(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３次非線形係数をγ、励起用光パルスの１パルス当たりのエネルギーをＥ、励起用光パルスのピークパワーをＰ、４光波混合光強度の利得をＧ0（Ｇ0 は２以上）、真空中の光速をｃとしたときに、波長λ0 を中心に発生するコヒーレント白色光のスペクトル幅に等しい波長範囲Δλで長さが
lnＧ0／(２｜γ｜Ｐ）〔km〕
以上であり、分散スロープの絶対値が
16（｜γ｜Ｅ)／(Δλ2lnＧ0) 〔ps/nm2/km 〕
以下であり、かつ波長λ0 での分散の絶対値が
(16／πｃ)・λ02｜γ｜Ｐ／(Δλ)2〔ps/nm/km〕
以下である非線形光学媒質と、この非線形光学媒質に波長λ0 で繰り返し周波数ｆ0 の励起用光パルスを入力する手段とを有し、非線形光学媒質中における励起用光パルスの自己位相変調、相互位相変調、ならびに広い波長範囲にわたる高効率でコヒーレントな光パラメトリック４光波混合を用いて、励起光波長の両側に一様なスペクトル強度と高いコヒーレンスを有する超広帯域で繰り返し周波数ｆ0のコヒーレント白色光を出力するコヒーレント白色光源と、
波長可変バンドパス光フィルタおよび周波数間隔Ｎｆ0 〔Hz〕（Ｎは自然数）の周期型光フィルタにより構成される光フィルタ群とを備え、
前記光フィルタ群の入力ポートに前記コヒーレント白色光を入力し、その出力ポートから繰り返し周波数Ｎｆ0〔Hz〕の超短光パルス列を出力する構成であることを特徴とする高繰り返し光パルス発生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の高繰り返し光パルス発生装置において、
光フィルタ群は、周波数間隔Ｎｆ0 〔Hz〕（Ｎは自然数）の周期型光フィルタおよびアレイ導波路型光合分波器により構成されたことを特徴とする高繰り返し光パルス発生装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、高繰り返し周波数の超短光パルス列を発生させる高繰り返し光パルス発生装置に関する。なお、本発明の高繰り返し光パルス発生装置は１Ｔｂｉｔ／ｓ  以上の時分割多重光伝送システムもしくは波長分割多重光伝送システム、または超高速光信号処理に不可欠なものである。
【０００２】
【従来の技術】
将来の超大容量光パルス伝送システムでは、  １００Ｇｂｉｔ／ｓ  以上の高繰り返し光パルスを発生させる必要がある。従来の高繰り返し光パルス発生法には、連続光（ＣＷ光）を位相変調して発生する複数の側帯波を周期的にフィルタリングする位相調整法と、２つの連続光のビート光を非線形分散媒質中でソリトン化するビート法の２種類がある。
【０００３】
図４は、ビート法を用いた従来の高繰り返し光パルス発生装置の構成例を示す。
図において、符号４１，４２は、コヒーレンスのよい２つの波長可変レーザであり、それぞれ光周波数ν１  ，ν２  の連続光を出力する。各連続光は光結合器４３で合波され、繰り返し周波数ｆ（＝ν１  −ν２  〔Ｈｚ〕）のビート光が発生する。このビート光は光増幅器４４で増幅された後に、分散値が長手方向に徐々に減少する分散減少光ファイバ（ＤＤＦ）４５に入力される。分散減少光ファイバ４５中では、ビート光がソリトン断熱圧縮され、基本ソリトン性を維持しながら図に示すように繰り返し周波数ｆの高繰り返し光パルスとなる。このときの光スペクトルは、図に示すように非線形効果によって広がり、そのスペクトル幅をΔνとすると、光パルスのパルス幅Δｔは  ０．３１５／Δνで与えられる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、位相調整法では、文献「通信方式」（コロナ社  電気通信学会大学講座  第１９巻）にも示されているように、新たに発生するｍ次の側帯波の強度はベッセル関数Ｊｍ（Ｍ）（Ｍは変調指数）で表され、またその位相はｍπ／２となり、側帯波の強度および位相とも一定にならない。このため、変調周波数ｆ〔Ｈｚ〕の任意の整数倍の高繰り返し光パルスを自由に得ることが原理的に不可能であった。
【０００５】
一方、ビート法では、２つの波長可変レーザ４１，４２の光周波数を同期制御してビート光の繰り返し周波数ｆを安定化させることは困難であった。さらに、分散減少光ファイバ４５の分散特性がある波長で最適化されるので、２つの波長可変レーザの光周波数の平均で与えられる中心波長を自由に選択することは困難であった。
【０００６】
本発明は、任意の繰り返し周波数の超短光パルス列を任意の中心波長で発生させることができる高繰り返し光パルス発生装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の高繰り返し光パルス発生装置は、波長λ０  、繰り返し周波数ｆ０  の励起用光パルスを出力する励起用パルス光源と、波長λ０  を含む波長範囲Δλで所定の長さ、分散スロープ、分散を有し、励起用光パルスを入力して超広帯域のコヒーレント白色光を出力する非線形光学媒質とを含むコヒーレント白色光源を備える。
【０００８】
このコヒーレント白色光源と、波長可変バンドパス光フィルタおよび周波数間隔Ｎｆ０  〔Ｈｚ〕（Ｎは自然数）の周期型光フィルタにより構成される光フィルタ群とを備え、光フィルタ群の入力ポートにコヒーレント白色光を入力し、その出力ポートから繰り返し周波数Ｎｆ０  〔Ｈｚ〕の超短光パルス列を出力する（請求項１）。
【０００９】
また、コヒーレント白色光源と、周波数間隔Ｎｆ０  〔Ｈｚ〕（Ｎは自然数）の周期型光フィルタおよびアレイ導波路型光合分波器により構成される光フィルタ群とを備え、光フィルタ群の入力ポートにコヒーレント白色光を入力し、その出力ポートから繰り返し周波数Ｎｆ０  〔Ｈｚ〕（Ｎは自然数）の超短光パルス列を出力する（請求項２）。
【００１０】
【作用】
本発明の高繰り返し光パルス発生装置のコヒーレント白色光源は、非線形光学媒質中における繰り返し周波数ｆ０  の励起用光パルスの自己位相変調、相互位相変調、ならびに広い波長範囲にわたる高効率でコヒーレントな光パラメトリック４光波混合を用いて、励起用光パルスの中心波長λ０  の両側のΔλの波長範囲で一様なスペクトル強度と高いコヒーレンス（可干渉性）を有する超広帯域のコヒーレント白色光を発生させることができる。このとき、発生した白色スペクトルのΔλの波長範囲においても励起用光パルスの縦モード間隔はそのまま保存される。
【００１１】
ここで、このコヒーレント白色光を波長可変バンドパス光フィルタと周波数間隔Ｎｆ０  の周期型光フィルタにより構成される光フィルタ群に入力し、白色スペクトルの縦モードの中からＮｆ０  おきに縦モード成分を抜き出す。これにより、光フィルタ群の出力ポートから、波長可変バンドパス光フィルタで設定される任意の中心波長で、周期型光フィルタで設定される繰り返し周波数Ｎｆ０  の超短光パルス列を出力させることができる（請求項１）。
【００１２】
また、光フィルタ群として、周波数間隔Ｎｆ０  の周期型光フィルタとアレイ導波路型光合分波器を用いることにより、その出力ポートから多波長で繰り返し周波数Ｎｆ０  の超短光パルス列を任意の中心波長で出力させることができる（請求項２）。
【００１３】
【実施例】
（第１実施例−請求項１に対応）
図１は、本発明の高繰り返し光パルス発生装置の第１実施例の構成を示す。
図において、コヒーレント白色光源１１から出力される超広帯域の白色パルス１２は、波長可変バンドパス光フィルタ１４および周期型光フィルタ１５により構成される光フィルタ群１３の入力ポートに入力され、その出力ポートから高繰り返し光パルス１６が出力される。
【００１４】
図２は、コヒーレント白色光源１１の構成を示す。
図において、コヒーレント白色光源１１は、中心波長λ０  （中心周波数ν０  ＝ｃ／λ０  ）の励起用光パルスを出力する励起用パルス光源２１と、所定の分散スロープと分散を有する非線形光学媒質２２とにより構成される。なお、必要に応じて励起用光パルスを除去するバンド除去フィルタ２３を備えてもよい。
【００１５】
ここで、コヒーレント白色光源１１の非線形光学媒質２２中における動作について説明する。
非線形光学媒質２２中に入力された励起用光パルスは、自己位相変調によりそのスペクトル幅が励起波長の両側に対称に広げられる。自己位相変調によるスペクトル広がりが４光波混合の帯域に重なり始めると、自己位相変調によって広がったスペクトル成分を種にして、４光波混合の利得曲線に沿ってスペクトルがその利得帯域までコヒーレントに広がり始める。そして、しだいに励起光パワーが減少して励起光パワーの平方根に比例する利得帯域幅が減少すると、その時点でスペクトル広がりが停止する。
【００１６】
このとき発生した白色パルスのコヒーレント白色光スペクトルは、その発生過程から明らかなように励起光周波数の両側に徐々に広がっていくので連続的で一様となる。また、発生した白色パルスのコヒーレンスは、４光波混合光が発生する際の励起用光パルスのコヒーレンスにより決まり、励起用光パルスにコヒーレンスの高いパルスを用いれば白色光のコヒーレンスも高くなる。
【００１７】
ここで、励起用光パルスとして繰り返しパルスを用いれば、その光スペクトルは繰り返し周波数ｆ０  と等しい縦モード間隔を有する複数の縦モードで構成され、発生した白色パルスも同様に中心波長λ０  の両側に位置する同じ縦モード間隔の無数の縦モードで構成される。この各縦モードの強度は一様であり、その位相も４光波混合過程の位相整合条件により揃っている。
【００１８】
さらに、４光波混合の種となるスペクトル成分を発生する自己位相変調は低励起パワーで起こり、また一定の利得帯域を与える４光波混合の必要励起パワーは分散に比例して減少するので、低分散の非線形光学媒質２２を用いれば励起パワーの低減化も可能である。
以下、非線形光学媒質２２として用いる光導波路の分散スロープと分散の大きさに関する規定を導出する。
【００１９】
４光波混合の理論から、最大利得を与える励起光（波長λ０）と４光波混合光（波長λｆ  ）との光角周波数差ΩＳ（＝２πｃ｜１／λ０−１／λｆ｜：ｃは真空中の光速）は、光導波路の３次非線形係数をγ（＝２πｎ２／（λＡｅｆｆ）〔１／（Ｗ  ｋｍ）〕：ｎ２  は光導波路の非線形屈折率〔ｍ２／Ｗ〕、Ａｅｆｆ  は光導波路の有効断面積〔ｍ２〕）、光導波路中の励起用光パルスのピークパワーをＰ〔Ｗ〕、光導波路の分散をβ２  〔ｐｓ２／ｋｍ〕とすると、
ΩＳ  ＝（２｜γ｜Ｐ／｜β２｜）１／２    〔ＴＨｚ〕        …（１）
となる。また、光導波路の長さをＬ〔ｋｍ〕とすると、ΩＳ  における４光波混合光強度の利得Ｇ０  は、
Ｇ０  ＝ｅｘｐ（２｜γ｜ＰＬ）                          …（２）
で与えられる。
【００２０】
ここで、白色光が連続的に発生するためには、ΩS において利得をもつ必要があるので、式(2) のＧ0は１より大きくなければならない。なお、Ｇ0 は２以上であることが好ましい。この条件より白色光発生に必要な光導波路長ＬCは
ＬC ＝lnＧ0／(２｜γ｜Ｐ） …(3)
と求まる。
【００２１】
ところで、波長λ0 の励起用光パルスと波長λ0±Δλ／2の４光波混合光の光導波路長ＬC における群遅延差τ〔ps〕は、分散スロープの絶対値を｜ｄＤ(λ)／ｄλ｜〔ps/nm2/km 〕として近似的に
τ＝(1／2)｜ｄＤ(λ0)／ｄλ｜・（Δλ／２)2・ＬC
＝(lnＧ0／16)｜ｄＤ(λ0)／ｄλ｜・Δλ2／(｜γ｜Ｐ） …(4)
と表せる。ここで、波長λ0±Δλ／2の４光波混合光が発生するためには、励起用光パルスと４光波混合光との時間的な重なりが必要で、それは両者の群遅延差τが励起用光パルスのパルス幅Δt0(ps：半値全幅）以下であるという条件
Δt0≧τ＝(lnＧ0／16)｜ｄＤ(λ0)／ｄλ｜・Δλ2／(｜γ｜Ｐ） …(5)
で表される。したがって、分散スロープの条件として
｜ｄＤ(λ0)／ｄλ｜≦16（｜γ｜ＰΔt0)／(Δλ2lnＧ0) …(6)
が得られる。ここで、ＰΔt0は励起用光パルスのエネルギーＥ〔W ps〕にほぼ等しいので、光導波路の分散スロープに関する条件式
｜ｄＤ(λ0)／ｄλ｜≦16（｜γ｜Ｅ)／(Δλ2lnＧ0) …(7)
が得られる。
【００２２】
次に、光導波路が波長λ0 の励起用光パルスから波長λ0±Δλ／2の４光波混合光を発生させるためには、少なくとも式(1) で与えられる利得帯域（∝ΩS ）がΔλ／４以上でなければならない。したがって、
ΩS ＝（２｜γ｜Ｐ／｜β2｜)1/2≧２πｃΔλ／(４λ02） …(8)
でなければならない。ここで、β2 とＤ(λ)の関係式
｜β2｜＝λ2｜Ｄ(λ)｜／（２πｃ） …(9)
を用いて、光導波路の分散に関する条件式
｜Ｄ(λ0)｜≦(16／πｃ)・λ02｜γ｜Ｐ／(Δλ)2…(10)
が求まる。式(10)は、少なくとも式(3) で規定される長さlnＧ0／(２｜γ｜Ｐ）にわたって満たされなければならない。
【００２３】
なお、光導波路中の励起用光パルスのピークパワーＰと、光導波路に入力される励起用光パルスのピークパワーＰ０  とは、励起用光パルスの波形変化等のために一般に異なる。これらは補正係数αを用いて、Ｐ＝αＰ０  と表すことができる。
コヒーレント白色光源１１で発生する白色パルス１２は、繰り返し周波数ｆ０  の光パルス列として出力される。その光スペクトルは、図２に示すようにΔλの波長範囲中、周波数間隔ｆ０  の縦モードが約ｃΔλ／（Δλ２ｆ０）  個存在する。これらの縦モードが波長可変バンドパス光フィルタ１４に入力されると、特定の光周波数ν（＝ｃ／λ）を中心にして光周波数幅Δνで切り出される。ここで切り出された光は周期型光フィルタ１５に入力され、周波数間隔Ｎｆ０  の複数の縦モードのみが選択され出力される。
【００２４】
ところで、上述のように周期型光フィルタ１５で抜き出された複数の縦モードの位相は揃っているので、時間領域でみるとこれらの縦モードは完全に干渉して繰り返し周波数Ｎｆ０  の光パルス列を形成し、そのパルス幅はガウス型の場合に０．４４／Δν、ｓｅｃｈ２  型の場合に  ０．３１５／Δνとなる。基本の繰り返し周波数ｆ０  は、コヒーレント白色光源１１の外部同期された励起用パルス光源２１の繰り返し周波数と等しいので、得られる繰り返し周波数Ｎｆ０  の高繰り返し光パルスも外部同期された励起用パルス光源と完全に同期する。
【００２５】
実験的には、非線形光学媒質２２として光ファイバを用いて波長幅Δλ＝２００  ｎｍ（＝２５ＴＨｚ）程度が得られており、１ＴＨｚ以上の周波数範囲で高いコヒーレンスが確認されている。したがって、本実施例の構成により、  ５００Ｇｂｉｔ／ｓ  〜１Ｔｂｉｔ／ｓ  程度の高繰り返し光パルスを容易に発生させることができる。
なお、本実施例における波長可変バンドパス光フィルタ１４と周期型光フィルタ１５の順序を入れ替えても同様に動作する。また、出力光パルスの繰り返し周波数は、ｆ０  の整数Ｎ倍で自由に選択することができ、そのパルス幅および中心波長も波長可変バンドパス光フィルタ１４の特性により任意に選択することができる。
【００２６】
（第２実施例−請求項２に対応）
図３は、本発明の高繰り返し光パルス発生装置の第２実施例の構成を示す。
本実施例は、第１実施例の構成に対して光フィルタ群１３の構成が異なる。本実施例では、周期型光フィルタとしてファブリペローフィルタ１７を用い、波長可変バンドパス光フィルタの代わりにアレイ導波路型光合分波器１８を用いる。
【００２７】
コヒーレント白色光源１１から繰り返し周波数ｆ０  の光パルス列として出力される超広帯域の白色パルス１２は、光フィルタ群１３のファブリペローフィルタ１７に入力される。ファブリペローフィルタ１７の周期（フリースペクトルレンジ（ＦＳＲ））はＮｆ０  に設定され、その出力光パルスがアレイ導波路型光合分波器１８の所定のポートに入力される。アレイ導波路型光合分波器１８では、入力される周波数間隔Ｎｆ０  の縦モード群からλ１  ，λ２  ，…，λｍ  を中心とする複数の光周波数成分（波長間隔Δλ）が切り出され、それぞれ異なる出力ポートに出力される。出力光パルス列の繰り返し周波数は、いずれの波長においてもＮｆ０  〔Ｈｚ〕であり、そのパルス幅はアレイ導波路型光合分波器１８の透過帯域をΔνとして、ガウス型の場合に０．４４／Δν、ｓｅｃｈ２  型の場合に  ０．３１５／Δνとなる。
【００２８】
このように、本実施例では複数の波長の高繰り返し光パルスを一挙に得ることが可能であり、超高速ＷＤＭ（波長分割多重）伝送システムの光源として用いることができる。また、本実施例の構成においても、出力光パルスの繰り返し周波数はｆ０  の整数Ｎ倍で自由に選択することができ、そのパルス幅もアレイ導波路型光合分波器１８の特性により任意に選択することができる。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高繰り返し光パルス発生装置は、コヒーレント白色光源から出力される白色パルスを構成する縦モードから、光フィルタ群の特性により選択される縦モードを周期的にフィルタリングすることにより、縦モード間隔の整数倍の繰り返し周波数Ｎｆ０  の高繰り返し光パルスを生成することができる。
【００３０】
また、波長可変バンドパス光フィルタとしてアレイ導波路型光合分波器を用いることにより、同時に複数の異なる波長の高繰り返し光パルスを生成することができる。この複数の異なる波長の高繰り返し光パルスのパルス幅および波長間隔は、光フィルタ群の特性により任意に選択することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高繰り返し光パルス発生装置の第１実施例の構成を示す図。
【図２】コヒーレント白色光源１１の構成を示す図。
【図３】本発明の高繰り返し光パルス発生装置の第２実施例の構成を示す図。
【図４】ビート法を用いた従来の高繰り返し光パルス発生装置の構成例を示す図。
【符号の説明】
１１  コヒーレント白色光源
１２  白色パルス
１３  光フィルタ群
１４  波長可変バンドパス光フィルタ
１５  周期型光フィルタ
１６  高繰り返し光パルス
１７  ファブリペローフィルタ
１８  アレイ導波路型光合分波器
２１  励起用パルス光源
２２  非線形光学媒質
２３  バンド除去フィルタ
４１，４２  波長可変レーザ
４３  光結合器
４４  光増幅器
４５  分散減少光ファイバ
【図１】
0003610532.tif 000002
【図２】
0003610532.tif 000003
【図３】
0003610532.tif 000004
【図４】
0003610532.tif 000005