JPS63261120A

JPS63261120A - 光パルス発生回路およびスペクトル測定装置

Info

Publication number: JPS63261120A
Application number: JP9453987A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Yamabayashi; 由明山林; Atsushi Takada; 篤高田
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1987-04-17
Filing date: 1987-04-17
Publication date: 1988-10-27
Anticipated expiration: 2013-08-27
Also published as: JP2791771B2

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、角度分散素子対を利用した任意の波形の超短
光パルスを発生する光パルス発生回路およびこの超短光
パルスを発生する半導体レーザのスペクトル特性測定装
置に関する。

〔従来の技術〕

超短光パルスは大容量超高速光パルス伝送への応用だけ
でなく、高速光現象の観測方法の一つである光サンプリ
ング法におけるサンプリング光源として用いられる。

このような応用分野において望みの形状の波形を発生す
ることが必要であり、また、長距離大容量光ファイバ伝
送において、その光パルス光源となる半導体レーザのモ
ード安定性をさらに高めることが求められている。

長距離大容量光ファイバ伝送方式において光パルス光源
として用いられる単一モード半導体レーザのスペクトル
は厳密な意味では単一モードとはなっていない。はとん
どのレーザは方式要求を満たす単一モードを有している
が、ある一部のレーザは特定の温度、バイアス条件にお
いて主モードとは波長の異なる副モードが強く光る場合
がある。

この副モードの発振現象は発明者らの観測によれば、顧
繁におきる場合でも１０−６程度の確率で発生するため
、平均パワーとしては非常に弱く、直流的なスペクトル
測定では把握することが困難であった。

しかし、方式上は１０−１２以上の確率で発生ずる副モ
ード発光を許容することはできない。

そこで、この副モード発光現象の観測では、動的なスペ
クトル測定が必要となるが、従来は第２図に示す測定装
置によって半導体レーザの動的スペクトル測定を行って
いた。

第２図に示す半導体レーザのスペクトル測定装置は、信
号源を含む駆動回路１１によって変調発振する半導体レ
ーザ１２からの出力光を光ファイバ１７で取り出して分
光器１３に与え、この分光器１３で分光されたスペクト
ル成分を光検出器１４で検出し、カウンタ１５で計数す
るものである。この半導体レーザ１２は恒温槽１６に入
れられており、方式上京められる温度領域にわたりその
半導体レーザの発振スペクトル成分が、計測できる。カ
ウンタ１５は駆動回路１１の信号源に同期し、入力パル
スでトリガされる構成であり、雑音による無用なトリガ
を避けるためトリガレヘルは主モードのパルスの半分程
度にする必要がある。なお、このカウンタ１５は方式上
の伝送ビットレートのクロック周波数程度の帯域を持つ
パルスを測定することができるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、このスペクトル測定装置では、分光器１
３の波長分解能を数オングストロームにしたうえで、測
定波長を走査し、主モード以外の波長領域でパルスが計
数されないことを確認する必要がある。この際方式上京
められる温度領域にわたり、光源温度を変化させる必要
があり、このような従来の半導体レーザのスペクトル測
定方法ではその測定に膨大な時間がかかる欠点があった
。

また、分光器は、所望の波長成分を抽出することができ
るが、その他の成分は通常のレン□ズのような素子で集
光しても波長により異なった位置に焦点を結ぶので、こ
れらの波長成分を再び単一の焦点に集光さ一ザることは
できなかった。

この単一の焦点に集光しない問題を解決する方法として
、光検出器を多数ならべて異なった位置に焦点を結ぶ波
長成分の光を検出する方法が考えられるが、特性の揃っ
た光検出器を密に配置し、それらの膨大なチャネルの出
力信号を処理することは装置が複雑になり実現性が疑わ
しい。

分光器を使用しない方法としては、数十岬程度の厚さの
ファブリ・ペロー・エタロンを用いて特定の波長成分を
除去することはできるが、この波長を変化させるために
はエタロンの厚みを少なくとも半波長以上変化させねば
ならず、これが可能なエタロンは現在のところ存在しな
い。

また、超高速光パルスを発生するための半導体レーザか
らの光パルスの波形は、半導体レーザの物性値によって
定まり、はぼローレンツ形波形の光パルスとなっている
ので、測定やサンプリング等で必要とする波形の光パル
スは波形整形あるいは圧縮をおこなって必要な波形の光
パルスとして出力させる必要があった。

とコロで、平行ビーム光のスペクトル成分を抽出する方
法として、回折格子で回折された入射光をレンズでその
単一の焦点に集光し、時間フーリ工成分を空間的に分散
し、この分散された波長成分をフィルタ等を用いて調整
して合成し、光パルスの波形整形を行う技術が提案され
た。

文献、「分光器を用いた光パルスの整形」加木信行　江
馬−弘　清水冨士夫　田中俊−昭和６２年３月３０日　
応用物理学会関係連合講演会講演番号３Ｏ−ＺＧ−１本発明は、この回折格子とレンズを用いた光パルスの整
形技術を利用し、超高速光パルス発生回路において、任
意の波形の光パルスを得ることができる光パルス発生回
路および波長領域の走査を必要とせずに測定時間を短縮
する半導体レーザのスペクトル特性測定装置を提供する
ことを目的とする。

〔問題点を解決するだめの手段〕

第一の発明は、平行ビーみ光を発生する光パルス発生部
と、この平行ビーム光が入射され平行ビーム光が出射さ
れる角度分散素子対と、この出射される平行ビーム光の
光パルス圧縮を行う光ファイバとを備え、上記角度分散
素子対の光路中に特定スペクトルの光路を遮断する濾波
器が配置され、この濾波器に焦点を結像するレンズが設
＆Ｊられたことを特徴とする。

第二の発明は、平行ビーム光を発生ずる光パルス発生部
と、この平行ビーム光が入射され平行ビーム光が出射さ
れる角度分散素子対と、出射光を検出する光検出手段と
を備え、」１記角度分散素子対の光路中に特定のスペク
トルの光路を遮断する濾波器が配置され、この濾波器に
焦点を結像するレンズが設けられたことを特徴とする。

この第二の発明では、濾波器が光吸収体または光検出器
であることが好ましい。

〔作用〕

回折格子で波長分散された光ビームは波長によって平行
にずれるが、ビーム径より大きいレンズで集光すれば単
一の焦点に集光できる。

本発明は、この現象を利用し、単一の焦点に集光された
波長成分の光路を濾波器で遮断することにより光ビーム
の特定の波長領域を選択することができる。

この特定波長領域の光路を遮断することにより、半導体
レーザから発生されたほぼローレンツ形波形の光パルス
を任意の波形の光パルスに整形して出力することができ
る。

また、特定波長領域の光を光吸収体で吸収することによ
り、測定すべき波長成分を取り出すことができ、特定の
波長領域の光を光検出器で検出することにより半導体レ
ーザの動的なスペクトル特性を測定することを可能とす
る。

〔実施例〕

以下本発明の詳細な説明する。

第３図は本発明が利用しているレンズと回折格子対とを
用いた光パルスの波形整形用光回路の原理を説明するも
のである。

この波形整形用の光回路は、回折格子１と２とが形成す
る回折格子間隔の４分の１の焦点距離（ｆ）を有する２
枚の凸レンズ３．４を回折格子１．２からそれぞれ焦点
距離だけ離して配置し、このレンズ３と４との間の焦点
面に光の振幅および位相を変調する空間分布フィルタ５
が配置されたものである。

このとき、回折格子対の中央で光軸に垂直の面はいわゆ
るフーリエ面となる。すなわち、フーリエ面における位
置座標は空間周波数座標に対応するが、この場合波長座
標がフーリエ面上における位置座標に対応する特徴があ
る。

このフーリエ面上に光の振幅および位相を変調する空間
分布フィルタ５が配置されているため、入力光パルスは
この空間分布フィルタ５を通過することにより、波長軸
上で変調された後、第２の回折格子２により波長合成さ
れる。

その結果、出力光パルスは空間分布フィルタ面での透過
光強度、位相の空間分布の逆フーリエ変換波形となって
出力され、光パルスの波形を整形し、また波形圧縮をす
ることが可能である。

なお、それぞれのレンズは一つのものとして表されてい
るが色収差を除くためにレンズ群として構成すれば実現
可能であり、また、この光回路は狭い周波数帯域の光ビ
ームに使用されるので、色収差の問題が影響することは
少なく、実用性には問題がない。また、空間分布フィル
タとしては、空間分布振幅フィルタと空間分布位相フィ
ルタとの同時使用あるいは片方のみを使用することがで
きる。

以下に具体的にこの原理を利用した本発明の詳細な説明
する。

（実施例１）第１図は本発明の任意波形の光パルス発生回路の構成を
示すものである。

半導体レーザ１２は、変調信号源を含む駆動回路１１に
より駆動され、その光パルス出力は平行ビーム光として
回折格子Ｉ、２、レンズ３．４、空間分布フィルタ５か
ら構成される光回路に入射される。この光回路からの出
射平行ビーム光は光パルス圧縮用の光ファイバ１７を通
って、出力光パルスとして出力される。

半導体レーザ１２は、駆動回路１１によりゲインスイッ
チング法、により駆動されて光パルスを出力する。この
ほぼローレンツ形波形で出力された光パルスは回折格子
１で回折されレンズ３で集光されて、その焦点面が光周
波数のフーリエ面となる。

このフーリエ面が位置座標となった光周波数面に配置さ
れた光の振幅調整を行う空間分布振幅フィルタと光の位
相調整を行う空間分布位相フィルタからなる空間分布フ
ィルタ５により、特定の波長領域の変調が行われる。こ
の変調が行われた光パルスはレンズ４、回折格子２を介
して、平行光ビームとなり、光パルス圧縮を行う正常分
散性を有する光ファイバ１７を通過し、所望の波形の出
力光パルスとして取り出される。

この光ファイバ１７は半導体レーザ１２により発生した
光パルスにともなっている長波長側への波長チャーピン
グを補償し、パルス波形を圧縮するものである。なお、
一つの光パルスはその中で中心波長が偏移しており、発
振波長が時間的に変化する現象をチャーピング止いう。

この光ファイバ１７の波形圧縮機能は、前述の空間分布
フィルタ５の空間分布位相フィルタで果たすことが原理
的には可能であるが、実際には大きな位相偏移が必要で
あり、現実的にはそのような空間分布フィルタを実現す
ることはできないため、波形整形を行う光回路の外部に
波形圧縮用の正常分散性を有する光ファイバ１７を結合
する。

この構成により半導体レーザ１２により発振された光パ
ルスを任意の波形の光パルスとして出力することができ
る。

（実施例２）第４図は第２図に示す半導体レーザのスペクトル特性測
定装置において、分光器１３として前述の光回路を用い
、この光回路のレンズの焦点のフーリエ面上に空間分布
フィルタ５として大きさａの光吸収体８を配置したもの
である。

このとき、回折格子の溝間隔をｄ、回折次数をｍとした
とき、この光吸収体８には、（ａ　ｄ）／　（２ｍｆ）の式で与えられる波長幅の光が吸収される。

一般的な値として回折格子の溝が６００本／ｍｌ、焦点
距離が５ｃｍとすると３０ｔｒｍの光吸収体がｌｎｍ幅
の光を吸収する。すなわち、回折格子対から出射される
光はこのｌｎｍのスペクトルが除かれた光となっている
。

ただし、第４図に示すように、ここでは回折光が回折さ
れる角度がほぼ垂直になっているという近似をしている
。この吸収すべき波長は回折格子への入射角を調節する
ことによって選択することができる。

この第４図に示す光回路の光学系は回折格子対の中央面
に対して左右対称となっているので、中央面を平面鏡６
とし、その面内に光吸収体８を配置する構成とすれば、
第５図に示すようにさらに光学系が簡略化できる。

長距離大容量光ファイバ伝送方式において発信光源とし
て用いられるパルス変調された単一モード半導体レーザ
の主モードのスペクトルは、その裾まで含めると数オン
グストローム程度あるが、本実施例により主モード以外
のスペクトル成分を平行ビーム光として取り出すことが
できるので、レンズで単一の焦点に集光し、半導体レー
ザの副モードのスペクトルを測定できる。

上述の光吸収体８を使用する光回路を第２図に示す半導
体レーザの動的スペクトル特性の測定装置の分光器１３
の代わりに適用することにより分光器１３が不要となる
とともに、波長領域での走査も同時に不要となり、半導
体レーザの動的スペクトル特性の測定時間を大幅に低減
できる効果が得られる。

なお、本実施例において、凸レンズ３．４の代わりに凹
面鏡を使用してもよいし、さらに、回折格子１．２その
ものが集光機能を有する凹面形状であってもよい。木質
的に回折格子とレンズが光学的にフーリエ変換機能を果
たしていればよい。

（実施例３）本発明の実施例３は、実施例２の光吸収体に代えて光検
出器を用いたものである。

この場合、第５図に示す平面鏡６上に光吸収体８を配置
し光路を折り返した構成を使用するのが便利である。も
ちろん実施例２の第４図に示す回折格子の中間に配置さ
れた光吸収体８に代えて光検出器を置き換えてもよいけ
れども、その場合は、ガラスのような透明な基板に光検
出器をマウントする必要があり、そのような光検出器を
作製することは技術的に難しく、経済的ではない。

また、第６図に示すように、レンズ３．と４との中間の
フーリエ面に小さい鏡９を配置し、この鏡で反射された
波長部分を光検出器１０で検出する構成としてもよい。

第７図に折り返し構成を用い光検出器を配置した具体的
な半導体レーザのスペクトル測定装置の構成を示す。

平面鏡６にスリットを設け、そこに光検出器２０を配置
する。また、ハーフミラ−７から出力された出力光ビー
ムを光検出器１４で検出する。駆動回路１１より出力さ
れる信号により駆動される半導体レーザ１２から出力さ
れた入力ビーム光は回折格子１、レンズ３、平面鏡６で
構成される光回路を経てハーフミラ−７から出力され、
光検出器１４で検出される。

同じく平面鏡６のスリットに設けられた光検出器２０で
ある特定の周波数の光が検出される。光検出器２０の出
力はカウンタ２１で計数され、光検出器１４の出力はカ
ウンタ１５で計数される。カウンタ２１の出力と駆動回
路１１の信号源の出力は排他的論理和回路２２で排他的
論理和がとられその出力はカウンタ２３で計数される。

カウンタ１５とカウンタ２３はしきい値制御器２４によ
り調整されている。

いま、光検出器２０で主モードのパワーのみが検出され
、残りのスペク１−ルのパワーは光検出器１４で検出さ
れる。光検出器２０からの出力パルスをカウンタ２１で
計数し、そのカウンタ２１の出力と駆動回路１１の信号
源からの信号の排他的論理和がとられ、しきい値制御器
２４は排他的論理和回路２２の出力が零もしくは最小と
なるようにカウンタ２１のしきい値を調整する。この排
他的論理和回路２２の出力パルスを別のカウンタ２３で
計数すると主モードのパルスの欠落による誤りを計数す
ることができる。

一方、主モード以外の波長のモード出力パルスを計数す
るカウンタ１５のしきい値をカウンタ２１のしきい値と
同一しとすれば自動的に最適化することが可能である。

これにより主モードにおけるパルスの欠落と副モードの
発光の両方の原因により生ずるパルス誤りを同時に計数
することができる。

なお、二つの光検出器１４．２０は同し特性を有するも
のであることが望ましいけれども、その特性が異なる場
合は、後段に補償用の増幅器を配置すればよい。

上述の光検出器１４．２０を用いたスペクトル測定装置
は、単一モード光源の波長安定化回路の一部として利用
することができる。すなわち、第８図に示すように、小
さい平面鏡３０が主モードを反射するようにあらかじめ
調整しておき、この平面鏡３０の両側に２個の光検出器
３１．３２を配置する。この光検出器３１と３２の出力
は帰還回路３４に入力され、帰還回路３４の出力は単一
モード光源３５を制御する。

光回路の出力ビームは光ファイバ３６に入力される。

この構成で、主モードの光は安定しているときには光検
出器３１および３２では検出されない。しかし、周囲温
度の変動により主モードの発振波長が長波長側へ変化す
れば光検出器３１が、短波長側へ変化すれば光検出器３
２が主モードパワーを検出するため、帰還回路３４でこ
れらの信号を減少する方向に帰還をかければ単一モード
光源３５の発振周波数安定化を図ることができる。

この単一モード光源の安定化回路は、例えば波長多重伝
送において、波長変動によるクロストークの増加を抑圧
するための光源安定化回路として利用することができる
。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は任意の波形の超短光パル
スを発生することができるとともに、半導体レーザの動
的スペクトル測定を大幅に省力化でき、短時間に行うこ
とができる。

本発明を利用して、大容量光伝送方式の発信光源のモー
ド安定化を図ることができ、また測定用の任意の波形の
光パルスを得ることができる。

さらに、本発明の光回路を用いた動的スペクトル測定系
を波長多重された光ローカルエリアネットワーク中に挿
入することにより、特定の波長成分だけを送受信するノ
ードに応用することを可能にした。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明実施例１を示す構成図。第２図は従来例半導体レーザのスペクトル測定装置の構
成図。第３図は本発明の波形整形の原理を示す図。第４図は本発明実施例２の光回路の構成を示す図。第５図は本発明実施例２の光回路の変形例を示す構成図
。第６図は本発明実施例３の光回路を示す構成図。第７図は本発明実施例３を使用する半導体レーザのスペ
クトル特性の測定装置の構成図。第８図は本発明実施例３を使用する半導体レーザの波長
安定化回路の構成図。ｌ、２・・・回折格子、３．４・・・レンズ、５・・・
空間分布フィルタ、６、・・・平面鏡、７・・・ハーフ
ミラ−１８・・・光吸収体、９・・・反射鏡、１０．１
４．２０．３１．３２・・・光検出器、１１・・・駆動
回路、１２・・・半導体レーザ、１３・・・分光器、１
５．２１．２３・・・カウンタ、１７．３６・・・光フ
ァイバ、２２・・・排他的論理和回路、３ｏ・・・平面
鏡、３４・・・帰還回路、３５・・・単一モード光源。２　υ 実施例光パルス余生口跡箒　１　Ｍ〕ζミカ１クイ列Ｌ［弓１ｊイごト説明図第　３　口大廃例２光回塔尾　４　図大別例２先回路篇　５　回大箱例３九回裕肩　６　図手続補正書昭和６２年６月２５日１、事件の表示昭和６２年特許願第９４５３９　　号２、　発明の名称光パルス発生回路およびスペクトル特性測定装置３、補
正をする者事件との関係　　特許出願人住　所　　東京都千代田区内幸町１丁目１番６号名　称
　　（４２２）日本電信電話株式会社代表者　真　藤　
　　恒４、代理人住　所　　東京都練馬区関町北二丁目２６番１８号　、
−ｍ−２、。氏名　弁理士（７８２３）井出直孝　２′、フッ８、補
正の内容図面を添付する図面のとおり補正する。９、添付書類図面（第１図、第３図および第６図）　　１通大別４列
光７回肩蚕説明図肩　３　ｌ入箱４９１ｊ３光回塔 ′Ｍ　６　図

Claims

【特許請求の範囲】

（１）平行ビーム光を発生する光パルス発生部と、この
平行ビーム光が入射され平行ビーム光が出射される角度
分散素子対と、この出射される平行ビーム光の光パルス圧縮を行う光フ
ァイバとを備え、上記角度分散素子対の光路中に特定スペクトルの光路を
遮断する濾波器が配置され、この濾波器に焦点を結像するレンズが設けられたことを特徴とする光パルス発生回路。
（２）平行ビーム光を発生する光パルス発生部と、この
平行ビーム光が入射され平行ビーム光が出射される角度
分散素子対と、出射光を検出する光検出手段とを備え、上記角度分散素子対の光路中に特定のスペクトルの光路
を遮断する濾波器が配置され、この濾波器に焦点を結像するレンズが設けられたことを特徴とするスペクトル測定装置。
（３）濾波器が光吸収体である特許請求の範囲第（２）
項に記載のスペクトル測定装置。
（４）濾波器が光検出器である特許請求の範囲第（２）
項に記載のスペクトル測定装置。