JP2006106237A - 光変調器、光パルス増幅器及び光の変調方法 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の波長を有する光を提供できる光変調器、その光変調器を備えた光パルス増幅器及び光の変調方法を提供する。また、他の目的は、非常に容易に調整でき、消費電力を低く抑えることができるとともに装置のコンパクト化に優れた光変調器、その光変調器を備えた光パルス増幅器及び光の変調方法を提供する。
【解決手段】本発明の光変調器１０は、光を入出力する光サーキュレータ２と、光サーキュレータ２から出力された光を平行光線束にして出力するコリメータ３と、平行光線束を変調する光変調素子４とを備えている。そして、光変調素子４で変調された光を反射する反射手段５を備え、反射手段５で反射された光は、光変調素子４で再度変調されて光変調素子４から出射され、光サーキュレータ２へ入力される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光変調器、光パルス増幅器及び光の変調方法に関する。

従来より、パルス幅の狭いパルス光を増幅する光パルス増幅器やその光パルス増幅器を備えた高出力パルス光源などが知られている。

例えば、特許文献１には、パルス種光源と、第１エルビウムドープファイバ増幅器と、バンドパスフィルタと、第２エルビウムドープファイバ増幅器とを備え、この順に信号光が伝送されてなる高出力パルス光源が開示されている。そして、パルス種光源は、パルス状の電気信号を出力するパルス信号源と、そのパルス信号源からのパルス状電気信号をパルス光に変換するレーザダイオードとからなる。

この高出力パルス光源では、パルス種光源から出力されたパルス光は、第１エルビウムドープファイバ増幅器で増幅される。この第１エルビウムドープファイバ増幅器では、パルス光が増幅されたときに、自然放出光などの所望でない光が放出されてしまう。そのため、バンドパスフィルタにより、この所望でない光がカットされる。ここで、このバンドパスフィルタは中心波長が１５５０ｎｍ帯であり半値全幅が５ｎｍであるフィルタであるため、このバンドパスフィルタを通過した光は波長範囲が極めて狭い光である。従って、所望の波長を有する光のみが第２エルビウムドープファイバ増幅器へ入力されることとなり、その光はこの第２エルビウムドープファイバ増幅器で再度増幅される。

そして、このパルス種光源では、パルス種光源への駆動電流値を制御することにより、パルスオフ時の出力パワーを１００μＷ以下に抑えることができる。従って、このパルス種光源から出力されるパルス光の消光比は比較的高い。そのため、この高出力パルス光源は高ピークを有するパルス光を出力する、と記載されている。なお、消光比とは、パルス光の波形のピークにおけるパワーの値とそのパルス光の波形の底辺におけるパワーの値との比である。そのため、消光比の値が高ければ高いほど、その光は高いピークを有するパルス光であると言える。
特開２００２−７６４８４号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている高出力パルス光源では、このパルス種光源への駆動電流値が小さいときとその電流値が大きいときとで、このパルス種光源からの出力光の波長が異なる。従って、このパルス種光源からの出力光の線幅は大きくなってしまう。そのため、例えば、第２エルビウムドープファイバ増幅器へ入力されるべき信号光がバンドパスフィルタでカットされてしまったり、上述の自然放出光などのバンドパスフィルタでカットされるべき光が第２エルビウムドープファイバ増幅器へ入力されてしまったりする。よって、所望の波長を有する光が第２エルビウムドープファイバ増幅器へ入力されない虞がある。以上より、特許文献１に記載されている高出力パルス光源は、所望の波長を有する光を出力できない場合がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、所望の波長を有する光を提供できる光変調器、その光変調器を備えた光パルス増幅器及び光の変調方法を提供することにある。また、他の目的は、非常に容易に調整でき、消費電力を低く抑えることができるとともに装置のコンパクト化に優れた光変調器、その光変調器を備えた光パルス増幅器及び光の変調方法を提供することにある。

本発明の光変調器は、光を入出力する光サーキュレータと、該光サーキュレータから出力された光を平行光線束にして出力するコリメータと、該平行光線束を変調する光変調素子とを備えている光変調器であって、前記光変調素子で変調された光を反射する反射手段を備え、前記反射手段で反射された光は、前記光変調素子で再度変調されて該光変調素子から出射され、前記光サーキュレータへ入力される。

また、本発明の光変調器では、前記光変調素子は、前記平行光線束に対して、該光変調素子から出射される光の強度が実質的に極大となる角度に配置されていることが好ましい。これにより、光変調素子へ入射される光はその強度を著しく低下させることなく入射され、光変調素子から出射される光はその強度を著しく低下させることなく出射される。

また、本発明の光変調器では、前記反射手段は、前記光変調素子に接して設けられていてもよく、前記光変調素子と離れて設けられていてもよい。

また、本発明の光変調器では、前記光変調素子へ入射された光は、該光変調素子においてパルス光に変調されることが好ましい。なお、ここでは、光がパルス光へ変調されることをパルス化という。

また、本発明の光変調器では、前記光変調素子は、音響光学素子であることが好ましい。ここで、音響光学素子は、例えば、二酸化テルル、リチウムナイオベイト、カルコゲナイトガラス、溶融石英、ガリウムリンなどの結晶からなる。

また、本発明の光変調器では、前記反射手段は、ミラーであることが好ましい。

本発明の光パルス増幅器は、請求項１から６のいずれか一つに記載されている光変調器を備えている。

本発明の光の変調方法は、光を入出力する光サーキュレータと、該光サーキュレータから出力された光を平行光線束にして出力するコリメータと、該平行光線束を変調する光変調素子とを備えている光変調器における光の変調方法であって、前記光変調素子で変調された光が反射される反射ステップと前記反射ステップで反射された光が、再度、前記光変調素子で変調される変調ステップと、前記変調ステップで変調された光が、前記光変調素子から出射されて前記光サーキュレータへ入力されるステップとを備えている。

また、本発明の光の変調方法では、前記光変調素子へ入射された光は、該光変調素子においてパルス光に変調されることが好ましい。

また、本発明の光の変調方法では、前記光変調素子は、音響光学素子であることが好ましい。

本発明の光変調器、本発明の光パルス増幅器及び本発明の光の変調方法は、所望の波長を有する光を提供できる。また、本発明の光変調器、本発明の光パルス増幅器及び本発明の光の変調方法は非常に容易に調整でき、消費電力を低く抑えることができるとともに光変調器のコンパクト化を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されない。

《発明の実施形態１》
実施の形態１では、図１を用いて、光変調器１０の構造及び光変調器１０における光の変調方法を示す。なお、図１は、光変調器１０のブロック図である。

本実施形態の光変調器１０では、光は信号入力端１から入力されて信号出力端９から出力される。信号入力端１は光信号パスを介して光サーキュレータ２の第１ポート２ａと接続されており、信号出力端９は光信号パスを介して光サーキュレータ２の第３ポート２ｃと接続されている。そして、光サーキュレータ２の第２ポート２ｂは光信号パスを介してコリメータ３と接続されており、コリメータ３は光信号パスを介して光変調素子４と接続されており、光変調素子４は光信号パスを介して反射手段５と接続されている。

光サーキュレータ２は、第１ポート２ａと第２ポート２ｂと第３ポート２ｃとを備えてなる公知の光サーキュレータである。そして、第１ポート２ａから入力された光は第２ポート２ｂへ出力され、第２ポート２ｂから入力された光は第３ポート２ｃへ出力される。

コリメータ３は、入力された光を平行光線束として出力する。具体的には、コリメータ３としては、２枚の凹レンズが対向して配置されてなる構成や非球面レンズを使用した構成などを挙げることができる。

光変調素子４には光信号パスを介してドライバー４１が接続されており、ドライバー４１には光信号パスを介してパルス発生器４２が接続されている。ここで、ドライバー４１は光変調素子４を制御し、パルス発生器４２はパルス波形電気信号を出力する。このパルス波形電気信号は、ドライバー４１を介して、高周波（搬送波）が重畳された形で光変調素子４へ入力される。すると、光変調素子４へ入射された光は高周波（搬送波）が重畳された形でパルス化される。すなわち、光変調器１０では、パルス発生器４２からのパルス波形電気信号という光変調器の外部からの信号により、平行光線束がパルス化される。

そして、光変調素子４は、光変調素子４に入射される平行光線束に対して、光変調素子４から出射される光の強度が実質的に極大となる角度に配置されていることが好ましい。光変調素子４をこのように配置するためには、まず、光変調素子４からの出射光の強度を強度測定器などでモニターしながら、その強度測定器においてその出射光の強度が最大値を示すように、平行光線束に対して光変調素子４及び反射手段５を動かす。そして、この強度測定器において光変調素子４からの出射光の強度が最大値を示したら、すなわち、この出射光の強度の値が極大となれば、光変調素子４及び反射手段５を固定する。これにより、光変調素子４及び反射手段５は、光変調素子４に入射される平行光線束に対して、光変調素子４から出射される光の強度が実質的に極大となる角度に配置される。そして、光変調素子４及び反射手段５がこのように配置されると、光変調素子４へ入射される光はその強度が著しく低下することなく光変調素子４へ入射され、光変調素子４から出射される光はその強度が著しく低下することなく光変調素子４から出射される。なお、光変調素子４は、二酸化テルル、リチウムナイオベイト、カルコゲナイトガラス、溶融石英、ガリウムリンなどからなる音響光学素子であることが好ましい。

反射手段５は、光変調素子４から出射した光を反射する。反射手段５で反射されたその光は、光変調素子４で再度変調されて光変調素子４から出射後、光サーキュレータ２へ入力される。なお、反射手段５はミラーであることが好ましい。

以下に、光変調器１０における光の変調方法を示す。

光変調器１０では、まず、信号入力端１から光が入力される。

次に、信号入力端１から入力された光は、第１ポート２ａから光サーキュレータ２へ入力されて第２ポート２ｂから出力される。

続いて、光サーキュレータ２の第１ポート２ｂから出力された光は、コリメータ３へ入力され、コリメータ３で平行光線束になって出力される。

そして、コリメータ３から出力された平行光線束は、光変調素子４へ入射される。このとき、上述のように、光変調素子４は、光変調素子４に入射される平行光線束に対して、光変調素子４から出射される光の強度が実質的に極大となる角度に配置されている。そのため、平行光線束は、その強度を著しく低下させることなく光変調素子４へ入射される。

光変調素子４では、高周波（搬送波）が重畳された形でパルス発生器４２からのパルス波形電気信号が入力されることにより、入射された平行光線束は高周波（搬送波）が重畳された形でパルス光へと変調される（第１の変調ステップ）。すなわち、光変調器１０では、平行光線束は外部変調によりパルス化される。

それから、第１の変調ステップにおいてパルス光に変調された光は、その強度を著しく低下させることなく光変調素子４から出射されて反射手段５で反射される（反射ステップ）。

その後、反射手段５で反射された光は、光変調素子４へ再入射されて光変調素子４で再度変調される（第２の変調ステップ）。このとき、反射手段５で反射された光が光変調素子４で変調される方法は、上述の通りである。このように、本実施形態における光変調器１０が反射手段５を備えているために、光変調器１０が光変調素子４を１つしか備えていなくても、光は光変調素子４で２回変調される。従って、光変調器１０は、８０ｄＢ程度の消光比を有する光を出力する。

そして、第２の変調ステップで再度変調された光は、平行光線束の空間光としてコリメータ３に再入力され、コリメータ３において集光されて光ファイバ内に入る。そして、第２ポート２ｂから光サーキュレータ２へ入力されて第３ポート２ｃから出力される。

以上より、光変調器１０では、高周波（搬送波）が重畳された形でパルス発生器４２からのパルス波形電気信号が入力されることにより、光変調素子４へ入射された光は高周波（搬送波）が重畳された形でパルス光に変調される。よって、光変調器１０内を伝送される光は外部変調によりパルス化される。よって、光変調器１０は、特許文献１に記載の高出力パルス光源と異なり、所望の波長の光を出力できる。

本願発明者らは、本実施形態に記載の光変調器１０を発明する前に、２つの光変調素子を備えた光変調器（以下、「試作光変調器」という。）を用いてパルス光を得るという試みを行った。実際、この試作光変調器は、本実施形態における光変調器１０と同じく外部変調によりパルス化されるため所望の波長の光を出力した。しかし、この試作光変調器には以下に示す問題があった。

試作光変調器は光変調素子を２つ備えているため、ドライバーを２台用意しなければならない。そして、この各光変調素子ドライバーがそれぞれ多量の電力を消費するとともに多量の熱を発生するため、多量の電力が消費されてしまうとともに多量の熱が発生してしまう。また、多量の熱が発生してしまうため、光変調器のコンパクト化を図ることができないとともに、試作光変調器内を伝送される光は熱的歪みなどの熱による影響を受けてしまう。

また、試作光変調器は２つの光変調素子を備えているためにこの光変調器における光路長は長くなってしまい、試作光変調器内を伝送される光は振動などによる影響などをうけやすい。そのために、試作光変調器から出力される光は安定性に優れない。

さらに、パルス化を２回行うとともに、平行光線束に対して光変調素子から出射される光の強度が実質的に極大となる角度に光変調素子を配置すれば、光変調素子の表面における光のエネルギーロスを低く抑えることができ、その結果、８０ｄＢ程度の高い消光比を有するパルス光を得ることができる。しかし、試作光変調器が２つの光変調素子を備えているために光変調素子のアライメントを２回行わなければならず、そのアライメントは容易ではない。よって、試作光変調器から出力されるパルス光の消光比を８０ｄＢ程度に高くするのは容易ではない。

一方、光変調器１０は光変調素子４を１個しか備えていないにもかかわらず反射手段５を備えているために、光変調器１０内を伝送される光は光変調素子４で２回変調される。そのため、光変調素子１０は消光比が８０ｄＢ程度のパルス光を出力することができる。

また、光変調器１０が反射手段５を備えているため、光変調素子４を１つ備えていればよい。そのため、試作光変調器と異なり、ドライバー４１は１台でよい。従って、光変調器１０の消費電力及び光変調器１０から発せられる熱量を少なく抑えることができ、光変調器１０をコンパクトにすることもできる。また、光変調器１０をコンパクトにできるため、光変調器１０は振動などの影響を受けない安定な光を出力できる。

さらに、光変調器１０では、光変調素子４のアライメントを１回だけ行えばよい。そのため、光変調器１０は、試作光変調器に比べて、光変調素子４の配置の最適化を容易に行うことができる。よって、比較的容易に、光変調素子１０の出力光の消光比を高くすることができる。

《発明の実施形態２》
実施の形態２では、図２を用いて、光源２０の構造及び光源２０における光の変調方法を示す。なお、図２は、光源２０のブロック図である。

本実施形態における光源２０では、反射手段５は光変調素子４の表面に設けられている。それ以外の構造は、光源１０と光源２０とでは、略同一である。そのため、光源２０の構成の説明を省略する。

また、本実施形態における光変調器２０における光の変調方法と上記実施形態１における光変調器１０における光の変調方法とでは、光が光変調素子４へ入射されるまでは略同一である。そのため、ここでは、光が光変調素子４へ入射された後の光の変調方法を説明する。

コリメータ３から出力された平行光線束は、光変調素子４へ入射される。そして、高周波（搬送波）が重畳された形でパルス発生器４２からのパルス波形電気信号が光変調素子４へ入力されることにより、光変調素子４へ入射された平行光線束は高周波（搬送波）が重畳された形でパルス化される（第１の変調ステップ）。

その後、第１の変調ステップにおいてパルス光に変調された光は、光変調素子４から出射されることなく光変調素子４の表面に設けられている反射手段５で反射される（反射ステップ）。

それから、反射手段５で反射された光は、光変調素子４で再度変調される（第２の変調ステップ）。

そして、第２の変調ステップで再度変調された光は、コリメータ３に再入力されて平行光線束となって出力され、第２ポート２ｂから光サーキュレータ２へ入力されて第３ポート２ｃから出力される。

上記実施形態１における光の変調方法では、第１の変調ステップで変調された光は、光変調素子４から出射され、光変調素子４と反射手段５との間の空間内を伝送されて反射手段５で反射される。また、反射手段５で反射された光は、光変調素子４と反射手段５との間のその空間内を伝送されて光変調素子４へ再入射される。そのため、その空間内において、光の強度が減少してしまう虞がある。しかし、本実施形態における光変調器２０では、反射手段５は光変調素子４の表面に設けられているため、その空間は存在しない。よって、上述の光の強度の減少が招来してしまう虞は極めて低い。以上より、本実施形態における光変調器２０は、上記実施形態１における光変調器１０よりも、光のエネルギーロスを低く抑えることができるため、より低い挿入損失を実現できる。

《発明の実施形態３》
実施の形態３では、図３を用いて、上記実施形態１における光変調器１０を備えた光パルス増幅装置１００を示す。また、図４を用いて、上記実施形態２における光変調器２０を備えた光パルス増幅装置２００を示す。なお、図３は本実施形態における光パルス増幅装置１００のブロック図であり、図４は本実施形態における光パルス増幅装置２００のブロック図である。なお、光パルス増幅器１００と光パルス増幅器２００とは、備えている光変調器の構成を異にするのみである。

本実施形態における光パルス増幅器１００では、パルス種信号光を増幅するための系が、光信号パスを介して上記実施形態１における光変調器１０の信号出力端９に接続されている。また、本実施形態における光パルス増幅器２００では、パルス種信号光を増幅するための系が、光信号パスを介して上記実施形態２における光変調器２０の信号出力端９に接続されている。すなわち、光変調器１０，２０の光サーキュレータ２の第３ポート２ｃ側から順に、第１アイソレーター１０１、第１合波器１０２、Ｅｒドープファイバ（以下、「ＥＤＦ」という）１０３、第２合波器１０４及び第２アイソレーター１０５が光信号パスを介して直列に接続されている。また、第１合波器１０２には光信号パスを介して第１励起光源１１２が接続されており、第２合波器１０４には光信号パスを介して第２励起光源１１４が接続されている。

第１及び第２アイソレーター１０１，１０５は、光が信号出力端１０９から信号入力端側１へ逆向きに伝送されることを阻止するとともに異常発振もしくは寄生発振を抑止する。そのため、光パルス増幅器１００は、増幅効率がよく且つ大きな利得を与える。

第１及び第２合波器１０２，１０４は、第１及び第２励起光源１１２，１１４からの励起光を信号光の伝送路に注入してＥＤＦ１０３に入力する。すなわち、この光増幅装置１００は双方向励起の構成のものである。

第１及び第２励起光源１１２，１１４は、ＥＤＦ１０３のＥｒの電子を励起状態にする波長０．９８μｍあるいは１．４８μｍのレーザ光を発する。

ＥＤＦ１０３は、コアにエルビウムがドープされた光ファイバである。第１及び第２励起光源１１２，１１４からの励起光によりエルビウムの電子が励起されると、ＥＤＦ１０３へ入力されたパルス種信号光は誘導放出により増幅される。

以下に、この光パルス増幅器１００，２００による信号光の増幅動作について説明する。

まず、信号入力端１から信号光が入力される。すなわち、信号光は、光パルス増幅器１００では上記実施形態１の光変調器１０でパルス光に変調されてパルス種信号光となり、光パルス増幅器２００では上記実施形態２の光変調器２０でパルス光に変調されてパルス種信号光となる。そして、このパルス種信号光は、光サーキュレータの第３ポート２ｃから出力されて第１アイソレーター１０１へ入力される。

次に、第１アイソレーター１０１から出力された光は第１合波器１０２で第１励起光源１１２からの励起光と合波され、その合波がＥＤＦ１０３に入力される。一方、第２励起光源１１４からの励起光が第２合波器１０４を介してＥＤＦ１０３に入力される。

このとき、第１及び第２励起光源１１２，１１４からの励起光により、ＥＤＦ１０３内のエルビウムの電子は励起されて反転分布状態をとる。そして、パルス種信号光がＥＤＦ１０３のコア内へ入射されると、ＥＤＦ１０３内のエルビウムの励起状態の電子は刺激され、このパルス種信号光と同波長且つ同位相の光が誘導放出される。これにより、ＥＤＦ１０３内へ入射されたパルス種信号光は増幅される。なお、ＥＤＦ１０３内のエルビウムの電子は、このパルス種信号光と同波長且つ同位相の光が誘導放出されたときに、励起状態から基底状態へと遷移する。

その後、ＥＤＦ１０３で増幅されたパルス光は、第２合波器１０４を介して第２アイソレータ１０５へ入力されて信号光出力端１０９から出力される。

上記実施形態１及び２に記載したように、光変調器１０及び光変調器２０は８０ｄＢ程度の高い消光比を有するパルス光を出力する。そのため、本実施形態における光パルス増幅器１００，２００へ入力されるパルス種信号光の消光比は高く、その結果、光パルス増幅器１００，２００は高いピークを有するパルス光を出力する。

《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態１及び２について、以下のような構成としてもよい。

光変調素子４において、光は２回パルス光に変調されると記載したが、多数の反射手段を設けることにより３回以上に亘ってパルス光に変調されてもよい。光は、光変調素子４において複数回に亘ってパルス光に変調されればされるほど、光変調器１０，２０は消光比の高い光を出力できるため好ましい。

本発明は、上記実施形態３について、以下のような構成としてもよい。

光パルス増幅器１００，２００は前方向励起の増幅器であってもよく、後方向励起の増幅器であってもよい。

以上説明したように、本発明は、光を入出力する光サーキュレータと、光サーキュレータから出力された光を平行光線束にして出力するコリメータと、平行光線束を変調する光変調素子とを備えている光変調器、その光変調器を備えた光パルス増幅器及びその光変調器における光の変調方法に有用である。

実施形態１における光変調器１０を示すブロック図である。 実施形態２における光変調器２０を示すブロック図である。 実施形態３における光パルス増幅器１００を示すブロック図である。 実施形態４における光パルス増幅器２００を示すブロック図である。

符号の説明

２ 光サーキュレータ
３ コリメータ
４ 光変調素子
５ 反射手段
１０，２０ 光変調器
１００，２００ 光パルス増幅器

Claims (10)

1. 光を入出力する光サーキュレータと、該光サーキュレータから出力された光を平行光線束にして出力するコリメータと、該平行光線束を変調する光変調素子とを備えている光変調器であって、
   前記光変調素子で変調された光を反射する反射手段を備え、
   前記反射手段で反射された光は、前記光変調素子で再度変調されて該光変調素子から出射され、前記光サーキュレータへ入力されることを特徴とする光変調器。
2. 請求項１に記載されている光変調器において、
   前記光変調素子は、前記平行光線束に対して、該光変調素子から出射される光の強度が実質的に極大となる角度に配置されていることを特徴とする光変調器。
3. 請求項１または２に記載されている光変調器において、
   前記反射手段は、前記光変調素子に接して設けられていることを特徴とする光変調器。
4. 請求項１から３のいずれか一つに記載されている光変調器において、
   前記光変調素子へ入射された光は、該光変調素子においてパルス光に変調されることを特徴とする光変調器。
5. 請求項１から４のいずれか一つに記載されている光変調器において、
   前記光変調素子は、音響光学素子であることを特徴とする光変調器。
6. 請求項１から４のいずれか一つに記載されている光変調器において、
   前記反射手段は、ミラーであることを特徴とする光変調器。
7. 請求項１から６のいずれか一つに記載されている光変調器を備えた光パルス増幅器。
8. 光を入出力する光サーキュレータと、該光サーキュレータから出力された光を平行光線束にして出力するコリメータと、該平行光線束を変調する光変調素子とを備えている光変調器における光の変調方法であって、
   前記光変調素子で変調された光が反射される反射ステップと
   前記反射ステップで反射された光が、再度、前記光変調素子で変調される変調ステップと、
   前記変調ステップで変調された光が、前記光変調素子から出射されて前記光サーキュレータへ入力されるステップと
   を備えていることを特徴とする光の変調方法。
9. 請求項８に記載されている光の変調方法において、
   前記光変調素子へ入射された光は、該光変調素子においてパルス光に変調されることを特徴とする光の変調方法。
10. 請求項８または９に記載されている光の変調方法において、
    前記光変調素子は、音響光学素子であることを特徴とする光の変調方法。
    

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