JP2004077979A - 光周波数シンセサイザ - Google Patents
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Abstract
【課題】数十ＴＨｚにわたる帯域において高確度かつ安定に光周波数が制御された光を発生することができる光周波数シンセサイザを実現する。
【解決手段】発振光周波数が制御可能な光周波数可変光源と、基準光周波数ν０ の基準モードを中心に縦モード間隔ｆｍ のマルチモード光を出力するマルチモード基準光源と、光周波数可変光源の出力光を２分岐し、その一方を外部に出力する光分岐手段と、光分岐手段で分岐された光周波数可変光源の出力光とマルチモード基準光源の出力光を合波する光合波手段と、光周波数可変光源の出力光とマルチモード基準光源の出力光（１つの縦モード）のビート光に対応するビート電気信号を出力する光検出手段と、ビート電気信号を入力し、光周波数可変光源の発振光周波数を測定し、その測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように、光周波数可変光源の発振光周波数を制御する光周波数制御部とを備える。
【選択図】 図１
【解決手段】発振光周波数が制御可能な光周波数可変光源と、基準光周波数ν０ の基準モードを中心に縦モード間隔ｆｍ のマルチモード光を出力するマルチモード基準光源と、光周波数可変光源の出力光を２分岐し、その一方を外部に出力する光分岐手段と、光分岐手段で分岐された光周波数可変光源の出力光とマルチモード基準光源の出力光を合波する光合波手段と、光周波数可変光源の出力光とマルチモード基準光源の出力光（１つの縦モード）のビート光に対応するビート電気信号を出力する光検出手段と、ビート電気信号を入力し、光周波数可変光源の発振光周波数を測定し、その測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように、光周波数可変光源の発振光周波数を制御する光周波数制御部とを備える。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高確度に光周波数が制御された光を発生する光周波数シンセサイザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光周波数可変光源は、半導体レーザ、グレーティング、ミラーがリットマン型に配置された構造を有する外部共振器型半導体レーザが主流であった。本構成では、ミラーの角度により発振光周波数を制御するので、発振光周波数の確度および安定性は低かった。
【０００３】
そこで、光源の発振光周波数を高確度かつ安定に制御するために、高確度かつ安定に光周波数が制御された光周波数参照光を用意し、その光周波数と光周波数可変光源の光周波数とを比較し、両者の差（ビート）が一定になるように光周波数可変光源の発振光周波数を制御する方法が提案されている。この方法では、光周波数参照光と同程度の光周波数確度と安定性が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光周波数可変光源の発振光周波数可変帯域は、ビートを検出する光検出手段の帯域によって制限されるので、光周波数参照光の光周波数近辺の数十ＧＨｚ内にとどまる。
【０００５】
一方、大容量光通信において利用される帯域が数十ＴＨｚと広帯域化している現状では、上記の数十ＧＨｚ程度の光周波数可変帯域は不十分なものである。
【０００６】
本発明は、数十ＴＨｚにわたる帯域において高確度かつ安定に光周波数が制御された光を発生することができる光周波数シンセサイザを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光周波数シンセサイザは、発振光周波数が制御可能な光周波数可変光源と、基準光周波数ν０ の基準モードを中心に縦モード間隔ｆｍ のマルチモード光（光コム）を出力するマルチモード基準光源と、光周波数可変光源の出力光を２分岐し、その一方を光周波数シンセサイザの出力光として外部に出力する光分岐手段と、光分岐手段で分岐された光周波数可変光源の出力光とマルチモード基準光源の出力光を合波する光合波手段と、光合波手段の出力光を電気信号に変換し、光周波数可変光源の出力光とマルチモード基準光源の出力光（１つの縦モード）のビート光に対応するビート電気信号を出力する光検出手段と、ビート電気信号を入力し、光周波数可変光源の発振光周波数を測定し、その測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように、光周波数可変光源の発振光周波数を制御する光周波数制御部とを備える（請求項１）。
【０００８】
光周波数制御部は、ビート電気信号を入力して光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように、光周波数可変光源の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部とを含む（請求項２）。
【０００９】
光周波数制御部は、ビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段と、その一方のビート電気信号を入力して光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように光周波数可変光源の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部と、マルチモード基準光源のある１つの縦モードの光周波数νｎ と目標光周波数νＸ０の差周波数｜νｎ −νＸ０｜の電気信号を出力する周波数シンセサイザと、電気信号分岐手段で分岐された他方のビート電気信号と周波数シンセサイザの出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサと、電気信号ミキサの出力信号から低周波数成分を選択的に透過して光周波数可変光源に与える低域通過フィルタとを含む（請求項３）。
【００１０】
光周波数制御部は、ビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段と、その一方のビート電気信号を入力して光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、出力周波数を制御できる周波数シンセサイザと、光周波数計数回路の測定値νＸ と目標光周波数νＸ０を比較し、両者の差周波数｜νＸ０−νＸ ｜が０まで減少するように周波数シンセサイザの出力周波数を掃引する周波数シンセサイザ出力周波数制御回路と、電気信号分岐手段で分岐された他方のビート電気信号と周波数シンセサイザの出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサと、電気信号ミキサの出力信号から低周波数成分を選択的に透過して光周波数可変光源に与える低域通過フィルタとにより位相同期ループを構成し、光周波数可変光源の発振光周波数をオフセットロッキングする構成である（請求項４）。
【００１１】
光周波数制御部に用いる光周波数計数回路は、マルチモード基準光源の縦モード間隔ｆｍ を変化させ、光周波数可変光源の出力光の光周波数をシフトさせる。そして、マルチモード基準光源の縦モード間隔をｆｍ からｆｍ ＋Δｆｍ に変化させたときに、縦モード間隔の変化分Δｆｍ （符号を含む）と、ビート電気信号の周波数ｆの変化分Δｆ（符号を含む）との比ｎ＝Δｆ／Δｆｍ （符号を含む）を計数する手段と、光周波数可変光源の出力光の光周波数νＸ をシフトさせたときに、ビート電気信号の周波数ｆの変化分との比の符号ＳＴ （正ならば１、負ならば−１）を判定する手段と、基準光周波数ν０ と、ｆｍ と、ｎと、ＳＴ に基づいて、光周波数可変光源の出力光の光周波数νＸ を
νＸ ＝ν０ −ＳＴ ｎｆｍ ＋ＳＴ ｆ
により算出する手段とを含む（請求項５）。
【００１２】
また、別な光周波数計数回路は、マルチモード基準光源の縦モード間隔ｆｍ を変化させ、マルチモード基準光源の出力光の光周波数をシフトさせる。そして、マルチモード基準光源の縦モード間隔をｆｍ からｆｍ ＋Δｆｍ に変化させたときに、縦モード間隔の変化分Δｆｍ （符号を含む）と、ビート電気信号の周波数ｆの変化分Δｆ（符号を含む）との比ｎ＝Δｆ／Δｆｍ （符号を含む）を計数する手段と、マルチモード基準光源の出力光の光周波数をシフトさせたときに、ビート電気信号の周波数ｆの変化分との比の符号ＳＭ （正ならば１、負ならば−１）を判定する手段と、基準光周波数ν０ と、ｆｍ と、ｎと、ＳＭ に基づいて、光周波数可変光源の光周波数νＸ を
νＸ ＝ν０ ＋ＳＭ ｎｆｍ −ＳＭ ｆ
により算出する手段とを含む（請求項６）。
【００１３】
マルチモード基準光源は、マルチモード光の縦モード間隔を変化させる手段と、マルチモード光の基準モードと光周波数基準とを一致させるフィードバック手段により、縦モード間隔の変化に係わらず基準モードの基準光周波数ν０ を一定に制御する手段を含む（請求項７）。
【００１４】
マルチモード基準光源は、モード同期レーザと、モード同期レーザをモード同期周波数で駆動し、その駆動周波数を変化させてマルチモード光の縦モード間隔を変化させる駆動手段と、モード同期レーザから出力される光マルチモード光を入力し、そのスペクトル幅を広げる光非線形媒質とを備える（請求項８）。
【００１５】
マルチモード基準光源は、基準光周波数ν０ の単一モード光を出力する光源と、単一モード光を変調して光マルチモード光を発生させる光変調手段と、光変調手段の駆動周波数を変化させてマルチモード光の縦モード間隔を変化させる駆動手段と、光変調手段から出力される光マルチモード光を入力し、そのスペクトル幅を広げる光非線形媒質とを備える（請求項９）。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光周波数シンセサイザの基本構成を示す。
図において、光周波数可変光源１０は、発振光周波数が制御可能な構成である。マルチモード基準光源２０は、基準光周波数ν０ の基準モードを中心に縦モード間隔ｆｍ のマルチモード光（光コム）を発生させる。光周波数可変光源１０の出力光は光分岐手段３１で２分岐され、一方が光周波数シンセサイザの出力光として外部に出力されるとともに、他方が光合波手段３２に入力される。光合波手段３２は、光分岐手段３１で分岐された光周波数可変光源１０の出力光とマルチモード基準光源２０の出力光を合波する。光検出手段４０は、光合波手段３２の出力光を電気信号に変換し、光周波数可変光源１０の出力光とマルチモード基準光源２０の出力光（１つの縦モード）のビート光に対応するビート電気信号を出力する。光周波数制御部５０はこのビート電気信号を入力し、光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を測定し、目標光周波数νＸ０ になるように制御する。
【００１７】
なお、光周波数可変光源１０の発振光周波数の測定では、マルチモード基準光源２０の縦モード間隔ｆｍ を変化させ、光周波数可変光源１０またはマルチモード基準光源２０の出力光の光周波数をシフトさせる必要があるが、それぞれの構成について後述する（関連出願：特願２００２−２１５５９０）。
【００１８】
図２は、マルチモード基準光源２０の構成例を示す。
図において、マルチモード基準光源２０は、周波数ｆｍ の変調信号を出力する変調信号発生器２１と、その変調信号により駆動される能動モード同期レーザ２２を有する。能動モード同期レーザ２２は縦モード間隔ｆｍ の光コムを出力し、その出力光は光増幅器２３で増幅して非線形光ファイバ２４に入力され、非線形効果（スーパーコンティニウム発生等）によってスペクトル拡大し、スペクトルが数百ｎｍ（数十ＴＨｚ）にわたる広帯域な光コムを発生させる構成である（参考文献：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ， Ｖｏｌ．３０， Ｎｏ．１０， ｐｐ．７９０−７９１）。この光コムの縦モード間隔ｆｍ は、駆動する変調信号の周波数ｆｍ に応じて変化させることができる。
【００１９】
ここでは、１つの縦モードの光周波数を光周波数基準が有する基準光周波数ν０ に同期させる以下の構成をとり、縦モード間隔を変化させた場合でも基準モードの基準光周波数ν０ が変化しないようにする。能動モード同期レーザ２２から出力される縦モードの１つ（基準光周波数ν０ の基準モード）は、光カプラ２５、光バンドパスフィルタ２６を介して分波され、その吸収線の光周波数が校正された標準気体を有する光周波数基準２７を介して光検出回路２８に入力する。光発振周波数制御回路２９は、光検出回路２８の出力に応じて能動モード同期レーザ２２の発振周波数を制御し、基準モードの基準光周波数ν０ が気体吸収線に同期するように帰還ループが形成される。これにより、基準モードの基準光周波数ν０ を極めて安定に制御することができる。
【００２０】
なお、能動モード同期レーザ２２としては、半導体モード同期レーザ（ＭＬＬＤ）や、エルビウム添加光ファイバモード同期リングレーザ等が利用できる。このＭＬＬＤを利用する場合は、その実効共振器長によりモード同期周波数（縦モード間隔）が決定される。離調（駆動周波数の最適駆動周波数からの差分）は数パーセントが許容され、駆動周波数を数パーセント変化させても、パルス幅および出力パワー等に大きな変化はない。
【００２１】
また、能動モード同期レーザ２２に代えて、基準光周波数ν０ に同期した単一モード光を出力する光源と、変調信号により単一モード光を変調して光コムを発生させる光変調手段（例えは電気光学変調器）を用いることも可能である。なお、マルチモード基準光源の縦モード間隔ｆｍ は、光変調手段の変調信号周波数により決定されるので、その周波数を変化させることにより縦モード間隔ｆｍ を変化させることができる。
【００２２】
図３は、光周波数制御部５０の第１の構成例を示す。
図において、光周波数制御部５０は、光検出手段４０から出力されるビート電気信号を入力して光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路５１と、この測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように光周波数可変光源１０の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部５２とを有する。
【００２３】
図４は、光周波数制御部５０の第２の構成例を示す。
図において、光周波数制御部５０は、光検出手段４０から出力されるビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段５３と、その一方のビート電気信号を入力して光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路５１と、この測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように光周波数可変光源１０の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部５２と、マルチモード基準光源２０のある１つの縦モードの光周波数νｎ と目標光周波数νＸ０の差周波数｜νｎ −νＸ０｜の電気信号を出力する周波数シンセサイザ５４と、電気信号分岐手段５３で分岐された他方のビート電気信号と周波数シンセサイザ５４の出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサ５５と、電気信号ミキサ５５の出力信号から低周波数成分を選択的に透過して光周波数可変光源１０に与える低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５６とを有する。
【００２４】
図５は、光周波数制御部５０の第３の構成例を示す。
図において、光周波数制御部５０は、光検出手段４０から出力されるビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段５３と、その一方のビート電気信号を入力して光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路５１と、出力周波数を制御できる周波数シンセサイザ５４’と、光周波数計数回路５１の測定値νＸ と目標光周波数νＸ０を比較し、両者の差周波数｜νＸ０−νＸ ｜が０まで減少するように周波数シンセサイザ５４’の出力周波数を掃引する周波数シンセサイザ出力周波数制御回路５７と、電気信号分岐手段５３で分岐された他方のビート電気信号と周波数シンセサイザ５４’の出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサ５５と、電気信号ミキサ５５の出力信号から低周波数成分を選択的に透過して光周波数可変光源１０に与える低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５６とを有する。この位相同期ループにより、光周波数可変光源１０の発振光周波数をオフセットロッキングすることができる。
【００２５】
以下、図３〜５における光周波数計数回路５１において、マルチモード基準光源２０の縦モード間隔の変化と、光周波数可変光源１０（またはマルチモード基準光源２０）の光周波数シフトの方向を観測することにより、ビート光を生成する縦モードを確定し、光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を一意に決定する方法について、図６および図７を参照して説明する。
【００２６】
まず、光周波数計数回路５１では、マルチモード基準光源２０の出力光（光コム）と光周波数可変光源１０の出力光のビート光を光電変換して得られるビート電気信号の周波数ｆを測定する。その測定には例えば周波数カウンタなどが用いられる。この周波数ｆは、光コムの１つの縦モード（光周波数νｎ ）と光周波数可変光源１０の出力光（光周波数νＸ ）の光周波数差に相当する（図６（ａ））。
【００２７】
次に、光周波数計数回路５１からの指示により、例えば図２に示すマルチモード基準光源２０の変調信号発生部２１の変調信号周波数を制御し、縦モード間隔ｆｍ をｆｍ ＋Δｆｍ に変化させたときに、光周波数計数回路５１で測定される周波数ｆ＋Δｆを測定して周波数ｆの増大量Δｆを算出する。ここで、図６（ｂ） に示すように、光周波数可変光源１０の出力光とビート光をつくる縦モードが、基準光周波数ν０ の基準モードから数えてｎ番目（νｎ ）とすると、
｜Δｆ｜＝｜ｎΔｆｍ ｜
の関係が存在する。このとき、Δｆ／Δｆｍ の符号も判別する。ちなみに図６の例ではΔｆｍ が正、Δｆが負であるので、Δｆ／Δｆｍ の符号は負となる。
【００２８】
次に、光周波数計数回路５１からの指示により、光周波数可変光源１０の出力光（光周波数νＸ ）の光周波数をΔνだけ変化させたときに、測定される周波数ｆ、ｆ＋Δｆの変化方向からΔｆ／Δνの符号を判別する。なお、光周波数シフトを静的に与える場合も、正弦波的に与える場合も、Δｆ／Δνの符号判定は可能である。
【００２９】
これらの結果からν０ 、νｎ 、νＸ の大小関係（図７ （ａ）〜（ｄ） のいずれか）を判別し、その大小関係に基づいて光周波数可変光源１０の出力光の光周波数νＸ を確定する。
【００３０】
図７（ａ） はνｎ ＜νＸ ＜ν０ であり、Δｆ／Δｆｍ ＞０、Δｆ／Δν＞０となる。図７（ｂ） はνＸ ＜νｎ ＜ν０ であり、Δｆ／Δｆｍ ＜０、Δｆ／Δν＜０となる。いずれの場合もビート光を生成する縦モードの光周波数νｎ は、
νｎ ＝ν０ −ｎｆｍ ＝ν０ −ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜
となる。
【００３１】
図７（ｃ） はν０ ＜νｎ ＜νＸ であり、Δｆ／Δｆｍ ＜０、Δｆ／Δν＞０となる。図７（ｄ） はν０ ＜νＸ ＜νｎ であり、Δｆ／Δｆｍ ＞０、Δｆ／Δν＜０となる。いずれの場合も
νｎ ＝ν０ ＋ｎｆｍ ＝ν０ ＋ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜
となる。
【００３２】
したがって、光周波数計数回路５１では、Δｆ／Δｆｍ ＞０、Δｆ／Δν＞０であれば図７（ａ） の場合であり、光周波数可変光源１０の光周波数νＸ は、
νＸ ＝νｎ ＋ｆ＝ν０ −ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜＋ｆ
として求める。
【００３３】
Δｆ／Δｆｍ ＜０、Δｆ／Δν＜０であれば図７（ｂ） の場合であり、光周波数可変光源１０の光周波数νＸ は、
νＸ ＝νｎ −ｆ＝ν０ −ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜−ｆ
として求める。
【００３４】
Δｆ／Δｆｍ ＜０、Δｆ／Δν＞０であれば図７（ｃ） の場合であり、光周波数可変光源１０の光周波数νＸ は、
νＸ ＝νｎ ＋ｆ＝ν０ ＋ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜＋ｆ
として求める。
【００３５】
Δｆ／Δｆｍ ＞０、Δｆ／Δν＜０であれば図７（ｄ） の場合であり、光周波数可変光源１０の光周波数νＸ は、
νＸ ＝νｎ −ｆ＝ν０ ＋ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜−ｆ
として求める。
【００３６】
なお、以上の説明では、光周波数可変光源１０の出力光に光周波数シフトΔνを与える場合について示したが、マルチモード基準光源２０の出力光（光コム）に光周波数シフトΔνを与えるようにしてもよく、その場合には符号を逆にして考えればよい。マルチモード基準光源２０の出力光に光周波数シフトを与える方法としては、図２に示す構成の非線形光ファイバ２４の出力側に光周波数シフト手段を設ける構成、光増幅器２３の入力側に光周波数シフト手段を設ける構成、光周波数基準２７として用いる気体の温度または圧力を制御することにより光周波数基準２７が有する基準周波数をシフトさせる構成などを用いることができる。
【００３７】
図８は、本発明の光周波数シンセサイザの実施例構成を示す。本実施例構成は、図１に示す基本構成において、マルチモード基準光源２０として図２に示す構成、光周波数制御部５０として図４に示す構成を適用したものである。また、本実施例構成では、光周波数計数回路５１から出力される光周波数可変光源１０の光周波数シフト指示を光周波数制御信号生成部５２を介して与える構成としている。
【００３８】
また、ここでは光周波数可変光源１０として、半導体レーザ、グレーティング、ミラーがリットマン型に配置した外部共振器型構造の半導体レーザを用いる例を示す。本構成では、ミラー角度により発振光周波数の制御が可能であるので、光周波数制御信号生成部５２はミラー角度を制御するモータまたはピエゾ素子（ＰＺＴ）に対する制御信号を出力することにより発振光周波数を制御する。まず、所定の発振光周波数νＸ０の出力光が得られるように、ミラー角度と発振光周波数の関係に基づくある程度の精度でミラー角度が設定される。さらに、光周波数計数回路５１で測定された光周波数νＸ が所定の光周波数νＸ０になるようにミラー角度を制御する。すなわち、モータまたはＰＺＴは、｜νＸ −νＸ０｜がほぼ０になるようにフィードバック制御される。
【００３９】
一方、周波数シンセサイザ５４は、周波数ｆ０ ＝｜νｎ −νＸ０｜の電気信号を出力する。このとき、マルチモード基準光源２０の１つの縦モードの光周波数νｎ としては、ｆ０ ＝｜νｎ −νＸ０｜が最小になるものを選択すればよい。この周波数シンセサイザ５４の出力信号と、光検出手段４０から出力されるビート電気信号を電気信号ミキサ５５でミキシングし、その出力信号から低域通過フィルタ５６を用いて｜ｆ−ｆ０ ｜の周波数成分を取り出す。この周波数成分は、光周波数可変光源１０の半導体レーザ注入電流の制御信号として用いられる。半導体レーザの注入電流を変化させることにより実効的共振長が変化し、光周波数可変光源１０の発振光周波数の制御が可能になる。以上の構成により、光ＰＬＬが実現され、出力光周波数の確度が非常に高く、かつ安定した光周波数シンセサイザを実現することができる。
【００４０】
次に、光周波数制御部５０として図５に示す構成を適用した場合の動作例について説明する。位相同期ループを動作させない状態で、所定の発振光周波数νＸ０の出力光が得られるように、ミラー角度と発振光周波数の関係に基づくある程度の精度でミラー角度が設定される。しかし、そこには数十ＧＨｚ以下の誤差が生じるので、以下に示す方法で微調整する。
【００４１】
光周波数計数回路５１で測定された光周波数νＸ と所定の光周波数νＸ０との誤差｜νＸ −νＸ０｜がｆｍ 以下の場合、マルチモード基準光源２０のνＸ０付近の縦モード周波数νｎ と測定値νＸ の周波数差｜νＸ −νｎ ｜の周波数の電気信号を周波数シンセサイザ５４’から出力し、その出力周波数｜νＸ −νｎ ｜を｜νＸ０−νｎ ｜に徐々に近づけていく。これにより、光周波数可変光源１０の出力光周波数はνＸ０に固定される。その際、光周波数可変光源１０にＰＬＬ内の注入電流制御信号が過大にならないようにミラー角度を自動制御する機構を用いればよい。
【００４２】
一方、誤差｜νＸ −νＸ０｜がｆｍ 以上の場合には、仮の目標周波数νＸ１，νＸ２，…を設定し、上記と同様の方法を用いてその仮の目標周波数を順々に達成することで、最終的に所定の光周波数νＸ０を実現する。この動作原理について図９を参照して具体的に説明する。所定の周波数νＸ０、測定値νＸ 、仮の目標周波数νＸ１，νＸ２として、
νＸ０＝１９２．１３１０００ＴＨｚ、
νＸ ＝１９２．０８５０００ＴＨｚ、
νＸ１＝１９２．１１１０００ＴＨｚ、
νＸ２＝１９２．０９１０００ＴＨｚ、
とし、仮の目標周波数としてｆｍ 程度の間隔で設定する。
【００４３】
ここで、νＸ２＜νｎ−２ ＜νＸ１を満たすようなマルチモード基準光源２０の縦モード周波数νｎ−２ とνＸ の周波数差｜νＸ −νｎ−２ ｜の周波数の電気信号を周波数シンセサイザ５４’から出力し、その周波数を｜νＸ −νｎ−２ ｜から｜νＸ２−νｎ−２ ｜まで掃引する。次に、周波数シンセサイザ５４’の出力周波数を｜νＸ２−νｎ−１ ｜とし、それを｜νＸ１−νｎ−１ ｜まで掃引する。以下同様に、最終的に所定の光周波数νＸ０を達成する。以上の構成により、出力光周波数の確度が非常に高く、かつ安定した光周波数シンセサイザを実現することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、ビート光を生成するマルチモード光の中の縦モードを確定し、光周波数可変光源の出力光の光周波数を一意に決定することができるので、数百ｎｍの広帯域に渡って光周波数可変光源の光周波数を高精度に測定することができる。この測定値に基づいて光周波数可変光源の光周波数を制御することにより、数十ＴＨｚにわたる帯域において高確度かつ安定に光周波数が制御された光を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光周波数シンセサイザの基本構成を示すブロック図。
【図２】マルチモード基準光源２０の構成例を示すブロック図。
【図３】光周波数制御部５０の第１の構成例を示すブロック図。
【図４】光周波数制御部５０の第２の構成例を示すブロック図。
【図５】光周波数制御部５０の第３の構成例を示すブロック図。
【図６】光周波数計数回路５１の動作原理を説明する図。
【図７】光周波数可変光源１０の光周波数の算出パターンを説明する図。
【図８】本発明の光周波数シンセサイザの実施例構成を示すブロック図。
【図９】図５の光周波数制御部５０を用いた場合の動作原理を説明する図。
【符号の説明】
１０ 光周波数可変光源
２０ マルチモード基準光源
２１ 変調信号発生部
２２ 能動モード同期レーザ
２３ 光増幅器
２４ 非線形光ファイバ
２５ 光カプラ
２６ 光バンドパスフィルタ
２７ 光周波数基準
２８ 光検出回路
２９ 光発振周波数制御回路
３１ 光分岐手段
３２ 光合波手段
４０ 光検出手段
５０ 光周波数制御部
５１ 光周波数計数回路
５２ 光周波数制御信号生成部
５３ 電気信号分岐手段
５４ 周波数シンセサイザ
５５ 電気信号ミキサ
５６ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
５７ 周波数シンセサイザ出力周波数制御回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、高確度に光周波数が制御された光を発生する光周波数シンセサイザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光周波数可変光源は、半導体レーザ、グレーティング、ミラーがリットマン型に配置された構造を有する外部共振器型半導体レーザが主流であった。本構成では、ミラーの角度により発振光周波数を制御するので、発振光周波数の確度および安定性は低かった。
【０００３】
そこで、光源の発振光周波数を高確度かつ安定に制御するために、高確度かつ安定に光周波数が制御された光周波数参照光を用意し、その光周波数と光周波数可変光源の光周波数とを比較し、両者の差（ビート）が一定になるように光周波数可変光源の発振光周波数を制御する方法が提案されている。この方法では、光周波数参照光と同程度の光周波数確度と安定性が得られる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光周波数可変光源の発振光周波数可変帯域は、ビートを検出する光検出手段の帯域によって制限されるので、光周波数参照光の光周波数近辺の数十ＧＨｚ内にとどまる。
【０００５】
一方、大容量光通信において利用される帯域が数十ＴＨｚと広帯域化している現状では、上記の数十ＧＨｚ程度の光周波数可変帯域は不十分なものである。
【０００６】
本発明は、数十ＴＨｚにわたる帯域において高確度かつ安定に光周波数が制御された光を発生することができる光周波数シンセサイザを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光周波数シンセサイザは、発振光周波数が制御可能な光周波数可変光源と、基準光周波数ν０ の基準モードを中心に縦モード間隔ｆｍ のマルチモード光（光コム）を出力するマルチモード基準光源と、光周波数可変光源の出力光を２分岐し、その一方を光周波数シンセサイザの出力光として外部に出力する光分岐手段と、光分岐手段で分岐された光周波数可変光源の出力光とマルチモード基準光源の出力光を合波する光合波手段と、光合波手段の出力光を電気信号に変換し、光周波数可変光源の出力光とマルチモード基準光源の出力光（１つの縦モード）のビート光に対応するビート電気信号を出力する光検出手段と、ビート電気信号を入力し、光周波数可変光源の発振光周波数を測定し、その測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように、光周波数可変光源の発振光周波数を制御する光周波数制御部とを備える（請求項１）。
【０００８】
光周波数制御部は、ビート電気信号を入力して光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように、光周波数可変光源の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部とを含む（請求項２）。
【０００９】
光周波数制御部は、ビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段と、その一方のビート電気信号を入力して光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように光周波数可変光源の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部と、マルチモード基準光源のある１つの縦モードの光周波数νｎ と目標光周波数νＸ０の差周波数｜νｎ −νＸ０｜の電気信号を出力する周波数シンセサイザと、電気信号分岐手段で分岐された他方のビート電気信号と周波数シンセサイザの出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサと、電気信号ミキサの出力信号から低周波数成分を選択的に透過して光周波数可変光源に与える低域通過フィルタとを含む（請求項３）。
【００１０】
光周波数制御部は、ビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段と、その一方のビート電気信号を入力して光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、出力周波数を制御できる周波数シンセサイザと、光周波数計数回路の測定値νＸ と目標光周波数νＸ０を比較し、両者の差周波数｜νＸ０−νＸ ｜が０まで減少するように周波数シンセサイザの出力周波数を掃引する周波数シンセサイザ出力周波数制御回路と、電気信号分岐手段で分岐された他方のビート電気信号と周波数シンセサイザの出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサと、電気信号ミキサの出力信号から低周波数成分を選択的に透過して光周波数可変光源に与える低域通過フィルタとにより位相同期ループを構成し、光周波数可変光源の発振光周波数をオフセットロッキングする構成である（請求項４）。
【００１１】
光周波数制御部に用いる光周波数計数回路は、マルチモード基準光源の縦モード間隔ｆｍ を変化させ、光周波数可変光源の出力光の光周波数をシフトさせる。そして、マルチモード基準光源の縦モード間隔をｆｍ からｆｍ ＋Δｆｍ に変化させたときに、縦モード間隔の変化分Δｆｍ （符号を含む）と、ビート電気信号の周波数ｆの変化分Δｆ（符号を含む）との比ｎ＝Δｆ／Δｆｍ （符号を含む）を計数する手段と、光周波数可変光源の出力光の光周波数νＸ をシフトさせたときに、ビート電気信号の周波数ｆの変化分との比の符号ＳＴ （正ならば１、負ならば−１）を判定する手段と、基準光周波数ν０ と、ｆｍ と、ｎと、ＳＴ に基づいて、光周波数可変光源の出力光の光周波数νＸ を
νＸ ＝ν０ −ＳＴ ｎｆｍ ＋ＳＴ ｆ
により算出する手段とを含む（請求項５）。
【００１２】
また、別な光周波数計数回路は、マルチモード基準光源の縦モード間隔ｆｍ を変化させ、マルチモード基準光源の出力光の光周波数をシフトさせる。そして、マルチモード基準光源の縦モード間隔をｆｍ からｆｍ ＋Δｆｍ に変化させたときに、縦モード間隔の変化分Δｆｍ （符号を含む）と、ビート電気信号の周波数ｆの変化分Δｆ（符号を含む）との比ｎ＝Δｆ／Δｆｍ （符号を含む）を計数する手段と、マルチモード基準光源の出力光の光周波数をシフトさせたときに、ビート電気信号の周波数ｆの変化分との比の符号ＳＭ （正ならば１、負ならば−１）を判定する手段と、基準光周波数ν０ と、ｆｍ と、ｎと、ＳＭ に基づいて、光周波数可変光源の光周波数νＸ を
νＸ ＝ν０ ＋ＳＭ ｎｆｍ −ＳＭ ｆ
により算出する手段とを含む（請求項６）。
【００１３】
マルチモード基準光源は、マルチモード光の縦モード間隔を変化させる手段と、マルチモード光の基準モードと光周波数基準とを一致させるフィードバック手段により、縦モード間隔の変化に係わらず基準モードの基準光周波数ν０ を一定に制御する手段を含む（請求項７）。
【００１４】
マルチモード基準光源は、モード同期レーザと、モード同期レーザをモード同期周波数で駆動し、その駆動周波数を変化させてマルチモード光の縦モード間隔を変化させる駆動手段と、モード同期レーザから出力される光マルチモード光を入力し、そのスペクトル幅を広げる光非線形媒質とを備える（請求項８）。
【００１５】
マルチモード基準光源は、基準光周波数ν０ の単一モード光を出力する光源と、単一モード光を変調して光マルチモード光を発生させる光変調手段と、光変調手段の駆動周波数を変化させてマルチモード光の縦モード間隔を変化させる駆動手段と、光変調手段から出力される光マルチモード光を入力し、そのスペクトル幅を広げる光非線形媒質とを備える（請求項９）。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の光周波数シンセサイザの基本構成を示す。
図において、光周波数可変光源１０は、発振光周波数が制御可能な構成である。マルチモード基準光源２０は、基準光周波数ν０ の基準モードを中心に縦モード間隔ｆｍ のマルチモード光（光コム）を発生させる。光周波数可変光源１０の出力光は光分岐手段３１で２分岐され、一方が光周波数シンセサイザの出力光として外部に出力されるとともに、他方が光合波手段３２に入力される。光合波手段３２は、光分岐手段３１で分岐された光周波数可変光源１０の出力光とマルチモード基準光源２０の出力光を合波する。光検出手段４０は、光合波手段３２の出力光を電気信号に変換し、光周波数可変光源１０の出力光とマルチモード基準光源２０の出力光（１つの縦モード）のビート光に対応するビート電気信号を出力する。光周波数制御部５０はこのビート電気信号を入力し、光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を測定し、目標光周波数νＸ０ になるように制御する。
【００１７】
なお、光周波数可変光源１０の発振光周波数の測定では、マルチモード基準光源２０の縦モード間隔ｆｍ を変化させ、光周波数可変光源１０またはマルチモード基準光源２０の出力光の光周波数をシフトさせる必要があるが、それぞれの構成について後述する（関連出願：特願２００２−２１５５９０）。
【００１８】
図２は、マルチモード基準光源２０の構成例を示す。
図において、マルチモード基準光源２０は、周波数ｆｍ の変調信号を出力する変調信号発生器２１と、その変調信号により駆動される能動モード同期レーザ２２を有する。能動モード同期レーザ２２は縦モード間隔ｆｍ の光コムを出力し、その出力光は光増幅器２３で増幅して非線形光ファイバ２４に入力され、非線形効果（スーパーコンティニウム発生等）によってスペクトル拡大し、スペクトルが数百ｎｍ（数十ＴＨｚ）にわたる広帯域な光コムを発生させる構成である（参考文献：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒ， Ｖｏｌ．３０， Ｎｏ．１０， ｐｐ．７９０−７９１）。この光コムの縦モード間隔ｆｍ は、駆動する変調信号の周波数ｆｍ に応じて変化させることができる。
【００１９】
ここでは、１つの縦モードの光周波数を光周波数基準が有する基準光周波数ν０ に同期させる以下の構成をとり、縦モード間隔を変化させた場合でも基準モードの基準光周波数ν０ が変化しないようにする。能動モード同期レーザ２２から出力される縦モードの１つ（基準光周波数ν０ の基準モード）は、光カプラ２５、光バンドパスフィルタ２６を介して分波され、その吸収線の光周波数が校正された標準気体を有する光周波数基準２７を介して光検出回路２８に入力する。光発振周波数制御回路２９は、光検出回路２８の出力に応じて能動モード同期レーザ２２の発振周波数を制御し、基準モードの基準光周波数ν０ が気体吸収線に同期するように帰還ループが形成される。これにより、基準モードの基準光周波数ν０ を極めて安定に制御することができる。
【００２０】
なお、能動モード同期レーザ２２としては、半導体モード同期レーザ（ＭＬＬＤ）や、エルビウム添加光ファイバモード同期リングレーザ等が利用できる。このＭＬＬＤを利用する場合は、その実効共振器長によりモード同期周波数（縦モード間隔）が決定される。離調（駆動周波数の最適駆動周波数からの差分）は数パーセントが許容され、駆動周波数を数パーセント変化させても、パルス幅および出力パワー等に大きな変化はない。
【００２１】
また、能動モード同期レーザ２２に代えて、基準光周波数ν０ に同期した単一モード光を出力する光源と、変調信号により単一モード光を変調して光コムを発生させる光変調手段（例えは電気光学変調器）を用いることも可能である。なお、マルチモード基準光源の縦モード間隔ｆｍ は、光変調手段の変調信号周波数により決定されるので、その周波数を変化させることにより縦モード間隔ｆｍ を変化させることができる。
【００２２】
図３は、光周波数制御部５０の第１の構成例を示す。
図において、光周波数制御部５０は、光検出手段４０から出力されるビート電気信号を入力して光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路５１と、この測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように光周波数可変光源１０の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部５２とを有する。
【００２３】
図４は、光周波数制御部５０の第２の構成例を示す。
図において、光周波数制御部５０は、光検出手段４０から出力されるビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段５３と、その一方のビート電気信号を入力して光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路５１と、この測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように光周波数可変光源１０の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部５２と、マルチモード基準光源２０のある１つの縦モードの光周波数νｎ と目標光周波数νＸ０の差周波数｜νｎ −νＸ０｜の電気信号を出力する周波数シンセサイザ５４と、電気信号分岐手段５３で分岐された他方のビート電気信号と周波数シンセサイザ５４の出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサ５５と、電気信号ミキサ５５の出力信号から低周波数成分を選択的に透過して光周波数可変光源１０に与える低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５６とを有する。
【００２４】
図５は、光周波数制御部５０の第３の構成例を示す。
図において、光周波数制御部５０は、光検出手段４０から出力されるビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段５３と、その一方のビート電気信号を入力して光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路５１と、出力周波数を制御できる周波数シンセサイザ５４’と、光周波数計数回路５１の測定値νＸ と目標光周波数νＸ０を比較し、両者の差周波数｜νＸ０−νＸ ｜が０まで減少するように周波数シンセサイザ５４’の出力周波数を掃引する周波数シンセサイザ出力周波数制御回路５７と、電気信号分岐手段５３で分岐された他方のビート電気信号と周波数シンセサイザ５４’の出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサ５５と、電気信号ミキサ５５の出力信号から低周波数成分を選択的に透過して光周波数可変光源１０に与える低域通過フィルタ（ＬＰＦ）５６とを有する。この位相同期ループにより、光周波数可変光源１０の発振光周波数をオフセットロッキングすることができる。
【００２５】
以下、図３〜５における光周波数計数回路５１において、マルチモード基準光源２０の縦モード間隔の変化と、光周波数可変光源１０（またはマルチモード基準光源２０）の光周波数シフトの方向を観測することにより、ビート光を生成する縦モードを確定し、光周波数可変光源１０の発振光周波数νＸ を一意に決定する方法について、図６および図７を参照して説明する。
【００２６】
まず、光周波数計数回路５１では、マルチモード基準光源２０の出力光（光コム）と光周波数可変光源１０の出力光のビート光を光電変換して得られるビート電気信号の周波数ｆを測定する。その測定には例えば周波数カウンタなどが用いられる。この周波数ｆは、光コムの１つの縦モード（光周波数νｎ ）と光周波数可変光源１０の出力光（光周波数νＸ ）の光周波数差に相当する（図６（ａ））。
【００２７】
次に、光周波数計数回路５１からの指示により、例えば図２に示すマルチモード基準光源２０の変調信号発生部２１の変調信号周波数を制御し、縦モード間隔ｆｍ をｆｍ ＋Δｆｍ に変化させたときに、光周波数計数回路５１で測定される周波数ｆ＋Δｆを測定して周波数ｆの増大量Δｆを算出する。ここで、図６（ｂ） に示すように、光周波数可変光源１０の出力光とビート光をつくる縦モードが、基準光周波数ν０ の基準モードから数えてｎ番目（νｎ ）とすると、
｜Δｆ｜＝｜ｎΔｆｍ ｜
の関係が存在する。このとき、Δｆ／Δｆｍ の符号も判別する。ちなみに図６の例ではΔｆｍ が正、Δｆが負であるので、Δｆ／Δｆｍ の符号は負となる。
【００２８】
次に、光周波数計数回路５１からの指示により、光周波数可変光源１０の出力光（光周波数νＸ ）の光周波数をΔνだけ変化させたときに、測定される周波数ｆ、ｆ＋Δｆの変化方向からΔｆ／Δνの符号を判別する。なお、光周波数シフトを静的に与える場合も、正弦波的に与える場合も、Δｆ／Δνの符号判定は可能である。
【００２９】
これらの結果からν０ 、νｎ 、νＸ の大小関係（図７ （ａ）〜（ｄ） のいずれか）を判別し、その大小関係に基づいて光周波数可変光源１０の出力光の光周波数νＸ を確定する。
【００３０】
図７（ａ） はνｎ ＜νＸ ＜ν０ であり、Δｆ／Δｆｍ ＞０、Δｆ／Δν＞０となる。図７（ｂ） はνＸ ＜νｎ ＜ν０ であり、Δｆ／Δｆｍ ＜０、Δｆ／Δν＜０となる。いずれの場合もビート光を生成する縦モードの光周波数νｎ は、
νｎ ＝ν０ −ｎｆｍ ＝ν０ −ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜
となる。
【００３１】
図７（ｃ） はν０ ＜νｎ ＜νＸ であり、Δｆ／Δｆｍ ＜０、Δｆ／Δν＞０となる。図７（ｄ） はν０ ＜νＸ ＜νｎ であり、Δｆ／Δｆｍ ＞０、Δｆ／Δν＜０となる。いずれの場合も
νｎ ＝ν０ ＋ｎｆｍ ＝ν０ ＋ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜
となる。
【００３２】
したがって、光周波数計数回路５１では、Δｆ／Δｆｍ ＞０、Δｆ／Δν＞０であれば図７（ａ） の場合であり、光周波数可変光源１０の光周波数νＸ は、
νＸ ＝νｎ ＋ｆ＝ν０ −ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜＋ｆ
として求める。
【００３３】
Δｆ／Δｆｍ ＜０、Δｆ／Δν＜０であれば図７（ｂ） の場合であり、光周波数可変光源１０の光周波数νＸ は、
νＸ ＝νｎ −ｆ＝ν０ −ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜−ｆ
として求める。
【００３４】
Δｆ／Δｆｍ ＜０、Δｆ／Δν＞０であれば図７（ｃ） の場合であり、光周波数可変光源１０の光周波数νＸ は、
νＸ ＝νｎ ＋ｆ＝ν０ ＋ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜＋ｆ
として求める。
【００３５】
Δｆ／Δｆｍ ＞０、Δｆ／Δν＜０であれば図７（ｄ） の場合であり、光周波数可変光源１０の光周波数νＸ は、
νＸ ＝νｎ −ｆ＝ν０ ＋ｆｍ ｜Δｆ／Δｆｍ ｜−ｆ
として求める。
【００３６】
なお、以上の説明では、光周波数可変光源１０の出力光に光周波数シフトΔνを与える場合について示したが、マルチモード基準光源２０の出力光（光コム）に光周波数シフトΔνを与えるようにしてもよく、その場合には符号を逆にして考えればよい。マルチモード基準光源２０の出力光に光周波数シフトを与える方法としては、図２に示す構成の非線形光ファイバ２４の出力側に光周波数シフト手段を設ける構成、光増幅器２３の入力側に光周波数シフト手段を設ける構成、光周波数基準２７として用いる気体の温度または圧力を制御することにより光周波数基準２７が有する基準周波数をシフトさせる構成などを用いることができる。
【００３７】
図８は、本発明の光周波数シンセサイザの実施例構成を示す。本実施例構成は、図１に示す基本構成において、マルチモード基準光源２０として図２に示す構成、光周波数制御部５０として図４に示す構成を適用したものである。また、本実施例構成では、光周波数計数回路５１から出力される光周波数可変光源１０の光周波数シフト指示を光周波数制御信号生成部５２を介して与える構成としている。
【００３８】
また、ここでは光周波数可変光源１０として、半導体レーザ、グレーティング、ミラーがリットマン型に配置した外部共振器型構造の半導体レーザを用いる例を示す。本構成では、ミラー角度により発振光周波数の制御が可能であるので、光周波数制御信号生成部５２はミラー角度を制御するモータまたはピエゾ素子（ＰＺＴ）に対する制御信号を出力することにより発振光周波数を制御する。まず、所定の発振光周波数νＸ０の出力光が得られるように、ミラー角度と発振光周波数の関係に基づくある程度の精度でミラー角度が設定される。さらに、光周波数計数回路５１で測定された光周波数νＸ が所定の光周波数νＸ０になるようにミラー角度を制御する。すなわち、モータまたはＰＺＴは、｜νＸ −νＸ０｜がほぼ０になるようにフィードバック制御される。
【００３９】
一方、周波数シンセサイザ５４は、周波数ｆ０ ＝｜νｎ −νＸ０｜の電気信号を出力する。このとき、マルチモード基準光源２０の１つの縦モードの光周波数νｎ としては、ｆ０ ＝｜νｎ −νＸ０｜が最小になるものを選択すればよい。この周波数シンセサイザ５４の出力信号と、光検出手段４０から出力されるビート電気信号を電気信号ミキサ５５でミキシングし、その出力信号から低域通過フィルタ５６を用いて｜ｆ−ｆ０ ｜の周波数成分を取り出す。この周波数成分は、光周波数可変光源１０の半導体レーザ注入電流の制御信号として用いられる。半導体レーザの注入電流を変化させることにより実効的共振長が変化し、光周波数可変光源１０の発振光周波数の制御が可能になる。以上の構成により、光ＰＬＬが実現され、出力光周波数の確度が非常に高く、かつ安定した光周波数シンセサイザを実現することができる。
【００４０】
次に、光周波数制御部５０として図５に示す構成を適用した場合の動作例について説明する。位相同期ループを動作させない状態で、所定の発振光周波数νＸ０の出力光が得られるように、ミラー角度と発振光周波数の関係に基づくある程度の精度でミラー角度が設定される。しかし、そこには数十ＧＨｚ以下の誤差が生じるので、以下に示す方法で微調整する。
【００４１】
光周波数計数回路５１で測定された光周波数νＸ と所定の光周波数νＸ０との誤差｜νＸ −νＸ０｜がｆｍ 以下の場合、マルチモード基準光源２０のνＸ０付近の縦モード周波数νｎ と測定値νＸ の周波数差｜νＸ −νｎ ｜の周波数の電気信号を周波数シンセサイザ５４’から出力し、その出力周波数｜νＸ −νｎ ｜を｜νＸ０−νｎ ｜に徐々に近づけていく。これにより、光周波数可変光源１０の出力光周波数はνＸ０に固定される。その際、光周波数可変光源１０にＰＬＬ内の注入電流制御信号が過大にならないようにミラー角度を自動制御する機構を用いればよい。
【００４２】
一方、誤差｜νＸ −νＸ０｜がｆｍ 以上の場合には、仮の目標周波数νＸ１，νＸ２，…を設定し、上記と同様の方法を用いてその仮の目標周波数を順々に達成することで、最終的に所定の光周波数νＸ０を実現する。この動作原理について図９を参照して具体的に説明する。所定の周波数νＸ０、測定値νＸ 、仮の目標周波数νＸ１，νＸ２として、
νＸ０＝１９２．１３１０００ＴＨｚ、
νＸ ＝１９２．０８５０００ＴＨｚ、
νＸ１＝１９２．１１１０００ＴＨｚ、
νＸ２＝１９２．０９１０００ＴＨｚ、
とし、仮の目標周波数としてｆｍ 程度の間隔で設定する。
【００４３】
ここで、νＸ２＜νｎ−２ ＜νＸ１を満たすようなマルチモード基準光源２０の縦モード周波数νｎ−２ とνＸ の周波数差｜νＸ −νｎ−２ ｜の周波数の電気信号を周波数シンセサイザ５４’から出力し、その周波数を｜νＸ −νｎ−２ ｜から｜νＸ２−νｎ−２ ｜まで掃引する。次に、周波数シンセサイザ５４’の出力周波数を｜νＸ２−νｎ−１ ｜とし、それを｜νＸ１−νｎ−１ ｜まで掃引する。以下同様に、最終的に所定の光周波数νＸ０を達成する。以上の構成により、出力光周波数の確度が非常に高く、かつ安定した光周波数シンセサイザを実現することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、ビート光を生成するマルチモード光の中の縦モードを確定し、光周波数可変光源の出力光の光周波数を一意に決定することができるので、数百ｎｍの広帯域に渡って光周波数可変光源の光周波数を高精度に測定することができる。この測定値に基づいて光周波数可変光源の光周波数を制御することにより、数十ＴＨｚにわたる帯域において高確度かつ安定に光周波数が制御された光を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光周波数シンセサイザの基本構成を示すブロック図。
【図２】マルチモード基準光源２０の構成例を示すブロック図。
【図３】光周波数制御部５０の第１の構成例を示すブロック図。
【図４】光周波数制御部５０の第２の構成例を示すブロック図。
【図５】光周波数制御部５０の第３の構成例を示すブロック図。
【図６】光周波数計数回路５１の動作原理を説明する図。
【図７】光周波数可変光源１０の光周波数の算出パターンを説明する図。
【図８】本発明の光周波数シンセサイザの実施例構成を示すブロック図。
【図９】図５の光周波数制御部５０を用いた場合の動作原理を説明する図。
【符号の説明】
１０ 光周波数可変光源
２０ マルチモード基準光源
２１ 変調信号発生部
２２ 能動モード同期レーザ
２３ 光増幅器
２４ 非線形光ファイバ
２５ 光カプラ
２６ 光バンドパスフィルタ
２７ 光周波数基準
２８ 光検出回路
２９ 光発振周波数制御回路
３１ 光分岐手段
３２ 光合波手段
４０ 光検出手段
５０ 光周波数制御部
５１ 光周波数計数回路
５２ 光周波数制御信号生成部
５３ 電気信号分岐手段
５４ 周波数シンセサイザ
５５ 電気信号ミキサ
５６ 低域通過フィルタ（ＬＰＦ）
５７ 周波数シンセサイザ出力周波数制御回路
Claims (9)
- 発振光周波数が制御可能な光周波数可変光源と、
基準光周波数ν０ の基準モードを中心に縦モード間隔ｆｍ のマルチモード光（光コム）を出力するマルチモード基準光源と、
前記光周波数可変光源の出力光を２分岐し、その一方を光周波数シンセサイザの出力光として外部に出力する光分岐手段と、
前記光分岐手段で分岐された前記光周波数可変光源の出力光と前記マルチモード基準光源の出力光を合波する光合波手段と、
前記光合波手段の出力光を電気信号に変換し、前記光周波数可変光源の出力光と前記マルチモード基準光源の出力光（１つの縦モード）のビート光に対応するビート電気信号を出力する光検出手段と、
前記ビート電気信号を入力し、前記光周波数可変光源の発振光周波数を測定し、その測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように、前記光周波数可変光源の発振光周波数を制御する光周波数制御部と
を備えたことを特徴とする光周波数シンセサイザ。 - 前記光周波数制御部は、
前記ビート電気信号を入力して前記光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、
前記測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように、前記光周波数可変光源の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部とを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光周波数シンセサイザ。 - 前記光周波数制御部は、
前記ビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段と、
その一方のビート電気信号を入力して前記光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、
前記測定値νＸ が目標光周波数νＸ０になるように前記光周波数可変光源の発振光周波数を制御する制御信号を出力する光周波数制御信号生成部と、
前記マルチモード基準光源のある１つの縦モードの光周波数νｎ と目標光周波数νＸ０の差周波数｜νｎ −νＸ０｜の電気信号を出力する周波数シンセサイザと、前記電気信号分岐手段で分岐された他方のビート電気信号と前記周波数シンセサイザの出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサと、
前記電気信号ミキサの出力信号から低周波数成分を選択的に透過して前記光周波数可変光源に与える低域通過フィルタとを含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光周波数シンセサイザ。 - 前記光周波数制御部は、
前記ビート電気信号を２分岐する電気信号分岐手段と、
その一方のビート電気信号を入力して前記光周波数可変光源の発振光周波数νＸ を測定する光周波数計数回路と、
出力周波数を制御できる周波数シンセサイザと、
前記光周波数計数回路の測定値νＸ と目標光周波数νＸ０を比較し、両者の差周波数｜νＸ０−νＸ ｜が０まで減少するように前記周波数シンセサイザの出力周波数を掃引する周波数シンセサイザ出力周波数制御回路と、
前記電気信号分岐手段で分岐された他方のビート電気信号と前記周波数シンセサイザの出力電気信号をミキシングする電気信号ミキサと、
前記電気信号ミキサの出力信号から低周波数成分を選択的に透過して前記光周波数可変光源に与える低域通過フィルタとにより位相同期ループを構成し、前記光周波数可変光源の発振光周波数をオフセットロッキングする構成である
ことを特徴とする請求項１に記載の光周波数シンセサイザ。 - 前記光周波数計数回路は、
前記マルチモード基準光源の縦モード間隔をｆｍ からｆｍ ＋Δｆｍ に変化させたときに、縦モード間隔の変化分Δｆｍ （符号を含む）と、前記ビート電気信号の周波数ｆの変化分Δｆ（符号を含む）との比ｎ＝Δｆ／Δｆｍ （符号を含む）を計数する手段と、
前記光周波数可変光源の出力光の光周波数νＸ をシフトさせたときに、前記ビート電気信号の周波数ｆの変化分との比の符号ＳＴ （正ならば１、負ならば−１）を判定する手段と、
前記基準光周波数ν０ と、ｆｍ と、ｎと、ＳＴ に基づいて、前記光周波数可変光源の出力光の光周波数νＸ を
νＸ ＝ν０ −ＳＴ ｎｆｍ ＋ＳＴ ｆ
により算出する手段とを含む
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の光周波数シンセサイザ。 - 前記光周波数計数回路は、
前記マルチモード基準光源の縦モード間隔をｆｍ からｆｍ ＋Δｆｍ に変化させたときに、縦モード間隔の変化分Δｆｍ （符号を含む）と、前記ビート電気信号の周波数ｆの変化分Δｆ（符号を含む）との比ｎ＝Δｆ／Δｆｍ （符号を含む）を計数する手段と、
前記マルチモード基準光源の出力光の光周波数をシフトさせたときに、前記ビート電気信号の周波数ｆの変化分との比の符号ＳＭ （正ならば１、負ならば−１）を判定する手段と、
前記基準光周波数ν０ と、ｆｍ と、ｎと、ＳＭ に基づいて、前記光周波数可変光源の光周波数νＸ を
νＸ ＝ν０ ＋ＳＭ ｎｆｍ −ＳＭ ｆ
により算出する手段とを含む
を備えたことを特徴とする光周波数測定装置。
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の光周波数シンセサイザ。 - 前記マルチモード基準光源は、
前記マルチモード光の縦モード間隔を変化させる手段と、
前記マルチモード光の基準モードと光周波数基準とを一致させるフィードバック手段により、前記縦モード間隔の変化に係わらず前記基準モードの基準光周波数ν０ を一定に制御する手段を含む
ことを特徴とする請求項１に記載の光周波数シンセサイザ。 - 前記マルチモード基準光源は、
モード同期レーザと、
前記モード同期レーザをモード同期周波数で駆動し、その駆動周波数を変化させて前記マルチモード光の縦モード間隔を変化させる駆動手段と、
前記モード同期レーザから出力される光マルチモード光を入力し、そのスペクトル幅を広げる光非線形媒質と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光周波数シンセサイザ。 - 前記マルチモード基準光源は、
前記基準光周波数ν０ の単一モード光を出力する光源と、
前記単一モード光を変調して光マルチモード光を発生させる光変調手段と、
前記光変調手段の駆動周波数を変化させて前記マルチモード光の縦モード間隔を変化させる駆動手段と、
前記光変調手段から出力される光マルチモード光を入力し、そのスペクトル幅を広げる光非線形媒質と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の光周波数シンセサイザ。
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