JP4471619B2 - 光パルス発生装置 - Google Patents

Description

本発明は、繰り返し周波数を変化させることが可能な光パルス発生装置に関する。

光パルスの発生装置の構成は、主に以下の２つに分類される。その第１の構成はモード同期レーザにより直接レーザから光パルスを出力させるものであり、その第２の構成は、レーザから出力されたＣＷ（continuous wave; 持続波）光を外部変調器によってパルス化するものである。

レーザからのＣＷ光（連続発振レーザ光）を外部変調器によりパルス化する上記第２の構成においては、従来、電界吸収型（Electro−absorption；ＥＡ）変調器が一般に使われてきた。図１は、その従来技術の光パルス発生装置の第２の構成のうち、ＥＡ変調器を使用する場合における構成を示す（例えば、非特許文献１を参照）。同図において、ＣＷレーザ光源１１からのＣＷ光をＥＡ変調器１２に入射する。ＥＡ変調器１２へは正弦波信号発生器１３からの正弦波電気信号が印加される。ＥＡ変調器１２の吸収特性は印加電圧により変化するため、これを利用して、正弦波信号発生器１３からの正弦波電気信号によりＣＷ光に対する損失を時間的に変化させて、光パルスを発生させる。

T.Yamamoto, H.Takara, and S.Kawanishi, "270-360 GHz tunable beat signal light generator for photonic local oscillator", Electronics Letters, vol.38, no.15, pp.795-797,2002.

上記の第１の構成におけるモード同期レーザによる光パルス発生においては、発生する光パルスの繰り返し周波数は、レーザの共振器長で制限されるので、共振器長を変えることで任意に設計可能であるが、光パルスの繰り返し周波数を自在に変化させることは困難である。

他方、上記の第２の構成におけるＥＡ変調器を用いる光パルス発生においては、正弦波信号発生器１３からの変調周波数を変化させることで、光パルスの繰り返し周波数を変化させることが可能である。

しかしながら、ＥＡ変調器においては、その変調器の損失を時間的に変化させて、ＣＷ光のパワーを削ってパルス化するため、ＥＡ変調器後の光のパワーは入射前と比較して大きく低下してしまう。

本発明は、上述のような事情に鑑みてなされたもので、繰り返し周波数を任意に設定することが可能で、かつ、変調器の損失を時間的に変動させることなく、光パルスを発生させることの可能な光パルス発生装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の光パルス発生装置は、連続発振レーザ光（ＣＷ光）を発生させるＣＷレーザ光源と、前記ＣＷレーザ光源により発生したＣＷ光を入力し、該ＣＷ光に位相変調を施してチャープを付与する位相変調器と、前記位相変調器に印加する電気信号を発生する信号発生器と、前記位相変調器により得られたチャープ光に対して周波数ごとに異なる群遅延時間差を与えてパルスを発生させる分散付与手段とを備え、前記分散付与手段が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からなることを特徴とする。

上記目的を達成するために、本発明の光パルス発生装置の他の態様は、連続発振レーザ光（ＣＷ光）を発生させるＣＷレーザ光源と、前記ＣＷレーザ光源により発生したＣＷ光を入力し、該ＣＷ光に位相変調を施してチャープを付与する位相変調器と、前記位相変調器に印加する電気信号を発生する信号発生器と、前記位相変調器により得られたチャープ光に対して周波数ごとに異なる群遅延時間差を与えてパルスを発生させる分散付与手段とを備え、前記分散付与手段が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からなり、かつ前記分散付与手段が与える前記群遅延時間差は、光周波数の中心からのずれに対応してリニアー（直線的）に変化することを特徴とする。
ここで、前記位相変調器がＬｉＮｂＯ_３位相変調器であることを特徴とすることができる。

上記構成により、本発明では、ＣＷ光に対し位相変調を施すことでチャープを与え、続いて分散付与手段によって周波数ごとに異なる適当な群遅延時間差を与えることによってＣＷ光をパルス化する。ここで、光パルスの繰り返し周波数は位相変調の周波数で決定されるため、任意に設定することが可能である。また、本発明装置においてはＥＡ変調器を用いる場合のようにＣＷ光のパワーを削るのではなく、ＣＷ光のパワーを時間軸上の一部に集中させることでパルス化する。

上記のように、本発明の光パルス発生装置は、ＣＷ光に対し位相変調を施すことでチャープを与え、続いて分散付与手段によって周波数ごとに異なる適当な群遅延時間差を与えることによってＣＷ光をパルス化するので、光パルスの繰り返し周波数は位相変調の周波数で決定されるため、任意に設定することが可能である。

また、本発明の光パルス発生装置においては、ＥＡ変調器を用いる場合のようにＣＷ光のパワーを削るのではなく、ＣＷ光のパワーを時間軸上の一部に集中させることでパルス化するので、ＥＡ変調器を用いる場合と比較して、損失を非常に小さくすることが可能である。

以下、図面を用いて、本発明の実施を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図２は、本発明の第１の実施形態の光パルス発生装置の構成を示すブロック図と、本構成において位相変調周波数を４０ＧＨｚに設定した場合の数値計算シミュレーションの結果を示す複数のグラフとを一緒に示す説明図である。図２において、ＣＷレーザ光源１１からのＣＷ出力光をＬｉＮｂＯ_３（lithium niobate 、ニオブ酸リチューム；以下ＬＮと称する）位相変調器１４に入射する。ＬＮ位相変調器１４には、正弦波信号発生器１３からの周波数ｆｖの正弦波電気信号を印加する。この結果、ＬＮ位相変調器１４において、ＣＷ光には周波数ｆｖで変動するチャープが付与され、ＬＮ位相変調器１４から出射するＣＷ光の周波数が時間の関数として連続的に変化する（後述の図２の（ｂ）のグラフを拡大した図４参照）。

このＬＮ位相変調器１４の出力光を、１．３μｍ零分散単一モードファイバ（Single Mode Fiber；以下ＳＭＦと称する）１５に入射する。ＳＭＦ１５の分散によって、チャープを与えられていたＣＷ光のパワー成分の一部が時間的に集中してパルス化する（後述の図２の（ｄ）のグラフを拡大した図６参照）。

本発明の第１の実施形態における光パルス発生を数値計算シミュレーションで検討した。ここで、ＣＷレーザ光源１１の出力パワーは１ｍＷとし、ＬＮ位相変調器１４、ＳＭＦ１５の挿入損失ならびにＣＷレーザ光源１１、ＬＮ位相変調器１４、ＳＭＦ１５の間の結合損失は０ｄＢとした。また、ＳＭＦ１５のＣＷレーザ光波長における分散量は９．６ｐｓ／ｎｍとした。

図２中および図３〜図６の拡大図に、これらの条件での数値計算シミュレーションにより得られた結果を示す。位相変調の周波数ｆｖは４０ＧＨｚとした。

図２中の（ａ）およびこのグラフを拡大した図３は、位相変調器１４の出力での光強度の時間依存を示す。この時点ではその出力光のパワー（光強度）はＣＷ光のままである。

図２中の（ｂ）およびこのグラフを拡大した図４は、位相変調器１４の出力での光周波数の時間依存を示す。位相変調器１４での位相変調の結果、光周波数が正弦波的に変化している。

図２中の（ｃ）およびこのグラフを拡大した図５は、ＳＭＦ１５の分散によって、光が受ける群遅延時間の光周波数依存性を示す。ここでは、光周波数の中心からのずれに対応して群遅延時間がリニアー（直線的）に変化することが示されている。

図２中の（ｄ）およびこのグラフを拡大した図６は、ＳＭＦ１５の出力における光強度の時間依存性を示す。ＣＷ光のパワーが時間軸上の１点に周期的に集中することにより、パルス化している。つまり、ここでは、光周波数が正弦波的に変化する光が、ＳＭＦ１５の分散によって周波数毎に異なる群遅延差を与えられ、その結果その光のパワーが時間軸上の１点に周期的に集中して、パルス化することを示している。

図７は図２の構成において位相変調周波数ｆｖが３０ＧＨｚの場合のＳＭＦ１５の出力における光強度の時間依存性の数値計算シミュレーションの結果を示す。なお、位相変調周波数ｆｖが３０ＧＨｚの場合の位相変調の振幅は４０ＧＨｚの場合よりも２ｄＢ大きくした。図６、図７により、変調周波数ｆｖを変化させても光パルスが発生できることが示されている。従って、正弦波信号発生器１３の変調周波数ｆｖを任意に設定可能に構成することができる。

ここで、本第１の実施形態の構成で実際に実験系を組み、測定を行った結果について述べる。ＣＷレーザ光源１１としては、波長１５５２ｎｍの固体レーザを使用し、この固体レーザから出力されるＣＷ光をＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）位相変調器１４に入射した。ＬＮ位相変調器１４は信号発生器１３からの４０ＧＨｚ正弦波電気信号で駆動した。ＬＮ位相変調器１４から出力される光をＳＭＦ１５に入射した。このＳＭＦ１５の波長１５５２ｎｍにおける分散値は１６．５ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ、長さは５８０ｍであった。図８はこの実験系でのＳＭＦ１５の出力での光パルスの自己相関波形を測定した結果を示している。

なお、本実施形態の説明の中で具体的に挙げてある数値は一例であり、本発明はこれに限定されない。

（第２の実施形態）
図９は、本発明の光パルス発生装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。本第２の実施形態においては、分散付与手段は光サーキュレータ１６と光ファイバブラッググレーティング１７とから構成されている。ＬＮ位相変調器１４から出力された光は光サーキュレータ１６を介して光ファイバブラッググレーティング１７へ入射される。この光ファイバブラッググレーティング１７の分散によって、チャープを与えられていたＣＷ光のパワー成分の一部が時間的に集中してパルス化する。光ファイバブラッググレーティング１７で反射された光（光パルス）は再度光サーキュレータ１６を通り、入力側とは逆側のポートから出力される。

本第２の実施形態の特性は図３から図８に示した第１の実施形態とほぼ同様であるのでその詳細説明は省略する。

（その他の実施形態）
以上述べた本発明の実施形態は、具体例を例示しただけのものであり、本発明はこれに限定されず、特許請求の範囲内であれば、その変形、置き換え等の全ての事例は本発明の実施形態に含まれる。例えば、本発明を構成する位相変調器としては、半絶縁性のＧａＡｓにショートキー電極を配置し、それを光電子導波路としたＧａＡｓ光変調器や、ヘテロｐｎ接合を用いて光の閉じ込めと共に導波路のコア部分に効果的に電圧が印加される様にしたＩｎＰ／ＩｎＧａＡｓＰ光変調器など、ＣＷ光に位相変調を施してチャープを付与することのできるものであれば、ＬＮ位相変調器以外の半導体光変調器（ただしＥＡ変調器を除く）も適用できる。また、位相変調器としては、このような電気光学効果を利用したものばかりでなく、ＣＷ光に位相変調を施してチャープを付与する特性を有するものであれば、音響光学効果、応力光学効果、あるいは熱光学効果を利用した半導体光変調器も、利用可能であり、本発明の実施形態に含まれる。

本発明は、従来技術では実現できなかった、繰り返し周波数を任意に設定することが可能であると共に、変調器の損失を時間的に変動させることなく、光パルスを発生させることの可能な光パルス発生装置を提供することができるので、極めて実用性が高く、例えば高速光ファイバネットワーク通信などに、広範囲に渡り応用範囲が広がると期待できる。

従来の光パルス発生装置の具体例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態の光パルス発生装置の構成を示すブロック図と、本構成において位相変調周波数を４０ＧＨｚに設定した場合の数値計算シミュレーションの結果を示す複数のグラフとを一緒に示す説明図である。 図２中の（ａ）で示すグラフの拡大図である。 図２中の（ｂ）で示すグラフの拡大図である。 図２中の（ｃ）で示すグラフの拡大図である。 図２中の（ｄ）で示すグラフの拡大図である。 本発明の第１実施形態の構成において、位相変調周波数を３０ＧＨｚに設定した場合のＳＭＦ出力における光強度の時間依存性を数値計算シミュレーションで求めた結果を示すグラフである。 本発明の第１実施形態の構成で実際に実験系を組み、測定を行った結果得られたＳＭＦ後の光パルスの自己相関波形を示すグラフである。 本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。

符号の説明

１１ ＣＷ（持続波）レーザ光源
１２ ＥＡ（電界吸収型）変調器
１３ 正弦波信号発生器
１４ ＬｉＮｂＯ_３（ＬＮ）位相変調器
１５ １．３μｍ零分散単一モードファイバ（ＳＭＦ）
１６ 光サーキュレータ
１７ 光ファイバブラッググレーティング

Claims (3)

1. 連続発振レーザ光（ＣＷ光）を発生させるＣＷレーザ光源と、
   前記ＣＷレーザ光源により発生したＣＷ光を入力し、該ＣＷ光に位相変調を施してチャープを付与する位相変調器と、
   前記位相変調器に印加する電気信号を発生する信号発生器と、
   前記位相変調器により得られたチャープ光に対して周波数ごとに異なる群遅延時間差を与えてパルスを発生させる分散付与手段と
   を備え、前記分散付与手段が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からなることを特徴とする光パルス発生装置。
2. 連続発振レーザ光（ＣＷ光）を発生させるＣＷレーザ光源と、
   前記ＣＷレーザ光源により発生したＣＷ光を入力し、該ＣＷ光に位相変調を施してチャープを付与する位相変調器と、
   前記位相変調器に印加する電気信号を発生する信号発生器と、
   前記位相変調器により得られたチャープ光に対して周波数ごとに異なる群遅延時間差を与えてパルスを発生させる分散付与手段と
   を備え、
   前記分散付与手段が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からなり、かつ前記分散付与手段が与える前記群遅延時間差は、光周波数の中心からのずれに対応してリニアー（直線的）に変化することを特徴とする光パルス発生装置。
3. 前記位相変調器がＬｉＮｂＯ_３位相変調器であることを特徴とする請求項１または２に記載の光パルス発生装置。

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