JP2014191220A

JP2014191220A - パルス光源およびパルス光発生方法

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Publication number: JP2014191220A
Application number: JP2013067263A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Shimizu; 薫清水; Kiyoshi Tamaki; 潔玉木
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-03-27
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2014-10-06

Abstract

【課題】光強度変調器を用いて、長い繰り返し周期で短い時間幅の光パルスを発生させる光パルス光源およびパルス光発生方法を提供すること。
【解決手段】２台の光強度変調器１０３、１０８を直列に配置し、光強度変調器１０３、１０８の各々に印加する駆動パルス電圧信号の波形とタイミングを適切に設定することによって、連続光波から、繰り返し周期Ｔが長く、パルス時間幅Ｓ（＜＜Ｔ）が短い光パルス列を生成するパルス光源である。第１の駆動信号発生器で、連続光波を周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルス電圧信号である第１の矩形波駆動信号にしたがって変調し、周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２の第１の矩形波光パルス列を生成する。第２の駆動信号発生器で周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルス電圧信号である第２の矩形波駆動信号にしたがって変調し、周期Ｔ、パルス幅Ｓの第２の矩形波光パルス列を生成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、干渉性が高く、任意の周期で且つ任意のパルス幅をもつ光パルス列を、極めて長い時間に亘って安定に継続的に供給することを可能にするパルス光源およびパルス光発生方法に関する。

連続光波を、光強度変調器を用いて光パルス列に変換することは、光パルス列を得る手段として良く知られているものである。光強度変調器を一種の高速の光シャッターと見なせば、隣り合う二つの光パルスに挟まれた時間は光が遮断された状態にある。しかし実際には、シャッターを閉じている状態でもシャッターを透過して漏れ出してくる連続光波の強度は必ずしも零にはならない。そのため、従来の光強度変調器を用いて生成された光パルス列は、強い光パルス列に弱い連続光が重畳したものとなる。この強弱の比は、一般に光強度変調器の消光比と呼ばれており、光通信等も含めた通常の応用では高い消光比が要求されている。

この消光比は、光強度変調器における動作原点、すなわち入力パルス駆動信号電圧の大きさに対する出力光強度の関数を想定したときに、どこからどこまでの範囲で駆動信号電圧を変化させるかに関係している。印加する電圧は、時間変化する駆動信号成分と、時間的に一定なバイアス電圧との和で表され、バイアス電圧を調整することで、消光比が最大になるように動作原点を選ぶことができる。

しかしながら、数１００時間以上に及ぶ長時間の連続駆動を行った場合、光強度変調器を構成する物質の状態変化や温度上昇などの原因によって、最初に設定した初期バイアス電圧の値が、時間の経過とともに最適値から外れてしまい、それに伴って光パルス列の消光比が劣化してしまうという課題があった。

この課題を解決するために、光出力強度の変動をモニタして、常に光出力強度が一定になるようにバイアス電圧の値をフィードバック制御する自動動作点補償の技術が良く知られている。

但し、従来の自動動作点補償が有効であるのは、光パルスの時間幅と周期の比（これをデューティ比と呼ぶ）が平均して１：２である、すなわち光パルスがオンの状態とオフの状態との割合がほぼ半々であるような場合に限られている。尤も、通常の高速光通信ではデューティ比は１：２に近いため、自動動作点補償は充分に機能する。

"ＬＮ変調器について"、［online］、住友大阪セメント株式会社光電子事業部ホームページ公開資料ＬＮ変調器アプリケーションノート２００７、［平成２５年３月１４日検索］、インターネット＜URL：http://www.socnb.com/product/hproduct/ln_appnote01.html＞

しかしながら、光パルスの時間幅に比べて繰り返し周期が長い場合、例えばデューティ比が１：１０になるような場合には、上記の自動動作点補償は機能しなくなるという課題がある。

この原因は、光パルスのオン・オフの時間の割合が極端に非対称な場合には、印加する駆動電圧の時間平均値が大きな値となり、長時間に亘って連続的に駆動していると、光強度変調器を構成する強誘電体物質中に強い内部電場が次第に固定されて、物質の性質が変化してしまうためである、と説明されている。元の状態に戻すためには、光強度変調器を高温に保ったまま、数時間放置する必要がある。

このように従来の技術には、光強度変調器によって連続光波から長い繰り返し周期で短い時間幅の光パルスを切り出すような場合、良好な消光比を長時間に亘って保ち続けることは困難であるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、光強度変調器を用いて、長い繰り返し周期で短い時間幅の光パルスを発生させる光パルス光源およびパルス光発生方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、パルス光源であって、連続光波を出力する光源と、前記光源から供給される連続光波を、デューティ比が１：２である第１の矩形波駆動信号に基づいて変調し、少なくとも第１の透過ポートから第１の矩形波光パルス列を出力する第１の光強度変調手段と、前記第１の光強度変調手段から出力される前記第１の矩形波光パルス列を、前記第１の矩形波駆動信号と周期が等しく、且つ、オン期間に重なりを有するよう時間差を設けられた、デューティ比が１：２の第２の矩形波駆動信号に基づいて変調し、少なくとも第２の透過ポートから第２の矩形波光パルス列を出力する第２の光強度変調手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のパルス光源において、前記第１の光強度変調手段は、前記第１の矩形波光パルス列の分岐光、もしくは前記第１の光強度変調手段の第１の反射ポートに出力された前記第１の矩形波光パルス列の光強度を測定する第１の光強度測定器と、前記第１の光強度測定器の出力信号に基づいて、前記第１の光強度変調手段の消光比を最大化するように前記第１の光強度変調手段の動作原点を調整する第１の動作原点調整器と、を備え、前記第２の光強度変調手段は、前記第２の光強度変調手段の反射ポートに出力された、前記第１の矩形波光パルス列から前記第２の矩形波光パルス列を引いた波形に相当する第３の矩形波光パルス列の光強度を測定する第２の光強度測定器と、前記第２の光強度測定器の出力信号に基づいて、前記第２の光強度変調手段の消光比を最大化するように前記第２の光強度変調手段の動作原点を調整し、完全には遮断されずに漏れ出てくる前記第１の矩形波光パルス列の強度を最小化して消光比を最大にする第２の動作原点調整器とを備えたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、パルス光源であって、連続光波を出力する光源と、前記光源から供給される連続光波を、周期が等しく、且つ、オン期間に重なりを有するよう時間差を設けられた、デューティ比が１：２である第１および第２の矩形波駆動信号に基づき変調し、少なくとも透過ポートから矩形波光パルス列を出力する二電極型強度変調手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項３に記載のパルス光源において、前記二電極型光強度変調手段は、前記第１の矩形波光パルス列の分岐光、もしくは前記第１の光強度変調手段の第１の反射ポートに出力された前記矩形波光パルス列の光強度を測定する光強度測定器と、前記光強度測定器の出力信号に基づいて、前記二電極型光強度変調手段の消光比を最大化するように前記二電極型光強度変調手段の動作原点を調整する動作原点調整器と、を備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、パスル光発生方法であって、光源から供給される連続光波を、前記第１の光強度変調手段を用いて、デューティ比が１：２である第１の矩形波駆動信号に基づいて変調して第１の矩形波光パルス列を出力する第１の変調ステップと、前記第１の矩形波光パルス列を、前記第２の光強度変調手段を用いて、前記第１の矩形波駆動信号と周期が等しく、且つ、オン期間に重なりを有するよう時間差を設けられた、デューティ比が１：２の第２の矩形波駆動信号に基づいて変調して第２の矩形波光パルス列を出力する第２の変調ステップと、を有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のパルス光発生方法において、前記第１の変調ステップは、前記第１の矩形波光パルス列の光強度に基づいて、前記第１の光強度変調手段の消光比を最大化するように前記第１の光強度変調手段の動作原点を調整する第１の調整ステップを含み、前記第２の変調ステップは、前記第１の矩形波光パルス列から前記第２の矩形波光パルス列を引いた波形に相当する第３の矩形波光パルス列の光強度に基づいて、前記第２の光強度変調手段の消光比を最大化するように前記第２の光強度変調手段の動作原点を調整する第２の調整ステップと含むことを特徴とすることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、パルス光発生方法であって、光源から供給される連続光波を、二電極型強度変調手段を用いて、周期が等しく、且つ、オン期間に重なりを有するよう時間差を設けられた、デューティ比が１：２である第１および第２の矩形波駆動信号に基づき変調して矩形波光パルス列を出力するステップを有することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載のパルス光発生方法において、前記矩形波光パルス列の光強度に基づいて、前記光強度変調手段の消光比を最大化するように前記光強度変調手段の動作原点を調整する調整ステップをさらに有することを特徴とする。

本発明は、光強度変調器を用いて、長い繰り返し周期で短い時間幅の光パルスを長期間発生させることができる。

本発明の実施形態１に係るパルス光源の構成を示す図である。（ａ）〜（ｃ）は、第１の矩形波駆動信号、第２の矩形波駆動信号、矩形波光パルス列を示す図である。本発明の実施形態２に係るパルス光源の構成を示す図である。本発明の実施形態２に係るパルス光源における、図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

（実施形態１）
図１に、本発明の実施形態１に係るパルス光源の構成を示す。また、図２（ａ）〜（ｃ）に、本発明の実施形態１に係るパルス光源における、第１の矩形波駆動信号、第１の矩形波光パルス列、第２の矩形波駆動信号、第２の矩形波光パルス列、第３の矩形波光パルス列を示す。実施形態１は、２台の光強度変調器１０３、１０８を直列に配置し、光強度変調器１０３、１０８の各々に印加する駆動パルス電圧信号の波形とタイミングを適切に設定することによって、連続光波から、繰り返し周期Ｔが長く、パルス時間幅Ｓ（＜＜Ｔ）が短い光パルス列を生成するパルス光源である。

１０１は光源であり、光周波数が安定した連続光波を出力する。１０２は第１の駆動信号発生器であり、周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルス電圧信号である第１の矩形波駆動信号（図２（ａ））を供給する。１０３は第１の光強度変調器であり、光源１０１から出力された連続光波の強度を、第１の駆動信号発生器１０２から供給された第１の矩形波駆動信号にしたがって変調し、周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２の第１の矩形波光パルス列（図２（ｂ））を透過ポート１０４ａから出力する。

１０５は第１の光強度測定器であり、透過ポート１０４ａより出力された第１の矩形波光パルス列の一部を分岐した光の強度、もしくは反射ポート１０４ｂより出力された第１の矩形波光パルス列の強度を測定し、時間変動を監視する。

１０６は第１の動作原点調整器であり、第１の光強度測定器１０５から供給される光強度監視信号に基づいて、第１の光強度変調器１０３の動作原点を調整し、完全には遮断されずに透過ポート１０４ａから漏れ出てくる連続光波の強度を最小し、消光比を最大にする。

すなわち、第１の光強度変調器１０３の動作点を自動的に補償し、長期的な動作の安定性を保証するために、第１の光強度変調器１０３の透過ポート１０４ａから出力される第１の矩形光パルス列の一部を分岐し、その光強度の変動を監視する。光強度が変化した場合には、変化を打ち消す方向にバイアス電圧の値を調整し、光強度が常に一定に保たれるようにフィードバック制御を施す。

ここで、透過ポート１０４ａからの出力光を監視する代わりに、反射ポート１０４ｂから出力される矩形光パルス列の光強度の変動を監視しても、同様のことが可能である。駆動パルス電圧信号のデューティ比は１：２程度であるため、従来の自動動作点補償の技術をそのまま適用することが可能である。

１０７は第２の駆動信号発生器であり、周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルス電圧信号である第２の矩形波駆動信号（図２（ｃ））を供給する。１０８は第２の光強度変調器であり、第１の光強度変調器１０３の透過ポート１０４ａから出力された第１の矩形波光パルス列の強度、すなわち光パルス波形を、第２の駆動信号発生器１０７から供給された第２の矩形波駆動信号に基づいて再び変調し、周期Ｔ、パルス幅Ｓの第２の矩形波光パルス列（図２（ｄ））を透過ポート１０９ａから出力するとともに、第１の矩形波光パルス列から第２の矩形波光パルス列を引いた波形に相当する第３の矩形波光パルス列（図２（ｅ））を、反射ポート１０９ｂから出力する。

第２の矩形波駆動信号は、オン期間が第１の矩形波駆動信号のオン期間と重なりを持つようにタイミングの差Ｄが設定されており、第２の矩形波光パルス列のパルス幅Ｓは、第１の矩形波駆動信号と第２の矩形波駆動信号とのタイミングの差Ｄによって決まる。

１１０は第２の光強度測定器であり、反射ポート１０９ｂより出力された第３の矩形波光パルス列の光強度を測定し、時間変動を監視する。

１１１は第２の動作原点調整器であり、第２の光強度測定器１１０から供給される光強度監視信号に基づいて、第２の光強度変調器１０８の動作原点を調整し、完全には遮断されずに透過ポート１０９ａ、反射ポート１０９ｂから漏れ出てくる連続光波の強度を最小にし、消光比を最大にする。

すなわち、第２の光強度変調器１０８の動作点を自動的に補償し、長期的な動作の安定性を保証するために、第２の光強度変調器１０８の反射ポート１０９ｂから出力される、繰り返し周期Ｔ、パルス時間幅Ｓをもつ光パルス列の光強度の変動を監視する。光強度が変化した場合には、変化を打ち消す方向にバイアス電圧の値を調整し、光強度が常に一定に保たれるようにフィードバック制御を施す。駆動パルス電圧信号のデューティ比は１：２程度であるため、第１の光強度変調器１０３と同様に従来の自動動作点補償の技術をそのまま適用することが可能である。

ここで、反射ポート１０９ｂからの出力光を監視する代わりに、透過ポート１０９ａから出力される矩形光パルス列の光強度の変動を監視しても、同様のことは可能である。しかし光強度の値は反射ポート１０９ｂからの出力光を用いる場合よりも弱いため、特別な理由がない限り反射ポートからの出力光を監視することが望ましい。

そして、第２の光強度変調器１０８の透過ポート１０９ａから出力される第２の矩形波光パルス列を外部出力光として使用する。

第１、第２の光強度変調器１０３、１０８として、光通信波長帯の場合、ＬｉＮｏｂ３（ＬＮ）光導波路の電界印加による屈折率の変化を利用した、ＬＮ強度変調器を利用することが一般的である。

第１、第２の光強度測定器１０５、１１０として、光の強度を電気信号の強度に変換するフォトダイオードを用いることができる。

ここで、図２に示すように、第１の光強度変調器１０３に対する第１の矩形波駆動信号の周期と、第２の光強度変調器１０８に対する第２の矩形波駆動信号の周期の両者を、生成したい光パルス列の周期Ｔに等しくなるように設定する。そして、その第１および第２の矩形波駆動信号のパルス幅を、ともに周期Ｔの半分の値Ｔ／２、もしくはそれに近い値〜Ｔ／２に設定する、すなわち、第１および第２の矩形波駆動信号のデューティ比を１：２程度に設定する。これにより、光強度変調器１０３、１０８に対し、従来の自動動作点補償の技術を長期間機能させられる形で適用可能となる。

次に、第１および第２の矩形波駆動信号のタイミングの差Ｄを、第２の光強度変調器１０８の透過ポート１０９ａから出力される光パルスの時間幅が所望のパルス時間幅Ｓに等しくなるように設定する。これより、第１および第２の光強度変調器１０３、１０８をともにデューティ比１：２程度で駆動させながら、長い繰り返し周期Ｔと短いパルス時間幅Ｓをもつ光パルス列を長期間生成することができる。

（実施形態２）
図３に、本発明の実施形態２に係る光パルス光源の構成を示す。また、図４（ａ）〜（ｃ）に、本発明の実施形態２に係るパルス光源における、第１の矩形波駆動信号、第２の矩形波駆動信号、矩形波光パルス列を示す。実施形態２は、図３に示すように、二電極型光強度変調器に印加する２つの駆動パルス電圧信号の波形とタイミングを適切に設定することによって、連続光波から、繰り返し周期Ｔ／２が長く、パルス時間幅Ｓ（＜＜Ｔ）が短い光パルス列を生成するパルス光源である。

２０１は光源であり、光周波数が安定した連続光波を出力する。２０２は第１の駆動信号発生器であり、周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルス電圧信号である第１の矩形波駆動信号（図４（ａ））を供給する。２０３は第２の駆動信号発生器であり、周期Ｔ、パルス幅Ｔ／２のパルス電圧信号である第２の矩形波駆動信号（図４（ｂ））を供給する。

実施形態１と同様に、第２の矩形波駆動信号はオン期間が第１の矩形波駆動信号のオン期間と重なりを持つようにタイミングの差Ｓが設定されており、第２の矩形波駆動信号は、第１の矩形駆動信号に対してタイミングの差がＳとなるよう設定する。

２０４は二電極型光強度変調器であり、光源２０１から出力された連続光波の強度を、第１および第２の駆動信号発生器２０２、２０３から供給された第１および第２の矩形波駆動信号にしたがって変調し、矩形波光パルス列を透過ポート２０５ａに出力する。

２０６は光強度測定器であり、透過ポート２０５ａより出力された矩形波光パルス列の一部を分岐した光の強度、もしくは反射ポート２０５ｂより出力された光の強度を測定し、時間変動を監視する。尚、光強度の値は反射ポートからの出力光を用いる場合よりも弱いため、特別な理由がない限り反射ポートからの出力光を監視することが望ましい。

２０７は動作原点調整器であり、光強度測定器２０６から供給される光強度監視信号に基づいて、二電極型光強度変調器２０４の動作原点を調整し、完全には遮断されずに透過ポート２０５ａから漏れ出てくる連続光波の強度を最小にし、消光比を最大にする。すなわち、光強度が変化した場合には、変化を打ち消す方向に二電極型光強度変調器に組み込まれた位相変調器の片方若しくは両方のバイアス電圧の値を調整し、光強度が常に一定に保たれるようにフィードバック制御を施す。

そして、光強度変調器の透過ポート２０５ａから出力される矩形波光パルス列を外部出力光として使用する。

光強度測定器２０６として、光の強度を電気信号の強度に変換するフォトダイオードを用いることができる。

以上のような構成により、本発明は、１ケ月以上の長い期間に亘って、任意のパルスデューティ比を有し、且つ充分に高い消光比をもつ光パルス列を、安定に継続供給することを可能にする。これにより、繰り返し周期は長いが、パルス幅自体は短い光パルス列を必要とするような、様々な光計測システムや光通信システムを、長期間に亘って安定に連続動作させることが可能になる。特に、本発明に関するパルス光源では、連続光源が良好な光の干渉性をもつ場合、その干渉性の程度はパルス化されても保持されるため、光の干渉性を利用するような応用において本発明は最も有用性を発揮する。

１０１、２０１光源
１０２、１０７、２０２、２０３駆動信号発生器
１０３、１０８光強度変調器
１０４ａ、１０９ａ、２０５ａ透過ポート
１０４ｂ、１０９ｂ、２０５ｂ反射ポート
１０５、１１０、２０６光強度測定器
１０６、１１１、２０７動作原点調整器
２０４二電極型光強度変調器

Claims

連続光波を出力する光源と、
前記光源から供給される連続光波を、デューティ比が１：２である第１の矩形波駆動信号に基づいて変調し、少なくとも第１の透過ポートから第１の矩形波光パルス列を出力する第１の光強度変調手段と、
前記第１の光強度変調手段から出力される前記第１の矩形波光パルス列を、前記第１の矩形波駆動信号と周期が等しく、且つ、オン期間に重なりを有するよう時間差を設けられた、デューティ比が１：２の第２の矩形波駆動信号に基づいて変調し、少なくとも第２の透過ポートから第２の矩形波光パルス列を出力する第２の光強度変調手段と
を備えたことを特徴とするパルス光源。
前記第１の光強度変調手段は、
前記第１の矩形波光パルス列の分岐光、もしくは前記第１の光強度変調手段の第１の反射ポートに出力された前記第１の矩形波光パルス列の光強度を測定する第１の光強度測定器と、
前記第１の光強度測定器の出力信号に基づいて、前記第１の光強度変調手段の消光比を最大化するように前記第１の光強度変調手段の動作原点を調整する第１の動作原点調整器と、
を備え、前記第２の光強度変調手段は、
前記第２の光強度変調手段の反射ポートに出力された、前記第１の矩形波光パルス列から前記第２の矩形波光パルス列を引いた波形に相当する第３の矩形波光パルス列の光強度を測定する第２の光強度測定器と、
前記第２の光強度測定器の出力信号に基づいて、前記第２の光強度変調手段の消光比を最大化するように前記第２の光強度変調手段の動作原点を調整し、完全には遮断されずに漏れ出てくる前記第１の矩形波光パルス列の強度を最小化して消光比を最大にする第２の動作原点調整器と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のパルス光源。
連続光波を出力する光源と、
前記光源から供給される連続光波を、周期が等しく、且つ、オン期間に重なりを有するよう時間差を設けられた、デューティ比が１：２である第１および第２の矩形波駆動信号に基づき変調し、少なくとも透過ポートから矩形波光パルス列を出力する二電極型強度変調手段と、
を備えたことを特徴とするパルス光源。
前記二電極型光強度変調手段は、
前記第１の矩形波光パルス列の分岐光、もしくは前記第１の光強度変調手段の第１の反射ポートに出力された前記矩形波光パルス列の光強度を測定する光強度測定器と、
前記光強度測定器の出力信号に基づいて、前記二電極型光強度変調手段の消光比を最大化するように前記二電極型光強度変調手段の動作原点を調整する動作原点調整器と、
を備えたことを特徴とする請求項３に記載のパルス光源。
光源から供給される連続光波を、前記第１の光強度変調手段を用いて、デューティ比が１：２である第１の矩形波駆動信号に基づいて変調して第１の矩形波光パルス列を出力する第１の変調ステップと、
前記第１の矩形波光パルス列を、前記第２の光強度変調手段を用いて、前記第１の矩形波駆動信号と周期が等しく、且つ、オン期間に重なりを有するよう時間差を設けられた、デューティ比が１：２の第２の矩形波駆動信号に基づいて変調して第２の矩形波光パルス列を出力する第２の変調ステップと、
を有することを特徴とするパスル光発生方法。
前記第１の変調ステップは、前記第１の矩形波光パルス列の光強度に基づいて、前記第１の光強度変調手段の消光比を最大化するように前記第１の光強度変調手段の動作原点を調整する第１の調整ステップを含み、
前記第２の変調ステップは、前記第１の矩形波光パルス列から前記第２の矩形波光パルス列を引いた波形に相当する第３の矩形波光パルス列の光強度に基づいて、前記第２の光強度変調手段の消光比を最大化するように前記第２の光強度変調手段の動作原点を調整する第２の調整ステップと含むことを特徴とすることを特徴とする請求項５に記載のパルス光発生方法。
光源から供給される連続光波を、二電極型強度変調手段を用いて、周期が等しく、且つ、オン期間に重なりを有するよう時間差を設けられた、デューティ比が１：２である第１および第２の矩形波駆動信号に基づき変調して矩形波光パルス列を出力するステップを有することを特徴とするパルス光発生方法。
前記矩形波光パルス列の光強度に基づいて、前記光強度変調手段の消光比を最大化するように前記光強度変調手段の動作原点を調整する調整ステップをさらに有することを特徴とする請求項７に記載のパルス光発生方法。