CN117280272A - 光梳产生器控制装置 - Google Patents

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今井一宏
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Abstract

提供一种光梳产生器控制装置，即使在光梳的产生方法不是完全的单模的情况下、或者即使是调制频率被切换的光梳产生器，也以使控制点位于产生最宽的光梳的位置的方式进行谐振器长度或光源频率的控制，从而能够获得稳定的输出。由光滤波器(5)使作为透过光或反射光而从光梳产生器(2)的光谐振器射出的光梳的载波频率成分衰减，由光检测器(6)接收借助上述光滤波器(5)而提取出的光频率成分并检测光强度，由光谐振控制部(8)使用由上述光检测器(6)得到的检测信号，来对上述光谐振器的光谐振长度或上述入射光的光源频率进行反馈控制。

Description

光梳产生器控制装置
技术领域
本发明涉及一种在光通信系统、光测量系统中使用的光梳产生器控制装置。本申请基于在日本于2021年4月26日申请的日本专利申请号特愿2021-074337而主张优先权，将该申请以参照的形式引入本申请中。
背景技术
以往，例如在高精度地测定光频率的情况下使用了光梳产生器(OpticalFrequency Comb Generator)。即，在对两束激光进行外差检波来测定两束激光的差频的情况下，其频带因受光元件的频带而受到限制，大致为数十GHz左右，因此使用光梳产生器来构建宽频带的外差检波系统。光梳产生器以等频率间隔产生数百条以上的所入射的激光的边带，所产生的边带的频率稳定度与原来的激光的频率稳定度大致同等。因此，通过对该边带和被测定激光进行外差检波，能够构建涉及数THz以上的宽频带的外差检波系统。
光梳例如能够应用于光通信来高速传输大量的数据。另外，通过将光梳应用于距离测量的领域，能够高精度地进行从微米单位到千米(km)单位的距离测量。
关于在光谐振器内具备进行入射光的光调制的光调制器的光梳产生器，若光谐振器的谐振器长度存在变动，则无法获得稳定的光梳输出。
因此，为了获得稳定的光梳输出，检测作为透过光或反射光而从光梳产生器取出的光梳输出的强度，来对谐振器长度进行反馈控制(例如，参照专利文献1、2)。
另外，本案发明人等以前提出了一种光梳测距仪(例如参照专利文献3、4。)，具备射出分别被周期性地调制强度或相位且调制周期互不相同的具有干涉性的基准光和测定光的两个光梳产生器，通过基准光检测器来检测向基准面照射的基准光与向测定面照射的测定光的干涉光，并且通过测定光检测器来检测由上述基准面反射后的基准光与由上述测定面反射后的测定光的干涉光，根据通过上述基准光检测器和测定光检测器得到的两个干涉信号的时间差，求出到上述基准面的距离与到上述测定面的距离之差，由此能够高精度地且在短时间内进行测量。
即，使用从利用频率不同的两种调制信号来驱动的两个光梳产生器射出的具有干涉性的基准光和测定光，由此能够针对由基准光检测器得到的干涉信号(下面称为参照信号。)以及由测定光检测器得到的干涉信号(下面称为测定信号。)进行频率分析，将从光梳的中心频率开始数起的模式编号设为N，计算参照信号与测定信号的N次模式之间的相位差来抵消从光梳产生器到基准点的光梳生成、传输过程的光相位差，之后，计算频率轴上每一次的相位差的增量来求出测定信号脉冲与参照信号脉冲的相位差，由此能够计算从基准点到测定面的距离。
在此，使用从利用微波频带的调制频率fm(例如25GHz)、频率差Δf(例如500kHz)的一对调制信号来驱动的两个光梳产生器输出的基准光和测定光测定的距离是将从基准点到测定面的整体距离(称为绝对距离)减去调制频率fm的半波长的整数倍的距离后的剩余部分。干涉信号具有Δf的周期性，能够求出最接近的参照信号与测定信号的相位差。在测定超过半波长的距离的情况下，2π乘以整数而得到的相位作为与从基准时刻到进行比较的参照信号的时间差相当的相位而固有地存在。通过一组频率设定无法判别该整数值。通过略微改变fm地多次执行距离测定，能够倒算出作为与多个测定条件匹配的值的该整数。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第3976756号公报
专利文献2：日本特开2006-337832号公报
专利文献3：日本专利第5231883号公报
专利文献4：日本特开2020-12641号公报
发明内容
发明要解决的问题
在光梳产生器中，使输入光的频率与光谐振器的任意模式的频率一致来产生光梳，因此为了高效地产生光梳，需要进行用于使输入光的频率与光谐振器的特定模式的频率一致的谐振器长度的控制。
以往，通过检测作为透过光或反射光而从光梳产生器取出的光梳输出的强度来对谐振器长度进行反馈控制，由此获得稳定的光梳输出，但是在光梳产生器中光谐振器的谐振模式有多个，还存在不产生光梳的模式(输入波长成分大)，在该模式下存在无法使光梳输出稳定的问题。
例如在电光调制器型的情况下，在光谐振器中存在偏振不同的两种模式(TE、TM模式等)。产生光梳的偏振模式(选择其中一者)的FSR被设定为调制频率的整数分之一，电光常数大且光梳的产生效率大。但是，除此以外的偏振模式的FSR也不同，电光常数也不同，因此不会形成频率范围大的光梳。
在使用了电光效应的光梳产生器的情况下，主模式以外的偏振模式由于等效折射率不同，因此FSR也不同，另外，电光常数也小。因此，主要的偏振模式以外的模式几乎无法产生光梳，即使能够产生一些也主要是载波成分。主要的偏振模式以外的模式虽然被偏振片等去除，但是根据偏振片的消光比的界限、或者组装精度，有时会与输出光混合而对谐振器长度的控制带来不良影响。这也产生了无法相对于主模式的谐振频率来相对地控制非主模式的偏振模式的谐振频率的影响。
另外，存在横模的情况也同样，有时会与输出光混合而对谐振器长度的控制带来不良影响。这是在光梳的产生方法不是完全的单模的情况下产生的，即使在除电光效应以外的光梳产生方法中也无法避免。
在此，图1是通过光梳模块的调制输入的偏压T对以DC偏压扫描了谐振器长度的情况下的输出光强度进行绘制而得到的特性图。在图17中用圆形标记表示出偏振模式发生了重叠的场所。在图1中，产生光梳的模式有多个，也存在没有问题的模式，但是在〇标记处能够看到变形。偏振模式的电光常数不同，从而无法预测是否发生模式之间的重叠。另外，也会受到略微的输入光的频率变化、环境变化的影响。可能是由于与光梳的载波之间的干涉所产生的影响而使形状也不稳定。因此，混有这样的模式的器件不能使用于产品中，会使产品的成品率下降。
如上所述，在使用了使限制在光波导中的光进行谐振的波导型光谐振器的光梳频率产生器的光梳产生中，正交的偏振成分有时会使得用于使光梳产生器的谐振频率与激光频率一致的控制不稳定，从而成为控制点的偏移、控制的振荡等的原因，在将光梳例如利用于测定到测定对象的距离或高度的测量装置的情况下，正交的偏振成分成为测量误差的主要原因。
另外，在将光梳测距仪用作绝对测距仪的情况下，在将测定对象物固定的状态下切换光梳产生器的调制频率，来根据干涉信号的相位的变化计算半波长的整数倍的距离，由此来消除半波长的整数倍的距离的模糊性，但是存在若切换需要时间则无法充分地消除模糊性的问题点。
即，若在调制频率切换的期间混入了振动、空气折射率变动的影响等，则难以判别是测定到了由调制频率的切换引起的相位差、还是由于振动、折射率变动而附加的。
因此，重要的是，尽可能快地在短时间内进行调制频率的切换。为了进行调制频率的切换而使用微波开关，切换的过渡期为短时间(约30ns)，但是如图2所示那样发生不输出调制信号的情况，并且发生虽然时间短但调制频率的偏移大的情况。
图2是示出在切换光梳产生器的调制频率的情况下产生的具有无调制区间的调制信号的波形图。
在不输出调制信号的情况下，在这一瞬间，输入的光不被调制，因此不会成为梳状的光，从而输出以输入波长为主要成分的光。
另外，在调制频率的偏移大的情况下也同样，由于光梳产生器的光谐振器、电极的结构被设计为对于特定的调制频率的调制效率变高，从而对于偏移了的频率的调制效率低，结果是输出以输入波长为主要成分的光。
与调制后的边带(除输入波长以外的光梳)的功率相比，无调制、极弱的调制状态的输出波长功率较高，因此即使是短时间的现象，影响也大。
此外，在专利文献1的公开技术中，在光谐振器内具备由使作为调制对象的光通过的电光晶体构成的光调制器的光梳产生器中，基于接收由光滤波器从自所述电光晶体射出的光梳中提取出的光频率成分并检测光强度的光检测器的检测信号，来对上述光谐振器的光谐振长度进行反馈控制。然而，上述光滤波器是提取远离上述光梳的中心频率的上述光梳急剧衰减的端部附近的光频率成分，而不是使中心频率的载波成分衰减。
因此，鉴于如上所述的以往的实际情况，本发明的目的在于提供一种即使在光梳的产生方法不是完全的单模的情况下也以使控制点位于产生最宽的光梳的位置的方式进行谐振器长度或光源频率的控制从而能够获得稳定的输出的光梳产生器控制装置。
另外，本发明的其它目的在于提供一种即使是调制频率被切换的光梳产生器也以使控制点位于产生最宽的光梳的位置的方式进行谐振器长度或光源频率的控制从而能够获得稳定的输出的光梳产生器控制装置。
本发明的其它目的、通过本发明得到的具体的优点将根据下面说明的实施方式的说明而变得更加明确。
用于解决问题的方案
在本发明中，检测借助使从在光谐振器内具备进行入射光的光调制的光调制器的光梳产生器射出的光梳的载波频率成分衰减的光滤波器而提取出的光频率成分的光强度，来对光谐振器的光谐振长度或入射光的光源频率进行反馈控制，由此使光梳稳定。
即，本发明是一种光梳产生器控制装置，是光梳产生器的控制装置，所述光梳产生器在光谐振器内具备进行入射光的光调制的光调制器，所述光梳产生器控制装置的特征在于，具备：光滤波器，其使作为透过光或反射光而从所述光谐振器射出的光梳的载波频率成分衰减；光检测器，其接收借助所述光滤波器从所述光梳提取出的光频率成分并检测光强度；以及谐振控制部，其被供给所述光检测器的检测信号，其中，由所述光检测器检测由所述光滤波器使载波频率成分衰减后的所述光梳的光强度，由所述光谐振控制部对所述光谐振器的光谐振长度或所述入射光的光源频率进行反馈控制。
本发明所涉及的光梳产生器控制装置能够设为，还具备底部位置辨别器，所述底部位置辨别器用于辨别所述光检测器的检测信号的信号电平的底部位置，所述光谐振控制部基于所述底部位置辨别器的辨别输出，来进行将所述光检测器的检测信号的信号电平的底部位置设为稳定点的反馈控制。
另外，本发明所涉及的光梳产生器控制装置能够设为，将调制频率不同的多个调制信号切换地供给至所述光调制器。
另外，在本发明所涉及的光梳产生器控制装置中，能够设为，所述光滤波器是使所述光梳的载波频率成分衰减的陷波滤波器。
另外，在本发明所涉及的光梳产生器控制装置中，能够设为，所述光滤波器是在所述光梳的载波频率附近具有截止频率的高通滤波器。
另外，在本发明所涉及的光梳产生器控制装置中，能够设为，所述光滤波器是在所述光梳的载波频率成分附近具有截止频率的低通滤波器。
另外，在本发明所涉及的光梳产生器控制装置中，能够设为，所述光滤波器是在所述光梳的载波频率成分附近具有一方的截止频率的带通滤波器。
发明的效果
在本发明所涉及的光梳产生器控制装置中，检测借助使从在光谐振器内具备进行入射光的光调制的光调制器的光梳产生器射出的光梳的载波频率成分衰减的光滤波器而提取出的光频率成分的光强度，来对光谐振器的光谐振长度进行反馈控制，由此使光梳稳定，因此能够提供一种即使在光梳的产生方法不是完全的单模的情况下也以使控制点位于产生最宽的光梳的位置的方式进行谐振器长度的控制从而能够获得稳定的输出的光梳产生器控制装置。
另外，在本发明中，检测借助使从在光谐振器内具备进行入射光的光调制的光调制器的光梳产生器射出的光梳的载波频率成分衰减的光滤波器而提取出的光频率成分的光强度，来对光谐振器的光谐振长度进行反馈控制，由此使光梳稳定，因此能够提供一种即使是调制频率被切换的光梳产生器也以使控制点位于产生最宽的光梳的位置的方式进行谐振器长度的控制从而能够获得稳定的输出的光梳产生器控制装置。
附图说明
图1是通过光梳模块的调制输入的偏压T对以DC偏压扫描了谐振器长度的情况下的输出光强度进行绘制而得到的特性图。
图2是示出在切换光梳产生器的调制频率的情况下产生的具有无调制区间的调制信号的波形图。
图3是示出将本发明应用于光梳产生装置的光梳产生器控制装置的基本结构的框图。
图4是示意性地示出上述光梳产生装置所具备的光梳产生器的构造的截面图。
图5(A)、图5(B)、图5(C)是针对上述光梳产生器绘制扫描谐振器长度而得到的光梳产生器的透过光功率的特性图，图5(A)示出不形成光梳的模式的光输出，图5(B)示出作为光梳进行动作的模式的光输出，图5(C)示出各模式混合存在的情况下的光输出。
图6(A)、图6(B)、图6(C)是示出上述光梳产生器的光输出光谱和借助光滤波器而得到的光输出光谱的光谱图，图6(A)示出上述各模式混合存在的情况下的光输出的光谱，图6(B)示出由陷波滤波器去除载波周边后的光输出的光谱，图6(C)示出由带通滤波器、高通滤波器或低通滤波器去除载波周边后的光输出的光谱。
图7是绘制在扫描了谐振器长度的情况下能够从上述光梳产生器借助光滤波器而得到的透过光功率的特性图。
图8是示出应用了本发明所涉及的光梳产生器控制装置的具备在进行绝对距离测量的光梳测距仪中使用的两个光梳产生器的光梳产生装置的结构例的框图。
图9是示出在上述光梳产生装置中向两个光梳产生器供给的驱动信号的状态转变的状态转变图。
图10是示出通过上述驱动信号来驱动光梳产生器并由在未插入光滤波器的状态下接收到光梳输出的光检测器得到的检测信号的观测结果的图。
图11是示出通过上述驱动信号来驱动光梳产生器并由借助光滤波器而接收到光梳输出的光检测器得到的检测信号的观测结果的图。
图12(A)、图12(B)是示出光梳产生装置的结构例的示意性的框图，图12(A)示出具备将光梳作为反射光而取出的光梳产生器的光梳产生装置，图12(B)示出具备环型光梳产生器的光梳产生装置。
图13(A)、图13(B)是光梳产生器的反射模式的光输出功率和借助光滤波器而得到的反射模式的光输出功率的特性图，图13(A)示出光梳产生器的反射模式的光输出功率的特性，图13(B)示出由光滤波器去除载波成分后的上述反射模式的光输出功率的特性。
图14是示出设为使用作为透过光而从光梳产生器射出的光梳来控制光梳谐振器长度的光梳产生器控制装置的结构例的框图。
图15(A)、图15(B)是用于上述光梳产生器控制装置的锁相放大器的动作说明的波形图，图15(A)示出以输入光的功率将使谐振器长度或激光频率变化了时的透过光强度进行标准化而得到的信号，图15(B)示出上述标准化光强度信号的微分信号。
图16是示出设为使用作为透过光而从光梳产生器射出的光梳来控制光梳谐振器长度的光梳产生器控制装置的其它结构例的框图。
图15是示出设为使用作为反射光而从光梳产生器射出的光梳来控制光梳谐振器长度的光梳产生器控制装置的结构例的框图。
图18是示出设为使用作为反射光而从光梳产生器射出的光梳来控制光梳谐振器长度的光梳产生器控制装置的其它结构例的框图。
具体实施方式
下面，参照附图来对本发明的实施方式进行详细说明。此外，针对共同的构成要素，在图中标注共同的指示标记来进行说明。另外，本发明不限定于下面的例子，在不脱离本发明的主旨的范围内能够任意地进行变更，这是不言而喻的。
如图3的框图所示的应用了本发明的光梳产生器控制装置10的基本的结构例那样，本发明被应用于具备光梳产生器2的光梳产生装置3，该光梳产生器2被从光源1输入入射光，通过对该入射光进行光调制来产生光梳。
例如，如图4所示，光梳产生器2是在由一对反射镜21A、21B构成的光谐振器21的内部插入光相位调制器22而形成的，当输入单一频率的连续波的光并以与光谐振器21的自由光谱域(FSR)的整数倍一致的频率来驱动光相位调制器22时，由于能够取得光谐振器21内的多重往复的周期与调制信号周期的同步，因此与没有谐振器的光相位调制器相比，能够进行效率极高的调制，边带的个数达到数百至数千个，能够获得具有数兆兆赫的光谱宽度的光频梳作为输出。在光频梳产生器2中，能够产生在时间上也短的脉冲，能够产生时宽为1皮秒以下的光脉冲。光梳产生器2的输出是中心频率与输入频率相等且频率间隔与调制频率相等的梳(梳子)状的光，在时间轴上，是以调制频率为重复频率的脉冲列。越是提高调制指数来使光谱宽度变大，则得到的脉冲的时宽越短。
即，光梳产生器控制装置10是在光谐振器21内具备进行入射光的光调制的光调制器的光梳产生器2的控制装置，光梳产生器控制装置10具备：光滤波器5，作为透过光或反射光而从上述光谐振器21射出的光梳被光耦合器、循环器等耦合器4进行分支，从而上述光梳的一部分入射至该光滤波器5；光检测器6，其借助上述光滤波器5而接收上述光梳的一部分，并检测光强度；以及谐振控制部8，其被供给上述光检测器6的检测信号，其中，由上述谐振控制部8对上述光谐振器21的光谐振长度或上述入射光的光源频率进行反馈控制。
该光梳产生器控制装置10所具备的上述光滤波器5具有使借助耦合器4而入射的光梳的载波频率成分衰减的光学特性。
在此，图5(A)、图5(B)、图5(C)是针对光梳产生器2绘制扫描谐振器长度而得到的光梳产生器的透过光功率的特性图。在光梳产生器2中，产生光梳的光谐振器21的光梳产生模式仅为特定模式，如图5(A)所示的扫描谐振器长度来绘制不形成光梳的模式的透过光功率时的概要图那样，不形成光梳的模式的透过光功率的作为入射光的中心频率的载波频率成分为主要成分，与此相对，如图5(B)所示的扫描谐振器长度来绘制作为光梳进行动作的模式的透过光功率时的概要图那样，在作为光梳进行动作的模式中，通过将谐振器长度控制为在中心频率的两侧存在的两个峰之间的底部位置b0，能够遍及最大范围地产生光梳。然而，如图5(C)所示的在上述不形成光梳的模式的上述作为光梳进行动作的模式混合存在的情况下扫描谐振器长度来绘制该透过光功率时的概要图那样，在两个峰之间会存在多个底部位置b1、b2，导致谐振器长度的控制点变为多个而无法获得稳定的光梳。
图6(A)、图6(B)、图6(C)是示出上述光梳产生器2的光输出光谱和借助光滤波器5而得到的光输出光谱的光谱图。即，在上述不形成光梳的模式的上述作为光梳进行动作的模式混合存在的情况下从上述光梳产生器2射出的光梳的光谱如图6(A)中粗线所示的那样会存在与上述不形成光梳的模式下的无调制状态接近的载波频率的附近成分，但是在光梳产生器控制装置10中，例如通过使用陷波滤波器作为上述光滤波器5，能够如图6(B)所示那样去除上述载波频率的附近成分。
另外，也可以设为，通过使用高通滤波器、低通滤波器或带通滤波器作为上述光滤波器5，来如图6(C)所示那样将单侧边带成分与载波频率成分一起去除。
即，能够设为该光梳产生器控制装置10所具备的上述光滤波器5是使上述光梳的载波频率成分衰减的陷波滤波器。
另外，能够设为上述光滤波器5是在上述光梳的载波频率附近具有截止频率的高通滤波器。
另外，能够设为上述光滤波器5是在上述光梳的载波频率成分附近具有截止频率的低通滤波器。
并且，能够设为上述光滤波器5是在上述光梳的载波频率成分附近具有一方的截止频率的带通滤波器。
在该光梳产生器控制装置10中，由借助具有使入射的光梳的载波频率成分衰减的光学特性的上述光滤波器5而接收上述光梳的一部分的光检测器6检测使上述载波频率成分衰减后的光梳的光强度，因此即使在上述不形成光梳的模式的上述作为光梳进行动作的模式混合存在的情况下，上述光检测器6的检测信号也不会在两个峰之间存在多个底部，而如图7所示那样成为一个底部位置b0，因此由上述谐振控制部8使用上述光检测器6的检测信号，来对上述光谐振器21的光谐振长度或上述入射光的光源频率进行反馈控制，由此能够使上述光梳产生器2射出稳定的光梳。
此外，在该光梳产生器控制装置10中，具备底部位置辨别器7，该底部位置辨别器7用于辨别上述光检测器6的检测信号的信号电平的底部位置，上述光谐振控制部8基于上述底部位置辨别器7的辨别输出来进行将上述光检测器6的检测信号的信号电平的底部位置b0设为稳定点的反馈控制。
像这样，在该光梳产生器控制装置10中，即使在上述不形成光梳的模式的上述作为光梳进行动作的模式混合存在的情况下，通过由上述谐振控制部8使用上述光检测器6的检测信号来对上述光谐振器21的光谐振长度或上述入射光的光源频率进行反馈控制，也能够从光梳产生器2获得稳定的光梳，因此例如通过应用于切换两个光梳产生器的各调制频率来进行绝对距离测量的光梳测距仪，能够消除由于在调制频率切换时产生的无调制期间的影响而扰乱谐振器长度控制的情况，从而能够使用稳定的两种光梳来进行绝对距离测量。
图8是示出具备在进行绝对距离测量的光梳测距仪中使用的两个光梳产生器15A、15B的光梳产生装置50的结构的框图。
该光梳产生装置50通过将从合成器电路53输出的四种频率信号经由开关电路54循环切换地输入，来将调制周期被循环切换且周期互不相同的两种频率信号供给到第一频率变换器14A和第二频率变换器14B。
该光梳产生装置50例如具备输出差频为500kHz的独立的四个频率信号(F1：1000MHz、F2：1010MHz、F3：1000.5MHz、F4：1010.5MHz)的合成器电路53、以及从上述合成器电路53分别经由隔离器57A、57B、57C、57D而被输入四个频率信号的4输入2输出的开关电路54，在上述开关电路54的两个输出端子连接有上述第一频率变换器14A和第二频率变换器14B。
在该光梳产生装置50中，第一振荡器13将相位与从基准振荡器11经由5分支的功率分配器52而供给的基准频率信号FREF的相位同步且振荡相位固定的频率F0(例如24GHz)的频率信号经由2分支的功率分配器12和隔离器17A、17B供给至上述第一频率变换器14A和第二频率变换器14B。
上述合成器电路53具备产生相位与从基准振荡器11经由5分支的功率分配器52而供给的基准频率信号FREF的相位分别同步且频率被固定的互不相同的四种频率F1、F2、F3、F4的频率信号的四个振荡器53A、53B、53C、53D。
第二振荡器53A产生通过PLL电路而相位与由上述基准振荡器11产生的基准频率信号FREF的相位同步且被固定为第一频率F1(1000MHz)的第一频率信号。
另外，第三振荡器53B产生通过PLL电路而相位与由上述基准振荡器11产生的基准频率信号FREF的相位同步且被固定为第二频率F2(1010MHz)的第二频率信号。
另外，第三振荡器53C产生通过PLL电路而相位与由上述基准振荡器11产生的基准频率信号FREF的相位同步且频率被固定为第三频率1000.5MHz的第三频率信号F3。
并且，第四振荡器53D产生通过PLL电路而相位与由上述基准振荡器11产生的基准频率信号FREF的相位同步且频率被固定为第四频率F4(1010.5MHz)的第四频率信号。
上述开关电路54将从上述合成器电路53经由上述隔离器57A、57B、57C、57D而输入的1GHz频带的四种频率信号循环切换地从两个输出端子交替地输出。即，上述开关电路54作为对向与上述两个输出端子连接的上述第一频率变换器14A和第二频率变换器14B供给的1GHz频带的四种频率信号进行循环切换的4输入2输出的选择开关发挥功能。
在此，通过在上述合成器电路53与开关电路54之间插入隔离器57A、57B、57C、57D，并从上述合成器电路53经由隔离器57A、57B、57C、57D向开关电路54输入频率信号，能够防止由于因开关电路54以后的电路的切断、释放等引起的负荷变动而使信号源的动作变得不稳定。
对于上述隔离器57A、57B、57C、57D，能够使用反向隔离度大的微波放大器、PI型电阻衰减器、电阻衰减器、使用了铁氧体的微波隔离器等隔离器元件、将可变衰减器与带通滤波器组合而成的隔离器电路、将隔离放大器与电阻衰减器、带通滤波器组合而成的隔离器电路等。
而且，上述第一频率变换器14A和第二频率变换器14B根据从上述第一振荡器13供给的频率F0(例如24GHz)的频率信号以及从上述开关电路54循环切换地交替输出的1GHz频带的四种频率F1、F2、F3、F4的频率信号，得到将由上述开关电路54循环切换的上述1GHz频带的四种频率F1、F2、F3、F4的频率信号进行频率变换而成为25GHz频带的四种调制频率Fm1、Fm2、Fm3、Fm4的第一调制信号Fma和第二调制信号Fmb，并作为驱动信号经由带通滤波器16A、16B供给到上述第一光梳产生器15A和第二光梳产生器15B。
即，上述第一频率变换器14A和第二频率变换器14B作为将1GHz频带的频率信号进行频率变换而成为作为驱动信号供给到上述第一光梳产生器15A和第二光梳产生器15B的25GHz频带的第一调制信号Fma和第二调制信号Fmb的上变频器发挥功能。
在此，该光梳产生装置50产生两种光梳来作为用于在专利文献1、2等所记载的光梳测距仪、三维形状测定机中进行需要切换频率的绝对距离测定的基准光和测定光，通过将由上述开关电路54对上述1GHz频带的四种频率F1、F2、F3、F4的频率信号进行循环切换并由上述第一频率变换器14A和第二频率变换器14B上变频为25GHz频带的四种调制频率Fm1、Fm2、Fm3、Fm4而得到的第一调制信号Fma和第二调制信号Fmb作为驱动信号供给到上述第一光梳产生器15A和第二光梳产生器15B，从上述第一光梳产生器15A和第二光梳产生器15B输出如表1所示那样循环切换调制周期且调制周期互不相同的两种光梳。
[表1]
表1示出了#1～#4的设定中的第一光梳产生器15A和第二光梳产生器15B的驱动信号的转变状态OFCG1/OFCG2和相位差，驱动信号的频率为Δf＝500kHz、Δfm＝10MHz、fm＝Fm1(25000MHz)、fm+Δfm＝Fm2(25010MHz)、fm+Δf＝Fm3(25000.5MHz)、fm+Δfm+Δf＝Fm4(25010.5MHz)。图9是示出在该光梳产生装置50中向两个光梳产生器15A、15B供给的驱动信号的状态转变的状态转变图。
在此，在光梳测距仪中，从原理上说，通过使用从利用频率不同的两种调制信号来驱动的两个光梳产生器射出的具有干涉性的基准光和测定光，来在信号处理部中针对由基准光检测器得到的干涉信号(下面称为参照信号。)和由测定光检测器得到的干涉信号(下面称为测定信号。)进行频率分析，将从光梳的中心频率开始数起的模式编号设为N，计算参照信号与测定信号的N次模式之间的相位差来抵消从光梳产生器到基准点的光梳生成、传输过程的光相位差，之后，计算频率轴上每一次的相位差的增量来求出信号脉冲的相位差，由此计算从基准点到测定面的距离。
此外，当测定距离超过调制频率fm的半波长时，由于物光的周期性，该半波长的整数倍的距离不明确，无法唯一地求出距离，因此使用设定为表1所示的四种调制频率的基准光和测定光来进行四次测定，在信号处理部中使用通过进行相同的处理所得到的各相位差来计算超过与半波长相当的多义性距离(La＝c/2fm，c：光速)的距离。
即，关于设定为表1所示的四种调制频率进行测定而得到的参照信号与测定信号的相位差，在用于驱动两个光梳产生器(OFCG1、OFCG2)的调制信号的调制频率为fm和fm+Δf的#1的设定下上述相位差为-2πfmT，在调制信号的调制频率为fm+Δfm和fm+Δfm+Δf的#2的设定下上述相位差为-2π(fm+Δfm)T，在调制信号的调制频率为fm+Δf和fm的#3的设定下上述相位差为-2π(fm+Δf)T，在调制信号的调制频率为fm+Δfm+Δf和fm+Δfm的#4的设定下上述相位差为-2π(fm+Δfm+Δf)T。
在距离(La＝c/2fm，c：光速)也长的情况下，参照信号与测定信号的相位差(-2πfmT)在将m设为整数时为φ+2mπ的形式，通过计算仅能求出φ的部分，整数值m是未知的。
另一方面，#1的设定下的参照信号与测定信号的相位差-2πfmT同#2的设定下的参照信号与测定信号的相位差-2π(fm+Δfm)T之差为2πΔfmT，另外，#3的设定下的参照信号与测定信号的相位差-2π(fm+Δf)T同#4的设定下的参照信号与测定信号的相位差-2π(fm+Δfm+Δf)T之差为2πΔfmT，如果是与1/Δfm的波长相当的距离(若Δfm＝10MHz则La为15m)以内，则相位唯一地确定。
而且，能够通过将该相位乘以fm/Δfm并与#1的相位差进行比较，来判定整数m。
并且，根据表1的#1的设定下的相位差-2πfmT与#3的设定下的相位差-2π(fm+Δf)T之差，能够得到2πΔf。
在此，在设为fm＝25GHz、Δf＝500kHz、Δfm＝10MHz的情况下，由于Δf＝500kHz，因此能够进行La＝300m以内的距离测量。
在搭载有该光梳产生装置50的光梳测距仪中，使用设定为表1所示的四种调制频率进行测定而得到的参照信号和测定信号，来进行绝对距离测量。即，将一种状态保持了固定时间之后转变为其它状态，在固定的区间进行该状态下的信号相位测量，使用#1、#2、#3、#4的设定状态的相位来执行绝对距离的计算处理。
关于光梳测距仪中的测量速度，在6mm以内的相对距离测定中与Δf相等为500kHz，与此相对，在需要切换频率的绝对距离测定中，包括了频率的切换时间和绝对距离计算时间。
在上述光梳产生装置50中，在上述合成器电路53与上述开关电路54之间插入有隔离器57A、57B、57C、57D，因此不会由于通过上述开关电路54对上述四种频率F1、F2、F3、F4的频率信号进行循环切换的瞬间的负荷变动而使上述合成器电路53的动作变得不稳定，能够迅速地切换光梳产生器15A、15B的驱动信号来使驱动状态转变。即，能够通过上述开关电路54对上述四种调制频率Fm1、Fm2、Fm3、Fm4进行循环切换来迅速地使第一光梳产生器15A和第二光梳产生器15B的驱动状态转变，通过用作切换参照信号和测定信号的调制频率来进行绝对距离测量的两个光梳光源，能够缩短绝对距离的测定时间。
此外，如果只是距离测量，则仅以#1和#2的设定、或者仅以#3和#4的设定也能够进行，但是通过如上所述的#1、#2、#3、#4的设定、即通过由上述开关电路54循环地切换上述四种调制频率Fm1、Fm2、Fm3、Fm4，能够校正除测定对象以外的信号传输路径所造成的相位偏移，从而高精度地得到绝对距离结果。即，在更换了两个光梳产生器(OFCG1、OFCG2)的调制频率时，因测定对象距离而产生的相位的绝对值不变但符号反转。另一方面，因干涉信号传输路径的线缆长度而产生的偏移的符号不变而为固定值。因而，当将两次的相位测定的结果相减并除以2时，能够求出排除了偏移的相位值。
在此，在该光梳产生装置50中，通过如上述那样在上述合成器电路53与上述开关电路54之间插入隔离器57A、57B、57C、57D，来防止由于通过上述开关电路54将上述四种频率F1、F2、F3、F4的频率信号循环切换的瞬间的负载变动而使上述合成器电路53的动作变得不稳定，但是在上述开关电路54的切换动作时，虽然是极短的时间，但电路每次被切断就会产生无调制状态。
因此，在该光梳产生装置50中，通过耦合器4A、4B将从第一光梳产生器15A、第二光梳产生器15B射出的各光梳进行分离，来使各光梳的一部分入射到本发明所涉及的光梳产生器控制装置10A、10B，从而对第一光梳产生器15A、第二光梳产生器15B所具备的各光谐振器的谐振器长度进行反馈控制。
对于上述光梳产生器控制装置10A、10B，使用应用于图3的框图所示的光梳产生装置3的光梳产生器控制装置10。
对于在上述光梳产生装置3中从光源1向光梳产生器2入射了频率为192.8THz的入射光的状态下通过供给到第一光梳产生器15A的驱动信号驱动上述光梳产生器2并由上述光检测器6得到的检测信号，在经由低通滤波器观测到比上述开关电路54的切换动作的频率低的频率成分时，若是在上述光检测器6之前未插入光滤波器5的状态，则如图10所示那样确认到双峰的中间的较小的峰的产生，在该状态下，在连续地进行SW转换的情况下会妨碍谐振控制，但若是在上述光检测器6之前插入了光滤波器5的状态，则如图11所示那样未确认到双峰的中间的较小的峰的产生，从而能够在连续地进行SW转换的情况下进行稳定的谐振控制。
由于在市场上销售有DWM用的以190THz为中心且每隔100GHz规定了CH编号的带宽为100GHz的WDM滤波器，因此在尝试将CH27(192.7THz1555.75nm)、CH28(192.8THz1554.94nm)、CH29(192.7THz 1555.75nm)、CH30(193.0THz 1553.33nm)的WDM滤波器用作上述光滤波器5时，对于除输入激光波长的CH28(92.8THz 1554.94nm)以外的WDM滤波器，SW转变时的小峰消失，能够通过施加抖动(dither)来锁定光谐振器21的谐振长度。另外，在开关选择固定的情况下的透过模式下也没有发现问题。
此外，透过模式的信号电平下降，但是这是由于用作光滤波器5的WDM滤波器光滤波器的带宽窄。上述光滤波器5如果具有除输入激光的波长附近以外的特性，则也可以扩展频带。另外，如果具有除输入激光的波长附近以外的特性，则也可以是陷波滤波器。
在此，图12(A)、图12(B)是示出光梳产生装置的结构例的示意性的框图。另外，图13(A)、图13(B)是光梳产生器的反射模式的光输出功率和借助光滤波器而得到的反射模式的光输出功率的特性图。即，对于上述光梳产生装置3中的光梳产生器2，除了作为透过光而从光谐振器21射出光梳的光梳产生器以外，也能够采用如图12(A)所示的光梳产生器2B那样作为反射光而从光谐振器21借助耦合器4C取出光梳的光梳产生器、图12(B)所示的环型光梳产生器2C。在这些方式中，光谐振器中不耦合的载波成分强，当测定输出的功率的平均值时，成为如以谐振器长度或激光频率为横轴的图13(A)所示那样的特性。即使在这样的情况下，如果使用进行载波去除的光滤波器5，则测量出的输出成为图13(B)，能够获得与上述同样的信号。另外，调制方式也有使用电光调制的方式、使用克尔效应的方式，有各种各样的方式，但是能够与调制方式无关地将本发明应用于各种方式的光梳产生器。
接着，使用图14的框图来说明设为使用作为透过光而从光梳产生器2射出的光梳来控制光梳谐振器长度的本发明所涉及的光梳产生器控制装置110A。
该图14所示的光梳产生器控制装置110A具备：第一光检测器116A，其借助将从光梳产生装置3A的光源1向光梳产生器2入射的光束进行分支的入射侧耦合器114A而接收上述光束的一部分；光滤波器5，作为透过光而从上述光梳产生器2射出的光梳被射出侧耦合器114B进行分支后的上述光梳的一部分入射至该光滤波器5；以及第二光检测器116B，其借助该光滤波器5而接收上述光梳的一部分。
在该光梳产生器控制装置110A中，使用谐振控制部120A的振荡器122产生的调制信号SD对光源1的光源频率施加调制，并使用控制信号产生部123A产生的谐振器长度控制信号SCTL来进行光梳产生器2的谐振器长度控制以控制光梳产生器2的激光频率与光谐振器的模式的频率差。
上述第一光检测器116A通过借助上述入射侧耦合器114A而接收上述光束的一部分，来获得表示从上述光源1射出并向上述光梳产生装置3A入射的光束的光强度A的入射光检测信号SA，并将该入射光检测信号SA供给到谐振控制部120A的锁相放大器121。
另外，上述第二光检测器116B通过借助上述射出侧耦合器114B而接收上述光梳的一部分，来获得表示作为透过光而从上述光梳产生器2射出的光梳的光强度B的射出光检测信号SB，并将该射出光检测信号SB供给到上述锁相放大器121。
图15(A)、图15(B)是用于上述光梳产生器控制装置110A的锁相放大器121的动作说明的波形图。即，在该光梳产生器控制装置110A的谐振控制部120A中，从光梳产生装置3A的光源1射出的上述光束的光强度A根据调制输入、环境变化而变动，因此为了从信号中去除该影响，对于由上述入射光检测信号SA表示的上述光束的光强度A和由射出光检测信号SB表示的光梳的光强度B，由锁相放大器121通过数字处理等而得到B’＝B/A，由此得到如图15(A)所示那样表示不依赖于输入光的功率变动的光梳的光强度B’的光强度信号SB’，基于由产生对上述光梳产生装置3A的光源1的光源频率进行调制的调制信号SD的振荡器122提供的同步信号，输出如图15的(B)所示那样表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’的微分信号SC。
如图15(B)所示，在微分信号C中，在图15(A)所示的表示光梳的光强度B’的光强度信号的底部位置产生符号反转。
而且，控制信号产生部123A根据图15(A)所示的预先规定的e-f的范围来判断在表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’中高效地产生光梳的包含双峰间的底部的范围，从微分信号SC中的多个符号反转点中判别与高效地产生光梳的点一致的符号反转点，产生以成为符号反转点的方式控制上述光梳产生器2的谐振器长度的谐振器长度控制信号SCTL，通过该谐振器长度控制信号SCTL来控制上述光梳产生器2的谐振器长度。即，该控制信号产生部123A具有上述底部位置辨别器7的功能，进行将表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’的信号电平的底部位置设为稳定点的反馈控制。由该控制信号产生部123A进行的上述光梳产生器2的谐振器长度的反馈控制也可以是设为以表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’的信号电平的底部位置为基准赋予偏移而得到的稳定点。
此外，在此，使用调制信号SD对上述光源1的光源频率施加调制并通过谐振器长度控制来控制上述光梳产生器2的激光频率与光谐振器的模式的频率差，但是针对上述光梳产生器2的谐振器长度控制例如也能够通过光梳模块的调制输入的偏压T使DC偏压变化来进行。
接着，使用图16的框图来说明设为使用作为透过光而从光梳产生器2射出的光梳来控制光源频率的本发明所涉及的光梳产生器控制装置120B。
代替上述光梳产生器控制装置110A中的产生谐振器长度控制信号SCTL的控制信号产生部123A，该图16所示的光梳产生器控制装置110B通过由控制信号产生部123B控制光梳产生装置3A的光源1的光源频率来获得用于对光梳产生器2的激光频率与光谐振器的模式的频率差进行控制的谐振控制信号SCTF，从而控制光源1的光源频率。
此外，在该光梳产生器控制装置110B中，对于与上述光梳产生器控制装置110A相同的构成要素，在图16中标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。
该光梳产生器控制装置110B中的谐振控制部120B通过锁相放大器121根据由上述第一光检测器116A获得的入射光检测信号SA和由上述第二光检测器116B获得的射出光检测信号SB来获得如图15(A)所示那样表示不依赖于输入光的功率变动的光梳的光强度B’的光强度信号SB’，并输出如图15(B)所示那样表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB的微分信号SC。
而且，控制信号产生部123B根据图15(A)所示的预先规定的e-f的范围来判断在表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’中高效地产生光梳的包含双峰间的底部的范围，从微分信号SC中的多个符号反转点中判别与高效地产生光梳的点一致的符号反转点，产生以成为符号反转点的方式控制上述光源1的光源频率的谐振控制信号SCTF，通过加法器124将振荡器122产生的用于对光源1的光源频率进行调制的调制信号SD与上述谐振控制信号相加，由此对上述光源1的光源频率进行反馈控制。即，该控制信号产生部123B具有上述底部位置辨别器7的功能，进行将表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’的信号电平的底部位置设为稳定点的反馈控制。
接着，使用图17的框图来说明设为使用作为反射光而从光梳产生器2B射出的光梳来控制光梳谐振器长度的本发明所涉及的光梳产生器控制装置110C。
代替上述光梳产生器控制装置110A中的使作为透过光而从光梳产生装置3A的光梳产生器2射出的光梳进行分支并借助光滤波器5而使第二光检测器116B接收上述光梳的一部分的射出侧耦合器114B，该图17所示的光梳产生器控制装置110C设为由入射侧耦合器114使作为反射光而从光梳产生装置3B的光梳产生器2B射出的光梳进行分支，并使第二光检测器116B借助光滤波器5而接收作为上述反射光射出的光梳的一部分。
此外，在该光梳产生器控制装置110C中，对于与上述光梳产生器控制装置110A相同的构成要素，在图17中标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。
在该光梳产生器控制装置110C中，光梳产生装置3B所具备的入射侧耦合器114具有以下功能：使作为反射光而从上述光梳产生器2B射出的光梳进行分支，并使第二光检测器116B借助上述光滤波器5而接收作为上述反射光射出的光梳的一部分，并且使从光源1向光梳产生器2B入射的光束进行分支而使第一光检测器116A接收上述光束的一部分。
在该光梳产生器控制装置110C的谐振控制部120C中，对于通过上述第一光检测器116A得到的入射光检测信号SA所表示的上述光束的光强度A以及通过上述第二光检测器116B得到的反射光检测信号SB所表示的光梳的光强度B，由锁相放大器121通过数字处理等而得到B’＝B/A，由此得到如图15(A)所示那样表示不依赖于输入光的功率变动的光梳的光强度B’的光强度信号SB’，基于由产生用于对上述光梳产生装置3B的光源1的光源频率进行调制的调制信号SD的振荡器122提供的同步信号，来如图15(B)所示那样输出表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB的微分信号SC。
而且，控制信号产生部123C根据图15(A)所示的预先规定的e-f的范围来判断在表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’中高效地产生光梳的包含双峰间的底部的范围，从微分信号SC中的多个符号反转点中判别与高效地产生光梳的点一致的符号反转点，产生以成为符号反转点的方式控制上述光梳产生器2B的谐振器长度的谐振器长度控制信号SCTL，通过该谐振器长度控制信号SCTL来对上述光梳产生器2B的谐振器长度进行反馈控制。即，该控制信号产生部123C具有上述底部位置辨别器7的功能，进行将表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’的信号电平的底部位置设为稳定点的反馈控制。
并且，使用图18的框图来说明设为使用作为反射光而从光梳产生器2A射出的光梳来控制激光频率的本发明所涉及的光梳产生器控制装置110D。
代替上述光梳产生器控制装置110C中的产生谐振器长度控制信号SCTL的控制信号产生部123C，该图18所示的光梳产生器控制装置110D通过由控制信号产生部123D控制光梳产生装置3B的光源1的光源频率来获得用于对光梳产生器2的激光频率与光谐振器的模式的频率差进行控制的谐振控制信号SCTF，从而控制光源1的光源频率。
此外，在该光梳产生器控制装置110D中，对于与上述光梳产生器控制装置110C相同的构成要素，在图18中标注相同的附图标记，并省略其详细的说明。
该光梳产生器控制装置110D中的谐振控制部120D通过锁相放大器121根据由上述第一光检测器116A获得的入射光检测信号SA和由上述第二光检测器116B获得的反射光检测信号SB来获得如图15(A)所示那样表示不依赖于输入光的功率变动的光梳的光强度B’的光强度信号SB’，并输出如图15(B)所示那样表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB的微分信号SC。
而且，控制信号产生部123D根据图15(A)所示的预先规定的e-f的范围来判断在表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’中高效地产生光梳的包含双峰间的底部的范围，从微分信号SC中的多个符号反转点中判别与高效地产生光梳的点一致的符号反转点，产生以成为符号反转点的方式控制上述光源1的光源频率的谐振控制信号SCTF，通过加法器124将振荡器122产生的用于对光源1的光源频率进行调制的调制信号SD与上述谐振控制信号相加，由此对上述光源1的光源频率进行反馈控制。即，该控制信号产生部123D具有上述底部位置辨别器7的功能，进行将表示上述光梳的光强度B’的光强度信号SB’的信号电平的底部位置设为稳定点的反馈控制。
附图标记说明
1：光源；2、2A、2B、2C：光梳产生器；3、3A、3B：光梳产生装置；4、4A、4B、114A、114B：耦合器；5：光滤波器；6、116A、116B：光检测器；7：底部位置辨别器；8、120A、120B、120C、120D：谐振控制部；10、10A、10B、110A、110B、110C、110D：谐振控制装置；11：基准振荡器；12、52：功率分配器；13、53A、52B、53C、53D：振荡器；14A、14B：频率转换器；15A；15B：光梳产生器；16A、16B：带通滤波器；17A、17B、57A、57B、57C、57D：隔离器；21：光谐振器；21A、21B：反射镜；22：光相位调制器；53：合成器电路；54：开关电路；121：锁相放大器；122：振荡器；123A、123B、123C、123D：控制信号产生部；124：加法器。

Claims (7)

1.一种光梳产生器控制装置，是光梳产生器的控制装置，所述光梳产生器在光谐振器内具备进行入射光的光调制的光调制器，所述光梳产生器控制装置的特征在于，具备：
光滤波器，其使作为透过光或反射光从所述光谐振器射出的光梳的载波频率成分衰减；
光检测器，其接收借助所述光滤波器从所述光梳提取出的光频率成分并检测光强度；以及
谐振控制部，其被供给所述光检测器的检测信号，
其中，由所述光检测器检测由所述光滤波器使载波频率成分衰减后的所述光梳的光强度，由所述光谐振控制部对所述光谐振器的光谐振长度或所述入射光的光源频率进行反馈控制。
2.根据权利要求1所述的光梳产生器控制装置，其特征在于，
还具备底部位置辨别器，所述底部位置辨别器用于辨别所述光检测器的检测信号的信号电平的底部位置，
所述谐振控制部基于所述底部位置辨别器的辨别输出，来进行将所述光检测器的检测信号的信号电平的底部位置设为成为基准的稳定点的反馈控制。
3.根据权利要求1或2所述的光梳产生器控制装置，其特征在于，
将调制频率不同的多个调制信号切换地供给至所述光调制器。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的光梳产生器控制装置，其特征在于，
所述光滤波器是使所述光梳的载波频率成分衰减的陷波滤波器。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的光梳产生器控制装置，其特征在于，
所述光滤波器是在所述光梳的载波频率附近具有截止频率的高通滤波器。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的光梳产生器控制装置，其特征在于，
所述光滤波器是在所述光梳的载波频率成分附近具有截止频率的低通滤波器。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的光梳产生器控制装置，其特征在于，
所述光滤波器是在所述光梳的载波频率成分附近具有一方的截止频率的带通滤波器。
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