JP3568801B2

JP3568801B2 - 周波数可変レーザ光源装置

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Publication number: JP3568801B2
Application number: JP31554298A
Authority: JP
Inventors: 誠範待鳥; 光啓手島
Original assignee: Anritsu Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Anritsu Corp; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1998-11-06
Filing date: 1998-11-06
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2018-11-06
Also published as: JP2000151000A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信、光計測分野で利用されるレーザ光源装置に係り、特に出力光の周波数が広帯域にわたり可変であり、かつ出力光の周波数確度、周波数安定度に優れた周波数可変レーザ光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
出力光の周波数確度、周波数安定度に優れたレーザ光源装置を構成するための要素技術については、▲１▼周波数基準光源、▲２▼波長可変光源、▲３▼周波数追従制御、▲４▼広帯域側帯波発生手段（光周波数コム発生器、短光パルス光源、等）の各技術が知られている。
【０００３】
まず最初に、この各々について簡単に説明する。
【０００４】
▲１▼周波数基準光源としては、原子や分子の吸収線などを周波数基準として半導体レーザ（以下、ＬＤという。ＬＤ：ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ）や固体レーザの発振周波数を安定化したものおよび気体レーザなどが一般的である。
【０００５】
▲２▼波長可変光源としては、ＬＤまたは固体レーザと回折格子などの波長選択素子とを組み合わせた外部共振型光源やＤＦＢ−ＬＤ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｆｅｅｄｂａｃｋ−ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ）、ＤＢＲ−ＬＤ（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＢｒａｇｇｒｅｆｌｅｃｔｏｒ−ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ）等のＬＤ内部に波長選択素子を取り込んだものが一般的である。当然、このような光源単体では周波数確度や長期の周波数安定度が保証されない。
【０００６】
▲３▼周波数追従制御は、１台のレーザ（マスタレーザ）の出力光周波数に追従するように他のレーザ（スレーブレーザ）の出力光周波数を制御するものである。ＬＤは注入電流によって発振周波数を直接制御できるため、ＬＤをスレーブレーザとして用い、通常、マスタレーザとスレーブレーザとの出力光を合波、受光してビート信号を検出し、その周波数が設定した周波数（オフセット周波数）と一致するようにスレーブレーザの注入電流を制御する。この制御によってスレーブレーザの出力光周波数はマスタレーザの出力光周波数に対して設定した周波数だけ隔たるため、この制御は光周波数オフセットロック制御とも呼ばれる。ビート信号から得られる情報は２つのレーザ光の周波数差の絶対値であるから、オフセット周波数を０に近づけると制御の誤動作を招く。制御の方法によって、マスタレーザの出力光周波数に対するスレーブレーザの出力光周波数の高低、すなわち、オフセット周波数の符号は正負いずれかに設定できる。また、ビート信号を生成する受光系の帯域などからオフセット周波数の上限は高々１００ＧＨ_Ｚである。市販の受光素子などを用いる場合、受光や増幅が容易に行える帯域は数ＧＨ_Ｚまでである。
【０００７】
▲４▼広帯域側帯波発生手段としては、光周波数コム発生器、短光パルス光源、等がある。
【０００８】
光周波数コム発生器（以下、コム発生器という）は、入力されたレーザ光に対して深い変調をかけて、周波数軸上に変調周波数間隔で数１００本以上の側帯波を発生させて出力する。変調周波数は通常数ＧＨ_Ｚ〜２０ＧＨ_Ｚ程度に設定され、数ＴＨ_Ｚ以上にわたって利用可能な強度の側帯波が得られる。入力光の周波数および変調周波数が既知であれば、各側帯波の周波数も既知となるから、各側帯波もまた周波数基準光として用いることができる。
【０００９】
短光パルス光源は、光共振器の内部に光増幅媒体と光を変調する手段（可飽和吸収体、光強度変調器、光位相変調器など）とを有しており、パルス時間幅が１０ｐｓ程度以下の光を所定の周期で繰り返し出力するものである。この出力光は光パルスの繰り返し周波数間隔をもつ多数の側帯波を含んでいる。特に一般的な強制モード同期による短光パルス光源は、光強度変調器を内蔵しており、マイクロ波によって光強度変調器を駆動することにより、このマイクロ波に同期した光パルス列を発生する。
【００１０】
このため、側帯波の周波数間隔は駆動するマイクロ波のもつ高い周波数確度と高安定度を有しており、この点ではコム発生器を利用する場合と同様である。
【００１１】
しかしながら、短光パルス光源は、その内部に光周波数基準をもたないため、各側帯波の周波数は（強制モード同期の場合、間隔は一定に保たれるが）時間的に変動してしまう。そこで、短光パルス光源を利用して広帯域に周波数基準光を発生するためには、周波数が既知の光を用意して、光注入同期現象または周波数追従制御を用いる。光注入同期現象は自励発振しているＬＤに、その発振周波数に近い周波数をもつ光を外部から注入するとＬＤの発振周波数が、注入された光の周波数に引き込まれて、一致する現象である。短光パルス光源でも同様に、出力光に含まれる低次の側帯波に近い周波数をもつ光を注入すると、この側帯波の周波数が、注入された光の周波数に引き込まれる。したがって、強制モード同期による短光パルス光源では、注入される光の周波数が既知であれば、各側帯波の周波数も既知となる。
【００１２】
また、周波数追従制御は前述の通り、参照される光の周波数に他のＬＤ等の発振周波数を（オフセット周波数をもって）追従させるものであるから、強制モード同期による短光パルス光源でも同様に周波数が既知の光を参照光として或る側帯波の周波数を追従させれば、各側帯波の周波数も既知となる。
【００１３】
このように周波数基準光源と組み合わせて使用すれば、コム発生器と短光パルス光源とは同等な側帯波発生手段といえる。
【００１４】
コム発生器の出力光（以下、「コム信号光」という。）や短光パルス光源の出力光は他の光とのヘテロダイン検波によって利用されるため、ビート信号のＳＮ比を高くするためには、入力光あるいは参照光のスペクトル線幅が狭いほど有利である。このために入力光源として外部共振型ＬＤ光源や自己注入同期ＬＤ光源が用いられることが多い。
【００１５】
なお、ここでいう広帯域に側帯波を発生する手段は周波数軸上で等間隔に側帯波を発生するものを意味しているので、コム発生器の出力や短光パルス光源の出力に対してパルス圧縮を施したものなども含まれる。
【００１６】
これらは本質的には同様の取り扱いが可能なため、以下の説明では主としてコム発生器の場合について述べる。
【００１７】
次に、以上の要素技術を組み合わせた従来の周波数確度、周波数安定度に優れた周波数可変な光源について図７を参照して説明する。
【００１８】
図７は、従来の周波数可変レーザ光源装置の構成を示す図で、▲１▼周波数基準光源、▲２▼波長可変光源、▲３▼周波数追従制御を組み合わせたものである。これは、周波数基準光源１１をマスタ光源とし、周波数可変光源３１をスレーブ光源として周波数追従制御を施した系である。周波数基準光源１１からの周波数基準光とスレーブ光源部３０の周波数可変光源３１からの出力光は周波数追従制御手段３３の合波器３３１で合波され、受光器３３２で受光されてそのビート信号が検出される。検出されたビート信号とオフセット周波数発振器３３４からの信号は位相比較器３３３で位相比較され、その結果はループフィルタ３３５を経由して駆動電流源３３７からの電流に加算器３３６で加算され周波数可変光源３１であるＬＤに供給される。このように制御されることで、出力光は周波数基準光に対してオフセット周波数発振器３３４で設定されたオフセット周波数をもって追従する。この系ではスレーブ光源部３０の出力光周波数を高確度、高安定度を維持しながら連続的に変化させることができるが、周波数可変幅は受光系を含む周波数追従制御の帯域までに制限され、高々１００ＧＨ_Ｚ（１．５μｍ帯では波長帯域として１ｎｍ弱）が限界である。
【００１９】
この点に鑑みて、コム発生器などの利用が提案され、実験的に動作が確認されている。そして、この▲４▼広帯域な側帯波発生技術の一つである光周波数コム発生の技術を前記３つの技術に加えたもの、すなわち、周波数基準光をコム発生器に入力して得られたコム信号光に含まれる多数の側帯波は周波数基準光とすることができるため、任意の次数Ｎの側帯波を基準として周波数可変光源に周波数追従制御を施す系が考えられた。この構成を図８に示す。
【００２０】
図８は、コム発生器を用いた従来の周波数可変レーザ光源装置の構成を示す図である。この例は、図７の例において、周波数基準光源１１と合波器３３１の間に、コム発生器２１と発振器２２とを備えたコム発生部２０を挿入したものである。
【００２１】
コム発生器２１は周波数基準光源１１からの周波数基準光を受けて、発振器２２の発振周波数で変調して、発振周波数の間隔で発生された多数の側帯波を周波数追従制御手段３３に出力する。周波数追従制御手段３３では、前記側帯波のうちの任意の次数Ｎの側帯波が周波数基準光として使われる。この系では、周波数追従制御手段３３のオフセット周波数を変化させることで出力光の周波数を変化させている。
【００２２】
この系では、広帯域にわたり高確度、高安定度をもつ光を発生することができるものの、広帯域な周波数範囲内で任意の周波数を発生することはできない。これは２種類のデッドゾーンの存在による。
【００２３】
このデッドゾーンを図９を参照して説明する。図９は、側帯波を周波数基準として用いて出力光を設定、掃引するときに問題となるデッドゾーンを説明するための図であり、（ａ）は側帯波近傍での問題点を説明するための図、（ｂ）は隣接する側帯波間の中央付近での問題点を説明するための図、（ｃ）は２つのデッドゾーンを示す図である。２つのうちの１つは、図９（ａ）に示すように、周波数追従制御を行う際に、オフセット周波数を０に近づけることができないためである。つまり、ある次数Ｎの側帯波とスレーブ光源である周波数可変光源の周波数がほぼ一致すると適正な周波数追従制御ができなくなる。さらに、オフセット周波数が１０ＭＨ_Ｚ以下になると、周波数追従制御系の１／ｆ雑音が顕著になるため望ましくない。他の１つは、図９（ｂ）に示すように、光周波数コム発生器や短光パルス光源を利用する場合、多数の側帯波が周波数軸上に林立するため、Ｎ次側帯波と（Ｎ＋１）次側帯波間の中央に周波数可変光源の周波数がほぼ一致すると受光信号にはＮ次側帯波とのビート信号と（Ｎ＋１）次側帯波とのビート信号がほぼ同一の周波数で混在し、適正な周波数追従制御ができなくなる。図９（ｃ）に示すように、前記２種類のデッドゾーンの周波数幅の目安は適当な余裕を見込めば、側帯波付近のデッドゾーンで２０ＭＨ_Ｚ程度、側帯波間の中央付近のデッドゾーンで数１００ＭＨ_Ｚ程度である。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、周波数基準光の複数の側帯波と周波数可変光源とのヘテロダイン信号を、オフセット周波数と比較して周波数可変光源の周波数を制御する場合に生じるデッドゾーンの問題点を解決し、▲１▼出力光の周波数確度、周波数安定度、設定分解能に優れ、▲２▼周波数（波長）可変範囲が広く、かつ、▲３▼前記周波数可変範囲内で任意に周波数を設定または掃引できる周波数可変レーザ光源装置を提供するものである。前記▲１▼でいう高確度、高安定度、高分解能の目安は各々１００ＭＨ_Ｚ、１０の−９乗、１ＭＨ_Ｚ以下である。また、前記▲２▼でいう広帯域の最低の目安は１．５μｍ帯で１０ｎｍ以上である。（１．５μｍ帯では周波数幅１ＴＨ_Ｚが波長幅８ｎｍに相当する。以下、波長幅に関する表記は１．５μｍ帯での値とする）。
【００２５】
さらに近年、通信すべき情報量の拡大に伴いＷＤＭ（ＷａｖｅｌｅｎｇｔｈＤｉｖｉｓｉｏｎＭｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ；波長分割多重）光通信技術が模索されており、複数の所定周波数の光を同時に出力する光源が望まれている。この要請を考慮すれば、１つのコム信号光を発生して、これに含まれる任意の側帯波を基準として、複数の周波数可変光源を独立に周波数設定できる構成をとることが望ましい。このためには、コム信号光の周波数を固定した状態で、デッドゾーンを回避する手段を実現する必要がある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
周波数基準光をもとに側帯波を発生させ、周波数可変光源の出力光の一部について、その周波数を適宜にシフトできるようにしておき、この周波数シフトした光と前記側帯波から得られるヘテロダイン信号に基づいて周波数可変光源の出力光の周波数を制御することとした。すなわち、本願の請求項１に係る周波数可変レーザ光源装置は、周波数基準光を出力する周波数基準光源（１）と、該周波数基準光源からの光を受けて、該周波数基準光の複数の側帯波を有する光を発生する側帯波発生部（２）と、光周波数が制御可能とされた周波数可変光源（３）と、該周波数可変光源の出力光を入力光として受けて、前記入力光を変調し、光周波数が前記入力光の光周波数より第１の所定幅シフトした第１のシフト光、および当該第１の所定幅より大きい第２の所定幅だけ前記入力光の光周波数よりシフトした第２のシフト光のうち、一方を選択して出力する光周波数シフト部（４）と、オフセット周波数が可変であり、前記側帯波発生部が出力する複数の側帯波を有する光と前記光周波数シフト部の出力光とから得られるヘテロダイン信号の周波数が設定されたオフセット周波数になるように前記周波数可変光源の周波数追従制御を行うとともに、前記周波数追従制御の制御極性が切り換え可能である周波数追従制御部（５）と、前記周波数可変光源の出力を所望の周波数とするために、前記周波数追従制御部のオフセット周波数および制御極性を設定し、かつ、前記光周波数シフト部のシフト光の選択を制御する制御部（６）とを備え、もって、前記周波数可変光源の出力光を出力光とする周波数可変レーザ光源装置であって、前記制御部は、前記周波数可変光源の出力光の周波数と前記側帯波の周波数との差が、前記第１の所定幅と前記第２の所定幅との周波数差の１／２より小さい時、および前記周波数可変光源の出力光の周波数と、隣接する２つの側帯波の中間の周波数との差が、前記周波数差の１／２より小さい時の双方において、前記光周波数シフト部から前記第２のシフト光を出力するように制御し、かつ、前記周波数可変光源の周波数が現状の周波数値を維持するように前記オフセット周波数を制御することを特徴とする周波数可変レーザ光源装置である。
また、本願の請求項２に係る周波数可変レーザ光源装置は、請求項１記載の周波数可変レーザ光源装置であって、前記周波数可変光源と、前記光周波数シフト部と、前記周波数追従制御部と、前記制御部をそれぞれ複数有するとともに各々の数量が同じであり、かつ前記側帯波発生部からの出力光を前記数量に分波する分波器（７）を備え、互いに独立して周波数設定が可能な、前記数量の光を出力することを特徴とする周波数可変レーザ光源装置である。
【００２７】
たとえば、デッドゾーンの幅が２００ＭＨ_Ｚ未満である場合に、前記第１の所定幅を０、前記第２の所定幅を２００ＭＨ_Ｚと定める。
【００２８】
まず、周波数シフト部が第１の所定幅シフトした出力光を選択しているときに、周波数可変光源の出力光周波数をデッドゾーン外部のある周波数に設定する場合には、そのまま、第１の所定幅だけ周波数シフトした光（この例ではシフト幅０で周波数可変光源の出力光そのもの）をヘテロダイン検波に利用する。
【００２９】
一方、周波数シフト部が第１所定幅シフトした出力光を選択しているときに、周波数可変光源の出力光周波数をデッドゾーン内部のある周波数に設定する場合には、第２の所定幅だけ周波数シフトした光をヘテロダイン検波に利用する。第２の所定幅（第１の所定幅との差）を、デッドゾーンの幅よりも大きく設定しているから、周波数シフトした光は必ずデッドゾーン外部の周波数をもつ。
【００３０】
したがって、このような手段によって、常にデッドゾーン外部の周波数をもつ光を使った周波数追従制御が実現される。また、この手段は、周波数が固定された側帯波を基準として、デッドゾーンを回避するものであるため、複数の周波数可変光源の周波数を互いに独立に設定することは容易である。
【００３１】
【発明の実施の形態】
図１および図２を参照して、本発明に係る周波数可変レーザ光源装置の実施の形態を説明する。
【００３２】
図１は、本発明の第一の実施の形態の周波数可変レーザ光源装置を示す図である。
【００３３】
図１において、周波数可変レーザ光源装置は、周波数基準光源１、側帯波発生部２、周波数可変光源３、光周波数シフト部４、周波数追従制御部５および制御部６で構成されている。
【００３４】
周波数基準光源１は、原子や分子の吸収線を周波数基準とした周波数安定化光源である。側帯波発生部２は、周波数基準光源１の出力光を入力光として、既知周波数の側帯波を多数発生する。周波数可変光源３は、側帯波発生部２の側帯波を周波数基準光として周波数追従制御されるレーザ光源である。この周波数可変光源３の出力光の一部が本発明の周波数可変レーザ光源装置の出力光となる。
【００３５】
光周波数シフト部４は、周波数可変光源３の出力光の一部を受け、その周波数をシフトして出力する。この周波数シフト量は少なくとも２通りに切り換えることができる。
【００３６】
周波数追従制御部５は、側帯波発生部２の出力光と光周波数シフト部４の出力光とを受け、そのヘテロダイン信号が所定のオフセット周波数となるように周波数可変光源３に対する制御信号を出力する。制御部６は、所望の出力光周波数に応じて、周波数可変光源３に対する出力周波数の粗調整のための信号、光周波数シフト部４に対する周波数シフト量設定信号、周波数追従制御部５に対するオフセット周波数設定信号などを出力する。
【００３７】
このように光周波数シフト部４を含む構成によって、前述の通り、常にデッドゾーン外部に位置する周波数の光に由来するヘテロダイン信号に基づいて、周波数可変光源３の周波数追従制御が実現され、デッドゾーンが回避される。
【００３８】
図２は、本発明の第二の実施の形態の周波数可変レーザ光源装置を示す図である。
【００３９】
図２において、周波数可変レーザ光源装置は、周波数基準光源１、側帯波発生部２、分波器７および２組の周波数可変光源３ａ、３ｂ、光周波数シフト部４ａ、４ｂ、周波数追従制御部５ａ、５ｂ、制御部６ａ、６ｂとからなっている。
【００４０】
周波数基準光源１および側帯波発生部２は、第一の実施の形態と全く同様である。
【００４１】
周波数可変光源３、光周波数シフト部４、周波数追従制御部５および制御部６は、３ａ〜６ａ、３ｂ〜６ｂの２組があり、その各々は第一の実施の形態と同様である。
【００４２】
分波器７は、側帯波発生部２の出力光を分岐して、周波数追従制御部５ａ、５ｂに入力するためのものである。
【００４３】
この構成では、各周波数可変光源３ａ、３ｂの周波数追従制御におけるデッドゾーンが回避されるだけでなく、各々の周波数可変光源３ａ、３ｂの周波数を互いに独立に設定することができ、ＷＤＭ光通信用などの多出力周波数可変レーザ光源装置として利用できる。
【００４４】
また、複数の出力光が、一つの周波数基準光に対して側帯波発生や周波数追従制御を介して安定化されているため、この出力光間の相対的な周波数ゆらぎは、個別に発生させた複数の周波数基準光の間の相対的な周波数ゆらぎに対して２桁程度小さいという特徴を有している。
【００４５】
本実施の形態では、周波数可変光源等が２組の場合を示したが、３組以上の場合も分波器７を３分岐以上として同様に実施できる。また、各周波数可変光源の出力光周波数が近接しないような用途では、側帯波発生部２からの光を単純に分岐せずに、波長選択性をもつ分岐手段を用いれば、分配損失を抑えられる。
【００４６】
〔実施例〕
図３を参照して、本発明の周波数可変レーザ光源装置の第一の実施例を説明する。
【００４７】
図３は、本発明の第一の実施例の構成を示す図である。
【００４８】
本実施例の周波数可変レーザ光源装置は、図３に示すように、周波数基準光源１、側帯波発生部２、周波数可変光源３、光周波数シフト部４、周波数追従制御部５および制御部６によって構成されている。
【００４９】
周波数基準光源１は、原子や分子の吸収線を周波数基準とした周波数安定化光源である。たとえば、アセチレン分子の１．５３μｍ付近の吸収線を基準として周波数が安定化された半導体レーザなどが利用され、周波数確度、安定度に優れた光を出力する。
【００５０】
側帯波発生部２は、コム発生器２１と該コム発生器２１に駆動用のマイクロ波を入力するマイクロ波発振器２２とで構成され、周波数基準光源１の出力光を入力光として、既知周波数の側帯波を多数発生する。本実施例では、前記マイクロ波の周波数は４ＧＨ_Ｚに設定されている。したがって、発生するコム信号光の側帯波の周波数間隔は４ＧＨ_Ｚである。コム信号光の発生範囲は数ＴＨ_Ｚ以上にわたり、その周波数は周波数基準光源１の出力光と同程度の高確度、高安定度をもっている。
【００５１】
なお、コム発生器２１について、入力光周波数に対して最適な条件を得るため、必要に応じて、コム発生器２１の共振器長を制御する手段を設けてもよい。
【００５２】
周波数可変光源３はコム信号光の側帯波を周波数基準光として周波数追従制御される外部共振器型レーザ光源である。この周波数可変光源３の出力光の一部が本発明の周波数可変レーザ光源装置の出力光となる。
【００５３】
光周波数シフト部４は、音響光学変調器４１、発振器４２、光スイッチ４３で構成されている。音響光学変調器４１は、周波数可変光源３の出力光の一部を受け、その周波数をシフトして、０次光および＋１次光を出力する。発振器４２は音響光学変調器４１に所定周波数の駆動信号を入力する。光スイッチ４３は音響光学変調器４１から出力される０次光（透過光）と＋１次回折光を入力光として、その一方を出力する。
【００５４】
音響光学変調器４１による周波数シフト量、つまり、発振器４２の発振周波数は、２００ＭＨ_Ｚに設定されている。また、この周波数シフトは、発振器４２の停止および起動により断続でき、光スイッチ４３は、この周波数シフトの断続に連係して、０次光と＋１次回折光の一方を選択して出力する。
【００５５】
周波数追従制御部５は、合波器５１、受光器５２、フィルタ（ＬＰＦ）５３、オフセット周波数発振器５４および位相比較器５５で構成されている。合波器５１は、側帯波発生部２の出力光と光周波数シフト部４の出力光とを受け、合波して出力する。受光器５２は、その合波された光を光電変換してヘテロダイン信号を出力する。フィルタ５３は、このヘテロダイン信号を帯域制限し、側帯波の周波数間隔の１／２以上の高周波成分を抑圧する。本実施例では、側帯波の周波数間隔を４ＧＨ_Ｚ、光周波数シフト部４の周波数シフト量を２００ＭＨ_Ｚとしているから、具体的には１．９ＧＨ_Ｚ以下の周波数成分に対して２．１ＧＨ_Ｚ以上の周波数成分を３０ｄＢ程度以上抑圧するフィルタを使用する。このフィルタを用いることにより、側帯波の中央付近のデッドゾーンの幅は２００ＭＨ_Ｚ未満となる。オフセット周波数発振器５４は、制御部６の指令により設定されたオフセット周波数設定信号の周波数を発生する。このオフセット周波数の設定範囲は、０．１〜１．９ＧＨ_Ｚとしている。位相比較器５５は、フィルタ５３を通過した受光器５２からのヘテロダイン信号とオフセット周波数発振器５４の出力信号との位相比較を行い、この位相差に基づいた周波数可変光源３への制御信号を出力する。この制御信号の極性および制御信号の断続（出力停止状態と出力状態の切り換え）は、制御部６の指令により設定される。ここでいう制御信号の極性とは、制御信号が電圧として出力される場合についていえば、位相差が大きく（小さく）なったときに、電圧を増加（減少）させるか、減少（増加）させるか、のいずれかを意味する。この極性を切り換えることによって、周波数可変光源３の出力光周波数が基準とするＮ次の側帯波の周波数よりも高い場合と低い場合の両方について、負帰還制御を行うことができる。
【００５６】
制御部６は、所望の出力光周波数に応じて、周波数可変光源３に対して出力光周波数の粗調整のための周波数粗調信号を出力する。また、光周波数シフト部４に周波数シフト量設定信号を出力し、周波数追従制御部５にオフセット周波数設定信号、制御極性設定信号および制御断続設定信号を出力する。
【００５７】
このように構成された周波数可変レーザ光源装置の動作について説明する。
【００５８】
周波数基準光源１の出力光周波数すなわち、コム信号光の中心周波数をνｒ、側帯波の周波数間隔をｆｍ、基準としている側帯波次数をＮ、側帯波に対する周波数可変光源３の出力光周波数をオフセットするオフセット周波数を符号を含めてｆ、光周波数シフト部４の周波数シフト量を符号を含めて△ｆとすると、周波数可変光源３の出力光周波数νは、
【００５９】
【数１】
ν＝νｒ＋Ｎ・ｆｍ＋ｆ−△ｆ・・・（１）
と確定する。
【００６０】
本実施例では、側帯波の周波数間隔を４ＧＨ_Ｚ、光周波数シフト部４の周波数シフト量を＋２００ＭＨ_Ｚとしている。また、側帯波の中央付近に位置するデッドゾーンの幅は２００ＭＨ_Ｚ未満である。通常、側帯波付近のデッドゾーンの幅はこれよりも狭い。このことから前述のように、オフセット周波数ｆが取り得る範囲を、
【００６１】
【数２】
−１．９≦ｆ≦−０．１，０．１≦ｆ≦１．９［ＧＨ_Ｚ］・・・（２）
と定めている。
【００６２】
次に、図４を参照して、光周波数シフト部４の動作について説明する。
【００６３】
図４は、本発明の第一の実施例について周波数設定の原理を示す図である。
【００６４】
ここで、周波数可変光源３の出力光周波数と基準とするＮ次側帯波の周波数との差 ν−（νｒ＋Ｎ・ｆｍ）＝ｆ−△ｆを考える。
【００６５】
周波数シフト量△ｆが０のときには、ｆ−△ｆの範囲は（２）式と同一である。
図４において矢印で示した領域Ａは、このことを出力光周波数について示したものである。図４では、Ｎ次側帯波を基準とするときに、周波数可変光源３の周波数追従制御が可能な範囲を領域Ａとして図示している。
一方、周波数シフト量△ｆが＋２００ＭＨ_Ｚのときには、（２）式から、
【００６６】
【数３】

である。図４において矢印で示した領域Ｂは、この範囲を示したものである。したがって、周波数シフト量△ｆを０または＋２００ＭＨ_Ｚとして、切り換えて用いれば、領域Ａと領域Ｂとでカバーされる−２．１≦（ｆ−△ｆ）≦１．９［ＧＨ_Ｚ］の範囲で周波数可変光源３の周波数追従制御が可能となる。この範囲の幅は４ＧＨ_Ｚであり、側帯波間隔と一致している。つまり、基準とする側帯波の次数を変えれば、側帯波を利用できる数ＴＨ_Ｚの周波数帯域内で、任意の周波数に周波数可変光源３の出力光周波数を設定できる。
【００６７】
このことから、周波数シフト量△ｆおよびオフセット周波数ｆの算出の手順は次のようになる。なお、表記していない周波数の単位は全てＧＨ_Ｚとする。
【００６８】
まず、所望の出力周波数νが与えられたときに、（ν−νｒ＋０．１）／ｆｍに最も近い整数Ｎを算出する。最も近い整数Ｎが２つ存在する場合は、どちらとしてもよい。ここに、０．１ＧＨｚは２つの周波数シフト量△ｆ（０、＋２００ＭＨｚ）の平均である。このように整数Ｎ、つまり、基準とする側帯波の次数を定めれば、ν−（νｒ＋Ｎ・ｆｍ）は、−２．１〜１．９ＧＨｚの範囲内の値となる。
【００６９】
そこで、ν−（νｒ＋Ｎ・ｆｍ）が、領域Ａのみに対応する範囲にあれば、周波数シフト量△ｆを０と定め、領域Ｂのみに対応する範囲にあれば、△ｆを＋２００ＭＨｚと定める。領域Ａにも領域Ｂにも対応する範囲にあるときは、△ｆを、どちらの値としてもよい。
【００７０】
最後に、この△ｆを用いて、ν−（νｒ＋Ｎ・ｆｍ）＋△ｆを算出して、これをオフセット周波数ｆとする。
【００７１】
次に、周波数設定の手順の一例を説明する。
【００７２】
周波数基準光源１、側帯波発生部２は稼動しているものとして、まず、周波数追従制御部５の位相比較器５５の出力を停止しておき、周波数可変光源３の出力周波数を所望の周波数の近傍まで制御部６の周波数粗調信号によって粗調整する。
【００７３】
この後に、前述のようにして定めた周波数シフト量△ｆに従って、光周波数シフト部４を制御する。本実施例では△ｆが０のときには、発振器４２の出力を停止して、音響光学変調器４１の０次光（単純な透過光）を光スイッチ４３で選択し、△ｆが＋２００ＭＨｚのときには、発振器４２を起動して、音響光学変調器４１の＋１次回折光を光スイッチ４３で選択して出力する。このとき、受光器５２から出力されるヘテロダイン信号は、前述のようにして算出したオフセット周波数ｆに近い周波数となる。
【００７４】
次いで、オフセット周波数発振器５４の出力信号周波数を算出したオフセット周波数ｆの絶対値｜ｆ｜に設定し、位相比較器５５が出力する制御信号の極性をこのオフセット周波数ｆの符号に従って設定する。
【００７５】
最後に、位相比較器５５を出力状態として、制御信号を周波数可変光源３に帰還する。以上の操作で周波数追従制御が機能し、周波数可変光源３の出力光周波数は所望の周波数となるよう制御され、その周波数が維持される。
【００７６】
このように周波数可変光源３の出力光周波数を任意に設定できるため、その設定周波数を順次変化させることによって、例えば、オフセット周波数発振器５４を掃引発振させることによって、周波数可変光源３の出力光周波数を周波数掃引することも可能である。
【００７７】
なお、周波数可変光源３の粗調整の段階で、この光源の周波数確度が低いために調整が困難な場合には、その出力光の周波数（波長）を波長計で測定しながら制御すればよい。通常、側帯波の周波数間隔は数ＧＨｚ以上であり、波長計の測定精度は１００ＭＨｚオーダであるため、この制御は容易である。
【００７８】
光周波数シフト部４の光学部は、バルク型の音響光学変調器と光スイッチによって構成しているが、音響光学変調器の回折効率が十分に高ければ、光スイッチの代わりに合波器を用いてもよい。また、導波路型の音響光学変調器や、位相変調器または強度変調器によって得られた側帯波をファブリ・ペロー共振器等を利用して選択する方法なども利用できる。導波路型の音響光学変調器の変調周波数を変化して利用する場合などのように、周波数シフト量を変化しても出力光の光路が変化しないものについては、当然、光スイッチは不要である。
【００７９】
周波数可変光源３の周波数可変範囲が広い場合には、特にバルク型の音響光学変調器を用いると回折角が変化して、所定の出射方向に対する出力光量が低下する恐れがある。このような場合には変調周波数を調整して、回折角を一定に保つことも可能である。また、通常の音響光学変調器の周波数シフト量は１次当たり２００ＭＨｚ程度までであるが、デッドゾーンの幅がこれより広い場合には、複数の音響光学変調器を用いるか、高次回折光あるいは＋１次回折光と−１次回折光の組み合わせ等を利用して実施することができる。
【００８０】
また、本実施例では音響光学変調器の駆動の断続によって、周波数シフト量の組み合わせとして（０、＋２００ＭＨｚ）を得ているが、＋１次回折光と−１次回折光の組み合わせを利用して例えば（＋１００ＭＨｚ、−１００ＭＨｚ）とすることや、デッドゾーンの幅が狭い場合には、例えば（＋１５０ＭＨｚ、＋２００ＭＨｚ）のように変調周波数を変えて実施することもできる。
【００８１】
本実施例の周波数追従制御部５では、そこで扱われる信号の周波数の関係を単純に明示できるように、オフセット周波数発振器５４と位相比較器５５を用いた構成を示したが、ヘテロダイン信号の分周や周波数変換など、通常の電気信号に対する処理を利用してもよい。また、周波数追従制御に要求される精度によっては、位相比較器５５の代わりに周波数比較器を用いることや、ｆ−Ｖ（周波数−電圧）変換器をオフセット周波数発振器５４と位相比較器５５の代わりに利用する構成なども可能である。
【００８２】
以上本発明の実施例を、側帯波発生のためにコム発生器を用いたものについて述べたが、図５及び６を参照して、側帯波発生のために短光パルス光源を用いる場合について簡単に説明する。
【００８３】
この場合に用いる短光パルス光源は強制モード同期の短光パルス光源である。
【００８４】
従来の技術の欄で述べたように、本質的にはコム発生器と同様に考えればよいが、短光パルス光源の場合は、これも従来の技術の欄で述べた、周波数基準光を注入光として用いるか、参照光として用いるかの２通りがある。
【００８５】
図５は、短光パルス光源に周波数基準光を注入光として用いた場合を示す図である。図において、側帯波発生部２としての短光パルス光源部２００は、周波数基準光源１からの周波数基準光を注入光として用いた短光パルス光源２０１と発振器２０２とを備えている。この場合は、注入光の周波数に側帯波発生手段としての短光パルス光源２０１の出力光のキャリアの周波数が引き込まれる。
【００８６】
図６は、短光パルス光源に周波数基準光を参照光として用いた場合を示す図である。図において、側帯波発生部２としての短光パルス光源部２００は、周波数基準光源１からの周波数基準光を参照光として用いた短光パルス光源２０１と発振器２０２と周波数追従制御手段２０３とを備えている。この場合は、周波数基準光は周波数追従制御手段２０３に入力され、側帯波発生手段としての短光パルス光源２０１の出力光のキャリアまたは側帯波との周波数差が一定となるように短光パルス光源２０１が周波数追従制御される。
【００８７】
【発明の効果】
本発明に係る周波数可変レーザ光源装置は、周波数基準光を出力する周波数基準光源１と、該周波数基準光源からの光を受けて、該周波数基準光の複数の側帯波を有する光を発生する側帯波発生部２と、光周波数が制御可能とされた周波数可変光源３と、該周波数可変光源の出力光を入力光として受けて、前記入力光を変調し、光周波数が前記入力光の周波数より第１の所定幅シフトした第１のシフト光及び前記入力光の光周波数より第２の所定幅シフトした第２のシフト光のうち一方を選択して出力する光周波数シフト部４と、オフセット周波数が可変であり、前記側帯波発生部が出力する複数の側帯波を有する光と前記光周波数シフト部の出力光とから得られるヘテロダイン信号の周波数が設定されたオフセット周波数になるように前記周波数可変光源の周波数追従制御を行うとともに、前記周波数追従制御の制御極性が切り換え可能である周波数追従制御部５と、前記周波数可変光源の出力を所望の周波数とするために、前記周波数追従制御部のオフセット周波数及び制御極性を設定し、かつ、前記光周波数シフト部のシフト光の選択を制御する制御部６とを備え、もって、前記周波数可変光源の出力光を出力光とするものであるから、側帯波発生部の使用に伴うデッドゾーンの問題点を回避して、▲１▼出力光の周波数確度、周波数安定度、設定分解能に優れ、▲２▼周波数可変範囲が広く、かつ、▲３▼前記周波数可変範囲内で任意に周波数を設定または掃引できる周波数可変レーザ光源装置を実現できた。
【００８８】
また、本発明の第二の実施の形態のように複数の周波数可変光源を利用することができ、各々を独立に周波数設定することが可能であり、ＷＤＭ通信の光源等への応用が可能な周波数可変レーザ光源装置を実現できた。さらに、このような構成においては、複数の出力光が、一つの周波数基準光に対して側帯波発生や周波数追従制御を介して安定化されているため、この出力光間の相対的な周波数ゆらぎを、複数の周波数基準光源の間の相対的な周波数ゆらぎ（１０^−９程度）に対して２桁程度小さくすることができた。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施例を示す図である。
【図４】本発明の第一の実施例について周波数設定の原理を示す図である。
【図５】短光パルス光源に、周波数基準光を注入光として用いた場合を示す図である。
【図６】短光パルス光源に、周波数基準光を参照光として用いた場合を示す図である。
【図７】従来の周波数可変レーザ光源装置の構成を示す図である。
【図８】従来の周波数可変レーザ光源装置の構成を示す図である。
【図９】出力光の周波数設定のデッドゾーンを説明するための図であり、（ａ）は側帯波近傍、（ｂ）は側帯波間の中央付近での問題点の説明図、（ｃ）はデッドゾーンを示す図である。
【符号の説明】
１周波数基準光源
２側帯波発生部
３，３ａ，３ｂ周波数可変光源
４，４ａ，４ｂ光周波数シフト部
５，５ａ，５ｂ周波数追従制御部
６，６ａ，６ｂ制御部
７分波器
１１周波数基準光源
２０コム発生部
２１コム発生器（光周波数コム発生器）
２２マイクロ波発振器
３０スレーブ光源部
３１周波数可変光源
３３周波数追従制御手段
４１音響光学変調器
４２発振器
４３光スイッチ
５１合波器
５２受光器
５３フィルタ（ＬＰＦ）
５４オフセット周波数発振器
５５位相比較器
２００短光パルス光源部
２０１短光パルス光源
２０２発振器
２０３周波数追従制御手段

Claims

周波数基準光を出力する周波数基準光源（１）と、
該周波数基準光源からの光を受けて、該周波数基準光の複数の側帯波を有する光を発生する側帯波発生部（２）と、
光周波数が制御可能とされた周波数可変光源（３）と、
該周波数可変光源の出力光を入力光として受けて、前記入力光を変調し、光周波数が前記入力光の光周波数より第１の所定幅シフトした第１のシフト光、および当該第１の所定幅より大きい第２の所定幅だけ前記入力光の光周波数よりシフトした第２のシフト光のうち、一方を選択して出力する光周波数シフト部（４）と、
オフセット周波数が可変であり、前記側帯波発生部が出力する複数の側帯波を有する光と前記光周波数シフト部の出力光とから得られるヘテロダイン信号の周波数が設定されたオフセット周波数になるように前記周波数可変光源の周波数追従制御を行うとともに、前記周波数追従制御の制御極性が切り換え可能である周波数追従制御部（５）と、
前記周波数可変光源の出力を所望の周波数とするために、前記周波数追従制御部のオフセット周波数および制御極性を設定し、かつ、前記光周波数シフト部のシフト光の選択を制御する制御部（６）とを備え、もって、前記周波数可変光源の出力光を出力光とする周波数可変レーザ光源装置であって、
前記制御部は、前記周波数可変光源の出力光の周波数と前記側帯波の周波数との差が、前記第１の所定幅と前記第２の所定幅との周波数差の１／２より小さい時、および前記周波数可変光源の出力光の周波数と、隣接する２つの側帯波の中間の周波数との差が、前記周波数差の１／２より小さい時の双方において、前記光周波数シフト部から前記第２のシフト光を出力するように制御し、かつ、前記周波数可変光源の周波数が現状の周波数値を維持するように前記オフセット周波数を制御することを特徴とする周波数可変レーザ光源装置。
請求項１記載の周波数可変レーザ光源装置であって、
前記周波数可変光源と、前記光周波数シフト部と、前記周波数追従制御部と、前記制御部をそれぞれ複数有するとともに各々の数量が同じであり、かつ前記側帯波発生部からの出力光を前記数量に分波する分波器（７）を備え、互いに独立して周波数設定が可能な、前記数量の光を出力することを特徴とする周波数可変レーザ光源装置。