JP2005524223A - 周波数固定器 - Google Patents

Abstract

特にレーザからの光学信号の周波数を安定させる方法およびアセンブリであって、このアセンブリ（１１）は、分光器（１５）、受動周波数弁別器（１６）、一対のフォトダイオード（１７，１８）を備える。分光器（１５）は平行ビーム（Ｂ）を入射させ、弁別器（１６）の方向にサンプルビーム（Ｂ_１）を分岐させる。弁別器（１６）は一方のフォトダイオード（１７）の方に前記サンプルビームの第１部分（Ｂ_２）を透過させるとともに、他方のフォトダイオード（１８）の方に前記サンプルビームの第２部分（Ｂ_３）を反射させる。制御信号（Ｓ_３）は、サンプルビームの透過および反射部分それぞれの強度から導出され、レーザ出力信号の周波数を調整する電子制御のために、また、必要に応じ特定の周波数を維持するために利用される。

Description

本発明は、定周期あるいは可変周期のレーザを用いる周波数固定器に係わり、ある選択された周波数にレーザ光出力を固定する周波数固定器に関するものであり、特に、これに限らず、通信システムにおけるレーザに利用されるものである。

本明細書において、「光」と言う用語は、光学系に用いられる単なる可視光のみならず、１００ＴＨｚから３７５ＴＨｚまでの周波数を有した電磁波の意味でも用いられる。

光ファイバ通信システム、特にある単一周波数の光を利用するものにおいて、そのレーザ光源の周波数が光ファイバの低い挿入／分散特性や受信機のバンド幅の範囲に入る場合には、その周波数は重要でない。受信機のバンド幅が充分に広い場合には、レーザ光源が何らかの理由でふらついたり、変動した場合に、変調された信号を検出することは可能である。

周波数のふらつきや変動は、動作温度や、レーザの物理的構成や、レーザ物質の劣化特性に起因する可能性がある。Ｃバンド通信帯域においては、分布帰還型（ＤＦＢ）レーザは温度１℃当たり１０ＧＨｚ程度変動する。したがって、一般にレーザ光源には、温度制御装置が備えられている。

光ファイバ通信システムの情報伝送能力は、多数の異なる周波数通信チャネルをある一本のファイバで伝達させる波長分割多重（ＷＤＭ）システムを用いることによって向上させることが可能である。このＷＤＭシステムにおいては、周波数チャネルのふらつきが、異なるチャネルの数と間隔を、したがってそのシステムのデータ伝送能力を制約することとなる。

２３１ＴＨｚ（１３００ｎｍ）と１９４ＴＨｚ（１５５０ｎｍ）に集中する二つの主要な通信帯域があり、１９４ＴＨｚ帯域は、いろいろな一般的通信用途へ適用されるため、より多く利用される帯域である。１９４ＴＨｚ（１５５０ｎｍ）のＷＤＭシステムは、現在では、８０個の２．５Ｇｂ／ｓ通信チャネルを有するシステムや、４０個の１０Ｇｂ／ｓ通信チャネルを有するシステムに発展している。１９４ＴＨｚ通信帯域は、ＩＲスペクトル域に配置され、１９１ＴＨｚと１９７ＴＨｚとの間に２００、１００、および５０ＧＨｚの幅の国際電気通信連合（ＩＴＵ）チャネル間隔（ＩＴＵグリッド）をもつ。１９４ＴＨｚ（１５５０ｎｍ）通信システムのための動作寿命をもったＩＴＵチャネル周波数安定性規格は、一般的に、その動作寿命を通して１.２５ＧＨｚの変化となるよう設定される。

１９４ＴＨｚ帯内に４０個または８０個のチャネルを設けるためには、特定の周波数に正確に設定可能で、かつ動作寿命を通して（境界の範囲内で）周波数を維持できる光源を利用することが必要である。ふさわしい光源は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザを有するものであり、各々のレーザは、所望のチャネルを選択することによって一つの周波数チャネルの光を生成されるようになっているものである。広範囲チューナブルレーザは、例えば、非特許文献１に記載されたような、サンプルグレーティング分布ブラッグ反射型（ＳＧ−ＤＢＲ）レーザとして発展してきた。ＳＧ−ＤＢＲレーザの調整機構は、ブラッグ反射領域のフロント及びリアサンプルグレーティングに電流を供給することにより、作動周波数の差動電流を操作することによる。また、微調整は、その格子部分の断面に制御電流を供給することにより可能である。一般に、半導体レーザは、電流負荷、電界制御、または温度制御により直接調整可能である。

半導体レーザのふらつきを回避するため、「周波数固定」の動作をする装置が市販されている。周波数固定に利用される装置として、非特許文献２に記載されたファブリー・ペロー・エタロン・フィルタが知られている。

周波数固定の方法としては、入力信号をファブリー・ペロー・エタロンに通し、波長に伴って強度が変化する検出信号を得るものが、特許文献１に開示されている。入力信号から分割された基準信号は、エタロンから検出された出力信号と比較され、入力信号の周波数に対応するフィードバック信号が得られる。そして、このシステムは較正され、固定状態を確定する強度比が決定される。入力信号の周波数は、上記の強度比が予め決めておいた範囲を超えた場合に、調整することが可能である。
「チューナブルレーザーダイオード（Ｔｕｎａｂｌｅ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅｓ）」（マーカス−クリスチャン・アマン（Ｍａｒｋｕｓ−Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ａｍａｎｎ）、ジェンス・ブース（Ｊｅｎｓ Ｂｕｕｓ）、アーテック・ハウス（Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ）著、ＩＳＢＮ ０−８９００６−９６３−８）の第７章 「遠隔通信用送信機のためのコンパクトな波長の安定化の基本構想」（Ａ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ Ｔｅｌｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｓ）、ビー・ビルヌーブ（Ｂ．Ｖｉｌｌｅｎｅｕｖｅ）、エイチ・ビー・キム（Ｈ．Ｂ．Ｋｉｍ）、エム・シル（Ｍ．Ｃｙｒ）、ディー・ガリエピー（Ｄ．Ｇａｒｉｅｐｙ）著、カナダ ノーテル・テクノロジー・オタワ（Ｎｏｒｔｅｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｏｔｔａｗａ）より出版 米国特許５７８９８５９号明細書

本発明は、受動周波数弁別器（ＰＦＤ）を用いた周波数固定装置に改良を加えるものである。

本発明の第１の観点によれば、分光器と、受動（パッシブ）周波数弁別器（ＰＦＤ）と、一対のフォトダイオードと、を備えた平行な光信号のための周波数安定化アセンブリであって、前記分光器は、平行光線を入射させると共に、前記ＰＦＤの方に向かうサンプルビームをそれ自身から分岐させ、前記ＰＦＤは、前記フォトダイオードうちの一方に前記サンプルビームの第１の部分を透過させると共に、前記フォトダイオードうちの他方に前記サンプルビームの第２の部分を反射させ、これによって複数の周波数のうちの一つを安定化する周波数安定化アセンブリが提供される。

好ましくは、上記ＰＦＤはファブリー・ペロー・エタロンを有するか、または干渉フィルタを有する。

分光器は、好ましくは、平行な入射光線の入射ポートと、主要透過出力ポートと、サンプルビームの透過および反射の両方の入力ポートであるさらなるポートと、反射したサンプルビームを透過させるポートとを有し、後者の二つのポートは、入射ポートと主要透過出力ポートとに垂直となっている４ポート分光器であり、さらに、サンプルビームのＰＦＤで反射された部分が前記分光器を通過して第２のダイオードの方向に戻るようになっている。

分光器は、最大で前記光線のほぼ１０％のサンプルビームを、さらにはほぼ１〜５％のサンプルビームを、好ましくは、約５％のサンプルビームを、ＰＦＤの方向に導く。サンプルビームは、光学ビームに垂直であることが好ましくい。

２つのフォトダイオードは、それらに入射するサンプルビームが互いに逆の回転方向に同じ大きさの傾きで、好ましくは約２度の角度で、互いに傾けられる。

本発明の第２の観点によれば、レーザ出力を平行にする平行レンズを含むレーザサブアセンブリと、第１の観点による周波数安定化アセンブリとを備えたレーザモジュールが提供される。

レーザサブアセンブリと周波数安定化アセンブリは、それらの温度差を低減するための高い熱伝導を有する板、例えば銅タングステン板上に搭載される。このモジュールは、レーザに近接して配置され、レーザモジュ−ル内の温度を制御する熱電制御部に接続されたサーミスタをさらに含むことが可能である。

アセンブリからの後方反射を回避するために、周波数安定化アセンブリの主要ビームの入射部に近接して、光学アイソレータを配置することが可能である。

上記モジュールは、さらに、２つのフォトダイオードからの信号を受け取り、その信号を処理し、レーザからの光学信号の周波数を制御するためのフィードバック信号を生成する電子制御部をさらに含むことが可能である。この電子制御部は、２つのフォトダイオード信号間の差分を処理し、レーザ制御に用いられる差分信号を生成する。２つのフォトダイオード信号はバッファリングされ、入力信号の位相反転可能な差動増幅器に入力される。

本発明の第３の観点によれば、サンプルビームの第１の部分を透過させると共に、前記サンプルビームの第２の部分を反射させる受動周波数弁別器（ＰＦＤ）の方に、レーザからの光学信号ビームからサンプルビームを分岐して入射させる段階と、サンプルビームの透過および反射部分それぞれに基づく制御信号を生成する段階と、前記制御信号を用いて電子制御部を作動してレーザ出力信号の周波数に適合させ、必要に応じ特定周波数を維持する段階と、を含む、電子制御されたレーザからの特定周波数の光信号の周波数安定化方法が提供される。

サンプルビームは、信号ビームのほぼ５％を分岐させる分光器によって、信号ビームから分離される。この分光器は、光軸の偏向角をほぼ零にすることが可能である。

サンプルビームの反射部分および透過部分は、好ましくは、主要信号ビームを垂直に横断して通る。また、好ましい実施形態におけるサンプルビームの反射部分および透過部分は、サンプルビームの光信号周波数の概ね約５０％であるが、その信号の周波数に依存する。

２つのサンプルビーム各部の強度は、それらの強度の差分に基づく差分信号を生成するために使用され、前記電子制御部は、前記差分信号を予め蓄積しておいた参考値と比較し、上記蓄積しておいた参考値と差分信号とが等しくなるようにレーザ周波数を制御する。

サンプルビームの２つの部分は、それら相対光強度に基づく信号を生成するためにフォトダイオードに入力される。

光強度に基づく前記信号の和が、レーザからの光信号強度出力をモニタするために利用される。

ＰＦＤは、２ＸＧＨｚの自由スペクトル領域とＸＧＨｚの半値全幅を有する周波数特性を有し、最良の実施形態における安定化アセンブリは、２ＸＧＨｚとＸＧＨｚの両方の間隔範囲に周波数安定化点を生成するために利用されることが可能である。しかしながら、ＸＧＨｚの間隔範囲における周波数安定化点は、差分信号の位相反転を頼りに決定されてもよい。

簡単な理解のため、本発明では、受動周波数弁別器としてファブリー・ペロー・エタロンを用いた本発明による周波数固定器の好適な実施形態について、主に説明する。

図１ａに示すように、レーザ装置１０は、分布帰還型レーザ（ＤＦＢ）などの固定周波数レーザ、または分布ブラッグ反射型レーザなどの周波数を調整可能なレーザ（ＤＢＲ）であり、サーミスタ１２２と共にレーザサブアセンブリ１０１上に取り付けられている。また、周波数安定化アセンブリ１１は、例えば遠距離通信用電気光学変調器などの図示しない他の光学機器と共に取り付け可能となっている。

レーザ装置１０からの光は、平行レンズ１２で平行にされ、光学アイソレータ１３を透過して平行ビームＢとなる。

そして、ビームＢは周波数固定器アセンブリ１１に入射する。この固定器は光学分光器１５と、受動周波数弁別器（ＰＦＤ）と、一対のフォトダイオード１７、１８とを備える。

レーザサブアセンブリ１０１と固定器アセンブリ１１内の他の光学部品は、高い熱伝導性を有する光学アセンブリ板１２１上に全て取り付けられている。周波数固定器アセンブリ１１からの光出力を、周波数固定器アセンブリの特殊な用途に応じて、図示しない第２のアイソレータに通過させてカップリングさせることも可能である。

フォトダイオード１７、１８からの電気信号Ｓ_１とＳ_２は電子制御部２１にインターフェースされ、次いで、電子制御部２１はレーザ制御周波数の閉ループ制御を供給するために、レーザダイオードにインターフェースされる。

レーザダイオード装置１０は、最終的にＷＤＭシステムへの光出力を供給する。サーミスタ１２２は、レーザ温度の正確な制御を維持するために、レーザダイオード装置１０に近接して配置される。この理由は、レーザは、光学的構成の温度変化に起因した周波数の変動に対して最も高い感度を有するためである。

レーザダイオード装置１０からの光は、特にＰＦＤなどの固定器アセンブリ内の光学部品に平面波を与えるために、前面に近接して配置されたレンズ１２によって平行にされる。

図５によれば、実質的に立方体の光学分光器１５は、光の入力、出力、入／出力ポートからなる４ポートの光学部品である。分光器装置は、例えば、プレート型分光器、あるいは立方体型分光器とすることが可能である。分光器は、レーザダイオード１０からの平行光の一部を、出力側の光学系モジュール、あるいは、さらに取り付けた例えば変調器などの電気光学装置の方へ透過させる。分光器１５は、平行にされたビームＢの強度のほぼ５％の小部分Ｂ_１を分岐させ、そして、平行光線強度のほぼ９５％が出力Ｂ’として利用される。５％のサンプルビームＢ_１は、平行光線Ｂにほぼ垂直であり、そしてＰＦＤの方に向かう。ＰＦＤは、波長依存透過特性を有し、サンプルビームＢ_１のＢ_２部分を透過させ、ビームＢ_３’として残りの部分を反射する。ＰＦＤからの反射部分Ｂ_３’は、再び主要平行光線Ｂにほぼ垂直に、分光器を逆向きに横切って透過する。分光器はほぼ９５％の透過性能を有するため、ＰＦＤでの反射光Ｂ_３’の大部分は、分光器を通過してビームＢ_３として出現し、小部分Ｂ_３”は光学アイソレータ１３で反射され欠損する。

光学設計の観点からは、分光器は、主要ビームＢ／Ｂ’の偏向角をほぼ零にし、従って光軸は直線を保つ。このことは、一体組み込みモジュールにとっては、例えば下流側の半導体の電気光学変調器への入射光のずれを避けるために、特に重要である。

上記のように、ＰＦＤ１６は、分離された光Ｂ_１の一部Ｂ_２を透過し、ビームＢ_３’として残りを反射する。サンプル光の透過部分Ｂ_２はその周波数に依存し、透過光の強度をモニターするフォトダイオード１７に入る。ＰＦＤで反射された光強度Ｂ_３’は、最終的には強度をモニターするフォトダイオード１８で検出されるＢ_３として出現する。

本発明の好適な実施形態では、ＰＦＤはファブリー・ペロー・エタロンを有する。この用途では、エタロンは、典型的に、図３に示すような周波数依存透過特性を有し、レーザダイオード装置１０に周波数固定を可能にするフィードバック信号を供給するために利用される。ＰＦＤにエタロンを利用するため、エタロン透過特性は１００ＧＨｚの自由スペクトル領域（ＦＳＲ）もつように選定され、エタロンの光学キャビティーの厚みが決定される。５０ＧＨｚのＩＴＵグリッド周期に固定するため、エタロンのフィネスは代表的に２近くに選定され、これにより、エタロン透過特性の半値全幅（ＦＷＨＭ）が、おおむね、または厳密に、５０ＧＨｚとなる。絶対的なフィネスの小さな変動は、較正時にコントロールユニット２１で調整される。ＦＷＨＭは以下の式によって与えられる。
ＦＷＨＭ＝ＦＳＲ／フィネス （１）

好都合なことに、このことよって、５０ＧＨｚの周波数固定点を達成するための、厚いエタロンを使用する必要性を回避できる。このように、より小さいエタロンを利用して１００ＧＨｚと５０ＧＨｚの両方の固定点を得られることことが、周波数固定器アセンブリ１１内のスペースの低減に寄与する、ということは明らかである。

エタロン１６の温度係数は、光学アセンブリの物理的小サイズ化の有利さと、光学アセンブリ板１２１の高い熱伝導性とに関連して、０℃から７０℃の範囲の温度に亘って正確に作動するのに必要な熱安定性が得られるように選定される。典型的なエタロン１６の温度係数は、１℃あたり０．０６ＧＨｚである。典型的な５０ＧＨｚのＷＤＭのチャネル間隔を用いて、本発明の設計によれば、±１.２５ＧＨｚの周波数安定性が導かれる。

本願に適するエタロンの供給元は、米国マサチューセッツ州ベッドフォードのウェーヴプレシジョン社（ＷａｖｅＰｒｅｃｉｓｉｏｎ， Ｂｅｄｆｏｒｄ， Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ，ＵＳＡ）である。

ファブリー・ペロー・エタロンを有するＰＦＤを利用した、好適な実施形態の周波数固定器のアセンブリ１１の製作時には、受動周波数弁別器１６は、周波数固定器アセンブリ１１内でＩＴＵグリッドの中間点のチャネルに固定するように、積極的に角度を付けて配置される。これによって、例えば、Ｃバンド（１９０.１−１９６.６５ＴＨｚ）端におけるチャネルにおいて、自由スペクトル領域（ＦＳＲ）のウォークオフが最小になる。１００ＧＨｚのＦＳＲエタロンは、代表的には±０.０４ＧＨｚのＦＳＲ許容誤差で製作される。

周波数固定は、エタロンの透過および反射信号の差を電子処理して得られる。固定は、エタロンの透過特性の両側で得られる。エタロン特性のいずれかの側の固定ポイントの間隔は現在５０ＧＨｚであるので、５０ＧＨｚのＩＴＵグリッド周波数に固定することは、１００ＧＨｚに選択されたエタロンの使用により可能である。図１ａによれば、フォトダイオード１７、１８は、ＰＦＤからの透過および反射した光強度のそれぞれを光電流に変え、電気信号Ｓ_１、Ｓ_２を生成する。好ましくは、これらの信号は、電子制御部２１を用いてインターフェースされる。各フォトダイオードは、入射光を、代表的に１ｍＡ／ｍＷの応答をもった光電流に変換する。すなわち、１次のオーダーでは光電流は光強度に比例する。各フォトダイオードは、光学システムへの後方反射を低減するために、入射光に対し２度の角度で搭載される。各フォトダイオードは、例えば図１ａに示すように、ＰＦＤからの検出信号における光学的な位相差が低減されるように、互いに逆方向に回転して配置されている。このことは、検出された光強度を、主要ビームの光強度の決定するのに、つまり強度モニタとして利用することが可能であり、とりわけ好都合である。本願のフォトダイオードとしては、英国サリー州ウォーキングのエルオーピー・エレクトロ・オプティクス社（ＬＯＰ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｗｏｋｉｎｇ， Ｓｕｒｒｅｙ， ＵＫ）の部品番号ＧＡＰ１Ｏ６Ｏが利用できる。

フォトダイオード信号Ｓ_１とＳ_２は電子制御部２１に入力される。これらの信号は、バッファされ、差動増幅器に入力され、図３に示すようなエタロンＰＦＤ曲線の両端部分において固定ができるように、適切に入力信号の位相反転が行われる。

周波数固定器アセンブリ１１は、レーザ光Ｂのほぼ５％の小部分を取り出すただ一つの分光器を使用して、低い挿入損失に抑え、主要ビームにおける最大強度を維持する。この好適な実施形態において、５０ＧＨｚと１００ＧＨｚの両方の場合に、反射と透過の光強度の差分を利用することにより、受動周波数弁別器の公称５０％の透過強度と５０％の反射強度で、固定周波数が達成される。

レーザ装置１０を用いて、ＩＴＵ周波数での基準動作により、Ｓ_１とＳ_２の差は，電子制御部２１に蓄積された参考値と比較される。このように、電子制御部は、レーザ装置１０の周波数制御手段に依存する適切な制御信号手段Ｓ_３を使用して、フォトダイオード差分信号が蓄積しておいた参考値と等しくなるように、レーザ周波数を調整操作される。レーザダイオードの作動周波数は、温度と、駆動電流あるいは電界に敏感であるので、レーザ電気制御条件を変化させるか、または熱電制御（ＴＥＣ）定値温度を変化させることにより、作動周波数の閉ループ制御を実行することが可能である。レーザ周波数が所要値から変化すると、フォトダイオード差分信号が蓄積された値から逸脱し、電子制御部２１は、その逸脱量に比例したエラー信号を生成する。エラー信号の極性を正確に設定することにより、Ｓ_３は、レーザ装置１０の動作を正確なＩＴＵ周波数に戻し、そしてエラーを最小にして所要の作動周波数にレーザを保持するために利用される。このことは、フィードバック制御ループを構成している。レーザ装置１０がチューナブルレーザの場合は、電子制御部は、各レーザ装置の各所要周波数に適応させ、レーザ調整手段を動作させ、各ＩＴＵ動作周波数のための適切な蓄積参考値を採用する必要がある。単一周波数と複数の周波数の両方のために周波数データを扱う模範的な蓄積手段は、ルックアップテーブルである。

電子制御部２１に蓄積される値は、工場でのモジュールのテストを通して決定され、そして蓄積された参考値は、テストされ固定された正確な周波数に特定され、特定のユニット経験テストが行われ、所定の参考値が形成される。順に各作動周波数をテストし、電子制御部２１に対応する参考値を蓄積することにより、各作動周波数は、ＩＴＵグリッドに一定の精度をもって合うように設定できる。Ｓ_１とＳ_２の差が蓄積された参考値と量的に比較されるが、Ｓ_１とＳ_２から導出される他のデータが、蓄積された所定の参考値またはその値セットとの比較に使用することができる、ということは当業者には評価できることであろう。

ファブリー・ペロー・エタロンを有するＰＦＤを利用する本実施形態による電子制御部内において、異なる信号の位相反転の操作は、固定すべき周波数に依存する。位相反転は、５０ＧＨｚの間隔を持つ固定周波数の間で必要である。なぜなら、それらの固定周波数は、図３のように、１００ＧＨｚエタロン特性の両側に位置しているからである。位相反転は、電子制御部２１の適切なところで、例えばフォトダイオード差分信号と電子制御部２１に蓄積された参考信号倍率とから生成されたエラー信号などに適用される。

本発明の他の実施形態においては、ＰＦＤは干渉フィルタを備える。図１ｂは、本発明の他の好適な実施形態による周波数固定器の概略図である。

本実施形態の図１ｂによれば、ＰＦＤ１１６を干渉フィルタに変更したことを除けば、図１ａとまったく同じである。この実施形態による周波数固定器の動作は、以下の説明以外は、ファブリー・ペロー・エタロンを用いた前述の実施形態と同様である。

干渉フィルタは、図４ａに示されたピーク状の透過曲線の片側における透過特性を利用して、周波数依存信号を生成するために使うことが可能である。有限の周波数域の曲線の左側に注目すると、この透過応答は、周波数の増加とともに単調に減少しており、それに対応して反射特性は周波数の増加とともに単調に増加している。この場合の固定点が図４ｃに示す周波数に依存した差分信号の所定の振幅ではあるが、干渉フィルタの透過および反射特性の差分を処理して、やはり周波数固定することが可能である。干渉フィルタの作動周波数の幅は、所要の用途に応じて選定可能であり、例えば、狭帯域フィルタは、ＤＦＢレーザのような定周波数レーザのための周波数固定に利用可能であり、広帯域フィルタは、ＤＢＲレーザのような可変周波数レーザのための周波数固定に利用可能である。フィルタの中央の周波数は、干渉フィルタの構造を用いて、特殊な用途とカバーされる動作周波数チャネルに応じて選定されなければならない。干渉フィルタは、特殊な用途に応じて、透過特性のいずれの側を利用することも可能である。

図４ａは、１９５.２５ＴＨｚから１９５.７５ＴＨｚと書いてある左側部分、即ち５００ＧＨｚの幅にわたって透過特性が実質的に線形である干渉フィルタを示す。このようなフィルタは、５個の１００ＧＨｚのＩＴＵチャネル、または１０個の５０ＧＨｚのチャネルを含むことが可能である。図４ｂは、透過特性の実質的に線形部分と対応する反射特性部分を示す。これらは、関係する模範的な周波数帯域に亘っておおむね線形である。透過特性と反射特性の勾配はそれぞれ比較的小さいが、２つの応答の差を利用することにより、おおむね線形の伝達関数が２倍の勾配をもって得られる。つまり、図４ｃに示すように周波数偏差の２倍の感度が得られる。信号Ｓ_１とＳ_２を図１ｂの電子制御部２１に利用して、差分信号が生成できることは、当業者には評価できることであろう。レーザ装置１０の出力強度の変動を許容できるよう、差分信号（Ｓ_１−Ｓ_２）は信号和（Ｓ_１＋Ｓ_２）で除して規格化される。

図１ｂに関し、レーザ装置１０を固定するのにこの差分信号を利用するためには、まず規格化し、そして規格化された差分信号の振幅が、周波数固定器の最終テストを通して得られ、ユニットに蓄積された、所望のＩＴＵチャネル周波数に対応する所定の参考振幅と比較される。対象ＩＴＵチャネルからの差分信号の偏差を利用する際には、蓄積された値を用いて運転信号を生成し、これによって、レーザ装置周波数調整手段を制御して、この偏差を最小にする。即ち、レーザ周波数を固定するように制御する運転信号を生成するために利用される。Ｓ_１とＳ_２の差が蓄積された参考値と定量的に比較されるが、Ｓ_１とＳ_２から導出される他のデータが適切な所定の参考値またはその値セットとの比較に使用することができる、ということは当業者には評価できることであろう。

好都合なことに、この実施形態では、透過特性が入射角に対してあまり敏感でないので、組立時のフィルタの位置合わせは必要でない。しかも、干渉フィルタは代表的に０．０５ＧＨｚ／℃という非常に低い温度係数で作製可能である。さらに固定される波長間隔は、製作のときに決定され、例えば１００ＧＨｚ、５０ＧＨｚ、２５ＧＨｚというチャネル間隔を、固定器の設計上の影響なく選定できるユニットによって蓄積される。さらに、干渉フィルタ特性の傾斜部分における作動周波数の正確な場所は、周波数固定動作にとってあまり重要でない。なぜならば、電子制御部が、その効果を打ち消すように参照信号を較正するからである。さらに、干渉フィルタは小型でコンパクトであり、１０００ＧＨｚ以上で、１０個の１００ＧＨｚのＩＴＵチャネルをカバーする充分な線形特性を有する。

図２に示すように、モジュール１００は、例えば英国特許第２３３７１３５明細書に開示されたタイプのチューナブルレーザ１１０を有するレーザアセンブリ１０１と、隣接するサーミスタ１２２と、平行レンズ１２３と、光学アイソレータ１２４と、例えば５０ＧＨｚの一体化した周波数固定器アセンブリ１１１と、を備えており、全てが、例えば銅／タングステン合金（ＣｕＷ）からなる一枚の搭載板１２１上に搭載されている。固定器１１１は、図１ａまたは図１ｂの符号１１で示されたものと同じであり、当てはまる同じ参照番号はその内部の部材に使用されている。

搭載板は、閉ループ温度制御により、レーザ装置１１０に隣接するサーミスタ１２２と、搭載板下面の図示しない熱電冷却器とを用いて、ほぼ一定温度に保持される。搭載板は、サーミスタ１２２とＰＦＤ１６の間の熱勾配を最小にし、サーミスタ１２２とＴＥＣの間の熱抵抗を低減するために、高い熱伝導性を有することが理想的である。

レーザから分光器を通過した主要平行ビームは、図示しない第１のアイソレータと同様の第２のアイソレータによってそれに続く光学系からさらに隔離されてもよい。これにより、さらに下流の光路、例えば光学コネクタ連結部分における光学モジュールの外部で発生する光の反射から固定器のフォトダイオードを保護することができる。追加アイソレータは、周波数固定器アセンブリの特定の用途に応じて必要である。

レーザビームは平行レンズ１２３で平行にされ、光学アイソレータ１２４を通過して分光器１５に入射し、ビームのおよそ５％が特定サンプルとされる。反射サンプルビームは、先述のように、１００ＧＨｚのＦＳＲを有する受動周波数弁別器１６で検出される。

模範的なチューナブルレーザ１１０のために、ＩＴＵ間隔チャネルの固定点は、図３に示すように、受動周波数弁別器の透過と反射の各応答からのフォトダイオード信号Ｓ_１とＳ_２の差分を取ることで達成される。信号Ｓ_１とＳ_２は図２に示さない上述した電子的手段において処理され、図１ａに示すようなフィードバック制御信号Ｓ_３が生成され、例えばチューナブルレーザの位相部分の制御、従ってレーザの作動周波数の制御に使用される。

図３に示すように、このような設計を用いて全ての偶数番目のチャネルがＰＦＤの透過特性の一方の側で生じ、一方、全ての奇数番目のチャネルがＰＦＤの透過特性の他方の側で生じる。このようなチャネル番号の構成を、より早いチャネルの切換システムを容易にするために利用してもよい。

この配置は、同様の１００ＧＨｚエタロンを、５０ＧＨｚ間隔のレーザに調整するように利用することも可能とする。典型的な５０ＧＨｚエタロンは１００ＧＨｚエタロンよりもかなり大きく、例えば２倍の厚みを持つが、上記のようなサイズの縮小化は、物理的スペースが異常に高い額となる装置を製造するのにとても好都合であることを示している。

他の好適な実施形態の周波数固定器アセンブリ１１１を用いる場合、モジュール１００は、ＰＦＤ１６として広帯域干渉フィルタを用いることで適応させることが可能であり、例えば、３セクションの分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）半導体レーザなどのチューナブルレーザの限界の調整幅を固定することができる。さらに、この実施形態によれば、周波数固定器アセンブリ１１１は、例えば分布帰還型（ＤＦＢ）半導体レーザなどの定周期レーザを固定させるために、ＰＦＤ１６として狭帯域干渉フィルタを用いることで適応させることが可能である。

好都合なことに、上述のいずれの実施形態においても、透過および反射の信号Ｓ_１とＳ_２の和は、レーザ装置１０／１１０から供給される主要ビーム強度出力のモニタとして利用可能である。フォトダイオード１７、１８は、ＰＦＤ１６から検出された光信号間の光学位相差を最小にするために、入射光に関して互いに逆方向に傾斜するように構成される。光電流の和は、分光器からの分岐された光のおおむね５％に比例し、平行ビーム強度に対し良好な線形比例関係を有し、かつ波長に依存しないので、フォトダイオード信号の和が利用できる。

好都合なことに、レーザ装置１０／１１０からの平行ビームは、周波数固定器構造１１１内において複数の異なるＰＦＤを利用することも可能にし、固定器の設計上の柔軟性の度合いを許容し、ＰＦＤ光学特性規格の正確なコントロールが可能である。

主要平行ビームに分光器１５を使用し、主要ビームに対してほぼ垂直に分岐されたビームを用いることにより、固定器アセンブリ１１１のための非常にコンパクトな物理的レイアウトを可能にする。したがって、固定器アセンブリは、レーザデバイスと同じプラットフォーム１００上に一体に形成することが可能である。

ＰＦＤ１６は、２つの実施形態において物理的に小さな部材である。ゆえに、サーミスタ１２２とＰＦＤ１６の間の熱勾配を最小にするのに重要な、コンパクトな物理的レイアウトを可能にし、そしてＰＦＤ１６は、特に温度変動を伴ったモジュール動作に影響される固定周波数のエラーを低減する。

フォトダイオード１７、１８からの信号は、入力平行ビーム強度の小部分を抽出するが、レーザ装置１０／１１０は正面からの大部分の光強度を供給するように構成されているので、大きな検出光電流を供給する。その上、ＰＦＤ入力からの透過と反射の両特性を、電子制御部２１内の差動増幅器で利用することにより、作動周波数の有限の変動に対しておおむね２倍の感度のエラー信号を得ることができる。これは、周波数固定器アセンブリに高感度を与え、達成されるべき高い周波数安定性を有する固定器の設計を可能とする。

レーザアセンブリ１０１と周波数固定アセンブリ１１１を、高熱伝導の搭載板１２１上に搭載する方法は、有限の温度係数をもつＰＦＤに、高い周波数安定性を有する固定器構成での利用を許容する。しかも、この高い熱伝導性は、さらなる装置を使うことなく、固定器アセンブリに温度安定性を与えるためのレーザ温度制御だけが可能な設計に貢献する。よって設計が熱的、電気的に効率的となる。

周波数固定アセンブリ１１１入力側の光学アイソレータ１２４は、固定器の光学的表面からの反射、さらにモジュール１００が取り付けられたシステムを含む光路に沿った部分からの反射が、後方反射を受けやすいレーザと干渉して、作動周波数や強度に影響することを回避するために有用である。

図示しない周波数固定アセンブリ１１１出力側の光学アイソレータは、ホストシステムからの後方反射が検出光電流と干渉して、固定された周波数の精度を低減することを回避するために有用である。

本発明の好適な実施形態による周波数固定器の概略図である。 本発明の他の実施形態による周波数固定器の概略図である。 一体の周波数固定器アセンブリを用いたレーザモジュールの概略図である。 図１ａの周波数固定器の透過および反射フォトダイオードの応答を示すグラフである。 図１ｂの周波数固定器アセンブリのための透過フォトダイオードの応答を示すグラフである。 図１ｂの周波数固定器アセンブリのための透過フォトダイオードの応答の一部を示すグラフである。 図１ｂの周波数固定器アセンブリのための差分信号特性を示すグラフである。 図１ａまたは図１ｂの周波数固定器に利用される分光器の概略図である。

符号の説明

１０ レーザ装置
１１ 固定器アセンブリ
１３ 光学アイソレータ
１５ 分光器
１６ 受動周波数弁別器（ＰＦＤ）
１７、１８ フォトダイオード
２１ 電子制御部
１０１ レーザサブアセンブリ
１２１ 光学アセンブリ板
１２２ サーミスタ

Claims (23)

1. 分光器と、受動周波数弁別器（ＰＦＤ）と、一対のフォトダイオードと、を備えた平行な光信号のための周波数安定化アセンブリであって、
   前記分光器は、平行光線を入射させると共に、前記ＰＦＤの方に向かうサンプルビームをそれ自身から分岐させ、
   前記ＰＦＤは、前記フォトダイオードうちの一方に前記サンプルビームの第１の部分を透過させると共に、前記フォトダイオードうちの他方に前記サンプルビームの第２の部分を反射させ、
   これによって複数の周波数のうちの一つを安定化する周波数安定化アセンブリ。
2. 前記ＰＦＤはファブリー・ペロー・エタロンを有する請求項１に記載のアセンブリ。
3. 前記ＰＦＤは干渉フィルタを有する請求項１に記載のアセンブリ。
4. 前記分光器が、平行な入射光線の入射ポートと、主要透過出力ポートと、サンプルビームの透過および反射の両方の入力ポートであるさらなるポートと、反射したサンプルビームを透過させるポートとを有し、後者の二つのポートは、入射ポートと主要透過出力ポートとに垂直となっている４ポート分光器であり、さらに、サンプルビームのＰＦＤで反射された部分が前記分光器を通過して第２のダイオードの方向に戻るようになっている請求項１から３のうちいずれか１項に記載の周波数固定器。
5. 前記分光器は、前記光線のほぼ５％のサンプルビームをＰＦＤの方向に導く請求項１から４のうちいずれか１項に記載のアセンブリ。
6. 前記２つのフォトダイオードは、それらに入射するサンプルビームに対して互いに逆の回転方向に同じ大きさの傾きで傾けられている請求項１から３のうちいずれか１項に記載のアセンブリ。
7. 前記フォトダイオードは、約２度の角度で傾けられている請求項６に記載のアセンブリ。
8. レーザ出力を平行にする平行レンズを含むレーザサブアセンブリと、請求項１から７のうちいずれか１項に記載の周波数安定化アセンブリとを備えたレーザモジュール。
9. 前記レーザサブアセンブリと周波数安定化アセンブリは、それらの温度差を低減するための高い熱伝導を有する板上に搭載される請求項８に記載のレーザモジュール。
10. レーザに近接して配置され、前記レーザモジュ−ル内の温度を制御する熱電制御部に接続されたサーミスタをさらに含む請求項９に記載のレーザモジュール。
11. 前記アセンブリからの後方反射を回避するために、周波数安定化アセンブリの主要ビームの入射部に近接して配置された光学アイソレータを、さらに含む請求項８から１０のうちいずれか１項に記載のレーザモジュール。
12. 前記２つのフォトダイオードからの信号を受け取り、その信号を処理し、レーザからの光学信号の周波数を制御するためのフィードバック信号を生成する電子制御部をさらに含む請求項８から１１のうちいずれか１項に記載のレーザモジュール。
13. 前記電子制御部は、前記２つのフォトダイオード信号間の差分を処理し、レーザ制御に用いられる差分信号を生成する請求項１２に記載のレーザモジュール。
14. 前記２つのフォトダイオード信号はバッファリングされ、入力信号の位相反転可能な差動増幅器に入力される請求項１３に記載のレーザモジュール。
15. サンプルビームの第１の部分を透過させると共に、前記サンプルビームの第２の部分を反射させる受動周波数弁別器（ＰＦＤ）の方に、レーザからの光学信号ビームからサンプルビームを分岐して入射させる段階と、
    サンプルビームの透過および反射部分それぞれの強度に基づく制御信号を生成する段階と、
    前記制御信号を用いて電子制御部を作動してレーザ出力信号の周波数に適合させ、必要に応じ特定周波数を維持する段階と、を含む、
    電子制御部を有するレーザからの特定周波数の光信号の周波数安定化方法。
16. サンプルビームは、信号ビームのほぼ５％を分岐させる分光器によって、信号ビームから分離される請求項１５に記載の方法。
17. 前記分光器は、光軸の偏向角をほぼ零にすることが可能な請求項１６に記載の方法。
18. サンプルビームの反射部分および透過部分は、主要信号ビームを垂直に横断して通る請求項１６または１７のいずれかに記載の方法。
19. サンプルビームの反射部分および透過部分は、サンプルビームの所望の光信号周波数において、それぞれ概ね約５０％である請求項１５から１８のうちいずれか１項に記載の方法。
20. 前記２つのサンプルビーム各部の相対強度は、それらの強度の差分に基づく差分信号を生成するために使用され、
    前記電子制御部は、前記差分信号を予め蓄積しておいた参考値と比較し、上記蓄積しておいた参考値と差分信号とが等しくなるようにレーザ周波数を制御する請求項１５から１９のうちいずれか１項に記載の方法。
21. サンプルビームの２つの部分は、それらの相対光強度に基づく信号を生成するためにフォトダイオードに入力される請求項１５から２０のうちいずれか１項に記載の方法。
22. 光強度に基づく前記信号の和が、レーザからの光信号強度出力をモニタするために利用される請求項２１に記載の方法。
23. ＰＦＤは、２ＸＧＨｚの自由スペクトル領域とＸＧＨｚの半値全幅を有する周波数特性を有し、２ＸＧＨｚとＸＧＨｚの両方の間隔範囲に周波数安定化点をもつことができる請求項１５から２２のうちいずれか１項に記載の方法。
    

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