JPH1074999A - レーザパルス発振器 - Google Patents

レーザパルス発振器

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JPH1074999A
JPH1074999A JP8232074A JP23207496A JPH1074999A JP H1074999 A JPH1074999 A JP H1074999A JP 8232074 A JP8232074 A JP 8232074A JP 23207496 A JP23207496 A JP 23207496A JP H1074999 A JPH1074999 A JP H1074999A
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laser pulse
pulse oscillator
optical
laser
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Eiji Yoshida
英二 吉田
Masataka Nakazawa
正隆 中沢
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光パルスの繰り返し周波数を外部信号に同期
でき、長時間にわたって安定でかつ周波数が一定な高繰
り返し光パルス列を発生できるレーザパルス発振器を提
供する。 【解決手段】 レーザの出力の一部からレーザの共振器
長で決まる基本周波数の高次の整数倍に相当するクロッ
ク信号を抽出するクロック抽出器９と、クロック信号の
周波数によりレーザ共振器内に設置の光変調器６を駆動
する移相器１０・電気増幅器１１とを有する高調波−再
生モード同期レーザパルス発振器において、周波数が一
定に設定されているシンセサイザ１２からの外部信号と
クロック信号との位相差を検出する位相比較器１４と、
レーザパルス発振器の繰り返し周波数が外部信号と同期
するように共振器長を変化させる電歪素子１７と、位相
比較器１４で検出した位相差を電歪素子１７へ負帰還す
る電気フィルタ１５・電気増幅器１６とからなる位相同
期ループを設けた。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、超高速光
通信システムを構築するために必要となる高繰り返し短
パルスを、安定に発生させるレーザパルス発振器に関
し、特にレーザの出力の一部からレーザの共振器長で決
まる基本周波数の高次の整数倍に相当するクロック信号
を抽出し、このクロック信号の周波数によりレーザ共振
器内に設置された光変調器を駆動する高調波−再生モー
ド同期のレーザパルス発振器するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、モード同期技術を利用した光ファ
イバレーザにより、高繰り返し光パルスを発生させる研
究が盛んに行なわれている。
【０００３】図１は、特願平６−１４８２５１号で開示
された従来のレーザパルス発振器の構成の一例を示す。
図１において、１は希土類元素を添加した光ファイバ
（以下希土類添加光ファイバと記す）、２は希土類添加
光ファイバを励起するための励起光源、３は励起光を希
土類添加光ファイバに結合させる光結合器、４は出力を
取り出す光分岐器、５は光の進行方向を１方向に限定す
る光アイソレータ、６は光変調器、７は光フィルタ、８
は光分岐器、９はクロック抽出器、１０は移相器、１１
は電気増幅器である。
【０００４】図１のレーザパルス発振器において、高繰
り返し光パルスは次のようにして発生する。希土類添加
光ファイバ１を光結合器３を通して励起光源２で励起す
ると、光フィルタ７の透過帯域内で、光アイソレータ５
の順方向に連続光の発振が起こる。レーザの出力を光分
岐器４を通して取り出し、さらに光分岐器８で分け、そ
の一部を光受光素子、狭帯域電気フィルタ、および電気
増幅器からなるクロック抽出器９に入力する。次に、ク
ロック抽出器９によりレーザ出力から特定の周波数の正
弦波のクロック信号を抜き出し、移相器１０でそのクロ
ック信号の位相を調整し、電気増幅器１１でそのクロッ
ク信号を増幅した後、光変調器６に印加する。この結
果、共振器内ではクロック信号に同期した周波数で光が
強度変調される。
【０００５】一般に、共振器長をＬ、光ファイバの屈折
率をｎ、光速をｃとすると、共振器長で決まる基本周波
数ｆ0 ＝ｃ／（ｎＬ）の振幅変調を加えると、基本波で
のモード同期が実現され、さらに、変調周波数ｆをレー
ザの共振器長Ｌで決まる基本周波数ｆ0 のｑ倍（ｑは整
数）、ｆ＝ｑｆ0 ＝ｑｃ／（ｎＬ）に設定すると、基本
波のｑ倍の周波数で発振する高調波のモード同期が実現
できる。すなわち、レーザの共振器内にｑ個の光パルス
が等間隔に作られ、繰り返し周波数がｑｆ0 である光パ
ルス列が発生する。
【０００６】図１において、クロック抽出器９として１
０ＧＨｚのクロック抽出器を用いる場合を考える。基本
周波数ｆ0 の整数倍に一致しない１０ＧＨｚ付近のクロ
ック信号は、安定な光パルス列を発生できないため、ク
ロック抽出過程において消滅するが、基本周波数ｆ0 の
整数倍に一致したクロック信号は、変調周波数ｆと光パ
ルスの繰り返しが完全に一致するため、安定なパルス発
振が徐々に強められる。これが繰り返されると、最初は
雑音的であった、基本周波数の整数倍に一致したある１
つの１０ＧＨｚ付近のクロック信号だけが残る。すなわ
ち、余分な縦モードを抑制した１つのクロック信号だけ
で、光変調器６を駆動するようになり、１０ＧＨｚの高
調波モード同期が達成される。この従来の技術を高調波
−再生モード同期と呼ぶ。
【０００７】従来の高調波−再生モード同期レーザパル
ス発振器においては、温度変動等により共振器長が変化
し、光パルスの繰り返しが変化しても、常に出力光パル
スの繰り返しに同期した自らのクロック信号で変調を行
なうため、変調周波数と光パルスの繰り返しの間にずれ
が生じない。したがって、温度変動によって光パルスの
波形が劣化せず、長時間にわたって安定な高繰り返しの
光パルス列を発生できる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、かかる
従来のレーザパルス発振器においては、長時間にわたっ
て安定に光パルス列が発生するものの、光パルスの繰り
返しが共振器長の変動に応じてわずかに変化し、繰り返
し周波数が一定にならないという解決すべき課題があっ
た。さらに、レーザパルス発振器がそれ自身で発振して
いるために、レーザパルス発振器の繰り返し周波数が外
部信号と同期をとることができないという解決すべき課
題があった。
【０００９】これら課題をさらに詳細に説明すると、従
来の高調波−再生モード同期レーザパルス発振器では、
レーザ共振器内の温度変動により共振器長が変動し、そ
の結果として基本波が時間とともに変化する。光変調器
を駆動する変調周波数は、この共振器長の変化に追随し
た変調周波数に自動的に設定されるので、長時間にわた
って安定なパルス発振が継続するが、繰り返し周波数は
共振器長が長くなれば低くなり、共振器長が短くなれば
高くなる。例えばＬ＝２００ｍ、ｆ＝１０ＧＨｚとする
と、共振器内の温度が０．０１度（℃）変化した場合、
共振器長は２０μｍ変化し、その結果、繰り返し周波数
は１ｋＨｚ変動する。従来のレーザパルス発振器におい
て周波数が時間とともに変化する一例を図２に示す。図
２から分るように、周波数は共振器長の変動に応じて、
時間とともに不規則に変化している。また、この状況に
おいてはレーザパルス発振器は共振器長の変化によって
決まる変調周波数で自走発振しているため、外部信号に
繰り返し周波数を同期させることはできない。
【００１０】以上のように、従来の技術では、安定な高
繰り返しの光パルス列は発生するものの、光パルスの繰
り返し周波数が変動し、外部信号に同期した、周波数が
一定である光パルス列を発生させることは困難であっ
た。
【００１１】本発明は、上述の点に鑑みてなされたもの
で、その目的は光パルスの繰り返し周波数を外部信号に
同期でき、長時間にわたって安定でかつ周波数が一定な
高繰り返し光パルス列を発生できるレーザパルス発振器
を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】そこで、本発明では、光
パルスの繰り返し周波数を外部信号に同期でき、長時間
にわたって安定でかつ周波数が一定な高繰り返し光パル
ス列を発生できるようにするため、任意に光パルスの繰
り返し周波数が変動しているレーザにおいて、繰り返し
周波数の変動に追随して共振器長を変動させるようにし
た。
【００１３】具体的には、請求項１の本発明は、レーザ
の出力の一部からレーザの共振器長で決まる基本周波数
の高次の整数倍に相当するクロック信号を抽出するクロ
ック信号抽出手段と、そのクロック信号の周波数により
レーザ共振器内に設置された光変調器を駆動する駆動手
段とを有する高調波−再生モード同期レーザパルス発振
器において、周波数が一定に設定されている外部信号と
上記クロック信号との位相差を検出する位相差検出手段
と、レーザパルス発振器の繰り返し周波数が上記外部信
号と同期するように、上記共振器長を変化させる共振器
長変化手段と、上記位相差検出手段で検出した上記位相
差を上記共振器長変化手段へ負帰還する手段とからなる
位相同期ループを設けた。
【００１４】請求項２の本発明は、上記共振器長変化手
段は電歪素子にした。
【００１５】請求項３の本発明は、上記外部信号は、基
準信号発生器としてのシンセサイザと位相器とから生成
した。
【００１６】請求項４の本発明は、上記共振器長変化手
段へ負帰還する手段は電気フィルタと電気増幅器とから
なり、その電気フィルタの通過帯域を上記クロック信号
の周波数と上記外部信号の周波数の差周波成分のみが通
過できるように設定した。
【００１７】
【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。
【００１８】図３は本発明のレーザパルス発振器の一実
施形態を示す。図３において、本例のレーザパルス発振
器は、希土類添加光ファイバ１、希土類添加光ファイバ
を励起するための励起光源２、励起光を希土類添加光フ
ァイバに結合させる光結合器３、出力を取り出す光分岐
器４、光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ
５、光変調器６、光フィルタ７、光分岐器８、クロック
抽出器９、移相器１０、電気増幅器１１、シンセサイザ
（標準信号発生器）１２、移相器１３、位相比較器１
４、電気フィルタ１５、電気増幅器１６、および電歪素
子１７から構成される。上記１〜１１の構成要素は図１
の従来例とほぼ同様であるが、１２〜１７は本発明に係
る構成要素である。そして電歪素子１７は希土類添加光
ファイバ１と光分岐器４間に接続し、位相比較器１４は
クロック抽出器９に接続している。
【００１９】図３において、例えば、希土類添加光ファ
イバ１としてエルビウム添加光ファイバを用いると、レ
ーザの発振波長は１．５μｍ帯となる。励起光源２とし
ては、半導体レーザを用いることができる。光変調器６
としては、例えば、ニオブ酸リチウム製のマッハツェン
ダ型強度変調器、電界吸収型変調器、半導体レーザ変調
器などを用いることができる。
【００２０】以下、本レーザパルス発振器における高繰
り返し光パルス列の発生について説明する。
【００２１】希土類添加光ファイバ１を光結合器３を通
して励起光源２で励起すると、光フィルタ７の透過帯域
内で、光アイソレータ５の順方向に連続光の発振が起こ
る。レーザの出力を光分岐器４を通して取り出し、さら
に光分岐器８で分け、その一部を光受光素子、狭帯域電
気フィルタ、および電気増幅器からなるクロック抽出器
９に入力する。次に、クロック抽出器９によりレーザ出
力から特定の周波数の正弦波のクロック信号を抜き出
し、移相器１０でそのクロック信号の位相を調整し、電
気増幅器１１でクロック信号を増幅した後、光変調器６
に印加する。共振器内ではクロック信号に同期した周波
数で光が強度変調されるが、もともとこの光はレーザか
ら放出された信号なのでいつも最適に変調され、長時間
にわたって安定にパルス発振が継続する。出力パルスの
繰り返しを変化させるには、クロック抽出器で抽出され
るクロック信号の周波数を変えればよい。
【００２２】次に、繰り返し周波数の安定化（位相同
期）について説明する。
【００２３】クロック抽出器９から出力されるクロック
信号ｙ1(t)と、シンセサイザ１２から出力され移相器１
３によって位相φ2 だけ変化させた電気信号ｙ2(t)が位
相比較器１４に入力する。ここで、クロック信号をｙ
1(t)＝ａ sin(2πｆ1 ｔ＋φ1）、シンセサイザの信号
をｙ2(t)＝ｂ sin(2πｆ2 ｔ＋φ2 ）とする。ａ，ｂは
それぞれの電気信号の振幅、φ1 ，φ2 は位相、ｆ1 ，
ｆ2 はそれぞれクロック周波数およびシンセサイザの発
振周波数、ｔは時間を表す。位相比較器１４からの出力
信号ｙ3(t)は両者の掛け算で与えられ、次のようにな
る。
【００２４】
【数１】 ｙ3(t)＝ky1(t) y2(t) ＝kab cos (2π(f1-f2)t +φ1 - φ2 )) +kab cos (2π(f1+f2)t + φ1 + φ2 )) （１） ここで、ｋは変換定数である。位相比較器１４の出力は
クロック信号の周波数ｆ1 とシンセサイザの周波数ｆ2
の差（ｆ1 −ｆ2 ）を含む項と和（ｆ1 ＋ｆ2）を含む
項から構成されている。移相器１３によって
【００２５】
【数２】 φ2 ＝φ1 −π／２ （２） を満たすように位相φ0 を設定すると位相比較器１４の
出力ｙ3(t)は
【００２６】
【数３】 ｙ3(t)＝kab sin (2π(f1-f2)t) +kab cos(2π(f1+f2)t + 2φ1 - π/2)) （３） となる。電気フィルタ１５の通過帯域を差周波数成分
（ｆ1 −ｆ2 ）のみが通過できるように設定しておく
と、和周波数（ｆ1 ＋ｆ2 ）を含む高周波成分は電気フ
ィルタ１５で消滅するため、（３）式は
【００２７】
【数４】 ｙ3(t)＝kab sin (2π(f1-f2)t) ＝c sin (2πΔft) （４） となる。ここで、ｃ＝kab 、Δｆ＝ｆ1 −ｆ2 である。
【００２８】
【数５】
【００２９】として同期状態に近い場合、（４）式は
【００３０】
【数６】 ｙ3(t)＝ 2πc Δft （５） となり、位相比較器１４の出力はクロック信号とシンセ
サイザの周波数差に比例した電圧となる。シンセサイザ
１２の周波数ｆ2 は一定に固定されているため、位相比
較器１４の出力ｙ3(t)はクロック信号の周波数ｆ1 、す
なわちレーザパルス発振器の繰り返し周波数ｆ1 の変動
に比例した電圧となる。
【００３１】レーザパルス発振器が再生モード同期法に
より、最初繰り返し周波数ｆで発振している場合を考え
る。シンセサイザ１２の周波数はレーザの繰り返し周波
数ｆに設定する。共振器内の温度下降により共振器が短
くなり、レーザの繰り返し周波数が最初の繰り返し周波
数ｆよりも大きくなると、上記Δｆは正になる。逆に、
共振器内の温度上昇により共振器が長くなり、レーザの
繰り返し周波数が最初の繰り返し周波数ｆよりも小さく
なると、上記Δｆは負になる。
【００３２】電歪素子１７の伸び縮みと印加電圧との関
係をあらかじめ調べておき、式（５）の出力に応じてレ
ーザの繰り返し周波数ｆが大きくなりΔｆが正になった
ときは、周波数ｆが小さくなるように制御用電圧信号の
符号を調整して電気増幅器１６を通して電歪素子１７に
印加する。また、レーザの繰り返し周波数ｆが小さくな
りΔｆが負になったときには、周波数ｆが大きくなるよ
うに制御用電圧信号の符号を調整して電気増幅器１６を
通して電歪素子１７に印加する。このようにすると、電
歪素子１７を通してたえず負帰還がかかり、制御ループ
が
【００３３】
【数７】
【００３４】の周りに安定化される。すなわち、レーザ
の発振周波数ｆ1 がシンセサイザ１２の周波数ｆ2 に固
定される位相同期ループが形成される。
【００３５】このような位相同期ループを設けることに
より、光パルスの繰り返し周波数ｆ1 の変動に追随して
共振器長が変化し、その結果、共振器長が自動的に一定
に保たれ、シンセサイザ１２の外部信号に同期した繰り
返し周波数ｆ1 でレーザパルス発振器が動作する。その
結果、周波数ｆ1 は温度変動に依存せずに長時間にわた
って常に一定になる。例えば、シンセサイザ１２を１０
ＧＨｚに設定したときの周波数変化の一例を図４に示
す。従来のレーザパルス発振器とは異なり、共振器内の
温度の変化の如何にかかわらず、周波数は時間とともに
変動しない。
【００３６】本発明のレーザパルス発振器においては、
外部信号に同期した固定した繰り返し周波数でパルス発
振しているので、従来の技術で問題となっていた光パル
スの周波数変動を抑制でき、長時間にわたって安定な高
繰り返し光パルス列を発生できる。
【００３７】図５は図３のクロック抽出器９の構成の一
例を示し、図６は他の構成例を示す。クロック抽出器９
は図５に示すように、光学光素子９−１と狭帯域電気フ
ィルタ９−２で構成できるが、図６に示すように、これ
に更に位相比較器９−３と電圧制御発振器９−４とを付
加して、位相同期ループ回路を構成しても好ましい。
【００３８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高調波−再生モード同期により高繰り返し光パルス列を
発生させるレーザパルス発振器において、周波数が一定
に設定されている外部信号を用い、この外部信号と光変
調器を駆動するクロック信号との位相差を検出し、この
検出した位相差に応じてレーザパルス発振器の繰り返し
周波数が外部信号と同期するように共振器長を自動的に
制御する位相同期ループを設けたので、長時間にわたっ
て周波数が一定で、かつ安定な高繰り返しの光パルス列
を発生できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のレーザパルス発振器の構成を示す構成図
である。
【図２】従来のレーザパルス発振器における光パルスの
周波数変化の一例を示すグラフである。
【図３】本発明のレーザパルス発振器の構成の一例を示
す構成図である。
【図４】本発明のレーザパルス発振器における光パルス
の周波数変化の一例を示すグラフである。
【図５】図３のクロック抽出器の一例を表すブロック図
である。
【図６】図３のクロック抽出器の他の例を示すブロック
図である。
【符号の説明】
１ 希土類添加光ファイバ（希土類元素を添加した光フ
ァイバ） ２ 希土類添加光ファイバを励起するための励起光源 ３ 励起光を希土類添加光ファイバに結合させる光結合
器 ４ 出力を取り出す光分岐器 ５ 光の進行方向を１方向に限定する光アイソレータ ６ 光変調器 ７ 光フィルタ ８ 光分岐器 ９ クロック抽出器 １０ 移相器 １１ 電気増幅器 １２ シンセサイザ（標準信号発生器） １３ 移相器 １４ 位相比較器 １５ 電気フィルタ １６ 電気増幅器 １７ 電歪素子 ９−１ 光学光素子 ９−２ 狭帯域電気フィルタ ９−３ 位相比較器 ９−４ 電圧制御発振器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 レーザの出力の一部からレーザの共振器
    長で決まる基本周波数の高次の整数倍に相当するクロッ
    ク信号を抽出するクロック信号抽出手段と、該クロック
    信号の周波数によりレーザ共振器内に設置された光変調
    器を駆動する駆動手段とを有する高調波−再生モード同
    期レーザパルス発振器において、 周波数が一定に設定されている外部信号と前記クロック
    信号との位相差を検出する位相差検出手段と、 レーザパルス発振器の繰り返し周波数が前記外部信号と
    同期するように、前記共振器長を変化させる共振器長変
    化手段と、 前記位相差検出手段で検出した前記位相差を前記共振器
    長変化手段へ負帰還する手段とからなる位相同期ループ
    を設けたことを特徴とするレーザパルス発振器。
  2. 【請求項２】 前記共振器長変化手段は電歪素子である
    ことを特徴とする請求項１に記載のレーザパルス発振
    器。
  3. 【請求項３】 前記外部信号は、基準信号発生器として
    のシンセサイザと位相器とから生成されることを特徴と
    する請求項１または２に記載のレーザパルス発振器。
  4. 【請求項４】 前記共振器長変化手段へ負帰還する手段
    は電気フィルタと電気増幅器とからなり、該電気フィル
    タの通過帯域を前記クロック信号の周波数と前記外部信
    号の周波数の差周波成分のみが通過できるように設定し
    ていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
    記載のレーザパルス発振器。
JP8232074A 1996-09-02 1996-09-02 レーザパルス発振器 Pending JPH1074999A (ja)

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