JP3803748B2 - 光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ミリ波やサブミリ波の信号源から離れた位置に、レーザ光を用いて、忠実にミリ波やサブミリ波を伝送する光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低周波信号やミリ波信号を、光を用いて伝送する装置としては、文献１
（J.J.O'Reilly, P.M. Lane, R. Heidemann and R.Hofstetter, "Optical generationof very narrow linewidth millimetre wavesignals," Electron. Lett. 28,[25], pp.2309-2311, (1992).）に記載されたものがあり、これは、図９に示す構成をもった伝送装置である。図９は、第１の従来例を示す図であり、光源からの光線を変調器で変調して、電磁信号で変調された光線を発生し、この光線を光路に沿って伝送し、この光線を光信号から電波信号に変換する変換器に通すことにより、もとの電磁信号を再生する機能をもった、電磁信号を伝送する伝送装置のブロック図を示す図である。ここで、光源としては、レーザ光源が使われることが多く、また、光路は光ファイバーを用いて構成されることが多い。また、変調器としては、強度変調器が使われることが多い。また、変換器としては、半導体光検出器が使われることが多い。
【０００３】
また、このような伝送装置で、ミリ波信号を伝送する場合は、いくつかの困難があることが知られている。例えば、変調器を駆動するために大電力のミリ波の信号を必要とするが、周波数が高くなるほどそれらを得る事が困難であり、また搬送波を抑圧するほど深い変調をかけることができないため、光変調器の帯域を越える高い周波数の変調を行うことはできなかった。このため、ミリ波の信号を伝送する場合の実用的な周波数上限は、６０ＧＨｚ程度であった。
【０００４】
また、上記のほかの構成を持った伝送装置としては、文献２（R.T. Ramos andA.J. Seeds, "Fast heterodyneoptical phase-lock loop using double quantum well laser diodes," Electron.Lett. 28, [1], pp.82-83, (1992).）に記載されたものがあり、これは、図１０に示す構成をもった伝送装置である。図１０は、第２の従来例を示す図であり、２台のレーザの光出力をヘテロダイン混合し、差周波にあたるミリ波周波数のビート信号を発生させ、これと同じ周波数の強度変調を光に付加する方法を用いた伝送装置を示すブロック図である。
【０００５】
このような伝送装置では、ビート信号の周波数純度を高めるために光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）などの位相比較機構を備える場合が多い。この伝送装置の特徴は、レーザ光を伝送する電磁信号で光変調しない点にある。従って、伝送できる信号帯域幅は、変調器や変調信号の帯域幅で制限されることがないことである。また、レーザ光源には小電力で発振や変調の行える半導体レーザなどを用いることができる点にある。また、光検出器の帯域は、通常、光変調器の帯域より広いので、上記の装置より高い周波数のミリ波信号を伝送することができる、という可能性を有している。
【０００６】
また、図１０に示す伝送装置の帯域幅は、光強度検出器あるいは位相差検出器により決められることが多い。位相差検出器については、分周器と併用することによって、その周波数帯域を拡大することは可能であるが、このような改善を行っても、光強度検出器あるいは位相差検出器による帯域を越える信号を伝送することは困難であった。このため、ミリ波信号を伝送する場合の周波数上限は、１００ＧＨｚ程度と見込まれる。
【０００７】
本発明は、形態的には上記の第１の従来例の技術よりも第２の従来例の技術に近いものであるが、補助的なレーザ光源と波長変換素子を新たに用いることにより、新しい動作原理に基づいて動作する様にしたものであり、これまで動作限界とされてきた光検出器の帯域限界を超える高い周波数のミリ波あるいはサブミリ波の信号発生を容易に可能にするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記で説明した様に、低周波信号やミリ波あるいはサブミリ波信号を含めた電磁信号を、光を用いて伝送する従来の装置では、変調器を駆動するために大電力のミリ波あるいはサブミリ波の信号を必要とする。しかし、ミリ波あるいはサブミリ波帯で、大電力の信号を得る事は困難であり、また光変調器の帯域を越える高い周波数の変調を行うことも困難であった。また、光強度検出器あるいは位相差検出器で制限される帯域を越える信号を伝送することはできない、という問題があった。
【０００９】
この発明は、上記に鑑み提案されたもので、電力増幅器や光変調器、あるいは光強度検出器や位相差検出器による帯域を越える信号を伝送することができる光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
一般に、上記した第２の従来例のようにコヒーレント光源である２台のレーザ光のヘテロダイン混合によってミリ波の信号を発生させる場合、その周波数は、２台のレーザ光の差周波数に等しく、差周波数が大きいほど高い周波数のミリ波あるいはサブミリ波信号を発生させることができる。しかし、通常の光検出器はその動作帯域を越える高い周波数の変調信号を検出することができないため、この周波数上限が、発生できるミリ波あるいはサブミリ波信号の周波数の上限となっていた。
【００１１】
そこで、第１の発明では、第３のコヒーレント光と波長変換素子を新たに用意し、光領域であらかじめ波長変換を行い、ミリ波あるいはサブミリ波の変調信号を通常の光検出器でも検出可能な比較的低い周波数の変調信号に変換するものであり、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光（周波数ν3）を重畳して出力する重ね合わせ手段と、
上記の重ね合わせ手段の出力光を混合する波長変換手段と、
上記の重畳された光に含まれる第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光とから第２の電磁信号を発生する光強度検出手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、
上記の混合により得られる第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光との混合光から第３の電磁信号を発生する光強度検出手段と、
該第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の比較手段と、
上記の第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１２】
また、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光（周波数ν3）を重畳して出力する重ね合わせ手段と、
上記の重ね合わせ手段の出力光を混合する波長変換手段と、
上記の波長変換手段の出力を光強度検出手段に入力して得られる電磁信号から、
第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光の混合による第 2 の電磁信号を選択する濾波手段と、
第１のコヒーレント光と第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光の混合による第３の電磁信号を選択する濾波手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、
該第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の比較手段と、
上記の第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１３】
また、これらのコヒーレント光は、他の装置でも利用できる様にするために、第３の発明は、重ね合わされた第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光を分岐して出力する手段を備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、第４の発明は、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光を重畳して混合する波長変換手段は、非線形光学効果を用いて波長変換する手段であることを特徴としている。
【００１５】
また、第１のコヒーレント光源である第１のレーザ光源からの光の波長を制御するにあたり、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出して帰還信号とすることにより、その波長の変動を抑制することができることから、第５の発明は、第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段は、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴としている。
【００１６】
また、第３のコヒーレント光源である第３のレーザ光源からの光の波長を制御するにあたり、第３の電磁信号の位相と第２の高周波信号の位相との差を検出して帰還信号とすることにより、その波長の変動を抑制することができることから、第６の発明は、第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する手段は、第３の電磁信号の位相と第２の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴としている。
【００１７】
また、非線形素子に入射する光をあらかじめ変調する事によって発生される側帯波を被混合光の一部として用いることにより、ミリ波あるいはサブミリ波の出力周波数を自由に変えられるようになることから、第７の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、第１のコヒーレント光を変調して第１のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、第２のコヒーレント光を変調して第２のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、第３のコヒーレント光（周波数ν 3 ）を変調して第３のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、第１のコヒーレント光の側帯波と第２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波を重畳して出力する重ね合わせ手段と、第１のコヒーレント光の側帯波と２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波とを混合する波長変換手段と、上記の重ね合わせにより得られる第１のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波とを重ね合わせた光から第２の電磁信号を発生する光強度検出手段と、上記の混合により得られる第１のコヒーレント光の側帯波と第２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波との混合光から第３の電磁信号を発生する光強度検出手段、と、前記第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、前記第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の手段と、第１ の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１８】
また、第８の発明は、上記の混合される第１のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第３のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であり、また、混合される第３のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第２のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であることを特徴としている。
【００１９】
また、第９の発明は、第１の発明のコヒーレント光の光源数を増やした構成により、多種類の電磁信号が得られることから、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでのコヒーレント光が伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
上記の重畳された第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光を混合する波長変換手段と、
上記の波長変換手段から出力される光を光強度検出器に入力しその出力から第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光とを混合した第２の電磁信号を選択する濾波手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に保つ帰還手段と、
を、備えたことを特徴としている。
【００２０】
ここで、本発明の想定するコヒーレント光の順序について説明する。簡単には、最低周波数のコヒーレント光の周波数をν2（あるいはν1）とし、最高周波数のコヒーレント光の周波数をν1（あるいはν2）として、ν1に向かってν2から順にν3、ν4、ν5、…νN、ν1と、することができる。しかし、本発明においては、この様に並べることに限定する理由は無い。３つのコヒーレント光を混合する場合の組み合わせを、周波数に関わらず書くことにして、たとえば、次の様に表わす。
＜ν2、ν3、ν1＞さらに、他の組み合わせとして、＜ν3、ν4、ν1＞、また、同様に、＜ν4、ν5、ν1＞、これを繰り返して＜νN-1、νN、ν1＞、とすることができるとき、これらのコヒーレント光には、周波数の高低に依存しない順序が付けられる。本発明ではこのような順番を、念頭に置いている。
【００２１】
また、第１０の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とし、ｋを３以上Ｎ以下のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでの複数のコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１からＮまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第１から第（Ｎ−１）までの複数の高周波信号源と、
第１のコヒーレント光から第Ｎのコヒーレント光（周波数ν N ）までを混合する波長変換 手段と、
上記の混合光を用いて第２から第Ｎまでの電磁信号を発生する光強度検出手段と、
前記の複数の電磁信号に含まれ、第１のコヒーレント光と第ｋのコヒーレント光と第（ｋ−１）のコヒーレント光との混合により波長変換された光を光強度検出手段に入力して発生した電磁信号から第ｋの電磁信号を選択する濾波手段と、
該第ｋの電磁信号と予め決められた第（ｋ−１）の高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、第ｋのコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第１のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光とを重ね合わせた光を光強度検出器に入力して第２の電磁信号を発生する手段と、前記の第２の電磁信号と予め与えられた第１の高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して第１のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００２２】
また、第２のコヒーレント光から幾つかのコヒーレント光を経由して第１のコヒーレント光を制御する経路には任意性があることから、第１１の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでの複数のコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第２のコヒーレント光と、第２のコヒーレント光の周波数から制御された周波数だけずれた発振周波数をもったコヒーレント光（周波数ν R ）と、第Ｎのコヒーレント光（周波数ν N ）とを混合する波長変換手段と、前記の混合光から光強度検出手段により電磁信号を発生する手段と、
前記電磁信号と予め決められた高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、上記の第２のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第１のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に制御する手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００２３】
また、第１のコヒーレント光から幾つかのコヒーレント光を経由して第２のコヒーレント光を制御する経路についても任意性があることから、第１２の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでのコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第１のコヒーレント光と，第１のコヒーレント光の周波数から制御された周波数だけずれた発振周波数をもったコヒーレント光（周波数ν R ）と，第Ｎのコヒーレント光（周波数ν N ）とを波長変換手段を用いて混合して、光強度検出手段によって電磁信号を発生する手段と、
前記電磁信号と予め決められた高周波信号とを比較する手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御す る手段と、
第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に制御する手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、重ね合わされた第１ないし第Ｎのコヒーレント光のいずれか複数を出力してそれらを混合して電磁信号にすることにより、種々の電磁波を得る事ができることから、第１３の発明は、重ね合わされた第１ないし第Ｎのコヒーレント光のいずれか複数を出力する手段を備えたことを特徴としている。
【００２５】
また、第１４の発明は、第１ないし第Ｎのいずれかのコヒーレント光を混合する手段は、非線形光学効果を用いた手段であることを特徴としている。
【００２６】
また、第１５の発明は、第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段は、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴としている。
【００２７】
また、第１６の発明は、第ｋの電磁信号と予め決められた第（ｋ−１）の高周波信号とを比較する手段は、第ｋの電磁信号の位相と第（ｋ−１）の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴としている。
【００２８】
また、第１７の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、Ｎを３以上のいずれかの整数とし、発生する電磁波には順に番号が付され、この番号の付けられた電磁波に対応する高周波信号には独自に順に番号が付されているものとするとき、第１から第Ｎまでのコヒーレント光（周波数ν1からνN）のすべてか、あるいはそれらの一部をそれぞれ共通にあるいは別々に変調する手段と、前記の変調で変調されたコヒーレント光の側帯波を変調されないコヒーレント光の代わりに用いることにより、第２ないし第Ｎのいずれかまでの電磁信号を発生する手段と、これらの電磁信号と予め決められた第１ないし第（Ｎ−１）のいずれかまでの高周波信号とを比較する手段と、上記の比較により得られた情報により、上記の第１から第Ｎのいずれかまでのコヒーレント光の波長を調整する手段と、を備えたことを特徴としている。
【００２９】
また、第１８の発明は、上記の混合される第１のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第Ｎのコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であり、また、ｋを３以上Ｎ以下のいずれかの整数とするとき、上記の混合される第ｋのコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第（ｋ−１）のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であることを特徴としている。
【００３０】
また、第１９の発明は、コンピュータを用いた制御装置を用いることによって、望みのミリ波あるいはサブミリ波を容易に取り出せる様にするために、予め決められた第１の電磁信号の周波数に対応した表で、構成されたＯＰＬＬに関わる電磁波の周波数を含む表を参照して、その電磁信号を発生する手段を調整する手段を備えた事を特徴としている。
【００３１】
また、第２０の発明は、コンピュータを用いた制御装置を用いることによって、望みのミリ波あるいはサブミリ波を取り出すための設定を容易に行うために、予め決められた第１の電磁信号の周波数に対応した表で、ミリ波あるいはサブミリ波の発生に関わるコヒーレント光の周波数を含む表を参照して、少なくともミリ波あるいはサブミリ波の発生に関わるコヒーレント光を発生する手段を調整する手段を備えた事を特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の動作原理をまず説明し、続いて実施の形態を第１から第５の実施例として図面に基づいて詳細に説明する。なお、図において、同様の構成あるいは同様の機能をもつものについては同じ符号を用いている。
【００３３】
本発明の動作原理を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の望ましい構成例を示すブロック図である。波長＝１５５０ｎｍのレーザ光源１、波長＝１５５１ｎｍのレーザ光源２、ビームスプリッタ４、光―ミリ波変換器８、とそれらを結ぶ光ファイバによる光路などがあり、上記した第２の従来例に、一部類似した構成を持っているが、従来例における光強度検出器の部分を、点線で囲まれた光位相同期部３０で置き換えることにより、従来のものにない構成になっている。また、その類似した構成部分の動作は、第１のコヒーレント光源である周波数ν1で連続発振するレーザ光源１の出力光と、第２のコヒーレント光源である周波数ν2で連続発振するレーザ光源２の出力光を５０：５０の分岐比を有するビームスプリッタ４（ファイバーカプラ等）で重ね合わせ、その出力の一方を光ファイバー２３で伝送し（光出力１）、ファイバーの終端部に設けられた光−ミリ波変換器８によって、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを混合し、ミリ波あるいはサブミリ波の電磁信号（第１の電磁信号）を発生させるものである。光−ミリ波変換器８としては、１ＴＨｚ以下の帯域では低温成長ＧａＡｓ光伝導スイッチ素子、２００ＧＨｚ程度以下であれば単一走行キャリア型フォトダイオード素子（ＵＴＣ−ＰＤ）などを使用することができる事が知られている。ここまでの構成や動作は、既に知られたものと類似のものである。
【００３４】
しかし、このような既に知られた構成のままでは、レーザ光の周波数揺らぎに起因するミリ波信号の周波数の揺らぎは避けられない。そこで、本発明においては、ビームスプリッタ４のもう一方の出力光を、第３のコヒーレント光であるレーザ光源３の出力光と非線形素子からなる波長変換器７で混合し、新たなコヒーレント光を発生させる。この波長変換器７では、主に四光波混合（ＦＷＭ）の作用によって多数のコヒーレント光が発生する。発生した各光波の周波数関係を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）は、四光波混合で発生した新たな光波（短い実線で示す）のうち、例えば周波数が（２ν1−ν3）の光と、周波数が（２ν3−ν2）の光を示しており、これらは、周波数が互いに接近するため、それらの干渉信号（ビート信号）を光強度検出器９で、周波数がｆ3の低周波の信号（第３の電磁信号）として検出することができる。このビート信号をバンドパスフィルタ５９で濾波し、発振周波数ｆLのＲＦ（ラジオ波）信号源と位相比較し、負帰還制御を施して光位相同期ループ（ＯＰＬＬ２）を構成している。このＯＰＬＬの部分は、図１１に抜き出して示した様に、通常の周波数シンセサイザー等に用いられるＰＬＬと同様の構成を持っている事がわかる。これにより、上記のビート信号と上記のＲＦ信号を同期させるようにレーザ光源３の発振周波数は自動調整されるため、この結果、レーザ光源３の発振周波数は、次の関係を満たすように自動制御される。
【００３５】
【数１】
【００３６】
図１における光強度検出器９の出力には、周波数がｆ2＝（ν1−ν3）（光強度検出器の動作可能な最大周波数程度の値）の高周波成分（第２の電磁信号）も含まれている。この出力をバンドパスフィルタ６０で濾波し、周波数がｆHのミリ波信号源と位相比較し、レーザ光源１へ負帰還制御を施してＯＰＬＬ１を構成することにより、次の関係を満たすように、レーザ光源１の発振周波数は自動制御される。
【００３７】
【数２】
【００３８】
なお、負帰還制御は、レーザ光源１に限定する理由はなく、レーザ光源２へ負帰還制御を施しても同様の結果が得られる。また、レーザ光源１の発振周波数がレーザ光源２の発振周波数との比較における高低によってＯＰＬＬ１の信号極性が逆転するのは、通常の周波数シンセサイザ等に用いられるＰＬＬの場合と同様に容易に理解できる。さらに、数１および数２より、次の関係が得られる。
【００３９】
【数３】
【００４０】
ここで、レーザ光源１とレーザ光源２の発振周波数の差（ν1−ν2）は正確に３ｆH＋ｆLに一致するため、ＲＦ信号源１２やミリ波信号源１３の出力を安定化させることにより、安定で高純度なミリ波の変調信号が得られることが分かる。また、（ν1−ν2）の値は、光強度検出器の動作可能な最大周波数、ｆH、の３倍以上の値（ｆLがｆHにほぼ等しいならば約４倍の値）であり、これは、上記した従来構成には無かった特徴である。しかも、その出力であるミリ波あるいはサブミリ波の周波数を、ミリ波信号源１３のミリ波出力の周波数ｆHあるいはＲＦ信号源の発振周波数ｆLを変えるだけで容易に制御できる、という特徴を持っている。
【００４１】
波長変換素子としては、ＦＷＭ（Four Wave Mixing）のほかに自己位相変調、カー効果，コヒーレントラマン効果、ソリトン効果等を含むあらゆる種類の３次の非線形媒質を用いることができるほか、カスケードされた２次非線形光学効果（cascaded second-order nonlinearity）等の効果を有する２次の非線形素子を用いることもできる。また、特に１．５μｍの光通信波長帯においては、半導体光増幅器（ＳＯＡ）や非線形ループミラー（ＮＯＬＭ：Nonlinear Optical Loop Mirror）、ＰＰＬＮ（周期的分極反転型ＬｉＮｂＯ3）などの非線形素子が適している。
【００４２】
［第１実施例］
次に第１の実施例として、マルチトーンミリ波信号発生器として動作させた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を図２に示す。この実施例における装置の構成は、図１と同様であるが、図２に示す様に、光出力２の部分に光フィルタ６と光―ミリ波変換器が設けられている点で異なっている。また、バンドパスフィルタ５９、６０の代わりに、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５４、５５が設けられている点においても異なっているが、ＬＰＦに関しては、周波数ミキサ型の位相比較器１０、１１を挟んで、図１のバンドパスフィルタ５９、６０と同様の機能を果たす。ＬＰＦは、ループフィルタが十分に高周波信号を減衰する特性を有する場合には必要ではない。
【００４３】
図２のミリ波出力１には、周波数（ν1−ν2）、あるいは同じ値であるが、（３ｆH＋ｆL）の信号だけが含まれている。また、光出力２には、周波数ν1、ν2、ν3の３種類のコヒーレント光が含まれており、ミリ波出力２には，これらのコヒーレント光の混合により、（３ｆH＋ｆL）だけでなく、ｆH、（２ｆH＋ｆL）の周波数の信号も同時に得る事ができる。そこで図１の光出力２にファイバーブラッググレーティングなどの狭帯域バンド反射フィルタ６を挿入して、上記の３種類のコヒーレント光からひとつのコヒーレント光のみを除去した後、混合することによって、あるいはファブリー・ペロ共振器や回折格子分光器、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）などの狭帯域バンドパスフィルタを用いて上記の３種類のコヒーレント光からふたつのコヒーレント光を選択して混合することによって、３種類の信号ｆH、（２ｆH＋ｆL）、（３ｆH＋ｆL）のいずれかの信号を選択的に取り出すことができる。
【００４４】
また、周波数ν1、ν2、ν3のコヒーレント光を混合して、３種類の信 号ｆH、（２ｆH＋ｆL）、（３ｆH＋ｆL）を含む信号を発生させ、ミリ波あるいはサブミリ波帯域のフィルタを用いて、３種類の信号ｆH、（２ｆH＋ｆL）、（３ｆH＋ｆL）のいずれかの信号を選択的に取り出すことができる。
【００４５】
上記の様に選択的に取り出すことは、これらのいずれの方法によっても可能であるが、一般に、ミリ波あるいはサブミリ波帯域のフィルタを用いるよりも、上記の光領域の狭帯域バンド反射フィルタあるいは狭帯域バンドパスフィルタを用いた方が、装置を小型化でき簡単な構成とすることができる。
【００４６】
［第２実施例］
次に第２の実施例として、広帯域光周波数カウンタとして動作させた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を以下に示す。
【００４７】
図１において、いずれのレーザに対してもＯＰＬＬを実施しない場合、通常の周波数カウンタを２台使って周波数ｆ2＝（ν1−ν3）、ｆ3＝（（２ν3−ν2）−（２ν1−ν3））、を正確に測定すれば、未知の光の周波数ν1を、数４の関係を用いて正確に測定することができる。ｆ2、ｆ3は、ＯＰＬＬ１およびＯＰＬＬ２を実施した場合、それぞれｆH、ｆLに等しくなる周波数である。ただし、レーザ２の発振周波数ν2は、他の安定な周波数基準にロックされているなどして既知とする。また、ＯＰＬＬ１またはＯＰＬＬ２の一方を実施してｆ2、またはｆ3を既知としてもよく、この場合、カウンタは１台でよい。被測定信号光の周波数の範囲は、少なくとも±３ｆ2であり、最大で±４ｆ2程度まで（ｆ3がｆ2にほぼ等しい場合）測定可能である。
【００４８】
【数４】
【００４９】
従来の高精度光周波数カウンタでは、１台のレファレンスレーザとともに１台の被測定レーザ光を光検出器に同時に入射し、それらのレーザ光間のビート信号周波数をカウントし、その値をレファレンスレーザの光周波数の値に加算（または減算）する、という方法が採られており、被測定光の光周波数とレファレンスレーザの光周波数とは、光検出器の帯域以内に接近している必要があった。しかし、本発明の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置を用いた周波数カウンタでは、上記の様に、被測定レーザ光とレファレンスレーザ光との周波数差は、少なくとも光検出器の帯域幅の３倍まで許すことができるようになった。
【００５０】
［第３実施例］
次に第３の実施例として、２つのコヒーレント光の周波数差を分周するコヒーレント光を発生する分周器として動作させた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を次に示す。
【００５１】
図１において、ＯＰＬＬ２だけを実施し、ＯＰＬＬ１を実施しない場合、次の関係が成り立ち、光周波数の分周器が実現できる。
【数５】
【００５２】
ここで、正確に分周するためには、数５においてｆL＝０、である事が望ましい。しかしその周波数下限は、位相同期を行う必要性から、ＭＨｚ程度の値になる．その具体的な値は、レーザ光源の種類によって異なる。しかし、このような下限近くの値においては、ｆL＜＜（ν1−ν2）、であるから近似的に、（ν1−ν2）＝３（ν1−ν3）、が成り立っている。
【００５３】
ここで、数５において正確にｆL ＝０とするためには、ホモダインとして知られる構成とする。このためには、例えば、図４に示す構成とする。図４は、ホモダインのＯＰＬＬを実現するためのブロック図であり、図に示される様に、レーザ光源３の出力部に、光変調器３２を設けて、その出力光をＲＦ信号源（周波数ｆL）の信号で位相変調する。
【００５４】
このＯＰＬＬの部分は、図１２に抜き出して示した様に、図１１に抜き出して示した実施例１のＯＰＬＬとは、レーザ光源３からの光を予めＲＦ発振器からの信号で変調して、位相比較器としての周波数ミキサにおいて、その周波数で復調するという点で、異なっている。
【００５５】
これにより、周波数（２ν3−ν2）の光と周波数（２ν1−ν3）の光の間のビート信号には、本来のビート信号の周波数、ｆ＝（２ν3−ν2）−（２ν1−ν3）、に加えて、ｆにＲＦ発振器の発振周波数ｆLが加わったような信号、ｆC＝ｆL±ｆ、が得られるようになる。この後者のビート信号をｆLで復調すれば、あらかじめ与えたｆLでの変調が打ち消され、周波数ミキサの出力に本来のビート信号ｆだけがそのまま現れる．そこで通常のＯＰＬＬを構成することにより、ｆ＝０、とすることができる．この構成は、ホモダインのＯＰＬＬとして知られるものの一つであり、変調と復調の操作を行うことによって不要な直流成分を除去し、微弱なＦＷＭ光を高感度に検出することができる、という特長がある．ｆ＝０から、（２ν1−ν3）＝（２ν3−ν2）、が成立するため、数５でｆL＝０とおいたものが得られる事になる。
【００５６】
上記の様にして、数５においてｆL ＝０、とすることにより、ν3によって周波数差（ν1−ν2）が、（ν1−ν3）：（ν3−ν2）について、正確に１／３：２／３に分割される。この場合、周波数ν1、ν2、ν3のいずれも既知である必要はない。また、この実施例ではｆ2さえ知る必要がなく、例えば、ｆ2は光検出器の帯域を越える周波数領域にあってもよい。またｆLをｆ2 にほぼ等しくできるならば、実質的に周波数差（ν1−ν2）を（ν1−ν3）：（ν3−ν2）について、１／４：３／４に分割できる。
【００５７】
［第４実施例］
次に第４の実施例として、サブミリ波信号発生器として動作させた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を次に示す。
【００５８】
図１の構成に用いた概念を多段階に再帰的に拡張することにより、発生できる周波数をサブミリ波帯にまで拡張することができる。図５は、レーザ光源１、２のほかに、複数の補助的なレーザ光源を用いるもので、全部でＮ台のレーザ光源を用いて再帰的に構成した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置のブロック図を示す。また、このＮ＝４の場合の装置で得られる出力の周波数関係を図６に示す。このような装置では、以下に説明する様に、一般にミリ波信号源からの周波数がｆHの信号の約３(N-2)の倍（ただし、Ｎ≧３とする）の周波数を持つミリ波あるいはサブミリ波信号を得る事ができる。
【００５９】
図５は、レーザ光源１、レーザ光源２、ビームスプリッタ４、光―ミリ波変換器８、とそれらを結ぶ光路などを持ち、第１のコヒーレント光源である周波数ν1で連続発振するレーザ光源１の出力光と、第２のコヒーレント光源である周波数ν2で連続発振するレーザ光源２の出力光を５０：５０の分岐比を有するビームスプリッタ４（ファイバーカプラ等）で重ね合わせ、その出力の一方を光ファイバー２３で伝送し（光出力１）、ファイバーの終端部に設けられた光−ミリ波変換器８によって第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを混合し、ミリ波あるいはサブミリ波の電磁波を発生させるものである。ビームスプリッタ４のもう一方の出力光を、第３のコヒーレント光であるレーザ光源３の出力光とビームスプリッタ５により重ね合わせ、その出力の一方を光フィルタを通じて出力し、その他の一方の出力光を、第４のコヒーレント光であるレーザ光源４の出力光とビームスプリッタにより重ね合わせる。以下同様に、再帰的にビームスプリッタとレーザ光源と光フィルタを追加して、予定の数だけレーザ光源等を追加することができる。また、ビームスプリッタ５から５７を多段階的に接続する代わりに、図には示していないが、１台のスターカプラ等で代用することもできる。
【００６０】
予定された最後のビームスプリッタにおいては、その出力の一方を、光フィルタを通じて出力し、その他の一方の出力光を、３次の非線形素子等からなる波長変換器７へ導入し、新たなコヒーレント光を発生させる。この波長変換器７では、上記と同様に、主に四光波混合（ＦＷＭ）の作用によって多数のコヒーレント光が発生する。これらのコヒーレント光の干渉の結果として得られる比較的低周波数のビート信号を光強度検出器９で検出した後、予め用意されたミリ波あるいはサブミリ波信号源からの信号やＲＦ信号源からの信号の位相との比較を行い、得られた信号を用いて、それぞれに対応したレーザ光源の発振波長の自動調整を行うものである。
【００６１】
図６は、図５の構成において、４台のレーザ光源を用いた場合の、それぞれのコヒーレント光、および四光波混合光のスペクトルを示す図である。ここで、図６には波長変換器からの出力光のうち、主要なスペクトル成分のみを示している。特に、図６（ａ）は、レーザ光源１とレーザ光源２の周波数差をレーザ光源１とレーザ光源４の周波数差の約９倍に広げる場合を示している。図６（ａ）に示されるように、互いに周波数が接近する２組の四光波混合光が得られ、それらそれぞれに予め決められたＲＦ信号（周波数ｆL1、ｆL2）に位相同期することによって、４台のレーザ間の周波数関係が確定し、正確にｆ12＝９ｆ14＋３ｆL2＋ｆL1が成立するようになる。ここで、ｆ12＝（ν1−ν2）、ｆ14＝（ν1−ν4）、を示すものとする。
【００６２】
ここで、ｆ14＝ｆHとなるように制御することにより、入力したミリ波の周波数ｆ12はｆHの９倍に高められることになる。従来技術により、１００ＧＨｚ（波長＝３ｍｍ）程度のミリ波は容易に発生できることから、本発明の装置により、波長１／３ｍｍ程度のサブミリ波が得られることになる。また、光出力３からの光を混合することにより、ｆH、２ｆH、３ｆH、６ｆH、８ｆHのマルチトーン信号も同時に得ることができる。
【００６３】
さらにこの概念を拡張することにより、（Ｎ−２）台の補助的なレーザを用いることにより、サブミリ波の周波数をｆHの３N-2倍に拡大することが可能である。その限界は、光‐ミリ波変換器の帯域の上限できめられるが、現状では、光‐ミリ波変換器として低温成長ＧａＡｓ光伝導素子を用いた場合で、数ＴＨｚ程度である。この様に発生したミリ波やサブミリ波は、空間に放射しても導波管で取り出しても配線で取り出してもよい。
【００６４】
また、このように多数のレーザを用いる場合は、波長変換器７に達するまでの光路に多数のビームスプリッタの置かれたレーザ光源ほど、より大きな光強度のものを使用することが望ましい。例えば、図６においては、レーザ光源３はレーザ光源４よりも出力を大きくするのがよく、順次大きい順で、レーザ光源５、レーザ光源６・・・とすれば良い。ただし、レーザ光源２の光強度はレーザ光源１の光強度とほぼ同じ大きさにすることが望ましい。これは、光への変調度を１とし、効率的な伝送を行うためである。
【００６５】
ただし前述の方法は、ＯＰＬＬを行うために十分に大きな非線形効果による変換効率が得られることが前提である。実際には周波数差が大きくなればなるほど非線形効率が小さくなるのが普通である。従って、それぞれのレーザ光源の出力の望ましい形態については、上記の大小関係に加えて、３次の非線形効果による変換効率を考慮して決定するのが望ましい。
【００６６】
また、図６（ｂ）に示すように、ｆ14＝ｆHとするとき、近似的にｆ43＝２ｆH、ｆ32＝４ｆHとすることも可能である。この場合は、ｆH、２ｆH、４ｆH、７ｆHのマルチトーン信号も同時に得ることができる。この様に、ミリ波信号源やＲＦ信号源の周波数の組み合わせを選択することにより、マルチトーン信号の自由度を拡張することができる。そのような周波数の組み合わせと、それから得られるマルチトーン信号の組み合わせを、コンピュータを用いた制御装置に記憶しておき、希望するミリ波周波数に応じて予め記憶された設定を読み出し、それらミリ波信号源やＲＦ信号源の発振周波数を設定する構成とすることにより、自由にミリ波周波数を選択することができる。
【００６７】
また、十分に大きな３次の非線形効果による変換効率が得られない場合には、図６（ｃ）に示すように、周波数の拡大率は６倍にとどめて、つまりｆ12＝６ｆHとしてＯＰＬＬへの負担を軽減することも可能である。同図において、ν1と（２ν3−ν2）の間のビート信号は、ν1の大きな光強度を反映してＯＰＬＬを行うために十分な強度となる。ν1および３つの四光波混合光から得られる２つのビート信号を、それらそれぞれに予め決められたＲＦ信号（周波数ｆL1、ｆL2）に位相同期することによって、４台のレーザ間の周波数関係が確定し、正確にｆ12＝６ｆ14＋２ｆL2＋ｆL1が成立するようになる。ここでｆ14＝ｆHとなるように制御することにより、入力したミリ波の周波数ｆ12はｆHの６倍に高められることになる。さらに、同時に得られるマルチトーン信号は、ｆH、２ｆH、３ｆH、５ｆHである。
【００６８】
［第５実施例］
次に第５の実施例として、発生できる周波数領域をさらに拡張した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を図７に示す。この例では、上記の図１、図２、あるいは図５の構成に、さらに光変調器１８を組み合わせて用いることにより、発生できる周波数領域をさらに拡大したものである。
【００６９】
図７の構成では、図１の構成におけるビームスプリッタ５の出力の一方を光フィルタに送り、他方を光変調器１８に送る。この光変調器１８では入射光を周波数ｆmのＲＦ信号で変調した後、３次の非線形素子等からなる波長変換器７で混合し、それから光強度検出器９により、低周波数の信号（周波数ｆ2の第２の電磁信号、および周波数ｆ3の第３の電磁信号）に変換するものである。
【００７０】
３台のレーザ光源からのコヒーレント光に、あらかじめ周波数ｆmの強度変調を付加したとすると、それぞれの線スペクトルは周波数間隔ｆmを隔てて新たに２本のサイドバンド光を伴うようになる。そこでこれら計９本の線スペクトルを３次の非線形媒質に導入すると、ＦＷＭによってさらに多くの線スペクトルが発生する。この中から主要なものだけを抜き出して描いたものが図８である。この例では、まず、ν11とν32から発生する周波数２ν11−ν32のＦＷＭ光と、ν32とν21から発生する周波数２ν32−ν21のＦＷＭ光は周波数が接近するので、これらをＯＰＬＬ２を使って周波数がｆLのＲＦ信号源に対して位相同期をかけることができる。さらにν12とν31の差周波をＯＰＬＬ１を使って周波数がｆHのミリ波信号源と位相同期をかけると、つぎの関係が成り立つ様になる。
【００７１】
【数６】
【００７２】
このようにして、ｆHの３倍にｆmの６倍を加えたものにほぼ等しい周波数を持つミリ波またはサブミリ波の発生が可能になる。ここで、ｆmとしては自由な値をとれるので、ｆHやｆLが固定された環境においても（ν1−ν2）の値を自由に設定することができる。ここでは、変調器１８として強度変調器を用いて説明したが、その代わりに光位相変調器を使用することもできることは明らかである。
【００７３】
また、図７では、波長変換器の直前に光変調器を配置しているが、光変調器を各レーザ光源の直後に配置したり、あるいはレーザ光源を駆動する電流に直接変調を与えて同様の効果を得ることも可能である。ただし、これらの場合、光出力１には変調によって発生するサイドバンド光が混入することになるので、光フィルタ等を用いてこれらを除去する必要がある。
【００７４】
また、光源となるレーザとしてモード同期レーザ等のパルスレーザや２モード発振レーザ等を用いることにより、光変調器を用いずに、光変調器を用いる場合と同様の効果を得ることも可能である。ただし、パルスレーザを用いる場合のパルス間隔は、ＯＰＬＬの応答可能時間よりも十分に短いことが必要である。また、パルスレーザを用いる場合は、光パルスを電気信号に変換した時に得られる最高次の信号を、上記の場合の変調信号とみなすことができる。
【００７５】
以上の実施の形態においては、レーザ光源の近くで光学的にミリ波あるいはサブミリ波を発生する装置について説明したが、レーザ光源と光―ミリ波変換器は、光ファイバで結ばれているために、遠隔地にあっても、上記の機能を発揮することができる。例えば、ミリ波やサブミリ波を必要とする電波天文学などをはじめとする分光学的研究において、複数の離れた場所に同一周波数で高安定・高純度で、且つ、周波数可変なミリ波やサブミリ波を容易に供給することができる。
【００７６】
さらに、半導体レーザでは、供給電流や印加電圧を変化させることによって、その発振周波数を変化させることができることが知られている。このため、各レーザ装置を制御するコンピュータを用いて、希望するミリ波周波数とそのために必要な倍率が指定されると、あらかじめプログラムされた周波数配置になるように、コンピュータが各レーザの発振周波数を自動的に設定する構成とすることが望ましい。このような構成においては、望ましい周波数配置が得られた後、ＯＰＬＬを機能させる。
【００７７】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００７８】
第１の発明は、第３のコヒーレント光と波長変換素子を新たに用意し、光領域であらかじめ波長変換を行い、ミリ波あるいはサブミリ波の変調信号を通常の光検出器でも検出可能な比較的低い周波数の変調信号に変換することを目的としたものであり、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、さらに、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光（周波数ν3）とを混合する手段と、第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光との混合により第２の電磁信号を発生する手段と、該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段と、上記の比較により得られた情報により、上記の第１のコヒーレント光の波長を調整する手段とを備えた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置としたので、光領域であらかじめ波長変換を行うことができるようになり、第２の電磁信号のほぼ３倍の周波数をもった電磁波を発生することができる様になった。
【００７９】
また、第２の発明では、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、さらに、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光（周波数ν3）とを混合することにより第３の電磁信号を発生する手段と、該第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する手段と、上記の比較により得られた情報により、第３のコヒーレント光の波長を調整する手段と、を備えた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置としたので、第２の電磁信号のほぼ３倍の周波数をもった安定した電磁波を発生することができる様になった。
【００８０】
また、第３の発明では、重ね合わされた第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光とを出力する手段をさらに備えたので、種々の周波数の電磁信号を利用し易くなった。
【００８１】
また、第４の発明では、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光とを混合する手段は、四光波混合等の非線形光学効果であるように構成したので、第３の電磁信号の周波数を低く抑えることができ、装置が簡単になった。
【００８２】
また、第５の発明では、第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段は、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出する手段であるように構成したので、既に良く知られた位相差検出回路を用いて、レーザ光源からの光の波長を制御することができるようになった。
【００８３】
また、第６の発明では、第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する手段は、第３の電磁信号の位相と第２の高周波信号の位相との差を検出する手段であるように構成したので、既に良く知られた位相差検出回路を用いて、レーザ光源からの光の波長を制御することができるようになった。
【００８４】
また、第７の発明では、非線形素子に入射する光を変調する事により、ミリ波あるいはサブミリ波の出力周波数をさらに自由に変えられるようになった。
【００８５】
また、第８の発明では、周波数軸上において被混合光のそれぞれの位置関係を明確にしたので、ミリ波あるいはサブミリ波の周波数をさらに高めることができるようになった。
【００８６】
また、第９ないし第１２のそれぞれの発明では、第１あるいは第２の発明と比べてコヒーレント光の光源数を増やした構成になったので、さらに多種類の電磁波が得られるようになった。
【００８７】
また、第１３の発明では、重ね合わされた第１ないし第Ｎのコヒーレント光のいずれか複数を出力してそれらを混合して電磁信号にすることにより、種々の電磁波を得る事ができるようになった。
【００８８】
また、第１４の発明では、コヒーレント光を混合する手段は、非線形光学効果を用いた手段としたので、差周波数が大きい場合でも効果的に混合することができ、容易に種々の電磁波を得る事ができるようになった。
【００８９】
また、第１５あるいは第１６の発明では、位相同期ループ回路を用いて周波数を一致させることができるようになったので、周波数の一致が正確になった。
【００９０】
また、第１７の発明では、コヒーレント光の光源数を増やした構成になったので、第８の周波数領域をさらに広げることができる様になった。
【００９１】
また、第１８の発明では、周波数軸上において被混合光のそれぞれの位置関係を明確にしたので、ミリ波あるいはサブミリ波の周波数をさらに高めることができるようになった。
【００９２】
また、第１９あるいは第２０の発明では、コンピュータを用いた制御装置を用いることによって、望みのミリ波あるいはサブミリ波を容易に取り出せる様になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の望ましい構成例を示すブロック図である。
【図２】 本発明の望ましい構成例を示すブロック図である。
【図３】 第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光の四光波混合で発生した新たな光波のうち、周波数が（２ν1−ν3）と、（２ν3−ν2）の光の周波数関係を示す図である。
【図４】 ホモダインのＯＰＬＬを実現するためのブロック図である。
【図５】 全部でＮ台のレーザ光源を用いて再帰的に構成した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置のブロック図である。
【図６】 ４台のレーザ光源を用いた場合の、それぞれのコヒーレント光の四光波混合によるスペクトルを示す図である。
【図７】 発生できる周波数領域をさらに拡張した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置のブロック図である。
【図８】 発生できる周波数領域をさらに拡張した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置から得られる多くの線スペクトルのうち、主要なものだけを抜き出した図である。
【図９】 第１の従来例を示す図である。
【図１０】 第２の従来例を示す図である。
【図１１】 ＯＰＬＬ部分を示すブロック図である。
【図１２】 ホモダインのＯＰＬＬ部分を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、２、３ レーザ光源
４、５ ビームスプリッタ
６ 光フィルタ
７ 波長変換器
８ 光―ミリ波変換器
９ 光強度検出器
１０、１１ 位相比較器
１２ ＲＦ信号源
１３ ミリ波信号源
１４ 増幅器
１５ ＲＦ信号源
１６ 光強度変調器
１７ 電力増幅器
１８ 光変調器
１９ 光―ミリ波変換器
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８ 光ファイバ
３０、３１ 光位相同期部
３２ 光変調器
４０ 光位相同期ループフィルタ
５０ レーザ光源
５１、５２、５３ ループフィルタ
５４、５５、５６ ローパスフィルタ
５７ ビームスプリッタ
５８ 光フィルタ
５９、６０ バンドパスフィルタ
【発明の属する技術分野】
この発明は、ミリ波やサブミリ波の信号源から離れた位置に、レーザ光を用いて、忠実にミリ波やサブミリ波を伝送する光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
低周波信号やミリ波信号を、光を用いて伝送する装置としては、文献１
（J.J.O'Reilly, P.M. Lane, R. Heidemann and R.Hofstetter, "Optical generationof very narrow linewidth millimetre wavesignals," Electron. Lett. 28,[25], pp.2309-2311, (1992).）に記載されたものがあり、これは、図９に示す構成をもった伝送装置である。図９は、第１の従来例を示す図であり、光源からの光線を変調器で変調して、電磁信号で変調された光線を発生し、この光線を光路に沿って伝送し、この光線を光信号から電波信号に変換する変換器に通すことにより、もとの電磁信号を再生する機能をもった、電磁信号を伝送する伝送装置のブロック図を示す図である。ここで、光源としては、レーザ光源が使われることが多く、また、光路は光ファイバーを用いて構成されることが多い。また、変調器としては、強度変調器が使われることが多い。また、変換器としては、半導体光検出器が使われることが多い。
【０００３】
また、このような伝送装置で、ミリ波信号を伝送する場合は、いくつかの困難があることが知られている。例えば、変調器を駆動するために大電力のミリ波の信号を必要とするが、周波数が高くなるほどそれらを得る事が困難であり、また搬送波を抑圧するほど深い変調をかけることができないため、光変調器の帯域を越える高い周波数の変調を行うことはできなかった。このため、ミリ波の信号を伝送する場合の実用的な周波数上限は、６０ＧＨｚ程度であった。
【０００４】
また、上記のほかの構成を持った伝送装置としては、文献２（R.T. Ramos andA.J. Seeds, "Fast heterodyneoptical phase-lock loop using double quantum well laser diodes," Electron.Lett. 28, [1], pp.82-83, (1992).）に記載されたものがあり、これは、図１０に示す構成をもった伝送装置である。図１０は、第２の従来例を示す図であり、２台のレーザの光出力をヘテロダイン混合し、差周波にあたるミリ波周波数のビート信号を発生させ、これと同じ周波数の強度変調を光に付加する方法を用いた伝送装置を示すブロック図である。
【０００５】
このような伝送装置では、ビート信号の周波数純度を高めるために光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）などの位相比較機構を備える場合が多い。この伝送装置の特徴は、レーザ光を伝送する電磁信号で光変調しない点にある。従って、伝送できる信号帯域幅は、変調器や変調信号の帯域幅で制限されることがないことである。また、レーザ光源には小電力で発振や変調の行える半導体レーザなどを用いることができる点にある。また、光検出器の帯域は、通常、光変調器の帯域より広いので、上記の装置より高い周波数のミリ波信号を伝送することができる、という可能性を有している。
【０００６】
また、図１０に示す伝送装置の帯域幅は、光強度検出器あるいは位相差検出器により決められることが多い。位相差検出器については、分周器と併用することによって、その周波数帯域を拡大することは可能であるが、このような改善を行っても、光強度検出器あるいは位相差検出器による帯域を越える信号を伝送することは困難であった。このため、ミリ波信号を伝送する場合の周波数上限は、１００ＧＨｚ程度と見込まれる。
【０００７】
本発明は、形態的には上記の第１の従来例の技術よりも第２の従来例の技術に近いものであるが、補助的なレーザ光源と波長変換素子を新たに用いることにより、新しい動作原理に基づいて動作する様にしたものであり、これまで動作限界とされてきた光検出器の帯域限界を超える高い周波数のミリ波あるいはサブミリ波の信号発生を容易に可能にするものである。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記で説明した様に、低周波信号やミリ波あるいはサブミリ波信号を含めた電磁信号を、光を用いて伝送する従来の装置では、変調器を駆動するために大電力のミリ波あるいはサブミリ波の信号を必要とする。しかし、ミリ波あるいはサブミリ波帯で、大電力の信号を得る事は困難であり、また光変調器の帯域を越える高い周波数の変調を行うことも困難であった。また、光強度検出器あるいは位相差検出器で制限される帯域を越える信号を伝送することはできない、という問題があった。
【０００９】
この発明は、上記に鑑み提案されたもので、電力増幅器や光変調器、あるいは光強度検出器や位相差検出器による帯域を越える信号を伝送することができる光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
一般に、上記した第２の従来例のようにコヒーレント光源である２台のレーザ光のヘテロダイン混合によってミリ波の信号を発生させる場合、その周波数は、２台のレーザ光の差周波数に等しく、差周波数が大きいほど高い周波数のミリ波あるいはサブミリ波信号を発生させることができる。しかし、通常の光検出器はその動作帯域を越える高い周波数の変調信号を検出することができないため、この周波数上限が、発生できるミリ波あるいはサブミリ波信号の周波数の上限となっていた。
【００１１】
そこで、第１の発明では、第３のコヒーレント光と波長変換素子を新たに用意し、光領域であらかじめ波長変換を行い、ミリ波あるいはサブミリ波の変調信号を通常の光検出器でも検出可能な比較的低い周波数の変調信号に変換するものであり、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光（周波数ν3）を重畳して出力する重ね合わせ手段と、
上記の重ね合わせ手段の出力光を混合する波長変換手段と、
上記の重畳された光に含まれる第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光とから第２の電磁信号を発生する光強度検出手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、
上記の混合により得られる第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光との混合光から第３の電磁信号を発生する光強度検出手段と、
該第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の比較手段と、
上記の第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１２】
また、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光（周波数ν3）を重畳して出力する重ね合わせ手段と、
上記の重ね合わせ手段の出力光を混合する波長変換手段と、
上記の波長変換手段の出力を光強度検出手段に入力して得られる電磁信号から、
第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光の混合による第 2 の電磁信号を選択する濾波手段と、
第１のコヒーレント光と第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光の混合による第３の電磁信号を選択する濾波手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、
該第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の比較手段と、
上記の第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００１３】
また、これらのコヒーレント光は、他の装置でも利用できる様にするために、第３の発明は、重ね合わされた第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光を分岐して出力する手段を備えたことを特徴としている。
【００１４】
また、第４の発明は、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光を重畳して混合する波長変換手段は、非線形光学効果を用いて波長変換する手段であることを特徴としている。
【００１５】
また、第１のコヒーレント光源である第１のレーザ光源からの光の波長を制御するにあたり、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出して帰還信号とすることにより、その波長の変動を抑制することができることから、第５の発明は、第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段は、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴としている。
【００１６】
また、第３のコヒーレント光源である第３のレーザ光源からの光の波長を制御するにあたり、第３の電磁信号の位相と第２の高周波信号の位相との差を検出して帰還信号とすることにより、その波長の変動を抑制することができることから、第６の発明は、第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する手段は、第３の電磁信号の位相と第２の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴としている。
【００１７】
また、非線形素子に入射する光をあらかじめ変調する事によって発生される側帯波を被混合光の一部として用いることにより、ミリ波あるいはサブミリ波の出力周波数を自由に変えられるようになることから、第７の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、第１のコヒーレント光を変調して第１のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、第２のコヒーレント光を変調して第２のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、第３のコヒーレント光（周波数ν 3 ）を変調して第３のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、第１のコヒーレント光の側帯波と第２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波を重畳して出力する重ね合わせ手段と、第１のコヒーレント光の側帯波と２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波とを混合する波長変換手段と、上記の重ね合わせにより得られる第１のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波とを重ね合わせた光から第２の電磁信号を発生する光強度検出手段と、上記の混合により得られる第１のコヒーレント光の側帯波と第２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波との混合光から第３の電磁信号を発生する光強度検出手段、と、前記第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、前記第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の手段と、第１ の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、を備えたことを特徴としている。
【００１８】
また、第８の発明は、上記の混合される第１のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第３のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であり、また、混合される第３のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第２のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であることを特徴としている。
【００１９】
また、第９の発明は、第１の発明のコヒーレント光の光源数を増やした構成により、多種類の電磁信号が得られることから、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでのコヒーレント光が伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
上記の重畳された第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光を混合する波長変換手段と、
上記の波長変換手段から出力される光を光強度検出器に入力しその出力から第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光とを混合した第２の電磁信号を選択する濾波手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に保つ帰還手段と、
を、備えたことを特徴としている。
【００２０】
ここで、本発明の想定するコヒーレント光の順序について説明する。簡単には、最低周波数のコヒーレント光の周波数をν2（あるいはν1）とし、最高周波数のコヒーレント光の周波数をν1（あるいはν2）として、ν1に向かってν2から順にν3、ν4、ν5、…νN、ν1と、することができる。しかし、本発明においては、この様に並べることに限定する理由は無い。３つのコヒーレント光を混合する場合の組み合わせを、周波数に関わらず書くことにして、たとえば、次の様に表わす。
＜ν2、ν3、ν1＞さらに、他の組み合わせとして、＜ν3、ν4、ν1＞、また、同様に、＜ν4、ν5、ν1＞、これを繰り返して＜νN-1、νN、ν1＞、とすることができるとき、これらのコヒーレント光には、周波数の高低に依存しない順序が付けられる。本発明ではこのような順番を、念頭に置いている。
【００２１】
また、第１０の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とし、ｋを３以上Ｎ以下のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでの複数のコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１からＮまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第１から第（Ｎ−１）までの複数の高周波信号源と、
第１のコヒーレント光から第Ｎのコヒーレント光（周波数ν N ）までを混合する波長変換 手段と、
上記の混合光を用いて第２から第Ｎまでの電磁信号を発生する光強度検出手段と、
前記の複数の電磁信号に含まれ、第１のコヒーレント光と第ｋのコヒーレント光と第（ｋ−１）のコヒーレント光との混合により波長変換された光を光強度検出手段に入力して発生した電磁信号から第ｋの電磁信号を選択する濾波手段と、
該第ｋの電磁信号と予め決められた第（ｋ−１）の高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、第ｋのコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第１のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光とを重ね合わせた光を光強度検出器に入力して第２の電磁信号を発生する手段と、前記の第２の電磁信号と予め与えられた第１の高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して第１のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００２２】
また、第２のコヒーレント光から幾つかのコヒーレント光を経由して第１のコヒーレント光を制御する経路には任意性があることから、第１１の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでの複数のコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第２のコヒーレント光と、第２のコヒーレント光の周波数から制御された周波数だけずれた発振周波数をもったコヒーレント光（周波数ν R ）と、第Ｎのコヒーレント光（周波数ν N ）とを混合する波長変換手段と、前記の混合光から光強度検出手段により電磁信号を発生する手段と、
前記電磁信号と予め決められた高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、上記の第２のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第１のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に制御する手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００２３】
また、第１のコヒーレント光から幾つかのコヒーレント光を経由して第２のコヒーレント光を制御する経路についても任意性があることから、第１２の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν 1 ）と第２のコヒーレント光（周波数ν 2 ）とを混合して、その差周波数（ν 1 −ν 2 あるいはν 2 −ν 1 ）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでのコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第１のコヒーレント光と，第１のコヒーレント光の周波数から制御された周波数だけずれた発振周波数をもったコヒーレント光（周波数ν R ）と，第Ｎのコヒーレント光（周波数ν N ）とを波長変換手段を用いて混合して、光強度検出手段によって電磁信号を発生する手段と、
前記電磁信号と予め決められた高周波信号とを比較する手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御す る手段と、
第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に制御する手段と、
を備えたことを特徴としている。
【００２４】
また、重ね合わされた第１ないし第Ｎのコヒーレント光のいずれか複数を出力してそれらを混合して電磁信号にすることにより、種々の電磁波を得る事ができることから、第１３の発明は、重ね合わされた第１ないし第Ｎのコヒーレント光のいずれか複数を出力する手段を備えたことを特徴としている。
【００２５】
また、第１４の発明は、第１ないし第Ｎのいずれかのコヒーレント光を混合する手段は、非線形光学効果を用いた手段であることを特徴としている。
【００２６】
また、第１５の発明は、第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段は、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴としている。
【００２７】
また、第１６の発明は、第ｋの電磁信号と予め決められた第（ｋ−１）の高周波信号とを比較する手段は、第ｋの電磁信号の位相と第（ｋ−１）の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴としている。
【００２８】
また、第１７の発明は、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、Ｎを３以上のいずれかの整数とし、発生する電磁波には順に番号が付され、この番号の付けられた電磁波に対応する高周波信号には独自に順に番号が付されているものとするとき、第１から第Ｎまでのコヒーレント光（周波数ν1からνN）のすべてか、あるいはそれらの一部をそれぞれ共通にあるいは別々に変調する手段と、前記の変調で変調されたコヒーレント光の側帯波を変調されないコヒーレント光の代わりに用いることにより、第２ないし第Ｎのいずれかまでの電磁信号を発生する手段と、これらの電磁信号と予め決められた第１ないし第（Ｎ−１）のいずれかまでの高周波信号とを比較する手段と、上記の比較により得られた情報により、上記の第１から第Ｎのいずれかまでのコヒーレント光の波長を調整する手段と、を備えたことを特徴としている。
【００２９】
また、第１８の発明は、上記の混合される第１のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第Ｎのコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であり、また、ｋを３以上Ｎ以下のいずれかの整数とするとき、上記の混合される第ｋのコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第（ｋ−１）のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であることを特徴としている。
【００３０】
また、第１９の発明は、コンピュータを用いた制御装置を用いることによって、望みのミリ波あるいはサブミリ波を容易に取り出せる様にするために、予め決められた第１の電磁信号の周波数に対応した表で、構成されたＯＰＬＬに関わる電磁波の周波数を含む表を参照して、その電磁信号を発生する手段を調整する手段を備えた事を特徴としている。
【００３１】
また、第２０の発明は、コンピュータを用いた制御装置を用いることによって、望みのミリ波あるいはサブミリ波を取り出すための設定を容易に行うために、予め決められた第１の電磁信号の周波数に対応した表で、ミリ波あるいはサブミリ波の発生に関わるコヒーレント光の周波数を含む表を参照して、少なくともミリ波あるいはサブミリ波の発生に関わるコヒーレント光を発生する手段を調整する手段を備えた事を特徴としている。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下にこの発明の動作原理をまず説明し、続いて実施の形態を第１から第５の実施例として図面に基づいて詳細に説明する。なお、図において、同様の構成あるいは同様の機能をもつものについては同じ符号を用いている。
【００３３】
本発明の動作原理を、図１を用いて説明する。図１は、本発明の望ましい構成例を示すブロック図である。波長＝１５５０ｎｍのレーザ光源１、波長＝１５５１ｎｍのレーザ光源２、ビームスプリッタ４、光―ミリ波変換器８、とそれらを結ぶ光ファイバによる光路などがあり、上記した第２の従来例に、一部類似した構成を持っているが、従来例における光強度検出器の部分を、点線で囲まれた光位相同期部３０で置き換えることにより、従来のものにない構成になっている。また、その類似した構成部分の動作は、第１のコヒーレント光源である周波数ν1で連続発振するレーザ光源１の出力光と、第２のコヒーレント光源である周波数ν2で連続発振するレーザ光源２の出力光を５０：５０の分岐比を有するビームスプリッタ４（ファイバーカプラ等）で重ね合わせ、その出力の一方を光ファイバー２３で伝送し（光出力１）、ファイバーの終端部に設けられた光−ミリ波変換器８によって、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを混合し、ミリ波あるいはサブミリ波の電磁信号（第１の電磁信号）を発生させるものである。光−ミリ波変換器８としては、１ＴＨｚ以下の帯域では低温成長ＧａＡｓ光伝導スイッチ素子、２００ＧＨｚ程度以下であれば単一走行キャリア型フォトダイオード素子（ＵＴＣ−ＰＤ）などを使用することができる事が知られている。ここまでの構成や動作は、既に知られたものと類似のものである。
【００３４】
しかし、このような既に知られた構成のままでは、レーザ光の周波数揺らぎに起因するミリ波信号の周波数の揺らぎは避けられない。そこで、本発明においては、ビームスプリッタ４のもう一方の出力光を、第３のコヒーレント光であるレーザ光源３の出力光と非線形素子からなる波長変換器７で混合し、新たなコヒーレント光を発生させる。この波長変換器７では、主に四光波混合（ＦＷＭ）の作用によって多数のコヒーレント光が発生する。発生した各光波の周波数関係を図３（ｃ）に示す。図３（ｃ）は、四光波混合で発生した新たな光波（短い実線で示す）のうち、例えば周波数が（２ν1−ν3）の光と、周波数が（２ν3−ν2）の光を示しており、これらは、周波数が互いに接近するため、それらの干渉信号（ビート信号）を光強度検出器９で、周波数がｆ3の低周波の信号（第３の電磁信号）として検出することができる。このビート信号をバンドパスフィルタ５９で濾波し、発振周波数ｆLのＲＦ（ラジオ波）信号源と位相比較し、負帰還制御を施して光位相同期ループ（ＯＰＬＬ２）を構成している。このＯＰＬＬの部分は、図１１に抜き出して示した様に、通常の周波数シンセサイザー等に用いられるＰＬＬと同様の構成を持っている事がわかる。これにより、上記のビート信号と上記のＲＦ信号を同期させるようにレーザ光源３の発振周波数は自動調整されるため、この結果、レーザ光源３の発振周波数は、次の関係を満たすように自動制御される。
【００３５】
【数１】
図１における光強度検出器９の出力には、周波数がｆ2＝（ν1−ν3）（光強度検出器の動作可能な最大周波数程度の値）の高周波成分（第２の電磁信号）も含まれている。この出力をバンドパスフィルタ６０で濾波し、周波数がｆHのミリ波信号源と位相比較し、レーザ光源１へ負帰還制御を施してＯＰＬＬ１を構成することにより、次の関係を満たすように、レーザ光源１の発振周波数は自動制御される。
【００３７】
【数２】
なお、負帰還制御は、レーザ光源１に限定する理由はなく、レーザ光源２へ負帰還制御を施しても同様の結果が得られる。また、レーザ光源１の発振周波数がレーザ光源２の発振周波数との比較における高低によってＯＰＬＬ１の信号極性が逆転するのは、通常の周波数シンセサイザ等に用いられるＰＬＬの場合と同様に容易に理解できる。さらに、数１および数２より、次の関係が得られる。
【００３９】
【数３】
ここで、レーザ光源１とレーザ光源２の発振周波数の差（ν1−ν2）は正確に３ｆH＋ｆLに一致するため、ＲＦ信号源１２やミリ波信号源１３の出力を安定化させることにより、安定で高純度なミリ波の変調信号が得られることが分かる。また、（ν1−ν2）の値は、光強度検出器の動作可能な最大周波数、ｆH、の３倍以上の値（ｆLがｆHにほぼ等しいならば約４倍の値）であり、これは、上記した従来構成には無かった特徴である。しかも、その出力であるミリ波あるいはサブミリ波の周波数を、ミリ波信号源１３のミリ波出力の周波数ｆHあるいはＲＦ信号源の発振周波数ｆLを変えるだけで容易に制御できる、という特徴を持っている。
【００４１】
波長変換素子としては、ＦＷＭ（Four Wave Mixing）のほかに自己位相変調、カー効果，コヒーレントラマン効果、ソリトン効果等を含むあらゆる種類の３次の非線形媒質を用いることができるほか、カスケードされた２次非線形光学効果（cascaded second-order nonlinearity）等の効果を有する２次の非線形素子を用いることもできる。また、特に１．５μｍの光通信波長帯においては、半導体光増幅器（ＳＯＡ）や非線形ループミラー（ＮＯＬＭ：Nonlinear Optical Loop Mirror）、ＰＰＬＮ（周期的分極反転型ＬｉＮｂＯ3）などの非線形素子が適している。
【００４２】
［第１実施例］
次に第１の実施例として、マルチトーンミリ波信号発生器として動作させた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を図２に示す。この実施例における装置の構成は、図１と同様であるが、図２に示す様に、光出力２の部分に光フィルタ６と光―ミリ波変換器が設けられている点で異なっている。また、バンドパスフィルタ５９、６０の代わりに、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５４、５５が設けられている点においても異なっているが、ＬＰＦに関しては、周波数ミキサ型の位相比較器１０、１１を挟んで、図１のバンドパスフィルタ５９、６０と同様の機能を果たす。ＬＰＦは、ループフィルタが十分に高周波信号を減衰する特性を有する場合には必要ではない。
【００４３】
図２のミリ波出力１には、周波数（ν1−ν2）、あるいは同じ値であるが、（３ｆH＋ｆL）の信号だけが含まれている。また、光出力２には、周波数ν1、ν2、ν3の３種類のコヒーレント光が含まれており、ミリ波出力２には，これらのコヒーレント光の混合により、（３ｆH＋ｆL）だけでなく、ｆH、（２ｆH＋ｆL）の周波数の信号も同時に得る事ができる。そこで図１の光出力２にファイバーブラッググレーティングなどの狭帯域バンド反射フィルタ６を挿入して、上記の３種類のコヒーレント光からひとつのコヒーレント光のみを除去した後、混合することによって、あるいはファブリー・ペロ共振器や回折格子分光器、アレイ導波路格子（ＡＷＧ）などの狭帯域バンドパスフィルタを用いて上記の３種類のコヒーレント光からふたつのコヒーレント光を選択して混合することによって、３種類の信号ｆH、（２ｆH＋ｆL）、（３ｆH＋ｆL）のいずれかの信号を選択的に取り出すことができる。
【００４４】
また、周波数ν1、ν2、ν3のコヒーレント光を混合して、３種類の信 号ｆH、（２ｆH＋ｆL）、（３ｆH＋ｆL）を含む信号を発生させ、ミリ波あるいはサブミリ波帯域のフィルタを用いて、３種類の信号ｆH、（２ｆH＋ｆL）、（３ｆH＋ｆL）のいずれかの信号を選択的に取り出すことができる。
【００４５】
上記の様に選択的に取り出すことは、これらのいずれの方法によっても可能であるが、一般に、ミリ波あるいはサブミリ波帯域のフィルタを用いるよりも、上記の光領域の狭帯域バンド反射フィルタあるいは狭帯域バンドパスフィルタを用いた方が、装置を小型化でき簡単な構成とすることができる。
【００４６】
［第２実施例］
次に第２の実施例として、広帯域光周波数カウンタとして動作させた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を以下に示す。
【００４７】
図１において、いずれのレーザに対してもＯＰＬＬを実施しない場合、通常の周波数カウンタを２台使って周波数ｆ2＝（ν1−ν3）、ｆ3＝（（２ν3−ν2）−（２ν1−ν3））、を正確に測定すれば、未知の光の周波数ν1を、数４の関係を用いて正確に測定することができる。ｆ2、ｆ3は、ＯＰＬＬ１およびＯＰＬＬ２を実施した場合、それぞれｆH、ｆLに等しくなる周波数である。ただし、レーザ２の発振周波数ν2は、他の安定な周波数基準にロックされているなどして既知とする。また、ＯＰＬＬ１またはＯＰＬＬ２の一方を実施してｆ2、またはｆ3を既知としてもよく、この場合、カウンタは１台でよい。被測定信号光の周波数の範囲は、少なくとも±３ｆ2であり、最大で±４ｆ2程度まで（ｆ3がｆ2にほぼ等しい場合）測定可能である。
【００４８】
【数４】
従来の高精度光周波数カウンタでは、１台のレファレンスレーザとともに１台の被測定レーザ光を光検出器に同時に入射し、それらのレーザ光間のビート信号周波数をカウントし、その値をレファレンスレーザの光周波数の値に加算（または減算）する、という方法が採られており、被測定光の光周波数とレファレンスレーザの光周波数とは、光検出器の帯域以内に接近している必要があった。しかし、本発明の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置を用いた周波数カウンタでは、上記の様に、被測定レーザ光とレファレンスレーザ光との周波数差は、少なくとも光検出器の帯域幅の３倍まで許すことができるようになった。
【００５０】
［第３実施例］
次に第３の実施例として、２つのコヒーレント光の周波数差を分周するコヒーレント光を発生する分周器として動作させた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を次に示す。
【００５１】
図１において、ＯＰＬＬ２だけを実施し、ＯＰＬＬ１を実施しない場合、次の関係が成り立ち、光周波数の分周器が実現できる。
【数５】
ここで、正確に分周するためには、数５においてｆL＝０、である事が望ましい。しかしその周波数下限は、位相同期を行う必要性から、ＭＨｚ程度の値になる．その具体的な値は、レーザ光源の種類によって異なる。しかし、このような下限近くの値においては、ｆL＜＜（ν1−ν2）、であるから近似的に、（ν1−ν2）＝３（ν1−ν3）、が成り立っている。
【００５３】
ここで、数５において正確にｆL ＝０とするためには、ホモダインとして知られる構成とする。このためには、例えば、図４に示す構成とする。図４は、ホモダインのＯＰＬＬを実現するためのブロック図であり、図に示される様に、レーザ光源３の出力部に、光変調器３２を設けて、その出力光をＲＦ信号源（周波数ｆL）の信号で位相変調する。
【００５４】
このＯＰＬＬの部分は、図１２に抜き出して示した様に、図１１に抜き出して示した実施例１のＯＰＬＬとは、レーザ光源３からの光を予めＲＦ発振器からの信号で変調して、位相比較器としての周波数ミキサにおいて、その周波数で復調するという点で、異なっている。
【００５５】
これにより、周波数（２ν3−ν2）の光と周波数（２ν1−ν3）の光の間のビート信号には、本来のビート信号の周波数、ｆ＝（２ν3−ν2）−（２ν1−ν3）、に加えて、ｆにＲＦ発振器の発振周波数ｆLが加わったような信号、ｆC＝ｆL±ｆ、が得られるようになる。この後者のビート信号をｆLで復調すれば、あらかじめ与えたｆLでの変調が打ち消され、周波数ミキサの出力に本来のビート信号ｆだけがそのまま現れる．そこで通常のＯＰＬＬを構成することにより、ｆ＝０、とすることができる．この構成は、ホモダインのＯＰＬＬとして知られるものの一つであり、変調と復調の操作を行うことによって不要な直流成分を除去し、微弱なＦＷＭ光を高感度に検出することができる、という特長がある．ｆ＝０から、（２ν1−ν3）＝（２ν3−ν2）、が成立するため、数５でｆL＝０とおいたものが得られる事になる。
【００５６】
上記の様にして、数５においてｆL ＝０、とすることにより、ν3によって周波数差（ν1−ν2）が、（ν1−ν3）：（ν3−ν2）について、正確に１／３：２／３に分割される。この場合、周波数ν1、ν2、ν3のいずれも既知である必要はない。また、この実施例ではｆ2さえ知る必要がなく、例えば、ｆ2は光検出器の帯域を越える周波数領域にあってもよい。またｆLをｆ2 にほぼ等しくできるならば、実質的に周波数差（ν1−ν2）を（ν1−ν3）：（ν3−ν2）について、１／４：３／４に分割できる。
【００５７】
［第４実施例］
次に第４の実施例として、サブミリ波信号発生器として動作させた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を次に示す。
【００５８】
図１の構成に用いた概念を多段階に再帰的に拡張することにより、発生できる周波数をサブミリ波帯にまで拡張することができる。図５は、レーザ光源１、２のほかに、複数の補助的なレーザ光源を用いるもので、全部でＮ台のレーザ光源を用いて再帰的に構成した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置のブロック図を示す。また、このＮ＝４の場合の装置で得られる出力の周波数関係を図６に示す。このような装置では、以下に説明する様に、一般にミリ波信号源からの周波数がｆHの信号の約３(N-2)の倍（ただし、Ｎ≧３とする）の周波数を持つミリ波あるいはサブミリ波信号を得る事ができる。
【００５９】
図５は、レーザ光源１、レーザ光源２、ビームスプリッタ４、光―ミリ波変換器８、とそれらを結ぶ光路などを持ち、第１のコヒーレント光源である周波数ν1で連続発振するレーザ光源１の出力光と、第２のコヒーレント光源である周波数ν2で連続発振するレーザ光源２の出力光を５０：５０の分岐比を有するビームスプリッタ４（ファイバーカプラ等）で重ね合わせ、その出力の一方を光ファイバー２３で伝送し（光出力１）、ファイバーの終端部に設けられた光−ミリ波変換器８によって第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを混合し、ミリ波あるいはサブミリ波の電磁波を発生させるものである。ビームスプリッタ４のもう一方の出力光を、第３のコヒーレント光であるレーザ光源３の出力光とビームスプリッタ５により重ね合わせ、その出力の一方を光フィルタを通じて出力し、その他の一方の出力光を、第４のコヒーレント光であるレーザ光源４の出力光とビームスプリッタにより重ね合わせる。以下同様に、再帰的にビームスプリッタとレーザ光源と光フィルタを追加して、予定の数だけレーザ光源等を追加することができる。また、ビームスプリッタ５から５７を多段階的に接続する代わりに、図には示していないが、１台のスターカプラ等で代用することもできる。
【００６０】
予定された最後のビームスプリッタにおいては、その出力の一方を、光フィルタを通じて出力し、その他の一方の出力光を、３次の非線形素子等からなる波長変換器７へ導入し、新たなコヒーレント光を発生させる。この波長変換器７では、上記と同様に、主に四光波混合（ＦＷＭ）の作用によって多数のコヒーレント光が発生する。これらのコヒーレント光の干渉の結果として得られる比較的低周波数のビート信号を光強度検出器９で検出した後、予め用意されたミリ波あるいはサブミリ波信号源からの信号やＲＦ信号源からの信号の位相との比較を行い、得られた信号を用いて、それぞれに対応したレーザ光源の発振波長の自動調整を行うものである。
【００６１】
図６は、図５の構成において、４台のレーザ光源を用いた場合の、それぞれのコヒーレント光、および四光波混合光のスペクトルを示す図である。ここで、図６には波長変換器からの出力光のうち、主要なスペクトル成分のみを示している。特に、図６（ａ）は、レーザ光源１とレーザ光源２の周波数差をレーザ光源１とレーザ光源４の周波数差の約９倍に広げる場合を示している。図６（ａ）に示されるように、互いに周波数が接近する２組の四光波混合光が得られ、それらそれぞれに予め決められたＲＦ信号（周波数ｆL1、ｆL2）に位相同期することによって、４台のレーザ間の周波数関係が確定し、正確にｆ12＝９ｆ14＋３ｆL2＋ｆL1が成立するようになる。ここで、ｆ12＝（ν1−ν2）、ｆ14＝（ν1−ν4）、を示すものとする。
【００６２】
ここで、ｆ14＝ｆHとなるように制御することにより、入力したミリ波の周波数ｆ12はｆHの９倍に高められることになる。従来技術により、１００ＧＨｚ（波長＝３ｍｍ）程度のミリ波は容易に発生できることから、本発明の装置により、波長１／３ｍｍ程度のサブミリ波が得られることになる。また、光出力３からの光を混合することにより、ｆH、２ｆH、３ｆH、６ｆH、８ｆHのマルチトーン信号も同時に得ることができる。
【００６３】
さらにこの概念を拡張することにより、（Ｎ−２）台の補助的なレーザを用いることにより、サブミリ波の周波数をｆHの３N-2倍に拡大することが可能である。その限界は、光‐ミリ波変換器の帯域の上限できめられるが、現状では、光‐ミリ波変換器として低温成長ＧａＡｓ光伝導素子を用いた場合で、数ＴＨｚ程度である。この様に発生したミリ波やサブミリ波は、空間に放射しても導波管で取り出しても配線で取り出してもよい。
【００６４】
また、このように多数のレーザを用いる場合は、波長変換器７に達するまでの光路に多数のビームスプリッタの置かれたレーザ光源ほど、より大きな光強度のものを使用することが望ましい。例えば、図６においては、レーザ光源３はレーザ光源４よりも出力を大きくするのがよく、順次大きい順で、レーザ光源５、レーザ光源６・・・とすれば良い。ただし、レーザ光源２の光強度はレーザ光源１の光強度とほぼ同じ大きさにすることが望ましい。これは、光への変調度を１とし、効率的な伝送を行うためである。
【００６５】
ただし前述の方法は、ＯＰＬＬを行うために十分に大きな非線形効果による変換効率が得られることが前提である。実際には周波数差が大きくなればなるほど非線形効率が小さくなるのが普通である。従って、それぞれのレーザ光源の出力の望ましい形態については、上記の大小関係に加えて、３次の非線形効果による変換効率を考慮して決定するのが望ましい。
【００６６】
また、図６（ｂ）に示すように、ｆ14＝ｆHとするとき、近似的にｆ43＝２ｆH、ｆ32＝４ｆHとすることも可能である。この場合は、ｆH、２ｆH、４ｆH、７ｆHのマルチトーン信号も同時に得ることができる。この様に、ミリ波信号源やＲＦ信号源の周波数の組み合わせを選択することにより、マルチトーン信号の自由度を拡張することができる。そのような周波数の組み合わせと、それから得られるマルチトーン信号の組み合わせを、コンピュータを用いた制御装置に記憶しておき、希望するミリ波周波数に応じて予め記憶された設定を読み出し、それらミリ波信号源やＲＦ信号源の発振周波数を設定する構成とすることにより、自由にミリ波周波数を選択することができる。
【００６７】
また、十分に大きな３次の非線形効果による変換効率が得られない場合には、図６（ｃ）に示すように、周波数の拡大率は６倍にとどめて、つまりｆ12＝６ｆHとしてＯＰＬＬへの負担を軽減することも可能である。同図において、ν1と（２ν3−ν2）の間のビート信号は、ν1の大きな光強度を反映してＯＰＬＬを行うために十分な強度となる。ν1および３つの四光波混合光から得られる２つのビート信号を、それらそれぞれに予め決められたＲＦ信号（周波数ｆL1、ｆL2）に位相同期することによって、４台のレーザ間の周波数関係が確定し、正確にｆ12＝６ｆ14＋２ｆL2＋ｆL1が成立するようになる。ここでｆ14＝ｆHとなるように制御することにより、入力したミリ波の周波数ｆ12はｆHの６倍に高められることになる。さらに、同時に得られるマルチトーン信号は、ｆH、２ｆH、３ｆH、５ｆHである。
【００６８】
［第５実施例］
次に第５の実施例として、発生できる周波数領域をさらに拡張した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置の例を図７に示す。この例では、上記の図１、図２、あるいは図５の構成に、さらに光変調器１８を組み合わせて用いることにより、発生できる周波数領域をさらに拡大したものである。
【００６９】
図７の構成では、図１の構成におけるビームスプリッタ５の出力の一方を光フィルタに送り、他方を光変調器１８に送る。この光変調器１８では入射光を周波数ｆmのＲＦ信号で変調した後、３次の非線形素子等からなる波長変換器７で混合し、それから光強度検出器９により、低周波数の信号（周波数ｆ2の第２の電磁信号、および周波数ｆ3の第３の電磁信号）に変換するものである。
【００７０】
３台のレーザ光源からのコヒーレント光に、あらかじめ周波数ｆmの強度変調を付加したとすると、それぞれの線スペクトルは周波数間隔ｆmを隔てて新たに２本のサイドバンド光を伴うようになる。そこでこれら計９本の線スペクトルを３次の非線形媒質に導入すると、ＦＷＭによってさらに多くの線スペクトルが発生する。この中から主要なものだけを抜き出して描いたものが図８である。この例では、まず、ν11とν32から発生する周波数２ν11−ν32のＦＷＭ光と、ν32とν21から発生する周波数２ν32−ν21のＦＷＭ光は周波数が接近するので、これらをＯＰＬＬ２を使って周波数がｆLのＲＦ信号源に対して位相同期をかけることができる。さらにν12とν31の差周波をＯＰＬＬ１を使って周波数がｆHのミリ波信号源と位相同期をかけると、つぎの関係が成り立つ様になる。
【００７１】
【数６】
このようにして、ｆHの３倍にｆmの６倍を加えたものにほぼ等しい周波数を持つミリ波またはサブミリ波の発生が可能になる。ここで、ｆmとしては自由な値をとれるので、ｆHやｆLが固定された環境においても（ν1−ν2）の値を自由に設定することができる。ここでは、変調器１８として強度変調器を用いて説明したが、その代わりに光位相変調器を使用することもできることは明らかである。
【００７３】
また、図７では、波長変換器の直前に光変調器を配置しているが、光変調器を各レーザ光源の直後に配置したり、あるいはレーザ光源を駆動する電流に直接変調を与えて同様の効果を得ることも可能である。ただし、これらの場合、光出力１には変調によって発生するサイドバンド光が混入することになるので、光フィルタ等を用いてこれらを除去する必要がある。
【００７４】
また、光源となるレーザとしてモード同期レーザ等のパルスレーザや２モード発振レーザ等を用いることにより、光変調器を用いずに、光変調器を用いる場合と同様の効果を得ることも可能である。ただし、パルスレーザを用いる場合のパルス間隔は、ＯＰＬＬの応答可能時間よりも十分に短いことが必要である。また、パルスレーザを用いる場合は、光パルスを電気信号に変換した時に得られる最高次の信号を、上記の場合の変調信号とみなすことができる。
【００７５】
以上の実施の形態においては、レーザ光源の近くで光学的にミリ波あるいはサブミリ波を発生する装置について説明したが、レーザ光源と光―ミリ波変換器は、光ファイバで結ばれているために、遠隔地にあっても、上記の機能を発揮することができる。例えば、ミリ波やサブミリ波を必要とする電波天文学などをはじめとする分光学的研究において、複数の離れた場所に同一周波数で高安定・高純度で、且つ、周波数可変なミリ波やサブミリ波を容易に供給することができる。
【００７６】
さらに、半導体レーザでは、供給電流や印加電圧を変化させることによって、その発振周波数を変化させることができることが知られている。このため、各レーザ装置を制御するコンピュータを用いて、希望するミリ波周波数とそのために必要な倍率が指定されると、あらかじめプログラムされた周波数配置になるように、コンピュータが各レーザの発振周波数を自動的に設定する構成とすることが望ましい。このような構成においては、望ましい周波数配置が得られた後、ＯＰＬＬを機能させる。
【００７７】
【発明の効果】
この発明は上記した構成からなるので、以下に説明するような効果を奏することができる。
【００７８】
第１の発明は、第３のコヒーレント光と波長変換素子を新たに用意し、光領域であらかじめ波長変換を行い、ミリ波あるいはサブミリ波の変調信号を通常の光検出器でも検出可能な比較的低い周波数の変調信号に変換することを目的としたものであり、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、さらに、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光（周波数ν3）とを混合する手段と、第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光との混合により第２の電磁信号を発生する手段と、該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段と、上記の比較により得られた情報により、上記の第１のコヒーレント光の波長を調整する手段とを備えた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置としたので、光領域であらかじめ波長変換を行うことができるようになり、第２の電磁信号のほぼ３倍の周波数をもった電磁波を発生することができる様になった。
【００７９】
また、第２の発明では、第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、さらに、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光（周波数ν3）とを混合することにより第３の電磁信号を発生する手段と、該第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する手段と、上記の比較により得られた情報により、第３のコヒーレント光の波長を調整する手段と、を備えた光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置としたので、第２の電磁信号のほぼ３倍の周波数をもった安定した電磁波を発生することができる様になった。
【００８０】
また、第３の発明では、重ね合わされた第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光とを出力する手段をさらに備えたので、種々の周波数の電磁信号を利用し易くなった。
【００８１】
また、第４の発明では、第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光とを混合する手段は、四光波混合等の非線形光学効果であるように構成したので、第３の電磁信号の周波数を低く抑えることができ、装置が簡単になった。
【００８２】
また、第５の発明では、第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段は、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出する手段であるように構成したので、既に良く知られた位相差検出回路を用いて、レーザ光源からの光の波長を制御することができるようになった。
【００８３】
また、第６の発明では、第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する手段は、第３の電磁信号の位相と第２の高周波信号の位相との差を検出する手段であるように構成したので、既に良く知られた位相差検出回路を用いて、レーザ光源からの光の波長を制御することができるようになった。
【００８４】
また、第７の発明では、非線形素子に入射する光を変調する事により、ミリ波あるいはサブミリ波の出力周波数をさらに自由に変えられるようになった。
【００８５】
また、第８の発明では、周波数軸上において被混合光のそれぞれの位置関係を明確にしたので、ミリ波あるいはサブミリ波の周波数をさらに高めることができるようになった。
【００８６】
また、第９ないし第１２のそれぞれの発明では、第１あるいは第２の発明と比べてコヒーレント光の光源数を増やした構成になったので、さらに多種類の電磁波が得られるようになった。
【００８７】
また、第１３の発明では、重ね合わされた第１ないし第Ｎのコヒーレント光のいずれか複数を出力してそれらを混合して電磁信号にすることにより、種々の電磁波を得る事ができるようになった。
【００８８】
また、第１４の発明では、コヒーレント光を混合する手段は、非線形光学効果を用いた手段としたので、差周波数が大きい場合でも効果的に混合することができ、容易に種々の電磁波を得る事ができるようになった。
【００８９】
また、第１５あるいは第１６の発明では、位相同期ループ回路を用いて周波数を一致させることができるようになったので、周波数の一致が正確になった。
【００９０】
また、第１７の発明では、コヒーレント光の光源数を増やした構成になったので、第８の周波数領域をさらに広げることができる様になった。
【００９１】
また、第１８の発明では、周波数軸上において被混合光のそれぞれの位置関係を明確にしたので、ミリ波あるいはサブミリ波の周波数をさらに高めることができるようになった。
【００９２】
また、第１９あるいは第２０の発明では、コンピュータを用いた制御装置を用いることによって、望みのミリ波あるいはサブミリ波を容易に取り出せる様になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の望ましい構成例を示すブロック図である。
【図２】 本発明の望ましい構成例を示すブロック図である。
【図３】 第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光の四光波混合で発生した新たな光波のうち、周波数が（２ν1−ν3）と、（２ν3−ν2）の光の周波数関係を示す図である。
【図４】 ホモダインのＯＰＬＬを実現するためのブロック図である。
【図５】 全部でＮ台のレーザ光源を用いて再帰的に構成した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置のブロック図である。
【図６】 ４台のレーザ光源を用いた場合の、それぞれのコヒーレント光の四光波混合によるスペクトルを示す図である。
【図７】 発生できる周波数領域をさらに拡張した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置のブロック図である。
【図８】 発生できる周波数領域をさらに拡張した光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置から得られる多くの線スペクトルのうち、主要なものだけを抜き出した図である。
【図９】 第１の従来例を示す図である。
【図１０】 第２の従来例を示す図である。
【図１１】 ＯＰＬＬ部分を示すブロック図である。
【図１２】 ホモダインのＯＰＬＬ部分を示すブロック図である。
【符号の説明】
１、２、３ レーザ光源
４、５ ビームスプリッタ
６ 光フィルタ
７ 波長変換器
８ 光―ミリ波変換器
９ 光強度検出器
１０、１１ 位相比較器
１２ ＲＦ信号源
１３ ミリ波信号源
１４ 増幅器
１５ ＲＦ信号源
１６ 光強度変調器
１７ 電力増幅器
１８ 光変調器
１９ 光―ミリ波変換器
２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８ 光ファイバ
３０、３１ 光位相同期部
３２ 光変調器
４０ 光位相同期ループフィルタ
５０ レーザ光源
５１、５２、５３ ループフィルタ
５４、５５、５６ ローパスフィルタ
５７ ビームスプリッタ
５８ 光フィルタ
５９、６０ バンドパスフィルタ
Claims (20)
- 第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光（周波数ν3）を重畳して出力する重ね合わせ手段と、
上記の重ね合わせ手段の出力光を混合する波長変換手段と、
上記の重畳された光に含まれる第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光とから第２の電磁信号を発生する光強度検出手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、
上記の混合により得られる第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光との混合光から第３の電磁信号を発生する光強度検出手段と、
該第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の比較手段と、
上記の第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、
を備えたことを特徴とする光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。 - 第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光（周波数ν3）を重畳して出力する重ね合わせ手段と、
上記の重ね合わせ手段の出力光を混合する波長変換手段と、
上記の波長変換手段の出力を光強度検出手段に入力して得られる電磁信号から、
第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光の混合による第 2 の電磁信号を選択する濾波手段と、
第１のコヒーレント光と第１のコヒーレント光と第３のコヒーレント光の混合による第３の電磁信号を選択する濾波手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、
該第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の比較手段と、
上記の第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、
を備えたことを特徴とする光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。 - 重ね合わされた第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第３のコヒーレント光を分岐して出力する手段を備えたことを特徴とする請求項２に記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光とを重畳した光に第３のコヒーレント光を重畳して混合する波長変換手段は、非線形光学効果を用いて波長変換する手段であることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段は、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴とする、請求項１、２、３あるいは４のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する手段は、第３の電磁信号の位相と第２の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴とする、請求項２、３あるいは４のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
第１のコヒーレント光を変調して第１のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、第２のコヒーレント光を変調して第２のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、第３のコヒーレント光（周波数ν3）を変調して第３のコヒーレント光の側帯波を発生する変調手段と、
第１のコヒーレント光の側帯波と第２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波を重畳して出力する重ね合わせ手段と、
第１のコヒーレント光の側帯波と２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波とを混合する波長変換手段と、
上記の重ね合わせにより得られる第１のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波とを重ね合わせた光から第２の電磁信号を発生する光強度検出手段と、
上記の混合により得られる第１のコヒーレント光の側帯波と第２のコヒーレント光の側帯波と第３のコヒーレント光の側帯波との混合光から第３の電磁信号を発生する光強度検出手段、と、
前記第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
前記第３の電磁信号と予め決められた第２の高周波信号とを比較する第２の手段と、
第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する第１の帰還手段と、
第２の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第３のコヒーレント光の波長を制御する第２の帰還手段と、
を備えたことを特徴とする光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。 - 上記の混合される第１のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、混合される第３のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であり、また、上記の混合される第３のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、混合される第２のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であることを特徴とする請求項７に記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでのコヒーレント光が伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
上記の重畳された第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光を混合する波長変換手段と、
上記の波長変換手段から出力される光を光強度検出器に入力しその出力から第１のコヒーレント光と第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光とを混合した第２の電磁信号を選択する濾波手段と、
該第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する第１の比較手段と、
上記の第１の比較手段の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に保つ帰還手段と、
を備えたことを特徴とする光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。 - 第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とし、ｋを３以上Ｎ以下のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでの複数のコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１からＮまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第１から第（Ｎ−１）までの複数の高周波信号源と、
第１のコヒーレント光から第Ｎのコヒーレント光（周波数νN）までを混合する波長変換手段と、
上記の混合光を用いて第２から第Ｎまでの電磁信号を発生する光強度検出手段と、
前記の複数の電磁信号に含まれ、第１のコヒーレント光と第ｋのコヒーレント光と第（ｋ−１）のコヒーレント光との混合により波長変換された光を光強度検出手段に入力して発生した電磁信号から第ｋの電磁信号を選択する濾波手段と、
該第ｋの電磁信号と予め決められた第（ｋ−１）の高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、第ｋのコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第１のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光とを重ね合わせた光を光強度検出器に入力して第２の電磁信号を発生する手段と、前記の第２の電磁信号と予め与えられた第１の高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して第１のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
を備えたことを特徴とする光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。 - 第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでの複数のコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第２のコヒーレント光と、第２のコヒーレント光の周波数から制御された周波数だけずれた発振周波数をもったコヒーレント光（周波数ν R ）と、第Ｎのコヒーレント光（周波数ν N ）とを混合する波長変換手段と、前記の混合光から光強度検出手段により電磁信号を発生する手段と、
前記電磁信号と予め決められた高周波信号とを比較する比較手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、上記の第２のコヒーレント光の波長を制御する帰還手段と、
第１のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に制御する手段と、
を備えたことを特徴とする光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。 - 第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とするとき、
第１から第Ｎまでのコヒーレント光の伝搬するそれぞれの光路と、
前記のそれぞれの光路からの光を受け、第１から第Ｎまでの全てのコヒーレント光が重畳されて伝搬する光路と、
第１のコヒーレント光と，第１のコヒーレント光の周波数から制御された周波数だけずれた発振周波数をもったコヒーレント光（周波数νR）と，第Ｎのコヒーレント光（周波数νN）とを波長変換手段を用いて混合して、光強度検出手段によって電磁信号を発生する手段と、
前記電磁信号と予め決められた高周波信号とを比較する手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１のコヒーレント光の波長を制御する手段と、
第２のコヒーレント光と第Ｎのコヒーレント光との周波数差を予め決められた値に制御する手段と、
を備えたことを特徴とする光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。 - 重ね合わされた第１ないし第Ｎのコヒーレント光のいずれか複数の光を選択して出力する手段を備えたことを特徴とする請求項９ないし請求項１２のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- コヒーレント光を混合する手段は、２次あるいは３次の非線形光学効果を用いて波長変換する手段であることを特徴とする、請求項９ないし請求項１３のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 第２の電磁信号と予め決められた第１の高周波信号とを比較する手段は、第２の電磁信号の位相と第１の高周波信号の位相との差を検出する手段であることを特徴とする、請求項９ないし請求項１４のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 第ｋの電磁信号と予め決められた第（ｋ−１）の高周波信号とを比較する比較手段は、第ｋの電磁信号の位相と第（ｋ−１）の高周波信号の位相との差を検出して比較する手段であることを特徴とする、請求項１０ないし請求項１５のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 第１のコヒーレント光（周波数ν1）と第２のコヒーレント光（周波数ν2）とを混合して、その差周波数（ν1−ν2あるいはν2−ν1）を持った第１の電磁信号を発生する手段を備えた装置において、
Ｎを３以上のいずれかの整数とし、発生する電磁波には順に番号が付され、この番号の付けられた電磁波に対応する高周波信号には独自に順に番号が付されているものとするとき、
第１から第Ｎまでのコヒーレント光（周波数ν1からνN）のすべてか、あるいはそれらの一部をそれぞれ共通にあるいは別々に変調する手段と、
前記の変調で変調されたコヒーレント光の側帯波を変調されないコヒーレント光の代わりに用いることにより、第２ないし第Ｎのいずれかまでの電磁信号を発生する手段と、
これらの電磁信号と予め決められた第１ないし第（Ｎ−１）のいずれかまでの高周波信号とを比較する手段と、
上記の比較により得られた信号を帰還して、上記の第１から第Ｎまでのいずれかのコヒーレント光の波長を制御する手段と、
を備えたことを特徴とする請求項９ないし請求項１６のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。 - 上記の混合される第１のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第Ｎのコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であり、また、ｋを３以上Ｎ以下のいずれかの整数とするとき、上記の混合される第ｋのコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置は、上記の混合される第（ｋ−１）のコヒーレント光の側帯波の搬送波に対する位置の反対側であることを特徴とする請求項１７に記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 目的とする周波数の出力をマルチトーン信号によって得る際に、第１の電磁信号の周波数とそれぞれの高周波信号との周波数を対応づける予め用意した表を参照して、周波数を制御する高周波信号を選択する制御手段を備えた事を特徴とする請求項１０ないし請求項１２のいずれかに記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
- 目的とする周波数の出力をマルチトーン信号によって得る際に、第１の電磁信号の周波数とそれぞれの高周波信号との周波数を対応づける予め用意した表を参照して、負帰還を行うコヒーレント光の光源を選択する制御手段を備えた事を特徴とする請求項１９に記載の光学的ミリ波あるいはサブミリ波の発生装置。
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