光周波数コム発生装置、光パルス発生装置、及び光パルス発生装置の制御方法
【課題】歪みの低減された光パルスを発生可能とする。
【解決手段】光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、を備え、前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとすることにより光周波数コムを発生させる。
【解決手段】光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、を備え、前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとすることにより光周波数コムを発生させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コム発生装置、光パルス発生装置、及び光パルス発生装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光パルスを発生させる技術として、光を変調して多数の高次周波数成分からなる光周波数コムを作り出すことにより、光をパルス化させる方法が知られている。特許文献１には、この光周波数コムの平坦度を向上させるとともに、光パルスの発生効率（光パルスのパワー）を最適化する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１においては、最適な光パルスを得るための駆動条件の範囲が非常に狭く、駆動条件を所望の状態に合わせ込むのが難しいこと、また、光パルスの発生効率を最適化することを考慮しているため、光パルスに波形の歪みが残ってしまうこと、さらに、変調信号の位相ずれや高調波の影響など、実用時に想定される光パルスの劣化原因について検討されていないこと、等の問題が未解決であった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、歪みの低減された光パルスを発生可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の光周波数コム発生装置は、光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、を備え、前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとすることにより光周波数コムを発生させることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光周波数コム発生装置と、前記光周波数コム発生装置から出力された光に、当該光が前記光周波数コム発生装置によって付与されたチャープを補償するように当該チャープと逆符号の所定量のチャープを付与することにより、パルス圧縮する光パルス圧縮部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記光パルス圧縮部は、１．３μｍ用シングルモードファイバであり、前記１．３μｍ用シングルモードファイバの光ファイバ長Ｌは、前記変調信号の変調周波数をｆ（ＧＨｚ）としたとき、Ｌ＝（４０／π）（Ａｆ）−１であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記変調信号生成部は、前記変調信号の供給ラインの途中に前記各変調信号間の位相ずれを調整する位相調整部を備え、前記位相調整部は、前記位相ずれφを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に調整することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記変調信号生成部は、前記変調信号の高調波を遮断するフィルタを備え、前記光変調器は、前記高調波が遮断された変調信号によって前記分岐光を変調することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記フィルタは、前記変調信号の高調波を前記変調信号の基本波に対し４０ｄＢ以上抑圧することを特徴とする。
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記光変調器は、前記変調信号を終端させる終端抵抗を該光変調器から物理的に離した位置に有することを特徴とする。
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記光変調器は、ＬＮ基板上にマッハツェンダー型光導波路と変調電極が形成されてなるＬＮ変調器であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、前記光変調器から出力された光に、当該光が前記光変調器によって付与されたチャープを補償するように当該チャープと逆符号の所定量のチャープを付与することにより、パルス圧縮する光パルス圧縮部と、を備えた光パルス発生装置の制御方法において、前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとすることを特徴とする。
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、上記の光パルス発生装置の制御方法において、光スペクトルアナライザを用いて前記光パルス発生装置の出力光のスペクトルを観察し、該スペクトルの２つのサイドバンドのピークパワーの比に基づいて前記差ΔＡを制御することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、上記の光パルス発生装置の制御方法において、前記各変調信号間の位相ずれφを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に調整することを特徴とする。
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、上記の光パルス発生装置の制御方法において、光スペクトルアナライザを用いて前記光パルス発生装置の出力光のスペクトルを観察し、該スペクトルの＋ｎ次と−ｎ次のサイドバンドのピークパワーに基づいて前記位相ずれφを制御することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、上記の光パルス発生装置の制御方法において、前記光パルス発生装置から出力された光パルス列のパルスとパルスの間の光パワーが最小となるように前記各変調信号のバイアスを調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、歪みの低減された光パルスを発生することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態による光パルス発生装置の構成を示す図である。
【図２】式（１０）の条件が満たされている場合の光周波数コム発生器の出力光パワーＰ（ｔ）の時間波形を示す図である。
【図３】ΔＡおよびΔθの変化に対して光周波数コムの平坦度が変化する様子を示す図である。
【図４】最適な光ファイバ長Ｌと変調度Ａとの関係を示す図である。
【図５】チャープ（分散）補償器によってパルス圧縮された光パルスのＳ／Ｎ比と変調パラメータΔＡ，Δθとの関係を示す図である。
【図６】光パルスのＳ／Ｎ比の定義を説明するための図である。
【図７】変調信号の位相ずれφとパルス圧縮後の光パルスのＳ／Ｎ比との関係を示す図である。
【図８】変調信号の高調波が光パルスに与える影響を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態による光パルス発生装置１の構成を示す図である。
【００１８】
光パルス発生装置１は、光周波数コム発生器２０、チャープ（分散）補償器３０、光スペクトルアナライザ１０１、光電変換器１０２、及びサンプリングオシロスコープ１０３を備える。
また、光周波数コム発生器２０は、マッハツェンダー型光変調器２１、変調信号発生器２２、分配器２３、可変位相シフタ２４Ａ，２４Ｂ、可変減衰器２５Ａ，２５Ｂ、増幅器２６Ａ，２６Ｂ、バンドパスフィルタ２７Ａ，２７Ｂ、バイアス電圧供給部２８、光源１０、偏波制御器１１を備える。
【００１９】
光源１０は、例えばレーザ光源であり、所定波長の連続光を発生させる。光源１０の出射端は、光ファイバによって偏波制御器１１の入射端と接続されている。偏波制御器１１は、入射光の偏波状態を所定の状態に制御する。偏波制御器１１の出射端は、光ファイバによってマッハツェンダー型光変調器２１の入力導波路２１１と接続されている。
【００２０】
マッハツェンダー型光変調器２１は、入力導波路２１１、２つの分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂ、出力導波路２１３、変調電極２１４Ａ，２１４Ｂ、及びバイアス電極２１５を有する。分岐導波路２１２Ａ及び２１２Ｂは、それぞれ入力導波路２１１と出力導波路２１３に接続されている。入力導波路２１１、分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂ、及び出力導波路２１３により、マッハツェンダー干渉計が構成される。変調電極２１４Ａは、分岐導波路２１２Ａ上に、また変調電極２１４Ｂは、分岐導波路２１２Ｂ上に、それぞれ形成されている。バイアス電極２１５は、分岐導波路２１２Ａ上若しくは２１２Ｂ上のいずれか、又はその両方に形成されている。なお、変調電極２１４Ａ，２１４Ｂおよびバイアス電極２１５は同一の電極として形成されていてもよい。このマッハツェンダー型光変調器２１は、例えば、ＺカットＬＮ基板上に各導波路と各電極を形成したＬＮ変調器を用いることができる。この構成により、マッハツェンダー型光変調器２１は、２つの分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂを伝搬する光が受ける位相を独立に制御可能である。
【００２１】
変調信号発生器２２は、所定の周波数の変調信号（例えば正弦波）を発生させる。変調信号発生器２２の出力部は、分配器２３の入力部に接続されている。分配器２３はウィルキンソン型、９０°ハイブリッド型を適用可能であるが、これに限られない。分配器２３の一方の出力部は可変位相シフタ２４Ａに接続され、他方の出力部は可変位相シフタ２４Ｂに接続されている。
【００２２】
可変位相シフタ２４Ａ，２４Ｂは、それぞれ、入力された信号の位相を所定量シフトさせる。可変位相シフタ２４Ａの出力部は可変減衰器２５Ａに接続され、可変位相シフタ２４Ｂの出力部は可変減衰器２５Ｂに接続されている。
【００２３】
可変減衰器２５Ａ，２５Ｂは、それぞれ、入力された信号のパワーを所定量減衰させる。可変減衰器２５Ａの出力部は増幅器２６Ａに接続され、可変減衰器２５Ｂの出力部は増幅器２６Ｂに接続されている。
【００２４】
増幅器２６Ａ，２６Ｂは、それぞれ、入力された信号を所定の増幅率で増幅する。増幅器２６Ａの出力部はバンドパスフィルタ２７Ａに接続され、増幅器２６Ｂの出力部はバンドパスフィルタ２７Ｂに接続されている。なお、可変減衰器２５Ａ，２５Ｂと増幅器２６Ａ，２６Ｂの組み合わせの代わりに、増幅率が可変の可変増幅器を用いてもよい。
【００２５】
バンドパスフィルタ２７Ａ，２７Ｂは、それぞれ、入力された信号のうち所定の周波数帯域を通過させ、それ以外の周波数帯域を遮断する。バンドパスフィルタ２７Ａの出力部はマッハツェンダー型光変調器２１の変調電極２１４Ａの一端に接続され、バンドパスフィルタ２７Ｂの出力部はマッハツェンダー型光変調器２１の変調電極２１４Ｂの一端に接続されている。なお、バンドパスフィルタに代えて、カットオフ周波数が上記所定の周波数帯域よりも高いローパスフィルタを用いてもよい。
【００２６】
また、マッハツェンダー型光変調器２１の変調電極２１４Ａ，２１４Ｂの各他端は、マッハツェンダー型光変調器２１の外部に設けられた終端抵抗２９Ａ，２９Ｂとそれぞれ接続されている。終端抵抗２９Ａ，２９Ｂがマッハツェンダー型光変調器２１の外部に物理的に離して設けられていることで、マッハツェンダー型光変調器２１を後述する駆動条件で駆動した際にその特性が終端抵抗２９Ａ，２９Ｂの発熱の影響で変化してしまうことを抑制することができる。
【００２７】
バイアス電圧供給部２８は、マッハツェンダー型光変調器２１にバイアス電圧を供給する。バイアス電圧供給部２８の出力部は、マッハツェンダー型光変調器２１のバイアス電極２１５に接続されている。
【００２８】
チャープ（分散）補償器３０は、所定（後述）の分散特性を有しており、入力された光パルスを圧縮して出力する。チャープ補償器３０の入力部は、マッハツェンダー型光変調器２１の出力導波路２１３に接続されている。このチャープ補償器３０として、分散が上記所定の特性を持った光ファイバを用いることとする。但し、同等の特性を持った光ファイバ以外の光学素子を用いてもよい。
【００２９】
光スペクトルアナライザ１０１は、入力された光のスペクトルを分析するための機器であり、その入力部はマッハツェンダー型光変調器２１の後段（出力側）に設けられた分岐部１０４（光カプラ等）に接続されている。
【００３０】
光電変換器１０２は、チャープ補償器３０の後段（出力側）に設けられた分岐部１０５（光カプラ等）に接続され、分岐部１０５から分岐された光を電気信号に変換する。
【００３１】
サンプリングオシロスコープ１０３は、入力された信号の時間波形を観察するための機器であり、その入力部は光電変換器１０２に接続されている。
【００３２】
次に、上記のように構成された光パルス発生装置１の動作を説明する。
光源１０により発生された光は、偏波制御器１１を介してマッハツェンダー型光変調器２１へ入力される。マッハツェンダー型光変調器２１において、この光は、入力導波路２１１から分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂへ分岐されて、各分岐導波路中を伝搬する。このとき、分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂを伝搬している間に、伝搬光は、変調電極２１４Ａ，２１４Ｂ及びバイアス電極２１５からの電界に応じて位相変化を受ける。そして、この位相変化を受けた光は、出力導波路２１３で再び合波される。
【００３３】
ここで、マッハツェンダー型光変調器２１への入力光の振幅と周波数をそれぞれＥ０，ω０とし、分岐導波路２１２Ａと２１２Ｂにおいて伝搬光が受ける位相変化をそれぞれθ１，θ２とすると、出力導波路２１３で合波後の光、すなわち光周波数コム発生器２０の出力光（マッハツェンダー型光変調器２１の出力光）の振幅の時間変化Ｅ（ｔ）は、次式（１）のように表される。
Ｅ（ｔ）＝Ｅ０［ｓｉｎ（ω０ｔ＋θ１）＋ｓｉｎ（ω０ｔ＋θ２）］／２ …（１）
【００３４】
但し、
θ１＝Ａ１ｓｉｎ（ωｍｔ）＋Ｂ１ …（２）
θ２＝Ａ２ｓｉｎ（ωｍｔ）＋Ｂ２ …（３）
ωｍ＝２πｆｍ …（４）
Ａ１：変調電極２１４Ａにより分岐導波路２１２Ａの伝搬光へ与えられる変調の振幅
Ａ２：変調電極２１４Ｂにより分岐導波路２１２Ｂの伝搬光へ与えられる変調の振幅
Ｂ１：バイアス電極２１５により分岐導波路２１２Ａの伝搬光へ与えられるバイアス位相
Ｂ２：バイアス電極２１５により分岐導波路２１２Ｂの伝搬光へ与えられるバイアス位相
ｆｍ：変調信号発生器２２が発生する変調信号の変調周波数
である。また、式（２），（３）では、可変位相シフタ２４Ａ〜バンドパスフィルタ２７Ａの経路を介して変調電極２１４Ａへ入力される変調信号と、可変位相シフタ２４Ｂ〜バンドパスフィルタ２７Ｂの経路を介して変調電極２１４Ｂへ入力される変調信号の間に位相ずれ（スキュー）が無いものとしている。
【００３５】
上式（１）から、光周波数コム発生器２０の出力光のパワーＰ（ｔ）と周波数ω（ｔ）は、それぞれ次式（５），（６）のように表すことができる。
Ｐ（ｔ）＝Ｐ０［１＋ｃｏｓ｛ΔＡｓｉｎ（ωｍｔ）＋Δθ｝］／２ …（５）
ω（ｔ）＝ω０＋ωｍＡｃｏｓ（ωｍｔ） …（６）
但し、
ΔＡ＝Ａ１−Ａ２ …（７）
Δθ＝Ｂ１−Ｂ２ …（８）
Ａ＝（Ａ１＋Ａ２）／２ …（９）
である。また、Ｐ０はマッハツェンダー型光変調器２１への入力光のパワーである。
【００３６】
さて、ここで、周波数シフト（式（６）の第２項）が０となるとき光パワーＰ（ｔ）が０になる条件を考える。式（６）から、周波数シフトが０となるのはωｍｔ＝±π／２のときである。ωｍｔ＝±π／２を式（５）に代入すると、光パワーＰ（ｔ）が０になる条件として次式（１０）が得られる。
±ΔＡ＋Δθ＝π …（１０）
【００３７】
図２に、上式（１０）の条件が満たされている場合について、ΔＡをパラメータとして光周波数コム発生器２０の出力光パワーＰ（ｔ）の時間波形を示す。同図から分かるように、式（１０）の条件が満たされていれば、ΔＡが変化しても光パルス列のパルスとパルスの間において光パワーは０に抑えられ、光パルスの裾野に歪みが生じることがない。しかしながら、ΔＡがπ／２より大きくなると、光パルスのトップの部分が窪んで歪みが発生している。なお、特許文献１によれば、上式（１０）は、光周波数コム（光周波数コム発生器２０の出力光）を平坦化させるための条件でもある。
【００３８】
次に、ΔＡが満たすべき値の範囲を決定するために、光周波数コムの平坦度に着目する。上式（５）から、光パワーＰ（ｔ）をフーリエ変換して得られるｎ次のサイドバンドのピークパワーＰｎは、次式（１１）のように表される。但し、Ｊｎはｎ次のベッセル関数である。
Ｐｎ＝Ｐ０［Ｊｎ２（Ａ）＋Ｊｎ２（Ａ＋ΔＡ）＋２Ｊｎ（Ａ）Ｊｎ（Ａ＋ΔＡ）ｃｏｓ（Δθ）］／４ …（１１）
【００３９】
図３に、ΔＡおよびΔθの変化に対して光周波数コムの平坦度が変化する様子を示す。但し、ここでは−Ｎ次からＮ次（Ａ＝２πの場合（図３（Ａ））はＮ＝６、Ａ＝４πの場合（図３（Ｂ））はＮ＝１２、Ａ＝５πの場合（図３（Ｃ））はＮ＝１５とする）までの各サイドバンドのピークパワーＰｎの最大値と最小値の差を、光周波数コムの平坦度と定義する。同図から分かるように、平坦度が最も小さくなる（光周波数コムが最も平坦になる）のは、いずれのＡの値についても、ΔＡ＝０．２π付近である。また、ΔＡが０．２πより小さくなると、平坦度が最小となるΔθの範囲が非常に狭くなり、ΔＡが０．５πより大きくなると、平坦度は悪化してしまう。これらのことから、良好な平坦度の光周波数コムを得るためのΔＡの条件として、次式（１２）が求められる。
０．２π≦ΔＡ＜０．５π …（１２）
【００４０】
なお、一般に、マッハツェンダー型光変調器では、２つの分岐導波路が僅かに非対称性を有し、また経時的なドリフト現象も起こり得ることから、Δθの値を設計的に一意に定めておくことは現実的ではない。よって、上式（１２）のようにΔＡのみを最適値として決定し、Δθについては後述するように実際の光パルスを観察しながらバイアス電圧を調整していくという方法をとることが好ましい。
【００４１】
以上のように、マッハツェンダー型光変調器２１の変調駆動条件として式（１２）を適用することで、光周波数コム発生器２０からの出力光を、平坦度が良好な光周波数コム（周波数領域）とすることができる。また、マッハツェンダー型光変調器２１の変調駆動条件としてさらに式（１０）を適用することで、光周波数コム発生器２０からの出力光を、パルスの裾野に歪みを持たない光パルス（時間領域）とすることができる。
【００４２】
光周波数コム発生器２０から出力された上記の光パルス（光周波数コム）は、チャープ補償器３０へ入力されてパルス圧縮される。上式（５）および（６）によれば、光周波数コム発生器２０からの光パルスは正または負のチャープを持っている。そして、式（６）からチャープ量は変調度Ａ（式（９）参照）に比例するので、光パルスのチャープを補償して最適なパルス圧縮を行うのに必要なチャープ補償器３０の光ファイバ長は、変調度Ａに反比例することになる。
【００４３】
図４に、変調信号発生器２２の変調周波数をｆｍ＝１０ＧＨｚとし、チャープ補償器３０として１．３μｍ用シングルモードファイバ（分散値１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）を用いた場合において、光パルスを圧縮してそのパルス幅（半値全幅）を最も狭くすることができる光ファイバ長Ｌと変調度Ａとの関係を示す。同図から、最適なパルス圧縮に必要な光ファイバ長Ｌは、変調度Ａから次式（１３）により定めることができることが分かる。
Ｌ＝（４／π）Ａ−１ …（１３）
【００４４】
また、式（６）から光パルスのチャープ量は変調周波数ｆｍに比例することから、変調周波数がｆ（ＧＨｚ）の場合、上式（１３）は次式（１４）のように一般化することができる。
Ｌ＝（４０／π）（Ａｆ）−１ …（１４）
【００４５】
図５に、式（１３）で定められる光ファイバ長Ｌを有したチャープ補償器３０（１．３μｍ用シングルモードファイバ（Ｇ．６５２））によってパルス圧縮された光パルスのＳ／Ｎ比と、マッハツェンダー型光変調器２１の変調パラメータΔＡ，Δθとの関係を示す。但し、光パルスのＳ／Ｎ比は、図６に示されるように、光パルスの時間波形においてメインローブの部分の光量をＳＳとし、サイドローブ（ペデスタル）の部分の光量をＳＮとしたとき、Ｓ／Ｎ比＝ＳＳ／ＳＮと定義することとする。
【００４６】
図５において、特許文献１で光変調器の最適な駆動条件とされたΔＡ＝π／２且つΔθ＝π／２の条件を●印で示した。図５によれば、マッハツェンダー型光変調器２１の変調駆動条件として上述の式（１２）を適用すれば、特許文献１の最適条件（●印）よりもさらにＳ／Ｎ比を向上させることが可能であることが分かる。
【００４７】
次に、マッハツェンダー型光変調器２１に入力される２つの変調信号、すなわち、可変位相シフタ２４Ａ〜バンドパスフィルタ２７Ａの経路を介して変調電極２１４Ａへ入力される変調信号と、可変位相シフタ２４Ｂ〜バンドパスフィルタ２７Ｂの経路を介して変調電極２１４Ｂへ入力される変調信号との間に生じ得る位相ずれ（スキュー）の影響について検討する。２つの変調信号間の位相ずれをφとすると、光周波数コム発生器２０から出力されるｎ次のサイドバンドのピークパワーＰｎは、次式（１５）のように表される。
Ｐｎ＝Ｐ０［Ｊｎ２（Ａ）＋Ｊｎ２（Ａ＋ΔＡ）＋２Ｊｎ（Ａ）Ｊｎ（Ａ＋ΔＡ）ｃｏｓ（ｎφ＋Δθ）］／４ …（１５）
【００４８】
上式（１５）によれば、ｃｏｓの引数に位相ずれφに起因する項が加わっているため、＋ｎ次のピークパワーＰ＋ｎと−ｎ次のピークパワーＰ−ｎが異なることが分かる。つまり、光周波数コム発生器２０から出力される光パルスのスペクトルは、０次のピークの長波長（＋の次数）側と短波長（−の次数）側で非対称となるため、スペクトルの逆フーリエ変換である光パルスの時間波形も、パルスのピークの前後で非対称になる。この結果、チャープ補償器３０によるパルス圧縮後の光パルスのＳ／Ｎ比は、変調信号に位相ずれが無い場合に比べて劣化してしまう。
【００４９】
図７に、変調信号の位相ずれφとパルス圧縮後の光パルスのＳ／Ｎ比との関係を示す。同図から、例えばＳ／Ｎ比の劣化を１０％以内に抑えるためには、変調信号の位相ずれを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に抑え込む必要があることが分かる。このように高精度に変調信号の位相を合わせるために、本実施形態の光パルス発生装置１では、図１に示されるように、変調信号を分配器２３で分配した後の２つの信号経路（可変位相シフタ２４Ａ〜バンドパスフィルタ２７Ａの経路と、可変位相シフタ２４Ｂ〜バンドパスフィルタ２７Ｂの経路）を対称な構成としている。特に、可変位相シフタを２つの経路の両方に設けているが、これは、可変位相シフタを片方の経路だけに用いた場合は非対称性により微小な分散が発生し、変調周波数を変化させたり環境温度が変化したりした際にスキューの発生原因となってしまうこと、また、可変位相シフタで変調信号の位相を変化させる時にはパワー変動も生じるので、片方の経路だけに可変位相シフタを用いた場合には変調信号の位相と強度をともに所望の状態に調整することが難しいこと、等を考慮したためである。
【００５０】
次に、マッハツェンダー型光変調器２１に入力される変調信号の歪みの影響について検討する。前述した各図中に示されているように、本実施形態の光パルス発生装置１で用いる変調信号の変調度Ａは２πから５π程度の大きさであり、通常の通信用の光変調器で用いる変調信号の変調度よりも２倍以上大きい。そのため、このような変調信号を増幅器２６Ａ，２６Ｂで増幅すると、変調周波数ｆｍを基本波とする高調波が顕著に発生し、この高調波が光パルスに悪影響を及ぼしてしまうことになる。そこで、本実施形態の光パルス発生装置１では、高調波を除去するために、増幅器２６Ａ，２６Ｂの後段にバンドパスフィルタ２７Ａ，２７Ｂを設けている。具体的には、基本波の振幅に対し高調波の振幅は１０ｄＢ程度にもなるため、バンドパスフィルタ２７Ａ，２７Ｂとしては、ベッセルフィルタのような緩やかな特性を持つフィルタではなく、チェビシェフフィルタのような急峻な特性を持ったフィルタを適用するのがよい。また、基本波や高調波に一致する周波数でリップルを有しないように、フィルタを設計する必要がある。
【００５１】
図８に、高調波の抑圧比（基本波の振幅に対する２倍高調波の振幅の比）が２５ｄＢの場合と５０ｄＢ以上の場合のそれぞれについて、光パルスのスペクトルと時間波形を示す。同図から、高調波の抑圧比が５０ｄＢ以上の場合は、抑圧比が２５ｄＢの場合と比べて、光周波数コムの平坦度が良好であり、光パルスのパルス幅も狭窄化できることが分かる。なお、高調波の抑圧比は４０ｄＢ以上あれば、ほぼ同等の効果が得られると考えられる。
【００５２】
次に、光パルス発生装置１の駆動条件（Ａ，ΔＡ，Δθ，φ）を所望の状態に調整・制御する方法を説明する。
【００５３】
まず、ＡおよびΔＡを例えば特開２００９−２２２９２６号公報に記載された手法により所望の値に調整する。具体的には、最初に可変位相シフタ２４Ａ〜バンドパスフィルタ２７Ａの信号経路のみから変調信号（振幅Ａ１）をマッハツェンダー型光変調器２１に入力して、光スペクトルアナライザ１０１を用いてマッハツェンダー型光変調器２１からの出力光のスペクトルを観察する。このとき、所定の２つのサイドバンドのピークパワーの比から変調信号の振幅Ａ１を求めることができるので、振幅Ａ１の値が所定値となるように、変調信号発生器２２の出力と可変減衰器２５Ａの減衰量を調整する。そしてその次に、同様にマッハツェンダー型光変調器２１へ可変位相シフタ２４Ｂ〜バンドパスフィルタ２７Ｂの信号経路のみから変調信号（振幅Ａ２）を入力し、可変減衰器２５Ｂの減衰量を調整することで、振幅Ａ２を変化させＡおよびΔＡが所望の値となるようにする。これにより、上述した式（１２）の駆動条件が実現される。なお、ベッセル関数は擬似周期関数であるので、任意に２つのサイドバンドを選んだとき振幅（Ａ１とＡ２）の解を一意に定めることができない。そこで、例えば、２つのサイドバンドの組を２組選び、この２組のそれぞれから求まる解のうち一致したものを、求めるべき振幅の値として決定するようにすればよい。
【００５４】
次いで、φを所望の値に調整する。具体的には、光スペクトルアナライザ１０１を用いてマッハツェンダー型光変調器２１からの出力光のスペクトルを観察し、＋ｎ次のサイドバンドのピークパワーと−ｎ次のサイドバンドのピークパワーが等しくなるように、可変位相シフタ２４Ａ，２４Ｂの位相シフト量を制御する。これにより、変調信号の位相ずれが−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲内となる状態が実現される。
【００５５】
最後に、Δθを所望の値に調整する。具体的には、サンプリングオシロスコープ１０３を用いてパルス圧縮後の光パルスを観察し、光パルス列のパルスとパルスの間の光パワーが０（または最小値）となるように、バイアス電圧供給部２８のバイアス電圧を制御する。これにより、上述した式（１０）の駆動条件が実現される。
【００５６】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…光パルス発生装置 １０…光源 １１…偏波制御器 ２０…光周波数コム発生器 ２１…マッハツェンダー型光変調器 ２２…変調信号発生器 ２３…分配器 ２４…可変位相シフタ ２５…可変減衰器 ２６…増幅器 ２７…バンドパスフィルタ ２８…バイアス電圧供給部 ２９…終端抵抗 ３０…チャープ（分散）補償器 １０１…光スペクトルアナライザ １０２…光電変換器 １０３…サンプリングオシロスコープ ２１１…入力導波路 ２１２…分岐導波路 ２１３…出力導波路 ２１４…変調電極 ２１５…バイアス電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数コム発生装置、光パルス発生装置、及び光パルス発生装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光パルスを発生させる技術として、光を変調して多数の高次周波数成分からなる光周波数コムを作り出すことにより、光をパルス化させる方法が知られている。特許文献１には、この光周波数コムの平坦度を向上させるとともに、光パルスの発生効率（光パルスのパワー）を最適化する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２４８６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１においては、最適な光パルスを得るための駆動条件の範囲が非常に狭く、駆動条件を所望の状態に合わせ込むのが難しいこと、また、光パルスの発生効率を最適化することを考慮しているため、光パルスに波形の歪みが残ってしまうこと、さらに、変調信号の位相ずれや高調波の影響など、実用時に想定される光パルスの劣化原因について検討されていないこと、等の問題が未解決であった。
【０００５】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、歪みの低減された光パルスを発生可能とすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の光周波数コム発生装置は、光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、を備え、前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとすることにより光周波数コムを発生させることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光周波数コム発生装置と、前記光周波数コム発生装置から出力された光に、当該光が前記光周波数コム発生装置によって付与されたチャープを補償するように当該チャープと逆符号の所定量のチャープを付与することにより、パルス圧縮する光パルス圧縮部と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記光パルス圧縮部は、１．３μｍ用シングルモードファイバであり、前記１．３μｍ用シングルモードファイバの光ファイバ長Ｌは、前記変調信号の変調周波数をｆ（ＧＨｚ）としたとき、Ｌ＝（４０／π）（Ａｆ）−１であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記変調信号生成部は、前記変調信号の供給ラインの途中に前記各変調信号間の位相ずれを調整する位相調整部を備え、前記位相調整部は、前記位相ずれφを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に調整することを特徴とする。
【００１０】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記変調信号生成部は、前記変調信号の高調波を遮断するフィルタを備え、前記光変調器は、前記高調波が遮断された変調信号によって前記分岐光を変調することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記フィルタは、前記変調信号の高調波を前記変調信号の基本波に対し４０ｄＢ以上抑圧することを特徴とする。
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記光変調器は、前記変調信号を終端させる終端抵抗を該光変調器から物理的に離した位置に有することを特徴とする。
また、本発明の光パルス発生装置は、上記の光パルス発生装置において、前記光変調器は、ＬＮ基板上にマッハツェンダー型光導波路と変調電極が形成されてなるＬＮ変調器であることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、前記光変調器から出力された光に、当該光が前記光変調器によって付与されたチャープを補償するように当該チャープと逆符号の所定量のチャープを付与することにより、パルス圧縮する光パルス圧縮部と、を備えた光パルス発生装置の制御方法において、前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとすることを特徴とする。
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、上記の光パルス発生装置の制御方法において、光スペクトルアナライザを用いて前記光パルス発生装置の出力光のスペクトルを観察し、該スペクトルの２つのサイドバンドのピークパワーの比に基づいて前記差ΔＡを制御することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、上記の光パルス発生装置の制御方法において、前記各変調信号間の位相ずれφを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に調整することを特徴とする。
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、上記の光パルス発生装置の制御方法において、光スペクトルアナライザを用いて前記光パルス発生装置の出力光のスペクトルを観察し、該スペクトルの＋ｎ次と−ｎ次のサイドバンドのピークパワーに基づいて前記位相ずれφを制御することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の光パルス発生装置の制御方法は、上記の光パルス発生装置の制御方法において、前記光パルス発生装置から出力された光パルス列のパルスとパルスの間の光パワーが最小となるように前記各変調信号のバイアスを調整することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、歪みの低減された光パルスを発生することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態による光パルス発生装置の構成を示す図である。
【図２】式（１０）の条件が満たされている場合の光周波数コム発生器の出力光パワーＰ（ｔ）の時間波形を示す図である。
【図３】ΔＡおよびΔθの変化に対して光周波数コムの平坦度が変化する様子を示す図である。
【図４】最適な光ファイバ長Ｌと変調度Ａとの関係を示す図である。
【図５】チャープ（分散）補償器によってパルス圧縮された光パルスのＳ／Ｎ比と変調パラメータΔＡ，Δθとの関係を示す図である。
【図６】光パルスのＳ／Ｎ比の定義を説明するための図である。
【図７】変調信号の位相ずれφとパルス圧縮後の光パルスのＳ／Ｎ比との関係を示す図である。
【図８】変調信号の高調波が光パルスに与える影響を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態による光パルス発生装置１の構成を示す図である。
【００１８】
光パルス発生装置１は、光周波数コム発生器２０、チャープ（分散）補償器３０、光スペクトルアナライザ１０１、光電変換器１０２、及びサンプリングオシロスコープ１０３を備える。
また、光周波数コム発生器２０は、マッハツェンダー型光変調器２１、変調信号発生器２２、分配器２３、可変位相シフタ２４Ａ，２４Ｂ、可変減衰器２５Ａ，２５Ｂ、増幅器２６Ａ，２６Ｂ、バンドパスフィルタ２７Ａ，２７Ｂ、バイアス電圧供給部２８、光源１０、偏波制御器１１を備える。
【００１９】
光源１０は、例えばレーザ光源であり、所定波長の連続光を発生させる。光源１０の出射端は、光ファイバによって偏波制御器１１の入射端と接続されている。偏波制御器１１は、入射光の偏波状態を所定の状態に制御する。偏波制御器１１の出射端は、光ファイバによってマッハツェンダー型光変調器２１の入力導波路２１１と接続されている。
【００２０】
マッハツェンダー型光変調器２１は、入力導波路２１１、２つの分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂ、出力導波路２１３、変調電極２１４Ａ，２１４Ｂ、及びバイアス電極２１５を有する。分岐導波路２１２Ａ及び２１２Ｂは、それぞれ入力導波路２１１と出力導波路２１３に接続されている。入力導波路２１１、分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂ、及び出力導波路２１３により、マッハツェンダー干渉計が構成される。変調電極２１４Ａは、分岐導波路２１２Ａ上に、また変調電極２１４Ｂは、分岐導波路２１２Ｂ上に、それぞれ形成されている。バイアス電極２１５は、分岐導波路２１２Ａ上若しくは２１２Ｂ上のいずれか、又はその両方に形成されている。なお、変調電極２１４Ａ，２１４Ｂおよびバイアス電極２１５は同一の電極として形成されていてもよい。このマッハツェンダー型光変調器２１は、例えば、ＺカットＬＮ基板上に各導波路と各電極を形成したＬＮ変調器を用いることができる。この構成により、マッハツェンダー型光変調器２１は、２つの分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂを伝搬する光が受ける位相を独立に制御可能である。
【００２１】
変調信号発生器２２は、所定の周波数の変調信号（例えば正弦波）を発生させる。変調信号発生器２２の出力部は、分配器２３の入力部に接続されている。分配器２３はウィルキンソン型、９０°ハイブリッド型を適用可能であるが、これに限られない。分配器２３の一方の出力部は可変位相シフタ２４Ａに接続され、他方の出力部は可変位相シフタ２４Ｂに接続されている。
【００２２】
可変位相シフタ２４Ａ，２４Ｂは、それぞれ、入力された信号の位相を所定量シフトさせる。可変位相シフタ２４Ａの出力部は可変減衰器２５Ａに接続され、可変位相シフタ２４Ｂの出力部は可変減衰器２５Ｂに接続されている。
【００２３】
可変減衰器２５Ａ，２５Ｂは、それぞれ、入力された信号のパワーを所定量減衰させる。可変減衰器２５Ａの出力部は増幅器２６Ａに接続され、可変減衰器２５Ｂの出力部は増幅器２６Ｂに接続されている。
【００２４】
増幅器２６Ａ，２６Ｂは、それぞれ、入力された信号を所定の増幅率で増幅する。増幅器２６Ａの出力部はバンドパスフィルタ２７Ａに接続され、増幅器２６Ｂの出力部はバンドパスフィルタ２７Ｂに接続されている。なお、可変減衰器２５Ａ，２５Ｂと増幅器２６Ａ，２６Ｂの組み合わせの代わりに、増幅率が可変の可変増幅器を用いてもよい。
【００２５】
バンドパスフィルタ２７Ａ，２７Ｂは、それぞれ、入力された信号のうち所定の周波数帯域を通過させ、それ以外の周波数帯域を遮断する。バンドパスフィルタ２７Ａの出力部はマッハツェンダー型光変調器２１の変調電極２１４Ａの一端に接続され、バンドパスフィルタ２７Ｂの出力部はマッハツェンダー型光変調器２１の変調電極２１４Ｂの一端に接続されている。なお、バンドパスフィルタに代えて、カットオフ周波数が上記所定の周波数帯域よりも高いローパスフィルタを用いてもよい。
【００２６】
また、マッハツェンダー型光変調器２１の変調電極２１４Ａ，２１４Ｂの各他端は、マッハツェンダー型光変調器２１の外部に設けられた終端抵抗２９Ａ，２９Ｂとそれぞれ接続されている。終端抵抗２９Ａ，２９Ｂがマッハツェンダー型光変調器２１の外部に物理的に離して設けられていることで、マッハツェンダー型光変調器２１を後述する駆動条件で駆動した際にその特性が終端抵抗２９Ａ，２９Ｂの発熱の影響で変化してしまうことを抑制することができる。
【００２７】
バイアス電圧供給部２８は、マッハツェンダー型光変調器２１にバイアス電圧を供給する。バイアス電圧供給部２８の出力部は、マッハツェンダー型光変調器２１のバイアス電極２１５に接続されている。
【００２８】
チャープ（分散）補償器３０は、所定（後述）の分散特性を有しており、入力された光パルスを圧縮して出力する。チャープ補償器３０の入力部は、マッハツェンダー型光変調器２１の出力導波路２１３に接続されている。このチャープ補償器３０として、分散が上記所定の特性を持った光ファイバを用いることとする。但し、同等の特性を持った光ファイバ以外の光学素子を用いてもよい。
【００２９】
光スペクトルアナライザ１０１は、入力された光のスペクトルを分析するための機器であり、その入力部はマッハツェンダー型光変調器２１の後段（出力側）に設けられた分岐部１０４（光カプラ等）に接続されている。
【００３０】
光電変換器１０２は、チャープ補償器３０の後段（出力側）に設けられた分岐部１０５（光カプラ等）に接続され、分岐部１０５から分岐された光を電気信号に変換する。
【００３１】
サンプリングオシロスコープ１０３は、入力された信号の時間波形を観察するための機器であり、その入力部は光電変換器１０２に接続されている。
【００３２】
次に、上記のように構成された光パルス発生装置１の動作を説明する。
光源１０により発生された光は、偏波制御器１１を介してマッハツェンダー型光変調器２１へ入力される。マッハツェンダー型光変調器２１において、この光は、入力導波路２１１から分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂへ分岐されて、各分岐導波路中を伝搬する。このとき、分岐導波路２１２Ａ，２１２Ｂを伝搬している間に、伝搬光は、変調電極２１４Ａ，２１４Ｂ及びバイアス電極２１５からの電界に応じて位相変化を受ける。そして、この位相変化を受けた光は、出力導波路２１３で再び合波される。
【００３３】
ここで、マッハツェンダー型光変調器２１への入力光の振幅と周波数をそれぞれＥ０，ω０とし、分岐導波路２１２Ａと２１２Ｂにおいて伝搬光が受ける位相変化をそれぞれθ１，θ２とすると、出力導波路２１３で合波後の光、すなわち光周波数コム発生器２０の出力光（マッハツェンダー型光変調器２１の出力光）の振幅の時間変化Ｅ（ｔ）は、次式（１）のように表される。
Ｅ（ｔ）＝Ｅ０［ｓｉｎ（ω０ｔ＋θ１）＋ｓｉｎ（ω０ｔ＋θ２）］／２ …（１）
【００３４】
但し、
θ１＝Ａ１ｓｉｎ（ωｍｔ）＋Ｂ１ …（２）
θ２＝Ａ２ｓｉｎ（ωｍｔ）＋Ｂ２ …（３）
ωｍ＝２πｆｍ …（４）
Ａ１：変調電極２１４Ａにより分岐導波路２１２Ａの伝搬光へ与えられる変調の振幅
Ａ２：変調電極２１４Ｂにより分岐導波路２１２Ｂの伝搬光へ与えられる変調の振幅
Ｂ１：バイアス電極２１５により分岐導波路２１２Ａの伝搬光へ与えられるバイアス位相
Ｂ２：バイアス電極２１５により分岐導波路２１２Ｂの伝搬光へ与えられるバイアス位相
ｆｍ：変調信号発生器２２が発生する変調信号の変調周波数
である。また、式（２），（３）では、可変位相シフタ２４Ａ〜バンドパスフィルタ２７Ａの経路を介して変調電極２１４Ａへ入力される変調信号と、可変位相シフタ２４Ｂ〜バンドパスフィルタ２７Ｂの経路を介して変調電極２１４Ｂへ入力される変調信号の間に位相ずれ（スキュー）が無いものとしている。
【００３５】
上式（１）から、光周波数コム発生器２０の出力光のパワーＰ（ｔ）と周波数ω（ｔ）は、それぞれ次式（５），（６）のように表すことができる。
Ｐ（ｔ）＝Ｐ０［１＋ｃｏｓ｛ΔＡｓｉｎ（ωｍｔ）＋Δθ｝］／２ …（５）
ω（ｔ）＝ω０＋ωｍＡｃｏｓ（ωｍｔ） …（６）
但し、
ΔＡ＝Ａ１−Ａ２ …（７）
Δθ＝Ｂ１−Ｂ２ …（８）
Ａ＝（Ａ１＋Ａ２）／２ …（９）
である。また、Ｐ０はマッハツェンダー型光変調器２１への入力光のパワーである。
【００３６】
さて、ここで、周波数シフト（式（６）の第２項）が０となるとき光パワーＰ（ｔ）が０になる条件を考える。式（６）から、周波数シフトが０となるのはωｍｔ＝±π／２のときである。ωｍｔ＝±π／２を式（５）に代入すると、光パワーＰ（ｔ）が０になる条件として次式（１０）が得られる。
±ΔＡ＋Δθ＝π …（１０）
【００３７】
図２に、上式（１０）の条件が満たされている場合について、ΔＡをパラメータとして光周波数コム発生器２０の出力光パワーＰ（ｔ）の時間波形を示す。同図から分かるように、式（１０）の条件が満たされていれば、ΔＡが変化しても光パルス列のパルスとパルスの間において光パワーは０に抑えられ、光パルスの裾野に歪みが生じることがない。しかしながら、ΔＡがπ／２より大きくなると、光パルスのトップの部分が窪んで歪みが発生している。なお、特許文献１によれば、上式（１０）は、光周波数コム（光周波数コム発生器２０の出力光）を平坦化させるための条件でもある。
【００３８】
次に、ΔＡが満たすべき値の範囲を決定するために、光周波数コムの平坦度に着目する。上式（５）から、光パワーＰ（ｔ）をフーリエ変換して得られるｎ次のサイドバンドのピークパワーＰｎは、次式（１１）のように表される。但し、Ｊｎはｎ次のベッセル関数である。
Ｐｎ＝Ｐ０［Ｊｎ２（Ａ）＋Ｊｎ２（Ａ＋ΔＡ）＋２Ｊｎ（Ａ）Ｊｎ（Ａ＋ΔＡ）ｃｏｓ（Δθ）］／４ …（１１）
【００３９】
図３に、ΔＡおよびΔθの変化に対して光周波数コムの平坦度が変化する様子を示す。但し、ここでは−Ｎ次からＮ次（Ａ＝２πの場合（図３（Ａ））はＮ＝６、Ａ＝４πの場合（図３（Ｂ））はＮ＝１２、Ａ＝５πの場合（図３（Ｃ））はＮ＝１５とする）までの各サイドバンドのピークパワーＰｎの最大値と最小値の差を、光周波数コムの平坦度と定義する。同図から分かるように、平坦度が最も小さくなる（光周波数コムが最も平坦になる）のは、いずれのＡの値についても、ΔＡ＝０．２π付近である。また、ΔＡが０．２πより小さくなると、平坦度が最小となるΔθの範囲が非常に狭くなり、ΔＡが０．５πより大きくなると、平坦度は悪化してしまう。これらのことから、良好な平坦度の光周波数コムを得るためのΔＡの条件として、次式（１２）が求められる。
０．２π≦ΔＡ＜０．５π …（１２）
【００４０】
なお、一般に、マッハツェンダー型光変調器では、２つの分岐導波路が僅かに非対称性を有し、また経時的なドリフト現象も起こり得ることから、Δθの値を設計的に一意に定めておくことは現実的ではない。よって、上式（１２）のようにΔＡのみを最適値として決定し、Δθについては後述するように実際の光パルスを観察しながらバイアス電圧を調整していくという方法をとることが好ましい。
【００４１】
以上のように、マッハツェンダー型光変調器２１の変調駆動条件として式（１２）を適用することで、光周波数コム発生器２０からの出力光を、平坦度が良好な光周波数コム（周波数領域）とすることができる。また、マッハツェンダー型光変調器２１の変調駆動条件としてさらに式（１０）を適用することで、光周波数コム発生器２０からの出力光を、パルスの裾野に歪みを持たない光パルス（時間領域）とすることができる。
【００４２】
光周波数コム発生器２０から出力された上記の光パルス（光周波数コム）は、チャープ補償器３０へ入力されてパルス圧縮される。上式（５）および（６）によれば、光周波数コム発生器２０からの光パルスは正または負のチャープを持っている。そして、式（６）からチャープ量は変調度Ａ（式（９）参照）に比例するので、光パルスのチャープを補償して最適なパルス圧縮を行うのに必要なチャープ補償器３０の光ファイバ長は、変調度Ａに反比例することになる。
【００４３】
図４に、変調信号発生器２２の変調周波数をｆｍ＝１０ＧＨｚとし、チャープ補償器３０として１．３μｍ用シングルモードファイバ（分散値１７ｐｓ／ｎｍ／ｋｍ）を用いた場合において、光パルスを圧縮してそのパルス幅（半値全幅）を最も狭くすることができる光ファイバ長Ｌと変調度Ａとの関係を示す。同図から、最適なパルス圧縮に必要な光ファイバ長Ｌは、変調度Ａから次式（１３）により定めることができることが分かる。
Ｌ＝（４／π）Ａ−１ …（１３）
【００４４】
また、式（６）から光パルスのチャープ量は変調周波数ｆｍに比例することから、変調周波数がｆ（ＧＨｚ）の場合、上式（１３）は次式（１４）のように一般化することができる。
Ｌ＝（４０／π）（Ａｆ）−１ …（１４）
【００４５】
図５に、式（１３）で定められる光ファイバ長Ｌを有したチャープ補償器３０（１．３μｍ用シングルモードファイバ（Ｇ．６５２））によってパルス圧縮された光パルスのＳ／Ｎ比と、マッハツェンダー型光変調器２１の変調パラメータΔＡ，Δθとの関係を示す。但し、光パルスのＳ／Ｎ比は、図６に示されるように、光パルスの時間波形においてメインローブの部分の光量をＳＳとし、サイドローブ（ペデスタル）の部分の光量をＳＮとしたとき、Ｓ／Ｎ比＝ＳＳ／ＳＮと定義することとする。
【００４６】
図５において、特許文献１で光変調器の最適な駆動条件とされたΔＡ＝π／２且つΔθ＝π／２の条件を●印で示した。図５によれば、マッハツェンダー型光変調器２１の変調駆動条件として上述の式（１２）を適用すれば、特許文献１の最適条件（●印）よりもさらにＳ／Ｎ比を向上させることが可能であることが分かる。
【００４７】
次に、マッハツェンダー型光変調器２１に入力される２つの変調信号、すなわち、可変位相シフタ２４Ａ〜バンドパスフィルタ２７Ａの経路を介して変調電極２１４Ａへ入力される変調信号と、可変位相シフタ２４Ｂ〜バンドパスフィルタ２７Ｂの経路を介して変調電極２１４Ｂへ入力される変調信号との間に生じ得る位相ずれ（スキュー）の影響について検討する。２つの変調信号間の位相ずれをφとすると、光周波数コム発生器２０から出力されるｎ次のサイドバンドのピークパワーＰｎは、次式（１５）のように表される。
Ｐｎ＝Ｐ０［Ｊｎ２（Ａ）＋Ｊｎ２（Ａ＋ΔＡ）＋２Ｊｎ（Ａ）Ｊｎ（Ａ＋ΔＡ）ｃｏｓ（ｎφ＋Δθ）］／４ …（１５）
【００４８】
上式（１５）によれば、ｃｏｓの引数に位相ずれφに起因する項が加わっているため、＋ｎ次のピークパワーＰ＋ｎと−ｎ次のピークパワーＰ−ｎが異なることが分かる。つまり、光周波数コム発生器２０から出力される光パルスのスペクトルは、０次のピークの長波長（＋の次数）側と短波長（−の次数）側で非対称となるため、スペクトルの逆フーリエ変換である光パルスの時間波形も、パルスのピークの前後で非対称になる。この結果、チャープ補償器３０によるパルス圧縮後の光パルスのＳ／Ｎ比は、変調信号に位相ずれが無い場合に比べて劣化してしまう。
【００４９】
図７に、変調信号の位相ずれφとパルス圧縮後の光パルスのＳ／Ｎ比との関係を示す。同図から、例えばＳ／Ｎ比の劣化を１０％以内に抑えるためには、変調信号の位相ずれを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に抑え込む必要があることが分かる。このように高精度に変調信号の位相を合わせるために、本実施形態の光パルス発生装置１では、図１に示されるように、変調信号を分配器２３で分配した後の２つの信号経路（可変位相シフタ２４Ａ〜バンドパスフィルタ２７Ａの経路と、可変位相シフタ２４Ｂ〜バンドパスフィルタ２７Ｂの経路）を対称な構成としている。特に、可変位相シフタを２つの経路の両方に設けているが、これは、可変位相シフタを片方の経路だけに用いた場合は非対称性により微小な分散が発生し、変調周波数を変化させたり環境温度が変化したりした際にスキューの発生原因となってしまうこと、また、可変位相シフタで変調信号の位相を変化させる時にはパワー変動も生じるので、片方の経路だけに可変位相シフタを用いた場合には変調信号の位相と強度をともに所望の状態に調整することが難しいこと、等を考慮したためである。
【００５０】
次に、マッハツェンダー型光変調器２１に入力される変調信号の歪みの影響について検討する。前述した各図中に示されているように、本実施形態の光パルス発生装置１で用いる変調信号の変調度Ａは２πから５π程度の大きさであり、通常の通信用の光変調器で用いる変調信号の変調度よりも２倍以上大きい。そのため、このような変調信号を増幅器２６Ａ，２６Ｂで増幅すると、変調周波数ｆｍを基本波とする高調波が顕著に発生し、この高調波が光パルスに悪影響を及ぼしてしまうことになる。そこで、本実施形態の光パルス発生装置１では、高調波を除去するために、増幅器２６Ａ，２６Ｂの後段にバンドパスフィルタ２７Ａ，２７Ｂを設けている。具体的には、基本波の振幅に対し高調波の振幅は１０ｄＢ程度にもなるため、バンドパスフィルタ２７Ａ，２７Ｂとしては、ベッセルフィルタのような緩やかな特性を持つフィルタではなく、チェビシェフフィルタのような急峻な特性を持ったフィルタを適用するのがよい。また、基本波や高調波に一致する周波数でリップルを有しないように、フィルタを設計する必要がある。
【００５１】
図８に、高調波の抑圧比（基本波の振幅に対する２倍高調波の振幅の比）が２５ｄＢの場合と５０ｄＢ以上の場合のそれぞれについて、光パルスのスペクトルと時間波形を示す。同図から、高調波の抑圧比が５０ｄＢ以上の場合は、抑圧比が２５ｄＢの場合と比べて、光周波数コムの平坦度が良好であり、光パルスのパルス幅も狭窄化できることが分かる。なお、高調波の抑圧比は４０ｄＢ以上あれば、ほぼ同等の効果が得られると考えられる。
【００５２】
次に、光パルス発生装置１の駆動条件（Ａ，ΔＡ，Δθ，φ）を所望の状態に調整・制御する方法を説明する。
【００５３】
まず、ＡおよびΔＡを例えば特開２００９−２２２９２６号公報に記載された手法により所望の値に調整する。具体的には、最初に可変位相シフタ２４Ａ〜バンドパスフィルタ２７Ａの信号経路のみから変調信号（振幅Ａ１）をマッハツェンダー型光変調器２１に入力して、光スペクトルアナライザ１０１を用いてマッハツェンダー型光変調器２１からの出力光のスペクトルを観察する。このとき、所定の２つのサイドバンドのピークパワーの比から変調信号の振幅Ａ１を求めることができるので、振幅Ａ１の値が所定値となるように、変調信号発生器２２の出力と可変減衰器２５Ａの減衰量を調整する。そしてその次に、同様にマッハツェンダー型光変調器２１へ可変位相シフタ２４Ｂ〜バンドパスフィルタ２７Ｂの信号経路のみから変調信号（振幅Ａ２）を入力し、可変減衰器２５Ｂの減衰量を調整することで、振幅Ａ２を変化させＡおよびΔＡが所望の値となるようにする。これにより、上述した式（１２）の駆動条件が実現される。なお、ベッセル関数は擬似周期関数であるので、任意に２つのサイドバンドを選んだとき振幅（Ａ１とＡ２）の解を一意に定めることができない。そこで、例えば、２つのサイドバンドの組を２組選び、この２組のそれぞれから求まる解のうち一致したものを、求めるべき振幅の値として決定するようにすればよい。
【００５４】
次いで、φを所望の値に調整する。具体的には、光スペクトルアナライザ１０１を用いてマッハツェンダー型光変調器２１からの出力光のスペクトルを観察し、＋ｎ次のサイドバンドのピークパワーと−ｎ次のサイドバンドのピークパワーが等しくなるように、可変位相シフタ２４Ａ，２４Ｂの位相シフト量を制御する。これにより、変調信号の位相ずれが−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲内となる状態が実現される。
【００５５】
最後に、Δθを所望の値に調整する。具体的には、サンプリングオシロスコープ１０３を用いてパルス圧縮後の光パルスを観察し、光パルス列のパルスとパルスの間の光パワーが０（または最小値）となるように、バイアス電圧供給部２８のバイアス電圧を制御する。これにより、上述した式（１０）の駆動条件が実現される。
【００５６】
以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。
【符号の説明】
【００５７】
１…光パルス発生装置 １０…光源 １１…偏波制御器 ２０…光周波数コム発生器 ２１…マッハツェンダー型光変調器 ２２…変調信号発生器 ２３…分配器 ２４…可変位相シフタ ２５…可変減衰器 ２６…増幅器 ２７…バンドパスフィルタ ２８…バイアス電圧供給部 ２９…終端抵抗 ３０…チャープ（分散）補償器 １０１…光スペクトルアナライザ １０２…光電変換器 １０３…サンプリングオシロスコープ ２１１…入力導波路 ２１２…分岐導波路 ２１３…出力導波路 ２１４…変調電極 ２１５…バイアス電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、
前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、
を備え、
前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとすることにより光周波数コムを発生させる
ことを特徴とする光周波数コム発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光周波数コム発生装置と、
前記光周波数コム発生装置から出力された光に、当該光が前記光周波数コム発生装置によって付与されたチャープを補償するように当該チャープと逆符号の所定量のチャープを付与することにより、パルス圧縮する光パルス圧縮部と、
を備えることを特徴とする光パルス発生装置。
【請求項３】
前記光パルス圧縮部は、１．３μｍ用シングルモードファイバであり、
前記１．３μｍ用シングルモードファイバの光ファイバ長Ｌは、前記変調信号の変調周波数をｆ（ＧＨｚ）としたとき、Ｌ＝（４０／π）（Ａｆ）−１である
ことを特徴とする請求項２に記載の光パルス発生装置。
【請求項４】
前記変調信号生成部は、前記変調信号の供給ラインの途中に前記各変調信号間の位相ずれを調整する位相調整部を備え、
前記位相調整部は、前記位相ずれφを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に調整する
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光パルス発生装置。
【請求項５】
前記変調信号生成部は、前記変調信号の高調波を遮断するフィルタを備え、
前記光変調器は、前記高調波が遮断された変調信号によって前記分岐光を変調する
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。
【請求項６】
前記フィルタは、前記変調信号の高調波を前記変調信号の基本波に対し４０ｄＢ以上抑圧することを特徴とする請求項５に記載の光パルス発生装置。
【請求項７】
前記光変調器は、前記変調信号を終端させる終端抵抗を該光変調器から物理的に離した位置に有することを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。
【請求項８】
前記光変調器は、ＬＮ基板上にマッハツェンダー型光導波路と変調電極が形成されてなるＬＮ変調器であることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。
【請求項９】
光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、
前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、
前記光変調器から出力された光に、当該光が前記光変調器によって付与されたチャープを補償するように当該チャープと逆符号の所定量のチャープを付与することにより、パルス圧縮する光パルス圧縮部と、
を備えた光パルス発生装置の制御方法において、
前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとする
ことを特徴とする光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１０】
光スペクトルアナライザを用いて前記光パルス発生装置の出力光のスペクトルを観察し、該スペクトルの２つのサイドバンドのピークパワーの比に基づいて前記差ΔＡを制御することを特徴とする請求項９に記載の光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１１】
前記各変調信号間の位相ずれφを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に調整することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１２】
光スペクトルアナライザを用いて前記光パルス発生装置の出力光のスペクトルを観察し、該スペクトルの＋ｎ次と−ｎ次のサイドバンドのピークパワーに基づいて前記位相ずれφを制御することを特徴とする請求項１１に記載の光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１３】
前記光パルス発生装置から出力された光パルス列のパルスとパルスの間の光パワーが最小となるように前記各変調信号のバイアスを調整することを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１】
光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、
前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、
を備え、
前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとすることにより光周波数コムを発生させる
ことを特徴とする光周波数コム発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光周波数コム発生装置と、
前記光周波数コム発生装置から出力された光に、当該光が前記光周波数コム発生装置によって付与されたチャープを補償するように当該チャープと逆符号の所定量のチャープを付与することにより、パルス圧縮する光パルス圧縮部と、
を備えることを特徴とする光パルス発生装置。
【請求項３】
前記光パルス圧縮部は、１．３μｍ用シングルモードファイバであり、
前記１．３μｍ用シングルモードファイバの光ファイバ長Ｌは、前記変調信号の変調周波数をｆ（ＧＨｚ）としたとき、Ｌ＝（４０／π）（Ａｆ）−１である
ことを特徴とする請求項２に記載の光パルス発生装置。
【請求項４】
前記変調信号生成部は、前記変調信号の供給ラインの途中に前記各変調信号間の位相ずれを調整する位相調整部を備え、
前記位相調整部は、前記位相ずれφを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に調整する
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光パルス発生装置。
【請求項５】
前記変調信号生成部は、前記変調信号の高調波を遮断するフィルタを備え、
前記光変調器は、前記高調波が遮断された変調信号によって前記分岐光を変調する
ことを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。
【請求項６】
前記フィルタは、前記変調信号の高調波を前記変調信号の基本波に対し４０ｄＢ以上抑圧することを特徴とする請求項５に記載の光パルス発生装置。
【請求項７】
前記光変調器は、前記変調信号を終端させる終端抵抗を該光変調器から物理的に離した位置に有することを特徴とする請求項２から請求項６のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。
【請求項８】
前記光変調器は、ＬＮ基板上にマッハツェンダー型光導波路と変調電極が形成されてなるＬＮ変調器であることを特徴とする請求項２から請求項７のいずれか１項に記載の光パルス発生装置。
【請求項９】
光を２つに分岐して分岐光のそれぞれを変調した後再び合波して出力する光変調器と、
前記分岐光のそれぞれを変調するための各変調信号を生成する変調信号生成部と、
前記光変調器から出力された光に、当該光が前記光変調器によって付与されたチャープを補償するように当該チャープと逆符号の所定量のチャープを付与することにより、パルス圧縮する光パルス圧縮部と、
を備えた光パルス発生装置の制御方法において、
前記各変調信号の一方の振幅と他方の振幅との差ΔＡを０．２π≦ΔＡ＜０．５πとする
ことを特徴とする光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１０】
光スペクトルアナライザを用いて前記光パルス発生装置の出力光のスペクトルを観察し、該スペクトルの２つのサイドバンドのピークパワーの比に基づいて前記差ΔＡを制御することを特徴とする請求項９に記載の光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１１】
前記各変調信号間の位相ずれφを−０．０２π≦φ≦０．０２πの範囲に調整することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１２】
光スペクトルアナライザを用いて前記光パルス発生装置の出力光のスペクトルを観察し、該スペクトルの＋ｎ次と−ｎ次のサイドバンドのピークパワーに基づいて前記位相ずれφを制御することを特徴とする請求項１１に記載の光パルス発生装置の制御方法。
【請求項１３】
前記光パルス発生装置から出力された光パルス列のパルスとパルスの間の光パワーが最小となるように前記各変調信号のバイアスを調整することを特徴とする請求項９から請求項１２のいずれか１項に記載の光パルス発生装置の制御方法。
【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２０１２−７８４１３（Ｐ２０１２−７８４１３Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２１０５３（Ｐ２０１０−２２１０５３）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／近接テラヘルツセンサシステムのための超短パルス光源の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１８３２６６）住友大阪セメント株式会社 (1,342)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２２年度、独立行政法人情報通信研究機構「高度通信・放送研究開発委託研究／近接テラヘルツセンサシステムのための超短パルス光源の研究開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００１８３２６６）住友大阪セメント株式会社 (1,342)
【Ｆターム（参考）】
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