半導体 レーザの コ ヒー レン ト光位相同期 ループ の 開発 大津 充 ― 東京工業大学 大 学院総合理工学研究科 物理情報工学専攻 助 教授 1 . は じめに コ ヒー レン ト光通信、 コヒー レン ト光計測なと、 レーザの コ ヒー レンスを積極的 に利用する光 応用 システムにおいて光位相同期 の開発は必須である。木研究では半導体 レーザのヘ テ ロダイン 形お よびホモダイン形光位相同期 ループを構築す ることを目的 とする。 2 . 半 導体 レーザの発振 スペク トル線幅狭窄化 光位相同期 ループ ( O P I フ1 ン ) を 実現す るためには発振 スペ ク トル線幅の狭 い ( 周波数揺 らぎ の少 ない) 半 導体 レーザを使 う必要がある。従来 の 半導体 レーザの線幅 は数M H z で あ り、 これ 実現 しな い。そ こで、我 々は半導体 レーザの注入電流を制御す る ( 電気的負帰還 法) こ とによ り線幅 2 5 0 H z を得た。 さ らに、外部の高 Q フ ァブ リ ・ペ ロー共振器か らの戻 り 光を半導体 レーザに注 入す る方法 ( 光帰還法) を 補助的 に用 いた電 気的負帰還法 により、線幅 ではO P L L は 7 H z を 得 た. 1.0 ５ ０ ．． ⊆一 ︵コ∞︶ぁ〓のＣＯヤ ― 卜1トー7 Hz Frequency 50Hz/div 図 1 自 動制御 され た 半導体 レーザの発振 スペ ク トル形状 図 1 に その発振 スペ ク トル形状 を示す。 また、 この 制御 によ り制御帯域 内へ の 光 パ ワー集 中率 は9 8 % に 及 ぶ ことが 確認 された。 つ ま り、周波数揺 らぎの 高速成分 も十分 に抑圧 された。 3 . ヘ テ ロダイ ン形光位相 同期 ル ー プ 前節で実現 した超 高 ヨ ヒー レン ト半導体 レーザを主 レーザ と して 用 い、 もう一 つの半導体 レー ザ ( 従レーザ) と の 間で ヘ テ ロ ダイン形 光位相同期 ル ー プを構成す ることを試みた。 ― - 7 Spectrum Analyzer OscllloscOpe (Master) ー 田 2 ヘ テ ロ ダイ ンT'光位相同期 ル プの実験装 置 図 2 の よ うに局部発振器 と して周波数安定 なマ イクロ波発振器 を利用す る。 この場合、 O P L ー Iフ 実現 時 には■ レーザ と従 レ ザ との 周波数値 は局部発振器 周波数 に等 しくなる。 O P I ソ L の 実 現 のための ル ー ブ フ ィル タな どは回路解析 の手法 を用 いて最適設計 した. ン︻ やヽいｏｏ︻ 一 一 111(lIZ/tliVi 1ll(1lZ/tliV 図 3 ( a ) 局 部発振器 の 発振 スペ ク トル形状 (b)光 位相同期時 の二 台 の レーザ間の ヘ テ ログイ ン信号 スペ ク トル形状 8 - はO P L L 実 は局部発振器 の 発振 スペ ク トル形状 の測定結果、( b ) に 現時 の両 レーザ 間 図 3(a)に のヘ テ ロ グイ ン信 号 スペ ク トル形状 を示す。( b l の 形状 とよ く一 致 してお り、良好 な 形状 は( a ) の の実現が確認 され た。 なお、 これ らの形状 の線幅 はスペ ク トラムアナライザの分 解能 に OPIフ Iン よ り制限 されて い る( , 10-13 10-15 六 や︶ じ ｀ ヽ ふ 10-17 ざヽ、ヽ 10 19 10-3 10-2 lo0 10-1 101 て 102 (sec) 図 4 ヘ テ ロダイ ン信号 の 残留周波数揺 らぎを表す分散 の平方根 横軸 は測定 の 積分時間。縦軸 は分散 の平方根であるが、 これ は光 の周波数値 ( 3 6 1 T H z ) で規 格化 してあ る。 白丸 は測定値。実線 は白丸 に最小 自乗 当て はめを行 った結果。破 線 は局 部発振器 の 周波数揺 らぎの測定値 次 にO P L I フ の性能 を定量的に評価す るためにヘ テ ロダイ ン信号周波数 の 残留揺 らぎ量を測定 した。図 4 の 白丸および実線 はその揺 らぎの 分散値 の平方根 の測定結果 を示す。 一 方、破線 は局 部発振器 の値 であ る。縦軸 は光周波 数値 で規格化 した分散値 の平方根を、横軸 は測定の積分時間 で あ る。積分時間7 0 s で は白丸 の値 は1 . l X 1 0 1 8 とな って い る。 つ ま り、 ヘ テ ロダイ ン信号周 波数揺 らぎは 0 . 4 m H z ま で抑圧 されて いることを示 して い る. こ の値 か らヘ テ ロダイ ン信号 の 残留位相揺 らぎの分散値を計算す ることがで き、その結果 0 . 0 2 r a d 2 で ぁ ることがわか った。 つ ま り、l r a d 2 以 下 の値 が 得 られ、 O P L L の 実現 が 再確認 された。 さ らに、 この結果か ら 従 レーザの全光 パ ワーの うち、主 レーザ と位相同期 して いる割合を計算す ることがで き、その値 と して9 9 % を 得た。 この値 もきわ めて良好 なO P L L の 実現 を証明 して いる。以上 によ りO P L L の 性能が定量的 に評価 された。 なお、 白丸 と破線 との比較 によると現在 の O P L L の 性能 は局 部発振器 の性能 によ り制限 され て い ることがわか るc 従 って 、 よ り高性能 の局部発振器 を使えば O P L I 夕 の性能 はよ り向上す る - 9 - の 値を もとに図 3 ( b ) の 真の スペ ク トル線幅 が推定で き、約 2 0 m H ことが 期待 され る。 なお、白ナと z の 値 が得 られ る3 4 . ホ モダイ ン形光位相同期 ル ー プ を軽減 し、デ ー タ伝送容 量をよ り増 次 に、 コ ヒー レン ト光通信 システムにおいて受信系 の 負i 巳 大 させ るた めに必 要 な O P I フ L 、 す なわ ち、 ホモ ダイ ン形 O P I ン L 、 を実現す ることを試み た。 detector RF Spectrum Analyzer ー 図 5 ホ モ ダイ ン形光位相同期 ル プの実験装 置 図 5 に 示す よ うに二つの 光検出器を用 いて バ ラ ンス形光位相検 出器 と して用 いた。 その他、 ル プフ ィル タな どの最適設計 は前節 と同様 に行 った。 N10-8 呂 ＼ ■ 付 白 ■Ｌ ヽ︶ 碕 ︵ 10 10 10-12 0.0 2 . 5 r 5 . 0 lMH幻 ー 図 6 ホ モ ダイ ン信号 の 残留位相揺 らぎの パ ワ スペ ク トル密度 の測定結果 - 10 - ー その 結果、図 6 の よ うに残留位相揺 らぎの パ ワー スペ ク トル密度が得 られた。 制御帯域 1 . 5 M H z 内 で 位相揺 らきが著 しく減 少 して い ることがわか る。 この実験結果よ り残留位相揺 らぎの分 散値 は0 . 0 2 r a d 2 、 従 レーザの光 パ ワーの うち主 レーザに位相同期 された割合 は9 8 % 、 と見積 られ、 良好 なホモ ダイン形 O P I フ I ク が実現 した ことが 確認 された. なお、上記の帯域 は コ ヒー レン ト光 システムヘ の 応用上、やや小 さいので これを拡大す ること PZT contro‖ er Ｆ 一Ｅ 一Ｎ 図 7 広 帯域 ホ モ ダイ ン形光h L 相同期 のための 従 レーザの位相 変調効率を最適化す るための 十 寸カロ￨=1路 を試み た, そ のために図 7 に 示す よ うに従 レーザの 位相変調効率特性 を O P L I ン のために最適化 す るよ うに制御系 を 付加 したを その結果、図 S に 示す よ うに、 O P L L の 残留位相揺 らぎの パ ワ ー スペ ク トル宙度 の 値 はフー リエ 周波敢 1 8 1 ヽ イH z 以 下 で 著 しい減少を示 した。 つ ま り、 O P I フ L 帯 域が 1 3 1 ヽ III zま で拡大 した. け け い 宿 Ｉ さ Ｏｏじ 含 ︶ｅ の 134MHz 10-13 0 100 200 f(MHz) 図 8 ホ モ ダイン￨ 1 号' D 攻留 f i l H 揺らぎの ノ( ワー スペ ク トル密度 a 、 b は 淑1 定結 果. c , d は 計 算結果, 曲 線 a ― c は 非位相同期時. H41線 1 ) 。d は l i ■ lR同 社 月時= 5 , ま とめ 発振 スペ ク トル線幅 の きわ め司 ' t い 半導体 レーザを用 い、高性能 のヘテ ロ ダ イ ン形 およびホモ ダイ ン形光位 l l l 同 ! R はす べ て 1 世 期 を実現 することに成功 した, 前 師 まで に言 た十 己t ン 1千 界の トッブデ ー タであ ることに ご注, ま l _ P lたい き , こ の 手法 は コ ヒー レン ト光通 信 の実用 システム実現 のために 必須 の基礎技 術 とな る十 1 な お、 本稿で は制 定 したが、 これ らの システム は我 々の考実 した受動共 1 1 - 振形光 フ ァイバ ジ ャイ ロ、 フ ォ トン走査 トンネル顕微鏡、 の システムに採用 され、 これ らの 光応 用 システムの性能 を著 しく高 め るために役立 って いる。今後 は光 位相同期 その ものの 一 層 の性能 向上が応用 システムの性能向上 に直接寄与す ると思われ る。 なお 本研究を成功 させ ることが 出来 ま したの はい つ高柳記念電子科学技術振興財団 の ご援助 によ る もので あ り、理事長 は じめ関係 の皆様 に深 く感謝 いた します。最後 に、 故高柳先生 の ご冥福を 心 よ りお祈 り致 します。 参考文献 lフ inewidth 〔1〕 M.OHTHU・M.MURATA alld M.KOUROGl, FM“Nolsc Reduction alld Stlbkllohertz of an AlGaAs iascr by Negative Electrical Feedback", IEEE J.Quantum ,lectron., 〔 Vol.26, No.2, pp.231 241, 1990 H. SHIN, M.TESHIMA, M.OHTHU, T. 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