JPH0481724A

JPH0481724A - 周波数変換装置

Info

Publication number: JPH0481724A
Application number: JP19556390A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Murata; 茂村田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1990-07-24
Filing date: 1990-07-24
Publication date: 1992-03-16
Anticipated expiration: 2012-07-02
Also published as: JP2626197B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、半導体レーザアンプの４光波混合を利用した
周波数変換装置に関する。

（従来の技術）ある周波数の光信号を別の周波数の光信号に変換する周
波数変換装置は、周波数分割光交換などの周波数多重技
術を利用した応用システムにおいて、最も重要な装置の
ひとつである。従来、周波数変換の方法はいくつか知ら
れているが、中でも半導体レーザや半導体レーザアンプ
の４光波混合を利用した周波数変換方法は、変換効率が
高く、かつそれを利用した装置が小型化できるといっな
特長がある。半導体レーザアンプの４光混合を利用した
周波数変換では、半導体レーザアンプの端面からポンプ
光とプローブ光を同時に注入する。プローブ光は変調さ
れており、ここに信号がのっている。ポンプ光とプロー
ブ光の周波数はわずかに異なっている。この時、ポンプ
光の周波数を中心にして、プローブ光と対称の周波数位
置に位相共投光が発生する。この位相共投光にはプロー
ブ光と同じ信号がのっているため、位相共投光だけを周
波数フィルタで取り昌せば、プローブ光の周波数から位
相共投光の周波数への周波数変換ができる。入射するプ
ローブ光の周波数が固定されている時、ポンプ光の周波
数を変化させれば、それに対応した周波数位置に発生す
る位相共投光の周波数も変化する。こうして所望の周波
数に変換することができる。半導体レーザアンプの４光
波混合を利用した周波数変換については、例えばＧ。

Ｇｒｏｂｋｏｐｆらの報告がオプティカルアンドカンタ
ムエレクトロニクスの２１巻８５９−８７４にある（Ｇ
。

Ｇｒｏｂｋｏｐｆ　ｅｔ、　ａｌ、、　０ｐｔｉｃａｌ
　ａｎｄ　Ｑｕａｎｔｕｍ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ。

ｖｏｌ、　２１　（１９８９）　５５９−８７４）。そ
こでは周波数変換媒質としてＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰ進
行波型半導体レーザアンプを用いている。そのほか半導
体レーザの発振光自体をポンプ光として用いた例も報告
されている。

（発明が解決しようとする課題）上述した従来例には以下のような問題点がある。すなわ
ち、位相共投光はポンプ光とプローブ光の周波数差（離
調）がせいぜい１０ＧＨｚ程度以下の狭い範囲でしか得
られていない点である。これは離調が大きくなると、位
相共投光の変換効率（入射するプローブ光に対する圧力
される位相共投光の割合）が急激に小さくなるためであ
る。このため周波数変換はポンプ光の近くの１０ＧＨｚ
程度の狭い周波数範囲でしか行うことができない。また
、変換できる信号の速度はせいぜい数１００Ｍｂ／ｓ以
下で、これ以上の高速の信号を変換することは難しい。

また、周波数差が小さいためポンプ光と位相共投光とを
分離することも難しくなる。

これを改善し、周波数変換の範囲を拡大するために、上
述のＧ、　Ｇｒｏｂｋｏｐｆらは、ポンプ光との離調の
大きな第２のポンプ光を利用して周波数範囲をＩＴＨｚ
以上に拡大した。そこでも周波数変換媒質として進行波
型半導体レーザアンプを用いている。

位相共投光は第２のポンプ光の近くにも発生するので、
この位オ目共投光を取り出すことで周波数変換ができる
。この方法についても、上述の文献に説明がある。しか
し、この場合はポンプ光が２つ必要であり装置が複雑に
なるという欠点がある。また第２のポンプ光と位相共投
光の周波数差はやはり１０ＧＨｚ程度以下であるため、
変換できる信号速度が低いことや、第２のポンプ光と位
相共投光の分離の困難さは変わらない。

大きな離調領域で位相共投光を直接取り出す方法として
、Ｊ、　Ｇ、　ＰｒｏｖｏｓｔらはＡｌＧａＡｓ／Ｇａ
Ａｓファブリベロー型半導体レーザの共振周波数におけ
る増幅作用を利用している。これについてアブライドフ
イジツクスレターズ５５巻５１９頁（１９８９年）に記
載されているｏ　（Ｊ、　Ｇ、　Ｐｒｏｖｏｓｔ　ｅｔ
、　ａｌ、、ＡｐＨ，Ｐｈｙｓ、　Ｌｅｔｔ、。

ｖｏｌ、　５５　（１９８９）　５１９）。彼らは、ポ
ンプ光としては半導体レーザ自身の発振光を利用し、プ
ローブ光を発振光の隣の共振周波数の位置に注入した。

この時半導体レーザは単一軸モードで発振している。

ファブリペロ−型半導体レーザでは共振周波数が等間隔
で並んでいるので、位相共投光は発振光を中心にして、
プローブ光と対称の位置にある共振周波数の位置に発生
する。この共振周波数では、位相共投光は増幅され、大
きな信号を取り出すことができる。この方法で、１００
ＧＨｚ以上の離調領域で位相共投光を得ている。しかし
、通常のファブリペロ−型半導体レーザを利用するこの
方法では、ポンプ光の周波数を自由に制御して、位相共
投光の周波数を変化させることはできない。また、共振
周波数における増幅の帯域幅が１００ＭＨｚと非常に狭
いため、注入するプローブ光の周波数制御が難しく、か
つ帯域の大きな高速信号を変換することができない。さ
らに光通信で重要なＩｎＧａＡｓＰ／ＩｎＰファブリペ
ロ−型半導体レーザは単一軸モードで発振しにくいため
、発振光をポンプ光として利用できないという欠点もあ
る。

本発明の目的は、上述の従来例の欠点を改良し、周波数
変換範囲が広くとれ、かつ高速の信号を変換できる、周
波数変換装置を提供することである。

（課題を解決するための手段）本発明の半導体レーザアンプを利用した周波数変換装置
は（１）共振型半導体レーザアンプと、前記共振型半導体
レーザアンプにポンプ光とプローブ光を注入する手段と
、前記共振型半導体レーザアンプから位相共投光を取り
出す手段とを少なくとも備えており、前記プローブ光の
周波数は前記共振型半導体レーザアンプの共振周波数の
一つとほぼ一致しており、前記ポンプ光の周波数は、可
変でかつ前記プローブ光の周波数とは別の前記共振型半
導体レーザアンプの共振周波数の一つとほぼ一致してい
ることを特徴とする。

（２）共振型半導体レーザアンプと、前記共振を半導体
レーザアンプに特定の周波数の帰還光を帰還する手段と
、前記共振型半導体レーザアンプにプローブ光を注入す
る手段と、前記共振型半導体レーザアンプから位相共投
光を取り出す手段とを少なくとも備えており、前記プロ
ーブ光の周波数は前記共振型半導体レーザアンプの共振
周波数の一つとほぼ一致しており、前記帰還光の周波数
は、可変でかつ前記プローブ光の周波数とは別の前記共
振型半導体レーザアンプの共振周波数の一つとほぼ一致
していることを特徴とする。

（実施例）次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例の構成図であり、特許請
求範囲第１項に記された半導体レーザアンプの４光波混
合を利用した周波数変換装置を示す。変調されたプロー
ブ光（入力光）は、半透鏡５０を通して共振型半導体レ
ーザアンプ１０の片方の端面から注入される。ポンプ光
はポンプ用レーザ２０から光アイソレータ４０を通して
共振型半導体レーザアンプ１０のもう一方の端面から注
入される。プローブ光とポンプ光の偏波面は一致させる
必要がある。この時、共振型半導体レーザアンプ１０内
の４光波混合によって、プローブ光と同じ信号がのった
位相共投光が発生する。位相共投光（出力光）は半透鏡
５０を通して出力される。ここでは位相共投光をポンプ
光とプローブ光から分離するために周波数フィルタ３０
を導入している。

ここで第２図を利用して、それぞれの光の周波数の関係
と本発明の詳細な説明する。基本的には、共振型半導体
レーザアンプ１０の共振周波数における大きな増幅度を
利用して、離調の大きな場合の位相共投光を取り出し、
周波数変換を行っている。第２図の上の図は、共振型半
導体レーザアンプ１０の増幅度（利得）と周波数の関係
を模式的に表している。よく知られているように、共振
型半導体レーザアンプ１０は、注入光の周波数に対して
周期的な利得特性を有する。共振周波数は周波数軸上で
等間隔に並んでおり、この共振周波数で利得が最も大き
くなる。一つの共振周波数での利得の帯域幅は、内部利
得と端面反射率などで決まる。利得を低下させずに、利
得の帯域幅を広げるためには、端面反射率をある程度低
減（数％以下）すればよい。ただし端面反射率がゼロに
近くなると、共振の効果がなくなり、いわゆる進行波型
半導体レーザアンプとなる。従来例のところで説明した
ように、進行波型半導体レーザアンプを利用した４光波
混合では、内部の光強度を大きくできないため、離調の
大きな領域での位相共投光の変換効率が非常に小さい。

これが本発明で共振型半導体レーザアンプ１０を使用す
る理由である。共振型半導体レーザアンプ１０について
、例えば向弁らの詳しい報告がある（向弁他、電子通信
学会論文誌、Ｊ６９Ｃ（１９８６）　４２１）。今、変
調されたプローブ光が、共振型半導体レーザアンプ１０
の一つの共振周波数（ここではこの位置を０番とし、他
の共振周波数に第２図の様な番号をつけることにする）
の近くに注入されているとする。この時、ポンプ光をｎ
番目（ｎ＝±１゜±２．・・・）の共振周波数の近くに
注入する。すると共振型半導体レーザアンプ１０の４光
波混合によって、２ｎ番目の共振周波数の近くにプロー
ブ光と同じ変調をされた位相共投光が発生する。この位
相共役光は共振によって大きな増幅全受けるために、高
い周波数変換効率が得られる。ポンプ光の周波数を共振
周波゛数間隔で順に変化させれば、位相共投光の周波数
は共振周波数間隔の２倍の間隔で変化する。このように
して広い周波数範囲にわたって、周波数変換を行うこと
ができる。この場合の変換できる周波数は不連続である
が、共振型半導体レーザアンプｌＯの長さを長くすれば
、周波数間隔は狭くなるので、利用できる周波数の数を
大きくできる。例えば、１．５５□ｍ帯の共振型半導体
レーザアンプｌＯで長さを８００μｍとすれば、共振周
波数間隔は約５０ＧＨｚとなる。共振型半導体レーザア
ンプ１０の利得幅は数ＴＨｚあるので、利用できる周波
数の数は数１０以上となる。

第１の実施例では、共振型半導体レーザアンプ１０とし
て１．５５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ５／ＩｎＰ埋め込み
型半導体レーザレーザアンプを用いている。素子の長さ
は８００□ｍで、両端面は約２％の低反射コートがしで
ある。共振周波数での利得は、駆動電流を調整して、２
０ｄＢ程度にしである。利得の帯域は３０ＧＨｚ程度で
ある。プローブ光の周波数（波長１．５５μｍ）は、共
振型半導体レーザアンプの周囲温度を調節して、共振周
波数の一つに一致させている。ポンプ用レーザ２０とし
ては、周波数可変機能がある、いわゆる外部共振器型半
導体レーザを用いている。ポンプ光の波長は、ポンプ用
レーザ２０の回折格子を回転させることとレーザの周囲
温度を変えることによって、１，５μｍから１．６Ａ１
ｍまでほぼ連続的に変化させることができる。ポンプ光
の周波数をプローブ光の近くの共振周波数に合わせるこ
とで、ポンプ光に対して対称な位置に位相共投光が発生
する。発生する周波数範囲は１．５５μｍを中心として
ＩＴＨｚ以上ある。また共振周波数での利得の帯域が広
いので、Ｉ　Ｇｂ／ｓ以上の高速信号を変換できる。分
離用の周波数フィルタ３０としては、通常の回折格子を
用いている。

なお、この実施例において、ポンプ用レーザ２０として
は、集積型の周波数可変レーザなどを利用してもよい。

また、ポンプ光とプローブ光は共振型半導体レーザアン
プ１０のどちらの端面から注入してもよく、２つの光を
同じ端面から注入しても効果は変わらない。これらの場
合は、もちろん第１図の構成に対して、若干の光学系の
変更が必要である。また、位相共投光はどちらの端面が
らも取り出すことができる。

第３図は本発明の第２の実施例の構成図であり、特許請
求範囲第２項に記された周波数変換装置を示す。第１の
実施例と異なる点は、ポンプ光としてポンプ用レーザ２
０の光を使用するのではなく、変わりに共振型半導体レ
ーザアンプ１０自身の帰還光を利用する点である。共振
型半導体レーザアンプ１０の一つの共振周波数の光を選
択的に帰還すれば、その周波数の光だけが大きく増幅さ
れ、第１の実施例で外部からポンプ光を注入した場合と
同様な効果が得られる。ここでは、特定の周波数を選択
的に帰還するために、回折格子６０を用いている。回折
格子６０を回転させることで、帰還する光の周波数を変
えることができる。ただしここでは、帰還光の周波数は
、共振型半導体レーザアンプ１０の共振周波数にほぼ一
致するように選んでいる。共振型半導体レーザアンプ１
０と回折格子６０の組み合わせは、いわゆる外部共振器
型半導体レーザの構成と同じである。他の構成は第１の
実施例と同じである。この実施例は第１の実施例よりも
構成が簡単である。

第２の実施例でも、共振型半導体レーザアンプ１０とし
て１．５５μｍ帯のＩｎＧａＡｓＰ５／ＩｎＰ埋め込み
型半導体レーザアンプを用いている。回折格子６０を調
整することで、帰還光（つまりポンプ光）の周波数を制
御する。プローブ光は回折格子６０と反対側の端面から
注入する。その他の動作方法は第１の実施例で説明した
ものと同じである。この実施例でも第１の実施例と同様
な効果が得られる。

なお、第２の実施例では、帰還光の周波数制御に回折格
子６０を利用している力飄この変形として、回折格子６
０と共振型半導体レーザアンプ１０とを集積化したもの
を利用することもできる。このような集積素子は、周波
数可変分布ブラッグ反射型半導体レーザとして知られて
いる。この集積素子を利用する場合は、周波数可変範囲
は第２の実施例と比べて狭くなる力飄光学系の安定性が
いいという特長がある。周波数可変分布ブラッグ反射型
半導体レーザについては、例えばＳ、　Ｍｕｒａｔａら
の報告がエレクトロニクスレターズにある（Ｓ、　Ｍｕ
ｒａｔａ　ｅｔ、　ａｌ。

Ｅｌｅｃｔｒｏｎ、　Ｌｅｔｔ、、　ｖｏｌ、　２３　
（１９８７）　４０３）。

以上２つの実施例について詳しく説明してきたが、以下
で若干の補足をする。まず、共振型半導体レーザアンプ
１０を適当に選べば、上述の波長帯以外の波長帯、例え
ば１．３ｐｍ帯でも同様な周波数変換が可能である。ま
た、共振型半導体レーザアンプとして、量子井戸半導体
レーザアンプを利用することもできる。また、本発明の
周波数変換装置は、プローブ光の変調方式によらずに周
波数変換できるので、変調および復調にヘテロダイン検
波法を適用すれば、・周波数フィルタ３０は不要である
。

（発明の効果）以上説明したように本発明によれば、ＩＴＨｚ以上の広
い周波数変換範囲があり、かつＩＧｂ／ｓ以上の高速信
号が変換できる、周波数変換装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の構成図、第２図は動作
原理を説明するための図、第３図は第２の実施例の構成
図である。図において、１０は共振型半導体レーザアン
プ、２０はポンプ用レーザ、３０は周波数フィルタ、４
０は光アイソレータ、５０は半透鏡、６０は回折格子で
ある。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）共振型半導体レーザアンプと、前記共振型半導体
レーザアンプにポンプ光とプローブ光を注入する手段と
、前記共振型半導体レーザアンプから位相共投光を取り
出す手段とを少なくとも備えており、前記プローブ光の
周波数は前記共振型半導体レーザアンプの共振周波数の
一つとほぼ一致しており、前記ポンプ光の周波数は、可
変でかつ前記プローブ光の周波数とは別の前記共振型半
導体レーザアンプの共振周波数の一つとほぼ一致してい
ることを特徴とする周波数変換装置。
（２）共振型半導体レーザアンプと、前記共振型半導体
レーザアンプに特定の周波数の帰還光を帰還する手段と
、前記共振型半導体レーザアンプにプローブ光を注入す
る手段と、前記共振型半導体レーザアンプから位相共投
光を取り出す手段とを少なくとも備えており、前記プロ
ーブ光の周波数は前記共振型半導体レーザアンプの共振
周波数の一つとほぼ一致しており、前記帰還光の周波数
は、可変でかつ前記プローブ光の周波数とは別の前記共
振型半導体レーザアンプの共振周波数の一つとほぼ一致
していることを特徴とする周波数変換装置。