JP4239440B2 - 光クロックパルス列発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光情報処理等に有用な、繰り返し周波数の高い超短光パルス列を発生する光クロックパルス列発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル信号を用いた光通信においては、繰り返し周波数の高い光パルス列が要求される。こうした光パルス列を発生する装置として、半導体レーザを用いたものや光学遅延回路などの光パルス合波器（光多重素子）を用いたものがある。このような光パルス列発生装置によれば、数ピコ秒から数百フェムト秒オーダーの繰り返し周波数を持つ光パルス列が発生できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザを用いた光クロックパルス列発生装置の一つに、図５に示す如く、分布ブラッグ反射領域（ＤＢＲ領域）５１、電界吸収型光変調領域５２、利得領域５３、可飽和吸収領域５４をモノリシックに集積化した集積型のモード同期半導体レーザ素子がある。このモード同期半導体レーザ素子はレーザ共振器を構成するレーザ端面を劈開により形成するため、１μｍ以下の精度で共振器長を再現性よく制御するのが難しく、繰り返し周波数を０．１％の周波数精度で精密に制御することが難しい。また、素子長（主に利得領域長）が短く利得が不足する。さらに、高周波駆動電源やモード同期半導体レーザ素子の帯域制限により２ｐｓ程度以下の短光パルスを実現しにくく、繰り返し周波数の上限は３０〜４０ＧＨｚ程度で、８０ＧＨｚ、１６０ＧＨｚ等の高い繰り返し周波数の光パルス列が得られない等の難点がある。
【０００４】
光学遅延回路などの光多重素子を用いた光クロックパルス列発生装置の場合は、例えば図６に示すように、それぞれ光路差の異なる複数の光導波路から成るアレイ導波路６３を、入力側スラブ導波路６２と出力側スラブ導波路６４を介して入力光導波路６１と出力光導波路６５に接続した構成のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）構造のものやファブリペローエタロン（以下、「エタロン」と記す）が光多重素子として使用される。この場合、エタロンの平面度や平行度の正確な制御が難しく、また、アレイ導波路においてはその光路差を正確に設定するのが難しい。このため光パルス列の時間間隔や光強度を一定にするのが困難である。さらには、入力光パルス列から出力光パルス列への変換過程でのパワー損失（例えば、アレイ導波路等の曲線部分やスラブ導波路部における放射損失、エタロンの反射面での反射・放射損失等）が大きく（出力光パルス列の光強度が２桁程度小さくなる）、ノイズ増大の要因ともなる。即ち、図７（ａ）に示す如く、入力光パルス列Ｐｉｎは光多重素子７１で多重化され出力光パルス列Ｐｏｕｔとして光多重素子７１から出力される。この時、入力光パルス列Ｐｉｎは光多重素子７１で反射・放射損失を受ける。この結果、出力光パルス列Ｐｏｕｔの光強度が２桁程度小さくなると共に、入力光パルス列Ｐｉｎのスペクトル成分（図７（ｂ））は図７（ｃ）に示すスペクトル成分が消失し、図７（ｄ）に示すスペクトル成分の光パルス列、即ち、スペクトル成分が欠落した光パルス列が出力される。この出力光パルス列の光強度減少により各モードの光強度揺らぎが出力光パルス列光強度に対して相対的に大きくなると共に、スペクトル成分の欠落により、本来均衡を保っていた各スペクトル間における光強度の均衡が破れ、モード分配による光強度の揺らぎが絶対的に大きくなってノイズが増大する。
【０００５】
本発明は上記の問題点を解決し、低雑音で、パルス幅が狹く（望ましくは光パルス幅２ｐｓ以下）、且つ、精密に制御された高い繰り返し周波数（例えば、５０ＧＨｚ以上、望ましくは８０ＧＨｚ以上の繰り返し周波数）の安定した超短光クロックパルス列を発生することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
電気的な変調では半導体レーザ素子の応答帯域の制限で同期が難しいので、本発明の光クロックパルス列発生装置は、光注入によるモード同期レーザの光学的変調に基づく高調波同期動作を用いている。即ち、本発明の光クロックパルス列発生装置は、利得領域と可飽和吸収領域とを有するモード同期半導体レーザ素子を含み、レーザ発振する第１の共振器中の光路途中に前記第１の共振器の光学的共振器長の整数ｍ分の１の光学的共振器長を有する第２の共振器を設けた複合共振器構造を具備した高調波繰り返し周波数で動作可能なモード同期レーザと、前記第１の共振器の光学的共振器長で規定される繰り返し周波数成分ｆを含む周波数の光パルス列を出力する光パルス発生光源とを有し、前記光パルス発生光源の出力光パルス列を前記モード同期レーザに入力し、前記モード同期レーザの光学的変調に基づく高調波同期動作により前記第１の共振器の光学的共振器長で規定される繰り返し周波数ｆの整数ｍ倍の繰り返し周波週の光クロックパルス列を発生する構成である。
【０００７】
具体的には、上記の複合共振器は、第１の共振器をファブリペロー共振器で構成し、第２の共振器を２つの平行な反射面を有するロエタロンで構成し、且つ、前記エタロンを構成する２つの反射面と前記ファブリペロー共振器を構成する反射面とで共振器を構成しないように前記エタロンを配置した構成、或いは、第１の共振器をファブリペロー共振器で構成し、第２の共振器は閉光路を構成したリング共振器で構成した構成のものが利用できる。また、第１の共振器にリング共振器を利用した複合共振器としては、閉光路を構成したリング共振器で第１の共振器を構成し、第２の共振器をエタロンで構成、或いは、第１の共振器と第２の共振器を閉光路で成るリング共振器で構成したものが利用できる。リング共振器を形成する閉光路はリング状の半導体光導波路や誘電体光導波路、光ファイバ、或いは、複数の反射鏡を組み合わせて構成する。
【０００８】
第１の共振器を構成するファブリペロー共振器は、モード同期半導体レーザ素子の光利得領域側端面に反射面を対向して配置した反射体とモード同期半導体レーザ素子の可飽和吸収領域側端面とで構成される。反射体は反射鏡（半透明鏡）や光ファイバ、光導波路等が利用できる。なお、光ファイバや光導波路の場合はその端面が反射面になる。
【０００９】
ファブリペロー共振器中の光路やリング共振器の閉光路を半導体光導波路や誘電体光導波路で構成すると、モード同期半導体レーザ素子を含む複合共振器と光パルス列発生光源とを１つの基板上に一体に集積化して形成でき、装置の小型化に有利である。
【００１０】
第１の共振器、第２の共振器の何れか一方または双方の光学的共振器長が可変出来る構成としたので、繰り返し周波数を所望の値に設定することが出来ると共に、精密に制御することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本実施形態の光クロックパルス列発生装置は、図１に示すように、半導体レーザ素子１と、コリメートレンズ５ａを介して半導体レーザ素子１に光学的に結合された反射鏡２と、半導体レーザ素子１と反射鏡２との間に設けられた波長選択素子４およびエタロン３とを有し、半導体レーザ素子１の端面１１ｂと反射鏡２とでファブリペロー共振器（第１の共振器、以下、「主共振器」と記す）を構成して外部共振器型のモード同期レーザとして機能する。エタロン３は第２の共振器（以下、「副共振器」と記す）を構成し、その光学的共振器長ｄ（共振器の物理的長さと共振器の屈折率（屈折率（光学媒体）が一様でない場合は実効的屈折率、以下、「屈折率」で代表する）との積。以下、「共振器長」と記す）、即ち、エタロンの反射面間の光学的距離ｄ（エタロンの物理的厚さとエタロンの屈折率との積）は
ｄ＝Ｌ／ｍ （Ｌは主共振器の共振器長、ｍは整数である）
に設定され、透過率が最大になる周波数間隔Δｆはｃ／２ｄ（ｃは真空中の光速）になっている。エタロン３を反射鏡２に平行（光軸に垂直）に配置した場合、エタロン３の反射面と反射鏡２とで共振器が形成されると共に、エタロン３と半導体レーザ素子１の端面とも共振器が形成され、主共振器中に多数の副共振器が形成されて複雑な共振器構成となり、目的とする効果が得られない。このため、エタロン３の反射面と半導体レーザ素子１の端面１１ｂ、１１ａ及びエタロン３の反射面と反射鏡２とで複合共振器が形成されないように、エタロン３は光軸に対して僅かに傾けて設置してある。このため、エタロンに替えて半透明鏡を配置し、反射鏡２と半透明鏡で副共振器を形成した複合共振器構造では、半透明鏡と半導体レーザ素子端面とも共振器を形成するのでこのような構成は好ましくない。
【００１２】
さらに、この光クロックパルス列発生装置は、光パルス列を半導体レーザ素子１へ入力する手段として、光パルス発生光源６を備え、光アイソレータ７、結合レンズ５ｂを介して光パルス列が半導体レーザ素子１に供給される。なお、光アイソレータ７は戻り光の影響を防止する目的で設けているので、戻り光の影響を受けにくい構造で安定な光パルスが発生できる光パルス列発生光源６であれば、光アイソレータ７は設けなくてもよい。また、光アイソレータ７に加えて、光パルス発生光源６と半導体レーザ素子１の間に光ファイバ、結合レンズを有する結合光学系を設け、光クロックパルス列発生装置で発生した光クロックパルス列を外部へ出力する手段として、反射鏡２に隣接して主共振器の外側に光アイソレータ、結合レンズおよび光ファイバを設けた構成としてもよい。
【００１３】
光クロックパルス列発生装置に用いる半導体レーザ素子１は、モード同期発振するものであればどの様な構造のものでもよい。本実施形態では、光増幅に与る利得領域１ａと、光強度の増加に伴い光吸収が減少する可飽和吸収領域１ｂとを有する構造のモード同期半導体レーザ素子とした。同期をとるための光は可飽和吸収領域側から注入される。利得領域１ａの活性層と可飽和吸収領域１ｂの可飽和吸収層は、例えばバンドギャップ波長が１．５５μｍ組成のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造（バルクの活性層、バルクの可飽和吸収層でもよい）で構成し、ストライプ状の活性層並びに可飽和吸収層の両側に電流ブロック層を設けた埋め込み構造を採用している。利得領域１ａおよび可飽和吸収領域１ｂの各端面１１ａ、１１ｂには誘電体多層膜、例えば、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2多層膜或いはＳｉ／ＳｉＯ2多層膜等がコーティングされて、可飽和吸収領域側の端面１１ｂが高反射率面、利得領域側の端面１１ａが低反射率面（無反射端面）になっている。高反射率面の反射率Ｒ１はＲ１≒０．８程度、低反射率面の反射率Ｒ２はＲ２≦１０-4程度に設定されている。このように端面１１ａに誘電体多層膜から成る反射防止膜を設けて端面１１ａを無反射端面としたことで、可飽和吸収領域側の端面１１ｂと反射鏡２とで共振器が形成され、利得領域側の端面１１ａと反射鏡２とでは共振器が形成されないようにすると共に、端面１１ａ、１１ｂでファブリペロ−共振器が構成されてレーザ発振するのを防止している。利得領域１ａと可飽和吸収領域１ｂには相互に独立に電力が供給できるように、それぞれ独立に電極（図示省略）が設けられて、これら電極を介して利得領域１ａに直流電流が、可飽和吸収領域１ｂに逆バイアス電圧が供給される。
【００１４】
反射鏡２は、入射された光束の一部を透過する半透明鏡であって、半導体レーザ素子１と反射鏡２の光学軸に沿って移動できるようになっている。この反射鏡２を図中矢印Ａの如く移動することで半導体レーザ素子１の可飽和吸収領域端面１１ｂと反射鏡２とで構成する主共振器の共振器長Ｌが可変でき、共振器長を精密に設定できる。このため、繰り返し周波数が可変出来ると共に、繰り返し周波数の精密制御が可能となる。
【００１５】
エタロン３は副共振器を構成しており、光学媒体の両側に互いに平行な反射面を有する構成で、所定間隔で平行に対向配置された２つの反射面の反射率と間隔により決定される波長間隔で透過率が最大となる。具体的には、例えば石英やガラス等の平行平面板の両面に誘電体多層膜或いは金属膜を形成して互いに対向する２つの面の反射率を高めた構成になっている。エタロンの反射面間の光学的距離ｄ、即ち、共振器長ｄは上述したように
ｄ＝Ｌ／ｍ （Ｌは主共振器の共振器長、ｍは整数である）
に設定され、透過率が最大になる周波数間隔Δｆがｃ／２ｄ（ｃは真空中の光速）になっている。
【００１６】
圧電素子や電気光学効果を有する結晶（例えば半導体やＬｉＮｂＯ3等）或いは液晶等を２枚の平面鏡で挾んでエタロンを構成した場合、電圧を印加することでその共振器長ｄを変化することができ、共振器長ｄを精密制御するのに便利である。半導体やＬｉＮｂＯ3を用いたエタロンは集積化した光クロックパルス列発生装置を構成するのに適している。また、共振器長ｄの精密制御にも適し、透過率が最大になる周波数間隔Δｆの精密制御が可能である。
【００１７】
波長選択素子４は、プリズムや回折格子等の分散素子や誘電体多層膜フィルター等を用いることができ、主共振器の光学軸とのなす角度を調節することにより、出力光クロックパルス列の波長を任意に設定することができる。これにより、入力光である光パルス列と出力光である光クロックパルス列との中心波長を異なるものにすることも可能である。波長を精密に制御する必要がなければ、波長選択素子４は省略してもよいが、実用上備えた方がよい。この第１実施形態では、石英ガラスの透明な平板から成る光学媒体の表面に誘電体多層膜を形成した誘電体多層膜フィルタータイプの波長選択素子を用い、共振器の反射面（反射鏡２、半導体レーザ素子端面１１ｂ）やエタロン等と複合共振器を構成しないように光軸に対して傾斜させて主共振器中に配置した。
【００１８】
光パルス発生光源６は、例えば半導体レーザの出射面に光ファイバ（或いは光導波路）やファイバ回折格子を設けて光ファイバ（或いは光導波路）端面又は回折格子と半導体レーザ端面とで共振器を構成した外部共振器型モード同期半導体レーザやＤＦＢ半導体レーザ素子、電界吸収型光変調領域を有する半導体レーザ素子、或いは、図５に示したモノリシック型のモード同期半導体レーザ素子等、光パルス列を発生できるものならどのようなものでもよい。本実施の形態では可飽和吸収領域と利得領域を有するモード同期半導体レーザ素子を用いた。モード同期半導体レーザ素子は共振器長が短いのでクロック周波数とレーザ共振器のモード間隔を一致させて駆動でき、ジッタが少ない安定な光パルス列を発生するのに適している。
【００１９】
図１に示す光クロックパルス発生装置においては、光パルス発生光源６は、標準信号発生器（図示省略）により主共振器の周回周波数ｆ（ｆ＝ｃ／２Ｌ、Ｌは主共振器の共振器長、ｃは真空中の光速）の整数n分の１の周波数（以下、基準周波数という）で変調駆動され、基準周波数ｆ／ｎに同期した繰り返し周波数ｆ／ｎの光パルス列を出力する。この光パルス列の光信号スペクトルは繰り返し周波数ｆ／ｎの基準周波数以外に、その高調波成分２ｆ／ｎ、３ｆ／ｎ、・・・を含んでいる。この高調波成分を含んだ光パルス列は光アイソレータ７、結合レンズ５ｂを介して半導体レーザ素子１の可飽和吸収領域１ｂ側の端面１１ｂから半導体レーザ素子１に注入される。半導体レーザ素子１は反射鏡２と共にモード同期レーザを構成しており、半導体レーザ素子１の利得領域１ａに直流電流を注入し、可飽和吸収領域１ｂに逆バイアス電圧を印加することにより、光パルス列が注入されないときは、受動モード同期動作により光クロックパルス列が生成し、この光クロックパルス列の一部が反射鏡２を透過し、光出力として取り出される。この時、モード同期レーザは主共振器長Ｌの整数ｍ分の１の共振器長ｄ（ｄ＝Ｌ／ｍ）を有する副共振器（エタロン）を主共振器中に有するから、主共振器の共振モードのうち、副共振器の共振条件を満たすモードのみが発振する。このため、光クロックパルス列の繰り返し周波数は副共振器で規定され、主共振器の周回周波数ｆの整数ｍ倍の繰り返し周波数ｍ・ｆの高い繰り返し周波数の光クロックパルス列となる。光パルス発生光源６からの光パルス列が注入されると、半導体レーザ素子１は注入光パルス列によって基準周波数ｆ／ｎ、及びその高調波成分の周波数で変調される。この結果、モード同期レーザは注入された光パルス列に同期し、周波数が安定化された揺らぎの少ない精密に周波数制御された光クロックパルス列が生成される。
【００２０】
光クロックパルス列がエタロン３を通過する際の反射・放射等による損失は、エタロン３が主共振器内にあるので、光クロックパルス列が主共振器内を周回して半導体レーザ素子１を通過する毎に利得領域１ａで再生・増幅、可飽和吸収領域１ｂで自然放出光吸収（バックグランドノイズ低減）、パルス幅急峻化（短パルス化）が繰り返され、補償される。この結果、低雑音でパルス幅が狹く、標準信号発生器の変調帯域や光パルス発生光源の帯域よりも高い繰り返し周波数の光クロックパルス列が得られる。
【００２１】
上記実施形態では、波長選択素子単体を主共振器中に設けたが、波長選択素子を他の部品と一体にして設けてもよい。例えば、半導体レーザ素子１の利得領域１ａに隣接して回折格子を有するＤＢＲ領域を半導体レーザ素子１に集積化し、このＤＢＲ領域を波長選択素子とする。或いは反射鏡２の替わりに回折格子を設け、この回折格子に共振器反射面としての機能と波長選択としての機能の両方の機能を担わせた構成としてもよい。
【００２２】
また、半導体レーザ素子１と反射鏡２との間の光導波媒質は空気であったが、空気に替えて半導体や電気光学結晶、光ファイバ等の固体を光導波媒質に用いてもよい。例えば、光導波媒質に光ファイバを用いた場合、図１の反射鏡２に替えて光ファイバを設置し（エタロン３と波長選択素子４は光ファイバと半導体レーザ素子１の間に設置される）、この光ファイバの半導体レーザ素子１から遠い方の端面に反射膜を形成して反射面とすると、この端面と半導体レーザ素子１の光パルス発生光源側の端面とで主共振器が構成できる。光ファイバのもう一方の端面（半導体レーザ素子１に近い方の端面）は、半導体レーザ素子端面とファブリペロー共振器を構成しないように斜めにカットするのが望ましい。
【００２３】
光導波媒質に半導体光導波路を用いた場合は、光パルス発生光源６、半導体レーザ素子１、ストライプ状半導体光導波路を半導体基板に一体に形成することができる。また、光導波媒質として石英やＬｉＮｂＯ3等の光導波路を用いて、Ｓｉプラットホーム上に光パルス発生光源、半導体レーザ素子、エタロン、波長選択素子と共に設置してモジュール構造としてもよい。
【００２４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態を図２に示す。この光クロックパルス発生装置は、リング共振器を用いた例である。
【００２５】
図２に示すように、反射鏡２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを互いに反射面を対向させて四辺形の頂点に相当する位置に配置して共振器長がＬのリング共振器で主共振器を構成している。リング共振器の共振器長Ｌは反射鏡２ｂ、２ｃを同時に矢印Ａの方向に移動することで調整できる。リング共振器の光路上には、半導体レーザ素子１と、光アイソレータ７ｂと、光学的厚さ（共振器長）がｄ（ｄ＝Ｌ／ｍ、ｍは整数）のエタロン３（副共振器）と、波長選択素子４とが直列に配置されて、時計回りに光パルス列が周回する複合共振器構造のモード同期レーザが構成される。半導体レーザ素子１は、第１実施形態と同様、可飽和吸収領域１ｂと利得領域１ａを有しているモード同期半導体レーザ素子であるが、その両端面はＡＲコートを施して半導体レーザ素子１の両端面でファブリペロー共振器を構成しないように低反射面になっている。反射鏡２ｄは半透明鏡で構成され、この半透明鏡２ｄを介して光パルス発生光源６から光パルス列が注入される。半透明鏡２ｄを介して注入された光パルス列はレンズ５ｂ等の結合光学系を介してモード同期半導体レーザ素子１に注入される。半導体レーザ素子１に光パルス列が注入されたモード同期レーザは第１実施形態と同様に動作し、周波数が安定化された揺らぎの少ない精密に周波数制御された短いパルス幅の光クロックパルス列を生成する。生成された光クロックパルス列はリング共振器を周回中にその一部が半透明鏡２ｄから外部に出射する。
【００２６】
上記実施形態では時計回りに光パルスが周回する構成としたが、光アイソレータ７ｂを設けず、時計回り、反時計回りの両方向に光パルスが周回する構成としてもよい。この場合、半導体レーザ素子１は、過飽和吸収領域１ｂを素子中央に設け、その両側に利得領域１ａを設けた構造とするのが望ましい。また、光パルスの注入と光パルスの取り出しを１つの反射鏡２ｄにおいて行っているが、光パルス注入と光出力取り出しを別々の反射鏡から行う構成としてもよい。
【００２７】
さらに、上記第２実施形態ではエタロンで副共振器を構成したが、図３（ａ）、（ｂ）に示す如く、エタロンに替えてリング共振器で副共振器を構成してもよい。図３（ａ）は、反射鏡２ａ〜２ｄで主共振器を構成し、反射鏡２ｂ、２ｅ〜２ｇで副共振器を構成している。ここで、反射鏡２ａ、２ｂ、２ｅは半透明鏡である。その他の反射鏡は反射率１の全反射鏡である。図３（ｂ）の場合は、反射鏡２ａ〜２ｄで主共振器を構成し、反射鏡２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆで副共振器を構成している。ここで、反射鏡２ａ、２ｂ、２ｅは半透明鏡である。その他の反射鏡は反射率１の全反射鏡である。
【００２８】
（第３の実施の形態）
図４（ａ）、（ｂ）に第３の実施の形態を示す。この実施形態は、光ファイバでリング共振器１０ａ（主共振器）を構成し、上記第１、第２実施形態においてエタロンで構成した副共振器をリング状光ファイバで成るリング共振器１０ｂで構成した光クロックパルス列発生装置の例である。なお、光ファイバは、加熱や電圧印加等により屈折率を変えることでその光路長を変えることが可能である。また、円柱状の圧電素子に光ファイバを巻き付け、圧電素子に電圧印加することでもファイバ長を変えることができるので、主共振器および副共振器の共振器長はこの現象を利用して精密に制御でき、繰り返し周波数も可変出来る。
【００２９】
図４（ａ）において、リング状光ファイバ１０ａの途中に半導体レーザ素子１と、波長選択素子４とが挿入されて閉ループが形成され、時計回り３０ａと反時計回り３０ｂの両方向に光クロックパルス列が伝播する構成にしてある。このため、半導体レーザ素子１は、素子中央に可飽和吸収領域１ｂを備え、その両側に利得領域１ａを設け、一方の利得領域の端面を出射端面、他方の利得領域の端面を入射端面とした構造のモード同期半導体レーザ素子を用いた。両端面は、両端面間でファブリペロ共振器を形成しないように、ＡＲコートを施して無反射面にしてある。波長選択素子４は第１実施形態と同じものである。副共振器のリング光ファイバ１０ｂは第２のファイバカプラ８ｂを介して主共振器の光ファイバ１０ａに結合している。ここで、主共振器１０ａの共振器長はＬ、副共振器１０ｂの共振器長はｄ（ｄ＝Ｌ／ｍ、ｍは整数）である。光パルス発生光源６からの光パルス列は第１の光ファイバカプラ８ａを介して主共振器１０ａに注入される。主共振器１０ａで発生した光クロックパルス列は第３の光ファイバカプラ８ｃを介して出力光ファイバ１０ｃから出力される。光パルス発生光源６と第１の光ファイバカプラ８ａとの間には光アイソレータ７を設けて戻り光の影響を抑制してあるので、光パルス発生光源６は安定に動作する。
【００３０】
この光クロックパルス列発生装置の動作は上記第１、第２実施形態と同様に動作し、主共振器の周回周波数ｆ1（＝ｃ／Ｌ）の整数ｍ倍の繰り返し周波数ｍ・ｆ1の光クロックパルス列が発生する。
【００３１】
図４（ａ）の光クロックパルス列発生装置は、時計回り方向３０ａと反時計回り方向３０ｂの両方向に光クロックパルス列が伝播する構成としたが、リング主共振器中に光アイソレータを挿入して、時計回り或いは反時計回りの何れか一方向のみに伝播する構成としてもよい。また、上記図４（ａ）の実施形態では第１実施形態と同じく誘電体多層膜フィルターから成る波長選択素子４を用いたが、誘電体多層膜フィルタータイプの波長選択素子に替えて、光ファイバに回折格子を形成し、このファイバ回折格子を波長選択素子として用いてもよい。この場合、ファイバ回折格子と半導体レーザ素子との間に光アイソレータを設けて一方向のみに伝播する構成にして、ファイバ回折格子と半導体レーザ素子との間で共振器が構成されるのを防ぐ構成にするのが望ましい。
【００３２】
図４（ｂ）にもう一つの構成例を示す。この構成は、副共振器を構成するリング状光ファイバ１０ｂと、このリング状光ファイバ１０ｂと２点Ａ、Ｂで接する光ファイバ１０とを備え、光ファイバ１０の途中に半導体レーザ素子１、波長選択素子４、光アイソレータ７ｂを配置して、光ファイバ１０、１０ｂのＡ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点を結ぶ閉回路でリング状の主共振器を構成している。接点Ａ、Ｂでは光ファイバカプラが構成されており、光クロックパルス列は図中の矢印で示す方向に進行して第３の光ファイバカプラ８ｃを介して出力光ファイバ１０ｃから出力される。光パルス発生光源６は光アイソレータ７、結合レンズ５ｃを介して、光ファイバ１０の一方の端面Ｅに光学的に結合し、端面Ｅから光ファイバ１０に光パルス列を入力する。半導体レーザ素子１、波長選択素子４、光パルス発生光源６は第１実施形態と同じものを用いている。動作は図４（ａ）と同じである。
【００３３】
尚、副共振器にリング共振器を用いた図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）に示す構成のもののうち、安定に高調波モード同期光クロックパルス列を発生させる効果は、図４（ｂ）の構成のものが最も優れていた。
【００３４】
上記光ファイバに替えて半導体光導波路でリング共振器を構成してもよい。この場合、リング状の主共振器は、半導体基板上にクラッド層、光導波路層、クラッド層を順次積層した積層構造をエッチングによりリング状のリッジ光導波路に加工されたリング光導波路で構成される。リング主共振器を構成するリング状光導波路にはＤＢＲ領域、利得領域、可飽和吸収領域、利得領域から成る半導体レーザ素子が光導波路と一体となって配設され、モノリシックに集積化できる。ＤＢＲ領域は発振する光パルスの波長を選択する波長選択素子として機能するもので、回折格子の周期に相当するブラッグ波長のみを選択的に通過する透過型波長フィルタの機能を有する。このＤＢＲ領域は電流注入又は電圧印加により選択波長を調整できる。副共振器は、リング主共振器と同様にリング状半導体光導波路で構成し、Ｙ分岐或いは方向性光結合器によりリング主共振器と光学的に結合される。リング副共振器の共振器長ｄは、ｄ＝Ｌ／ｍ（Ｌはリング主共振器の共振器長、ｍは整数）に設定される。さらに、リング主共振器には、光パルスを注入するための第１Ｙ分岐光導波路と、共振器を周回する光パルスを取り出すための第２Ｙ分岐光導波路を備えている。光パルス発生光源は、第１実施形態と同様、可飽和吸収領域と利得領域を有するモード同期半導体レーザ素子を用い、第１Ｙ分岐光導波路端にモノリシックに集積化・形成できる。リング副共振器に替えてエタロンを副共振器として用いてもよい。この場合、エタロンは、リング状光導波路を横切って形成された溝に挿入・設置される。また、ＤＢＲ領域を設けずに、波長選択素子をエタロンと同様の方法で設けてもよい。
【００３５】
上記、半導体光導波路でリング共振器を構成した光クロックパルス列発生装置は光パルスが時計回りと反時計回りの両方向に周回する構成であるが、リング主共振器（リング状光導波路）内に光アイソレータを設けて時計回り、反時計回りの何れか一方向に光パルスが周回する構成としてもよい。光アイソレータとしては、磁気光学効果を利用したファラデー回転子を用いたものの他に、半導体を用いて構成したものが利用できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、主共振器の実効的共振器長の整数分の１の共振器長を有する副共振器を主共振器内に備えたことで、主共振器の共振モードのうち副共振器の共振条件を満たすモードのみが発振するので、光クロックパルス列の繰り返し周波数は副共振器で規定され、主共振器の周回周波数の整数倍の高い光パルス繰り返し周波数を得ることが出来る。また、モード同期半導体レーザ素子の可飽和吸収領域の光学的応答は電気的な応答に比較して桁違いに大きな周波数帯域成分を有するので、標準信号発生器によって同期安定化された光パルスの注入による光学的な吸収変調を行うことで、被注入高調波動作するモード同期レーザの同期安定化が可能となる。この結果、本発明は、超高速の繰り返し周波数で且つ精密に周波数制御された揺らぎの少ない安定した光クロックパルス列が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態を示す概略図
【図２】 本発明の第２の実施の形態を示す概略図
【図３】 リング共振器で構成した光クロックパルス列発生装置の概略図
【図４】 光ファイバでリング共振器を構成した光クロックパルス列発生装置の概略図
【図５】 ＤＢＲを集積化したモード同期半導体レーザ素子の断面図
【図６】 光多重素子の一構成例を示す概略図
【図７】 光多重素子を用いた光クロックパルス列発生装置の概略図
【符号の説明】
１ 半導体レーザ素子
１ａ 利得領域
１ｂ 可飽和吸収領域
２ 反射鏡
２ａ〜２ｇ 反射鏡
３ エタロン
４ 波長選択素子
５ａ レンズ
５ｂ レンズ
５ｃ レンズ
６ 光パルス発生光源
７ 光アイソレータ
７ｂ 光アイソレータ
８ａ ファイバカプラ
８ｂ ファイバカプラ
８ｃ ファイバカプラ
１０ 光ファイバ
１０ａ 光ファイバ
１０ｂ 光ファイバ
１０ｃ 光ファイバ
１１ａ 端面
１１ｂ 端面
５１ ＤＢＲ領域
５２ 光変調領域
５３ 利得領域
５４ 可飽和吸収領域
６１ 入力光導波路
６２ 入力側スラブ導波路
６３ アレイ導波路
６４ 出力側スラブ導波路
６５ 出力光導波路
７１ 光多重素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、光通信や光情報処理等に有用な、繰り返し周波数の高い超短光パルス列を発生する光クロックパルス列発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ディジタル信号を用いた光通信においては、繰り返し周波数の高い光パルス列が要求される。こうした光パルス列を発生する装置として、半導体レーザを用いたものや光学遅延回路などの光パルス合波器（光多重素子）を用いたものがある。このような光パルス列発生装置によれば、数ピコ秒から数百フェムト秒オーダーの繰り返し周波数を持つ光パルス列が発生できる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
半導体レーザを用いた光クロックパルス列発生装置の一つに、図５に示す如く、分布ブラッグ反射領域（ＤＢＲ領域）５１、電界吸収型光変調領域５２、利得領域５３、可飽和吸収領域５４をモノリシックに集積化した集積型のモード同期半導体レーザ素子がある。このモード同期半導体レーザ素子はレーザ共振器を構成するレーザ端面を劈開により形成するため、１μｍ以下の精度で共振器長を再現性よく制御するのが難しく、繰り返し周波数を０．１％の周波数精度で精密に制御することが難しい。また、素子長（主に利得領域長）が短く利得が不足する。さらに、高周波駆動電源やモード同期半導体レーザ素子の帯域制限により２ｐｓ程度以下の短光パルスを実現しにくく、繰り返し周波数の上限は３０〜４０ＧＨｚ程度で、８０ＧＨｚ、１６０ＧＨｚ等の高い繰り返し周波数の光パルス列が得られない等の難点がある。
【０００４】
光学遅延回路などの光多重素子を用いた光クロックパルス列発生装置の場合は、例えば図６に示すように、それぞれ光路差の異なる複数の光導波路から成るアレイ導波路６３を、入力側スラブ導波路６２と出力側スラブ導波路６４を介して入力光導波路６１と出力光導波路６５に接続した構成のアレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）構造のものやファブリペローエタロン（以下、「エタロン」と記す）が光多重素子として使用される。この場合、エタロンの平面度や平行度の正確な制御が難しく、また、アレイ導波路においてはその光路差を正確に設定するのが難しい。このため光パルス列の時間間隔や光強度を一定にするのが困難である。さらには、入力光パルス列から出力光パルス列への変換過程でのパワー損失（例えば、アレイ導波路等の曲線部分やスラブ導波路部における放射損失、エタロンの反射面での反射・放射損失等）が大きく（出力光パルス列の光強度が２桁程度小さくなる）、ノイズ増大の要因ともなる。即ち、図７（ａ）に示す如く、入力光パルス列Ｐｉｎは光多重素子７１で多重化され出力光パルス列Ｐｏｕｔとして光多重素子７１から出力される。この時、入力光パルス列Ｐｉｎは光多重素子７１で反射・放射損失を受ける。この結果、出力光パルス列Ｐｏｕｔの光強度が２桁程度小さくなると共に、入力光パルス列Ｐｉｎのスペクトル成分（図７（ｂ））は図７（ｃ）に示すスペクトル成分が消失し、図７（ｄ）に示すスペクトル成分の光パルス列、即ち、スペクトル成分が欠落した光パルス列が出力される。この出力光パルス列の光強度減少により各モードの光強度揺らぎが出力光パルス列光強度に対して相対的に大きくなると共に、スペクトル成分の欠落により、本来均衡を保っていた各スペクトル間における光強度の均衡が破れ、モード分配による光強度の揺らぎが絶対的に大きくなってノイズが増大する。
【０００５】
本発明は上記の問題点を解決し、低雑音で、パルス幅が狹く（望ましくは光パルス幅２ｐｓ以下）、且つ、精密に制御された高い繰り返し周波数（例えば、５０ＧＨｚ以上、望ましくは８０ＧＨｚ以上の繰り返し周波数）の安定した超短光クロックパルス列を発生することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
電気的な変調では半導体レーザ素子の応答帯域の制限で同期が難しいので、本発明の光クロックパルス列発生装置は、光注入によるモード同期レーザの光学的変調に基づく高調波同期動作を用いている。即ち、本発明の光クロックパルス列発生装置は、利得領域と可飽和吸収領域とを有するモード同期半導体レーザ素子を含み、レーザ発振する第１の共振器中の光路途中に前記第１の共振器の光学的共振器長の整数ｍ分の１の光学的共振器長を有する第２の共振器を設けた複合共振器構造を具備した高調波繰り返し周波数で動作可能なモード同期レーザと、前記第１の共振器の光学的共振器長で規定される繰り返し周波数成分ｆを含む周波数の光パルス列を出力する光パルス発生光源とを有し、前記光パルス発生光源の出力光パルス列を前記モード同期レーザに入力し、前記モード同期レーザの光学的変調に基づく高調波同期動作により前記第１の共振器の光学的共振器長で規定される繰り返し周波数ｆの整数ｍ倍の繰り返し周波週の光クロックパルス列を発生する構成である。
【０００７】
具体的には、上記の複合共振器は、第１の共振器をファブリペロー共振器で構成し、第２の共振器を２つの平行な反射面を有するロエタロンで構成し、且つ、前記エタロンを構成する２つの反射面と前記ファブリペロー共振器を構成する反射面とで共振器を構成しないように前記エタロンを配置した構成、或いは、第１の共振器をファブリペロー共振器で構成し、第２の共振器は閉光路を構成したリング共振器で構成した構成のものが利用できる。また、第１の共振器にリング共振器を利用した複合共振器としては、閉光路を構成したリング共振器で第１の共振器を構成し、第２の共振器をエタロンで構成、或いは、第１の共振器と第２の共振器を閉光路で成るリング共振器で構成したものが利用できる。リング共振器を形成する閉光路はリング状の半導体光導波路や誘電体光導波路、光ファイバ、或いは、複数の反射鏡を組み合わせて構成する。
【０００８】
第１の共振器を構成するファブリペロー共振器は、モード同期半導体レーザ素子の光利得領域側端面に反射面を対向して配置した反射体とモード同期半導体レーザ素子の可飽和吸収領域側端面とで構成される。反射体は反射鏡（半透明鏡）や光ファイバ、光導波路等が利用できる。なお、光ファイバや光導波路の場合はその端面が反射面になる。
【０００９】
ファブリペロー共振器中の光路やリング共振器の閉光路を半導体光導波路や誘電体光導波路で構成すると、モード同期半導体レーザ素子を含む複合共振器と光パルス列発生光源とを１つの基板上に一体に集積化して形成でき、装置の小型化に有利である。
【００１０】
第１の共振器、第２の共振器の何れか一方または双方の光学的共振器長が可変出来る構成としたので、繰り返し周波数を所望の値に設定することが出来ると共に、精密に制御することが可能である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
本実施形態の光クロックパルス列発生装置は、図１に示すように、半導体レーザ素子１と、コリメートレンズ５ａを介して半導体レーザ素子１に光学的に結合された反射鏡２と、半導体レーザ素子１と反射鏡２との間に設けられた波長選択素子４およびエタロン３とを有し、半導体レーザ素子１の端面１１ｂと反射鏡２とでファブリペロー共振器（第１の共振器、以下、「主共振器」と記す）を構成して外部共振器型のモード同期レーザとして機能する。エタロン３は第２の共振器（以下、「副共振器」と記す）を構成し、その光学的共振器長ｄ（共振器の物理的長さと共振器の屈折率（屈折率（光学媒体）が一様でない場合は実効的屈折率、以下、「屈折率」で代表する）との積。以下、「共振器長」と記す）、即ち、エタロンの反射面間の光学的距離ｄ（エタロンの物理的厚さとエタロンの屈折率との積）は
ｄ＝Ｌ／ｍ （Ｌは主共振器の共振器長、ｍは整数である）
に設定され、透過率が最大になる周波数間隔Δｆはｃ／２ｄ（ｃは真空中の光速）になっている。エタロン３を反射鏡２に平行（光軸に垂直）に配置した場合、エタロン３の反射面と反射鏡２とで共振器が形成されると共に、エタロン３と半導体レーザ素子１の端面とも共振器が形成され、主共振器中に多数の副共振器が形成されて複雑な共振器構成となり、目的とする効果が得られない。このため、エタロン３の反射面と半導体レーザ素子１の端面１１ｂ、１１ａ及びエタロン３の反射面と反射鏡２とで複合共振器が形成されないように、エタロン３は光軸に対して僅かに傾けて設置してある。このため、エタロンに替えて半透明鏡を配置し、反射鏡２と半透明鏡で副共振器を形成した複合共振器構造では、半透明鏡と半導体レーザ素子端面とも共振器を形成するのでこのような構成は好ましくない。
【００１２】
さらに、この光クロックパルス列発生装置は、光パルス列を半導体レーザ素子１へ入力する手段として、光パルス発生光源６を備え、光アイソレータ７、結合レンズ５ｂを介して光パルス列が半導体レーザ素子１に供給される。なお、光アイソレータ７は戻り光の影響を防止する目的で設けているので、戻り光の影響を受けにくい構造で安定な光パルスが発生できる光パルス列発生光源６であれば、光アイソレータ７は設けなくてもよい。また、光アイソレータ７に加えて、光パルス発生光源６と半導体レーザ素子１の間に光ファイバ、結合レンズを有する結合光学系を設け、光クロックパルス列発生装置で発生した光クロックパルス列を外部へ出力する手段として、反射鏡２に隣接して主共振器の外側に光アイソレータ、結合レンズおよび光ファイバを設けた構成としてもよい。
【００１３】
光クロックパルス列発生装置に用いる半導体レーザ素子１は、モード同期発振するものであればどの様な構造のものでもよい。本実施形態では、光増幅に与る利得領域１ａと、光強度の増加に伴い光吸収が減少する可飽和吸収領域１ｂとを有する構造のモード同期半導体レーザ素子とした。同期をとるための光は可飽和吸収領域側から注入される。利得領域１ａの活性層と可飽和吸収領域１ｂの可飽和吸収層は、例えばバンドギャップ波長が１．５５μｍ組成のＩｎＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓＰ多重量子井戸構造（バルクの活性層、バルクの可飽和吸収層でもよい）で構成し、ストライプ状の活性層並びに可飽和吸収層の両側に電流ブロック層を設けた埋め込み構造を採用している。利得領域１ａおよび可飽和吸収領域１ｂの各端面１１ａ、１１ｂには誘電体多層膜、例えば、ＴｉＯ2／ＳｉＯ2多層膜或いはＳｉ／ＳｉＯ2多層膜等がコーティングされて、可飽和吸収領域側の端面１１ｂが高反射率面、利得領域側の端面１１ａが低反射率面（無反射端面）になっている。高反射率面の反射率Ｒ１はＲ１≒０．８程度、低反射率面の反射率Ｒ２はＲ２≦１０-4程度に設定されている。このように端面１１ａに誘電体多層膜から成る反射防止膜を設けて端面１１ａを無反射端面としたことで、可飽和吸収領域側の端面１１ｂと反射鏡２とで共振器が形成され、利得領域側の端面１１ａと反射鏡２とでは共振器が形成されないようにすると共に、端面１１ａ、１１ｂでファブリペロ−共振器が構成されてレーザ発振するのを防止している。利得領域１ａと可飽和吸収領域１ｂには相互に独立に電力が供給できるように、それぞれ独立に電極（図示省略）が設けられて、これら電極を介して利得領域１ａに直流電流が、可飽和吸収領域１ｂに逆バイアス電圧が供給される。
【００１４】
反射鏡２は、入射された光束の一部を透過する半透明鏡であって、半導体レーザ素子１と反射鏡２の光学軸に沿って移動できるようになっている。この反射鏡２を図中矢印Ａの如く移動することで半導体レーザ素子１の可飽和吸収領域端面１１ｂと反射鏡２とで構成する主共振器の共振器長Ｌが可変でき、共振器長を精密に設定できる。このため、繰り返し周波数が可変出来ると共に、繰り返し周波数の精密制御が可能となる。
【００１５】
エタロン３は副共振器を構成しており、光学媒体の両側に互いに平行な反射面を有する構成で、所定間隔で平行に対向配置された２つの反射面の反射率と間隔により決定される波長間隔で透過率が最大となる。具体的には、例えば石英やガラス等の平行平面板の両面に誘電体多層膜或いは金属膜を形成して互いに対向する２つの面の反射率を高めた構成になっている。エタロンの反射面間の光学的距離ｄ、即ち、共振器長ｄは上述したように
ｄ＝Ｌ／ｍ （Ｌは主共振器の共振器長、ｍは整数である）
に設定され、透過率が最大になる周波数間隔Δｆがｃ／２ｄ（ｃは真空中の光速）になっている。
【００１６】
圧電素子や電気光学効果を有する結晶（例えば半導体やＬｉＮｂＯ3等）或いは液晶等を２枚の平面鏡で挾んでエタロンを構成した場合、電圧を印加することでその共振器長ｄを変化することができ、共振器長ｄを精密制御するのに便利である。半導体やＬｉＮｂＯ3を用いたエタロンは集積化した光クロックパルス列発生装置を構成するのに適している。また、共振器長ｄの精密制御にも適し、透過率が最大になる周波数間隔Δｆの精密制御が可能である。
【００１７】
波長選択素子４は、プリズムや回折格子等の分散素子や誘電体多層膜フィルター等を用いることができ、主共振器の光学軸とのなす角度を調節することにより、出力光クロックパルス列の波長を任意に設定することができる。これにより、入力光である光パルス列と出力光である光クロックパルス列との中心波長を異なるものにすることも可能である。波長を精密に制御する必要がなければ、波長選択素子４は省略してもよいが、実用上備えた方がよい。この第１実施形態では、石英ガラスの透明な平板から成る光学媒体の表面に誘電体多層膜を形成した誘電体多層膜フィルタータイプの波長選択素子を用い、共振器の反射面（反射鏡２、半導体レーザ素子端面１１ｂ）やエタロン等と複合共振器を構成しないように光軸に対して傾斜させて主共振器中に配置した。
【００１８】
光パルス発生光源６は、例えば半導体レーザの出射面に光ファイバ（或いは光導波路）やファイバ回折格子を設けて光ファイバ（或いは光導波路）端面又は回折格子と半導体レーザ端面とで共振器を構成した外部共振器型モード同期半導体レーザやＤＦＢ半導体レーザ素子、電界吸収型光変調領域を有する半導体レーザ素子、或いは、図５に示したモノリシック型のモード同期半導体レーザ素子等、光パルス列を発生できるものならどのようなものでもよい。本実施の形態では可飽和吸収領域と利得領域を有するモード同期半導体レーザ素子を用いた。モード同期半導体レーザ素子は共振器長が短いのでクロック周波数とレーザ共振器のモード間隔を一致させて駆動でき、ジッタが少ない安定な光パルス列を発生するのに適している。
【００１９】
図１に示す光クロックパルス発生装置においては、光パルス発生光源６は、標準信号発生器（図示省略）により主共振器の周回周波数ｆ（ｆ＝ｃ／２Ｌ、Ｌは主共振器の共振器長、ｃは真空中の光速）の整数n分の１の周波数（以下、基準周波数という）で変調駆動され、基準周波数ｆ／ｎに同期した繰り返し周波数ｆ／ｎの光パルス列を出力する。この光パルス列の光信号スペクトルは繰り返し周波数ｆ／ｎの基準周波数以外に、その高調波成分２ｆ／ｎ、３ｆ／ｎ、・・・を含んでいる。この高調波成分を含んだ光パルス列は光アイソレータ７、結合レンズ５ｂを介して半導体レーザ素子１の可飽和吸収領域１ｂ側の端面１１ｂから半導体レーザ素子１に注入される。半導体レーザ素子１は反射鏡２と共にモード同期レーザを構成しており、半導体レーザ素子１の利得領域１ａに直流電流を注入し、可飽和吸収領域１ｂに逆バイアス電圧を印加することにより、光パルス列が注入されないときは、受動モード同期動作により光クロックパルス列が生成し、この光クロックパルス列の一部が反射鏡２を透過し、光出力として取り出される。この時、モード同期レーザは主共振器長Ｌの整数ｍ分の１の共振器長ｄ（ｄ＝Ｌ／ｍ）を有する副共振器（エタロン）を主共振器中に有するから、主共振器の共振モードのうち、副共振器の共振条件を満たすモードのみが発振する。このため、光クロックパルス列の繰り返し周波数は副共振器で規定され、主共振器の周回周波数ｆの整数ｍ倍の繰り返し周波数ｍ・ｆの高い繰り返し周波数の光クロックパルス列となる。光パルス発生光源６からの光パルス列が注入されると、半導体レーザ素子１は注入光パルス列によって基準周波数ｆ／ｎ、及びその高調波成分の周波数で変調される。この結果、モード同期レーザは注入された光パルス列に同期し、周波数が安定化された揺らぎの少ない精密に周波数制御された光クロックパルス列が生成される。
【００２０】
光クロックパルス列がエタロン３を通過する際の反射・放射等による損失は、エタロン３が主共振器内にあるので、光クロックパルス列が主共振器内を周回して半導体レーザ素子１を通過する毎に利得領域１ａで再生・増幅、可飽和吸収領域１ｂで自然放出光吸収（バックグランドノイズ低減）、パルス幅急峻化（短パルス化）が繰り返され、補償される。この結果、低雑音でパルス幅が狹く、標準信号発生器の変調帯域や光パルス発生光源の帯域よりも高い繰り返し周波数の光クロックパルス列が得られる。
【００２１】
上記実施形態では、波長選択素子単体を主共振器中に設けたが、波長選択素子を他の部品と一体にして設けてもよい。例えば、半導体レーザ素子１の利得領域１ａに隣接して回折格子を有するＤＢＲ領域を半導体レーザ素子１に集積化し、このＤＢＲ領域を波長選択素子とする。或いは反射鏡２の替わりに回折格子を設け、この回折格子に共振器反射面としての機能と波長選択としての機能の両方の機能を担わせた構成としてもよい。
【００２２】
また、半導体レーザ素子１と反射鏡２との間の光導波媒質は空気であったが、空気に替えて半導体や電気光学結晶、光ファイバ等の固体を光導波媒質に用いてもよい。例えば、光導波媒質に光ファイバを用いた場合、図１の反射鏡２に替えて光ファイバを設置し（エタロン３と波長選択素子４は光ファイバと半導体レーザ素子１の間に設置される）、この光ファイバの半導体レーザ素子１から遠い方の端面に反射膜を形成して反射面とすると、この端面と半導体レーザ素子１の光パルス発生光源側の端面とで主共振器が構成できる。光ファイバのもう一方の端面（半導体レーザ素子１に近い方の端面）は、半導体レーザ素子端面とファブリペロー共振器を構成しないように斜めにカットするのが望ましい。
【００２３】
光導波媒質に半導体光導波路を用いた場合は、光パルス発生光源６、半導体レーザ素子１、ストライプ状半導体光導波路を半導体基板に一体に形成することができる。また、光導波媒質として石英やＬｉＮｂＯ3等の光導波路を用いて、Ｓｉプラットホーム上に光パルス発生光源、半導体レーザ素子、エタロン、波長選択素子と共に設置してモジュール構造としてもよい。
【００２４】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態を図２に示す。この光クロックパルス発生装置は、リング共振器を用いた例である。
【００２５】
図２に示すように、反射鏡２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄを互いに反射面を対向させて四辺形の頂点に相当する位置に配置して共振器長がＬのリング共振器で主共振器を構成している。リング共振器の共振器長Ｌは反射鏡２ｂ、２ｃを同時に矢印Ａの方向に移動することで調整できる。リング共振器の光路上には、半導体レーザ素子１と、光アイソレータ７ｂと、光学的厚さ（共振器長）がｄ（ｄ＝Ｌ／ｍ、ｍは整数）のエタロン３（副共振器）と、波長選択素子４とが直列に配置されて、時計回りに光パルス列が周回する複合共振器構造のモード同期レーザが構成される。半導体レーザ素子１は、第１実施形態と同様、可飽和吸収領域１ｂと利得領域１ａを有しているモード同期半導体レーザ素子であるが、その両端面はＡＲコートを施して半導体レーザ素子１の両端面でファブリペロー共振器を構成しないように低反射面になっている。反射鏡２ｄは半透明鏡で構成され、この半透明鏡２ｄを介して光パルス発生光源６から光パルス列が注入される。半透明鏡２ｄを介して注入された光パルス列はレンズ５ｂ等の結合光学系を介してモード同期半導体レーザ素子１に注入される。半導体レーザ素子１に光パルス列が注入されたモード同期レーザは第１実施形態と同様に動作し、周波数が安定化された揺らぎの少ない精密に周波数制御された短いパルス幅の光クロックパルス列を生成する。生成された光クロックパルス列はリング共振器を周回中にその一部が半透明鏡２ｄから外部に出射する。
【００２６】
上記実施形態では時計回りに光パルスが周回する構成としたが、光アイソレータ７ｂを設けず、時計回り、反時計回りの両方向に光パルスが周回する構成としてもよい。この場合、半導体レーザ素子１は、過飽和吸収領域１ｂを素子中央に設け、その両側に利得領域１ａを設けた構造とするのが望ましい。また、光パルスの注入と光パルスの取り出しを１つの反射鏡２ｄにおいて行っているが、光パルス注入と光出力取り出しを別々の反射鏡から行う構成としてもよい。
【００２７】
さらに、上記第２実施形態ではエタロンで副共振器を構成したが、図３（ａ）、（ｂ）に示す如く、エタロンに替えてリング共振器で副共振器を構成してもよい。図３（ａ）は、反射鏡２ａ〜２ｄで主共振器を構成し、反射鏡２ｂ、２ｅ〜２ｇで副共振器を構成している。ここで、反射鏡２ａ、２ｂ、２ｅは半透明鏡である。その他の反射鏡は反射率１の全反射鏡である。図３（ｂ）の場合は、反射鏡２ａ〜２ｄで主共振器を構成し、反射鏡２ａ、２ｂ、２ｅ、２ｆで副共振器を構成している。ここで、反射鏡２ａ、２ｂ、２ｅは半透明鏡である。その他の反射鏡は反射率１の全反射鏡である。
【００２８】
（第３の実施の形態）
図４（ａ）、（ｂ）に第３の実施の形態を示す。この実施形態は、光ファイバでリング共振器１０ａ（主共振器）を構成し、上記第１、第２実施形態においてエタロンで構成した副共振器をリング状光ファイバで成るリング共振器１０ｂで構成した光クロックパルス列発生装置の例である。なお、光ファイバは、加熱や電圧印加等により屈折率を変えることでその光路長を変えることが可能である。また、円柱状の圧電素子に光ファイバを巻き付け、圧電素子に電圧印加することでもファイバ長を変えることができるので、主共振器および副共振器の共振器長はこの現象を利用して精密に制御でき、繰り返し周波数も可変出来る。
【００２９】
図４（ａ）において、リング状光ファイバ１０ａの途中に半導体レーザ素子１と、波長選択素子４とが挿入されて閉ループが形成され、時計回り３０ａと反時計回り３０ｂの両方向に光クロックパルス列が伝播する構成にしてある。このため、半導体レーザ素子１は、素子中央に可飽和吸収領域１ｂを備え、その両側に利得領域１ａを設け、一方の利得領域の端面を出射端面、他方の利得領域の端面を入射端面とした構造のモード同期半導体レーザ素子を用いた。両端面は、両端面間でファブリペロ共振器を形成しないように、ＡＲコートを施して無反射面にしてある。波長選択素子４は第１実施形態と同じものである。副共振器のリング光ファイバ１０ｂは第２のファイバカプラ８ｂを介して主共振器の光ファイバ１０ａに結合している。ここで、主共振器１０ａの共振器長はＬ、副共振器１０ｂの共振器長はｄ（ｄ＝Ｌ／ｍ、ｍは整数）である。光パルス発生光源６からの光パルス列は第１の光ファイバカプラ８ａを介して主共振器１０ａに注入される。主共振器１０ａで発生した光クロックパルス列は第３の光ファイバカプラ８ｃを介して出力光ファイバ１０ｃから出力される。光パルス発生光源６と第１の光ファイバカプラ８ａとの間には光アイソレータ７を設けて戻り光の影響を抑制してあるので、光パルス発生光源６は安定に動作する。
【００３０】
この光クロックパルス列発生装置の動作は上記第１、第２実施形態と同様に動作し、主共振器の周回周波数ｆ1（＝ｃ／Ｌ）の整数ｍ倍の繰り返し周波数ｍ・ｆ1の光クロックパルス列が発生する。
【００３１】
図４（ａ）の光クロックパルス列発生装置は、時計回り方向３０ａと反時計回り方向３０ｂの両方向に光クロックパルス列が伝播する構成としたが、リング主共振器中に光アイソレータを挿入して、時計回り或いは反時計回りの何れか一方向のみに伝播する構成としてもよい。また、上記図４（ａ）の実施形態では第１実施形態と同じく誘電体多層膜フィルターから成る波長選択素子４を用いたが、誘電体多層膜フィルタータイプの波長選択素子に替えて、光ファイバに回折格子を形成し、このファイバ回折格子を波長選択素子として用いてもよい。この場合、ファイバ回折格子と半導体レーザ素子との間に光アイソレータを設けて一方向のみに伝播する構成にして、ファイバ回折格子と半導体レーザ素子との間で共振器が構成されるのを防ぐ構成にするのが望ましい。
【００３２】
図４（ｂ）にもう一つの構成例を示す。この構成は、副共振器を構成するリング状光ファイバ１０ｂと、このリング状光ファイバ１０ｂと２点Ａ、Ｂで接する光ファイバ１０とを備え、光ファイバ１０の途中に半導体レーザ素子１、波長選択素子４、光アイソレータ７ｂを配置して、光ファイバ１０、１０ｂのＡ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点を結ぶ閉回路でリング状の主共振器を構成している。接点Ａ、Ｂでは光ファイバカプラが構成されており、光クロックパルス列は図中の矢印で示す方向に進行して第３の光ファイバカプラ８ｃを介して出力光ファイバ１０ｃから出力される。光パルス発生光源６は光アイソレータ７、結合レンズ５ｃを介して、光ファイバ１０の一方の端面Ｅに光学的に結合し、端面Ｅから光ファイバ１０に光パルス列を入力する。半導体レーザ素子１、波長選択素子４、光パルス発生光源６は第１実施形態と同じものを用いている。動作は図４（ａ）と同じである。
【００３３】
尚、副共振器にリング共振器を用いた図３（ａ）、（ｂ）、図４（ａ）、（ｂ）に示す構成のもののうち、安定に高調波モード同期光クロックパルス列を発生させる効果は、図４（ｂ）の構成のものが最も優れていた。
【００３４】
上記光ファイバに替えて半導体光導波路でリング共振器を構成してもよい。この場合、リング状の主共振器は、半導体基板上にクラッド層、光導波路層、クラッド層を順次積層した積層構造をエッチングによりリング状のリッジ光導波路に加工されたリング光導波路で構成される。リング主共振器を構成するリング状光導波路にはＤＢＲ領域、利得領域、可飽和吸収領域、利得領域から成る半導体レーザ素子が光導波路と一体となって配設され、モノリシックに集積化できる。ＤＢＲ領域は発振する光パルスの波長を選択する波長選択素子として機能するもので、回折格子の周期に相当するブラッグ波長のみを選択的に通過する透過型波長フィルタの機能を有する。このＤＢＲ領域は電流注入又は電圧印加により選択波長を調整できる。副共振器は、リング主共振器と同様にリング状半導体光導波路で構成し、Ｙ分岐或いは方向性光結合器によりリング主共振器と光学的に結合される。リング副共振器の共振器長ｄは、ｄ＝Ｌ／ｍ（Ｌはリング主共振器の共振器長、ｍは整数）に設定される。さらに、リング主共振器には、光パルスを注入するための第１Ｙ分岐光導波路と、共振器を周回する光パルスを取り出すための第２Ｙ分岐光導波路を備えている。光パルス発生光源は、第１実施形態と同様、可飽和吸収領域と利得領域を有するモード同期半導体レーザ素子を用い、第１Ｙ分岐光導波路端にモノリシックに集積化・形成できる。リング副共振器に替えてエタロンを副共振器として用いてもよい。この場合、エタロンは、リング状光導波路を横切って形成された溝に挿入・設置される。また、ＤＢＲ領域を設けずに、波長選択素子をエタロンと同様の方法で設けてもよい。
【００３５】
上記、半導体光導波路でリング共振器を構成した光クロックパルス列発生装置は光パルスが時計回りと反時計回りの両方向に周回する構成であるが、リング主共振器（リング状光導波路）内に光アイソレータを設けて時計回り、反時計回りの何れか一方向に光パルスが周回する構成としてもよい。光アイソレータとしては、磁気光学効果を利用したファラデー回転子を用いたものの他に、半導体を用いて構成したものが利用できる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明は、主共振器の実効的共振器長の整数分の１の共振器長を有する副共振器を主共振器内に備えたことで、主共振器の共振モードのうち副共振器の共振条件を満たすモードのみが発振するので、光クロックパルス列の繰り返し周波数は副共振器で規定され、主共振器の周回周波数の整数倍の高い光パルス繰り返し周波数を得ることが出来る。また、モード同期半導体レーザ素子の可飽和吸収領域の光学的応答は電気的な応答に比較して桁違いに大きな周波数帯域成分を有するので、標準信号発生器によって同期安定化された光パルスの注入による光学的な吸収変調を行うことで、被注入高調波動作するモード同期レーザの同期安定化が可能となる。この結果、本発明は、超高速の繰り返し周波数で且つ精密に周波数制御された揺らぎの少ない安定した光クロックパルス列が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施の形態を示す概略図
【図２】 本発明の第２の実施の形態を示す概略図
【図３】 リング共振器で構成した光クロックパルス列発生装置の概略図
【図４】 光ファイバでリング共振器を構成した光クロックパルス列発生装置の概略図
【図５】 ＤＢＲを集積化したモード同期半導体レーザ素子の断面図
【図６】 光多重素子の一構成例を示す概略図
【図７】 光多重素子を用いた光クロックパルス列発生装置の概略図
【符号の説明】
１ 半導体レーザ素子
１ａ 利得領域
１ｂ 可飽和吸収領域
２ 反射鏡
２ａ〜２ｇ 反射鏡
３ エタロン
４ 波長選択素子
５ａ レンズ
５ｂ レンズ
５ｃ レンズ
６ 光パルス発生光源
７ 光アイソレータ
７ｂ 光アイソレータ
８ａ ファイバカプラ
８ｂ ファイバカプラ
８ｃ ファイバカプラ
１０ 光ファイバ
１０ａ 光ファイバ
１０ｂ 光ファイバ
１０ｃ 光ファイバ
１１ａ 端面
１１ｂ 端面
５１ ＤＢＲ領域
５２ 光変調領域
５３ 利得領域
５４ 可飽和吸収領域
６１ 入力光導波路
６２ 入力側スラブ導波路
６３ アレイ導波路
６４ 出力側スラブ導波路
６５ 出力光導波路
７１ 光多重素子
Claims (8)
- 利得領域と可飽和吸収領域とを有するモード同期型の半導体レーザ素子を含み、前記半導体レーザ素子の一端面と反射体とから構成される第１の共振器を備えた外部共振器型のモード同期レーザと、
前記第１の共振器の光路内であって前記半導体レーザ素子と反射体との間に配置された第２の共振器と、
前記第１の共振器の光学的共振器長で規定される繰り返し周波数成分ｆを含む周波数の光パルス列を出力する光パルス発生光源とを有し、
前記光パルス発生光源の出力光パルス列が前記モード同期レーザに入力するように配置され、前記第２の共振器は前記第１の共振器の光学的共振器長の整数ｍ分の１の光学的共振器長を有することを特徴とする光クロックパルス列発生装置。 - 第１の共振器をファブリペロー共振器で構成し、第２の共振器を２つの平行な反射面を有するファブリペローエタロンで構成し、且つ、前記ファブリペローエタロンを構成する２つの反射面と前記ファブリペロー共振器を構成する反射面とで共振器を構成しないように前記ファブリペローエタロンを配置したことを特徴とする請求項１記載の光クロックパルス列発生装置。
- 第１の共振器をファブリペロー共振器で構成し、第２の共振器は閉光路を構成したリング共振器としたことを特徴とする請求項１記載の光クロックパルス列発生装置。
- 前記反射体は、前記半導体レーザ素子の利得領域側端面に対向して反射面が配置され、前記反射体と前記半導体レーザ素子の可飽和吸収領域側端面とからファブリペロー共振器が構成されていることを特徴とする請求項２または３記載の光クロックパルス列発生装置。
- 第１の共振器を、閉光路を構成したリング共振器で構成し、第２の共振器をファブリペローエタロンで構成したことを特徴とする請求項１記載の光クロックパルス列発生装置。
- 第１の共振器と第２の共振器を閉光路で成るリング共振器で構成したことを特徴とする請求項１記載の光クロックパルス列発生装置。
- リング共振器を構成する閉光路を光ファイバで構成したことを特徴とする請求項５または６記載の光クロックパルス列発生装置。
- 第１の共振器、第２の共振器の何れか一方または双方の光学的共振器長を可変としたことを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の光クロックパルス列発生装置。
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