JP3947130B2 - 高速光パルス列発生装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信の分野で高速光パルス列の生成に用いられる高速光パルス列発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高速大容量光通信網の拡大に伴い、発振周波数が安定し、且つ、廉価な高速光パルス列発生装置の出現が求められている。既に公開されている技術の一例を挙げると、希土類添加光ファイバで構成された光ループをポンピングレーザで励起し、光ループ長で決まる基本光発振周波数の整数倍に設定された高調波モードで光発振させる。その光信号の一部を取り出して光電変換する。光電変換によって得られた電気信号を狭帯域フィルタを通した後、上記光ループ内に設けられている光変調器に帰還させる。このようにして、安定した高速光パルス列が生成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０８−０１８１３９号公報（要約）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の技術では、ループ長約２００ｍ（メートル）にも及ぶ希土類添加光ファイバ、光カプラ、光フィルタ等の高価で精密な部品を必要としているため、装置全体として高価になりやすい。又、光パルス列の生成に伴って発生するジッタ成分の除去効果が十分ではない、等の解決すべき課題が残されていた。
本発明では、かかる解決すべき課題を解決し、発振周波数が安定し、且つ、廉価な高速光パルス列発生装置を得ることを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は以上の点を解決するため次の構成を採用する。
〈構成１〉
本発明は、閉ループ帰還信号を受信して該閉ループ帰還信号に同期させて設定周波数の光パルス列を生成して出力する光信号生成部と、上記出力される光パルス列を光分岐器により分岐して得たパルス列を電気信号に変換して出力する光電変換部と、上記変換された電気信号に対し上記設定周波数を含む通過帯域の電気信号を通過させて上記閉ループ帰還信号として出力する電気フィルタとを備え、上記光電変換部の前段に、上記設定周波数の上記光パルス列を中心として発振する各周波数スペクトル成分の間隔を設定し、かつ該各周波数スペクトル成分以外のノイズ成分を減衰するための所定遅延時間が設定されている光遅延部を設けたことを特徴とする。
【０００６】
〈構成２〉
構成１に記載の高速光パルス列発生装置に於いて、上記閉ループ帰還信号となる上記電気フィルタの出力信号を受け入れて、タイミングを調整して上記光信号生成部へ供給するタイミング調整部を更に備えることを特徴とする。
【０００７】
〈構成３〉
構成１又は構成２に記載の高速光パルス列発生装置に於いて、上記光信号生成部は、モード同期半導体レーザであることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を具体例を用いて説明する。
〈具体例の構成〉
図１は、本発明による高速光パルス列発生装置の構成のブロック図である。
図に示すように本発明による高速光パルス列発生装置は、光信号生成部１、光分岐器２、光遅延線３、光電変換部４、バイアス電圧供給部５−１及び５−２、電気増幅器６−１及び６−２、電気フィルタ７、電気的タイミング調整部８とを備える。
【００１０】
光信号生成部１は、閉ループ帰還信号１−１３を受け入れて、該閉ループ帰還信号１−１３に同期した光パルス列を生成する部分である。通常半導体レーザが用いられる。ここでは一例としてＤＢＲ（分布反射）型能動モード同期半導体レーザを用いてパルス繰り返し周期４０ＧＨｚ（一例）の光パルス列を生成する部分である。
【００１１】
このＤＢＲ型能動モード同期半導体レーザ（光信号生成部１）は、従来からよく知られているように、半導体材料から成るｎ型クラッド層１−１、ｐ型クラッド層１−２、及び両者の間に光導波路層１−３を有する積層構造を備える。このＤＢＲ型能動モード同期半導体レーザには、光変調器領域１−４、誘導放出光を生成するための利得領域１−５、受動光導波路領域１−６、及び均一な所定の格子間隔を連続して一様に有する回折格子１−７が設けられている。この例では、回折格子１−７は光導波路層１−３の表面の凹凸により形成されているが、回折格子は他の方法、例えば光導波路層１−３の屈折率変化により形成される方法あるいは両者を複合させた方法を用いてもよい。
【００１２】
例えば、ｎ型クラッド層１−１をｎ型ＩｎＰ、ｐ型クラッド層１−２をｐ型ＩｎＰ、光導波路層１−３をＩｎＧａＡｓＰで、それぞれ形成することにより、上記積層構造にダブルヘテロ構造を採用することができる。図示しないが、光導波路層１−３の紙面と垂直方向両端には、該光導波路層の紙面と垂直方向への光の漏れを防止するために一対の側方クラッドが設けられている。
【００１３】
ｎ型クラッド層１−１には、接地される共通電極１−８が設けられ、また、ｐ型クラッド層１−２には、光変調器領域１−４及び利得領域１−５に対応して、それぞれ光変調器領域の電極１−９、利得領域の電極１−１０が形成されている。
【００１４】
利得領域の電極１−１０と共通電極１−８との間には、直流電源１−１１が接続されている。利得領域１−５は、この順方向の直流電源１−１１により、所定の誘導放出光を放出する部分である。この誘導放出光は、光導波路層１−３の一端に設けられている回折格子１−７及び、光導波路層１−３の劈開面を反射面として、これら両反射面間で規定される共振器長で、光導波路層１−３内を循環する。
【００１５】
光変調器領域１−４に対応する光変調器領域の電極１−９と共通電極１−８との間には、逆バイアス直流電源１−１２による逆バイアス電圧、及び発振周波数を調整可能とする閉ループ帰還信号１−１３が供給される。光変調器領域１−４は、逆バイアス直流電源１−１２からの逆バイアス電圧をバイアス電圧供給部５−２を介して印加されることにより、光導波路層１−３内を循環する誘導放出光の一部を効率的に吸収する。
【００１６】
これにより、誘導放出光は、従来から良く知られているように、そのモード間の同期が取られる。この同期が取られた誘導放出光が所定の強度に達すると、光導波路層１−３の少なくとも一方の端面から、基本的には、共振器長で規定されるモード同期周波数ｆ_ＭＬに対応する光パルス列として放出される。
【００１７】
上記閉ループ帰還信号１−１３が光変調器領域１−４に印加されることにより、レーザ光のジッタが低減される。又、閉ループ帰還信号１−１３によって光パルス列の出力タイミングが制御される。なお、上記光信号生成部１はＤＢＲ型能動モード同期半導体レーザに限らない。他のタイプの能動モード同期半導体レーザ、あるいは受動モード同期半導体レーザでもよい。
【００１８】
光分岐器２は、光信号生成部１の出力する光パルス列を受け入れて分割し、その一方の信号出力２ａを後に続く光遅延線３へ供給し、他方の信号出力２ｂを所定の外部機器（図示していない）へ供給する光カプラである。この光カプラは、光学部品を用いて構成される物、あるいは又、光ファイバによって構成される物の何れであっても良い。
【００１９】
光遅延線３は、光分岐器２から光パルス列を受け入れて所定の時間遅延させる部分である。ここでは一例として分散シフト型光ファイバを用いているが、本発明は、必ずしもこの例に限定されるものでは無い。即ち、他の種類の光ファイバであっても良いし、あるいは又光ファイバ以外の光伝搬媒体であっても良い。
但し、光伝搬損失が小さくＱ特性の良いものが望ましい。
【００２０】
光電変換部４は、光遅延線３から光パルス列を受け入れて電気信号に変換する光電変換器である。ここでは、ＰＩＮフォトダイオード（ＰＩＮ−ＰＤ）を用いているが、本発明は、必ずしもこの例に限定されるものでは無い。即ち、他の種類のフォトダイオードであっても良い。
但し、検出感度が良く、且つ、広帯域であることが望ましい。
【００２１】
バイアス電圧供給部５−１は、光電変換部の出力電気信号を受け入れて後に続く電気増幅器６−１へ供給すると共に、光電変換部４の入出力応答の直線性維持等のために、使用上求められている逆バイアス電圧を光電変換部４に印加するマイクロ波素子である。この逆バイアス電圧は、逆バイアス直流電源１−１５より供給される。
【００２２】
電気増幅器６−１は、バイアス電圧供給部５−１から出力電気信号を受け入れて、増幅して出力するマイクロ波増幅器である。
電気フィルタ７は、電気増幅器６−１の出力電気信号を受け入れて、所定の周波数成分のみを通過させるマイクロ波フィルタである。ここでは、通過信号の中心周波数Ｆ_０＝４０ＧＨｚ、通過帯域Ｂ_Ｗ＝Ｆ_０±２５０ＭＨｚ、４０ＧＨｚでの挿入損失５．３ｄＢ、通過帯域以外での減衰量４０ｄＢ以上のマイクロ波フィルタを用いた。この電気フィルタ７を用いる事によって光パルス列の高調波成分や、装置内で発生する光電変換ノイズ等を除去している。
【００２３】
電気的タイミング調整部８は、電気フィルタ７の出力電気信号（電気パルス列）を受け入れて、所定の時間遅延させる電気的遅延線である。一例として高周波ストリップライン等によって構成される。この電気的タイミング調整部８としては、遅延時間可変可能な可変遅延線であることが望ましい。
【００２４】
電気増幅器６−２は、電気的タイミング調整部８から出力電気信号を受け入れて、増幅して出力するマイクロ波増幅器である。
バイアス電圧供給部５−２は、電気増幅器６−２の出力電気信号を受け入れて後に続く光信号生成部１に帰還させると共に、光信号生成部の出力信号の直線性維持等のために、所定のバイアス電圧を供給する部分である。使用上求められている所定のバイアス電圧を光電変換部４に印加するマイクロ波素子である。このバイアス電圧は、所定の電子回路（図示していない）によって生成される。
【００２５】
本発明による高速光パルス列発生装置では、閉ループ帰還信号が、光信号生成部１を起点として、光分岐器２→光遅延線３→光電変換部４→バイアス電圧供給部５−１→電気増幅器６−１→電気フィルタ７→電気的タイミング調整部８→電気増幅器６−２→バイアス電圧供給部５−２を通って光信号生成部１へ帰還される回路により発生される。
即ち、本発明による高速光パルス列発生装置は、遅延線を用いた閉ループ帰還型発振器を構成している。
尚、本発明では、希土類添加光ファイバ、光フィルタ、ポンピングレーザ、等の高価な部品が用いられていないことに留意すべきである。
【００２６】
〈具体例の動作〉
上記のように本発明による高速光パルス列発生装置には、遅延線を用いた閉ループを備えている。光信号生成部１の利得領域の電極１−１０に直流電流が流入し、光変調器領域の電極１−９に逆バイアス電圧が印加されると、光信号生成部１から出力信号として光パルスが出力される。この出力信号は、光遅延線３で所定の時間Ｔｄ遅延され、光信号生成部１の光変調器領域の電極１−９に帰還される。帰還された出力信号は光信号生成部１から出力される光パルスに変調をかける。変調をかけられた光パルスは光信号生成部１から出力されて光遅延線３で所定の時間Ｔｄ遅延され、光信号生成部１の光変調器領域の電極１−９に帰還される。このように光信号生成部１を起点とし、光遅延線３を通って、再度光信号生成部１に至る閉ループの中で、上記動作が繰り返される。
従って、本発明による高速光パルス列発生装置の閉ループ内に於けるパルスの周回特性は、次式で表される。
【００２７】
φ_Ｅ＋２πｆＬ／ｖ＝２ｎπ …（１式）
ここでＬは、光遅延線３の長さ、ｖは、光遅延線３中に於ける光速度、φ_Ｅは、電気回路中に於ける移相量、ｎは整数、ｆは光パルスの繰り返し周波数を表す。
一般にφ_Ｅ≪２πｆＬ／ｖなので（１式）の両辺をＬ／ｖで割って次式を得る。
ｆ＝ｎｖ／Ｌ＝ｎ／Ｔｄ …（２式）
【００２８】
上記、（２式）を用いて本発明による高速光パルス列発生装置内の、閉ループ帰還型発振器の特性を表すと次のようになる。
図２は、本発明による高速光パルス列発生装置の発振特性図である。
図に於いて（ａ）は、発振可能な周波数スペクトル、即ち、閉ループ内に存在しうる周波数成分を、（ｂ）は、発振周波数スペクトル即ち、光信号生成部１（図１）の発振周波数成分Ｆ_０を、それぞれ表している。
【００２９】
本発明では、一例として、光遅延線３での遅延時間をＴｄ＝１μｓｅｃに設定し、且つ、電気的タイミング調整部８によって電気回路中に於ける移相量φ_Ｅを正確に調整することによってｆ_０＝Ｆ_０＝４０ＧＨｚに設定した。又、このように設定することによって（２式）より（ａ）に於ける、隣り合うスペクトル間隔は（１／Ｔｄ）＝１ＭＨｚになる。この隣り合うスペクトル間での減衰量は極めて大きくなる。
従って、発振周波数スペクトルＦ_０が、ノイズ成分を含んでいても、そのノイズ成分の内、（ａ）に示す周波数スペクトル以外の成分は閉ループ周回中に大きく減衰してしまう事になる。
【００３０】
図３は、本発明による高速光パルス列発生装置のノイズ特性図である。
図に於いて縦軸は、ノイズレベル減衰量（ｄＢ）を表し、横軸にノイズ周波数（ＭＨｚ）を表している。又、実線で表している特性は、本発明による高速光パルス列発生装置の出力光パルス列のノイズ特性を表し、点線で表している特性は、信号発生器（図示せず）と能動モード同期半導体レーザとで構成される従来の光パルス列発生装置における出力光パルス列のノイズ特性を表しており、具体的には、閉ループを形成させずに光信号生成部１（図１）の光変調器領域の電極１−９に閉ループ帰還信号１−１３（図１）に換えて、信号発生器から直接４０ＧＨｚの正弦波信号を印加した場合の出力光パルス列のノイズ特性を表している。
【００３１】
図から分かるように、本発明による高速光パルス列発生装置の出力光パルス列のノイズレベルは、信号発生器（図示していない）から直接４０ＧＨｚの正弦波信号を印加した場合の出力光パルス列のノイズレベルに比較して数十ｄＢ減衰していることが分かる。
従って、信号発生器から直接４０ＧＨｚの正弦波信号を印加した場合に、４０ＧＨｚの正弦波信号を如何に正確に制御しても、出力光パルス列のノイズレベルでは、本発明による高速光パルス列発生装置には、遙かに及ばないことが分かる。
【００３２】
又、図３のグラフを周波数（横軸）で積分した値が、出力光パルス列のジッタ（波形の揺らぎ）成分になることは良く知られている。
即ち、本発明による高速光パルス列発生装置は、ジッタ成分の小さい安定した高速光パルス列を生成しうることが分かる。
【００３３】
次に、出力光パルス列のジッタ特性と光遅延線３（図１）の長さＬとの関係について説明する。
図４は、本発明による高速光パルス列発生装置のジッタ特性図である。
図に於いて縦軸は、時間ジッタ（ｐｓｅｃ：ピコ秒）と、遅延時間（ｓｅｃ：秒）を表し、横軸に光遅延線の長さＬ（ｍ：メートル）を表している。又、実線は、実測値（黒丸）を繋いだグラフであり、点線は、実測値を平滑化した推定グラフである。一点鎖線は、光遅延線の長さＬ（ｍ）に対する遅延時間（ｓｅｃ）を表すグラフ（直線）である。
図に示すように光遅延線の長さがＬ＝１ｋｍ以上になると、言い換えれば、光遅延線による光パルス列の遅延時間が約５×１０^−５ｓｅｃ以上になると、時間ジッタは、０．１ｐｓｅｃ以下となり、極めて良好な特性が得られていることが分かる。
【００３４】
上記説明では、電気フィルタ７として、通過信号の中心周波数Ｆ_０＝４０ＧＨｚ、通過帯域Ｂ_Ｗ＝Ｆ_０±２５０ＭＨｚ、４０ＧＨｚでの挿入損失５．３ｄＢ、通過帯域以外での減衰量４０ｄＢ以上のマイクロ波フィルタを用いたが、本発明に用いられる電気フィルタ７としては、このマイクロ波フィルタに限定されるものでは無い。Ｆ_０で共振するＱ値の高い共振器をマイクロ波フィルタに換えて用いる事等により、より一層特性を向上させることができる。
尚、上記説明では、閉ループとして、閉ループ帰還信号が光信号生成部１を起点とし、光分岐器２→光遅延線３→光電変換部４→バイアス電圧供給部５−１→電気増幅器６−１→電気フィルタ７→電気的タイミング調整部８→電気増幅器６−２→バイアス電圧供給部５−２を通って光信号生成部１へ帰還される構成について説明したが、本発明における閉ループは電気的タイミング調整部８を具えずに構成することも可能である。同様に、電気増幅器６−１、６−２のいずれか、あるいは両者を具えずに構成することも、バイアス電圧供給部５−１、５−２のいずれか、あるいは両者を具えずに構成することも可能である。
【００３５】
【発明の効果】
以上説明したように、閉ループ帰還信号を受け入れて、該閉ループ帰還信号に同期した光パルス列を生成する光信号生成部と、該光信号生成部の生成する上記光パルス列を受け入れて、所定の時間遅延させて出力する光遅延部と、該光遅延部の出力光を受け入れて電気信号に変換する光電変換部と、該光電変換部の出力信号中の所定の周波数成分のみを、上記閉ループ帰還信号として上記光信号生成部へ供給する電気フィルタとを備えることによって、発振周波数が安定し、且つ、廉価な高速光パルス列発生装置を実現することができるという効果を得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による高速光パルス列発生装置の構成のブロック図である。
【図２】本発明による高速光パルス列発生装置の発振特性図である。
【図３】本発明による高速光パルス列発生装置のノイズ特性図である。
【図４】本発明による高速光パルス列発生装置のジッタ特性図である。
【符号の説明】
１ 光信号生成部
１−１ ｎ型クラッド層
１−２ ｐ型クラッド層
１−３ 光導波路層
１−４ 光変調器領域
１−５ 利得領域
１−６ 受動光導波路領域
１−７ 回折格子
１−８ 共通電極
１−９ 光変調器領域の電極
１−１０ 利得領域の電極
１−１１ 直流電源
１−１２ 逆バイアス直流電源
１−１３ 閉ループ帰還信号
１−１５ 逆バイアス直流電源
２ 光分岐器
３ 光遅延線
４ 光電変換部
５−１、５−２ バイアス電圧供給部
６−１、６−２ 電気増幅器
７ 電気フィルタ
８ 電気的タイミング調整部

Claims (3)

1. 閉ループ帰還信号を受信して該閉ループ帰還信号に同期させて設定周波数の光パルス列を生成して出力する光信号生成部と、
   前記出力される光パルス列を光分岐器により分岐して得たパルス列を電気信号に変換して出力する光電変換部と、
   前記変換された電気信号に対し前記設定周波数を含む通過帯域の電気信号を通過させて前記閉ループ帰還信号として出力する電気フィルタとを備え、
   前記光電変換部の前段に、前記設定周波数の前記光パルス列を中心として発振する各周波数スペクトル成分の間隔を設定し、かつ該各周波数スペクトル成分以外のノイズ成分を減衰するための所定遅延時間が設定されている光遅延部を設けたことを特徴とする高速光パルス列発生装置。
2. 請求項１に記載の高速光パルス列発生装置に於いて、
   前記閉ループ帰還信号となる前記電気フィルタの出力信号を受け入れて、タイミングを調整して前記光信号生成部へ供給するタイミング調整部を更に備えることを特徴とする高速光パルス列発生装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の高速光パルス列発生装置に於いて、
   前記光信号生成部は、
   モード同期半導体レーザであることを特徴とする高速光パルス列発生装置。

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