JP4463707B2

JP4463707B2 - 光パルス発生装置

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Publication number: JP4463707B2
Application number: JP2005056544A
Authority: JP
Inventors: 貴司山本; 哲郎小向; 悟基川西
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-03-01
Filing date: 2005-03-01
Publication date: 2010-05-19
Anticipated expiration: 2025-03-01
Also published as: JP2006243191A

Description

本発明は、光通信分野、計測技術の分野などにおいて用いられる光パルス発生装置に関する。

光パルス列を発生する装置は、光通信分野、計測技術の分野において重要な役割を果たしている。光パルス発生装置として、レーザの共振器内に変調器を挿入し、レーザから直接光パルス列を発生させるモード同期レーザと、連続光を発生する光源に外部変調器を接続して光パルス列を発生させる装置とが知られている。外部変調器を用いる光パルス発生装置は、モード同期レーザと比較して、波長や繰り返し周波数を任意に設定しやすいという利点がある。

外部変調器としては、電界吸収型（Electro-absorption；ＥＡ）変調器が一般的に使われている。図１に、従来のＥＡ変調器を用いた光パルス発生装置の構成を示す（例えば、非特許文献１を参照）。光パルス発生装置は、ＥＡ変調器１に接続された、連続光を発生するＣＷ光源２と正弦波電気信号を発生する信号発生装置３とから構成されている。

ＣＷ光源２からの連続光をＥＡ変調器１に入射し、信号発生装置３からの正弦波電気信号をＥＡ変調器１に入力する。印加電圧を変えることにより、ＥＡ変調器１の吸収特性が変わるので、連続光に対する損失が時間的に変化して、ＥＡ変調器１から光パルス列が出力される。

また、外部変調器として、連続光に対し位相変調を行い、群速度分散を与えることにより光パルス列を発生させる装置が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。図２に、従来の位相変調器と群速度分散媒体を用いた光パルス発生装置の構成を示す。光パルス発生装置は、ＣＷ光源２と位相変調器４と群速度分散媒体５とが順に接続されている。

連続光に正弦波の位相変調を施すことにより、光周波数が正弦波的に変化するチャープ光となる。チャープした連続光に対して群速度分散を与えると、光周波数毎に異なる遅延が生じ、その結果、光の強度が時間的に変動する。与える群速度分散を適当に設定すると、変調周波数に等しい繰り返し周期の光パルス列が発生する。

T.Kobayashi, H.Yao, K.Amano, Y.Fukushima, A.Morimoto, and T.Sueta, "Optical pulse compression using high-frequency electrooptic phase modulation", IEEE J.Quantum Electornics,vol.24,no.2,pp.382-387,1988. Y.Miyazaki, H,Tada, S.Tokizaki, K,Takagi, K.Hanamaki, T.Aoyagi, and Y,Mitsui,"+1dBm average optical output power operation of small-chip 40-Gbps electroabsorption modulator with tensile-strained asymmetric quantum-well absorption layer",IEEE J.Quantum Electornics, vol.39, no.8, pp.1009-1017, 2003.

光パルス列における消光比とは、光パルスのピークパワーと、光パルスと光パルスの間のパワーの比をいう。消光比は、光通信、計測技術等への応用を考えた場合、できるだけ大きいことが望ましい。しかしながら、ＥＡ変調器を用いた光パルス発生装置においては、２０ｄＢ以上の動的消光比は実現されていない（例えば、非特許文献２を参照）。

また、位相変調器と群速度分散媒体を用いた光パルス発生装置においては、個々の光パルスが裾を引いた形状となってしまう（例えば、非特許文献１参照）。裾を引いた形状では、光パルスと光パルスの間にパワーが残留し、大きな消光比が得られないという問題があった。

しかしながら、位相変調器と群速度分散媒体を用いた光パルス発生装置において、位相変調の変調指数および群速度分散量と光パルス波形との相関について、十分に研究がなされていなかった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、連続光に位相変調と群速度分散を付与して光パルス列を発生させ、２０ｄＢ以上の消光比を得ることができる光パルス発生装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、光パルス発生装置であって、単一または複数の波長の連続光を発生する光源と、該光源から発生する連続光に変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調手段と、該位相変調手段により得られたチャープ光に対して群速度分散Ｂを与える群速度分散付与手段と、該群速度分散付与手段からの出力光のうち、前記連続光の波長の線スペクトルとその両隣の線スペクトルとを合わせた３本の線スペクトルのみを選択する波長選択手段とを備え、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）ことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、単一または複数の波長の連続光を発生する光源と、該光源から発生する連続光に変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調手段と、該位相変調手段により得られたチャープ光に対して群速度分散Ｂを与える群速度分散付与手段と、該群速度分散付与手段からの出力光のうち、前記連続光の波長の線スペクトルとその両隣の２本の線スペクトルとを合わせた５本の線スペクトルのみを選択する波長選択手段とを備え、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）ことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、光パルス発生装置であって、単一または複数の波長の連続光を発生する光源と、該光源から発生する連続光に変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調手段と、該位相変調手段により得られたチャープ光に対して群速度分散Ｂを与える群速度分散付与手段とを備え、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）ことを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記群速度分散付与手段は、零でない分散を有する光ファイバからなることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記群速度分散付与手段は、光サーキュレータと光ファイバブラッググレーティングとからなることを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１、２または３に記載の前記群速度分散付与手段は、光サーキュレータと導波路グレーティングとからなることを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、変調指数ｍと、変調周波数ｆ_ｍの２乗と群速度分散Ｂの積ｆ_ｍ ^２Ｂが、所定の不等式を満たすように設定することで、２０ｄＢ以上の消光比を有する光パルス列を発生させることが可能となる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。
図３に、本発明の第１の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す。光パルス発生装置は、連続光を発生するＣＷ光源１２と、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍＨｚの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調器１４と、チャープ光に対して群速度分散Ｂ［ｓｅｃ^２］を与える群速度分散媒体１５と、特定の線スペクトルのみを選択する波長選択器１６とが順に接続されている。

ここで、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）。波長選択器１６は、位相変調された光のうち、連続光の波長の線スペクトルとその両隣の線スペクトルとを合わせた３本の線スペクトルのみを選択する。群速度分散媒体１５は、零でない分散を有する光ファイバ、光サーキュレータと光ファイバブラッググレーティングとの組み合せ、または光サーキュレータと導波路グレーティングとの組み合せを用いることができる。

次に、本発明の第１の実施形態にかかる光パルス発生装置の動作原理について説明する。ＣＷ光源１２から電界振幅Ｅ_ｏ、角周波数ω_ｏの連続光を出力し、位相変調器１４で変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍで正弦波位相変調を行った後、群速度分散Ｂの群速度分散媒体１５を通過させたとき、時間の関数としての光電界Ｅ(t)は、以下のように表される。

ここで、Ｊ_ｏは第一種ベッセル関数であり、ｎは整数で各々の線スペクトルに対応し、ｎ＝０のとき、元の連続光の線スペクトルを示す。

群速度分散媒体１５を通過した後に、複数の光の線スペクトルのうち、連続光の波長の線スペクトルとその両隣の線スペクトルとを合わせた３本の線スペクトルのみを選択した場合を考える。このとき、両隣の２本の線スペクトルの電界振幅の大きさが、どちらも連続光の波長の線スペクトルの電界振幅の２分の１であり、かつ、両隣の２本の線スペクトルの電界の位相が、どちらも連続光の波長の線スペクトルの位相とπの奇数倍だけ異なる場合に、出力される光の光強度は０となる。

前者の条件は、以下の式で表現される。

これを実現する最も小さい変調指数の値は、ｍ＝π／３．５０６．．．である。後者の条件は、式（２）より、

が成り立つ場合に、

で示される時刻ｔにおいて実現されることが分かる。但し、Ｎ、Ｎ’は整数である。

図４に、本発明の第１の実施形態において得られる光パルスの時間波形の計算結果を示す。式（３）と式（４）とが同時に満たされる場合に得られるパルス波形の計算例であり、図４（Ａ）は、縦軸を線形スケールで表し、図４（Ｂ）は、縦軸を対数スケールで表した図である。ここでは、変調指数ｍ＝π／３．５０６、変調周波数ｆ_ｍ＝４０ＧＨｚ、群速度分散Ｂ＝４９．７３６ｐｓ^２と設定した。繰り返し周波数が変調周波数に等しく、消光比が８０ｄＢ以上の光パルス列が得られていることが分かる。

変調指数ｍと、変調周波数ｆ_ｍの２乗と群速度分散Ｂの積ｆ_ｍ ^２Ｂが、式（１）の不等式を満たす場合に、光パルス発生装置から発生する光パルス列の消光比は、２０ｄＢ以上になる。

図５に、本発明の第２の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す。光パルス発生装置は、連続光を発生するＣＷ光源３２と、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍＨｚの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調器３４と、チャープ光に対して群速度分散Ｂ［ｓｅｃ^２］を与える群速度分散媒体３５と、特定の線スペクトルのみを選択する波長選択器３６とが順に接続されている。

ここで、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）。波長選択器３６は、位相変調された光のうち、連続光の波長の線スペクトルとその両隣の２本の線スペクトルとを合わせた５本の線スペクトルのみを選択する。群速度分散媒体３５は、光ファイバ、光サーキュレータと光ファイバブラッググレーティングとの組み合せ、または光サーキュレータと導波路グレーティングとの組み合せを用いることができる。

図６に、本発明の第２の実施形態において得られる光パルスの時間波形の計算結果を示す。図６（Ａ）は、縦軸を線形スケールで表し、図６（Ｂ）は、縦軸を対数スケールで表した図である。ここでは、変調指数ｍ＝π／４．０７４、変調周波数ｆ_ｍ＝４０ＧＨｚ、群速度分散Ｂ＝４９．７３６ｐｓ^２と設定した。繰り返し周波数が変調周波数に等しく、消光比が８０ｄＢ以上の光パルス列が得られていることが分かる。

変調指数ｍと、変調周波数ｆ_ｍの２乗と群速度分散Ｂの積ｆ_ｍ ^２Ｂが、式（６）の不等式を満たす場合に、光パルス発生装置から発生する光パルス列の消光比は、２０ｄＢ以上になる。

図７に、本発明の第３の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す。光パルス発生装置は、連続光を発生するＣＷ光源２２と、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍＨｚの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調器２４と、チャープ光に対して群速度分散Ｂ［ｓｅｃ^２］を与える群速度分散媒体２５とが順に接続されている。

ここで、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）。群速度分散媒体２５は、光ファイバ、光サーキュレータと光ファイバブラッググレーティングとの組み合せ、または光サーキュレータと導波路グレーティングとの組み合せを用いることができる。

図８に、本発明の第３の実施形態において得られる光パルスの時間波形の計算結果を示す。図８（Ａ）は、縦軸を線形スケールで表し、図８（Ｂ）は、縦軸を対数スケールで表した図である。ここでは、変調指数ｍ＝π／４、変調周波数ｆ_ｍ＝４０ＧＨｚ、群速度分散Ｂ＝４９．７３６ｐｓ^２と設定した。繰り返し周波数が変調周波数に等しく、消光比が９０ｄＢ以上の光パルス列が得られていることが分かる。さらに、第３の実施形態においては、フラットトップな形状と５０％のデューティー比を有する光パルス列が得られる。

図９に、本発明の第３の実施形態において実験的に得られた光パルスの時間波形を示す。図９（Ａ）は、縦軸を線形スケールで表した光パルスの時間波形を示し、図９（Ｂ）は、縦軸を対数スケールで表した光パルスの波長成分を示した図である。この実験においては、ＣＷ光源２２として波長１５５２ｎｍの半導体レーザを使用し、群速度分散媒体２５としてチャープファイバグレーティングを使用した。また、変調指数ｍ＝π／４、変調周波数ｆ_ｍ＝４０ＧＨｚ、群速度分散Ｂ＝５０ｐｓ^２に設定した。図８の計算結果と同様の光パルスの時間波形が得られていることが分かる。

変調指数ｍと、変調周波数ｆ_ｍの２乗と群速度分散Ｂの積ｆ_ｍ ^２Ｂが、式（７）の不等式を満たす場合に、光パルス発生装置から発生する光パルス列の消光比は、２０ｄＢ以上になる。

図１０に、本発明の第４の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示す。光パルス発生装置は、ｎ個の異なる波長の連続光を発生する多波長ＣＷ光源４２と、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍＨｚの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調器４４と、チャープ光に対して群速度分散Ｂ［ｓｅｃ^２］を与える群速度分散媒体４５とが順に接続されている。

ここで、変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）。群速度分散媒体４５は、光ファイバ、光サーキュレータと光ファイバブラッググレーティングとの組み合せ、または光サーキュレータと導波路グレーティングとの組み合せを用いることができる。

第４の実施形態においては、フラットトップな形状と５０％のデューティー比を有するｎ個の波長の光パルス列が一括して得られる。変調指数ｍと、変調周波数ｆ_ｍの２乗と群速度分散Ｂの積ｆ_ｍ ^２Ｂが、式（８）の不等式を満たす場合に、光パルス発生装置から発生する光パルス列の消光比は、２０ｄＢ以上になる。

上記では、本発明の好適な実施形態を例示して説明したが、本発明の実施形態は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更等の各種変形は、全て本発明の実施形態に含まれる。

従来のＥＡ変調器を用いた光パルス発生装置の構成を示すブロック図である。従来の位相変調器と群速度分散媒体を用いた光パルス発生装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態において得られる光パルスの時間波形の計算結果を示す図である。本発明の第２の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示すブロック図である。本発明の第２の実施形態において得られる光パルスの時間波形の計算結果を示す図である。本発明の第３の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示すブロック図である。本発明の第３の実施形態において得られる光パルスの時間波形の計算結果を示す図である。本発明の第３の実施形態において実験的に得られた光パルスの波形を示す図である。本発明の第４の実施形態にかかる光パルス発生装置の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ＥＡ変調器
２，１２，２２，３２ＣＷ光源
３信号発生装置
４，１４，２４，３４，４４位相変調器
５，１５，２５，３５，４５群速度分散媒体
１６，３６波長選択器
４２多波長ＣＷ光源

Claims

単一または複数の波長の連続光を発生する光源と、
該光源から発生する連続光に変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調手段と、
該位相変調手段により得られたチャープ光に対して群速度分散Ｂを与える群速度分散付与手段と、
該群速度分散付与手段からの出力光のうち、前記連続光の波長の線スペクトルとその両隣の線スペクトルとを合わせた３本の線スペクトルのみを選択する波長選択手段とを備え、
変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）ことを特徴とする光パルス発生装置。
単一または複数の波長の連続光を発生する光源と、
該光源から発生する連続光に変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調手段と、
該位相変調手段により得られたチャープ光に対して群速度分散Ｂを与える群速度分散付与手段と、
該群速度分散付与手段からの出力光のうち、前記連続光の波長の線スペクトルとその両隣の２本の線スペクトルとを合わせた５本の線スペクトルのみを選択する波長選択手段とを備え、
変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）ことを特徴とする光パルス発生装置。
単一または複数の波長の連続光を発生する光源と、
該光源から発生する連続光に変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍの正弦波位相変調を行い、チャープを付与する位相変調手段と、
該位相変調手段により得られたチャープ光に対して群速度分散Ｂを与える群速度分散付与手段とを備え、
変調指数ｍ、変調周波数ｆ_ｍ、群速度分散Ｂは、

を満たす（但しＮは整数）ことを特徴とする光パルス発生装置。
前記群速度分散付与手段は、零でない分散を有する光ファイバからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光パルス発生装置。
前記群速度分散付与手段は、光サーキュレータと光ファイバブラッググレーティングとからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光パルス発生装置。
前記群速度分散付与手段は、光サーキュレータと導波路グレーティングとからなることを特徴とする請求項１、２または３に記載の光パルス発生装置。