(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
循環路型の光路と、それぞれ該光路上に設けられた光増幅器と、第１の変調手段と、第２の変調手段と、前記の変調信号の高調波成分を含む光を選択する光選択手段と、第１と第２のアイソレータを備え、前記光選択手段を挟む左右の一方の側に、第１の変調手段と第１のアイソレータを配置し、他方の側に第２の変調手段と第２のアイソレータを配置した能動モード同期型レーザを用いてパルス列を発生させる方法で、
第1の変調手段の変調信号と第２の変調手段の変調信号とは、第1の変調手段から第２の変調手段（あるいは、第２の変調手段から第１の変調手段）まで光パルスが伝搬するのに要する時間をΔｔとし、光選択手段の自由スペクトル間隔ｆｐに対する角周波数をωｐ（＝２πｆｐ）とし、変調信号の角周波数ωmとし、Ｋを、ωｐ＝Ｋ×ωmを満たす自然数とし、ｎを整数とし、πを円周率とするとき、φ＝（π／Ｋ）−ωmΔｔ+２πｎ、なる位相差φをもつものとし、
第１の変調手段で光を変調して光選択手段の第１の方向に光を通過させ、
第２の変調手段で光を変調して前記の光選択手段の第２の方向に光を通過させ、
上記の光選択手段を用いて、上記の第１の変調手段による変調と第２の変調手段による変調とに共通の高調波成分を選択する際に、上記の第１の方向に通過する光の偏光方向と、第２の方向に通過する光の偏光方向とは互いに直交させることを特徴とする光パルス発生方法。
【請求項２】
第１の変調手段と第２の変調手段には、同一周波数の予め決められた位相差のある信号が印加されることを特徴とする請求項１に記載の光パルス発生方法。
【請求項３】
上記の光選択手段の第1の方向と第２の方向とは、逆向きの方向であり、且つ、第1の方向をもつ光路と第２の方向を持つ光路とは、共通の領域を持つ事を特徴とする請求項１に記載の光パルス発生方法。
【請求項４】
循環路型の光路と、それぞれ該光路上に設けられた光増幅器と、第１の変調手段と、第２の変調手段と、前記の変調信号の高調波成分を含む光を選択する光選択手段と、を備え、第１と第２のアイソレータを備え、前記光選択手段を挟む左右の一方の側に、第１の変調手段と第１のアイソレータを配置し、他方の側に第２の変調手段と第２のアイソレータを配置し、第１と第２の変調手段によって同期現象が引き起こされる能動モード同期型レーザであって、
第1の変調手段の変調信号と第２の変調手段の変調信号とは、第1の変調手段から第２の変調手段（あるいは、第２の変調手段から第１の変調手段）まで光パルスが伝搬するのに要する時間をΔｔとし、光選択手段の自由スペクトル間隔ｆｐに対する角周波数をωｐ（＝２πｆｐ）とし、変調信号の角周波数ωmとし、Ｋを、ωｐ＝Ｋ×ωmを満たす自然数とし、ｎを整数とし、πを円周率とするとき、φ＝（π／Ｋ）−ωmΔｔ+２πｎ、なる位相差φをもつものとし、
第１の変調手段で変調した光を第１の方向から、第２の変調手段で変調した光を第１の方向と異なる第２の方向から、且つ、その偏光方向が互いに直交する状態で上記の光選択手段を通過させることを特徴とする光パルス発生装置。
【請求項５】
第１の変調手段に印加する変調信号と、第２の変調手段に印加する変調信号とは、同じ周波数で、予め決められた位相差を持つ事を特徴とする請求項４に記載の光パルス発生装置。
【請求項６】
上記の光選択手段の第1の方向と第２の方向とは、逆向きの方向であり、且つ、第1の方向をもつ光路と第２の方向を持つ光路とは、共通の領域を持つ事を特徴 とする請求項４に記載の光パルス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光通信におけるパルス信号を発生する光パルス発生方法およびその装置に関しており、特に均質な光パルスを発生する能動モード同期型レーザを用いた光パルス発生方法およびその装置に関している。
【０００２】
【従来の技術】
光通信における伝送情報量増加方法のひとつとして、ミリ波によって変調された光を発生する方法が求められており、その一つとしてモードロックレーザを用いる方法が注目されている。なかでも、レーザ共振器中に光変調器（ＰＭ）とアイソレータ（Ｉ）とファブリーペローエタロン（ＦＰ）とを設置する構成（以下PM-I-FP系と記す）は、位相変調周波数をｆm、次数を整数Ｋ、ファブリーペローエタロンの自由スペクトル間隔（ＦＳＲ）をKｆmに設定すると、繰り返し周波数Kｆmの光パルスを発生することができるため有望な方法とされている。
【０００３】
さらに、この方法で位相変調指数を大きくした場合には繰り返し周波数2Kｆmのパルスを発生するが、パルス波形は均一ではなくなることが、アベディン（Abedin）等によって報告されている(Abedin,Onodera, Hyodo,”Higher Order FM Mode Locking for Pulse-Repetition-RateEnhancement in Actively Mode-Locked Lasers: Theory and Experiment,” IEEEJournal of Quantum Electronics, VOL. 35, NO. 6， JUNE 1999)。
【０００４】
図４は、第１の従来例を示す図で、上記のアベディン（Abedin）等の報告に記載された１組のPM-I-FP系を使う構成である。この構成で、位相変調信号周波数ｆmと、次数Ｋと、ファブリーペローエタロンの自由スペクトル間隔ＦＳＲとの間に、数１に示す、
【０００５】
【数１】
0003671211.tif 000002
【０００６】
関係があるとき、光パルスはPM-I-FP系  →  光増幅器  →  結合器  →  PM-I-FP系の方向に巡回し、結合器から繰り返し周波数ｆp＝Ｋfmの周期的な光パルス列が出てくる。このとき、PM-I-FP系の伝達関数と透過率は時間ｔの関数であり、それぞれをＭ（ｔ）、ρ（ｔ）と記すと、ρ（ｔ）＝｜Ｍ（ｔ）｜2である。さらに、ωpｔ＝２πＫｆmとするとき、透過率ρ（ｔ）は、ωpｔ＝０、２π、．．．、とπの偶数倍のとき（０（ゼロ）位相状態）と、ωpｔ＝π、３π、．．．、とπの奇数倍のとき（π（パイ）位相状態）のときに極大値をとることが知られている。図５は、種々の位相変調指数Δに対するＫ＝２のPM-I-FP系の透過率の例である。ただしωmは位相変調信号の角振動数でωm＝２πｆmである。一般にPM-I-FP系の伝達関数は、０位相状態とπ位相状態とでは異なった値をとるため、モードロック状態で均一な光パルスを発生しているときには、光パルスは０位相状態またはπ位相状態のいずれか１つの位相状態のときにPM-I-FP系を通過する。次数Ｋと位相変調指数Δの組み合わせによっては、０位相状態とπ位相状態の両状態時に、光パルスがPM-I-FP系を通過することもあるが、この時には発振が不安定であったり，発生パルス波形が不均一であったりする場合が多い。この原因は、伝達関数Ｍ（ｔ）が０位相状態とπ位相状態では異なった値をとることにある。
【０００７】
また、２組のPM-I-FP系を直列に接続し、それぞれのファブリーペローエタロンの自由スペクトル間隔を等しくＫｆmとし、さらに、それぞれの位相変調器の変調周波数を等しくｆmにし、かつ、その変調信号の位相を調整して適当に設定することにより、繰り返し周波数２Ｋｆmで、かつ、上記の1組のPM-I-FP系を使った方法より細いパルスを発生する方法が鹿谷等によって提案された（鹿谷他、“補償フィルタを用いた能動モードロックレーザによる２倍パルスの発生方法”、2000年電子情報通信学会総合大会予稿集、C-4-29、p.377）。
【０００８】
図６は、第２の従来例を示す図で、鹿谷等の２組のPM-I-FP系を使う構成である。図６の構成は、図４に示すリング中にもう１組のPM-I-FP系を挿入した構成になっている。光パルスは、第１のPM-I-FP系  →  第２のPM-I-FP系  →  光増幅器  →  結合器  →  第１のPM-I-FP系  の方向に巡回し結合器から周期的な光パルス列が出てくる。ＦＳＲとｆmとＫとの間には数１の関係があり、Δｔは第１のPM-I-FP系から第２のPM-I-FP系までの光パルスの伝搬時間を示すものとするとき、第１のPM-I-FP系と第２のPM-I-FP系に加える位相変調信号の位相差を次の数２の様に設定すると、出力光パルスの繰り返し周波数は２Ｋｆmとなる。
【０００９】
【数２】
0003671211.tif 000003
【００１０】
このときの変調信号と透過率の例を図７に示す。図７は、変調信号と透過率を示す図で、（ａ）は変調信号で、実線は第１のPM-I-FP系の変調信号、破線は第２のPM-I-FP系の変調信号を示し、（ｂ）は透過率の時間変化で、実線は第１のPM-I-FP系の透過率の時間変化、破線は第２のPM-I-FP系の透過率の時間変化を示し、（ｃ）は、第１のPM-I-FP系と第２のPM-I-FP系の合成透過率の時間変化を示す図である。繰り返し周波数２Ｋｆmの光パルスは第１のPM-I-FP系を０位相状態（π位相状態）のときに通過すると第２のPM-I-FP系をπ位相状態（０位相状態）のときに通過するので、どの光パルスも総じて同じ量の変調を受けることになる。このことは、図７（ｃ）に示すように透過率の繰り返し周波数が２Ｋｆmであることにも表れている。この系の出力光パルスは繰り返し周波数が２Ｋｆmになるという特徴ばかりでなく、パルス幅が狭く、かつチャープ変調のないことに特徴がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，上記の鹿谷等により提案された方法では、２組のPM-I-FP系を構成するそれぞれのファブリーペローエタロンの自由スペクトル間隔(FSR)は概ね等しくなければならない、という条件を満たす必要がある。一方、ファブリーペローエタロンの構造材は環境温度や機械歪み等に敏感であるため、複数のファブリーペローエタロンのFSRを同一値に維持するためには恒温装置などによって温度管理を厳しくするとともに振動のない場所に設置するなどの処置が必要である。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第２の従来例にあるようなそれぞれに別のファブリーペローエタロンを用いた２組のPM-I-FP系を用いた場合と同等の機能を、１個のファブリーペローエタロンを共通に用いた２組のPM-I-FP系で実現するものであり、これにより、従来の構成では必要であった、複数のファブリーペローエタロンのＦＳＲを等しく保つ、という課題を解消するものである。
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明は、循環路型の光路と、それぞれ該光路上に設けられた光増幅器と、第１の変調手段と、第２の変調手段と、前記の変調信号の高調波成分を含む光を選択する光選択手段と、第１と第２のアイソレータを備え、前記光選択手段を挟む左右の一方の側に、第１の変調手段と第１のアイソレータを配置し、他方の側に第２の変調手段と第２のアイソレータを配置した能動モード同期型レーザを用いてパルス列を発生させる方法で、第1の変調手段の変調信号と第２の変調手段の変調信号とは、第1の変調手段から第２の変調手段（あるいは、第２の変調手段から第１の変調手段）まで光パルスが伝搬するのに要する時間をΔｔとし、光選択手段の自由スペクトル間隔ｆｐに対する角周波数をωｐ（＝２πｆｐ）とし、変調信号の角周波数ωmとし、Ｋを、ωｐ＝Ｋ×ωmを満たす自然数とし、ｎを整数とし、πを円周率とするとき、φ＝（π／Ｋ）−ωｍΔｔ+２πｎ、なる位相差φをもつものとし、第１の変調手段で光を変調して光選択手段の第１の方向に光を通過させ、第２の変調手段で光を変調して前記の光選択手段の第２の方向に光を通過させ、上記の光選択手段を用いて、上記の第１の変調手段による変調と第２の変調手段による変調とに共通の高調波成分を選択する際に、上記の第１の方向に通過する光の偏光方向と、第２の方向に通過する光の偏光方向とは互いに直交させることを特徴としている。
【００１４】
また、この第１の変調手段と第２の変調手段については、同じ周波数の信号で変調することが必要であり、また、これらの変調器間を光が伝搬することにより、それらの変調信号の間では、位相差が必要であるから、第２の発明は、第１の発明の構成に加えて、第１の変調手段と第２の変調手段には、同一周波数の予め決められた位相差のある信号が印加されることを特徴としている。
【００１５】
また、一つのファブリーペローエタロンにおいて複数の光路を設定できるが、同一の光路に設定された二方向である場合がもっとも安定に動作する構成であることから、第３の発明は、第１の発明の構成に加えて、上記の光選択手段の第１の方向と第２の方向とは、逆向きの方向であり、且つ、第１の方向をもつ光路と第２の方向を持つ光路とは、共通の領域を持つ事を特徴としている。
【００１６】
また、本発明は、光パルス発生装置に関しており、循環路型の光路と、それぞれ該光路上に設けられた光増幅器と、第１の変調手段と、第２の変調手段と、前記の変調信号の高調波成分を含む光を選択する光選択手段と、を備え、第１と第２のアイソレータを備え、前記光選択手段を挟む左右の一方の側に、第１の変調手段と第１のアイソレータを配置し、他方の側に第２の変調手段と第２のアイソレータを配置し、第１と第２の変調手段によって同期現象が引き起こされる能動モード同期型レーザであって、第1の変調手段の変調信号と第２の変調手段の変調信号とは、第1の変調手段から第２の変調手段（あるいは、第２の変調手段から第１の変調手段）まで光パルスが伝搬するのに要する時間をΔｔとし、光選択手段の自由スペクトル間隔ｆｐに対する角周波数をωｐ（＝２πｆｐ）とし、変調信号の角周波数ωmとし、Ｋを、ωｐ＝Ｋ×ωmを満たす自然数とし、ｎを整数とし、πを円周率とするとき、φ＝（π／Ｋ）−ωmΔｔ+２πｎ、なる位相差φをもつものとし、第１の変調手段で変調した光を第１の方向から、第２の変調手段で変調した光を第１の方向と異なる第２の方向から、且つ、その偏光方向が互いに直交する状態で上記の光選択手段を通過させることを特徴としている。
【００１７】
また、この第１の変調手段と第２の変調手段については、同じ周波数の信号で変調することが必要であり、また、これらの変調器間を光が伝搬することにより、それらの変調信号の間では、位相差が必要であるから、第５の発明は、第４の発明の構成に加えて、第１の変調手段に印加する変調信号と、第２の変調手段に印加する変調信号とは、同じ周波数で、予め決められた位相差を持つ事を特徴としている。
【００１８】
また、一つのファブリーペローエタロンにおいて複数の光路を設定できるが、同一の光路に設定された二方向である場合がもっとも安定に動作する構成であることから、第６の発明は、第４の発明の構成に加えて、上記の光選択手段の第1の方向と第２の方向とは、逆向きの方向であり、且つ、第1の方向をもつ光路と第２の方向を持つ光路とは、共通の領域を持つ事を特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
次に実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、装置の構成を示す図面においては、同様のものないしは同様の機能を有するものについては同一の記号を付して説明する。
【００２０】
第１の実施の形態を図１に示す。図１は、１つのファブリーペローエタロン中に２本の光路をもつ構成にした光パルス発生装置のブロック図を示す。この構成では、ファブリーペローエタロンの上部で、光を図１の左方向から入射し、その下部で、光を図１の右方向から入射する。ここで、ファブリーペローエタロンに入射する光の偏光方向を互いに直交する方向に設定しておくことは必ずしも必要条件ではないが、安定動作のためには望ましい。また、一つのファブリーペローエタロン内であっても、場所により僅かに透過特性が異なっているので、できるだけ同じ透過特性の位置を用いることが望ましい。
【００２１】
このような構成による利点は、上記の第２の従来例にある様な２つのファブリーペローエタロンを用いる例に比べて温度管理が容易になる点と、使用するファブリーペローエタロンの数が１個である点と、にある。ファブリーペローエタロンは、環境温度の変化に従ってその構造材の温度変化や光路の屈折率が変化することにより光路長が変化するため、その透過特性、特にＦＳＲ、が変化することがよく知られている。上記の第２の従来例の様に２つのファブリーペローエタロンを用いる場合は、それぞれのFSRが一定かつ同一になるようにそれぞれを恒温漕にいれて温度変化を無くし、温度特性による影響を受けないようにすることが一般的である。これに対し、図１に示す例では、ファブリーペローエタロンが１個であるため、当該ファブリーペローエタロンの温度を一定に維持すればファブリーペローエタロン内での温度分布の偏りによる透過特性の偏りがあるだけである。このような温度分布の偏りは、通常は、無視し得るほど小さくできるので、生成光パルス波形に対する透過特性の偏りによる影響もまた、無視し得るほど小さくできる。
【００２２】
次に、第２の実施の形態を図２に示す。図２は、ファブリーペローエタロンに左右方向から入射する光のファブリーペローエタロン付近の光路は極めて接近するか、重複する光路をもった光パルス発生装置を示す図である。この構成では、アイソレータ４を通過した光は、分波器（ＢＳ）１２を通り、ファブリーペローエタロン５に入射する。ファブリーペローエタロン５を透過した光は、分波器１３で、光増幅器１に向かう光と、アイソレータ７に向かう光に分波されるが、アイソレータ７に向かう光は、さらに光路を進めないので、光増幅器１に向かう光路のみを記している。結合器２においては、出力として取り出される光と、位相変調器６に向かう光に分波される。位相変調された光は、アイソレータ７を通過して、分波器１３に向かう。分波器１３では、点線方向に透過する光と、ファブリーペローエタロン５に向かう光とに分波される。分波器１３から分波器１２へ向かう光路は、上記の光路と重複する様に配置している。分波器１２では、位相変調器３に向かう光と、アイソレータ４に向かう光に分波されるが、上記と同様に、アイソレータ４に向かう光は、さらに光路を進めないので、光位相変調器３に向かう光路のみを記している。ここで位相変調された光は、アイソレータ４に送られる。
【００２３】
この図２に示す構成による利点は、図１に示した例に比べても、生成光パルス波形に対する温度分布の偏りによる影響がさらに少ない点にある。
【００２４】
また、図１と図２の構成において、機械的歪みの偏りによる影響が軽減されることについても、上記の温度分布の偏りの場合との類似性から容易に理解できる。
【００２５】
次に、第３の実施の形態を図３に示す。図３は、光路を、すべて光ファイバをもちいた部品で構成した光パルス発生装置を示すブロック図である。この装置は、図２の分波器１２、１３とファブリーペローエタロン５とを、サーキュレータ１５，１６とファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１４とで置き換えたものに相当する。ここで、それぞれのアイソレータを省いても、サーキュレータ１５の特性によって、光回路内での光パルスの伝搬方向が一方向にのみ限定できる場合には、それぞれのアイソレータを省略することができる。
【００２６】
従って、この構成では、アイソレータ４を通過した光は、サーキュレータ１５を通り、ＦＢＧ１４に入射する。ＦＢＧ１４を透過した光は、サーキュレータ１６で、光増幅器１に向かう光とされる。結合器２においては、出力として取り出される光と、位相変調器６に向かう光に分波される。位相変調された光は、アイソレータ７を通過して、サーキュレータ１６に向かう。サーキュレータ１６では、ＦＢＧ１４に向かう光とされる。サーキュレータ１６からサーキュレータ１５へ向かう光路は、上記の光路と重複する様に配置している。サーキュレータ１５では、位相変調器３に向かう光とされる。ここで位相変調された光は、アイソレータ４を通過して、サーキュレータ１５に送られる。
【００２７】
図３に示す構成の光パルス発生装置は、耐衝撃性の高い点に特徴があり、振動の多い環境においても用いることができる。
【００２８】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００２９】
第１の発明では、光パルス発生方法について、能動モード同期型レーザを用いてパルス列を発生させる際に、第１の変調手段により光を変調し光選択手段の第1の方向に光を通過させることにより変調信号の高調波成分をもった光を選択する手続と、第２の変調手段により光を変調し前記の光選択手段の第２の方向に光を通過させることにより上記の光選択手段による高調波成分と同じ周波数をもった光を選択する手続とを、含むようにしたので、ファブリーペローエタロンの個数を減らすとともに、ファブリーペローエタロンの温度管理を容易にすることができた。
【００３０】
また、第２の発明では、第１の発明に加えて、光パルス発生方法について、第１の変調手段と第２の変調手段には、同一周波数の予め決められた位相差のある信号が印加されるようにしたので、第１の発明における動作条件のひとつを満たすことができるようになった。
【００３１】
また、第３の発明では、第１の発明に加えて、光パルス発生方法について、上記の光選択手段の第1の方向と第２の方向とは、逆向きの方向であり、且つ、第1の方向をもつ光路と第２の方向を持つ光路とは共通の領域を持つようにしたので、機械歪の偏りや温度分布の偏りにより、光選択手段の透過特性に差が生じないようにすることができるようになった。
【００３２】
また、第４の発明では、光増幅器と、光導波路と、第１の変調手段と、変調信号の高調波成分を含む光を選択する光選択手段の第1の方向に光を通過させることにより変調信号の高調波成分をもった光を選択する構成と、第２の変調手段と、前記の光選択手段の第２の方向に光を通過させることにより変調信号の高調波成分をもった光を選択する構成とを持つようにしたので、ファブリーペローエタロンの個数を減らすとともに、ファブリーペローエタロンの温度管理を容易にすることができた。
【００３３】
また、第５の発明では、第４の発明に加えて、光パルス発生装置について、第１の変調手段に印加する変調信号と、第２の変調手段に印加する変調信号とは、同じ周波数で、予め決められた位相差を持つように構成したので、第４の発明における動作条件のひとつを満たすことができるようになった。
【００３４】
また、第６の発明では、第４の発明に加えて、光パルス発生装置について、上記の光選択手段の第1の方向と第２の方向とは、逆向きの方向であり、且つ、第1の方向をもつ光路と第２の方向を持つ光路とは、共通の領域を持つように構成したので、機械歪の偏りや温度分布の偏りにより、光選択手段の透過特性に差が生じないようにすることができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の構成例を示すブロック図である。
【図２】第２の実施形態の構成例を示すブロック図である。
【図３】第３の実施形態の構成例を示すブロック図である。
【図４】第１の従来例の光パルスを発生する装置の構成を示す図である。
【図５】数値解析による、PM-I-FP系（Ｋ＝２）の透過特性を示す図である。
【図６】第２の従来例の光パルス発生装置の基本構成を示すブロック図である。
【図７】第２の従来例の変調信号と透過率を示す図で、（ａ）は変調信号で、実線は第１のPM-I-FP系の変調信号、破線は第２のPM-I-FP系の変調信号を示し、（ｂ）は透過率の時間変化で実線は第１のPM-I-FP系の透過率の時間変化、破線は第２のPM-I-FP系の透過率の時間変化を示し、（ｃ）は第１のPM-I-FP系と第２のPM-I-FP系の合成透過率の時間変化を示す図である。
【符号の説明】
１  光増幅器
２  結合器
３、６  位相変調器
４、７  アイソレータ
５、８  ファブリーペローエタロン
１０  信号発生器
１１  移相器
１２、１３  分波器
１４  ファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）
１５、１６  サーキュレータ
２０  光導波路
【図１】
0003671211.tif 000004
【図２】
0003671211.tif 000005
【図３】
0003671211.tif 000006
【図４】
0003671211.tif 000007
【図５】
0003671211.tif 000008
【図６】
0003671211.tif 000009
【図７】
0003671211.tif 000010