JP6278397B2 - ナイキストレーザ - Google Patents
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Description
本発明は、光パルスを光領域で時間多重し高速伝送を行なう超高速光時分割多重（OTDM: Optical Time Division Multiplexing）伝送において、光パルス信号の帯域を狭窄化し周波数利用効率を向上させるために有効な光ナイキストパルスを出力するレーザ光源であるナイキストレーザに関するものである。
基幹光伝送網の大容量化に向けた取り組みとして、波長多重（WDM: Wavelength Division Multiplexing）伝送システムの高密度化が、近年著しく進展している。その一方で、波長制御の容易さならびに低消費電力化の点からは、１波長あたりの伝送速度を高速化することにより波長多重数をできるだけ小さくすることが重要である。特に、超短光パルスを光領域で時間多重する光時分割多重（OTDM）は、光の高速性を活かして、電子回路の動作速度を上回る超高速伝送を実現可能な方式として、精力的に研究されている（例えば、非特許文献１または２参照）。
最近では、超高速光伝送において周波数利用効率を高める手法として、光ナイキストパルスを送信用光パルス信号として用い、これをOTDMで時間多重する伝送技術が提案されている（例えば、非特許文献３または４参照）。このパルスは、通常のGauss型やSech型の光パルスとは異なり、パルスの裾野が振動しながら緩やかに減衰し、その強度が周期的に零を横切ることが特徴である。具体的には、パルスの中心から時間軸上の正負の方向に1/NR（R:出力パルスの繰り返し周波数、N：整数）の時間間隔で強度が零となる。Gauss型パルスとナイキストパルスの違いを、図１５に示す。図１５から判るように、図１５（ａ）に示すGauss型光パルスは裾野の振動がないが、図１５（ｂ）に示すナイキストパルスの裾野にはシンボル点毎の周期性がある。図１６に、この周期性を利用したナイキストパルスの新たなOTDM多重の様子を示す。パルスどうしが重なり合っても図中の黒丸で示す各シンボル点では符号間干渉が生じない（０と１が明瞭に識別できる）ことから、幅の広いパルスでも高速伝送が可能である。このため、周波数帯域が狭くなり周波数利用効率を大幅に向上できる。
M. Nakazawa, T. Yamamoto, K. R. Tamura, "1.28 Tbit/s-70 km OTDM transmission using third- and fourth-order simultaneous dispersion compensation with a phase modulator", Electron., Lett., 2000, 36, p.2027-2029
T. Richter, E. Palushani, C. Schmidt-Langhorst, M. Nolle, R. Ludwig, and C. Schubert, "Single wavelength channel 10.2 Tb/s TDM-data capacity using 16-QAM and coherent detection", in proceeding of Optcical Fiber Communication Conference 2011, PDPA9
M. Nakazawa, T. Hirooka, P. Ruan, and P. Guan, "Ultrahigh-speed "orthogonal" TDM transmission with an optical Nyquist pulse train", Opt. Express, 2012, 20, p.1129-1140
T. Hirooka, P. Ruan, P. Guan, and M. Nakazawa, "Highly dispersion-tolerant 160 Gbaud optical Nyquist pulse TDM transmission over 525 km", Opt. Express, 2012, 20, p.15001-15008
しかしながら、従来のＡＭもしくはＦＭモード同期レーザより出力される光パルスの波形はGaussあるいはSech関数で与えられ、その裾野は指数関数的に減衰してしまう。そのため、裾野が振動しながら減衰する光ナイキストパルスを出力することが可能なモード同期レーザは今までに実現されていない。
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、光ナイキストパルスを出力することが可能な新たなナイキストモード同期レーザ（ナイキストレーザ）を提供することを目的とする。
かかる目的を達成するために、本発明に係るナイキストレーザは、光強度変調器もしくは光位相変調器をレーザ共振器内に挿入したＡＭもしくはＦＭモード同期レーザから成り、該レーザ共振器内にスペクトル可変光フィルタを有し、該光フィルタのスペクトル形状を制御することにより光ナイキストパルスを出力することを特徴とする。なお、従来のＡＭもしくはＦＭモード同期レーザでは、共振器内の光フィルタとしては固定スペクトルのローレンツフィルタが用いられている。
本発明に係るナイキストレーザで、前記光ナイキストパルスは、ナイキストフィルタのインパルス応答で与えられ、パルスの中心から時間軸上の正負の方向に１／ＮＲ（Ｒ：出力パルスの繰り返し周波数、Ｎ：整数）の時間間隔で強度が零となることが好ましい。
本発明に係るナイキストレーザは、空間結合型および光ファイバ型を問わず、ファブリー・ペロー共振器もしくはリング共振器から構成されることが好ましい。
また、前記レーザ共振器内のレーザ出力光の一部より共振器長に対応した基本周波数の整数倍の周波数のクロック信号を抽出し、該クロック信号でモードロッカーとして使用する光変調器を駆動する再生モード同期ループを有することが好ましい。
さらに、前記レーザ共振器内のレーザ出力光パルスの繰り返し周波数と光周波数、あるいはいずれか一方の周波数を安定化する負帰還制御機構を有することが好ましい。
本発明によれば、光ナイキストパルスを出力することが可能な新たなナイキストモード同期レーザ（ナイキストレーザ）を提供することができる。光ナイキストパルスを出力するモード同期レーザを実現することにより、高速かつ高い周波数利用効率を有するコヒーレント光ナイキストOTDM伝送が可能となる。
本発明の第１の実施形態のナイキストレーザを、図１に示す。図１に示すように、本発明の第１の実施形態のナイキストレーザは、光増幅器１、レーザ共振器内を周回する光パルスのパワーの一部を出力光として取り出す光分岐器２、光アイソレータ３、モードロッカーとして用いる光変調器４、スペクトル可変光フィルタ５をリング状に結合して構成されたモード同期レーザから成っている。光増幅器１としては、例えば波長１．５５μｍ帯ではエルビウム添加光ファイバやエルビウム添加ガラス、あるいは半導体を利用した光増幅器を用いることができる。光変調器４は、LiNbO3や半導体中のポッケルス効果を利用した進行波型強度ならびに位相変調器や半導体中の光電界吸収（EA: Electron Absorption）効果を利用したＥＡ変調器を用いることができる。スペクトル可変光フィルタ５としては、LCoS（Liquid Crystal on Silicon）と呼ばれる液晶を利用した空間フィルタとグレーティングを組み合わせた光フィルタが有効である。
以上のモード同期レーザにおいて、出力パルスのスペクトル形状がナイキストパルスのスペクトルとなるよう、スペクトル可変光フィルタ４の伝達関数を適切に設定することで、レーザより光ナイキストパルスを直接出力できる。
また、図２に示すように、本発明の第１の実施形態のナイキストレーザは、レーザ外部に配置した光分岐器６およびクロック抽出器７を用いて、レーザ出力光の一部より共振器長に対応した基本周波数の整数倍の周波数のクロック信号を抽出し、移相器８および電気アンプ９を用いてその位相と振幅とを調整した後に、抽出したクロック信号で光変調器４を駆動する再生モード同期ループを構成してもよい。
さらに、図３に示すように、本発明の第１の実施形態のナイキストレーザは、レーザ出力光パルスの繰り返し周波数安定化機構１０と光周波数安定化機構１１、あるいはいずれか一方の周波数安定化機構を設けてもよい。繰り返し周波数安定化機構１０としては、レーザ共振器長あるいは再生モード同期ループ内のマイクロ波の位相の制御回路を用いることができる。一方、光周波数安定化機構１１としては、光増幅器の励起電力あるいはレーザ共振器長の制御回路を用いることができる。これにより周波数が安定化されたナイキストパルスが発生でき、コヒーレント通信・計測への幅広い応用が考えられる。なお、図１〜３において、共振器を、光ファイバを用いて構成しても良い。
次に、本発明の第１の実施形態のナイキストレーザの具体例を、図４に示す。図４に示すように、光増幅器１としてエルビウム添加光ファイバ増幅器、光分岐器２として光ファイバカプラ、光変調器４としてLiNbO3光強度変調器、スペクトル可変光フィルタ５としてLCoSを使用したリング型共振器より構成される。本レーザは、全長１７ｍのファイバ共振器で構成され、共振器長で決まる基本縦モード間隔は１２MHzである。図２に示す再生モード同期ループを用いて抽出した４０GHzのクロック信号（約3300次の高次ビート信号）で、LiNbO3光強度変調器を駆動している。
ナイキストパルスの時間波形ｒ（ｔ）およびスペクトル形状Ｒ（ｆ）は、以下の式で与えられる。
ここで、Ｔはナイキストパルスの裾野が零となる点の時間間隔である。また、αはロールオフ率と呼ばれるパラメータであり、０≦α ≦１の値をとる。
図５〜７は、それぞれαを０，０．５，１に設定し、また、Ｔ＝１／３２０GHz＝３．１２５psとしてシンボルレートが３２０GbaudのＯＴＤＭ伝送に適した光ナイキストパルスが得られるよう設定した場合のレーザ出力である。各図において、（ａ）は光スペクトル波形、（ｂ）は光フィルタのスペクトル形状、（ｃ）は残留チャープを零にするために適切な分散補償をレーザ外部で与えた後に、光サンプリングオシロスコープで観測した時間波形に対応している。図５において、光フィルタの両肩を５．３dB高めることで各発振縦モードの強度を揃え、その結果、時間軸上にサイドローブを有する光ナイキストパルスが得られている。つぎに、図６において、α＝０．５の光ナイキストパルスは両肩の縦モード成分強度が中心部と比べ低い数値を有することより、光フィルタの両肩成分を２dB下げることで所望のパルス特性を実現している。最後に、図７において、α＝１の光ナイキストパルスは比較的広い信号帯域を有することより、光フィルタの帯域を４．１９nm（５２０GHz）に広げることより、所望のパルス特性を実現している。以上のように、挿入しているスペクトル可変光フィルタの形状を変化させることが特徴であり、これにより任意の光ナイキストパルスが発生できることがわかる。
次に、本発明の第１の実施形態のナイキストレーザにより、ナイキストパルスがレーザから直接発生できることを数値シミュレーションにより示す。図８〜１０は、光変調器４として光強度変調器を用いたＡＭモード同期レーザにおいて、自然放出光雑音を種光として、それぞれα＝０，０．５，１のナイキストパルスがレーザ共振器内で生成される様子を解析した結果である。解析には利得媒質における利得飽和の効果を計算に含めている。各図において、（ａ）は解析に用いた光フィルタの形状を示しており、これらは図５（ｂ）〜７（ｂ）に対応した形状に設定している。（ｂ）は自然放出光雑音を種光として、共振器内で周回ごとにナイキストパルスが生成されていく様子を示している。（ｃ），（ｄ）は定常状態におけるパルス波形および光スペクトルであり、残留チャープを零にするための適切な分散補償をレーザ外部で与えている。解析により得られたパルスは、図５〜７の実験結果とよく一致している。これらの結果は、本発明のレーザにおいて、ナイキストパルスが共振器内で安定な定常パルスとして存在することを理論的に証明している。
次に、繰り返し周波数と光周波数の安定化機構を備えた本発明の第１の実施形態によるナイキストレーザの具体例を、図１１に示す。図１１に示すように、図４に示した再生モード同期ファイバレーザ共振器内に、新たに繰り返し周波数機構１０と光周波数安定化機構１１とを設けている。繰り返し周波数安定化機構１０は、レーザの繰り返し周波数（クロック周波数）とマイクロ波基準信号との位相差を検出するダブルバランスドミキサ（DBM: Double Balanced Mixer）と、その位相差が零となるように再生モード同期ループ内のマイクロ波の位相を制御する負帰還制御回路とからなる。一方、光周波数安定化機構１１は、レーザの発振スペクトルのうち一本の縦モード成分を抽出する光フィルタ、抽出した縦モードの中心周波数とC2H2ガスの吸収線を利用した光周波数基準との周波数ずれを検出する位相敏感検波回路ならびに、検出した周波数ずれが零となるようにエルビウム添加光ファイバ増幅器の励起電力を制御する負帰還制御回路から構成される。
図１２は、本発明の第２の実施形態のナイキストレーザを示すブロック図である。図１２に示すように、本発明の第２の実施形態のナイキストレーザは、光増幅器１、光変調器４、スペクトル可変光フィルタ５を、一対の反射鏡１２の間に配置してファブリー・ペロー共振器を形成し、この共振器内で発生する光パルスのパワーの一部を反射鏡１２の透過光として外部に取り出すよう構成されたモード同期レーザから成っている。本実施形態の動作原理は、第１の実施形態と同じである。
また、図１３に示すように、本発明の第２の実施形態のナイキストレーザは、一方の反射鏡１２からのレーザ出力光とクロック抽出器７とにより、共振器長に対応した基本周波数の整数倍の周波数のクロック信号を抽出し、移相器８および電気アンプ９を用いてその位相と振幅とを調整した後に、抽出したクロック信号で光変調器４を駆動する再生モード同期ループを構成してもよい。
さらに、図１４に示すように、本発明の第２の実施形態のナイキストレーザは、レーザ出力光パルスの繰り返し周波数安定化機構１０と光周波数安定化機構１１、あるいはいずれか一方の周波数安定化機構を設けてもよい。
以上説明したように、本発明は、光ナイキストパルスを出力するモード同期レーザから成るナイキストレーザを提供することにある。光ナイキストパルスは、広いパルス幅（狭い信号帯域）であっても符号間干渉を最小に抑えた高速伝送を実現することができるため、周波数利用効率の増大を図ることが出来る。その結果、波長多重伝送の高密度化により、限られた周波数帯域であっても大容量伝送が可能となる。さらに、信号帯域の狭窄化に伴い高速伝送において問題となる波長分散・偏波分散に対する耐力が向上する。また、レーザから直接ナイキストパルスを発生できるため、ピークパワーが高く雑音も小さい。このためOSNR（光信号のSN）が高い。本発明のナイキストレーザは、これらの優れた特徴を有する光パルス伝送用光源として極めて有用である。
１ 光増幅器
２ 光分岐器
３ 光アイソレータ
４ 光変調器
５ スペクトル可変光フィルタ
６ 光分岐器
７ クロック抽出器
８ 移相器
９ 電気アンプ
１０ 繰り返し周波数安定化機構
１１ 光周波数安定化機構
１２ 反射鏡
２ 光分岐器
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４ 光変調器
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６ 光分岐器
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１１ 光周波数安定化機構
１２ 反射鏡
Claims (5)
- 光強度変調器もしくは光位相変調器をレーザ共振器内に挿入したＡＭもしくはＦＭモード同期レーザから成り、該レーザ共振器内にスペクトル可変光フィルタを有し、該光フィルタのスペクトル形状を制御することにより光ナイキストパルスを出力することを特徴とするナイキストレーザ。
- 前記光ナイキストパルスは、ナイキストフィルタのインパルス応答で与えられ、パルスの中心から時間軸上の正負の方向に１／ＮＲ（Ｒ：出力パルスの繰り返し周波数、Ｎ：整数）の時間間隔で強度が零となることを特徴とする請求項１記載のナイキストレーザ。
- 空間結合型または光ファイバ型の、ファブリー・ペロー共振器もしくはリング共振器から構成されることを特徴とする請求項１または２記載のナイキストレーザ。
- 前記レーザ共振器内のレーザ出力光の一部より共振器長に対応した基本周波数の整数倍の周波数のクロック信号を抽出し、該クロック信号で前記光強度変調器もしくは前記光位相変調器を駆動する再生モード同期ループを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のナイキストレーザ。
- 前記レーザ共振器内のレーザ出力パルスの繰り返し周波数と光周波数、あるいはいずれか一方の周波数を安定化する負帰還制御機構を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のナイキストレーザ。
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