JP2005236744A - 短光パルス発生器 - Google Patents

Abstract

【課題】連続的な広い周波数範囲から任意の安定なパルス繰り返し周波数及び中心周波数を選択して短光パルスを発生することができる短光パルス発生器を提供すること。
【解決手段】単一モードのレーザ光１１を位相変調し１２、搬送波と側帯波の各々の位相と振幅を制御し１３、短光パルスを発生する。単一モードレーザ１１に可変波長光源を利用すれば、アレイ導波路回折格子１３の中心周波数を温度制御することと併用して広い範囲での中心周波数の設定を任意に行うことが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、短光パルス発生器に関し、特に連続的な任意の周波数のパルス繰り返し周波数及び中心周波数の短光パルスを発生して、光通信、光計測に適用して好適な短光パルス発生器に関する。

従来の同期可能な短光パルス発生器としては、半導体モードロックレーザ及び光ファイバモードロックレーザが公知の技術として存在する。他の従来技術として、半導体モードロックレーザ光をアレイ導波路回折格子で分光し、各モードの位相と振幅を制御するパルスシンセサイザが公知の技術である（例えば、非特許文献１参照）。
Naoya Wada他４名、"160GHz to 20GHz variable rate RZ and CS-RZ pulse trains generation by using phase and attenuation tunable high-resolution AWG, and its application to photonic networks"（ＣＬＥＯ Europe 2003 国際会議 ポストデッドラインペーパー、2003年6月2日）

しかし、半導体モードロックレーザ及び光ファイバモードロックレーザでは、パルス繰り返し周波数は、光パルスの共振器の共振周波数に一致する必要があるため離散的な値である必要がある。また、半導体モードロックレーザの場合は、エッチングで長さを決めているのではなく、劈開で割って作っているので狙った長さで切るのは難しいために、短光パルスの中心周波数の制御がほとんど不可能である。また、光ファイバモードロックレーザの場合はメートル級の温度依存性が高いファイバをリング状にするので、安定に出力するためには恒温にするための技術が必要になる。

また、半導体モードロックレーザ光をアレイ導波路回折格子で分光し、各モードの位相と振幅を制御する場合も、半導体モードロックレーザを種光源として利用するため、同様の課題がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、連続的な広い周波数範囲から任意の安定なパルス繰り返し周波数及び中心周波数を選択して短光パルスを発生することができる短光パルス発生器を提供することを目的とする。

本発明の短光パルス発生器は、発光波長可変の光を単一モードで発光する単一モードレーザと、該単一モードレーザからの出射光の位相を変調する光位相変調器と、周波数ｆoで該光位相変調器を駆動する位相変調器駆動回路と、前記光位相変調器からの出射光を周波数ｆo間隔で分光可能なアレイ導波路回折格子と、該アレイ導波路回折格子によって分光された各々の側帯波及び搬送波を独立に振幅変調するスペクトル振幅変調器と、該アレイ導波路回折格子によって分光された各々の側帯波及び搬送波を独立に位相変調するスペクトル位相変調器と、前記スペクトル振幅変調器によって振幅変調され、前記スペクトル位相変調器によって位相変調された側帯波及び搬送波を合波する合波器とを備える。

また、前記位相変調器駆動回路は、正弦波によって前記光位相変調器を駆動し、前記光位相変調器は、位相変調量が０次のベッセル関数の零点を与える位相変調量φo(Ｊo,ｋ)±０.５[rad]（ｋ：自然数）の範囲内であることで、損失が低く、かつ、短パルスの生成が可能である。

また、前記搬送波と側帯波の各光強度をモニタするスペクトルモニタ回路を更に備え、前記スペクトル振幅変調器は、該スペクトルモニタ回路の出力によって光スペクトルの包絡線を制御することで、ほとんどの任意波形の短光パルスを簡易に発生することができる。

また、前記合波器からの出射パルス波形をモニタするパルス波形モニタ回路を更に備え、前記スペクトル位相変調器は、該パルス波形モニタ回路の出力によってパルス波形を制御することで、任意波形の短光パルスを簡易に発生することができる。

また、前記位相変調器駆動回路は、周波数ｆoの成分のみを透過する帯域透過フィルタを有することで、波形制御のために扱いやすい正弦波に近い波形で光位相変調器を駆動することができる。

また、前記光位相変調器は、複数の光位相変調器から成り、前記位相変調器駆動回路は、それら複数の光位相変調器を同期して駆動することで、大きい位相変調度を得ることができるので、スペクトルが広帯域化され、より短いパルス幅の短光パルス発生が可能となる。

また、前記アレイ導波路回折格子は、各分光導波路の光路長が等しいことで、スペクトル位相変調器の電流−位相変調特性が予め求められていれば、出力波形をモニタしなくても任意の波形の短パルスを発生することが可能である。

本発明によって得られる効果を簡単に説明すれば、下記の通りである。

第１の効果は、パルス繰り返し周波数及び中心周波数のいずれも、離散的な周波数ではなく連続的な広い周波数範囲から任意に選択して安定的に短光パルスを発生できることである。

第２の効果は、半導体モードロックレーザ及び光ファイバ型モードロックレーザでは、レーザ媒質の非線形効果によってパルスが予期しない（制御困難な）周波数チャープを持ってしまうのに対して本発明では、短パルスがレーザ媒質を含む共振器中を伝搬せず、非線形性の小さい構成要素を利用できるので所望の周波数チャープを設定できる。

第３の効果は、波長合分波器中にあるスペクトル位相変調器とスペクトル振幅変調器を制御することによって、光パルス波形を任意に決定することが可能であり、ガウシアン型、ハイパボリックセカント型、スーパーガウシアン型、ローレンツ型等のパルス発生が可能である。

第４の効果は、複数の位相変調器を利用することにより、スペクトルを広帯域化し、パルス幅の短パルス化が可能になる。

第５の効果は、アレイ導波路回折格子の各分光導波路の光路長を等しくすることにより、出力波形をモニタしなくても任意の波形の短パルスを発生することが可能である。さらに、単一パルス発生だけでなく、複数の光パルスから構成される双峰性パルス、光パケット、ダークソリトン等の発生にも容易に適用できる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施の形態による短光パルス発生器の構成を示すブロック図である。本実施の形態の短光パルス発生器は、可変波長光源１１、光位相変調器１２、波長合分波器１３、位相変調器駆動回路１４、及び制御回路１５から成る。

可変波長光源１１は、発光波長（周波数ｆc）可変の光を単一モードで発光する単一モードレーザであって、例えば、外部共振器型半導体レーザ（１.５ミクロン帯で波長可変範囲：1480〜1620ｎｍ、波長可変幅：100〜150ｎｍ程度）、ＤＢＲ（distributed Bragg reflector：分布ブラッグ反射）型半導体レーザ（波長可変幅：４〜８ｎｍ程度）、ＤＦＢ（Distributed Feedback：分布帰還）型半導体レーザ（波長可変幅：２〜５ｎｍ程度）などが使える。

光位相変調器１２は、ニオブ酸リチウム、InP、又はGaAs等の半導体を利用して作製され、可変波長光源１１からの出射光の位相を変調する。

位相変調器駆動回路１４は、繰り返し周波数ｆoの電気信号で光位相変調器１２を駆動する。例えば、正弦波の電気信号を利用すれば、搬送波、±１次の側帯波、±２次の側帯波、・・・は、各々０次、１次、２次、・・・のベッセル関数に対応するスペクトル振幅を有することになる。なお、スペクトル振幅はＪn(φ)（ｎはベッセル関数の次数、φは位相変調指数）に比例する。

波長合分波器１３は、光位相変調器１２からの出射光の各モードを分光し、各モードそれぞれの振幅と位相を制御して任意波形のパルス及びパルス列を発生する（図２で詳述する）。

制御回路１５は、波長合分波器１３からの出射光のスペクトルと波形をモニタし、波長合分波器１３における各モードそれぞれの振幅と位相を制御する。

図２は、本発明の第１実施の形態における波長合分波器の詳細構成を示すブロック図である。本実施の形態の波長合分波器１３は、アレイ導波路回折格子１３１、スペクトル位相変調器１３２、スペクトル振幅変調器１３３、及び反射板１３４から成る。アレイ導波路回折格子１３１は、隣接周波数のモードと周波数ｆoずつずれている各モードを分光する。可変波長光源１１からの出射光の周波数ｆcをアレイ導波路回折格子１３１の中心周波数あるいは何れかの分光出力ポートの中心周波数に一致させる。これは、アレイ導波路回折格子１３１の入力ポートを選択し、可変波長光源１１の出射光周波数ｆcの制御とアレイ導波路回折格子１３１の動作温度を制御することで可能である。スペクトル位相変調器１３２は、制御回路１５によって制御されて各モードの位相を制御する。スペクトル振幅変調器１３３は、制御回路１５によって制御されて各モードの振幅を制御する。反射板１３４は、スペクトル振幅変調器１３３からの各モードの出射光を反射して各スペクトル振幅変調器１３３に戻して入射させる。反射板１３４によって反射された各モードの光は、スペクトル振幅変調器１３３で往路と２重に振幅変調され、スペクトル位相変調器１３２で往路と２重に位相変調されて、アレイ導波路回折格子１３１で波長合波されて波長合分波器１３への入射方向に出射する。

図３は、本発明の第１実施の形態における位相変調器駆動回路の詳細構成を示すブロック図である。本実施の形態の位相変調器駆動回路は、シンセサイザ１４１、増幅器１４２、アイソレータ１４３、及び低域透過フィルタ１４４から成る。シンセサイザ１４１は、周波数ｆoの正弦波の電気信号を出力する。増幅器１４２は、シンセサイザ１４１が出力する電気信号を増幅する。アイソレータ１４３は、反射による波形歪みを押さえるためのものである。低域透過フィルタ１４４は、高調波を遮断して正弦波に近い波形を出力する。電気信号波形は、必ずしも正弦波である必要はないが、波形制御のためには正弦波である方が扱いやすい。このため、できる限り正弦波に近い波形で光位相変調器１２を駆動するために、アイソレータ１４３及び低域透過フィルタ１４４を増幅器１４２の後段に挿入する。

短光パルス発生器のパルス繰り返し周波数可変範囲Δｆは、以下のように決定される。搬送波周波数ｆcがアレイ導波路回折格子１３１の中心ポートの出射周波数に等しい場合、最も端のポートの出射周波数（最も次数の高い側帯波の周波数）が出射ポートの帯域内にあることが必要である。この時、
(Ｎ／２)×(Δｆ) ≦ｆo／４
ただし、
Ｎ：チャネル数
ｆo／２：出射ポートの帯域幅
すなわち、
Δｆ≦ｆo／(２Ｎ)
となる。例えば、位相変調周波数ｆo＝１０ＧＨｚ、チャネル数Ｎ＝５０とすれば、±１００ＭＨｚの可変が可能となる。一般に、アレイ導波路回折格子は、ほぼ中心周波数／回折次数で表されるＦＳＲ (Free Spectral Range)を有し、周波数に対してほぼ周期的に同様の特性を示すため、広い周波数範囲で可変波長光源の出射光周波数を調整して異なる中心周波数の短パルスを同一の構成で発生することが可能である。

任意波形発生法について説明する。例えば、ガウシアン型のパルスを発生する場合、光スペクトル分布がある中心周波数に対してガウシアン型の包絡線となるようにアレイ導波路回折格子１３１の各出力ポートに設けられたスペクトル振幅変調器１３３を制御する。これは、波長合分波器１３からの出射光のスペクトル、すなわち、搬送波と側帯波の各光強度をモニタするスペクトルモニタ回路を設けて、スペクトル振幅変調器１３３によって光スペクトルの包絡線を制御することで容易に達成することが可能である。このときの包絡線の中心周波数は、搬送波周波数（光源からの出射光の中心周波数）ｆc又はｆc±ｆoに設定すると良い。

図４は、包絡線の中心周波数を搬送波周波数に一致させる場合について、位相変調指数と得られるパルスのパルス幅を計算した結果を示す図である。図５は、包絡線の中心周波数を搬送波周波数に一致させる場合について、位相変調指数とパルス発生部における損失を計算した結果を示す図である。位相変調指数が０次のベッセル関数の値を０とする場合には搬送波周波数成分が無くなるので、損失が無限大になり、ガウシアン波形のパルスを発生することができない。また、同様に、次数が高い成分が欠落してもガウシアン波形が実現できず、パルスの消光比が不十分になる。これは、次数の低い成分ほど影響度が高い。図に示されているように、損失が低く、かつ、短パルス生成が可能であるのは、位相変調指数、すなわち、位相変調量が５[rad]よりも大きく、かつ、０次のベッセル関数の値が０となる値φo(Ｊo,ｋ) [rad]（ｋ：自然数）の近傍の領域、すなわち、（φo(Ｊo,ｋ)±０.５）[rad]であることが分かる。出射光の光スペクトル強度情報だけでは、任意波形を発生することはできない。位相情報を得るのは一般に困難であるから、代わりに短パルスの波形をフォトダイオードあるいは光相関器でモニタする。目標とする波形との誤差情報を得て、誤差を最小とするように、スペクトル位相変調器１３２を変調して所望のパルス波形を実現する。この最適化には、シミュレーテッドアニーリング、遺伝子アルゴリズム等の最適化法を適用することが可能である。

本発明は、ガウシアン型の単一パルス発生以外にも、ハイパボリックセカント型、スーパーガウシアン型、ローレンツ型等のパルス発生が可能であるとは言うまでもない。

図６は、本発明の第２実施の形態による短光パルス発生器の構成を示すブロック図である。本実施の形態の短光パルス発生器は、可変波長光源２１、光位相変調器２２(a)、２２(b)、波長合分波器２３、位相変調器駆動回路２４、遅延制御回路２６、及び制御回路２５から成る。可変波長光源２１、波長合分波器２３、位相変調器駆動回路２４、及び制御回路２５は図１に示す第１実施の形態の可変波長光源１１、光位相変調器１２、波長合分波器１３、位相変調器駆動回路１４、及び制御回路１５と同じものである。遅延制御回路２６は２つの光位相変調器２２(a)、２２(b)を同期して駆動するための遅延を制御する。本実施の形態では、複数の光位相変調器２２(a)、２２(b)を同期して駆動する。これにより大きい位相変調度を得ることができるので、スペクトルが広帯域化され、より短いパルス幅の短光パルス発生が可能となる。

図７は、本発明の第３実施の形態における波長合分波器の詳細構成を示すブロック図である。本実施の形態の波長合分波器１３は、スラブ導波路３１、アレイ導波路３２、スラブ導波路３３、分光導波路３４、スペクトル位相変調器３５、スペクトル振幅変調器３６、及びミラー３７から成る。スペクトル位相変調器３５、スペクトル振幅変調器３６、及びミラー３７は、図２に示す第１実施の形態の波長合分波器のスペクトル位相変調器１３２、スペクトル振幅変調器１３３、及び反射板１３４と同じものである。本実施の形態では、スラブ導波路３１、アレイ導波路３２、スラブ導波路３３、及び分光導波路３４によってアレイ導波路回折格子の各分光導波路の光路長を等しくしてある。このため、各スペクトル位相変調器３５の駆動電流が等しい場合は、各分光導波路を伝搬する光の相対的位相差は０に保たれる。この形態では、スペクトル位相変調器３５の電流−位相変調特性が予め求められていれば、出力波形をモニタしなくても任意の波形の短パルスを発生することが可能である。さらに、単一パルス発生だけでなく、複数の光パルスから構成される双峰性パルス、光パケット、ダークソリトン等の発生にも容易に適用できる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

上記実施の形態では基板面積を節約できる反射型のアレイ導波路回折格子を示したが、損失を低減できる透過型で構成しても良い。すなわち、上記実施の形態では分波と合波のために１つのアレイ導波路回折格子を兼用して用いたが、分波と合波のそれぞれに専用のアレイ導波路回折格子を用いても良い。

本発明の第１実施の形態による短光パルス発生器の構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施の形態における波長合分波器の詳細構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施の形態における位相変調器駆動回路の詳細構成を示すブロック図である。 包絡線の中心周波数を搬送波周波数に一致させる場合について、位相変調指数と得られるパルスのパルス幅を計算した結果を示す図である。 包絡線の中心周波数を搬送波周波数に一致させる場合について、位相変調指数とパルス発生部における損失を計算した結果を示す図である。 本発明の第２実施の形態による短光パルス発生器の構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施の形態における波長合分波器の詳細構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１ 可変波長光源（単一モードレーザ）
１２ 光位相変調器
１３ 波長合分波器（アレイ導波路回折格子、合波器）
１４ 位相変調器駆動回路
１５ 制御回路
１３１ アレイ導波路回折格子
１３２ スペクトル位相変調器
１３３ スペクトル振幅変調器
１３４ 反射板
１４１ シンセサイザ
１４２ 増幅器
１４３ アイソレータ
１４４ 低域透過フィルタ
２１ 可変波長光源
２２(a)、２２(b) 光位相変調器
２３ 波長合分波器
２４ 位相変調器駆動回路
２５ 制御回路
２６ 遅延制御回路
３１、３３ スラブ導波路
３２ アレイ導波路
３４ 分光導波路
３５ スペクトル位相変調器
３６ スペクトル振幅変調器
３７ ミラー

Claims (7)

1. 発光波長可変の光を単一モードで発光する単一モードレーザと、
   該単一モードレーザからの出射光の位相を変調する光位相変調器と、
   周波数ｆoで該光位相変調器を駆動する位相変調器駆動回路と、
   前記光位相変調器からの出射光を周波数ｆo間隔で分光可能なアレイ導波路回折格子と、
   該アレイ導波路回折格子によって分光された各々の側帯波及び搬送波を独立に振幅変調するスペクトル振幅変調器と、
   該アレイ導波路回折格子によって分光された各々の側帯波及び搬送波を独立に位相変調するスペクトル位相変調器と、
   前記スペクトル振幅変調器によって振幅変調され、前記スペクトル位相変調器によって位相変調された側帯波及び搬送波を合波する合波器と
   を備えることを特徴とする短光パルス発生器。
2. 前記位相変調器駆動回路は、正弦波によって前記光位相変調器を駆動し、前記光位相変調器は、位相変調量が０次のベッセル関数の零点を与える位相変調量φo(Ｊo,ｋ)±０.５[rad]（ｋ：自然数）の範囲内であることを特徴とする請求項１記載の短光パルス発生器。
3. 前記搬送波と側帯波の各光強度をモニタするスペクトルモニタ回路を更に備え、前記スペクトル振幅変調器は、該スペクトルモニタ回路の出力によって光スペクトルの包絡線を制御することを特徴とする請求項１記載の短光パルス発生器。
4. 前記合波器からの出射パルス波形をモニタするパルス波形モニタ回路を更に備え、前記スペクトル位相変調器は、該パルス波形モニタ回路の出力によってパルス波形を制御することを特徴とする請求項３記載の短光パルス発生器。
5. 前記位相変調器駆動回路は、周波数ｆoの成分のみを透過する帯域透過フィルタを有することを特徴とする請求項１記載の短光パルス発生器。
6. 前記光位相変調器は、複数の光位相変調器から成り、前記位相変調器駆動回路は、それら複数の光位相変調器を同期して駆動することを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の短光パルス発生器。
7. 前記アレイ導波路回折格子は、各分光導波路の光路長が等しいことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の短光パルス発生器。
   
   

Images