JP2011049970A - 位相雑音低減装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相雑音の検出に光強度の変化を用いず、レーザ光の周波数帯で動作する可変移相器を不要とする位相雑音低減装置を提供する。
【解決手段】半導体レーザ１の出力を２分岐する光分岐器２の一方の出力を遅延する遅延線３と、ＲＦ帯で発振するＲＦ帯発振器１０と、光分岐器２の他方の出力をＲＦ帯発振器１０の出力で振幅変調する光強度変調器４と、遅延線３の出力と振幅変調信号の上側波帯信号とを加算又は減算して出力する光結合器６と、その出力を入力するバランス型フォトダイオード７と、ＲＦ帯発振器１０の発振周波数帯で入力信号の位相を変更する可変移相器１１と、バランス型フォトダイオード７の出力と、ＲＦ帯発振器１０の出力を可変移相器１１で位相変更したものとを混合するミキサ８と、その出力の低周波成分を選択するローパスフィルタ９とを備え、半導体レーザ１の光発振信号の位相を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信におけるレーザ光源の位相雑音を低減する際に用いて好適な位相雑音低減装置に関する。

送信側で半導体レーザの連続光の振幅変調、または周波数変調、または位相変調を行い、受信側で変調光信号と局発光信号とを混合させて検波するコヒーレント光通信は、現在広く用いられている強度変調・直接検波方式に比較して高い受信感度を有する。しかしながらコヒーレント光通信は位相に情報をのせるため、強度変調・直接検波方式に比べて、送信側および受信側のレーザ光の位相のゆらぎである位相雑音の影響を大きく受ける。この問題を解決し、レーザ光の位相雑音を低減するための構成が、非特許文献１に示されている。

この構成を単純化したものを図１２に示す。図１２において、半導体レーザ１から出力された光信号はビームスプリッタ１００により２分岐され、一方はファブリ・ペロー干渉計１０１を介してフォトダイオード１０３に入力される。分岐された他方の光信号は光減衰器１０２により適当な減衰を受けた後、フォトダイオード１０４に入力される。ファブリ・ペロー干渉計は入力光の周波数変動を、透過光強度の変動に変換する性質を持つ。差動増幅器１０５により２つのフォトダイオードの出力の差分を取ることにより、半導体レーザ１自体の強度変化は取り除かれ、周波数変動のみを検出できる。半導体レーザはバイアス電流により発振周波数が変化する。このため検出した周波数変動信号を利得調整回路１０６により適当な利得を持たせた後、抵抗１０８、抵抗１０９を介して、電源１０７から半導体レーザ１への電流供給回路にフィードバックし負帰還をかけることにより、位相雑音を抑圧することが可能となる。

また他の従来技術として、ＦＬＬ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ、周波数同期ループ）を付加したＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ、位相同期ループ）がマイクロ波帯で用いられており、その構成が、非特許文献２に示されている。

この構成を単純化したものを図１３に示す。ＹＩＧ（イットリウム鉄ガーネット）発振器２００は共振回路中の同調コイルに流す電流を変化させることで共振回路に加わる磁界を変化させて、発振周波数を可変にする。このＹＩＧ発振器２００の出力信号は、分周器２０１、位相比較器２０２、基準信号源２０３、ローパスフィルタ２０４からなるＰＬＬに入力されて、ＹＩＧ発振器２００の発振周波数制御回路２００ａにフィードバックし負帰還をかけることにより、ＹＩＧ発振器２００の発振周波数および位相を基準信号源２０３に同期させ、安定化する。さらにＹＩＧ発振器２００の出力信号は、電力分配器２０５、可変移相器２０６、遅延線２０７、位相比較器２０８、ローパスフィルタ２０９からなるＦＬＬに入力されて位相雑音成分を検出し、検出した位相雑音成分を加算器２１０により、ＰＬＬの出力信号と加算してＹＩＧ発振器２００の発振周波数制御回路２００ａにフィードバックし負帰還をかけることにより、位相雑音を抑圧することが可能となる。

このＦＬＬの動作を式で示す。ＹＩＧ発振器２００の出力信号をＥ_１、可変移相器２０６の出力信号をＥ_２、遅延線２０７の出力信号をＥ_３とすると、Ｅ_１〜Ｅ_３は以下となる。

ただしωはＹＩＧ発振器２００の発振周波数、φ_ｎ（ｔ）はＹＩＧ発振器２００の出力信号の位相雑音、θは可変移相器２０６の入出力位相変化量、τは遅延線２０７の遅延時間、ｔは時間、Ｋ_１、Ｋ_２、Ｋ_３は定数である。位相比較器２０８として出力信号が２入力信号の積に比例する乗算器（ミキサ）を用いると、ローパスフィルタ２０９の出力信号Ｅ_４は

となる。ただしＫ_４は定数である。

（ωτ＋θ）を９０°となるように可変移相器２０６を調整すると、位相雑音は微小であることから、

となる。上式をラプラス変換すると

となる。ｓτ≪１の時、

となる。従ってローパスフィルタ２０９の出力信号は、ＹＩＧ発振器２００の出力信号に含まれる位相雑音の周波数ｓおよび遅延線２０７の遅延時間τに比例した大きさの位相雑音成分となり、発振周波数制御回路にフィードバックし負帰還をかけることにより、位相雑音を抑圧できる。

Ｋ．Ｗ．Ｃｏｂｂ，Ｂ．Ｃｕｌｓｈａｗ，"Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅ ｎｏｉｓｅ ｉｎ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ，" Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，１９８２年４月，ｖｏｌ．１８，ｎｏ．８，ｐｐ．３３６−３３７． Ｊ．Ｂ．Ｓｕｍｍｅｒｓ ａｎｄ Ｄ．Ｒ．Ｓｎｏｏｋ，"Ｈｉｇｈ−ｓｐｅｃｔｒａｌ−ｐｕｒｉｔｙ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｓ ｉｎ ａ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ，" Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ Ｊｏｕｒｎａｌ，１９８９年１０月，ｖｏｌ．４０，ｎｏ．５，ｐｐ．３７−４１．

しかしながら、上述した図１２に示す従来技術では、半導体レーザ１から２分岐した後の経路におけるそれぞれの構成要素の機械的変動などによって付加される光強度の変動は取り除くことができない。光強度によって周波数変動を検出する構成であるため、取り除くことのできなかった変動分は直接的に誤差として位相雑音に重畳される問題がある。

また図１３に示す従来技術では、ＦＬＬが位相雑音成分を検出するためには、（４）式の（ωτ＋θ）を９０°となるように可変移相器２０６の入出力位相変化量を調節する必要がある。図１３の構成を半導体レーザの位相雑音低減用に用いることを考えた場合、例えば遅延線２０７として光ファイバを用いたとき、１００ｎｓの遅延を与えるには２０ｍ程度の長さが必要であるが、約１９０ＴＨｚという極めて高いレーザ光の周波数帯においては、光ファイバの長さが１μｍ変わればωτが３６０°変化する。従って遅延線２０７の長さの調整により９０°の位相差を与えることは事実上不可能であり、１９０ＴＨｚ帯において、０°から３６０°までの任意の位相を与える可変移相器２０６が必要となり、その実現は困難であるという問題がある。

本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、これらの課題を解決し、レーザ光源の位相雑音を安定して低減することができる位相雑音低減装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、光通信用光源を用いて発生された光発振信号が入力され、該光発振信号を２分岐した分岐信号を出力する光分岐器と、前記光分岐器の一方の分岐信号を遅延させる遅延手段と、前記光通信用光源の発振周波数に比較して低い周波数で発振する発振器と、前記光分岐器の他方の分岐信号を前記発振器の出力信号で振幅変調する光強度変調器と、前記遅延手段の出力信号と、前記光強度変調器によって振幅変調された信号の上側波帯又は下側波帯の信号とを加算又は減算して出力する光結合器と、前記光結合器の出力信号を入力する受光素子と、前記発振器の発振周波数帯で入力信号の位相を変更して出力する可変移相器と、前記受光素子の出力信号と、前記発振器の出力信号とを、いずれか一方を前記可変移相器で位相変更した上で混合するミキサと、前記ミキサの出力信号の低周波成分を選択するローパスフィルタとを備え、前記ローパスフィルタの出力信号に応じて前記光発振信号の位相を制御するための制御信号を発生することを特徴とする位相雑音低減装置である。

請求項２記載の発明は、前記光分岐器に入力される光発振信号が、発振周波数制御端子を備える前記光通信用光源によって発生されたものであり、前記制御信号が、前記発振周波数制御端子に帰還されることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記光分岐器に入力される光発振信号が、前記光通信用光源と該光通信用光源の発振出力信号を入力し外部から印加された変調電圧で発振出力信号の位相を変更する光位相変調器とによって発生されたものであり、前記制御信号が、前記光位相変調器の変調電圧入力端子に帰還されることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記ローパスフィルタの出力信号を積分する積分回路を備え、前記制御信号が、前記積分回路の出力信号に応じて発生されることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、前記遅延手段が、互いに異なる遅延時間の遅延信号を生成する遅延線の組合せを有して構成されることを特徴とする。

この発明によれば、位相雑音の検出に光強度の変化を用いず、またレーザ光の周波数帯で動作する可変移相器が不要のため、安定的にレーザ光源の位相雑音を低減することができる。

本発明の第１の実施形態による装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態による装置の動作を説明するための雑音モデルを示す図である。 本発明の第２の実施形態による装置の構成例を示すブロック図である。 光位相変調器１２の構成例を示す図である。 本発明の第２の実施形態による装置の動作を説明するための雑音モデルを示す図である。 本発明の第３の実施形態による装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施形態による装置の動作を説明するための雑音モデルを示す図である。 本発明の第４の実施形態による装置の構成例を示すブロック図である。 図１０および図１１に示す本発明の第３の実施形態および第４の実施形態のシミュレーション結果を求める際に用いた半導体レーザ１の位相雑音を示す図である。 本発明の第３の実施形態のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の第４の実施形態のシミュレーション結果を示す図である。 従来の位相雑音低減装置の構成例である。 従来の位相雑音低減装置の構成例である。

以下、本発明による位相雑音低減装置の実施形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の各図において、同一の（または対応する）構成には同一の符号を用いている。

Ａ．第１の実施形態

まず、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による装置の構成を示すブロック図である。同図において、１は半導体レーザ、２は光分岐器、３は遅延線、４は光強度変調器、５は光バンドパスフィルタ、６は光結合器、７はバランス型フォトダイオード、８はミキサ（乗算器）、９はローパスフィルタ、１０はＲＦ（無線周波数）帯発振器、１１は可変移相器である。半導体レーザ１の出力信号は光分岐器２により、２分岐され、一方は遅延線３に入力され、他方は光強度変調器４に入力される。光強度変調器４としては広く用いられているマッハツェンダ型強度変調器などが使用できる。マッハツェンダ型強度変調器は印加する変調電圧のバイアス点を適切に選ぶことにより、振幅変調を行うことが可能である。

ＲＦ帯発振器１０は、無線周波数帯（一般には３Ｈｚ〜３００ＧＨｚ）の発振信号を発生する発振器である。一方、半導体レーザ１は、光通信用として用いられる場合、通常、波長０．８５μｍ（周波数約３５０ＴＨｚ）〜１．５５μｍ（周波数約１９０ＴＨｚ）程度の光信号を発生する。したがって、ＲＦ帯発振器１０は、光通信用光源である半導体レーザ１の光発振信号の発振周波数に比較して低い周波数で発振する発振器となる。このＲＦ帯発振器１０の発振信号は、例えば正弦波あるいは略正弦波状の交流信号とすることができる。また、半導体レーザ１は、半導体レーザ１を用いて発生された光発振信号が位相雑音低減装置の出力となるものであって、その光発振信号をさらに、同信号を２分岐して２つの分岐信号を出力する光分岐器に対して出力する。また、半導体レーザ１は、同信号の発振周波数（あるいは位相）を制御するための信号（制御信号）を入力するための端子を備えている。

遅延線３は、光分岐器２の一方の分岐信号を入力し、所定時間遅延した信号を出力する。光強度変調器４は、光分岐器２の他方の分岐信号をＲＦ帯発振器１０の出力信号で振幅変調する。光バンドパスフィルタ５は、光強度変調器４によって振幅変調された光信号のうちの上側波帯または下側波帯の光信号を出力する。光結合器６は、遅延線３の出力信号と、光強度変調器４によって振幅変調された信号のうち光バンドパスフィルタ５を通過した上側波帯または下側波帯の信号とを加算または減算する。この場合、光結合器６は、３ｄＢカプラ等として構成されていて、遅延線３の出力信号と光バンドパスフィルタ５の出力信号を互いに加算した結果に応じた信号と、それらの差分（減算した結果）に応じた信号との２つの信号を出力する。バランス型フォトダイオード７は、２つの縦列接続されたフォトダイオードから構成されていて、光結合器６から出力された２つの光信号のそれぞれに応じた電流が各フォトダイオードに流れ、それらの差分に応じた信号を出力する。可変移相器１１は、ＲＦ帯発振器１０の発振周波数帯で入力信号の位相を変更して出力するものであって、この場合、ＲＦ帯発振器１０の出力信号に所定量の位相変化を与えた信号を出力する。ミキサ８は、バランス型フォトダイオード７の出力信号とＲＦ帯発振器１０の出力信号の位相を可変移相器１１で変更した信号とを混合する。ローパスフィルタ９は、ミキサ８の出力信号の低周波成分を選択して出力する。本実形態においてローパスフィルタ９は、ＲＦ帯発振器１０の発振周波数の２倍の周波数の高周波成分を充分除去できる特性を持つように設定されているものとする。そして、本装置では、ローパスフィルタ９の出力信号に応じて光分岐器２に入力される光発振信号の位相を制御するための制御信号を発生し、半導体レーザ１の発振周波数制御端子にフィードバックして入力される、すなわち、制御信号が発振周波数制御端子に帰還される。

なお、図１において、半導体レーザ１を除く、光分岐器２、遅延線３、光強度変調器４、光バンドパスフィルタ５、光結合器６、バランス型フォトダイオード７、ミキサ８、ローパスフィルタ９、ＲＦ帯発振器１０、および可変移相器１１が、半導体レーザ１の位相雑音を検出する位相雑音検出回路２０を構成している。なお、本願において、位相雑音低減装置とは、半導体レーザ１と、半導体レーザ１を用いて発生された光発振信号から位相雑音を検出して半導体レーザ１の位相雑音を低減するための所定のフィードバック信号を出力する構成である位相雑音検出回路２０との両方を含む構成と、半導体レーザ１を含まず、その出力から位相雑音を検出して半導体レーザ１の位相雑音を低減するための所定のフィードバック信号を出力する構成である位相雑音検出回路２０からなる構成の両方を含むものであるとする。また、フィードバック信号となる位相雑音検出回路２０の出力制御信号を位相雑音検出信号と呼ぶこととする。

光分岐器２の出力信号をＶ_１、遅延線３の出力信号をＶ_２、ＲＦ帯発振器１０の出力信号をＶ_３とすると各出力信号は以下となる。

ただしω_ＬＤは半導体レーザ１の発振周波数、φ_ｎ（ｔ）は半導体レーザ１の出力信号の位相雑音、τは遅延線３の遅延時間、ω_ＲＦはＲＦ帯発振器１０の発振周波数、θはＲＦ帯発振器１０の位相、Ａ_１、Ａ_２、Ａ_３は定数、ｔは時間である。

光強度変調器４において、信号Ｖ_３を変調信号として信号Ｖ_１を振幅変調することにより、光強度変調器４の出力信号Ｖ_４、および光バンドパスフィルタ５の出力信号Ｖ_５は以下となる。

ただしＡ_４、Ａ_５は定数である。また光バンドパスフィルタ５は信号Ｖ_４の上側波帯を通過させる特性としている。光結合器６を３ｄＢカプラとすると、その２出力信号Ｖ_６、Ｖ_７は以下となる。

信号Ｖ_６、信号Ｖ_７をバランス型フォトダイオード７のそれぞれのダイオードに印加すると、ダイオードには印加電圧の２乗に比例した電流が流れ、バランス型フォトダイオード７の出力信号はそれらの差分になるため、次式で与えられる。

ただしＡ_７、Ａ_８は定数である。従ってバランス型フォトダイオード７の出力信号Ｖ_８は、ＲＦ帯発振器１０の発振周波数を持つ信号に半導体レーザ１の位相雑音が重畳された信号となる。可変移相器１１の出力信号をＶ_９とすると、

ただしβは可変移相器１１の入出力位相変化量（この入出力位相変化量βはＲＦ帯発振器１０の出力信号の位相を基準とした相対的な位相変化量である）、Ａ_９は定数である。

ミキサ８の出力信号は、バランス型フォトダイオード７の出力信号Ｖ_８と可変移相器１１の出力信号Ｖ_９の積の成分となるため、２ω_ＲＦの高周波成分を除去するローパスフィルタ９の出力信号Ｖ_１０すなわち位相雑音検出信号は次式となる。ただし、次式における位相雑音φ_ｎ（・）は、直流成分（ＤＣ成分）から高周波成分にわたる位相雑音のうち、ローパスフィルタ９を通過した信号成分を表すものである。

ただしＡ_１０は定数である。従ってローパスフィルタ９の出力信号Ｖ_１０には、ＲＦ帯発振器１０の位相θやその時間的変動である位相雑音は含まれない。

（１７）式の（ω_ＬＤτ−β）を９０°となるように可変移相器１１の入出力位相変化量βを調整すると、位相雑音は微小であることから、

となる。上式をラプラス変換すると

となる。ｓτ≪１の時、

となる。従ってローパスフィルタ９の出力信号は、半導体レーザ１の出力信号に含まれる位相雑音の周波数ｓおよび遅延線３の遅延時間τに比例した大きさの位相雑音成分として検出できる。なお、ｓはラプラス演算子であり、一般にはｓ＝σ＋ｊωで表される複素数である（ここでσは包絡定数、ｊは虚数単位、ωは角周波数である。ただし、本実施形態における雑音モデルではｓ＝ｊωとしてｓを扱うこととする。）。この位相雑音成分を半導体レーザ１の電流供給回路などの発振周波数を可変する端子にフィードバックし負帰還をかける。

負帰還をかけた時の雑音モデルを図２に示す。図２は、図１と同一の構成に、半導体レーザ１の入出力信号の位相雑音成分に関する信号と、伝達関数を示したものである。位相は周波数の積分であるため、発振周波数を可変する端子への入力信号によって出力位相を変化させる半導体レーザ１は積分回路Ｋ_Ｏ／ｓとして記述できる。ただしＫ_Ｏは半導体レーザ１の周波数変調感度で（ｒａｄ／ｓｅｃ／Ｖ）の次元を持つ。また、半導体レーザ１の位相雑音をφ_ＬＤ，ｎ（ｓ）、本装置の出力位相雑音をφ_Ｏ，ｎ（ｓ）とし、半導体レーザ１をＫ_Ｏ／ｓの伝達関数を持つ積分回路１ａとその出力に位相雑音をφ_ＬＤ，ｎ（ｓ）を外乱として与える加算器１ｂとで表している。図２に示す位相雑音検出回路２０で検出した位相雑音をφ_{ＤＥＴ，ｎ}（ｓ）とすると、各信号間の関係は、

となる。（２０）式および負帰還であることから、

となる。従って

となる。従って半導体レーザ１の位相雑音φ_ＬＤ，ｎ（ｓ）に対する本装置の出力位相雑音φ_Ｏ，ｎ（ｓ）の比は次式で与えられる。

従ってｓτ≪１を満たす位相雑音の周波数領域において、Ｋ_Ｏτを大きくすることにより、半導体レーザ１の位相雑音に対し、本装置の出力位相雑音を低減できる。例えば半導体レーザ１の周波数変調感度が１００（ＭＨｚ／Ｖ）＝２π×１０^８（ｒａｄ／ｓｅｃ／Ｖ）、遅延線３の遅延時間τが１０ｎｓ、定数Ａ_１０が１である時、（２４）式は１６ｄＢの位相雑音低減効果を示す。

位相雑音はＤＣ〜数十ＭＨｚ程度の周波数帯域に分布している雑音であり、（１５）式に示すレーザ光の位相雑音を重畳させるＲＦ周波数ω_ＲＦは数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚで良い。このような低い周波数帯で動作する可変移相器１１は数多く市販されており、レーザ光の周波数帯で動作する可変移相器は不要である。（ω_ＬＤτ−β）を９０°となるように可変移相器１１の入出力位相変化量βを調整するには、ミキサ８の平均出力電圧値が０、すなわち入出力位相変化量βを変化させた時に得られるミキサ８の出力電圧の最大値と最小値の中央値となるように決定すれば良い。

本実施形態では、ＲＦ帯で動作する可変移相器１１をＲＦ帯発振器１０とミキサ８の間に置く構成としたが、ＲＦ帯発振器１０と光強度変調器４の間、あるいはバランス型フォトダイオード７とミキサ８の間に置く構成としても良い。

光バンドパスフィルタ５で選択する周波数は上側波帯として説明したが、下側波帯でも良く、また光強度変調器４と光バンドパスフィルタ５とは両者を一体とした単側波帯（ＳＳＢ）変調器としても良い。

また本実施形態ではフォトダイオード７を２個縦列接続したバランス型の構成としたが、フォトダイオードは１個のシングルエンド型であっても、印加電圧の２乗に比例した成分が取り出せるため、同様の動作が可能である。ただしシングルエンド型の場合はＤＣ成分の抑圧がなされないため、バランス型に比較して位相雑音検出の感度は低下する。

また光結合器６は３ｄＢカプラに限らず、他の分配比のカプラ、さらにはビームススプリッタや平面導波路型でも良い。すなわち遅延線３の出力と光強度変調器４の単側波帯の信号とを加算または減算して、２乗特性を有するフォトダイオードに印加（すなわち光出力を入力）できる構成とすれば良い。

Ｂ．第２の実施形態

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図３は、本発明の第２の実施形態における装置の構成を示すブロック図である。同図において、図１と同一部分には同一番号を付与している。１２は光位相変調器である。

図１に示す第１の実施形態では、半導体レーザ１の出力を直接、光分岐器２へ入力していたのに対し、第２の実施形態では、半導体レーザ１の出力を光位相変調器１２を介して光分岐器２へ入力するようにしている。この光位相変調器１２は、光通信用光源である半導体レーザ１の発振出力信号を入力し外部から変調信号として印加された変調電圧で発振出力信号の位相を変更する。また、ローパスフィルタ９の出力を光位相変調器１２へ変調信号として入力するとともに、光位相変調器１２の出力をレーザ光出力（すなわち本装置の出力）としている。

光位相変調器１２は、広く用いられているマッハツェンダ型強度変調器の構成要素の一つである。その構成例を図４に示す。位相変調器１２はニオブ酸リチウムなどの電気光学効果を有する結晶基盤１２１上に光導波路１２２および電極１２３を作成して構成する。この電極に印加する電圧を変化させると光導波路１２２の屈折率が変化して、光導波路１２２を伝搬する光の位相が変化する。

図３ではローパスフィルタ９から出力される位相雑音成分検出信号を光位相変調器１２に入力し、半導体レーザ１から出力されるレーザ光を位相変調している。これによって半導体レーザ１の位相ゆらぎについて負帰還とすることができ、位相雑音の抑圧されたレーザ光を光位相変調器１２の直後から取り出すことができる。

この場合の雑音モデルを図５に示す。図５は、図３と同一の構成に、光位相変調器１２の入出力信号の位相雑音成分に関する信号と、伝達関数を示したものである。半導体レーザ１の位相雑音をφ_ＬＤ，ｎ（ｓ）、本装置の出力位相雑音をφ_Ｏ，ｎ（ｓ）、光位相変調器１２の電圧−位相変換利得をＫ_θ（ｒａｄ／Ｖ）とし、光位相変調器１２をＫ_Ｏの伝達関数を持つ増幅器１２ａとその出力に位相雑音をφ_ＬＤ，ｎ（ｓ）を加える加算器１２ｂとで表している。図５に示す位相雑音検出回路２０で検出した位相雑音をφ_{ＤＥＴ，ｎ}（ｓ）とすると、

となる。（２０）式および負帰還であることから、

となる。従って

となる。従って半導体レーザ１の位相雑音φ_ＬＤ，ｎ（ｓ）に対する本装置の出力位相雑音φ_Ｏ，ｎ（ｓ）の比は次式で与えられる。

従ってＫ_θｓτを大きくすることにより、半導体レーザ１の位相雑音に対し、本装置の出力位相雑音を低減できる。

本実施形態では、位相雑音検出信号を半導体レーザ１に入力することなく、光位相変調器１２にその変調信号として与えている。従って第１の実施形態のようにして半導体レーザ１の種類によりバイアス回路等に外部から信号を与えられない場合であっても、本実施形態は適用可能である。

Ｃ．第３の実施形態

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図６は、本発明の第３の実施形態における装置の構成を示すブロック図である。同図において、図３と同一部分には同一番号を付与している。１３は積分回路である。

図３に示す第２の実施形態では、位相雑音検出回路２０内のローパスフィルタ９の出力を位相雑音検出信号として光位相変調器１２へフィードバックしているのに対して、第３の実施形態では、位相雑音検出回路２０−１内に積分回路１３を設け、ローパスフィルタ９の出力信号を、それを積分する積分回路１３へ入力し、積分回路１３の出力信号に応じて発生された信号を位相雑音検出信号として光位相変調器１２へフィードバックしている。

この場合の雑音モデルを図７に示す。積分回路１３の入出力伝達関数は１／ｓである。半導体レーザ１の位相雑音をφ_ＬＤ，ｎ（ｓ）、本装置の出力位相雑音をφ_Ｏ，ｎ（ｓ）、光位相変調器１２の電圧−位相変換利得をＫ_θ（ｒａｄ／Ｖ）、図７に示す位相雑音検出回路２０−１で検出した位相雑音をφ_{ＤＥＴ，ｎ}（ｓ）とすると、（２６）式および積分回路１３の伝達関数より

となる。従って半導体レーザ１の位相雑音φ_ＬＤ，ｎ（ｓ）に対する本装置の出力位相雑音φ_Ｏ，ｎ（ｓ）の比は次式で与えられる。

従ってＫ_θτを大きくすることにより、半導体レーザ１の位相雑音に対し、本装置の出力位相雑音を低減できる。

本実施形態では、半導体レーザ１の種類によりバイアス回路等に外部から信号を与えられない場合であっても、適用可能であると共に、（３０）式に示す位相雑音低減効果に位相雑音の周波数ｓを含まないため、広帯域な位相雑音抑圧が可能となる。

また１／ｓの周波数特性を持つ積分回路１３はローパスフィルタの特性を持つ。従って２ω_ＲＦの高周波成分を除去するローパスフィルタ９と積分回路１３とを一体のローパスフィルタとして設計することも可能である。

また積分回路１３は図１に示す第１の実施形態のローパスフィルタ９の直後に置くことも可能である。

Ｄ．第４の実施形態

次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図８は、本発明の第４の実施形態における装置の構成を示すブロック図である。同図において、図６と同一部分には同一番号を付与している。１４は第１の遅延線、１５は第２の遅延線、１６は第３の遅延線、１７は加算器である。

第４の実施形態は、図６の遅延線３に代えて、位相雑音検出回路２０−２内に、互いに遅延時間が異なる第１の遅延線１４、第２の遅延線１５、第３の遅延線１６、および加算器１７を設けたものである。すなわち、図６の遅延線３が、第４の実施形態では、互いに異なる遅延時間の遅延信号を生成する第１〜第３の遅延線１４〜１６の組合せに変更されている。この場合、光分岐器２の光出力信号が第１の遅延線１４に入力され、第１の遅延線１４の出力が第２の遅延線１５と加算器１７に入力され、第２の遅延線１５の出力が第３の遅延線１６と加算器１７に入力され、第３の遅延線の出力が加算器１７に入力される。そして、加算器１７によって、第１〜第３の遅延線１４〜１６の出力が加算された結果の光信号が光結合器６へ入力される。なお、第１の遅延線１４、第２の遅延線１５、第３の遅延線１６の各遅延時間の関係については後述する。

図６に示すような遅延線が１つの実施形態の場合、遅延線の遅延時間の逆数となる位相雑音周波数およびその整数倍の周波数付近において、位相雑音の抑圧効果はなくなる。この理由は以下の通りである。半導体レーザ１の位相雑音φ_ＬＤ，ｎ（ｓ）に対する本装置の出力位相雑音φ_Ｏ，ｎ（ｓ）の比である（３０）式の導出においては、ｓτ≪１の時の近似式（２０）式を用いているが、近似する前の（１９）式を使うと、半導体レーザ１の位相雑音φ_ＬＤ，ｎ（ｓ）に対する本装置の出力位相雑音φ_Ｏ，ｎ（ｓ）の比は、次式で与えられる。

従って｜Ａ_１０Ｋ_θ／ｓ｜≒１とすると、ｓ＝ｊωからＡ_１０Ｋ_θ／ｓ≒１／ｊとなるため、ｅ^−ｓτ＝ｅ^−ｊωτのωτが３π／２となる周波数において（３１）式の分母は−ｊ、ωτが２πとなる周波数において（３１）式の分母は１であり、３π／２から２πの間の周波数では（３１）式の分母の絶対値は１よりも小さくなる。すなわち、遅延線の遅延時間τの逆数となる周波数よりわずかに低い周波数およびその整数倍の周波数において（３１）式の絶対値は１よりも大きな値となって、本装置の出力位相雑音は半導体レーザ１の位相雑音に比較して逆に劣化する。

この劣化を避けるために、図８に示す本実施形態では、遅延時間が２以上の整数倍の関係にない複数の遅延線を設けてその出力を加算して負帰還ループに入れている。

シミュレーション結果を図９〜図１１を参照して説明する。各図において横軸は半導体レーザ１の出力中心周波数（キャリア周波数）からのオフセット周波数の値、縦軸はＳＳＢ位相雑音、すなわち信号の全電力に対する各１Ｈｚ帯域幅の電力の比（単位ｄＢｃ／Ｈｚ）を表したものである。図９は半導体レーザ１の位相雑音、図１０は図６に示す遅延線が１つの場合の本装置の出力位相雑音であり、遅延線の遅延時間は１００μｓとしている。図１１は図８に示す遅延線を３つとした場合の本装置の出力位相雑音であり、遅延線の遅延時間はそれぞれ、２１μｓ、３３μｓ、４６μｓとしている。図１０は図９に比べて低周波域で位相雑音を１０ｄＢ以上抑圧しているが、遅延線の遅延時間の逆数である１０^４Ｈｚの整数倍付近の周波数で位相雑音特性が劣化している。一方、図１１では、図９に比べて低周波域での位相雑音を抑圧すると共に、図１０に比べて１０^４Ｈｚの整数倍付近の周波数での位相雑音特性の劣化を抑えている。

本実施形態では遅延線を３つとしたが、その数に制限はない。また遅延線の出力をすべて同じ重みで加算するのではなく、遅延線ごとに異なった重みで加算しても良い。また、各遅延線を直列で接続するものや、並列で接続するものを組み合わせるようにしてよい。

また複数の遅延線を設ける構成は、第１から第３までのいずれの実施形態にも適用可能である。また、本発明の実施形態の構成は、上記に限定されず、例えば半導体レーザ１へ入力され各回路の出力に適宜バッファ回路等の他の回路を増設するなどの変更を行うことが可能である。

上述したように、本発明の位相雑音低減装置の各実施形態は、半導体レーザ１等の光通信用光源を用いて発生された光発振信号が入力され、その光発振信号を２分岐した分岐信号を出力する光分岐器２と、光分岐器２の一方の分岐信号を遅延させる遅延線３等からなる遅延手段と、半導体レーザ１等の光通信用光源の発振周波数に比較して低い周波数で発振するＲＦ帯発振器１０と、光分岐器１２の他方の分岐信号をＲＦ帯発振器１０の出力信号で振幅変調する光強度変調器４と、遅延線３等からなる遅延手段の出力信号と、光強度変調器４によって振幅変調された信号から光バンドパスフィルタ５で所定の周波数帯を選択することで得た上側波帯又は下側波帯の信号とを加算又は減算して出力する光結合器６と、光結合器６の出力信号を入力するバランス型フォトダイオード７等の受光素子と、ＲＦ帯発振器１０の発振周波数帯で入力信号の位相を変更して出力する可変移相器１１と、バランス型フォトダイオード７等の受光素子の出力信号と、ＲＦ帯発振器１０の出力信号とを、いずれか一方を可変移相器１１で位相変更した上で混合するミキサ８と、ミキサ８の低周波成分を選択するローパスフィルタ９とを備え、ローパスフィルタ９の出力信号に応じて上記光発振信号の位相を制御するための制御信号を発生することを特徴とするものである。

そして、この特徴によれば、位相雑音の検出に光強度の変化を用いず、またレーザ光の周波数帯で動作する可変移相器が不要のため、安定的にレーザ光源の位相雑音を低減することができる。

以上説明した様に、本発明によれば、位相雑音の検出に光強度の変化を用いず、またレーザ光の周波数帯で動作する可変移相器が不要のため、安定的にレーザ光源の位相雑音を低減することができる。

１ 半導体レーザ
２ 光分岐器
３ 遅延線
４ 光強度変調器
５ 光バンドパスフィルタ
６ 光結合器
７ バランス型フォトダイオード
８ ミキサ
９ ローパスフィルタ
１０ ＲＦ帯発振器
１１ 可変移相器
１２ 光位相変調器
１３ 積分回路
１４ 第１の遅延線
１５ 第２の遅延線
１６ 第３の遅延線
１７ 加算器
２０、２０−１、２０−２ 位相雑音検出回路

Claims (5)

1. 光通信用光源を用いて発生された光発振信号が入力され、該光発振信号を２分岐した分岐信号を出力する光分岐器と、
   前記光分岐器の一方の分岐信号を遅延させる遅延手段と、
   前記光通信用光源の発振周波数に比較して低い周波数で発振する発振器と、
   前記光分岐器の他方の分岐信号を前記発振器の出力信号で振幅変調する光強度変調器と、
   前記遅延手段の出力信号と、前記光強度変調器によって振幅変調された信号の上側波帯又は下側波帯の信号とを加算又は減算して出力する光結合器と、
   前記光結合器の出力信号を入力する受光素子と、
   前記発振器の発振周波数帯で入力信号の位相を変更して出力する可変移相器と、
   前記受光素子の出力信号と、前記発振器の出力信号とを、いずれか一方を前記可変移相器で位相変更した上で混合するミキサと、
   前記ミキサの出力信号の低周波成分を選択するローパスフィルタとを備え、
   前記ローパスフィルタの出力信号に応じて前記光発振信号の位相を制御するための制御信号を発生する
   ことを特徴とする位相雑音低減装置。
2. 前記光分岐器に入力される光発振信号が、発振周波数制御端子を備える前記光通信用光源によって発生されたものであり、
   前記制御信号が、前記発振周波数制御端子に帰還される
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相雑音低減装置。
3. 前記光分岐器に入力される光発振信号が、前記光通信用光源と該光通信用光源の発振出力信号を入力し外部から印加された変調電圧で発振出力信号の位相を変更する光位相変調器とによって発生されたものであり、
   前記制御信号が、前記光位相変調器の変調電圧入力端子に帰還される
   ことを特徴とする請求項１に記載の位相雑音低減装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の位相雑音低減装置において、
   前記ローパスフィルタの出力信号を積分する積分回路を備え、
   前記制御信号が、前記積分回路の出力信号に応じて発生される
   ことを特徴とする位相雑音低減装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の位相雑音低減装置において、
   前記遅延手段が、互いに異なる遅延時間の遅延信号を生成する遅延線の組合せを有して構成される、
   ことを特徴とする位相雑音低減装置。

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