(57)【要約】  【課題】従来のミリ波光源においては、１００ＧＨｚ以上の領域で外部信号に同期して、かつ外部信号に応じて広帯域に渉って繰り返し周波数を変化させることが困難で、せいぜい繰り返し周波数の１％程度であった。このため、本発明においては、外部信号に同期して、かつ広帯域に渉って繰り返し周波数を変化させられるミリ波光源の実現を目的とした。  【解決手段】外部電気信号に位相同期した２つの波長成分からなる光パルス列を発生させるビート光源と、その出力変調するマッハツェンダ型光変調器と、この光変調出力から上記２つの波長成分と片側側帯波の２倍の周波数とを包含する波長範囲の成分を除去する光フィルタとを含む構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミリ波信号で強度変調された光信号を発生するミリ波光源において、
電気信号によって位相同期が取れた少なくとも２つの波長成分からなる光信号を出力するビート光源と、
前記ビート光源に光学的に接続されたマッハツェンダ型光変調器と、
前記マッハツェンダ型光変調器と光学的に接続され、かつ前記２つの波長成分を包含する波長範囲の光を消光させる光フィルタとを
有することを特徴とするミリ波光源。
【請求項２】
請求項１記載のミリ波光源において、
前記ビート光源が２本の縦モードで発振するデュアルモード半導体モード同期レーザであることを特徴とするミリ波光源。
【請求項３】
請求項１記載のミリ波光源において、前記マッハツェンダ型光変調器が半導体を材料とするマッハツェンダ型光変調器であることを特徴とするミリ波光源。
【請求項４】
請求項１に記載のミリ波光源において、
前記ビート光源と、
前記マッハツェンダ型光変調器と、
前記光フィルタと
を同一半導体基板上にモノリシックに構成したことを特徴とするミリ波光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部からの電気信号で同期でき、なおかつ繰り返し周波数を変化させることができるミリ波光源に関する。特に、時分割多重光ファイバ通信方式におけるクロックパルス光源や、高周波電気信号を重畳した光信号を光ファイバにより伝送する光ファイバリンクの光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
ミリ波信号で強度変調された光信号を発生するミリ波光源は、光通信や光計測等、光の広帯域性と低損失性を活かしたさまざまな技術分野においての利用が期待できる。これらの分野での応用上、光源の繰り返し周波数が外部からの電気信号を参照信号としてこれに同期させ、なおかつこの信号に応じて強度変調の周波数を変化させることができるということが重要となる。しかしながら、繰り返し周波数が１００ＧＨｚを超える領域では、外部の信号に同期させることができて、なおかつ外部信号に応じて繰り返し周波数を変えることができる光源はまだ少ない。
【０００３】
例えば、繰り返し周波数が１００ＧＨｚを超える領域において、外部の参照信号に同期した光信号を発生するミリ波光源の従来例としては、半導体モード同期レーザが知られている。半導体モード同期レーザは、ファイバベースのモード同期レーザに比べて共振器長が小さいため、１０ＧＨｚを超える高い繰り返し周波数の光パルス列の発生に適している。以下に、半導体モード同期レーザの一例（非特許文献１）について図を用いて説明する。図４は半導体モード同期レーザの断面を模式的に表したものである。図中４１は活性領域、４２は光透過率変調部、４３はチャープブラッグ反射鏡４３である。光透過率変調部４２としては可飽和吸収体を使用することが多いが、この例では電界吸収型光変調器を使用している。
【０００４】
通常、半導体モード同期レーザは活性領域４１に発振閾値以上の電流を注入すると自励的に発振するが、外部から自励発振周波数（あるいはその１／ｎ、ｎは自然数）に近い電気信号を光透過率変調部４２に印加すると、自励発振周波数がその周波数に引き込まれるという特性を有している。半導体モード同期レーザを電気信号によって同期させる方法は、簡便に低ジッタの光パルス列を発生できるため実用上重要であり、この例では１６０ＧＨｚ（８０ＧＨｚの信号により同期）のパルス列を発生させている。また、この例では、レーザの共振器を構成する反射鏡の一方をチャープブラッグ反射鏡４３として反射点を波長に応じて変化させることによって、同期可能な周波数範囲を広げている。しかし、可変範囲は繰り返し周波数のせいぜい１％程度に留まり、大幅に変化させるのは困難である。
【０００５】
一方、マッハツェンダ型光変調器や電界吸収型光変調器などの外部強度変調器と連続発振しているレーザ光源とを組み合わせても、ミリ波信号で変調された光信号を発生することができる（非特許文献２）。この場合には、共振器による共振効果を利用しないため、繰り返し周波数は強度変調器およびドライバアンプの帯域の制限の範囲内で変更可能である。しかし、この方法では、変調器駆動用として振幅の大きい高周波電気信号を発生させる必要があるため、ドライバアンプの帯域制限等によってせいぜい１００ＧＨｚ程度までのミリ波変調光を発生させるのが限界であった。
【０００６】
【非特許文献１】T. Ohno, K. Sato, R. Iga, Y. Kondo, T. Furuta, K. Yoshino and H. Ito, “160-GHz activelymodelocked semiconductor Laser”, Electron. Lett., 39, pp.520-521, 2003等
【非特許文献２】K, Noguchi, O. Mitomi, H. Miyazawa, “Low-voltage and broadband Ti；LiNbO３, mudulators operating in the millimeter wavelength region”, OpticalFiber Communications, 1996. OFC’96, 1996 pp.205-206.
【非特許文献３】J. J. O’Railly, P. M. Lane, R. Heidemann and R. Hofstetter, “Optical generation of verynarrow linewidth millimeter wave signals”, Electron., Lett., 28,pp.2309-2311, 1992
【非特許文献４】M. Ogusu, K. Inagaki, Y. Mizuguchi, “400 Mbit/s BPSK datatransmission at 60 GHz-band MM-wave using a two-mode injection-locked Fabry-Perot slave laser”, MicrowavePhotonics, 2000. MWP 2000. International Topical Meeting on, 11-13 Sept. 2000,pp.31-34, 2000
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上述べたように、従来のミリ波光源では、１００ＧＨｚを越える周波数領域で繰り返し周波数を外部からの電気信号に同期させ、なおかつ大きく変化させることが困難であった。
【０００８】
本発明の目的は、１００ＧＨｚ以上の繰り返し周波数を有し、なおかつ外部からの電気信号に同期して繰り返し周波数を大きく変化させることが出来るミリ波光源を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、請求項１においては、ミリ波信号で強度変調された光信号を発生するミリ波光源において、電気信号によって位相同期が取れた少なくとも２つの波長成分からなる光信号を出力するビート光源と、前記ビート光源に光学的に接続されたマッハツェンダ型光変調器と、前記マッハツェンダ型光変調器と光学的に接続され、かつ前記２つの波長成分を包含する波長範囲の光を消光させる光フィルタとによる構成を開示している。
【００１０】
請求項２においては、請求項１記載のミリ波光源において、前記ビート光源が２本の縦モードで発振するデュアルモード半導体モード同期レーザであることを規定している。
【００１１】
請求項３においては、請求項１記載のミリ波光源において、前記マッハツェンダ型光変調器が半導体を材料とするマッハツェンダ型光変調器であることを規定している。
【００１２】
さらに、請求項４においては、請求項１に記載のミリ波光源において、前記ビート光源と、前記マッハツェンダ型光変調器と、前記光フィルタとを同一半導体基板上にモノリシックに構成したミリ波光源の構造を開示している。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるミリ波光源によれば、１００ＧＨｚ以上の高い繰り返し周波数で、かつ外部からの電気信号に同期して繰り返し周波数を大きく変化させることができ、実用的に有用なミリ波光源を提供することが出来る。さらに、本発明によるミリ波光源の構成は半導体基板上にモノリシック集積化を可能とするものであり、これにより極めてコンパクトでかつ実装コストの安価なミリ波光源を実現することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（第１の実施の形態）
図１に、本発明にかかるミリ波光源における第１の実施の形態を説明する構成図を示す。図中１はデュアルモード半導体モード同期レーザ、２はリチウム酸ニオブによるマッハツェンダ型光変調器、３はアイソレータ、４は光フィルタ、５および６は高周波発振器である。本第１の実施の形態では、デュアルモード半導体モード同期レーザ１の自励発振周波数は約１６０ＧＨｚであり、高周波発振器５からの８０ＧＨｚの電気信号に同期した、入力信号周波数の２倍の１６０ＧＨｚの繰り返しの光パルス列を発生させる。
【００１５】
このデュアルモード半導体モード同期レーザ１の出力光は光スペクトル上では図２（ａ）に示すように主に２本の縦モードからなり、これらの縦モードの位相は、上記８０ＧＨｚの電気信号によって互いに同期されている（非特許文献１）。このように、２本のスペクトルを有するレーザ光源をビート光源と呼ぶ。本発明の場合はこのビート光源としてデュアルモード半導体モード同期レーザを用いているが、ビート光源としてこれに限るものはない。デュアルモード半導体モード同期レーザ１の光出力は偏波保持フアイバを介してマッハツェンダ型光変調器２へと入力され、高周波発振器６から出力される信号（周波数ｆ1）を用いて搬送波抑圧変調が施される。非特許文献３に見られるように、通常、搬送波抑圧変調では、マッハツェンダ型光変調器を消光比が最大となる点にバイアスすることによって入力光のキャリア成分を抑圧し、変調によって発生した両側帯波間のビート周波数（２ｆ1）に相当する繰り返し周波数の変調光を発生させる。
【００１６】
本第１の実施の形態では、同様に搬送波抑圧変調を行いキャリア成分を抑圧するものの、両側帯波間のビート周波数をそのままでは利用しない。上記のようにデュアルモード半導体モード同期レーザ１の出力光は同期のとれた２本の縦モードからなるが、これを搬送波抑圧変調すると図２（ｂ）のようにそれぞれの縦モードに対して両側帯波が発生するとともに、元の２本の縦モードが抑圧される。このようにして得られた出力光は、アイソレータ３を介して光フィルタ４へと入力される。マッハツェンダ光変調器２−アイソレータ３間およびアイソレータ３−光フィルタ４間の接続は偏波面が保持される必要はなく、通常の光ファイバで接続している。光フィルタ４では、図２（ｃ）に示すように短波長側の縦モードのキャリアと上側帯波、長波長側の縦モードのキャリアと下側帯波を反射させ（図２（ｃ）における点線で示したスペクトル）、短波長側の縦モードの下側帯波と、長波長側の縦モードの上側帯波(図２（ｃ）における実線で示したスペクトル)のみが取り出されるように処理される。
【００１７】
本第１の実施の形態では、このような目的のために光フィルタとして急峻な反射特性を持つファイバブラッググレーティングを使用した。このファイバブラッググレーティングの反射スペクトルの中心波長は、元のデュアルモード半導体モード同期レーザの出力の２つのモードにおける波長の平均値となるように、また、３ｄＢ帯域は搬送波抑圧変調で残留するキャリア成分（１６０ＧＨｚ）を除去できるように１８０ＧＨｚに設定した。このように加工された光フィルタ４出力の光信号は、光スペクトル上では１６０＋２ｆ1ＧＨｚの間隔で配置された２本の波長成分によって特徴付けられる。これらの成分は、そもそも高周波発振器５によって位相同期された２本の縦モードを強度変調して得られたものであるので、当然位相の同期がとれており、これを光電変換した際に発生するビート信号の周波数純度も使用した高周波発振器５と同程度に高いものが得られる。
【００１８】
さらに、搬送波抑圧変調ではキャビティによる共振効果を利用していないため、マッハツェンダ型光変調器およびドライバアンプの帯域制限の範囲内（５０ＧＨｚ程度まで）で変調周波数ｆ1が変更可能である。ただし、変調周波数ｆ1が小さすぎると所望の側帯波のみを光フィルタで切り出すことが難しくなるため、変調周波数ｆ1はある程度以上大きくする必要がある。具体的には、変調周波数ｆ1を２０〜５０ＧＨｚの範囲で変えることができるので、出力光の繰り返し周波数は２００〜２６０ＧＨｚの範囲で変えることができる。この可変幅は繰り返し周波数に対して２０％以上あり、従来の半導体モード同期レーザの可変幅と比べて一桁以上大きい変調周波数帯域が得られる。
【００１９】
なお、本第１の実施の形態では電気信号によって位相同期が取れた２本の波長成分からなる光信号を出力するビート光源としてデュアルモード半導体モード同期レーザを使用する方法を示したが、ファブリ・ペローレーザの２本の縦モードを同時に光注入同期したもの等を用いても良い（非特許文献４）。ただし、この場合は、光注入同期を行うためにファブリ・ペローレーザの共振周波数の整数分の一の繰り返し周波数で変調された別の光源が必要となり、系が複雑となる。
【００２０】
また、連続発振している半導体レーザの出力を別のマッハツェンダ型光変調器で搬送波抑圧変調したものをビート光源として利用することも可能である。ただし、この場合、搬送波が十分に抑圧されずに残留する可能性がある点と、マッハツェンダ型光変調器の損失が大きいため、次段のマッハツェンダ型光変調器２に入力するまでに光増幅器による増幅が必要となるという欠点がある。
【００２１】
また、本第１の実施の形態では、搬送波抑圧変調を行うマッハツェンダ型光変調器２をニオブ酸リチウムを材料としたものを使用したが、ＧａＡｓやＩｎＰなど半導体べースのマッハツェンダ型光変調器を使用することも可能である。  
また、本実施の形態ではマッハツェンダ型光変調器２の出力光を光フィルタ４に入力するにあたってアイソレータ３を使用したが、フィルタからの反射がビート光源に影響を及ぼさない場合は、これを使用しなくても良い。  
また、本実施の形態では光フィルタとしてファイバブラッググレーティングを使用したが、ファブリ・ペロー型の光フィルタやアレイ導波路格子等、公知の光フィルタを用いても良い。
【００２２】
(第２の実施の形態)
図３は、本発明にかかるミリ波光源として第２の実施の形態を説明する構成図である。本第２の実施の形態では、半絶縁性ＩｎＰ基板１０上に第１の実施の形態におけるデュアルモード半導体モード同期レーザ１１とマッハツェンダ型光変調器１２と光フィルタとしてのブラッグ反射鏡１３をモノリシック集積化した構成となっている。さらに、マッハツェンダ型光変調器１２における損失を補うため、半導体光増幅器１４も同一基板上に集積化している。デュアルモード半導体モード同期レーザ１１は、多重量子井戸電界吸収型光変調器１７と利得領域１８とブラッグ反射鏡１９との３つの領域からなり、互いに電気的に分離された電極を有している。本第２の実施の形態では、多重量子井戸電界吸収型光変調器１７を構成するのに必要な半導体積層構造と利得領域を構成するのに必要な半導体積層構造とを同一半導体基板上に形成するのに、選択再成長による突合せ接合を使用している。
【００２３】
いずれの積層構造もＩｎＧａＡｓＰ系多重量子井戸の層をＩｎＧａＡｓＰ四元ガイド層およびＩｎＰクラッド層の２重層で上下両側から挟んだ積層構造になっているが、光変調器に使用する多重量子井戸の吸収ピーク波長を利得領域の発光ピーク波長に比べて短波長になるよう、多重量子井戸の組成を変えている。また、ブラッグ反射鏡１９は多重量子井戸電界吸収型光変調器１７と同じ多重量子井戸を使用しているが、電子線リソグラフィーとウェットエッチングを用いて上側のＩｎＧａＡｓＰ四元ガイド層の厚さが共振器長手方向に対して周期的に変化するようグレーティング状に加工した後、ＩｎＰ上部クラッド層を再成長することによって分布帰還型の反射鏡を形成している。
【００２４】
なお、このブラッグ反射鏡は、発振した時に２本の縦モードのみで発振するように設計されており、モード同期時のデュアルモード動作を実現している。利得領域１８に順方向に発振閾値以上の電流を流した状態で、多重量子井戸電界吸収型光変調器１７に、逆バイアスと共にこのデュアルモード半導体モード同期レーザの自励発振周波数の１／ｎの周波数のＲＦ信号を印加すると、このＲＦ信号に同期した出力パルス列が得られる。  
デュアルモード半導体モード同期レーザの光出力はハイメサ導波路１５を介してマッハツェンダ型光変調器１２へと入力される。ハイメサ導波路１５は多重量子井戸電界吸収型光変調器１７と同じ半導体積層構造をハイメサ導波路に加工して使用している。また、マッハツェンダ型光変調器１２の出力もこれと同構造のハイメサ導波路１６を介してブラッグ反射鏡１３へと入力される。なお、本実施の形態ではハイメサ導波路を使用したが、リブ導波路などの一般的な導波路構造としても同様の効果が得られる。
【００２５】
マッハツェンダ型光変調器１２に使用する半導体積層構造は、吸収端波長１．０５ミクロンのＩｎＧａＡｓＰ四元バルクによるコア層をＩｎＰクラッド層で挟んだ構造となっており、多重量子井戸電界吸収型光変調器１７や利得領域１８を構成するのに必要な半導体積層構造と異なっているため別途選択再成長によって形成している。マッハツェンダ型光変調器１２の片側の光路に直流バイアスとともに高周波電気信号を印加すると、リチウム酸ニオブのマッハツェンダ型光変調器の場合と同様に強度変調が施される。
【００２６】
本第２の実施の形態の搬送波抑圧変調の方法も第１の実施の形態とほぼ同様であるので、説明を省略する。ブラッグ反射鏡１３はデュアルモード半導体モード同期レーザ１１から出力される元の２つのモードおよび搬送波抑圧変調によって得られた内側の側帯波、すなわち短波長側縦モードとその下側波帯および長波長側縦モードとその上側波帯とを効率的に反射させるよう、設計・作製されている。
【００２７】
また、ブラッグ反射鏡１３としてデュアルモード半導体モード同期レーザ１１に使用されるブラッグ反射鏡１９と同じ設計のグレーティングを使用しても良いが、反射率が落ちるため所望の２つのモード以外の成分が残留してしまい、光変調度が小さくなってしまうという欠点がある。また、ここではブラッグ反射鏡を使用したが、半導体アレイ導波路格子を使用しても良い。ただし、半導体アレイ導波路格子を使用する場合も透過波長や帯域等を、所望の２つのモードを効率的に切り出せるように適宜設計する必要がある。  
また、本第２の実施の形態では、半導体光増幅器１４側の劈開端面には反射防止膜を形成して反射戻り光を抑制する一方、デュアルモード半導体モード同期レーザ１１側の劈開端面には高反射膜を形成して発振閾値を低減している。  
上記のように半導体基板上にデュアルモード半導体モード同期レーザ、マッハツェンダ型光変調器および光フィルタをモノリシックに集積化することにより非常にコンパクトにミリ波光源を構成することができる。
【００２８】
また、光ファイバーを用いた時のように構成要素間を光学的に接続する際の位置合わせが不要であるため、実装コストが大幅に低減できるという利点が有る。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】第１の実施の形態におけるミリ波光源内の各過程で光スペクトルが加工される過程を示す模式図。
【図３】第２の実施の形態を示す構成図。
【図４】従来のミリ波光源（半導体モード同期レーザ）の構成図。
【符号の説明】
【００３０】
１：デュアルモード半導体モード同期レーザ
２：マッハツェンダ型光調器    ３：アイソレータ
４：光フィルタ                ５：発振器
６：発振器                  １０：半絶縁性ＩｎＰ基板
１１：デュアルモード半導体モード同期レーザ
１２：マッハツェンダ型光調器  １３：ブラッグ反射鏡
１４：半導体光増幅器          １５：ハイメサ導波路
１６：ハイメサ導波路      
１７：多重量子化井戸電界吸収型光変調器
１８：利得領域                １９：ブラッグ反射鏡
２０：光フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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