JP2011146786A

JP2011146786A - 位相制御装置

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Publication number: JP2011146786A
Application number: JP2010004032A
Authority: JP
Inventors: Masashi Mizuma; 将支水間; Tomohiro Akiyama; 智浩秋山; Shunpei Kameyama; 俊平亀山; Morishige Hieda; 護重檜枝; Yoshihito Hirano; 嘉仁平野
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-01-12
Filing date: 2010-01-12
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-12
Also published as: JP5404434B2

Abstract

【課題】部品数を少なくし、低コスト化、小型化を図る。
【解決手段】レーザ光源２１，３１，４１と、変調信号発生器２３，３３，４３と、変調信号に応じてレーザ光に強度変調を与える光変調器２２，３２，４２と、光変調器からのレーザ光を所定の位相に調整する光移相器２５，３５，４５と、光移相器からのレーザ光を電気信号に変換する光電変換器２６，３６，４６とで構成される、複数のレーザ光伝送線路と、前記変調信号に対する所望信号を出力する所望位相出力系１〜１４と、所望位相出力系からの信号の位相と複数のレーザ光伝送線路における変調信号の位相とを比較し、それらの信号の位相が一致するように、光移相器でのレーザ光の位相の調整に用いる制御信号を出力する位相比較器２８，３８，４８とを備え、当該制御信号による位相の調整により、光電変換器１８からの電気信号を所望の位相に制御する。
【選択図】図１

Description

この発明は位相制御装置に関し、特に、ＲＦ信号の位相を自由に制御できる位相制御装置に関するものである。

一般に光が媒質中を伝搬する場合、その光路において温度変動等の擾乱が生じると、媒質中の屈折率が変化するため、光路長が変動する。したがって、ＲｏＦ（ＲａｄｉｏＯｎＦｉｂｅｒ）伝送等で、ＲＦ変調を光信号に施す際、伝送するＲＦ信号に高位相安定が求められる場合には、光路長を所望の値に制御するなどの処置を施す必要がある。ＲＦ信号の位相を制御するための従来の光路長制御装置としては、例えば、図７のような装置がある。この装置では、位相を制御するＲＦ信号を変調信号発生器より発生させ、レーザ光源からのレーザ光に対し、光変調器によりＲＦ変調を施して、光合波器を介して伝送させる。一方、前述したレーザ光を発生するレーザ光源とは別に、光路長制御用のレーザ光源を備えている。この光路長制御用のレーザ光源からのレーザ光は、光分岐器により２分岐され、一方はヘテロダイン検波のためのローカル光として、光カプラに入力される。光分岐器からのもう一方のレーザ光は、光サーキュレータ、光合波器、光移相器、光分波器を通過し、さらに光移相器、光合波器、光サーキュレータを再度通過して、周波数シフタに入力される。その後このレーザ光は、周波数シフタにより、基準信号源からの変調信号だけ周波数シフトされ、光カプラに入力される。

この光カプラにおいて、入力された２つのレーザ光は合波され、光受信器によりヘテロダイン検波される。その後、光受信器からの周波数が基準信号源の変調周波数であるビート信号が出力され、位相検波器に入力される。位相検波器では、基準信号源からの信号と光受信器からのビート信号との位相を比較し、前述のＲＦ信号の位相を所望の位相と一致させるための例えば電圧値などの制御信号が出力される。この制御信号は、ループフィルタを介して光移相器に入力され、制御信号に応じた量だけ光信号の位相がシフトされる。ここで、光受信器からのビート信号により得られる制御信号が、光移相器に入力されるという動作が繰り返されることにより、帰還回路が構成され、この帰還回路により、擾乱による光路長変動を補正する制御を行う。したがって、前述のＲＦ変調が施されたレーザ光は、光移相器、光サーキュレータを通過して光分波器で分波され、光電変換器で直接検波により、再び電気のＲＦ信号に変換されるが、この変換されたＲＦ信号は高い位相安定性が得られている（例えば、非特許文献１参照）。

さらに、複数のＲｏＦ伝送系で位相を制御させる場合には、図７の構成を複数用いたような例えば図８の構成を用いることで実施できると考えられる。

武者他、「Robust and precise length stabilization of a 25-km long optical fiber using an optical interferometric method with a digital phase-frequency discriminator」、Applied Physics B 82、pp555-559、2006(図2)

従来の位相制御装置は、図７のように、レーザ光を２つに分岐してヘテロダイン検波を行い、この検波で得られるビート信号と、ビート信号を得るために用いた周波数シフト用基準信号との位相比較を行うことで、光信号の位相を検波する。さらに、この検波した位相が所望の位相と一致するように光信号の位相を調整するための電圧値などの制御信号が、位相検波器から光移相器に伝送され、光移相器により、制御信号に応じた量だけ光信号の位相がシフトされる。ここで、ヘテロダイン位相検波と光移相器による位相制御が繰り返されることにより、帰還回路が構成され、この帰還回路により、擾乱による光路長変動を補正する制御を行う。さらに、複数のＲｏＦ伝送系で位相を制御させる場合には、図８の構成を用いることで実施できる。しかしながら、この構成では、帰還回路が前記ＲｏＦ伝送系の数だけ必要となり、大型になる、部品数が非常に多くなる、製造コストが高くなるといった問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、従来のこの種の装置よりも部品数を少なくでき、低コスト化、小型化などが図れる、位相制御装置を得ることを目的としている。

この発明は、レーザ光を発生する第１レーザ光源と、強度変調を与えるための変調信号を発生する第１変調信号発生器と、前記第１レーザ光源からのレーザ光と前記第１変調信号発生器からの変調信号とが入力されて、前記変調信号に応じ、前記レーザ光に強度変調を与える第１光変調器と、前記第１光変調器からの強度変調されたレーザ光が入力されて、当該レーザ光を、予め設定された所定の位相に調整し出力する第１光移相器と、前記第１光移相器から位相が調整されたレーザ光が入力されて、当該レーザ光を直接検波した後、当該レーザ光に強度変調されていた電気信号を取り出す光電変換器とで構成される、複数のレーザ光伝送線路を備え、さらに、前記第１変調信号発生器からの前記変調信号に対する、本装置で制御するべき所望の位相の情報を有する信号を、所望信号として出力する所望位相出力系と、前記所望位相出力系からの信号の位相と、前記複数のレーザ光伝送線路を伝送している変調信号の位相とを比較し、前記複数のレーザ光伝送線路からの変調信号の位相が、前記所望位相出力系からの信号の位相と一致するように、前記第１光移相器において、レーザ光の位相を調整するために用いるための制御信号を出力する位相比較器とを備え、前記制御信号に基づいて前記第１光移相器によりレーザ光の位相を調整することで、前記光電変換器からの電気信号の位相を所望の位相に制御することを特徴とする位相制御装置である。

この発明は、レーザ光を発生する第１レーザ光源と、強度変調を与えるための変調信号を発生する第１変調信号発生器と、前記第１レーザ光源からのレーザ光と前記第１変調信号発生器からの変調信号とが入力されて、前記変調信号に応じ、前記レーザ光に強度変調を与える第１光変調器と、前記第１光変調器からの強度変調されたレーザ光が入力されて、当該レーザ光を、予め設定された所定の位相に調整し出力する第１光移相器と、前記第１光移相器から位相が調整されたレーザ光が入力されて、当該レーザ光を直接検波した後、当該レーザ光に強度変調されていた電気信号を取り出す光電変換器とで構成される、複数のレーザ光伝送線路を備え、さらに、前記第１変調信号発生器からの前記変調信号に対する、本装置で制御するべき所望の位相の情報を有する信号を、所望信号として出力する所望位相出力系と、前記所望位相出力系からの信号の位相と、前記複数のレーザ光伝送線路を伝送している変調信号の位相とを比較し、前記複数のレーザ光伝送線路からの変調信号の位相が、前記所望位相出力系からの信号の位相と一致するように、前記第１光移相器において、レーザ光の位相を調整するために用いるための制御信号を出力する位相比較器とを備え、前記制御信号に基づいて前記第１光移相器によりレーザ光の位相を調整することで、前記光電変換器からの電気信号の位相を所望の位相に制御することを特徴とする位相制御装置であるので、従来のこの種の装置よりも部品数を少なくでき、低コスト化、小型化などを図ることができる。

この発明の実施の形態１に係る位相制御装置の構成を示した構成図である。この発明の実施の形態１に係る位相制御装置の所望位相出力系の図１の例とは別の構成例を示した図である。この発明の実施の形態１に係る位相制御装置の所望位相出力系のさらなる別の構成例を示した図である。この発明の実施の形態１に係る位相制御装置の所望位相出力系のさらなる別の構成例を示した図である。この発明の実施の形態１に係る位相制御装置の所望位相出力系のさらなる別の構成例を示した図である。この発明の実施の形態１に係る位相制御装置の所望位相出力系のさらなる別の構成例を示した図である。従来の位相制御装置の構成を示した図である。従来の位相制御装置の構成を示した図である。

以下、この発明の実施の形態について図に基づいて説明するが、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。また、重複する説明については省略する。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係る位相制御装置の構成図である。

図１に示すように、レーザ光源１５は、レーザ光を発生し、変調信号発生器１７は、光変調器１６で変調を施すためのＲＦ信号を発生する。光変調器１６は、レーザ光源１５からのレーザ光を、変調信号発生器１７から与えられるＲＦ信号に応じて強度変調し、変調後のレーザ光を光合波器４に伝送する。この変調されたレーザ光を以下では信号光と称し、本装置では、この信号光に変調されているＲＦ信号の位相を制御するために光路長を制御するものとする。

一方、別のレーザ光源である、レーザ光源１は、レーザ光を発生し、光分岐器２に入力する。光分岐器２は、入力されるレーザ光を２つに分岐し、一方のレーザ光を光カプラ１０に伝送し、他方のレーザ光を光サーキュレータ３（光分離手段）に伝送する。この光カプラ１０に伝送されるレーザ光を以下ではローカル光と称し、ヘテロダイン検波のためのレーザ光として使用する。また、光サーキュレータ３に伝送されるレーザ光を以下では参照光と称し、ヘテロダイン検波のためのレーザ光として使用する。

光サーキュレータ３は、光分岐器２からのレーザ光を第１のポートから入力し、光合波器４に対して第２のポートから出力して伝送し、光合波器４からのレーザ光を第３のポートから周波数シフタ９に伝送する。光合波器４は、レーザ光源１５からの信号光と光サーキュレータ３からの参照光とを合波して光移相器５に伝送するとともに、光移相器５からの参照光を光サーキュレータ３に伝送する。光移相器５は、ループフィルタ１４から伝送される制御信号に基づいて、光合波器４からの参照光の位相を所定の位相に調整し、参照光と信号光とを光ファイバ６に伝送するとともに、光ファイバ６からの参照光を光合波器４に伝送する。この光移相器５としては、例えばファイバストレッチャのような光ファイバ長を変化させることでレーザ光の位相を調整させるものが挙げられる。

光ファイバ６は、光移相器５からの信号光と参照光を光分波器７に伝送するとともに、光分波器７からの参照光を光移相器５に伝送する。光分波器７は、光ファイバ６からの信号光と参照光とを波長の違いに基づいて分離し、参照光は光反射器８に伝送し、信号光は光電変換器１８に伝送する。光反射器８は光分波器７からの参照光を反射させ、再び光分波器７に伝送する。その後、この参照光は、光分波器７から、光ファイバ６、光移相器５、および、光合波器４を介して、光サーキュレータ３の第２のポートに再び入力される。一方、光電変換器１８は、光分波器７からの信号光を直接検波により電気信号に変換して、信号光に強度変調されていた電気信号を取り出し、位相安定化されたＲＦ信号として外部に出力する。なお、この信号の位相は後述するレーザ光伝送線路におけるＲＦ信号の位相を制御するための所望の位相であり、以下では所望位相と称し、この信号を所望信号と称する。分岐器１９は光電変換器１８からのＲＦ信号をｎ個に分岐し、ｎ個の位相比較器に伝送する。

基準信号源１２は、ローカル光と参照光を用いたヘテロダイン検波において参照光を周波数シフトさせるときの変調信号を発生する。周波数シフタ９は、光サーキュレータ３からの参照光を基準信号源１２からの変調信号に応じて周波数をシフトさせ、光カプラ１０に伝送する。この周波数シフタ９としては、例えば音響光学素子に超音波を加えることで入力光の周波数をシフトさせるＡＯ変調器（ＡｃｏｕｓｔＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ：ＡＯＭ）などが挙げられる。

光カプラ１０は、ローカル光と参照光とを合波し、光受信器１１に伝送する。光受信器１１は、光カプラ１０からの２つのレーザ光をヘテロダイン検波した後、得られるビート信号（以下ではヘテロダインビート信号と称する）を位相検波器１３に伝送する。位相検波器１３は、基準信号源１２からの基準信号と、光受信器１１からのヘテロダインビート信号との位相を比較し、参照光の位相の情報を含んだ例えば電圧値などの信号を出力する。

位相検波器１３は、入力信号に情報として含まれる参照光の位相の差を検出し、この差と予め設定された所望の位相とが一致するように光移相器５で参照光の位相を調整するための例えば電圧値などの制御信号をループフィルタ１４に伝送する。ループフィルタ１４は、帰還回路により参照光の位相制御を行うために用いるフィルタであり、通常ローパスフィルタを用い、制御信号に含まれるフィルタ帯域より高周波の成分を除去して光移相器５に伝送する。なお、図１のレーザ光源１からループフィルタ１４までを含み、光電変換器１８から所望信号を出力するためのレーザ光を発生させる部分を、以下では所望位相出力系と称する。

一方、さらに別に設けられたｎ個のレーザ光源のうちの１つである、レーザ光源２１は、レーザ光を発生し、変調信号発生器２３は、光変調器２２で変調を施すためのＲＦ信号を発生する。光変調器２２は、レーザ光源２１からのレーザ光を、変調信号発生器２３から与えられるＲＦ信号に応じて強度変調させる。光ファイバ２４は光変調器２２からの強度変調されたレーザ光を光移相器２５に伝送する。

光移相器２５はループフィルタ２９から伝送される制御信号に基づいて、光ファイバ２４からのレーザ光に強度変調されているＲＦ信号の位相を所定の位相に調整する。光電変換器２６は光移相器２５からのレーザ光を直接検波した後、レーザ光に強度変調されていたＲＦ信号を電気信号に変換して分岐器２７へ伝送する。分岐器２７は光電変換器２６からのＲＦ信号を２つに分岐させ、一方を位相比較器２８へ伝送させ、もう一方は位相が制御された所望のＲＦ信号として、所定の位置へ伝送させる。位相比較器２８は分岐器２７からのＲＦ信号と分岐器１９からの基準信号との位相を検出し、分岐器２７からのＲＦ信号の位相が基準位相と一致するように光移相器２５でレーザ光の位相を調整するための例えば電圧値などの制御信号をループフィルタ２９に伝送する。ループフィルタ２９は、帰還回路により参照光の位相制御を行うために用いるフィルタである。

ここで図１では、レーザ光源２１からループフィルタ２９までと同様の線路が各々ｎ個あるとし、それぞれの機能は全て前述と同じとする。ｎ個の光ファイバについては、それぞれの長さはＬ_１、Ｌ_２、・・・、Ｌ_ｎとする。なお、図１では簡単のため、長さＬ_２の光ファイバを有する線路に関する部品であるレーザ光源３１からループフィルタ３９までと、長さＬ_ｎの光ファイバを有する線路に関する部品であるレーザ光源４１からループフィルタ４９のみを記載している。

次に、図１の位相制御装置の全体の動作について説明する。まず、レーザ光源１５からレーザ光が発生され、光変調器１６により、変調信号発生器１７から与えられるＲＦ信号に応じて強度変調が施され、光合波器４で参照光と合波された後、光移相器５および光ファイバ６を通過して、光分波器７で参照光と分離され、光電変換器１８に出力される。

また、レーザ光源１から、信号光と異なる波長を有するレーザ光が発生され、光分岐器２で２つに分岐された後、一方はローカル光として光カプラ１０に伝送され、他方は参照光として光サーキュレータ３に伝送される。光サーキュレータ３からの参照光は、光合波器４に伝送され、レーザ光源１からの信号光と合波された後、光移相器５に伝送される。光移相器５からの信号光と参照光は、光ファイバ６を通過して、光分波器７で信号光と参照光は分離される。参照光は、光反射器８で反射された後、再び、光分波器７、光ファイバ６、光移相器５、光合波器４、光サーキュレータ３を通過して周波数シフタ９に伝送される。

周波数シフタ９に入力された参照光は、基準信号源１２から発生される変調信号の周波数だけ周波数シフトされて光カプラ１０に伝送される。その後、光分岐器２からのローカル光と周波数シフタ９からの参照光は、光カプラ１０により合波され、光受信器１１に伝送される。この光カプラ１０からの２つのレーザ光は、光受信器１１によりヘテロダイン検波され、得られるヘテロダインビート信号が位相検波器１３に伝送される。

このヘテロダインビート信号は、位相検波器１３により、基準信号源１２からの基準信号の位相と比較され、この位相が予め設定された所望の位相と一致するように光移相器５で参照光の位相を調整するための例えば電圧値などの制御信号がループフィルタ１４に伝送される。さらに上記制御信号は、ループフィルタ１４により、フィルタ帯域外の成分が除去された後、光移相器５に伝送される。

光移相器５は、入力された制御信号に応じて、光合波器４からの参照光の位相を調整する。ここで、光受信器１１からのビート信号により得られる制御信号が光移相器５に入力され、光移相器５がこの制御信号に応じて参照光の位相を調整するという動作が繰り返されることにより、帰還回路が構成される。この帰還回路により、擾乱による光ファイバ長変動を補正する制御を行う。したがって、光電変換器１８での直接検波により電気信号に変換された基準信号は高い位相安定性が得られる。この基準信号は分岐器１９に伝送され、ｎ個に分岐された後、ｎ個の位相比較器に伝送される。

一方、レーザ光源２１からレーザ光が発生され、光変調器２２により、変調信号発生器２３から与えられるＲＦ信号に応じて強度変調が施された後、光ファイバ２４および光移相器２５を通過して、光電変換器２６により電気信号に変換される。この電気信号に変換されたＲＦ信号は、分岐器２７により２つに分岐され、一方は位相比較器２８へ伝送され、もう一方は位相が制御された所望のＲＦ信号として、所定の位置へ伝送される。

その後、分岐器２７からのＲＦ信号と分岐器１９からの基準信号は、位相比較器２８によりそれぞれの位相が検出され、分岐器２７からのＲＦ信号の位相が基準位相と一致するように光移相器２５でレーザ光の位相を調整するための例えば電圧値などの制御信号が、位相比較器２８からループフィルタ２９に伝送される。さらに上記制御信号は、ループフィルタ２９により、フィルタ帯域外の成分が除去された後、光移相器２５に伝送される。

光移相器２５は、入力された制御信号に応じて、光ファイバ２４からの強度変調が施されたレーザ光の位相を調整する。ここで、ループフィルタ２９からの制御信号が光移相器２５に入力され、光移相器２５がこの制御信号に応じてレーザ光の位相を調整するという動作が繰り返されることにより、帰還回路が構成される。この帰還回路により、擾乱による光ファイバ長変動を補正する制御を行う。したがって、分岐器２７からのＲＦ信号は、所望位相と一致した状態でなおかつ高い安定度で位相が保持される。

ここで、長さＬ_２の光ファイバを有する線路に関する部品であるレーザ光源３１からループフィルタ３９までで構成された線路から、長さＬ_ｎの光ファイバを有する線路に関する部品であるレーザ光源４１からループフィルタ４９までで構成された線路までの、ｎ−１個の線路は、前述したレーザ光源２１からループフィルタ２９までで構成された線路と同じ動作を行う。したがって、分岐器２７から分岐器４７までのｎ個の分岐器からのＲＦ信号は、全て所望位相と一致した状態でなおかつ高い安定度で位相が保持される。

次に、図１の位相制御装置における効果について説明する。図１の構成は前述したように、所望位相出力系は１つである。一方、従来の構成である図８では、所望位相出力系（基準位相出力系）はｎ個である。したがって、図１の構成では、従来に対し部品数を少なくできるため、低コスト化が可能となる、小型化が可能となるといった効果が得られる。

なお、図１の構成例によれば、レーザ光源１と光分岐器２との間、光分岐器２と光サーキュレータ３との間、光サーキュレータ３と光合波器４との間、光合波器４と光移相器５との間、光移相器５と光ファイバ６との間、光ファイバ６と光分波器７との間、光分波器７と光反射器８との間、光分岐器２と光カプラ１０との間、光サーキュレータ３と周波数シフタ９との間、周波数シフタ９と光カプラ１０との間、光カプラ１０と光受信器１１との間、光分波器７と光電変換器１８との間、および、長さＬ_１の光ファイバを有する線路に関する部品であるレーザ光源２１と光変調器２２との間、光変調器２２と光ファイバ２４との間、光ファイバ２４と光移相器２５との間、光移相器２５と光電変換器２６との間と、長さＬ_２から長さＬ_ｎまでのｎ−１個の光ファイバを有する線路におけるレーザ光源から光電変換器までの間で、上記レーザ光源２１から光電変換器２６までに関する４つの間と同様の形式の間は光ファイバによって接続されているので、装置の小型化が可能になり、さらに、高い信頼性が得られるとともに、取り扱いが容易となり、自由性の高い配置が得られるなどの効果がある。ただし、この実施の形態１では、レーザ光の伝送路の全てを光ファイバだけを用いることに限定するものではなく、例えば空間など、他のものを用いても構わない。

また、光移相器５は、光合波器４から光分波器７までの間であれば、どの位置に設置されてもよい。また、長さＬ_１の光ファイバを有する線路に関する部品である光移相器２５は、光変調器２２から光電変換器２６までの間であれば、どの位置に設置されてもよい。同様にして、長さＬ_２から長さＬ_ｎまでのｎ−１個の光ファイバを有する線路における光移相器はそれぞれの線路における光変調器から光電変換器までの間であれば、どの位置に設置されてもよい。

また、周波数シフタ９は、光サーキュレータ３から光分波器７までの間、光サーキュレータ３と光カプラ１０の間および光分岐器２と光カプラ１０の間であれば、どの位置に設置されてもよい。ただし、光合波器４から光分波器７までの間に設置する場合、参照光とともに信号光も周波数シフトされるため、信号光の周波数シフトが好ましくない場合に、上記以外に設置した方がよい。このことは、以降の他の変形例においても当てはまることである。

また、光分岐器２の分岐比については特に言及していないが、ヘテロダインビート信号電力および光受信器１１から出力される雑音電力に対し、位相検波が実現できるだけの信号対雑音比（ＳｉｇｎａｌｔｏＮｏｉｓｅＲａｔｉｏ、以下Ｓ／Ｎ比と称する）が確保できていればどのような分岐比でも構わない。また、ヘテロダイン検波を行う際にショット雑音限界に達していれば、さらなる検波性能の向上が得られる。

また、図１の構成では、参照光の位相を所望の位相と一致させるように、光路長を制御しているが、信号光の位相を所望の位相と一致させるためには、信号光と参照光の伝送経路ができるだけ一致している方が好ましい。したがって、例えば図１の構成では、光変調器１６と光合波器４との間、光分岐器２と光サーキュレータ３との間、光サーキュレータ３と光合波器４との間、光分波器７と光反射器８との間、光分波器７と光電変換器１８との間、光サーキュレータ３と周波数シフタ９との間、周波数シフタ９と光カプラ１０との間、および、光カプラ１０と光受信器１１との間は、信号光と参照光のうちどちらか一方のみが伝送されている経路であり、これらはできるだけ短い方が好ましい。

また、光ファイバ等の物質中を光が伝播する場合、光の速さが光の波長（周波数）により異なる現象が生じ、これを分散と呼んでいる。一般的なシングルモードファイバ（以下、ＳＭＦと称する）の分散値は、波長１．３μｍ付近でほぼ０であり、波長１．５５μｍ付近で約１７ｐｓ／ｋｍ／ｎｍである。この「ｐｓ／ｋｍ／ｎｍ」という単位は、波長が１ｎｍ離れた２つの光がファイバ長１ｋｍを伝播したときに生じる伝播時間の差を表している。また、一般的に光通信などの用途で使用されるＳＭＦは、透過損失が最も小さい１．５５μｍ帯のものが使われることが多い。したがって、図１の構成で、レーザ光源１およびレーザ光源１５から発生するレーザ光の波長を１．５５μｍ帯とし、光ファイバ６や各部品の接続に使用している光ファイバにＳＭＦを用いた場合、レーザ光源１およびレーザ光源１５からのレーザ光が光ファイバを伝送する間に、分散による位相差が生じてしまい、光路長変動による所望の位相差のみを検出できなくなる。この対処法としては、本装置で用いている光ファイバとして、分散シフト光ファイバや分散補償器を用いればよい。分散シフト光ファイバは、伝送するレーザ光の波長における分散の値が０かもしくは小さくなるように調整された光ファイバのことである。分散シフト光ファイバは、一般的に、ファイバ内部の屈折率を調整することで、波長１．５５μｍ付近における分散の値を０としたファイバであり、このファイバを用いることで、分散の影響を抑圧することができる。また、分散補償器は、ＳＭＦ等により生じた分散に対して符合が逆の分散を与えることで、伝送系全体の分散を打ち消すものであり、これを使用することでも同様に、分散の影響を抑圧することができる。また、本装置において、２つのレーザ光を使用したときの分散により生じる位相差が既知である場合には、あらかじめ位相検波器１３でこの値を補償しておけば、所望の位相を検出することができる。

また、所望位相出力系として、図２のような構成を用いてもよい。図２の構成は、図１の所望位相出力系の構成に対して、光サーキュレータ３の代わりに、入射するレーザ光に対して２つの直交する偏光成分に分離して出射する偏光ビームスプリッタ１０１（以下ではＰＢＳと称する）を使用するとともに、光反射器８の代わりに、入射するレーザ光の偏光面を４５°回転させて反射させる（往復で９０°回転させる）ファラデーローテータ反射器１０２を使用している。また、光分岐器２と光カプラ１０との間で偏波面が９０°回転するように光ファイバを接続している。他の構成については、図１の所望位相出力系の構成と同じである。

これにより、光ファイバに偏波面が保存されない光ファイバを使用した場合でも、高いヘテロダイン検波効率が得られるという効果がある。この理由は以下の通りである。光ヘテロダイン検波では、検波効率を最大にするためには、ローカル光と参照光の偏波面を一致させる必要がある。しかし、光ファイバ６や本装置内の各部品の光路接続にＳＭＦ等の偏波面が保存されない光ファイバを使用した場合、ヘテロダイン検波効率が劣化するという欠点が生じる。この欠点を解消するためには、本装置内に用いる光ファイバに偏波面保存ファイバを使用するという方法があるが、それ以外の方法として、図２の構成を用いると、光ファイバ６に偏波面が保存されない光ファイバを使用したとしても、参照光はＰＢＳ１０１とファラデーローテータ反射器１０２との間を往復で２回通過して偏波面を９０°回転しているので、ＰＢＳ１０１とファラデーローテータ反射器１０２との間の偏波変動を補償することができる。さらに、前述したように、光分岐器２と光カプラ１０との間で偏波面が９０°回転するようにして光ファイバを接続させているため、ローカル光と参照光との偏波面が一致した状態で、ヘテロダイン検波を行う。したがって、図２の構成では、高いヘテロダイン検波効率が得られるという効果がある。

また、所望位相出力系として、図３のような構成を用いてもよい。図３の構成は、図１の所望位相出力系の構成に対して、レーザ光源１の代わりに２つのレーザ光源１１１およびレーザ光源１１２を使用し、また、レーザ光源１１１およびレーザ光源１１２のそれぞれの出力光を合波させるための光合波器１１３を設け、さらに、レーザ光源１１１およびレーザ光源１１２のそれぞれの出力光を分波させるための光分波器１１４を使用し、光分波器１１４で分波させたあとの２つのレーザ光をそれぞれ電気信号に変換させるための光受信器１１５および光受信器１１６を設け、また、光受信器１１５および光受信器１１６からのヘテロダインビート信号を、基準信号源１２からの基準信号の位相と比較し、得られる位相の情報を含んだ信号を出力する位相検波器１１７および位相検波器１１８と、位相検波器１１７からの信号に情報として含まれる位相と位相検波器１１８からの信号に情報として含まれる位相との差が予め設定された所望の位相差と一致するように光移相器５で参照光の位相を調整するための例えば電圧値などの制御信号が出力される位相差検出器１１９を使用している。他の構成は、図１の所望位相出力系の構成と同じである。

図３の構成とすることにより、制御できる光ファイバ長が増加するという効果が得られる。この理由を以下で説明する。レーザ光源１１１からのレーザ光とレーザ光源１１２からのレーザ光との間の周波数差をΔｆ、ファイバの屈折率をｎ、光速をｃとすると、位相差検出器１１９で検出した位相差が得られる本装置内のファイバ長の間隔ΔＬは次式（１）で表される。

例えば、式（１）において、Δｆ＝１００ＧＨｚ、ｎ＝１．４５とすると、ΔＬ＝２．１ｍｍが得られる。このとき、ファイバ長２．１ｍｍの範囲内では、位相差とファイバ長は１対１の対応関係にあるため、位相差の測定値からファイバ長の絶対値を知ることができ、所望のファイバ長に制御することが可能となる。一方、従来の構成では、光波長オーダーでの位相を検波し、制御することは可能だが、それ以上のファイバ長を制御することは困難である。したがって、図３の構成を用いることで、光源の周波数差に応じたファイバ長を制御することが可能となり、従来と比較して制御可能なファイバ長を増加させる効果が得られる。

なお、図３の構成において、所望位相出力系のレーザ光源１１１，１１２から光受信器１１５までの間、それらのレーザ光源１１１，１１２からのレーザ光が伝送される際に生じる分散による位相差を、位相差検出器１１９において位相差を検出する際に、あらかじめ補償しておく機能を含むようにしてもよい。

また、所望位相出力系として、図４のような構成を用いてもよい。図４の構成は、図３の所望位相出力系の構成に対して、レーザ光源１１２と光合波器１１３とを使用せず、レーザ光源１１１と光分岐器２との間に、ＲＦ信号を発生させる変調信号発生器１２２と、入射するレーザ光に対して変調信号発生器１２２から与えられるＲＦ信号に応じて強度変調し、変調後のレーザ光を出力する光変調器１２１とを使用している。他の構成は、図３と同じである。

図４の構成により、２つ以上の光信号を発生させることができるため、光源が一つのみでよいことから、低コストで、小型化が可能となるという効果が得られる。

また、所望位相出力系として、図５のような構成を用いてもよい。図５の構成は、図３の所望位相出力系の構成に対して、位相検波器１１８と位相差検出器１１９およびループフィルタ１４との間にスイッチ（ａ）１３１を使用し、スイッチ（ａ）１３１および位相差検出器１１９とループフィルタ１４との間にスイッチ（ｂ）１３２を使用している。また、スイッチ（ａ）１３１およびスイッチ（ｂ）１３２に対して、スイッチ（ａ）・スイッチ（ｂ）切り替え信号発生器１３３を設けている。他の構成は、図３と同じである。

これらのスイッチ（ａ）１３１およびスイッチ（ｂ）１３２の切り替えにより、ループフィルタ１４を介して光移相器５に入力される制御信号が、位相検波器１１８からの信号か、位相差検出器１１９からの信号かの、いずれか一方となる。

これにより、本装置の温度変動等の擾乱による光路長変動が光波長オーダーよりも小さいと判断できるような場合、図５の構成を用いて伝送路を光路長微調整用経路に切り替えることで、光波長オーダーでの位相を検波し、光路長を制御することが可能となり、より正確な光路長制御が可能になるという効果が得られる。

なお、図５の構成において、所望位相出力系のレーザ光源１１１，１１２から光受信器１１５，１１６までの間、それらのレーザ光源１１１，１１２からのレーザ光が伝送される際に生じる分散による位相差を、位相差検出器１１９において位相差を検出する際に、あらかじめ補償しておく機能を含むようにしてもよい。

また、所望位相出力系として、図６のような構成を用いてもよい。図６の構成は、図１の所望位相出力系の構成に対して、発生するレーザ光の発生周波数を時間とともに連続的に変化させるための変調信号を発生するレーザ光源周波数変調信号発生器１４２を使用している。また、レーザ光源１の代わりに、レーザ光源周波数変調信号発生器１４２から与えられる変調信号に応じて時間とともに連続的に周波数が変化するレーザ光を発生させるＦＭＣＷレーザ光源１４１を使用している。さらに、周波数シフタ９、基準信号源１２および位相検波器１３を使用せず、光受信器１１とループフィルタ１４との間に、時間とともに変化するヘテロダインビート信号の周波数を検出し、この周波数の情報を含んだ例えば電圧値などの信号を出力する周波数検出器１４３を使用している。他の構成は、図１の所望位相出力系と同じである。

ここで、周波数検出器１４３により、ヘテロダインビート信号の周波数を検出することで、光路長の変動を判別できる原理について簡単に説明する。ＦＭＣＷレーザ光源１４１は、発生するレーザ光が時間とともに連続的に変化するため、ローカル光が光受信器１１に到達したときの周波数と、参照光が光受信器１１に到達したときの周波数は、それぞれが光受信器１１に到達するまでの時間に比例する。ここで、ＦＭＣＷレーザ光源１４１の周波数の変化率を用いることで、前述の２つの周波数差から、参照光の光路長とローカル光の光路長との差を求めることができる。したがって、ヘテロダインビート信号の周波数の変化量から参照光の光路長の変動量を求めることができる。

図６の構成によれば、図１の構成に対して、レーザ光源１、周波数シフタ９、基準信号源１２、位相検波器１３が不要となるため、低コストで、小型化が可能となるという効果が得られる。

なお、上記の図１〜図６の構成において、光変調器１６と光合波器４との間、光分岐器２と光サーキュレータ３（またはＰＢＳ１０１）との間、光サーキュレータ３（またはＰＢＳ１０１）と光合波器４との間、光反射器８（またはファラデーローテータ反射器１０２）と光分波器７との間、光分波器７と光電変換器１８との間、光サーキュレータ３（またはＰＢＳ１０１）と周波数シフタ９との間、周波数シフタ９と光カプラ１０との間、光カプラ１０と光受信器１１との間、または、光サーキュレータ３と光カプラ１０との間（図６）の、少なくとも一つの光路長を短くするようにしてもよい。

また、光移相器５は、光サーキュレータ３（またはＰＢＳ１０１）と光反射器８（またはファラデーローテータ反射器１０２）との間であれば、いずれの箇所に設けてもよい。

１レーザ光源、２光分岐器、３光サーキュレータ、４光合波器、５光移相器、６光ファイバ、７光分波器、８光反射器、９周波数シフタ、１０光カプラ、１１光受信器、１２基準信号源、１３位相検波器、１４ループフィルタ、１５レーザ光源、１６光変調器、１７変調信号発生器、１８光電変換器、１９分岐器、２１，３１，４１レーザ光源、２２，３２，４２光変調器、２３，３３，４３変調信号発生器、２４，３４，４４光ファイバ、２５，３５，４５光移相器、２６，３６，４６光電変換器、２７，３７，４７分岐器、２８，３８，４８位相比較器、１０１ＰＢＳ、１０２ファラデーローテータ反射器、１１１，１１２レーザ光源、１１３光合波器、１１４光分波器、１１５，１１６光受信器、１１７，１１８位相検波器、１１９位相差検出器、１２１光変調器、１２２変調信号発生器、１３１スイッチ（ａ）、１３２スイッチ（ｂ）、１３３スイッチ（ａ）・スイッチ（ｂ）切り替え信号発生器、１４１ＦＭＣＷレーザ光源、１４２レーザ光源周波数変調信号発生器、１４３周波数検出器。

Claims

レーザ光を発生する第１レーザ光源と、
強度変調を与えるための変調信号を発生する第１変調信号発生器と、
前記第１レーザ光源からのレーザ光と前記第１変調信号発生器からの変調信号とが入力されて、前記変調信号に応じ、前記レーザ光に強度変調を与える第１光変調器と、
前記第１光変調器からの強度変調されたレーザ光が入力されて、当該レーザ光を、予め設定された所定の位相に調整し出力する第１光移相器と、
前記第１光移相器から位相が調整されたレーザ光が入力されて、当該レーザ光を直接検波した後、当該レーザ光に強度変調されていた電気信号を取り出す光電変換器と
で構成される、複数のレーザ光伝送線路を備え、
さらに、
前記第１変調信号発生器からの前記変調信号に対する、本装置で制御するべき所望の位相の情報を有する信号を、所望信号として出力する所望位相出力系と、
前記所望位相出力系からの信号の位相と、前記複数のレーザ光伝送線路を伝送している変調信号の位相とを比較し、前記複数のレーザ光伝送線路からの変調信号の位相が、前記所望位相出力系からの信号の位相と一致するように、前記第１光移相器において、レーザ光の位相を調整するために用いるための制御信号を出力する位相比較器と
を備え、
前記制御信号に基づいて前記第１光移相器によりレーザ光の位相を調整することで、前記光電変換器からの電気信号の位相を所望の位相に制御することを特徴とする位相制御装置。
前記所望位相出力系が、
レーザ光を発生する第２レーザ光源と、
前記第２レーザ光源からのレーザ光を２つに分岐する光分岐器と、
前記光分岐器から出力される２つのレーザ光のうちの一方のレーザ光を第１のポートから入力して第２のポートから出力するとともに、前記第２のポートから入力されるレーザ光を第３のポートへ出力する光分離手段と、
前記光分離手段の前記第２のポートから出力された前記レーザ光を所定の位相に調整して出力する第２光移相器と、
前記第２光移相器を通過したレーザ光を１つのポートから入力し、それが入力されたポートと同じポートから出力して、前記第２光移相器を介して前記光分離手段の前記第２のポートへ入力するレーザ光方向変換手段と、
周波数シフトさせるための変調信号を発生する第２変調信号発生器と、
前記光分離手段の前記第３のポートから出力された前記レーザ光を、前記第２変調信号発生器からの変調信号の周波数に応じて周波数シフトして出力する周波数シフタと、
前記光分岐器から出力される２つのレーザ光のうちの前記光分離手段に入力されなかった他方のレーザ光と前記周波数シフタからのレーザ光とが入力され、それらを合波して、出力する光カプラと、
前記光カプラから合波されて出力された前記２つのレーザ光のビート信号を取り出して電気信号に変換する光受信器と、
前記第２変調信号発生器からの変調信号の位相と、前記光受信器からのビート信号の位相とを比較することで、前記光分岐器から出力された２つのレーザ光のうちの前記光分離手段を経由して前記第２光移相器を通過した前記一方のレーザ光の位相を検波し、この位相の情報を含んだ信号を前記第２光移相器に対して出力する位相検波器と
を備え、
さらに、
前記第２レーザ光源から発生するレーザ光と異なる波長を有するレーザ光を発生する第３レーザ光源と、
強度変調を与えるための変調信号を発生する第３変調信号発生器と、
前記第３変調信号発生器からの変調信号に応じて、前記第３レーザ光源からのレーザ光に対して強度変調を与える第２光変調器と、
前記光分岐器で分岐したレーザ光のうちの前記光分離手段に入力された前記一方のレーザ光と、前記第２光変調器からのレーザ光とを合波して出力する光合波器と、
前記光合波器で合波され前記第２光移相器を通過したレーザ光を波長の違いで分離して出力する光分波器と、
前記光分波器で分波されたレーザ光のうちの一方が入力され、当該レーザ光を直接検波した後、当該レーザ光に強度変調されていた電気信号を取り出す第２光電変換器と
を備え、
前記位相検波器からの前記信号に基づいて前記第２光移相器により前記レーザ光の位相を調整することで、前記第２光電変換器からの電気信号の位相を安定化させ、この位相の情報を有する信号を、前記所望信号として出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の位相制御装置。
前記所望位相出力系において、
前記光分離手段は、入射するレーザ光を、２つの直交する偏光成分に分離して出射する偏光ビームスプリッタから構成され、
前記レーザ光方向変換手段は、入射するレーザ光の偏光面を４５°回転させ、往復で９０°回転させる、ファラデーローテータ反射器から構成されている
ことを特徴とする請求項２に記載の位相制御装置。
前記所望位相出力系において、
前記第２レーザ光源は、複数のレーザ光源と、前記複数のレーザ光源からの出力光を合波させるための光合波器とから構成されており、
前記光カプラと前記光受信器との間に、前記光カプラから入力される前記複数のレーザ光源からの出力光を分波させるための光分波器が設けられ、
前記光受信器は、前記光分波器で分波させた後の複数のレーザ光をそれぞれ電気信号に変換させるための複数の光受信器から構成され、
前記位相検波器は、前記第２変調信号発生器からの変調信号の位相と、各前記複数の光受信器からのビート信号の位相とを、それぞれ比較することで、レーザ光の位相を検波し、この位相の情報を含んだ信号を出力する複数の位相検波器から構成され、
前記複数の位相検波器と前記第２光移相器との間に、前記複数の位相検波器からの信号に情報として含まれる位相の値のうち、２つの値の差を検出し、この差と予め設定された位相差とが一致するように前記第２光移相器でレーザ光の位相を調整するための信号を出力する位相差検出器が設けられている
ことを特徴とする請求項２または３に記載の位相制御装置。
前記所望位相出力系において、
前記第２レーザ光源は、１つのレーザ光源と、変調が入力され、前記１つのレーザ光源からの出力光に対して当該変調信号に応じて強度変調を与える第３光変調器と、前記第３光変調器により強度変調を与えるための前記変調信号を発生する第４変調信号発生器とから構成されており、
前記光カプラと前記光受信器との間に、前記光カプラから入力される前記複数のレーザ光源からの出力光を分波させるための光分波器が設けられ、
前記光受信器は、前記光分波器で分波させた後の複数のレーザ光をそれぞれ電気信号に変換させるための複数の光受信器から構成され、
前記位相検波器は、前記第２変調信号発生器からの変調信号の位相と、各前記複数の光受信器からのビート信号の位相とを、それぞれ比較することで、レーザ光の位相を検波し、この位相の情報を含んだ信号を出力する複数の位相検波器から構成され、
前記複数の位相検波器と前記第２光移相器との間に、前記複数の位相検波器からの信号に情報として含まれる位相の値のうち、２つの値の差を検出し、この差と予め設定された位相差とが一致するように前記第２光移相器でレーザ光の位相を調整するための信号を出力する位相差検出器が設けられている
ことを特徴とする請求項２または３に記載の位相制御装置。
前記所望位相出力系において、
前記位相検波器と前記位相差検出器および前記第２光移相器との間に設けられた第１のスイッチと、
前記第１のスイッチおよび前記位相差検出器と前記第２光移相器との間に設けられた第２のスイッチと
をさらに備え、
それらのスイッチの切り替えにより、前記第２光移相器でレーザ光の位相を調整するための前記信号として、前記位相検波器からの信号か、前記位相差検出器からの信号かの、いずれか一方を、前記第２光移相器に入力することを特徴とする請求項４または５に記載の位相制御装置。
前記所望位相出力系が、
入力される変調信号に応じて時間とともに連続的に周波数が変化するレーザ光を発生する第２レーザ光源と、
前記第２レーザ光源で発生するレーザ光の発生周波数を時間とともに連続的に変化させるための変調信号を発生する変調信号発生器と、
前記第２レーザ光源からのレーザ光を２つに分岐する光分岐器と、
前記光分岐器から出力される２つのレーザ光のうちの一方のレーザ光を第１のポートから入力して第２のポートから出力するとともに、前記第２のポートから入力されるレーザ光を第３のポートへ出力する光分離手段と、
前記光分離手段の前記第２のポートから出力された前記レーザ光を所定の位相に調整して出力する第２光移相器と、
前記第２光移相器を通過したレーザ光を１つのポートから入力し、それが入力されたポートと同じポートから出力して、前記第２光移相器を介して前記光分離手段の前記第２のポートへ入力するレーザ光方向変換手段と、
前記光分岐器から出力される２つのレーザ光のうちの前記光分離手段に入力されなかった他方のレーザ光と前記光分離手段の前記第３のポートからのレーザ光とが入力され、それらを合波して、出力する光カプラと、
前記光カプラから合波されて出力された前記２つのレーザ光のビート信号を取り出して電気信号に変換する光受信器と、
前記光受信器からの時間とともに変化するビート信号の周波数を検出し、この周波数の情報を含んだ信号を検出して、この周波数と予め設定された所望の周波数とが一致するように前記第２光移相器でレーザ光の位相を調整するための信号を出力する周波数検出器と
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の位相制御装置。
前記第１レーザ光源から発生するレーザ光が前記光電変換器に到達するまでの間の前記複数のレーザ光伝送線路のうちの少なくとも一つの経路に光ファイバが用いられることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の位相制御装置。
前記第２レーザ光源から発生するレーザ光が前記光受信器に到達するまでの間の経路に光ファイバが用いられることを特徴とする請求項２から８までのいずれか１項に記載の位相制御装置。
前記第２光変調器と前記光合波器との間、前記光分岐器と前記光分離手段との間、前記光分離手段と前記光合波器との間、前記レーザ光方向変換手段と前記光分波器との間、前記光分波器と前記光電変換器との間、前記光分離手段と前記周波数シフタとの間、前記周波数シフタと前記光カプラとの間、および、前記光カプラと前記光受信器との間の、少なくとも一つの光路長を短くしたことを特徴とする請求項２から６まで及び８から９までのいずれか１項に記載の位相制御装置。
前記第２光変調器と前記光合波器との間、前記光分岐器と前記光分離手段との間、前記光分離手段と前記光合波器との間、前記レーザ光方向変換手段と前記光分波器との間、前記光分波器と前記光電変換器との間、前記光分離手段と前記光カプラとの間、および、前記光カプラと前記光受信器との間の、少なくとも一つの光路長を短くしたことを特徴とする請求項７から９までのいずれか１項に記載の位相制御装置。
前記第２光移相器は、前記光分離手段と前記レーザ光方向変換手段との間に設けられたことを特徴とする請求項２から１１までのいずれか１項に記載の位相制御装置。
前記所望位相出力系の前記第２レーザ光源から発生するレーザ光が前記光受信器に到達するまでの間の経路に、このレーザ光の波長における分散の値が小さくなるように調整された分散シフト光ファイバを含むことを特徴とする請求項２から１２までのいずれか１項に記載の位相制御装置。
前記所望位相出力系の前記第２レーザ光源からのレーザ光が、前記光受信器に到達するまでの間の経路に、このレーザ光の伝送により生じた分散に対して符合が逆の分散を与えることで当該分散を打ち消す分散補償器を含むことを特徴とする請求項４から１２までのいずれか１項に記載の位相制御装置。
前記所望位相出力系の前記第２レーザ光源から前記光受信器までの間、前記第２レーザ光源を構成している複数のレーザ光源からのレーザ光が伝送される際に生じる分散による位相差を、前記位相差検出器において位相差を検出する際に、あらかじめ補償しておく機能を含むことを特徴とする請求項４または６に記載の位相制御装置。