光パルス列生成方法及び光パルス列生成装置
【課題】入力光信号の波長と生成される光パルス列の波長の関係に柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って両者の波長の関係を確定することが可能である。
【解決手段】入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rateに等しい繰り返し周波数の光パルス列CLK1を生成して出力する光パルス列生成装置S1であって、MLLD 100と、連続波光出力光源26と、電気的再生増幅発振器200とを具えている。入力光信号D1は入力ポートAから入力され、生成された光パルス列CLK1は出力ポートBから出力される。MLLDは、光利得領域102と光変調領域101とを含む光導波路を具えている。連続波光出力光源26は、MLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長の連続波光を発生する。電気的再生増幅発振器200は、光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、この光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域に供給する。
【解決手段】入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rateに等しい繰り返し周波数の光パルス列CLK1を生成して出力する光パルス列生成装置S1であって、MLLD 100と、連続波光出力光源26と、電気的再生増幅発振器200とを具えている。入力光信号D1は入力ポートAから入力され、生成された光パルス列CLK1は出力ポートBから出力される。MLLDは、光利得領域102と光変調領域101とを含む光導波路を具えている。連続波光出力光源26は、MLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長の連続波光を発生する。電気的再生増幅発振器200は、光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、この光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域に供給する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、長距離大容量光ファイバ通信システムの光中継器等において用いられる光パルス列生成方法及び光パルス列生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークは、伝送の長距離化及び大容量化が進められている。伝送の長距離化にともなって、光伝送路における光損失、光増幅器の多段使用によるS/N比の低下、及び光ファイバの群速度分散や光ファイバ中での非線形光学効果による波形歪が発生することなどによる、光信号の品質劣化が問題となる。周波数波形歪及び時間波形歪の発生は、伝送容量が大きくなるほど顕著な問題となる。
【０００３】
そのため、光伝送路の途中に、数十から数百キロメートルの間隔で中継器を設けて、この中継器によって、光信号の周波数波形及び時間波形を元の形状に戻す、いわゆる光信号の再生が行われている。
【０００４】
光信号の再生を行うために、品質が劣化した光信号である入力光信号から、この入力光信号のビットレートに相当する周波数（以後、ビットレート周波数ということもある。）で時間軸上に等間隔に並ぶパルス列、あるいはビットレート周波数の正弦波状の強度変化の光信号としてクロック信号を再生する必要がある。すなわち、光クロック信号再生とは、入力光信号を生成する段階で使われたクロック信号を、光パルス列あるいは正弦波の形状で、品質が劣化した光信号である入力光信号から再生させることである。
【０００５】
従来のクロック信号再生方法及び装置として、次の方法及びそれに使われる装置が知られている。すなわち、入力信号を光電変換して電気信号に変換して、この電気信号を、フィルタリングすることによって、クロック信号を再生する方法である。
【０００６】
具体的には、次のように行われる。まず。入力光信号をフォトダイオード等の光電変換素子を利用して光電変換して電気信号に変換する。そして、この電気信号を、この電気信号の中心周波数が入力光信号のビットレート周波数あるいはビットレート周波数に近い狭帯域の電気フィルタによってフィルタリングして、入力光信号のビットレート周波数に等しい電気信号成分のみを再生する。こうして再生された電気信号成分は、入力光信号のビットレートの周波数に等しい周波数のパルス列、あるいは正弦波であるから、入力光信号から再生されたクロック信号となる。
【０００７】
こうして再生されたクロック信号を用いて、半導体レーザ等の光パルスレーザ装置を動作させることによって、光クロック信号が得られる。すなわち、この従来のクロック信号再生方法は、光電変換器を利用して、品質が劣化した光信号である入力光信号から、入力光信号のビットレートの周波数に等しい光クロック信号を再生する方法である。
【０００８】
あるいはまた、位相雑音が低いクロック信号を再生するために、電圧制御型電気発振回路（VCO: Voltage-controlled Oscillator）と位相比較器を具えて構成される位相同期帰還（PLL: Phase-Lock loop）回路を用いる方法等が知られている（例えば、非特許文献1参照）。
【非特許文献１】Hitoshi Murai, Masatoshi Kagawa, Hiromi Tsuji, and Kozo Fujii, "EA Modulator-Based Optical Multiplexing/Demultiplexing Techniques for 160 Gbit/s OTDM Signal Transmission", JEICE TRANS. ELECTRON, vol. E88-C, No. 3, p. 309-318, MARCH 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光通信ネットワークの大容量化のために主要な役割を果たしている技術は、波長多重（WDM: Wavelength Division Multiplexing）方式による波長チャンネル多重技術である。WDM方式において更なる波長チャンネル数の増大を実現するためには、使用波長帯域を広くすることが必要となる。また、使用波長帯域を広くすることに伴って、広い波長帯域にわたって発振波長を変えることが可能である波長可変レーザや、ネットワークノードにおける波長衝突回避のための波長変換回路等、波長可変特性を有する光源デバイス、信号処理装置等が必要とされる。
【００１０】
これらのデバイスあるいは装置は、利用される光通信システムの高度化、低コスト化、低消費電力化のために、低コストでかつ省電力化されていることが求められる。光通信システムの構成要素として利用される光クロック信号抽出装置も、当然に、低コストでかつ省電力化されていることが求められる。
【００１１】
光クロック信号抽出装置に対しては、入力光信号の波長が異なっても、再生される光クロック信号の波長は、入力光信号の波長に依存せずに、予め決められた波長に固定されているという特性が求められる。あるいは、逆に再生される光クロック信号の波長を、入力光信号の波長とは異なる所望の波長に変換することが可能であるという特性が求められる。このように、光クロック信号抽出装置に対しては、入力される入力光信号と、再生される光クロック信号の波長との関係において、柔軟性が求められる。
【００１２】
また、上述のように、波長に関する柔軟性を有し、広い波長帯域にわたり高い精度を以って入力光信号の波長と光クロック信号の波長との関係を確定することが可能である光クロック信号再生装置を、同一の素子構造でかつ同一半導体素材で実現することも必要とされる。
【００１３】
光通信システムにおいて求められる、波長に関する上述の十分な柔軟性及び高い波長変換精度を保障された光クロック信号再生装置が実現されれば、入力光信号の波長あるいは再生される光クロック信号の波長ごとに、異なる素子構造あるいは構成素材を準備する必要がない。これによって、光クロック信号再生装置の在庫コストを低減でき、ひいては利用する光通信システムのコストダウンが実現される。
【００１４】
なお、以後の説明においては、電気信号の状態のクロック信号を扱うことはないので、クロック信号とは、光信号の状態のクロック信号である光クロック信号を意味するものとする。また、この光クロック信号とは、入力光信号のビットレート周波数の逆数で与えられる周期で光パルスが時間軸上に並ぶ光パルス列を指すものとし、光信号、あるいは入力光信号とは、2値デジタル信号として生成されたRZ(Return to Zero)信号等を指すものとする。
【００１５】
従って、この発明の目的は、入力光信号の波長とこの入力光信号から生成される光パルス列の波長との関係において柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って両者の波長の関係を確定することが可能である光パルス列生成方法及びこの方法を実現する光パルス列生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の課題を解決するため、この発明の発明者が鋭意研究を行った結果、光利得領域と光変調領域とを含む光導波路を具えるモード同期半導体レーザ（MLLD: Mode-Locked Laser Diode）と、光変調領域で発生する光起電力信号を入力しこの光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域に供給する電気回路とを具える構成とすれば、この電気回路は電気的再生増幅発振回路として機能することに着目した。そして、このMLLDに、入力光信号と当該MLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長の連続波光とを入力すれば、後述する、再生モード同期によるMLLDのモード同期動作、光パルス列生成動作及び生成光パルス列の波長決定動作が実現されることを確かめた。
【００１７】
すなわち、MLLDと上述の電気的再生増幅発振回路を組み合わせることによって、波長に関する柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って入力光信号の波長と光クロック信号の波長との関係を確定することが可能である光パルス列生成方法が実現すること、及びこの方法を実現する光パルス列生成装置を提供することが可能であることを確かめた。
【００１８】
そこで、この発明の要旨によれば、以下の構成の光パルス列生成方法及びこの方法を実現するための光パルス列生成装置が提供される。
【００１９】
この発明の光パルス列生成方法は、入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成方法であって、光入力ステップと、電気再生発振ステップと、光パルス列出力ステップとを含んで構成される。
【００２０】
光入力ステップは、好ましくは、反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含み、光利得領域と光変調領域とが直列に配列された光導波路を具えるMLLDに、入力光信号と、当該MLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長の連続波光とを入力するステップとするのがよい。
【００２１】
電気再生発振ステップは、好ましくは、光変調領域で発生する光起電力信号を取り出して、この光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して、この光変調領域に供給するステップとするのがよい。
【００２２】
光パルス列出力ステップは、好ましくは、入力光信号と同期し、連続波光の波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長であって、かつビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列を光導波路から出力させるステップとするのがよい。
【００２３】
また、この発明の他の光パルス列生成方法は、光入力ステップと、電気再生発振ステップと、共振モード波長調整ステップと、光パルス列出力ステップとを含んで構成するのが好適である。この実施形態の光パルス列生成方法よれば、上述のMLLDとして、反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域と、実効屈折率が外部からの電気信号あるいは熱信号によって調整される受動導波路領域とを含み、光利得領域と光変調領域と受動導波路領域とが直列に配列された光導波路を具えるMLLDが利用される。
【００２４】
そして、共振モード波長調整ステップは、連続波光の波長に追随して光注入同期現象が発現するように、外部からの電気信号あるいは熱信号によって受動導波路領域の実効屈折率を変化させて、MLLDの共振モード波長を調整するステップとするのが好適である。
【００２５】
上述の光パルス列生成方法を実現するこの発明の第1光パルス列生成装置は、入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成装置であって、MLLDと、連続波光出力光源と、電気的再生増幅発振器とを具えているのが好適である。
【００２６】
MLLDは、好ましくは、反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含み、光利得領域と光変調領域とが直列に配列された光導波路を具えているのがよい。
【００２７】
連続波光出力光源は、好ましくは、MLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光を発生するのがよい。
【００２８】
電気的再生増幅発振器は、好ましくは、光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、この光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域に供給するのがよい。
【００２９】
そして、この第1実施形態の光パルス列生成装置によれば、入力光信号と連続波光出力光源から出力される連続波光とが上述のMLLDが具える光導波路に入力されて、入力光信号と同期し、連続波光の波長に等しい波長であって、かつビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列が光導波路から出力される構成とされているのが好適である。
【００３０】
また、この発明の第2光パルス列生成装置は、上述の反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含む光導波路を具えるMLLDに代えて、光利得領域と光変調領域と受動導波路領域とを含む光導波路を具えるMLLDを利用して構成するのが好適である。この構成とした光パルス列生成装置にあっては、上述の第1実施形態の光パルス列生成装置が具える構成要素に更に、受動導波路領域に変調信号を供給する変調信号供給源を具えて構成される。
【００３１】
この発明の第1及び第2光パルス列生成装置は、好ましくは、更に、入力光信号の偏波方向が、MLLDの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、連続波光の偏波方向が、MLLDの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、入力光信号と連続波光とを合波する光合波器と、光合波器から出力される合波入力光信号が入力されて、合波入力光信号の進行方向と逆向きに進む光を遮断する第１光アイソレータと、MLLDの具える光導波路から出力される光パルス列を透過し、光パルス列と逆向きに進む光を遮断する第2光アイソレータと、光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタと、を具えて構成するのがよい。
【００３２】
この発明の第3光パルス列生成装置は、好ましくは、更に、入力光信号と連続波光とを合波する光合波器と、光合波器から出力される合波入力光信号をMLLDに入力させ、かつMLLDから出力される光パルス列を外部に出力する光サーキュレータと、光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタとを具えて構成するのがよい。
【００３３】
また、この発明の第3光パルス列生成装置は、更に、入力光信号の偏波方向が、MLLDの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、連続波光の偏波方向が、MLLDの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、入力光信号と連続波光とを合波する光合波器と、光合波器から出力される合波入力光信号をMLLDに入力させ、かつMLLDから出力される光パルス列を外部に出力する光サーキュレータと、光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタとを具えて構成するのがよい。
【００３４】
この発明の第4光パルス列生成装置は、好ましくは、上述の第1〜第3MLLDが具える光変調領域の光導波路をバルク結晶によって形成し、第2光アイソレータとして、特定方向の偏波面を持つ偏波光に対しては光アイソレータとして機能しこの特定方向と直交する偏波面を持つ偏波光に対しては遮断効果を有する、偏波選択型光アイソレータを利用して構成するのがよい。
【００３５】
また、この発明の第4光パルス列生成装置は、好ましくは、上述の光変調領域の光導波路を伸張歪が導入された多重量子井戸構造によって形成し、第2光アイソレータとして偏波選択型光アイソレータを利用して構成するのがよい。
【００３６】
上述の第1〜第4の光パルス列生成装置が具える電気的再生増幅発振器は、好ましくは、当該電気的再生増幅発振器の電気フィードバックループの電気的遅延時間を変化させ、当該電気的再生増幅発振器の発振周波数を制御する電気位相シフタと、入力光信号のビットレート周波数を中心透過周波数とする電気バンドパスフィルタと、当該電気的再生増幅発振器の電気フィードバックループを周回する電気信号を増幅する電気増幅器とを具えて構成するのがよい。
【発明の効果】
【００３７】
この発明の光パルス列生成装置によれば、上述した光利得領域と光変調領域とを含む光導波路を具えるMLLDと、光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、この光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域に供給する電気的再生増幅発振器を具えている。
【００３８】
このような構成の光パルス列生成装置のMLLDの具える光導波路に、入力光信号とMLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光とが入力され、電気的再生増幅発振器によって電気再生発振ステップが実行される。
【００３９】
すなわち、光変調領域で何らかの光変調がなされると、MLLDの光共振器作用により選択的に増強されたモード周波数成分が、同時に上述の電気回路による電気的再生増幅発振動作によっても選択されるという二重の選択増強作用が生じ、周波数選択的増幅作用が一層増強される。この結果、生成される光パルス列の繰り返し周波数と、上述の電気回路による電気的再生増幅発振動作の周波数とが一致する。このようなメカニズムで、MLLDが再生モード同期動作する（再生モード同期によるMLLDのモード同期動作）。
【００４０】
この状態のMLLDに入力光信号が入力されると、利得領域の光学利得あるいは光学吸収が、入力光信号によって変調され、この変調に伴う変調電流あるいは変調電圧が生じる。この変調電流あるいは変調電圧が閾値を超えると発振器の注入同期現象が生じ、電気的再生増幅発振動作の周波数が入力光信号のビットレート周波数に合致すると共に位相も同期する（光パルス列生成動作）。
【００４１】
上記の状態のMLLDに更にMLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光を入力すると、光注入同期現象が発現する。その結果、MLLDの発振光スペクトルの中心波長が連続波光の波長と合致し、発振スペクトル帯域の低減効果によって再生される光クロック信号の周波数チャーピングの抑制効果が生じる（生成光パルス列の波長決定動作）。
【００４２】
また、光利得領域と光変調領域と受動導波路領域とを含む光導波路を具えるMLLDを利用して構成される光パルス列生成装置において、上述の共振モード波長調整ステップを実行することによって、MLLDの共振モード波長を変化させることができる。すなわち、連続的に変化させた連続波光の波長に追随して、光注入同期現象が生じるようにMLLDの共振モード波長を変化させることができるので、連続的に波長可変な光パルス列生成動作が可能となる。
【００４３】
以上説明した様に、この発明の光パルス列生成装置による光パルス列生成方法が実行されると、生成される光パルス列の波長は、入力される連続波光の波長によって高い精度で確定される。また、連続波光の波長を変えることによって生成される光パルス列の波長を任意に変更することが可能であり、この変更可能な波長範囲は、MLLDのモード同期動作が可能な範囲でかつ連続波光源の波長変更可能な範囲である。すなわち、入力光信号の波長とこの入力光信号から再生される光クロック信号の波長の関係において柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って両者の波長の関係を確定することが可能である光パルス列生成方法及びこの方法を実現する装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、光パルス生成装置の説明に供する各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、各図において同様の構成要素については、同一の符号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。また、以下に示す光パルス列生成装置に関する概略的構成図においては、光ファイバを太線で示し、電気信号の経路を細線で示してある。
【００４５】
＜第1実施形態の光パルス列生成装置＞
図1を参照して、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1の構成及びその動作について説明する。図1は、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1の概略的構成図である。
【００４６】
＜第1実施形態の光パルス列生成装置の構成＞
第1実施形態の光パルス列生成装置S1は、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に等しい繰り返し周波数の光パルス列CLK1を生成して出力する光パルス列生成装置であって、MLLD 100と、連続波光出力光源26と、電気的再生増幅発振器200とを具えている。入力光信号D1は入力ポートAから入力され、生成された光パルス列CLK1は出力ポートBから出力される。
【００４７】
MLLD 100は、共振器端面L1及びR1を具える半導体レーザ素子であり、モード同期動作が実現されたときに発生する光パルス列の繰り返し周波数が、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に近似した周波数であるという特性を有している。ここで、MLLD 100の繰り返し周波数が、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に近似するとは、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)と、MLLD 100が生成する光パルス列の繰り返し周波数との差が、周波数引き込み現象が発現する程度に小さいことをいう。
【００４８】
MLLD 100は、光変調領域101と利得領域102とを含む光導波路を第1クラッド層103と第2クラッド層104とで挟んだ構成の半導体レーザ素子である。第2クラッド層104の側には共通電極107が形成されており、この共通電極107は接地されている。光変調領域101には、光変調領域電極105を介して光起電力信号がとりだされ、かつこの光起電力信号から入力光信号D1のビットレート周波数成分の電気信号が供給される。一方、光利得領域102には光利得領域電極106を介してレーザ発振に必要な順方向電流が定電流源201から供給される。
【００４９】
光変調領域は、光変調領域電極105、第1クラッド層103、光変調領域の光導波路、第2クラッド層104及び共通電極107から成る構成部分であるが、単に光変調領域の光導波路を指して光変調領域101と表現するものとする。また同様に、光利得領域は、光利得領域電極106、第1クラッド層103、光利得領域の光導波路、第2クラッド層104及び共通電極107から成る構成部分であるが、単に光利得領域の光導波路を指して光利得領域102と表現するものとする。
【００５０】
上述したように、MLLD 100は多電極構造を有する半導体レーザ素子であって、レーザ発振を得るための反転分布が形成される光利得領域102と、モード同期動作を発現させるための光スイッチとして動作する光変調領域101とを含む光導波路を具えている。光変調領域101は、光利得領域102を一部分割した領域、あるいはMLLD 100のレーザ発振光に対して電界吸収型光変調器として動作する材料組成を以って形成された領域、あるいはまたMLLD 100のレーザ発振光に対して可飽和吸収体として動作する材料組成を以って形成された領域である。
【００５１】
いずれにしても、MLLD 100は、光変調領域101に対して外部からに与えられる変調電圧あるいは変調電流によって、この領域の光導波路の光学利得あるいは光学吸収が変調され、この領域が光スイッチとして動作することによってモード動作する。
【００５２】
図1に示す第1実施形態の光パルス列生成装置S1が具えるMLLD 100は、光変調領域101が共振器端面L1の側に配置されているが、この領域の配置場所は図示例に限定されることはなく、共振器端面R1の側に配置しても、あるいは両共振器端面L1及びR1との間に配置しても良い。一方、光利得領域102においても同様に光共振器内のいずれの場所に配置しても良い。
【００５３】
MLLD 100の構成材料系は、入力光信号及び生成される光パルス列の波長に応じて決定されるモード同期動作波長に対応させてInP系、GaAs系等、様々な化合物半導体材料が選択されて利用される。また、MLLD 100を形成するために利用する半導体結晶基板も、その導電型は、p型及びn型のいずれを選択して利用することも可能である。
【００５４】
MLLD 100の構造は、分布ブラッグ反射鏡や光フィルタ等の、レーザ発振波長帯域を制限する光バンドパスフィルタとしての機能する領域を具えない、ファブリ・ペロ型半導体レーザ素子構造を採用するのが、広範な波長帯域にわたり光パルス列を生成する上で好適である。
【００５５】
電気的再生増幅発振器200と光変調領域電極105とは、バイアスティー203を介して接続されている。バイアスティー203は、光変調領域101で発生する光起電力信号を電気的再生増幅発振器200に供給し、かつ電気的再生増幅発振器200からこの光起電力信号に含まれる入力光信号D1のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域101に供給するインターフェースとしての役割を果たす。また、バイアスティー203には、電源202が接続されており、光変調領域電極105を介して光変調領域101にバイアス電流あるいはバイアス電圧を供給する。電源202は、定電流源あるいは定バイアス電圧源が利用される。
【００５６】
すなわち、バイアスティー203は、直流電気信号入力端子203-1、交流電気信号入力端子203-2、ならびに直流電気信号入力端子203-1及び交流電気信号入力端子203-2から入力された直流電気信号及び交流電気信号を結合して出力する結合出力端子203-3を具えている。また、直流電気信号入力端子203-1には、交流電気信号成分を除去するコイル203-4が接続されており、交流電気信号入力端子203-2には直流電気信号成分を除去するコンデンサー203-5が接続されている。
【００５７】
バイアスティー203の交流電気信号入力端子203-2と、電気サーキュレータ204の第2端子204-2が接続されている。電気サーキュレータ204の第1端子204-1から入力された電気信号は第2端子204-2から出力され、第2端子204-2から入力された電気信号は第3端子204-3から出力される。
【００５８】
図1においては、電気サーキュレータ204の第3端子204-3に電気的再生増幅発振器200を構成する電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207が接続され、電気位相シフタ207の出力が電気サーキュレータ204の第1端子204-1に入力される構成とされている。しかしながら、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207の接続順序はこの図示例に限定されず、これら3つの構成要素が電気サーキュレータ204の第3端子204-3と第1端子204-1の間に配置されていれば良い。
【００５９】
電気バンドパスフィルタ205は、その中心透過周波数が入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に近似する電気バンドパスフィルタを利用する。また、電気増幅器206は、周波数fbit-rate(Hz)において利得が得られるタイプの電気増幅器を利用する。
【００６０】
上述の電気的再生増幅発振器200は、図1に示すように電気サーキュレータ204を用いて構成することが可能であるが、電気サーキュレータ204の代わりに電気分配合波器を利用して構成することも可能である。図2を参照して電気分配合波器を利用して構成される電気的再生増幅発振器の例を説明する。図2は、電気分配合波器を利用して構成される電気的再生増幅発振器の概略的ブロック構成図である。
【００６１】
電気分配合波器208は、電気信号の入出力を共用する第1端子208-1、この第1端子208-1に入力された電気信号を出力する第2端子208-2と、第1端子208-1から出力させる電気信号を入力する第3端子208-3とを具えている。図2に示すように、バイアスティー203の交流電気信号入力端子203-2に電気分配合波器208の第1端子208-1が結合されている。電気分配合波器208の第2端子208-2から出力される電気信号は電気バンドパスフィルタ205に入力され、電気バンドパスフィルタ205から出力される電気信号は電気増幅器206に入力され、電気増幅器206から出力される電気信号は電気位相シフタ207に入力され、電気位相シフタ207から出力される電気信号は電気分配合波器208の第3端子208-3に入力される構成とされている。
【００６２】
電気サーキュレータを用いて構成される電気的再生増幅発振器と同様に、図2に示す電気分配合波器を用いて構成される電気的再生増幅発振器においても、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207の配列順序は、図2に示す順序に限定されることはなく、自由に配列してもよい。
【００６３】
連続波光出力光源26から出力される連続波光CW1の波長λcは、MLLD 100の共振器モードの一つに近似する波長である。ここで、連続波光CW1の波長λcがMLLD 100の共振器モードの一つに近似しているとは、MLLD 100の共振器モードの一つと波長λcの両者の波長差が、MLLD 100に対して連続波光CW1が入力されることによって光注入同期現象が発現する程度に小さいことをいう。
【００６４】
連続波光CW1の波長λcが近似するMLLD 100の共振器モードは、MLLD 100が連続波光CW1や入力光信号D1が入力されないで駆動されている状態でレーザ発振する共振器モードである必要はない。すなわち、連続波光CW1の波長λcが近似するMLLD 100の共振器モードが、MLLD 100が連続波光CW1や入力光信号D1の入力なしで駆動されている状態では、レーザ共振していないモードであってもこの発明の光パルス列生成動作は実現される。
【００６５】
入力光信号D1は、そのビットレート周波数がfbit-rate(Hz)であり、中心波長がλD(≠λc)であって、この入力光信号D1に基づいて光パルス列が生成される。入力光信号D1に関しては、現状の光通信で用いられている、単純な振幅変調信号や位相変調信号だけでなく、一度に2ビット(4値)以上の信号を送ることが可能であるQPSK(Quadrature Phases Shift Keying)信号などの光多値変調信号も対象となる。ただし、入力光信号D1が光多値変調信号である場合には、光多値変調信号のシンボルレートが、単純な振幅変調信号や位相変調信号におけるビットレートに対応し、繰り返し周波数が光多値変調信号のシンボルレートに相当する光パルス列が生成される。
【００６６】
図1に示すように、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1の入力ポートAから入力される連続波光CW1と入力光信号D1とは光合波器10によって合波されて、第1結合レンズ14を介してMLLD 100が具える光導波路に共振器端面L1から入力される。
【００６７】
光合波器10は、光ファイバを融着して形成される光カプラ等が利用される。また、入力光信号D1の波長λDと連続波光CW1の波長λcとが異なる場合は、WDM (Wavelength Division Multiplexing)カプラを利用するのが好適である。
【００６８】
また、共振器端面L1から反射して、入力ポートAの方向に戻る反射戻り光を遮断するために、光合波器10と共振器端面L1とを結ぶ光経路中のいずれかの箇所に第1光アイソレータ12を挿入するのが望ましい。
【００６９】
連続波光CW1の偏光状態は、MLLD 100の共振器端面L1に到達するときに、MLLD 100の発振偏波と合致するようにその偏波状態を制御するのがよい。一般にMLLD 100の発振偏波は、MLLD 100が具える光導波路の幅の方向（p-n接合に平行な方向）に偏波したTE(Transverse Electric)モードである。すなわち、連続波光CW1の偏光状態は、MLLD 100の共振器端面L1に到達するときにTEモードとなるように調整されているのがよい。
【００７０】
このように連続波光CW1の偏波状態を調整するために、連続波光CW1がMLLD 100の共振器端面L1に到達するまでの光学経路中のいずれかの箇所に第2偏波面コントローラ24を挿入する。図1に例示する構成では、第2偏波面コントローラ24は光合波器10の前段に挿入されている。
【００７１】
また、入力光信号D1の偏波状態は、MLLD 100の共振器端面L1に到達するときに、MLLD 100の発振偏波と合致するように調整する。このように入力光信号D1の偏波状態を調整するためには、入力光信号D1がMLLD 100の共振器端面L1に到達するまでの光学経路中のいずれかの箇所に第1偏波面コントローラ22を挿入する。図1に示す構成例では、第1偏波面コントローラ22は光合波器10の前段に挿入されている。
【００７２】
MLLD 100のもう一方の共振器端面R1から生成された光パルス列が出力され、第2結合レンズ16を介して光ファイバ等に入力されて外部に取り出される。ここでも光学部品等から反射してMLLD 100の光導波路へ反射される戻り光を遮断するために、共振器端面R1と出力ポートBとを結ぶ光学経路中のいずれかの箇所に第2光アイソレータ18を挿入するのが望ましい。
【００７３】
MLLD 100から出力される出力光のうち、連続波光CW1の波長λc近傍の波長成分のみを光バンドパスフィルタ20で選択して外部に出力する。光バンドパスフィルタ20で選択される波長成分の光が、第1実施形態の光パルス列生成装置S1によって生成される光パルス列CLK1であり、この光パルス列CLK1が出力ポートBから外部に出力される。
【００７４】
＜第1実施形態の光パルス列生成装置の動作＞
この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1において得られる光パルス列生成の効果は、再生モード同期によるMLLD 100のモード同期動作、電気注入同期による光パルス列生成動作、及び連続波光注入による光注入同期現象の発現による生成光パルス列の波長決定動作が複合的に作用して得られ得る効果である。そこで、以下にこれらの動作をそれぞれ(A)から(C)の項目分けをして説明する。
【００７５】
（A）再生モード同期によるモード同期動作
MLLD 100の光変調領域101、バイアスティー203、電気サーキュレータ204、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207を図1に示すように接続することによって、いわゆる再生モード同期動作を発現させることが可能である（文献1：M. Nakazawa， E. Yoshida, and Y. Kimura, "Ultrastable harmonically and regeneratively modelocked polarisation-maintaining erbium fibre ring laser," Electronics Letters, vol. 30, No.19, pp. 1603-1605, 1994参照）。
【００７６】
すなわち、入力光信号D1と連続波光CW1の入力により（光入力ステップ）、光変調領域101で何らかの光変調が生じると、それによって生じる光起電力信号がバイアスティー203、電気サーキュレータ204を介して、電気サーキュレータ204の第3端子204-3から出力される。ここで、光起電力信号とは、変調電流あるいは変調電圧として観測される信号である。
【００７７】
この光起電力信号が電気バンドパスフィルタ205でフィルタリングされた後、電気増幅器206で増幅され、電気位相シフタ207によって位相が調整され、電気サーキュレータ204の第1端子204-1から第2端子204-2、更にはバイアスティー203を介して再度光変調領域101にフィードバックされる。このフィードバックされた電気信号によって、再び光変調領域101が光変調される。この結果、電気的な再生増幅動作がなされ（電気再生発振ステップ）、電気サーキュレータ204、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207を含む電気回路は電気的再生増幅発振器として機能する。従って、電気サーキュレータ204、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207を含む電気回路を電気的再生増幅発振器200と呼称することとする。
【００７８】
一方、MLLD 100がモード同期動作を発現した場合、光変調領域101で発生する光起電力信号の周波数成分のうち、MLLD 100のモード同期周波数、すなわち、MLLD 100が出力する光パルス列の繰り返し周波数に相当する周波数成分が最も強い。このモード同期周波数成分が電気バンドパスフィルタ205の中心透過周波数と一致すると、このモード同期周波数成分は電気バンドパスフィルタ205を過剰に損失することなく通過する。この結果、MLLD 100の光共振作用によって選択的に増強されたモード同期周波数成分が、同時に電気的再生増幅発振器200においても選択的に増幅されるという二重の選択増幅作用が発現する。すなわち、電気的再生増幅発振器200の周波数の選択的増幅作用が一層増強される。
【００７９】
この場合、MLLD 100は、電気的再生増幅発振器200から発生する電気変調信号により、光変調領域101の光学利得ないしは光学吸収が変調されるため、MLLD 100から出力される光パルス列の繰り返し周波数（モード同期周波数と等しい。）と、電気的再生増幅発振器200の発振周波数は一致する。
【００８０】
上述したフィードバック動作によって、モード同期周波数（電気的再生増幅発振器200の発振周波数に等しい。）の可変幅は、電気バンドパスフィルタ205の透過波長帯域によって律則される。また、モード同期周波数、すなわち電気的再生増幅発振器200の発振周波数は、電気フィードバックループの長さ（すなわち、電気的遅延時間）によっても決定される。従って、電気位相シフタ207の位相シフト量を変えることによって、電気フィードバックループの電気的遅延時間を変えることができ、電気的再生増幅発振器200の発振周波数を変化させることができる。この電気的再生増幅発振器200の発振周波数の変化の範囲がMLLD 100の同期周波数範囲内であれば、MLLD 100のモード同期周波数もこれに追随して変化する。すなわち、電気位相シフタ207の位相シフト量を変えることによって、MLLD 100のモード同期周波数を変えることができる。
【００８１】
この発明の目的は、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に相当する繰り返し周波数の光パルス列を生成することにある。従って、MLLD100としては、次節(B)において説明する電気的注入同期動作が発現することが可能である入力光信号のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に近似した周波数でモード同期動作を発現させることが必要となる。従って、電気バンドパスフィルタ205の中心透過周波数はfbit-rate(bit/s)の近傍である必要がある。また、モード同期周波数を、次節(B)で説明する電気的注入同期が生じるに足る周波数に至るまで位相シフト量の調整が可能である電気位相シフタが必要である。
【００８２】
この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置と、上述の文献1に開示された同種の装置との相違点は以下のとおりである。すなわち、文献1に開示された同種の装置が具えるフォトダイオードの役割を、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置のMLLD 100の光変調領域101が果している点であり、この相違よって、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置にあっては、装置そのもののコンパクト化及び部品点数の低減が実現される。
【００８３】
（B）電気注入同期による光パルス列生成動作
上述の(A)節において説明した、再生モード同期によるモード同期動作状態のMLLD 100に入力光信号D1が第1結合レンズ14を介して共振器端面L1からMLLD 100の光導波路に入力される。そうすると、MLLD 100の光変調領域101の光学利得あるいは光学吸収が、入力光信号D1の光電場によっても変調されることとなり、これに伴った光起電力が光変調領域101で発生する。入力光信号D1の光強度が強くなると、入力光信号D1によって光変調領域101で発生する光起電力が増大する。
【００８４】
この光起電力の大きさが閾値を超えると、MLLD 100において注入同期現象が発現し、電気的再生増幅発振器200の発振周波数が入力光信号D1のビットレート周波数と合致するとともに位相同期も実現される。以下の説明において、次節(C)で説明する光学的な注入同期現象と区別するため、光起電力の大きさが閾値を超えることによってMLLD 100において発現する注入同期を電気注入同期ということとする。
【００８５】
入力光信号D1は一般的にランダムに符号化された信号であり、その包絡線の時間波形の周波数スペクトルには、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)とその自然数倍の周波数成分以外の様々なスペクトル成分を含んでいる。ここで、入力光信号D1の包絡線の時間波形の周波数スペクトルは、入力光信号D1のパワースペクトルと呼ばれることもある。
【００８６】
入力光信号D1のパワースペクトルには、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)とその自然数倍の周波数成分以外の様々なスペクトル成分を含んでいるが、fbit-rateに等しい周波数成分は電気的再生増幅発振器200による周波数選択及び増幅による二重の選択増幅作用により、他の周波数成分より格段に強い増幅がなされている。従って、MLLD 100からは、入力光信号D1のビットレート周波数と一致した光パルス列が出力される（光パルス列出力ステップ）。
【００８７】
電気注入同期による光パルス列生成動作を、弱い強度の入力光信号D1であっても発現させるためには、入力光信号D1によって光変調領域101で発生する光起電力を増大させる手法をとるのが望ましい。この手法の一つとして、MLLD 100における光共振作用を利用するのが好適である。MLLD 100における光共振作用は、入力光信号D1の偏波状態が、MLLD 100の発振偏波状態と合致する場合に最強となる。従って、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1においては、入力光信号D1の偏波状態は、MLLD 100の共振器端L1に到達するときに、MLLD 100の発振偏波状態と合致するように、第1偏波面コントローラ22によって、その偏波状態を制御する構成とされている。
【００８８】
（C）連続波光注入による光注入同期現象の発現による生成光パルス列の波長決定動作と周波数チャーピングの抑制効果
上述の(A)再生モード同期によるモード同期動作、及び(B)電気注入同期による光パルス列生成動作の結果、入力光信号D1のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列がMLLD 100によって生成される。再生モード同期によるモード同期動作及び電気注入同期による光パルス列生成動作状態のMLLD 100に連続波光CW1を入力すると、MLLD 100は連続波光CW1に対して光学的な注入同期（光注入同期という。）現象が発現する。
【００８９】
その結果、MLLD 10の発振光スペクトルの中心波長が連続波光CW1の波長λcに合致すると共に、発振スペクトル帯域の低減による周波数チャーピング抑制効果が生じる（文献2：S. Arahira, H. Yaegashi, K. Nakamura, and Y Ogawa, "Chirp Control and Broadband Wavelength-Tuning of 40-GHz Monolithic Actively Mode-Locked Laser Diode Module with an External CW Light Injection," IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 11, No. 5, pp. 1103-1111 (2005)）。
【００９０】
連続波光CW1の波長を変化させると、それに追随してMLLD 100の発振中心波長が変化する。すなわち、これにより生成される光パルス列の波長可変が実現される。連続波光CW1の波長を変化させる際、連続波光CW1の強度も調整すれば、連続波光CW1の波長が変化しても発振スペクトル帯域の低減効果を持続させることができ、生成される光パルス列の周波数チャーピングの抑制効果も持続させることが可能である。
【００９１】
すなわち、生成される光パルス列の波長は、連続波光CW1の波長λcによって決定されることを意味する。このことにより、入力光信号D1の波長が変化しても、生成される光パルス列の波長を一定に維持したり、あるいは、一定波長に固定された入力光信号D1に対して、生成される光パルス列の波長を変化させたりすることが可能となる。言い換えると、入力光信号D1の波長と生成される光パルス列の波長の関係に柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って両者の波長の関係を確定することが可能である光パルス列生成装置が実現される。
【００９２】
光注入同期が発現する波長帯域は、主としてMLLD 100の利得帯域によって制限される。生成される光パルス列の波長を広範囲にわたり可変とするためには、MLLD 100に、分布ブラッグ反射鏡や光フィルタ等の利得帯域を制限する光バンドパスの役割を果たす構成要素を含ませないことが望ましい。従って、MLLD 100としては、ファブリ・ペロ型半導体レーザ素子構造を採用するのが好適である。
【００９３】
また、上述の文献2に記載されているように、連続波光CW1のMLLD 100への入力強度を調整するという簡便な手法で、生成される光パルス列の周波数チャーピングの抑制効果を維持しつつ、MLLD 100における発振スペクトル帯域を調整することが可能である。発振スペクトル帯域が調整可能であるということは、生成される光パルス列を構成する個々の光パルスの時間波形の半値幅を調整することが可能となることを意味している。これは、発振スペクトル帯域と光パルスの時間波形の半値幅とは互いにフーリエ変換で規定される関係にあり、発振スペクトル帯域と光パルスの時間波形の半値幅とは反比例する関係にあるからである。
【００９４】
以上説明した様に、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1によれば、生成される光パルス列の中心波長を変化させることに加えて、生成される光パルス列を構成する個々の光パルスの時間波形の半値幅も調整可能であるという効果が得られる。
【００９５】
光注入同期動作を実現するには、少なくとも、連続波光CW1とMLLD 100の発振偏波状態が一致していることが必要である。従って、第2偏波面コントローラ24を用いて、連続波光CW1の偏波状態をMLLD 100の共振器端面L1において、連続波光CW1とMLLD 100の発振偏波状態が一致するようにその偏波状態を制御する。
【００９６】
なお、光注入同期動作は連続波光CW1の波長λcがMLLD 100の共振モードの一つに近似した場合に発現する。すなわち、光注入同期動作により生成される光パルス列の波長可変特性は、MLLD 100の共振モード間隔と対応する離散的な可変特性である。
【００９７】
また、連続波光CW1の波長λcが近似するMLLD 100の共振モードが、MLLD 100が連続波光CW1や入力光信号D1が入力されていないで駆動されている状態で、レーザ発振している共振器モードである必要はない。すなわち、連続波光CW1の波長λcが近似するMLLD 100の共振モードが、MLLD 100が連続波光CW1や入力光信号D1の入力なしで駆動されている状態では、レーザ共振していないモードであってもこの発明の効果は得られる。
【００９８】
この理由は、MLLD 100に外部から光を入力すると、光利得領域102においてその入力された光の波長に対応するバンド間遷移での誘導放出が増強されることにある。この誘導放出の増強の影響は、MLLD 100の発振閾値を低減する効果として現れ、外部から光が入力されることによって、外部からの光の入力がない状態ではレーザ発振しなかった共振器モードのレーザ発振が促されるからである。
【００９９】
光注入同期が生じる状態、すなわち、MLLD 100内で光共振条件が満足される状況では、外部からの光の入力がない状態ではレーザ発振しなかった共振器モードのレーザ発振が外部からの光の入力により促進される。すなわち、外部からの光の入力がない状態ではレーザ発振しなかった共振器モードも、連続波光CW1の入力によって光注入同期が生じた場合レーザ発振に至るので、このような共振器モードに相当する波長の光パルス列を生成することが可能である。
【０１００】
上述した(B)電気注入同期による光パルス列生成動作と(C)連続波光注入による光注入同期による光パルス列生成動作とは、その発現順序が上述の記載順序に発現して光パルス列が生成されるわけではない。記載の順序とは逆に、光注入同期による再生モード同期半導体レーザの波長決定及び波長可変作用と、周波数チャーピングの抑制効果が生じた上で、電気注入同期による光パルス列生成動作が生じて、その結果として波長可変の光パルス列生成動作が可能となったものと見ることもできる。すなわち、電気注入同期及び光注入同期による作用は、入力光信号D1及び連続波光CW1がMLLD 100の光導波路中で共存することに基づき複合的に生じる作用である。
【０１０１】
MLLD 100からは、共振器端面L1と対となるもう一方の共振器端面R1から、生成された光パルス列が第2結合レンズ16を介して光ファイバ等に入力されることによって外部に取り出される。この外部に取り出された出力光には、入力光信号D1の再生光クロック信号に相当する波長λcの信号成分（生成された光パルス列）、及び入力光信号D1がMLLD 100を通過して出力された波長λDの信号成分が含まれている。また、場合によっては、連続波光CW1の入力によってもレーザ発振を抑制しきれなかった、連続波光CW1の波長λcとは異なる波長であるMLLD 100の残存レーザ発振波長成分が含まれることもある。このような残存レーザ発振成分は、特に、連続波光CW1の波長が、MLLD 100内で光注入同期現象が発現する波長帯域の最大波長及び最小波長に近い場合に顕著となる。
【０１０２】
MLLD 100から出力される出力光の波長成分のうち、必要とされるのは連続波光CW1の波長λcに等しい波長の光パルス列を構成する成分のみである。MLLD 100から出力される出力光の波長成分のうち波長がλDである波長成分は、光パルスのピーク強度がランダムに変動して時間軸上に並ぶ符号化された入力光信号の成分を含む。また、残存レーザ発振成分は、連続波光CW1による周波数チャープ抑制の恩恵を受けていない成分であるから、この成分が残存していると周波数チャープ成分が残存していることにもなる。従って、波長がλDである波長成分は出力光から除去する必要がある。
【０１０３】
この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1においては、光バンドパスフィルタ20を第2光アイソレータ18の後段に配置して、MLLD 100の光導波路から出力される出力光から、波長がλDである波長成分を除去する構成とされている。すなわち光バンドパスフィルタ20からは、連続波光CW1の波長λcに等しい波長の光パルス列を構成する成分のみが透過され、光パルス列生成装置S1からは連続波光CW1の波長λcに等しい波長の光パルス列が出力される。
【０１０４】
＜第2実施形態の光パルス列生成装置の構成及び動作＞
図3を参照して、この発明の第2実施形態の光パルス列生成装置S2の構成及びその動作について説明する。図3は、この発明の第2実施形態の光パルス列生成装置S2の概略的構成図である。
【０１０５】
第2実施形態の光パルス列生成装置S2が上述の第1実施形態の光パルス列生成装置S1と相違する点は、第2実施形態の光パルス列生成装置S2が具えるMLLD 150が、光変調領域101及び光利得領域102に、更に光導波路の実効屈折率を調整するための受動導波路領域110を具えていることである。これ以外には、第1実施形態の光パルス列生成装置S1との構造上の相違点はないので、以下受動導波路領域110に関しての説明をし、第1実施形態の光パルス列生成装置S1と共通する部分についての説明は省略する。
【０１０６】
受動導波路領域110は、外部からの電流注入、電圧印加、あるいは温度コントロールをすることによって熱光学効果等を発現させることによって実効屈折率が変調可能とされている。すなわち、受動導波路領域110に外部から電流注入することにより生じるプラズマ効果、あるいは電圧印加することによって生じるポッケルス効果によって実効屈折率が変調される。受動導波路領域110の実効屈折率を変調のために利用する自然法則としては、上述以外にもバンドフィリング効果や、量子サイズ効果である量子閉じ込めシュタルク効果等も利用することが可能である。
【０１０７】
図3に示す例では、変調信号供給源210から受動導波路領域電極111を介して受動導波路領域110に電流注入あるいは電圧印加を実行することが可能な構成とされている。受動導波路領域110は、図3に示す例に限定されることなく、マイクロヒータ等を設置してこのマイクロヒータを外部からの変調信号供給源から供給される電力により温度コントロールすることによって、熱光学効果を利用して実効屈折率を変調する構成とすることも可能である。
【０１０８】
受動導波路領域110を新たに設けることにより、受動導波路領域110の実効屈折率を変化させることができ、MLLD 150の共振モード波長を変化させることが可能となる。従って、連続的に変化させた連続波光CW1の波長λcに追随して、光注入同期現象が生じるようにMLLD 150の共振モード波長を変化させることができるので、生成される光パルス列の波長を連続的に変更することが可能となる（共振モード波長調整ステップ）。
【０１０９】
＜第3実施形態の光パルス列生成装置の構成及び動作＞
図4を参照して、この発明の第3実施形態の光パルス列生成装置S3の構成及びその動作について説明する。図4は、この発明の第3実施形態の光パルス列生成装置S3の概略的構成図である。
【０１１０】
第3実施形態の光パルス列生成装置S3が上述の第1実施形態の光パルス列生成装置S1と相違する点は、光サーキュレータ30が利用され、入力光信号D1及び連続波光CW1が光サーキュレータ30を介してMLLD 100の共振器端面L1から入力され、MLLD 100で生成される光パルス列CLK1が光サーキュレータ30を介して外部に取り出される構成とされている点である。すなわち、第3実施形態の光パルス列生成装置S3によれば、入力光信号D1及び連続波光CW1が共振器端面L1から入力される一方、生成される光パルス列CLK1も共振器端面L1から出力される。
【０１１１】
このような構成とすることによって、第1実施形態の光パルス列生成装置S1において必要とされた第2結合レンズ16及び第2光アイソレータ18が不要となる。
【０１１２】
光サーキュレータ30は、第1端子30-1、第2端子30-2及び第3端子30-3を具えている。第1端子30-1から入力された光は第2端子30-2に出力され、第2端子30-2から入力された光は第3端子30-3から出力される。
【０１１３】
光合波器10から出力される、入力光信号D1と連続波光CW1との合波出力は第1端子30-1に入力される。また、第2端子30-2から出力される入力光信号D1と連続波光CW1との合波出力は、第1結合レンズ14を介してMLLD 100の共振器端面L1からMLLD 100の光導波路に入力される。また、第3端子30-3から出力される光信号は、光バンドパスフィルタ20に入力される。光バンドパスフィルタ20から出力される光信号(生成された光パルス列)は、出力ポートBから外部に出力される。
【０１１４】
以上説明した構成以外には、第1実施形態の光パルス列生成装置S1との構造上の相違点はないので、第1実施形態の光パルス列生成装置S1と共通する部分についての説明は省略する。また、第3実施形態の光パルス列生成装置S3における光パルス列生成の原理は、上述した第1実施形態の光パルス列生成装置S1と同一である。
【０１１５】
＜第4実施形態の光パルス列生成装置の構成及び動作＞
この発明の第4実施形態の光パルス列生成装置の特徴は、第1〜第3実施形態の光パルス列生成装置が具えるMLLD 100あるいはMLLD 150(以後、代表してMLLD100として説明する)の光変調領域101を構成する光導波路が、バルク結晶あるいは伸張歪みを導入した多重量子井戸構造で構成されていることである。また、光バンドパスフィルタ20を取り外し、その代わりに第2光アイソレータ18に、TE偏波方向の光に対しては光アイソレータとして機能し、TM(Transverse Magnetic)偏波方向の光は遮断する偏波選択型光アイソレータを採用する点が特徴である。
【０１１６】
また、第4実施形態の光パルス列生成装置によって光パルス列を生成するに当たっては、入力光信号D1がMLLD 100の共振器端面L1に到達した時点で、MLLD 100の発振偏波と合致するように、入力光信号D1の偏波状態を第1偏波面コントローラ22によって調整して設定する。
【０１１７】
上述の(B)節で説明した電気注入同期による光パルス列の生成動作は、MLLD 100の光変調領域101の光学利得あるいは光学吸収が、入力光信号D1によって変調されることによって生じる。すなわち、このような光変調作用が光変調領域101で生じさえすれば、入力光信号D1の偏波状態はどのようなものであってもかまわない。
【０１１８】
入力光信号D1の偏波状態は、MLLD 100の共振器端面L1に入力光信号D1が到達したときにMLLD 100の発振偏波と合致するように、第1偏波面コントローラ22によって調整される。
【０１１９】
ここで、MLLD 100の光変調領域101の光学利得あるいは光学吸収の変調深さが、電気的再生増幅発振器200に対して電気的注入同期現象を発現するために十分な深さであるものとする。この条件下では、(B)節で説明した電気注入同期による光パルス列の生成動作原理に基づき光パルス列の生成が成される。
【０１２０】
また、この動作が発現すると同時に(C)節で説明した連続波光注入による光注入同期現象の発現による生成光パルス列の波長決定動作と周波数チャーピングの抑制効果に基づき、連続波光CW1を入力して、MLLD 100に光注入同期動作を起こさせると、再生される光パルス列の波長可変効果が得られる。
【０１２１】
入力する連続波光CW1の偏波状態は、光注入同期の動作原理に基づき、上述の第1実施形態の光パルス列生成装置S1の場合と同様に、MLLD 100の発振偏波と一致するように第2偏波面コントローラ24によって調整される。
【０１２２】
上述したように、MLLD 100から出力される出力光には、波長がλcである生成された光パルス信号成分、及び波長がλDである入力光信号D1成分が含まれている。一方、ここでは、連続波光CW1の波長λcはMLLD 100内で光注入同期現象が発現する波長帯域内にあることによって、残存レーザ発振波長成分が十分に小さく抑制された状態であるとする。また、入力光信号D1の偏波状態は、MLLD 100の発振偏波、すなわち、生成される光パルス列の偏波状態と合致している。
【０１２３】
従って、第2光アイソレータ18として偏波選択型光アイソレータを用いれば、生成される光パルス列に相当する波長λcの信号成分のみを選択的に第2光アイソレータ18から出力させることが可能である一方、入力光信号D1がMLLD 100を通過して出力される波長λDの信号成分を遮断することが可能である。すなわち、偏波選択型光アイソレータとして機能する第2光アイソレータ18からは、最終的に取得目的である生成光パルス列CLK1が出力される。従って、上述の第1実施形態の光パルス列生成装置S1において必要とされている、波長λDの信号成分を遮断するための光バンドパスフィルタ20が不要となる。
【０１２４】
MLLD 100のレーザ発振偏波と合致した偏波の入力光信号D1に対しても、光変調領域101において有効な光学利得あるは光学吸収の変調効果を発生させるため、第4実施形態の光パルス列生成装置が具えるMLLD 100の光変調領域101として、バルク結晶あるは伸張歪みを導入した多重量子井戸構造を採用する。InPやGaAsなどIII-V族半導体のバルク結晶によって形成される光変調領域101においては、光学利得あるいは光学吸収特性の偏波依存性は、その光導波路としての光閉じ込め係数の微小な差しか生じないことが知られている。従って、MLLD 100のレーザ発振偏波と合致した偏波状態である入力光信号D1をMLLD 100に入力しても、入力光信号D1の強度を調整することによって、光変調領域101において有効な光学利得あるいは光学吸収の変調効果が得られるようにすることが可能である。
【０１２５】
また、伸張歪を導入した多重量子井戸構造を採用した光変調領域101においても、上述のバルク結晶を採用した場合と同様に、光学利得あるいは光学吸収特性の偏波依存性は、その光導波路としての光閉じ込め係数の微小な差しか生じないことが知られている。従って、MLLD 100のレーザ発振偏波と合致した偏波状態である入力光信号D1をMLLD 100に入力しても、変調歪量を調整することによって、光変調領域101において有効な光学利得あるいは光学吸収の変調効果が得られるようにすることが可能である。
【０１２６】
第4実施形態の光パルス列生成装置においては、入力光信号D1と連続波光CW1の両者の偏波状態は互いに合致している。従って、入力光信号D1と連続波光CW1とを合波する光合波器10として、光カプラやWDMカプラではなく、偏波合波器(Polarization Beam Combiner)を用いるのが好適である。偏波合波器においては、偏波合波器の入力端面における、入力光信号D1と連続波光CW1のそれぞれの偏波状態を調整することによって、光カプラやWDMカプラ等で発生する光損失を発生させない状態にすることが可能である。
【０１２７】
＜光パルス列生成装置の動作検証実験＞
この発明の第1から第4実施形態の光パルス列生成装置の動作を実証するための検証実験を行った結果につき以下に説明する。
【０１２８】
検証実験に用いたMLLD素子は、光変調領域として電界吸収型変調器を利用して構成される能動モード同期レーザである。すなわち、検証実験に用いたMLLD素子は、電界吸収型変調領域(光変調領域101)、光利得領域102、及び受動導波路領域110を含む光導波路を具えた、ファブリ・ペロ型半導体レーザ構造のMLLD素子である。光利得領域102には、量子井戸として圧縮歪みを0.6％導入したInGaAsPを用い、バリア層として無歪のInGaAsPを用いて構成された多重量子井戸構造を採用し、この多重量子井戸のバンドギャップ波長が1.526μmとなるように調整して構成した。
【０１２９】
電界吸収型変調領域(光変調領域101)及び受動導波路領域110には、バンドギャップ波長が1.48μmであるバルク型InGaAsPを採用した。MLLDの素子長は1050μmであり、共振器周回周波数は約40 GHzである。なお、この検証実験には、上述の素子構造のMLLD素子に温度コントローラ部、結合レンズ、出力光の取り出し用の偏波保存光ファイバを実装してモジュール化された光パルス列生成装置を利用した。
【０１３０】
モード同期動作を発現させるために光利得領域102に注入した注入電流の大きさは90 mA、光変調領域101に印加した直流バイアス電圧は-0.62 Vとした。また、バイアスティー203、電気サーキュレータ204、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、電気位相シフタ207は、40 GHz帯で動作する市販品を利用した。電気バンドパスフィルタ205は、透過中心周波数が39.81 GHz、Q値が約500である素子を利用した。
【０１３１】
上述の市販品を利用して構成した電気的再生増幅発振器200の電気的フィードバックループとしてのループ利得は、電気強度利得で表して34 dBであった。また、このとき電気的再生増幅発振器200の発振周波数は、電気バンドパスフィルタ205の透過中心周波数近傍の値である39.813 GHzであった。また電気的再生増幅発振器200からの出力は、バイアスティー203の直流及び交流電気信号の結合出力端子203-3で観測して+23 dBmであった。
【０１３２】
上述の電気的再生増幅発振器200の出力をMLLDの光変調領域101に直流逆バイアス電圧と共に印加したところ、再生モード同期動作による光パルス列が生成されていることが確認された。この生成された光パルス列を構成する光パルスの時間波形は、ガウス関数型に近い形状であって、光パルスの時間波形の幅は約5.4 nmであった。また、出力ポートBから出力された光パルス列の平均光出力値は、約+1.74 dBmであった。
【０１３３】
光パルスの時間波形の幅と周波数スペクトルの幅との積として与えられる時間帯域幅積は、約2.03であった。この値は、ガウス関数型の時間波形の光パルスのフーリエ変換リミット値である0.4の5倍弱であり、生成されて出力された光パルス列を構成する光パルスが大きな周波数チャーピングを有していることを示している。
【０１３４】
図5(A)〜(C)を参照して、生成された光パルス列の電気パワースペクトルの観測結果について説明する。図5(A)はこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図であり、図5(B)は通常の能動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図であり、図5(C)は通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図である。図5(A)〜(C)において、横軸に周波数をGHz単位で目盛って示し、縦軸にスペクトル強度をdBm単位で目盛って示してある。
【０１３５】
光パルス列の電気パワースペクトルは、光パルス列をpinフォトダイオードで電気パルス列に変換し、その電気パルス列の電気パワースペクトルを観測した。
【０１３６】
図5(A)に示すこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルは、周波数39.81312 GHzに離散的でシャープなスペクトル成分が観測された。この周波数の値は、上述した電気的再生増幅発振器200の発振周波数と一致するとともに、MLLD素子の共振器周回周波数の値に近似的に等しい値である。
【０１３７】
この発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルと比較するために、図5(B)及び図5(C)に、それぞれ通常の能動モード同期動作及び通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す。
【０１３８】
図5(B)に示すように、通常の能動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルは、図5(A)に示すこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルと同様に、離散的でシャープなスペクトル成分が観測されている。この周波数成分は、外部の電気発振器であるシンセサイザーから与えた電気変調信号の周波数と一致している。
【０１３９】
一方、図5(C)に示す通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルは、離散的でシャープなスペクトル成分を持っておらず、スペクトルピークは、緩やかな広がりを有している。これは、受動モード同期動作においては、光パルス列の繰り返し周波数を強制的に確定させる安定した周波数レファレンスが存在していないことに起因する。
【０１４０】
次に、電気パワースペクトルを周波数で積分して、上述の再生モード同期動作によって生成された光パルス列の位相雑音を導出した。その結果、積分範囲を50 kHz〜100 kHzとして、図5(A)に示すこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列、図5(B)に示す通常の能動モード同期動作によって生成された光パルス列、及び図5(C)に示す通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の位相雑音は、それぞれ0.09 ps(ピコ秒)、0.06 ps、及び2 psであった。
【０１４１】
以上の結果から、電気的再生増幅発振器200を用いたMLLDにおいては、通常の能動モード同期レーザと遜色ない低位相雑音であるモード同期動作が可能であることが分かった。生成される光パルス列の位相雑音は、再生モード同期動作時の位相雑音特性の影響を受けることを考慮すると、再生モード同期動作時の位相雑音は低いことが望ましい。ここでの検証実験の結果によれば、この発明の光パルス列生成装置によって、通常の能動モード同期レーザと遜色のない、実用上十分である低位相雑音の光パルス列を生成することが可能であることを示している。
【０１４２】
次に、上述のモジュール化された再生モード同期動作による光パルス列生成装置に入力光信号D1と連続波光CW1とを入力し、光パルス列の生成を行う検証実験を行った。
【０１４３】
入力光信号D1として、ビットレート周波数が39.81312 Gbit/sのRZフォーマットの光信号であって、マーク率が1/2の31段擬似ランダム光信号を用いた。また、このRZフォーマットの光信号を構成する光パルスの時間波形の幅は6 psに設定した。検証実験においては、入力光信号D1の波長を1535 nm、1552 nm及び1569 nmの3通りに変化させて、それぞれの場合における生成光パルス列の特性を比較した。また、入力光信号D1の強度は、+2 dBmで光パルス列生成装置に入力されるように設定した。一方、連続波光CW1の波長は、1535 nm〜1571 nmの範囲で変化させ、その強度は+7 dBmで光パルス列生成装置に入力されるように設定した。
【０１４４】
図6(A)〜(C)を参照して、上述のモジュール化された再生モード同期動作による光パルス列生成装置のMLLDから出力される出力光を、中心波長が連続波光CW1の波長に一致し、かつ透過帯域幅が3 nmの光バンドパスフィルタでフィルタリングした後の光パルス列を観測した結果について説明する。
【０１４５】
図6(A)〜(C)は、MLLDから出力される出力光をフィルタリングした後の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図であり、各図において、横軸に波長をnm単位で目盛って示してあり、縦軸にスペクトル強度を対数目盛で目盛って示してある。図6(A)、(B)及び(C)は、それぞれ入力光信号D1の波長が、1535 nm、1552 nm及び1569 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。
【０１４６】
図6(A)における(A-1)、(A-2)、(A-3)、図6(B)における(B-1)、(B-2)、(B-3)、及び図6(C)における(C-1)、(C-2)、(C-3)は、それぞれ連続波光CW1の波長を変化させた異なる3点の波長において観測された光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。図6(A)における(A-1)、(A-2)、(A-3)は、連続波光CW1の波長が、それぞれ1540.36 nm、1555.76 nm、1565.76 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。図6(B)における(B-1)、(B-2)、(B-3)は、連続波光CW1の波長が、それぞれ1539.89 nm、1555.51 nm、1565.40 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。図6(C)における(C-1)、(C-2)、(C-3)は、連続波光CW1の波長が、それぞれ1539.99 nm、1555.51 nm、1565.40 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。
【０１４７】
また図6(A)における(A-0)は、入力光信号D1及び連続波光CW1共に入力しない条件下で、MLLDから出力される出力光をフィルタリングした後の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。
【０１４８】
図6(A)〜(C)に示すいずれの場合にあっても、連続波光CW1の波長変化に追随して、生成される光パルス列の中心波長が変化していることが分かる。図6(A)〜(C)に示す実験結果において、特筆すべきことは、光パルス列の中心波長の変化と共に、波長スペクトル帯域幅が、連続波光CW1を入力しない場合（図6(A)の(A-0)に示す。）と比較して、狭窄化されていることである。これは、入力された連続波光CW1が、上述のモジュール化された光パルス列生成装置のMLLDの発振波長帯域を制限している結果である(文献2参照)。このことが、生成される光パルス列のチャープ特性の改善に重要な役割を果たしている。
【０１４９】
図7(A-1)〜(C-3)を参照して、生成された光パルス列のサンプリングオシロスコープによる観測結果について説明する。図7(A-1)〜(C-3)において、横軸は時間軸を示し一目盛が5 ps(ピコ秒)であり、縦軸は光強度を示し一目盛が5 mWである。
【０１５０】
図7(A-1)〜(A-3)は、入力光信号D1の波長が1535 nmである場合の光パルスの時間波形であって、上述の図6(A)に示す周波数スペクトル波形(A-1)〜(A-3)に対応する光パルスの時間波形を示す。図7(B-1)〜(B-3)は、入力光信号D1の波長が1552 nmである場合の光パルスの時間波形であって、上述の図6(B)に示す周波数スペクトル波形(B-1)〜(B-3)に対応する光パルスの時間波形を示す。図7(C-1)〜(C-3)は、入力光信号D1の波長が1569 nmである場合の光パルスの時間波形であって、上述の図6(C)に示す周波数スペクトル波形(C-1)〜(C-3)に対応する光パルスの時間波形を示す。
【０１５１】
図7(A-1)〜(C-3)に示すいずれの光パルスも、その時間波形がガウス関数型である理想的な形状の時間波形となっている。図7(A-1)〜(C-3)に示すサンプリングオシロスコープによって観測された光パルスの時間波形から見積もられた時間ジッタの値の大きさは、平均二乗値(root mean square value)で示して0.31 ps〜0.38 psであった。一方、この検証実験に用いた入力光信号D1のサンプリングオシロスコープによって観測された時間波形から見積もられた時間ジッタの値の大きさは、平均二乗値で示して0.25 ps〜0.50 psであった。
【０１５２】
以上説明したように、この発明の第1〜第4実施形態の光パルス列生成装置によれば、入力光信号D1の時間ジッタと同程度の大きさの時間ジッタを有する光パルス列が生成されることが確かめられた。また、連続波光CW1の波長が、MLLD 100あるいはMLLD 150が連続波光CW1の入力がない状態で発振させた場合の共振器モードと一致していない場合であっても、この発明の第1〜第4の実施形態の光パルス列生成装置によれば、連続波光CW1の波長に等しい波長の光パルス列が生成されることが分かる。
【０１５３】
図8(A)〜(C)を参照して、入力光信号D1の波長及び連続波光CW1の波長を変えた場合において生成される光パルス列の、光パルスの時間波形の幅、時間帯域幅積、及び時間ジッタの大きさについて説明する。
【０１５４】
図8(A)は生成される光パルス列の光パルスの時間波形の幅、図8(B)は時間帯域幅積の値、及び図8(C)は生成される光パルス列の時間ジッタの大きさを示す図である。図8(A)〜(C)において、入力光信号D1の波長が1535 nm、1552 nm及び1569 nmである場合に対する値を、それぞれ丸印、三角印及び四角印で示してある。
【０１５５】
図8(A)、(B)及び(C)の縦軸は、それぞれ、光パルスの時間波形の幅、時間帯域幅積、及び時間ジッタを示している。図8(A)及び(C)の縦軸はps単位で目盛って示している。図8(A)、(B)及び(C)の横軸は、連続波光CW1の波長をnm単位で目盛って示している。図8(C)に示す時間ジッタは、位相雑音スペクトルから求めた換算値である。また、図8(C)において、横軸の方向に沿って示す破線は、入力光信号D1の位相雑音の値の平均値（時間ジッタの値が0.2 ps）を示している。
【０１５６】
入力光信号D1及び連続波光CW1の波長を変化させても、生成される光パルス列の時間波形の幅、時間帯域幅積、及び時間ジッタに大きな変化はみられない。位相雑音の値は、入力光信号D1と同程度の大きさであった。図8(A)〜(C)に示す実験結果から、時間帯域幅積が、ガウス関数形状の時間波形を有する光パルスのフーリエ変換リミットの値である0.4に近い値が得られていることが重要な点である。
【０１５７】
連続波光をMLLD 100あるいはMLLD 150に入力しない状態で生成される光パルス列の時間帯域幅積の値は、既に説明したように約2.03である。この約2.03という値は、光パルスのフーリエ変換リミットの値である0.4の約5倍であることを考慮すると、以上に示した検証実験の結果は、この発明の第1〜第4実施形態の光パルス列生成装置によれば、生成される光パルス列の周波数チャーピングは十分に抑制されることが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置の概略的構成図である。
【図２】電気分配合波器を利用して構成される電気的再生増幅発振器の概略的ブロック構成図である。
【図３】この発明の第2実施形態の光パルス列生成装置の概略的構成図である。
【図４】この発明の第3実施形態の光パルス列生成装置の概略的構成図である。
【図５】光パルス列の電気パワースペクトルの観測結果についての説明に供する図であり、(A)はこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図であり、(B)は通常の能動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図であり、(C)は通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図である。
【図６】MLLDから出力される出力光をフィルタリングした後の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図であり、(A)、(B)及び(C)は、それぞれ入力光信号D1の波長が、1535 nm、1552 nm及び1569 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。
【図７】生成された光パルス列のサンプリングオシロスコープによる観測結果についての説明に供する図である。(A-1)〜(A-3)、(B-1)〜(B-3)及び(C-1)〜(C-3)は、それぞれ入力光信号D1の波長が1535 nm、1552 nm及び1569 nmである場合の光パルスの時間波形を示す図である。
【図８】入力光信号D1の波長及び連続波光CW1の波長を変えた場合において生成される光パルス列の、(A)光パルスの時間波形の幅、(B)時間帯域幅積、及び(C)時間ジッタの大きさについての説明に供する図である。
【符号の説明】
【０１５９】
10：光合波器
12：第1光アイソレータ
14：第1結合レンズ
16：第2結合レンズ
18：第2光アイソレータ
20：光バンドパスフィルタ
22：第1偏波面コントローラ
24：第2偏波面コントローラ
26：連続波光出力光源
30：光サーキュレータ
30-1：光サーキュレータの第1端子
30-2：光サーキュレータの第2端子
30-3：光サーキュレータの第3端子
100、150：モード同期半導体レーザ(MLLD)
101：光変調領域
102：光利得領域
103：第1クラッド層
104：第2クラッド層
105：光変調領域電極
106：光利得領域電極
107：共通電極
110：受動導波路領域
111：受動導波路領域電極
200：電気的再生増幅発振器
201：定電流源
202：電源
203：バイアスティー
203-1：直流電気信号入力端子
203-2：交流電気信号入力端子
203-3：結合出力端子
203-4：コイル
203-5：コンデンサー
204：電気サーキュレータ
204-1：電気サーキュレータの第1端子
204-2：電気サーキュレータの第2端子
204-3：電気サーキュレータの第3端子
205：電気バンドパスフィルタ
206：電気増幅器
207：電気位相シフタ
208：電気分配合波器
208-1：電気分配合波器の第1端子
208-2：電気分配合波器の第2端子
208-3：電気分配合波器の第3端子
210：変調信号供給源
【技術分野】
【０００１】
この発明は、長距離大容量光ファイバ通信システムの光中継器等において用いられる光パルス列生成方法及び光パルス列生成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信ネットワークは、伝送の長距離化及び大容量化が進められている。伝送の長距離化にともなって、光伝送路における光損失、光増幅器の多段使用によるS/N比の低下、及び光ファイバの群速度分散や光ファイバ中での非線形光学効果による波形歪が発生することなどによる、光信号の品質劣化が問題となる。周波数波形歪及び時間波形歪の発生は、伝送容量が大きくなるほど顕著な問題となる。
【０００３】
そのため、光伝送路の途中に、数十から数百キロメートルの間隔で中継器を設けて、この中継器によって、光信号の周波数波形及び時間波形を元の形状に戻す、いわゆる光信号の再生が行われている。
【０００４】
光信号の再生を行うために、品質が劣化した光信号である入力光信号から、この入力光信号のビットレートに相当する周波数（以後、ビットレート周波数ということもある。）で時間軸上に等間隔に並ぶパルス列、あるいはビットレート周波数の正弦波状の強度変化の光信号としてクロック信号を再生する必要がある。すなわち、光クロック信号再生とは、入力光信号を生成する段階で使われたクロック信号を、光パルス列あるいは正弦波の形状で、品質が劣化した光信号である入力光信号から再生させることである。
【０００５】
従来のクロック信号再生方法及び装置として、次の方法及びそれに使われる装置が知られている。すなわち、入力信号を光電変換して電気信号に変換して、この電気信号を、フィルタリングすることによって、クロック信号を再生する方法である。
【０００６】
具体的には、次のように行われる。まず。入力光信号をフォトダイオード等の光電変換素子を利用して光電変換して電気信号に変換する。そして、この電気信号を、この電気信号の中心周波数が入力光信号のビットレート周波数あるいはビットレート周波数に近い狭帯域の電気フィルタによってフィルタリングして、入力光信号のビットレート周波数に等しい電気信号成分のみを再生する。こうして再生された電気信号成分は、入力光信号のビットレートの周波数に等しい周波数のパルス列、あるいは正弦波であるから、入力光信号から再生されたクロック信号となる。
【０００７】
こうして再生されたクロック信号を用いて、半導体レーザ等の光パルスレーザ装置を動作させることによって、光クロック信号が得られる。すなわち、この従来のクロック信号再生方法は、光電変換器を利用して、品質が劣化した光信号である入力光信号から、入力光信号のビットレートの周波数に等しい光クロック信号を再生する方法である。
【０００８】
あるいはまた、位相雑音が低いクロック信号を再生するために、電圧制御型電気発振回路（VCO: Voltage-controlled Oscillator）と位相比較器を具えて構成される位相同期帰還（PLL: Phase-Lock loop）回路を用いる方法等が知られている（例えば、非特許文献1参照）。
【非特許文献１】Hitoshi Murai, Masatoshi Kagawa, Hiromi Tsuji, and Kozo Fujii, "EA Modulator-Based Optical Multiplexing/Demultiplexing Techniques for 160 Gbit/s OTDM Signal Transmission", JEICE TRANS. ELECTRON, vol. E88-C, No. 3, p. 309-318, MARCH 2005.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光通信ネットワークの大容量化のために主要な役割を果たしている技術は、波長多重（WDM: Wavelength Division Multiplexing）方式による波長チャンネル多重技術である。WDM方式において更なる波長チャンネル数の増大を実現するためには、使用波長帯域を広くすることが必要となる。また、使用波長帯域を広くすることに伴って、広い波長帯域にわたって発振波長を変えることが可能である波長可変レーザや、ネットワークノードにおける波長衝突回避のための波長変換回路等、波長可変特性を有する光源デバイス、信号処理装置等が必要とされる。
【００１０】
これらのデバイスあるいは装置は、利用される光通信システムの高度化、低コスト化、低消費電力化のために、低コストでかつ省電力化されていることが求められる。光通信システムの構成要素として利用される光クロック信号抽出装置も、当然に、低コストでかつ省電力化されていることが求められる。
【００１１】
光クロック信号抽出装置に対しては、入力光信号の波長が異なっても、再生される光クロック信号の波長は、入力光信号の波長に依存せずに、予め決められた波長に固定されているという特性が求められる。あるいは、逆に再生される光クロック信号の波長を、入力光信号の波長とは異なる所望の波長に変換することが可能であるという特性が求められる。このように、光クロック信号抽出装置に対しては、入力される入力光信号と、再生される光クロック信号の波長との関係において、柔軟性が求められる。
【００１２】
また、上述のように、波長に関する柔軟性を有し、広い波長帯域にわたり高い精度を以って入力光信号の波長と光クロック信号の波長との関係を確定することが可能である光クロック信号再生装置を、同一の素子構造でかつ同一半導体素材で実現することも必要とされる。
【００１３】
光通信システムにおいて求められる、波長に関する上述の十分な柔軟性及び高い波長変換精度を保障された光クロック信号再生装置が実現されれば、入力光信号の波長あるいは再生される光クロック信号の波長ごとに、異なる素子構造あるいは構成素材を準備する必要がない。これによって、光クロック信号再生装置の在庫コストを低減でき、ひいては利用する光通信システムのコストダウンが実現される。
【００１４】
なお、以後の説明においては、電気信号の状態のクロック信号を扱うことはないので、クロック信号とは、光信号の状態のクロック信号である光クロック信号を意味するものとする。また、この光クロック信号とは、入力光信号のビットレート周波数の逆数で与えられる周期で光パルスが時間軸上に並ぶ光パルス列を指すものとし、光信号、あるいは入力光信号とは、2値デジタル信号として生成されたRZ(Return to Zero)信号等を指すものとする。
【００１５】
従って、この発明の目的は、入力光信号の波長とこの入力光信号から生成される光パルス列の波長との関係において柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って両者の波長の関係を確定することが可能である光パルス列生成方法及びこの方法を実現する光パルス列生成装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上述の課題を解決するため、この発明の発明者が鋭意研究を行った結果、光利得領域と光変調領域とを含む光導波路を具えるモード同期半導体レーザ（MLLD: Mode-Locked Laser Diode）と、光変調領域で発生する光起電力信号を入力しこの光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域に供給する電気回路とを具える構成とすれば、この電気回路は電気的再生増幅発振回路として機能することに着目した。そして、このMLLDに、入力光信号と当該MLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長の連続波光とを入力すれば、後述する、再生モード同期によるMLLDのモード同期動作、光パルス列生成動作及び生成光パルス列の波長決定動作が実現されることを確かめた。
【００１７】
すなわち、MLLDと上述の電気的再生増幅発振回路を組み合わせることによって、波長に関する柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って入力光信号の波長と光クロック信号の波長との関係を確定することが可能である光パルス列生成方法が実現すること、及びこの方法を実現する光パルス列生成装置を提供することが可能であることを確かめた。
【００１８】
そこで、この発明の要旨によれば、以下の構成の光パルス列生成方法及びこの方法を実現するための光パルス列生成装置が提供される。
【００１９】
この発明の光パルス列生成方法は、入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成方法であって、光入力ステップと、電気再生発振ステップと、光パルス列出力ステップとを含んで構成される。
【００２０】
光入力ステップは、好ましくは、反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含み、光利得領域と光変調領域とが直列に配列された光導波路を具えるMLLDに、入力光信号と、当該MLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長の連続波光とを入力するステップとするのがよい。
【００２１】
電気再生発振ステップは、好ましくは、光変調領域で発生する光起電力信号を取り出して、この光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して、この光変調領域に供給するステップとするのがよい。
【００２２】
光パルス列出力ステップは、好ましくは、入力光信号と同期し、連続波光の波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長であって、かつビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列を光導波路から出力させるステップとするのがよい。
【００２３】
また、この発明の他の光パルス列生成方法は、光入力ステップと、電気再生発振ステップと、共振モード波長調整ステップと、光パルス列出力ステップとを含んで構成するのが好適である。この実施形態の光パルス列生成方法よれば、上述のMLLDとして、反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域と、実効屈折率が外部からの電気信号あるいは熱信号によって調整される受動導波路領域とを含み、光利得領域と光変調領域と受動導波路領域とが直列に配列された光導波路を具えるMLLDが利用される。
【００２４】
そして、共振モード波長調整ステップは、連続波光の波長に追随して光注入同期現象が発現するように、外部からの電気信号あるいは熱信号によって受動導波路領域の実効屈折率を変化させて、MLLDの共振モード波長を調整するステップとするのが好適である。
【００２５】
上述の光パルス列生成方法を実現するこの発明の第1光パルス列生成装置は、入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成装置であって、MLLDと、連続波光出力光源と、電気的再生増幅発振器とを具えているのが好適である。
【００２６】
MLLDは、好ましくは、反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含み、光利得領域と光変調領域とが直列に配列された光導波路を具えているのがよい。
【００２７】
連続波光出力光源は、好ましくは、MLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光を発生するのがよい。
【００２８】
電気的再生増幅発振器は、好ましくは、光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、この光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域に供給するのがよい。
【００２９】
そして、この第1実施形態の光パルス列生成装置によれば、入力光信号と連続波光出力光源から出力される連続波光とが上述のMLLDが具える光導波路に入力されて、入力光信号と同期し、連続波光の波長に等しい波長であって、かつビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列が光導波路から出力される構成とされているのが好適である。
【００３０】
また、この発明の第2光パルス列生成装置は、上述の反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含む光導波路を具えるMLLDに代えて、光利得領域と光変調領域と受動導波路領域とを含む光導波路を具えるMLLDを利用して構成するのが好適である。この構成とした光パルス列生成装置にあっては、上述の第1実施形態の光パルス列生成装置が具える構成要素に更に、受動導波路領域に変調信号を供給する変調信号供給源を具えて構成される。
【００３１】
この発明の第1及び第2光パルス列生成装置は、好ましくは、更に、入力光信号の偏波方向が、MLLDの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、連続波光の偏波方向が、MLLDの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、入力光信号と連続波光とを合波する光合波器と、光合波器から出力される合波入力光信号が入力されて、合波入力光信号の進行方向と逆向きに進む光を遮断する第１光アイソレータと、MLLDの具える光導波路から出力される光パルス列を透過し、光パルス列と逆向きに進む光を遮断する第2光アイソレータと、光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタと、を具えて構成するのがよい。
【００３２】
この発明の第3光パルス列生成装置は、好ましくは、更に、入力光信号と連続波光とを合波する光合波器と、光合波器から出力される合波入力光信号をMLLDに入力させ、かつMLLDから出力される光パルス列を外部に出力する光サーキュレータと、光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタとを具えて構成するのがよい。
【００３３】
また、この発明の第3光パルス列生成装置は、更に、入力光信号の偏波方向が、MLLDの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、連続波光の偏波方向が、MLLDの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、入力光信号と連続波光とを合波する光合波器と、光合波器から出力される合波入力光信号をMLLDに入力させ、かつMLLDから出力される光パルス列を外部に出力する光サーキュレータと、光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタとを具えて構成するのがよい。
【００３４】
この発明の第4光パルス列生成装置は、好ましくは、上述の第1〜第3MLLDが具える光変調領域の光導波路をバルク結晶によって形成し、第2光アイソレータとして、特定方向の偏波面を持つ偏波光に対しては光アイソレータとして機能しこの特定方向と直交する偏波面を持つ偏波光に対しては遮断効果を有する、偏波選択型光アイソレータを利用して構成するのがよい。
【００３５】
また、この発明の第4光パルス列生成装置は、好ましくは、上述の光変調領域の光導波路を伸張歪が導入された多重量子井戸構造によって形成し、第2光アイソレータとして偏波選択型光アイソレータを利用して構成するのがよい。
【００３６】
上述の第1〜第4の光パルス列生成装置が具える電気的再生増幅発振器は、好ましくは、当該電気的再生増幅発振器の電気フィードバックループの電気的遅延時間を変化させ、当該電気的再生増幅発振器の発振周波数を制御する電気位相シフタと、入力光信号のビットレート周波数を中心透過周波数とする電気バンドパスフィルタと、当該電気的再生増幅発振器の電気フィードバックループを周回する電気信号を増幅する電気増幅器とを具えて構成するのがよい。
【発明の効果】
【００３７】
この発明の光パルス列生成装置によれば、上述した光利得領域と光変調領域とを含む光導波路を具えるMLLDと、光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、この光起電力信号に含まれる入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域に供給する電気的再生増幅発振器を具えている。
【００３８】
このような構成の光パルス列生成装置のMLLDの具える光導波路に、入力光信号とMLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光とが入力され、電気的再生増幅発振器によって電気再生発振ステップが実行される。
【００３９】
すなわち、光変調領域で何らかの光変調がなされると、MLLDの光共振器作用により選択的に増強されたモード周波数成分が、同時に上述の電気回路による電気的再生増幅発振動作によっても選択されるという二重の選択増強作用が生じ、周波数選択的増幅作用が一層増強される。この結果、生成される光パルス列の繰り返し周波数と、上述の電気回路による電気的再生増幅発振動作の周波数とが一致する。このようなメカニズムで、MLLDが再生モード同期動作する（再生モード同期によるMLLDのモード同期動作）。
【００４０】
この状態のMLLDに入力光信号が入力されると、利得領域の光学利得あるいは光学吸収が、入力光信号によって変調され、この変調に伴う変調電流あるいは変調電圧が生じる。この変調電流あるいは変調電圧が閾値を超えると発振器の注入同期現象が生じ、電気的再生増幅発振動作の周波数が入力光信号のビットレート周波数に合致すると共に位相も同期する（光パルス列生成動作）。
【００４１】
上記の状態のMLLDに更にMLLDの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光を入力すると、光注入同期現象が発現する。その結果、MLLDの発振光スペクトルの中心波長が連続波光の波長と合致し、発振スペクトル帯域の低減効果によって再生される光クロック信号の周波数チャーピングの抑制効果が生じる（生成光パルス列の波長決定動作）。
【００４２】
また、光利得領域と光変調領域と受動導波路領域とを含む光導波路を具えるMLLDを利用して構成される光パルス列生成装置において、上述の共振モード波長調整ステップを実行することによって、MLLDの共振モード波長を変化させることができる。すなわち、連続的に変化させた連続波光の波長に追随して、光注入同期現象が生じるようにMLLDの共振モード波長を変化させることができるので、連続的に波長可変な光パルス列生成動作が可能となる。
【００４３】
以上説明した様に、この発明の光パルス列生成装置による光パルス列生成方法が実行されると、生成される光パルス列の波長は、入力される連続波光の波長によって高い精度で確定される。また、連続波光の波長を変えることによって生成される光パルス列の波長を任意に変更することが可能であり、この変更可能な波長範囲は、MLLDのモード同期動作が可能な範囲でかつ連続波光源の波長変更可能な範囲である。すなわち、入力光信号の波長とこの入力光信号から再生される光クロック信号の波長の関係において柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って両者の波長の関係を確定することが可能である光パルス列生成方法及びこの方法を実現する装置が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態につき説明する。なお、光パルス生成装置の説明に供する各図は、この発明に係る一構成例を図示するものであり、この発明が理解できる程度に各構成要素の配置関係等を概略的に示しているに過ぎず、この発明を図示例に限定するものではない。また、各図において同様の構成要素については、同一の符号を付して示し、その重複する説明を省略することもある。また、以下に示す光パルス列生成装置に関する概略的構成図においては、光ファイバを太線で示し、電気信号の経路を細線で示してある。
【００４５】
＜第1実施形態の光パルス列生成装置＞
図1を参照して、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1の構成及びその動作について説明する。図1は、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1の概略的構成図である。
【００４６】
＜第1実施形態の光パルス列生成装置の構成＞
第1実施形態の光パルス列生成装置S1は、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に等しい繰り返し周波数の光パルス列CLK1を生成して出力する光パルス列生成装置であって、MLLD 100と、連続波光出力光源26と、電気的再生増幅発振器200とを具えている。入力光信号D1は入力ポートAから入力され、生成された光パルス列CLK1は出力ポートBから出力される。
【００４７】
MLLD 100は、共振器端面L1及びR1を具える半導体レーザ素子であり、モード同期動作が実現されたときに発生する光パルス列の繰り返し周波数が、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に近似した周波数であるという特性を有している。ここで、MLLD 100の繰り返し周波数が、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に近似するとは、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)と、MLLD 100が生成する光パルス列の繰り返し周波数との差が、周波数引き込み現象が発現する程度に小さいことをいう。
【００４８】
MLLD 100は、光変調領域101と利得領域102とを含む光導波路を第1クラッド層103と第2クラッド層104とで挟んだ構成の半導体レーザ素子である。第2クラッド層104の側には共通電極107が形成されており、この共通電極107は接地されている。光変調領域101には、光変調領域電極105を介して光起電力信号がとりだされ、かつこの光起電力信号から入力光信号D1のビットレート周波数成分の電気信号が供給される。一方、光利得領域102には光利得領域電極106を介してレーザ発振に必要な順方向電流が定電流源201から供給される。
【００４９】
光変調領域は、光変調領域電極105、第1クラッド層103、光変調領域の光導波路、第2クラッド層104及び共通電極107から成る構成部分であるが、単に光変調領域の光導波路を指して光変調領域101と表現するものとする。また同様に、光利得領域は、光利得領域電極106、第1クラッド層103、光利得領域の光導波路、第2クラッド層104及び共通電極107から成る構成部分であるが、単に光利得領域の光導波路を指して光利得領域102と表現するものとする。
【００５０】
上述したように、MLLD 100は多電極構造を有する半導体レーザ素子であって、レーザ発振を得るための反転分布が形成される光利得領域102と、モード同期動作を発現させるための光スイッチとして動作する光変調領域101とを含む光導波路を具えている。光変調領域101は、光利得領域102を一部分割した領域、あるいはMLLD 100のレーザ発振光に対して電界吸収型光変調器として動作する材料組成を以って形成された領域、あるいはまたMLLD 100のレーザ発振光に対して可飽和吸収体として動作する材料組成を以って形成された領域である。
【００５１】
いずれにしても、MLLD 100は、光変調領域101に対して外部からに与えられる変調電圧あるいは変調電流によって、この領域の光導波路の光学利得あるいは光学吸収が変調され、この領域が光スイッチとして動作することによってモード動作する。
【００５２】
図1に示す第1実施形態の光パルス列生成装置S1が具えるMLLD 100は、光変調領域101が共振器端面L1の側に配置されているが、この領域の配置場所は図示例に限定されることはなく、共振器端面R1の側に配置しても、あるいは両共振器端面L1及びR1との間に配置しても良い。一方、光利得領域102においても同様に光共振器内のいずれの場所に配置しても良い。
【００５３】
MLLD 100の構成材料系は、入力光信号及び生成される光パルス列の波長に応じて決定されるモード同期動作波長に対応させてInP系、GaAs系等、様々な化合物半導体材料が選択されて利用される。また、MLLD 100を形成するために利用する半導体結晶基板も、その導電型は、p型及びn型のいずれを選択して利用することも可能である。
【００５４】
MLLD 100の構造は、分布ブラッグ反射鏡や光フィルタ等の、レーザ発振波長帯域を制限する光バンドパスフィルタとしての機能する領域を具えない、ファブリ・ペロ型半導体レーザ素子構造を採用するのが、広範な波長帯域にわたり光パルス列を生成する上で好適である。
【００５５】
電気的再生増幅発振器200と光変調領域電極105とは、バイアスティー203を介して接続されている。バイアスティー203は、光変調領域101で発生する光起電力信号を電気的再生増幅発振器200に供給し、かつ電気的再生増幅発振器200からこの光起電力信号に含まれる入力光信号D1のビットレート周波数成分を選択的に増幅して光変調領域101に供給するインターフェースとしての役割を果たす。また、バイアスティー203には、電源202が接続されており、光変調領域電極105を介して光変調領域101にバイアス電流あるいはバイアス電圧を供給する。電源202は、定電流源あるいは定バイアス電圧源が利用される。
【００５６】
すなわち、バイアスティー203は、直流電気信号入力端子203-1、交流電気信号入力端子203-2、ならびに直流電気信号入力端子203-1及び交流電気信号入力端子203-2から入力された直流電気信号及び交流電気信号を結合して出力する結合出力端子203-3を具えている。また、直流電気信号入力端子203-1には、交流電気信号成分を除去するコイル203-4が接続されており、交流電気信号入力端子203-2には直流電気信号成分を除去するコンデンサー203-5が接続されている。
【００５７】
バイアスティー203の交流電気信号入力端子203-2と、電気サーキュレータ204の第2端子204-2が接続されている。電気サーキュレータ204の第1端子204-1から入力された電気信号は第2端子204-2から出力され、第2端子204-2から入力された電気信号は第3端子204-3から出力される。
【００５８】
図1においては、電気サーキュレータ204の第3端子204-3に電気的再生増幅発振器200を構成する電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207が接続され、電気位相シフタ207の出力が電気サーキュレータ204の第1端子204-1に入力される構成とされている。しかしながら、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207の接続順序はこの図示例に限定されず、これら3つの構成要素が電気サーキュレータ204の第3端子204-3と第1端子204-1の間に配置されていれば良い。
【００５９】
電気バンドパスフィルタ205は、その中心透過周波数が入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に近似する電気バンドパスフィルタを利用する。また、電気増幅器206は、周波数fbit-rate(Hz)において利得が得られるタイプの電気増幅器を利用する。
【００６０】
上述の電気的再生増幅発振器200は、図1に示すように電気サーキュレータ204を用いて構成することが可能であるが、電気サーキュレータ204の代わりに電気分配合波器を利用して構成することも可能である。図2を参照して電気分配合波器を利用して構成される電気的再生増幅発振器の例を説明する。図2は、電気分配合波器を利用して構成される電気的再生増幅発振器の概略的ブロック構成図である。
【００６１】
電気分配合波器208は、電気信号の入出力を共用する第1端子208-1、この第1端子208-1に入力された電気信号を出力する第2端子208-2と、第1端子208-1から出力させる電気信号を入力する第3端子208-3とを具えている。図2に示すように、バイアスティー203の交流電気信号入力端子203-2に電気分配合波器208の第1端子208-1が結合されている。電気分配合波器208の第2端子208-2から出力される電気信号は電気バンドパスフィルタ205に入力され、電気バンドパスフィルタ205から出力される電気信号は電気増幅器206に入力され、電気増幅器206から出力される電気信号は電気位相シフタ207に入力され、電気位相シフタ207から出力される電気信号は電気分配合波器208の第3端子208-3に入力される構成とされている。
【００６２】
電気サーキュレータを用いて構成される電気的再生増幅発振器と同様に、図2に示す電気分配合波器を用いて構成される電気的再生増幅発振器においても、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207の配列順序は、図2に示す順序に限定されることはなく、自由に配列してもよい。
【００６３】
連続波光出力光源26から出力される連続波光CW1の波長λcは、MLLD 100の共振器モードの一つに近似する波長である。ここで、連続波光CW1の波長λcがMLLD 100の共振器モードの一つに近似しているとは、MLLD 100の共振器モードの一つと波長λcの両者の波長差が、MLLD 100に対して連続波光CW1が入力されることによって光注入同期現象が発現する程度に小さいことをいう。
【００６４】
連続波光CW1の波長λcが近似するMLLD 100の共振器モードは、MLLD 100が連続波光CW1や入力光信号D1が入力されないで駆動されている状態でレーザ発振する共振器モードである必要はない。すなわち、連続波光CW1の波長λcが近似するMLLD 100の共振器モードが、MLLD 100が連続波光CW1や入力光信号D1の入力なしで駆動されている状態では、レーザ共振していないモードであってもこの発明の光パルス列生成動作は実現される。
【００６５】
入力光信号D1は、そのビットレート周波数がfbit-rate(Hz)であり、中心波長がλD(≠λc)であって、この入力光信号D1に基づいて光パルス列が生成される。入力光信号D1に関しては、現状の光通信で用いられている、単純な振幅変調信号や位相変調信号だけでなく、一度に2ビット(4値)以上の信号を送ることが可能であるQPSK(Quadrature Phases Shift Keying)信号などの光多値変調信号も対象となる。ただし、入力光信号D1が光多値変調信号である場合には、光多値変調信号のシンボルレートが、単純な振幅変調信号や位相変調信号におけるビットレートに対応し、繰り返し周波数が光多値変調信号のシンボルレートに相当する光パルス列が生成される。
【００６６】
図1に示すように、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1の入力ポートAから入力される連続波光CW1と入力光信号D1とは光合波器10によって合波されて、第1結合レンズ14を介してMLLD 100が具える光導波路に共振器端面L1から入力される。
【００６７】
光合波器10は、光ファイバを融着して形成される光カプラ等が利用される。また、入力光信号D1の波長λDと連続波光CW1の波長λcとが異なる場合は、WDM (Wavelength Division Multiplexing)カプラを利用するのが好適である。
【００６８】
また、共振器端面L1から反射して、入力ポートAの方向に戻る反射戻り光を遮断するために、光合波器10と共振器端面L1とを結ぶ光経路中のいずれかの箇所に第1光アイソレータ12を挿入するのが望ましい。
【００６９】
連続波光CW1の偏光状態は、MLLD 100の共振器端面L1に到達するときに、MLLD 100の発振偏波と合致するようにその偏波状態を制御するのがよい。一般にMLLD 100の発振偏波は、MLLD 100が具える光導波路の幅の方向（p-n接合に平行な方向）に偏波したTE(Transverse Electric)モードである。すなわち、連続波光CW1の偏光状態は、MLLD 100の共振器端面L1に到達するときにTEモードとなるように調整されているのがよい。
【００７０】
このように連続波光CW1の偏波状態を調整するために、連続波光CW1がMLLD 100の共振器端面L1に到達するまでの光学経路中のいずれかの箇所に第2偏波面コントローラ24を挿入する。図1に例示する構成では、第2偏波面コントローラ24は光合波器10の前段に挿入されている。
【００７１】
また、入力光信号D1の偏波状態は、MLLD 100の共振器端面L1に到達するときに、MLLD 100の発振偏波と合致するように調整する。このように入力光信号D1の偏波状態を調整するためには、入力光信号D1がMLLD 100の共振器端面L1に到達するまでの光学経路中のいずれかの箇所に第1偏波面コントローラ22を挿入する。図1に示す構成例では、第1偏波面コントローラ22は光合波器10の前段に挿入されている。
【００７２】
MLLD 100のもう一方の共振器端面R1から生成された光パルス列が出力され、第2結合レンズ16を介して光ファイバ等に入力されて外部に取り出される。ここでも光学部品等から反射してMLLD 100の光導波路へ反射される戻り光を遮断するために、共振器端面R1と出力ポートBとを結ぶ光学経路中のいずれかの箇所に第2光アイソレータ18を挿入するのが望ましい。
【００７３】
MLLD 100から出力される出力光のうち、連続波光CW1の波長λc近傍の波長成分のみを光バンドパスフィルタ20で選択して外部に出力する。光バンドパスフィルタ20で選択される波長成分の光が、第1実施形態の光パルス列生成装置S1によって生成される光パルス列CLK1であり、この光パルス列CLK1が出力ポートBから外部に出力される。
【００７４】
＜第1実施形態の光パルス列生成装置の動作＞
この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1において得られる光パルス列生成の効果は、再生モード同期によるMLLD 100のモード同期動作、電気注入同期による光パルス列生成動作、及び連続波光注入による光注入同期現象の発現による生成光パルス列の波長決定動作が複合的に作用して得られ得る効果である。そこで、以下にこれらの動作をそれぞれ(A)から(C)の項目分けをして説明する。
【００７５】
（A）再生モード同期によるモード同期動作
MLLD 100の光変調領域101、バイアスティー203、電気サーキュレータ204、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207を図1に示すように接続することによって、いわゆる再生モード同期動作を発現させることが可能である（文献1：M. Nakazawa， E. Yoshida, and Y. Kimura, "Ultrastable harmonically and regeneratively modelocked polarisation-maintaining erbium fibre ring laser," Electronics Letters, vol. 30, No.19, pp. 1603-1605, 1994参照）。
【００７６】
すなわち、入力光信号D1と連続波光CW1の入力により（光入力ステップ）、光変調領域101で何らかの光変調が生じると、それによって生じる光起電力信号がバイアスティー203、電気サーキュレータ204を介して、電気サーキュレータ204の第3端子204-3から出力される。ここで、光起電力信号とは、変調電流あるいは変調電圧として観測される信号である。
【００７７】
この光起電力信号が電気バンドパスフィルタ205でフィルタリングされた後、電気増幅器206で増幅され、電気位相シフタ207によって位相が調整され、電気サーキュレータ204の第1端子204-1から第2端子204-2、更にはバイアスティー203を介して再度光変調領域101にフィードバックされる。このフィードバックされた電気信号によって、再び光変調領域101が光変調される。この結果、電気的な再生増幅動作がなされ（電気再生発振ステップ）、電気サーキュレータ204、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207を含む電気回路は電気的再生増幅発振器として機能する。従って、電気サーキュレータ204、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、及び電気位相シフタ207を含む電気回路を電気的再生増幅発振器200と呼称することとする。
【００７８】
一方、MLLD 100がモード同期動作を発現した場合、光変調領域101で発生する光起電力信号の周波数成分のうち、MLLD 100のモード同期周波数、すなわち、MLLD 100が出力する光パルス列の繰り返し周波数に相当する周波数成分が最も強い。このモード同期周波数成分が電気バンドパスフィルタ205の中心透過周波数と一致すると、このモード同期周波数成分は電気バンドパスフィルタ205を過剰に損失することなく通過する。この結果、MLLD 100の光共振作用によって選択的に増強されたモード同期周波数成分が、同時に電気的再生増幅発振器200においても選択的に増幅されるという二重の選択増幅作用が発現する。すなわち、電気的再生増幅発振器200の周波数の選択的増幅作用が一層増強される。
【００７９】
この場合、MLLD 100は、電気的再生増幅発振器200から発生する電気変調信号により、光変調領域101の光学利得ないしは光学吸収が変調されるため、MLLD 100から出力される光パルス列の繰り返し周波数（モード同期周波数と等しい。）と、電気的再生増幅発振器200の発振周波数は一致する。
【００８０】
上述したフィードバック動作によって、モード同期周波数（電気的再生増幅発振器200の発振周波数に等しい。）の可変幅は、電気バンドパスフィルタ205の透過波長帯域によって律則される。また、モード同期周波数、すなわち電気的再生増幅発振器200の発振周波数は、電気フィードバックループの長さ（すなわち、電気的遅延時間）によっても決定される。従って、電気位相シフタ207の位相シフト量を変えることによって、電気フィードバックループの電気的遅延時間を変えることができ、電気的再生増幅発振器200の発振周波数を変化させることができる。この電気的再生増幅発振器200の発振周波数の変化の範囲がMLLD 100の同期周波数範囲内であれば、MLLD 100のモード同期周波数もこれに追随して変化する。すなわち、電気位相シフタ207の位相シフト量を変えることによって、MLLD 100のモード同期周波数を変えることができる。
【００８１】
この発明の目的は、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に相当する繰り返し周波数の光パルス列を生成することにある。従って、MLLD100としては、次節(B)において説明する電気的注入同期動作が発現することが可能である入力光信号のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)に近似した周波数でモード同期動作を発現させることが必要となる。従って、電気バンドパスフィルタ205の中心透過周波数はfbit-rate(bit/s)の近傍である必要がある。また、モード同期周波数を、次節(B)で説明する電気的注入同期が生じるに足る周波数に至るまで位相シフト量の調整が可能である電気位相シフタが必要である。
【００８２】
この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置と、上述の文献1に開示された同種の装置との相違点は以下のとおりである。すなわち、文献1に開示された同種の装置が具えるフォトダイオードの役割を、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置のMLLD 100の光変調領域101が果している点であり、この相違よって、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置にあっては、装置そのもののコンパクト化及び部品点数の低減が実現される。
【００８３】
（B）電気注入同期による光パルス列生成動作
上述の(A)節において説明した、再生モード同期によるモード同期動作状態のMLLD 100に入力光信号D1が第1結合レンズ14を介して共振器端面L1からMLLD 100の光導波路に入力される。そうすると、MLLD 100の光変調領域101の光学利得あるいは光学吸収が、入力光信号D1の光電場によっても変調されることとなり、これに伴った光起電力が光変調領域101で発生する。入力光信号D1の光強度が強くなると、入力光信号D1によって光変調領域101で発生する光起電力が増大する。
【００８４】
この光起電力の大きさが閾値を超えると、MLLD 100において注入同期現象が発現し、電気的再生増幅発振器200の発振周波数が入力光信号D1のビットレート周波数と合致するとともに位相同期も実現される。以下の説明において、次節(C)で説明する光学的な注入同期現象と区別するため、光起電力の大きさが閾値を超えることによってMLLD 100において発現する注入同期を電気注入同期ということとする。
【００８５】
入力光信号D1は一般的にランダムに符号化された信号であり、その包絡線の時間波形の周波数スペクトルには、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)とその自然数倍の周波数成分以外の様々なスペクトル成分を含んでいる。ここで、入力光信号D1の包絡線の時間波形の周波数スペクトルは、入力光信号D1のパワースペクトルと呼ばれることもある。
【００８６】
入力光信号D1のパワースペクトルには、入力光信号D1のビットレート周波数fbit-rate(bit/s)とその自然数倍の周波数成分以外の様々なスペクトル成分を含んでいるが、fbit-rateに等しい周波数成分は電気的再生増幅発振器200による周波数選択及び増幅による二重の選択増幅作用により、他の周波数成分より格段に強い増幅がなされている。従って、MLLD 100からは、入力光信号D1のビットレート周波数と一致した光パルス列が出力される（光パルス列出力ステップ）。
【００８７】
電気注入同期による光パルス列生成動作を、弱い強度の入力光信号D1であっても発現させるためには、入力光信号D1によって光変調領域101で発生する光起電力を増大させる手法をとるのが望ましい。この手法の一つとして、MLLD 100における光共振作用を利用するのが好適である。MLLD 100における光共振作用は、入力光信号D1の偏波状態が、MLLD 100の発振偏波状態と合致する場合に最強となる。従って、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1においては、入力光信号D1の偏波状態は、MLLD 100の共振器端L1に到達するときに、MLLD 100の発振偏波状態と合致するように、第1偏波面コントローラ22によって、その偏波状態を制御する構成とされている。
【００８８】
（C）連続波光注入による光注入同期現象の発現による生成光パルス列の波長決定動作と周波数チャーピングの抑制効果
上述の(A)再生モード同期によるモード同期動作、及び(B)電気注入同期による光パルス列生成動作の結果、入力光信号D1のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列がMLLD 100によって生成される。再生モード同期によるモード同期動作及び電気注入同期による光パルス列生成動作状態のMLLD 100に連続波光CW1を入力すると、MLLD 100は連続波光CW1に対して光学的な注入同期（光注入同期という。）現象が発現する。
【００８９】
その結果、MLLD 10の発振光スペクトルの中心波長が連続波光CW1の波長λcに合致すると共に、発振スペクトル帯域の低減による周波数チャーピング抑制効果が生じる（文献2：S. Arahira, H. Yaegashi, K. Nakamura, and Y Ogawa, "Chirp Control and Broadband Wavelength-Tuning of 40-GHz Monolithic Actively Mode-Locked Laser Diode Module with an External CW Light Injection," IEEE J. Selected Topics in Quantum Electronics, vol. 11, No. 5, pp. 1103-1111 (2005)）。
【００９０】
連続波光CW1の波長を変化させると、それに追随してMLLD 100の発振中心波長が変化する。すなわち、これにより生成される光パルス列の波長可変が実現される。連続波光CW1の波長を変化させる際、連続波光CW1の強度も調整すれば、連続波光CW1の波長が変化しても発振スペクトル帯域の低減効果を持続させることができ、生成される光パルス列の周波数チャーピングの抑制効果も持続させることが可能である。
【００９１】
すなわち、生成される光パルス列の波長は、連続波光CW1の波長λcによって決定されることを意味する。このことにより、入力光信号D1の波長が変化しても、生成される光パルス列の波長を一定に維持したり、あるいは、一定波長に固定された入力光信号D1に対して、生成される光パルス列の波長を変化させたりすることが可能となる。言い換えると、入力光信号D1の波長と生成される光パルス列の波長の関係に柔軟性を有し、かつ広い波長帯域にわたり高い精度を以って両者の波長の関係を確定することが可能である光パルス列生成装置が実現される。
【００９２】
光注入同期が発現する波長帯域は、主としてMLLD 100の利得帯域によって制限される。生成される光パルス列の波長を広範囲にわたり可変とするためには、MLLD 100に、分布ブラッグ反射鏡や光フィルタ等の利得帯域を制限する光バンドパスの役割を果たす構成要素を含ませないことが望ましい。従って、MLLD 100としては、ファブリ・ペロ型半導体レーザ素子構造を採用するのが好適である。
【００９３】
また、上述の文献2に記載されているように、連続波光CW1のMLLD 100への入力強度を調整するという簡便な手法で、生成される光パルス列の周波数チャーピングの抑制効果を維持しつつ、MLLD 100における発振スペクトル帯域を調整することが可能である。発振スペクトル帯域が調整可能であるということは、生成される光パルス列を構成する個々の光パルスの時間波形の半値幅を調整することが可能となることを意味している。これは、発振スペクトル帯域と光パルスの時間波形の半値幅とは互いにフーリエ変換で規定される関係にあり、発振スペクトル帯域と光パルスの時間波形の半値幅とは反比例する関係にあるからである。
【００９４】
以上説明した様に、この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1によれば、生成される光パルス列の中心波長を変化させることに加えて、生成される光パルス列を構成する個々の光パルスの時間波形の半値幅も調整可能であるという効果が得られる。
【００９５】
光注入同期動作を実現するには、少なくとも、連続波光CW1とMLLD 100の発振偏波状態が一致していることが必要である。従って、第2偏波面コントローラ24を用いて、連続波光CW1の偏波状態をMLLD 100の共振器端面L1において、連続波光CW1とMLLD 100の発振偏波状態が一致するようにその偏波状態を制御する。
【００９６】
なお、光注入同期動作は連続波光CW1の波長λcがMLLD 100の共振モードの一つに近似した場合に発現する。すなわち、光注入同期動作により生成される光パルス列の波長可変特性は、MLLD 100の共振モード間隔と対応する離散的な可変特性である。
【００９７】
また、連続波光CW1の波長λcが近似するMLLD 100の共振モードが、MLLD 100が連続波光CW1や入力光信号D1が入力されていないで駆動されている状態で、レーザ発振している共振器モードである必要はない。すなわち、連続波光CW1の波長λcが近似するMLLD 100の共振モードが、MLLD 100が連続波光CW1や入力光信号D1の入力なしで駆動されている状態では、レーザ共振していないモードであってもこの発明の効果は得られる。
【００９８】
この理由は、MLLD 100に外部から光を入力すると、光利得領域102においてその入力された光の波長に対応するバンド間遷移での誘導放出が増強されることにある。この誘導放出の増強の影響は、MLLD 100の発振閾値を低減する効果として現れ、外部から光が入力されることによって、外部からの光の入力がない状態ではレーザ発振しなかった共振器モードのレーザ発振が促されるからである。
【００９９】
光注入同期が生じる状態、すなわち、MLLD 100内で光共振条件が満足される状況では、外部からの光の入力がない状態ではレーザ発振しなかった共振器モードのレーザ発振が外部からの光の入力により促進される。すなわち、外部からの光の入力がない状態ではレーザ発振しなかった共振器モードも、連続波光CW1の入力によって光注入同期が生じた場合レーザ発振に至るので、このような共振器モードに相当する波長の光パルス列を生成することが可能である。
【０１００】
上述した(B)電気注入同期による光パルス列生成動作と(C)連続波光注入による光注入同期による光パルス列生成動作とは、その発現順序が上述の記載順序に発現して光パルス列が生成されるわけではない。記載の順序とは逆に、光注入同期による再生モード同期半導体レーザの波長決定及び波長可変作用と、周波数チャーピングの抑制効果が生じた上で、電気注入同期による光パルス列生成動作が生じて、その結果として波長可変の光パルス列生成動作が可能となったものと見ることもできる。すなわち、電気注入同期及び光注入同期による作用は、入力光信号D1及び連続波光CW1がMLLD 100の光導波路中で共存することに基づき複合的に生じる作用である。
【０１０１】
MLLD 100からは、共振器端面L1と対となるもう一方の共振器端面R1から、生成された光パルス列が第2結合レンズ16を介して光ファイバ等に入力されることによって外部に取り出される。この外部に取り出された出力光には、入力光信号D1の再生光クロック信号に相当する波長λcの信号成分（生成された光パルス列）、及び入力光信号D1がMLLD 100を通過して出力された波長λDの信号成分が含まれている。また、場合によっては、連続波光CW1の入力によってもレーザ発振を抑制しきれなかった、連続波光CW1の波長λcとは異なる波長であるMLLD 100の残存レーザ発振波長成分が含まれることもある。このような残存レーザ発振成分は、特に、連続波光CW1の波長が、MLLD 100内で光注入同期現象が発現する波長帯域の最大波長及び最小波長に近い場合に顕著となる。
【０１０２】
MLLD 100から出力される出力光の波長成分のうち、必要とされるのは連続波光CW1の波長λcに等しい波長の光パルス列を構成する成分のみである。MLLD 100から出力される出力光の波長成分のうち波長がλDである波長成分は、光パルスのピーク強度がランダムに変動して時間軸上に並ぶ符号化された入力光信号の成分を含む。また、残存レーザ発振成分は、連続波光CW1による周波数チャープ抑制の恩恵を受けていない成分であるから、この成分が残存していると周波数チャープ成分が残存していることにもなる。従って、波長がλDである波長成分は出力光から除去する必要がある。
【０１０３】
この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置S1においては、光バンドパスフィルタ20を第2光アイソレータ18の後段に配置して、MLLD 100の光導波路から出力される出力光から、波長がλDである波長成分を除去する構成とされている。すなわち光バンドパスフィルタ20からは、連続波光CW1の波長λcに等しい波長の光パルス列を構成する成分のみが透過され、光パルス列生成装置S1からは連続波光CW1の波長λcに等しい波長の光パルス列が出力される。
【０１０４】
＜第2実施形態の光パルス列生成装置の構成及び動作＞
図3を参照して、この発明の第2実施形態の光パルス列生成装置S2の構成及びその動作について説明する。図3は、この発明の第2実施形態の光パルス列生成装置S2の概略的構成図である。
【０１０５】
第2実施形態の光パルス列生成装置S2が上述の第1実施形態の光パルス列生成装置S1と相違する点は、第2実施形態の光パルス列生成装置S2が具えるMLLD 150が、光変調領域101及び光利得領域102に、更に光導波路の実効屈折率を調整するための受動導波路領域110を具えていることである。これ以外には、第1実施形態の光パルス列生成装置S1との構造上の相違点はないので、以下受動導波路領域110に関しての説明をし、第1実施形態の光パルス列生成装置S1と共通する部分についての説明は省略する。
【０１０６】
受動導波路領域110は、外部からの電流注入、電圧印加、あるいは温度コントロールをすることによって熱光学効果等を発現させることによって実効屈折率が変調可能とされている。すなわち、受動導波路領域110に外部から電流注入することにより生じるプラズマ効果、あるいは電圧印加することによって生じるポッケルス効果によって実効屈折率が変調される。受動導波路領域110の実効屈折率を変調のために利用する自然法則としては、上述以外にもバンドフィリング効果や、量子サイズ効果である量子閉じ込めシュタルク効果等も利用することが可能である。
【０１０７】
図3に示す例では、変調信号供給源210から受動導波路領域電極111を介して受動導波路領域110に電流注入あるいは電圧印加を実行することが可能な構成とされている。受動導波路領域110は、図3に示す例に限定されることなく、マイクロヒータ等を設置してこのマイクロヒータを外部からの変調信号供給源から供給される電力により温度コントロールすることによって、熱光学効果を利用して実効屈折率を変調する構成とすることも可能である。
【０１０８】
受動導波路領域110を新たに設けることにより、受動導波路領域110の実効屈折率を変化させることができ、MLLD 150の共振モード波長を変化させることが可能となる。従って、連続的に変化させた連続波光CW1の波長λcに追随して、光注入同期現象が生じるようにMLLD 150の共振モード波長を変化させることができるので、生成される光パルス列の波長を連続的に変更することが可能となる（共振モード波長調整ステップ）。
【０１０９】
＜第3実施形態の光パルス列生成装置の構成及び動作＞
図4を参照して、この発明の第3実施形態の光パルス列生成装置S3の構成及びその動作について説明する。図4は、この発明の第3実施形態の光パルス列生成装置S3の概略的構成図である。
【０１１０】
第3実施形態の光パルス列生成装置S3が上述の第1実施形態の光パルス列生成装置S1と相違する点は、光サーキュレータ30が利用され、入力光信号D1及び連続波光CW1が光サーキュレータ30を介してMLLD 100の共振器端面L1から入力され、MLLD 100で生成される光パルス列CLK1が光サーキュレータ30を介して外部に取り出される構成とされている点である。すなわち、第3実施形態の光パルス列生成装置S3によれば、入力光信号D1及び連続波光CW1が共振器端面L1から入力される一方、生成される光パルス列CLK1も共振器端面L1から出力される。
【０１１１】
このような構成とすることによって、第1実施形態の光パルス列生成装置S1において必要とされた第2結合レンズ16及び第2光アイソレータ18が不要となる。
【０１１２】
光サーキュレータ30は、第1端子30-1、第2端子30-2及び第3端子30-3を具えている。第1端子30-1から入力された光は第2端子30-2に出力され、第2端子30-2から入力された光は第3端子30-3から出力される。
【０１１３】
光合波器10から出力される、入力光信号D1と連続波光CW1との合波出力は第1端子30-1に入力される。また、第2端子30-2から出力される入力光信号D1と連続波光CW1との合波出力は、第1結合レンズ14を介してMLLD 100の共振器端面L1からMLLD 100の光導波路に入力される。また、第3端子30-3から出力される光信号は、光バンドパスフィルタ20に入力される。光バンドパスフィルタ20から出力される光信号(生成された光パルス列)は、出力ポートBから外部に出力される。
【０１１４】
以上説明した構成以外には、第1実施形態の光パルス列生成装置S1との構造上の相違点はないので、第1実施形態の光パルス列生成装置S1と共通する部分についての説明は省略する。また、第3実施形態の光パルス列生成装置S3における光パルス列生成の原理は、上述した第1実施形態の光パルス列生成装置S1と同一である。
【０１１５】
＜第4実施形態の光パルス列生成装置の構成及び動作＞
この発明の第4実施形態の光パルス列生成装置の特徴は、第1〜第3実施形態の光パルス列生成装置が具えるMLLD 100あるいはMLLD 150(以後、代表してMLLD100として説明する)の光変調領域101を構成する光導波路が、バルク結晶あるいは伸張歪みを導入した多重量子井戸構造で構成されていることである。また、光バンドパスフィルタ20を取り外し、その代わりに第2光アイソレータ18に、TE偏波方向の光に対しては光アイソレータとして機能し、TM(Transverse Magnetic)偏波方向の光は遮断する偏波選択型光アイソレータを採用する点が特徴である。
【０１１６】
また、第4実施形態の光パルス列生成装置によって光パルス列を生成するに当たっては、入力光信号D1がMLLD 100の共振器端面L1に到達した時点で、MLLD 100の発振偏波と合致するように、入力光信号D1の偏波状態を第1偏波面コントローラ22によって調整して設定する。
【０１１７】
上述の(B)節で説明した電気注入同期による光パルス列の生成動作は、MLLD 100の光変調領域101の光学利得あるいは光学吸収が、入力光信号D1によって変調されることによって生じる。すなわち、このような光変調作用が光変調領域101で生じさえすれば、入力光信号D1の偏波状態はどのようなものであってもかまわない。
【０１１８】
入力光信号D1の偏波状態は、MLLD 100の共振器端面L1に入力光信号D1が到達したときにMLLD 100の発振偏波と合致するように、第1偏波面コントローラ22によって調整される。
【０１１９】
ここで、MLLD 100の光変調領域101の光学利得あるいは光学吸収の変調深さが、電気的再生増幅発振器200に対して電気的注入同期現象を発現するために十分な深さであるものとする。この条件下では、(B)節で説明した電気注入同期による光パルス列の生成動作原理に基づき光パルス列の生成が成される。
【０１２０】
また、この動作が発現すると同時に(C)節で説明した連続波光注入による光注入同期現象の発現による生成光パルス列の波長決定動作と周波数チャーピングの抑制効果に基づき、連続波光CW1を入力して、MLLD 100に光注入同期動作を起こさせると、再生される光パルス列の波長可変効果が得られる。
【０１２１】
入力する連続波光CW1の偏波状態は、光注入同期の動作原理に基づき、上述の第1実施形態の光パルス列生成装置S1の場合と同様に、MLLD 100の発振偏波と一致するように第2偏波面コントローラ24によって調整される。
【０１２２】
上述したように、MLLD 100から出力される出力光には、波長がλcである生成された光パルス信号成分、及び波長がλDである入力光信号D1成分が含まれている。一方、ここでは、連続波光CW1の波長λcはMLLD 100内で光注入同期現象が発現する波長帯域内にあることによって、残存レーザ発振波長成分が十分に小さく抑制された状態であるとする。また、入力光信号D1の偏波状態は、MLLD 100の発振偏波、すなわち、生成される光パルス列の偏波状態と合致している。
【０１２３】
従って、第2光アイソレータ18として偏波選択型光アイソレータを用いれば、生成される光パルス列に相当する波長λcの信号成分のみを選択的に第2光アイソレータ18から出力させることが可能である一方、入力光信号D1がMLLD 100を通過して出力される波長λDの信号成分を遮断することが可能である。すなわち、偏波選択型光アイソレータとして機能する第2光アイソレータ18からは、最終的に取得目的である生成光パルス列CLK1が出力される。従って、上述の第1実施形態の光パルス列生成装置S1において必要とされている、波長λDの信号成分を遮断するための光バンドパスフィルタ20が不要となる。
【０１２４】
MLLD 100のレーザ発振偏波と合致した偏波の入力光信号D1に対しても、光変調領域101において有効な光学利得あるは光学吸収の変調効果を発生させるため、第4実施形態の光パルス列生成装置が具えるMLLD 100の光変調領域101として、バルク結晶あるは伸張歪みを導入した多重量子井戸構造を採用する。InPやGaAsなどIII-V族半導体のバルク結晶によって形成される光変調領域101においては、光学利得あるいは光学吸収特性の偏波依存性は、その光導波路としての光閉じ込め係数の微小な差しか生じないことが知られている。従って、MLLD 100のレーザ発振偏波と合致した偏波状態である入力光信号D1をMLLD 100に入力しても、入力光信号D1の強度を調整することによって、光変調領域101において有効な光学利得あるいは光学吸収の変調効果が得られるようにすることが可能である。
【０１２５】
また、伸張歪を導入した多重量子井戸構造を採用した光変調領域101においても、上述のバルク結晶を採用した場合と同様に、光学利得あるいは光学吸収特性の偏波依存性は、その光導波路としての光閉じ込め係数の微小な差しか生じないことが知られている。従って、MLLD 100のレーザ発振偏波と合致した偏波状態である入力光信号D1をMLLD 100に入力しても、変調歪量を調整することによって、光変調領域101において有効な光学利得あるいは光学吸収の変調効果が得られるようにすることが可能である。
【０１２６】
第4実施形態の光パルス列生成装置においては、入力光信号D1と連続波光CW1の両者の偏波状態は互いに合致している。従って、入力光信号D1と連続波光CW1とを合波する光合波器10として、光カプラやWDMカプラではなく、偏波合波器(Polarization Beam Combiner)を用いるのが好適である。偏波合波器においては、偏波合波器の入力端面における、入力光信号D1と連続波光CW1のそれぞれの偏波状態を調整することによって、光カプラやWDMカプラ等で発生する光損失を発生させない状態にすることが可能である。
【０１２７】
＜光パルス列生成装置の動作検証実験＞
この発明の第1から第4実施形態の光パルス列生成装置の動作を実証するための検証実験を行った結果につき以下に説明する。
【０１２８】
検証実験に用いたMLLD素子は、光変調領域として電界吸収型変調器を利用して構成される能動モード同期レーザである。すなわち、検証実験に用いたMLLD素子は、電界吸収型変調領域(光変調領域101)、光利得領域102、及び受動導波路領域110を含む光導波路を具えた、ファブリ・ペロ型半導体レーザ構造のMLLD素子である。光利得領域102には、量子井戸として圧縮歪みを0.6％導入したInGaAsPを用い、バリア層として無歪のInGaAsPを用いて構成された多重量子井戸構造を採用し、この多重量子井戸のバンドギャップ波長が1.526μmとなるように調整して構成した。
【０１２９】
電界吸収型変調領域(光変調領域101)及び受動導波路領域110には、バンドギャップ波長が1.48μmであるバルク型InGaAsPを採用した。MLLDの素子長は1050μmであり、共振器周回周波数は約40 GHzである。なお、この検証実験には、上述の素子構造のMLLD素子に温度コントローラ部、結合レンズ、出力光の取り出し用の偏波保存光ファイバを実装してモジュール化された光パルス列生成装置を利用した。
【０１３０】
モード同期動作を発現させるために光利得領域102に注入した注入電流の大きさは90 mA、光変調領域101に印加した直流バイアス電圧は-0.62 Vとした。また、バイアスティー203、電気サーキュレータ204、電気バンドパスフィルタ205、電気増幅器206、電気位相シフタ207は、40 GHz帯で動作する市販品を利用した。電気バンドパスフィルタ205は、透過中心周波数が39.81 GHz、Q値が約500である素子を利用した。
【０１３１】
上述の市販品を利用して構成した電気的再生増幅発振器200の電気的フィードバックループとしてのループ利得は、電気強度利得で表して34 dBであった。また、このとき電気的再生増幅発振器200の発振周波数は、電気バンドパスフィルタ205の透過中心周波数近傍の値である39.813 GHzであった。また電気的再生増幅発振器200からの出力は、バイアスティー203の直流及び交流電気信号の結合出力端子203-3で観測して+23 dBmであった。
【０１３２】
上述の電気的再生増幅発振器200の出力をMLLDの光変調領域101に直流逆バイアス電圧と共に印加したところ、再生モード同期動作による光パルス列が生成されていることが確認された。この生成された光パルス列を構成する光パルスの時間波形は、ガウス関数型に近い形状であって、光パルスの時間波形の幅は約5.4 nmであった。また、出力ポートBから出力された光パルス列の平均光出力値は、約+1.74 dBmであった。
【０１３３】
光パルスの時間波形の幅と周波数スペクトルの幅との積として与えられる時間帯域幅積は、約2.03であった。この値は、ガウス関数型の時間波形の光パルスのフーリエ変換リミット値である0.4の5倍弱であり、生成されて出力された光パルス列を構成する光パルスが大きな周波数チャーピングを有していることを示している。
【０１３４】
図5(A)〜(C)を参照して、生成された光パルス列の電気パワースペクトルの観測結果について説明する。図5(A)はこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図であり、図5(B)は通常の能動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図であり、図5(C)は通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図である。図5(A)〜(C)において、横軸に周波数をGHz単位で目盛って示し、縦軸にスペクトル強度をdBm単位で目盛って示してある。
【０１３５】
光パルス列の電気パワースペクトルは、光パルス列をpinフォトダイオードで電気パルス列に変換し、その電気パルス列の電気パワースペクトルを観測した。
【０１３６】
図5(A)に示すこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルは、周波数39.81312 GHzに離散的でシャープなスペクトル成分が観測された。この周波数の値は、上述した電気的再生増幅発振器200の発振周波数と一致するとともに、MLLD素子の共振器周回周波数の値に近似的に等しい値である。
【０１３７】
この発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルと比較するために、図5(B)及び図5(C)に、それぞれ通常の能動モード同期動作及び通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す。
【０１３８】
図5(B)に示すように、通常の能動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルは、図5(A)に示すこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルと同様に、離散的でシャープなスペクトル成分が観測されている。この周波数成分は、外部の電気発振器であるシンセサイザーから与えた電気変調信号の周波数と一致している。
【０１３９】
一方、図5(C)に示す通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルは、離散的でシャープなスペクトル成分を持っておらず、スペクトルピークは、緩やかな広がりを有している。これは、受動モード同期動作においては、光パルス列の繰り返し周波数を強制的に確定させる安定した周波数レファレンスが存在していないことに起因する。
【０１４０】
次に、電気パワースペクトルを周波数で積分して、上述の再生モード同期動作によって生成された光パルス列の位相雑音を導出した。その結果、積分範囲を50 kHz〜100 kHzとして、図5(A)に示すこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列、図5(B)に示す通常の能動モード同期動作によって生成された光パルス列、及び図5(C)に示す通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の位相雑音は、それぞれ0.09 ps(ピコ秒)、0.06 ps、及び2 psであった。
【０１４１】
以上の結果から、電気的再生増幅発振器200を用いたMLLDにおいては、通常の能動モード同期レーザと遜色ない低位相雑音であるモード同期動作が可能であることが分かった。生成される光パルス列の位相雑音は、再生モード同期動作時の位相雑音特性の影響を受けることを考慮すると、再生モード同期動作時の位相雑音は低いことが望ましい。ここでの検証実験の結果によれば、この発明の光パルス列生成装置によって、通常の能動モード同期レーザと遜色のない、実用上十分である低位相雑音の光パルス列を生成することが可能であることを示している。
【０１４２】
次に、上述のモジュール化された再生モード同期動作による光パルス列生成装置に入力光信号D1と連続波光CW1とを入力し、光パルス列の生成を行う検証実験を行った。
【０１４３】
入力光信号D1として、ビットレート周波数が39.81312 Gbit/sのRZフォーマットの光信号であって、マーク率が1/2の31段擬似ランダム光信号を用いた。また、このRZフォーマットの光信号を構成する光パルスの時間波形の幅は6 psに設定した。検証実験においては、入力光信号D1の波長を1535 nm、1552 nm及び1569 nmの3通りに変化させて、それぞれの場合における生成光パルス列の特性を比較した。また、入力光信号D1の強度は、+2 dBmで光パルス列生成装置に入力されるように設定した。一方、連続波光CW1の波長は、1535 nm〜1571 nmの範囲で変化させ、その強度は+7 dBmで光パルス列生成装置に入力されるように設定した。
【０１４４】
図6(A)〜(C)を参照して、上述のモジュール化された再生モード同期動作による光パルス列生成装置のMLLDから出力される出力光を、中心波長が連続波光CW1の波長に一致し、かつ透過帯域幅が3 nmの光バンドパスフィルタでフィルタリングした後の光パルス列を観測した結果について説明する。
【０１４５】
図6(A)〜(C)は、MLLDから出力される出力光をフィルタリングした後の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図であり、各図において、横軸に波長をnm単位で目盛って示してあり、縦軸にスペクトル強度を対数目盛で目盛って示してある。図6(A)、(B)及び(C)は、それぞれ入力光信号D1の波長が、1535 nm、1552 nm及び1569 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。
【０１４６】
図6(A)における(A-1)、(A-2)、(A-3)、図6(B)における(B-1)、(B-2)、(B-3)、及び図6(C)における(C-1)、(C-2)、(C-3)は、それぞれ連続波光CW1の波長を変化させた異なる3点の波長において観測された光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。図6(A)における(A-1)、(A-2)、(A-3)は、連続波光CW1の波長が、それぞれ1540.36 nm、1555.76 nm、1565.76 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。図6(B)における(B-1)、(B-2)、(B-3)は、連続波光CW1の波長が、それぞれ1539.89 nm、1555.51 nm、1565.40 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。図6(C)における(C-1)、(C-2)、(C-3)は、連続波光CW1の波長が、それぞれ1539.99 nm、1555.51 nm、1565.40 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。
【０１４７】
また図6(A)における(A-0)は、入力光信号D1及び連続波光CW1共に入力しない条件下で、MLLDから出力される出力光をフィルタリングした後の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。
【０１４８】
図6(A)〜(C)に示すいずれの場合にあっても、連続波光CW1の波長変化に追随して、生成される光パルス列の中心波長が変化していることが分かる。図6(A)〜(C)に示す実験結果において、特筆すべきことは、光パルス列の中心波長の変化と共に、波長スペクトル帯域幅が、連続波光CW1を入力しない場合（図6(A)の(A-0)に示す。）と比較して、狭窄化されていることである。これは、入力された連続波光CW1が、上述のモジュール化された光パルス列生成装置のMLLDの発振波長帯域を制限している結果である(文献2参照)。このことが、生成される光パルス列のチャープ特性の改善に重要な役割を果たしている。
【０１４９】
図7(A-1)〜(C-3)を参照して、生成された光パルス列のサンプリングオシロスコープによる観測結果について説明する。図7(A-1)〜(C-3)において、横軸は時間軸を示し一目盛が5 ps(ピコ秒)であり、縦軸は光強度を示し一目盛が5 mWである。
【０１５０】
図7(A-1)〜(A-3)は、入力光信号D1の波長が1535 nmである場合の光パルスの時間波形であって、上述の図6(A)に示す周波数スペクトル波形(A-1)〜(A-3)に対応する光パルスの時間波形を示す。図7(B-1)〜(B-3)は、入力光信号D1の波長が1552 nmである場合の光パルスの時間波形であって、上述の図6(B)に示す周波数スペクトル波形(B-1)〜(B-3)に対応する光パルスの時間波形を示す。図7(C-1)〜(C-3)は、入力光信号D1の波長が1569 nmである場合の光パルスの時間波形であって、上述の図6(C)に示す周波数スペクトル波形(C-1)〜(C-3)に対応する光パルスの時間波形を示す。
【０１５１】
図7(A-1)〜(C-3)に示すいずれの光パルスも、その時間波形がガウス関数型である理想的な形状の時間波形となっている。図7(A-1)〜(C-3)に示すサンプリングオシロスコープによって観測された光パルスの時間波形から見積もられた時間ジッタの値の大きさは、平均二乗値(root mean square value)で示して0.31 ps〜0.38 psであった。一方、この検証実験に用いた入力光信号D1のサンプリングオシロスコープによって観測された時間波形から見積もられた時間ジッタの値の大きさは、平均二乗値で示して0.25 ps〜0.50 psであった。
【０１５２】
以上説明したように、この発明の第1〜第4実施形態の光パルス列生成装置によれば、入力光信号D1の時間ジッタと同程度の大きさの時間ジッタを有する光パルス列が生成されることが確かめられた。また、連続波光CW1の波長が、MLLD 100あるいはMLLD 150が連続波光CW1の入力がない状態で発振させた場合の共振器モードと一致していない場合であっても、この発明の第1〜第4の実施形態の光パルス列生成装置によれば、連続波光CW1の波長に等しい波長の光パルス列が生成されることが分かる。
【０１５３】
図8(A)〜(C)を参照して、入力光信号D1の波長及び連続波光CW1の波長を変えた場合において生成される光パルス列の、光パルスの時間波形の幅、時間帯域幅積、及び時間ジッタの大きさについて説明する。
【０１５４】
図8(A)は生成される光パルス列の光パルスの時間波形の幅、図8(B)は時間帯域幅積の値、及び図8(C)は生成される光パルス列の時間ジッタの大きさを示す図である。図8(A)〜(C)において、入力光信号D1の波長が1535 nm、1552 nm及び1569 nmである場合に対する値を、それぞれ丸印、三角印及び四角印で示してある。
【０１５５】
図8(A)、(B)及び(C)の縦軸は、それぞれ、光パルスの時間波形の幅、時間帯域幅積、及び時間ジッタを示している。図8(A)及び(C)の縦軸はps単位で目盛って示している。図8(A)、(B)及び(C)の横軸は、連続波光CW1の波長をnm単位で目盛って示している。図8(C)に示す時間ジッタは、位相雑音スペクトルから求めた換算値である。また、図8(C)において、横軸の方向に沿って示す破線は、入力光信号D1の位相雑音の値の平均値（時間ジッタの値が0.2 ps）を示している。
【０１５６】
入力光信号D1及び連続波光CW1の波長を変化させても、生成される光パルス列の時間波形の幅、時間帯域幅積、及び時間ジッタに大きな変化はみられない。位相雑音の値は、入力光信号D1と同程度の大きさであった。図8(A)〜(C)に示す実験結果から、時間帯域幅積が、ガウス関数形状の時間波形を有する光パルスのフーリエ変換リミットの値である0.4に近い値が得られていることが重要な点である。
【０１５７】
連続波光をMLLD 100あるいはMLLD 150に入力しない状態で生成される光パルス列の時間帯域幅積の値は、既に説明したように約2.03である。この約2.03という値は、光パルスのフーリエ変換リミットの値である0.4の約5倍であることを考慮すると、以上に示した検証実験の結果は、この発明の第1〜第4実施形態の光パルス列生成装置によれば、生成される光パルス列の周波数チャーピングは十分に抑制されることが確かめられた。
【図面の簡単な説明】
【０１５８】
【図１】この発明の第1実施形態の光パルス列生成装置の概略的構成図である。
【図２】電気分配合波器を利用して構成される電気的再生増幅発振器の概略的ブロック構成図である。
【図３】この発明の第2実施形態の光パルス列生成装置の概略的構成図である。
【図４】この発明の第3実施形態の光パルス列生成装置の概略的構成図である。
【図５】光パルス列の電気パワースペクトルの観測結果についての説明に供する図であり、(A)はこの発明で利用される再生モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図であり、(B)は通常の能動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図であり、(C)は通常の受動モード同期動作によって生成された光パルス列の電気パワースペクトルを示す図である。
【図６】MLLDから出力される出力光をフィルタリングした後の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図であり、(A)、(B)及び(C)は、それぞれ入力光信号D1の波長が、1535 nm、1552 nm及び1569 nmである場合の光パルス列の波長スペクトル特性を示す図である。
【図７】生成された光パルス列のサンプリングオシロスコープによる観測結果についての説明に供する図である。(A-1)〜(A-3)、(B-1)〜(B-3)及び(C-1)〜(C-3)は、それぞれ入力光信号D1の波長が1535 nm、1552 nm及び1569 nmである場合の光パルスの時間波形を示す図である。
【図８】入力光信号D1の波長及び連続波光CW1の波長を変えた場合において生成される光パルス列の、(A)光パルスの時間波形の幅、(B)時間帯域幅積、及び(C)時間ジッタの大きさについての説明に供する図である。
【符号の説明】
【０１５９】
10：光合波器
12：第1光アイソレータ
14：第1結合レンズ
16：第2結合レンズ
18：第2光アイソレータ
20：光バンドパスフィルタ
22：第1偏波面コントローラ
24：第2偏波面コントローラ
26：連続波光出力光源
30：光サーキュレータ
30-1：光サーキュレータの第1端子
30-2：光サーキュレータの第2端子
30-3：光サーキュレータの第3端子
100、150：モード同期半導体レーザ(MLLD)
101：光変調領域
102：光利得領域
103：第1クラッド層
104：第2クラッド層
105：光変調領域電極
106：光利得領域電極
107：共通電極
110：受動導波路領域
111：受動導波路領域電極
200：電気的再生増幅発振器
201：定電流源
202：電源
203：バイアスティー
203-1：直流電気信号入力端子
203-2：交流電気信号入力端子
203-3：結合出力端子
203-4：コイル
203-5：コンデンサー
204：電気サーキュレータ
204-1：電気サーキュレータの第1端子
204-2：電気サーキュレータの第2端子
204-3：電気サーキュレータの第3端子
205：電気バンドパスフィルタ
206：電気増幅器
207：電気位相シフタ
208：電気分配合波器
208-1：電気分配合波器の第1端子
208-2：電気分配合波器の第2端子
208-3：電気分配合波器の第3端子
210：変調信号供給源
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成方法であって、
反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含み、該光利得領域と該光変調領域とが直列に配列された光導波路を具えるモード同期半導体レーザに、前記入力光信号と、当該モード同期半導体レーザの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光とを入力する光入力ステップと、
前記光変調領域で発生する光起電力信号に含まれる前記入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して前記光変調領域に供給する電気再生発振ステップと、
前記入力光信号と同期し、前記連続波光の波長に等しい波長であって、かつ前記ビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列を前記光導波路から出力させる光パルス列出力ステップと
を含む
ことを特徴とする光パルス列生成方法。
【請求項２】
入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成方法であって、
反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域と、実効屈折率が外部からの電気信号あるいは熱信号によって調整される受動導波路領域とを含み、該光利得領域と該光変調領域と該受動導波路領域とが直列に配列された光導波路を具えるモード同期半導体レーザに、前記入力光信号と、当該モード同期半導体レーザの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光とを入力する光入力ステップと、
前記光変調領域で発生する光起電力信号に含まれる前記入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して前記光変調領域に供給する電気再生発振ステップと、
前記連続波光の波長に追随して光注入同期現象が発現するように、外部からの前記電気信号あるいは前記熱信号によって前記受動導波路領域の実効屈折率を変化させて、前記モード同期半導体レーザの共振モード波長を調整する共振モード波長調整ステップと、
前記入力光信号と同期し、前記連続波光の波長に等しい波長であって、かつ前記ビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列を前記光導波路から出力させる光パルス列出力ステップと
を含む
ことを特徴とする光パルス列生成方法。
【請求項３】
入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成装置であって、
反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含み、該光利得領域と該光変調領域とが直列に配列された光導波路を具えるモード同期半導体レーザと、
該モード同期半導体レーザの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光を発生する連続波光出力光源と、
前記光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、該光起電力信号に含まれる前記入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して前記光変調領域に供給する電気的再生増幅発振器と、
を具え、
前記入力光信号と前記連続波光出力光源から出力される連続波光とが前記光導波路に入力され、
前記入力光信号と同期し、前記連続波光の波長に等しい波長であって、かつ前記ビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列が前記光導波路から出力される構成とされている
ことを特徴とする光パルス列生成装置。
【請求項４】
入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成装置であって、
反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域と、実効屈折率が外部からの変調信号によって変化する受動導波路領域とを含み、該光利得領域と該光変調領域と該受動導波路領域とが直列に配列された光導波路を具えるモード同期半導体レーザと、
該モード同期半導体レーザの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光を発生する連続波光出力光源と、
前記光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、該光起電力信号に含まれる前記入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して前記光変調領域に供給する電気的再生増幅発振器と、
前記受動導波路領域に変調信号を供給する変調信号供給源と
を具え、
前記入力光信号と前記連続波光出力光源から出力される連続波光とが前記光導波路に入力され、
前記入力光信号と同期し、前記連続波光の波長に等しい波長であって、かつ前記ビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列が前記光導波路から出力される構成とされている
ことを特徴とする光パルス列生成装置。
【請求項５】
前記入力光信号の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、
前記連続波光の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号が入力されて、該合波入力光信号の進行方向と逆向きに進む光を遮断する第１光アイソレータと、
前記モード同期半導体レーザの具える光導波路から出力される光パルス列を透過し、該光パルス列と逆向きに進む光を遮断する第2光アイソレータと、
前記光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタと
を更に具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項６】
前記入力光信号の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、
前記連続波光の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号が入力されて、該合波入力光信号の進行方向と逆向きに進む光を遮断する第１光アイソレータと、
前記モード同期半導体レーザの具える光導波路から出力される光パルス列を透過し、該光パルス列と逆向きに進む光を遮断する第2光アイソレータと
を更に具え、
前記光変調領域の光導波路は、バルク結晶によって形成されており、
前記第2光アイソレータは、偏波選択型光アイソレータである
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項７】
前記入力光信号の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、
前記連続波光の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号が入力されて、該合波入力光信号の進行方向と逆向きに進む光を遮断する第１光アイソレータと、
前記モード同期半導体レーザの具える光導波路から出力される光パルス列を透過し、該光パルス列と逆向きに進む光を遮断する第2光アイソレータと
を更に具え、
前記光変調領域の光導波路は、伸張歪が導入された多重量子井戸構造によって形成されており、
前記第2光アイソレータは、偏波選択型光アイソレータである
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項８】
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号を前記モード同期半導体レーザに入力させ、かつ該モード同期半導体レーザから出力される前記光パルス列を外部に出力する光サーキュレータと、
前記光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタと
を具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項９】
前記入力光信号の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、
前記連続波光の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号を前記モード同期半導体レーザに入力させ、かつ該モード同期半導体レーザから出力される前記光パルス列を外部に出力する光サーキュレータと、
前記光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタと
を具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項１０】
前記電気的再生増幅発振器は、
当該電気的再生増幅発振器の電気フィードバックループの電気的遅延時間を変化させ、当該電気的再生増幅発振器の発振周波数を制御する電気位相シフタと、
前記入力光信号のビットレート周波数を中心透過周波数とする電気バンドパスフィルタと、
当該電気的再生増幅発振器の前記電気フィードバックループを周回する電気信号を増幅する電気増幅器と
を具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項１】
入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成方法であって、
反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含み、該光利得領域と該光変調領域とが直列に配列された光導波路を具えるモード同期半導体レーザに、前記入力光信号と、当該モード同期半導体レーザの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光とを入力する光入力ステップと、
前記光変調領域で発生する光起電力信号に含まれる前記入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して前記光変調領域に供給する電気再生発振ステップと、
前記入力光信号と同期し、前記連続波光の波長に等しい波長であって、かつ前記ビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列を前記光導波路から出力させる光パルス列出力ステップと
を含む
ことを特徴とする光パルス列生成方法。
【請求項２】
入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成方法であって、
反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域と、実効屈折率が外部からの電気信号あるいは熱信号によって調整される受動導波路領域とを含み、該光利得領域と該光変調領域と該受動導波路領域とが直列に配列された光導波路を具えるモード同期半導体レーザに、前記入力光信号と、当該モード同期半導体レーザの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光とを入力する光入力ステップと、
前記光変調領域で発生する光起電力信号に含まれる前記入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して前記光変調領域に供給する電気再生発振ステップと、
前記連続波光の波長に追随して光注入同期現象が発現するように、外部からの前記電気信号あるいは前記熱信号によって前記受動導波路領域の実効屈折率を変化させて、前記モード同期半導体レーザの共振モード波長を調整する共振モード波長調整ステップと、
前記入力光信号と同期し、前記連続波光の波長に等しい波長であって、かつ前記ビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列を前記光導波路から出力させる光パルス列出力ステップと
を含む
ことを特徴とする光パルス列生成方法。
【請求項３】
入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成装置であって、
反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域とを含み、該光利得領域と該光変調領域とが直列に配列された光導波路を具えるモード同期半導体レーザと、
該モード同期半導体レーザの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光を発生する連続波光出力光源と、
前記光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、該光起電力信号に含まれる前記入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して前記光変調領域に供給する電気的再生増幅発振器と、
を具え、
前記入力光信号と前記連続波光出力光源から出力される連続波光とが前記光導波路に入力され、
前記入力光信号と同期し、前記連続波光の波長に等しい波長であって、かつ前記ビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列が前記光導波路から出力される構成とされている
ことを特徴とする光パルス列生成装置。
【請求項４】
入力光信号のビットレート周波数に等しい繰り返し周波数の光パルス列を生成して出力する光パルス列生成装置であって、
反転分布が形成される光利得領域と、光強度を変調する光変調領域と、実効屈折率が外部からの変調信号によって変化する受動導波路領域とを含み、該光利得領域と該光変調領域と該受動導波路領域とが直列に配列された光導波路を具えるモード同期半導体レーザと、
該モード同期半導体レーザの共振器モードのうちの何れか一つの共振器モードの波長に光注入同期現象を生じさせることが可能な範囲の波長の連続波光を発生する連続波光出力光源と、
前記光変調領域で発生する光起電力信号が入力されて、該光起電力信号に含まれる前記入力光信号のビットレート周波数成分を選択的に増幅して前記光変調領域に供給する電気的再生増幅発振器と、
前記受動導波路領域に変調信号を供給する変調信号供給源と
を具え、
前記入力光信号と前記連続波光出力光源から出力される連続波光とが前記光導波路に入力され、
前記入力光信号と同期し、前記連続波光の波長に等しい波長であって、かつ前記ビットレート周波数の逆数で与えられる周期で時間軸上に光パルスが並ぶ光パルス列が前記光導波路から出力される構成とされている
ことを特徴とする光パルス列生成装置。
【請求項５】
前記入力光信号の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、
前記連続波光の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号が入力されて、該合波入力光信号の進行方向と逆向きに進む光を遮断する第１光アイソレータと、
前記モード同期半導体レーザの具える光導波路から出力される光パルス列を透過し、該光パルス列と逆向きに進む光を遮断する第2光アイソレータと、
前記光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタと
を更に具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項６】
前記入力光信号の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、
前記連続波光の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号が入力されて、該合波入力光信号の進行方向と逆向きに進む光を遮断する第１光アイソレータと、
前記モード同期半導体レーザの具える光導波路から出力される光パルス列を透過し、該光パルス列と逆向きに進む光を遮断する第2光アイソレータと
を更に具え、
前記光変調領域の光導波路は、バルク結晶によって形成されており、
前記第2光アイソレータは、偏波選択型光アイソレータである
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項７】
前記入力光信号の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、
前記連続波光の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号が入力されて、該合波入力光信号の進行方向と逆向きに進む光を遮断する第１光アイソレータと、
前記モード同期半導体レーザの具える光導波路から出力される光パルス列を透過し、該光パルス列と逆向きに進む光を遮断する第2光アイソレータと
を更に具え、
前記光変調領域の光導波路は、伸張歪が導入された多重量子井戸構造によって形成されており、
前記第2光アイソレータは、偏波選択型光アイソレータである
ことを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項８】
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号を前記モード同期半導体レーザに入力させ、かつ該モード同期半導体レーザから出力される前記光パルス列を外部に出力する光サーキュレータと、
前記光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタと
を具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項９】
前記入力光信号の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第1偏波面コントローラと、
前記連続波光の偏波方向が、前記モード同期半導体レーザの発振偏波面と合致するように調整する第2偏波面コントローラと、
前記入力光信号と前記連続波光とを合波する光合波器と、
該光合波器から出力される合波入力光信号を前記モード同期半導体レーザに入力させ、かつ該モード同期半導体レーザから出力される前記光パルス列を外部に出力する光サーキュレータと、
前記光パルス列の波長成分のみを透過する光バンドパスフィルタと
を具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【請求項１０】
前記電気的再生増幅発振器は、
当該電気的再生増幅発振器の電気フィードバックループの電気的遅延時間を変化させ、当該電気的再生増幅発振器の発振周波数を制御する電気位相シフタと、
前記入力光信号のビットレート周波数を中心透過周波数とする電気バンドパスフィルタと、
当該電気的再生増幅発振器の前記電気フィードバックループを周回する電気信号を増幅する電気増幅器と
を具えることを特徴とする請求項3又は4に記載の光パルス列生成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１０−１４７５３３（Ｐ２０１０−１４７５３３Ａ）
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３１９４０５（Ｐ２００８−３１９４０５）
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月１６日（２００８．１２．１６）
【出願人】（００００００２９５）沖電気工業株式会社 (6,645)
【Ｆターム（参考）】
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