JP2005228845A - 高速光パルス列発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 発振周波数が安定し、出力光強度が大きく、且つ、廉価な高速繰り返し光パルス列発生装置を実現すること。
【解決手段】 光信号生成部１は、帰還信号１−１４を受け入れて、帰還信号１−１４に同期した光パルス列を生成し、光遅延線２は、光信号生成部１の生成する上記光パルス列を受け入れて、所定の時間遅延させて出力し、光電変換部３は、光遅延線２の出力する光パルス列を受け入れて電気信号に変換し、電気的タイミング調整部７は、光電変換部３の出力信号を、タイミングを調整して帰還信号１−１４として光信号生成部１へ供給し、更に、上記、光信号生成部１は、上記パルス列を上記光遅延線２に供給する端面Ｒと、上記パルス列を外部機器８へ出力する端面Ｌとを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光通信の分野で高速繰り返し光パルス列の生成に用いられる高速繰り返し光パルス列発生装置に関する。

近年、高速大容量光通信網の拡大に伴い、発振周波数が安定し、且つ、廉価な高速繰り返し光パルス列発生装置の出現が求められている。既に公開されている技術の一例を挙げると、希土類添加光ファイバで構成された光ループをポンピングレーザで励起し、光ループ長で決まる基本光発振周波数の整数倍に設定された高調波モードで光発振させる。その光信号の一部を取り出して光電変換する。光電変換によって得られた電気信号を狭帯域フィルタを通した後、上記光ループ内に設けられている光変調器に帰還させる。このようにして、安定した高速繰り返し光パルス列が生成されている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、上記の技術では、ループ長約２００ｍ（メートル）にも及ぶ希土類添加光ファイバ、光アイソレータ、光カプラ、光フィルタ等の高価で精密な部品を必要としているため、装置全体として高価に成りやすい。又、光パルス列の生成に伴って発生するジッター成分の除去効果が十分ではない、等の解決すべき課題が残されていた。これらの問題を解決するため、発振周波数が安定し、且つ、廉価な高速繰り返し光パルス列発生装置を得ることを目的として再生モード同期技術を利用した半導体レーザによる高速光パルス列発生装置が本願出願人によって提案されている（特願２００３−１３４４２２参照）。

本願技術内容の比較例として上記特願２００３−１３４４２２の概要について以下に説明する。
図５は、比較例による高速光パルス列発生装置の構成のブロック図である。 図に示すように比較例による高速光パルス列発生装置では、生成された信号が、光信号生成部１１を起点として、光分岐器１２→光遅延線１３→光電変換部１４→バイアス電源供給部１５−１→電気増幅器１６−１→電気フィルタ１７→電気的タイミング調整部１８→電気増幅器１６−２→バイアス電源供給部１５−２を通って、光信号生成部１１に至る帰還ループが形成されている。

光信号生成部１１が、この帰還ループを通った帰還信号１１−１３を受け入れて、該帰還信号１１−１３に同期した光パルス列を生成する。ここでは一例としてＤＢＲ（分布反射）型モード同期半導体レーザを用いてパルス繰り返し周期４０ＧＨｚ（一例）の光パルス列を生成している。

従来から良く知られているように、帰還信号１１−１３に同期が取られた誘導放出光が、基本的には、共振器長で規定されるモード同期周波数ｆ_ＭＬに対応する光パルス列として放出される。この放出された光パルス列は、光分岐器１２で分割され、その一方の信号は後に続く光遅延線１３へ供給され、他方の信号は所定の外部機器１９へ供給される。

この一方の信号は、光遅延線１３で所定の時間Ｔｄ遅延され、光信号生成部１１に帰還される。即ち、光信号生成部１１を起点とし、光遅延線１３を通って、再度光信号生成部１に至る閉ループの中で、上記動作が繰り返される。
従って、比較例による高速光パルス列発生装置の帰還ループ内に於けるパルスの周回特性は、次式で表される。

φ_Ｅ＋ωＬ／ｖ＝２ｎπ・・・・・・・（１１式）
ここでＬは、光遅延線１３の長さ、ｖは、光遅延線１３中に於ける光速度、φ_Ｅは、電気回路中に於ける移相量、ｎは整数、を表す。
（１１式）は、上記、閉ループ内での増幅率が１を越える時にパルス列を生成することになる。
一般にφ_Ｅ≪ωＬ／ｖなので（１１式）の両辺をωＬ／ｖで割って次式を得る。
ｆ＝ｎｖ／Ｌ＝ｎ／Ｔｄ・・・・・・・・・・・（１２式）

比較例では、一例として、光遅延線１３での遅延時間をＴｄ＝１μＳｅｃに設定し、且つ、電気的タイミング調整部１８によって電気回路中に於ける移相量φ_Ｅを正確に調整することによってｆ_０＝Ｆ_０＝４０ＧＨｚに設定している。ここでＦ_０は、光パルス列発生装置の光パルス繰り返し周波数である。このように設定することによって（１２式）より、隣り合うスペクトル間隔は（１／Ｔｄ）＝１ＭＨｚになる。この隣り合うスペクトル間での減衰量は極めて大きくなる。
従って、発振周波数スペクトルＦ_０が、ノイズ成分を含んでいても、そのノイズ成分の内、（１２式）に示す周波数スペクトル以外の成分は帰還ループ周回中に大きく減衰してしまう事になる。

その結果、比較例による高速光パルス列発生装置は、ジッタ成分の小さい安定した高速繰り返し光パルス列を生成しうることが分かる。しかし、比較例による高速光パルス列発生装置では、光信号生成部１１から出力された信号を上記帰還ループを通して光信号生成部１１に帰還させるにあたり、光信号生成部１１から出力された光パルス列を光分岐部１２で分岐させ、一方を光電変換部１４へ、他方を外部機器１９へ供給している。従って、外部機器１９が得る光パルス列の強度が小さくなってしまい、実際に光通信に使用するためには、ＥＤＦＡ（光増幅器）等によって光強度を増幅する必要があった。
特開平０８−０１８１３９号公報

上記、比較例において光信号生成部１１から出力された信号を上記帰還ループを通して光信号生成部１１に帰還させるにあたり、光信号生成部１１から出力された光パルス列を光分岐部１２で分岐させ、一方を光電変換部１４へ、他方を外部機器１９へ供給しているため、外部機器１９が得る光パルス列の強度が小さくなってしまい、実際に光通信に使用するためには、ＥＤＦＡ（光増幅器）等によって光強度を増幅する必要があった点である。

閉ループを通って帰還する帰還信号を受け入れて、該帰還信号に同期した光パルス列を生成する光信号生成部と、該光信号生成部の生成する上記光パルス列を受け入れて、所定の時間遅延させて出力する光遅延部と、該光遅延部の出力する光パルス列を受け入れて電気信号に変換する光電変換部と、該光電変換部の出力信号を、タイミングを調整して上記帰還信号として上記光信号生成部へ供給するタイミング調整部とを備える高速光パルス列発生装置に於いて、上記光信号生成部は、上記閉ループへ上記光パルス列を供給する一方の端面と、上記高速光パルス列発生装置の出力光として上記光パルス列を出力する他方の端面とを有することを最も主要な特徴とする。

上記光信号生成部が、上記閉ループへ上記光パルス列を供給する一方の端面と、上記高速光パルス列発生装置の出力光として上記光パルス列を出力する他方の端面とを有するので、光パルス列を光分岐部で分岐させ、上記閉ループへ供給する光パルス列と、外部機器へ供給する光パルス列とに分割することが無くなるため、外部機器が得る光パルス列の強度が大きくなり、実際に光通信に使用するために、ＥＤＦＡ（光増幅器）等によって光強度を増幅する必要が無くなるという効果を得る。

上記光信号生成部をモード同期半導体レーザで構成し、上記閉ループの内部に上記光電変換部の出力電気信号を受け入れて所定の周波数成分のみ上記タイミング調整部へ供給する電気フィルタを備え、更に、上記光遅延部の遅延時間を１０^−６秒以上遅延させることよってノイズ成分が小さく、且つ、廉価な高速光パルス列発生装置を得る。

以下、本発明の実施の形態を実施例を用いて説明する。
図１は、本発明による高速光パルス列発生装置の構成のブロック図である。
図に示すように本発明による高速光パルス列発生装置は、光信号生成部１、光遅延線２、光電変換部３、バイアス電源供給部４−１及び４−２、電気増幅器５、電気フィルタ６、電気的タイミング調整部７とを備える。

光信号生成部１は、帰還信号１−１４を受け入れて、該帰還信号１−１４に同期した光パルス列を生成する部分である。通常半導体レーザが用いられる。ここでは一例としてＤＢＲ（分布反射）型モード同期半導体レーザを用いてパルス繰り返し周期４０ＧＨｚ（一例）の光パルス列を生成している。

このＤＢＲ型モード同期半導体レーザ（光信号生成部１）は、従来からよく知られているように、半導体材料から成るｎ型クラット層１−１、ｐ型クラット層１−２、及び両者の間に光導波路層１−３を有する積層構造を備える。このＤＢＲ型モード同期半導体レーザには、強度変調領域として作用する可飽和吸収領域１−４、誘導放出光を生成するための利得領域１−５、受動光導波路領域１−６、及び均一な所定の格子間隔を連続して一様に有する回折格子１−７が設けられている。

例えば、ｎ型クラット層１−１をＮ型ＩｎＰ、ｐ型クラット層１−２をｐ型ＩｎＰ、光導波路層１−３をＩｎＧａＡｓＰで、それぞれ形成することにより、上記積層構造にダブルヘテロ構造を採用することが出来る。図示しないが、光導波路層１−３の紙面と垂直方向両端には、該光導波路層の紙面と垂直方向への光の漏れを防止するために一対の側方クラッドが設けられている。

ｎ型クラット層１−１には、接地される共通電極１−８が設けられ、また、ｐ型クラット層１−２には、可飽和吸収領域１−４及び利得領域１−５に対応して、それぞれ、可飽和吸収領域の電極１−９、利得領域の電極１−１０が形成されている。

利得領域の電極１−１０と共通電極１−８との間には、直流電源１−１１が接続されている。利得領域１−５は、この順方向の直流電源１−１１により、所定の誘導放出光を放出する部分である。この誘導放出光は、光導波路層１−３の一端に設けられている回折格子１−７の端面Ｒ、及び、可飽和吸収領域１−４の端面Ｌを反射面として、これら両反射面間で規定される共振器長で、光導波路層１−３内を循環する。

可飽和吸収領域１−４に対応する可飽和吸収領域の電極１−９と共通電極１−８との間には、逆バイアス直流電源１−１２による逆バイアス電圧、及び発振周波数を調整可能とする帰還信号１−１４が供給される。可飽和吸収領域１−４は、逆バイアス直流電源１−１２から逆バイアス電圧を印加されることにより、光導波路層１−３内を循環する誘導放出光の一部を効率的に吸収する。

これにより、誘導放出光は、従来から良く知られているように、そのモード間の同期が取られる。この同期が取られた誘導放出光が所定の強度に達すると、回折格子１−７の端面Ｒと可飽和吸収領域１−４の端面Ｌから、基本的には、共振器長で規定されるモード同期周波数ｆ_ＭＬに対応する光パルス列として放出される。

上記帰還信号１−１４が可飽和吸収領域１−４に印加されることにより、レーザ光のジッタが低減される。又、帰還信号１−１４によって光パルス列の出力タイミングが制御される。

光遅延線２は、光信号生成部１の端面Ｒから光パルス列を受け入れて所定の時間遅延させる部分である。ここでは一例として分散シフト型光ファイバを用いているが、本発明は、必ずしもこの例に限定されるものでは無い。即ち、他の種類の光ファイバであっても良いし、あるいは又光ファイバ以外の光伝搬媒体であっても良い。
但し、光伝搬損失が小さくＱ特性の良いものが望ましい。

光電変換部３は、光遅延線２から光パルス列を受け入れて電気信号に変換する光電変換器である。ここでは、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）を用いているが、本発明は、必ずしもこの例に限定されるものでは無い。即ち、他の種類のフォトダイオードであっても良い。
但し、検出感度が良く、且つ、広帯域であることが望ましい。

バイアス電源供給部４−１は、光電変換部３の出力電気信号を受け入れて後に続く電気フィルタ６へ供給すると共に、光電変換部３の入出力応答の直線性維持等のために、使用上求められている逆バイアス電圧を光電変換部３に印加するマイクロ波素子である。この逆バイアス電圧は、所定の電子回路（図示していない）によって生成される。

電気フィルタ６は、バイアス電源供給部４−１の出力電気信号を受け入れて、所定の周波数成分のみを通過させるマイクロ波フィルタである。ここでは、通過信号の中心周波数Ｆ_０＝４０ＧＨｚ、通過帯域Ｂ_Ｗ＝Ｆ_０±２５０ＭＨｚ、４０ＧＨｚでの挿入損出５．３ｄｂ、通過帯域以外での減衰量４０ｄｂ以上のマイクロ波フィルタを用いた。この電気フィルタ６を用いる事によって光パルス列の高調波成分や、装置内で発生する光電変換ノイズ等を除去している。

電気的タイミング調整部７は、電気フィルタ６の出力電気信号（電気パルス列）を受け入れて、所定の時間遅延させる電気的遅延線である。一例として高周波ストリップライン等によって構成される。この電気的タイミング調整部７としては、遅延時間可変可能な可変遅延線であることが望ましい。

電気増幅器５は、電気的タイミング調整部７から出力電気信号を受け入れて、増幅して出力するマイクロ波増幅器である。
バイアス電源供給部４−２は、電気増幅器５の出力電気信号を受け入れて後に続く光信号発生部１に帰還させると共に、光信号生成部１の出力信号の直線性維持等のために、所定のバイアス電圧を供給する部分である。使用上求められている所定のバイアス電圧を光電変換部３に印加するマイクロ波素子である。このバイアス電圧は、所定の電子回路（図示していない）によって生成される。

本発明による高速光パルス列発生装置は、パルス列が、光信号生成部１を起点として、光信号生成部１→光遅延線２→光電変換部３→バイアス電源供給部４−１→電気フィルタ６→電気的タイミング調整部７→電気増幅器５→バイアス電源供給部４−２を通って光信号生成部１へ帰還される。

即ち、本発明による高速光パルス列発生装置は、光遅延線２を用いた閉ループ帰還型発振器を構成している。尚、光信号生成部１の端面Ｒには、光遅延線２が接続され、光信号生成部１の端面Ｌからは、図示しない外部機器８に、高速光パルス列発生装置の出力光として光パルス列が出力される。但し、端面Ｒから出力される光パルス列の光強度と、端面Ｌから出力される光パルス列の光強度は、略略等しいので、接続を逆にしてもかまわない。

次に、上記実施例の動作について説明する。
上記のように本発明による高速光パルス列発生装置は、遅延線を用いた閉ループ帰還型発振器である。光信号生成部１に何らかの信号が印加されると、その信号が、光信号生成部１で増幅され光パルス列となって出力される。この光パルス列は、光信号生成部１の端面Ｒと、端面Ｌから略略同一の光強度で出力される。端面Ｒ、又は端面Ｌの何れか一方から出力される光パルス列は、光遅延線２で所定の時間Ｔｄ遅延され、光信号生成部１に帰還される。即ち、光信号生成部１を起点とし、光遅延線２を通って、再度光信号生成部１に至る閉ループの中で、上記動作が繰り返される。従って、本発明による高速光パルス列発生装置の閉ループ内に於けるパルスの周回特性は、次式で表される。

φ_Ｅ＝ωＬ／ｖ＝２ｎπ・・・・・・・（１式）
ここでＬは、光遅延線２の長さ、ｖは、光遅延線２中に於ける光速度、φ_Ｅは、電気回路中に於ける移相量、ｎは整数、を表す。
（１式）は、上記、閉ループ内での増幅率が１を越える時にパルス列を生成することになる。
一般にφ_Ｅ≪ωＬ／ｖなので（１式）の両辺をωＬ／ｖで割って次式を得る。
ｆ＝ｎｖ／Ｌ＝ｎ／Ｔｄ・・・・・・・・・・・（２式）

上記、（２式）を用いて本発明による高速光パルス列発生装置の、発振器としての特性を表すと次のようになる。
図２は、本発明による高速光パルス列発生装置の発振特性図である。
図に於いて（ａ）は、発振可能な周波数スペクトル、即ち、閉ループ内に存在しうる周波数成分を、（ｂ）は、発振周波数スペクトル即ち、光信号生成部１（図１）の発振周波数成分Ｆ_０を、それぞれ表している。

本発明では、一例として、光遅延線２での遅延時間をＴｄ＝１μｓｅｃに設定し、且つ、電気的タイミング調整部７によって電気回路中に於ける移相量φ_Ｅを正確に調整することによってｆ_０＝Ｆ_０＝４０ＧＨｚに設定した。又、このように設定することによって（２式）より（ａ）に於ける、隣り合うスペクトル間隔は（１／Ｔｄ）＝１ＭＨｚになる。この隣り合うスペクトル間での減衰量は極めて大きくなる。
従って、発振周波数スペクトルＦ_０が、ノイズ成分を含んでいても、そのノイズ成分の内、（ａ）に示す周波数スペクトル以外の成分は閉ループ周回中に大きく減衰してしまう事になる。

図３は、本発明による高速光パルス列発生装置のノイズ特性図である。
図に於いて縦軸は、ノイズレベル減衰量（ｄＢ）を表し、横軸にノイズ周波数（ＭＨｚ）を表している。又、実線で表している特性は、本発明による高速光パルス列発生装置の出力光パルス列のノイズ特性を表し、点線で表している特性は、閉ループを形成させずに光信号生成部１（図１）の可飽和吸収領域の電極１−９に帰還信号１−１４（図１）に換えて、信号発生器（図示していない）から直接４０ＧＨｚの正弦波信号を印加した場合の出力光パルス列のノイズ特性を表している。

図から分かるように、本発明による高速光パルス列発生装置の出力光パルス列のノイズレベルは、信号発生器（図示していない）から直接４０ＧＨｚの正弦波信号を印加した場合の出力光パルス列のノイズレベルに比較して数十ｄＢ減衰していることが分かる。
従って、信号発生器から直接４０ＧＨｚの正弦波信号を印加した場合に、４０ＧＨｚの正弦波信号を如何に正確に制御しても、出力光パルス列のノイズレベルでは、本発明による高速光パルス列発生装置には、遙かに及ばないことが分かる。

又、図３のグラフを周波数（横軸）で積分した値が、出力光パルス列のジッタ（波形の揺らぎ）成分になることは良く知られている。
即ち、本発明による高速光パルス列発生装置は、ジッタ成分の小さい安定した高速繰り返し光パルス列を生成しうることが分かる。

次に、出力光パルス列のジッタ特性と光遅延線２（図１）の長さＬとの関係について説明する。
図４は、本発明による高速光パルス列発生装置のジッタ特性図である。
図に於いて縦軸は、時間ジッタ（ｐｓｅｃ）と、遅延時間（ｓｅｃ）を表し、横軸に光遅延線の長さＬ（ｍ）を表している。又、実線は、実測値（黒丸）を繋いだグラフであり、点線は、実測値を平滑化した推定グラフである。一点鎖線は、光遅延線の長さＬ（ｍ）に対する遅延時間（ｓｅｃ）を表すグラフ（直線）である。
図に示すように光遅延線の長さがＬ＝１Ｋｍ以上になると時間ジッタは、０．１ｐｓｅｃ以下となり、極めて良好な特性が得られていることが分かる。

上記説明では、電気フィルタ６として、通過信号の中心周波数Ｆ_０＝４０ＧＨｚ、通過帯域Ｂ_Ｗ＝Ｆ_０±２５０ＭＨｚ、４０ＧＨｚでの挿入損出５．３ｄｂ、通過帯域以外での減衰量４０ｄｂ以上のマイクロ波フィルタを用いたが、本発明に用いられる電気フィルタ６としては、このマイクロ波フィルタに限定されるものでは無い。Ｆ_０で共振するＱ値の高い共振器をマイクロ波フィルタに換えて用いる事等により、より一層特性を向上させることが出来る。

又、図示しない外部機器８（図１）には、光信号生成部１の端面Ｌから直接、高速光パルス列発生装置の出力光として光パルス列が出力されるので、上記比較例のように光パルス列を光分岐部で分岐させ、上記閉ループへ供給する光パルス列と、外部機器へ供給する光パルス列とに分割する必要が無くなるため、外部機器８（図１）が得る光パルス列の強度が大きくなり、実際に光通信に使用するために、ＥＤＦＡ（光増幅器）等によって光強度を増幅する必要が無くなる。

更に、閉ループ帰還信号を受け入れて、該閉ループ帰還信号に同期した光パルス列を生成する光信号生成部と、該光信号生成部の生成する上記光パルス列を受け入れて、所定の時間遅延させて出力する光遅延部と、該光遅延部の出力光を受け入れて電気信号に変換する光電変換部と、該光電変換部の出力信号のタイミングを調整し、上記閉ループ帰還信号として上記光生成部へ供給するタイミング調整部とを備えることによって、発振周波数が安定し、且つ、廉価な高速繰り返し光パルス列発生装置を実現することが出来るという効果を得る。

本発明は、大規模光ネットワーク中に配置される光信号中継器等に利用される。

本発明による高速光パルス列発生装置の構成のブロック図である。 本発明による高速光パルス列発生装置の発振特性図である。 本発明による高速光パルス列発生装置のノイズ特性図である。 本発明による高速光パルス列発生装置のジッタ特性図である。 比較例による高速光パルス列発生装置の構成のブロック図である。

符号の説明

１ 光信号生成部
１−１ ｎ型クラット層
１−２ ｐ型クラット層
１−３ 光導波路層
１−４ 可飽和吸収領域
１−５ 利得領域
１−６ 受動光導波路領域
１−７ 回折格子
１−８ 共通電極
１−９ 可飽和吸収領域の電極
１−１０ 利得領域の電極
１−１１ 直流電源
１−１２、１−１３ 逆バイアス直流電源
１−１４ 帰還信号
２ 光遅延線
３ 光電変換部
４−１、４−２ バイアス電源供給部
５ 電気増幅器
６ 電気フィルタ
７ 電気的タイミング調整部

Claims (4)

1. 閉ループを通って帰還する閉ループ帰還信号を受け入れて、該閉ループ帰還信号に同期した光パルス列を生成する光信号生成部と、
   該光信号生成部の生成する前記光パルス列を受け入れて、所定の時間遅延させて出力する光遅延部と、
   該光遅延部の出力する光パルス列を受け入れて電気信号に変換する光電変換部と、
   該光電変換部の出力電気信号を受け入れて所定の周波数成分のみ前記閉ループ帰還信号として前記光信号生成部へ供給する電気フィルタとを備え、
   前記光信号生成部は、
   前記閉ループへ前記光パルス列を供給する一方の端面と、所望される出力光として前記光パルス列を出力する他方の端面とを有することを特徴とする高速光パルス列発生装置。
2. 請求項１に記載の高速光パルス列発生装置に於いて、
   前記光電変換部の出力電気信号を受け入れて所定の周波数成分のみ前記タイミング調整部へ供給する電気フィルタを更に備えることを特徴とする高速光パルス列発生装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高速光パルス列発生装置に於いて、
   前記光信号生成部は、
   モード同期半導体レーザであることを特徴とする高速光パルス列発生装置。
4. 請求項１から請求項３の何れか１項に記載の高速光パルス列発生装置に於いて、
   前記光遅延部は、
   受け入れた前記光パルス列を１０^−６秒以上、遅延させて出力する光ファイバであることを特徴とする高速光パルス列発生装置。

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