JP2009244304A - 広帯域多波長光源 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域多波長光源を提供する。
【解決手段】本発明の一実施形態による広帯域多波長光源は、第１のレーザー光源から多波長光を発生する第１の多波長光発生手段と、第２のレーザー光源から多波長光を発生する第２の多波長光発生手段とを備える。また、広帯域多波長光源は、第１の多波長光発生手段からの多波長光の一部の波長を第１の制御光として取り出す第１の分岐手段と、第２の多波長光発生手段からの多波長光の一部の波長を第２の制御光として取り出す第２の分岐手段とを備える。さらに、広帯域多波長光源は、第１および第２の制御光の位相誤差を検出する位相検出手段と、検出した位相信号に応じて、第１および第２のレーザー光源の一方の位相を制御する位相制御手段とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、光通信における光位相が互いに同期した広帯域多波長周波数安定化光源に関するものである。

光ファイバ通信では、１９９０年代後半以降、大容量化のために波長分割多重（ＷＤＭ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）技術が採用されている。採用されている実用化システムでは、標準化された光周波数グリッドに合致した光周波数（波長）を有する個別の半導体レーザーを必要な数だけ多重実装して実現されている。

この場合、光ファイバ伝搬中に発現する光ファイバの非線形現象に伴い伝送能力が制限される。４光波混合と呼ばれる現象によって隣接グリッドの光周波数位置に新たな光が誘発されてしまう。この誘発された光は、当該グリッドに配置されたレーザー光源の信号にとってビート雑音として影響を及ぼし、伝送特性を劣化させる。誘発された光は、個別の半導体レーザー光源からの光とは無相関状態にあるのでビート雑音を生み出すことになる。このビート雑音強度は、誘発された光が微弱であっても信号光のＳＮＲへの影響は強く、信号光強度に比べて−３０ｄＢを超えると、誤り率に反映される。

ビート雑音の影響を抑制するには、これまで光ファイバへの入力光強度を弱める対策が多く施されてきた。この方法とは別に、相互の信号光位相状態に相関を持たせ、電界の干渉状態を制御することによって解決することができる。そのため、光位相同期化光源が有効となる。このような光源として、１つのＣＷ（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ−ｗａｖｅ）レーザーから位相が同期した多波長光を発生する多波長光源がある（特許文献１参照）。

図１に、このような多波長光源の構成例を示す。この多波長光源１０は、連続発振するＣＷ光源１２と、ＣＷ光を位相変調する位相変調器１４と、位相変調成分を振幅変調成分に変換する群速度分散媒質１６と、振幅変調成分として観測される光周波数スペクトル列をさらに位相変調して帯域を拡大する位相変調器１８とを備えている。多波長光源１０は、位相変調器１４を直接駆動し、位相変調器１８を位相シフター２２を介して駆動する信号発生器２０と、ＣＷ光源１２の駆動電流を制御する回路２４と、ＣＷ光源１２の温度を制御する回路２６とをさらに備えている。信号発生器２０は、変調周波数ｆ_ｍ［Ｈｚ］で発振し、この周波数ｆ_ｍは、光周波数スペクトル列の周波数間隔を規定する。

この多波長光源１０において、ＣＷレーザー光源１２から発生されるＣＷ光は、位相変調器１４に入射され、そこで信号発生器からの変調周波数ｆ_ｍの正弦波によって変調指数Δθ_１（＝π／４）で位相変調され、チャープが付与される。チャープを受けたＣＷ光は、群速度分散媒質を通過することで群速度分散Ｂ_２（＝±１／（４πｆ_ｍ ^２））［秒^２］が与えられる。群速度分散を受けたＣＷ光は、位相変調器１８において、周波数ｆ_ｍの正弦波によって、位相シフターを介して変調指数Δθ_２で位相変調される。これにより、広い周波数範囲にわたって、ＳＮＲの優れた平坦なスペクトル波形が得られる。

この多波長光源１０で生成できる光周波数スペクトルは、図２に示すように、包絡線（エンベロープ）が台形となる。この光周波数スペクトルは、レーザー光源１２の光周波数を中心に短波長側と長波長側に均等に拡がる。スペクトラム強度が一様とみなすことができ、長距離光通信に適用することができる帯域は、多波長光源の設計や今後の技術の進展（例えば、ＬＮ変調器のＶ−π駆動電圧の低減）にもよるが、概ね２０ｎｍ前後である。それを超えると、雑音特性が劣化し長距離伝送の制限要因となる。

特開２００７−９４１４３号公報 W. C. Swann and S. L. Gilbert, "Pressure-induced shift and broadening of 1560-1630nm carbon monoxide wavelength-calibration lines," J. Opt. Soc. Am. B, Vol. 19, No. 10, October 2002, pp. 2461-2467

このように、多波長光源１０は、ビート雑音の影響を抑えることができ、ＷＤＭ技術に適しているが、生成できるチャネル数（すなわち、帯域）には限界がある。光ファイバ伝送を所望の距離に対して実現するには、光源に高い品質、すなわち相対強度雑音（ＲＩＮ：Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ Ｎｏｉｓｅ）の低さ、が求められる。一般に、光ファイバで数百ｋｍの信号伝送を行うには、光源について−１４０ｄＢ／（Ｈｚ）^１／２以下のＲＩＮが必要となる。ひとつの半導体レーザー光源から多数の送信用光周波数キャリアを生成する場合（図１のような場合）、レーザー光源に−１５０ｄＢ／（Ｈｚ）^１／２以下（測定限界）のものを用いても、−１４０ｄＢ／（Ｈｚ）^１／２以下の送信用光周波数キャリアは数十波程度に留まる。

また、光源の安定性を確保するために、光吸収ガスセルのスペクトル吸収線に安定化させる手法が一般に用いられるが（非特許文献１）、吸収線の周波数と標準化された光周波数グリッドとは合致していないので、多波長光源の周波数帯設計の自由度は極めて限定的であった。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、多波長光源を用いて生成できる光周波数キャリア数を拡大することができ、光周波数帯の設計の自由度を向上することができる広帯域多波長光源を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、広帯域多波長光源であって、第１のレーザー光源から多波長光を発生する第１の多波長光発生手段と、第２のレーザー光源から多波長光を発生する第２の多波長光発生手段と、前記第１の多波長光発生手段からの多波長光の一部の波長を第１の制御光として取り出す第１の分岐手段と、前記第２の多波長光発生手段からの多波長光の一部の波長を第２の制御光として取り出す第２の分岐手段と、前記第１および第２の制御光の位相誤差を検出する位相検出手段と、前記検出した位相信号に応じて、前記第１および第２のレーザー光源の一方の位相を制御する位相制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の広帯域多波長光源であって、前記位相検出手段は、前記第１および第２の制御光の一方に周波数オフセットを与える周波数シフト手段と、前記周波数オフセットを与えられた制御光と他方の制御光を合波する合波手段と、前記合波した光を受光する受光手段と、前記受光手段からの信号に前記周波数オフセットをかけて誤差信号を検出する位相検出手段とをさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の広帯域多波長光源であって、前記分岐手段は、前記多波長光の波長をインターリーブして制御光として取り出すインターリーブ手段であることを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の広帯域多波長光源であって、前記第１および第２の制御光の一方を、ＦＭ変調を施したマイクロ波信号によって位相変調する位相変調手段と、前記位相変調した制御光を透過させて、周波数が特定されたエネルギー遷移準位に吸収させる光吸収手段と、前記光吸収手段を透過した制御光を受光する受光手段と、前記受光手段からの信号と前記マイクロ波信号との位相差を誤差信号として検出する位相検出手段と、前記検出した誤差信号に応じて、前記第１および第２のレーザー光源の一方の位相を制御する位相制御手段とをさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の広帯域多波長光源であって、前記ＦＭ変調を施したマイクロ波信号の一部の周波数はＩＴＵ−Ｔグリッド周波数との差に合致することを特徴とする。

また、請求項６に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の広帯域多波長光源であって、第３のレーザー光源と、前記第３のレーザー光源からのレーザー光をＦＭ信号で位相変調する位相変調手段と、前記位相変調したレーザー光を透過させて、特定の吸収線を吸収させる光吸収手段と、前記光吸収手段を透過したレーザー光を受光する受光手段と、前記受光手段からの信号を誤差信号として検出する位相検出手段と、前記検出した誤差信号に応じて、前記第３のレーザー光源の位相を制御する第２の位相制御手段と、前記第３のレーザー光と第２のマイクロ波信号の位相差を誤差信号として取り出す第２の位相検出手段と、前記第２の位相検出手段によって検出した誤差信号に応じて、前記第１および第２のレーザー光源の一方の位相を制御する第３の位相制御手段とを備えたことを特徴とする。

また、請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の広帯域多波長光源であって、第２のマイクロ波信号の周波数は、ＩＴＵ−Ｔグリッド周波数との差に合致することを特徴とする。

また、請求項８に記載の発明は、請求項４から７のいずれかに記載の広帯域多波長光源であって、前記特定の吸収線は、１．５μｍ帯にあることを特徴とする。

また、請求項９に記載の発明は、請求項１から８のいずれかに記載の広帯域多波長光源であって、前記第１の多波長光発生手段からの第１の出力光と、前記第２の多波長光発生手段からの第２の出力光とを合波する合波手段をさらに備えたことを特徴とする。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の広帯域多波長光源であって、
前記第１および第２の出力光の一方の位相を調整する光移相手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、全体の消費電力を抑制しつつ、ＩＴＵ−Ｔで規定される光周波数グリッドに精度良く合致し、互いに光位相同期した多数の光周波数キャリアを生成することができる。消費電力が抑制されるメカニズムは、以下の通りである。長距離通信用半導体レーザー光源は、一般に温度安定化回路を必要とする。温度安定化回路における消費電力は、無視できず、平均２〜３Ｗを要する。さらに、４０チャネルの波長多重システムでは、８０〜１２０Ｗを温度安定化回路で消費することになる。本発明によれば、４０チャネルのキャリアを１台の半導体レーザーで実現できるので、変調器等の駆動回路に必要な消費電力を差し引いても、消費電力を１／５に抑制できる。

本発明では、複数の多波長光源を用いて、光周波数キャリア数を拡大することができる。具体的には、複数の多波長光源の光位相を相互に同期させて合波することにより光周波数キャリアの拡大を図る。

図１に示す多波長光源では、ひとつの半導体レーザー光源から多数の光周波数キャリアを生成しているので、これらキャリア間の光位相は同期している。しかし、複数の多波長光源を使用する場合、異なる多波長光源から生成されるキャリア間では光位相は無相関であり、同期していない。そこで、本発明では、これら複数の多波長光源から生成されるキャリア間の光位相を同期させて合波することにより光周波数キャリアの拡大を図る。

また、多波長光源の光周波数スペクトルは、図２に示すように、包絡線（エンベロープ）が台形となる。すなわち、中心光周波数から離れた光周波数キャリアの強度レベルが徐々に減少するため、端部のスペクトルは伝送用の光キャリアとしては不適である。本発明では、複数の多波長光源からの光キャリアを合波する際に、端部のスペクトル同士を電界加算することにより、光キャリアを拡大するとともに、帯域を通して平坦なスペクトル特性をえることができる。具体的には、多波長光源の光キャリアの光位相を相対的に９０度移相させて合波することにより、電界が相互に加算され、光キャリアの純度を損なうことなく、スペクトルの強度を均一化することができる。

さらに、光吸収セル（非特許文献１）を利用して、標準化された光周波数グリッドに対して多波長光源の光キャリア周波数を安定化することができる。具体的には、周波数安定度が正確に評価された原子または分子のスペクトル吸収線の１つに対して、オフセットをかけて多波長光源の光キャリアを安定化させることにより、標準化された光周波数グリッドに対して正確に安定化させることができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図３に、本発明の第１の実施形態に係る広帯域多波長光源の構成例を示す。この広帯域多波長光源１００は、概略、２つの系統からなる。すなわち、第１の系統は、光周波数が安定化されたマスター光源１０２と、多波長の光キャリアを生成する回路１０４と、多波長光キャリアを出力光と制御光にインターリーブするインターリーバー１０６とを備え、第２の系列は、光周波数が安定化されたスレーブ光源１１２と、多波長の光キャリアを生成する回路１１４と、多波長光キャリアを出力光と制御光にインターリーブするインターリーバー１１６とを備えている。さらに、広帯域多波長光源１００は、第２の系統のインターリーバー１１６からの制御光を周波数シフト１１８と、周波数シフトされた制御光と第１の系統のインターリーバー１０６からの制御光を合波する回路１２０と、合波した制御光を受光する受光器１２２と、受光した信号を増幅する増幅器１２４と、増幅した信号の位相を検出する位相検出器１２６と、検出した位相に応じてスレーブ光源１１２の位相を制御する位相制御器１２８とを備えている。また、広帯域多波長光源１００は、多波長光キャリア生成回路１０４および１１４に変調周波数ｆ_ｍの信号を提供する発振器１１０と、周波数シフター１１８に周波数オフセットΔｆの信号を提供する発振器１３０とを備えている。

マスター光源１０２は、周波数が安定化したレーザー光を出力し、このレーザー光が多波長光キャリア生成回路１０４で一定周波数間隔で並ぶ複数の光周波数キャリアに変換される。同様に、スレーブ光源１１２は、周波数が安定化したレーザー光を出力し、このレーザー光が多波長光キャリア生成回路１１４で一定周波数間隔で並ぶ複数の光周波数キャリアに変換される。多波長光キャリア生成回路として図１に示す構成を用いた場合、光周波数キャリアのスペクトル特性は、図２に示すように、スペクトルの包絡線（エンベロープ）は台形状になる。

ここで、光キャリアの周波数間隔は、周波数ｆ_ｍで発振する発振器１１０からのクロック信号によって決定され、ｆ_ｍとなる。図２の例では、ｆ_ｍ＝２５ＧＨｚである。多波長光キャリア生成回路の実現手段は、例えば、特許文献１に開示されているので、具体的な説明は省略する。また、マスター光源１０２およびスレーブ光源１１２に用いる光周波数安定化光源としては、多くの構成法が知られており、光吸収セルを用いる構成法は、例えば、非特許文献１に開示されているので、具体的な説明は省略する。

多波長光キャリア生成回路１０４で生成された周波数間隔ｆ_ｍの光周波数キャリアは、インターリーバー１０６によって周波数間隔２×ｆ_ｍの２つの光周波数キャリア群に分離される。同様に、多波長光キャリア生成回路１１４で生成された周波数間隔ｆ_ｍの光周波数キャリアは、インターリーバー１１６によって周波数間隔２×ｆ_ｍの２つの光周波数キャリア群に分離される。ここで、２つの光周波数キャリア群の一方を出力光とし、他方を制御光としている。

図４は、これら出力光と制御光のスペクトルを模式的に表した図である。図４（ａ）および（ｂ）は、第１の系統における出力光および制御光をそれぞれ示し、図４（ｃ）および（ｄ）は、第２の系統における出力および制御光をそれぞれ示している。図４にみられるように、第１の系統のスペクトルと、第２の系統のスペクトルとは、その帯域の中心周波数が異なり、帯域の端が重なるように配置構成されている。

今、例えば、単一光源から２５ＧＨｚ間隔にて６０波のマルチ光キャリア生成回路を設計したとする。帯域の中心にレーザー光源の出力光周波数が位置するので、マスターとスレーブレーザー光源の周波数差も２０ｎｍ、約２．５ＴＨｚとなるように大雑把に抽出する。その際、光ファイバ通信用光源として適用できるように、ＩＴＵ−Ｔにて標準化されている光周波数グリッドにレーザー光源周波数を合致させるように選定する。光周波数グリッドは１９３．１ＴＨｚ±２５×Ｎ ＧＨｚ（Ｎは０、または自然数）と規定されている。すると、２つの光周波数キャリア群の端部では光周波数がほぼ一致して重なり合うことになる。ただし、この時点で合波しても、光位相は相互に無相関であるため、電界加算とはならず、ビート雑音を打つことになる。

２．５ＴＨｚ離れて無相関に発振しているレーザー光源間の光位相を同期させるために次のような構成をとる。第１および第２の系統の制御光のいずれか一方、図３の例では第２の系統の制御光を周波数シフター１１８によって、わずかに周波数をシフトさせる。例えば、レーザー光源１１２の線幅が数百ＫＨｚであれば、１ＭＨｚ以上離調させるだけでよい。オフセット用の発振器１３０から出力されるクロック周波数Δｆがこの離調周波数を与えることになる。

周波数Δｆだけ離調させた制御光を、他方の制御光、図３の例では第１の系統の制御光と合波器１２０で合波する。この合波器１２０は、例えば、光Ｙ分岐結合器または方向性結合器である。その後、フォトダイオード（ＰＤ）などの受光器１２２および増幅回路１２４から構成されるビート信号検波器にて、離調周波数に相当するビート信号を電気信号として生成する。そして、このビート信号に対して、位相検波器１２６で位相敏感検波を行う。すなわち、オフセット用の発振器１３０から出力されるクロック周波数Δｆとビート信号と掛け算を行うことによって位相差Δθを検出する。この位相差Δθが最小となるように、すなわちｃｏｓΔθが最大となるように、レーザー位相制御器１２８によりスレーブレーザー光源１１２の発振位相を制御する。この動作により、マスターレーザー光源１０２とスレーブレーザー光源１１２の両者の光位相が同期することになる。

以下、数式を用いて説明する。第１の系統の制御光および第２の系統の制御光の電界成分をそれぞれＥ₁₁およびＥ₂₁とする。

Ｅ₁₁＝Ａ₁₁ｃｏｓ（２πｆ₁₁＋φ₁₁）
Ｅ₂₁＝Ａ₂₁ｃｏｓ｛２π（ｆ₂₁＋Δｆ）＋φ₂₁｝
Ａ₁₁、Ａ₂₁はそれぞれＥ₁₁、Ｅ₂₁の振幅を、ｆ₁₁、ｆ₂₁はそれぞれＥ₁₁、Ｅ₂₁の周波数を、φ₁₁、φ₂₁はそれぞれＥ₁₁、Ｅ₂₁の位相を表す。このＥ₁₁およびＥ₂₁を合波回路１２０にて合波すると光強度Ｉは次式で表される。

Ｉ＝＜｜Ｅ₁₁＋Ｅ₂₁｜^２＞
＝（Ａ₁₁＋Ａ₂₁）^２／２＋２Ａ₁₁Ａ₂₁ｃｏｓ｛２π（ｆ₁₁−ｆ₂₁−Δｆ）＋（φ₁₁−φ₂₁）｝
直流成分は省いて、さらにｆ₁₁≒ｆ₂₁であるから、次式のように表せる。

Ｉ＝２Ａ₁₁Ａ₂₁ｃｏｓ｛２πΔｆ＋（φ₁₁−φ₂₁）｝
これにΔｆをかけることにより２Ａ₁₁Ａ₂₁ｃｏｓ｛（φ₁₁−φ₂₁）｝が得られる。したがって、ｃｏｓ｛（φ₁₁−φ₂₁）｝＝０、すなわち位相差（φ₁₁−φ₂₁）が９０度となるようにレーザー位相制御器１２８でスレーブレーザー光源１１２を制御することによって光同期が実現できる。

以上により、マスターレーザー光源とスレーブレーザー光源間に高精度な同期が確立し、それぞれのレーザーから生成される光周波数キャリア（光コム）も同期を保つので光位相が互いに同期した広帯域多波長光源を実現することができる。なお、必要に応じて受光器１１２の前に、不要なスペクトル成分を除去するために光フィルタを挿入してもよい。

図５に、第１の系統からの出力光と、第２の系統からの出力光とを合波して強度が均一な広帯域スペクトルを合成するための構成例を示す。これら２つの出力光は、光位相が同期している場合、相対的な位相関係を９０度移相させて、Ｙ分岐回路または３ｄＢ方向性結合器などの合波器１５２に入力すると、光キャリアの強度の損失なく合波することができる。図３の構成の場合、第１の系統と第２の系統の位相差（φ₁₁−φ₂₁）が９０度になるように制御されているので、そのまま入力すると光キャリアの強度の損失なく合波することができる。

また、図２に示したようなスペクトル端部の光強度が徐々に減少している光周波数領域において、両スペクトルを補完的に加算すると、光位相が同期しているので、相互に電界加算され、それぞれの端部での光周波数スペクトルが均一化される。図６に、スペクトルの端部が相互に電界加算され、光周波数スペクトルが均一化される様子を模式的に示す。図６は、図４（ａ）および（ｂ）の２つの出力光が加算された様子を示している。

２つの出力光を合波するまでには、位相の揺らぎが生じ得るので、相対位相を９０度に対して微調整可能な光移相器１５４を用いると、一層電界加算がより安定に行える。具体的には、出力パワーをモニタしながら最大となる位相に調整することができる。

このようにマルチ光周波数キャリアの裾野にある光周波数キャリア間で光位相の同期をとることにより、複数の多波長光源を組み合わせて広帯域化を図ることができる。この技術は、２つのキャリア群に対して実施可能であるだけでなく、複数の光周波数キャリア群に対して実現可能である。したがって、このようなチェーン化技術によって必要に応じて所望の帯域または所望の光周波数キャリア数の広帯域光源を実現することができる。なお、広い帯域で光位相が同期したスペクトル列を生成可能であることは、超短パルス光源の生成にも有効であることを意味する。すなわち、同期したスペクトル列を合成して超短パルスを生成することができる。また、図３の広帯域多波長光源の出力光を各波長に分波して使用する場合は、図５のように２つの出力光を合波しなくてもよい。

（第２の実施形態）
図７は、マスターおよびスレーブ光源の発振光周波数の選択の自由度を高めるための構成例を示している。第１の実施形態と同様の機能ブロックには、同様の符号を付して説明を省略する。広帯域多波長光源２００は、広帯域多波長光源１００の構成要素に加えて、第１の系統の制御光の位相を変調する位相変調器２０２と、特定の吸収線を有するガ光吸収セル２０４と、光吸収セルを透過した制御光を受光する受光器２０６と、受光した信号を増幅する増幅器２０８と、増幅した信号の位相を検出する位相検出器２１０と、検出した位相に応じてマスター光源１０２の位相を制御する位相制御器２１２とを備えている。なお、第２の実施形態では、第１の実施形態と異なり、周波数シフター１１８が第１の系統の制御光の方に設置されている。

第１の実施形態においては、一例として、マスターレーザー光源に光吸収セルを用いる構成法を示した（非特許文献１）。第１の実施形態においては、マスターレーザー光源１０２からレーザー光を光吸収セルのガス中を透過させ、レーザー光の発振周波数をガスのスペクトル吸収線に安定化させる。本実施形態においては、光源１０２の発振周波数とは独立に、スペクトル吸収が大きい吸収線または標準化されたグリッドに対して周波数シフト量を小さくできる吸収線を選択して、高いＳＮで安価な安定化を実施できる構成例を示す。

本実施形態では、吸収線への安定化には多波長光キャリア発生回路からの制御光の任意の光周波数を用いることができきる。光吸収セルは、一般的にはレーザー分光技術などにより、その周波数安定度が正確に評価された原子もしくは分子の吸収線を用いる。それらのいくつかは、度量衡標準において標準物質として認定されている。光吸収セル２０４としては、例えば光通信帯では、アセチレン（Ｃ_２Ｈ_２）、シアン化水素（ＨＣＮ）、一酸化炭素（¹²Ｃ¹⁶Ｏ、¹³Ｃ¹⁶Ｏ）、水蒸気（Ｈ_２Ｏ）などの分子を単独または複数封入したものが用いられる。本実施形態では、一酸化炭素（¹²Ｃ¹⁶Ｏ）を例にとって説明する。

図８に、光吸収セル２０４として一酸化炭素（¹²Ｃ¹⁶Ｏ）を封入した吸収セルを用いた際の吸収スペクトルの例を示す。¹²Ｃ¹⁶Ｏは、Ｌ帯において全部で４０本以上の吸収線を有しており、それらの吸収線の波長はサブｐｍ（１０ＭＨｚのオーダ）の不確かさで安定なことが知られている（非特許文献１）。

表１に、図８の吸収ピークに対応する光周波数と１００ＧＨｚ間隔および５０ＧＨｚ間隔のＩＴＵグリッド周波数との差ν_offsetを示す。このν_offsetは、表１の１００Ｇ Ｇｒｉｄおよび５０Ｇ Ｇｒｉｄの列に示されており、単位はＧＨｚである。表からわかるように、このν_offsetは、数ＧＨｚから数十ＧＨｚ程度である。

インターリーバー１０６の出力光の周波数をν_out(i)とすると、次式が成立する。
ν_out(i)＝ν_cell(i)＋ν_offset(i)
ここで、ν_cell(i)はｉ番目の吸収線の光周波数を表す。着目しているｉ番目の吸収線の近傍のＩＴＵグリッド周波数ν_out(i)を得るための最小周波数オフセット値ν_offset(i)は、表から求めることができる。インターリーバー１０６の出力光の周波数ν_out(i)は、約２０ｎｍの範囲に拡がっているので、スペクトル吸収が大きく制御回路のＳＮを大きく設計できる吸収線を選択することができる。

本実施形態では、図７より規格化伝達特性が０．８４（吸収が１６％）とＲブランチの中で吸収が最も大きく、表１より１００／５０ＧＨｚグリッド間隔との周波数オフセット値が比較的小さい第６番目の吸収線１５６８．７７５６ｎｍ（＝１９１．０９９６４ＴＨｚ）が最適である。図９は、この吸収線を拡大した図である。この場合、ＩＴＵ−Ｔの光周波数グリッドとして１９１．１ＴＨｚを選択すると、表１に示すように−３６０ＭＨｚの周波数オフセットである。すると、位相変調器２０２を駆動する信号は、オフセット周波数ｆ_offset(i)＝３６０ＭＨｚ、最大周波数偏移ｆ_FM≒１０ＭＨｚ、変調周波数ｆ_mpsd＝１−１０ＫＨｚのＦＭ変調信号で構成できる。位相変調器２０２でインターリーバー１０６からの制御光をこのＦＭ変調信号によって変調し、光吸収セル２０４を通過させて受光器２０６で受光させることにより、周波数偏移量が強度変調に変換される。この強度変調成分を増幅器２０８で増幅し、位相検出器２１０で誤差信号として検出することができる。検出した誤差信号に応じて、レーザー位相制御器２１２でマスター光源１０２の発振周波数を制御することにより、選択した吸収線の中心周波数へ発振周波数を安定化させることができる。この誤差信号は、以下のようにして抽出される。変調されたｆ_offsetのｆ_mpsd成分がセルに一致するように設定される。受光器で電気変換された後は交流成分のみ残りｆ_mpsdが増幅器２０８から位相検出器２１０に入力される。一方、変調周波数発生器ｆ_mpsdからの出力も位相検出器に入力され、この２つのｆ_mpsd信号の位相差を位相検出器２１０で取り出す。

（第３の実施形態）
図１０に、本発明の第３の実施形態に係る広帯域多波長光源の構成例を示す。この広帯域光源３００はマスター光源１０２、スレーブ光源１１２のほかに第３のレーザー光源３０４を用いる。第２の実施形態では、マスター光源側の制御光を光吸収セルを用いて安定化させていたが、本実施例では第３のレーザー光源を光吸収セルを用いて安定化させ、さらにそのレーザー光を利用してマスター光源を安定化させる構成になっている。

レーザー光源３０４からの出力光は位相変調器２０２に入力され、ｆ_ｍｐｓｄで位相変調を受ける。さらに光吸収セル２０４を通過後、受光器２０６で電気変換され、増幅器２０８で増幅される。その後、位相検出器２１０でｆ_ｍｐｓｄと位相を検出される。その位相検出量に応じて、レーザー位相変調器３０２がレーザー光源３０４を制御することによりレーザー光源３０４が光吸収セル２０４の吸収線にロックされる。光スプリッター３０６のもう一方の出力は、光カプラでインターリーバー１０６からの制御光の一部と合波された後、受光器３１２で電気変換され、増幅器３１４で増幅された後、位相検出器３１６でｆ_ｒｅｆと位相比較される。位相検出器３１６の出力に応じて、レーザー位相制御器３１８は光周波数安定化マスター光源１０２を制御する。ここで、ｆ_ｒｅｆをレーザー光源３０４がロックしている波長と光周波数安定化マスター光源で生成した波長との差と等しくすることで、光周波数安定化マスター光源を任意の波長にロックすることができる。たとえば、レーザー光源３０４をＣＯ吸収セルＰ−ｂｒａｎｃｈ＃４（表１−２）の吸収線にロックしたとすると、ｆ_ｒｅｆを１．２２ＧＨｚとすれば、光周波数安定化マスター光源をＩＴＵ−Ｔグリッド周波数に同期させることができる。なお、マスター光源１０２にスレーブ光源１１２を同期させる原理は、第２の実施形態と同様なので省略する。

以上、本発明について、具体的にいくつかの実施形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

従来の多波長光源の構成例を示す機能ブロック図である。 図１の多波長光源で生成される光周波数スペクトルの一例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る広帯域多波長光源の構成例を示す機能ブロック図である。 図３の出力光と制御光のスペクトルを模式的に表した図である。 図３の２つの出力光を合波するための構成例を示す機能ブロック図である。 図３の２つの出力光を合波して、光周波数スペクトルが均一化される様子を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る広帯域多波長光源の構成例を示す機能ブロック図である。 一酸化炭素（¹²Ｃ¹⁶Ｏ）を封入した吸収セルの吸収スペクトルの例を示す図である。 図８の第６番目の吸収線（１５６８．７７５６ｎｍ）を拡大した図である。 本発明の第３の実施形態に係る広帯域多波長光源の構成例を示す機能ブロック図である。

符号の説明

１０ 多波長光源
２０ 信号発生器
１００ 広帯域多波長光源
１１０ 発振器
１３０ 発振器
２００ 広帯域多波長光源
３００ 広帯域多波長光源

Claims (10)

1. 広帯域多波長光源であって、
   第１のレーザー光源から多波長光を発生する第１の多波長光発生手段と、
   第２のレーザー光源から多波長光を発生する第２の多波長光発生手段と、
   前記第１の多波長光発生手段からの多波長光の一部の波長を第１の制御光として取り出す第１の分岐手段と、
   前記第２の多波長光発生手段からの多波長光の一部の波長を第２の制御光として取り出す第２の分岐手段と、
   前記第１および第２の制御光の位相誤差を検出する位相検出手段と、
   前記検出した位相信号に応じて、前記第１および第２のレーザー光源の一方の位相を制御する位相制御手段と
   を備えたことを特徴とする広帯域多波長光源。
2. 請求項１に記載の広帯域多波長光源であって、
   前記位相検出手段は、
   前記第１および第２の制御光の一方に周波数オフセットを与える周波数シフト手段と、
   前記周波数オフセットを与えられた制御光と他方の制御光を合波する合波手段と、
   前記合波した光を受光する受光手段と、
   前記受光手段からの信号に前記周波数オフセットをかけて誤差信号を検出する位相検出手段と
   をさらに備えたことを特徴とする広帯域多波長光源。
3. 請求項１または２に記載の広帯域多波長光源であって、
   前記分岐手段は、前記多波長光の波長をインターリーブして制御光として取り出すインターリーブ手段であることを特徴とする広帯域多波長光源。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の広帯域多波長光源であって、
   前記第１および第２の制御光の一方を、ＦＭ変調を施したマイクロ波信号によって位相変調する位相変調手段と、
   前記位相変調した制御光を透過させて、周波数が特定されたエネルギー遷移準位に吸収させる光吸収手段と、
   前記光吸収手段を透過した制御光を受光する受光手段と、
   前記受光手段からの信号と前記マイクロ波信号との位相差を誤差信号として検出する位相検出手段と、
   前記検出した誤差信号に応じて、前記第１および第２のレーザー光源の一方の位相を制御する位相制御手段と
   をさらに備えたことを特徴とする広帯域多波長光源。
5. 請求項４に記載の広帯域多波長光源であって、
   前記ＦＭ変調を施したマイクロ波信号の一部の周波数はＩＴＵ−Ｔグリッド周波数との差に合致することを特徴とする広帯域多波長光源。
6. 請求項１から３のいずれかに記載の広帯域多波長光源であって、
   第３のレーザー光源と、
   前記第３のレーザー光源からのレーザー光をＦＭ信号で位相変調する位相変調手段と、
   前記位相変調したレーザー光を透過させて、特定の吸収線を吸収させる光吸収手段と、
   前記光吸収手段を透過したレーザー光を受光する受光手段と、
   前記受光手段からの信号を誤差信号として検出する位相検出手段と、
   前記検出した誤差信号に応じて、前記第３のレーザー光源の位相を制御する第２の位相制御手段と、
   前記第３のレーザー光と第２のマイクロ波信号の位相差を誤差信号として取り出す第２の位相検出手段と、
   前記第２の位相検出手段によって検出した誤差信号に応じて、前記第１および第２のレーザー光源の一方の位相を制御する第３の位相制御手段と
   を備えたことを特徴とする広帯域多波長光源。
7. 請求項６に記載の広帯域多波長光源であって、
   第２のマイクロ波信号の周波数は、ＩＴＵ−Ｔグリッド周波数との差に合致することを特徴とする広帯域多波長光源。
8. 請求項４から７のいずれかに記載の広帯域多波長光源であって、
   前記特定の吸収線は、１．５μｍ帯にあることを特徴とする広帯域多波長光源。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の広帯域多波長光源であって、
   前記第１の多波長光発生手段からの第１の出力光と、前記第２の多波長光発生手段からの第２の出力光とを合波する合波手段をさらに備えたことを特徴とする広帯域多波長光源。
10. 請求項９に記載の広帯域多波長光源であって、
    前記第１および第２の出力光の一方の位相を調整する光移相手段をさらに備えたことを特徴とする広帯域多波長光源。

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