JP3760239B2

JP3760239B2 - ２つの連続波レーザ光間の差周波数を安定化させた光信号発生装置

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Publication number: JP3760239B2
Application number: JP2003270747A
Authority: JP
Inventors: 政春兵頭
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2003-07-03
Filing date: 2003-07-03
Publication date: 2006-03-29
Anticipated expiration: 2023-07-03
Also published as: JP2005025128A

Description

この発明は、遠距離あるいは近距離を問わず、任意の場所にミリ波やサブミリ波の重畳された光信号を供給し、それを用いる場所においてミリ波やサブミリ波を抽出して用いるという形態の装置において、高安定および高純度でかつ周波数可変なミリ波やサブミリ波を供給することのできる、２つの連続波レーザ光間の差周波数を安定化させた光信号発生装置に関している。

ミリ波の重畳された光信号を発生する方法は、すでにいくつかのものが知られているが、本発明は、複数のレーザ光の混合を用いる方法であるので、以下にレーザ光を用いてミリ波を発生する従来の方法あるいは装置について説明する。

［従来例１］図７に示す様に、１台のレーザを光源として用い、それから発するレーザ光をミリ波の電気信号を印加した光強度変調器を用いて変調し、変調された光を、その目的とする装置に伝送し、その光を受信して検波する事により、もとのミリ波信号を復調する事によって、ミリ波信号を伝送する構成が非特許文献１に記載されている。

しかし、上記のミリ波の伝送方法では、送信側で大電力のミリ波信号源を必要とするため装置規模が大きくなるという問題と、また光変調器あるいは検波器の帯域を超える高い周波数で高安定度のミリ波を発生あるいは伝送することができないという問題があった。

［従来例２］２台のレーザの光出力をヘテロダイン混合し、その差にあたるミリ波周波数のビート信号を発生させる。このビート信号の重畳したレ一ザ光は、強度変調されたレーザ光に相当する。このビート信号の重畳したレ一ザ光を目的とする装置に伝送し、その光を検波してもとの重畳されたビート信号を抽出することによりミリ波信号を得る、ということによってミリ波信号を伝送する構成が、非特許文献２に記載されている。

この方法を用いた装置の概要を図８に示す。図８に示す構成では、ビート信号の周波数純度を高めるために、光位相同期ループ（ＯＰＬＬ）を用いている。この場合、ミリ波信号源や光変調器には大電力のものは必要なく、また、ＯＰＬＬに用いる光検出器の帯域上限までのミリ波信号の発生が可能である。通常、光検出器の帯域は、光変調器の帯域より広く設定できるため、上記の従来例１場合より高い、しかも制御された周波数のミリ波を発生あるいは伝送する事ができる。

一般に、上記の従来例２のように２台のレーザ光のヘテロダイン混合によってミリ波帯のビート信号をもった光信号を発生させる場合、ビート信号の周波数は混合に用いる２台のレーザ光の差周波数に等しい。従って前記の差周波数が大きいほど、高い周波数のミリ波あるいはサブミリ波信号を発生させることができる。しかし、光電変換型の光検出器に出力光を直接用いて帰還回路を構成しているため、その動作帯域を超える高い差周波数を持った２つのレーザ光を、ヘテロダイン検波では、上記の差周波数のミリ波・サブミリ波信号には変換できないため、その差周波数にたいしてはＯＰＬＬが機能せず、周波数を安定化できないという問題があった。
J.J. O'Reilly and P.M. Lane, "Fiber-supported optical generation and delivery of 60 GHz signals," Electron. Lett. 30, [16], pp.1329-1330, (1994). R.T. Ramos and A.J. Seeds, "Fast heterodyne optical phase-lock loop using double quantum well laser diodes," Electron. Lett. 28, [1], pp.82-83, (1992).

２台のレーザ光のヘテロダイン混合によってミリ波帯のビート信号をもった光信号を発生させる従来の装置では、光電変換型の光検出器に出力光を直接用いて帰還回路を構成しているため、その動作帯域を超える高い差周波数を持った２つのレーザ光についてはＯＰＬＬが機能せず、周波数を安定化できないという問題があった。

この発明は、従来の装置の帰還信号発生に用いられて来た光検出器の帯域限界を超えて、従来のものより高い周波数のミリ波・サブミリ波帯域の安定化された差周波数をもった光信号の発生を可能にする。

本発明は、１台のパルスレーザと２台の連続波（ＣＷ）レーザと非線形素子を用いる事により、従来例２の様な光検出器の帯域限界を超える安定化された高い周波数のミリ波・サブミリ波帯のビート信号をもった光信号発生を容易に可能にするものである。

また、本発明は、上記の従来例２の構成とは異なり、２台の連続波レーザに加え、１台の光パルス発生用レーザを新たに用意し、２つのＣＷレーザ光と１つのパルス光とを非線形素子を用いて光領域で混合する。この混合された光信号の低周波成分を選択し、これを帰還信号として、２台の連続波レーザの一方を制御するものである。

また、上記の非線形素子を用いた混合により、それぞれ光信号の振幅の積に比例する光信号を得ることができる。この積の信号の強さは２つのＣＷレーザ光によるビートとパルス光の重なり具合（あるいは積）の時間的な変化に従って変化する。また、この積の信号の強さの短時間平均が一定になるように負帰還制御を施すことによって、上記のレーザ光の混合によるビートの山とパルス光の山が常に決まった位置で重なるように、それらの時間的な位置関係を正確に一定に保つことができる。これにより、ビートの周波数とパルス光の繰り返し周波数の自然数倍とを同期させることができる。

上記目的を達成するために、本発明は、２つの連続波レーザ光間の差周波数を安定化させた光信号発生装置に関して、予め決められた発振周波数差（ν１−ν２）のある発振周波数ν１と発振周波数ν２の２台の連続波レーザ光源と、これらのレーザ光源からのレーザ光を合波する合波器Ａと、発振周波数ν３、繰り返し周波数ｒのレーザパルス光源と、前記２台の連続波レーザ光源からのレーザ光と前記のレーザパルス光源からのレ一ザ光と、これらのレーザ光を合波する合波器Ｂと、合波器Ｂからの光を入力して、四光波混合光を生成する非線形光学素子と、上記の四光波混合光を光電変換する光検出器と、光検出器の出力から周波数ｒ以下の成分を濾波する濾波器と、前記光検出器の出力を帰還信号として上記の２台の連続波レーザ光源の一方に帰還することでその発振周波数（ν１あるいはν２）を変えて上記の発振周波数差（ν１−ν２）が一定になるように制御する手段と、上記の２台の連続波レーザ光源からのレーザ光を合波して出力する手段と、を含むことを第１の特徴としている。

また上記した第１の特徴に加えて、上記の２台の連続波レーザ光源からのレーザ光によるビートによって生じる光強度の高低に上記のレーザパルス光源からのパルス光が重なるように、上記の２台の連続波レーザ光源の一方の発振周波数（ν１あるいはν２）を変えて、上記の発振周波数差（ν１−ν２）が一定になるように制御することを第２の特徴としている。

また、上記した第１あるいは第２の特徴に加えて、上記の光検出器の出力から周波数ｒ以下の成分を濾波する濾波器は、周波数変換した後、低域周波数濾波器で濾波する構成であることを第３の特徴としている。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。先ず本発明の実施例を図１を用いて説明する。

図1は、本発明の基本特性を確認するための装置のブロック図である。1550nm付近の波長で用いられる外部共振器型の２つの半導体レーザ(レーザ1および2)は、ミリ波帯のビートを持った光信号用の光源として使用している。この２つの半導体レーザからの出力は、偏波保持型の50:50のファイバー・カプラー(FC1：合波器A)を用いて合波される。また、それらのミリ波帯のビート信号をもった光信号は、エルビウムをドープしたファイバー・アンプ(ＥＤＦＡ)によって増幅された後、出力ポートに出力される。

また、この合波した信号を分岐して位相同期検波の同期信号として使用する。このためには、合波した信号を、さらに、繰り返し周波数が８ＧＨｚ、パルス幅が９．６ピコ秒の位相同期検波用の光パルス列と合波し、この合波した信号を、半導体光増幅器に入力して、１５４４ｎｍのＦＷＭ（四光波混合）信号を生成する。この同期信号用のパルスは、マイクロ波信号発生器５（ＳＧ１）からの８．００２６ＧＨｚ（ｒ）の信号によって駆動され、１５４７ｎｍで動作するモードロックファイバーリングレーザ（ＭＬＦＬ）から発生し、その繰り返し周波数はｒ＝８．００２６ＧＨｚである。ＣＷレーザおよびＭＬＦＬから上記のＳＯＡに注入された平均光強度は、それぞれ０．３および０．９ｍＷである。

ＦＷＭ信号に含まれる光強度は、２つの注入された信号間の相関関数を反映するので、それは、注入された２つの信号間の位相の違いに強く依存している。２つの信号間の同期は、ＦＷＭ信号をレーザ１の発振周波数へフィードバックすることにより実現でき、これでＯＰＬＬを形成している。

最終段では、ＦＷＭ信号を光濾波器（ＢＰＦ）に通した後、光検出器（ＰＤ）に入力する。ここで、検知感度を増加させるために、ＦＷＭ信号を１００．０ＭＨｚ（ｆ２）の小さなオフセット周波数で検知する。また、２つの発振器、ＳＧ１およびＳＧ２は、ミリ波信号の周波数の正確さを保証するため、１０ＭＨｚのタイムベース参照信号によってリンクしている。

光パルス発生用光源には、パルス光発振の繰り返し周波数が高い能動モード同期レーザを用いるのが望ましい。しかし、発生するパルス光のパルス幅が、発生させたいビート信号の周期に比べて十分に短いものであれば、パルス光発振の繰り返し周波数を低下させることができる。例えば、光変調器を用いたモード同期レーザの場合には、その光変調器には高い変調周波数を印加する必要はない。

以上の事から、従来、ミリ波の発振限界を決めていた電気回路や光変調器、あるいは光検出器を用いることがないので、それらの帯域よりも遙かに高い周波数を持つ高純度のミリ波のビート信号を容易に発生することができる。

２台の連続波発振レーザ（ＣＷレーザｌ、２）の出力は５０：５０のファイバカプラ（ＦＣ１）で混合されてミリ波周波数で変調されたレーザ光となり、ＥＤＦＡで増幅されて図の右方向へ出力される。２台の連続波発振レーザの発振周波数差は、以下に述べる方法によって適当な周波数に保たれる。

モード同期パルスレーザ（ＭＬＦＬ）からは繰り返し周波数がｒのパルス光が出力されており、ファイバカプラ２（ＦＣ２）の出力光と非線形素子（ＳＯＡ：半導体光アンプ）を使って混合される。ＳＯＡは３次の非線形効果を有するため、ミリ波周波数で変調されたレーザ光とモード同期パルス光の間の四光波混合（ＦＷＭ）光、つまり積の信号が得られる。これについては、以下に詳しく説明する。

図２は、本発明における四波混合について説明する模式図であり、２つのｃｗレ一ザ光（周波数ν１、ν２）とパルスレーザ光のスペクトルを示している。パルスレーザ光のスペクトルは、一般に高次の高調波成分を多数持っており、間隔ｒで広がっている。図２では、３次までの高調波を示している。振動数ν１（あるいはν２）のレーザ光とパルスレーザ光との四光波混合光の低周波側成分を実線Ａ（あるいは点線Ｂ）で示す。Ａの成分を、Ａ_-3、Ａ_-2、Ａ_-1、Ａ₀、Ａ₊₁、Ａ₊₂、Ａ₊₃、とする。同様に、Ｂの成分を、Ｂ_-3、Ｂ_-2、Ｂ_-1、Ｂ₀、Ｂ₊₁、Ｂ₊₂、Ｂ₊₃、とする。ここでパルスレーザ光の繰り返し周波数を調整する事によって、Ａの高調波成分を、Ｂの成分のどれかに近づける事ができる。図２においては、それぞれ、Ａ_-3、Ａ_-2、Ａ_-1、Ａ₀とＢ₀、Ｂ₊₁、Ｂ₊₂、Ｂ₊₃が隣接している。ここでそれぞれ隣接したスペクトル成分の周波数差はそれぞれ等しく、この値をδとする。本発明では、このδの値を０、あるいは、予め決められた値になる様に帰還回路を用いて調整するものである。この帰還は、上記のδの値を電圧に変換し、２つのＣＷレ一ザの一方の周波数を上記の電圧で増減させる事によって、２つのＣＷレ一ザのビート信号の周波数を調整し、パルスレ一ザ光との重なり具合を調整することによって行なう。

上記のδを電圧に返還するためには、上記の四光波混合光を、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）で選択して取り出し、光検出器（ＰＤ）で電気信号に変換する。この光検出器は特に高速である必要はなく、上記のδに相当する信号成分を検出できればよい。

また、この光検出器での信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）を向上させるために、上記のＰＤの出力は、周波数ｆ２（例えば１００ＭＨｚ）の局部発振信号と両平衡混合器（ＤＢＭ：Double Balanced Mixer)で混合してヘテロダイン検出を行う構成にしている。この構成によって、周波数ｆ２を中心に、δの増減に対応して正負の帰還信号を得ることが出来るので、帰還回路に印加する電圧として適している。仮に周波数ｆ２をゼロにする帰還回路の場合は、δがゼロ付近にある場合は、δの増減に対して、正電圧のみ、あるいは負電圧のみ帰還信号となるので、非線形制御などが必要になる。あるいは、周波数がｆ２の信号を用いて、ＭＬＦＬの出力光の周波数を予めｆ２だけシフトするか、予め周波数がｆ２の位相変調を施すことにより、ＤＢＭによる復調の際にｆ２の成分を除去することができる。また、Ｓ／Ｎ比が良好であれば検出器の信号を基準電圧と直接比較した信号を帰還信号として用いても良い。

上記の両平衡変調器（ＤＢＭ）の出力は、ループフィルタ（ＬＦ）で整形してＣＷレーザ１に負帰還制御を施すことによってＰＬＬ回路が形成され、２台のレーザの差周波数は、（（ＭＬＦＬの繰り返し周波数の整数倍）＋ｆ２）になるように正確に制御される。

図３（ａ）あるいは（ｂ）に示すように、非線形素子の出力光の電界強度は、ビート信号をもった光信号の包絡線（Ｉ₁）と、パルス信号の包絡線（Ｉ₂）との積（Ｉ₁Ｉ₂）に比例しており、パルスの幅が十分に短ければ、出力光は入力のパルス光と同じ周波数で点滅する。しかし、包絡線で見ると、その振幅は、ミリ波帯のビート信号とパルス光の間の時間的な重なり合いのずれ（ジッタ）を反映して時間的に変化する。この非線形素子の出力光の振幅の時間的変化については、前記のパルス光の繰り返し周波数の自然数倍と前記のビート信号の周波数とが等しい場合は変化しないが、このずれが小さい場合は、ゆっくりと変化し、逆にずれが大きい場合は、速く変化する。従って、上記の振幅の時間的変化は、ジッタを相殺するための誤差信号として用いることができることが分かる。例えば、非線形素子の出力光を比較的応答速度の遅い光電変換器を用いて電気信号に変換した後に、得られる電気信号を適当な低域通過フィルタを使って平滑化し、この平滑化された電気信号で、上記のビートの周波数、あるいは上記のパルス光の周波数を制御することによって、ジッタを抑制することができる。前記光電変換器は、ミリ波帯の応答速度をもつ必要はなく、短波帯や超短波帯の応答速度のものでも用いることができる。

以上の様に、本発明では、その構成において用いる光電変換器や電気回路は、ミリ波帯の応答速度を持つ必要がなく、発生できるミリ波信号の周波数限界は、それに用いる非線形素子の応答速度で決まる。また、この非線形素子の応答速度は、一般に、従来例２で用いた光電変換型の光検出器よりも高い応答速度をもったものを選択できるので、より高い周波数のミリ波やサブミリ波の発生が可能になる。

以上の説明は、帰還信号をＣＷレーザ１に帰還する場合についての説明であるが、帰還信号をマイクロ波信号発生器５に帰還することによって、上記の差周波数（ν１―ν２）にマイクロ波信号発生器５の発振周波数を同期させることが出来ることは、明らかである。

なお、非線形素子として３次の非線形効果を有するＳＯＡを用いることが望ましいが、２次の非線形性をもつ周期分極反転ＬｉＮｂＯ３結晶（ＰＰＬＮ：Periodically Polled Lithium Niobate）などを用いることもできる。

図４（ａ）は、０．０１ｎｍのスペクトルの分解能を持った光スペクトルアナライザーを使用して測定したＥＤＦＡ入力直前の光学ペクトルを示す。２つのレーザ光は、はぼ４０ＧＨｚ離れておりほとんど等しい強度である。また、図４（ｂ）は、同じ光スペクトルアナライザーで測定した、ＳＯＡ出力光スペクトルを示す。ＦＷＭ信号を、明確に確認することができる。その変換効率は、およそ０．１％である。

図５は、ミリ波スペクトルアナライザーに高速の光検出器（帯域幅５０ＧＨｚ）を接続して、ＥＤＦＡ出力を測定したものである。スペクトルの分解能は３０ｋＨｚである。これは、同期状態にあるミリ波信号のスペクトルである。また、周波数範囲を拡張した図も示している。このスペクトルは安定して鋭いピークとなっている。その周波数は、４０．１１３ＧＨｚであり、これは正確に（５ｆ１＋ｆ２）と等しい。この周波数関係と上記の鋭いピークは、上に説明した位相同期ループが正しく動作していることを示している。また、オフセット周波数ｆ２を取り除くには、そのＭＬＦＬ出力を周波数ｆ２で位相変調すればよい。

図６は、ミリ波帯のビート信号の位相ノイズスペクトルを示す。ビート信号の位相ノイズは局部発振器のそれと同等に小さく、高純度の信号が得られていることがわかる。キャリアーの位相ノイズの実効値（２乗和平均の平方根）は、１００Ｈｚから１０ＭＨｚまで位相ノイズスペクトルを積分して測定したところ、０．１０ｒａｄであった。この実験装置では１２０ＧＨｚまでのミリ波信号の発生が可能であり、８０ＧＨｚでの位相ノイズの実効値は０．１５ｒａｄ、１２０ＧＨｚでは０．２７ｒａｄであった。

２台の連続波レーザに加え、１台の光パルス発生用レーザを新たに用意し、２つのＣＷレーザ光と１つのパルス光を非線形素子を用いて光領域で混合し、この混合された光信号の低周波成分を選択し、これを帰還信号として、２台の連続波レーザの一方を制御するようにしたので、従来、ミリ波の発振限界を決めていた電気回路や光変調器、あるいは光検出器を用いることがなくなり、それらの帯域よりも遙かに高い周波数を持つ高純度のミリ波のビート信号を容易に発生することができる。

また、上記の２台の連続波レーザ光源からのレーザ光によるビートによって生じる光強度の高低に上記のレーザパルス光源からのパルス光が重なるように、上記の２台の連続波レーザ光源の一方の発振周波数（ν１あるいはν２）を変えて、上記の発振周波数差（ν１−ν２）が一定になるように制御したので、従来制御できなかった周波数領域で、周波数の制御されたビート信号をもった光信号を発生できるようになる。

また、上記の光検出器の出力から周波数ｒ以下の成分を濾波する濾波器は、周波数変換した後、低域周波数濾波器で濾波するものであり、それを上記の２台の連続波レーザ光源の一方に帰還するようにしたので、帰還信号の取り扱いが容易になる。

本発明の実施形態を示すブロック図である。本発明における四波混合について説明する模式図である。本発明にける位相同期のための帰還信号について説明する模式図である。本発明による装置の出力光のスペクトルを示す図であり、（ａ）はＥＤＦＡ入力直前の光学ペクトル、（ｂ）は、ＳＯＡ出力光スペクトルを示す。 EDFA出力の測定結果を示す図である。ミリ波帯のビート信号の位相ノイズスペクトルを示す図である。第１の従来例を示すブロック図である。第２の従来例を示すブロック図である。

符号の説明

１、２ＣＷレーザ
３ＥＤＦＡ
４ＭＬＦＬ
５マイクロ波信号発生器
６ＳＯＡ
７ＢＰＦ
８光検出器
９増幅器
１０混合器
１１ローパスフィルタ
１２発振器

Claims

予め決められた発振周波数差（ν１−ν２）のある発振周波数ν１と発振周波数ν２の２台の連続波レーザ光源と、
これらのレーザ光源からのレーザ光を合波する合波器Ａと、
発振周波数ν３、繰り返し周波数ｒのレーザパルス光源と、
前記２台の連続波レーザ光源からのレーザ光と前記のレーザパルス光源からのレ一ザ光と、これらのレーザ光を合波する合波器Ｂと、
合波器Ｂからの光を入力して、四光波混合光を生成する非線形光学素子と、
上記の四光波混合光を光電変換する光検出器と、
光検出器の出力から周波数ｒ以下の成分を濾波する濾波器と、
前記濾波器の出力を帰還信号として上記の２台の連続波レーザ光源の一方に帰還することでその発振周波数（ν１あるいはν２）を変えて上記の発振周波数差（ν１−ν２）が一定になるように制御する手段と、
上記の２台の連続波レーザ光源からのレーザ光を合波して出力する手段と、
を含むことを特徴とする２つの連続波レーザ光間の差周波数を安定化させた光信号発生装置。
上記の２台の連続波レーザ光源からのレーザ光によるビートによって生じる光強度の高低に上記のレーザパルス光源からのパルス光が重なるように、上記の２台の連続波レーザ光源の一方の発振周波数（ν１あるいはν２）を変えて、上記の発振周波数差（ν１−ν２）が一定になるように制御することを特徴とする請求項１に記載の２つの連続波レーザ光間の差周波数を安定化させた光信号発生装置。
光検出器の出力から周波数ｒ以下の成分を濾波する濾波器は、周波数変換した後、低域周波数濾波器で濾波する構成であることを特徴とする請求項１あるいは２に記載の２つの連続波レーザ光間の差周波数を安定化させた光信号発生装置。