JP6226431B2 - 信号発生器 - Google Patents

Description

本発明は、光周波数コム安定化光源などの参照信号源として用いる信号発生器に関するものである。

現在、電気的方法で測定可能なマイクロ波以下のマイクロ波基準周波数をもとに、光の周波数を直接測定する新しい技術が開発されている（非特許文献１〜７参照）。この技術では、光周波数コム（Comb）を、光周波数のものさしとして光周波数計測に利用している。この光周波数コムでは、周波数領域において安定した光パルス列の一定の周波数間隔で現れる周波数の複数の線スペクトルを櫛目と見立てている。この櫛目の間隔がマイクロ波帯の光パルスの繰り返し周波数であり、各櫛目の光周波数は、隣り合う櫛目の間隔の周波数（マイクロ波周波数）の整数倍にオフセット光周波数を加えたものとなる。従って、光周波数コムでは、櫛目の間隔の周波数と整数値とにより各線スペクトルの光周波数が決定できる。

このような光周波数コムを用いれば、電気的に測定可能な間隔周波数をもとに、光周波数の計測が行える。例えば、測定対象の光と光周波数コムとを混ぜ合わせ（干渉させ）たときに観察される光ビートを用いれば、光周波数コムの各線スペクトルの光周波数は既知であるので、測定対象の光の光周波数を求めることができる。このように直接光周波数を測定可能とする光周波数コムは、マイクロ波周波数を光の周波数領域にまでつなぐ周波数基準となる。光周波数コムは、高精度な周波数基準および関連する基礎物理学だけではなく、通信，精密計測，量子情報通信などの分野への応用が展開されていくものと考えられる。

また近年、光周波数コムの周波数を安定化するレーザー光源が実現している（特許文献１および非特許文献１〜６参照）。この光源として、例えば、共振器を備えた受動モード同期レーザーが用いられている（非特許文献１〜３，５〜７参照）。受動モード同期レーザーは、パルスレーザー光を発振することができる。

レーザーは、通常、光を増幅する利得媒質と、所定の共振器長（Ｌ）の共振器を備えている。この共振器の縦モードの共振周波数は、ｃ／２Ｌ（ｃは光速）の整数倍である。また、レーザーが発振するレーザー光のスペクトル幅は非常に狭いが、このスペクトル幅よりも共振器の共振周波数の間が狭いと、共振器において複数のモード（周波数）が発振する。このように複数のモードが発振する状態において、各モードの位相を揃える（モード同期させる）ことにより、繰り返し周波数ｆ_rep＝ｃ／（２Ｌ）で発振するレーザー光が強められる。このように、複数のモードをモード同期させることで、繰り返し周波数ｆ_repのパルスレーザー光を発振させることができる。

このような、受動モード同期レーザーにより発振されるパルスレーザー光は、図４の（ａ）に示す「光搬送波包絡線」に示すようなパルスが、時間軸上に等しい時間間隔Ｔで並ぶ。一方、周波数軸上においては、図４の（ｂ）に示すように、等しい周波数間隔ｆ_repで櫛状に並ぶ多数のモード（線スペクトル）の集合体となる。このように周波数軸上に櫛歯状に並ぶレーザー光の集合体が、光周波数コムとなる。

一般に、時間軸上に並ぶ光搬送波電界のピークと、包絡線で示されるパルスレーザーのパルスのピークとは常に一致しているわけではなく、時間的にシフトしていき、この変化も一定ではない。なお、図４の（ａ）では、光搬送波電界のピークと、包絡線により示されるパルスのピークとが、Δφ，２Δφと時間とともにずれていく状態を示している。また、光搬送波電界のピークとパルスピークのずれΔφに対応し、図４の（ｂ）に示すように、光周波数コムもオフセット周波数δだけオフセットされている。

ところで、上述した包絡線で示すパルスのピーク間の時間幅Ｔと、図４の（ｂ）に示す光周波数コムのモードの間隔である周波数間隔ｆ_repとの間には、「ｆ_rep＝１／Ｔ」という関係があり、光周波数コムの各モードのスペクトル周波数ｆ_nは、「ｆ_n＝ｎ×ｆ_rep＋δ（ｎは整数）」と表すことができる。また、包絡線のピークから計った光搬送波電界の位相（キャリアエンベロープ位相）をφとし、このφの隣り合うパルス（包絡線）の間のずれをΔφとすると、オフセット周波数δとレーザー繰り返し周波数であるｆ_repとの間には、「δ＝（Δφ／２π）×ｆ_rep」の関係が成り立っている。

ここで、まず、受動モード同期レーザー発振器のスペクトルの周波数帯域を、例えばフォトニック結晶ファイバなどで生じる自己位相変調効果を用い、周波数帯域を２倍以上（帯域１オクターブ以上）に広げて白色光を発生させる。このことにより、光周波数コムの櫛目となるモードの数を増大させることができる。このようにして得られた白色光の長波長成分ｆ₁（＝ｎ×ｆ_rep＋δ）の第２高調波を発生させると、この周波数は、ｆ₁’＝２×（ｎ×ｆ_rep＋δ）となる。また、上記白色光の短波長成分ｆ₂は、「ｆ₂＝２×ｎ×ｆ_rep＋δ」と表せる。この短波長成分ｆ₂の光とｆ₁’の光とを干渉させ、これにより発生するうなり信号（光ビート）を例えばフォトダイオードを用いて検出することで、ｆ₁’とｆ₂との周波数差δ（＝ｆ₁’−ｆ₂）の値を測定することができる。

上述したことにより検出される光周波数δが、オフセット周波数と呼ばれ、キャリアエンベロープ位相差Δφに比例する。この周波数差δを外部からのマイクロ波基準周波数と比較し、比較により得られるこれらのずれの大きさをもとに、電子回路などを用いて共振器内における光が感じる非線形分散量や非線形屈折率にフィードバックをかけることで、前述した光周波数コムのオフセット周波数δ（キャリアエンベロープ位相φの差）が安定した状態で、受動モード同期レーザーより光周波数コムを得ることができる。

また、受動モード同期レーザーの繰り返し周波数ｆ_repは、このレーザー光を受光しているフォトダイオードなどの光検出器からの繰り返し周波数信号をもとに、受動モード同期レーザーの共振器長にフィードバックをかけることで、ある有限の範囲内に固定することができる。

上述したことにより、オフセット周波数と繰り返し周波数とを一定にした光周波数コム安定化光源が、共振器を備えた受動モード同期レーザーを基本に開発されている（非特許文献１〜６参照）。

ところで、上述した受動モード同期レーザーを用いた光周波数コム光源では、キャリアエンベロープ位相を制御する手段として、共振器内に設置されたガラスウエッジの挿入量を変えて共振器における屈折率（分散量）を変化させることや、ポンプ光の強度を変えて利得媒質（例えばチタンサファイア結晶）の非線形屈折率を変化させるようにしている（非特許文献１〜３，５〜７参照）。従って、従来の技術では、周波数が安定な光周波数コムを得るためには、共振器を備えた受動モード同期レーザーを用いることが前提となる。

受動モード同期レーザーを用いる場合、得られるレーザーの中心光周波数は共振器内に配置された利得媒質に依存し、例えば、利得媒質としてチタンサファイア結晶を用いた場合、発振可能なレーザーの波長は６５０〜１１００ｎｍの範囲となるが、最も効率よく発振できる波長は８００ｎｍである。このように、受動モード同期レーザーでは、得られるレーザーの中心光周波数が限定される。

また、キャリアエンベロープ位相差の検出には、前述したように、フォトニック結晶ファイバや高非線形ファイバなどを用いてスペクトルを広帯域化した光を得られるだけのレーザー出力が必要となる。このため、用いることができるレーザーの種類が限定される。また、条件を満たすレーザーでは、共振器内に配置する利得媒質と光学部品との空間的配置などの制約から、共振器長を短くすることができず、共振器長で決定される繰り返し周波数は、１ＧＨｚ程度が上限となる。

さらに、繰り返し周波数を変化させるための共振器の長さの調節（制御）は、通常、共振器エンドミラーに固定したピエゾ素子などのアクチュエータで行っている。このため、繰り返し周波数の可変範囲も小さいものとなっている。例えば、繰り返し周波数が８０ＭＨｚのレーザー光源の可変範囲は、７７〜８３ＭＨｚ程度である。

一方、安定な光周波数コムを得る方法として、連続的にレーザーを出す波長安定化連続波（ＣＷ； Continuous Wave）光源を用い、この光源に対して電気光学変調器で深い周波数変調をかけ、ＦＭ側帯波を発生させる方法が提案されている（非特許文献７参照）。この方法では、繰り返し周波数における制約は解消されるが、光周波数コムのオフセット光周波数は、もとになるＣＷ光の中心波長によって決定されるため、得られる光周波数コムの安定化を実現するためには、例えば、アセチレンガスなどの吸収線にロックすることで得られる波長安定化光源などのＣＷ光源が必要となり、外部からのマイクロ波参照周波数だけで光周波数コムの各モードの波長を固定することができず、得られる確度も劣るものとなる。

上述した問題を解消するために、以下に示す技術が提案されている。まず、ＣＷ光源をより発生したレーザー光を第１周波数で位相変調することで、パルスの繰り返し周波数が第１周波数の光パルスを生成し、この光パルスの光スペクトル帯域を拡大させる。次に、帯域が拡大した光パルスより得られる長波長成分の第ｎ高調波および短波長成分の第ｎ−１高調波の周波数差の光信号に対応する電気信号と参照信号とを比較し、この比較の状態をフィードバックしてＣＷ光源の中心波長を制御する（特許文献３参照）。

しかし、上記技術では、位相変調器に基準信号を供給する基準周波数発生器に課題があった。数ＧＨｚ以上といった高い繰り返し周波数の光周波数コムを発生させようとすると、基準周波数発生器も同じ周波数の基準信号を発生させる必要がある。このような高周波の基準信号を発生させるため、基準周波数発生器は、水晶発振器などが発振する信号を逓倍して、所望の信号を生成している。

基準周波数発生器からの基準信号の位相雑音（時間ジッター）は、逓倍する前の信号が有する位相雑音が逓倍の次数に比例して増大する。基準周波数発生器が出力する基準信号の位相雑音が増大すると、光周波数コムの各モードの光スペクトルを拡大し、自己参照干渉計を用いてオフセット周波数を検出する際に位相雑音が大きくなるため、信号検出が困難になる。

特表２００２−５３９６２７号広報 特開２００６−２０９０６７号公報 特開２００９−１１６２４２号公報 特開２０１１−００２５８０号公報

D.J.Jones, et al. , "Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis", Science, Vol.288, pp.635-639, 2000. R.Holzwarth, et al. , "Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy", Phys. Rev. Lett. , Vol.85, No.11, pp.2264-2267, 2000. K.Sugiyama, et al. , "Frequency Control of a Chirped-Mirror-Dispersion-Controlled Mode-Locked Ti:Al2O3 Laser for Comparison between Microwave and Optical Frequencies", Proceedings of SPIE, Vol.4269, pp.95-104,2001 T.R.Schibli, et al. , "Frequency metrology with a turnkey all-fiber system", Optics Letters ,Vol.29, No.21, pp.2467-2469, 2004. T.M.Foritier, et al. , "Octave-spanning Ti:sapphire laser with a repetition rate >1 GHz for optical frequency measurements and comparisons", Optics Letters ,Vol.31, No.7, pp.1011-1013, 2006. I. Hartl, et al. , "Integrated self-referenced frequency-comb laser based on a combination of fiber and waveguide technology", Optics Express, Vol.13, No.17, pp.6490-6496,2005. M.Kourogi, et al. , "Limit of Optical-Frequency Comb Generation Due to Material Dispersion", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol.31, No.12, pp.2120-2126, 1995. A. A. Savchenkov et al., "Phase noise of whispering gallery photonic hyper-parametric microwave oscillators", Optics Express, Vol. 16, No. 6, pp.4130-4144, 2008. T. M. Fortier et al., "Generation of ultrastable microwaves via optical frequency division", Nature Photonics, vol. 5, pp. 425-429, 2011.

以上に説明したように、高い繰り返し周波数の光周波数コムの発生においては、位相変調器に基準信号を供給する基準周波数発生器の位相雑音強度が影響し、連続波光源の中心周波数から離れた周波数における光周波数コムの線幅も広くなる。この結果、オフセット周波数の検出が困難になる、あるいは精度が低下し、高い繰り返し周波数の光周波数コムが、高い精度で得られないという問題があった。

一方、無線通信においては、低い移動通信周波数の利用効率を向上させるだけでは、増大するトラフィック需要には対応しきれず、１０ＧＨｚ以上まで含めた高い周波数を利用することが予想される。このため、将来の無線通信として、帯域が２０〜６０ＧＨｚのミリ波の利用が検討されている。この場合、位相雑音が低いミリ波発生器が必要になるものと考えられる。現在利用可能なミリ波帯の信号発生器は、水晶発振器（１０ＭＨｚ）をベースにし、例えば２５ＧＨｚ程度のミリ波まで逓倍している。このため、得られる信号には、位相雑音が増大されるものとなる。

これに対し、現在、光の高い周波数を利用してミリ波を発生させる方法が検討されている（非特許文献８，９参照）。これらは、１０ＧＨｚ以下の安定かつ低位相雑音のミリ波を発生する技術として、注目されている。しかしながら、上述した技術では、共振器構造によるレーザー光源を使用してマイクロ波やミリ波を発生させているため、得られる信号の周波数を可変とすることが困難である。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、位相雑音が抑制されたマイクロ波やミリ波などの信号が、周波数が可変な状態で得られるようにすることを目的とする。

本発明に係る信号発生器は、連続光を生成するレーザーから構成された第１光源と、第１光源に対して１／ｎ（ｎは２以上の整数）の波長のレーザー光を生成するレーザーから構成された第２光源と、所定の周波数の第１信号を出力する第１信号発生器と、所定の周波数の第２信号を出力する第２信号発生器と、第１光源より出力された連続光より高調波を発生させる第１非線形結晶と、第１非線形結晶より得られた高調波と第２光源より出力されたレーザー光とを合波する第１光学素子と、第１光学素子による合波によって発生した干渉信号を検出して光電変換する第１光検出器と、第１光検出器により光電変換されて出力された電気信号と、第１信号発生器より出力される第１信号とを比較し、この比較の状態をもとに第１光源の中心波長を制御する第１帰還制御部と、第１帰還制御部に制御された第１光源より出力された連続光より第１周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する光パルス生成手段と、光パルス生成手段により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大する非線形媒質と、非線形媒質により拡大された光パルスより第ｎ高調波を発生させる第２非線形結晶と、第２非線形結晶より得られた第ｎ高調波と第２光源より出力されたレーザー光とを合波する第２光学素子と、第２光学素子による合波によって発生した干渉信号を検出して光電変換する第２光検出器と、第２光検出器により光電変換されて出力された電気信号と、第１信号発生器より出力される第１信号とを比較し、この比較の状態をもとに第２信号発生器の初期位相を制御する第２帰還制御部とを備え、第１信号は、第２信号より低い周波数とされている。

上記信号発生器において、第２光源は、パルスレーザー光を生成する狭線幅レーザーから構成されていればよい。この場合、狭線幅レーザーは、チタンサファイアレーザーであればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、位相雑音が抑制されたマイクロ波やミリ波などの信号が、周波数が可変な状態で得られるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態１における信号発生器の構成を示す構成図である。 図２は、実施の形態における信号発生器のＣＷ光源１０１より得られたＳＣ光と波長可変レーザーとを用いて、ＳＣ光における各モードの位相雑音累積値の測定結果を示す特性図である。 図３は、本発明の実施の形態２における信号発生器の構成を示す構成図である。 図４は、光パルスにおける光搬送波のキャリアエンベロープ位相について示す説明図（ａ）、および光パルスの周波数軸上における線スペクトルの状態を示す説明図（ｂ）である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

［実施の形態１］
はじめに、本発明の実施の形態１について説明する。図１は、本発明の実施の形態１における信号発生器の構成を示す構成図である。この信号発生器は、まず、位相変調方式用の連続波（ＣＷ）光源（第１光源）１０１と、高調波発生用の非線形結晶１０２と、狭線幅レーザー（第２光源）１０３と、第１光検出器１０４と、基準周波数発生部（第１信号発生部）１０５と、ＣＷ光源１０１の光周波数安定化用の第１帰還制御部１０６とを備える。

また、実施の形態１における信号発生器は、信号発生部（第２信号発生部）１０７と、位相変調器１０８と、強度変調器１０９と、位相シフタ１１０と、光パルス化用の波長分散付与部１１１と、光増幅器１１２と、パルス圧縮用の分散補償部１１３と、広スペクトル域光発生用の非線形光学媒質１１４と、広スペクトル域光波長変換用の非線形結晶１１５と、第２光検出器１１６と、周波数フィルタ１１７と、第２帰還制御部１１８とを備える。また、信号発生器は、光を２分岐し、また合波する光学素子１５１，１５２，１５３，１５４を備える。これらは、例えば光カプラーから構成すればよい。

まず、ＣＷ光源１０１の制御について説明する。ＣＷ光源１０１は、連続波レーザーから構成されている。非線形結晶１０２は、ＣＷ光源１０１より高調波を発生させる。狭線幅レーザー１０３は、パルスレーザー光を生成する狭線幅レーザーであり、例えば、チタンサファイアレーザーであり、出力されるレーザー光は、広帯域６５０−９００ｎｍ、かつ、各光周波数コムの線幅が狭い。第１光検出器１０４は、ＣＷ光源１０１によるＣＷ光と狭線幅レーザー１０３からの光との合波光の干渉信号を検出する。

第１帰還制御部１０６は、計測された光周波数オフセットを、基準周波数発生部１０５より出力される第１信号に同期してＣＷ光源１０１の中心波長を制御する。基準周波数発生部１０５は、例えば、ＧＰＳ（Global Positioning System）衛星から送出されるＧＰＳ信号を受信し、受信したＧＰＳ信号を参照信号として出力するものである。ＧＰＳ信号は、周波数が既知の電気信号であり、また、この周波数は高い確度が保たれている。

より詳細に説明する。種光源として用いるＣＷ光源１０１の光周波数をｆ₁とすると、ｆ₁＝ｆ_c1＋Δｆ₀と記述できる。なお、ｆ_c1は中心周波数、Δｆ₀はＣＷ光源１０１が持っている位相雑音である。ＣＷ光源１０１から出力されたＣＷ光は、光学素子１５３で２分岐され、一方は、ＣＷ光源１０１の周波数安定化用に用いられ、他方は、位相変調方式光源の種光源として用いられる。

光学素子１５３で２分岐された一方のＣＷ光は、非線形結晶１０２へ入力し、高調波（例えば第２高調波：２ｆ₁）を発生させる。また、狭線幅レーザー１０３出力されるレーザー光の光周波数をｆ₂とすると、ｆ₂＝ｆ_c2＋Δｆ₂と記述できる。なお、ｆ_c2は中心周波数、Δｆ₂は、狭線幅レーザー１０３より出力されるレーザー光が持っている位相雑音を示す。これらの、狭線幅レーザー１０３より出力されて光学素子１５１を反射したレーザー光と、ＣＷ光とは、光学素子（第１光学素子）１５２で合波し、合波したことにより発生する干渉信号ｆ₃が、第１光検出器１０４で検出される。

第１帰還制御部１０６は、上述したように第１光検出器１０４で検出された干渉信号ｆ₃より得られる光周波数オフセットを、基準周波数発生部１０５より出力される第１信号に同期させ、ＣＷ光源１０１の中心波長を制御する。第１帰還制御部１０６では、干渉信号と基準周波数発生部１０５より出力される第１信号とを比較し、この比較の結果が一定となるように、ＣＷ光源１０１の共振周波数，注入電流，および温度などを可変してＣＷ光源１０１から出力されるレーザーの中心周波数を制御する。

基準周波数発生部１０５からは、所定の周波数のマイクロ波ｆ₄（第１信号）が出力されている。このマイクロ波ｆ₄が入力されている第１帰還制御部１０６では、ＣＷ光源１０１の中心周波数にフィードバック制御することで、ＣＷ光源１０１の中心周波数を周波数軸上に高確度に安定化する。ＣＷ光源１０１の中心周波数の制御は、例えば、ピエゾ素子または加熱素子あるいは電気光学素子により、ＣＷ光源１０１の外部共振器長を変化させることにより可能である。このようにフィードバック制御されているＣＷ光源１０１の第２高調波の光周波数は、２ｆ₁＝ｆ₂＋ｆ₄と表せる。

次に、２分岐された他方のＣＷ光は、位相変調器１０８において信号発生部１０７から送信（出力）される周波数ｆ_r1の信号（第２信号）により位相変調されてスペクトル帯域を拡張する。なお、信号発生部１０７は、基準周波数発生部１０５より出力される第１信号に同期して周波数ｆ_r1の信号を出力する。また、位相変調器１０８の前段もしくは後段に強度変調器１０９を縦列配置し、位相変調器１０８によってダウンもしくはアップチャーピングした片方を選択して光透過させ、位相変調部１０８で発生したＤＣベース部分を取り除く。これにより、波長分散付与部１１１で各パルスのパルス幅を圧縮した際のＤＣ成分の抑圧に寄与することができる。また、位相変調器１０８と強度変調器１０９で変調する時間調整のために、位相シフタ１１０を用いる。

図１を用いて説明している実施の形態１では、位相変調器１０８の後段に強度変調器１０９を縦列して配置させているが、位相変調器１０８の前段に強度変調器１０９を縦列配置してもよい。この場合、光学素子１５３で２分岐された他方のＣＷ光を、強度変調器１０９で強度変調してから位相変調器１０８で位相変調する構成となる。

次に、波長分散付与部１１１が、強度変調器１０９より出力されたＣＷ光に波長分散を与えて所定の繰り返し周波数の光パルス列に変換する。波長分散付与部１１１で適切な分散を与えることで、繰り返し周波数ｆ_r1の短光パルス列を発生することができる（特許文献２）。また、波長分散付与部１１１が波長フィルタを備えていれば、変換した光パルス列に残留するウィング成分を抑圧でき、クリーンパルス発生を可能にする。

光増幅器１１２は、波長分散付与部１１１により光パルス列に変換された光（光パルス列）の光強度を増幅する。また、波長分散付与部１１１により発生した光パルス列は、光増幅器１１２によって光増幅する。ここでは、光増幅器１１２内の進行型自己位相変調効果などの非線形効果を用いて段階的に光増幅する手法を用い、光分裂を起こさずにスペクトル帯域幅を拡大し、次段の分散補償部１１３で短パルス発生を行う（特許文献３参照）。

なお、ＣＷ光源１０１、位相変調器１０８、強度変調器１０９、波長分散付与部１１１からなるパルス光源部分は、ファブリペロー共振器内に電気光学変調器を設置することで深い周波数変調をＣＷ光にかけ、ＦＭ側帯波を発生させる方法であってもよい（非特許文献７参照）。これらの位相変調器を用いてパルス列を発生させる手法では、共振器長の制約を受けないために、数十ＧＨｚの繰り返しパルス列の発生が実現可能となる。

以上のようにして発生させた光パルス列は、非線形光学媒質１１４に入力し、広スペクトル帯域光（ＳＣ光）として出力される。非線形光学媒質１１４において、非線形感受率の大きい材料を使用すれば、高効率に所望の広スペクトル帯域光を発生でき、光周波数コム安定化に必要となるＣＷ光源１０１からの供給エネルギーの最低閾値を低く抑制することが可能である。この点について、図２を用いて説明する。

図２は、上述したことにより得られたＳＣ光と波長可変レーザーとを用いて、ＳＣ光の各モードの位相雑音累積値の測定結果を示す特性図である。図２において、横軸には、ＳＣ光のモード次数ととり、縦軸には位相雑音累積値をとってプロットした。図２に示すように、ＳＣ光各モードの位相雑音累積値は、モード次数に対して線形に増加することが分かる。また同時に、傾きが、信号発生部１０７より出力される第２信号の位相雑音であることが実験から検証できた。

従って、ＳＣ光のモード次数ｋ（ｋ＝０，±１,±２,±３,・・・）の光周波数ｆ_1kは、「ｆ_1k＝ｆ_c1＋Δｆ₀＋ｋ（ｆ_r1＋Δｆ₁）＝（ｆ_c1＋ｋｆ_r1）＋（Δｆ₀＋ｋΔｆ₁）」と、表せる。ここで、Δｆ₁は、信号発生部１０７より出力される第２信号がもつ位相雑音である。

以上のようにして非線形光学媒質１１４により広スペクトル帯域とされたＳＣ光は、非線形結晶１１５に入力する。このことにより、ＳＣ光モード次数ｋの高調波（例えば、第２高調波）が発生される。広スペクトル帯域（ＳＣ）光の第２高調波の場合、光周波数は、「２ｆ_1k＝２ｆ_c1＋２Δｆ₀＋２ｋ（ｆ_r1＋Δｆ₁）＝２（ｆ_c1＋ｋｆ_r1）＋２（Δｆ₀＋ｋΔｆ₁）」と表せる。

ＳＣ光と干渉信号を得るための狭線幅レーザー１０３より出力されるレーザー光は、広帯域な波長域を持っている。従って、このレーザー光を用いることで、非線形結晶１１５を出力したＳＣ光の、第２高調波の近傍の波長と干渉信号が得られる。

ここで、狭線幅レーザー１０３より出力されるレーザー光の光周波数ｆ₅は、「ｆ₅＝ｆ_c5＋Δｆ₂」と、表せる。ｆ_c5は、狭線幅レーザー１０３より出力されるレーザー光の、ＳＣ光モード次数ｋの高調波の光周波数近傍の光周波数コムである。また、狭線幅レーザー１０３より出力されるレーザー光の各光周波数コムは、同程度の位相雑音を持っているため、Δｆ₂とする。

非線形結晶１１５を出力したＳＣ光の第２高調波と、狭線幅レーザー１０３より出力されて光学素子１５１を通過したレーザー光とは、光学素子（第２光学素子）１５４に入力して合波され、この結果、干渉信号が発生する。この干渉信号ｆ₆が、第２光検出器１１６で検出される。また、干渉信号ｆ₆に含まれる最も低い干渉信号周波数成分が、周波数フィルタ１１７で取り出される。

ここで、上記干渉信号の中心周波数をｆ_c6とすると、「ｆ_c6＝２（ｆ_c1＋ｋｆ_r1）−ｆ_c5」と、表せる。また、干渉信号ｆ₆は、「ｆ₆＝｛２（ｆ_c1＋ｋｆ_r1）−ｆ_c5｝＋｛２（Δｆ₀＋ｋΔｆ₁）−Δｆ₂｝＝ｆ_c6＋｛２（Δｆ₀＋ｋΔｆ₁）−Δｆ₂｝」と表せる。

以上のようにして周波数フィルタ１１７で取り出された干渉信号ｆ₆は、第２帰還制御部１１８に入力する。第２帰還制御部１１８には、上記干渉信号ｆ₆と、基準周波数発生部１０５のマイクロ波周波数ｆ₄とが入力される。これらが入力された第２帰還制御部１１８は、第２光検出器１１６で検出され光電変換された干渉信号ｆ₆（電気信号）と、基準周波数発生部１０５より出力される第１信号とを比較し、この比較の状態をもとに信号発生部１０７をフィードバック制御する。第２帰還制御部１１８では、干渉信号ｆ₆および第１信号ｆ₄より、２（Δｆ₀＋ｋΔｆ₁）−Δｆ₂＝０となるように、信号発生部１０７の初期位相を制御する。

以上のようにして第２帰還制御部１１８を用いて制御された信号発生部１０７が出力する信号（第２信号）の位相雑音Δｆ₁は、「Δｆ₁＝（Δｆ₂−２Δｆ₀）／２ｋ」と記述でき、モード次数ｋに反比例して位相雑音を低減できる。

例えば、位相変調レーザーを用いたスーパーコンティニューム（ＳＣ）光の波長１６００ｎｍ成分の光周波数は、中心周波数を１９３．１ＴＨｚ，モード間隔を２５ＧＨｚとした場合、モード次数２３０であるから、信号発生部１０７が出力する信号の位相雑音Δｆ₁は、１次モードの４６０分の１の位相雑音になる。位相変調レーザーを用いたＳＣ光の波長１１００ｎｍ成分の光周波数は約３０００次モードであるから、マイクロ波信号発生器の位相雑音Δｆ₁は狭線幅レーザー位相雑音Δｆ₂の約６０００分の１の位相雑音になる。

［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図３を用いて説明する。図３は、本発明の実施の形態２における信号発生器の構成を示す構成図である。この信号発生器は、まず、ＣＷ光源１０１と、非線形結晶１０２と、狭線幅レーザー１０３と、第１光検出器１０４と、基準周波数発生部１０５と、第１帰還制御部１０６とを備える。

また、実施の形態２における信号発生器は、信号発生部１０７と、位相変調器１０８と、強度変調器１０９と、位相シフタ１１０と、波長分散付与部１１１と、光増幅器１１２と、分散補償部１１３と、非線形光学媒質１１４と、非線形結晶１１５と、第２光検出器１１６と、周波数フィルタ１１７と、第２帰還制御部１１８とを備える。また、光学素子１５１，１５２，１５３，１５４を備える。

上述した構成は、前述した実施の形態１と同様であり、説明は省略する。実施の形態２では、新たに、音響光学素子３０１および非線形媒質３０２を備える。音響光学素子３０１は、ＣＷ光源１０１より出力されるＣＷ光の周波数を安定化させる。音響光学素子３０１は、前述した実施の形態１におけるＣＷ光源１０１の周波数安定化にも使用できる。

非線形媒質３０２は、狭線幅レーザー１０３より生成されてて光学素子１５１を通過したレーザー光の光パルス列を、広スペクトル帯域光（ＳＣ光）として出力する。実施の形態２では、非線形媒質３０２を用い、狭線幅レーザー１０３より出力されたレーザー光をＳＣ光とし、光学素子１５４において非線形結晶１１５を出力したＳＣ光の第ｎ高調波と合波する。

前述した実施の形態１では、非線形結晶１１５で第２高調波を発生させる場合について説明したが、光源１０１として位相雑音Δｆ₀が小さいものを用い、非線形結晶１１５で３次や４次高調波などのｎ次の高調波を発生させ、非線形媒質３０２を用いた構成とすれば、信号発生部１０７が出力する信号の位相雑音を、狭線幅レーザー１０３より出力されたレーザー光の位相雑音の１／３、１／４にすることができる。ｎ次の高調波を用いれば、信号発生部１０７より出力する第２信号の位相雑音Δｆ₁は、１／ｎにまで抑圧できる。

なお、上述では、第２光源として狭線幅レーザー１０３を用いるようにしたが、これに限るものではない、第２光源は、ＣＷ光源（第１光源）１０１に対して１／ｎ（ｎは２以上の整数）の波長のレーザー光を生成するレーザーから構成すればよい。このような構成とすることで、非線形結晶１１５で第ｎ高調波を生成させれば、信号発生部１０７が出力する信号の位相雑音を、第２光源より出力されたレーザー光の位相雑音の１／ｎにすることができる。

以上に説明したように、本発明によれば、狭線幅レーザーに周波数安定化された受動モード同期レーザーから構成された第１光源を、第２信号発生部からの第２信号をもとにした位相変調および強度変調手段を用いて光パルス列を発生させ、この光パルス列と非線形光学媒質を用いて広帯域光を発生させ、この広帯域光の高調波成分と狭線幅レーザーとの干渉信号をもとに、第２帰還制御部で第２信号発生部にフィードバックさせたので、高調波次数に対応する反比例する抑圧比で、第２信号発生部が持つ位相雑音を抑圧させることができ、位相雑音が抑制されたマイクロ波やミリ波などの信号が、周波数が可変な状態で得られるようになる。

本発明による信号発生器は、光周波数コム安定化光源に適用すれば、従来ではモード次数に線形増加していた輝線スペクトル線幅を狭帯域化できることから、従来以上に光コム各モードを利用した通信分野や分光学分野の発展に寄与する。また、信号発生器の位相雑音を、従来法である水晶発振器では到達できない低位相雑音を実現できることから、マイクロ波やミリ波の技術を利用している多くの分野の発展に大きく寄与できると考える。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で設計を変更し、また、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…ＣＷ光源、１０２…非線形結晶、１０３…狭線幅レーザー、１０４…第１光検出器、１０５…基準周波数発生器（第１信号発生部）、１０６…第１帰還制御部、１０７…信号発生器（第２信号発生部）、１０８…位相変調器、１０９…強度変調器、１１０…位相シフタ、１１１…波長分散付与部、１１２…光増幅器、１１３…分散補償部、１１４…非線形光学媒質、１１５…非線形結晶、１１６…第２光検出器、１１７…周波数フィルタ、１１８…第２帰還制御部、１５１…光学素子、１５２…光学素子（第１光学素子）、１５３…光学素子、１５４…光学素子（第２光学素子）。

Claims (3)

1. 連続光を生成するレーザーから構成された第１光源と、
   前記第１光源に対して１／ｎ（ｎは２以上の整数）の波長のレーザー光を生成するレーザーから構成された第２光源と、
   所定の周波数の第１信号を出力する第１信号発生部と、
   所定の周波数の第２信号を出力する第２信号発生部と、
   前記第１光源より出力された連続光より高調波を発生させる第１非線形結晶と、
   前記第１非線形結晶より得られた高調波と前記第２光源より出力されたレーザー光とを合波する第１光学素子と、
   前記第１光学素子による合波によって発生した干渉信号を検出して光電変換する第１光検出器と、
   前記第１光検出器により光電変換されて出力された電気信号と、第１信号発生部より出力される第１信号とを比較し、この比較の状態をもとに前記第１光源の中心波長を制御する第１帰還制御部と、
   前記第１帰還制御部に制御された前記第１光源より出力された連続光より第１周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する光パルス生成手段と、
   前記光パルス生成手段により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大する非線形媒質と、
   前記非線形媒質により拡大された光パルスより第ｎ高調波を発生させる第２非線形結晶と、
   前記第２非線形結晶より得られた第ｎ高調波と前記第２光源より出力されたレーザー光とを合波する第２光学素子と、
   前記第２光学素子による合波によって発生した干渉信号を検出して光電変換する第２光検出器と、
   前記第２光検出器により光電変換されて出力された電気信号と、第１信号発生部より出力される第１信号とを比較し、この比較の状態をもとに前記第２信号発生部の初期位相を制御する第２帰還制御部と
   を備え、
   前記第１信号は、前記第２信号より低い周波数とされている
   ことを特徴とする信号発生器。
2. 請求項１記載の信号発生器において、
   前記第２光源は、パルスレーザー光を生成する狭線幅レーザーから構成されていることを特徴とする信号発生器。
3. 請求項２記載の信号発生器において、
   前記狭線幅レーザーは、チタンサファイアレーザーであることを特徴とする信号発生器。

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