JP2016018124A

JP2016018124A - 光周波数コム発生装置

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Publication number: JP2016018124A
Application number: JP2014141679A
Authority: JP
Inventors: 光映石川; Mitsue Ishikawa; 石井　啓之; Hiroyuki Ishii; 啓之石井; 中沢　正隆; Masataka Nakazawa; 正隆中沢; 恵介葛西; Keisuke Kasai
Original assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Tohoku University NUC; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-07-09
Filing date: 2014-07-09
Publication date: 2016-02-01

Abstract

【課題】各縦モードの光Ｓ／Ｎが大きく、周波数平坦性に優れた光周波数コム発生装置を提供する。
【解決手段】本発明の光周波数コム発生装置は、各々異なる波長で出力信号光を単一周波数発振可能な複数のＤＦＢレーザ共振器と、複数のＤＦＢレーザ共振器の各々から出力された出力信号光を合波して多波長信号光を出力する光合波回路と、多波長信号光を分岐し、分岐された多波長信号光の一方のうちの特定波長を有する信号光を抽出し、抽出光を変調して変調光を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に帰還し、分岐された多波長信号光の他方を光周波数コム信号として出力する光帰還回路とを備え、複数のＤＦＢレーザ共振器では、変調光の帰還により信号光の線幅の狭窄化が行われ、変調光の注入同期により特定波長を有する信号光と他のＤＦＢレーザ共振器が出力する各信号光との位相同期が行われることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、周波数平坦性及び光Ｓ／Ｎがともに高い光周波数コム発生装置に関する。

光周波数軸上に等間隔の縦モードを複数発生させる光周波数コム発生装置は、多岐にわたる応用分野を有しており、例えば、光度量衡の分野における光周波数計測用光源や、波長多重（ＷＤＭ：Wavelength Division Multiplexing）光通信システムにおける多波長光源として非常に有用である。これまで光周波数コム発生装置として、特許文献１〜３に示されるように、半導体または光ファイバを用いたモード同期レーザを用いる方式や、光変調器を用いる方式などが提案されている。

図１は、特許文献１に示されるモード同期ファイバレーザを用いた従来の光周波数コム発生装置の構造を示す図である。図１に示す従来のモード同期ファイバレーザは、希土類添加光ファイバ１と、希土類添加光ファイバ１を励起するための励起光源２と、励起光を希土類添加光ファイバ１に結合させる光結合器３と、出力を取り出す光分岐器４と、光の進行方向を１方向に制限する光アイソレータ５と、光変調器６と、光バンドパスフィルタ７と、電気増幅器８と、光分岐器９と、クロック抽出器１０と、移相器１１と、を備える。

ｃは光速とし、ｎは光ファイバの屈折率とすると、図１に示すモード同期ファイバレーザは、変調周波数ｆを共振器長Ｌで決まる基本周波数ｃ／ｎＬの整数倍に設定することにより、繰り返しが変調周波数に一致した光パルスを発生する。ここでは、周波数軸上では、変調周波数間隔の複数の縦モードが生成される。その結果、高調波モード同期動作が起こる。

また、図１に示すモード同期ファイバレーザは、クロック抽出器１０によってレーザ出力光から変調周波数成分を抽出し、移相器１１及び電気増幅器８を用いてその位相と振幅を適切に調整して光変調器６に帰還する再生モード同期法を採用しており、光周波数コム信号を長期にわたって安定に発生することができる。

図２は、特許文献２に示される光共振器と光変調器を組み合わせた従来の共振器型光周波数コム発生装置の構造を示した図である。図２に示す従来の共振器型光周波数コム発生装置は、レーザ光源１２と、両端に反射膜が形成された共振器型光位相変調器１３と、発振器１４と、を備える。図２に示す従来の共振器型光周波数コム発生装置の方式では、共振器型光位相変調器１３でサイドバンドを繰り返し生成することにより、レーザ光源１２からの出力光から帯域が例えば３ＴＨｚ程度の光周波数コムを生成することができる。

図３は、特許文献３に示される単一マッハツェンダ型光変調器を用いた従来の光周波数コム発生装置の構造図である。図３に示す従来の光周波数コム発生装置は、発振器１４と、レーザ光源１５と、単一マッハツェンダ型光変調器１６と、を備える。単一マッハツェンダ型光変調器１６は、変調電極１６₁及び１６₂と、バイアス電極１６₃と、を含む。

図３に示す従来の光周波数コム発生装置では、単一マッハツェンダ型光変調器１６の両アームを異なる振幅の正弦波信号で大振幅駆動させ、駆動電圧の調整により生成される光周波数コムの各周波数成分の合成ベクトル強度を一定値とすることで、光周波数間隔が等しくかつ平坦な光周波数コム信号を発生することができる。

特開平８−１８１３９号公報特開平７−５８３８６号公報特開２００９−１７５５７６号公報

しかしながら、図１に示される従来のモード同期ファイバレーザや図２に示される共振器型光周波数コム発生装置によって発生される光周波数コム信号は、原理的に光強度が中心周波数から低周波数側および高周波数側に離れるにつれて減衰する形状となり、周波数平坦性に乏しいという問題がある。また、図２に示される共振型光位相変調器や図３に示される単一マッハツェンダ型光変調器を用いた光周波数コム発生装置においては、変調信号の振幅の増大に伴って光周波数コム信号の帯域は拡大できるものの、各縦モードの光Ｓ／Ｎが劣化してしまうといった問題がある。

本発明は、上記の問題を解決するためのものであり、周波数平坦性及び光Ｓ／Ｎがともに高い光周波数コム発生装置を新たに提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の光周波数コム発生装置は、各々異なる波長で出力信号光を単一周波数発振可能な複数のＤＦＢレーザ共振器と、前記複数のＤＦＢレーザ共振器の各々から出力された出力信号光を合波して、多波長信号光を出力する光合波回路と、前記多波長信号光を分岐し、当該分岐された多波長信号光の一方のうちの特定波長を有する信号光を抽出し、当該抽出光を変調して当該変調光を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に帰還し、前記分岐された多波長信号光の他方を光周波数コム信号として出力する光帰還回路と、を備え、前記複数のＤＦＢレーザ共振器では、前記変調光の帰還による注入同期により、出力する各信号光の位相同期が行われることを特徴とする。

請求項２に記載の光周波数コム発生装置は、前記複数のＤＦＢレーザ共振器では、前記特定波長を有する信号光を出力したＤＦＢレーザ共振器と他のＤＦＢレーザ共振器との発振光周波数差が、前記変調光の変調周波数の整数倍近傍であり、その精度が前記変調光への注入同期引き込み周波数幅以内であることを特徴とする。

請求項３に記載の光周波数コム発生装置は、請求項１又は２に記載の光周波数コム発生装置であって、前記光帰還回路は、光サーキュレータと、光分岐カプラと、光バンドパスフィルタと、光変調器と、を含むリング型光帰還回路であり、前記光合波回路から出力された前記多波長信号光は、前記光サーキュレータを介して前記光分岐カプラに入力され、前記光分岐カプラによって分岐され、前記光分岐カプラによって分岐された前記多波長信号光の一方は、前記光バンドパスフィルタによって特定波長を有する信号光が抽出され、前記抽出光は、前記光変調器によって変調されて前記光サーキュレータに入力され、前記光サーキュレータは、前記変調光を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に帰還することを特徴とする。

請求項４に記載の光周波数コム発生装置は、請求項１乃至３のいずれかに記載の光周波数コム発生装置であって、前記光合波回路から出力された前記多波長信号光を増幅する半導体光増幅器をさらに備えたことを特徴とする。

請求項５に記載の光周波数コム発生装置は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光周波数コム発生装置であって、前記複数のＤＦＢレーザ共振器の各々と前記光合波回路との間を結合する複数の接続光導波路と、前記光合波回路に結合され、前記光合波回路から出力された前記多波長信号光を伝搬する出力光導波路と、前記出力光導波路から出射された前記多波長信号光を集光するレンズと、前記レンズにおいて集光された前記多波長信号光を結合して前記光サーキュレータに出力する光ファイバと、をさらに備えたことを特徴とする。

請求項６に記載の光周波数コム発生装置は、請求項１乃至５のいずれかに記載の光周波数コム発生装置であって、前記光変調器は、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）変調器であることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、従来よりも各縦モードの光Ｓ／Ｎが大きく、周波数平坦性に優れた光周波数コム信号の発生装置を提供することができる。

従来のモード同期ファイバレーザの構造を示す図である。従来の共振器型光周波数コム発生装置の構造を示す図である。従来の単一マッハツェンダ型光変調器を用いた光周波数コム発生装置の構造を示す図である。本発明に係る光周波数コム発生装置の構造を例示する図である。

本発明の実施形態の一例を以下に示す。図４は、本発明に係る光周波数コム発生装置の構造を例示する図である。本発明に係る光周波数コム発生装置は、各々異なる波長で信号光を単一周波数発振可能な１２台のＤＦＢ半導体レーザ１７_a〜１７_lと、接続導波路１８_a〜１８_lと、光合波器１９と、出力導波路２０と、半導体光増幅器２１と、第１レンズ２２と、第２レンズ２３と、光ファイバ２４と、光サーキュレータ２５と、光分岐カプラ２６と、光バンドパスフィルタ２７と、光変調器２８と、を備える。例えば、光変調器２８としては、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）変調器を用いることができ、接続導波路１８_a〜１８_lとしては、図４に示されるようにＳ字型の導波路形状を有するものを使用することができ、光サーキュレータ２５及び光分岐カプラ２６としては、光ファイバ型のものを使用することができる。

ＤＦＢ半導体レーザ１７_a〜１７_lは、それぞれ接続導波路１８_a〜１８_lを介して光合波器１９と接続されている。光合波器１９は、出力導波路２０を介して半導体光増幅器２１と接続されている。半導体光増幅器２１は、第１レンズ２２、第２レンズ２３及び光ファイバ２４を介して光サーキュレータ２５の第１ポート２５₁と接続されている。光サーキュレータ２５の第２ポート２５₂は光分岐カプラ２６の入力端に接続されている。光分岐カプラ２６の一方の出力端２６₁は光バンドパスフィルタ２７を介して光変調器２８に接続されている。光変調器２８は光サーキュレータ２５の第３ポート２５₃に接続されている。光分岐カプラ２６の他方の出力端２６₂は外部回路に接続されている。光サーキュレータ２５と、光分岐カプラ２６と、光バンドパスフィルタ２７と、光変調器２８とにより、リング型の光帰還回路が構成されている。

１２個のＤＦＢ半導体レーザ１７_a〜１７_lは、個別に電極を有しており、それぞれ独立に動作する。各ＤＦＢ半導体レーザ１７_a〜１７_lはそれぞれ活性層上に回折格子を有し、この回折格子の周期をＤＦＢ半導体レーザごとに少しずつ変化させて形成しており、等光周波数間隔の異なる光周波数（波長）で信号光を発振するように設計されている。

ＤＦＢ半導体レーザ１７_a〜１７_lを同時に発振させることにより生成された光強度の等しい１２本の縦モードからなる多波長信号光は、接続導波路１８_a〜１８_lを介してそれぞれ光合波器１９に入射する。光合波器１９に入射した時点における各ＤＦＢ半導体レーザ１７_a〜１７_lから発振した多波長信号光は、それぞれの縦モードの周波数間隔が一定ではなく、位相も同期した状態ではない。

光合波器１９に入射した各多波長信号光は光合波器１９で合波され、多波長信号光として出力導波路２０から出力される。光合波器１９では入力ポート数が１２に対して出力ポート数が１つであるため、出力導波路２０には多波長信号光のそれぞれの縦モードの光強度が光合波器１９への入力光強度の１／１２の強度に減衰された光が出力される。

出力導波路２０を伝搬した多波長信号光は、半導体光増幅器２１へ入射されて所望の光強度に増幅された後、第１レンズ２２及び第２レンズ２３を介して光ファイバ２４へ結合され、光サーキュレータ２５の入力ポート２５₁に入射する。光ファイバ２４を伝搬してきた多波長信号光は、光サーキュレータ２５を介して光分岐カプラ２６に入射して分岐される。

光分岐カプラ２６の一方の出力端２６₁から出力された多波長信号光の一部は、光バンドパスフィルタ２７に入射する。光バンドパスフィルタ２７では、多波長信号光から１つの縦モード成分、例えば中心波長の成分を抽出する（ここでは例示としてＤＦＢ半導体レーザ１７_eから出力された信号光成分を抽出する）。光バンドパスフィルタ２７で抽出された信号光は、光変調器２８へ入射し、光変調器２８により光強度または光位相変調が与えられることによりサイドバンドが生成される。光変調器２８で生成された変調信号は、光サーキュレータ２５のポート２５₃へ入射し、ＤＦＢ半導体レーザ１７_a〜１７_lへ帰還される。

これにより、光バンドパスフィルタ２７で抽出した縦モードの波長に一致したＤＦＢ半導体レーザ１７_eの出力信号光においては光帰還によって線幅が狭窄化され、それ以外のＤＦＢ半導体レーザにおいては注入同期によってＤＦＢ半導体レーザ１７_eの出力信号光にそれぞれの出力信号光が位相同期される。光分岐カプラ２６のもう一方の出力端２６₂からは、位相同期された１２本の多波長信号光、つまり光周波数コム信号が出力される。

独立に発振する複数のＤＦＢ半導体レーザの発振縦モードをそのまま光周波数コムとして用いる本方式においては、従来の方式と比較して光Ｓ／Ｎが高く、周波数平坦性に優れた光周波数コム信号を発生することが可能である。

ここで、上記では、１２台のＤＦＢ半導体レーザを用いた構成を例示したが、台数、半導体レーザにおいてその形式はこれに限定されない。また、上記では１２台のＤＦＢ半導体レーザの光周波数間隔を均等としたが、光バンドバスフィルタ２７で抽出した縦モードの波長に一致したＤＦＢ半導体レーザとそれ以外のＤＦＢ半導体レーザの発振光周波数差が光変調器の変調周波数の整数倍である限りにおいて、ＤＦＢ半導体レーザの発振光周波数は任意である。尚、「変調周波数の整数倍」の精度としては、ＤＦＢ半導体レーザが変調光に注入同期されるための引き込み可能周波数幅の精度があれば良い。

本発明は、多値度の大きい変調方式を用いる高密度ＷＤＭコヒーレント光伝送に用いられる、狭線幅な波長可変レーザに好適なものである。

希土類添加光ファイバ１
励起光源２
光結合器３
光分岐器４
光アイソレータ５
光変調器６、２８
光バンドパスフィルタ７、２７
電気増幅器８
光分岐器９
クロック抽出器１０
移相器１１
レーザ光源１２
共振型光位相変調器１３
発振器１４
レーザ光源１５
単一マッハツェンダ型光変調器１６
変調電極１６₁、１６₂
バイアス電極１６₃
ＤＦＢ半導体レーザ１７_a〜１７_l
接続導波路１８_a〜１８_l
光合波器１９
出力導波路２０
半導体光増幅器２１
第１レンズ２２
第２レンズ２３
光ファイバ２４
光サーキュレータ２５
光分岐カプラ２６

Claims

各々異なる波長で出力信号光を単一周波数発振可能な複数のＤＦＢレーザ共振器と、
前記複数のＤＦＢレーザ共振器の各々から出力された出力信号光を合波して、多波長信号光を出力する光合波回路と、
前記多波長信号光を分岐し、当該分岐された多波長信号光の一方のうちの特定波長を有する信号光を抽出し、当該抽出光を変調して当該変調光を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に帰還し、前記分岐された多波長信号光の他方を光周波数コム信号として出力する光帰還回路と、
を備え、
前記複数のＤＦＢレーザ共振器では、前記変調光の帰還による注入同期により、出力する各信号光の位相同期が行われることを特徴とする光周波数コム発生装置。
前記複数のＤＦＢレーザ共振器では、前記特定波長を有する信号光を出力したＤＦＢレーザ共振器と他のＤＦＢレーザ共振器との発振光周波数差が、前記変調光の変調周波数の整数倍近傍であり、その精度が前記変調光への注入同期引き込み周波数幅以内であることを特徴とする請求項１に記載の光周波数コム発生装置。
前記光帰還回路は、光サーキュレータと、光分岐カプラと、光バンドパスフィルタと、光変調器と、を含むリング型光帰還回路であり、
前記光合波回路から出力された前記多波長信号光は、前記光サーキュレータを介して前記光分岐カプラに入力され、前記光分岐カプラによって分岐され、
前記光分岐カプラによって分岐された前記多波長信号光の一方は、前記光バンドパスフィルタによって特定波長を有する信号光が抽出され、
前記抽出光は、前記光変調器によって変調されて前記光サーキュレータに入力され、
前記光サーキュレータは、前記変調光を前記複数のＤＦＢレーザ共振器に帰還することを特徴とする請求項１又は２に記載の光周波数コム発生装置。
前記光合波回路から出力された前記多波長信号光を増幅する半導体光増幅器をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光周波数コム発生装置。
前記複数のＤＦＢレーザ共振器の各々と前記光合波回路との間を結合する複数の接続光導波路と、
前記光合波回路に結合され、前記光合波回路から出力された前記多波長信号光を伝搬する出力光導波路と、
前記出力光導波路から出射された前記多波長信号光を集光するレンズと、
前記レンズにおいて集光された前記多波長信号光を結合して前記光サーキュレータに出力する光ファイバと、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の光周波数コム発生装置。
前記光変調器は、ＬｉＮｂＯ₃（ＬＮ）変調器であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の光周波数コム発生装置。