JP4106154B2 - 光パルス発生器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅媒体としての光ファイバを含んで構成されたリングレーザを用いて光パルスを発生する光パルス発生器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光パルス発生器を光線路の伝送損失を測定するＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectmetry）測定装置の光源として用いた場合、光源から出力される光パルスの性能として、長距離まで測定可能であることと、距離分解能が高精度であることが要求される。測定可能距離を拡大するためにはパルス幅の広い高出力の光パルスが必要であり、また、距離分解能を向上させるためには狭いパルス幅の光パルスが必要となる。
【０００３】
従来から、光増幅媒体としての光ファイバを用いて光ループを形成した光ファイバリングレーザによって所定の光パルスを発生させる光パルス発生器が知られている。例えば、特開平６−２４９７５０号公報にはＱスイッチリングレーザと光スイッチ等を組み合わせた光パルス発生器が開示されている。
【０００４】
図１２は、特開平６−２４９７５０号公報に開示された従来の光パルス発生器の構成を示す図である。図１２に示す光パルス発生器９００は、光ファイバ１１１、励起光源１１２、光合波器１１３、光増幅媒体１１４、光スイッチ１１５、光分岐器１１６および光アイソレータ１１７によって構成されるＱスイッチリングレーザと、光分岐器１１６によって分岐された光パルスを整形して光パルス発生器９００の出力とする光スイッチ１１８とを含んで構成されている。このＱスイッチリングレーザは、光ファイバ１１１、励起光源１１２、光合波器１１３、光増幅媒体１１４、光スイッチ１１５、光分岐器１１６および光アイソレータ１１７をリング状に接続して光ループを形成し、励起光源１１２から出射された光を光合波器１１３を介して光増幅媒体１１４に導く構成を有している。
【０００５】
光増幅媒体１１４は、希土類元素が添加された光ファイバで構成されており、光合波器１１３の出力光によって励起される。例えば、希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）を用いる場合には、励起光源１１２として、１．４８μｍの波長の光を用いることによって、光増幅媒体１１４が励起される。光スイッチ１１５は、タイミング発生器１３１から出力される同期信号に応じて動作し、一定時間オンとなって、その他の時間はオフとなる。その損失は、オンのときは２ｄＢであり、オフのときは６０ｄＢ以上でほぼ完全遮断状態になる。光スイッチ１１５をオフ状態にして光増幅媒体１１４が励起光により励起された状態で、光スイッチ１１５を所定周期で所定時間オン状態にして正帰還系を構成すると、励起されたエネルギーが光信号としてループ内を周回する。ループを周回する光は、光増幅媒体１１４内部で正帰還増幅されるため、１周回する毎に強度が増加し、ある時間経過してピークに達した後に、光増幅媒体１１４内に蓄積されたエネルギーの減少とともに減衰する。
【０００６】
図１３は、光スイッチ１１５、１１８の動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。図１３（ａ）は光スイッチ１１５のオンオフタイミングを、図１３（ｂ）は光分岐器１１６の第２の出力端子Ｂから出力される光波形を、図１３（ｃ）は光スイッチ１１８のオンオフタイミングを、図１３（ｄ）は光スイッチ１１８から出力される光パルス波形をそれぞれ示している。図１３（ｂ）に示すように、光分岐器１１６の第２の出力端子Ｂから出力される光パルスにおいて、ピークパワーＰ0 をもつパルスのパルス幅（Ｔ8 −Ｔ0 ）は、Ｑスイッチリングレーザを発振光が一周回する時間ＴR に相当する。そのため、リング長を変えることにより、任意のパルス幅を設定することができる。なお、光スイッチ１１５のオンオフ時間間隔は、Ｑスイッチリングレーザのリング長および光増幅媒体１１４の効率に応じて適宜設定される。
【０００７】
Ｑスイッチリングレーザにおいて光分岐器１１６から分岐出力される光パルスは、図１３（ｂ）に示すようにピークパワーＰ0 をもつパルスを中心に、ピークパワーＰ1 〜Ｐ14のサイドローブが存在する。この状態の光パルスを光パルス発生器９００の出力として取り出して光パルス試験を行うと距離分解能が低下する。このため、光スイッチ１１８を用いて、Ｑスイッチリングレーザから分岐出力される光パルスをそのピーク位置を中心にして波形整形する。この光スイッチ１１８は、Ｑスイッチリングレーザ内を周回する光パルスがピークとなるタイミングでオンとなるようにタイミング制御がなされる。これにより、光パルス発生器９００からは、矩形形状を有する単一の光パルスを出力することができる。
【０００８】
図１４は、特開平６−２４９７５０号公報に開示された他の従来の光パルス発生器の構成を示す図である。図１４に示す光パルス発生器９１０は、光ファイバ１１１、励起光源１１２、光合波器１１３、光増幅媒体１１４、１×２光スイッチとして用いる音響光学スイッチ１２１および光アイソレータ１１７により構成されるＱスイッチリングレーザと、音響光学スイッチ１２１の０次側出力端子から取り出された光パルスを整形して光パルス発生器９１０の出力とする光スイッチ１１８とを有する。
【０００９】
このＱスイッチリングレーザは、光ファイバ１１１を介して、光合波器１１３、光増幅媒体１１４、音響光学スイッチ１２１の１次側出力端および光アイソレータ１１７をリング状に接続して光ループを形成し、励起光源１１２から出射された光を光合波器１１３を介して光増幅媒体１１４に導く構成を有している。音響光学スイッチ１２１は、タイミング発生器１３２から出力される同期信号に応じて動作し、一定時間オンとなってその他の時間はオフとなる。光増幅媒体１１４が励起光により励起された状態で、音響光学スイッチ１２１を所定周期で所定時間だけオンにするＱスイッチ動作をさせると、Ｑスイッチリングレーザとして所定の波長でパルス発振する。その光パルス波形は、図１３に示したものと同じである。但し、音響光学スイッチ１２１は、オンのときに０次側出力端子から出力される光パルスの損失は７ｄＢであり、出力光パルスのピークパワーは図１２に示した光パルス発生器９００の約半分になる。
【００１０】
図１５は、音響光学スイッチ１２１の０次側出力端子から分岐出力される光波形を示す図である。図１５に示すように、光パルスのピークパワーに対応する時点Ｔ0 で、音響光学スイッチ１２１をオフにして光パルスを取り出せば、出力時の損失は３ｄＢに抑えることができる。また、光スイッチ１１８を用いて、Ｑスイッチリングレーザから分岐出力される光パルスをそのピークを中心に整形する。このように、音響光学スイッチ１２１を用いた場合でも、高出力光パルスを発生させることができる。なお、この光パルスのパルス幅は、Ｑスイッチリングレーザを発振光が一周回する時間に相当するので、リング長を変えることにより容易に任意のパルス幅を設定することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の光パルス発生器９００、９１０には、以下に示す問題があった。
【００１２】
（１）従来の光パルス発生器９００、９１０においては、出力される光パルスのパルス幅は、Ｑスイッチリングレーザを発振光が一周回する時間に相当する。このため、例えばリング長が２０ｍであれば１００ｎｓ、１００ｍでも５００ｎｓと比較的パルス幅が小さく、この光パルス発生器９００、９１０をＯＴＤＲ測定に用いた場合には、１００ｋｍ程度の長距離の被測定ファイバを測定するために必要とされる数μｓのパルス幅を得るには数百ｍ〜数ｋｍのリング長が必要となってシステムが大きくなるとともに、発振を開始してから光パルスが出力されるまでに時間がかかるという問題があった。例えば、リング長２０ｍで光パルスが出力されるまでに６μｓかかる場合には、リング長が８００ｍになると光パルスが出力されるまでに２４０μｓを要することになる。光パルスが出力されるまでに要する時間が長くなるということは、特に繰返し測定により加算平均を行う際のスループットに影響する。
【００１３】
（２）従来の光パルス発生器９００、９１０のように光パルスの切り出しをＱスイッチリングレーザ内の発振ピークに合わせたタイミングで行うと、希土類元素が添加された光ファイバが飽和し、方形波に近い綺麗な矩形パルスが得られないという問題があった。例えば、Ｑスイッチリングレーザのリング長が比較的長い場合、光パルス発生器９００の光分岐器１１６から分岐出力される光パルスを図１６に示す。図１６において、ピークＰ0 のパワーは約１．０Ｗであり、ピークＰ0 とピークＰ2 の間隔から、Ｑスイッチリングレーザを発振光が一周回する時間がＴR が７４０ｎｓで、リング長が１４８ｍであることがわかる。光スイッチ１１８を用い、ピークＰ0 を中心にＴ0 からＴ1 までの７４０ｎｓの幅で光パルスを切り出すと、出力される光パルスは図１６のピークＰ0 近傍の歪んだ矩形パルスとなり、光パルスの半値幅ＰＷＨＡは１００ｎｓにしかならないことがわかる。出力光パルスのパワーの変化をＰ（ｔ）＝Ｐp ・ｅｘｐ（−α（ｔ−Ｔ0 ））で近似し（α＝−（ｌｎ０．５）／ＰＷＨＭ）、この光パルスのエネルギーＥａをピークパワーＰp 、パルス幅ＰＷ＝７４０ｎｓの方形波のエネルギーＥｂと比較すると、両者の比は、
で表される。図１６に示した例では、歪んだ矩形波のエネルギーは方形波の１／５以下となり、ピークパワー２００ｍＷ、パルス幅７４０ｎｓの方形波光パルスのエネルギーに及ばないことがわかる。このように、歪んだ形状を有する光パルスは、ピークパワーが十分でも実効的なパルス幅は狭くなるので、光パルスのエネルギーが十分でなく、方形波光パルスに比べるとＯＴＤＲ測定において大きなダイナミックレンジが得られない欠点がある。また、歪んだ光パルスの先端の高出力パワーにより、光パルス発生器およびＯＴＤＲ測定器等の光学部品に損傷を与えたり、人体へ障害をもたらすおそれがあるなどの問題があった。
【００１４】
（３）従来の光パルス発生器９００、９１０では、希土類元素が添加された光ファイバを用いたＱスイッチリングレーザのリング内に光フィルタを追加して発振波長を変えると、希土類元素が添加された光ファイバの利得の波長依存性等の特性上、励起パワー等の条件が一定であっても光パルスのピークパワーが大きく変化するという問題があった。図１７に、光パルス発生器９１０のリング内に光フィルタを挿入し、発振波長を１５３０ｎｍから１５６５ｎｍまで変化させた場合のピークパワーの変化を示す。リングのループ長は１６０ｍ、出力光パルス幅は５００ｎｓ、音響光学スイッチ１２１のオン時間は３．７０μｓである。発振波長領域内（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）で励起光源１１２の出カパワーは一定であり、光フィルタ、光スイッチ１１８、音響光学スイッチ１２１、光アイソレータ１１７の損失ははぼ一定である。このピークパワーの波長依存性は、光増幅媒体１１４の自然放出（ＡＳＥ）光の波長依存性および利得の波長依存性に起因することがわかっている。この例では、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの範囲で２５ｄＢ以上のピークパワーの変化が観測された。波長を変えてＯＴＤＲ測定を行う際にピークパワーの大きな変化は、ダイナミックレンジや測定可能距離範囲に大きな変化をもたらすことになる。
【００１５】
希士類元素が添加された光ファイバを用いたＱスイッチリングレーザでは、励起エネルギーを大きくすることによって、ピークパワーで１００Ｗ、エネルギーで１μＪを越える十分な光パルスを発生できることが報告されている。ＯＴＤＲ測定では、被測定光ファイバや被測定システム上の制約により、被測定光ファイバに入力できる光パルスのピークパワーは、＋３０ｄＢｍ（１Ｗ）以下であり、パワーをこれ以上大きくすることはできない。ＯＴＤＲ測定で高ダイナミックレンジを達成するためには、高エネルギー光パルスが必要であり、ピークパワーだけでなく、光パルスの波形やパルス幅も重要な要素である。
【００１６】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的はシステムが小さく、発振を開始してから光パルスが出力されるまでに要する時間を短くすることができる光パルス発生器を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、方形波に近い光パルスを得ることができる光パルス発生器を提供することにある。また、本発明の他の目的は、ピークパワーの波長依存性を抑制した光パルス発生器を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の光パルス発生器は、リングレーザによって構成される光ループ内に減衰手段を挿入し、この光ループを周回する光の減衰量を制御しており、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーを調整して、方形波に近い波形を有する光パルスを得ることができる。
【００１９】
また、制御対象となる減衰量に関する情報をあらかじめ記憶手段に記憶しておいて、これを減衰量制御手段によって読み出して減衰手段の減衰量の制御を光増幅媒体の利得変化を打ち消すように行うことが望ましい。減衰手段を用いない状態で光を周回させたときの減衰特性をあらかじめ測定しておいて、この減衰特性の変動を打ち消すような減衰量の情報を記憶手段に記憶しておくことにより、この情報に基づいて減衰手段の減衰量を設定するだけで容易にパワーが一定に制御された光パルスを得ることができる。
【００２０】
特に、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーが、リングレーザを１周回する時間よりも長い時間において一定となるように減衰手段における減衰量を制御することにより、大きなパルス幅を有し、その全域にわたって方形波に近い波形を有する光パルスを得ることが容易となる。しかも、光パルスのパルス幅を大きくするためにリングレーザのリング長（光ループ長）を長くする必要がないため、リングレーザの大きさを小さくすることができ、光パルス発生器のシステム構成を小型化することができる。また、短いリング長のリングレーザを用いることができるため、リング長が長いリングレーザを用いる場合に比べると、同じ光の周回数を実現するまでの時間が短縮され、所望のパワーを有する光パルスが出力されるまでの時間を短くすることができる。
【００２１】
また、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーが、リングレーザを１周回する時間と同じ時間、あるいはこれより短い時間において一定となるように減衰手段における減衰量を制御するようにしてもよい。この場合には、小さなパルス幅を有し、その全域にわたって方形波に近い波形を有する光パルスを得ることができる。
【００２２】
また、所定の波長成分を通過させる光フィルタが光ループ内に含まれている場合、光フィルタを通過させた所定の波長成分の光パルスについて光増幅媒体の利得変化を打ち消すように減衰手段の減衰量を制御することが望ましい。光パルス出力手段から出力される光パルスの波長を切り替えた場合であっても、一定のパワーの有する光パルスを得ることができ、ピークパワーの波長依存性を抑制することができる。
【００２３】
また、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーを検出手段によって検出する場合に、この検出された光パルスのパワーが一定になるように減衰手段の減衰量を制御することが望ましい。経時変化や温度変化によって、出力される光パルスのパワーが変動する場合があるが、このパワーの変動の状態に応じて減衰手段の減衰量を制御することにより、経時変化や温度変化によってパワーが変化しない安定した光パルスを得ることができる。
【００２４】
また、上述した減衰手段は音響光学変調器によって構成することが望ましい。音響光学変調器は、入力する高周波駆動信号のパワーを可変することにより変調度が変化するため、これを用いてリングレーザを構成することにより、リングレーザの光ループを周回する光の減衰量を制御することが可能となる。また、音響光学変調器の１次光出力端子から出力される光を減衰させながら光ループを介して光増幅媒体の入力側に帰還させるとともに、０次光出力端子から出力される光を光ループの外部に出力することが望ましい。入力端子と１次光出力端子とが光ループに含まれるように音響光学変調器を接続することにより、この音響光学変調器を減衰手段および光スイッチング手段として用いることができるため、これらの手段に対応する部品を別々に備える場合に比べて、部品点数の低減によるシステム構成の簡素化が可能になる。しかも、０次光出力端子から光パルスを光ループの外部に出力することにより、光ループを周回する光を分岐する分岐手段としてこの音響光学変調器を用いることができるため、別に光分岐器を備える場合に比べてさらなる部品点数の低減が可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の光パルス発生器について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
〔第１の実施形態〕
本発明を適用した第１の実施形態の光パルス発生器は、Ｑスイッチリングレーザを構成するリング内のＡＯＭ（音響光学変調器）の損失量を制御することによって、波形歪みの少ない方形波に近い光パルスを出力することに特徴がある。
【００２７】
図１は、第１の実施形態の光パルス発生器の構成を示す図である。図１に示す光パルス発生器１０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７、光スイッチ１８、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３、記憶装置３４を含んで構成されている。
【００２８】
光増幅媒体１４は、希土類元素が添加された光ファイバで構成されており、励起光源１２から出力される所定波長の励起光によって励起される。添加される希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）を用いる場合には、励起光源１２として、１．４８μｍの波長の半導体レーザを用いることによって、光増幅媒体１４が励起される。
【００２９】
波長多重光合波器１３は、２つの入力端子を有し、励起光源１２の出力端が一方の入力端子に接続されており、励起光源１２から出力される光が光増幅媒体１４に導かれる。
【００３０】
ＡＯＭ１９は、１次光出力端子と０次光出力端子とを有しており、ＡＯＭ駆励回路３３に接続された変調度制御器３２の制御によって、光増幅媒体１４から入射された光を変調および減衰させて１次光出力端子から出力するとともに、この入射された光の一部を０次光出力端子から出力する。オフ状態（最大減衰時）のＡＯＭ１９の入力端子と１次光出力端子との間のアイソレーションは通常６０ｄＢ以上であり、ほぼ完全に遮断状態となる。また、オン状態（最小減衰時）のＡＯＭ１９の入力端子と１次光出力端子との間の損失は、通常１０ｄＢ以下となる。また、ＡＯＭ１９の入力端子と０次光出力端子との間の損失は、入力端子と１次光出力端子との間がオン状態（最小減衰時）のときに約７ｄＢ、オフ状態（最大減衰時）のときに約３ｄＢとなる。
【００３１】
光アイソレータ１７は、２つの端子を有しており、一方の端子から他方の端子へは光を通すが、その反対方向の光は遮断する。逆向きの光が存在すると、光増幅媒体１４による光増幅動作が妨げられるため、光アイソレータ１７によってこの反対方向の光が除去される。この光アイソレータ１７を通すことにより、ＡＯＭ１９の１次光出力端子から出力された光が波長多重光合波器１３の他方の入力端子側に導かれる。
【００３２】
光スイッチ１８は、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光が入射され、オン状態のときにこの入射された光を出力し、オフ状態のときには入射された光を遮断する。
【００３３】
タイミング発生器３１は、所定のタイミング制御信号を変調度制御器３２および光スイッチ１８に出力することにより、ＡＯＭ１９の変調度の変更タイミングと光スイッチ１８のオンオフタイミングとを制御する。変調度制御器３２は、タイミング発生器３１からタイミング制御信号が出力されると、予め記憶装置３４に記憶されていた変調度制御データに基づいて、ＡＯＭ駆動回路３３の高周波出カパワーを増減させる。この変調度制御データは、ＡＯＭ１９の減衰量に関する情報であり、ＡＯＭ１９を最小減衰となる状態でＱスイッチリングレーザの光ループを光が周回した場合の光ループの利得をあらかじめ測定しておいて、これを打ち消すような減衰量の制御情報が設定されている。ＡＯＭ駆動回路３３の高周波出力パワーが大きいときはＡＯＭ１９の回折効率が上がり、ＡＯＭ１９の入力端子と１次光出力端子との間の損失が減少する。逆に、ＡＯＭ駆動回路３３の高周波出力が小さいときはＡＯＭ１９の回折効率が下がり、ＡＯＭ１９の入力端子と１次光出力端子との間の損失が増大する。このようにして、ＡＯＭ１９の１次光出力端子から出力される光の強度を時間的に制御することができる。
【００３４】
図１に示した光パルス発生器１０では、光ファイバ１１、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７によってリング状の光ループが形成される。この光ループと励起光源１２とが組み合わされて光ファイバリングレーザが構成される。励起光源１２から出力され、波長多重光合波器１３を介して光ループ内に入力される所定の光によって光増幅媒体１４が励起される。この状態で、ＡＯＭ１９を所定周期で所定時間オン状態にすると、光増幅媒体１４の出力側から出射された自然放出光は、ＡＯＭ１９の０次光出力端子によって一部が分岐出力されつつ、１次光出力端子を通り、さらに光アイソレータ１７、波長多重光合波器１３を通って光増幅媒体１４の入力側に戻る正帰還系が構成される。これにより、光増幅媒体１４に励起・蓄積されたエネルギーが光信号としてループ内を周回する。光が周回するたびに光増幅媒体１４に蓄積されたエネルギーが光に変換されて減少するが、そのエネルギーの減少の度合いが残っているエネルギーに比べ十分小さい間は、光増幅媒体１４の利得はほぼ一定で飽和の起こらないリニア領域とみなすことができる。光増幅媒体１４の利得が一定であれば、リング内に挿入されたＡＯＭ１９の減衰量を変化させてリング内の光の帰還量を制御することによって、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光パルスの波形やピークパワーを容易に制御することができる。さらに、光増幅媒体１４の利得が変化する場合でも、ＡＯＭ１９の減衰量を光増幅媒体１４の利得変化を打ち消すように詳細に制御することによって、同等の効果が得られる。
【００３５】
上述したＡＯＭ１９が光スイッチング手段、減衰手段に、光スイッチ１８、ＡＯＭ１９が光パルス出力手段に、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３が減衰量制御手段に、記憶装置３４が記憶手段にそれぞれ対応する。
【００３６】
次に、本実施形態の光パルス発生器１０の動作について説明する。図２は、ＡＯＭ１９および光スイッチ１８の動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。図２（ａ）はＡＯＭ１９の減衰量を調整することで制御されるリング内の全損失量ΣＬｉのタイミング波形を、図２（ｂ）はＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光波形をそれぞれ対数表示したものである。また、図２（ｃ）は光スイッチ１８のオンオフタイミングを、図２（ｄ）は光スイッチ１８から出力される光パルス波形をそれぞれ示している。ここでは、光増幅媒体１４の利得が常に一定であるものとして説明する。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、光増幅媒体１４の出力側から自然放出光（ＰASE ）が出射された状態において、ＡＯＭ１９が最大減衰（オフ）状態から最小減衰（オン）状態に変わると、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から図２（ｂ）に示すＰ3 のパワーに相当する光が分岐出力される。ＡＯＭ１９の最小減衰（オン）状態における入力端子と０次光出力端子との間の損失をＬｊとすると、Ｐ3 は、
Ｐ3 ［ｄＢｍ］＝ＰASE ［ｄＢｍ］−Ｌｊ［ｄＢ］
となる。リング内を光が１〜２周回する間は、リング内の全損失ΣＬｉはＬmin で一定であるから、光増幅媒体１４の一定の利得をＧ０とすると、２周期目、３周期目にＡＯＭ１９の０次光出力端子から分岐出力される光のパワーＰ2 、Ｐ1 は、
となる。リング内を光が３周回する間、リング内の全損失ΣＬｉはＬ１であるから、４周期目にＡＯＭ１９の０次光出力端子から分岐出力される光のパワーＰ0 は、
となる。Ｐ3 〜Ｐ0 の右辺はリング内の全損失ΣＬｉ（Ｌ１、Ｌmin ）の項以外は一定値であるから、ＡＯＭ１９の減衰量の制御をリング長に相当する時間の周期で行うことによって、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から分岐出力される光は、きれいな階段状にパワーが増加し、４周回目で所望する一定の出カパワーＰ0 に到達する。５周回目以降は、リング内の全損失Ｌ０を光増幅媒体１４の利得Ｇ０と等しく、すなわちリング全体の総利得を１とすることによって、一定のパワーＰ0 で所望のパルス幅の光パルスが得られる。このような光パルスを得るために必要なＡＯＭ１９の制御データは、予め測定しておいて、記憶装置３４に記憶しておくことが望ましい。この制御データを記憶装置３４から読み出すだけで、ＡＯＭ１９のオンオフ動作を制御することができるため、制御が容易となる。
【００３８】
なお、ＡＯＭ１９は、図２にＶＩＩＩで示す期間に最大損失になって、それ以後にリング内を周回する光は減衰するが、最大損失になる直前の光がリングを１周回してＡＯＭ１９の０次出力からパワーＰ0 の光パルスとして出力されるため、０次光出力端子から出力される光パルスの減衰はＡＯＭ１９の損失変化から１周期分遅れる。
【００３９】
ＡＯＭ１９から分岐出力された図２（ｂ）に示す光パルスを、図２（ｃ）に示すタイミングで光スイッチ１８によって切り出して整形することにより、図２（ｄ）に示されるようなリング長に相当するより大きなパルス幅でパワーが一定（Ｐout ）の方形波に近い光パルスを出力することができる。
【００４０】
どれだけのパワーでどれだけの周回数まで一定のパワーが保持できるかは、励起光源１２がどれだけ光増幅媒体１４を励起でき、その励起されたエネルギーを光増幅媒体１４が光に変換できるかに依存する。よって、励起光源１２に高出力のもの、光増幅媒体１４に変換効率の高いものを用いることによって、高エネルギー化は容易に可能である。
【００４１】
図３は、図１に示した光パルス発生器１０を用いて実際に得られた光波形の一例を示す図である。ここでは、リング長５０ｍのときにリングを光が一周する時間が２５０ｎｓであり、リング４周回分の１μｓでピークパワー２００ｍＷの方形波に近い光パルスが得られている。
【００４２】
さらに、報告されているような１μＪを越えるエネルギーの光パルスを発生する能力のあるＱスイッチリングレーザで構成された光パルス発生器１０を用いれば、パワーが１Ｗで一定であって、パルス幅１μｓ以上の方形波に近い光パルスを得ることもできる。
【００４３】
このように、本実施形態の光パルス発生器１０は、ＡＯＭ１９を駆動するために用いられるＡＯＭ駆動回路３３の高周波出力のパワーを調整してＡＯＭ１９を介して周回する光の減衰量を制御することにより、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力されて光スイッチ１８を介して取り出される光パルスの波形を整形しており、方形波に近い光パルスを得ることができる。また、光スイッチ１８から出力される光パルスの波形整形を、光ファイバリングレーザのリング内を光が複数回周回する時間にわたって行うことにより、光がリングを１周回する時間よりも長いパルス幅を有する光パルスを容易に得ることができる。
【００４４】
次に、光増幅媒体１４の利得が変化する場合に、ＡＯＭ１９の減衰量を光増幅媒体１４の利得変化を打ち消すように調整する光パルス発生器１０の他の動作について説明する。
【００４５】
図４は、ＡＯＭ１９および光スイッチ１８の動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。図４（ａ）はＡＯＭ１９の減衰量を調整することで制御されるリング内の全損失量ΣＬｉのタイミング波形を、図４（ｂ）はＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光波形をそれぞれ対数表示したものである。また、図４（ｃ）は光スイッチ１８のオンオフタイミングを、図４（ｄ）は光スイッチ１８から出力される光パルス波形をそれぞれ示している。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、ＡＯＭ１９が最大減衰（オフ）状態から最小減衰（オン）状態に変わると、光増幅媒体１４の出力側から出射した自然放出光は、ＡＯＭ１９の０次光出力端子からその一部が図４（ｂ）に示すパワーＰ6 の光パルスとして分岐出力されつつ、１次光出力端子から出力され、さらに光アイソレータ１７、波長多重光合波器１３を通って光増幅媒体１４の入力側に戻る正帰還系が構成される。これにより、光増幅媒体１４に励起・蓄積されたエネルギーが光信号としてループ内を周回する。光増幅媒体１４に蓄積されたエネルギーは、光が周回するたびに光に変換されて一部がパワーＰ5 、Ｐ4 、Ｐ3 、…、Ｐ0 の光としてＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力されるため、次第に減少する。そのエネルギーの減少の度合いが、光増幅媒体１４に残っているエネルギーに比べ十分小さい間は、光増幅媒体１４の利得はほぼ一定であるが、出力される光エネルギーが大きくなれば、光増幅媒体１４の利得が徐々に減少する。それにより、オン状態で全くリング内の損失を制御しないＱスイッチリングレーザーから出力される光波形は、きれいな階段状ではなく、図１５や図１６に示したような指数関数的に減衰する波形となる。
【００４７】
図４（ａ）に示すように、光増幅媒体１４の利得の変化を打ち消すようにＡＯＭ１９の減衰量を調整することにより、周回ごとのリング内の損失をほぼ一定に制御することができるため、図４（ｂ）に示すようなきれいな階段状の光出力を得ることができる。例えば、ＶＩＩで示す期間内の光増幅媒体１４の利得の変化をＧ（ｔ）＝Ｇ0 ・ｅｘｐ（−α（ｔ−ｔ0 ））とする。ここで、ｔ0 は期間ＶＩＩの開始時間、αは光増幅媒体１４の利得減衰定数である。この利得の変化を打ち消すには、期間ＶＩのＡＯＭ１９の減衰量の制御をＬ（ｔ）＝Ｌ1 ・ｅｘｐ（−α（ｔ−ｔ0 −ＴR ））のように行えばよい。これらの制御データは、前もって測定しておいて、記憶装置３４に記憶しておく。その後、光スイッチ１８を用いて、図４（ｂ）の光波形を所望のパルス幅で切り出して整形すればよい。
【００４８】
このように、図１に示した光パルス発生器１０は、リング長に相当するより長いパルス幅を有するほぼ方形波の光パルスを得るだけでなく、リング長に相当する、あるいはこれよりも短いパルス幅を有するほぼ方形波の光パルスを出力することができる。
【００４９】
〔第２の実施形態〕
Ｑスイッチリングレーザにおいて、光増幅媒体１４の利得がほぼ一定で飽和の起こらないリニア領域であっても、リングに光フィルタを挿入し、発振波長を変化させると、光増幅媒体１４の特性上、光増幅媒体１４の自然放出光のパワーおよび利得が変化する。これらの変化をＡＯＭ１９の減衰量を調整してキャンセルすることによって、広い波長範囲でパワーが一定で方形波に近い光パルスを発生することができる。
【００５０】
図５は、本発明を適用した第２の実施形態の光パルス発生器１１０の構成を示す図である。図５に示す光パルス発生器１１０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、光フィルタ１６、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７、光スイッチ１８、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３、記憶装置３４を含んで構成されている。この光パルス発生器１１０は、図１に示した光パルス発生器１０のリング内に光フィルタ１６を挿入したものであり、その他の構成は基本的に同じである。光フィルタ１６は、光増幅媒体１４から出力される光が入力されており、所定の波長成分を通過させる。
【００５１】
図６は、図５に示した光パルス発生器１１０におけるＡＯＭ１９および光スイッチ１８の動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。図６（ａ）はＡＯＭ１９の減衰量を調整することで制御されるリング内の全損失量ΣＬｉのタイミング波形を、図６（ｂ）はＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光波形をそれぞれ対数表示したものである。また、図６（ｃ）は光スイッチ１８のオンオフタイミングを、図６（ｄ）は光スイッチ１８から出力される光パルス波形をそれぞれ示している。
【００５２】
本実施形態の光パルス発生器１１０においては、発振波長を変えたことによって光増幅媒体１４の自然放出光のパワーおよび利得が変化する場合に、ＡＯＭ１９の減衰量を調整することによってリング内の全損失量ΣＬｉを波長ごとに変えて、ＡＯＭ１９の０次光出力の変化を打ち消している。
【００５３】
まず、図６（ａ）に示すリング内の全損失量Ｌ14を、図に示すようなタイミングで波長ごとに変えることにより、５周回目の出カパワーを所望の一定値Ｐ10に保つ。６周回以降は、波長ごとに変わる光増幅媒体１４の利得をリング内の全損失Ｌ10でキャンセルしてリング全体の総合利得を１とすることで、図６（ｂ）に示すように、出カパワーを一定値Ｐ10に保持する。ＡＯＭ１９の波長ごとの減衰量の制御データは、予め測定して求めておいて、記憶装置３４に記憶しておくとよい。
【００５４】
また、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光パルスを、光スイッチ１８によって図６（ｃ）に示すようなタイミングで切り出して整形することにより、図６（ｄ）に示されるようなリング長に相当するより大きなパルス幅を有し、発振波長によらずパワーが一定（Ｐout ）であるほぼ方形波の光パルスを出力することができる。
【００５５】
図７は、本実施形態の光パルス発生器１１０に含まれるＡＯＭ１９の減衰量と波長との関係を示す図であり、波長を変えても出カパワーを一定に保つ目的でリング内の全損失量Ｌ14を制御するために用いられるＡＯＭ１９の減衰量の波長依存性が示されている。ＡＯＭ１９の減衰量に図７に示すような波長依存性を持たせるために必要な減衰量制御データを予め記憶装置３４に記憶しておくことにより、光フィルタ１６を通過させる波長を変えて発振波長を変更したときに、ＡＯＭ１９の減衰量がこの変更後の波長に対応した値となるように制御される。
【００５６】
図８は、減衰量が図７に示した波長依存性を有するようにＡＯＭ１９を制御した場合に、上述した光パルス発生器１１０から出力される光パルスの出力パワーと波長との関係を示す図である。なお、このときに出力される光パルスのパルス幅は５００ｎｓに設定されている。このように、従来では図１７に示したような波長ごとに大きく変化していた出力パワーの波長依存性が、本実施形態の光パルス発生器１１０において十分に改善され、それぞれの波長に対応する出力パワーがほぼ一定になっていることがわかる。
【００５７】
〔第３の実施形態〕
温度変化や経時変化等により、Ｑスイッチリングレーザの出力パワーが変動することが知られており、次に、出力パワーのレベルを監視してその値を一定に制御する光パルス発生器について説明する。
【００５８】
図９は、本発明を適用した第３の実施形態の光パルス発生器１２０の構成を示す図である。図９に示す光パルス発生器１２０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、光フィルタ１６、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７、光スイッチ１８、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３、記憶装置３４、光分岐器３５、受光器３６を含んで構成されている。この光パルス発生器１２０は、図５に示した光パルス発生器１１０に対して、出力側に光分岐器３５と受光器３６を付加したものであり、その他の構成は基本的に同じである。
【００５９】
光分岐器３５は、光スイッチ１８から出力される光パルスを分岐し、２つの出力端子のそれぞれから出力する。一方の出力端子から出力される光パルスは、光パルス発生器１２０の出力として取り出される。また、他方の出力端子は受光器３６に接続されており、この他方の出力端子から出力される光パルスが受光器３６に導かれる。受光器３６は、光分岐器３５から入力される光パルスのパワーを検出する検出手段として機能し、この検出値を変調度制御器３２に向けて出力する。
【００６０】
光パルス発生器１２０から出力される光パルスのパワーが受光器３６によって検出されると、変調度制御器３２は、この検出された光パルスのパワーを、記憶装置３４に予め記憶しておいた適正基準値と比較し、比較結果に応じてＡＯＭ１９の減衰量を制御する。具体的には、検出された光パルスのパワーがこの基準値よりも小さい場合には、ＡＯＭ１９の減衰量を小さくして図６（ａ）に示したリング内の全損失量Ｌ14を小さくし、出力される光パルスのパワーが増すような制御が行われる。反対に、検出された光パルスのパワーがこの基準値よりも大きい場合には、ＡＯＭ１９の減衰量を大きくしてリング内の全減衰量Ｌ14を大きくし、出力される光パルスのパワーを減じるような制御が行われる。
【００６１】
このようにして、出力される光パルスのパワーと記憶装置３４に記憶されている適正基準値とが異なる場合には、ＡＯＭ１９の減衰量が調整されるため、出力される光パルスのパワーが常に適正基準値に一致するように制御される。したがって、出力される光パルスのパワーが温度変化や経時変化等によらずに初期状態で設定した所定値に保たれる。なお、受光器３６によって光パルスのパワーを検出する場合に、光パルス列のピークを検出する方法と光パルス列を時間的に平均化する方法とが考えられるが、いずれの方法を用いるようにしてもよい。
【００６２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した各種の実施形態では、光パルス発生器のリングの外部に光スイッチ１８を設けたが、これをＡＯＳ（音響光学スイッチ）に置き換えるとともにリング内に挿入して配置してもよい。図１０は、リング内において光スイッチの代わりにＡＯＳを用いた光パルス発生器の構成を示す図である。図１０に示す光パルス発生器１３０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、光フィルタ１６、ＡＯＳ２０、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３、記憶装置３４、ＡＯＳ駆動回路３７を含んで構成されている。この光パルス発生器１３０は、図５に示した光パルス発生器１１０の光スイッチ１８をＡＯＳ２０に置き換えるとともに、このＡＯＳ２０をリング内に挿入したものである。また、ＡＯＳ２０にはＡＯＳ駆動回路３７が接続されており、このＡＯＳ駆動回路３７は、タイミング発生器３１から出力されるタイミング制御信号に応じてＡＯＳ２０を駆動する。ＡＯＳ２０の入力端子と０次光出力端子とを含んで光ファイバリングレーザのループが形成されており、ＡＯＳ２０の１次光出力端子から出力される光パルスが光パルス発生器１３０の出力として外部に取り出される。なお、この場合にはＡＯＭ１９の０次光出力端子からは光パルスを取り出す必要がないため、ＡＯＭ１９においては１次光出力端子のみが使用される。
【００６３】
また、上述した各種の実施形態では、リング内にＡＯＭ１９を備えることにより、リングを周回する光の減衰量を制御するようにしたが、他の部品を用いてリングを周回する光の減衰量を制御するようにしてもよい。図１１は、光スイッチ、光減衰器および光分岐器を組み合わせた光パルス発生器の構成を示す図である。図１１に示す光パルス発生器１４０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、光フィルタ１６、光スイッチ１５、１８、光分岐器１６、光減衰器２１、光アイソレータ１７、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、記憶装置３４を含んで構成されている。この光パルス発生器１４０は、リングを周回する光のオンオフ動作を光スイッチ１５によって行うとともに、この周回する光の減衰量を光減衰器２１によって調整している。この光減衰器２１における減衰量は、タイミング発生器３１に接続された変調度制御器３２によって、光分岐器１６から分岐出力されて光スイッチ１８を介して切り出される光パルスのパワーがほぼ一定となるように制御される。
【００６４】
また、図１１に示した光パルス発生器１４０に含まれる光減衰器２１をＡＯＭに置き換えたり、図１０に示した光パルス発生器１３０に含まれるＡＯＭ１９を光減衰器に置き換えるようにしてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、リングレーザによって構成される光ループ内に減衰手段を挿入し、この光ループを周回する光の減衰量を制御しており、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーを調整して、方形波に近い波形を有する光パルスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図２】音響光学変調器および光スイッチの動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。
【図３】図１に示した光パルス発生器を用いて実際に得られた光波形の一例を示す図である。
【図４】音響光学変調器および光スイッチの動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。
【図５】本発明を適用した第２の実施形態の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図６】図５に示した光パルス発生器における音響光学変調器および光スイッチの動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。
【図７】第２の実施形態の光パルス発生器に含まれる音響光学変調器の減衰量と波長との関係を示す図である。
【図８】図７に示した波長依存性を有するように音響光学変調器の減衰量を制御した場合における光パルスの出力パワーと波長との関係を示す図である。
【図９】本発明を適用した第３の実施形態の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１０】リング内において光スイッチの代わりにＡＯＳを用いた光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１１】光スイッチ、光減衰器および光分岐器を組み合わせた光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１２】従来の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１３】図１２に示す光パルス発生器における光スイッチの動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。
【図１４】他の従来の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１５】図１４に示す光パルス発生器において音響光学スイッチの０次側出力端子から分岐出力される光波形を示す図である。
【図１６】Ｑスイッチリングレーザのリング長が比較的長い場合に、光パルス発生器の光分岐器から分岐出力される光パルスの波形を示す図である。
【図１７】光パルス発生器のリング内に光フィルタを挿入し、発振波長を１５３０ｎｍから１５６５ｎｍまで変化させた場合のピークパワーの変化を示す図である。
【符号の説明】
１０、１１０、１２０、１３０、１４０ 光パルス発生器
１１ 光ファイバ
１２ 励起光源
１３ 波長多重光合波器
１４ 光増幅媒体
１７ 光アイソレータ
１８ 光スイッチ
１９ ＡＯＭ（音響光学変調器）
３１ タイミング発生器
３２ 変調度制御器
３３ ＡＯＭ駆動回路
３４ 記憶装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、光増幅媒体としての光ファイバを含んで構成されたリングレーザを用いて光パルスを発生する光パルス発生器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光パルス発生器を光線路の伝送損失を測定するＯＴＤＲ（Optical Time Domain Reflectmetry）測定装置の光源として用いた場合、光源から出力される光パルスの性能として、長距離まで測定可能であることと、距離分解能が高精度であることが要求される。測定可能距離を拡大するためにはパルス幅の広い高出力の光パルスが必要であり、また、距離分解能を向上させるためには狭いパルス幅の光パルスが必要となる。
【０００３】
従来から、光増幅媒体としての光ファイバを用いて光ループを形成した光ファイバリングレーザによって所定の光パルスを発生させる光パルス発生器が知られている。例えば、特開平６−２４９７５０号公報にはＱスイッチリングレーザと光スイッチ等を組み合わせた光パルス発生器が開示されている。
【０００４】
図１２は、特開平６−２４９７５０号公報に開示された従来の光パルス発生器の構成を示す図である。図１２に示す光パルス発生器９００は、光ファイバ１１１、励起光源１１２、光合波器１１３、光増幅媒体１１４、光スイッチ１１５、光分岐器１１６および光アイソレータ１１７によって構成されるＱスイッチリングレーザと、光分岐器１１６によって分岐された光パルスを整形して光パルス発生器９００の出力とする光スイッチ１１８とを含んで構成されている。このＱスイッチリングレーザは、光ファイバ１１１、励起光源１１２、光合波器１１３、光増幅媒体１１４、光スイッチ１１５、光分岐器１１６および光アイソレータ１１７をリング状に接続して光ループを形成し、励起光源１１２から出射された光を光合波器１１３を介して光増幅媒体１１４に導く構成を有している。
【０００５】
光増幅媒体１１４は、希土類元素が添加された光ファイバで構成されており、光合波器１１３の出力光によって励起される。例えば、希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）を用いる場合には、励起光源１１２として、１．４８μｍの波長の光を用いることによって、光増幅媒体１１４が励起される。光スイッチ１１５は、タイミング発生器１３１から出力される同期信号に応じて動作し、一定時間オンとなって、その他の時間はオフとなる。その損失は、オンのときは２ｄＢであり、オフのときは６０ｄＢ以上でほぼ完全遮断状態になる。光スイッチ１１５をオフ状態にして光増幅媒体１１４が励起光により励起された状態で、光スイッチ１１５を所定周期で所定時間オン状態にして正帰還系を構成すると、励起されたエネルギーが光信号としてループ内を周回する。ループを周回する光は、光増幅媒体１１４内部で正帰還増幅されるため、１周回する毎に強度が増加し、ある時間経過してピークに達した後に、光増幅媒体１１４内に蓄積されたエネルギーの減少とともに減衰する。
【０００６】
図１３は、光スイッチ１１５、１１８の動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。図１３（ａ）は光スイッチ１１５のオンオフタイミングを、図１３（ｂ）は光分岐器１１６の第２の出力端子Ｂから出力される光波形を、図１３（ｃ）は光スイッチ１１８のオンオフタイミングを、図１３（ｄ）は光スイッチ１１８から出力される光パルス波形をそれぞれ示している。図１３（ｂ）に示すように、光分岐器１１６の第２の出力端子Ｂから出力される光パルスにおいて、ピークパワーＰ0 をもつパルスのパルス幅（Ｔ8 −Ｔ0 ）は、Ｑスイッチリングレーザを発振光が一周回する時間ＴR に相当する。そのため、リング長を変えることにより、任意のパルス幅を設定することができる。なお、光スイッチ１１５のオンオフ時間間隔は、Ｑスイッチリングレーザのリング長および光増幅媒体１１４の効率に応じて適宜設定される。
【０００７】
Ｑスイッチリングレーザにおいて光分岐器１１６から分岐出力される光パルスは、図１３（ｂ）に示すようにピークパワーＰ0 をもつパルスを中心に、ピークパワーＰ1 〜Ｐ14のサイドローブが存在する。この状態の光パルスを光パルス発生器９００の出力として取り出して光パルス試験を行うと距離分解能が低下する。このため、光スイッチ１１８を用いて、Ｑスイッチリングレーザから分岐出力される光パルスをそのピーク位置を中心にして波形整形する。この光スイッチ１１８は、Ｑスイッチリングレーザ内を周回する光パルスがピークとなるタイミングでオンとなるようにタイミング制御がなされる。これにより、光パルス発生器９００からは、矩形形状を有する単一の光パルスを出力することができる。
【０００８】
図１４は、特開平６−２４９７５０号公報に開示された他の従来の光パルス発生器の構成を示す図である。図１４に示す光パルス発生器９１０は、光ファイバ１１１、励起光源１１２、光合波器１１３、光増幅媒体１１４、１×２光スイッチとして用いる音響光学スイッチ１２１および光アイソレータ１１７により構成されるＱスイッチリングレーザと、音響光学スイッチ１２１の０次側出力端子から取り出された光パルスを整形して光パルス発生器９１０の出力とする光スイッチ１１８とを有する。
【０００９】
このＱスイッチリングレーザは、光ファイバ１１１を介して、光合波器１１３、光増幅媒体１１４、音響光学スイッチ１２１の１次側出力端および光アイソレータ１１７をリング状に接続して光ループを形成し、励起光源１１２から出射された光を光合波器１１３を介して光増幅媒体１１４に導く構成を有している。音響光学スイッチ１２１は、タイミング発生器１３２から出力される同期信号に応じて動作し、一定時間オンとなってその他の時間はオフとなる。光増幅媒体１１４が励起光により励起された状態で、音響光学スイッチ１２１を所定周期で所定時間だけオンにするＱスイッチ動作をさせると、Ｑスイッチリングレーザとして所定の波長でパルス発振する。その光パルス波形は、図１３に示したものと同じである。但し、音響光学スイッチ１２１は、オンのときに０次側出力端子から出力される光パルスの損失は７ｄＢであり、出力光パルスのピークパワーは図１２に示した光パルス発生器９００の約半分になる。
【００１０】
図１５は、音響光学スイッチ１２１の０次側出力端子から分岐出力される光波形を示す図である。図１５に示すように、光パルスのピークパワーに対応する時点Ｔ0 で、音響光学スイッチ１２１をオフにして光パルスを取り出せば、出力時の損失は３ｄＢに抑えることができる。また、光スイッチ１１８を用いて、Ｑスイッチリングレーザから分岐出力される光パルスをそのピークを中心に整形する。このように、音響光学スイッチ１２１を用いた場合でも、高出力光パルスを発生させることができる。なお、この光パルスのパルス幅は、Ｑスイッチリングレーザを発振光が一周回する時間に相当するので、リング長を変えることにより容易に任意のパルス幅を設定することができる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した従来の光パルス発生器９００、９１０には、以下に示す問題があった。
【００１２】
（１）従来の光パルス発生器９００、９１０においては、出力される光パルスのパルス幅は、Ｑスイッチリングレーザを発振光が一周回する時間に相当する。このため、例えばリング長が２０ｍであれば１００ｎｓ、１００ｍでも５００ｎｓと比較的パルス幅が小さく、この光パルス発生器９００、９１０をＯＴＤＲ測定に用いた場合には、１００ｋｍ程度の長距離の被測定ファイバを測定するために必要とされる数μｓのパルス幅を得るには数百ｍ〜数ｋｍのリング長が必要となってシステムが大きくなるとともに、発振を開始してから光パルスが出力されるまでに時間がかかるという問題があった。例えば、リング長２０ｍで光パルスが出力されるまでに６μｓかかる場合には、リング長が８００ｍになると光パルスが出力されるまでに２４０μｓを要することになる。光パルスが出力されるまでに要する時間が長くなるということは、特に繰返し測定により加算平均を行う際のスループットに影響する。
【００１３】
（２）従来の光パルス発生器９００、９１０のように光パルスの切り出しをＱスイッチリングレーザ内の発振ピークに合わせたタイミングで行うと、希土類元素が添加された光ファイバが飽和し、方形波に近い綺麗な矩形パルスが得られないという問題があった。例えば、Ｑスイッチリングレーザのリング長が比較的長い場合、光パルス発生器９００の光分岐器１１６から分岐出力される光パルスを図１６に示す。図１６において、ピークＰ0 のパワーは約１．０Ｗであり、ピークＰ0 とピークＰ2 の間隔から、Ｑスイッチリングレーザを発振光が一周回する時間がＴR が７４０ｎｓで、リング長が１４８ｍであることがわかる。光スイッチ１１８を用い、ピークＰ0 を中心にＴ0 からＴ1 までの７４０ｎｓの幅で光パルスを切り出すと、出力される光パルスは図１６のピークＰ0 近傍の歪んだ矩形パルスとなり、光パルスの半値幅ＰＷＨＡは１００ｎｓにしかならないことがわかる。出力光パルスのパワーの変化をＰ（ｔ）＝Ｐp ・ｅｘｐ（−α（ｔ−Ｔ0 ））で近似し（α＝−（ｌｎ０．５）／ＰＷＨＭ）、この光パルスのエネルギーＥａをピークパワーＰp 、パルス幅ＰＷ＝７４０ｎｓの方形波のエネルギーＥｂと比較すると、両者の比は、
【００１４】
（３）従来の光パルス発生器９００、９１０では、希土類元素が添加された光ファイバを用いたＱスイッチリングレーザのリング内に光フィルタを追加して発振波長を変えると、希土類元素が添加された光ファイバの利得の波長依存性等の特性上、励起パワー等の条件が一定であっても光パルスのピークパワーが大きく変化するという問題があった。図１７に、光パルス発生器９１０のリング内に光フィルタを挿入し、発振波長を１５３０ｎｍから１５６５ｎｍまで変化させた場合のピークパワーの変化を示す。リングのループ長は１６０ｍ、出力光パルス幅は５００ｎｓ、音響光学スイッチ１２１のオン時間は３．７０μｓである。発振波長領域内（１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍ）で励起光源１１２の出カパワーは一定であり、光フィルタ、光スイッチ１１８、音響光学スイッチ１２１、光アイソレータ１１７の損失ははぼ一定である。このピークパワーの波長依存性は、光増幅媒体１１４の自然放出（ＡＳＥ）光の波長依存性および利得の波長依存性に起因することがわかっている。この例では、１５３０ｎｍ〜１５６５ｎｍの範囲で２５ｄＢ以上のピークパワーの変化が観測された。波長を変えてＯＴＤＲ測定を行う際にピークパワーの大きな変化は、ダイナミックレンジや測定可能距離範囲に大きな変化をもたらすことになる。
【００１５】
希士類元素が添加された光ファイバを用いたＱスイッチリングレーザでは、励起エネルギーを大きくすることによって、ピークパワーで１００Ｗ、エネルギーで１μＪを越える十分な光パルスを発生できることが報告されている。ＯＴＤＲ測定では、被測定光ファイバや被測定システム上の制約により、被測定光ファイバに入力できる光パルスのピークパワーは、＋３０ｄＢｍ（１Ｗ）以下であり、パワーをこれ以上大きくすることはできない。ＯＴＤＲ測定で高ダイナミックレンジを達成するためには、高エネルギー光パルスが必要であり、ピークパワーだけでなく、光パルスの波形やパルス幅も重要な要素である。
【００１６】
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的はシステムが小さく、発振を開始してから光パルスが出力されるまでに要する時間を短くすることができる光パルス発生器を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、方形波に近い光パルスを得ることができる光パルス発生器を提供することにある。また、本発明の他の目的は、ピークパワーの波長依存性を抑制した光パルス発生器を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の光パルス発生器は、リングレーザによって構成される光ループ内に減衰手段を挿入し、この光ループを周回する光の減衰量を制御しており、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーを調整して、方形波に近い波形を有する光パルスを得ることができる。
【００１９】
また、制御対象となる減衰量に関する情報をあらかじめ記憶手段に記憶しておいて、これを減衰量制御手段によって読み出して減衰手段の減衰量の制御を光増幅媒体の利得変化を打ち消すように行うことが望ましい。減衰手段を用いない状態で光を周回させたときの減衰特性をあらかじめ測定しておいて、この減衰特性の変動を打ち消すような減衰量の情報を記憶手段に記憶しておくことにより、この情報に基づいて減衰手段の減衰量を設定するだけで容易にパワーが一定に制御された光パルスを得ることができる。
【００２０】
特に、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーが、リングレーザを１周回する時間よりも長い時間において一定となるように減衰手段における減衰量を制御することにより、大きなパルス幅を有し、その全域にわたって方形波に近い波形を有する光パルスを得ることが容易となる。しかも、光パルスのパルス幅を大きくするためにリングレーザのリング長（光ループ長）を長くする必要がないため、リングレーザの大きさを小さくすることができ、光パルス発生器のシステム構成を小型化することができる。また、短いリング長のリングレーザを用いることができるため、リング長が長いリングレーザを用いる場合に比べると、同じ光の周回数を実現するまでの時間が短縮され、所望のパワーを有する光パルスが出力されるまでの時間を短くすることができる。
【００２１】
また、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーが、リングレーザを１周回する時間と同じ時間、あるいはこれより短い時間において一定となるように減衰手段における減衰量を制御するようにしてもよい。この場合には、小さなパルス幅を有し、その全域にわたって方形波に近い波形を有する光パルスを得ることができる。
【００２２】
また、所定の波長成分を通過させる光フィルタが光ループ内に含まれている場合、光フィルタを通過させた所定の波長成分の光パルスについて光増幅媒体の利得変化を打ち消すように減衰手段の減衰量を制御することが望ましい。光パルス出力手段から出力される光パルスの波長を切り替えた場合であっても、一定のパワーの有する光パルスを得ることができ、ピークパワーの波長依存性を抑制することができる。
【００２３】
また、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーを検出手段によって検出する場合に、この検出された光パルスのパワーが一定になるように減衰手段の減衰量を制御することが望ましい。経時変化や温度変化によって、出力される光パルスのパワーが変動する場合があるが、このパワーの変動の状態に応じて減衰手段の減衰量を制御することにより、経時変化や温度変化によってパワーが変化しない安定した光パルスを得ることができる。
【００２４】
また、上述した減衰手段は音響光学変調器によって構成することが望ましい。音響光学変調器は、入力する高周波駆動信号のパワーを可変することにより変調度が変化するため、これを用いてリングレーザを構成することにより、リングレーザの光ループを周回する光の減衰量を制御することが可能となる。また、音響光学変調器の１次光出力端子から出力される光を減衰させながら光ループを介して光増幅媒体の入力側に帰還させるとともに、０次光出力端子から出力される光を光ループの外部に出力することが望ましい。入力端子と１次光出力端子とが光ループに含まれるように音響光学変調器を接続することにより、この音響光学変調器を減衰手段および光スイッチング手段として用いることができるため、これらの手段に対応する部品を別々に備える場合に比べて、部品点数の低減によるシステム構成の簡素化が可能になる。しかも、０次光出力端子から光パルスを光ループの外部に出力することにより、光ループを周回する光を分岐する分岐手段としてこの音響光学変調器を用いることができるため、別に光分岐器を備える場合に比べてさらなる部品点数の低減が可能になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の光パルス発生器について、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
〔第１の実施形態〕
本発明を適用した第１の実施形態の光パルス発生器は、Ｑスイッチリングレーザを構成するリング内のＡＯＭ（音響光学変調器）の損失量を制御することによって、波形歪みの少ない方形波に近い光パルスを出力することに特徴がある。
【００２７】
図１は、第１の実施形態の光パルス発生器の構成を示す図である。図１に示す光パルス発生器１０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７、光スイッチ１８、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３、記憶装置３４を含んで構成されている。
【００２８】
光増幅媒体１４は、希土類元素が添加された光ファイバで構成されており、励起光源１２から出力される所定波長の励起光によって励起される。添加される希土類元素としてエルビウム（Ｅｒ）を用いる場合には、励起光源１２として、１．４８μｍの波長の半導体レーザを用いることによって、光増幅媒体１４が励起される。
【００２９】
波長多重光合波器１３は、２つの入力端子を有し、励起光源１２の出力端が一方の入力端子に接続されており、励起光源１２から出力される光が光増幅媒体１４に導かれる。
【００３０】
ＡＯＭ１９は、１次光出力端子と０次光出力端子とを有しており、ＡＯＭ駆励回路３３に接続された変調度制御器３２の制御によって、光増幅媒体１４から入射された光を変調および減衰させて１次光出力端子から出力するとともに、この入射された光の一部を０次光出力端子から出力する。オフ状態（最大減衰時）のＡＯＭ１９の入力端子と１次光出力端子との間のアイソレーションは通常６０ｄＢ以上であり、ほぼ完全に遮断状態となる。また、オン状態（最小減衰時）のＡＯＭ１９の入力端子と１次光出力端子との間の損失は、通常１０ｄＢ以下となる。また、ＡＯＭ１９の入力端子と０次光出力端子との間の損失は、入力端子と１次光出力端子との間がオン状態（最小減衰時）のときに約７ｄＢ、オフ状態（最大減衰時）のときに約３ｄＢとなる。
【００３１】
光アイソレータ１７は、２つの端子を有しており、一方の端子から他方の端子へは光を通すが、その反対方向の光は遮断する。逆向きの光が存在すると、光増幅媒体１４による光増幅動作が妨げられるため、光アイソレータ１７によってこの反対方向の光が除去される。この光アイソレータ１７を通すことにより、ＡＯＭ１９の１次光出力端子から出力された光が波長多重光合波器１３の他方の入力端子側に導かれる。
【００３２】
光スイッチ１８は、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光が入射され、オン状態のときにこの入射された光を出力し、オフ状態のときには入射された光を遮断する。
【００３３】
タイミング発生器３１は、所定のタイミング制御信号を変調度制御器３２および光スイッチ１８に出力することにより、ＡＯＭ１９の変調度の変更タイミングと光スイッチ１８のオンオフタイミングとを制御する。変調度制御器３２は、タイミング発生器３１からタイミング制御信号が出力されると、予め記憶装置３４に記憶されていた変調度制御データに基づいて、ＡＯＭ駆動回路３３の高周波出カパワーを増減させる。この変調度制御データは、ＡＯＭ１９の減衰量に関する情報であり、ＡＯＭ１９を最小減衰となる状態でＱスイッチリングレーザの光ループを光が周回した場合の光ループの利得をあらかじめ測定しておいて、これを打ち消すような減衰量の制御情報が設定されている。ＡＯＭ駆動回路３３の高周波出力パワーが大きいときはＡＯＭ１９の回折効率が上がり、ＡＯＭ１９の入力端子と１次光出力端子との間の損失が減少する。逆に、ＡＯＭ駆動回路３３の高周波出力が小さいときはＡＯＭ１９の回折効率が下がり、ＡＯＭ１９の入力端子と１次光出力端子との間の損失が増大する。このようにして、ＡＯＭ１９の１次光出力端子から出力される光の強度を時間的に制御することができる。
【００３４】
図１に示した光パルス発生器１０では、光ファイバ１１、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７によってリング状の光ループが形成される。この光ループと励起光源１２とが組み合わされて光ファイバリングレーザが構成される。励起光源１２から出力され、波長多重光合波器１３を介して光ループ内に入力される所定の光によって光増幅媒体１４が励起される。この状態で、ＡＯＭ１９を所定周期で所定時間オン状態にすると、光増幅媒体１４の出力側から出射された自然放出光は、ＡＯＭ１９の０次光出力端子によって一部が分岐出力されつつ、１次光出力端子を通り、さらに光アイソレータ１７、波長多重光合波器１３を通って光増幅媒体１４の入力側に戻る正帰還系が構成される。これにより、光増幅媒体１４に励起・蓄積されたエネルギーが光信号としてループ内を周回する。光が周回するたびに光増幅媒体１４に蓄積されたエネルギーが光に変換されて減少するが、そのエネルギーの減少の度合いが残っているエネルギーに比べ十分小さい間は、光増幅媒体１４の利得はほぼ一定で飽和の起こらないリニア領域とみなすことができる。光増幅媒体１４の利得が一定であれば、リング内に挿入されたＡＯＭ１９の減衰量を変化させてリング内の光の帰還量を制御することによって、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光パルスの波形やピークパワーを容易に制御することができる。さらに、光増幅媒体１４の利得が変化する場合でも、ＡＯＭ１９の減衰量を光増幅媒体１４の利得変化を打ち消すように詳細に制御することによって、同等の効果が得られる。
【００３５】
上述したＡＯＭ１９が光スイッチング手段、減衰手段に、光スイッチ１８、ＡＯＭ１９が光パルス出力手段に、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３が減衰量制御手段に、記憶装置３４が記憶手段にそれぞれ対応する。
【００３６】
次に、本実施形態の光パルス発生器１０の動作について説明する。図２は、ＡＯＭ１９および光スイッチ１８の動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。図２（ａ）はＡＯＭ１９の減衰量を調整することで制御されるリング内の全損失量ΣＬｉのタイミング波形を、図２（ｂ）はＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光波形をそれぞれ対数表示したものである。また、図２（ｃ）は光スイッチ１８のオンオフタイミングを、図２（ｄ）は光スイッチ１８から出力される光パルス波形をそれぞれ示している。ここでは、光増幅媒体１４の利得が常に一定であるものとして説明する。
【００３７】
図２（ａ）に示すように、光増幅媒体１４の出力側から自然放出光（ＰASE ）が出射された状態において、ＡＯＭ１９が最大減衰（オフ）状態から最小減衰（オン）状態に変わると、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から図２（ｂ）に示すＰ3 のパワーに相当する光が分岐出力される。ＡＯＭ１９の最小減衰（オン）状態における入力端子と０次光出力端子との間の損失をＬｊとすると、Ｐ3 は、
Ｐ3 ［ｄＢｍ］＝ＰASE ［ｄＢｍ］−Ｌｊ［ｄＢ］
となる。リング内を光が１〜２周回する間は、リング内の全損失ΣＬｉはＬmin で一定であるから、光増幅媒体１４の一定の利得をＧ０とすると、２周期目、３周期目にＡＯＭ１９の０次光出力端子から分岐出力される光のパワーＰ2 、Ｐ1 は、
【００３８】
なお、ＡＯＭ１９は、図２にＶＩＩＩで示す期間に最大損失になって、それ以後にリング内を周回する光は減衰するが、最大損失になる直前の光がリングを１周回してＡＯＭ１９の０次出力からパワーＰ0 の光パルスとして出力されるため、０次光出力端子から出力される光パルスの減衰はＡＯＭ１９の損失変化から１周期分遅れる。
【００３９】
ＡＯＭ１９から分岐出力された図２（ｂ）に示す光パルスを、図２（ｃ）に示すタイミングで光スイッチ１８によって切り出して整形することにより、図２（ｄ）に示されるようなリング長に相当するより大きなパルス幅でパワーが一定（Ｐout ）の方形波に近い光パルスを出力することができる。
【００４０】
どれだけのパワーでどれだけの周回数まで一定のパワーが保持できるかは、励起光源１２がどれだけ光増幅媒体１４を励起でき、その励起されたエネルギーを光増幅媒体１４が光に変換できるかに依存する。よって、励起光源１２に高出力のもの、光増幅媒体１４に変換効率の高いものを用いることによって、高エネルギー化は容易に可能である。
【００４１】
図３は、図１に示した光パルス発生器１０を用いて実際に得られた光波形の一例を示す図である。ここでは、リング長５０ｍのときにリングを光が一周する時間が２５０ｎｓであり、リング４周回分の１μｓでピークパワー２００ｍＷの方形波に近い光パルスが得られている。
【００４２】
さらに、報告されているような１μＪを越えるエネルギーの光パルスを発生する能力のあるＱスイッチリングレーザで構成された光パルス発生器１０を用いれば、パワーが１Ｗで一定であって、パルス幅１μｓ以上の方形波に近い光パルスを得ることもできる。
【００４３】
このように、本実施形態の光パルス発生器１０は、ＡＯＭ１９を駆動するために用いられるＡＯＭ駆動回路３３の高周波出力のパワーを調整してＡＯＭ１９を介して周回する光の減衰量を制御することにより、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力されて光スイッチ１８を介して取り出される光パルスの波形を整形しており、方形波に近い光パルスを得ることができる。また、光スイッチ１８から出力される光パルスの波形整形を、光ファイバリングレーザのリング内を光が複数回周回する時間にわたって行うことにより、光がリングを１周回する時間よりも長いパルス幅を有する光パルスを容易に得ることができる。
【００４４】
次に、光増幅媒体１４の利得が変化する場合に、ＡＯＭ１９の減衰量を光増幅媒体１４の利得変化を打ち消すように調整する光パルス発生器１０の他の動作について説明する。
【００４５】
図４は、ＡＯＭ１９および光スイッチ１８の動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。図４（ａ）はＡＯＭ１９の減衰量を調整することで制御されるリング内の全損失量ΣＬｉのタイミング波形を、図４（ｂ）はＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光波形をそれぞれ対数表示したものである。また、図４（ｃ）は光スイッチ１８のオンオフタイミングを、図４（ｄ）は光スイッチ１８から出力される光パルス波形をそれぞれ示している。
【００４６】
図４（ａ）に示すように、ＡＯＭ１９が最大減衰（オフ）状態から最小減衰（オン）状態に変わると、光増幅媒体１４の出力側から出射した自然放出光は、ＡＯＭ１９の０次光出力端子からその一部が図４（ｂ）に示すパワーＰ6 の光パルスとして分岐出力されつつ、１次光出力端子から出力され、さらに光アイソレータ１７、波長多重光合波器１３を通って光増幅媒体１４の入力側に戻る正帰還系が構成される。これにより、光増幅媒体１４に励起・蓄積されたエネルギーが光信号としてループ内を周回する。光増幅媒体１４に蓄積されたエネルギーは、光が周回するたびに光に変換されて一部がパワーＰ5 、Ｐ4 、Ｐ3 、…、Ｐ0 の光としてＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力されるため、次第に減少する。そのエネルギーの減少の度合いが、光増幅媒体１４に残っているエネルギーに比べ十分小さい間は、光増幅媒体１４の利得はほぼ一定であるが、出力される光エネルギーが大きくなれば、光増幅媒体１４の利得が徐々に減少する。それにより、オン状態で全くリング内の損失を制御しないＱスイッチリングレーザーから出力される光波形は、きれいな階段状ではなく、図１５や図１６に示したような指数関数的に減衰する波形となる。
【００４７】
図４（ａ）に示すように、光増幅媒体１４の利得の変化を打ち消すようにＡＯＭ１９の減衰量を調整することにより、周回ごとのリング内の損失をほぼ一定に制御することができるため、図４（ｂ）に示すようなきれいな階段状の光出力を得ることができる。例えば、ＶＩＩで示す期間内の光増幅媒体１４の利得の変化をＧ（ｔ）＝Ｇ0 ・ｅｘｐ（−α（ｔ−ｔ0 ））とする。ここで、ｔ0 は期間ＶＩＩの開始時間、αは光増幅媒体１４の利得減衰定数である。この利得の変化を打ち消すには、期間ＶＩのＡＯＭ１９の減衰量の制御をＬ（ｔ）＝Ｌ1 ・ｅｘｐ（−α（ｔ−ｔ0 −ＴR ））のように行えばよい。これらの制御データは、前もって測定しておいて、記憶装置３４に記憶しておく。その後、光スイッチ１８を用いて、図４（ｂ）の光波形を所望のパルス幅で切り出して整形すればよい。
【００４８】
このように、図１に示した光パルス発生器１０は、リング長に相当するより長いパルス幅を有するほぼ方形波の光パルスを得るだけでなく、リング長に相当する、あるいはこれよりも短いパルス幅を有するほぼ方形波の光パルスを出力することができる。
【００４９】
〔第２の実施形態〕
Ｑスイッチリングレーザにおいて、光増幅媒体１４の利得がほぼ一定で飽和の起こらないリニア領域であっても、リングに光フィルタを挿入し、発振波長を変化させると、光増幅媒体１４の特性上、光増幅媒体１４の自然放出光のパワーおよび利得が変化する。これらの変化をＡＯＭ１９の減衰量を調整してキャンセルすることによって、広い波長範囲でパワーが一定で方形波に近い光パルスを発生することができる。
【００５０】
図５は、本発明を適用した第２の実施形態の光パルス発生器１１０の構成を示す図である。図５に示す光パルス発生器１１０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、光フィルタ１６、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７、光スイッチ１８、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３、記憶装置３４を含んで構成されている。この光パルス発生器１１０は、図１に示した光パルス発生器１０のリング内に光フィルタ１６を挿入したものであり、その他の構成は基本的に同じである。光フィルタ１６は、光増幅媒体１４から出力される光が入力されており、所定の波長成分を通過させる。
【００５１】
図６は、図５に示した光パルス発生器１１０におけるＡＯＭ１９および光スイッチ１８の動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。図６（ａ）はＡＯＭ１９の減衰量を調整することで制御されるリング内の全損失量ΣＬｉのタイミング波形を、図６（ｂ）はＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光波形をそれぞれ対数表示したものである。また、図６（ｃ）は光スイッチ１８のオンオフタイミングを、図６（ｄ）は光スイッチ１８から出力される光パルス波形をそれぞれ示している。
【００５２】
本実施形態の光パルス発生器１１０においては、発振波長を変えたことによって光増幅媒体１４の自然放出光のパワーおよび利得が変化する場合に、ＡＯＭ１９の減衰量を調整することによってリング内の全損失量ΣＬｉを波長ごとに変えて、ＡＯＭ１９の０次光出力の変化を打ち消している。
【００５３】
まず、図６（ａ）に示すリング内の全損失量Ｌ14を、図に示すようなタイミングで波長ごとに変えることにより、５周回目の出カパワーを所望の一定値Ｐ10に保つ。６周回以降は、波長ごとに変わる光増幅媒体１４の利得をリング内の全損失Ｌ10でキャンセルしてリング全体の総合利得を１とすることで、図６（ｂ）に示すように、出カパワーを一定値Ｐ10に保持する。ＡＯＭ１９の波長ごとの減衰量の制御データは、予め測定して求めておいて、記憶装置３４に記憶しておくとよい。
【００５４】
また、ＡＯＭ１９の０次光出力端子から出力される光パルスを、光スイッチ１８によって図６（ｃ）に示すようなタイミングで切り出して整形することにより、図６（ｄ）に示されるようなリング長に相当するより大きなパルス幅を有し、発振波長によらずパワーが一定（Ｐout ）であるほぼ方形波の光パルスを出力することができる。
【００５５】
図７は、本実施形態の光パルス発生器１１０に含まれるＡＯＭ１９の減衰量と波長との関係を示す図であり、波長を変えても出カパワーを一定に保つ目的でリング内の全損失量Ｌ14を制御するために用いられるＡＯＭ１９の減衰量の波長依存性が示されている。ＡＯＭ１９の減衰量に図７に示すような波長依存性を持たせるために必要な減衰量制御データを予め記憶装置３４に記憶しておくことにより、光フィルタ１６を通過させる波長を変えて発振波長を変更したときに、ＡＯＭ１９の減衰量がこの変更後の波長に対応した値となるように制御される。
【００５６】
図８は、減衰量が図７に示した波長依存性を有するようにＡＯＭ１９を制御した場合に、上述した光パルス発生器１１０から出力される光パルスの出力パワーと波長との関係を示す図である。なお、このときに出力される光パルスのパルス幅は５００ｎｓに設定されている。このように、従来では図１７に示したような波長ごとに大きく変化していた出力パワーの波長依存性が、本実施形態の光パルス発生器１１０において十分に改善され、それぞれの波長に対応する出力パワーがほぼ一定になっていることがわかる。
【００５７】
〔第３の実施形態〕
温度変化や経時変化等により、Ｑスイッチリングレーザの出力パワーが変動することが知られており、次に、出力パワーのレベルを監視してその値を一定に制御する光パルス発生器について説明する。
【００５８】
図９は、本発明を適用した第３の実施形態の光パルス発生器１２０の構成を示す図である。図９に示す光パルス発生器１２０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、光フィルタ１６、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７、光スイッチ１８、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３、記憶装置３４、光分岐器３５、受光器３６を含んで構成されている。この光パルス発生器１２０は、図５に示した光パルス発生器１１０に対して、出力側に光分岐器３５と受光器３６を付加したものであり、その他の構成は基本的に同じである。
【００５９】
光分岐器３５は、光スイッチ１８から出力される光パルスを分岐し、２つの出力端子のそれぞれから出力する。一方の出力端子から出力される光パルスは、光パルス発生器１２０の出力として取り出される。また、他方の出力端子は受光器３６に接続されており、この他方の出力端子から出力される光パルスが受光器３６に導かれる。受光器３６は、光分岐器３５から入力される光パルスのパワーを検出する検出手段として機能し、この検出値を変調度制御器３２に向けて出力する。
【００６０】
光パルス発生器１２０から出力される光パルスのパワーが受光器３６によって検出されると、変調度制御器３２は、この検出された光パルスのパワーを、記憶装置３４に予め記憶しておいた適正基準値と比較し、比較結果に応じてＡＯＭ１９の減衰量を制御する。具体的には、検出された光パルスのパワーがこの基準値よりも小さい場合には、ＡＯＭ１９の減衰量を小さくして図６（ａ）に示したリング内の全損失量Ｌ14を小さくし、出力される光パルスのパワーが増すような制御が行われる。反対に、検出された光パルスのパワーがこの基準値よりも大きい場合には、ＡＯＭ１９の減衰量を大きくしてリング内の全減衰量Ｌ14を大きくし、出力される光パルスのパワーを減じるような制御が行われる。
【００６１】
このようにして、出力される光パルスのパワーと記憶装置３４に記憶されている適正基準値とが異なる場合には、ＡＯＭ１９の減衰量が調整されるため、出力される光パルスのパワーが常に適正基準値に一致するように制御される。したがって、出力される光パルスのパワーが温度変化や経時変化等によらずに初期状態で設定した所定値に保たれる。なお、受光器３６によって光パルスのパワーを検出する場合に、光パルス列のピークを検出する方法と光パルス列を時間的に平均化する方法とが考えられるが、いずれの方法を用いるようにしてもよい。
【００６２】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上述した各種の実施形態では、光パルス発生器のリングの外部に光スイッチ１８を設けたが、これをＡＯＳ（音響光学スイッチ）に置き換えるとともにリング内に挿入して配置してもよい。図１０は、リング内において光スイッチの代わりにＡＯＳを用いた光パルス発生器の構成を示す図である。図１０に示す光パルス発生器１３０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、光フィルタ１６、ＡＯＳ２０、ＡＯＭ１９、光アイソレータ１７、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、ＡＯＭ駆動回路３３、記憶装置３４、ＡＯＳ駆動回路３７を含んで構成されている。この光パルス発生器１３０は、図５に示した光パルス発生器１１０の光スイッチ１８をＡＯＳ２０に置き換えるとともに、このＡＯＳ２０をリング内に挿入したものである。また、ＡＯＳ２０にはＡＯＳ駆動回路３７が接続されており、このＡＯＳ駆動回路３７は、タイミング発生器３１から出力されるタイミング制御信号に応じてＡＯＳ２０を駆動する。ＡＯＳ２０の入力端子と０次光出力端子とを含んで光ファイバリングレーザのループが形成されており、ＡＯＳ２０の１次光出力端子から出力される光パルスが光パルス発生器１３０の出力として外部に取り出される。なお、この場合にはＡＯＭ１９の０次光出力端子からは光パルスを取り出す必要がないため、ＡＯＭ１９においては１次光出力端子のみが使用される。
【００６３】
また、上述した各種の実施形態では、リング内にＡＯＭ１９を備えることにより、リングを周回する光の減衰量を制御するようにしたが、他の部品を用いてリングを周回する光の減衰量を制御するようにしてもよい。図１１は、光スイッチ、光減衰器および光分岐器を組み合わせた光パルス発生器の構成を示す図である。図１１に示す光パルス発生器１４０は、光ファイバ１１、励起光源１２、波長多重光合波器１３、光増幅媒体１４、光フィルタ１６、光スイッチ１５、１８、光分岐器１６、光減衰器２１、光アイソレータ１７、タイミング発生器３１、変調度制御器３２、記憶装置３４を含んで構成されている。この光パルス発生器１４０は、リングを周回する光のオンオフ動作を光スイッチ１５によって行うとともに、この周回する光の減衰量を光減衰器２１によって調整している。この光減衰器２１における減衰量は、タイミング発生器３１に接続された変調度制御器３２によって、光分岐器１６から分岐出力されて光スイッチ１８を介して切り出される光パルスのパワーがほぼ一定となるように制御される。
【００６４】
また、図１１に示した光パルス発生器１４０に含まれる光減衰器２１をＡＯＭに置き換えたり、図１０に示した光パルス発生器１３０に含まれるＡＯＭ１９を光減衰器に置き換えるようにしてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、リングレーザによって構成される光ループ内に減衰手段を挿入し、この光ループを周回する光の減衰量を制御しており、光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーを調整して、方形波に近い波形を有する光パルスを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図２】音響光学変調器および光スイッチの動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。
【図３】図１に示した光パルス発生器を用いて実際に得られた光波形の一例を示す図である。
【図４】音響光学変調器および光スイッチの動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。
【図５】本発明を適用した第２の実施形態の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図６】図５に示した光パルス発生器における音響光学変調器および光スイッチの動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。
【図７】第２の実施形態の光パルス発生器に含まれる音響光学変調器の減衰量と波長との関係を示す図である。
【図８】図７に示した波長依存性を有するように音響光学変調器の減衰量を制御した場合における光パルスの出力パワーと波長との関係を示す図である。
【図９】本発明を適用した第３の実施形態の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１０】リング内において光スイッチの代わりにＡＯＳを用いた光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１１】光スイッチ、光減衰器および光分岐器を組み合わせた光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１２】従来の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１３】図１２に示す光パルス発生器における光スイッチの動作状態と光パルス波形との関係を示す図である。
【図１４】他の従来の光パルス発生器の構成を示す図である。
【図１５】図１４に示す光パルス発生器において音響光学スイッチの０次側出力端子から分岐出力される光波形を示す図である。
【図１６】Ｑスイッチリングレーザのリング長が比較的長い場合に、光パルス発生器の光分岐器から分岐出力される光パルスの波形を示す図である。
【図１７】光パルス発生器のリング内に光フィルタを挿入し、発振波長を１５３０ｎｍから１５６５ｎｍまで変化させた場合のピークパワーの変化を示す図である。
【符号の説明】
１０、１１０、１２０、１３０、１４０ 光パルス発生器
１１ 光ファイバ
１２ 励起光源
１３ 波長多重光合波器
１４ 光増幅媒体
１７ 光アイソレータ
１８ 光スイッチ
１９ ＡＯＭ（音響光学変調器）
３１ タイミング発生器
３２ 変調度制御器
３３ ＡＯＭ駆動回路
３４ 記憶装置
Claims (8)
- 周回する光を増幅する光増幅媒体と前記光増幅媒体から出力される光の周回動作を所定のタイミングでオンオフする光スイッチング手段とを含むリングレーザと、前記リングレーザを周回する光を分岐して波形整形を行うことにより光パルスを取り出す光パルス出力手段とを備える光パルス発生器において、
前記リングレーザによって形成される光ループ内に挿入され、減衰量が制御可能であって前記リングレーザを周回する光を減衰させる減衰手段と、
前記減衰手段の減衰量を前記光増幅媒体の利得変化を打ち消すように制御する減衰量制御手段と、
を備えることを特徴とする光パルス発生器。 - 請求項１において、
前記減衰量制御手段によって制御される前記減衰手段の減衰量に関する情報を記憶する記憶手段と、
をさらに備えることを特徴とする光パルス発生器。 - 請求項１または２において、
前記減衰量制御手段によって前記減衰手段における減衰量を制御することにより、前記光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーが、前記リングレーザを１周回する時間よりも長い時間において一定に設定されることを特徴とする光パルス発生器。 - 請求項１または２において、
前記減衰量制御手段によって前記減衰手段における減衰量を制御することにより、前記光パルス出力手段から出力される光のパワーが、前記リングレーザを１周回する時間と同じ時間、あるいはこれより短い時間において一定に設定されることを特徴とする光パルス発生器。 - 請求項１〜４のいずれかにおいて、
前記光ループ内に、所定の波長成分を通過させる光フィルタが含まれており、
前記減衰量制御手段は、前記光フィルタを通過させた所定の波長成分の光パルスについて前記光増幅媒体の利得変化を打ち消すように前記減衰手段の減衰量を制御することを特徴とする光パルス発生器。 - 請求項１〜５のいずれかにおいて、
前記光パルス出力手段から出力される光パルスのパワーを検出する検出手段をさらに備えており、
前記減衰量制御手段は、前記検出手段によって検出される光パルスのパワーが一定となるように前記減衰手段における減衰量を制御することを特徴とする光パルス発生器。 - 請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記減衰手段は音響光学変調器であり、
前記減衰量制御手段は、前記音響光学変調器を駆動するために印加される高周波駆動信号のパワーを可変することにより、前記音響光学変調器の減衰量を制御することを特徴とする光パルス発生器。 - 請求項７において、
前記音響光学変調器は、前記減衰手段としての機能の他に、前記光パルス出力手段として前記光ループの外部に光パルスを取り出す機能を有し、
前記音響光学変調器は、１次光出力端子と０次光出力端子とを有しており、前記１次光出力端子から出力される光を減衰させながら前記光ループを介して前記光増幅媒体の入力側に帰還させるとともに、前記０次光出力端子から出力される光を前記光ループの外部に出力することを特徴とする光パルス発生器。
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