JP3875856B2 - 波長可変光源および波長可変方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる波長可変光源および波長可変方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、異なる波長の複数の光キャリアをそれぞれ異なる信号で変調した複数の光信号を波長多重伝送し、また波長ルータを用いてルーティング処理を行う波長多重通信システムの開発・実用化が進んでいる。この波長多重通信システムの利用波長帯域は、例えばエルビウム添加光ファイバ増幅器と利得シフト型エルビウム添加光ファイバ増幅器を並列に接続して得られる増幅帯域1530〜1600ｎｍである。また、波長多重通信システムの各光キャリアの光周波数間隔は年々狭くなっており、現在までに12.5ＧHz間隔のシステムが報告されている。この場合、利用する各光キャリアには１〜２ＧHz程度の光周波数精度が求められる。
【０００３】
一方、波長可変光源の一つとして、半導体光増幅器と可変波長光フィルタを光ファイバでリング状に接続して発振させるリングレーザがある。このリングレーザは、可変波長光フィルタの透過中心波長に応じてリングレーザの発振波長を変化させることができる。ここで、半導体光増幅器（または半導体レーザ増幅器）は、100 ｎｍ以上の利得帯域を有するので、リングレーザは原理的に 100ｎｍ以上の波長可変性を有し、波長多重通信システムに用いる柔軟性の高い光源として有望になっている。このリングレーザを例えば25ＧHz間隔の波長多重通信システムに用いるには、１〜２ＧHz程度の光周波数精度で、周波数跳びがなくレーザ出力周波数を掃引できることが求められる。
【０００４】
図１は、リングレーザを用いた波長可変光源の基本構成を示す。図において、半導体光増幅器１１と、可変波長光フィルタ１２と、出力を取り出す光方向性結合器１３が光ファイバ１４を介してリング状に接続される。さらに、リング内には、光の伝搬方向を一方向に限定する光アイソレータ１５を配置してもよい。また、リング中を周回する光の偏波モードが周回ごとに常に同じになるように、光ファイバ１４として偏波保持光ファイバを用いたり、リング内に周回する光の偏波モードを単一に限定する偏光子１６を配置してもよい。
【０００５】
このような波長可変光源において、出力波長を特定の波長間隔に設定するために、可変波長光フィルタ１２と周期的な波長透過特性を有する周期光フィルタを組み合わせた構成が知られている（特開平８−７８７８７号公報）。この波長可変光源では、可変波長光フィルタの透過中心波長を掃引した際に、周期光フィルタのピーク波長で決まる離散的な波長間隔の出力波長が得られるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に記載の波長可変光源は、可変波長光フィルタだけで発振波長を連続的に掃引しても、所定の出力波長に設定することが容易でないために、周期的な波長透過特性を有する周期光フィルタと組み合わせて出力波長を離散的に設定しようとするものである。すなわち、波長多重通信システムに用いる光源として、出力波長を例えば 100ＧHz程度の離散的な波長間隔で設定することを主眼としている。
【０００７】
ところで、半導体光増幅器は、素子端面の残留反射がファブリペロー共振器を形成するために、波長に対して周期的な利得特性（利得リプル）が生じる。この詳細な原理については、オーム社「光増幅器とその応用」に記述されている。
【０００８】
この利得リプルは、前記公報に記載の波長可変光源に用いられる周期光フィルタと同じような、所定の波長間隔で波長を選択するような作用をもたらす。このため、図１に示すようなリングレーザにおいて、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を連続的に掃引しても、レーザの出力波長（出力光周波数）に波長跳び（周波数跳び）が生じることになる。
【０００９】
半導体光増幅器の利得スペクトルＧ(f) は、光周波数ｆに対して、
【００１０】
【数１】
【００１１】
で表される。ここで、Ｒ1 は入力端面での反射率、Ｒ2 は出力端面での反射率、Ｇs は素子利得、faは半導体光増幅器の共振周波数、Ｌは素子長、ｃは媒質中の光速である。利得リプルの周期ＴG はｃ／２Ｌとなる。半導体光増幅器の利得リプルの深さｍは、
【００１２】
【数２】
【００１３】
で表される。
上式から、Ｒ1 およびＲ2 をともに0.1 ％に抑えた場合でも、例えば素子利得Ｇs を26ｄＢで動作させると、２ｄＢ以上の利得リプルが発生することが計算される。さらに、半導体光増幅器の入力・出力において光ファイバとの結合損失が生じるので、実際には素子利得20ｄＢ程度で利得リプルが４ｄＢ程度になる。図２は、半導体光増幅器の利得スペクトル（実測値）の例である。波長に対して利得が周期的に変化していることがわかる。
【００１４】
また、上記リングレーザにおける発振光周波数の縦モードは、半導体光増幅器の共振周波数faを中心に、リング長ＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR で存在する。例えば、光ファイバ中の光速を２×108 ｍ／ｓとし、リング長ＬR が20ｃｍの場合には、縦モード間隔は１ＧHz（≒ 0.008ｎｍ）となる。このような縦モード間隔ｃ／ＬR と同程度またはこれよりも狭い半値全幅をもつ可変波長光フィルタを用いると、光ファイバで接続されたリングレーザの場合には、そのリング長が振動や温度等に対して微妙に伸縮するために、振動や温度等に対してモードの選択性が不安定になり、出力強度が不安定になる問題がある。
【００１５】
さらに、上記リングレーザの発振波長を変更する際には、レーザを発振させた状態で可変波長光フィルタの透過中心波長を変化させると、発振波長が光フィルタの透過中心波長に追従しない問題がある。
【００１６】
本発明は、半導体光増幅器と可変波長光フィルタを用いてリングレーザを構成し、可変波長光フィルタの透過中心波長を掃引して出力波長を可変させる波長可変光源において、出力波長の波長跳び（周波数跳び）を抑え、環境変動に対して安定した出力強度を得ることができる波長可変光源および波長可変方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の波長可変光源は、上記のような半導体光増幅器および可変波長光フィルタを用いたリングレーザにおいて、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）として、リングの長さＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR の10倍以上、かつ前記半導体光増幅手段の応答時間τ（ｎｓ）の逆数の 10 倍（ 10 ／τ）以上に設定する。これにより、振動や温度等に対するモードの選択性を安定化して出力強度を安定にする。
【００１９】
さらに、高密度波長多重システムにおける有効性を考慮して周波数跳びの許容値Ｈを±２ＧHzと設定し、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）は、（21.6×ＴG／ｍ)1/2以下とする。
【００２０】
ここで、リングレーザの半導体光増幅器の利得スペクトルＧ(f) は (1)式で表されるが、これと可変波長光フィルタの透過スペクトルを掛け合わせたリングレーザの実効的な利得スペクトルＴ(f) は、可変波長光フィルタの半値全幅をΔｆ、透過中心周波数をf0とすると、
【００２１】
【数３】
【００２２】
で表される。ただし、可変波長光フィルタの透過スペクトル形状はローレンツ型としている。
この可変波長光フィルタの透過中心周波数を掃引したときに、リングレーザの発振光周波数に生じる周波数跳びＨ（ＧHz）は、このリングレーザの実効的な利得スペクトルのピーク周波数と、可変波長光フィルタの透過中心周波数f0からのずれとして、(3) 式を用いて計算することができる。
【００２３】
すなわち、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆを（ 21.6 ×Ｔ G ／ｍ ) 1/2 以下にすれば、リングレーザの実効的な利得スペクトルのピーク周波数が可変波長光フィルタの透過中心周波数f0から２（ＧHz）以上ずれないことになる。この結果、半値全幅Δｆ（ＧHz）を（ 21.6 ×Ｔ G ／ｍ ) 1/2 以下に設定した可変波長光フィルタを用いた波長可変光源は、可変波長光フィルタの透過中心周波数を掃引したときに、２（ＧHz）以上の周波数跳びがなくなる。
【００２４】
図３は、周波数跳びの許容値Ｈ（ＧHz）に対する半導体光増幅器の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）と可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）の関係を示す。図３(a) はＨ＝１ＧHzの場合であり、●および○は利得リプル周期ＴG が60ＧHzおよび30ＧHzの半導体光増幅器に対する計算結果である。すなわち、
●：Δｆ＝（10.8×60ＧHz／ｍ)1/2
○：Δｆ＝（10.8×30ＧHz／ｍ)1/2
である。
【００２５】
図３(b) はＨ＝２ＧHzの場合であり、●および○は利得リプル周期ＴG が60ＧHzおよび30ＧHzの半導体光増幅器に対する計算結果である。すなわち、
●：Δｆ＝（21.6×60ＧHz／ｍ)1/2
○：Δｆ＝（21.6×30ＧHz／ｍ)1/2
である。図中の斜線部分は、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）がｃ／ＬR の10倍以上、かつ（10.8×ＴGＨ／ｍ)1/2＝（21.6×60ＧHz／ｍ)1/2以下となる範囲を示す。
【００２６】
図に示すように、周波数跳びの許容値Ｈ（ＧHz）に対して、半導体光増幅器における利得リプルの深さｍが大きい場合には、より狭い半値全幅Δｆの可変波長光フィルタを用いればよいことが分かる。また、例えば±２ＧHzの周波数跳びを許容するとして、利得リプルの深さｍ＝１ｄＢ、利得リプル周期ＴG ＝60ＧHzの半導体光増幅器を用いた場合には、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆを36ＧHz（≒0.3 ｎｍ）以下とすると、リングレーザの実効的な利得スペクトルＴ(f）のピーク周波数が可変波長光フィルタの透過中心周波数f0から±２ＧHz以上ずれないことがわかる。
【００２７】
ただし、利得リプルの深さｍ＝１ｄＢ以下の半導体光増幅器を用いる場合に、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの上限値（ 21.6 ×Ｔ G ／ｍ ) 1/2 はｍの低下に応じて大きくなるが、図４(a) に示すように可変波長光フィルタの半値全幅Δｆをｍ＝１の値である（ 21.6 ×Ｔ G ) 1/2 以下になるようにその上限を設ける。なお、図４(a) はＨ＝２ＧHz、ＴG ＝60ＧHzの場合であり、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆは36ＧHz（≒0.3 ｎｍ）以下に設定する。また、リング長ＬR が20ｃｍ以上のリングレーザを構成すると、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの下限値10×ｃ／ＬR はＬR の増加に応じて小さくなるが、図４(a) に示すように可変波長光フィルタの半値全幅ΔｆをＬR ＝20ｃｍの値に対応する10ＧHz（≒0.08ｎｍ）以上になるようにその下限を設ける。
【００２８】
また、利得リプルの深さｍ＝0.5 ｄＢ以下の半導体光増幅器を用いる場合には、同様に図４(b) に示すように可変波長光フィルタの半値全幅Δｆをｍ＝0.5 の値である（ 43.2 ×Ｔ G ) 1/2 以下になるように上限を設ける。なお、図４(b) はＨ＝２ＧHz、ＴG ＝60ＧHzの場合であり、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆは51ＧHz（≒0.41ｎｍ）以下に設定する。また、リング長ＬR が20ｃｍ以上のリングレーザを構成した場合には、同様に図４(b) に示すように可変波長光フィルタの半値全幅ΔｆをＬR ＝20ｃｍの値に対応する10ＧHz（≒0.08ｎｍ）以上になるように下限を設ける。
【００２９】
また、半導体光増幅器の利得リプル周期ＴG は、素子長Ｌと媒質中の光速ｃによってｃ／２Ｌと表され、一般に60ＧHz程度以下である。この利得リプル周期が60ＧHzより小さい半導体光増幅器を用いる場合には、上記の条件は必要条件であって十分条件ではない。
【００３０】
ところで、中心周波数の連続掃引を実現した波長可変光源において、低雑音特性が得られない場合がある。この原因として、半導体光増幅器の応答時間τ（ｎｓ）と、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）の関係がある。
【００３１】
半導体光増幅器の１つの特徴的な特性は、その雑音抑圧効果である。この特徴については、論文(IEEE Photonics Technology Letters, vol.11, pp.1042-1044 , 1999)に詳述されている。図５は、雑音抑圧効果のイメージを示す。例えば、図５(a) の時間波形に示すような強度雑音をもつ光入力に対して、図５(b) の時間波形に示すような強度雑音を抑圧する効果をもつ。
【００３２】
すなわち、図１に示した波長可変光源では、半導体光増幅器１１の自然放出光雑音を可変波長光フィルタ１２で切り出し、この光が次の周回で半導体光増幅器１１を通過することで雑音抑圧効果を受ける。この動作がリング構成によって繰り返されることにより、光スペクトルが狭窄化し、かつ強度雑音成分が抑圧された低雑音な光が得られると考えられる。
【００３３】
一方、半導体光増幅器の別の特徴的な特性として、半導体光増幅器固有のキャリア緩和時間に起因した過渡応答特性がある。これについては、オーム社「光増幅器とその応用」に記述されている。例えば図６(a) のように、緩和時間より長いレンジで強度変動するような時間波形を入力すると、その出力は図６(b) のように、波形の立ち上がりに急激な強度変動を伴ういわゆる過渡応答特性を示す。図１に示した波長可変光源で安定して強度雑音が抑圧された出力を得るためには、図６(b) に示した定常応答を常に実現することが望ましく、過渡応答による強度雑音の増大を防ぐ必要がある。
【００３４】
さて、図１に示した波長可変光源は、半値全幅Δｆの光バンドパスフィルタと応答速度τの光増幅器とを繰り返し通過するようないわゆる負帰還ループであり、当該の時定数τと１／Δｆが近すぎると解が収束しないと解釈できる。この場合の動作を、上記の半導体光増幅器の特徴に基づいて説明すると次のようになる。
【００３５】
図７は、光フィルタの透過特性と強度雑音成分の関係を示す。図７(a),(b) は、白色雑音光の時間波形（強度対時間特性）および光スペクトルをコンピュータシミュレーションによって発生させたものである。図７(c),(d) は、図７(a),(b) に示す白色雑音光を半値全幅Δｆ＝25ＧHzの光フィルタに通したときの時間波形および光スペクトルを示す。なお、時間波形は、帯域 200ＧHzの計測器によって観測している。
【００３６】
図７(a),(b) の白色雑音光は、図１に示したリングレーザ中の半導体光増幅器の自然放出光を模擬したものであり、その時間波形に示すように単位時間当たりの強度はほぼ一定している。一方、半値全幅Δｆの光フィルタを通すと、１／Δｆ程度の時間スケール（この場合は40ｐｓ）の低周波の直流でない強度雑音成分が生じる。図１に示すリングレーザでは、上述したようにτより大きい時間スケールの強度変動は、半導体光増幅器において過渡応答を引き起こすので、図７(c) に示す波形の光を半導体光増幅器に入力した場合には上述の強度雑音抑圧効果は期待できない。半導体光増幅器における過渡応答を抑圧し、ループの繰り返し出力を収束させ、十分に雑音が抑圧されたリングレーザ出力を得るためには、Δｆを１／τより十分（10倍以上）大きくする（請求項５）。
【００３７】
図７(a),(b) の白色雑音光は、図１に示したリングレーザ中の半導体光増幅器の自然放出光を模擬したものであり、その時間波形に示すように単位時間当たりの強度はほぼ一定している。一方、半値全幅Δｆの光フィルタを通すと、１／Δｆ程度の時間スケール（この場合は40ｐｓ）の低周波の直流でない強度雑音成分が生じる。図１に示すリングレーザでは、上述したようにτより大きい時間スケールの強度変動は、半導体光増幅器において過渡応答を引き起こすので、図７(c) に示す波形の光を半導体光増幅器に入力した場合には上述の強度雑音抑圧効果は期待できない。半導体光増幅器における過渡応答を抑圧し、ループの繰り返し出力を収束させ、十分に雑音が抑圧されたリングレーザ出力を得るためには、Δｆを１／τより十分（10倍以上）大きくする。
【００３８】
図９は、可変波長光フィルタの実効的半値全幅に対する発振スペクトル（リングレーザの出力光スペクトル）の半値全幅と相対強度雑音（ＲＩＮ）の実験値を示す。これによれば、光スペクトルが0.05ｎｍ以下に狭窄化され、相対強度雑音として−117 ｄＢ/Hz 以下の低雑音特性を示す可変波長光フィルタの実効的半値全幅は、0.2 ｎｍ（25ＧHz）以上の範囲であることがわかる。
【００３９】
なお、リングレーザにおける「可変波長光フィルタの実効的半値全幅」とは、リングレーザを開ループとした場合（どこかでリングを切断した場合）の、ループ１周分の実効的な透過スペクトルの半値全幅という意味である。実際には、可変波長光フィルタの透過スペクトルと、利得リプル（半導体光増幅器の端面反射に起因する利得の波長依存性）のある半導体光増幅器の利得スペクトルの掛け合わせが実効的な透過スペクトルとなる。可変波長光フィルタの透過中心周波数が、半導体光増幅器の利得ピークに一致した場合、可変波長光フィルタの実効的な半値全幅は、この掛け合わせの効果により小さくなる。
【００４０】
図１０(a),(b) は、可変波長光フィルタの半値全幅に対する実効的透過スペクトル半値全幅の最小値（可変波長光フィルタの透過中心周波数が半導体光増幅器の利得ピークに一致し、掛け合わせによってスペクトルが一番細くなった場合）を示す。図１０により、利得リプルが大きいと、図９を用いて説明したように可変波長光フィルタの実効的半値全幅を 0.2ｎｍ（25ＧHz）以上として低雑音特性を得るためには、可変波長光フィルタそのものの半値全幅の下限が 0.2ｎｍ（25ＧHz）よりも若干大きい値とする必要があることがわかる。
【００４１】
可変波長光フィルタの実効的半値全幅が 0.2ｎｍ（25ＧHz）となる場合について、半導体光増幅器の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）と可変波長光フィルタそのものの半値全幅Δｆ（ＧHz、ｎｍ）の関係を図１１に示す。▲および△は利得リプル周期ＴG が60ＧHzおよび30ＧHzの半導体光増幅器に対する計算結果である。上述の理由により、低雑音特性を得るためには、この▲および△のプロットが可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの下限値となる。なお、●および○は、図３(b) に示すように、利得リプル周期ＴG が60ＧHzおよび30ＧHzの半導体光増幅器を用いた場合に、周波数跳びＨが２ＧHz以下となるための可変波長光フィルタの半値全幅の上限値となる。
【００４２】
したがって、半導体光増幅器の利得リプル周期が60ＧHzの場合には図１１(a) の斜線の範囲、利得リプル周期が30ＧHzの場合には図１１(b) の斜線の範囲が、周波数跳びＨが２ＧHz以下で、かつ低雑音特性を得るための可変波長光フィルタの半値全幅の範囲となる。
【００４３】
請求項４の波長可変光源は、リングレーザ内の半導体光増幅器として、光アイソレータを挟んで２つの半導体光増幅器を直列に接続したものを用いる。これにより、可変波長光フィルタの半値全幅に対する要求条件を緩めることができる。この理由を以下に説明する。
【００４４】
例えば26ｄＢの利得を、端面反射率0.1 ％の１つの半導体光増幅器で得ようとすると、前述したように２ｄＢ以上の利得リプルが生じる。一方、同じ26ｄＢの利得を、直列接続された端面反射率0.1 ％の２つの半導体光増幅器でそれぞれ13ｄＢずつ得る場合には、トータルの利得リプルは0.34ｄＢとなる。
【００４５】
半導体光増幅器における利得リプルの深さｍが大きい場合には、図３に示すように、より狭い半値全幅Δｆの可変波長光フィルタを用いる必要があるが、このように直列接続された２つの半導体光増幅器を用いると、同じ利得を得るための利得リプルの深さｍが大幅に低減されるので、可変波長光フィルタの半値全幅に対する要求値の範囲を拡大することができる。
【００４６】
本発明の波長可変光源は、出力波長を変更する際に、可変波長光フィルタの透過中心波長の変更前に、半導体光増幅手段の駆動電流を遮断または低下させ、可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、半導体光増幅手段の駆動電流を再生するか、または可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、半導体光増幅手段の駆動電流を一時遮断または低下させて再生する（請求項５，７）。
【００４７】
本発明の波長可変光源は、出力波長を変更する際に、可変波長光フィルタの透過中心波長の変更前に、リング中を周回する光の光パワーを遮断または低下させ、可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、リング中を周回する光の光パワーを再生するか、または可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、リング中を周回する光の光パワーを一時遮断または低下させて再生する（請求項６，８）。
【００４８】
【発明の実施の形態】
本発明の波長可変光源は、図１に示す半導体光増幅器１１および可変波長光フィルタ１２を用いたリングレーザにおいて、可変波長光フィルタ１２の半値全幅Δｆ（ＧHz）を、リングの長さＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR の10倍以上に設定し、かつ周波数跳びの許容値Ｈ（ＧHz）、半導体光増幅器の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）、利得リプルの周期ＴG （ＧHz）としたときに、（10.8×ＴGＨ／ｍ)1/2 以下に設定する。例えば、ｍ＝ 1.5ｄＢ、ＴG ＝30ＧHz、Ｈ＝２ＧHzとすると、半値全幅Δｆが20.8ＧHz以下の可変波長光フィルタ１２を用いればよいことになる。
【００４９】
ここで、この条件に反して半値全幅Δｆが62.5ＧHz（≒0.5 ｎｍ）の可変波長光フィルタを用いた場合のレーザ出力周波数特性の実験値を図１２に示す。可変波長光フィルタは、透過中心波長を0.004 ｎｍ（≒0.5 ＧHz）ステップで掃引した。ここに示すように、最大５ＧHz程度の周波数跳びがみられ、波長可変光フィルタの透過中心波長と出力周波数との間の線型性も非常に悪いことが分かる。
【００５０】
一方、半値全幅Δｆが同じ62.5ＧHz（≒0.5 ｎｍ）の可変波長光フィルタを用いて周波数跳びを回避するには、半導体光増幅器の利得リプルの深さｍを小さくし、半値全幅Δｆの上限値を62.5ＧHz以上にすればよい。例えば、ｍ＝0.1 ｄＢ、ＴG ＝30ＧHz、Ｈ＝２ＧHzとすると、半値全幅Δｆが80.5ＧHz以下の可変波長光フィルタ１２を用いればよいことになる。
【００５１】
図１３は、本発明の波長可変光源の第１の実施形態を示す。本実施形態は、図１に示すリングレーザの基本構成における半導体光増幅器１１を、光アイソレータ１５を挟んで２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２を直列に接続したものに替えたことを特徴とする。さらに、光ファイバ１４として偏波保持光ファイバを用い、リング中を周回する光の偏波モードが周回ごとに常に同じになるする。また、リング内に周回する光の偏波モードを単一に限定する偏光子１６を配置する。
【００５２】
２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２の利得は、上記の実験における半導体光増幅器の利得の約半分として動作させた。この２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２で構成した半導体光増幅手段の利得スペクトルを図１４に示す。ここに示すように、利得リプルの深さｍは 0.1ｄＢ程度まで抑えられていることが分かる。利得リプルの周期ＴG は約30ＧHzである。本実施形態の可変波長光フィルタ１２の半値全幅Δｆは62.5ＧHz（≒0.5 ｎｍ）であるが、２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２を用いることによりｍ＝0.1 ｄＢ、ＴG ＝30ＧHz、Ｈ＝２ＧHzにおいてΔｆ＜80.5ＧHzという条件を満たす。
【００５３】
図１５は、第１の実施形態におけるレーザ出力周波数特性の実験値を示す。可変波長光フィルタ１２は、透過中心波長を0.004 ｎｍ（≒0.5 ＧHz）ステップで掃引した。ここに示すように、周波数跳びがなく、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長に対して出力周波数の線型性がよい波長可変光源が実現できていることが分かる。
【００５４】
なお、利得リプルの測定条件としては、実動作条件に近い条件が望ましいが、実際の動作は図１３に示すような閉ループで行われるので、実際の動作中に利得スペクトルを測定することは難しい。そこで、半導体光増幅器の飽和出力と部品の損失から実動作時の半導体光増幅器の入力パワーを見積もり、この入力パワーを用いて利得スペクトルを測定する。例えば、−20ｄＢｍ以下の小信号利得の利得リプル、または入力光を遮断した状態で測定される自然放出光スペクトルのリプルは、半導体光増幅器の未飽和時の特性を示すため、飽和状態に近い実動作時の利得リプルよりだいぶ大きく測定される。
【００５５】
また、図１３に示す同様の構成において、可変波長光フィルタ１２の半値全幅Δｆ（ＧHz）として、半導体光増幅器１１−１，１１−２の応答時間τ（ｎｓ）の逆数の10倍（10／τ）以上に設定し、かつ（10.8×ＴGＨ／ｍ)1/2 以下に設定する。たとえば、ｍ＝ 0.5ｄＢ、ＴG ＝60ＧHz、Ｈ＝２ＧHzとすると、半値全幅Δｆが26ＧHz以上、51ＧHz以下（ここでは37.5ＧHz（≒0.3 ｎｍ))の可変波長光フィルタ１２を用いる。この２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２で構成した半導体光増幅手段の利得スペクトルを図１６に示す。利得リプルの深さｍは約 0.5ｄＢである。さらに、この場合のレーザ出力周波数特性および相対強度雑音特性を図１７に示す。波長1552〜1555ｎｍに渡って周波数跳びがなく、かつ相対強度雑音（ＲＩＮ）が−140 ｄＢ／Hz以下の低雑音特性が得られていることがわかる。
【００５６】
ところで、図１５，１７の特性を得る実験では、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更する前に、半導体光増幅器１１−１，１１−２の駆動電流を零にし、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更した後に、再び半導体光増幅器１１−１，１１−２の駆動電流を再生して出力周波数（波長）を変更させた。また、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更した後に、半導体光増幅器１１−１，１１−２の駆動電流を一時零にしても同様であった。
【００５７】
一方、半導体光増幅器の駆動電流を遮断しないまま可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を掃引した場合には、図１８に示すように大きな出力周波数跳びが見られた。この結果、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更する場合には、その前に半導体光増幅器１１−１，１１−２の利得を遮断または低下させ、変更後に半導体光増幅器１１−１，１１−２の利得を再生させることが有効であることが分かった。
【００５８】
図１９は、本発明の波長可変光源の第２の実施形態を示す。本実施形態は、図１に示すリングレーザの基本構成において、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を制御する波長制御手段２１が、その波長制御のタイミングに応じて半導体光増幅器１１の駆動電流をオン／オフ制御する構成である。図６の第２の実施形態のリングレーザにおいても同様に構成することができる。
【００５９】
図２０は、本発明の波長可変光源の第３の実施形態を示す。本実施形態は、第２の実施形態の可変波長光フィルタ１１の透過中心波長変更時に、波長制御手段２１が半導体光増幅器１１の利得を制御する構成に代わり、リング中に光パワー減衰手段または光パワー遮断手段による光パワー制御手段２２を挿入し、リング中の光パワーを制御する構成である。
【００６０】
波長制御手段２１は、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更する前に、光パワー制御手段２２を操作してリング中を周回する光の光パワーを低下または遮断し、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更した後に、再び光パワー制御手段２１を操作してリング中を周回する光の光パワーを再生する。また、波長制御手段２１は、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更した後に、光パワー制御手段２２を操作してリング中を周回する光の光パワーを一時低下または遮断するようにしてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の波長可変光源は、半導体光増幅器および可変波長光フィルタを用いたリングレーザにおいて、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）を、リングの長さＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR の10倍以上、または半導体光増幅器の応答時間τ（ｎｓ）の逆数の10倍（10／τ）以上に設定することにより、振動や温度等に対するモードの選択性を安定化して出力強度を安定にすることができる。
【００６２】
さらに、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）は、周波数跳びの許容値Ｈ（ＧHz）、半導体光増幅器の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）、利得リプルの周期ＴG （ＧHz）としたときに、（10.8×ＴGＨ／ｍ)1/2 以下とする。特に、周波数跳びの許容値Ｈを±２ＧHzと設定した場合には、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）は、（21.6×ＴG／ｍ)1/2 以下とする。これにより、周波数跳びがなく、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長の掃引に対して出力周波数（出力波長）の線型性がよい波長可変光源を実現することができる。
【００６３】
また、本発明の波長可変光源および波長可変方法は、出力波長を変更する際に、半導体光増幅器の駆動電流を遮断または低下させるか、リング中の光パワーを遮断または低下させることにより、可変波長光フィルタの透過中心波長の掃引に対して出力波長が追従せずに出力波長跳びが発生する事態を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リングレーザを用いた波長可変光源の基本構成を示すブロック図。
【図２】半導体光増幅器の利得スペクトル（実測値）の例を示す図。
【図３】半導体光増幅器の利得リプルの深さｍと可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの関係▲１▼を示す図。
【図４】可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの上限と下限を説明する図。
【図５】雑音抑圧効果のイメージを示す図。
【図６】半導体光増幅器の過渡応答を説明する図。
【図７】光フィルタの透過特性と強度雑音成分の関係を示す図。
【図８】四光波混合発生効率を通じた半導体光増幅器の緩和時間逆数（１／τ）の実験値を示す図。
【図９】可変波長光フィルタの実効的半値全幅に対する発振スペクトルの半値全幅と相対強度雑音（ＲＩＮ）の実験値を示す図。
【図１０】可変波長光フィルタの実効的透過スペクトル半値全幅を示す図。
【図１１】半導体光増幅器の利得リプルの深さｍと可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの関係▲２▼を示す図。
【図１２】従来構成におけるレーザ出力周波数特性の実験値を示す図。
【図１３】本発明の波長可変光源の第１の実施形態を示すブロック図。
【図１４】第１の実施形態の半導体光増幅手段の利得スペクトルを示す図。
【図１５】第１の実施形態におけるレーザ出力周波数特性の実験値を示す図。
【図１６】第１の実施形態の他の条件による半導体光増幅手段の利得スペクトルを示す図。
【図１７】第１の実施形態の他の条件によるレーザ出力周波数特性、相対強度雑音特性の実験値を示す図。
【図１８】半導体光増幅器の駆動電流を遮断せずに可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を掃引した場合の実験結果を示す図。
【図１９】本発明の波長可変光源の第２の実施形態を示すブロック図。
【図２０】本発明の波長可変光源の第３の実施形態を示すブロック図。
【符号の説明】
１１ 半導体光増幅器
１２ 可変波長光フィルタ
１３ 光方向性結合器
１４ 光ファイバ
１５ 光アイソレータ
１６ 偏光子
２１ 波長制御手段
２２ 光パワー制御手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信システムに用いられる波長可変光源および波長可変方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、異なる波長の複数の光キャリアをそれぞれ異なる信号で変調した複数の光信号を波長多重伝送し、また波長ルータを用いてルーティング処理を行う波長多重通信システムの開発・実用化が進んでいる。この波長多重通信システムの利用波長帯域は、例えばエルビウム添加光ファイバ増幅器と利得シフト型エルビウム添加光ファイバ増幅器を並列に接続して得られる増幅帯域1530〜1600ｎｍである。また、波長多重通信システムの各光キャリアの光周波数間隔は年々狭くなっており、現在までに12.5ＧHz間隔のシステムが報告されている。この場合、利用する各光キャリアには１〜２ＧHz程度の光周波数精度が求められる。
【０００３】
一方、波長可変光源の一つとして、半導体光増幅器と可変波長光フィルタを光ファイバでリング状に接続して発振させるリングレーザがある。このリングレーザは、可変波長光フィルタの透過中心波長に応じてリングレーザの発振波長を変化させることができる。ここで、半導体光増幅器（または半導体レーザ増幅器）は、100 ｎｍ以上の利得帯域を有するので、リングレーザは原理的に 100ｎｍ以上の波長可変性を有し、波長多重通信システムに用いる柔軟性の高い光源として有望になっている。このリングレーザを例えば25ＧHz間隔の波長多重通信システムに用いるには、１〜２ＧHz程度の光周波数精度で、周波数跳びがなくレーザ出力周波数を掃引できることが求められる。
【０００４】
図１は、リングレーザを用いた波長可変光源の基本構成を示す。図において、半導体光増幅器１１と、可変波長光フィルタ１２と、出力を取り出す光方向性結合器１３が光ファイバ１４を介してリング状に接続される。さらに、リング内には、光の伝搬方向を一方向に限定する光アイソレータ１５を配置してもよい。また、リング中を周回する光の偏波モードが周回ごとに常に同じになるように、光ファイバ１４として偏波保持光ファイバを用いたり、リング内に周回する光の偏波モードを単一に限定する偏光子１６を配置してもよい。
【０００５】
このような波長可変光源において、出力波長を特定の波長間隔に設定するために、可変波長光フィルタ１２と周期的な波長透過特性を有する周期光フィルタを組み合わせた構成が知られている（特開平８−７８７８７号公報）。この波長可変光源では、可変波長光フィルタの透過中心波長を掃引した際に、周期光フィルタのピーク波長で決まる離散的な波長間隔の出力波長が得られるようになっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記公報に記載の波長可変光源は、可変波長光フィルタだけで発振波長を連続的に掃引しても、所定の出力波長に設定することが容易でないために、周期的な波長透過特性を有する周期光フィルタと組み合わせて出力波長を離散的に設定しようとするものである。すなわち、波長多重通信システムに用いる光源として、出力波長を例えば 100ＧHz程度の離散的な波長間隔で設定することを主眼としている。
【０００７】
ところで、半導体光増幅器は、素子端面の残留反射がファブリペロー共振器を形成するために、波長に対して周期的な利得特性（利得リプル）が生じる。この詳細な原理については、オーム社「光増幅器とその応用」に記述されている。
【０００８】
この利得リプルは、前記公報に記載の波長可変光源に用いられる周期光フィルタと同じような、所定の波長間隔で波長を選択するような作用をもたらす。このため、図１に示すようなリングレーザにおいて、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を連続的に掃引しても、レーザの出力波長（出力光周波数）に波長跳び（周波数跳び）が生じることになる。
【０００９】
半導体光増幅器の利得スペクトルＧ(f) は、光周波数ｆに対して、
【００１０】
【数１】
で表される。ここで、Ｒ1 は入力端面での反射率、Ｒ2 は出力端面での反射率、Ｇs は素子利得、faは半導体光増幅器の共振周波数、Ｌは素子長、ｃは媒質中の光速である。利得リプルの周期ＴG はｃ／２Ｌとなる。半導体光増幅器の利得リプルの深さｍは、
【００１２】
【数２】
で表される。
上式から、Ｒ1 およびＲ2 をともに0.1 ％に抑えた場合でも、例えば素子利得Ｇs を26ｄＢで動作させると、２ｄＢ以上の利得リプルが発生することが計算される。さらに、半導体光増幅器の入力・出力において光ファイバとの結合損失が生じるので、実際には素子利得20ｄＢ程度で利得リプルが４ｄＢ程度になる。図２は、半導体光増幅器の利得スペクトル（実測値）の例である。波長に対して利得が周期的に変化していることがわかる。
【００１４】
また、上記リングレーザにおける発振光周波数の縦モードは、半導体光増幅器の共振周波数faを中心に、リング長ＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR で存在する。例えば、光ファイバ中の光速を２×108 ｍ／ｓとし、リング長ＬR が20ｃｍの場合には、縦モード間隔は１ＧHz（≒ 0.008ｎｍ）となる。このような縦モード間隔ｃ／ＬR と同程度またはこれよりも狭い半値全幅をもつ可変波長光フィルタを用いると、光ファイバで接続されたリングレーザの場合には、そのリング長が振動や温度等に対して微妙に伸縮するために、振動や温度等に対してモードの選択性が不安定になり、出力強度が不安定になる問題がある。
【００１５】
さらに、上記リングレーザの発振波長を変更する際には、レーザを発振させた状態で可変波長光フィルタの透過中心波長を変化させると、発振波長が光フィルタの透過中心波長に追従しない問題がある。
【００１６】
本発明は、半導体光増幅器と可変波長光フィルタを用いてリングレーザを構成し、可変波長光フィルタの透過中心波長を掃引して出力波長を可変させる波長可変光源において、出力波長の波長跳び（周波数跳び）を抑え、環境変動に対して安定した出力強度を得ることができる波長可変光源および波長可変方法を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の波長可変光源は、上記のような半導体光増幅器および可変波長光フィルタを用いたリングレーザにおいて、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）として、リングの長さＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR の10倍以上、かつ前記半導体光増幅手段の応答時間τ（ｎｓ）の逆数の 10 倍（ 10 ／τ）以上に設定する。これにより、振動や温度等に対するモードの選択性を安定化して出力強度を安定にする。
【００１９】
さらに、高密度波長多重システムにおける有効性を考慮して周波数跳びの許容値Ｈを±２ＧHzと設定し、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）は、（21.6×ＴG／ｍ)1/2以下とする。
【００２０】
ここで、リングレーザの半導体光増幅器の利得スペクトルＧ(f) は (1)式で表されるが、これと可変波長光フィルタの透過スペクトルを掛け合わせたリングレーザの実効的な利得スペクトルＴ(f) は、可変波長光フィルタの半値全幅をΔｆ、透過中心周波数をf0とすると、
【００２１】
【数３】
で表される。ただし、可変波長光フィルタの透過スペクトル形状はローレンツ型としている。
この可変波長光フィルタの透過中心周波数を掃引したときに、リングレーザの発振光周波数に生じる周波数跳びＨ（ＧHz）は、このリングレーザの実効的な利得スペクトルのピーク周波数と、可変波長光フィルタの透過中心周波数f0からのずれとして、(3) 式を用いて計算することができる。
【００２３】
すなわち、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆを（ 21.6 ×Ｔ G ／ｍ ) 1/2 以下にすれば、リングレーザの実効的な利得スペクトルのピーク周波数が可変波長光フィルタの透過中心周波数f0から２（ＧHz）以上ずれないことになる。この結果、半値全幅Δｆ（ＧHz）を（ 21.6 ×Ｔ G ／ｍ ) 1/2 以下に設定した可変波長光フィルタを用いた波長可変光源は、可変波長光フィルタの透過中心周波数を掃引したときに、２（ＧHz）以上の周波数跳びがなくなる。
【００２４】
図３は、周波数跳びの許容値Ｈ（ＧHz）に対する半導体光増幅器の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）と可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）の関係を示す。図３(a) はＨ＝１ＧHzの場合であり、●および○は利得リプル周期ＴG が60ＧHzおよび30ＧHzの半導体光増幅器に対する計算結果である。すなわち、
●：Δｆ＝（10.8×60ＧHz／ｍ)1/2
○：Δｆ＝（10.8×30ＧHz／ｍ)1/2
である。
【００２５】
図３(b) はＨ＝２ＧHzの場合であり、●および○は利得リプル周期ＴG が60ＧHzおよび30ＧHzの半導体光増幅器に対する計算結果である。すなわち、
●：Δｆ＝（21.6×60ＧHz／ｍ)1/2
○：Δｆ＝（21.6×30ＧHz／ｍ)1/2
である。図中の斜線部分は、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）がｃ／ＬR の10倍以上、かつ（10.8×ＴGＨ／ｍ)1/2＝（21.6×60ＧHz／ｍ)1/2以下となる範囲を示す。
【００２６】
図に示すように、周波数跳びの許容値Ｈ（ＧHz）に対して、半導体光増幅器における利得リプルの深さｍが大きい場合には、より狭い半値全幅Δｆの可変波長光フィルタを用いればよいことが分かる。また、例えば±２ＧHzの周波数跳びを許容するとして、利得リプルの深さｍ＝１ｄＢ、利得リプル周期ＴG ＝60ＧHzの半導体光増幅器を用いた場合には、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆを36ＧHz（≒0.3 ｎｍ）以下とすると、リングレーザの実効的な利得スペクトルＴ(f）のピーク周波数が可変波長光フィルタの透過中心周波数f0から±２ＧHz以上ずれないことがわかる。
【００２７】
ただし、利得リプルの深さｍ＝１ｄＢ以下の半導体光増幅器を用いる場合に、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの上限値（ 21.6 ×Ｔ G ／ｍ ) 1/2 はｍの低下に応じて大きくなるが、図４(a) に示すように可変波長光フィルタの半値全幅Δｆをｍ＝１の値である（ 21.6 ×Ｔ G ) 1/2 以下になるようにその上限を設ける。なお、図４(a) はＨ＝２ＧHz、ＴG ＝60ＧHzの場合であり、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆは36ＧHz（≒0.3 ｎｍ）以下に設定する。また、リング長ＬR が20ｃｍ以上のリングレーザを構成すると、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの下限値10×ｃ／ＬR はＬR の増加に応じて小さくなるが、図４(a) に示すように可変波長光フィルタの半値全幅ΔｆをＬR ＝20ｃｍの値に対応する10ＧHz（≒0.08ｎｍ）以上になるようにその下限を設ける。
【００２８】
また、利得リプルの深さｍ＝0.5 ｄＢ以下の半導体光増幅器を用いる場合には、同様に図４(b) に示すように可変波長光フィルタの半値全幅Δｆをｍ＝0.5 の値である（ 43.2 ×Ｔ G ) 1/2 以下になるように上限を設ける。なお、図４(b) はＨ＝２ＧHz、ＴG ＝60ＧHzの場合であり、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆは51ＧHz（≒0.41ｎｍ）以下に設定する。また、リング長ＬR が20ｃｍ以上のリングレーザを構成した場合には、同様に図４(b) に示すように可変波長光フィルタの半値全幅ΔｆをＬR ＝20ｃｍの値に対応する10ＧHz（≒0.08ｎｍ）以上になるように下限を設ける。
【００２９】
また、半導体光増幅器の利得リプル周期ＴG は、素子長Ｌと媒質中の光速ｃによってｃ／２Ｌと表され、一般に60ＧHz程度以下である。この利得リプル周期が60ＧHzより小さい半導体光増幅器を用いる場合には、上記の条件は必要条件であって十分条件ではない。
【００３０】
ところで、中心周波数の連続掃引を実現した波長可変光源において、低雑音特性が得られない場合がある。この原因として、半導体光増幅器の応答時間τ（ｎｓ）と、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）の関係がある。
【００３１】
半導体光増幅器の１つの特徴的な特性は、その雑音抑圧効果である。この特徴については、論文(IEEE Photonics Technology Letters, vol.11, pp.1042-1044 , 1999)に詳述されている。図５は、雑音抑圧効果のイメージを示す。例えば、図５(a) の時間波形に示すような強度雑音をもつ光入力に対して、図５(b) の時間波形に示すような強度雑音を抑圧する効果をもつ。
【００３２】
すなわち、図１に示した波長可変光源では、半導体光増幅器１１の自然放出光雑音を可変波長光フィルタ１２で切り出し、この光が次の周回で半導体光増幅器１１を通過することで雑音抑圧効果を受ける。この動作がリング構成によって繰り返されることにより、光スペクトルが狭窄化し、かつ強度雑音成分が抑圧された低雑音な光が得られると考えられる。
【００３３】
一方、半導体光増幅器の別の特徴的な特性として、半導体光増幅器固有のキャリア緩和時間に起因した過渡応答特性がある。これについては、オーム社「光増幅器とその応用」に記述されている。例えば図６(a) のように、緩和時間より長いレンジで強度変動するような時間波形を入力すると、その出力は図６(b) のように、波形の立ち上がりに急激な強度変動を伴ういわゆる過渡応答特性を示す。図１に示した波長可変光源で安定して強度雑音が抑圧された出力を得るためには、図６(b) に示した定常応答を常に実現することが望ましく、過渡応答による強度雑音の増大を防ぐ必要がある。
【００３４】
さて、図１に示した波長可変光源は、半値全幅Δｆの光バンドパスフィルタと応答速度τの光増幅器とを繰り返し通過するようないわゆる負帰還ループであり、当該の時定数τと１／Δｆが近すぎると解が収束しないと解釈できる。この場合の動作を、上記の半導体光増幅器の特徴に基づいて説明すると次のようになる。
【００３５】
図７は、光フィルタの透過特性と強度雑音成分の関係を示す。図７(a),(b) は、白色雑音光の時間波形（強度対時間特性）および光スペクトルをコンピュータシミュレーションによって発生させたものである。図７(c),(d) は、図７(a),(b) に示す白色雑音光を半値全幅Δｆ＝25ＧHzの光フィルタに通したときの時間波形および光スペクトルを示す。なお、時間波形は、帯域 200ＧHzの計測器によって観測している。
【００３６】
図７(a),(b) の白色雑音光は、図１に示したリングレーザ中の半導体光増幅器の自然放出光を模擬したものであり、その時間波形に示すように単位時間当たりの強度はほぼ一定している。一方、半値全幅Δｆの光フィルタを通すと、１／Δｆ程度の時間スケール（この場合は40ｐｓ）の低周波の直流でない強度雑音成分が生じる。図１に示すリングレーザでは、上述したようにτより大きい時間スケールの強度変動は、半導体光増幅器において過渡応答を引き起こすので、図７(c) に示す波形の光を半導体光増幅器に入力した場合には上述の強度雑音抑圧効果は期待できない。半導体光増幅器における過渡応答を抑圧し、ループの繰り返し出力を収束させ、十分に雑音が抑圧されたリングレーザ出力を得るためには、Δｆを１／τより十分（10倍以上）大きくする（請求項５）。
【００３７】
図７(a),(b) の白色雑音光は、図１に示したリングレーザ中の半導体光増幅器の自然放出光を模擬したものであり、その時間波形に示すように単位時間当たりの強度はほぼ一定している。一方、半値全幅Δｆの光フィルタを通すと、１／Δｆ程度の時間スケール（この場合は40ｐｓ）の低周波の直流でない強度雑音成分が生じる。図１に示すリングレーザでは、上述したようにτより大きい時間スケールの強度変動は、半導体光増幅器において過渡応答を引き起こすので、図７(c) に示す波形の光を半導体光増幅器に入力した場合には上述の強度雑音抑圧効果は期待できない。半導体光増幅器における過渡応答を抑圧し、ループの繰り返し出力を収束させ、十分に雑音が抑圧されたリングレーザ出力を得るためには、Δｆを１／τより十分（10倍以上）大きくする。
【００３８】
図９は、可変波長光フィルタの実効的半値全幅に対する発振スペクトル（リングレーザの出力光スペクトル）の半値全幅と相対強度雑音（ＲＩＮ）の実験値を示す。これによれば、光スペクトルが0.05ｎｍ以下に狭窄化され、相対強度雑音として−117 ｄＢ/Hz 以下の低雑音特性を示す可変波長光フィルタの実効的半値全幅は、0.2 ｎｍ（25ＧHz）以上の範囲であることがわかる。
【００３９】
なお、リングレーザにおける「可変波長光フィルタの実効的半値全幅」とは、リングレーザを開ループとした場合（どこかでリングを切断した場合）の、ループ１周分の実効的な透過スペクトルの半値全幅という意味である。実際には、可変波長光フィルタの透過スペクトルと、利得リプル（半導体光増幅器の端面反射に起因する利得の波長依存性）のある半導体光増幅器の利得スペクトルの掛け合わせが実効的な透過スペクトルとなる。可変波長光フィルタの透過中心周波数が、半導体光増幅器の利得ピークに一致した場合、可変波長光フィルタの実効的な半値全幅は、この掛け合わせの効果により小さくなる。
【００４０】
図１０(a),(b) は、可変波長光フィルタの半値全幅に対する実効的透過スペクトル半値全幅の最小値（可変波長光フィルタの透過中心周波数が半導体光増幅器の利得ピークに一致し、掛け合わせによってスペクトルが一番細くなった場合）を示す。図１０により、利得リプルが大きいと、図９を用いて説明したように可変波長光フィルタの実効的半値全幅を 0.2ｎｍ（25ＧHz）以上として低雑音特性を得るためには、可変波長光フィルタそのものの半値全幅の下限が 0.2ｎｍ（25ＧHz）よりも若干大きい値とする必要があることがわかる。
【００４１】
可変波長光フィルタの実効的半値全幅が 0.2ｎｍ（25ＧHz）となる場合について、半導体光増幅器の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）と可変波長光フィルタそのものの半値全幅Δｆ（ＧHz、ｎｍ）の関係を図１１に示す。▲および△は利得リプル周期ＴG が60ＧHzおよび30ＧHzの半導体光増幅器に対する計算結果である。上述の理由により、低雑音特性を得るためには、この▲および△のプロットが可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの下限値となる。なお、●および○は、図３(b) に示すように、利得リプル周期ＴG が60ＧHzおよび30ＧHzの半導体光増幅器を用いた場合に、周波数跳びＨが２ＧHz以下となるための可変波長光フィルタの半値全幅の上限値となる。
【００４２】
したがって、半導体光増幅器の利得リプル周期が60ＧHzの場合には図１１(a) の斜線の範囲、利得リプル周期が30ＧHzの場合には図１１(b) の斜線の範囲が、周波数跳びＨが２ＧHz以下で、かつ低雑音特性を得るための可変波長光フィルタの半値全幅の範囲となる。
【００４３】
請求項４の波長可変光源は、リングレーザ内の半導体光増幅器として、光アイソレータを挟んで２つの半導体光増幅器を直列に接続したものを用いる。これにより、可変波長光フィルタの半値全幅に対する要求条件を緩めることができる。この理由を以下に説明する。
【００４４】
例えば26ｄＢの利得を、端面反射率0.1 ％の１つの半導体光増幅器で得ようとすると、前述したように２ｄＢ以上の利得リプルが生じる。一方、同じ26ｄＢの利得を、直列接続された端面反射率0.1 ％の２つの半導体光増幅器でそれぞれ13ｄＢずつ得る場合には、トータルの利得リプルは0.34ｄＢとなる。
【００４５】
半導体光増幅器における利得リプルの深さｍが大きい場合には、図３に示すように、より狭い半値全幅Δｆの可変波長光フィルタを用いる必要があるが、このように直列接続された２つの半導体光増幅器を用いると、同じ利得を得るための利得リプルの深さｍが大幅に低減されるので、可変波長光フィルタの半値全幅に対する要求値の範囲を拡大することができる。
【００４６】
本発明の波長可変光源は、出力波長を変更する際に、可変波長光フィルタの透過中心波長の変更前に、半導体光増幅手段の駆動電流を遮断または低下させ、可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、半導体光増幅手段の駆動電流を再生するか、または可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、半導体光増幅手段の駆動電流を一時遮断または低下させて再生する（請求項５，７）。
【００４７】
本発明の波長可変光源は、出力波長を変更する際に、可変波長光フィルタの透過中心波長の変更前に、リング中を周回する光の光パワーを遮断または低下させ、可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、リング中を周回する光の光パワーを再生するか、または可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、リング中を周回する光の光パワーを一時遮断または低下させて再生する（請求項６，８）。
【００４８】
【発明の実施の形態】
本発明の波長可変光源は、図１に示す半導体光増幅器１１および可変波長光フィルタ１２を用いたリングレーザにおいて、可変波長光フィルタ１２の半値全幅Δｆ（ＧHz）を、リングの長さＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR の10倍以上に設定し、かつ周波数跳びの許容値Ｈ（ＧHz）、半導体光増幅器の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）、利得リプルの周期ＴG （ＧHz）としたときに、（10.8×ＴGＨ／ｍ)1/2 以下に設定する。例えば、ｍ＝ 1.5ｄＢ、ＴG ＝30ＧHz、Ｈ＝２ＧHzとすると、半値全幅Δｆが20.8ＧHz以下の可変波長光フィルタ１２を用いればよいことになる。
【００４９】
ここで、この条件に反して半値全幅Δｆが62.5ＧHz（≒0.5 ｎｍ）の可変波長光フィルタを用いた場合のレーザ出力周波数特性の実験値を図１２に示す。可変波長光フィルタは、透過中心波長を0.004 ｎｍ（≒0.5 ＧHz）ステップで掃引した。ここに示すように、最大５ＧHz程度の周波数跳びがみられ、波長可変光フィルタの透過中心波長と出力周波数との間の線型性も非常に悪いことが分かる。
【００５０】
一方、半値全幅Δｆが同じ62.5ＧHz（≒0.5 ｎｍ）の可変波長光フィルタを用いて周波数跳びを回避するには、半導体光増幅器の利得リプルの深さｍを小さくし、半値全幅Δｆの上限値を62.5ＧHz以上にすればよい。例えば、ｍ＝0.1 ｄＢ、ＴG ＝30ＧHz、Ｈ＝２ＧHzとすると、半値全幅Δｆが80.5ＧHz以下の可変波長光フィルタ１２を用いればよいことになる。
【００５１】
図１３は、本発明の波長可変光源の第１の実施形態を示す。本実施形態は、図１に示すリングレーザの基本構成における半導体光増幅器１１を、光アイソレータ１５を挟んで２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２を直列に接続したものに替えたことを特徴とする。さらに、光ファイバ１４として偏波保持光ファイバを用い、リング中を周回する光の偏波モードが周回ごとに常に同じになるする。また、リング内に周回する光の偏波モードを単一に限定する偏光子１６を配置する。
【００５２】
２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２の利得は、上記の実験における半導体光増幅器の利得の約半分として動作させた。この２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２で構成した半導体光増幅手段の利得スペクトルを図１４に示す。ここに示すように、利得リプルの深さｍは 0.1ｄＢ程度まで抑えられていることが分かる。利得リプルの周期ＴG は約30ＧHzである。本実施形態の可変波長光フィルタ１２の半値全幅Δｆは62.5ＧHz（≒0.5 ｎｍ）であるが、２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２を用いることによりｍ＝0.1 ｄＢ、ＴG ＝30ＧHz、Ｈ＝２ＧHzにおいてΔｆ＜80.5ＧHzという条件を満たす。
【００５３】
図１５は、第１の実施形態におけるレーザ出力周波数特性の実験値を示す。可変波長光フィルタ１２は、透過中心波長を0.004 ｎｍ（≒0.5 ＧHz）ステップで掃引した。ここに示すように、周波数跳びがなく、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長に対して出力周波数の線型性がよい波長可変光源が実現できていることが分かる。
【００５４】
なお、利得リプルの測定条件としては、実動作条件に近い条件が望ましいが、実際の動作は図１３に示すような閉ループで行われるので、実際の動作中に利得スペクトルを測定することは難しい。そこで、半導体光増幅器の飽和出力と部品の損失から実動作時の半導体光増幅器の入力パワーを見積もり、この入力パワーを用いて利得スペクトルを測定する。例えば、−20ｄＢｍ以下の小信号利得の利得リプル、または入力光を遮断した状態で測定される自然放出光スペクトルのリプルは、半導体光増幅器の未飽和時の特性を示すため、飽和状態に近い実動作時の利得リプルよりだいぶ大きく測定される。
【００５５】
また、図１３に示す同様の構成において、可変波長光フィルタ１２の半値全幅Δｆ（ＧHz）として、半導体光増幅器１１−１，１１−２の応答時間τ（ｎｓ）の逆数の10倍（10／τ）以上に設定し、かつ（10.8×ＴGＨ／ｍ)1/2 以下に設定する。たとえば、ｍ＝ 0.5ｄＢ、ＴG ＝60ＧHz、Ｈ＝２ＧHzとすると、半値全幅Δｆが26ＧHz以上、51ＧHz以下（ここでは37.5ＧHz（≒0.3 ｎｍ))の可変波長光フィルタ１２を用いる。この２つの半導体光増幅器１１−１，１１−２で構成した半導体光増幅手段の利得スペクトルを図１６に示す。利得リプルの深さｍは約 0.5ｄＢである。さらに、この場合のレーザ出力周波数特性および相対強度雑音特性を図１７に示す。波長1552〜1555ｎｍに渡って周波数跳びがなく、かつ相対強度雑音（ＲＩＮ）が−140 ｄＢ／Hz以下の低雑音特性が得られていることがわかる。
【００５６】
ところで、図１５，１７の特性を得る実験では、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更する前に、半導体光増幅器１１−１，１１−２の駆動電流を零にし、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更した後に、再び半導体光増幅器１１−１，１１−２の駆動電流を再生して出力周波数（波長）を変更させた。また、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更した後に、半導体光増幅器１１−１，１１−２の駆動電流を一時零にしても同様であった。
【００５７】
一方、半導体光増幅器の駆動電流を遮断しないまま可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を掃引した場合には、図１８に示すように大きな出力周波数跳びが見られた。この結果、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更する場合には、その前に半導体光増幅器１１−１，１１−２の利得を遮断または低下させ、変更後に半導体光増幅器１１−１，１１−２の利得を再生させることが有効であることが分かった。
【００５８】
図１９は、本発明の波長可変光源の第２の実施形態を示す。本実施形態は、図１に示すリングレーザの基本構成において、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を制御する波長制御手段２１が、その波長制御のタイミングに応じて半導体光増幅器１１の駆動電流をオン／オフ制御する構成である。図６の第２の実施形態のリングレーザにおいても同様に構成することができる。
【００５９】
図２０は、本発明の波長可変光源の第３の実施形態を示す。本実施形態は、第２の実施形態の可変波長光フィルタ１１の透過中心波長変更時に、波長制御手段２１が半導体光増幅器１１の利得を制御する構成に代わり、リング中に光パワー減衰手段または光パワー遮断手段による光パワー制御手段２２を挿入し、リング中の光パワーを制御する構成である。
【００６０】
波長制御手段２１は、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更する前に、光パワー制御手段２２を操作してリング中を周回する光の光パワーを低下または遮断し、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更した後に、再び光パワー制御手段２１を操作してリング中を周回する光の光パワーを再生する。また、波長制御手段２１は、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を変更した後に、光パワー制御手段２２を操作してリング中を周回する光の光パワーを一時低下または遮断するようにしてもよい。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の波長可変光源は、半導体光増幅器および可変波長光フィルタを用いたリングレーザにおいて、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）を、リングの長さＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR の10倍以上、または半導体光増幅器の応答時間τ（ｎｓ）の逆数の10倍（10／τ）以上に設定することにより、振動や温度等に対するモードの選択性を安定化して出力強度を安定にすることができる。
【００６２】
さらに、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）は、周波数跳びの許容値Ｈ（ＧHz）、半導体光増幅器の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）、利得リプルの周期ＴG （ＧHz）としたときに、（10.8×ＴGＨ／ｍ)1/2 以下とする。特に、周波数跳びの許容値Ｈを±２ＧHzと設定した場合には、可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）は、（21.6×ＴG／ｍ)1/2 以下とする。これにより、周波数跳びがなく、可変波長光フィルタ１２の透過中心波長の掃引に対して出力周波数（出力波長）の線型性がよい波長可変光源を実現することができる。
【００６３】
また、本発明の波長可変光源および波長可変方法は、出力波長を変更する際に、半導体光増幅器の駆動電流を遮断または低下させるか、リング中の光パワーを遮断または低下させることにより、可変波長光フィルタの透過中心波長の掃引に対して出力波長が追従せずに出力波長跳びが発生する事態を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】リングレーザを用いた波長可変光源の基本構成を示すブロック図。
【図２】半導体光増幅器の利得スペクトル（実測値）の例を示す図。
【図３】半導体光増幅器の利得リプルの深さｍと可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの関係▲１▼を示す図。
【図４】可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの上限と下限を説明する図。
【図５】雑音抑圧効果のイメージを示す図。
【図６】半導体光増幅器の過渡応答を説明する図。
【図７】光フィルタの透過特性と強度雑音成分の関係を示す図。
【図８】四光波混合発生効率を通じた半導体光増幅器の緩和時間逆数（１／τ）の実験値を示す図。
【図９】可変波長光フィルタの実効的半値全幅に対する発振スペクトルの半値全幅と相対強度雑音（ＲＩＮ）の実験値を示す図。
【図１０】可変波長光フィルタの実効的透過スペクトル半値全幅を示す図。
【図１１】半導体光増幅器の利得リプルの深さｍと可変波長光フィルタの半値全幅Δｆの関係▲２▼を示す図。
【図１２】従来構成におけるレーザ出力周波数特性の実験値を示す図。
【図１３】本発明の波長可変光源の第１の実施形態を示すブロック図。
【図１４】第１の実施形態の半導体光増幅手段の利得スペクトルを示す図。
【図１５】第１の実施形態におけるレーザ出力周波数特性の実験値を示す図。
【図１６】第１の実施形態の他の条件による半導体光増幅手段の利得スペクトルを示す図。
【図１７】第１の実施形態の他の条件によるレーザ出力周波数特性、相対強度雑音特性の実験値を示す図。
【図１８】半導体光増幅器の駆動電流を遮断せずに可変波長光フィルタ１２の透過中心波長を掃引した場合の実験結果を示す図。
【図１９】本発明の波長可変光源の第２の実施形態を示すブロック図。
【図２０】本発明の波長可変光源の第３の実施形態を示すブロック図。
【符号の説明】
１１ 半導体光増幅器
１２ 可変波長光フィルタ
１３ 光方向性結合器
１４ 光ファイバ
１５ 光アイソレータ
１６ 偏光子
２１ 波長制御手段
２２ 光パワー制御手段
Claims (8)
- 半導体光増幅手段と可変波長光フィルタと光方向性結合器を偏波保持光ファイバを介してリング状に接続し、当該リング中を周回する光の偏波モードが周回ごとに常に同じになるように構成し、前記可変波長光フィルタの透過中心波長を掃引し、その透過中心波長に対応する波長の光を前記光方向性結合器から出力する波長可変光源において、
前記可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ（ＧHz）は、前記リングの長さＬR と媒質中の光速ｃで表される光源の縦モード間隔ｃ／ＬR の10倍以上であり、かつ前記半導体光増幅手段の応答時間τ（ｎｓ）の逆数の 10 倍（ 10 ／τ）以上であり、かつ前記半導体光増幅手段の利得リプルの深さｍ（ｄＢ）、利得リプルの周期ＴG （ＧHz）としたときに（21.6×ＴG／ｍ)1/2 以下である
ことを特徴とする波長可変光源。 - 請求項１に記載の波長可変光源において、
前記半導体光増幅手段の利得リプルの深さｍを１ｄＢ以下としたときに、前記可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ (ＧHz) は、25ＧHz以上、 (21.6 ×Ｔ G ) 1/2 ＧHz以下である
ことを特徴とする波長可変光源。 - 請求項１に記載の波長可変光源において、
前記半導体光増幅手段の利得リプルの深さｍを 0.5ｄＢ以下としたときに、前記可変波長光フィルタの半値全幅Δｆ (ＧHz) は、25ＧHz以上、 (43.2 ×Ｔ G ) 1/2 ＧHz以下である
ことを特徴とする波長可変光源。 - 請求項１〜請求項３のいずれかに記載の波長可変光源において、
前記半導体光増幅手段は、光アイソレータを挟んで２つの半導体光増幅器を直列に接続した構成である
ことを特徴とする波長可変光源。 - 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の波長可変光源において、
前記半導体光増幅手段の駆動電流を遮断または低下させる駆動電流制御手段を備え、
光源の出力波長を変更する際に、前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更前に、前記駆動電流制御手段を制御して前記半導体光増幅手段の駆動電流を遮断または低下させ、前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、前記駆動電流制御手段を制御して前記半導体光増幅手段の駆動電流を再生するか、または前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、前記駆動電流制御手段を制御して前記半導体光増幅手段の駆動電流を一時遮断または低下させて再生する構成である
ことを特徴とする波長可変光源。 - 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の波長可変光源において、
前記リング中に、周回する光の光パワーを遮断または減衰させる光パワー制御手段を備え、
光源の出力波長を変更する際に、前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更前に、前記光パワー制御手段を制御して前記リング中を周回する光の光パワーを遮断または低下させ、前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、前記光パワー制御手段を制御して前記リング中を周回する光の光パワーを再生するか、または前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、前記光パワー制御手段を制御して前記リング中を周回する光の光パワーを一時遮断または低下させて再生する構成である
ことを特徴とする波長可変光源。 - 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の波長可変光源の波長可変方法において、
前記半導体光増幅手段の駆動電流を遮断または低下させる駆動電流制御手段を用い、光源の出力波長を変更する際に、前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更前に、前記駆動電流制御手段を制御して前記半導体光増幅手段の駆動電流を遮断または低下させ、前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、前記駆動電流制御手段を制御して前記半導体光増幅手段の駆動電流を再生するか、または前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、前記駆動電流制御手段を制御して前記半導体光増幅手段の駆動電流を一時遮断または低下させて再生する
ことを特徴とする波長可変方法。 - 請求項１〜請求項４のいずれかに記載の波長可変光源の波長可変方法において、
前記リング中に、周回する光の光パワーを遮断または減衰させる光パワー制御手段を備え、光源の出力波長を変更する際に、前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更前に、前記光パワー制御手段を制御して前記リング中を周回する光の光パワーを遮断または低下させ、前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、前記光パワー制御手段を制御して前記リング中を周回する光の光パワーを再生するか、または前記可変波長光フィルタの透過中心波長の変更後に、前記光パワー制御手段を制御して前記リング中を周回する光の光パワーを一時遮断または低下させて再生する
ことを特徴とする波長可変方法。
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