JP4608512B2 - 周波数安定化光源 - Google Patents

Description

本発明は、周波数安定化光源に関し、より詳細には、出力光の周波数を光通信における基準周波数に安定化することができる周波数安定化光源に関する。

光通信において波長高密度化を実現するための変調技術としてＤＰＳＫ（Differential Phase-Shift Keying：差動位相偏移変調)、ＤＱＰＳＫ（Differential Quadrature Phase-Shift Keying：差動四相位相偏移変調）方式等の利用が検討されている。

これらの方式においては受信側で遅延マッハツェンダ干渉計が使用されるため、送信側においては信号光源の光周波数に高い精度、安定性が求められる。

ＩＴＵ−Ｔグリッド上の光周波数に一致する高精度の周波数安定化光源を実現する場合、従来技術として２つのレーザ光源と１つの吸収セルを用いた構成（例えば特許文献１参照）が提案されている。

図１は、従来の２つのレーザ光源と１つの吸収セルを用いた周波数安定化光源の構成例を示すブロック図である。その動作原理を以下に説明する。

レーザ光源１０４の出力光は光分岐器１０６を介して吸収セル１０８に入射される。あらかじめ温度制御回路１０２により、レーザ光源１０４の出力光周波数を吸収セル１０８の吸収線周波数の一つの近傍に設定しておく。

レーザ駆動回路１１２からの電流は発振器１１４の発振周波数ｆ₁で微小変調を施され、その結果、レーザ光源１０４からの出力光はわずかに周波数変調されている。

吸収線周波数近傍における吸収セル１０８の透過率の光周波数依存により、吸収セル１０８を透過した光は強度変調を受けたものになる。

吸収セル１０８の出力光は光検出器１１０で検出され、その出力が同期検波器１１６に入力される。また、発振器１１４からの信号も同期検波器１１６に入力される。

同期検波器１１６は、レーザ光源１０４の出力光周波数と吸収セルの吸収線周波数の差に応じた誤差信号をレーザ駆動回路１１２に送る。

この誤差信号が０になるようにレーザ駆動回路１１２は駆動電流を調整し、その結果、レーザ光源１０４の出力光周波数が吸収セル１０８の吸収線周波数に安定化される。

他方、レーザ光源１５４の出力光は光分波器１５６を介して光合波器１６４に入射され、レーザ光源１０４の出力光と合波される。あらかじめ温度制御回路１５２により、レーザ光源１５４の出力光周波数を目標周波数の近傍に設定しておく。

合波された光は光検出器１６２に入射され、２つのレーザ光の周波数差に等しいビート信号を発生させる。

発振器１６６はレーザ光源１０４の出力光周波数とレーザ光源１５４の目標周波数との差の周波数ｆ₂の信号を出力する。

発振器１６６の出力と光検出器１６２の出力は周波数比較器１６０に入射され、これらの２つの周波数差に応じた誤差信号をレーザ駆動回路１５８に送る。

この誤差信号が０になるようにレーザ駆動回路１５８は駆動電流を調整し、その結果、レーザ光源１５４の出力光周波数が吸収セル１０８の吸収線周波数からｆ₂だけ離れた周波数に安定化される。

以上述べたように、図１の構成の周波数安定化光源は吸収セルの吸収線周波数の一つから一定の周波数だけオフセットを与えられたレーザ光を発生するものである。

なお、アセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）ガスやシアン化水素（ＨＣＮ）ガスを封入した吸収セルを用いることで、Ｃ帯の波長を用いる波長多重伝送において基準周波数光源となる周波数安定化光源を実現することが可能となる。

特開２０００−３５７８４０号公報 S. L. Gilbert and W. C. Swann,"Carbon Monoxide Absorption References for 1560 nm to 1630 nm Wavelength Calibration-SRM 2514(12C160)and SRM 2515(13C160)", NIST Special Publication 260-146、Oct. 2002. (http://ts.nist.gov/MeasurementServices/ReferenceMaterials/upload/SP260-146.PDF)

前述のように、従来の周波数安定化光源において、吸収セルの吸収線周波数以外の周波数にレーザ光を安定化させるためには、２台のレーザ光源（１０４，１５４）を用意し、まず一方のレーザ光源１０４からのレーザ光を吸収セル１０８の吸収線周波数に安定化させ、その出力光を用いて他方のレーザ光源１５４からのレーザ光の光周波数を目標値に安定化させる必要があった。

このように２台のレーザ光源のそれぞれを安定化させる回路が必要であるために、従来の周波数安定化光源の構成は複雑であった。

また、従来の周波数安定化光源の構成においてはレーザ光の駆動電流を変調して出力光周波数に変調を与えるため、出力光の線幅が広がってしまうという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、吸収セルの吸収線周波数以外の光周波数に安定化させる周波数安定化光源において、１台のレーザ光源のみを用いる簡易な構成で、さらにレーザ光の駆動電流に変調信号を載せることなく、周波数が安定化した出力光が得られる周波数安定化光源を実現することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、周波数安定化光源であって、連続発振レーザ光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光源により発生したレーザ光のパワーの一部を分離する光分波器と、分離された前記レーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器と、前記光変調器に印加する電気信号を発生させる可変周波数発生手段と、前記可変周波数発生手段の出力周波数を変動させるための電気信号を発生させる低周波発振器と、前記光変調器から出力される変調を与えられた光を入力とする、前記光変調器により発生した変調側波帯の一つの近傍に吸収線周波数を有する吸収セルと、前記吸収セルから出力される強度変調された光を受光する検出器と、前記検出器の出力信号および前記低周波発振器の出力信号から同期検波を行う同期検波器と、前記同期検波器の出力信号に基づいて、当該出力信号が０になるように前記レーザ光源の出力光周波数の制御を行うレーザ光周波数制御手段とを備え、前記可変周波数発生手段は、前記連続発振レーザ光の目標とするレーザ光周波数と前記吸収セルの吸収線周波数との差に相当する周波数を中心として、上下に同じ周波数だけ離れた周波数をそれぞれ発生する２台の固定周波数発振器と、前記２台の固定周波数発振器の出力周波数の切替えを、前記低周波発振器からの電気信号によって行うスイッチとにより構成されたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、周波数安定化光源であって、連続発振レーザ光を発生させるレーザ光源と、前記レーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器と、前記光変調器に印加する電気信号を発生させる可変周波数発生手段と、前記可変周波数発生手段の出力周波数を変動させるための電気信号を発生させる低周波発振器と、前記光変調器の出力光から特定の光周波数成分を分離する光周波数分離手段と、分離された前記特定の光周波数成分の光を入力とする、前記光変調器により発生した変調側波帯の一つの近傍に吸収線周波数を有する吸収セルと、前記吸収セルから出力される強度変調された光を受光する検出器と、前記検出器の出力信号および前記低周波発振器の出力信号から同期検波を行う同期検波器と、前記同期検波器の出力信号に基づいて、当該出力信号が０となるように前記レーザ光源の出力光周波数の制御を行うレーザ光周波数制御手段とを備え、前記可変周波数発生手段は、前記連続発振レーザ光の目標とするレーザ光周波数と前記吸収セルの吸収線周波数との差に相当する周波数を中心として、上下に同じ周波数だけ離れた周波数をそれぞれ発生する２台の固定周波数発振器と、前記２台の固定周波数発振器の出力周波数の切替えを、前記低周波発振器からの電気信号によって行うスイッチとにより構成されたことを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記光変調器は、位相変調器、マッハツェンダ強度変調器および単側波帯変調器のいずれかであることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記吸収セルは、その内部に¹²Ｃ¹⁶Ｏ、¹³Ｃ¹⁶Ｏ、Ｃ₂Ｈ₂およびＨＣＮのいずれかを封入していることを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記吸収セルは、セル内の温度を測定する温度センサおよびセル内の圧力を測定する圧力センサのいずれかを備え、前記センサからの信号に応じて前記可変周波数発生手段の出力周波数を制御すること
を特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記レーザ光周波数制御手段は、前記レーザ光源の温度を制御して出力光周波数の制御を行う温度制御回路、前記レーザ光源の駆動電流を制御して出力光周波数の制御を行うレーザ駆動回路、および前記レーザ光源の共振器長制御により出力光周波数の制御を行う共振器長制御回路のいずれかを備えることを特徴とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記同期検波器は、前記低周波発振器の周波数と同一の周波数、および前記低周波発振器の周波数の整数倍の周波数のいずれかの信号成分を検波することを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の前記同期検波器は、前記低周波発振器の信号の位相を互いに９０度ずらして受信する２台の位相検波器を備え、前記位相検出器からの出力信号ベクトルの長軸方向成分を求めて同期検波信号を出力することを特徴とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１または２に記載の前記吸収セルは、前記セル内の温度を一定に保つように制御する温度制御回路を備えることを特徴とする。

以上説明したように、本発明により、１台のレーザ光源のみを用いる簡易な構成で、レーザの駆動電流に変調信号を乗せることなく、吸収セルの吸収線周波数以外の光周波数に安定化させた出力光が得られる周波数安定化光源を実現することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図２および１０は、それぞれ本発明の周波数安定化光源の原理ブロック図を示す。

図２に示すように、本実施形態の周波数安定化光源は、連続発振レーザ光を発生させるレーザ光源２１０と、レーザ光源２１０により発生したレーザ光のパワーの一部を分離する光分波器２２０と、光分波器２２０により分離されたレーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器２３０と、光変調器２３０に印加する電気信号を発生させる可変周波数発生手段２７０と、可変周波数発生手段２７０の出力周波数を変動させるための電気信号を発生させる低周波発振器２８０と、光変調器２３０から出力された変調を与えられた光を入力とする、光変調器２３０により発生した変調側波帯の一つの近傍に吸収線周波数を有する吸収セル２４０と、吸収セル２４０から出力される強度変調された光を受光する検出器２５０と、検出器２５０の出力信号および低周波発振器２８０の出力信号から同期検波を行う同期検波器２９０と、同期検波器２９０の出力信号に応じてレーザ光源２１０の出力光周波数の制御を行うレーザ光周波数制御手段２６０とを備える。

また、図１０に示すように、本実施形態の周波数安定化光源は、連続発振レーザ光を発生させるレーザ光源２１０と、レーザ光源２１０により発生したレーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器２３０と、光変調器２３０に印加する電気信号を発生させる可変周波数発生手段２７０と、可変周波数発生手段２７０の出力周波数を変動させるための電気信号を発生させる低周波発振器２８０と、光変調器２３０の出力光から特定の光周波数成分を分離する光周波数分離手段３２０と、光周波数分離手段３２０により分離された特定の光周波数成分の光を入力とする、光変調器２３０により発生した変調側波帯の一つの近傍に吸収線周波数を有する吸収セル２４０と、吸収セル２０４から出力される強度変調された光を受光する検出器２５０と、検出器２５０の出力信号および低周波発振器２８０の出力信号から同期検波を行う同期検波器２９０と、同期検波器２９０の出力信号に応じてレーザ光源２１０の出力光周波数の制御を行うレーザ光周波数制御手段２６０とを備える。

上記のように、本発明は、レーザ光源２１０により発生したレーザ光の一部に変調を与えて変調側波帯を発生させ、発生した変調側波帯の一つの近傍に吸収線周波数を有する吸収セル２４０に入射するように構成してもよく、あるいはレーザ光源２１０により発生したレーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させ、変調を与えたレーザ光の特定の周波数成分を分離し、発生した変調側波帯の一つの近傍に吸収線周波数を有する吸収セル２４０に入射するように構成してもよい。

光変調器２３０は、例えば、位相変調器、マッハツェンダ強度変調器および単側波帯（ＳＳＢ）変調器のいずれかとすることができる。

吸収セル２４０は、例えば、その内部に一酸化炭素（¹²Ｃ¹⁶Ｏあるいは¹³Ｃ¹⁶Ｏ）、アセチレン（Ｃ₂Ｈ₂）およびシアン化水素（ＨＣＮ）のいずれかを封入しているものとすることができる。

可変周波数発生手段２７０は、例えば、レーザ光源２１０により発生したレーザ光の目標とするレーザ光周波数と吸収セル２４０の吸収線周波数との差に相当する周波数を中心として、上下に同じ周波数だけ離れた周波数をそれぞれ発生する２台の固定周波数発振器と、当該２台の固定周波数発振器の出力周波数の切替えを、低周波発振器２８０からの電気信号によって行うスイッチを備えるように構成することができる。

あるいは、可変周波数発生手段２７０は、例えば、低周波発振器２８０からの電気信号によって駆動する周波数変調器を備えるように構成することができる。周波数変調器は、電圧制御発振器を備えるように構成することができる。

また、本実施形態の周波数安定化光源は、吸収セル２４０内の温度を測定する温度センサをさらに備え、温度センサからの信号に応じて可変周波数発生手段２７０の出力周波数が制御されるように構成することもできる。

あるいは、本実施形態の周波数安定化光源は、吸収セル２４０内の圧力を測定する圧力センサをさらに備え、圧力センサからの信号に応じて可変周波数発生手段２７０の出力周波数が制御されるように構成することもできる。

レーザ光周波数制御手段２６０は、例えば、レーザ光源２１０の温度を制御して出力光周波数の制御を行う温度制御回路およびレーザ光源の駆動電流を制御して出力光周波数の制御を行うレーザ駆動回路のいずれかとすることができる。

あるいは、レーザ光周波数制御手段２６０は、レーザ光源２１０の共振器長を制御する装置とすることもできる。

同期検波器２９０は、例えば、低周波発振器２８０の周波数と同一の周波数、またはその整数倍の周波数のいずれかの信号成分を検波する装置とすることができる。

また、同期検波器２９０は、デジタル的な処理で同期検波を行う装置とすることもできる。あるいは、同期検波器２９０は、アナログ的な処理で同期検波を行う装置とすることもできる。

さらにまた、同期検波器２９０は、低周波発振器２８０の信号の位相を互いに９０度ずらして受信する２台の位相検波器を備え、これらの位相検出器からの出力信号ベクトルの長軸方向成分を求めて同期検波信号を出力するように構成することができる。この構成により２位相ロックインアンプを実現することができ位相の調整を簡略化した周波数安定化光源を構成することができる。

吸収セル２４０は、温度制御回路を備え、セル内の温度を一定に保つように制御するように構成することができる。

光周波数分離手段３２０は、例えば、安定化されたレーザ光源の出力光周波数に反射波長を有する狭帯域ファイバブラッググレーティングに光サーキュレータを接続したものとすることができる。この構成により、１入力２出力の光周波数分離手段３２０を実現することができ、目標とするレーザ光周波数に安定化された出力光周波数成分と変調側波帯成分とが分離することができる。目標とするレーザ光周波数に安定化された出力光周波数成分は本実施形態の周波数安定化光源の出力とされ、変調側波帯成分は吸収セル２４０へ入射される。

（実施例１）
図３ないし６を参照して、本発明の周波数安定化光源の第１の実施例を説明する。
図３は、図２に示した第１の実施形態に係る周波数安定化光源のレーザ光源２１０を分布帰還型レーザダイオード（ＤＦＢ ＬＤ：distributed feedback laser diode）２１１により、光分波器２２０を−１０ｄＢカプラ２２１により、光変調器２３０をＬｉＮｂＯ₃位相変調器２３１により、可変周波数発生手段２７０を変調器ドライバアンプ２７１と発振器２７２と可変アッテネータ２７３と発振器２７４と可変アッテネータ２７５とＰＩＮ２７６とにより、低周波発振器２８０を矩形波発振器２８１により、吸収セル２４０を¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１により、検出器２５０をフォトディテクタ２５１により、同期検波器２９０を電流入力プリアンプ２９１と低雑音プリアンプ２９２とロックインアンプ２９３とにより、およびレーザ光周波数制御手段２６０を温度制御回路２６１とレーザ駆動回路２６２によりそれぞれ構成した構成例を示す。

本実施例の周波数安定化光源は、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１の吸収線の一つを利用し、その吸収線周波数から一定周波数だけオフセットした189.100000THzの周波数安定化光を出力させるものである。

非特許文献１によると、目標のレーザ光周波数は189.100000THzの最も近い¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セルの吸収線周波数は、Ｐ１０吸収線の吸収中心周波数（133kPaの気圧において189.087460THz）であり、これは目標周波数189.100000THzから12.540GHzだけオフセットした値である。

なお、以下の説明においては、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セルのＰ１０吸収線の吸収中心周波数は189.087460THz）であるとする。

本実施例の周波数安定化光源の動作原理を以下に説明する。
ＤＦＢ ＬＤ２１１から出力されたＣＷ（continuous wave）レーザ光（本明細書中において、ＣＷ光、連続発振レーザ光ともいう。）は、−１０ｄＢカプラ２２１を介してＬｉＮｂＯ₃位相変調器２３１に入射される。

なお、あらかじめ温度制御回路２６１によりＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数を調整して、変調側波帯の光周波数が¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１のＰ１０吸収線の吸収中心周波数の近傍になるように設定しておく。

ＬｉＮｂＯ₃位相変調器２３１においてレーザ光には位相変調が与えられ、複数の変調側波帯が発生する。

変調側波帯は周波数軸上において変調周波数と同一の間隔で発生し、元のＣＷ光周波数を中心として同じ周波数だけ離れた２つの変調側波帯の強度は等しくなる。

ここで、位相変調の変調指数が、1.84になるように変調器ドライバアンプ２７１からの入力を調整することで、元のＣＷ光周波数から変調周波だけ離れた２本の変調側波帯の強度が最大となるような光スペクトル波形が得られる。

図４は、ＤＦＢ ＬＤ２１１からの出力光周波数が189.100000THz、変調周波数が12.540GHz、変調指数が1.84である場合の位相変調器２３１の出力の光スペクトルの計算結果である。図４中の黒丸が各線スペクトルの強度を表す。なお、図４の縦軸は元のＣＷレーザ光の強度を０ｄＢとした場合の相対強度である。

位相変調器２３１の過剰損失を無視すると、これらの２本の変調側波帯強度の強度はそれぞれ、元のＣＷ光の強度よりも4.70ｄｂだけ小さい値になる。

また、図４中には¹²Ｃ¹⁶ＯのＰ１０吸収線の近辺のＰ８、Ｐ９、Ｐ１１、Ｐ１２の吸収線の中心周波数も示している。

位相変調により発生する変調側波帯は、これらの隣接吸収線の中心周波数からは十分離れた周波数領域に存在している。

本実施例の周波数安定化光源においては、位相変調周波数は12.540GHzを中心とした±20 MHzの周波数、すなわち、12.520GHzと12.560GHzの２つの周波数が、一定の周期で切り替わるようにする。

これは、周波数12.520GHzの発振器２７２と、周波数12.560GHzの発振器２７４の２つの出力をＰＩＮスイッチ２７６に入力し、このＰＩＮスイッチ２７６の出力周波数を交互に切り替えることで実現される。

ここで、ＰＩＮスイッチ２７６には、矩形波発振器２８１からの周波数１kHzの信号を入力し、12.520GHzと12.560GHzの２つの周波数が１kHz の繰り返しで切り替わるようにする。

ＰＩＮスイッチ２７６の出力は変調ドライバアンプ２７１を介して位相変調器２３１に入力される。

12.520GHzと12.560GHzの２つの周波数における位相変調の変調指数が1.84付近で同一の値になるように、発振器２７２および２７４の出力強度をそれぞれ可変アッテネータ２７３および２７５で調整する。

なお、位相変調はＣＷ光に対してチャープを与えるが光の包絡線強度には変化を与えないため、位相変調器出力における光強度は時間的に一定である。

位相変調器２３１の出力光は¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セルへ入射される。

図５は、ＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数および変調側波帯周波数、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１のＰ１０吸収線の吸収中心周波数、ならびに吸収線の透過スペクトルの関係を模式的に示したものである。

本実施例においては、ｖ_CO＝189.087460THz、ｖ_offset＝12.540GHz、ｖ_dif＝40MHz、ｆ_m＝１kHzで固定され、ｖ_LDの目標周波数が189.100000THzである。

変調側波帯は、元のＣＷ光周波数より12.520GHz低周波側と12.560GHz低周波側に発生する２本が示されており、この２本は繰り返し周波数１kHzで交互に発生する。

なお、この２本の変調側波帯の周波数間隔40 MHzは、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１のＰ１０吸収線の透過スペクトル幅より十分小さい。

ＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数が189.100000THzちょうどである場合、図５に示された２本の変調側波帯周波数における吸収線の透過率は同一の値になり、その結果、吸収セル２４１を透過した後の光の強度は時間的に一定となる。

しかし、ＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数が189.100000THzから低周波数側にずれると、12.520GHz低周波側の変調側波帯の方が吸収線による損失が大きくなり、12.570GHz低周波側の変調側波帯よりも強度が小さくなる。その結果、吸収セル２４１の出力光強度は周波数１kHz で振動する。

ＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数が189.100000THzから高周波数側にずれると、逆に12.570 GHz低周波側の変調側波帯の方が強度が小さくなり、その結果、やはり吸収セル２４１の出力光強度は周波数１kHz で振動する。

ここで、ＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数が189.100000THzから高周波数側にずれる場合と低周波側にずれる場合とで、１kHz振動の位相はπずれる。

吸収セル２４１の出力光はフォトディテクタ２５１が受光され、その出力は電流入力アンプ２９１、低雑音プリアンプ２９２を介してロックインアンプ２９３に送られる。

ロックインアンプ２９３には、矩形波発振器２８１からの１kHz信号も入力される。

ロックインアンプ２９３は、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１の出力光の包絡線強度における１kHz成分を同期検波する。同期検波される１kHz成分の強度は、ＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数と目標周波数189.100000THzの差に応じて変化する。

同期検波信号の光周波数依存性を実際に測定した結果を図６に示す。ここで、この図６の横軸は、図５における２本の変調側波帯の中間点の周波数から吸収中心周波数を差し引いた値であり、これは即ち、ＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数の目標周波数からのずれに一致する。

同期検波信号の光周波数依存性は図６に示されるようなＳカーブとなり、２本の変調側波帯の中間点での光周波数が吸収セルの吸収中心周波数と一致する場合に、同期検波信号は０となる。

ロックインアンプ２９３から出力される同期検波信号は、誤差信号としてレーザ駆動回路２６２に送られる。

この誤差信号が０になるようにレーザ駆動回路２６２は駆動電流を調整し、その結果、ＤＦＢ ＬＤ２１１の出力光周波数が目標周波数189.100000THzに安定化される。

なお、本実施例においては、189.100000THzの周波数安定化光を出力させるために¹²Ｃ¹⁶ＯのＰ１０吸収線を利用したが、それ以外のＩＴＵ−Ｔグリッド上の光周波数における周波数安定化光を得るために、他の吸収線を利用することも可能である。

例えば、¹²Ｃ¹⁶ＯのＰ７吸収線の吸収中心周波数は133kPaの気圧において189.508355 THzであり、これはＩＴＵ−Ｔグリッド上の光周波数189.500000THzから8.355GHzだけオフセットした値である。したがって、本実施例における変調周波数の中心を8.355GHzに設定することで、189.500000THzの周波数安定化光が得られる。

同様に、¹²Ｃ¹⁶ＯのＰ１２吸収線（吸収中心周波数は133kPaの気圧において188.791330THz）を利用し、変調周波数の中心を8.670GHzに設定することで、189.800000THzの周波数安定化光が得られる。

本発明により光源の光周波数を安定化する場合、結果としていられる光源の光周波数確度（確からしさ）は、吸収線の吸収ピークの光周波数の確度＋側帯波発生用の電気発振器の周波数確度＋制御回路の確度で決定される。

電気発振器の発信周波数（ｖ_offset）は通常、内蔵の水晶発振器にＰＬＬ（Phase-locked loop）技術を用いて同期制御することで周波数確度を高めている。

これに対し、本発明においては、この発信周波数をＦＭ変調して使用することを特徴とする。しかし、吸収線のピーク検出の感度を向上するためにＦＭ変調の最大周波数偏移（±ｖ_dif／２）を大きくすると、キャリア周波数の周波数確度が低下するという問題が生じる。

そこで、本実施例に示すように発信周波数がｖ_offset＋ｖ_dif／２およびｖ_offset−ｖ_dif／２の発振器を用意しておき、これらを交互にスイッチングして使用することによって、所望の動作を実現している。これにより、比較的簡易な構成によって、高い周波数確度の光周波数安定光源を実現することが可能となる。

（実施例２）
図７を参照して、本発明の周波数安定化光源の第２の実施例を説明する。
図７は、本発明の周波数安定化光源の第２の実施例の構成を示し、矩形波発振器２８１とロックインアンプ２９３の間に周波数逓倍器２９４が挿入されている点を除き、図３に示した第１の実施例と同様である。したがって、繰り返しの説明は省略する。

本実施例では、周波数逓倍器２９４は、矩形波発振器２８１からの信号の周波数を整数倍にしてロックインアンプ２９３に入力する。

この構成により、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１から出力される光の強度の変動成分のうち、矩形波発振器の周波数の整数倍にあたる成分が検出される。

矩形波発振器の周波数の整数倍にあたる成分を検出することでより大きな誤差信号が得られ、より制度の高い光周波数制御を実現することができる。

（参考例１）
図８を参照して、本発明の周波数安定化光源の第１の参考例を説明する。
図８は、周波数安定化光源の第１の参考例の構成を示し、図２に示した第１の実施形態に係る周波数安定化光源の可変周波数発生手段２７０の構成を除き、図３に示した第１の実施例と同様である。したがって、繰り返しの説明は省略する。

本参考例では、可変周波数発生手段２７０は、変調器ドライバアンプ２７１と電圧制御発振器２７７と可変アッテネータ２７８とを備える。

即ち、本参考例では中心周波数を12.540GHzに設定した電圧制御発振器２７７を用い、矩形波発振器２８１からの１kHz信号により、12.540GHz付近の異なる２つの周波数を繰り返し１kHzで切り替えて出力させる。

ここで、電圧制御発振器２７７に入力される１kHz信号の強度を調整することにより、電圧制御発振器２７７から出力される２つの周波数が12.540GHzを中心として数十MHz程度の振幅で振動するようにする。

電圧制御発振器２７７の出力は変調ドライバアンプ２７１を介して位相変調器２３１に入力される。可変アッテネータ２７８は、変調ドライバアンプ２７１から位相変調器２３１に入力する電気信号の強度を調整する。

本実施例によれば、第１の実施例よりも簡略化した構成の周波数安定化光源を実現することができる。

（実施例３）
図９を参照して、本発明の周波数安定化光源の第３の実施例を説明する。

図９は、本発明の周波数安定化光源の第３の実施例の構成を示し、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１に温度センサ２７９が取り付けられ、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１の温度に応じて発振器２７２と発振器２７４の両方の出力周波数を調整する仕組みとなっている点を除き、図３に示した第１の実施例と同様である。したがって、繰り返しの説明は省略する。

¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２７９の吸収線の吸収中心周波数はセル内のガスの圧力にわずかに依存し、また、セル内の圧力は外気温に依存する。

したがって、使用する¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１の温度が変動すると、吸収線の中心周波数が変化し、その結果、ＤＦＢ ＬＤ２６１の出力光の目標周波数と吸収線の中心周波数との差（図５におけるｖ_offset）が変化する。

そこで、あらかじめ¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１の温度と上記ｖ_offsetの相関を調べておき、吸収セルの温度が変化しても発振器２７２および発振器２７４の出力周波数の中間点の周波数がｖ_offsetと常に一致するように各発振器を調整することにより、出力光周波数の精度をより高くすることが可能となる。

なお、本実施例においては、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１に温度センサ２７９が取り付けられ、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１の温度をモニタしたが、この温度センサの代わりに圧力センサを取り付けて¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル２４１内の圧力をモニタし、その圧力に応じて発振器２７２および発振器２７４の出力周波数を調整してもよい。

以上、本発明の好適な実施例を具体的に例示して説明したが、本発明は、実施例は上記例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内であれば、その構成部材等の置換、変更、追加、個数の増減、形状の設計変更、設定パラメータの変更等の各種変形は、全て本発明に含まれる。

周波数安定化光源の従来技術の構成例を示すブロック図である。 本発明の周波数安定化光源の原理的構成を示すブロック図である。 本発明の周波数安定化光源の第１の実施例を示す図である。 ＣＷ光に対して変調指数1.84の位相変調を与えた場合の光スペクトルの計算結果を示す図である。 ＤＦＢ ＬＤの出力光周波数、変調側波帯周波数、¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セルのＰ１０吸収線の吸収中心周波数、ならびに吸収線の透過スペクトルの関係を模式的に示す図である。 同期検波信号の光周波数依存性を測定した結果を示す図である。 本発明の周波数安定化光源の第２の実施例を示す図である。 本発明の周波数安定化光源の第１の参考例を示す図である。 本発明の周波数安定化光源の第３の実施例を示す図である。 本発明の周波数安定化光源の原理的構成を示すブロック図である。

符号の説明

２１０ レーザ光源
２１１ 分布帰還型レーザダイオード（ＢＦＤ ＬＤ）
２２０ 光分波器
２２１ ファイバカプラ
２３０ 光変調器
２３１ ＬｉＮｂＯ₃位相変調器
２４０ 吸収セル
２４１ ¹²Ｃ¹⁶Ｏ吸収セル
２５０ 光検出器
２５１ フォトディテクタ
２６０ レーザ光周波数制御手段
２６１ 温度制御回路
２６２ レーザ駆動回路
２７０ 可変周波数発生手段
２７１ 変調器ドライバアンプ
２７２，２７４ 発振器
２７３，２７５ 可変アッテネータ
２７６ ＰＩＮスイッチ
２８０ 低周波発振器
２８１ 矩形波発振器
２９０ 周期検波器
２９１ 電流入力プリアンプ
２９２ 低雑音プリアンプ
２９３ ロックインアンプ
２９４ 周波数逓倍器

Claims (9)

1. 連続発振レーザ光を発生させるレーザ光源と、
   前記レーザ光源により発生したレーザ光のパワーの一部を分離する光分波器と、
   分離された前記レーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器と、
   前記光変調器に印加する電気信号を発生させる可変周波数発生手段と、
   前記可変周波数発生手段の出力周波数を変動させるための電気信号を発生させる低周波発振器と、
   前記光変調器から出力される変調を与えられた光を入力とする、前記光変調器により発生した変調側波帯の一つの近傍に吸収線周波数を有する吸収セルと、
   前記吸収セルから出力される強度変調された光を受光する検出器と、
   前記検出器の出力信号および前記低周波発振器の出力信号から同期検波を行う同期検波器と、
   前記同期検波器の出力信号に基づいて、当該出力信号が０になるように前記レーザ光源の出力光周波数の制御を行うレーザ光周波数制御手段と
   を備え、
   前記可変周波数発生手段は、
   前記連続発振レーザ光の目標とするレーザ光周波数と前記吸収セルの吸収線周波数との差に相当する周波数を中心として、上下に同じ周波数だけ離れた周波数をそれぞれ発生する２台の固定周波数発振器と、
   前記２台の固定周波数発振器の出力周波数の切替えを、前記低周波発振器からの電気信号によって行うスイッチとにより構成されたことを特徴とする周波数安定化光源。
2. 連続発振レーザ光を発生させるレーザ光源と、
   前記レーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器と、
   前記光変調器に印加する電気信号を発生させる可変周波数発生手段と、
   前記可変周波数発生手段の出力周波数を変動させるための電気信号を発生させる低周波発振器と、
   前記光変調器の出力光から特定の光周波数成分を分離する光周波数分離手段と、
   分離された前記特定の光周波数成分の光を入力とする、前記光変調器により発生した変調側波帯の一つの近傍に吸収線周波数を有する吸収セルと、
   前記吸収セルから出力される強度変調された光を受光する検出器と、
   前記検出器の出力信号および前記低周波発振器の出力信号から同期検波を行う同期検波器と、
   前記同期検波器の出力信号に基づいて、当該出力信号が０となるように前記レーザ光源の出力光周波数の制御を行うレーザ光周波数制御手段と
   を備え、
   前記可変周波数発生手段は、
   前記連続発振レーザ光の目標とするレーザ光周波数と前記吸収セルの吸収線周波数との差に相当する周波数を中心として、上下に同じ周波数だけ離れた周波数をそれぞれ発生する２台の固定周波数発振器と、
   前記２台の固定周波数発振器の出力周波数の切替えを、前記低周波発振器からの電気信号によって行うスイッチとにより構成されたことを特徴とする周波数安定化光源。
3. 前記光変調器は、位相変調器、マッハツェンダ強度変調器および単側波帯変調器のいずれかであることを特徴とする請求項１または２に記載の周波数安定化光源。
4. 前記吸収セルは、その内部に¹²Ｃ¹⁶Ｏ、¹³Ｃ¹⁶Ｏ、Ｃ₂Ｈ₂およびＨＣＮのいずれかを封入していることを特徴とする請求項１または２に記載の周波数安定化光源。
5. 前記吸収セルは、
   セル内の温度を測定する温度センサおよびセル内の圧力を測定する圧力センサのいずれかを備え、
   前記センサからの信号に応じて前記可変周波数発生手段の出力周波数を制御すること
   を特徴とする請求項１または２に記載の周波数安定化光源。
6. 前記レーザ光周波数制御手段は、
   前記レーザ光源の温度を制御して出力光周波数の制御を行う温度制御回路、
   前記レーザ光源の駆動電流を制御して出力光周波数の制御を行うレーザ駆動回路、および
   前記レーザ光源の共振器長制御により出力光周波数の制御を行う共振器長制御回路のいずれかを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の周波数安定化光源。
7. 前記同期検波器は、
   前記低周波発振器の周波数と同一の周波数、および
   前記低周波発振器の周波数の整数倍の周波数のいずれかの信号成分を検波することを特徴とする請求項１または２に記載の周波数安定化光源。
8. 前記同期検波器は、
   前記低周波発振器の信号の位相を互いに９０度ずらして受信する２台の位相検波器を備え、
   前記位相検出器からの出力信号ベクトルの長軸方向成分を求めて同期検波信号を出力することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の周波数安定化光源。
9. 前記吸収セルは、
   前記セル内の温度を一定に保つように制御する温度制御回路を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の周波数安定化光源。

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