JP3134253B2 - 光ソリトン発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、例えば光ファイバ通信等における光ソリト
ン伝送システムに用いられ、伝搬特性に優れた光パルス
である光ソリトンを発生する光ソリトン発生装置の構造
に関するものである。

（従来の技術） 従来、例えば光ファイバにより光信号を伝送する光フ
ァイバ通信では、光の信号を光パルスとして断続的に送
る。電波に比べて周波数の高い光は、単位時間当りに伝
送可能な情報量が大きい。ところが、光ファイバは、ガ
ラス材料で構成されているので、その光ファイバ中を伝
搬する光パルスは、その波長の幅に応じた光の分散を生
じて波長の異なる波は異なる速度で伝搬するため、光フ
ァイバ中を伝搬するにつれてパルス幅が広がると共に、
パルス強度が減少してしまう。これにより、光ファイバ
中を断続的に伝送されるパルス間に重なりが生じたり、
信号の歪み等が起こり、伝送特性が劣化してしまう。

そこで、従来、ファイバ伝搬中にパルス波形が歪ま
ず、伝搬特性に優れた光パルスである光ソリトンを光通
信システム等に適用する試みがなされ、その光ソリトン
を発生する装置の開発が行われている。

従来、このような分野の技術としては、例えば文献
OPTICS LETTERS、10［５］（1985−５）p.229−231に
記載される技術があった。以下、その構成を図を用いて
説明する。

第２図は、従来の光ソリトン発生装置の一構成例を示
す構成ブロック図である。

この光ソリトン発生装置10は、モードロック（モード
同期）YAGレーザ11を有しており、そのYAGレーザ11には
光ファイバ12を介してカラーセンターレーザ（色中心レ
ーザ）13が接続されている。

YAGレーザ11は、カラーセンターレーザ13の励起光源
であり、母体としてイットリウムアルミニウムガーネッ
ト（Y₃Al₅O₁₂）を用い、活性媒質としてNd³⁺イオンを含
んだレーザである。

カラーセンターレーザ13は、液体窒素温度で安定に動
作する固定レーザの一種であり、アルカリハライド結晶
にできる色中心（カラーセンター）と呼ばれる格子欠陥
等により光ソリトンの発生が可能な発振波長でレーザ発
振を起こし光ソリトンを発生させるためのものであり、
ゲイン媒質としては、例えばアルカリハライド結晶とし
て、リチウムイオンまたはタリウムイオンを含んだ塩化
カリウム結晶等を用いて構成されている。

次に、光ソリトン発生装置10の動作を説明する。

モード同期したYAGレーザ11により光パルスが発生さ
れると、その光パルスは光ファイバ12を通じてカラーセ
ンターレーザ13へ入射する。これにより、カラーセンタ
ーレーザ13は、励起されてレーザ発振し、モードロック
法によって短光パルスを発生する。この短光パルスは、
以下のようなソリトン条件を満たすことにより光ソリト
ンLsとしてカラーセンターレーザ13から出力される。

そのソリトン条件としては、光パルスのピークパワー
（臨界パワー）が、ソリトン的な解を持つ非線形波動方
程式の解、例えば所定の非線形シュレディンガー方程式
の解であること、光パルスのパルス幅及びスペクトル幅
が所定のフーリエ変換リミットを満たすことなどが挙げ
られる。

このようなソリトン条件を満たす光パルスは、光ファ
イバ伝搬中、光ファイバ中の光の分散特性による分散効
果と、光カー効果によるパルス圧縮特性などをもたらす
非線形効果とのバランスによりパルス整形がなされパル
ス幅及び振幅等を含むパルス波形の安定化をもたらすソ
リトン効果が得られる光ソリトンLsとなる。

以上のような光ソリトン発生装置10を用いた光ソリト
ン伝送システムでは、光信号として光ソリトンを用いる
ので波形歪みが生じないため、時間多重または高速変調
により、信号となるパルス密度を高めることができて、
長距離大容量伝送等が可能となり、さらには長距離大容
量伝送等において中継器等により光信号の波形整形を行
う手間を省略でき、高速化及び低コスト化等を図れると
いう利点が得られる。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成の光ソリトン発生装置では、
次のような課題があった。

従来の光ソリトン発生装置10は、光ソリトン発生用の
光源としてカラーセンターレーザ13を用いているため、
励起光源として例えばYAGレーザ11等が必要である。ま
た、カラーセンターレーザ13は、室温での発振が不安定
なため液体窒素でゲイン媒質を常に冷やしておかなけれ
ばならなず、そのために冷却装置等を必要とする。さら
に、光ソリトン発生装置10は、振動により機能劣化を起
こすおそれがあり、装置自体が大型であるためその機能
劣化の防止を図るためには大型の除振板上に設けたりす
る必要がある。

従って、従来の光ソリトン発生装置10では、装置が大
型化、高価格化し、かつ保守が困難であり、実用化に適
さないという問題点があった。

このような問題を解決するために、光ソリトン発生装
置10の光ソリトン発生用光源として、小型で低価格であ
り、保守も容易な半導体レーザを用いることが考えられ
る。

ところが、この場合、半導体レーザを直接変調する
と、活性層内のキャリア密度が変化し、これがレーザ内
の屈折率の変化をもたらして発振波長の波長シフトを来
し、チャーピングと呼ばれるスペクトル幅の広がりが生
じてしまう。このチャーピングによって光パルスのスペ
クトル幅が広がってしまうと、その光パルスはパルス幅
とスペクトル幅がフーリエ変換リミットを満たすという
ソリトン条件を満足しなくなってしまい、光ソリトンか
ら外れてしまう。

本発明は、装置の小型化、低価格化が困難であり、か
つ保守に手間がかかるなど実用化に適さない点について
解決した光ソリトン発生装置を提供するものである。

（課題を解決するための手段） 前記課題を解決するために、本発明のうちの第１の発
明は、レーザーを光源として光ソリトンを発生する光ソ
リトン発生装置において、前記レーザーから発生した光
パルスの発振波長を選択して、ソリトン条件に応じたス
ペクトル幅の選択を行なう波長選択手段と、前記波長選
択手段から出力された前記光パルスのパルス幅を、前記
ソリトン条件に応じて圧縮するパルス幅圧縮手段と、 前記パルス幅圧縮手段から出力された前記光パルスの
強度を、前記ソリトン条件に応じて増幅するレーザー光
増幅手段とを、備えている。

第２の発明は、第１の発明の光ソリトン発生装置にお
いて、前記パルス幅圧縮手段は、分散値がマイナスのフ
ァイバを用いて構成している。

第３の発明では、第１の発明の光ソリトン発生装置に
おいて、前記パルス幅圧縮手段は、Gires−Tournois干
渉計（以下、GT干渉計という）を用いて構成している。

第４の発明は、第１の発明の光ソリトン発生装置にお
いて、前記波長選択手段は、回析格子を用いて構成して
いる。

第５の発明は、第１の発明の光ソリトン発生装置にお
いて、前記波長選択手段は、ファブリペローエタロンを
用いて構成している。

第６の発明は、第１の発明の光ソリトン発生装置にお
いて、前記波長選択手段は、狭帯域光学フィルタを用い
て構成している。

（作 用） 第１の発明によれば、以上のように光ソリトン発生装
置を構成したので、波長選択手段は、レーザーから発生
した光パルスの発振波長を選択してソリトン条件に応じ
たスペクトル幅の選択を行なう。即ち、波長選択手段
は、例えば光ソリトンではパルス幅とスペクトル幅が所
定のフーリエ変換リミットを満たすというソリトン条件
に応じて、レーザから発生した光パルスに対して、その
パルス幅を考慮して該ソリトン条件を満たすように波長
選択してスペクトル幅の選択を行う。その波長選択手段
によるスペクトル幅の選択については、例えばスペクト
ル幅の選択自体でソリトン条件を満たすように行う場合
や、該スペクトル幅の選択の仕方等によりその光パルス
のパルス幅が変動するようなときにはそのパルス幅との
関連を考慮してその光パルスがソリトン条件を満たすよ
うにして行う場合などが挙げられる。

パルス幅圧縮手段は、波長選択手段から出力された光
パルスのパルス幅をソリトン条件に応じて圧縮する。

レーザー光増幅手段は、パルス幅圧縮手段から出力さ
れた光パルスの強度を増幅するが、この増幅は、光ソリ
トンではピークパワーがソリトン的な解を持つ非線形波
動方程式（例えば所定の非線形シュレディンガー方程
式）を満たすというソリトン条件をその光パルスが満足
するように行う。即ち、レーザ光増幅手段は、例えば、
波長選択手段でのスペクトル幅の選択により光パルスの
強度が減少してソリトン条件を満たさなくなるのを防止
するようにその波長選択手段での強度の低減の度合いに
応じて増幅を行ったり、さらにはレーザの出力等を考慮
してパルス幅圧縮手段から出力された光パルスがソリト
ン条件を満たすように増幅を行ったりする。

第２或いは第３の発明によれば、パルス幅圧縮手段
は、ファイバ或いはGT干渉計を用いて構成され、その手
段のパルス幅圧縮特性に基づいて、光パルスのパルス幅
をソリトン条件に応じて圧縮する。

第４、第５或いは第６の発明によれば、前記波長選択
手段は、回析格子、ファブリペローエタロン或いは狭帯
域光学フィルタを用いて構成され、それぞれの手段の波
長選択特性に基づいて発振波長の選択を行い、ソリトン
条件に応じたスペクトル幅の選択を行う。

（実施例） 第１図は、本発明の第１の実施例を示す光ソリトン発
生装置の構成ブロック図である。

この光ソリトン発生装置20は、レーザ駆動部30、レー
ザ40、波長選択手段50、パルス幅圧縮手段60、及びレー
ザ光増幅手段70等を有している。

レーザ駆動部30は、レーザ40を駆動するために例えば
注入励起用のパルスを発生する機能を有し、正弦波等を
発生するシンセサイザ31、シンセサイザ31の出力を増幅
する増幅器32、増幅器32の出力により櫛状の電気パルス
列（櫛状波）を発生する櫛状波発生器33、ノイズ除去用
のコンデンサ34、インピーダンスマッチング用抵抗35、
交流遮断用のコイル36、及びバイアス印加用の直流電源
37を有している。

レーザ40は、光ソリトンを発生させるための光源であ
って、例えばInGaAsP/InP系等の半導体材料を用いて形
成され、所定の光パルスLpを発生する半導体レーザダイ
オード（以下、LDという）41で構成されている。

波長選択手段50は、光パルスLpの発振波長を選択して
ソリトン条件に応じたスペクトル幅の選択を行うもので
あり、例えば回折格子51及びレンズ52,53や図示しない
ミラー等で構成されている。

パルス幅圧縮手段60は、光パルスLpのパルス幅の圧縮
を行うものであり、レーザの発振波長における分散値が
マイナスで、例えばその分散の絶対値が通常の光ファイ
バよりも大きい分散シフトファイバ61で構成されてい
る。

レーザ光増幅手段70は、光パルスLpの強度をソリトン
条件に応じて増幅するためのものであり、例えば励起用
光源71、励起用光源71からの光に起因して励起状態とな
るエルビュームドープファイバ72、励起光源71からの光
及び光パルスLpをエルビュームドープファイバ72へ送出
する結合器73、及び反射戻り光を除去する光アイソレー
タ74等からなる光ファイバアンプで構成されている。

次に、光ソリトン発生装置20の動作を説明する。

レーザ駆動部30により櫛状波が発生され、その櫛状波
が直流電源37によりしきい値以下に直流バイアスされた
LD41に注入されると、利得スイッチングが起こり、LD41
により数10psec以下の超短パルスである光パルスLpが発
生される。その光パルスLpは、波長選択手段50のレンズ
52に入射し、回折格子51の透過特性により波長選択がな
され、ソリトン条件に応じたスペクトル幅の選択を受け
る。回折格子51によりスペクトル幅の選択を受けた光パ
ルスLpは、パルス幅圧縮手段60に入射し、分散値により
規定される分散シフトファイバ61のもつ波長分散特性に
よってソリトン条件に応じたパルス幅の圧縮効果を受け
る。分散シフトファイバ61を透過した光パルスLpは、励
起用光源71からの光に起因して励起状態となるエルビュ
ームドープファイバ72を通ることにより増幅される。エ
ルビュームドープファイバ72からの光パルスLpは、パル
ス幅及びスペクトル幅と、パルス振幅（ピークパワー）
とがいずれもソリトン条件を満たし、光ソリトンLsとし
て光アイソレータ74より出力される。

この第１の実施例では、次のような効果を有してい
る。

（ａ）本実施例では、レーザ40をLD41を用いて構成して
いるため、装置の小型化及び低価格化を図れ、かつ室温
動作が可能で保守が容易であり、実用的な光ソリトン発
生装置20を実現できる。

（ｂ）光ソリトン発生装置20では、波長選択手段50を設
けたので、レーザ40からの光パルスLpの発振波長に広が
りが生じても、波長選択手段50によりソリトン条件に応
じた所望のスペクトル幅の選択を行える。また、波長選
択手段50は、回折格子51を用いて構成したので、分解能
が得やすいという効果が得られる。

（ｃ）光ソリトン発生装置20では、パルス幅圧縮手段60
を設けたので、波長選択手段50でのスペクトル幅の選択
と共働して、光パルスLpがソリトン条件を満たすように
パルス幅の圧縮を行える。また、パルス幅圧縮手段60と
して分散シフトファイバ61を用いたので、そのファイバ
長で分散値の設定を行うことにより、比較的簡単な構成
でパルス幅の圧縮効果が得られる。

（ｄ）光ソリトン発生装置20では、レーザ光増幅手段70
を設けたので、光パルスLpのパルス振幅（ピークパワ
ー）がソリトン条件を満たすようにパルスLpの強度を増
幅させることができ、特に、波長選択手段50の波長選択
により低減した場合の光パルスLpの強度を回復でき、ソ
リトン条件を満たす光パルスLpのパルス振幅を確実に確
保できる。

第３図は、本発明の第２の実施例を示すものであり、
波長選択手段を構成するファブリペローエタロンの構成
図である。

このファブリペローエタロン80は、例えば第１図の波
長選択手段50において回折格子51に代えて設けられるも
のであり、水晶板またはガラス等の２枚の平行平板81,8
2を有しており、平行平板81,82の対向する側のそれぞれ
面に高反射率層81a,82aが、それぞれ他の面には低反射
率層81b,82bが形成されている。

この第２の実施例では、レーザ40で発生した光パルス
Lpがレンズ52を介してファブリペローエタロン80に入射
すると、その光パルスLpは、平行平板81及び82間の間隔
等によって決まる所定の波長の波だけが透過して平行平
板82からレンズ53を介して出力される。

この第２の実施例では、第１の実施例と同様の効果が
得られると共に、低損失の波長選択を行えるという効果
が得られる。

第４図は、本発明の第３の実施例を示すものであり、
波長選択手段を構成する他のファブリペローエタロンの
構成図である。

このファブリペローエタロン80Aは、例えばファブリ
ペローエタロン80と同様に光ソリトン発生装置20に設け
られて、光パルスLpの波長選択を行うものであり、水晶
板またはガラス板等の平行平板83を有しており、その平
行平板83の両面には高反射率層83a,83bが形成されてい
る。

この第３の実施例では、第２の実施例とほぼ同様の作
用、効果が得られる。

第５図は、本発明の第４の実施例を示すものであり、
波長選択手段を構成する狭帯域光学フィルタの構成図で
ある。

この狭帯域光学フィルタ90は、例えば第１図の波長選
択手段50において回折格子51に代えて光ソリトン発生装
置20に設けられるものであり、例えば反射防止用の背面
傾斜を有するガラス基板91を備え、そのガラス基板91の
光入射面上には単一の誘電体層を積層してなる誘電体多
層膜92が形成されている。

この第４の実施例では、レーザ40で発生しレンズ52を
介して誘電体多層膜92に入射した光パルスLpは、誘電体
多層膜92を透過することにより、所定の波長選択を受け
て、所望のスペクトル幅を有する光パルスLpがガラス基
板91の背面から反射することなく出射されてレンズ53を
介して出力される。

この第４の実施例では、第１の実施例とほぼ同様の効
果が得られると共に、損失の少ない波長選択が行えると
いう効果が得られる。

なお、本発明は、図示の実施例に限定されず、種々の
変形が可能である。その変形例としては、例えば次のよ
うなものがある。

（Ｉ）光ソリトン発生装置20は、レーザ駆動部30、レー
ザ40、波長選択手段50、パルス幅圧縮手段60、及びレー
ザ光増幅手段70の構成の変更や省略、あるいは他の手
段、素子、回路等の付加が可能である。その一例として
は次のようなものがある。

レーザ駆動部30は、例えば利得スイッチングにより
レーザ40を駆動する場合の一構成例を示したものであ
り、レーザ40の駆動方法及び構成等を変更することが可
能である。例えば、シンセサイザ31の発生波の変更や、
櫛状波を発生する櫛状波発生器33を他の形状の電気パル
ス列を発生するパルス発生器等にするなどの変更が可能
である。さらに、レーザ駆動部30は、レーザ40の構成に
応じて、例えば光励起を行うためのレーザ駆動部として
構成したりしてもよい。

例えば、レーザ40は、InGaAsP/InP系以外の半導体
材料からなるLDで構成してもよいし、LD以外の半導体レ
ーザ、あるいは好適な半導体レーザ以外のレーザを用い
て構成することもできる。

波長選択手段50は、回折格子51、ファブリペローエ
タロン80,80A、及び狭帯域光学フィルタ90等の構成の変
更が可能であるし、他の手段、例えばプリズム等で構成
してもよい。また、レンズ52,53の構成及び設置につい
ては変更が可能である。

パルス幅圧縮手段60は、分散シフトファイバ61以外
の手段で構成してもよい。その一例としてGT干渉計を用
いることが挙げられる。

このGT干渉計としては、例えば、間隔ｄ隔てて対向配
置された２枚の平行平板を有し、一方の平行平板の対向
しない面を光入出力面としてその面に無反射膜（ARコー
ト）を形成し、該一方の平行平板の他の面に反射膜（反
射率Ｒ）を形成すると共に、他方の平行平板の対向する
面に高反射膜（HRコート）を形成したものを一構成例と
して挙げることができる。

パルス幅圧縮手段60としてこのGT干渉計を用いた場合
には、光入出力面から入射光が入射すると、その入射光
はパルス圧縮が施されてその光入出力面から出射光とし
て出射されるが、反射膜の反射率Ｒ及び間隔ｄ等を適宜
設定することにより、分散値の連続可変を容易に行うこ
とができ、パルス幅圧縮における分散値の最適化を促進
できるという効果が得られる。

レーザ光増幅手段70は、その構成の変更が可能であ
る。例えば複数段接続された光ファイバアンプで構成し
たりしてもよい。また、その増幅の度合いは、レーザ40
の出力強度、波長選択手段50による強度の低減等に応じ
て光パルスLpの強度がソリトン条件を満たすように適宜
設定される。

光アイソレータ74は、必要に応じて他の構成に変更
したり、省略したりできる。

波長選択手段50、パルス幅圧縮手段60、及びレーザ
光増幅手段70は、その配置の順番の変更が可能である。
例えば、波長選択手段50がレーザ光増幅手段70の後段に
配置されても構わない。

（II）光ソリトン発生装置20は、光ファイバ通信用の光
源以外にも、光ソリトンを用いるあらゆる技術分野に適
用が可能である。

（発明の効果） 以上説明したように、第１の発明によれば、レーザー
を光源として光ソリトンを発生する光ソリトン発生装置
において、波長選択手段、パルス幅圧縮手段及びレーザ
光増幅手段を設けている。そのため、波長選択手段によ
り、レーザから発生した光パルスの波長選択を行え、ソ
リトン条件に応じたスペクトル幅の選択を行える。パル
ス幅圧縮手段により、ソリトン条件に応じて波長選択手
段から出力された光パルスのパルス幅の圧縮を行え、波
長選択手段のスペクトル幅の選択と共働して、その光パ
ルスのパルス幅及びスペクトル幅がソリトン条件を満た
すようにできる。従って、例えば波長選択手段のスペク
トル幅の選択のみでは光パルスがソリトン条件を満たさ
ないような場合にも、そのパルス幅の圧縮により光パル
スに確実にソリトン条件を満足させることができる。さ
らに、レーザ光増幅手段により、パルス幅圧縮手段から
出力された光パルスの強度のソリトン条件に応じて増幅
できる。従って、例えばレーザとして半導体レーザ等を
用いることができ、それにより装置の小型化、低価格化
が可能で、かつ保守が容易であり、実用化に適した光ソ
リトン発生装置を実現できる。

第２の発明によれば、パルス幅圧縮手段を、分散値が
マイナスの光ファイバを用いて構成したので、簡単な構
成によりパルス幅圧縮効果が得られる。

第３の発明によれば、パルス幅圧縮手段を、GT干渉計
を用いて構成したので、第１の発明の効果に加えて、最
適なパルス幅圧縮効果が得られるように設計（分散値の
設定等）の最適化を図ることができる。

第４の発明によれば、波長選択手段を、回析格子を用
いて構成したので、簡単な構成で高分解能を得ることが
できる。

第５及び第６の発明によれば、波長選択手段を、それ
ぞれファブリペローエタロン、狭帯域光学フィルタを用
いて構成したので、損失の少ない波長選択を実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す光ソリトン発生装
置の構成ブロック図、第２図は従来の光ソリトン発生装
置の構成ブロック図、第３図は本発明の第２の実施例を
示す波長選択手段を構成するファブリペローエタロンの
構成図、第４図は本発明の第３の実施例を示す波長選択
手段を構成するファブリペローエタロンの構成図、第５
図は本発明の第４の実施例を示す波長選択手段を構成す
る狭帯域光学フィルタの構成図である。 30……レーザ駆動部、40……レーザ、50……波長選択手
段、51……回折格子、60……パルス幅圧縮手段、70……
レーザ光増幅手段、80,80A……ファブリペローエタロ
ン、90……狭帯域光学フィルタ、Lp……光パルス、Ls…
…光ソリトン。

フロントページの続き (72)発明者 小川 洋 東京都港区虎ノ門１丁目７番12号 沖電 気工業株式会社内 (56)参考文献 特開 平３−214123（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−275929（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−154032（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−219029（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−202085（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−157830（ＪＰ，Ａ) ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ 第15 巻、第10号、588〜590頁（1990) ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ 第15 巻、第12号、715〜717頁（1990)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザーを光源として光ソリトンを発生す
   る光ソリトン発生装置において、 前記レーザーから発生した光パルスの発振波長を選択し
   て、ソリトン条件に応じたスペクトル幅の選択を行なう
   波長選択手段と、 前記波長選択手段から出力された前記光パルスのパルス
   幅を、前記ソリトン条件に応じて圧縮するパルス幅圧縮
   手段と、 前記パルス幅圧縮手段から出力された前記光パルスの強
   度を、前記ソリトン条件に応じて増幅するレーザー光増
   幅手段とを有することを特徴とする光ソリトン発生装
   置。
2. 【請求項２】請求項１記載の光ソリトン発生装置におい
   て、 前記パルス幅圧縮手段は、分散値がマイナスのファイバ
   を用いて構成したことを特徴とする光ソリトン発生装
   置。
3. 【請求項３】請求項１記載の光ソリトン発生装置におい
   て、 前記パルス幅圧縮手段は、Gires−Tournois干渉計を用
   いて構成したことを特徴とする光ソリトン発生装置。
4. 【請求項４】請求項１記載の光ソリトン発生装置におい
   て、 前記波長選択手段は、回析格子を用いて構成したことを
   特徴とする光ソリトン発生装置。
5. 【請求項５】請求項１記載の光ソリトン発生装置におい
   て、 前記波長選択手段は、ファブリペローエタロンを用いて
   構成したことを特徴とする光ソリトン発生装置。
6. 【請求項６】請求項１記載の光ソリトン発生装置におい
   て、 前記波長選択手段は、狭帯域光学フィルタを用いて構成
   したことを特徴とする光ソリトン発生装置。