JP2021092740A

JP2021092740A - 光周波数コム発生器の制御方法及び光周波数コム発生装置

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Publication number: JP2021092740A
Application number: JP2019224951A
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Inventors: 一宏今井; Kazuhiro Imai; 元伸興梠; Motonobu Korogi
Original assignee: XTIA Ltd
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Priority date: 2019-12-12
Filing date: 2019-12-12
Publication date: 2021-06-17
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Abstract

【課題】外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができる光周波数コム発生器の制御方法及び光周波数コム発生装置を提供する。【解決手段】入射側光検出器１２３と出射側光検出器１２５とによる各光検信号から光コムモジュール１２１の共振波長の目標値に対する誤差量を示す第１の誤差信号と第２の誤差信号とを得て、バイアス・ティー１２８経由で光コムモジュール１２１に与えるＤＣバイアスに第１の誤差信号に基づく第１の制御信号を加えるとともに、レーザー光源１１０の温度調節回路１３０に目標温度設定部１２９から与える目標温度設定信号に第２の誤差信号に基づく第２の制御信号を加えることにより、光コムモジュール１２１の共振波長がレーザー光源１１０から出射されるレーザー光のレーザー周波数に対応する波長を維持するように二重の制御ループによる帰還制御を行う制御回路１２６を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、長期間に亘って安定した光周波数コムを発生する光周波数コム発生器の制御方法及び光周波数コム発生装置に関する。

従来、光共振器の共振器長の変動による光周波数コム発生装置の動作不安定性を除去して、光周波数コム信号を安定して発生するために、光周波数コム発生装置の出力から光共振器の共振器長の変動分を検出して、共振器の共振器長を帰還制御するようにしている（例えば、特許文献１、２、３参照）。

すなわち、光の共振を利用している光周波数コム発生器において、適切なスペクトル形状の光周波数コムを継続的に安定して出力するためにはレーザー周波数と共振器の共振周波数が一定の誤差範囲で一致するようにレーザー周波数または共振モード周波数を制御することが必要である。

レーザー周波数の調整は、例えばＤＦＢ半導体レーザーでは電流値の調整によって行われる。半導体素子の温度を変えることによっても変えることもできる。

また、光周波数コム発生器の共振周波数の調整は、光周波数コムを発生する電気光学結晶に加える直流電圧によって結晶の屈折率を変え、光学距離の変化を通して可能である。ＰＺＴのように電圧で駆動する素子に搭載された鏡で共振器長を変えることでも調整できる。レーザー周波数と共振周波数の誤差検出は、光周波数コム発生器の出力を高速光検出器で検出した信号を変調周波数信号と混合して得られる信号を用いることができる。また、ある一定以上の変調指数における透過光を検出した電圧の特定の値を基準として誤差を得ることも可能である。さらにレーザー周波数または共振周波数にわずかな振幅の揺動（Ｄｉｔｈｅｒ）を与えておき、透過光を検出した信号を揺動信号でロックイン検出して誤差情報を得ることも可能である。

図８は、従来の光周波数コム発生装置１０の構成例を示すブロック図である。

この光周波数コム発生装置１０は、レーザー光源１１から出射されたレーザー光を通過させる電気光学結晶からなる光導波路型の光変調器を光共振器内に備える光コムモジュール１２を備え、光コムモジュール１２から出射される光周波数コムの光出力の一部が光分岐カップラ１３を介して光検出器１４により検出され、その光検信号から光コムモジュール１２の共振波長の目標値に対する誤差量を示す誤差信号を制御回路１５により得て、この誤差信号を制御信号として、バイアス・ティー１６経由で光コムモジュール１２に与えるＤＣバイアスに加えることにより、光コムモジュール１２の共振周波数が入力レーザー周波数に追従するようになっている。制御回路１５では、レーザー光源１１に与える同期信号と光検出器１４による光検信号とのミキシングによって制御目標からの誤差量に応じた誤差信号を作り出す。

光コムモジュール１２は、温度調節回路３０により、目標温度設定部２９に設定された目標温度で、光変調器を内蔵した光共振器の共振器長さが規定値を維持するように温度管理されている。

なお、同期信号としてＲＦ変調信号発生器２７の出力の一部を使うことができる。その場合、光検出器１４の動作帯域はＲＦ駆動周波数以上であることが必要である。制御回路１５では、位相調整器を介してミキサーに光検出信号と同期信号を入力して得られる信号の低周波数成分を取って誤差信号とする。

または、同期信号としてＲＦ駆動信号は別の変調信号（ディザ信号）を使用することが可能である。レーザー周波数または光コムモジュール１２の共振周波数に、共振モードのＦＳＲと比べて小さい振幅の変調を与えておいて、制御回路１５では、光検出器１４の光検出信号と同期信号のミキシングを行う。ディザ信号周波数が低ければ、光検出信号をアナログ・デジタル変換器によりデジタル信号に変換したのちにデジタル信号処理の積和演算で誤差信号を生成することも可能である。

図８に示した従来の光周波数コム発生装置１０は、レーザー光源１１にディザ信号を加える構成のものであって、誤差信号の周波数特性を調整したものが制御信号としてバイアス・ティー１６経由で光コムモジュール１２のＤＣバイアスに加えられる。一般的には、誤差信号は比例、積分、微分の各機能を持った回路に入力され、それらの成分の振幅調整により制御ループの周波数特性が決まり、光コムモジュール１２の共振周波数が入力レーザーの発振周波数に追従するように制御される。制御信号のＤＣ電圧の範囲は、制御回路１５で出せる範囲、バイアス・ティー１６、光コムモジュール１２が受け付ける電圧範囲の制約を受ける。

また、本件出願人は、光周波数コム干渉計を用いて高精度測定を可能にした距離計や光学的三次元形状測定機、多点振動計等を先に提案している（例えば、特許文献４、５、６参照）。

特開平８−２６４８７０号公報特許第３９２６３４９号公報特許第３９７６７５６号公報特許第５２３１８８３号公報特許第５３６３２３１号公報特許第５３３６９２１号公報

ところで、光周波数コム干渉計を用いて高精度測定を可能にした距離計や光学的三次元形状測定機、多点振動計等では、測定に使用する光周波数コム光源の安定性が測定誤差に影響するので、高精度計測に対応可能な安定した光周波数コム光源が必要とされる。

従来より、光の共振を利用している光周波数コム発生器において、適切なスペクトル形状の光周波数コムを継続的に安定して出力するためにはレーザー周波数と共振器の共振周波数が一定の誤差範囲で一致するようにレーザー周波数または共振モード周波数を制御することが必要であり、光共振器の共振周波数またはレーザー周波数への負帰還制御により光共振器とレーザー周波数の共振状態を維持するようにしているが、例えば外部の温度変化が大きい場合など、制御電圧が制御回路から出力できる電圧範囲を超える可能性がある。従来、その状態になった場合、いったん制御を停止して適正な電圧範囲にある別のモードに再度制御するようになっている。再制御の間は形状測定が不安定になり、誤差も大きくなるため、計測を停止する必要がある。計測中に再制御が発生した場合には計測をやり直さなければならない。

例えば、従来の光導波路型光変調器を備える光コムモジュールのＤＣバイアスによる制御の場合、１ＦＳＲ（＝２．５ＧＨｚ）調整するために必要な電圧が８Ｖの場合、±１２Ｖの出力範囲では３ＦＳＲ（＝７．５ＧＨｚ）分の周波数変動までしか対応できない。それ以上変化があった場合には制御電圧の低い別のモードに制御をやり直す必要があった。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができる光周波数コム発生器の制御方法及び光周波数コム発生装置を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、光周波数コム干渉計を用いて測定を行う距離計や光学的三次元形状測定機、多点振動計等において、外部環境温度の変化によらず、長期間に亘って連続的な高精度計測に対応可能にした光周波数コム発生器の制御方法及び光周波数コム発生装置を提供することにある。

本発明の他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明では、従来の制御方法に加えて、制御信号が所定の値を維持するように光コムモジュールすなわち光周波数コム発生器やレーザー光源の温度など比較的に周波数変化を大きくとれる部分に対して制御を行う二重の制御ループにより、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れないようにする。

すなわち、本発明は、レーザー光源から出射されたレーザー光を通過させる電気光学結晶からなる光変調器を光共振器内に備え、上記光変調器に与えられる変調信号により、上記レーザー光に対して光変調を行い、光周波数コムを発生する光周波数コム発生器の制御方法であって、上記光周波数コム発生器から透過光又は反射光として取り出される光周波数コム出力のパワーを光検出器により検出し、上記光検出器の検出出力に基づいて上記光共振器の共振周波数オフセットの目標値からのずれに応じた第１の誤差信号を生成して、上記光共振器の共振周波数オフセットが上記目標値となるように、上記第１の誤差信号に基づく第１の制御信号により時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行うとともに、上記光検出器の検出出力と上記第１の制御ループに出力に基づいて上記第１の制御ループの出力の目標値からのずれに応じた第２の誤差信号を生成して、上記光共振器内に備えられた光変調器を備える上記光共振器の共振周波数調整手段又は上記レーザー光源の発振周波数調整手段に対して、上記第１の制御ループによる上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うことを特徴する。

また、本発明は、光周波数コム発生装置であって、レーザー光源と、上記レーザー光源から出射されたレーザー光を通過させる電気光学結晶からなる光変調器を光共振器内に備える光周波数コム発生器と、上記レーザー光に対して光変調を行う変調信号を発生して上記光変調器に与える変調信号発生器と、上記光周波数コム発生器から透過光又は反射光として取り出される光周波数コム出力のパワーを検出する光検出器と、上記光検出器の検出出力に基づいて上記光共振器の共振周波数オフセットの目標値からのずれに応じた第１の誤差信号を生成して、上記光共振器の共振周波数オフセットが上記目標値となるように、上記第１の誤差信号に基づく第１の制御信号により時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行う第１の制御手段と、上記光検出器の検出出力と上記第１の制御ループに出力に基づいて上記第１の制御ループに出力の目標値からのずれに応じた第２の誤差信号を生成して、上記光共振器内に備えられた光変調器を備える上記光共振器の共振周波数調整手段又は上記レーザー光源の発振周波数調整手段に対して、上記第１の制御手段による上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行う第２の制御手段とを備えることを特徴する。

本発明に係る光周波数コム発生装置において、上記第１の制御手段は、第１のフィルタを介して得られる上記光検出器の検出出力から高周波数成分を含む周波数帯域の広い第１の誤差信号を生成して、時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行い、上記第２の制御手段は、第２のフィルタを介して得られる上記光検出器の検出出力から上記第１の誤差信号より周波数帯域の狭い低周波数帯域の第２の誤差信号を生成し、時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うものとすることができる。

また、本発明に係る光周波数コム発生装置において、上記光変調器は光導波路型の光変調器であり、上記第１の制御手段は、バイアス・ティーを介して上記光導波路型の光変調器に上記変調信号と第１の誤差信号を供給するものとすることができる。

さらに、本発明に係る光周波数コム発生装置において、上記変調信号発生器は、マイクロ波信号を発生するマイクロ波発振器であり、上記変調信号として位相制御信号を光変調器に与えるものとすることができる。

本発明では、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができる光周波数コム発生器の制御方法及び光周波数コム発生装置を提供することができる。

すなわち、本発明によれば、光周波数コム干渉計を用いて測定を行う距離計や光学的三次元形状測定機、多点振動計等において、外部環境温度の変化によらず、長期間に亘って連続的な高精度計測に対応可能にした光周波数コム発生器の制御方法及び光周波数コム発生装置を提供することができる。

本発明を適用した光周波数コム発生装置の構成を示すブロック図である。上記光周波数コム発生装置における制御回路の構成を示すブロック図である。上記制御回路において得られる第１の誤差信号と第１の制御信号の温度依存性の確認結果を示す特性図である。本発明を適用した光周波数コム発生装置の他の構成を示すブロック図である。本発明を適用した光周波数コム発生装置のさらに他の構成を示すブロック図である。本発明に係る光周波数コム発生装置を用いて構成した光コム光源の構成を示すブロック図である。上記光コム光源を用いて構成した光コム距離計の構成を示すブロック図である。従来の光周波数コム発生装置の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、共通の構成要素については、共通の指示符号を図中に付して説明する。また、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図１のブロック図に示すような構成の光周波数コム発生装置１００により実施される。

この光周波数コム発生装置１００は、レーザー光を出射するレーザー光源１１０と、レーザー光源１１０から出射されたレーザー光が入射される光周波数コム発生器光コムモジュール１２１を備える。

この光周波数コム発生装置１００において、レーザー光源１１０は、同期信号発生器１２２により発生される同期信号が供給されており、この同期信号に同期して周波数変調されたレーザー光を出射するようになっている。

そして、レーザー光源１１０から出射されたレーザー光は、光アイソレータ内蔵の入射側光分岐カップラ１２０を介して光コムモジュール１２１に入射されるとともに入射側光検出器１２３に入射されるようになっている。

光コムモジュール１２１は、レーザー光源１１０から出射されたレーザー光を通過させる電気光学結晶からなる光変調器を光共振器内に備え、ＲＦ変調信号発生器１２７からＲＦ変調信号がバイアス・ティー１２８を経由して光変調器に与えられることにより、上記レーザー光に対して光変調を行い、光周波数コムを発生する光周波数コム発生器である。

光コムモジュール１２１は、温度調節回路１３０により、目標温度設定部１２９に設定された目標温度で、光変調器を内蔵した光共振器の共振器長さが規定値を維持するように温度管理されている。

ＲＦ変調信号発生器１２７は、レーザー光源１１０から入射されたレーザー光に対して光変調を行うＲＦ変調信号を発生して、バイアス・ティー１２８経由で光変調器に与えるようになっている。

この光周波数コム発生装置１００において、上記ＲＦ変調信号発生器１２７は、マイクロ波信号を発生するマイクロ波発振器であり、上記ＲＦ変調信号として位相制御信号を光変調器に与える。

また、光コムモジュール１２１から出射される光周波数コム出力は、光アイソレータ内蔵の出射側光分岐カップラ１２４を介して出力光として出射されるとともに出射側光検出器１２５に入射されるようになっている。

入射側光検出器１２３は、入射側光分岐カップラ１２０を介して入射されるレーザー光源１１０から出射されたレーザー光の一部を検出することにより、光コムモジュール１２１に入射されるレーザー光の光量に応じた入射側光検出信号を得て制御回路１２６に供給するようになっている。

また、出射側光検出器１２５は、出射側光分岐カップラ１２４を介して入射される光コムモジュール１２１から透過光として出射された光周波数コム出力の一部を検出することにより、光コムモジュール１２１から出射された光周波数コム出力の光量に応じた出射側光検出信号を得て制御回路１２６に供給するようになっている。

制御回路１２６は、入射側光検出信号と出射側光検出信号から光コムモジュール１２１に出射された光周波数コム出力の光量変化に応じた第1の誤差信号を得てバイアス・ティー１２８に供給するとともに、光周波数コム出力の光量変化に応じた第２の誤差信号を得て目標温度設定部１２９に供給するようになっている。

すなわち、制御回路１２６は、入射側光検出器１２３と出射側光検出器１２５とによる各光検信号から光コムモジュール１２１の共振波長の目標値に対する誤差量を示す第1の誤差信号と第２の誤差信号とを得て、バイアス・ティー１２８経由で光コムモジュール１２１に与えるＤＣバイアスに第1の誤差信号を積算した第1の制御信号を加えるとともに、光コムモジュール１２１の温度調節回路１３０に目標温度設定部１２９から与える目標温度設定信号に第２の誤差信号に係数をかけて得られる温度変更値を第２の制御信号として加えることにより、光コムモジュール１２１の共振波長を目標値に維持するように二重の制御ループによる帰還制御を行うようになっている。

ここで、制御回路１２６は、例えば、図２のブロック図に示しように、除算器１３１、積和演算器１３２、差分検出器１３３、１３６、ローパスフィルタ１３４、１３７、積分加算器１３５、１３８などの機能を有するデジタル演算処理プロセッサからなる。

この制御回路１２６において、除算器１３１は、入射側光検出器１２３より得られる入射側光検信号で出射側光検出器１２５より得られる出射側光検信号を除算することにより正規化した光検信号を生成する。

積和演算器１３２は、除算器１３１により得られる正規化した光検信号と同期信号発生器１２２により与えられる同期信号（ディザ信号）との積和演算によりディザの１周期分の誤差信号を生成する。

第1の差分検出器１３３は、積和演算器１３２により生成された誤差信号と第１の制御ループによる帰還制御の制御目標値との差分を第１の誤差信号として検出して、第１のローパスフィルタ１３４を介して第１の積分加算器１３５に供給する。

第１のローパスフィルタ１３４には、上記光共振器の共振周波数オフセットの目標値からのずれに応じた高い周波数帯域の誤差成分を含む広帯域の第１の誤差信号を通過する遮断周波数を有するものが用いられている。

第1の積分加算器１３５は、バイアス・ティー１２８に与えた前回の第１の制御信号に第１の誤差信号を加算して、新たな第１の制御信号としてバイアス・ティー１２８に与える。

第２の差分検出器１３６は、第1の積分加算器１３５により生成された第１の制御信号と第２の制御ループよる帰還制御の制御目標値との差分を第２の誤差信号として検出して、第２のローパスフィルタ１３７を介して第２の積分加算器１３８に供給する。

第２のローパスフィルタ１３７には、上記第１の制御信号の目標値からのずれに応じた比較的に低い周波数帯域の誤差成分を含む第２の誤差信号を通過する遮断周波数を有するものが用いられている。

第２の積分加算器１３８は、光コムモジュール１２１の目標温度設定部１２９に与えた前回の第２の制御信号に第２の誤差信号を加算して、新たな第２の制御信号として目標温度設定部１２９に与える。第２の積分加算器１３８による積分時定数は、第1の積分加算器１３５は積分時定数よりも長く設定されている。

この制御回路１２６は、上記光共振器の共振周波数オフセットの目標値からのずれに応じた高い周波数帯域の誤差成分を含む広帯域の第１の誤差信号に基づいて第１の制御信号をバイアス・ティー１２８に与えて、上記光共振器の共振周波数オフセットが上記目標値となるように、時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行う第１の制御手段として機能する。

また、制御回路１２６は、第２のローパスフィルタ１３７を介して上記第１の誤差信号から得られる比較的に低い周波数帯域の誤差成分を含む第２の誤差信号に基づいて第２の制御信号を得て、光コムモジュール１２１の温度調節回路１３０に目標温度設定部１２９から与える目標温度設定信号に第２の誤差信号を加えることにより、上記第１の制御手段による上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行う第２の制御手段として機能する。

なお、デジタル演算処理プロセッサからなる制御回路１２６では、デジタル信号の第１，第２の制御信号をアナログ信号に変換して出力するが、外部でアナログ信号に変換してもよい。また、制御回路１２６は、ミキサーやロックインアンプ、積分回路などのアナログ信号処理手段で構成することもできる。

例えば、光コムモジュール１２１の出力光を検出する高速光検出器の出力信号と光コムモジュール１２１に与える変調信号をダブルバランスドミキサで混合することにより、誤差信号を得ることができる。光共振器の透過モードの出力レベルを指定値とする場合には、光共振器の周回の変調指数がπラジアン以上としておく。また、光コムモジュール１２１の駆動周波数と比較して低い周波数の周波数変調信号をレーザー光源１１０に与えておき、光コムモジュール１２１の透過光又は反射光を検出する光検出器の出力信号を周波数変調信号でロックイン検出することにより、誤差信号を得ることができる。あるいは、光コムモジュール１２１の駆動周波数と比較して低い周波数の周波数変調信号を光コムモジュール１２１に与えておき、光コムモジュール１２１の透過光又は反射光を検出する光検出器の出力信号を周波数変調信号でロックイン検出することにより、誤差信号を得ることができる。さらに、光コムモジュール１２１の出射側に光フィルタを入れて光検出器で検出した電圧のレベルを誤差信号とすることもできる。

ここで、駆動周波数２５ＧＨｚの光周波数コム発生装置１００において、０．１℃温度ずつ温度を３回下げたときの第１の誤差信号、第１の制御信号の変化を測定して、第１の誤差信号と第１の制御信号の温度依存性を確認したところ、図３に示すように、第１の誤差信号がゼロになるような制御が行われているが確認できた。

図３の横軸は時間［秒］、縦軸は出力の最大値を±０．５に規格化した第１の誤差信号と第１の制御信号を示している。

第１の制御信号が０．３近くのレベルになっている状態から温度変化を与えたところ一時的に誤差信号が負の値になったが、第１の制御信号が０．２付近に変化することで第１の誤差信号がゼロに落ち着く。合計０．３℃の温度変化を与えることで第１の制御信号のレベルが０．１以下になった。

ここで、ＦＳＲ２．５ＧＨｚ、ＤＣでの感度２．５ＧＨｚあたり８Ｖであると仮定して、信号レベルと周波数偏移の関係を検討すると、１２Ｖで信号レベルが０．５の場合には、
１２Ｖ＊（２．５ＧＨｚ／８Ｖ）＝３．７５ＧＨｚ
であるから、信号レベルが０．１変化すると０．７５ＧＨｚの周波数偏移となる。
およそ０．３℃で０．２の制御信号レベル変化があるので、１．５℃の温度変化で±０．５の制御信号レベルに対応可能である。

なお、この光周波数コム発生装置１００における制御回路１２６では、除算器１３１において、入射側光検出器１２３より得られる入射側光検信号で出射側光検出器１２５より得られる出射側光検信号を除算することにより正規化した光検信号を生成して、この正規化した光検信号から第１の誤差信号に基づく第１の制御信号と第２の誤差信号に基づく第２の制御信号を得ているが、原理的に正規化のための除算処理は省略しても良い。

また、この光周波数コム発生装置１００では、光コムモジュール１２１から透過光として出射された光周波数コム出力の一部を出射側光検出器１２５より検出するようにしているが、図４のブロック図に示す光周波数コム発生装置１００Ａのように光コムモジュール１２１から反射光として出射された光周波数コム出力の一部を検出するようにしてもよい。

光周波数コム発生装置１００Ａは、レーザー光源１１０から出射されたレーザー光が４ポートの入射側光分岐カップラ１２０Ａを介して光コムモジュール１２１に入射されるとともに、上記入射側光分岐カップラ１２０Ａを介して入射されるレーザー光源１１０から出射されたレーザー光の一部を入射側光検出器１２３により検出し、上記光コムモジュール１２１から反射光として出射された光周波数コム出力の一部を上記入射側光分岐カップラ１２０Ａを介して出射側光検出器１２５より検出するようになっている。

この図４のブロック図に示す光周波数コム発生装置１００Ａは、出射側光分岐カップラ１２４を備えず、４ポートの入射側光分岐カップラ１２０Ａを備える構成となっている以外は、上記光周波数コム発生装置１００と同じなので、同一構成要素に同一符号を付して示し、それらの詳細な説明は省略する。

また、上記光周波数コム発生装置１００、１００Ａでは、光コムモジュール１２１から透過光又は反射光として出射された光周波数コム出力の一部を出射側光検出器１２５より検出して、上記制御回路１２６により、上記光検出器１２５の検出出力に基づいて上記光共振器の共振周波数オフセットの目標値からのずれに応じた第１の誤差信号を生成して、上記光共振器の共振周波数オフセットが上記目標値となるように、上記第１の誤差信号に基づく第１の制御信号により時定数の短い第1の制御ループによる帰還制御を行うとともに、上記光検出器１２５の検出出力に基づいて上記第1の制御信号の目標値からのずれに応じた第２の誤差信号を生成して、上記目標温度設定部１２９に設定された目標温度で、光変調器を内蔵した光共振器の共振器長さが規定値を維持するように温度管理する光コムモジュール１２１の温度調節回路１３０に対して、上記第1の制御ループによるによる上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行っているが、図５のブロック図に示す光周波数コム発生装置１００Ｂのように、レーザー光源１１０の温度制御に対して時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うようにすることもできる。

図５のブロック図に示す光周波数コム発生装置１００Ｂにおいて、制御回路１２６は、入射側光検出信号と出射側光検出信号から光コムモジュール１２１に出射された光周波数コム出力の光量変化に応じた第1の誤差信号を得てバイアス・ティー１２８に供給するとともに、光周波数コム出力の光量変化に応じた第２の誤差信号を得て、レーザー光源１１０の目標温度設定部１１９に供給するようになっている。

すなわち、制御回路１２６は、入射側光検出器１２３と出射側光検出器１２５とによる各光検信号から光コムモジュール１２１の共振波長の目標値に対する誤差量を示す第1の誤差信号と第２の誤差信号とを得て、バイアス・ティー１２８経由で光コムモジュール１２１に与えるＤＣバイアスに第1の誤差信号に基づく第１の制御信号を加えるとともに、レーザー光源１１０の温度調節回路１１８に目標温度設定部１１９から与える目標温度設定信号に第２の誤差信号に基づく第２の制御信号を加えることにより、レーザー光源１１０から出射されるレーザー光のレーザー周波数が光コムモジュール１２１の共振波長の目標値に対応する波長で維持されるように二重の制御ループによる帰還制御を行うようになっている。

この図５のブロック図に示す光周波数コム発生装置１００Ｂは、第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により光コムモジュール１２１の温度の帰還制御を行う第２の制御ループに替えて、第２の誤差信号に基づく第２の制御信号によりレーザー光源１１０の温度の帰還制御を行う第２の制御ループを備えるものとなっている以外は、上記光周波数コム発生装置１００と同じなので、同一構成要素に同一符号を付して示し、それらの詳細な説明は省略する。

上記光周波数コム発生装置１００、１００Ａ、１００Ｂでは、光コムモジュール１２１から透過光又は反射光として取り出される光周波数コム出力のパワーを光検出器１２５により検出し、上記光検出器１２５の検出出力に基づいて上記光共振器の共振周波数オフセットの目標値からのずれに応じた第１の誤差信号を生成して、上記光共振器の共振周波数オフセットが上記目標値となるように、上記第１の誤差信号に基づく第１の制御信号により時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行うとともに、上記光検出器１２５の検出出力に基づいて上記第1の制御信号の目標値からのずれに応じた第２の誤差信号を生成して、光コムモジュール１２１の光変調器を備える共振器の温度又はレーザー光源１１０の温度を目標温度に制御する温度制御手段に対して、上記第1の制御ループによる上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行う本発明に係る光周波数コム発生器の制御方法を実行することができる。

上記光周波数コム発生装置１００、１００Ａでは、上記目標温度設定部１２９に設定された目標温度で、光変調器を内蔵した光共振器の共振器長さが規定値を維持するように温度管理する光コムモジュール１２１の温度調節回路１３０に対して、上記第１の制御ループによる上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うことにより、すなわち、光コムモジュール１２１の光共振器の共振器長さ、すなわち、共振周波数を変える共振周波数調整手段に対して、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うことにより、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができる。

なお、光共振器の共振器長さが外部の鏡の位置によって調整できるようにした共振周波数調整手段を備える光コムモジュール１２１の場合には、上記外部の鏡の位置によって共振周波数を調整する共振周波数調整手段に対して、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うことにより、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができる。

また、上記光周波数コム発生装置１００Ｂでは、上記目標温度設定部１１９に設定された目標温度で、レーザー光源１１０から出射されるレーザー光のレーザー周波数が規定値を維持するように温度管理するレーザー光源１１０の温度調節回路１１８に対して、上記第１の制御ループによる上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うことにより、すなわち、半導体レーザーのモジュール温度を変えてレーザー発振周波数を調整する発振周波数調整手段に対して、上記第１の制御ループによる上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うことにより、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができる。

なお、半導体レーザーのモジュール電流を変えてレーザー発振周波数を調整する発振周波数調整手段を備えるレーザー光源１１０の場合には、上記モジュール電流を変えてレーザー発振周波数を調整する発振周波数調整手段に対して、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うことにより、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができる。また、外部共振器型レーザーであれば周波数選択フィルタの周波数などを調整する発振周波数調整手段に対して、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うようにしてもよい。

このように外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することのできる本発明に係る光周波数コム発生装置は、例えば図６のブロック図に示すような構成の光コム光源２００に適用して、本件発明者等が先に提案している光周波数コム干渉計を用いて高精度測定を可能にした距離計や光学的三次元形状測定機、多点振動計等における光源として用いられる。

この光コム光源２００は、１台の単一周波数発振のレーザー光源２０１から出射されるレーザー光がビームスプリッタ（又は光分岐カップラ）２０２により分割されて２台の光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）２２０Ａ，２２０Ｂに入力されるようになっている。

レーザー光源２０１は、同期信号発生器２２２が発生する同期信号によって周波数変調されたレーザー光を出射する。

２台の光周波数コム発生器２２０Ａ，２２０Ｂは、互いに異なる変調周波数ｆｍと周波数ｆｍ＋Δｆｍで発振する発振器２０３Ａ，２０３Ｂにより駆動される。それぞれの発振器２０３Ａ，２０３Ｂは、共通の基準発振器２０４により位相同期されることにより、ｆｍとｆｍ＋Δｆｍの相対周波数が安定になる。光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ２）２２０Ｂの前には、音響光学周波数シフタ（ＡＯＦＳ）のような周波数シフタ２０５を設けて、入力されたレーザー光にこの周波数シフタ２０５により周波数ｆａの光周波数シフトを与えるようになっている。これにより、キャリア周波数間のビート周波数が直流信号ではなく周波数ｆａの交流信号になる。その結果、キャリア周波数の高周波側サイドバンドのビート信号と低周波側サイドバンドのビート信号がビート信号のキャリア周波数間のビート周波数ｆａを挟んで相対する周波数領域に発生するため位相比較に都合が良い。

２台の光周波数コム発生器２２０Ａ，２２０Ｂは、同期信号発生器２２２により上記レーザー光源２０１に与える同期信号がそれぞれ供給される制御部２２１Ａ、２２１Ｂによって、各光コム出力の検出信号と同期信号を混合して得られる誤差信号に基づいて、光共振器の共振周波数オフセットが目標値となるように、第１の誤差信号により時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行うとともに、上記第１の制御ループによる上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号により時定数の長い第２の制御ループ帰還制御を行う二重のフィードバックループによる制御が行われるようになっている。

この光コム光源２００は、レーザー光源２０１を共通として中心周波数と周波数間隔の異なる二つの光周波数コムを発生するもので、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができ、例えば図７のブロック図に示すような構成の光コム距離計３００における第１、第２の光コム光源３０１、３０２として使用することができる。

図７のブロック図に示す光コム距離計３００は、光周波数コム干渉計を用いて距離を測定するものであって、第１、第２の光コム光源３０１、３０２から出射される中心周波数と周波数間隔の異なる二つの光周波数コムをそれぞれ周期的に強度又は位相が変調され、互いに変調周期が異なる干渉性のある基準光Ｓ１と測定光Ｓ２として干渉光学系３１０を介して基準面３０４と測定面３０５に照射し、上記基準面３０４と測定面３０５に照射する基準光Ｓ１と測定光Ｓ２との干渉光Ｓ３を基準光検出器３０３により検出するとともに、上記基準面３０４により反射された基準光Ｓ１’と上記測定面３０５により反射された測定光Ｓ２’との干渉光Ｓ４を測定光検出器３０６により検出し、信号処理部３０７により、上記基準光検出器３０３により干渉光Ｓ３を検出した干渉信号と上記測定光検出器３０６により干渉光Ｓ４を検出した干渉信号の時間差から、光速と測定波長における屈折率から上記基準面３０４までの距離Ｌ１と上記測定面３０５までの距離Ｌ２の差を求めることができる。なお、干渉計や検出器の形態は複数ある。

この光コム距離計３００は、光学スキャン装置と組み合わせることにより、測定光Ｓ２を測定対象の表面にスキャンしながら照射して、表面からの反射光を照射ポイント一点一点について検出して距離（高さ）計算を行い、スキャンの座標と距離（高さ）の分布から対象物の表面形状が得られる光コム形状計測器を構成することができる。スキャナ光学系には様々な形態がある。テレセントリック光学系を使用すると測定範囲内で対象物に向かってほぼ垂直に光が入射するようにすることができる。

また、この光コム距離計３００は、測定光Ｓ２の出力部に測定光Ｓ２を波長毎に分波する素子を挿入して、波長によって異なる場所に測定光を照射されるようにすることにより、の各周波数成分の相対位相情報から上記測定面の複数の測定点における高さ情報を得ることができる多点の振動計測器を構成することができる。

すなわち、上記光コム光源２００は、外部環境温度の変化によらず、長期的に制御が外れることなく長期間に亘って安定した光周波数コムを発生することができ、光周波数コム干渉計を用いて光学的に三次元形状測定測定を行う距離計や光学的三次元形状測定機、多点振動計等における高精度計測に対応可能な安定した光コム光源として使用することができる。

１００、１００Ａ、１００Ｂ光周波数コム発生装置、１１０レーザー光源、１１８、１３０温度調節回路、１１９、１２９目標温度設定部、１２０入射側光分岐カップラ、１２１光コムモジュール、１２２同期信号発生器、１２３入射側光検出器、１２４出射側光分岐カップラ、１２５出射側光検出器、１２６制御回路、１２７ＲＦ変調信号発生器、１２８バイアス・ティー、１３１除算器、１３２積和演算器、１３３、１３６第１、第２の差分検出器、１３４、１３７第１、第２のローパスフィルタ、１３５、１３８第１、第２の積分加算器、２００光コム光源、２０１レーザー光源、２０３Ａ，２０３Ｂ発振器、２０４基準発振器、２０５周波数シフタ、２２０Ａ，２２０Ｂ光周波数コム発生器（ＯＦＣＧ１、ＯＦＣＧ２）、２２１Ａ、２２１Ｂ制御部、２２２同期信号発生器、３００光コム距離計、３０１、３０２第１、第２の光コム光源、３０３基準光検出器、３０４基準面、３０５測定面、３０６測定光検出器、３０７信号処理部、３１０干渉光学系

Claims

レーザー光源から出射されたレーザー光を通過させる電気光学結晶からなる光変調器を光共振器内に備え、上記光変調器に与えられる変調信号により、上記レーザー光に対して光変調を行い、光周波数コムを発生する光周波数コム発生器の制御方法であって、
上記光周波数コム発生器から透過光又は反射光として取り出される光周波数コム出力のパワーを光検出器により検出し、
上記光検出器の検出出力に基づいて上記光共振器の共振周波数オフセットの目標値からのずれに応じた第１の誤差信号を生成して、上記光共振器の共振周波数オフセットが上記目標値となるように、上記第１の誤差信号に基づく第１の制御信号により時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行うとともに、
上記光検出器の検出出力と上記第１の制御ループの出力に基づいて上記第１の制御ループの出力の目標値からのずれに応じた第２の誤差信号を生成して、上記光共振器内に備えられた光変調器を備える上記光共振器の共振周波数調整手段又は上記レーザー光源の発振周波数調整手段に対して、上記第１の制御ループによる上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行う
ことを特徴する光周波数コム発生器の制御方法。
レーザー光源と、
上記レーザー光源から出射されたレーザー光を通過させる電気光学結晶からなる光変調器を光共振器内に備える光周波数コム発生器と、
上記レーザー光に対して光変調を行う変調信号を発生して上記光変調器に与える変調信号発生器と、
上記光周波数コム発生器から透過光又は反射光として取り出される光周波数コム出力のパワーを検出する光検出器と、
上記光検出器の検出出力に基づいて上記光共振器の共振周波数オフセットの目標値からのずれに応じた第１の誤差信号を生成して、上記光共振器の共振周波数オフセットが上記目標値となるように、上記第１の誤差信号に基づく第１の制御信号により時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行う第１の制御手段と、
上記光検出器の検出出力と第１の制御ループの出力に基づいて上記第１の制御ループの出力の目標値からのずれに応じた第２の誤差信号を生成して、上記光共振器内に備えられた光変調器を備える上記光共振器の共振周波数調整手段又は上記レーザー光源の発振周波数調整手段に対して、上記第１の制御手段による上記光共振器の共振周波数オフセットの制御範囲内から上記第１の制御信号が逸脱しないように、上記第２の誤差信号に基づく第２の制御信号により時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行う第２の制御手段と
を備えることを特徴する光周波数コム発生装置。
上記第１の制御手段は、第１のフィルタを介して得られる上記光検出器の検出出力から高周波数成分を含む周波数帯域の広い第１の誤差信号を生成して、時定数の短い第１の制御ループによる帰還制御を行い、
上記第２の制御手段は、第２のフィルタを介して得られる上記光検出器の検出出力から上記第１の誤差信号より周波数帯域の狭い低周波数帯域の第２の誤差信号を生成し、時定数の長い第２の制御ループによる帰還制御を行うことを特徴とする請求項２に記載の光周波数コム発生装置。
上記光変調器は光導波路型の光変調器であり、
上記第１の制御手段は、バイアス・ティーを介して上記光導波路型の光変調器に上記変調信号と第１の制御信号を供給することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の光周波数コム発生装置。
上記変調信号発生器は、マイクロ波信号を発生するマイクロ波発振器であり、上記変調信号として位相制御信号を光変調器に与えることを特徴とする請求項２乃至請求項４の何れか１項に記載の光周波数コム発生装置。