(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一波長光源から出力した連続光の振幅また位相を繰り返し周波数Δｆで変調して得た出力光、または繰り返し周波数Δｆのパルス光を出力するパルス光源や光パルス出力回路から出力された出力光により、モード間隔Δｆの離散スペクトルを得る第１の工程と、前記離散スペクトルの帯域が２ｆｍのときに、Ω＜２ｆｍの範囲で、モード間隔Δｆの前記離散スペクトルを、モード間隔Δｆの自然数倍で、かつ、繰り返し周波数Δｆと同期した周波数Ωで変調する第２の工程とを有することを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項２】
請求項１に記載の光スペクトル平坦化方法において、前記第１の工程において光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）ｔ０を伸張しておくことで、該光パルスの周波数よりも高速とされた周波数Ωで前記第２の工程において前記離散スペクトルを変調することを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項３】
請求項２に記載の光スペクトル平坦化方法において、
分散媒質を用いて前記光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）ｔ０を伸張することを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光スペクトル平坦化方法において、
前記第２の工程において、前記離散光スペクトルからなる時間波形の振幅または位相を変調する変調器を用いることを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項５】
請求項４に記載の光スペクトル平坦化方法において、
前記振幅または位相を変調する変調器は、発振器から特定の周波数で出力される信号電圧によって駆動されることを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項６】
請求項５に記載の光スペクトル平坦化方法において、
前記発振器からの信号電圧は正弦波であることを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項７】
請求項５に記載の光スペクトル平坦化方法において、
前記第２の工程において位相変調器を用いる場合、変調指数を変えることで前記離散スペクトルの周波数偏移量を調節することを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項８】
請求項５に記載の光スペクトル平坦化方法において、
発振器からの出力信号を逓倍器または分周器により逓倍または分周して変調周波数を変えることで、前記離散スペクトルの周波数偏移量を調節することを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項９】
請求項５に記載の光スペクトル平坦化方法において、
前記第２の工程において、位相調整器により変調器を駆動する変調信号の位相をシフトすることで、各モード間のレベル偏差量を調節することを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項１０】
請求項４に記載の光スペクトル平坦化方法において、前記単一波長光源から出力した前記連続光を変調する変調器Ａは振幅変調器または位相変調器であり、かつ、該変調器Ａから出力した変調波を変調する変調器Ｂは振幅変調器または位相変調器であることを特徴とする光スペクトル平坦化方法。
【請求項１１】
単一波長光源から出力した連続光の振幅また位相を繰り返し周波数Δｆで変調して得た出力光、または繰り返し周波数Δｆのパルス光を出力するパルス光源や光パルス出力回路から出力された出力光により、モード間隔Δｆの離散スペクトルを得る第１の手段と、前記離散スペクトルの帯域が２ｆｍのときに、Ω＜２ｆｍの範囲で、モード間隔Δｆの前記離散スペクトルを、モード間隔Δｆの自然数倍で、かつ、繰り返し周波数Δｆと同期した周波数Ωで変調する第２の手段とを有することを特徴とする光スペクトル平坦化装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光スペクトル平坦化装置において、前記第１の手段により光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）ｔ０を伸張することで、該光パルスの周波数よりも高速とされた周波数Ωで前記第２の手段により前記離散スペクトルを変調することを特徴とする光スペクトル平坦化装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スペクトルスライスによる多波長一括発生技術に関し、特に離散光スペクトルにおける各モード間のパワーレベル偏差の解消を目指して光スペクトルの平坦化を行う光スペクトル平坦化方法及び光スペクトル平坦化装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、スペクトルスライスによる多波長一括発生法において、広帯域光源として繰り返し短光パルスを利用したものと、光増幅器から出力するＡＳＥ（amplified spontaneous emission:増幅自然放出）光を利用したものとがある。一般に、スライス後の各波長チャネル間には、パワーレベル偏差が生じる。システム設計上、各波長チャネル間のパワーレベルは等しい方が望ましい。このパワーレベル偏差を解消する手段、すなわち光スペクトルの平坦化を行う手法が幾つか報告されている。
【０００３】
例えば、短光パルスに対しては、非線形ファイバ透過によるスーパコンティニューム(supercontinuum)による広帯域スペクトル発生に伴う光スペクトル平坦化の手法が報告されている（参考文献１： S. Kawanishi et al."3 T bit/s (160 G bit/s×19 channel) optical TDM and WDM transmission experiment" ELECTRONICS LETTERS 13th May 1999 Vol. 35 No.10 pp.826-827）。
【０００４】
また、逆特性を持つ光フィルタを用いたパワーレベル偏差抑制により平坦化を行う手法も報告されている（参考文献２： Kyo Inoue et al. "Tunable Gain Equalization Using a Mach-Zehnder Optical Filter in Multistage Fiber Amplifiers" IEEE PHOTONICS TECHNILOGY Vol. 3, No.8, August 1991 pp.718-720）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のようなスーパコンティニューム発生に伴う平坦化においては、用いられる非線形ファイバは、与えられた種パルスのスペクトルが広帯域かつ平坦となるように、屈折率プロファイルとファイバ長が設計される。そのため、得られる光スペクトル形状はその非線形ファイバの特性で決まってしまい、各モードのパワーレベル偏差を動的に制御することができなかった。
【０００６】
また、上記のような逆特性をもつ光フィルタによる平坦化においては、光フィルタ透過後の光スペクトルの形状がその光フィルタのもつ透過特性によって決定され、レベル間偏差の制御ができなかった。
【０００７】
本発明の目的は、このような従来技術の課題を解消し、構成が簡単かつ、低コストで、離散光スペクトルにおける各モード間のパワーレベル偏差の制御を可能とした、光スペクトル平坦化方法及び光スペクトル平坦化装置装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために請求項１の発明では、単一波長光源から出力した連続光の振幅また位相を繰り返し周波数Δｆで変調して得た出力光、または繰り返し周波数Δｆのパルス光を出力するパルス光源や光パルス出力回路から出力された出力光により、モード間隔Δｆの離散スペクトルを得る第１の工程と、前記離散スペクトルの帯域が２ｆｍのときに、Ω＜２ｆｍの範囲で、モード間隔Δｆの前記離散スペクトルを、モード間隔Δｆの自然数倍で、かつ、繰り返し周波数Δｆと同期した周波数Ωで変調する第２の工程とを有する形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【０００９】
請求項２の発明では、請求項１に記載の光スペクトル平坦化方法において、前記第１の工程において光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）ｔ０を伸張しておくことで、該光パルスの周波数よりも高速とされた周波数Ωで前記第２の工程において前記離散スペクトルを変調する形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１０】
請求項３の発明では、請求項２に記載の光スペクトル平坦化方法において、分散媒質を用いて前記光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）ｔ０を伸張する形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１１】
請求項４の発明では、請求項１〜請求項３のいずれかに記載の光スペクトル平坦化方法において、前記第２の工程において、前記離散光スペクトルからなる時間波形の振幅または位相を変調する変調器を用いる形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１２】
請求項５の発明では、請求項４に記載の光スペクトル平坦化方法において、前記振幅または位相を変調する変調器は、発振器から特定の周波数で出力される信号電圧によって駆動される形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１３】
請求項６の発明では、請求項５に記載の光スペクトル平坦化方法において、前記発振器からの信号電圧は正弦波である形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１４】
請求項７の発明では、請求項５に記載の光スペクトル平坦化方法において、前記第２の工程において位相変調器を用いる場合、変調指数を変えることで前記離散スペクトルの周波数偏移量を調節する形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１５】
請求項８の発明では、請求項５に記載の光スペクトル平坦化方法において、発振器からの出力信号を逓倍器または分周器により逓倍または分周して変調周波数を変えることで、前記離散スペクトルの周波数偏移量を調節する形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１６】
請求項９の発明では、請求項５に記載の光スペクトル平坦化方法において、前記第２の工程において、位相調整器により変調器を駆動する変調信号の位相をシフトすることで、各モード間のレベル偏差量を調節する形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１７】
請求項１０の発明では、請求項４に記載の光スペクトル平坦化方法において、前記単一波長光源から出力した前記連続光を変調する変調器Ａは振幅変調器または位相変調器であり、かつ、該変調器Ａから出力した変調波を変調する変調器Ｂは振幅変調器または位相変調器である形態の光スペクトル平坦化方法を実施した。
【００１８】
請求項１１の発明では、単一波長光源から出力した連続光の振幅また位相を繰り返し周波数Δｆで変調して得た出力光、または繰り返し周波数Δｆのパルス光を出力するパルス光源や光パルス出力回路から出力された出力光により、モード間隔Δｆの離散スペクトルを得る第１の手段と、前記離散スペクトルの帯域が２ｆｍのときに、Ω＜２ｆｍの範囲で、モード間隔Δｆの前記離散スペクトルを、モード間隔Δｆの自然数倍で、かつ、繰り返し周波数Δｆと同期した周波数Ωで変調する第２の手段とを有する形態の光スペクトル平坦化装置を実施した。
【００１９】
請求項１２の発明では、請求項１１に記載の光スペクトル平坦化装置において、前記第１の手段により光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）ｔ０を伸張することで、該光パルスの周波数よりも高速とされた周波数Ωで前記第２の手段により前記離散スペクトルを変調する形態の光スペクトル平坦化装置を実施した。
【００２０】
本発明では、上記構成により、離散光スペクトルの各モードの位相に一定の相関を与えて出力し、その出力光の離散光スペクトルを周波数軸上で偏移し、その周波数偏移量を調節するようにしたので、構成が簡単かつ、低コストで、離散光スペクトルにおける各モード間のパワーレベル偏差の制御が可能である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００２２】
［基本構成：その１］
まず、本発明の基本構成について説明する。
【００２３】
図１は本発明に係る第１の態様による光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成例を示す。この光スペクトル平坦化装置は、単一波長を出力する連続光光源１０１と、その出力光の時間波形の振幅または位相を変調することで、その出力光の離散光スペクトルの各モードの位相に一定の相関を与えて出力する変調器１０２と、この変調器１０２から出力した変調波の振幅または位相を変調することで、その変調波の離散光スペクトルを周波数軸上で上下側波帯に偏移し、その周波数偏移量を調節することにより上記各モードのパワーレベル偏差を制御する変調器１０３とから構成される。
【００２４】
（基本的な作用）
図２は変調器１０２、１０３の変調による光スペクトルシフトを原理とする光スペクトル平坦化の様子を示す。まず、変調器１０２により、離散光スペクトルの各モード間の位相に一定の相関を与えた離散光スペクトルを生成する。このとき、各モードの振幅はそれぞれ任意な値をもってもよい（図２の（Ａ））。この離散光スペクトルの帯域（２ｆｍ）の中心周波数をｆｃ、また各モードの位相をθｎ（ｎ＝０，１，２，…）とする。今、簡単のために、モード間隔は等間隔（Δｆ）とする。
【００２５】
この各モードの位相がθｎである離散光スペクトルから構成される時間波形に対し、変調器１０３により、周波数Ωで振幅変調または位相変調を行う。このとき離散光スペクトルは、周波数軸上で中心周波数ｆｃに対し±Ωの位置に上下側波帯として偏移する（図２の（Ｂ））。
【００２６】
周波数偏移量ΩがΩ＜２ｆｍとすると、ｆｃを中心とする離散光スペクトルは、±Ωだけ偏移した離散光スペクトルと重なりあう（図２の（Ｃ））。特に、Ω＝ｎ×Δｆとした場合、各離散光スペクトルの各モードは重なりうる。今、周波数νの位置で複数のモードが重なり合う場合を考える。重なり合う各モードの振幅をＡｍ、位相をθｍ（ｍ=１、２，…）とすると、各モードの電界Ｅｍは、βｍ＝Ａｍ×ｅｘｐ{ｊ（θｍ）}とすると次式で与えられる。
【００２７】
【数１】
Ｅｍ（ｔ）＝βｍ×ｅｘｐ（ｊ２πνｔ）        （1）
【００２８】
Ｅｍ（ｔ）は、その実部を横軸、虚部を縦軸にとると、複素平面上（振幅位相図）での二次元ベクトルとみなすことができる。周波数νでの重なりは、複素平面における各モードの二次元ベクトルの合成として与えられる（図２の（Ｄ）：簡単のため、周波数νにおいて重なり合うモード数が２つの場合の合成例を示している）。各モードの位相θｍがランダムに変動している場合、合成波は複素平面上をランダムに動き回り、合成波の位相と振幅は不安定である。
【００２９】
一方、各モードの位相に相関がある場合の合成波について考える。例えば、各モードの位相θｍが同位相（θｍ＝θ０）の場合の合成波は振幅のみの足し算により得られ(図２の（Ｅ）)、合成波の振幅は常に一定となる。このように、安定した出力を得るためには、各モードの位相に一定の相関を与える必要がある。
【００３０】
［基本構成：その２］
本発明に係る第２の態様では、上記の第１の工程において、繰り返しパルス光を出力するパルス光源または光パルス出力回路を用いる。
【００３１】
図３は、本発明に係る第２の態様の特殊例としての光スペクトル平坦化装置の構成を示す。この装置は、パルス幅（もしくは半値全幅（full-width at half maximum））ｔ０の光パルスをパルス繰り返し周波数（pulse recurrence frequency）Δｆ（ｔ０≪（１／Δｆ））で出力するパルス光源または光パルス発生回路１１２と、パルス光源または光パルス発生回路１１２を駆動する発振器１１１と、パルス光のパルス幅（もしくは半値全幅）を伸張するパルス伸張器１１３からなる第１の構成部分、および、第２の構成部分で構成される。上記の第１の工程は第１の構成部分を用いて実施される。第２の構成部分を用いて、次の第２の工程が実施される。つまり、変調器１１４は、伸張された光パルスを変調周波数Ωで振幅変調もしくは位相変調する。変調器１１４は発振器１１１と同期する。
【００３２】
（基本的な作用）
本発明の上記態様は、そのパルス幅（もしくは半値全幅）ｔ０とパルス繰り返し周波数Δｆがｔ０≪（１／Δｆ）なる関係を満足する光パルスに対する光スペクトル平坦化手法を提供する。その繰り返し周期１／Δｆに比べてそのパルス幅（もしくは半値全幅）が非常に小さな光パルスに対しこの手法を用いる場合、第２の工程で十分に変調をかけるためには、当該光パルスの周波数よりも高速の変調周波数が要求される。このため、第２の工程の前で、光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）を伸張しておくことで、光パルスのパルス繰り返し周波数とほぼ変わらない変調周波数で、上記第１の態様の第２の工程による効果と同程度の効果が得えられる。この第２の態様は、特に光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）が数ピコ秒以下であるような広帯域なスペクトルをもつ繰り返し光パルスに対して有効である。
【００３３】
［基本構成：その３］
図４は本発明に係る第２の態様の変形による利得飽和媒質を利用した光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成例を示す。この装置は、パルス繰り返し周波数Δｆで光パルスを出力するパルス光源または光パルス発生回路１１２と、パルス光源または光パルス発生回路１１２を駆動する発振器１１１と、パルス光源または光パルス発生回路１１２から出力される光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）を伸張する分散媒質（dispersive medium）１２３と、分散媒質１２３から出力される光パルスのピークパワーに対して飽和出力を与える利得飽和媒質（gain saturated medium）１２４とから構成される。
【００３４】
次に、本発明のさらに具体的な実施形態を詳細に説明する。
【００３５】
［第１の実施形態］
図５に、本発明に係る第１の実施形態の光スペクトル平坦化方法を実施するための装置の構成を示す。この光スペクトル平坦化装置を用いて、各モードの位相に一定の相関を付与した離散光スペクトルを発生する工程と、離散光スペクトルを周波数軸上で偏移させる工程を実施できる。当該発生する工程は、単一周波数ｆcの連続光を出力するＣＷ（連続波、持続波）光源２０１と、発振器２０２から出力される周波数Δｆの正弦波信号で駆動される振幅変調器２０３とを用いて実施される。当該偏移させる工程は、発振器２０２と同期した振幅変調器２０４を用いて実施される。
【００３６】
ここで、本明細書中で使用する物理パラメータを次のように定める。
Δｆ：単一波長光源から出力した連続光の振幅または位相を変調する繰り返し周波
数、および、パルス光の繰り返し周波数（＝離散スペクトルのモード間隔）Ω：離散スペクトルを周波数軸上で偏移させる工程に用いる変調周波数
ｆｃ：上記単一波長光源の中心周波数
２ｆｍ：第１の工程で得られる離散スペクトル帯域
また、フーリエ変換および逆変換は次式で定義されるものとする。
【００３７】
【数２】
0003730884.tif 000002
【００３８】
ＣＷ光源２０１からの出力光を
【００３９】
【数３】
f(t)=Acos(２πfcｔ＋φ)                                （4）
【００４０】
とする。ここで、（２πfc＝ωc）は搬送角周波数、φは初期位相である。
【００４１】
この連続光出力が振幅変調器２０３により変調周波数Δｆで振幅変調を受けると、振幅変調器２０３の出力は次式で表される。
【００４２】
【数４】
fam(t)=A{1＋cos(２πΔｆt)} cos(２πfct＋φ）        （5）
【００４３】
変調波のスペクトルFam(ｆ)は次式で表され、搬送周波数ｆｃから±Δｆだけ離れた位置に上下側波帯が形成される。
【００４４】
【数５】
0003730884.tif 000003
【００４５】
ここで、δ（ｘ）はデルタ関数である。このとき、側波帯の各モードは、振幅変調器２０３が発振器２０２と同期しているため搬送波と同位相となり、各モード間の位相には相関が与えられる。
【００４６】
さらに、振幅変調器２０４による振幅波形は、変調周波数Ω＝Δｆとすれば、次式で表される。
【００４７】
【数６】
gam(t)=cos(２πΔｆt)                                （7）
【００４８】
したがって、振幅変調器２０４の最終的な出力は次式で表される。
【００４９】
【数７】
fout(t)=fam(t)×gam(t)                                （8）
【００５０】
このときのスペクトルF(ｆ)は、fam(t)，gam(t)のスペクトルをそれぞれFam(ｆ)，Gam(ｆ)とすると、畳み込み [Fam(ｆ)＊Gam(ｆ)]で与えられ、次式が成り立つ。
【００５１】
【数８】
0003730884.tif 000004
【００５２】
このように振幅変調することで、＋Δｆだけ偏移した離散光スペクトルと−Δｆだけ偏移した離散光スペクトルの各モードはｆｃ、ｆｃ±Δｆ、ｆｃ±２Δｆにおいて重なり合うため、上式（９）と式（６）の比較から明らかな通り、各モードのレベル偏差を抑えた光スペクトルを出力することができる。
【００５３】
［第２の実施形態］
図７に本発明に係る第２の実施形態の光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示す。この光スペクトル平坦化装置は、離散光スペクトルを偏移させる手段として、図５の振幅変調器２０４の代わりに、発振器２０２に同期した位相変調器２１４を備える。この位相変調器２１４は、位相変調において変調指数を変えることで、周波数偏移量を可変できる。つまり、位相変調周波数よりも大きな周波数偏移量を与えることができる。その他の構成は、図５の第１の実施形態と同様である。
【００５４】
本実施形態の構成によって出力光スペクトルの平坦化が可能なことを、図６を参照して説明する。
【００５５】
図６の（Ａ）は、振幅変調器２０３によってＣＷ光源２０１からの中心周波数ｆｃの光キャリアを振幅変調したときの光スペクトルを示している。このときのスペクトル帯域を２ｆｍとする。図６の（Ｂ）は、ＣＷ光を位相変調器２１４に入射して繰り返し周波数Ω（＝Δｆ）で位相変調を行なったときの出力の光スペクトルを示している。このとき、位相変調器２１４の変調指数は、周波数偏移量２Ω（＝２Δｆ）となるように設定されているとする。
【００５６】
図７の構成による出力光スペクトルは、図６の（Ａ）のスペクトルと同（Ｂ）のスペクトルの畳み込みで表される。Ω＞２ｆｍならば、偏移したスペクトル間での重なりは生じないため、出力光スペクトルは（Ｃ）で示すように平坦には成らない。２ｆｍ＞Ωならば、偏移したスペクトル間で重なりが生じるため、出力光スペクトルは、例えばΩ＝Δｆ（＜２ｆｍ）の場合について（Ｃ）で示すように平坦化される。
【００５７】
［第３の実施形態］
図８に本発明に係る第３の実施形態の光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示す。この光スペクトル平坦化装置では、各モードの位相が一定の相関をもつ離散光スペクトルを発生させる手段がＣＷ光源２０１と位相変調器２３３から構成され、また離散光スペクトルを周波数軸上で偏移させる手段が発振器２０２と同期した振幅変調器２０４から構成される。
【００５８】
［第４の実施形態］
図９に本発明に係る第４の実施形態の光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示す。この光スペクトル平坦化装置では、離散光スペクトルを周波数軸上で偏移させる手段が、発振器２０２と同期した位相変調器から構成される。その他の構成は図８の第３の実施形態と同様である。
【００５９】
［第５の実施形態］
図１０に本発明に係る第５の実施形態の光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示す。この光スペクトル平坦化装置は、離散光スペクトルの偏移量を制御する手段として、発振器２０２から出力される駆動信号の周波数を逓倍（または分周）させる逓倍器（または分周器）２４３を有する。変調器２４５は、逓倍器（または分周器）２４３からの逓倍（または分周）周波数に応じて、離散光スペクトルを偏移させる偏移量を制御する。
【００６０】
各モードの位相が一定の相関をもつ離散光スペクトルを発生させる手段である前段の変調器２４４は、図５、図７の振幅変調器２０３、または図８、図９の位相変調器２２３、２３３であり、離散光スペクトルを偏移させる手段を構成する後段の変調器２４５は、図５、図８の振幅変調器２０４または図７の位相変調器２１４である。
【００６１】
［第６の実施形態］
本発明に係る第６の実施形態の光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を図１１に示す。この光スペクトル平坦化装置は、離散光スペクトルの偏移量を制御する手段として、位相変調の変調指数を変える位相変調器２１４を有する。この位相変調器２１４により、変調指数がある一定以上である広帯域位相変調では、高次の側波帯が発生し、より大きな偏移量が得られる。その他の構成は図８の第３の実施形態と同様である。
【００６２】
［第７の実施形態］
本発明に係る第７の実施形態の光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を図１２に示す。この光スペクトル平坦化装置は、離散光スペクトルの各モードのレベル偏差を制御する手段として、発振器２０２からの駆動信号の位相を制御する位相調整器２５５を有することを特徴とする。位相調整器２５５で位相制御された駆動信号が振幅変調器２０４に与えられる。その他の構成は図８の第３の実施形態と同様である。
【００６３】
具体例として、連続光の位相変調により各モード間の位相に一定の相関が付与された離散光スペクトルに対して、振幅変調による離散光スペクトルの偏移の場合を説明する。今、発振器２０２からの駆動信号を簡単のため正弦波とし、振幅変調器２０４に与える正弦波の位相を位相調整器２５５により制御する。このとき、位相変調器２０４への駆動信号に対して、θだけ位相を進めて振幅変調を与えるものとする。位相変調器２２３からの出力波形は次式で与えられる。
【００６４】
【数９】
fpm(t)=cos(２πｆｃt＋ｍcos２πΔｆt）                  （10）
【００６５】
ここで、ｆｃは搬送周波数、Δｆは変調周波数、ｍは変調指数を表す。
【００６６】
また、振幅変調器２０４からの時間波形は次式で与えられる。
【００６７】
【数１０】
m(t)=A(1＋cos(２πΔｆt＋θ))                          （11）
【００６８】
従って、最終的な出力は次式で与えられる。
【００６９】
【数１１】
f(t)=fpm(t)×fam(t)                        （12）
【００７０】
このときのスペクトルF(ｆ)は、fpm(t)，fam(t)のスペクトルをそれぞれFpm(ｆ）、Fam(ｆ）とすると次式で与えられる。
【００７１】
【数１２】
F(ｆ)=[Fpm(ｆ)＊Fam(ｆ)]                    （13）
【００７２】
ここで、＊は畳み込みを表す。
【００７３】
【数１３】
0003730884.tif 000005
【００７４】
ここで、Σは、ｎ＝０，±１，±２，±３…±∽についての和を表わす。また、Ｊn（m）はｎ次のベッセル関数である。
【００７５】
簡単の為に、ｍ≪１であるような狭帯域変調の場合、|n|=3以上は無視できるものとする。このときの各モードの振幅を示す。
【００７６】
【数１４】
0003730884.tif 000006
【００７７】
このように、各モードの振幅は、図１３に示すように、位相シフト量θに依存する。
【００７８】
ここで、θの値を位相調整器２５５により変えることで、各モード間のレベル偏差を制御することができ、θ＝0、π／2、−π／2の場合を図１４に示す。
【００７９】
本実施形態では、離散光スペクトルの各モード間の位相に一定の相関を与える手段として位相変調器２２３を、スペクトルを偏移する手段として振幅変調器２０４を例示したが、離散光スペクトルを発生させる手段として振幅変調器を用い、スペクトルを偏移する手段として位相変調器を用いる逆の構成をしても、上記と同様にモード間のレベル偏差制御を行うことが可能である。
【００８０】
［第８の実施形態］
本発明に係る第８の実施形態であるスペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を図１５に示す。この光スペクトル平坦化装置は、発振器３０１から出力する周波数Δｆの正弦波信号で駆動される中心周波数がｆｃの繰り返しパルス光源３０２と、発振器３０１に同期して振幅もしくは位相変調を与える変調器３０３とから構成されている。一般にあるパルス繰り返し周波数Δｆで出力される光パルス列は、各モードの位相間に一定の相関を持ったモード間隔Δｆの離散光スペクトルを持つ。繰り返しパルス光源３０２からの中心周波数ｆｃの光パルスに、変調器３０３により周波数Ω（図中ではΩ＝Δｆ）で変調を与えることで、変調により生じた側波帯にスペクトルをシフトし、その結果、上下側波帯に移動した各スペクトル同士が重なることで、スペクトル形状を平坦とすることができる。
【００８１】
いま、光パルスの包落線の時間変化が、光の周期に比べて十分緩やかであるとすると、光パルスの電界振幅Ｅ（ｚ，ｔ）は次式で与えられる。
【００８２】
【数１５】
E（ｚ，ｔ）＝Re｛U（ｚ，ｔ）exp−i(２πfct＋θo)｝           （16）
【００８３】
光パルスの包絡線は次式で与えられる。
【００８４】
【数１６】
U（ｚ，ｔ）＝|U（ｚ，ｔ）|exp{−iθ（ｚ，ｔ）｝              （17）
【００８５】
ここで、ｆｃは中心周波数、θｏは初期位相である。
【００８６】
まず、前述の第２の工程を行う手段として、振幅変調を考える。このとき、θ（ｚ，ｔ）＝θ’（定数）とする。周波数Ωの正弦波信号ｖ（ｔ）＝ｃｏｓ（２πΩｔ）により変調指数ｍの振幅変調を行なうと、振幅変調波Ｍ（ｔ）は次式で与えられる。
【００８７】
【数１７】
0003730884.tif 000007
【００８８】
このとき、周波数移動定理により側波帯（ｆｃ±Ω）にスペクトルは偏移する。ここで、光パルスのスペクトルのスペクトル幅を２ｆｍとすると、偏移したスペクトルが重なり合うためには、次式の関係を満足しなければならない。
【００８９】
【数１８】
Ω＜２ｆｍ                                          （19）
【００９０】
この条件を満足するとき、シフトしたスペクトル同士が重なりあい、光スペクトルの形状を広帯域かつ平坦にすることが可能となる。
【００９１】
また、パルス繰り返し周波数Δｆの光パルスのスペクトルには、Δｆの間隔でモード発振しているため、各モードが重なり合うためには、ΩはΔｆと等しいか、もしくは、Δｆの逓倍である必要がある。
【００９２】
【数１９】
Ω＝ｎ×Δｆ（ｎ：自然数）                            （20）
【００９３】
この条件は、パルス光源または光パルス発生回路３０２を駆動する発振器と変調器３０３を駆動する発振器とで同期をとり、必要ならば逓倍器（図示しない）により変調器３０３への駆動信号を逓倍することで達成できる。
【００９４】
変調器３０３として位相（周波数）変調器を用いた場合について以下に説明する。上記と同様に、周波数Ω（＝Δｆ）の正弦波信号ｖ（ｔ）＝ｃｏｓ（２πΔｆｔ）により変調指数ｍの位相変調を行なうと、位相変調波Ｍｐｍ（ｔ）は次式で与えられる。
【００９５】
【数２０】
0003730884.tif 000008
【００９６】
上式（２１）により、位相変調においては、ｆｃ±ｎΔｆの位置に、大きさＪｎ（ｍ）の上下側波帯が無限に生じることが分かる。このとき、指数ｍに応じて（ｍが大きいほど偏移量が大）、上下側波帯に光パルスのスペクトルが偏移するため、結果として得られるスペクトルは、上下側波帯の位置にシフトしたスペクトルを重ね合わせたものになる。ここでは、Ω＝Δｆの場合を示したが、光パルスのスペクトルはΔｆの間隔でモード発振していることから、各モードが重なり合うためには、式（２０）と同様にΩ＝ｎ×Δｆである必要がある。また、光パルスのスペクトル幅を２ｆｍとすると、偏移したスペクトルが重なるには第２の実施形態と同様に２ｆｍ＜Ωであることも必要である。
【００９７】
以上のように、パルス繰り返し周波数Δｆのパルス光の振幅、位相を、Ω＝ｎ×Δｆの周波数で変調を行なうことで、変調により生じた側波帯にスペクトルを偏移し、光スペクトルを重ね合わせることにより、広帯域化、平坦化が可能となる。
【００９８】
本実施形態での上記の操作は、パルス光源３０２から繰り返しパルスの生成により各モードの位相に一定の相関を与えた離散モードを発生させ、変調器３０３での変調操作により、その各縦モードを変調周波数や変調周波数に応じて偏移させて重ね合せることで、各モードのパワーレベル偏差を制御できる。
【００９９】
［第９の実施形態］
本発明に係る第９の実施形態であるスペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を図１６に示す。この光スペクトル平坦化装置は、発振器３０１から与えられる周波数Δｆで光パルスを出力するパルス光源３０２と、パルス光源３０２から出力した光パルスを伸張させるパルス伸張器３１４と、パルス伸張器３１４から出力した光パルスに対して、逓倍器３１３により出力した逓倍周波数で変調する振幅変調器３１５とから構成されている。パルス伸張器３１４として、例えば、シングルモードファイバ等の分散媒質、あるいは分散性を有する光機能回路等を用いることができる。
【０１００】
前述の第８の実施形態での光スペクトル平坦化装置では繰り返し短光パルス、特に繰り返しが１０ＧＨｚでパルス幅が数１０ｐｓｅｃ程度の短光パルス（すなわちそのスペクトルが広帯域）に対して、上記の第２の工程の操作を行うためには、変調周波数に、約１ＴＨｚ（パルス繰り返し周波数の１００倍）以上の帯域が必要となる。このように、パルス幅ｔ０と、パルス繰り返し周波数Δｆの間にｔ０≪（１／Δｆ）の関係にあるとき、現状の電気回路の変調帯域は、数１０ＧＨｚであるため、上記の第２の工程の操作を行うのは技術的に多くの課題がある。これに対し、本実施形態の光スペクトル平坦化装置では、第１の工程において光パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）を伸張させる手段を与えることで、第２の工程における変調周波数を低減化できる。このとき、パルス繰り返し周波数Δｆと変調周波数Ωの間には、Δｆ≦Ωの関係が必要である。
【０１０１】
特に、パルス伸張器３１４のパルス幅を伸張する媒質として、シングルモードファイバ等の分散媒質を用いることで、光パルスに線形チャープが付与されパルス幅は伸張する。
【０１０２】
今、繰り返しパルス光源３０２からの出力した光パルスの時間分解分光像を図１７に示す。この光パルスをパルス伸張器３１４の分散媒質に通すことで、図１８に示すように、光パルスへ線形チャープが付与され、パルスのパルス幅（もしくは半値全幅）が拡がる。
【０１０３】
パルス伸張器３１４の分散媒質を透過後の光パルスに対して、発振器３０１から出力されるパルス繰り返し周波数Δｆの正弦波電気信号を逓倍器３１３により逓倍化した周波数ｎ×Δｆの電気信号により振幅変調器３１５を駆動し、線形チャープを受けた光パルスに振幅変調器３１５により振幅変化を与える。このとき、図１９に示すように、光パルスの時間波形に振幅変調を与えることができる。
【０１０４】
また、発振器３０１から出力される信号波形の形状、変調指数、位相を変えることで、モード間のパワーレベル偏差を抑制することができる。
【０１０５】
［第１０の実施形態］
本発明に係る第１０の実施形態であるスペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を図２０に示す。この光スペクトル平坦化装置は、上記の第９の実施形態における形状操作した光スペクトルに振幅変化を与える振幅変調器３１５を光増幅器３２５で置き換えたものであり、これ以外の構成要素については、図１５の構成と同様である。
【０１０６】
本実施形態での光スペクトル形状操作方法においても、上述した第９の実施形態の光スペクトル形状操作方法と同様に、光増幅器３２５により時間軸上での振幅変化を与えることで、スペクトル形状操作を行うことができる。
【０１０７】
また、本実施形態では、振幅変化を与える手段として光増幅器３２５を用いたので、パルスのエネルギー損失を抑えて、光スペクトルを平坦化することができる。
【０１０８】
さらに詳述すると、本実施形態の光スペクトル形状操作方法では、パルス伸張器３１４の線形媒質の透過により生じたチャープパルスを飽和領域にある光増幅器３２５へ入力する。飽和領域にある光増幅器３２５は、図２１に示すように、低いパワーに対して大きな利得を与え、高いパワーに対しては小さな利得を与える。このため、図２２の左側に示すように、チャープパルスの時間波形の立ち上がりと立下りでは利得が大きく、パルスの中心付近では利得が小さい。これより、図２２の右側に示すように、光パルス波形は矩形状となり、光スペクトルは平坦となる。
【０１０９】
このように、本実施形態によれば、チャープパルスの時間波形操作の際にパルスのパワーの損失を抑え、光スペクトルの平坦化が可能となる。特に、パルス伸張器３１４として飽和出力を与える媒質を用い、光増幅器３２５の利得飽和領域へ光パルスを入力することで、パルスパワーの損失の少ない、光スペクトル平坦化装置が構成できる。
【０１１０】
なお、パルス光源３０２、あるいは光パルス出力回路として、代表的なものに半導体型もしくはファイバリング型の能動型／受動型モードロックレーザが利用できる。
【０１１１】
［第１１の実施形態］
本発明に係る第１１の実施形態であるスペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を図２３に示す。この光スペクトル平坦化装置では、分散媒質３３４で伸張したパルスに振幅変調を与える手段において位相調整器３３３を用いることで、発振器３０１から出力した変調信号の位相をシフトすることができる。位相をシフトした駆動信号を振幅変調器３１５に与えることにより、振幅変調器３１５において位相シフト量に応じて、変調後の光スペクトルの平坦度を調節することができる。
【０１１２】
［全体の処理の流れ］
図２４のフローチャートは、上述した本発明の各実施形態に係わるパワーレベル偏差抑制方法を総括的に示す。
【０１１３】
まず、ステップＳ１では連続光へ変調周波数Δｆで変調（振幅しくは位相）することで、各モード間の位相に一定の相関を与えた離散光スペクトルを出力する。続いて、ステップＳ５に進む。
【０１１４】
一方、ステップＳ２は、パルス繰り返し周波数Δｆのパルス光源を用いることで、各モード間の位相に一定の相関を持たせた離散光スペクトルを出力する。ここで、光パルスのパルス幅（半値全幅）ｔ０に対して、ｔ０≪（１／Δｆ）であるか否かを判断して、肯定判断ならば次のステップＳ３で、パルス幅を伸張する手段をとりステップＳ４へ進む。また、否定判断ならば直ちにステップＳ５に進む。本発明は、ステップＳ１とＳ２のいずれを用いてもよい。
【０１１５】
ステップＳ４では、上記離散光スペクトルを変調周波数Ωで変調（振幅もしくは位相）することで、上記離散光スペクトルを上下側波帯へ偏移する。次にステップＳ５に進む。
【０１１６】
ステップＳ５は、各モード間のレベル偏差を抑制する工程であり、次の処理を行う。
（１）変調周波数を逓倍若しくは分周化する。
（２）変調指数を変える。
（３）変調信号の位相（タイミング）をシフトする。
【０１１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、離散光スペクトルの各モードの位相に一定の相関を与え、離散光スペクトルを周波数軸上で偏移させ、その偏移量を制御するようにしたので、構成が簡単かつ、低コストで、離散光スペクトルにおける各モード間のパワーレベル偏差の制御（抑制）が可能である。
【０１１８】
特に、本発明に係る第１の態様によれば、発振器から出力したある一定の周波数ｆｃで連続光を出力するＣＷ光源と、このＣＷ光源からの連続光に対して周波数Δｆで変調することで、ｆｃ±ｎΔｆに各モード間の位相に相関が生じた上下側波帯が生じる。この変調波に対して、再び周波数Ωで振幅もしくは位相変調を与えることで、離散光スペクトルを上下側波帯の位置に偏移する。このとき、光スペクトルのスペクトル幅を２ｆｍとすると、Ω＜２ｆｍのとき光スペクトルの各モードが重なりあい、その結果、各モードのパワーレベル偏差を抑制することができる。
【０１１９】
また、本発明に係る第２の態様によれば、離散光スペクトルの各モードの位相に一定の相関を与える手段として繰り返しパルス光源を用いる。このとき、出力される光パルス列のパルス繰り返し周波数Δｆとパルス幅（または半値全幅）ｔ０との間にｔ０≪（１／Δｆ）の関係があるとき、パルス幅を伸張した後、振幅もしくは位相変調により上下側波帯に離散光スペクトルを偏移することができる。上記の操作は、パルス幅が１ｐｓ程度以下の超短光パルスに対して、変調周波数を相対的に低減化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の態様による光スペクトル平坦化方法を実現する装置の基本構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第１の態様における変調による周波数偏移を原理とする光スペクトル平坦化の様子を示す特性図である。
【図３】本発明の第２の態様によるパルス伸張による変調帯域の低減を図った光スペクトル平坦化装置の基本構成を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の態様の変形による利得飽和媒質を利用した光スペクトル平坦化装置の基本構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施形態における光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図６】本発明の第１の実施形態における位相変調による光スペクトルシフトを原理とする光スペクトル平坦化の様子を示す特性図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図８】本発明の第３の実施形態における光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図９】本発明の第４の実施形態における光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図１０】本発明の第５の実施形態における光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図１１】本発明の第６の実施形態における光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の第７の実施形態における光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第７の実施形態における位相シフト量に対する各モードの振幅の関係を示すグラフである。
【図１４】本発明の第７の実施形態における位相シフト量に伴う離散光スペクトルの変化を示す特性図である。
【図１５】本発明の第８の実施形態におけるパルス光源を用いた光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図１６】本発明の第９の実施形態におけるパルス伸張による光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図１７】本発明の第９の実施形態における光パルスの時間分解光像の状態を示す波形図である。
【図１８】本発明の第９の実施形態における線形チャープを受けた光パルスの状態を示す波形図である。
【図１９】本発明の第９の実施形態における振幅変調によるスペクトル形状操作を説明する波形図である。
【図２０】本発明の第１０の実施形態における飽和利得媒質を用いた光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図２１】本発明の第１０の実施形態における飽和領域での光パルスに対する利得を示す特性図である。
【図２２】本発明の第１０の実施形態における飽和領域での増幅過程を利用した光パルスの矩形化を示す特性図である。
【図２３】本発明の第１１の実施形態における光スペクトル平坦化方法を実現する装置の構成を示すブロック図である。
【図２４】本発明の各実施形態に係わるパワーレベル偏差抑制方法を総括的に示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０１  連続光光源
１０２  変調器
１０３  変調器
１１１  発振器
１１２  光パルス光源
１１３  パルス伸張器
１１４  変調器
１２３  分散媒質
１２４  利得飽和媒質
２０１  ＣＷ光源（連続光光源）
２０２  発振器
２０３  振幅変調器
２０４  変調器
２１４  位相変調器
２２３  位相変調器
２４３  逓倍器／分周器
２４４  変調器
２４５  変調器
２５５  位相調整器
３０１  発振器
３０２  光パルス光源
３０３  変調器
３１３  逓倍器
３１４  パルス伸張器
３１５  振幅変調器
３２５  光増幅器
３３３  位相調節器
３３４  分散媒質
【図１】
0003730884.tif 000009
【図２】
0003730884.tif 000010
【図３】
0003730884.tif 000011
【図４】
0003730884.tif 000012
【図５】
0003730884.tif 000013
【図６】
0003730884.tif 000014
【図７】
0003730884.tif 000015
【図８】
0003730884.tif 000016
【図９】
0003730884.tif 000017
【図１０】
0003730884.tif 000018
【図１１】
0003730884.tif 000019
【図１２】
0003730884.tif 000020
【図１３】
0003730884.tif 000021
【図１４】
0003730884.tif 000022
【図１５】
0003730884.tif 000023
【図１６】
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【図１７】
0003730884.tif 000025
【図１８】
0003730884.tif 000026
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
0003730884.tif 000029
【図２２】
0003730884.tif 000030
【図２３】
0003730884.tif 000031
【図２４】
0003730884.tif 000032