(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の繰り返し周波数で光パルス列を発生する受動モード同期半導体レーザと、
前記受動モード同期半導体レーザの光出力からモード同期に関与した光周波数成分のみを透過させる光透過手段と、
前記光透過手段の出力を分岐し、一方を光出力として取り出す分岐手段と、
前記分岐手段で分岐された他方の光を第２の周波数で光学的に変調する光変調手段と、  前記光変調手段の光出力を電気信号に変換する光電変換手段と、
前記光電変換手段から出力される同期モードの変調側波帯間または変調側波帯と隣接同期モード間のビート信号と第３の周波数とを位相比較する位相比較手段と、
前記位相比較手段から出力される誤差信号を前記受動モード同期半導体レーザの逆バイアス電圧に重畳する負帰還手段と
を備えたことを特徴とする超高速同期パルス光源。
【請求項２】
光変調手段が光強度変調器であることを特徴とする請求項１に記載の超高速同期パルス光源。
【請求項３】
光変調手段が多段直列接続された光強度変調器であることを特徴とする請求項１に記載の超高速同期パルス光源。
【請求項４】
光変調手段が光周波数コム発生器であることを特徴とする請求項１に記載の超高速同期パルス光源。
【請求項５】
光周波数コム発生器が利得領域と電気的変調手段を有する半導体レーザであることを特徴とする請求項４に記載の超高速同期パルス光源。
【請求項６】
光変調手段の変調振幅が光電変換手段から出力されるビート信号の強度が最大となる値に設定されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の超高速同期パルス光源。
【請求項７】
光電変換手段から出力されるビート信号が高次のモード同期信号によるものであることを特徴とする請求項１に記載の超高速同期パルス光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号に同期可能な超高繰り返し周波数の光パルス列を発生する超高速同期パルス光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
受動モード同期半導体レーザは、レーザ内に設けられた可飽和吸収領域の逆バイアス制御により、超高繰り返し周波数の光パルス列を発生させることが可能になっている。この受動モード同期半導体レーザを用い、繰り返し周波数が  １００ＧＨｚを越える光パルスを電気信号に同期させる方法として位相同期ループが検討されている（参考文献：Ｂｕｃｋｍａｎ  Ｌ．  Ａ．，  ｅｔ  ａｌ．，  “Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ−ｗａｖｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ  ｆｒｏｍ  ｐａｓｓｉｖｅｌｙ  ｍｏｄｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｌａｓｅｒｓ  ｕｓｉｎｇ
ａｎ  ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  ｐｈａｓｅ−ｌｏｃｋｅｄ  ｌｏｏｐ”，  ＩＥＥＥ  Ｊ．  Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌ．  Ｌｅｔｔ．５，ｐｐ．１１３７−１１４０，  １９９３）  。
【０００３】
ここでは、受動モード同期半導体レーザから発生する光パルス列をフォトダイオードで検出し、その検出信号と電気信号とを位相比較し、得られる誤差信号が最小になるように可飽和吸収領域の逆バイアス電圧を制御し、繰り返し周波数を制御するようになっている。なお、位相同期ループでは、発振しないように最適なフィルタを通して誤差信号が逆バイアス電圧に重畳されるようになっている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の位相同期ループを用いた構成では、受動モード同期半導体レーザで発生する光パルス列をフォトダイオードで検出しているので、適用可能な繰り返し周波数の上限がフォトダイオードの反応時間により制限されていた。現状では、最大でも５０ＧＨｚが限界であった。
【０００５】
本発明は、繰り返し周波数が  １００ＧＨｚを越える光パルスを電気信号に同期させることができる超高速同期パルス光源を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の超高速同期パルス光源は、受動モード同期半導体レーザから出力される光パルスを位相変調した後にフォトダイオードで受光する。フォトダイオードでは、同期モードの変調側波帯間、または変調側波帯と隣接同期モード間のビート信号を発生させ、そのビート信号を用いて位相同期ループを構成する。
【０００７】
繰り返し周波数Ｆ０  の光パルスは、図２に示すように、光周波数スペクトル上で間隔Ｆ０  の同期モードを呈する。この光パルスを位相変調すると、各同期モードのまわりに変調周波数Ｆｍ  の間隔で多数の変調側波帯が発生する。変調側波帯は、もとの同期モードの位相情報を保持しており、従って変調側波帯間のビートにもその位相情報が反映される。帯域無限大の理想的なフォトダイオードでは、図３に示すように、ＲＦスペクトル上で周波数Ｆ０  のモード同期信号を中心とする間隔Ｆｍ  ごとのビート信号が表れる。周波数帯域に制限がある実際のフォトダイオードにおいても、低周波数領域のビート信号の検出は可能である。このビート信号を用い、従来と同様の位相同期ループを形成することにより、繰り返し周波数が  １００ＧＨｚを越える光パルスを電気信号に同期させることが可能になる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態−請求項１，２）
図１は、本発明の超高速同期パルス光源の第１の実施形態を示す。本実施形態は、繰り返し周波数３６ＧＨｚのパルス光源に適用したものである。
図において、受動モード同期半導体レーザ１０、アイソレータ１１、光透過手段としての光フィルタ１２、光出力を取り出す光カプラ１３、光変調手段としてのＬｉＮｂＯ３  強度変調器１４、光電変換手段としてのフォトダイオード（ＰＤ）１５、増幅器１６、位相比較手段としてのミキサ１７、負帰還手段としての低域通過フィルタ（ＬＰＦ）１８および増幅器１９、受動モード同期半導体レーザ１０の可飽和吸収領域１０１がループ状に接続され、位相同期ループを構成している。光カプラ１３で分岐された出力には、観測系のＲＦスペクトラムアナライザ２０が接続される。ＬｉＮｂＯ３  強度変調器１４は、電気発振器２１から出力される２０ＧＨｚの変調信号で駆動される。ミキサ１７には、電気発振器２２から１６ＧＨｚの正弦波信号が入力される。
【０００９】
受動モード同期半導体レーザ１０には、半導体レーザ導波路上に可飽和吸収領域１０１と利得領域１０２が一体成形された多電極レーザを用いる。このような受動モード同期半導体レーザ１０は、可飽和吸収領域１０１の光強度の増大により損失が減少する非線形吸収特性により受動モード同期発振し、数ピコ秒以下のパルス幅（半値全幅）の光パルス列を発生させる。この光パルス列は、レーザ素子への戻り光を防止するアイソレータ１１を通過し、さらに余分なモードによるＡＳＥビート雑音を除去し、モード同期に関与する光周波数成分のみを通過させる光フィルタ１２を通過し、光カプラ１３で分岐される。その一方の光パルス列は、光出力としてここではＲＦスペクトラムアナライザ２０に入力され、他方の光パルス列は位相同期ループのＬｉＮｂＯ３  強度変調器１４に入力される。
【００１０】
ＬｉＮｂＯ３  強度変調器１４は変調周波数２０ＧＨｚで駆動され、１６ＧＨｚ間隔の１次の変調側波帯を発生させ、フォトダイオード１５で電気信号に変換される。ＲＦスペクトル上では、この１次の変調側波帯と隣接同期モードとの間のビート信号（１６ＧＨｚ）と、隣接同期モードから発生した個別の１次変調側波帯間のビート信号（４ＧＨｚ）を呈する。ここでは、強度の強い１６ＧＨｚのビート信号を位相同期ループに使用する。フォトダイオード１５から出力されるビート信号は増幅器１６を介してミキサ１７に入力され、電気発振器２２から出力される１６ＧＨｚの正弦波信号と位相比較される。得られた誤差信号は、低域通過フィルタ１８を通過して増幅器１９で増幅され、可飽和吸収領域１０１への逆バイアス電圧に重畳される。位相同期ループの利得を適当に選ぶことにより、受動モード同期半導体レーザ１０から発生する光パルス列を電気発振器に同期させることができる（図１（２））。
【００１１】
（第２の実施形態−請求項１，３）
図４は、本発明の超高速同期パルス光源の第２の実施形態を示す。本実施形態は、繰り返し周波数  １００ＧＨｚのパルス光源に適用したものである。
図において、光変調手段として電気発振器２３から出力される２４ＧＨｚの変調信号で駆動される２段直列接続されたＬｉＮｂＯ３  強度変調器１４−１，１４−２を用い、また同期をとる４ＧＨｚの正弦波信号を出力する電気発振器２４を用いる他は、図１に示す第１の実施形態と同様である。
【００１２】
ＬｉＮｂＯ３  強度変調器１４−２では、４８ＧＨｚ間隔の１次の変調側波帯が各モードの周囲に発生するので、低周波数側のビート信号は４，２８，５２，７６ＧＨｚに表れる。位相同期ループには電気的な処理が容易な最も低い４ＧＨｚのビート信号を利用する。ミキサ１７で、４ＧＨｚの正弦波信号と位相比較して誤差信号を得た後は、第１の実施形態と同様である。なお、繰り返し周波数は変調周波数の非整数倍としている。これは、フォトダイオード１５が位相検波できないことによる。
【００１３】
（第３の実施形態−請求項１，４）
図５は、本発明の超高速同期パルス光源の第３の実施形態を示す。本実施形態は、繰り返し周波数  ２００ＧＨｚのパルス光源に適用したものである。
図において、光変調手段として電気発振器２３から出力される２４ＧＨｚの変調信号で駆動される光周波数コム発生器３１を用い、また同期をとる８ＧＨｚの正弦波信号を出力する電気発振器２５を用いる他は、図１に示す第１の実施形態と同様である。
【００１４】
光周波数コム発生器３１は、ＦＳＲが変調周波数と同じ２４ＧＨｚのファブリ・ペロー共振器中にＬｉＮｂＯ３  位相変調器を含む構成である。これにより、２４ＧＨｚ間隔の多数の変調側波帯が各モードの周囲に発生する。したがって、検出できるビート信号は、８，３２，５６，８０，１０４，１２８，１５２，１７６ＧＨｚに発生する。第２の実施形態と同様に、位相同期ループには電気的な処理が容易な最も低い８ＧＨｚのビート信号を利用する。ミキサ１７で、８ＧＨｚの正弦波信号と位相比較して誤差信号を得た後は、第１の実施形態と同様である。
【００１５】
（第４の実施形態−請求項５）
図６は、本発明の超高速同期パルス光源の第４の実施形態を示す。本実施形態は、第３の実施形態に用いた光周波数コム発生器３１を半導体レーザに置き換え、繰り返し周波数  １００ＧＨｚのパルス光源に適用したものである。
図において、光周波数コム発生器３１の位置にサーキュレータ３２を介して半導体レーザ３３を配置する。電気発振器２６から出力される６ＧＨｚの電気信号により半導体レーザ３３の駆動電流を変調する。半導体レーザ３３は、それによりキャリア密度が変調され、さらに屈折率が変調されて外部から注入される光が位相変調を受ける。変調周波数の上限はキャリアの応答で制限されるが、変調度を大きくできるので多数のコムを発生させることができる。
【００１６】
ここでは、変調周波数を６ＧＨｚとしているので、検出できるビート信号は４ＧＨｚから９４ＧＨｚまで６ＧＨｚごとに表れる。その中で最も処理しやすいのは４ＧＨｚのビート信号であるが、キャリアから離れるほど強度が小さくなるので、電気回路で簡易に処理可能な最大の周波数のビート信号を使用する。ここでは、電気回路の上限を２０ＧＨｚとして、１６ＧＨｚのビート信号を位相同期ループに用いる。ミキサ１７で、１６ＧＨｚの正弦波信号と位相比較して誤差信号を得た後は、第１の実施形態と同様である。
【００１７】
なお、半導体レーザ３３は、可飽和吸収領域と利得領域を有する多電極レーザに置き換え、可飽和吸収領域へ印加する逆バイアス電流を変調しても屈折率変化を実現できる。利得領域は、可飽和吸収領域通過による損失を補償するために用いられる。逆バイアス変調による屈折率の応答は電流注入によるよりも速いので、高周波数の変調を実現することができる。
【００１８】
（第５の実施形態−請求項６）
本実施形態は、光周波数コム発生器３１または半導体レーザ３３で多数のビート信号を発生させる第３の実施形態または第４の実施形態において、信号対雑音比を改善する構成に関する。
位相変調で多数の変調側波帯が発生することによりエネルギーが各側波帯に分配される。このエネルギーの分配によりビート信号の強度が劣化し、位相同期ループの誤差信号の品質が劣化する。このため、高次の側波帯間のビートを利用する場合には、着目するビート信号を与える側波帯に分配されるエネルギーを極大にする必要がある。これは、最大周波数偏移の最適化により達成することができる。すなわち、各変調側波帯の強度は、位相変調の最大位相偏移Δφを引数とするベッセル関数の２乗（Ｊｎ［Δφ］）２  で与えられるので、Δφを適当に選ぶことにより目的のビート信号を極大にすることが可能である。例えば、図７に示すように、１次のベッセル関数の零点近傍にΔφを設定すると、２次側波帯の強度はほぼ最大となる。すなわち、２次側波帯を使う場合の最適値は、１次のベッセル関数の零点に位相変調の振幅を合わせればよい。
【００１９】
（第６の実施形態−請求項７）
本実施形態は、ビート信号から誤差信号を得て受動モード同期半導体レーザの繰り返し周波数を制御する位相同期ループを最適化し、光パルス列の位相雑音を最小にするための構成に関する。
ビート信号には、繰り返し周波数のゆらぎに相当する位相雑音成分と、光パルス列の強度ゆらぎに相当する強度雑音成分が含まれる。このため、ビート信号を単純にベースバンドまで落として誤差信号を作っても、強度雑音成分により雑音が増大されて逆に光パルス列が不安定になる可能性がある。これを防ぐには、例えば繰り返し周波数の２以上の整数倍の高次のモード同期信号のビート信号を位相同期ループに使用する。このとき、高次のモード同期信号では位相雑音成分は次数の２乗に比例して増大し、相対的に強度雑音成分が小さくなるので、純粋に位相雑音成分から誤差信号を作りだすことが可能になる。このような誤差信号を用いれば、位相同期ループの利得を十分に上げてもループが発振することはなく、光パルス列を高精度に安定化することが可能になる。
【００２０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の超高速同期パルス光源は、電気信号に同期可能で繰り返し周波数が  １００ＧＨｚを越える光パルス列を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の超高速同期パルス光源の第１の実施形態を示す図。
【図２】光周波数スペクトルを示す図。
【図３】ＲＦスペクトルを示す図。
【図４】本発明の超高速同期パルス光源の第２の実施形態を示す図。
【図５】本発明の超高速同期パルス光源の第３の実施形態を示す図。
【図６】本発明の超高速同期パルス光源の第４の実施形態を示す図。
【図７】第一種ベッセル関数を示す図。
【符号の説明】
１０  受動モード同期半導体レーザ
１１  アイソレータ
１２  光フィルタ
１３  光カプラ
１４  ＬｉＮｂＯ３  強度変調器
１５  フォトダイオード（ＰＤ）
１６  増幅器
１７  ミキサ
１８  低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
１９  増幅器
１０  ＲＦスペクトラムアナライザ
２１  電気発振器（２０ＧＨｚ）
２２  電気発振器（１６ＧＨｚ）
２３  電気発振器（２４ＧＨｚ）
２４  電気発振器（４ＧＨｚ）
２５  電気発振器（８ＧＨｚ）
２６  電気発振器（６ＧＨｚ）
３１  光周波数コム発生器
３２  サーキュレータ
３３  半導体レーザ
１０１  可飽和吸収領域
１０２  利得領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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