JP3931235B2 - 往復逓倍光変調器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、単純な構成で高周波信号による光の変調を行うことができ、しかも小型化することのできる往復逓倍光変調器に関している。
【0002】
【従来の技術】
レーザ光を一種の光反射共振器に導入し、その中を光が往復する間に光を複数回変調することによって高次の側帯波を得る構成と、そのなかから希望の側帯波の次数以上の側帯波を通過させる帯域フィルタとを持った装置で、入力した高周波電気信号の周波数の整数倍の周波数で強度変調された光が得られる逓倍光変調装置が、特許文献1に開示されている。この特許文献1には、その反射共振器内に光増幅器を設けた構成も開示されている。
【0003】
また、エルビウム(Er)を混入させたリチウムナイオベイト(LiNbO3)結晶に、光路と反射層と反射用の格子領域とを設けた図6に示すレーザ装置が、非特許文献1に記載されている。
【0004】
また、上記の反射層の代わりに、図7に示すように、反射用の格子領域を設けて、2つの反射用の格子領域で挟まれた領域を光共振器とするレーザ装置が、非特許文献2に記載されている。
【0005】
また、リチウムナイオベイト(LiNbO3)結晶上にマッハツェンダ型の光干渉計を形成した光変調器は、既によく知られている。
【0006】
本発明は、特許文献1に記載の発明よりも、入力した高周波電気信号の周波数の整数倍の周波数で強度変調された出力光について、容易に、より強度の大きい光が得られるものである。
【0007】
【特許文献1】
特開2000−6275号公報
【0008】
【非特許文献1】
Ch. Becker, et al., “Integrated opticalTi:Er:LiNbO3 distributed Bragg reflector laser with a fixedphotorefractive grating”, OPTICS LETTERS, Vol.23, No.15, 1194-1196, August 1,1998.
【非特許文献2】
B. K. Das, et al., “Single-frequency Ti:Er:LiNbO3 distributedBragg reflector waveguide laser with thermally fixed photorefractive cavity”,Appl. Phys., B73, 439-442 (2001).
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1に開示された逓倍光変調装置では、高次の側帯波を含む変調光を得ることができるが、より高次になるにしたがって、得られる出力強度は急速に低下する傾向にある。このため、その出力強度を増大するために、光増幅器を用いる構成が開示されている。一般に、応答速度を向上させるためには、その往復する光路長を短くする必要がある。しかし、小型化できる構成は開示されておらず、広い帯域幅の変調信号で変調することができない。また、非特許文献1あるいは2に記載されたレーザ装置は、発振器あるいは増幅器として用いることはできるが、光変調器として用いることはできない。また、リチウムナイオベイト(LiNbO3)結晶上に形成したマッハツェンダ型の光変調器では、振幅の小さい高周波電気信号で高次の側帯波を得ることが困難である。
【0010】
この発明は上記に鑑みてなされたもので、広い帯域幅の変調信号で変調することができるにもかかわらず、単純な構成で高周波信号による光の変調を容易に行うことができ、しかも小型化することのできる往復逓倍光変調器に関している。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の第1の特徴は、単数の光学結晶に形成されて設けられているか、あるいは、複数の光学結晶に分けて形成され設けられているかを問わないが、以下のそれぞれは、連続した光路上に形成されたものであり、(1)増幅作用のある光路と、(2)前記の増幅作用のある光路上に形成された光変調部と、(3)前記の光変調部を挟み込むように設けられた第1光濾波器と第2光濾波器と、(4)上記の光変調部と第2光濾波器との間に設けられ、入射光を除去する第3光濾波器と、(5)前記の増幅作用のある光路を励起する励起光を導入するための構成と、を、備え、(6)第1光濾波器は、変調するための光搬送波を透過し、前記光搬送波を多重変調した光を反射する構成であり、(7)第2光濾波器は、前記光搬送波を反射し、上記の多重変調して得られる側帯波をさらに変調して得られる側帯波を出力する構成であり、上記の光搬送波と、上記の側帯波を増幅するための励起光と、を、第1光濾波器と第2光濾波器との間に、上記の光路に沿って導入し、入力した光搬送波を多重変調して得られる側帯波を出力する構成をもつことである。
【0013】
また、第2の特徴は、(1)光学結晶は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)であり、(2)光変調部は、不純物を拡散して設けられた光路上の電極に印加される電圧に従って誘起される電気光学効果を用いた光変調器を用いたものであり、(3)増幅作用のある光路は前記の光学結晶にエルビウム(Er)をドープして形成されたものであり、(4)第1光濾波器と第2光濾波器と第3光濾波器は、上記の光学結晶上に設けられた周期的なパタンを用いた光濾波器を用いたものであることである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図面に用いる符号は、特別な理由が無い限り、同様の構成要素、あるいは同様の機能を有する構成要素については、同じ符号を用いるものとする。
【0015】
この発明の実施の形態を図1のブロック図に示す。図1の入力光は、単一の周波数f0を持った光であるが、図1の構成は、後に説明する増幅作用のある光路を励起するために、これを励起光と合波部8で合波して第1光濾波器2に入射するものである。第1光濾波器2は、狭帯域フィルタである。これは、周波数f0の入力光は透過するが、その周波数から僅かにずれた光は反射する、という特性をもったフィルタである。増幅作用のある光路3は、Er(エルビウム)がドープされた領域12に形成され、励起光源7により励起されるものである。また、光変調器4は、第1光濾波器2から第2光濾波器6への向きあるいはその逆向きのどちら向きの光についても変調周波数fmの同じ特性で変調することができる光強度変調器である。また、第2光濾波器6は帯域制限フィルタであるが、これは、n次(n≧3の整数で、例えばn=3)の側帯波までは反射するが、それ以外の光は透過する特性をもっている。第3光濾波器5は、増幅作用のある光路3で励起媒体に蓄えられた励起エネルギーを無駄に使うことを防止するために、周波数f0の入力光を防止するものである。この第3光濾波器5が無い場合でも、本発明の往復逓倍光変調器は動作するが、無駄な増幅を防止するためには設けることが望ましい。また、増幅作用のある光路3は、上記の第1、第2、あるいは第3光濾波器や光変調部でおこる光強度の減衰を補償するものであるので、この増幅作用のある光路3がなくても動作させることは可能である。
【0016】
以上の構成の時、図2に示すように、第1光濾波器を通して入力された周波数f0の入射光は、増幅 作用のある光路で増幅され、変調されて、図2(b)に示す側帯波が生じるが、簡単のため線形の変調が行なわれるものとし、従って、搬送波と第1 次両側帯波のみが発生するものとする。この光は、第3光濾波器に入力され、入射光が抑圧される。第3光濾波器で周波数f0を持った入力光が除去されるので、第1光濾波器に再び戻って、さらに反射された光は、側帯波のみとなり、入力光を増幅することがなく、そのためのエネルギーを消費 することを防止できる。
【0017】
その一度変調され第2光濾波器で反射された光は、再び光強度変調器を通過する。この際、両側帯波が変調を受け、図2(c)に示すスペクトルとなる。これらの光のうち、搬送波は第3光濾波器で抑圧されるので、図2(d)の様にほぼ側帯波のみとなる。この光が光路3で増幅されることにより、損失分を回復し、再び反射され、さらに変調を受け、図2(e)のスペクトルとなる。この変調により、第1次と3次の側帯波が発生するが、図2(g)に示す第3次の側帯波が、第2光濾波器の帯域制限フィルタを通過するように、そ の帯域制限特性をもたせておく。この設定により、図2(f)に示す第1次の側帯波は反射される。この様に、帯域制限フィルタからは、第3次の側帯波が出力される。
【0018】
上記の説明においては、光変調器は強度変調器としたが、位相変調器や、単側波帯変調器であっても同様の効果が得られることは容易に理解できる。また、本発明に適用できる変調器としては、共振型の変調器と、進行波型の変調器がある。共振型の変調器では当然であるが、進行波型の変調器においても、両端に電極を設けて、それらから変調信号を入力することによって、どちら向きの光についても同じ特性で変調することができる。
【0019】
図1の増幅作用のある光路3、変調部4、第1光濾波器2、第2光濾波器6、第3光濾波器5は、例えば図3に示すように、一つのLiNbO3結晶の上に形成したものである。そのそれぞれの部分の形成方法は既によく知られており、例えば、以下のようにして形成することができる。まず、XカットLiNbO3結晶20を用意して、その長手方向が結晶のC軸となるようにする。次に増幅作用のある光路の形成には、Er(エルビウム)のドーピングを行い、第1、第2、第3光濾波器を形成する部分にはFe(鉄)のドーピングを行う。次に、光路となる導波路は、Ti(チタン)を拡散して形成する。図3に示す光変調器はマッハツェンダ型である。次に、回折格子を、LiNbO3結晶を加熱した状態でアルゴンイオンレーザを用いたホログラフィーで形成する。さらに、LiNbO3結晶上に酸化ケイ素の膜をつけ、光変調器を形成するために金の電極を形成する。
【0020】
図1の構成においては、励起光は第1光濾波器2の方から入射するものであったが、図4に示すように、第2光濾波器6側から入射することも有効であり、これらの両方から入射することによって、より効果的な励起が行われる。
【0021】
図1あるいは図4に示すそれぞれの部分は、図3に示す様に、必ずしも一つのLiNbO3結晶上20に形成する必要はなく、例えば、図5に示す様に、回折格子を形成しやすい結晶方向のLiNbO3結晶21あるいはLiNbO3結晶23と、変調部を形成しやすい結晶方向のLiNbO3結晶22とが一致しない場合には、それぞれを異なる結晶上に形成したのち、接着剤で接合して、図1と同様の形状とすることができる。このようにそれぞれの部分をそれぞれに製造してから接合する方法は、それぞれの部分を最適化して製造できるという利点がある。
【0022】
また、図1、3、4あるいは5の入力光は、波長1,550nmのレーザ光である。また、光変調器4の励起光源7は、波長980nm、出力200mWの半導体レーザであり、これから出力されるレーザ光は、合波器8により光路に導入される。この際、反射される光で励起光源が不安定になるのを防止するために、アイソレータ9を用いることが望ましい。励起光源7からのレーザ光により、Erイオンが励起され、この励起により入力光あるいはその変調光が増幅される。この増幅は、光路、光変調器、第1光濾波器、第2光濾波器、あるいは第3光濾波器で起こる光の減衰を補償することが目的であり、増幅度が大きすぎ、かつ、第1光濾波器で起こる反射と第2光濾波器でおこる反射で光共振器が形成される場合は、ここでレーザ発振が起こる場合がある。このため、この増幅作用のある光路の増幅度としては、最適な領域があることが分かる。
【0023】
光変調器には、変調信号を供給するが、この変調信号は、例えば3(あるいはn)次の側帯波を用いる場合は、目的とする変調周波数の1/3(あるいは1/n)の周波数の信号を供給すればよい。このため、3次の側帯波を用いる場合は、変調周波数を、例えば3GHz付近の信号とする場合でも、変調信号として1GHz付近の信号を用いればよいことになり、変調信号の増幅や伝送における困難さが大幅に緩和される。
【0024】
【発明の効果】
この発明は、単数あるいは複数の光学結晶に設けられて連続した光路上にあって、(1)増幅作用のある光路と、(2)前記の増幅作用のある光路上に形成された光変調部と、(3)前記の光変調部を挟み込むように設けられた第1光濾波器と第2光濾波器と、(4)上記の光変調部と第2光濾波器との間に設けられ、入射光を除去する第3光濾波器と、(5)前記の増幅作用のある光路を励起する励起光を導入するための構成と、を、備え、(6)第1光濾波器は、変調するための光搬送波を透過し、前記光搬送波を多重変調した光を反射する構成であり、(7)第2光濾波器は、前記光搬送波を反射し、上記の多重変調して得られる側帯波をさらに変調して得られる側帯波を出力する構成であり、上記の光搬送波と、上記の側帯波を増幅するための励起光と、を、第1光濾波器と第2光濾波器との間に、上記の光路に沿って導入し、入力した光搬送波を多重変調して得られる側帯波を出力するようにしたので、構成が単純で小型であり、変調信号を比較的狭い帯域幅の増幅器や給電線を用いて供給できる様になり、変調信号の取り扱いが容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の構成を示すブロック図である。
【図2】往復逓倍光変調の動作を示すブロック図である。
【図3】単一の結晶を用いた本発明の実施の形態を示す俯瞰図である。
【図4】2つの励起光源を用いた本発明の実施の形態を示す俯瞰図である。
【図5】複数の結晶を用いた本発明の実施の形態を示す俯瞰図である。
【図6】第1の従来例である、LiNbO3結晶を用いたレーザを示す俯瞰図である。
【図7】第2の従来例である、LiNbO3結晶を用いたレーザを示す俯瞰図である。
【符号の説明】
1 往復逓倍光変調器
2 第1濾波器
3 増幅作用のある光路
4 光変調器
5 第3濾波器
6 第2濾波器
7 励起光源
8 合波器
9 増幅器
10 導波路
11 変調電極
12 Erがドープされた領域
20、21、22、23 LiNbO3結晶
Claims (2)
- 単数あるいは複数の光学結晶に設けられて連続した光路上にあって、(1)増幅作用のある光路と、(2)前記の増幅作用のある光路上に形成された光変調部と、(3)前記の光変調部を挟み込むように設けられた第1光濾波器と第2光濾波器と、(4)上記の光変調部と第2光濾波器との間に設けられ、入射光を除去する第3光濾波器と、(5)前記の増幅作用のある光路を励起する励起光を導入するための構成と、を、備え、(6)第1光濾波器は、変調するための光搬送波を透過し、前記光搬送波を多重変調した光を反射する構成であり、(7)第2光濾波器は、前記光搬送波を反射し、上記の多重変調して得られる側帯波をさらに変調して得られる側帯波を出力する構成であり、
上記の光搬送波と、上記の側帯波を増幅するための励起光と、を、第1光濾波器と第2光濾波器との間に、上記の光路に沿って導入し、入力した光搬送波を多重変調して得られる側帯波を出力することを特徴とする往復逓倍光変調器。 - (1)光学結晶は、ニオブ酸リチウム(LiNbO3)であり、(2)光変調部は、不純物を拡散して設けられた光路上の電極に印加される電圧に従って誘起される電気光学効果を用いた光変調器を用いたものであり、(3)増幅作用のある光路は前記の光学結晶にエルビウム(Er)をドープして形成されたものであり、(4)第1光濾波器と第2光濾波器と第3光濾波器は、上記の光学結晶上に設けられた周期的なパタンを用いた光濾波器を用いたものであることを特徴とする請求項1に記載の往復逓倍光変調器。
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