された光の変調スペクトル成分におけるそれぞれの波長成分の位相は揃っておらず、時間波形としては連続光の状態である。光パルスを生成するためには、変調スペクトル成分の波長成分の位相を位相調整器13でそろえる必要がある。

位相変調をかける装置(位相変調器11)は、例えばLiNbO₃光位相変調器（LN光位相変調器）を使用すればよい。この光変調器はすでに実用化されている。変調信号は例えば汎用の交流信号発振器（シンセサイザ）を使用すればよい。位相変調がかけられた光の変調スペクトル成分の位相関係を調整するには、平面ブレーズド・グレーティングを使用すればよい。位相調整の原理を図１(b)中に示す。二つの平面ブレーズド・グレーティングで構成されており、第一の平面ブレーズド・グレーティング13-1で、光ビームは波長に応じた回折角度に分光される。次に、分光されたビームを第二の平面ブレーズド・グレーティング13-2で、再び平行光に変換する。一連の操作により、各波長成分の経路に差が生じるために、図中に示すように波面aに対して波面bが波長に応じて時間差が発生し波面がずれる。すなわち、波長に応じた位相調整を与えることが可能になる。

単一波長レーザ光源１０には、波長1550nm(周波数193.4145THz)のレーザ光源を使用する。これを光位相変調器１１に入射し変調スペクトル成分を生成する。ここでは、変調度５pの正弦波位相変調を施している。変調度5pの位相変調はOptical Fiber Communication Conferenceで報告されているVp=1Vの変調器を、変調信号パワー24dBmの交流信号源１２から出力される正弦波信号で駆動すれば実現できる。変調信号のパワーは必要があれば電気信号増幅器を用いれば、十分対応可能な値である。この時、変調信号は周波数10GHzであるとすると、変調スペクトル成分が約30本程度発生する。この変調スペクトル成分の位相を平面ブレーズド・グレーティング１３で調節する。これによりパルス幅3ps以下の光パルスが生成される。

図２は、本発明の第２の実施形態の構成図である。
この実施形態では、波長選択器１４をもちいて、単一波長レーザの波長から、光の位相のずれが少ない周波数帯にシフトすればその出力光は光パルスとなる。波長l₀の単一波長レーザ光源１０から出力される光に変調周波数f₀、変調度5pの位相変調を施す。位相変調により生成される変調スペクトル成分の波長l₁（l₁(l₀）を波長選択器１４で選択する。f₀=10GHzの場合、半値全幅帯域21GHzの波長を選択すると、パルス幅21psの光パルスを生成できる。この光パルスの時間帯域幅積は0.44であり、この方法によりフーリエ変換限界（Fourier Transform Limited、TL）の光パルスの生成が可能である。この実施形態では、図３に示すように周波数チャープの変化が少ない周波数帯では比較的変調スペクトル成分の各波長成分間における位相のずれが少ないことを利用する。

本発明の第１の実施形態を説明する図である。本発明の第２の実施形態を説明する図（その１）である。本発明の第２の実施形態を説明する図（その２）である。モード同期レーザパルス光源を使った技術の基本構成を示す図である。直接変調型パルス光源を使った技術の基本構成を示す図である。

符号の説明

１０単一波長レーザ光源
１１光位相変調器
１２交流信号源
１３位相調整器
１４波長選択器

Claims

単一波長光を出力する光源と、
該光源からの光に位相変調をかけ、変調スペクトル成分を生成し、生成される光に含まれる該変調スペクトル成分の各波長の位相を調整することで光パルスを生成する光パルス生成手段と、
を備えすることを特徴とする光パルス発生装置。
単一波長光を出力する光源と、
該光源からの光に位相変調をかけ、変調スペクトル成分を生成し、生成される光に含まれる該変調スペクトル成分で位相のそろっている波長で該光源とは異なる波長成分を波長選択九器で選択することで光パルスを生成する光パルス生成手段と、
を備えることを特徴とする光パルス発生装置。