光ファイバ通信におけるパルスのクロック安定化

電子･光システム工学科
1010315
中野純史

目次
第 １章
背景
1-1 通信ネットワークの歴史
1-2 光パルス発振の種類
1-2-1 自己パルス発振
1-2-2 利得スイッチング
1-2-3 モード同期

3
6
6
7
8

第 ２章
研究の目的
2-1 研究の目的
2-2 研究の概要

11
11

第 ３章
3-1
3-2
3-3
3-4

実験
使 用 した LD の静特性
光パルス発生とジッタの確認
光パルスのフィードバック考察
3-4-1 ジッタを含む光パルス幅の真値
3-4-2 フィードバックによる効果

12
13
22
26
26
27

第 ４章

結論
まとめ

29

参考文献・謝辞

30

2

第 1章

背景

【1-1】 通信ネットワークの歴史
通信ネットワークを用いた最初の電気通信のサービスは電信であり，1835 年 にMorse （アメリカ）によって発 明 され た電 信機が発端である。また 1901 年 に Marconi（イタリア）による大西洋横断無線電信の成功などにより更なる発展を遂げている。
日本では 1869 年に電報のサービスが開始され ，電信の公衆網としては電 報 網 と加入 電 信 網 が あ る。
電信に次いで現れた電気通信のサービスは電話であり，1876 年 に Bell（アメリカ）
によって発明された電話機が発端である。その後，1889 年 に Strowger （アメリカ）
が
自 動 交 換 機 を発 明 ，1900 年 に Pupin（アメリカ）が装荷ケーブルを発明，1906 年 にde Forest （アメリカ）が三極真空管を発明，1927 年 に Black（アメリカ）が負帰還増幅器を発明された。これ らの発明による電話通信のための要素となる技術の発展によって，多 重 通 信 か つ 遠 距 離 通 信 を可 能 とする電話網が完成された。
電 話 は 電 報 と異なり，相手側と直接音声による対話ができる通信であり，比較的簡単な通信端末（
黒 電 話 機 ）などで豊富な情報を送信することができるなど利便性が高いとして，急 速 な普 及 と発 達 をみせ情報通信の世界において長い主役を演じてきている。日本では 1890 年に最初の電話サービスが始まり，その後 も発展拡大を遂げて，現 在 では 6000 万 回 線 を越 える巨大なネットワークへと成長している。
このような固定電話網とは別に，回 線 切 り替 え制 御 技 術 と追跡交換技術の進歩によって，近年では広範囲の移動体アクセスが可能となっている。日 本 では 1979 年
か ら自 動 車 電 話 としてアナログサービスが開始 され ，現在ではディジタル携帯電話として発展し本格的なパーソナル通信の時代となっている。限 られ た周波数帯域の中 での無線アクセス網はユーザ数の拡大により，アンテナ基地局の増加とカバーエ
リアの微細化が進んでいる。
ネットワークを構 成 している要素の技術として，伝 送 技 術 や 交 換 技 術 も部品やシステム技術の進歩と共に変貌を遂げてきた。最 近 では公衆網ユーザトラフィックの主流が音声からデータ通信にとって替わり 1 ユーザ当りの送信データはますます増3大 している。また，インターネット利 用 も生活の中に浸透し，アクセス件 数 自 体 も爆発 的 に 増 加 している。
これを支えるバックボーンネットワークに期待する処理能力，コストは従来技術の延
長 上 の 改 善 に とどまることを許 さない。
電気信号の符号化で，伝送技術においては 1937 年 に Reeves （フランス）によってPCM 方 式 （ディジタル伝 送 技 術 ）が発明され，1948 年 に Shockley（アメリカ）などによって発明されたトランジスタによりディジタル伝送技術の実用性が確実視され るようになり，1965 年 頃 か ら先 進 各 国 で相次いでディジタル伝送システムが誕生した。
そ の 後 ，IC ，LSI と続 く半 導 体 技 術 の 進 歩 に より，伝 送 技 術 は 長 い 伝 統 を 持 つSSB- A M 方式による周波数分割多重（FDM）のアナログ伝送から，PCM 方式による 時 分 割 多 重 （TDM）のディジタル 伝 送 へ と大 きく流 れ が 変 わ った。
また，1970 年 に伝送損失 20dB/km の低損失光ファイバの実現（アメリカ）
や半導体 レーザの常温 発 振 の 成 功 （アメリカ）などの成果によって，光 ファイバによる伝送システムの実用化の研究が推進されることとなり，1980 年頃に世界で最初の光ファ
イバ伝送システムが誕生した。その後 ，光 ファイバと半導体レーザの急速な進歩により，優れた特性を持つ種々の光伝送システムが開発され，伝送技術は長い伝統を持つ銅線ケーブルによる伝送から光 ファイバケーブルによる伝送へと変革した。この ようにして，現 在 の ほ とんどの有線伝送システムでは，光 ファイバへの多数信号
フレームの多重伝送を前提とした SDH 伝送方式によりディジタル 信 号 を光 ファイバ
ケーブルに通して伝送する技術が使用されている。
通 信 処 理 の 分 野 で は ，回線交換機内部の制御方式において，1945 年 に von
Neumann （アメリカ）による新しい蓄積プログラム制御方式（
SPC ）が採用され，現在の ようなコンピュータ制御 を中 心 としたディジタル信号処理の基本概念として発展してきた。
それに伴い，交換機を構成する部品においても変 革 が 起 こり，それまで長く続いてきた電磁部品による物理配線交換機を電子化する研究が進められて，1971 年 に
電 子 制 御 型 交 換 機 が 実 用 化 された。
また，伝送路の装置においても PCM 方式導入によるディジタル交換機の研究が進められ，その後 LSI 技術の進歩も相 まって 1982 年にディジタル交換機の実用化

4

がなされた。
このように，現在の通信システムは電子制御型のディジタル交 換 機 と超 大 容 量
SDH ディジタル 伝 送 方 式 （Sonet:アメリカ）が 主 流 となっている。
超 高 速 光 通 信 では ，ディジタル信号を光ファイバ中に多重して超大容量の伝送を可能にするが，その際に信号キャリアとなる光パルスには高繰り返 し，短パルス時
間 幅 ，高 タイミング安 定 度 が 要 求 され る。
1835
1864
1869
1876
1888
1889
1890
1900
1901
1906
1927
1932
1937
1945
1948
1960
1965
1970
1973
1979
1980
1982
1988
1995
1996

電信機の発明電磁波の存在を理論的に指摘
公衆電信サービス開始
電話機の発明電磁波の存在を実証
自動交換機の発明
公衆電話サービス開始
装荷ケーブルの発明
大西洋横断無線電信に成功
三極真空管を発明
負帰還増幅器を発明
無装荷搬送方式の提唱
PCMの発明蓄積プログラム形電子計算機の提案
トランジスタの発明
ルビーレーザの発振に成功
PCM伝送方式の実用化
半導体レーザの常温発振に成功
低損失光ファイバの試作に成功
トンネルダイオードの発明
公衆データ通信網サービス開始
自動車電話サービス開始
光ファイバ伝送方式実用化
ディジタル交換機実用化
ISDNサービス開始
FA-10G方式開発（O-TDM）
WDM光多重システム実用化（
Sonet）〔表 1〕通 信 技 術 の 発 展

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Morse
Maxwell
日本
Bell
Herz
Strowger日本
Pupin
Marconide ForestBlack
松前
Reevesvon Neumann
Shockleyほか
Maiman
日本
アメリカ
アメリカ
江崎
日本
日本
日本
日本
先進諸国
日本
アメリカ

【1-2】 光パルス発振の種類
パ ル ス信 号 の 時 間 波 形 と周波数スペクトル は 理 想 的 な場 合 フーリエ変換の関係にあり，短いパルスを得るためにはパルス幅に反比例して広いスペクトル幅を必要とする。半 導 体 レーザは広い利得帯域をもっているので原理的に超短光パルス発生に適しており，比 較 的 簡 単 な方法でピコ秒（
ps ）オーダの短光パルスを発生することができる。その 発 生 法 は 以 下 に 述 べ る 3 つが代表的手法である。

【1-2-1】 自己パルス発振
キャリア密 度 N と光 子 密 度 S のレート方 程 式

N:キャリア密度，S:光 子 密 度 ，J:注 入 電 流 密 度 ，G:利 得 係 数
C s :光 子 の 割 合 ，τ p h :光 子 の 寿 命 ，τ s :光 子 の 自 然 放 出
q:電 荷 素 量 ，d:活 性 層 厚 ，Γ :光波モードの活性層への閉じ込め係数〔式 1.1〕
レーザ発振はレート方 程 式 か ら解 析 される。
半導体レーザにステップ電流を印加したときの発振においてキャリアと光子の密度は発 振 直 後 より振 動 周 波 数 Ω と減 衰 定 数Γ の 緩 和 振 動 を起 こしなが ら一 定 の値に収束していく。通 常 ，利得飽和係数 G は負の値であるのでΓは正の値である
が ，G が正であればΓは負の値となり得る。この とき定電流駆動でもキャリアと光子密度の変化に起こる緩和振動は減衰せず，その振動は時間とともに増大する。しか し誘導放出が増大するとキャリア密 度 は 減 少 し，利 得 が しきい値を下まわると発振が停止する。この過程が繰り返 され る結 果 ，レーザ内 導 波 路 の 屈 折 率 差 を小 さくしたレーザは数 100MHz の自励振動を行い周期パルス光を出力することになる。この 現象は自己パルセーション（self pulsation）と呼ばれる。

6

利得導波型レーザにはこの ような自己パルス発振をするものが多い。その機構は
電 流 注 入 の 不 均 一 や ファセット近 傍 での表面再結合のため共振器長の一部で吸収 領 域 が 形 成 され，ここでの吸収が光強度の増大とともに減 少 す る可飽和吸収特性 を示 す の で 共 振 器 長 全 体 で 平 均 したとき G＞ 0 となることで説 明 される。
屈 折 率 導 波 型 レーザでも注入電流の少ない区間を設けたり，弱 い屈折率導波構造にして実効的な可飽和吸収特性をもたせることにより同様の自己パルス発振が起 こるレーザを実現できる。
可飽和吸収があることは共 振 器 の Q 値が光強度の増大とともに高 くなることであるから，自己パルス発振は受動的な Q スイッチングであると考えられる。このような自己パルセーションレーザは繰返し周期を容易には制御できず，またパルス幅もさ
ほ ど短 くないので短パルス光源としての利用価値は大きくないが，モードホッピング
雑音や戻り光誘起雑音を避ける有力な方法として光ディスクシステムなどに利用されている。

【1-2-2】 利得スイッチング
半導体レーザを大きなステップ状の電流で駆動したとき，発振の開始時に大 振幅の緩和振動が発生する。電流を一定値に維持すれば緩和振動は減衰して定常発振の状態に落ち着くであろう。この振動の１周期が終わった時点で電流注入を停止
すれば，緩 和 振 動 数 で決まる幅の単一の短い光パルスを得ることができる。またこの 過 程 を繰 り返すことで周期的パルスを得ることができる。この方法は注入電流で利得を急激に変化させることにより発振の開始と停止を行うので利得スイッチング（gain switching）と呼ばれる。簡単な駆動回路で超短光パルスを発生させ ることができ，電流波形でパルス幅や繰り返し周期を制御できるという利点がある。駆動電流 として深 い負バイアスに大振幅正弦波を重畳した電流を用いることもできる。この場 合 ，逆電圧印加によるレーザの劣化を防止するため，レーザと並列に高速スイッ
チング特性をもったショットキーバリアダイオードを逆方向に接続する。
利得スイッチングで超短光パルスを発生させるには大きな利得が緩和振動の１周期のみ維持され るように駆動電流波形を最適化する必要がある。最適条件でのパル ス幅は緩和振動数で決まり，駆動電流のパルス幅が 100ps であっても，これ より7

短い数 10ps の光パルスを得ることができる。通常のバルク結晶のダブルへテロ構
造 （DH ）レーザに比べて大きな微分利得係数が得られ る量子井戸（QW）レーザを用 いれば，緩 和 振 動 周 波 数 を高めることができ，より短いパルス幅が得られる。また QW- DFB レーザでブラッグ波長を利得ピーク波長よりも短波長側に適度に離調すれば，微 分 利 得 係 数 と緩 和 振 動 周 波 数 を高めることができパルス幅を短縮できる。この ようなレーザ の 最 適 化 に より 10ps 以 下 の パ ル ス 幅 も得 られている。
FP 型レーザの利得スイッチング動作では縦多モード発 振 となってスペクトル 幅 が大幅に広がってしまいコヒーレンス性が低下する。これに対して DFB レーザや DBR
レーザでは単一モード発 振 が 維 持 され るのでスペクトル幅の大幅な拡大は起こらない。しかし出力光はキャリア誘起屈折率変化のため周波数がパルス幅内で時間的に変化するチャープパルスとなっている。このチャープパルスは光ファイバなどの適
当 な分散をもつ素子を通過させてパルス前半と後半の到着時間を一致させることによりパルス幅をさらに圧縮できる。幅 10-20ps の利得スイッチング光パルスから，
パルス幅 3ps 以 下 の フーリエ変換限界に近い超短光パルスが得られている。

【1-2-3】 モード同期
FP 型レーザが縦多モード発 振 している場合の各モードはほぼ等間隔に配列された周波数を持つが，相互の位相は常に変動している。このためモード間干渉で生じる強度変化の周波数（ビート周波数）には広がりと変動がある。したが って全モードの出力光パワーは時間平均すると一定であるが，ビート周波数オーダの周波数帯
域 でランダム雑音状に変動する波形となっている。しかし各モードの周波数間隔をそろえて相互位相を一定に保てば，各 モードが 規 則 正 しく干 渉 してパルス幅の短い
繰 り返 し光 パ ル ス が 得 られ る。この ようなパ ル ス 発 生 法 は モ ー ド同 期 （modelocking）と呼ばれる。
理想的なモード同 期 の １モデルとして，角周波数間隔⊿ωの縦モードが幅 2⊿ω eの ガ ウ ス 型 包 絡 線 で 同 相 配 列 された場合を考えると，そのスペクトルは

8ω : 角 周 波 数 ，⊿ωe :包 絡 線 幅 ，ω 0 :最 大 利 得 周 波 数 ，δ :増 幅 器 帯 域〔式 1.2〕と表 される。
光 波 振 幅 は 上 式 を フーリエ変換することにより

L:共 振 器 長 ，N g :透明キャリア密度，ｃ:光 速 度〔式 1.3〕
2となり，1/e 全 幅 が 4/⊿ω e で共振器内光波一巡時間 T を周期とする周期パルスとなる。半導体レーザの広い利得帯域を利用すれば 2⊿ω e を大きくすることができ，
原 理 的 に は サ ブ ps の 超 短 光 パ ル ス の 発 生 も可能である。
モード同期の具体的方法は能動モード同 期 と受動 モード同期に分類され る。半導体 レーザの能動モード同期は駆動電流に縦モード間隔⊿ωに等しい周波数Ωの高周波を重畳することでなされる。各 モードは 周 波 数 Ω で強 度 変 調 され るので周波数ωのモードから周波数ω±Ωをもつ光波成分が誘起され ，このため隣接モードが等間隔で同相の発振に引き込まれ同期が成立する。通 常 の FP 型半導体レーザは共振器長 L が 1mm 以下で縦モード間隔⊿ω /2π＝ c/2N g L は 50GHz 以 上 程 度 であるので実用的な高周波電源はない。そこで，片 端 面 に 無 反 射 コーティングを施 した
レーザと外 部 の ミラーやグレーティングを組み合わせて実効的なL が 10cm 程 度 の
拡 大 共 振 器 を構 成 し，縦モード間 隔 1GHz 程 度 とする。広い利得帯域内には多くの縦 モードが存在するが，レーザの群屈折率に分散があるので，間隔は正確には等しくない。多数の縦モードを利 用 しようとすると同期するのはその一部のみとなり他
はパルス波形を劣化させ る原因になる。したが ってグレーティングやエタロンを用いてパルス化に寄与しない。帰還帯域を制限するとともに，駆 動 条 件 を最適化する必要がある。このような最適化により，数 ps〜数 10ps のパルス幅の超短光パルスが得 られ る。

9

受動モード同期は共振器内に可飽和吸収体を挿入することによりモード同期を行う方法である。多モード発振で同期が成立していない状態でも，共振器内光強度は
モード間干渉による不均一があり，可飽和吸収体では光強度の強い部分は吸収が少 ないので弱い部分より強く増 幅 され る。したが って光波が循環するとき強度の強い部分が一層強く増 幅 され〔式 1.3〕のモード同期パルスに近づく。モード同期のための可飽和吸収体には顕著な飽和特性と高速応答が要求されるが，イオン注 入 によって MQW の励起子吸収の応答速度を高速化した可飽和吸収体が利用されている。MQW 可飽和吸収体を外部共振器内に挿入したりレーザとともにモノリシック
集積することによりモード同期 レーザが構成され，受動同期単独または能動同期との 併 用 でサブ ps〜 数 ps の 超 短 光 パ ル ス が 得 られている。

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第 2章

研究の目的

【2-1】 研究の目的
近年の情報化社会において，日々交わされている情報量は増加の一途をたどっており，
より高速の通信速度のネットワークが必要とされはじめている。そこで研究内容として，
超高速通信システムのための，より広帯域を確保するために時間位置の安定した光パルスの制御を研究のテーマとする。
時間位置の安定していない光パルスとは，本来は規則正しく並んでいるはずの任意の繰り返し周期の光パルスには時間的に多少の揺らぎがあり，超高速通信においてこの
時間的な揺らぎ（タイミングドリフト）は時分割多重などにおけるタイムスロットを無駄に占有してしまう。したがって同じ繰り返し周期の光パルスであっても，タイミングジッタが低減
した常に安定したパルスを形成することができれば，ジッタのあった部分が空きタイムス
ロットとなるので，さらに多重数の向上した広帯域での通信が可能となる。
そこで本研究では 波長 1.55μ m の多電極 DFB レーザを用いて，時間位置の安定した超短光パルスの形成を目標とした。

【2-2】 研究の概要
本研究は波長 1.55μ m の多電極 DFB レーザを【1-2-2】で述べた利得スイッチング法
を利用してパルス発振を起こさせる。利得スイッチングでは駆動電流のパルス幅が100ps であっても，これより短 い数 10ps の光パルスを得ることができ，また単一モー
ド発 振 が 維 持 されスペクトル 幅 の 大 幅 な 拡 大 は 起 こらないためである。
時間位置の安定した光パルスの制御を研究テーマとしたように，この利得スイッチン
グ法においてもパルス発振のタイミングの 変 動 が 発 生 す る と予 測 す る。
実験の流れ
実 際 に タイミングの 揺 らぎがどのくらい 発 生 しているかを確認する。
タイミングジッタを低 減 させる方法を考える。
→半導体 LDに光を入射するとパルス発振のタイミングが安定するとの報告がある。
→光サーキュレータを使って LDの出力光の一部をフィードバックする手法を検討する。

11

第 3章

実験

【3-1】 使 用 した LD の静特性
まず，光パルス制御実験の下準備として，使用する多電極 DFBレーザの静特性を測定した。ここで測定した静特性とは LDの電流-光強度特性を指す。
光強度[ μ W]

電 流 [mA]（室 温 25 ℃，LDの温度調節機能なし）〔図 3.1〕LDの 電 流 -光 強 度 特 性測定によると，電流値が31mAを超えたあたりから光強度の増加の傾きが高くなり，32mA から33mA までの領域で傾きが最大となる。
このことからLD の 発 振 しきい値は32-33mA 近傍であると考えられる。

12【3-2】 光パルス発生とジッタの確認
実験における装置の接続関係図を示す。

〔図 3.2〕実 験 装 置 の 接 続 関 係 図

実 験 に 使 用 した機 器
光パルス発生系
LD ：多 電 極 DFB-LD
DC 電 源 ：SEC-130
BIAS-TEE ：Anritsu A3N1015
ローパスフィルタ：TAMAGAWA ELECTRONICS BESSEL THOMSON ULF-171
シンセサイザ：HEWLEETT PACKARD 83712B

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光パルス測定系
P D：
NEL JAPAN KEPD2535VPG
BIAS-TEE ：NEL JAPAN Wiltron
RF スペクトルアナライザ：
HEWLEETT PACKARD 8568A
サ ンプリングオシロスコープ：
Agilent infiniumDCA 86100A/86112A （Plug-in ）光パワーメーター：
ADVANTEST TQ8210/TQ82015 （P D）

光パルスフィードバ ック装 置 ：分 波 器 SUMICEM SC-1550（70/30 ）光サーキュレータ PICT-1550-S
偏 向 コントローラ：
Polarization Controlle r SHIMA Prototype Engineering
増幅器：
未導入

本 節 では ，まず光パルスの発生と計測を試みる。光パルスフィードバ ック装置は次
節 以 降 で説明する。
レーザの発振しきい値 もふまえて，実際にシンセサイザによる直接変調でパルス
発 振 させてみた。
変調源であるシンセサイザは 10MHz〜 20GHzまでの周波数帯域を有するが，RFス
ペクトルアナライザは，
100Hz〜 1.7GHzの信号までしか周波数分解能力を有しないため，今回の実験では 1GHz ，1.4GHz，1.5GHz，1.6GHzの繰 り返 し周波数の電気
変 調 で の 光 パ ル ス 発 生 に とどめた。
次 頁 より，各 々 の 変 調 周 波 数 で の 光 パ ル ス の 波 形 と周 波 数 スペクトルを示す。
測定での DC電 流 値 は 各 変 調 に お い て 信 号 レ ベ ル が 最 も高 い 状 態 の 値 で あ る。
（室 温 25℃ ，LD の 温 度 調 節 機 能 なし）

14

〔図 3.3〕サ ンプリングオシロスコープに表示 され た 光 パ ル ス 波 形〔図 3.4〕サ ンプリングオシロスコープに表示 され た 光 パ ル ス 波 形

15

〔図 3.5〕サ ンプリングオシロスコープに表示 され た 光 パ ル ス 波 形〔図 3.6〕サ ンプリングオシロスコープに表示 された光パルス波 形

16

〔図 3.7〕光 パ ル ス の 周 波 数 ス ペ クトル 分 布
変 調 周 波 数 1.0GHz，入 射 RF 電 力 +14dBm，DC:40.9mA〔図 3.8〕光 パ ル ス の 周 波 数 ス ペ クトル 分 布
変 調 周 波 数 1.4GHz，入 射 RF 電 力 +15dBm，DC:41.6mA17

〔図 3.9〕光 パ ル ス の 周 波 数 ス ペ クトル 分 布
変 調 周 波 数 1.5GHz，入 射 RF 電 力 +15dBm，DC:42.1mA〔図 3.10〕光 パ ル ス の 周 波 数 ス ペ クトル 分 布
変 調 周 波 数 1.6GHz，入 射 RF 電 力 +15dBm，DC:41.6mA18

〔図 3.3〕サ ンプリングオシロスコープに表 示 された光パルス波形から1.0GHz変調の 場 合 ，光パルス信号のジッタの幅に大きく広 が りが観測される。このときの周波数 スペクトルは 〔図 3.7〕に示した。これをみると信号スペクトルの両側に段階的にス
パ イク状 の 大 き な 雑 音 が 発 生 していることが観 測 できる。
したがって，1.0GHz変 調 時 での信号は雑音成分が多いため通信用パルスとして品 質 が 課 題 となる。
〔図 3.4〕は 1.4GHz変調時の光パルスの波形である。1.0GHz変 調 と比較するとジッタの幅は狭まっている。〔図 3.8〕に示した1.4GHz変 調 時 の光パルスの周波数スペ
クトルをみると1.0GHz変調時の場合ほどではないが，やはり信号スペクトルの両側にスパイク状の雑音が発生していることが観測できる。
したがって，1.4GHz変 調 時 での信号も雑音成分が多く通信用パルスとして品質が課 題 となる。
〔図 3.5〕，〔図 3.6〕はそれぞれ 1.5GHz，1.6GHz変 調 時 の 光 パ ル スの波形である。
この 2つの場合，前に述べた1.4GHz変調時の波形よりも，目測でもさらに信号部分のパルス幅が狭まっているがどちらの場合も多少波形が異なっている。
1.5GHz，1.6GHz変調時の周波数スペクトルはそれぞれ〔図 3.9〕，〔図 3.10 〕示 した。
この 2つの波形はほぼ同じように見える。これらの波形にもジッタなどによる雑音が
観 測 で きるが，他のと比較して雑音レベルが低くスパイク状にはなっていない。
今回の実験ではこのあらか じめ 雑 音 品 質 が 他 の 測 定 に 対 して良好 な2つの変調に着目して，そのさらなる改善 を目指す。1.5GHz変調時のジッタを含む光パルス幅の目測は約 76ps ，1.6GHz変調時のジッタを含む光パルス幅の目測は約 80ps である
ため，1.5GHz変調を採用することにした。
但 し，これ らの波形から目 測 で得 られ るジッタは P D受信機やサンプリングオシロス
コープ等の計測機器の時間分解能に起因するの訛りが 発 生 している。この訛 りを除いた光パルスの拡がり幅 とジッタの 拡 が りの真の値を求めておく必 要 が あ る。
観 測 され た 雑 音 が 電源や温度による雑音ではないかと考えた。
そこで実験に温度コントローラ付き電源を導入し，LDのペルチェ素子による温 度 調 節
機 能 を駆動させてみた。しかし温度コントローラの安全駆動回路の許容範囲が厳しいた
めに温度コントロールが過剰動作してしまい，温度コントロールの電流がオーバーシュートを繰り返してしまった。そのためLDの駆動電流も変動してしまいショット雑音などを引き起こしてしまった。
改善策として温度コントロールの端子の間に抵抗を入れて温度コントローラの安全駆動回路の許容範囲を故意に緩くしてみた。

19

これにより温度コントロール端子部への電流がオーバーシュートすることが無くなった。
LDへ流れる電流値も一定値に収まることができ，ショット雑音の発生がなくなった。
〔図 3.11 〕は 1.5GHz変調でパルス発振させたときの RFスペクトルアナライザの画像である。このとき，LDの温度が17℃近辺で留まるように温度調整を動作させてある。
〔図 3.9〕と見比べてみたところ，温度コントローラの使用後にも雑音成分の形にさほどの変化が見られない。よって，光パルスのスペクトルに電源や温度による雑音ではなくジッタ成分であることを確認できた。

〔図 3.11〕光 パ ル ス の 周 波 数 ス ペ クトル 分 布
変 調 周 波 数 1.5GHz，入 射 RF電 力 +15dBm，DC:38.2mA ，LD温 度 :17℃
また，変調器によってあらかじめジッタが発生していないかを確かめるため，使用した
シンセサイザ Agilent 83712B について調べた。
このシンセサイザの信号源の基本発振器，およびスイッチド・ローパス・フィルタは，高調
波が -55dBc 以下に抑えられている。
またサブハーモニックスを除去して，スプリアスが-60dBc 以下に抑えられていることがわかった。
この他にLD の信号入力の前段には，ローパスフィルタ ULF-171(fc=2.5GHz)を接続してあるので，さらに高調波成分は抑えられている。
これらのことから，信号源によるジッタの拡大の少ないと考えられる。

20

また，RF スペクトルアナライザで観測された雑音スペクトルについて調べた。
〔図 3.7〕にみられる1GHz変調時の周波数スペクトルにおいて，観測されたスパイク状の雑音スペクトルは，235MHz 付近から始まり 490MHz，745MHz，1000MHz，1255MHz，1510MHz，1765MHz と約 255MHz 間隔で発生している。
また 1.5GHz 変 調 時 の 周波数スペクトルには，スパイク状ではないが，なだらかで
段 階 的 な雑音スペクトル が 観 測 されている。〔図 3.9〕参 照
このスペクトル分布においても 735MHz，990MHz，1245MHz，1500MHz，1755MHz と約
255MHz 間隔で雑音スペクトルのパワーが変化している。
どちらの場合の，この雑音スペクトル成分は，信号部分スペクトルに近づくにつれて，
約 255MHz 間隔でスペクトルのパワーレベルが増加する傾向がみられる。
また〔図 3.7〕〜 〔図 3.10〕まで，通 して見てみると，変調周波数が高くなるにつれて，
信号スペクトルに対し雑音スペクトル成分のピークが左側へ移動しているように見える。
現段階では，この雑音スペクトルがどのような成分であるかを解析していないが，おそらくジッタ成分を含んでいるであろうと考えている。

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【3-3】 光パルスのフィードバック
光パルス発生タイミングにジッタが多 く含 まれ ることがわかったので，次にどのようにしてジッタを低 減 させるかを検討した。半導体 LD に外部よりCW光を注入するとパル ス 発 振 の タイミングが 安 定 化 す るという＜研 究 報 告 A＞があった。
＜ 研 究 報 告 A＞
利得スイッチングを利用したレーザにCW 光を注入することでタイミングジッタが低減する。タイミングジッタが最 低 となるとき，注入 していたCW 光 は ，光パルスの中心
波 長 1556.7nm に対して約 1nm短い波長で，-17dBmの光強度であ ったという。結果
として最 大 で約 1/5ほどタイミングジッタを低 減 させることに成 功 している。
この研究報告では注入するCW 光の光源に，発振波長が狭い範囲で調整可能な
波長可変光源を用いている。この装置は非常に高価であるため，光通信用パルス
光 源 として実用化する際，低 コスト化 の 大 きな障害 となると考えられる。そこで，本研究では LDの 出 力 した光パルスの一部をフィードバックすることでCW 光 の 注 入 でタイミングジッタが低 減 す るの と同 様 の 効 果 を 生 む ことをね らった。
その仕組みを説明すると，
通 常 の Sin波電流によるレーザのキャリア密度と光子密度の関係は〔図 3.12〕の ような応答をする。
Sin 波 変 調 を加えた電流でLDを駆動すると電流の増加につれてLD のキャリア密度が徐々に増加する。それに伴って LD の 光 子 密 度 が 増 え始め，キャリア密度が発
振 しきい値 を超 えると光子密度が急激に増加する。これがレーザ発振で，その瞬間にキャリアが急激に減少し，レーザ発振するために必要なキャリアがなくなるため，光子密度は緩和振動を起こしながら減少していく。その 後 ，電流が徐々に増えてくるのでまた同様の現象が起きる。この 繰 り返 しが利得スイッチング法のレーザパル
ス発振である。【1- 2- 2】で取り上げたようなステップ電流 であればキャリア密度の増加が一律に揃い易いが，高 周 波 の 場 合 Sin波 電 流 での駆動となるのでキャリア密度 の 増 加 も緩やかになり，少 しの電流密度の揺らぎで傾 きの 緩 さから蓄 積 され るキャリア密 度 の 揺 らぎは大 きい。
これが発振しきい値付近で起こると，利得スイッチングのタイミングが毎回少しずつ異なってくるため，結 果 として光 パ ル ス の タイミングジッタが 増 加 す るのである。

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〔図 3.12〕Sin波によるレーザの応答
CW光の注入でタイミングジッタが最 も低 減 をおこなう報告では，入射の波長は光パルスの中心波長より，若干短い波長であった。また，光パルスはパルスの立上がりと立 下 りで波長が中心波長から多少ずれる傾向があり，立 上 が りでは短 く立 下 り
では長くなる。
このことか ら緩やかに増加しつつあるキャリア密度が発振しきい値より少 し手前の状態にあるとき，外 部 か ら光パルスを入射することで反転分布状態にあるキャリアの 一 部 を故意に誘導放出させキャリア密度の増加の傾きが急激になるように仕向ける。傾 きが急激であれば，利得スイッチングのタイミングのずれが少 なくなるため，
結 果 としてタイミングジッタも低 減 させ られ るであろう。

〔図 3.13 〕光パルスと波 長 の 関 係

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〔図 3.14〕外 部 か ら光 を 注 入 して誘 導 放 出 を 起 こしキャリアを消 費 す る

実際に光パルスをフィードバ ックする手段 として，分 波 器 と光サーキュレータを〔図3.2〕に示すように各機器へ接続する。
光サーキュレータについて簡単な説明をする。
光サーキュレータとは，〔図 3.15〕を例にすると，左側の光ファイバから入射されたビームを右側の光ファイバへは通過させるが上側の光ファイバへは通過させない。
また，右側の光ファイバから入射されたビームを上側の光ファイバへは通過させるが 左 側 の 光 ファイバ へ は 通 過 させない。
同様に上側の光ファイバか ら入 射 された光を左側の光ファイバへは通過させ右側の 光 ファイバへは通過させない。
つまり，ある端子（ファイバ）から入 力 した光が，次 の 端 子 （ファイバ）へと順に出力されるような一方通行の構造となっている。

〔図 3.15 〕光サーキュレータ模式図24

光サーキュレータの光ファイバをコイル状に巻くことによって，中 を通 る光に偏向選
択 効 果 を作用させ て 特 定 の 偏 波 方 向 の 光 を 取 り出す。

〔図 3.16 〕コイル 状 に巻いた光ファイバ
また偏向コントローラの導入により上記のような曖昧な操作よりも確実に偏向成
分 の 調 整 が 可 能 となった。
さらに，光パルスフィードバ ック部 の 光 ファイバ を温度変化によるファイバケーブルの伸縮を利用することにより，分 波 して戻 ってきた光パルスが LD に入射するタイミン
グをある程 度 操 作 で きる。
これらの操作により，LDのキャリア密 度 が 発 振 しきい値より少し手前の状態にあるときのタイミングへ光パルスをフィードバックすることでタイミングジッタが低減 されることを期 待 す る。

〔図 3.17〕タイミングジッタ低 減 予 想 図25

【3-4】 考察【
3-4-1】 ジッタを含む光パルス幅の真値観測されたジッタを含む光パルスの幅を⊿ t 0 とする。
観 測 さ れ た 値 に は 計 測 機 器 に よ る 時 間 分 解 能 の 影 響 で 多 少 の 訛 りがある。
ジッタを含む光パルス幅の真の値を⊿ t1 ，受信機の分解能を⊿ t2 ，オシロスコープの分 解 能 を⊿ t 3 として各 々 の 関 係 を 表 す と，
⊿ t 0 =⊿ t1 +⊿ t 2 +⊿ t 3〔式 3.1〕となる。
また，これ らの分布がガウス関数を用いて表され るとして⊿ t0 ，⊿ t 1 ，⊿ t 2 ，⊿ t 3 の各 々 に 対 す るガウス分布の中心 からの距離をσ 0 ，σ 1 ，σ 2 ，σ 3 とおくと，〔式 3.2〕と表される。
ここで，各数値は実験や各機器の製品仕様書などから
σ 0 = 38σ2 = 5σ 3 = 10.3739
であると判 明 しているので，〔式 3.2〕に 代 入 してこれを解くと，
σ 1 = 48.8083となる。
この値は光パルスをフィードバックさせていないときの ジッタを含む光パルス幅 であり，
約 48.8ps である。
ジッタが抑圧されると，この σ 1 が低下するはずであり，その変化分からパルス幅部分とジッタの抑圧部分が分離されるはずである。

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【3-4-2】 フィードバックによる効果
光パルスをレーザ内部にフィードバックするためには出力光を分岐する必要がある。
すると出力光強度が下がるために，出力側の信号レベルの減衰でその中に含まれる情報であるジッタなどによる雑音のパワースペクトル成分が RFスペクトルアナライザの検出
感度以下になり観測し難い状態となってしまう。
光パワーの低下に関しては，光受信器の前段に光増幅器を接続するか，後段に電気増幅器を導入することを検討しているが，現状では，RFパワースペクトルによる定量的評価の代わりに，サンプリングオシロスコー
プによる光パルス波形の改善を観測することで，光パルスのフィードバックによる効果を
評価した。
実験結果
偏向コントローラによりフィードバック光の偏向方向を調整すると，フィードバックしていない場合に比べて，光パルス発生のタイミングが数 ps 後ろのタイミングにシフトするような変化が確認された。

光をフィードバックしていない状 態

光をフィードバックした状 態
Scale:20.0mV/div ，Time:50.0ps/div〔図 3.18〕光 フィードバックによるタイミング変 化

光 ファイバが温度変化によって伸縮することを利用して，フィードバックする距 離 を
変 化 させ，光がレーザ内部に入射するタイミングを調整した。
氷 とドライヤーを使って約 0℃〜 40℃間で温度変化させ ると，ファイバ 中 を通 過 するパルスを時間的に変動させてみた。
今 回 利 用 した1.55μ m帯 零 分 散 ファイバの一般的な熱膨張係数が0.065ps/m/ ℃，
ファイバの常温のケーブル長が約 2.12mであることから，約 5.5ps と見 積 もられ る。

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氷による冷却 （約 0℃）

ドライヤーによる加熱 （約 40℃）
Scale:20.0mV/div ，Time:50.0ps/div〔図 3.19〕
ファイバの温度伸縮によるタイミング変化発生させた光パルスのパルス幅は繰り返し周波数 1.5GHz から 667ps で，これに対して
温度操作による約 5.5ps という変動では LD の発振しきい値付近の適当なタイミングへ光パルスをフィードバックすることはできない。

別の測定として，出力光パルスとフィードバック光パルスの時間的関係を求めた。
真空中の光速度 3.0× 108 m/s，1.55μ m 帯零分散光ファイバ規格化群速度 0.679 から，繰り返し周波数 1.5GHz の光パルス 1 つの立ち上がりから，次のパルス立ち上がりまでの長さが 0.136m であると導ける。
また光パルスをフィードバックさせる経路の総距離は偏向コントローラを除いた場合で約12.658m であった。
このことから，1 番目に出力された光パルスがフィードバックして入射されるのは，94 番
目に出力される光パルスであると見積もられる。
この関係から，光パルスのフィードバックタイミングを1 周期分ずらすには，変調周波数を何 %変化させれば可能であるかということがわかる。
今後の実験計画では，これを利用したフィードバックタイミングの操作を，課題の 1 つとして検討してみる。

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第 4章

結論

【
まとめ】
利得スイッチング法による光パルス発生では，パルス発振のタイミングに揺 らぎが発 生 す ることを確 認 した。
その揺らぎを抑圧するための手段として，LD の出力した光パルスの一部をフィードバックすることで，LD に 外 部 か らCW 光を注入するとタイミングジッタが低減するのと同様の効果を生むことを試みた。
レーザ出力光を分岐すると出力光強度が下がるために，パワースペクトルが RFスペク
トルアナライザの分解能力より下まわり，観測し難い状態となった。
偏向コントローラを用いて，フィードバック光の偏波方向を調整すると，パルス発生のタ
イミングが数 ps 後ろにシフトすることを確認した。
これにより，パルス発生のタイミングに，光フィードバックによる変化が現れていることがわかったが，ジッタ成分の低減は見受けられない。
そこで，光ファイバの温度伸縮を利用して，フィードバ ックする距離を変化させることで，光がレーザ内部に入射するタイミングを調整したが，元の出力光パルスの繰り返し周期に対し約 1%しか変動させることができなかった。
今回は，ジッタの低減する最適な光フィードバックタイミングを判別するには至らず，タイミングジッタ抑圧にどれほどの効果をもたらしたかという部分では，十分な結果を得る
ことができなかった。
今後の課題と対策として，光パルス発生タイミングの適当な時間位置へ光フィードバッ
クする別の手段として，次の方法を検討する予定である。
1.

光パワーの低下に関して，光受信器の前段に光増幅器を接続するか，後段に電気増幅器を導入する。

2.

出 力 した光 パ ル スが ，何番目のパルスに戻されるかがわかったことか ら，フィードバック経 路 の 距 離 を変 えず ，パルスの変調周波数を変 えることにより，フィー
ドバ ック光パルスの LD 入 射 タイミングを操 作 で きると考 える。

3.

光フィードバック部に，長尺の異なるファイバの組み合わせ接続する。

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【参考文献】
通 信 ネ ットワーク
荒 谷 孝夫 著
半 導 体 レーザの基礎栖 原 敏明 著
半 導 体 レーザ
伊 賀 健一 著
レーザ光学の基礎
伊 賀 健一 著
光 ファイバ 通 信 入 門
伊 賀 健 一 ・末 松 安 晴 共 著
光 ファイバ 通 信 技 術
山 本 杲也 著
光情報材料
神 谷 武志 著
ミクロン波
長
帯
を用
い
た
光 横 注 入 構 造 双 安 定 レーザの研究
1.5
MQW
野 中 弘二 著
第 58回 応 用 物 理 学 会 学 術 講 演 会 講 演 予 稿 集 No.3より利得スイッチング法を用いた光・光 サ ンプリングシステムにおけるシステムジッタの低減（株 ）テラテック 第 3研 究 部
CW光注入による非線形ループミラーを用いた超短パルス光のジッタ低 減（株 ）テラテック 第 3研 究 部【謝 辞 】
本論文をまとめるにあたり，多大な御指導，御鞭撻を賜りました野中弘二助教授に 感 謝 の 意 を 表 します。
本研究の場を与えていただき，御指導賜りました神戸宏教授に心から感謝いたします。
本研究を進めるにあたり，協力してくれ た竹内康訓，濱 田 正 典 ，中野雄大，寺西
正 臣 ，豊 永 祐 輔 に 感 謝 い た します。

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