JP2014045096A - レーザ位相雑音測定装置及びその測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 帯域制限を拡張したレーザの位相雑音を容易に測定可能とする。
【解決手段】 サンプリングパルス光を共有する光９０度ハイブリッド６−１，６−２を２系列用いることで、サンプリングパルス光の位相雑音を除去し、２つのレーザ（レーザ光１、レーザ光２）の位相雑音のみを解析することを可能とするものである。これにより、帯域はサンプリングパルス光のスペクトルによって決定されることから、レーザ光１とレーザ光２のスペクトルがサンプリングパルス光のスペクトルと重なり合っていれば測定が可能となり、レーザ光１とレーザ光２の中心周波数差が大きな場合であっても、位相雑音の測定が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザの位相雑音を測定する測定装置及びその測定方法に関する。

従来のレーザ位相雑音測定方法として、非特許文献１記載の方法（以下、従来技術と呼ぶ。）が知られている。この従来技術によるレーザの位相雑音測定方法は、２台のレーザ光源を用意し、デジタルコヒーレント受信技術を用いて、２つのレーザ間のビート信号を測定し、その位相を求める。求められたビート信号の位相を解析し、ＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を測定することで、レーザの位相雑音を測定するようにしている。

K. Kikuchi, "Characterization of semiconductor-laser phase noise and estimation of bit-error rate performance with low-speed offline digital coherent receivers," Optics Express, Vol. 20, No. 5, pp.5291-5302, 2012. K. Okamoto and F. Ito, "Nearly shot-noise-limited performance dual-channel linear optical sampling for ultrafast DPSK signals," Journal of Quantum Electronics, Vol. 45, No. 6, pp.711-719, 2009.

しかしながら、従来技術では、デジタルコヒーレント受信技術を用いるため、２つのレーザ間のビート信号を測定するためには、ビート信号の周波数、すなわち２つのレーザの中心周波数差が受信系の帯域以下（数十GHz）でなければならないという帯域制限がある。同一の中心周波数を有する２つのレーザを用意する、または異なる中心周波数を有する２つのレーザの中心周波数差をデジタルコヒーレント受信技術の帯域以下に設定することは、必ずしも容易なことではない。

そこで、本発明は上記の問題を解決すべく、帯域制限を数十GHzから数THzへと拡張したレーザの位相雑音を容易に測定することのできるレーザの位相雑音測定装置及びその測定方法を提供することを目的とする。

本発明に係るレーザ位相雑音測定装置は、以下のような態様の構成とする。
（１）第１及び第２の被測定レーザそれぞれで発生される第１及び第２のレーザ光のＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を測定するレーザ位相雑音測定装置であって、前記第１及び第２の被測定レーザそれぞれで発生される第１及び第２のレーザ光それぞれのスペクトルと重なり合うスペクトルを有する短パルスのサンプリングパルス光を繰返し発生するサンプリングパルス光発生手段と、前記サンプリングパルス光を２分岐する分岐手段と、前記分岐手段により２分岐されたサンプリングパルス光が通過する２つの光路長を調整する光路長調整手段と、前記サンプリングパルス光と前記第１のレーザ光を干渉させて第１の干渉光を生成し、その同相成分と直交成分から前記第１の干渉光に対応する第１の光電流を得る第１の光電流抽出手段と、前記サンプリングパルス光と前記第２のレーザ光を干渉させて第２の干渉光を生成し、その同相成分と直交成分から前記第２の干渉光に対応する第２の光電流を得る第２の光電流抽出手段と、前記第１の光電流及び前記第２の光電流をそれぞれ信号データとして取得するデータ取得手段と、前記取得した第１及び第２の光電流の信号データの位相をそれぞれ解析する位相解析手段と、前記位相解析した第１または第２の信号データからそれぞれ前記サンプリングパルス光の位相雑音を除去した上で、前記第１または第２の被測定レーザのＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算する位相雑音計算手段とを具備する態様とする。

（２）（１）において、前記測定の帯域が前記サンプリングパルス光のスペクトルで決定され、前記第１の被測定レーザの位相雑音を測定する第１の干渉系と、前記第２の被測定レーザの位相雑音を測定する第２の干渉系が、前記サンプリングパルス光を共有し、前記第１の干渉系にて測定される第１のレーザ光の位相雑音から前記第２の干渉系にて測定される第２のレーザ光の位相雑音を引く、または第２の干渉系にて測定される第２のレーザ光の位相雑音から、第１の干渉系にて測定される第１のレーザ光の位相雑音を引くことで、前記サンプリングパルス光の位相雑音を除去し、前記除去により得られた結果から前記第１または第２の被測定レーザのＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算することにより、位相雑音を測定する態様とする。

（３）（１）において、前記第１の光電流抽出手段は、前記サンプリングパルス光と前記第１のレーザ光を干渉させて第１の干渉光の同相成分と直交成分を取り出す第１の光９０度ハイブリッドと、前記第１の干渉光の同相成分と直交成分を第１の光電流に変換し出力する第１のバランス型受光手段とを備え、前記第２の光電流抽出手段は、前記サンプリングパルス光と前記第２のレーザ光を干渉させて第２の干渉光の同相成分と直交成分を取り出す第２の光９０度ハイブリッドと、前記第２の干渉光の同相成分と直交成分を第２の光電流に変換し出力する第２のバランス型受光手段とを備える態様とする。

また、本発明に係るレーザ位相雑音測定方法は、以下のような態様の構成とする。
（４）第１及び第２の被測定レーザそれぞれで発生される第１及び第２のレーザ光のＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を測定するレーザ位相雑音測定方法であって、前記第１及び第２の被測定レーザそれぞれで発生される第１及び第２のレーザ光それぞれのスペクトルと重なり合うスペクトルを有する短パルスのサンプリングパルス光を繰返し発生し、前記サンプリングパルス光を２分岐し、前記分岐された一方のサンプリングパルス光と前記第１のレーザ光を干渉させて第１の干渉光を生成し、その同相成分と直交成分から前記第１の干渉光に対応する第１の光電流を取得し、前記分岐された他方のサンプリングパルス光と前記第２のレーザ光を干渉させて第２の干渉光を生成し、その同相成分と直交成分から前記第２の干渉光に対応する第２の光電流を取得し、前記第１の光電流及び前記第２の光電流をそれぞれ信号データとして取得し、前記取得した第１及び第２の光電流の信号データの位相をそれぞれ解析し、前記位相解析した第１または第２の信号データからそれぞれ前記サンプリングパルス光の位相雑音を除去した上で、前記第１または第２の被測定レーザのＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算する態様とする。

（５）（４）において、前記測定の帯域が前記サンプリングパルス光のスペクトルで決定され、前記第１の被測定レーザの位相雑音を測定する第１の干渉系と、前記第２の被測定レーザの位相雑音を測定する第２の干渉系が、前記サンプリングパルス光を共有し、前記第１の干渉系にて測定される第１のレーザ光の位相雑音から前記第２の干渉系にて測定される第２のレーザ光の位相雑音を引く、または第２の干渉系にて測定される第２のレーザ光の位相雑音から、第１の干渉系にて測定される第１のレーザ光の位相雑音を引くことで、前記サンプリングパルス光の位相雑音を除去し、前記除去により得られた結果から前記第１または第２の被測定レーザのＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算することにより、位相雑音を測定する態様とする。

すなわち、本発明は、この帯域制限を緩和し、帯域を数十GHzから数THzへと拡張したレーザの位相雑音を測定する技術を提供するものである。具体的には、サンプリングパルス光を共有する光９０度ハイブリッドを２系列用いることで、サンプリングパルス光の位相雑音を除去し、２つのレーザ（レーザ光１、レーザ光２）の位相雑音のみを解析することを可能とするものである。これにより、帯域はサンプリングパルス光のスペクトルによって決定されることから、レーザ光１とレーザ光２のスペクトルがサンプリングパルス光のスペクトルと重なり合っていれば測定が可能となり、レーザ光１とレーザ光２の中心周波数差が大きな場合であっても、位相雑音の測定が可能となる。

本発明の測定方法を適用することで、市販されている短パルス光源をサンプリングパルス光源として採用することができ、同一の中心周波数を有する２つのレーザを用意する、または異なる中心周波数を有する２つのレーザであっても、その中心周波数差を数十GHz以下に設定する必要はなく、２つのレーザの中心周波数差が数百GHzであったとしても、レーザの位相雑音を測定することが可能となる。

したがって、本発明によれば、帯域制限を数十GHzから数THzへと拡張したレーザの位相雑音を容易に測定することのできるレーザ位相雑音測定装置及びその測定方法を提供することができる。

本発明に係る実施形態のレーザ位相雑音測定装置の構成を示すブロック図である。 図１に示す測定装置の測定方法の流れを示すフローチャートである。

添付の図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。以下に説明する実施の形態は本発明の構成の例であり、本発明は、以下の実施の形態に制限されるものではない。
図１は、本発明に係る実施形態のレーザ位相雑音測定装置の構成を示すブロック図である。第１の被測定レーザ光源１で発生される第１のレーザ光１は、第１の光９０度ハイブリッド６−１の一方の入力端に送られる。また、第２の被測定レーザ光源２で発生される第２のレーザ光２は、第２の光９０度ハイブリッド６−２の一方の入力端に送られる。

また、サンプリングパルス光源３は、繰返し短パルス光を出射する短パルス光源である。図１に示すように、サンプリングパルス光源３から出射されたパルス光は光分岐器４によって２分岐され、一方は第１の光路長調整器５−１を介して第１の光９０度ハイブリッド６−１の他方の入力端に送られ、他方は第２の光路長調整器５−２を介して第２の光９０度ハイブリッド６−２の他方の入力端に送られる。すなわち、第１及び第２の光９０度ハイブリッド６−１，６−２は、サンプリングパルス光源３を共有している。

第１の光９０度ハイブリッド６−１は、第１のレーザ光１とサンプリングパルス光を入力して第１の干渉光を生じさせ、その干渉光の同相成分と直交成分を出力するもので、同相成分は第１のバランス型受光器７−１で受光され、直交成分は第２のバランス型受光器７−２で受光されてそれぞれ光電流に変換される。各受光器７−１，７−２で得られた同相成分、直交成分の光電流はそれぞれデータ取得部８に送られてデータ化される。データ取得部８で得られた第１の干渉光の信号データは、位相解析部９に送られて第１のレーザ光１の位相解析に供され、さらに位相雑音計算部１０に送られて第１のレーザ光１の位相雑音計算に供される。

また、第２の光９０度ハイブリッド６−２は、それぞれレーザ光とサンプリングパルス光を入力して第２の干渉光を生じさせ、その干渉光の同相成分と直交成分を出力するもので、同相成分は第３のバランス型受光器７−３で受光され、直交成分は第４のバランス型受光器７−４で受光されてそれぞれ光電流に変換される。各受光器７−３，７−４で得られた同相成分、直交成分の光電流はそれぞれデータ取得部８に送られてデータ化される。データ取得部８で得られた第２の干渉光の信号データは、位相解析部９に送られて第２のレーザ光２の位相解析に供され、さらに位相雑音計算部１０に送られて第２のレーザの位相雑音計算に供される。

以下に、図１の構成によりレーザの位相雑音を測定する方法を説明する。
第１の被測定レーザ光源１から出射されるレーザ光１の複素電界振幅は以下のように表される。

ここで、Ａ_１はレーザ光１の振幅、ｖ_１はレーザ光１の中心周波数、θ_１(t)はレーザ光１の位相雑音を表す。
第２のレーザ光源２から出射されるレーザ光２の複素電界振幅は以下のように表される。

ここで、Ａ_２はレーザ光２の振幅、ｖ_２はレーザ光２の中心周波数、θ_２(t)はレーザ光２の位相雑音を表す。
一方、サンプリングパルス光の複素電界振幅は以下のように表される。

ここで、δ(t)はデルタ関数を表す。Ｔはパルスの中心位置を表す。ｖ_samはサンプリングパルスの中心周波数、θ_sam(t)はサンプリングパルスの位相雑音を表す。
サンプリングパルス光は、光分岐器４によって２分岐される。レーザ光１とサンプリングパルス光は、第１の光９０度ハイブリッド６−１において干渉し、第１の干渉光を得る。この干渉光は、非特許文献２に記載されているように式(4)で表される。

そして、この第１の干渉光の同相成分と直交成分がそれぞれ、バランス型受光器７−１と７−２によって検出され、光電流として出力される。出力された光電流は、データ取得部８によってデータ化され、信号データとして取得される。

位相解析部９において、式(5)と式(6)を用いて位相を解析すると、式(7)を得る。

次に、第１の光９０度ハイブリッド６−１と同様に、第２の光９０度ハイブリッド６−２から解析される位相を考える。
レーザ光２とサンプリングパルス光の干渉は、式(8)で表される。

そして、この干渉光の同相成分と直交成分がそれぞれ、バランス型受光器７−３と７−４によって検出され、光電流として出力される。出力された光電流は、データ取得部８によってデータ化され、信号データとして取得される。
この取得されたデータを位相解析部９において、式(7)と同様に解析すると、式(9)を得る。

式(7)から式(9)を引くことで、サンプリングパルス光の位相雑音を完全に除去することができる。

光分岐器４によって２分岐されたサンプリングパルス光の２つの経路間に光路長差があり、遅延ΔTが存在する場合、式(7)と式(9)におけるサンプリングパルス光の位相雑音は異なり、式(10)のようにサンプリングパルス光の位相雑音を完全に除去することはできない。そこで、第１の光路長調整器５−１と第２の光路長調整器５−２を調整し、ΔTをサンプリングパルス光のコヒーレンス時間よりも非常に小さいものに設定することにより、式(11)が成り立つ。

よって、サンプリングパルス光の位相雑音を除去し、サンプリングパルス光の位相雑音が位相雑音の測定結果へ与える影響をなくすことができる。
ここでは、式(7)から式(9)を引くことで位相を解析したが、式(9)から式(7)を引くことで位相を解析してもよく、いずれの場合であっても位相雑音の測定結果に違いはない。よって、以下では、式(10)を得た場合を例として測定方法の説明を続ける。

式(10)の2π(v₁-v₂)Tは振動項であるため、信号処理によって除去することが可能である。信号処理によって、2π(v₁-v₂)Tを除去すると、式(10)は式(12)となる。

式(12)は、レーザ光１とレーザ光２の位相雑音のみを含んでいる。位相雑音計算部１０において、式（12）を用いてＦＭ雑音及び位相雑音の二乗平均を計算する。
ＦＭ雑音は、式(13)で与えられる。

ここで、T_measurementは測定時間、T_samplingはサンプリング周期(サンプリングパルス光源３の繰返し周波数の逆数)、Fはフーリエ変換を表す。
位相雑音の二乗平均は、式(14)で与えられる。

ここで、τは遅延量、< >はアンサンブル平均を表す。
θ(T+τ)について、式(12)で得られたθ(T)を構成するデータのうち、信号処理によって、１番目のデータ(θ(0))からｎ番目のデータ(θ((n-1)T_sampling))を削除することで、τ=nT_samplingにおけるθ(T+τ)を得ることができる。

レーザ光１とレーザ光２の位相雑音特性が同一の場合、レーザ光１とレーザ光２の位相雑音が式(13)と式(14)に等しく寄与していることから、レーザ光１とレーザ光２のＦＭ雑音と位相雑音の二乗平均はそれぞれ、式(13)と式(14)の半分となる。また、レーザ光１とレーザ光２の一方の位相雑音特性がもう一方に比べて非常に大きい場合、式(12)は位相雑音特性が大きい方のレーザの位相雑音による寄与が支配的となり、式(13)と式(14)を用いて、位相雑音特性が大きい方のレーザのＦＭ雑音と位相雑音の二乗平均をそれぞれ測定することができる。

最後に、本測定法の帯域を考える。式(4)と式(8)で記述される干渉光をスペクトル領域で記述すると、式(15)、式(16)となる。

ここで、E₁(ω),E₂(ω)とE_sam(ω)はそれぞれ、E₁(t),E₂(t)とE_sam(t)のフーリエ変換である。
式(15)と式(16)から、サンプリングパルス光のスペクトルがレーザ光１とレーザ光２のスペクトルと重なり合っていれば、干渉光S₁(T)とS₂(T)を得ることができ、位相θ(T)を得ることができる。このように本測定法の帯域は、サンプリングパルス光のスペクトルによって決定される。現在市販されている短パルス光源のスペクトル幅は約30nmである。これら市販の光源をサンプリングパルス光源として用いた場合、レーザ光１とレーザ光２の中心周波数差が約3.5THzであったとしても、レーザ光１とレーザ光２の位相雑音を測定可能である。

以上、まとめると、図２に示すように、位相解析部９において、レーザ光１，２の位相雑音の測定結果が取得されると（ステップＳ１１）、位相雑音計算部１０において、サンプリングパルス光の位相雑音を求めてレーザ光１及び２の位相雑音から除去し（ステップＳ１２）、サンプリングパルス光の位相雑音が除去された測定結果からレーザ光１または２のＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算する（ステップＳ１３）。

このように、本発明による位相雑音測定は、サンプリングパルス光を共有する光９０度ハイブリッドを２系列用いることで、サンプリングパルス光の位相雑音を除去し、レーザ光１とレーザ光２の位相雑音のみを解析することで、位相雑音を測定するものである。本測定法の帯域は、サンプリングパルス光のスペクトルによって決定し、レーザ光１とレーザ光２のスペクトルがサンプリングパルス光のスペクトルと重なり合ってさえいれば、レーザ光１とレーザ光２の中心周波数差がいくら大きなものであったとしても、位相雑音を測定することが可能である。

本発明によるレーザの位相雑音測定方法は、従来技術に対して以下の優位性を有している。
従来技術では、測定器に要求される帯域が数十GHzであった。これに対し、本発明では、測定器に要求される帯域はサンプリングパルス光のスペクトルによって決定されるので、市販されている短パルス光源をサンプリングパルス光源として採用すれば、容易に約3.5THzの帯域を実現可能である。したがって、本測定法によるレーザの位相雑音測定では、同一の中心周波数を有する２つのレーザを用意する、または異なる中心周波数を有する２つのレーザの中心周波数差を数十GHz以下に設定する必要はない。２つのレーザの中心周波数差が数百GHzであったとしても、レーザの位相雑音を測定することが可能である。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではない。また、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成を削除してもよい。さらに、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１：第１の被測定レーザ光源（レーザ光１）
２：第２の被測定レーザ光源（レーザ光２）
３：サンプリングパルス光源
４：光分岐器
５−１：第１の光路長調整器
５−２：第２の光路長調整器
６−１：第１の光９０度ハイブリッド
６−２：第２の光９０度ハイブリッド
７−１〜７−４：第１乃至第４のバランス型受光器
８：データ取得部
９：位相解析部
１０：位相雑音計算部

Claims (5)

1. 第１及び第２の被測定レーザそれぞれで発生される第１及び第２のレーザ光のＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を測定するレーザ位相雑音測定装置であって、
   前記第１及び第２の被測定レーザそれぞれで発生される第１及び第２のレーザ光それぞれのスペクトルと重なり合うスペクトルを有する短パルスのサンプリングパルス光を繰返し発生するサンプリングパルス光発生手段と、
   前記サンプリングパルス光を２分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段により２分岐されたサンプリングパルス光が通過する２つの光路長を調整する光路長調整手段と、
   前記サンプリングパルス光と前記第１のレーザ光を干渉させて第１の干渉光を生成し、その同相成分と直交成分から前記第１の干渉光に対応する第１の光電流を得る第１の光電流抽出手段と、
   前記サンプリングパルス光と前記第２のレーザ光を干渉させて第２の干渉光を生成し、その同相成分と直交成分から前記第２の干渉光に対応する第２の光電流を得る第２の光電流抽出手段と、
   前記第１の光電流及び前記第２の光電流をそれぞれ信号データとして取得するデータ取得手段と、
   前記取得した第１及び第２の光電流の信号データの位相をそれぞれ解析する位相解析手段と、
   前記位相解析した第１または第２の信号データからそれぞれ前記サンプリングパルス光の位相雑音を除去した上で、前記第１または第２の被測定レーザのＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算する位相雑音計算手段と
   を具備することを特徴とするレーザ位相雑音測定装置。
2. 前記測定の帯域が前記サンプリングパルス光のスペクトルで決定され、
   前記第１の被測定レーザの位相雑音を測定する第１の干渉系と、前記第２の被測定レーザの位相雑音を測定する第２の干渉系が、前記サンプリングパルス光を共有し、
   前記第１の干渉系にて測定される第１のレーザ光の位相雑音から前記第２の干渉系にて測定される第２のレーザ光の位相雑音を引く、または第２の干渉系にて測定される第２のレーザ光の位相雑音から、第１の干渉系にて測定される第１のレーザ光の位相雑音を引くことで、前記サンプリングパルス光の位相雑音を除去し、前記除去により得られた結果から前記第１または第２の被測定レーザのＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算することにより、位相雑音を測定することを特徴とする請求項１に記載のレーザ位相雑音測定装置。
3. 前記第１の光電流抽出手段は、
   前記サンプリングパルス光と前記第１のレーザ光を干渉させて第１の干渉光の同相成分と直交成分を取り出す第１の光９０度ハイブリッドと、
   前記第１の干渉光の同相成分と直交成分を第１の光電流に変換し出力する第１のバランス型受光手段とを備え、
   前記第２の光電流抽出手段は、
   前記サンプリングパルス光と前記第２のレーザ光を干渉させて第２の干渉光の同相成分と直交成分を取り出す第２の光９０度ハイブリッドと、
   前記第２の干渉光の同相成分と直交成分を第２の光電流に変換し出力する第２のバランス型受光手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載のレーザ位相雑音測定装置。
4. 第１及び第２の被測定レーザそれぞれで発生される第１及び第２のレーザ光のＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を測定するレーザ位相雑音測定方法であって、
   前記第１及び第２の被測定レーザそれぞれで発生される第１及び第２のレーザ光それぞれのスペクトルと重なり合うスペクトルを有する短パルスのサンプリングパルス光を繰返し発生し、
   前記サンプリングパルス光を２分岐し、
   前記分岐された一方のサンプリングパルス光と前記第１のレーザ光を干渉させて第１の干渉光を生成し、その同相成分と直交成分から前記第１の干渉光に対応する第１の光電流を取得し、
   前記分岐された他方のサンプリングパルス光と前記第２のレーザ光を干渉させて第２の干渉光を生成し、その同相成分と直交成分から前記第２の干渉光に対応する第２の光電流を取得し、
   前記第１の光電流及び前記第２の光電流をそれぞれ信号データとして取得し、
   前記取得した第１及び第２の光電流の信号データの位相をそれぞれ解析し、
   前記位相解析した第１または第２の信号データからそれぞれ前記サンプリングパルス光の位相雑音を除去した上で、前記第１または第２の被測定レーザのＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算することを特徴とするレーザ位相雑音測定方法。
5. 前記測定の帯域が前記サンプリングパルス光のスペクトルで決定され、
   前記第１の被測定レーザの位相雑音を測定する第１の干渉系と、前記第２の被測定レーザの位相雑音を測定する第２の干渉系が、前記サンプリングパルス光を共有し、
   前記第１の干渉系にて測定される第１のレーザ光の位相雑音から前記第２の干渉系にて測定される第２のレーザ光の位相雑音を引く、または第２の干渉系にて測定される第２のレーザ光の位相雑音から、第１の干渉系にて測定される第１のレーザ光の位相雑音を引くことで、前記サンプリングパルス光の位相雑音を除去し、前記除去により得られた結果から前記第１または第２の被測定レーザのＦＭ雑音、位相雑音の二乗平均を計算することにより、位相雑音を測定することを特徴とする請求項４に記載のレーザ位相雑音測定方法。

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