JP2015200822A - 光周波数制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い制御帯域の位相同期を実現する。【解決手段】入力信号に従って駆動し、入力された局発光の位相変調を行う光位相変調器１と、位相変調された局発光と入力された信号光とのビート信号を検出する光検出器３と、ＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源４と、検出されたビート信号に対し、生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する位相誤差検出回路５と、検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を入力信号として生成する位相制御回路６とを備えた。【選択図】図１

Description

この発明は、信号光の位相同期を行う光周波数制御装置に関するものである。

高出力レーザシステムの実現方法として、単一のレーザ光を光増幅の種光として、分岐後に光増幅してから合成を行うコヒーレントビーム結合（ＣＢＣ：Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ｂｅａｍ Ｃｏｍｂｉｎｅ）が知られている（例えば特許文献１参照）。ＣＢＣベースの高出力レーザでは、各光路の位相を揃えビームを出力することで、高出力かつ高輝度なビームを出力することができる。

特開２０００−３２３７７４号公報 特開２０１１−５０７０３５号公報

しかしながら、特許文献１に開示される従来の高出力レーザシステムは、光位相制御に光位相変調器のＤＣ成分を用いるものであり、位相制御のダイナミックレンジが位相変調器の動作範囲に制限されるという課題があった。
また、信号数増加の際、位相同期及び指向角度誤差検出の受信系を小型化するために、単一光検出器及びＳＰＧＤ法を用いて受信する構成が示されている。しかしながら、上記方式では、信号数増加の際、制御帯域が信号数により制限されるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、広い制御帯域の位相同期を実現することができる光周波数制御装置を提供することを目的としている。

この発明に係る光周波数制御装置は、入力信号に従って駆動し、入力された局発光の位相変調を行う光位相変調器と、光位相変調器により位相変調された局発光と入力された信号光とのビート信号を検出する光検出器と、位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源と、光検出器により検出されたビート信号に対し、ＲＦ基準信号源により生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する位相誤差検出回路と、位相誤差検出回路により検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を入力信号として生成する位相制御回路とを備えたものである。

また、この発明に係る光周波数制御装置は、基準光を生成する基準光源と、基準光源により生成された基準光を、局発光と複数の信号光とに分岐する光分岐スプリッタと、入力信号に従って駆動し、光分岐スプリッタにより分岐された対応する信号光の位相変調を行う複数の光位相変調器と、対応する光位相変調器により位相変調された信号光と、光分岐スプリッタにより分岐された局発光とのビート信号を検出する複数の光検出器と、位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源と、対応する光検出器により検出されたビート信号に対し、ＲＦ基準信号源により生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する複数の位相誤差検出回路と、対応する位相誤差検出回路により検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を対応する光位相変調器の入力信号として生成する複数の位相制御回路とを備えたものである。

また、この発明に係る光周波数制御装置は、基準光を生成する基準光源と、基準光源により生成された基準光を、局発光と複数の信号光とに分岐する光分岐スプリッタと、入力信号に従って駆動し、光分岐スプリッタにより分岐された対応する信号光の位相変調を行う複数の光位相変調器と、各光位相変調器により位相変調された信号光と、光分岐スプリッタにより分岐された局発光とのビート信号を検出する単一の光検出器と、各光位相変調器に対する互いに異なる周波数の正弦波信号を生成し、また、光検出器により検出されたビート信号を当該周波数の成分毎に分離する周波数弁別回路と、位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源と、周波数弁別回路により分離された対応するビート信号に対し、ＲＦ基準信号源により生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する複数の位相誤差検出回路と、対応する位相誤差検出回路により検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を生成する複数の位相制御回路と、周波数弁別回路により生成された対応する正弦波信号と対応する位相制御回路により生成された鋸波信号とを加算して対応する光位相変調器の入力信号を得る複数の加算回路とを備えたものである。

また、この発明に係る光周波数制御装置は、基準光を生成する基準光源と、基準光源により生成された基準光を、局発光と複数の信号光とに分岐する光分岐スプリッタと、入力信号に従って駆動し、光分岐スプリッタにより分岐された対応する信号光の位相変調を行う複数の光位相変調器と、対応する光位相変調器により位相変調された信号光に対して、入力された制御信号に従って指向角度を制御する複数の指向角度制御装置と、各指向角度制御装置により指向角度が制御された信号光と光分岐スプリッタにより分岐された局発光を受光する分割受光素子を有し、当該分割受光素子毎に受光パワーに対応する電流信号を出力する分割型光検出器と、各光位相変調器に対する互いに異なる周波数の正弦波信号を生成し、また、分割型光検出器により出力された電流信号を当該周波数の成分毎に分離する周波数弁別回路と、位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源と、周波数弁別回路により分離された対応する電流信号に対し、ＲＦ基準信号源により生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する複数の位相誤差検出回路と、対応する位相誤差検出回路により検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を生成する複数の位相制御回路と、周波数弁別回路により生成された対応する正弦波信号と対応する位相制御回路により生成された鋸波信号とを加算して対応する光位相変調器の入力信号を得る複数の加算回路と、分割型光検出器により出力された電力信号から対応する正弦波信号の周波数の成分を分離する複数の第２の周波数弁別回路と、対応する第２の周波数弁別回路により分離された電流信号から指向角度を検出する複数の重心演算回路と、対応する重心演算回路により検出された指向角度に基づいて、各信号光の指向角度が一定となるように、対応する指向角度制御装置の制御信号を生成する複数の指向角度制御回路とを備えたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、広い制御帯域の位相同期を実現することができる。

この発明の実施の形態１に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態１に係る光周波数制御装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態１における光位相変調器の動作を説明する図であり、（ａ）入力される鋸波信号を示す図であり、（ｂ）出力信号のスペクトルを示す図である。 この発明の実施の形態１における光位相変調器の動作を説明する図であり、（ａ）入力される鋸波信号を示す図であり、（ｂ）出力信号のスペクトルを示す図である。 この発明の実施の形態２に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態２に係る光周波数制御装置の動作を示すフローチャートである。 この発明の実施の形態３に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態３における周波数弁別回路の構成例を示す図である。 この発明の実施の形態３における光位相変調器への入力信号を説明する図であり、（ａ）周波数弁別回路の出力信号（正弦波信号）を示す図であり、（ｂ）位相制御回路の出力信号を示す図であり、（ｃ）加算回路の出力信号を示す図である。 この発明の実施の形態３における単一の光検出器による受信信号のスペクトルを示す図である。 この発明の実施の形態３における周波数弁別回路の動作を示す図であり、（ａ）光検出器の出力信号を示す図であり、（ｂ）バンドパスフィルタによる不要波抑圧を示す図であり、（ｃ）周波数ミキサによるダウンコンバートを示す図である。 この発明の実施の形態４に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態４における光位相変調器への入力信号を説明する図であり、（ａ）周波数弁別回路の出力信号（正弦波信号）を示す図であり、（ｂ）位相制御回路の出力信号を示す図であり、（ｃ）オフセット位相制御信号出力回路の出力信号を示す図であり、（ｄ）加算回路の出力信号を示す図である。 この発明の実施の形態５に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。 この発明の実施の形態５における分割型光検出器の受信イメージを示す図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。
光周波数制御装置は、図１に示すように、光位相変調器１、光カプラ２、光検出器３、ＲＦ基準信号源４、位相誤差検出回路５及び位相制御回路６から構成されている。

光位相変調器１は、入力信号に従って駆動し、入力された局発光の位相変調を行うものである。この光位相変調器１により位相変調された局発光は光カプラ２に出力される。

光カプラ２は、光位相変調器１からの局発光と入力された信号光とを合波するものである。この光カプラ２により合波された局発光及び信号光は光検出器３に出力される。

光検出器３は、光カプラ２により合波された局発光と信号光とのビート信号を検出するものである。この光検出器３により検出されたビート信号は位相誤差検出回路５に出力される。

ＲＦ基準信号源４は、位相同期の基準となるＲＦ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）信号を生成するものである。このＲＦ基準信号源４により生成されたＲＦ信号は位相誤差検出回路５に出力される。

位相誤差検出回路５は、光検出器３からのビート信号に対し、ＲＦ基準信号源４からのＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出するものである。この位相誤差検出回路５により検出された位相差信号は位相制御回路６に出力される。

位相制御回路６は、位相誤差検出回路５からの位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を光位相変調器１の入力信号として生成するものである。この位相制御回路６により生成された鋸波信号は光位相変調器１に出力される。

次に、上記のように構成された光周波数制御装置の動作について、図２を参照しながら説明する。
光周波数制御装置の動作では、図２に示すように、まず、光位相変調器１は、入力信号に従って駆動し、入力された局発光の位相変調を行う（ステップＳＴ２０１）。この光位相変調器１により位相変調された局発光は光カプラ２に出力される。

次いで、光カプラ２は、光位相変調器１からの局発光と入力された信号光とを合波する（ステップＳＴ２０２）。この光カプラ２により合波された局発光及び信号光は光検出器３に出力される。

次いで、光検出器３は、光カプラ２により合波された局発光と信号光とのビート信号を検出する（ステップＳＴ２０３）。この光検出器３により検出されたビート信号は位相誤差検出回路５に出力される。

次いで、ＲＦ基準信号源４は、位相同期の基準となるＲＦ信号を生成する（ステップＳＴ２０４）。このＲＦ基準信号源４により生成されたＲＦ信号は位相誤差検出回路５に出力される。

次いで、位相誤差検出回路５は、光検出器３からのビート信号に対し、ＲＦ基準信号源４からのＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する（ステップＳＴ２０５）。この位相誤差検出回路５により検出された位相差信号は位相制御回路６に出力される。

次いで、位相制御回路６は、位相誤差検出回路５からの位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を光位相変調器１の入力信号として生成する（ステップＳＴ２０６）。この位相制御回路６により生成された鋸波信号は光位相変調器１に出力される。このように、位相差信号を位相制御回路６を介して光位相変調器１にフィードバックすることで、信号光と局発光との位相差をＲＦ信号に同期することができる。

ここで、光位相変調器１の動作について、図３，４を参照しながら説明する。
光位相変調器１を駆動周波数ｆ、位相幅±πの鋸波信号で駆動させた場合（図３（ａ））、光位相変調器１の出力信号は、図３（ｂ）に示すように、光位相変調器１の入力信号（ｆ０）に対して１／Ｔ分周波数シフトされる。そして、この光位相変調器１に入力される鋸波信号の周期を変化させることで（図４（ａ））、光位相変調器１を光周波数シフタ（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）として動作させることが可能となる（図４（ｂ））。

一方、従来構成では、光周波数シフタを用いて局発光の周波数制御を実施している。しかしながら、光周波数シフタの動作帯域は一般的に１００［ｋＨｚ］と低速であり、高速（＞１［ＭＨｚ］）の周波数制御を行うことができない。一方、本実施の形態で使用する光位相変調器１はＧＨｚ以上の高速応答が可能であり、高速な周波数制御かつ位相制御が可能である。

なお上記では、無変調の信号光を用い、当該信号光と局発光との合波に光カプラ２を用いた場合について示した。しかしながら、これに限るものではなく、例えばＢＰＳＫ（Ｂｉｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ Ｓｈｉｆｔ Ｋｅｙｉｎｇ）などの変調信号光を用い、当該変調信号光に対して光９０度ハイブリッドを用いて局発光と合波する構成としてもよいし、パルス信号光を用いてもよい。

以上のように、この実施の形態１によれば、ＲＦ信号との位相差に基づいて鋸波信号の周期を調整して光位相変調器１を駆動させるように構成したので、光位相変調器１を光周波数シフタとして動作させることができ、高速かつ広い制御帯域の位相同期を実現することができる。

実施の形態２．
実施の形態１では１つの信号光の位相同期について説明したが、実施の形態２では本発明を複数の信号光を用いたフェーズドアレーレーザに適用した構成について説明する。図５はこの発明の実施の形態２に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。
光周波数制御装置は、図５に示すように、基準光源１１、光分岐スプリッタ１２、光位相変調器１３、第１，２の光コリメータ１４，１５、ビームスプリッタ１６、光検出器１７、ＲＦ基準信号源１８、ＲＦ分岐スプリッタ１９、位相誤差検出回路２０及び位相制御回路２１から構成されている。ここで、光位相変調器１３、第１の光コリメータ１４、光検出器１７、位相誤差検出回路２０及び位相制御回路２１は複数（Ｎ個）設けられている。

基準光源１１は、基準光を生成するものである。この基準光源１１により生成された基準光は光分岐スプリッタ１２に出力される。

光分岐スプリッタ１２は、基準光源１１からの基準光を局発光と複数の信号光とに分岐するものである。この光分岐スプリッタ１２により分岐された局発光は第２の光コリメータ１５に出力され、信号光は対応する光位相変調器１３に出力される。

光位相変調器１３は、入力信号に従って駆動し、光分岐スプリッタ１２からの対応する信号光の位相変調を行うものである。この光位相変調器１３により位相変調された信号光は対応する第１の光コリメータ１４に出力される。

第１の光コリメータ１４は、対応する光位相変調器１３からの信号光を空間出力するものである。
第２の光コリメータ１５は、光分岐スプリッタ１２からの局発光を空間出力するものである。

ビームスプリッタ１６は、各第１の光コリメータ１４により空間出力された信号光と、第２の光コリメータ１５により空間出力された局発光とをそれぞれ合波するものである。このビームスプリッタ１６により合波された各信号光及び局発光は対応する光検出器１７に出力される。また、このビームスプリッタ１６を透過した信号光は出力光として用いられる。

光検出器１７は、ビームスプリッタ１６により合波された対応する信号光と局発光とのビート信号を検出するものである。この光検出器１７により検出されたビート信号は対応する位相誤差検出回路２０に出力される。

ＲＦ基準信号源１８は、位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するものである。このＲＦ基準信号源１８により生成されたＲＦ信号はＲＦ分岐スプリッタ１９に出力される。

ＲＦ分岐スプリッタ１９は、ＲＦ基準信号源１８からのＲＦ信号を分岐するものである。このＲＦ分岐スプリッタ１９により分岐されたＲＦ信号は対応する位相誤差検出回路２０に出力される。

位相誤差検出回路２０は、対応する光検出器１７からのビート信号に対し、ＲＦ分岐スプリッタ１９からの対応するＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出するものである。この位相誤差検出回路２０により検出された位相差信号は対応する位相制御回路２１に出力される。

位相制御回路２１は、対応する位相誤差検出回路２０からの位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を対応する光位相変調器１３の入力信号として生成するものである。この位相制御回路２１により生成された鋸波信号は対応する光位相変調器１３に出力される。

次に、上記のように構成された光周波数制御装置の動作について、図６を参照しながら説明する。
光周波数制御装置の動作では、図６に示すように、まず、基準光源１１は、基準光を生成する（ステップＳＴ６０１）。この基準光源１１により生成された基準光は光分岐スプリッタ１２に出力される。

次いで、光分岐スプリッタ１２は、基準光源１１からの基準光を局発光と複数の信号光とに分岐する（ステップＳＴ６０２）。この光分岐スプリッタ１２により分岐された局発光は第２の光コリメータ１５に出力され、信号光は対応する光位相変調器１３に出力される。

次いで、光位相変調器１３は、入力信号に従って駆動し、光分岐スプリッタ１２からの対応する信号光の位相変調を行う（ステップＳＴ６０３）。ここで、光位相変調器１３は、振幅±Ｖπの鋸波信号（周期Ｔ）で駆動する。そして、光位相変調器１３からの出力光は±πの周期Ｔで位相変調された光となり、図３（ｂ）のように周波数１／Ｔ分、中心周波数がシフトする。この光位相変調器１３により位相変調された信号光は第１の光コリメータ１４に出力される。

次いで、第１の光コリメータ１４は、対応する光位相変調器１３からの信号光を空間出力し、また、第２の光コリメータ１５は、光分岐スプリッタ１２からの局発光を空間出力する（ステップＳＴ６０４）。

次いで、ビームスプリッタ１６は、各第１の光コリメータ１４からの信号光と第２の光コリメータ１５からの局発光とをそれぞれ合波する（ステップＳＴ６０５）。このビームスプリッタ１６により合波された各信号光及び局発光は対応する光検出器１７に出力される。また、このビームスプリッタ１６を透過した信号光は出力光として用いられる。

次いで、光検出器１７は、ビームスプリッタ１６により合波された対応する信号光と局発光とのビート信号を検出する（ステップＳＴ６０６）。ここで、光検出器１７により検出された信号は周波数（ｆ＝１／Ｔ）のビート信号となる。この光検出器１７により検出されたビート信号は対応する位相誤差検出回路２０に出力される。

次いで、ＲＦ基準信号源１８は、位相同期の基準となるＲＦ信号を生成する（ステップＳＴ６０７）。このＲＦ基準信号源１８により生成されたＲＦ信号はＲＦ分岐スプリッタ１９に出力される。

次いで、ＲＦ分岐スプリッタ１９は、ＲＦ基準信号源１８からのＲＦ信号を分岐する（ステップＳＴ６０８）。このＲＦ分岐スプリッタ１９により分岐されたＲＦ信号は対応する位相誤差検出回路２０に出力される。

次いで、位相誤差検出回路２０は、対応する光検出器１７からのビート信号に対し、ＲＦ分岐スプリッタ１９からの対応するＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する（ステップＳＴ６０９）。この位相誤差検出回路２０により検出された位相差信号は対応する位相制御回路２１に出力される。

次いで、位相制御回路２１は、対応する位相誤差検出回路２０からの位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を対応する光位相変調器１３の入力信号として生成する（ステップＳＴ６１０）。この位相制御回路２１により生成された鋸波信号は対応する光位相変調器１３に出力される。

ここで、鋸波信号の周期ＴをＴ＋ΔＴとすることで、光位相変調器１３を光周波数シフタとして動作させることができる。このように、位相制御回路２１にて、位相差信号を補償する信号を光位相変調器１３にフィードバックすることで、信号光間の位相同期を確立することができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、複数の信号光を用いたフェーズドアレーレーザにおいて、ＲＦ信号との位相差に基づいて鋸波信号の周期を調整して光位相変調器１３を駆動させるように構成したので、光位相変調器１３を光周波数シフタとして動作させることができ、信号数に依存せず、高速かつ広い制御帯域の位相同期を実現することができる。

なお上記では、各信号光において、光位相変調器１３の出力光をそのまま空間出力する場合について示したが、光位相変調器１３の出力光を光増幅器により増幅して空間出力するようにしてもよい。
また上記では、一例として光位相変調器１３への鋸波信号の振幅を±πとしたが、これに限るものではなく、鋸波信号の振幅は±ｎπ（ｎは自然数）であればよい。

実施の形態３．
実施の形態２では、複数の信号光に対して複数の光検出器１７を用いた構成について説明した。それに対し、実施の形態３では、複数の信号光に対して異なる周波数の位相変調信号を重畳することで単一の光検出器１７で受信を行い、その受信信号を周波数領域で分離することで複数の信号光の位相差信号を検出する構成について説明する。
図７はこの発明の実施の形態３に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。この図７に示す実施の形態３に係る光周波数制御装置は、図５に示す実施の形態２に係る光周波数制御装置の光検出器１７を単一とし、周波数弁別回路２２及び加算回路２３を追加したものである。なお、加算回路２３は複数（Ｎ個）設けられている。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

周波数弁別回路２２は、各光位相変調器１３に対する互いに異なる周波数の正弦波信号（周波数弁別信号）を生成し、また、光検出器１７からのビート信号を当該周波数の成分毎に分離するものである。この周波数弁別回路２２の詳細については後述する。この周波数弁別回路２２により生成された正弦波信号は対応する加算回路２３に出力され、周波数成分毎に分離されたビート信号は対応する位相誤差検出回路２０に出力される。

加算回路２３は、周波数弁別回路２２からの対応する正弦波信号と対応する位相制御回路２１からの鋸波信号とを加算して対応する光位相変調器１３の入力信号を得るものである。この加算回路２３により得られた信号は対応する光位相変調器１３に出力される。

なお、位相誤差検出回路２０は、周波数弁別回路２２からの対応するビート信号に対し、ＲＦ分岐スプリッタ１９からの対応するＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する。

次に、周波数弁別回路２２の構成例について、図８を参照しながら説明する。
周波数弁別回路２２は、図８に示すように、ＲＦ分岐スプリッタ２２１、バンドパスフィルタ２２２、ＲＦ発振器２２３及び周波数ミキサ２２４から構成されている。なお、バンドパスフィルタ２２２、ＲＦ発振器２２３及び周波数ミキサ２２４は複数（Ｎ個）設けられている。

ＲＦ分岐スプリッタ２２１は、光検出器１７からのビート信号を分岐するものである。このＲＦ分岐スプリッタ２２１により分岐されたビート信号は対応するバンドパスフィルタ２２２に出力される。

バンドパスフィルタ２２２は、ＲＦ分岐スプリッタ２２１からの対応するビート信号に対し、不要波を抑圧するものである。なお、各バンドパスフィルタ２２２は互いに異なる中心周波数に設定されている。このバンドパスフィルタ２２２により不要波が抑圧されたビート信号は対応する周波数ミキサ２２４に出力される。

ＲＦ発振器２２３は、互いに異なる周波数の正弦波信号を発振するものである。このＲＦ発振器２２３により発振された正弦波信号は対応する周波数ミキサ２２４に出力される。また、ＲＦ発振器２２３により発振された正弦波信号の一部は周波数弁別信号として対応する加算回路２３に出力される。

周波数ミキサ２２４は、対応するバンドパスフィルタ２２２により不要波が抑圧されたビート信号と、対応するＲＦ発振器２２３からの対応する正弦波信号とを合波し、ダウンコンバートするものである。この周波数ミキサ２２４によりダウンコンバートされた信号は対応する位相誤差検出回路２０に出力される。

次に、上記のように構成された光周波数制御装置の動作について説明する。
実施の形態３の構成において、実施の形態２と異なる点は、光位相変調器１３に周波数弁別信号（正弦波信号）及び位相制御信号（鋸波信号）を入力することで、光検出器１７を単一としている点である。
図９に実施の形態２における各光位相変調器１３への入力信号のイメージを示す。周波数弁別回路２２からは異なる周波数の正弦波信号を出力し（図９（ａ））、位相制御回路２１からは鋸波信号を出力する（図９（ｂ））。そして、これらの２信号を加算回路２３にて加算後（図９（ｃ））、対応する光位相変調器１３に出力する。

図１０に単一の光検出器１７による受信信号のスペクトルのイメージを示す。周波数弁別信号は入力する信号光毎にｆ１〜ｆＮの周波数の正弦波信号とする。この場合、光検出器１７による受信信号には、周波数（ｆ０＋１／Ｔ）にキャリア信号が生じ、ｆ０＋１／Ｔ＋ｆ１〜ｆＮに周波数弁別用のサイドキャリア信号が生じる。そして、周波数弁別回路２２では、図１１に示すように、所望の周波数を周波数領域で分離し、ＲＦ基準信号源１８と同一の周波数に変換後、位相比較を行う。

次に、周波数弁別回路２２の動作について、図１１を参照しながら説明する。
周波数弁別回路２２の動作では、まず、ＲＦ分岐スプリッタ２２１にて、光検出器１７からのビート信号（図１１（ａ）参照）を分岐する。次いで、互いに異なる中心周波数（１／Ｔ＋ｆｉ）のバンドパスフィルタ２２２にて、上記ビート信号から不要波を抑圧する（図１１（ｂ）参照）。次いで、ＲＦ発振器２２３にて、周波数ｆｉの正弦波信号を発振する。次いで、周波数ミキサ２２４は、上記不要波が抑圧された対応するビート信号と対応する正弦波信号とを合波し、ダウンコンバートする（図１１（ｃ）参照）。ここで、ダウンコンバートされた信号は、周波数１／Ｔの同一周波数となる。この周波数ミキサ２２４によりダウンコンバートされたビート信号は対応する位相誤差検出回路２０に出力される。また、ＲＦ発振器２２３により発振された正弦波信号の一部は周波数弁別信号として対応する加算回路２３に出力される。

以上のように、この実施の形態３によれば、鋸波信号及び周波数弁別信号を用いて光位相変調器１３を駆動させるように構成したので、実施の形態２における効果に加え、光検出器１７を単一とすることができる。また、光位相変調器１３で光位相同期及び周波数弁別信号の印加を実施するため、位相同期用の変調器と周波数弁別用の変調器とをそれぞれ用意する必要がなく小型化が可能となる。

なお上記では、各信号光において、光位相変調器１３の出力光をそのまま空間出力する場合について示したが、光位相変調器１３の出力光を光増幅器により増幅して空間出力するようにしてもよい。
また上記では、一例として光位相変調器１３への鋸波信号の振幅を±πとしたが、これに限るものではなく、鋸波信号の振幅は±ｎπ（ｎは自然数）であればよい。また、本構成を複数設置することで、信号数を増加する場合にも対応可能である。

実施の形態４．
実施の形態４では、光位相変調器１３の入力信号のＤＣ成分を制御することで、フェーズドアレーレーザの複数の信号光のオフセット位相を制御可能とする構成について説明する。
図１２はこの発明の実施の形態４に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。この図１２に示す実施の形態４に係る光周波数制御装置は、図７に示す実施の形態３に係る光周波数制御装置にオフセット位相制御信号出力回路２４を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。

オフセット位相制御信号出力回路２４は、オフセット位相制御信号（ＤＣ信号）を生成するものである。このオフセット位相制御信号出力回路２４により生成されたオフセット位相制御信号は対応する加算回路２３に出力される。
なお、加算回路２３は、オフセット位相制御信号出力回路２４からの対応するオフセット位相制御信号も加算して対応する光位相変調器１３の入力信号を得る。

実施の形態３と異なる点は、光位相変調器１３の入力信号のＤＣ成分を調整することで、位相同期確立後のオフセット位相を調整可能とする点である。実施の形態３では位相誤差検出回路２０に入力されるＲＦ信号の位相を変化させることで、位相同期の際のオフセット位相を調整可能である。しかしながら、その際に用いられるオフセット位相制御回路（例えばＲＦ移相器）の帯域、動作範囲により、調整可能な位相範囲、制御帯域に制限があった。それに対し、実施の形態４では、光位相変調器１３に印加する信号を変化させるため、光位相変調器１３の帯域内であればオフセット位相制御が可能である。

図１３に実施の形態４における光位相変調器１３への入力信号のイメージを示す。実施の形態４では、信号光毎に異なる周波数の周波数弁別回路２２からの正弦波信号（図１３（ａ））と、位相制御回路２１からの鋸波信号（図１３（ｂ））、オフセット位相制御信号出力回路２４からのオフセット位相制御信号（図１３（ｃ））とを加算した信号（図１３（ｄ））を光位相変調器１３に出力する。これにより、信号光路における位相変動制御と複数信号光の弁別、位相同期確立の際のオフセット位相制御を単一の光位相変調器１３で実現可能となる。

実施の形態５．
実施の形態５では、光検出器１７に代えて分割型光検出器２６を用いることで、信号光の指向角度検出と位置誤差検出を同時に実施する構成について説明する。
図１４はこの発明の実施の形態５に係る光周波数制御装置の構成を示す図である。この図１４に示す実施の形態５に係る光周波数制御装置は、図１２に示す実施の形態４に係る光周波数制御装置の光検出器１７を分割型光検出器２６に変更し、指向角度制御装置２５、ＲＦ分岐スプリッタ２７、ＲＦコンバイナ２８、第２の周波数弁別回路２９、重心演算回路３０及び指向角度制御回路３１を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付して異なる部分についてのみ説明を行う。なお、指向角度制御装置２５、第２の周波数弁別回路２９、重心演算回路３０及び指向角度制御回路３１は複数（Ｎ個）設けられている。

指向角度制御装置２５は、対応する第１の光コリメータ１４からの信号光に対して、指向角度制御回路３１からの制御信号に従って指向角度を制御するものである。この指向角度制御装置２５は、例えばアダプティブミラーなどにより構成される。この指向角度制御装置２５により指向角度が制御された信号光はビームスプリッタ１６に出力される。
なお、ビームスプリッタ１６は、各指向角度制御装置２５からの信号光と、第２の光コリメータ１５からの局発光とをそれぞれ合波する。このビームスプリッタ１６により合波された各信号光及び局発光は分割型光検出器２６に出力される。また、このビームスプリッタ１６を透過した信号光は出力光として用いられる。

分割型光検出器２６は、ビームスプリッタ１６により合波された各信号光及び局発光を受光する分割受光素子を有し、当該分割受光素子毎に受光パワーに対応する電流信号を出力するものである。この分割型光検出器２６としては、図１５に示すような例えば４分割型の光検出器を用いることができる。この分割型光検出器２６により得られた電流信号はＲＦ分岐スプリッタ２７に出力される。

ＲＦ分岐スプリッタ２７は、分割型光検出器２６からの電流信号を２分岐するものである。このＲＦ分岐スプリッタ２７により分岐された電流信号のうち、一方は位相誤差検出用としてＲＦコンバイナ２８に出力され、他方は指向角度検出用として第２の周波数弁別回路２９に出力される。

ＲＦコンバイナ２８は、ＲＦ分岐スプリッタ２７からの電流信号を合波するものである。このＲＦコンバイナ２８としては、例えば４信号に合波するものが用いられる。このＲＦコンバイナ２８により合波された電気信号は、周波数弁別回路２２に出力される。
なお、周波数弁別回路２２は、各光位相変調器１３に対する互いに異なる周波数の正弦波信号（周波数弁別信号）を生成し、また、ＲＦコンバイナ２８からの電気信号を当該周波数の成分毎に分離する。

第２の周波数弁別回路２９は、ＲＦ分岐スプリッタ２７からの電流信号から対応する周波数弁別信号の周波数の成分を分離するものである。この第２の周波数弁別回路２９により分離された電気信号は対応する重心演算回路３０に出力される。

重心演算回路３０は、対応する第２の周波数弁別回路２９からの電気信号から指向角度を検出するものである。この重心演算回路３０により検出された指向角度を示す信号は対応する指向角度制御回路３１に出力される。

指向角度制御回路３１は、対応する重心演算回路３０により検出された指向角度に基づいて、各信号光の指向角度が一定となるように、対応する指向角度制御装置２５の制御信号を生成するものである。この指向角度制御回路３１により生成された制御信号は指向角度制御装置２５に出力される。

次に、上記のように構成された光周波数制御装置の動作について説明する。
実施の形態５に係る光周波数制御装置では、第１の光コリメータ１４からの信号光を指向角度制御装置２５で指向角度制御した後、分割型光検出器２６で受信する。そして、分割型光検出器２６からは、分割受光素子毎に受光パワーに対応する電流信号が出力される。

ここで、４分割型光検出器を例として、分割型光検出器２６の受信イメージを図１５に示す。なお、局発光は全受光素子より大きいサイズとして集光し、また、信号光（図１５では第１，２の信号光）は全受光素子よりも小さくなるように設定されている。
図１５において、第１の信号光は分割受光素子の中心に入力した場合を示し、第２の信号光は指向角度がずれた場合を示している。これにより、分割受光素子毎に出力される信号レベル（Ｉａ〜Ｉｄ）は指向角度により変化する。

その後、分割型光検出器２６の出力信号をＲＦ分岐スプリッタ２７で位相誤差検出用と指向角度検出用とに２分岐する。２分岐後、位相誤差検出用の信号はＲＦコンバイナ２８にてそれぞれ合波する。そして、合波した信号は周波数弁別回路２２及び位相誤差検出回路２０を介して対応する信号光の位相誤差検出に用いられる。

一方、指向角度検出用の信号は第２の周波数弁別回路２９にて信号光に対応する周波数成分を分離後、重心演算回路３０に入力する。そして、重心演算回路３０では、下式（１）を用いてＸ，Ｙ成分の指向角度を検出する。そして、検出した指向角度に基づき指向角度制御回路３１にて制御信号を生成し、当該制御信号を指向角度制御装置２５に印加することで複数の信号光の指向角度を一定とする。

このように、指向角度制御回路３１により、信号レベル差により生じる重心演算回路３０の出力信号差に基づいて、ある特定の信号光（例えば第１の信号光）にその他の信号光の指向角度が同一となるように指向角度制御装置２５を制御することで、光位相及び指向角度の揃った信号光を出力可能となる。

なお上記では、信号光としてＣＷ信号光を用いた場合を想定して説明を行ったが、これに限るものではなく、例えばパルス信号光を用いた場合においても実現可能である。

以上のように、この実施の形態５によれば、光検出器１７に代えて分割型光検出器２６を用い、信号光の指向角度検出と位置誤差検出を同時に実施するように構成したので、実施の形態４における効果に加え、信号数に依存せずに高速な位相同期及び指向角度制御を行うことができる。また、単一の分割型光検出器２６にて受信を行い、位相誤差信号と指向角度誤差信号を演算するため、検出器の数を減らすことができ、小型化が可能である。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 光位相変調器、２ 光カプラ、３ 光検出器、４ ＲＦ基準信号源、５ 位相誤差検出回路、６ 位相制御回路、１１ 基準光源、１２ 光分岐スプリッタ、１３ 光位相変調器、１４ 第１の光コリメータ、１５ 第２の光コリメータ、１６ ビームスプリッタ、１７ 光検出器、１８ ＲＦ基準信号源、１９ ＲＦ分岐スプリッタ、２０ 位相誤差検出回路、２１ 位相制御回路、２２ 周波数弁別回路、２３ 加算回路、２４ オフセット位相制御信号出力回路、２５ 指向角度制御装置、２６ 分割型光検出器、２７ ＲＦ分岐スプリッタ、２８ ＲＦコンバイナ、２９ 第２の周波数弁別回路、３０ 重心演算回路、３１ 指向角度制御回路、２２１ ＲＦ分岐スプリッタ、２２２ バンドパスフィルタ、２２３ ＲＦ発振器、２２４ 周波数ミキサ。

Claims (7)

1. 入力信号に従って駆動し、入力された局発光の位相変調を行う光位相変調器と、
   前記光位相変調器により位相変調された局発光と入力された信号光とのビート信号を検出する光検出器と、
   位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源と、
   前記光検出器により検出されたビート信号に対し、前記ＲＦ基準信号源により生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する位相誤差検出回路と、
   前記位相誤差検出回路により検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を前記入力信号として生成する位相制御回路と
   を備えた光周波数制御装置。
2. 基準光を生成する基準光源と、
   前記基準光源により生成された基準光を、局発光と複数の信号光とに分岐する光分岐スプリッタと、
   入力信号に従って駆動し、前記光分岐スプリッタにより分岐された対応する信号光の位相変調を行う複数の光位相変調器と、
   対応する前記光位相変調器により位相変調された信号光と、前記光分岐スプリッタにより分岐された局発光とのビート信号を検出する複数の光検出器と、
   位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源と、
   対応する前記光検出器により検出されたビート信号に対し、前記ＲＦ基準信号源により生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する複数の位相誤差検出回路と、
   対応する前記位相誤差検出回路により検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を対応する前記光位相変調器の前記入力信号として生成する複数の位相制御回路と
   を備えた光周波数制御装置。
3. 基準光を生成する基準光源と、
   前記基準光源により生成された基準光を、局発光と複数の信号光とに分岐する光分岐スプリッタと、
   入力信号に従って駆動し、前記光分岐スプリッタにより分岐された対応する信号光の位相変調を行う複数の光位相変調器と、
   前記各光位相変調器により位相変調された信号光と、前記光分岐スプリッタにより分岐された局発光とのビート信号を検出する単一の光検出器と、
   前記各光位相変調器に対する互いに異なる周波数の正弦波信号を生成し、また、前記光検出器により検出されたビート信号を当該周波数の成分毎に分離する周波数弁別回路と、
   位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源と、
   前記周波数弁別回路により分離された対応するビート信号に対し、前記ＲＦ基準信号源により生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する複数の位相誤差検出回路と、
   対応する前記位相誤差検出回路により検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を生成する複数の位相制御回路と、
   前記周波数弁別回路により生成された対応する正弦波信号と対応する前記位相制御回路により生成された鋸波信号とを加算して対応する前記光位相変調器の前記入力信号を得る複数の加算回路と
   を備えた光周波数制御装置。
4. オフセット位相制御信号を生成するオフセット位相制御信号出力回路を備え、
   前記加算回路は、前記オフセット位相制御信号出力回路により生成されたオフセット位相制御信号も加算して前記入力信号を得る
   ことを特徴とする請求項３記載の光周波数制御装置。
5. 基準光を生成する基準光源と、
   前記基準光源により生成された基準光を、局発光と複数の信号光とに分岐する光分岐スプリッタと、
   入力信号に従って駆動し、前記光分岐スプリッタにより分岐された対応する信号光の位相変調を行う複数の光位相変調器と、
   対応する前記光位相変調器により位相変調された信号光に対して、入力された制御信号に従って指向角度を制御する複数の指向角度制御装置と、
   前記各指向角度制御装置により指向角度が制御された信号光と前記光分岐スプリッタにより分岐された局発光を受光する分割受光素子を有し、当該分割受光素子毎に受光パワーに対応する電流信号を出力する分割型光検出器と、
   前記各光位相変調器に対する互いに異なる周波数の正弦波信号を生成し、また、前記分割型光検出器により出力された電流信号を当該周波数の成分毎に分離する周波数弁別回路と、
   位相同期の基準となるＲＦ信号を生成するＲＦ基準信号源と、
   前記周波数弁別回路により分離された対応する電流信号に対し、前記ＲＦ基準信号源により生成されたＲＦ信号との位相差を示す位相差信号を検出する複数の位相誤差検出回路と、
   対応する前記位相誤差検出回路により検出された位相差信号に基づいて周期を調整した鋸波信号を生成する複数の位相制御回路と、
   前記周波数弁別回路により生成された対応する正弦波信号と対応する前記位相制御回路により生成された鋸波信号とを加算して対応する前記光位相変調器の前記入力信号を得る複数の加算回路と、
   前記分割型光検出器により出力された電力信号から対応する前記正弦波信号の周波数の成分を分離する複数の第２の周波数弁別回路と、
   対応する前記第２の周波数弁別回路により分離された電流信号から指向角度を検出する複数の重心演算回路と、
   対応する前記重心演算回路により検出された指向角度に基づいて、各前記信号光の指向角度が一定となるように、対応する前記指向角度制御装置の前記制御信号を生成する複数の指向角度制御回路と
   を備えた光周波数制御装置。
6. 前記信号光は変調信号光である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の光周波数制御装置。
7. 前記信号光はパルス信号光である
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の光周波数制御装置。

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