(57)【要約】【課題】光パルスの周波数広がりおよび波形歪みを抑えつつ、十分な消光比を持つ光パルスを生成する。【解決手段】レーザ１１での直接変調により得られた光パルス１３に対して、当該光パルス１３内の定常発振期間に含まれる任意の期間を外部変調期間として変調器１５により部分的に強度変調することにより出力光パルス１６を生成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力されたパルス状の駆動電流に応じて直接変調を行うことにより光パルスを出力するレーザと、
入力されたパルス状の制御信号に応じて前記光パルス内の定常発振期間に含まれる任意の期間を外部変調期間として部分的に強度変調することにより出力光パルスを生成する変調器と
を備えることを特徴とする光パルス生成装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光パルス生成装置において、
前記駆動電流は、前記光パルスの緩和振動期間と前記外部変調期間とを加えた時間長より長いパルス幅を有することを特徴とする光パルス生成装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光パルス生成装置において、
所定周期でパルス状の前記駆動電流を発生する直接変調信号源と、
この直接変調信号源から前記駆動電流と同期して出力される直接変調同期信号を、調整可能な遅延時間だけ遅延させて、前記外部変調期間に同期した外部変調同期信号を出力する遅延調整回路と、
この遅延調整回路からの前記外部変調同期信号に基づく出力タイミングでパルス状の前記制御信号を出力する外部変調信号源と
をさらに備えることを特徴とする光パルス生成装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光パルス生成装置において、
前記変調器は、１つの前記光パルス内の定常発振期間に含まれる複数の前記外部変調期間についてそれぞれ強度変調することにより複数の出力光パルスを生成する
ことを特徴とする光パルス生成装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光パルス生成装置において、
前記レーザは、半導体レーザからなることを特徴とする光パルス生成装置。
【請求項６】
レーザでの直接変調により得られた光パルスに対して、当該光パルス内の定常発振期間に含まれる任意の期間を外部変調期間として変調器により部分的に強度変調することにより出力光パルスを生成することを特徴とする光パルス生成方法。
【請求項７】
請求項６に記載の光パルス生成方法において、
前記レーザに入力する駆動電流は、前記光パルスの緩和振動期間と前記外部変調期間とを加えた時間長より長いパルス幅を有することを特徴とする光パルス生成方法。
【請求項８】
請求項７に記載の光パルス生成方法において、
所定周期でパルス状の前記駆動電流と同期する直接変調同期信号を、調整可能な遅延時間だけ遅延させて、前記外部変調期間に同期した外部変調同期信号を生成し、この前記外部変調同期信号に基づく出力タイミングでパルス状の前記制御信号を生成することを特徴とする光パルス生成方法。
【請求項９】
請求項６に記載の光パルス生成方法において、
１つの前記光パルス内の定常発振期間に含まれる複数の前記外部変調期間についてそれぞれ強度変調することにより複数の出力光パルスを生成することを特徴とする光パルス生成方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の光パルス生成方法において、
前記レーザは、半導体レーザからなることを特徴とする光パルス生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光パルス生成技術に関し、特に光ファイバー通信に用いる光パルスを生成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、長距離データ通信では、レーザ光と光ファイバーを用いた光通信が主流となりつつある。この種の光通信では、レーザによって生成された光パルスに送信データを符号化し、その光パルスを光ファイバーによって伝送するものとなっている。
このような光通信において使用する光パルスを生成するための代表的な方法としては、図５に示すような直接変調方式の半導体レーザを用いる方法がある。図５は、直接変調方式のレーザを用いた光パルス生成装置を示す説明図である。図６は、図５の光パルス生成装置の動作を示す信号波形図である。
【０００３】
この光パルス生成方法では、所望の光パルス幅にほぼ等しい時間幅のパルス電流を直接変調信号源２１から出力し、これをレーザの駆動電流２３として直接変調を行う。これによって、レーザ２２から所望の光パルス幅にほぼ等しい光パルス２４が出力される（例えば、非特許文献１など参照）。
【０００４】
【非特許文献１】米津宏雄、「光通信素子工学」、工学図書、1984年、pp.197-204
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、光パルスを用いた光通信では、光ファイバーの伝送距離に応じて光パルスの歪みが大きくなる傾向がある。したがって、光通信により高速で長距離伝送を行うためには、送信側において周波数広がりや波形歪みの少ない光パルスを生成する必要がある。
また、光通信のうち、受信した光パルスを干渉させる光通信方式の場合には、消光比の大きい光パルスを必要とする。例えば、量子鍵配付システムでは、送信側から送信した連光パルスを受信側で干渉させることにより光パルスの正当性を判定している。
【０００６】
このため、消光比が小さい場合、消光時の残留光強度により光強度揺らぎが発生して安定した干渉結果が得られず、光パルスの正当性を精度よく判定できない場合がある。一例として、パルス幅が１００ｐｓ以下でパルス間隔が４００ｐｓ程度の２連光パルスを用いた場合、２連光パルス間の干渉による光強度揺らぎを抑制して光パルスの正当性を精度よく判定するためには、消光比を少なくとも２５ｄＢ以上とする必要がある。
【０００７】
しかしながら、上記のような直接変調方式のレーザを用いた光パルス生成方法では、光パルスの先頭部分に生じる緩和振動に起因して当該光パルスに周波数広がりや波形歪みが発生する。緩和振動とは、レーザにパルス状の電流を注入した時に光出力が一定期間振動する現象であり、この振動の間は出力光の周波数も振動する。このため、これら周波数広がりや波形歪みを抑制するためには、消光時の駆動電流を小さくすることができず、結果として十分な消光比を得ることができないという問題点があった。
【０００８】
すなわち、直接変調方式で立ち上がりが急峻な光パルスを生成した場合、非特許文献１にも記載されているように、光パルスの先頭部分に緩和振動が発生する。この緩和振動期間では、当該光パルスの光強度が変化するだけでなく周波数も変化する。したがって、従来の光パルス生成方法において、レーザ２２から出力される光パルス２４の周波数広がりおよび波形歪みを抑えて長距離伝送を可能とするためには、例えば消光時の駆動電流値２３Ｌを、レーザ２２の発振閾値２５付近に設定する必要があり、消光時の駆動電流を小さくすることができない。このため、このような駆動電流を用いた場合、消光時においてもごく僅かではあるがレーザ２２から微弱な残留光２４Ｌが発生して、光パルス２４の消光比がせいぜい１５ｄＢ程度となってしまい、十分な消光比を得ることができない。
【０００９】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、光パルスの周波数広がりおよび波形歪みを抑えつつ、消光時のレーザ駆動電流を小さくすることができる光パルス生成装置および方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
このような目的を達成するために、本発明にかかる光パルス生成装置は、入力されたパルス状の駆動電流に応じて直接変調を行うことにより光パルスを出力するレーザと、入力されたパルス状の制御信号に応じて光パルス内の定常発振期間に含まれる任意の期間を外部変調期間として部分的に強度変調することにより出力光パルスを生成する変調器とを備えている。
【００１１】
また、本発明にかかる光パルス生成方法は、レーザでの直接変調により得られた光パルスに対して、当該光パルス内の定常発振期間に含まれる任意の期間を外部変調期間として変調器により部分的に強度変調することにより出力光パルスを生成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、光パルスの周波数広がりおよび波形歪みを抑えつつ、消光時のレーザ駆動電流を小さくすることができる。したがって、十分に大きな消光比を有する光パルスを生成することが可能となる。
これにより、例えば量子鍵配付通信装置で用いる極短幅の２連光パルスとして、周波数広がりおよび波形歪みが抑制され、かつ大きな消光比の２連光パルスを生成することができる。このため、量子鍵配付通信装置において、長距離伝送であっても、２連光パルス間の干渉による光強度揺らぎを十分抑制でき、安定した量子鍵配付を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態にかかる光パルス生成装置について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる光パルス生成装置の構成を示すブロック図である。
【００１４】
この光パルス生成装置１０には、主な構成として、レーザ１１、直接変調信号源１２、外部変調信号源１４、および変調器（外部変調器）１５が設けられている。
レーザ１１は、例えば半導体レーザからなり、直接変調信号源１２からの駆動電流１７によって駆動され、緩和振動を含む光パルス１３を出力する機能を有している。なお、レーザ１１は、緩和振動を有する光パルスを生成するものであればよく、半導体レーザに限るものではない。
変調器（ＡＭ）１５は、外部変調信号源１４からの制御信号１９により駆動され、入力された光パルス１３を強度変調することにより出力光パルス１６を生成する機能を有している。
【００１５】
本実施形態では、このような光パルス生成装置１０において、変調器１５により、レーザ１１から出力された光パルス１３に対して、光パルス１３の定常発振期間に含まれる任意の期間を強度変調期間として部分的に強度変調することにより出力光パルス１６を生成している。望ましい形態としては、後述する図２に示すように、光パルス１３の強度変化が少ない期間を強度変調する構成がよい。
【００１６】
［第１の実施形態の動作］
次に、図２を参照して、本発明の第１の実施形態にかかる光パルス生成装置の動作について説明する。図２は、本発明の第１の実施形態にかかる光パルス生成装置の動作を示す信号波形図である。
【００１７】
直接変調信号源１２は、所定周期でパルス状の駆動電流１７を発生させ、レーザ１１へ出力する。この駆動電流１７は、消光期間１７Ｂにおいてレーザ１１のレーザ発振閾値１７Ｔを十分下回る消光電流値１７Ｌを有し、光パルス１３において緩和振動期間１３Ａと定常発振期間１３Ｂが発生するパルス幅、具体的には、光パルス１３の緩和振動期間１３Ａと出力光パルス１６の所望のパルス幅とを加えた時間長より長いパルス幅を有している。
レーザ１１は、直接変調信号源１２からの駆動電流１７により直接変調を行うことにより、駆動電流１７に同期した光パルス１３を出力する。
【００１８】
この際、駆動電流１７は、消光期間１７Ｂにおいてレーザ１１のレーザ発振閾値１７Ｔを十分下回る消光電流値１７Ｌを有しているため、例えば２５ｄＢ以上の大きな消光比が得られるものの、光パルス１３の先頭部分に緩和振動による発振が顕著に表れ、大きな周波数広がりと波形歪みを持つことになる。また、駆動電流１７は、光パルス１３の緩和振動期間１３Ａと出力光パルス１６の所望のパルス幅とを加えた時間長より長いパルス幅を有しているため、光パルス１３のうち、緩和振動期間１３Ａの終了後からパルスの立ち下がり部分を含む定常発振期間１３Ｂにおいて、周波数広がりおよび波形歪みが抑制された期間が形成される。
【００１９】
一方、外部変調信号源１４は、所定周期でパルス状の制御信号１９を発生させ、変調器１５へ出力する。この制御信号１９は、光パルス１３の緩和振動期間１３Ａが終了した後の定常発振期間１３Ｂに含まれる任意の期間、すなわち外部変調期間１９Ａに同期したパルス電流信号またはパルス電圧信号からなる。
【００２０】
遅延調整回路１８は、駆動電流１７と同期して直接変調信号源１２から出力された直接変調同期信号１８Ａを入力とし、この直接変調同期信号１８Ａを外部から調整可能な遅延時間だけ遅延させて外部変調期間１９Ａに同期した外部変調同期信号１８Ｂを生成して、外部変調信号源１４へ出力する。例えば、直接変調同期信号１８Ａが駆動電流１７と同じ信号波形をなしており、外部変調同期信号１８Ｂとして制御信号１９と同じ信号波形を生成する場合、遅延調整回路１８において、発光期間１７Ａの開始時点から強度変調期間１９Ａの開始時点までの遅延時間だけ直接変調同期信号１８Ａを遅延させることにより、外部変調同期信号１８Ｂの出力開始タイミングを決定することができる。
【００２１】
外部変調信号源１４は、この外部変調同期信号１８Ｂに基づき制御信号１９の出力タイミングを精度よく決定できる。なお、遅延調整回路１８での遅延時間の調整は、個々のレーザに固有の緩和振動期間１３Ａの時間位置を調整するためのものである。一般に、同一レーザにおいて緩和振動期間の時間位置は安定しているため、例えば光パルス生成装置の出荷時や使用開始時点に調整すればよい。また、直接変調信号源１２、外部変調信号源１４、および遅延調整回路１８を、１つの信号源装置で一括して実現してもよい。
【００２２】
変調器１５は、周波数チャープを持たない変調手段からなり、外部変調信号源１４からの制御信号１９により、レーザ１１からの光パルス１３を強度変調することにより出力光パルス１６を生成する。
したがって、変調器１５は、入力された制御信号１９に基づいて、光パルス１３内の定常発振期間１３Ｂに含まれる任意の期間、すなわち外部変調期間１９Ａを部分的に強度変調し、他の期間において光強度を減衰させることになる。
これにより、十分な消光比を有する光パルス１３のうち、光パルスの周波数広がりと波形歪みが少ない定常発振期間１３Ｂ内の外部変調期間１９Ａにおいてのみ光出力が透過し、出力光パルス１６として切り出されることになる。
【００２３】
［第１の実施形態の効果］
このように、本実施形態は、レーザでの直接変調により得られた光パルスに対して、当該光パルス内の定常発振期間に含まれる任意の期間を変調器により部分的に強度変調することにより出力光パルスを生成するようにしたので、光パルスの周波数広がりおよび波形歪みを抑えつつ、十分に大きな消光比を持つ光パルスを生成することができる。
これにより、例えば量子鍵配付通信装置で用いる極短幅の２連光パルスとして、周波数広がりおよび波形歪みが抑制され、かつ大きな消光比の２連光パルスを生成することがでる。このため、量子鍵配付通信装置において、長距離伝送であっても、２連光パルス間の干渉による光強度揺らぎを十分抑制でき、安定した量子鍵配付を実現できる。
【００２４】
[実施例]
次に、図３を参照して、本発明の光パルス生成装置を量子鍵配付通信装置に適用した場合の実施例について説明する。本発明の実施例にかかる量子鍵配付通信装置の構成を示すブロック図である。
ここでは、送信したい乱数鍵データを光パルスに符号化する方法として、２連光パルスの相対位相に変調を施す「タイム・ビン方式」を用いることとする。この方式は、光ファイバーを通じて量子鍵配付を行う場合に最も有望な方式とされ、盛んに研究開発が行われている。
【００２５】
図３に示すように、本発明を利用して２連光パルスを生成する量子鍵配付通信装置は、レーザ３１、変調器３２、非対称干渉計３３を備えている。このうち、レーザ３１、変調器３２、光パルス３４、出力光パルス３５は、それぞれ第１の実施の形態におけるレーザ１１、変調器１５、光パルス１３、出力光パルス１６に相当している。非対称干渉計３３は、光路長の異なる２つの導波路を有する干渉計であり、例えば公知のマッハツェンダー干渉計を用いればよい。
【００２６】
本実施例において、具体的条件として、レーザ３１の発振閾値が０．８Ｖであり、その駆動電流として６２５ＭＨｚ（１６００ｐｓ周期）でＯＮ／ＯＦＦ比１：１のクロック信号とを用い、消光時の電圧を０Ｖ、発光時の電圧を２．５Ｖとする。
このような条件の場合、レーザ３１は、約８００ｐｓの時間幅を持つ光パルス３４を出射する。この際、光パルス３４の先頭部分（約２００ｐｓ）では、急激な電流注入を受けたために大きな緩和振動が発生し、周波数が大きく変動する。一方、約８００ｐｓの時間幅を持つ消光期間においては、駆動電流による電流注入が全くないために高い消光比（典型的には２５ｄＢ以上）が達成される。
【００２７】
続いて、変調器３２は、レーザ３１からの光パルス３４を入力とし、この光パルス３４を強度変調することにより、その一部分を出力光パルス３５として切り出す。この際、変調器３２の駆動電流は幅１００ｐｓとし、その印加タイミングは光パルスの緩和振動が終了した後、例えば干渉振動期間が約２００ｐｓの場合は光パルスの立ち上がりから約３００ｐｓ後とする。これによって、光パルス３４の先頭部分に生じた緩和振動部分を含まない、時間幅が約１００ｐｓの出力光パルス３５を得ることができる。
【００２８】
次に、非対称干渉計３３は、変調器３２からの出力光パルス３５を入力とし、この出力光パルス２３を２つに分割し、光路長の異なる導波路を通った後に再び結合することにより、光路長の差に応じた時間差を持つ２連光パルス３６を出力する。ここで、光路長差を光の伝播時間にして８００ｐｓとすると、非対称干渉計３３からは８００ｐｓの時間差を持つ２連光パルス３６が出力される。この際、出力光パルス３５から８００ｐｓ後の消光期間においては、前述したように２５ｄＢ以上の高い消光比が得られているため、光強度の揺らぎによる波形歪みが極めて少ない２連光パルス３６が得られる。量子鍵配付通信装置では、この２連光パルス３６の相対位相に変調を施すことによって乱数鍵データを符号化し、通信相手側へ送信する。
【００２９】
[実施例の効果]
本実施例の量子鍵配付通信装置によれば、緩和振動による周波数広がりの影響を受けずに１００ｐｓ程度の短パルスを用いて通信を行うことができる。これによって長距離伝送の際の波形歪みが抑えられるとともに、高いクロック周波数での通信が可能となる。
また、非対称干渉計において、一方の光パルスが８００ｐｓ遅延してもう一方のパルスと再結合される際、一方の光パルスから８００ｐｓ離れた部分での消光比が２５ｄＢ以上となる。この際、消光比が２０ｄＢの場合、２つの光パルスを再結合した場合の干渉による光強度の揺らぎは±２１％程度となり、１５ｄＢでは±３９％程度となるが、本実施例のように消光比が２５ｄＢの場合、干渉による光強度の揺らぎを±１０％以下に抑えることができ、極めて光強度の安定した光パルスを生成することが可能となる。
【００３０】
［第２の実施形態］
次に、図４を参照して、本発明の第２の実施形態にかかる光パルス生成装置について説明する。図４は、本発明の第２の実施形態にかかる光パルス生成装置の動作を示す信号波形図であり、前述した図２と同じまたは同等部分には同一符号をしてある。
第１の実施形態では、１つの光パルス１３から１つの出力光パルスを生成する場合を例として説明した。本実施形態では、１つの光パルス１３から複数の出力光パルスを生成する場合について説明する。
【００３１】
本実施形態では、図４に示すように、外部変調信号源１４において、１つの光パルス１３の定常発振期間１３Ｂに含まれる２つの外部変調期間１９Ａを有する制御信号１９を生成する。変調器１５は、この制御信号１９に基づき光パルス１３の外部変調を行うため、２つの外部変調期間１９Ａについてそれぞれ強度変調され、結果として１つの光パルス１３から２つの出力光パルスが生成される。この他の構成については、第１の実施の形態と同様であり、ここでの詳細な説明は省略する。
【００３２】
［第２の実施の形態の効果］
このように、１つの光パルス内の定常発振期間に含まれる複数の外部変調期間についてそれぞれ強度変調することにより複数の出力光パルスを生成するようにしたので、それぞれ個別のパルス長を持つ複数の光パルス群を、所定周期で効率よく生成することができる。特に、光パルスの緩和振動期間は、ある程度の時間長を有しているため、第１の実施の形態により、２つの光パルスのそれぞれから１つずつ出力光パルスを生成した場合、２つの出力光パルス間に２つ目の光パルスの緩和振動期間が存在するため、少なくとも緩和振動期間より長くなる。本実施の形態によれば、１つの光パルスで２つの出力光パルスを生成しているため、緩和振動期間に近い間隔を持つ光パルス群を容易に生成できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる光パルス生成装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態にかかる光パルス生成装置の動作を示す信号波形図である。
【図３】本発明の実施例にかかる光パルス生成装置の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施形態にかかる光パルス生成装置の動作を示す信号波形図である。
【図５】直接変調方式のレーザを用いた光パルス生成装置を示す説明図である。
【図６】図５の光パルス生成装置の動作を示す信号波形図である。
【符号の説明】
【００３４】
１０…光パルス生成装置、１１…レーザ、１２…直接変調信号、１３…光パルス、１３Ａ…緩和振動期間、１３Ｂ…定常発振期間、１４…外部変調信号源、１５…変調器（ＡＭ）、１６…出力光パルス、１７…駆動電流、１７Ｌ…消光電流値、１７Ｔ…レーザ発振閾値、１８…遅延調整回路、１８Ａ…直接変調同期信号、１８Ｂ…外部変調同期信号、１９…制御信号、１９Ａ…外部変調期間、３１…レーザ、３２…変調器（ＡＭ）、３３…非対称干渉計、３４…光パルス、３５…出力光パルス、３６…２連光パルス。
【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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