JPH09191147A

JPH09191147A - パルス光源

Info

Publication number: JPH09191147A
Application number: JP8000991A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Takada; 篤高田; Yoshimasa Katagiri; 祥雅片桐; Shigeto Nishi; 成人西; Masatoshi Saruwatari; 正俊猿渡
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 1997-07-22
Anticipated expiration: 2016-01-08
Also published as: JP3351212B2

Abstract

(57)【要約】【課題】 50ＧHzを越える超高繰り返し周波数の入力光
信号に等しい超高繰り返し周波数の光パルス列を発生さ
せる。【解決手段】能動モード同期パルスレーザ光源１の出
力光パルスの一部を分岐手段３で分岐し、非線形受光部
４がその２次高調波の平均光パワーを検出し、その値が
最大になるように制御回路５が能動モード同期パルスレ
ーザ光源１のレーザ共振器長調節機構２を帰還制御す
る。あるいは、波長選択部６が出力光パルスの中心波長
の変動を検出し、その中心波長が所定の値になるように
制御回路７が能動モード同期パルスレーザ光源１のレー
ザ共振器長調節機構２を帰還制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、超高繰り返し周波
数の光パルス列を発生させるパルス光源に関する。この
パルス光源は、長距離超大容量光伝送システムや超高速
光信号処理に不可欠なものである。

【０００２】

【従来の技術】入力信号の繰り返し周波数に等しい繰り
返し周波数の光パルス列を発生させる方法として、レー
ザの能動モード同期法がある。これは、レーザ共振器内
に発振光の振幅または位相を変調する光変調器を設置
し、この光変調器をレーザの共振周波数の近傍周波数で
駆動し、駆動周波数と等しい繰り返し周波数の短光パル
スを発生させる方法である。

【０００３】しかし、この能動モード同期法では、光変
調器を駆動する入力信号の繰り返し周波数がレーザの共
振周波数からそのほぼ 0.1％を越して離調すると、出力
光パルスのパルス幅、ジッタ、スペクトル等の特性が劣
化する。そこで、レーザ共振器長を制御して入力信号の
繰り返し周波数に合致させることが考えられている。従
来、レーザ共振器長制御の一例として、入力信号が電気
信号の場合では、出力光パルスを受光素子で光電変換
し、その受光電流と入力電気信号の位相差をミキサ等の
位相比較器で検出し、それを誤差信号としてレーザ共振
器長を帰還制御する方法が検討されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、入力信号の
繰り返し周波数が数十ＧHzを越えた超高周波領域になる
と、上述の方法には次のような問題が生じる。第一の問
題点は、出力光パルスを電気信号に変換するための受光
素子の帯域幅が現状では50ＧHz以下であり、50ＧHzを越
える繰り返し周波数のパルス光源に対しては帰還制御が
不可能となることである。したがって、高速の光電変換
を行わずにレーザ共振器長の帰還制御を行う方法が必要
になっている。

【０００５】第二の問題点は、50ＧHz以上の繰り返し周
波数を有する駆動信号は電気信号として与えられること
は少なく、本発明が適用される光通信または光信号処理
の分野では光信号によって与えられることが多い。この
場合に、安定に短光パルス列を発生させるためには、モ
ード同期レーザ共振器の基本周波数が50ＧHz以上、すな
わちレーザ共振器の実効長が３ｍｍ以下で、しかもレー
ザ共振器内の発振光を変調する光変調器は入力光信号に
よる能動モード同期が必要になる。しかし、現在このよ
うな能動モード同期レーザは存在しない。

【０００６】本発明は、50ＧHzを越える超高繰り返し周
波数の入力光信号に等しい超高繰り返し周波数の光パル
ス列を発生させることができるパルス光源を提供するこ
とを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】能動モード同期パルスレ
ーザ光源では、上述したように入力光信号の繰り返し周
波数がレーザ共振器の同調範囲を越えたとき（離調した
とき）に、出力光パルスのパルス幅の増大、中心波長の
変移、タイミングジッタの増加、振幅雑音の増加等が生
じる。本発明のパルス光源は、このうち出力光パルスの
パルス幅に対応する２次高調波の平均光パワー、または
中心波長をモニタしてレーザ共振器長を帰還制御する構
成をとる。これらは、入力光信号の離調に対して敏感で
ありかつ検出が比較的容易である。

【０００８】（２次高調波の平均光パワーに応じたレー
ザ共振器長制御）離調に対して平均出力光パワーは大き
く変化しないので、パルス幅が広がるとピークパワーが
減少する。一方、基本波長から２次高調波への変換効率
は基本波の瞬時パワーに比例しているので、ピークパワ
ーが減少すると基本波の平均光パワーが同一でも、２次
高調波の平均光パワーは減少する。したがって、２次高
調波の平均光パワーをモニタすることによりピークパワ
ーを検出することができ、さらに出力光パルスのパルス
幅の変化を検出することができる。

【０００９】本発明のパルス光源（請求項１）は、図１
(a) に示すように、能動モード同期パルスレーザ光源１
の出力光パルスの一部を分岐手段３で分岐し、非線形受
光部４がその２次高調波の平均光パワーを検出し、その
値が最大になるように制御回路５が能動モード同期パル
スレーザ光源１のレーザ共振器長調節機構２を帰還制御
する。

【００１０】非線形受光部４は、出力光パルスの一部を
２次高調波（ＳＨＧ）結晶を介して受光する構成とすれ
ばよい。ここでは、基本波（入力光信号）の繰り返し周
波数が数十ＧHz以上の超高周波であっても、２次高調波
を受光する素子はD.C.〜１ＭHzの帯域幅を有していれば
十分である。レーザ共振器長は、外部ミラーの位置を光
軸方向に移動する方法や、受動半導体導波路等の共振器
内部の媒体の屈折率を注入電流等により変化させる方法
がある。これにより、レーザ共振器長の帰還制御系に広
帯域幅の受光素子を用いなくても、超高繰り返し周波数
の入力光信号に同期した光パルス列を発生させることが
できる。

【００１１】（中心波長に応じたレーザ共振器長制御）
入力光信号の繰り返し周波数が離調すると、レーザ共振
器内の分散性媒質による共振器内パルス周回遅延時間の
波長依存性により、発振波長を変移させて出力光パルス
の繰り返し周波数を入力光信号の繰り返し周波数に追随
させようとする。

【００１２】本発明のパルス光源（請求項２）は、図１
(b) に示すように、能動モード同期パルスレーザ光源１
の出力光パルスの一部を分岐手段３で分岐し、波長選択
部６が出力光パルスの中心波長の変動を検出し、その中
心波長が所定の値になるように制御回路７が能動モード
同期パルスレーザ光源１のレーザ共振器長調節機構２を
帰還制御する。

【００１３】波長選択部６は、出力光パルスの一部を回
折格子や光波長フィルタなどの波長選択素子を介して受
光する構成とすればよい。レーザ共振器長は、外部ミラ
ーの位置を光軸方向に移動する方法や、受動半導体導波
路等の共振器内部の媒体の屈折率を注入電流等により変
化させる方法がある。これにより、レーザ共振器長の帰
還制御系に広帯域幅の受光素子を用いなくても、超高繰
り返し周波数の入力光信号に同期した光パルス列を発生
させることができる。

【００１４】図２は、本発明のパルス光源に用いられる
能動モード同期パルスレーザ光源１の基本構成を示す。
(a) は線形共振器構造のものであり、(b) はリング共振
器構造のものである。図において、能動モード同期パル
スレーザ光源１は、反射面１１で囲まれたレーザ共振器
内に、半導体光増幅媒質１２と、損失（利得）または屈
折率が入射光により変化する半導体光非線形媒質１３
と、半導体光増幅媒質１２と半導体光非線形媒質１３と
の間に挿入された光結合手段１４を有する。光結合手段
１４は、レーザ発振光と外部からの入力光信号とを合波
して入力光信号を半導体光非線形媒質１３へ結合させる
構成である。

【００１５】能動モード同期パルスレーザ光源１では、
入力光信号により半導体光非線形媒質１３の吸収係数ま
たは屈折率を変調して能動モード同期を達成する。半導
体光非線形媒質１３は、入射光のパルスエネルギーが小
さいときは透過率が小さく、パルスエネルギーが大きく
なると誘導吸収により少数キャリアが蓄積されて吸収が
飽和し透過率が増加する可飽和吸収媒質の側面と、屈折
率が変化する非線形屈折率媒質の側面がある。前者は外
部から入力される光パルス列の繰り返し周波数で発振光
を強度変調し、後者は位相変調することになるので、各
発振可能縦モードの変調側帯波が他のモードに注入され
てモード同期が生じる。

【００１６】半導体光増幅媒質１２と半導体光非線形媒
質１３は、ともに数百μｍ以下の素子長で構成できるの
で、全実効長１ｍｍ以下の極めて短いレーザ共振器を構
成することができる。これにより、数十ＧHz以上の繰り
返し周波数の入力光信号パルスへの同期が可能になる。
光結合手段１４は、図２に示すように偏波ビームスプリ
ッタを用いて偏波多重する方法と、後述する実施形態
（図４）で示すように波長選択ミラーを用いて波長多重
する方法がある。前者の方法では、入力光信号の偏波方
向を偏波ビームスプリッタが反射する方向に合わせて入
射すればよい。後者の方法では、レーザ発振光と入力光
信号の波長が異なるように設定すればよい。

【００１７】

【発明の実施の形態】

（第１の実施形態）図３は、本発明のパルス光源の第１
の実施形態を示す。図において、能動モード同期パルス
レーザ光源１の半導体光増幅媒質（１２）は、両面劈開
された半導体レーザ１２１である。半導体レーザ１２１
の片面は、反射率が0.01％以下に無反射コーティングさ
れている。モード同期を発生させる半導体光非線形媒質
（１３）は、半導体可飽和吸収体１３１である。レーザ
共振器は、半導体レーザ１２１の無反射コーティングさ
れていない劈開面に配置されたミラー１２２と、半導体
可飽和吸収体１３１の外側端面に配置されたミラー１３
２により形成される。

【００１８】外部からの入力光信号は、レーザ共振器内
に挿入された偏波ビームスプリッタ１４１で反射されて
半導体可飽和吸収体１３１に注入される。入力光信号
は、偏波ビームスプリッタ１４１で反射されるように偏
波方向が調整されているので、半導体レーザ１２１には
注入されず半導体可飽和吸収体１３１のみに注入され、
ミラー１３２による反射光も偏波ビームスプリッタ１４
１で反射してレーザ共振器外部に取り出される。一方、
レーザ発振光は偏波ビームスプリッタ１４１を通過する
偏波で発振するので、偏波ビームスプリッタ１４１の損
失は被らない。図では、偏波ビームスプリッタ１４１に
より入力光信号とレーザ発振光を偏波多重する構成のた
めに、レンズ１４２を用いた空間光ビームに変換されて
いるが、光ファイバや光導波路を用いた偏波多重も可能
である。なお、入力光信号の強度が小さい場合には、図
のように光増幅器１４３を用いて増幅してもよい。

【００１９】半導体レーザ１２１として素子長 300μｍ
の1.5μｍ−ＩnＧaＡsＰレーザ、半導体可飽和吸収体１
３１として素子長50μｍの1.5μｍ−ＩnＧaＡsＰレー
ザ、レンズ１４２として半径 300μｍの球レンズを用
い、共振器実効長を３ｍｍとして縦モード間隔50ＧHzの
レーザ共振器が構成できる。入力光信号の波長は、可飽
和吸収特性を示す 1.5μｍ体で30ｎｍの波長帯域内であ
ればよい。また、繰り返し周波数の同調範囲は、従来の
能動モード同期の検討結果が適用でき、繰り返し周波数
の 0.1％である30ＭHz程度である。この半導体可飽和吸
収体１３１は、１ｐＪのパルスエネルギーで吸収飽和を
起こすので、パルス幅10ｐｓ、繰り返し周波数30ＧHzと
すると、入力光信号として必要な平均光パワーは約30ｍ
Ｗである。このとき、パルス幅が数ｐｓから１ｐｓの出
力光パルスが得られる。

【００２０】能動モード同期パルスレーザ光源１のレー
ザ共振器長は、本実施形態では出力光パルスのピークパ
ワーをモニタして帰還制御する構成になっている。出力
光パルスの一部は、分岐手段（３）として用いられるフ
ァイバカプラ３１で分岐して非線形受光部４の２次高調
波（ＳＨＧ）結晶４１に入力される。２次高調波結晶４
１は、ｃ−軸を周期的に反転させて位相整合領域を拡大
させた素子長１ｃｍの疑似位相整合リチウムナイオベー
ト（ＬiＮbＯ₃)を用いることができる。２次高調波結晶
４１から出力される２次高調波光は、高調波に変換され
ない基本波成分を除去する短波長透過光フィルタ４２を
介して受光器４３に受光され、２次高調波の平均光パワ
ーが検出される。

【００２１】制御回路５は、２次高調波の平均光パワー
が最大になるように、能動モード同期パルスレーザ光源
１のレーザ共振器長調節機構２を制御する。レーザ共振
器長調節機構２は、ここではミラー１３２を光軸方向に
移動させるピエゾ素子２１が用いられる。２次高調波の
光パワーが低下したときのレーザ共振器長の制御方向の
判定には、公知のディザリング法（常時、制御対象を周
波数ｆ_dで駆動し、入力信号中のｆ_dの周波数成分のみ
を位相検波する方法）を用いることができる。

【００２２】（第２の実施形態）図４は、本発明のパル
ス光源の第２の実施形態を示す。本実施形態は、 100Ｇ
Hz以上の超高繰り返し周波数領域で同期パルスを得るの
に適する。図において、能動モード同期パルスレーザ光
源１の半導体光増幅媒質（１２）および半導体光非線形
媒質（１３）は、第１の実施形態と同様の半導体レーザ
１２１および半導体可飽和吸収体１３１である。半導体
可飽和吸収体１３１の外側端面に配置された誘電体多層
膜ミラー１３３は、レーザ発振波長λ₁で反射し、入力
光波長λ₂で透過する。半導体レーザ１２１と半導体可
飽和吸収体１３１との間に配置された誘電体多層膜ミラ
ー１４４は、レーザ発振波長λ₁で透過し、入力光波長
λ₂で反射する光結合手段（１４）として機能する。

【００２３】レーザ共振器は、半導体レーザ１２１の無
反射コーティングされていない劈開面に配置されたミラ
ー１２２と、半導体可飽和吸収体１３１の外側端面に配
置された誘電体多層膜ミラー１３３により形成される。
外部からの入力光信号は、誘電体多層膜ミラー１３３と
誘電体多層膜ミラー１４４との間を往復して半導体可飽
和吸収体１３１で吸収され、吸収されない余分は外部へ
放出される。したがって、入力光信号が半導体レーザ１
２１に注入されることはない。

【００２４】本構成では、レーザ共振器の実効長として
約１ｍｍが可能であり、このときの共振器縦モード間隔
は約 150ＧHzとなる。繰り返し周波数が高いので、半導
体可飽和吸収体１３１は、吸収が飽和して再び吸収が回
復するまでの時間が速いことが要求される。低温成長し
たＢe 添加ＩnＧaＡs 歪多重量子井戸（ＭＱＷ）半導体
を使用すると、吸収回復時間１ｐｓ以下が可能であるの
で、 150ＧHzの繰り返し周波数に十分追随して、サブピ
コ秒のパルス幅の 150ＧHz光パルス列を出力することが
できる。

【００２５】図４に示す同様の構成において、半導体可
飽和吸収体１３１として用いたＭＱＷ半導体を光屈折率
非線形媒質として使用することができる。ＭＱＷ半導体
のバンドギャップエネルギーを若干大きくして基礎吸収
端の波長を短くすることにより、レーザ発振波長λ₁で
吸収をなくし、外部からの入力光波長λ₂で吸収させる
ようにすることができる。ただし、λ₁＞λ₂である。
このとき、ＭＱＷ半導体は、入力光信号の吸収によりレ
ーザ発振光に対する屈折率が変化することから位相変調
器として動作し、ＦＭモード同期が実現する。位相変調
器では、入力光信号が符号変調されスペースの同符号連
続が長く続いた場合でも、強度変調の場合と異なってレ
ーザ発振光に対する損失が増加することはないので、レ
ーザ発振が中断することなくクロック周波数に等しい繰
り返し周波数の光パルス列を出力させることができる。
すなわち、符号変調された入力光信号のクロック抽出が
可能となる。

【００２６】能動モード同期パルスレーザ光源１のレー
ザ共振器長は、本実施形態では出力光パルスの波長をモ
ニタして帰還制御する構成になっている。出力光パルス
の一部は、分岐手段（３）として用いられるファイバカ
プラ３１で分岐して波長選択部６のアレイ導波路回折格
子６１に入力される。アレイ導波路回折格子６１では、
入力光の波長が出力光ビーム位置に変換されるので、入
力光（能動モード同期パルスレーザ光源１の出力光パル
ス）の波長が変動すれば出力光ビームの位置が変動す
る。最適パルス発振時におけるアレイ導波路回折格子６
１の出力光ビームを挟む位置に２つの受光器６２−１，
６２−２を配置し、２つの受光器の受光電流が等しくな
るように設定する。２つの受光器６２−１，６２−２の
出力は差動増幅器６３に入力され、入力光信号の繰り返
し周波数がレーザ共振器実効長で決まる最適繰り返し周
波数から離調したときの出力光パルスの波長変移が検出
される。差動増幅器６３は、波長変移方向を含む誤差信
号を制御回路７にフィードバックする。

【００２７】制御回路７は、差動増幅器６３からの誤差
信号が最小になるように、能動モード同期パルスレーザ
光源１のレーザ共振器長調節機構２を制御する。レーザ
共振器長調節機構２は、ここでは誘電体多層膜ミラー１
３３を光軸方向に移動させるピエゾ素子２１が用いられ
る。なお、第１の実施形態および第２の実施形態で示し
た能動モード同期パルスレーザ光源１と帰還制御系の組
み合わせは任意であり、例えば第２の実施形態におい
て、帰還制御系は第２高調波の平均光パワーをモニタす
る構成でもよい。

【００２８】（第３の実施形態）図５は、本発明のパル
ス光源の第３の実施形態を示す。本実施形態は、第２の
実施形態を 1.5μｍ−ＩnＰ基板上にモノリシックに集
積化し、さらに符号変調のための電界吸収型光変調器も
集積化したものである。半導体基板２００に、利得部分
２０１、回折格子２０２，２０３、可飽和吸収部分２０
４、受動導波路２０５、電界吸収型光変調器２０６、コ
ーティング面２０７が集積化されている。利得部分２０
１、回折格子２０２，２０３、可飽和吸収部分２０４に
は、必要に応じて電流注入ができるように電極が設けら
れている。回折格子２０２はレーザ発振波長λ₁で反射
する。回折格子２０３は、レーザ発振波長λ₁で透過
し、入力光波長λ₂で反射する。右端のコーティング面
２０７は、レーザ発振波長λ₁で反射し、入力光波長λ
₂で透過する。この波長関係を図６に示す。

【００２９】レーザ共振器は、回折格子２０２とコーテ
ィング面２０７により構成され、レーザ発振波長は回折
格子２０２で最大反射率が得られる波長λ₁に設定され
る。回折格子２０２の反射波長帯域幅を３ｎｍとする
と、パルス幅約１ｐｓの短光パルスが得られる。外部か
らの入力光信号は、コーティング面２０７と回折格子２
０３との間を往復して可飽和吸収部分２０４で吸収さ
れ、吸収されない余分は外部へ放出される。

【００３０】利得部分２０１と可飽和吸収部分２０４の
長さを 300μｍと 150μｍに設定すると、共振器実効長
はほぼ 600μｍとなり、繰り返し周波数として約70ＧHz
が得られる。図の左へ出力した光パルスは、電界吸収型
光変調器２０６で符号変調されて外部へ放出される。帰
還制御系は、第２の実施形態と同様に出力光パルスの波
長をモニタする構成になっている。レーザ共振器長の調
整は、受動導波路２０５への注入電流により行う。共振
器長の制御範囲は全共振器長の 0.1％程度であるが、応
答速度が速いので 100ＭHz以上の広帯域での共振器長の
制御が可能である。なお、第１の実施形態と同様に第２
高調波の平均光パワーをモニタする構成でもよい。

【００３１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のパルス光
源は、出力光パルスのピークパワーまたは波長をモニタ
してレーザ共振器長を制御することにより、広帯域幅の
受光素子を必要とせずに入力光信号に同期した光パルス
列を得ることができる。また、入力光信号で駆動される
半導体光非線形媒質と半導体光増幅媒質を用いることに
より小型のレーザ共振器を構成することができ、数十Ｇ
Hz以上の繰り返し周波数の入力光信号に同期した光パル
ス列を生成することができる。また、繰り返し周波数の
同調範囲が広いので、安定性が必要とされるクロック光
パルス再生としても利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のパルス光源の基本構成を示すブロック
図。

【図２】本発明のパルス光源に用いられる能動モード同
期パルスレーザ光源１の基本構成を示すブロック図。

【図３】本発明のパルス光源の第１の実施形態を示す
図。

【図４】本発明のパルス光源の第２の実施形態を示す
図。

【図５】本発明のパルス光源の第３の実施形態を示す
図。

【図６】第３の実施形態の各部の波長関係を示す図。

【符号の説明】

１能動モード同期パルスレーザ光源２レーザ共振器長調節機構３分岐手段４非線形受光部５，７制御回路６波長選択部１１反射面１２半導体光増幅媒質１３半導体光非線形媒質１４光結合手段２１ピエゾ素子３１ファイバカプラ４１２次高調波結晶４２短波長透過光フィルタ４３，６２受光器６１アレイ導波路回折格子６３差動増幅器１２１半導体レーザ１２２，１３２ミラー１３１半導体可飽和吸収体１３３，１４４誘電体多層膜ミラー１４１偏波ビームスプリッタ１４２レンズ１４３光増幅器２００半導体基板２０１利得部分２０２，２０３回折格子２０４可飽和吸収部分２０５受動導波路２０６電界吸収型光変調器２０７コーティング面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者猿渡正俊東京都新宿区西新宿三丁目19番２号日本電信電話株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レーザ共振器長調節機構を含み、外部よ
り与えられる入力光信号の繰り返し周波数に等しい繰り
返し周波数の光パルス列を出力する能動モード同期パル
スレーザ光源と、前記能動モード同期パルスレーザ光源から出力される光
パルス列の一部を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された光パルス列を入力し、その２
次高調波の平均光パワーを検出する非線形受光部と、前記２次高調波の平均光パワーの値が最大になるように
前記レーザ共振器長調節機構を制御する制御回路とを備
えたことを特徴とするパルス光源。
【請求項２】レーザ共振器長調節機構を含み、外部よ
り与えられる入力光信号の繰り返し周波数に等しい繰り
返し周波数の光パルス列を出力する能動モード同期パル
スレーザ光源と、前記能動モード同期パルスレーザ光源から出力される光
パルス列の一部を分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された光パルス列を入力し、その中
心波長の変動を検出する波長選択部と、前記中心波長が所定の値になるように前記レーザ共振器
長調節機構を制御する制御回路とを備えたことを特徴と
するパルス光源。
【請求項３】請求項１または請求項２に記載のパルス
光源において、能動モード同期パルスレーザ光源は、半導体光増幅媒質
と、損失（利得）または屈折率が入射光により変化する
半導体光非線形媒質と、半導体光増幅媒質と半導体光非
線形媒質との間に挿入された光結合手段を含み、前記光結合手段は、レーザ発振光と外部より与えられる
入力光信号とを合波して入力光信号を前記半導体光非線
形媒質へ結合させる構成であることを特徴とするパルス
光源。