JPS6195322A - 光通信用位相変調光発生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、位相変調光を発生する位相変調光発生装置
に関する。

（従来技術とその問題点） 半導体レーザは、その注入電流を制御する仁とによシそ
の光出力強度を変化でき、またその応答が極めて高速の
ため、パルス直接検波及びＡＳＫ（アンブリチェート　
シフト　キイイング）ヘテロダイン検波光通信系の光源
として極めて優れている。また半導体レーザはその注入
電流を微小に変化させると、その出力光の光周波数がＩ
　ＧＨ２以上変化（チャープ）するが、この特性を利用
してＦＳＸ（フリークエンシイ　シフト　キイイング）
ヘテロダイン光通信系の光源としても適用が可能である
（例えばＩ　ＥＥＥ　　ジャーナル　オプ　カンタム　
エレクトロニクス誌、ＱＥ−１８巻、４号、５８２ペー
ジ、１９８２年）。以上のごとく半導体レーザは上記３
検波方式を用いる光通信系の光源として適しているが、
その理由は、半導体レーザの信頼性が極めて高いことと
共に同レーザは前記のごとく直接高速変調が可能である
ため、系の単純化及び低廉化が可能であることが挙げら
れる。

しかし、上記３検波方式のいずれよシも高い受信感度が
実現できるＰＳＫ（フェイズ　シフト　キイイング）ヘ
テロゲイン及びホモダイン検波方式においては（例えば
ジャーナル　オブ　オプティカルコミュニケーシッンズ
誌、２巻、３号、８２ページ、１９８１年）、従来は半
導体レーザの直接変調が不可能であり九ため、ボッケル
効果等を利用した外部変調器を用いる必要があった。こ
のように外部変調器を用いると、装置が複雑で高価にな
るのみならず、外部変調器の挿入による光損失によりＰ
ＳＫヘテロダイン及びホモダイン検波方式の特徴である
高受信感度による伝ｉ距離の増大を＃１ぼ相殺してしま
うという問題があった。

（発明の目的） この発明の目的は、ポッケルスセル等の外部位相変調器
を必要としない位相変調光発生装置を提供することにあ
る。

（発明の構成） 本発明の位相変調光発生装置は、少なくとも１つの非線
形物質と、強度変調された光を出力する第１の光源部と
、この光源部からの光の波長とは異なる波長を出射する
第２の光源と、該強度変調された光線と前記第２の光源
からの光線を、前記非線形物質内に重なるように入射さ
せるための合波器と、非線形物質出力端にて、前記の異
なる波長の２光線を分波するための分波器とを備えるこ
とを特−とする。

（本発明の原理） 本発明は、非線形物質内に第１の光線と、第ｉの光線と
波長の異なる第２の光線を前記非線形物質内□に重なる
ように入射させると、一方の光線の位相が他方の光線の
強度に比例して変化するという非線形物質の３次非線形
感受率の実数部に起因する非線形゛効果を利用するが、
同効果については現在までに検討されていなかったので
、とζで同効果の簡単な説明を行なう。

３次非線形感受率に起因する現象は、３次の非線形分極
を非斉７項とす７：ｓ　Ｍ　ａ−１１（Ｆ）方程式６解
　　　　　１゛くことによシ解析できる。ここでは簡単
のために第１及び第２の光線の電界が２方向に進行する
平面波で表わされ、且つそれらが同一方向に偏光してい
るとする。したがって非線形物質内の全電界は Ｅｔｏｔａｌ　（ｚ、ｔ）＝Ｅ１（ｚ）ｅ−１（”１ｔ
−”ｔ）＋Ｅ１（ｚ）’ｅ−””！ｔ−”’＋ｃ、ｃ、
　　（１）で与えられる。ただしｅ”、　ｅ　、は複素
共役□項を表わす。３次の非線形分極ｄ″　　　□　　
　　ＰｒＮ−＝４ｘ（シＮＫ　窟　　　　　　　　　　
　　　　　　（２）で与えられるが、ここで式（１）の
電界を式（２）に代入して式（１′）のＥ　ｔｏｔａｌ
と結合する項だけを残すと、非線形物質内で誘起される
非線形分極が次のように求まる。

Ｐ　　＝４ｘ、（’６Ｅ１１Ｅ、Ｉｔ−”””””＋ｅ
Ｅ、ＩＥ１１ａ−１（Ｗｓｔ−””　））＋ｅ、ｅ、（
３）但しＸ　は３次の非線形感−′率である。ここで実
際にはＩ’ｔｌ旧１１”、　ｉ＝１．２．に比例する項
も結合項としてでるが、これらの項゛は一定の゛位相変
化を表わし本発明の動作には影響しないので無視す□る
。

そこで式（１）と（２）をＭａｍ１＊の方程式（ｅｇｓ
＋単位系）に代入し、５ＶＥＡ法（例えばＦ・ザーナイ
クＪ、Ｌミツドウィンター著、アプライド　ノンリニヤ
　オプティックス、ジョン　ウィリー　アン）’　　ｔ
ンＸ、１９７３年）によシ簡単化すると次の連立方程式
が求まる。

ここで であ１、−ｎｌｉびλ１は１光の比屈折率及び波長であ
る。また非線形物質による・光損失を表わす項、αＩＥ
１／２．を加えた。一般にＸ−は複素数であ・るが、こ
とでは前記のごとく□−を実数とする。この条□件は波
長間隔が十分に狭い時は一般に成立する。゛すると仁の
連立微分方程式は解析的に解けて、その解析解は以下の
ようである。

ε１（ｚ）＝ＣＨ（ｏ）　ｅ　−””　、　ｉ＝１　、
２　　　　’　　　（７）φ１（Ｌ）＝φ５（ｏ）　　
−ｋｔｌＳ（ｏ）（１−６）／ａｍ　　　　（８ｍｌ φ、（す＝φｒ（ｏ）　−丁ｋｌ’Ｗ（ｏｌ［１ｇ−（
ＩｔＬ）／ａ。

（８ｂ） 但し。

Ｅ　ｉ　（ｚ）＝−ε１（ｚ）６’φｔ（ｚ）、　　ｉ
＝１，２（９）＝　３ によシ複素振幅別（ｚｌを実数振幅ｇｉ（，１と実数位
相φ１（ｚｌＫおきかえ九〇またＬは非線形物質の長さ
である５式（７）は２光線の強度変化が一般的な光減衰
であることを示している０しかし式（８）は、第１（ま
たは２）の光線の非線形物質出射時（ｚ＝Ｌ）の位相が
第２（または１）の光線の入力強度に依存することを示
している。

次に、第１図と式（８）を用いて本発明の動作原理を詳
しく説明する・第１図（蜀において、ｌと２はＣＷ発振
レーザであシ、その発振波長はλ、とλ！である。また
波長間隔は１０ｃｍ−１以下であシ、この波長間隔では
非線形感受率は実質的に実数である。レーザーの出力光
（第１の光線）は第１図（Ｂ）の（ａ）に示されている
ように連続光であるが、レーザ２の出力光（第２の光線
）はパルス信号源４によシ駆動される強度変調器３によ
シ第１図（ｌの（ｂ）に示されているように強度変調さ
れている。しかる後に、レーザ１とレーザ２の出力は合
波器５によシ合波され、非線形物質７に入射される。従
りら分かるように波長がλ、の光線の入力強度は既に蓮
べたように強度変調器によシある値（ηとゼロの間をス
テップ状に変化している。ところで、式（８）によると
第１の光線の非線形物質出射時の位相は第２の光線の入
力強度に依−存する。このため第１の光線の非線形物質
出方端に於ける位相は、第１図（Ｂ）の（ｃ）Ｋ示され
ているように第２の光線がゼロの部分とその他の部分と
では異なる。すなわち式（８）から分かるよりに、第１
の光線の非線形物質出力端の位相は第２の光線の強度が
ゼロの時はゼロであるが（但し第１の光線の非線形物質
入射面での位相をゼロとした）、ゼロ以外の時はその値
に比例し丸値である。従りてレーザ２の出力光（波長λ
、）を強度変調器３ＫＪニジ符号化することＫよシ、レ
ーザｌの出力光（波長λｌ）が位相変調され、位相変調
により符号化された波長２１の光線が非線形物質出力端
から得られる０その後に分波器８によ）位相変調された
、波長がλ１の光線を分離する。

尚、第１図（Ａ）においてはレーザ２、強度変調器３、
パルス信号源４とから第１の光源部が構成されている例
を示した。

（実施例） 第２図は光源に半導体レーザを用いた本発明の一実施例
である。半導体レーザｌは安定化電源３によシ直接駆動
され、その出力はＣＷ光である。

ここではこの半導体レーザｌが第２の光源に相当する。

半導体レーザ１の発振波長（λ、）は１．５５μｍでま
た光出力は１０ｍＷである。半導体レーザ１はこのよう
ＫＣＷ発振であるが、半導体レーザ２はパルス信号源４
によシ強度変調される。すなわち前項本発明の原理では
外部変調器を用いてＣＷレーザ光を第１図（同の（ｂｌ
Ｋ示されているようにオン−オフ変調したが、本実施例
に於いては半導体レーザの注入電流を変化させることに
よシ、その光出力を直接変調している。すなわち半導体
レーザ２とパルス信号源４とから第１の光源部を構成し
ている０半導体レーザ２の発振波長（λりは１．５５２
μｍで、その出力強度は１０ｍＷである。これら２つの
レーザからの出力光は合波器５にょシ合波されたのち、
レンズ６にょシ直径５μｍ以下に絞られて非線形物質に
入射される。この非線形物質は光通信系の伝送路である
元ファイバそのものを利用した。前記２波長の光線の伝
播速度が同一（速度整合）であることが望ましいので、
この実施例では１．５μｍ帯にゼロ分散波長を持つ直径
４μｍ（実効直径は５μｍ程度）の単一モードファイバ
を用い九〇光ファイバ内において、前項本発明の原理に
おいて既に説明したように、３次の非線形感受率に基づ
く非線形効果により波長がλ、の光線の光フアイバ出力
端の位相が、強度変調された波長がλ、の光線の入力強
度に従って変化する。この位相変化は式（８）で与えら
れるが、光ファイバ７の損失が０．３ｄｅ／ｋｍで光フ
ァイバ長が５０　ｋｍ以上とするとαＩＬ＞＞１が成立
するので１式（８）は次のように簡単化される０ φ、　（Ｌ）＝φｔ　（ｏ）−Ｔｋｔ　Ｋｇ　（ｏ）　
　　　　　　（１０）また本実施例に於いては波長がλ
、の光線の入力強度がゼロとｌＯｍＷの２値変化をする
が、この変化に伴う波長が１１の光線の光７アイパ出力
端における位相変化は上式から Δφ＊　（Ｑ＝４７５　ｋ重　　　　　　　　　　　　
　　　　　　（１１）となる・に、は式（６）で与えら
れるが、この値は３沃の非線形感受率に依存する。Ｂｉ
ａｓ系の光ファイバーは上記の波長差程度では実質的に
実数で、その値は６Ｘ１０　　ｅｓｕ程度である（フィ
ジカルレビュー８誌、１１巻、２号、９６４ページ、１
９７５年）。また光ファイバの屈折率は１．４５程度で
ある・以上の値を用いて式（１１）から波長がλ１のフ
ァイバ出力端における位相変化が約πであることがわか
る＠従って光フアイバ出力は波長がλ、の強度変調によ
シ符号化された光線と波長がλ１で前記の強度変調のパ
ターンに従って変調度がπで位相変調された光線である
が、このセ光線を分波器８によシ分離する。しかる後に
位相変調され九波長がλ言の光線を光Ｐ８にヘテロダイ
ンもしくはホモダイン受信回路９に導き、符号を復調す
る。

以上は一実施例についての説明であシ１本発明は上記の
実施例に限定される訳ではない。上記実施例においては
非線形物質として光ファイバを用いたが、他の非線形物
質を用いて亀より、例えば、ＧａＡｓ／ＧａＡｊＡｓ系
の超格子材料は波長０．８μｍの光吸収端付近の波長に
於いて、極めて大きな実効３次非線形感受率（〜６Ｘ１
０　　ｅｓｕ）を有することが知られている（オプティ
ックスＶターズ誌、８巻、９号、４７７ページ、１９８
３年）ｏｔた、１．５μｍ付近に吸収端を持つＡｊＧＩ
ＡＩＳｂ等の半導体による超格子材料は同波長に於いて
大きな実効３次非線形感受率を持つことが予想され、こ
の場合は厚さが０．００１Ｊ１ｍ程度の超格子材料を非
線形物質として利用できる。また本実施例に於いては２
台の半導体レーザを用いたが、強度変調された光線イ発
生用に直接変調が可能で出力が１０　ｍＷ程度の半導体
レーザを用い、位相変調されるＣＷ光発生用に発振波長
が１．５５μｍの高出力カラーセンタレーザなどを用い
ることができる０この場合は位相変調されたブｔ、線の
強度が大きいので、それに伴う伝送距離の増大が図れる
０ （発明の効果） 本発明によ、り、ＰＳＫ元ヘ元口テロダインホモダイン
通信系において位相変調光発生に従来は不可欠であった
外部変調器を、用いずに、半導体レーザの直接変調が可
能である＠このため装置の単純化及び低廉化が可能であ
るばかシでなく、外部変調器の挿入損失がなくなること
Ｋよる伝送距離の増大が可能である。　　　　・

【図面の簡単な説明】

第１図（（転）はこの発明の一実施例を示す図。同図に
おいて、ｌと２はＣＷレーザ、３は光強度変調器、４は
パルス信号源、５は合波器、７は非線形物質、８は分波
器である。。 第１図（ｔｌは第１図（（転）に示されているＡ点、Ｂ
点、及び０点における光波形を示す図で、同図（、ａ）
は第１図Ａ点での゛光波形を、同図（１は第１図Ｂ点て
の光波形を、そして同図（ｃ）は第１ｒ！！ＪＣ点での
光波形を示す。 第２図は光源として直接変調可能な半導体レーザを、ま
た非線形物質として光ファイバを用いた実施例を示す図
。同図に於いて１と２は半導体レーザ、３は安定化電源
、４はパルス信号源、５は合波器、６はレンズ、７は元
ファイバ、８は分波器、９は光受信回路である・ 乙′−−°二：Ｉｌ１ 代肩人弁履士内Ｈ、Ｈｒ、□、　　、、／＼、−一／ ７１図 時間 ７２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １つの非横形物質と、強度変調された光を出力する第１
   の光源部と、この光源部からの光の波長とは異なる波長
   の光を出力する第２の光源と、第１の光源からの強度変
   調された光線と前記第２の光源からの光線を、前記非線
   形物質内に重なるように入射させるための合波器と、前
   記非線形物質の出力端にて、前記の異なる波長の２光線
   を分波するための分波器とを少なくとも備えることを特
   徴とする光通信用位相変調光発生装置。