JP3974255B2 - Frequency tunable laser light source device - Google Patents

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【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、特に広帯域にわたり周波数が可変であり、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。
【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。
▲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:laser diode )や固体レーザの発振周波数を安定化したもの、気体レーザなどが一般的である。
▲2▼波長可変光源としては、LDあるいは固体レーザと回折格子などの波長選択素子を組み合わせた外部共振型光源やDFB−LD(distributed feedback - laser diode)、DBR−LD(distributed Bragg reflector - laser diode )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。
【0004】
▲3▼周波数追従制御は1台のレーザの出力光周波数に追従するように他のレーザの出力光周波数を制御するものである。このような制御において、周波数の基準となるレーザはマスタレーザと呼ばれ、それに追従するレーザはスレーブレーザと呼ばれる。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100GHz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GHzまでである。
【0005】
▲4▼広帯域側帯波発生に関しては、その手段として、光周波数コム発生器、短光パルス光源、等がある。
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GHz〜20GHz程度に設定され、数THz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、各側帯波を周波数基準光として用いることができる。
【0006】
短光パルス光源は、光共振器の内部に光を変調する手段である可飽和吸収体、光強度変調器、光位相変調器などと光増幅媒体とを有しており、パルス時間幅が10ps程度以下の光を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。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。
しかしながら、強制モード同期のように側帯波の周波数間隔が一定に保たれるものであっても、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ればよい。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。
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。
【0007】
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。
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。
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でき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。これらは本質的には同様の取り扱いが可能なため、以下の説明ではコム発生器の場合について述べる。
【0008】
次に、以上の要素技術を組み合わせた既存の周波数確度、周波数安定度に優れた周波数可変な光源について説明する。
まず、▲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図9に示す周波数可変レーザ光源装置がある。これは、図9に示すように、周波数基準光源11をマスター光源として、波長可変光源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波長可変光源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で加算され波長可変光源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100GHzが限界である。なお、100GHzは1.5μm帯では波長帯域として1nm弱に相当する。
【0009】
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▼広帯域側帯波発生の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、任意の次数の側帯波を基準として波長可変光源に周波数追従制御を施す系が考えられた。その構成を図10に示す。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。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
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。1つは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、ある次数の側帯波とスレーブ光源である波長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(図11(a))。このことは、通常のヘテロダイン検波では2つの光の周波数差の絶対値の情報が取得されるため、レーザ光の周波数差が発振線幅程度以下になると正負両方のヘテロダイン周波数成分が同一の周波数に混在するために生じる。もう1つは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、側帯波間の中央に波長可変光源の周波数がほぼ一致すると受光信号には低次側帯波とのビート信号と高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11(b))。前記2種類のデッドゾーン(図11(c))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20MHz程度、側帯波間の中央付近のデッドゾーンで数100MHz程度である。
【0011】
本発明の目的は、前述の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ことである。前記▲1▼でいう高確度、高安定度、高分解能の目安は各々100MHz、10の−9乗、1MHz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。なお、1.5μm帯では周波数幅1THz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。
【0012】
さらに近年、通信すべき情報量の拡大に伴いWDM(Wavelength Division Multiplexing;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、複数の波長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しなければならない。
【0013】
【課題を解決するための手段】
前述のようにデッドゾーンは、通常のヘテロダイン検波では2つの光の周波数差について、その絶対値しか検知できず、周波数の相対的な高低を知ることができないことに起因している。そこで、この課題を解決するために、周波数の基準となる光、つまり周波数基準光、をもとに側帯波を発生させ、該側帯波を波長可変光源の出力光の基準に用いることは従来と同じであるが、従来のような単純な受光方式ではなく、波長可変光源の出力光と側帯波を2つの受光器を用いて直交位相ヘテロダイン信号を取得し、この信号が有する符号も含めた周波数差の情報に基づいて、波長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、
【0014】
本発明の周波数可変レーザ光源装置は、周波数基準光源と、該周波数基準光源から出力された周波数基準光を受けて複数の側帯波を有する光を発生する側帯波発生手段と、出力光の波長が可変である波長可変光源と、該波長可変光源から出力された出力光と前記側帯波発生手段から出力された複数の側帯波を有する光とを受けて互いに位相が90°異なる2つの合成光を出力する光90°ハイブリッドカプラと、該2つの合成光をそれぞれ受けて互いに位相が90°異なるヘテロダイン信号を出力する受光器と、該ヘテロダイン信号を受けて、前記周波数基準光の周波数が前記側帯波の周波数より高いときに該ヘテロダイン信号を出力するリアルポートと、前記周波数基準光の周波数が前記側帯波の周波数より低いときは該ヘテロダイン信号を出力するイメージポートとを有する90°ハイブリッドカプラと、該90°ハイブリッドカプラのリアルポートおよびイメージポートからの出力のうちの一方の出力を受けて前記ヘテロダイン信号の周波数と前記複数の側帯波のうちの前記出力光の所望の波長に関連して決められる一つの側帯波に対応するオフセット周波数信号の周波数とを比較し、周波数差信号を出力する比較手段とを備えており、前記周波数差信号を用いて前記波長可変光源の波長を制御する。
【0015】
このような手段をとることとしたから、その詳細は作用の欄で説明するが、本発明の周波数可変レーザ光源装置では基準となる側帯波の周波数と波長可変光源の出力周波数の差の符号、つまり周波数の相対的な高低、を含めて検出され、デッドゾーンは本質的に除去される。また、本発明の周波数可変レーザ光源装置は周波数が固定された側帯波を基準として、波長可変光源の周波数を設定するものであるため、複数の波長可変光源の周波数を互いに独立に設定することが可能である。
【0016】
【作用】
本発明の作用を、周波数掃引の観点から説明する。
デッドゾーンが存在する場合には、スレーブ光源である波長可変光源の周波数を任意に設定できないのであるから、この周波数を側帯波の周波数間隔以上の範囲で、順次細かく変化させることもできない。つまり、広い周波数範囲にわたって周波数追従制御をかけた状態で周波数掃引ができないことになる。
【0017】
まず、図7(a)に波長可変光源の出力光と各側帯波の周波数の時間変化の例を示した。図7(a)ように波長可変光源の周波数が時間と共に増加した場合に、波長可変光源の周波数を各側帯波を基準として、書き改めたものが図7(b)である。この図の縦軸は符号も含めた周波数差を表している。このとき、波長可変光源の出力光と側帯波を合波した後に、1つの受光器によって受光して得られるビート信号の周波数は、図7(c)のように正の周波数範囲内で記述することができる。このような単純な受光方式ではビート信号に寄与する光の周波数の高低を知ることができないためである。この図7(c)は図7(b)の負の周波数部分を正の周波数に折り返したものと見ることができる。ここで、デッドゾーンは図7(c)中の右下がりの線と右上がりの線の交点付近に現れる。つまり、この交点付近では交差する2つの線に対応する周波数成分がビート信号に混在するため、適正な周波数追従制御が困難となる。
なお、2つの受光素子を内蔵した受光器として、バランスドレシーバが知られているが、バランスドレシーバは全体として1出力の受光器であるため、ここでは、通常の1つの受光素子を内蔵した受光器とその働きとしては同等と見做せる。
【0018】
ところで、電気通信、特にマイクロ波通信の分野などでは直交位相変復調技術が多用されている。この中で、本発明に関して最も利用しやすい形態を持つイメージリジェクションミキサ(以下、IRMという。)について概説する。これは2入力2出力のミキサであり、信号波を一方の入力ポートへ入力し、参照波を他方の入力ポートへ入力するとき、信号波の周波数が参照波の周波数よりも高い場合には一方の出力ポート(リアルポート)だけにヘテロダイン信号を出力し、逆に信号波の周波数が参照波の周波数よりも低い場合には他方の出力ポート(イメージポート)だけにヘテロダイン信号を出力するものである。このIRMの内部では、信号波と参照波がそれぞれ2分岐され、2つの(通常の)ミキサによってダウンコンバート(一般にはミキシング)される。そして、その各々の出力が合波されて、2つの出力ポートに出力される。2つのミキサに入る信号波と参照波の位相は90°ずらしてあり、このために2つのミキサ出力も90°位相が異なる。このような機能を有するミキサは直交位相ダウンコンバータ(一般には直交位相ミキサ)と呼ばれている。この直交位相ダウンコンバータから得られる2つのヘテロダイン信号が90°ハイブリッドカプラで合波され、干渉の効果によって、信号波と参照波の周波数の高低に応じて異なる出力ポートにヘテロダイン信号出力が現れる。信号波が複数の周波数成分を持つときには、参照波の周波数よりも高い周波数成分と低い周波数成分とが分離されて、2つの出力ポートに現れる。
【0019】
IRMは、その内部にある2つのミキサとして、2つの受光器を用いることで、光の領域でも同様に構成できることが知られている。光通信分野、特にコヒーレント光通信に関連する分野などでは、このような受光技術は受信器に用いられるため、「(光ヘテロダイン)イメージ除去受信器」などの名称で呼ばれている。以下では簡単のため、「光IRM」と呼ぶことにする。なお、光IRMについては例えば「近間輝美、渡辺茂樹、内藤崇男、桑原秀夫、“光ヘテロダインイメージ除去受信方式の検討”、1989年電子情報通信学会春季全国大会、B−757」などに記載されている。
【0020】
本発明では、光IRM(より本質的には光の直交位相ダウンコンバータ)を用いることにより、デッドゾーンをなくしている。前述の通り、光IRMを用いれば、波長可変光源の出力光と側帯波の周波数の高低に応じて分離されたヘテロダイン信号を2つのポートに出力することができる。以下では、波長可変光源の出力光を信号波、側帯波を参照波と考え、ある側帯波よりも波長可変光源の出力光周波数が高い場合に光IRMのリアルポートにヘテロダイン信号が現れ、ある側帯波よりも波長可変光源の出力光周波数が低い場合にイメージポートにヘテロダイン信号が現れるものとする。
図7(a)のように波長可変光源の出力光周波数が変化したときの光IRMの出力信号周波数を図8(a)に示した。図8(a)〜(c)では、正の周波数はリアルポート出力に対応し、負の周波数はイメージポート出力に対応するものとして、2つの出力を1つの図に描いている。このように光IRMを用いることによって、図7(b)と同様な周波数の高低(符号)も含めたヘテロダイン信号が得られる。この結果、図7(c)に見られた負の周波数の折り返しがなくなり、複数の線が交差することがなくなるため、デッドゾーンは原理的に消失する。
【0021】
次に、光IRMの出力を周波数追従制御に利用する方法について説明する。
図7(a)から明らかなように、図7、図8では、例えば、時刻t0 からt2 までの間に側帯波の周波数間隔だけ、波長可変光源の周波数が変化するものとして描いている。側帯波は周波数領域で周期的に存在するから、このt0 からt2 までの間、常に周波数追従制御が可能であれば、以後同様にして十分な強度の側帯波が存在する全範囲にわたって周波数追従制御が可能である。
図8(b)、(c)は図8(a)と同様の光IRM出力に基づいた周波数追従制御の方法を模式的に示すものである。この図では、周波数追従制御に使用する信号をリアルポート出力に対して太い実線で、イメージポート出力に対して太い破線で示している。
図8(b)は光IRMの2つの出力を切り替えながら利用する最も単純な方法である。この図は、側帯波の周波数間隔が4GHzである場合に、t0 〜t1 の間は(N+1)次側帯波に由来する光IRM出力の−4〜−2GHz成分、つまりイメージポート出力の4〜2GHz成分に基づいて周波数追従制御を行い、t1 〜t2 の間はN次側帯波に由来する光IRM出力の+2〜+4GHz成分、つまりリアルポート出力の2〜4GHz成分に基づいて周波数追従制御を行う例を示している。
図8(c)は光IRMの一方の出力だけを利用する方法の一例である。この図では+2〜+6GHz成分、つまりリアルポート出力の2〜6GHz成分に基づいて周波数追従制御を行う例を示している。もちろん、イメージ出力だけを用いても同様の制御が可能である。
【0022】
この他、周波数追従制御をt0 〜t2 の間で常に実現するためには、この時間内で常にいずれかの側帯波を参照すればよいだけであるから、切り替えの方法は無数に存在する。なお、参照するヘテロダイン信号の周波数が−2GHz〜DCとDC〜+2GHzのように、DCを含む周波数追従制御も可能ではあるが、実現形態はやや複雑となる。
また、前述の通り、デッドゾーンの問題は受光方式に起因するものであるため、光IRMに含まれている互いに位相の異なるヘテロダイン信号を出力する受光部を用いれば、その複数の出力の処理については、電気信号の処理法として知られている各種の技術を有効に利用することができる。
【0023】
【発明の実施の形態】
図1に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。
本実施の形態の周波数可変レーザ光源装置は、図1に示すように、周波数基準光源1、側帯波発生手段2、波長可変光源3、光IRM4、比較手段5および制御部6からなっている。
周波数基準光源1は、原子や分子の吸収線などを周波数基準とした周波数安定化光源である。側帯波発生手段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ものであり、前述のコム発生器などを用いることができる。波長可変光源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レーザ光源である。この波長可変光源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。
光IRM4は、側帯波発生手段2の出力と波長可変光源3の出力光の一部を受け、互いに90°位相が異なる2つのヘテロダイン信号を出力する。この機能はマイクロ波通信の分野などで古くから用いられている直交位相ミキサと同様である。
比較手段5は、光IRM4からの直交位相ヘテロダイン信号に基づいて、ヘテロダイン信号の周波数が符号を含めて所定のオフセット周波数となるように波長可変光源3に対する制御信号を出力する。
制御部6は、所望の光周波数に応じて、波長可変光源3に対する出力周波数の粗調整のための信号、比較手段5に対する符号を含めたオフセット周波数設定信号及び各種の切替信号を出力する。
【0024】
図2に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。
本実施の形態の周波数可変レーザ光源装置は、図2に示すように、周波数基準光源1、側帯波発生手段2、分波器7と、各2組の波長可変光源3a、3b、光IRM4a、4b、比較手段5a、5b、制御部6a、6bとからなっている。
周波数基準光源1、側帯波発生手段2は、第一の実施の形態と全く同様である。波長可変光源、光IRM、比較手段、制御部については、3a〜6a、3b〜6bの2組があり、その各々は第一の実施の形態の3〜6と同様である。 分波器7は、側帯波発生手段2の出力光を分岐して、光IRM4a、4bに入力するためのものである。
【0025】
この構成では、各波長可変光源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、各々の波長可変光源3a、3bの周波数を互いに独立に設定することができ、WDM光通信などに用いられる多出力の周波数可変レーザ光源装置として利用できる。
また、複数の出力光が、側帯波発生や周波数追従制御を介して一つの周波数基準光に対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、複数の周波数基準光源から得る複数の出力光の間の相対的な周波数ゆらぎに対して2桁程度小さい特徴を有している。
【0026】
本実施の形態では、波長可変光源等が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、各波長可変光源の出力光周波数が近接しないような用途では、側帯波発生手段2からの光を単純に分岐せずに、波長選択性をもつ分波手段を用いて分岐すれば、分配損失を抑えられる。
【0027】
【実施例】
本発明の第二の実施の形態は、第一の実施の形態を拡張することで容易に得られるから、実施例としては、第一の実施の形態のもののみ記述する。
図3に本発明の第一の実施例を示す。本実施例は作用の欄で説明した図8(b)に示す周波数追従制御に対応するものである。
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、側帯波発生手段2、波長可変光源3、光IRM4、比較手段5および制御部6からなっている。
【0028】
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。例えば、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。
側帯波発生手段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4GHz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4GHzである。コム信号光の発生範囲は数THz以上にわたり、その発振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。
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、共振器長制御手段を設けることが望ましい。ここでいう最適な条件とは側帯波の発生範囲が最も広くなる条件、つまり、コム発生器を構成する光共振器が、入力光に対して共振条件を満足することであるが、これはコム発生器の出力光強度の時間変化の中で側帯波間隔(4GHz)の周波数成分が最小となる条件でもあるためである。このとき、理想的には側帯波間隔の周波数成分はなくなる。このようにすることで、後述する光IRMで得られるヘテロダイン信号の周波数が特に4GHz付近となったときに、雑音とみなされるコム発生器の出力光強度変化に由来する4GHz成分を低減することができる。
波長可変光源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。この波長可変光源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。
なお、波長可変光源3の可変帯域幅によっては、外部共振器型レーザ光源の代わりに半導体レーザ単体を用いることも可能である。
【0029】
光IRM4は、光90°ハイブリッドカプラ41、受光器42a、42bおよび(電気信号の)90°ハイブリッドカプラ43からなっている。
光90°ハイブリッドカプラの構成の一例を図6に示した。この光90°ハイブリッドカプラはガラス導波路によって形成されており、入力ポート410a、410bに入射された2つの光を分波器411a、411bによって、それぞれ分岐した後、合波器412a、412bによって合波して、出力ポート413a、413bに出力するものであり、入力ポート410aから出力ポート413a、413bにいたる2つの光路の長さの差と、入力ポート410bから出力ポート413a、413bにいたる2つの光路の長さの差との差が、波長の整数倍に1/4波長を加えた値または差し引いた値となるように調整されたものである。最も単純な例を挙げれば、入力ポート410aから出力ポート413a、413bにいたる2つの光路の長さが等しく、入力ポート410bから出力ポート413a、413bにいたる2つの光路の長さの差が1/4波長となっているものである。このようにすることで、入射された2つの光が、互いに90°異なる位相で合波された光が、2つの出力ポートに出力される。なお、薄膜ヒータなどを利用して、前述の光路長の差を調整する手法なども知られている。特に、入射される光の波長帯域が広い場合には、入射光の波長によって位相差が変わる場合があるため、波長に応じた調整を行うことが望ましい。
【0030】
この例のように、光90°ハイブリッドカプラ41は、波長可変光源3の出力光の一部(信号光)と側帯波発生手段2の出力光(参照光)とを受け、その各々を2分岐し、信号光と参照光の2つの組を互いに90°異なる位相で合波して、2つの出力光を得るものである。
光90°ハイブリッドカプラ41の2つの出力光は、それぞれ受光器42a、42bによって光電変換され、検波信号として出力される。この2つのヘテロダイン信号は、その周波数が光90°ハイブリッドカプラ41に入射された2つの光の周波数差に等しく、互いの位相が90°異なるものとなっている。つまり、光の直交位相ダウンコンバータとして機能する。
90°ハイブリッドカプラ43は、受光器42a、42bから出力される2つのヘテロダイン信号を受けて、光の90°ハイブリッドカプラと同様に2つの入力信号を分波、合波して、2つの出力ポートに各々同相成分と直交相成分の信号を出力する。その結果、前述の信号光の周波数が参照光の周波数よりも高いときには、90°ハイブリッドカプラ43の出力ポートの一方だけからヘテロダイン信号が出力される。ここでは、この出力ポートをリアルポートと呼び、他方の出力ポートをイメージポートと呼ぶことにする。逆に、信号光の周波数が参照光の周波数よりも低いときには、イメージポートだけからヘテロダイン信号が出力される。
【0031】
比較手段5は、スイッチ51、フィルタ52、オフセット周波数発振器53、位相比較器54、終端器58a、bからなっている。
スイッチ51は、光IRM4の2つの出力を受け、その中の一方をフィルタ52に出力すると共に、他方を終端器58aまたは58bに出力する。スイッチ51の切り替えは制御部6からの指令による。
フィルタ52は、スイッチ51で選択されたヘテロダイン信号を帯域制限し、側帯波の周波数間隔の半分から周波数間隔までの周波数成分を通過させる。本実施例では、側帯波の周波数間隔を4GHzとしているから、2〜4GHzの帯域を通過させるバンドパスフィルタを用いればよい。なお、光IRM4や光電変換後の信号を増幅するために置かれる増幅器(特に図示していない)の周波数特性によっては、フィルタ52は不要な場合もある。
【0032】
オフセット周波数発振器53は、制御部6の指令により設定されたオフセット周波数の信号を発生する。このオフセット周波数の設定範囲は、絶対値として2〜4GHzとしている。
位相比較器54は、フィルタ52からのヘテロダイン信号とオフセット周波数発振器53の出力信号との位相比較を行い、この位相差に基づいた波長可変光源3への制御信号を出力する。この制御信号の極性及び制御信号の断続(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言えば、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、波長可変光源3の出力光周波数が基準とする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、負帰還の状態で適正な周波数追従制御を行うことができる。
終端器58a、58bは、スイッチ51の状態に応じて、90°ハイブリッドカプラ43の出力の中で位相比較に直接寄与しないものを無反射終端する。
制御部6は、所望の光周波数に応じて、波長可変光源3に対して出力周波数の粗調整のための信号を出力する。また、比較手段5にスイッチ切替信号、オフセット周波数設定信号、制御極性切替信号、制御停止信号を出力する。なお、スイッチ51で選択されたリアルポート出力とイメージポート出力のいずれかに応じて、位相比較器54が出力すべき制御信号の極性は決まるため、スイッチ切替信号と制御極性切替信号とは実質的に同一である。
【0033】
このように構成された周波数可変レーザ光源装置の出力周波数設定の手法について説明する。
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、側帯波に対する波長可変光源3の出力光のオフセット周波数を符号を含めてfとすると、波長可変光源3の出力光周波数νは、
ν=νr+N・fm+f (1)
と確定する。以下、式中の周波数を表す記号や数値は、GHz単位とする。
本実施例では、側帯波の周波数間隔を4GHz、オフセット周波数発振器53の周波数設定範囲を2〜4GHzと定めている。位相比較器54は制御信号の極性を切り換えられるから、ある側帯波の周波数を基準として波長可変光源3に対する周波数追従制御が可能な周波数範囲は、−4〜−2GHz及び+2〜+4GHzである。
【0034】
式(1)で、νを所望の出力光周波数と考えるとき、整数Nを(ν−νr)/fm以下の最大の整数と定めれば、fは0〜4GHzの範囲内の値になる。fが0〜2GHzのときには、波長可変光源3の出力光周波数と(N+1)次側帯波の周波数との差 ν−(νr+(N+1)・fm)=fimage は、−4〜−2GHzであるから、(N+1)次側帯波を基準として、イメージポート出力に基づくオフセット周波数をfimage とする周波数追従制御を行えばよい。一方、fが2〜4GHzであるときには、 ν−(νr+N・fm)=freal であるから、N次側帯波を基準として、リアルポート出力に基づくオフセット周波数をfrealとする周波数追従制御を行えばよい。
このようにして、基準とする側帯波の次数とオフセット周波数を定めることによって、側帯波を利用できる数THzの周波数帯域内で、任意の周波数に波長可変光源3の出力光周波数を設定できる。
【0035】
周波数設定の手順の一例は、次の通りである。
周波数基準光源1、側帯波発生手段2は稼動しているものとして、まず、比較手段5(位相比較器54)の出力を停止しておき、波長可変光源3の出力周波数を所望の周波数の近傍まで粗調整する。
次に、オフセット周波数発振器53の出力信号周波数を前述のように算出したオフセット周波数(の絶対値)に設定し、位相比較器54が出力する制御信号の極性をこのオフセット周波数の符号に従って設定する。スイッチ51もオフセット周波数の符号に従って、正ならば90°ハイブリッドカプラ43のリアルポート出力43aを選択し、負ならばイメージポート出力43bを選択するように設定する。
最後に、位相比較器54を出力状態として、制御信号を波長可変光源3に帰還する。以上の操作で周波数追従制御が機能し、波長可変光源3の出力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。
なお、波長可変光源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。
また、周波数追従制御の時定数が、スイッチ51の切り替え、オフセット周波数発振器53の周波数設定、位相比較器54の極性切り替えに要する時間よりも十分大きければ、位相比較器54の出力を停止する必要はない。
【0036】
このように波長可変光源3の出力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、波長可変光源3の出力周波数を周波数掃引することも可能である。
ヘテロダイン周波数の絶対値がちょうど2GHzまたは4GHzである場合には、リアルポート出力とイメージポート出力のいずれを周波数追従制御に用いてもよい。従って、いずれを使用するかを予め定めてもよい。例えば、2GHzと4GHzのいずれの場合でも、リアルポート出力を用いることとすれば、1MHzステップで高周波側へ周波数掃引を行う場合には、ヘテロダイン信号の周波数が+2〜+4GHzまたは−3.999〜−1.999GHzへ変化して行く間は、スイッチ51の切り替え、位相比較器54の極性切り替えは不要であり、オフセット周波数発振器53の周波数設定及び必要に応じて位相比較器54の停止と起動を順次行えばよい。制御に利用するヘテロダイン周波数を+4GHzから−3.999GHzへ切り替えるときには、リアルポート出力を使用する状態からイメージポート出力を使用する状態へのスイッチ51の切り替え、位相比較器54の極性切り替え、オフセット周波数発振器53の4GHzから3.999GHzへの周波数設定及び必要に応じて位相比較器54の停止と起動を行えばよい。ヘテロダイン周波数を−1.999GHzから+2GHzへ切り替えるときも同様である。
【0037】
本実施例では、90°ハイブリッドカプラ43の2つの出力の一方をスイッチ51で選択することとしたが、90°ハイブリッドカプラ43の後段にフィルタおよび位相比較器を2系統準備しておき、2つの位相比較器の出力をスイッチングする構成も可能である。
また、本実施例の比較手段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53と位相比較器54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有効に利用してもよい。また、周波数追従制御に要求される精度によっては、f−V(周波数−電圧)変換器をオフセット周波数発振器53と位相比較器54の代わりに利用する構成なども可能である。このことについては、他の実施例でも同様である。
【0038】
図4に本発明の第二の実施例の比較手段5を示す。他の部分は第一の実施例と同様であるから省略する。本実施例は作用の欄で説明した図8(c)に示す周波数追従制御に対応するものである。
本実施例の比較手段5は、スイッチ51a、51b、フィルタ52a、52b、オフセット周波数発振器53、位相比較器54および終端器58からなっている。
【0039】
スイッチ51aは、90°ハイブリッドカプラ43のリアルポート出力をフィルタ52a、52bのいずれかへ出力するものである。フィルタ52aは2〜4GHzを通過させる帯域通過フィルタであり、フィルタ52bは4〜6GHzを通過させる帯域通過フィルタである。スイッチ51bはフィルタ52a、52bの出力の一方を選択して出力するものであり、スイッチ51aと連動して切り替えられる。スイッチ51a、51bとフィルタ52a、52bの組み合せで通過帯域が切り替え可能な帯域通過フィルタを構成している。
オフセット周波数発振器53は、制御部6の指令により設定されたオフセット周波数の信号を発生する。このオフセット周波数の設定範囲は2〜6GHzとしている。
位相比較器54は、スイッチ51bからのヘテロダイン信号とオフセット周波数発振器53の出力信号との位相比較を行い、この位相差に基づいた波長可変光源3への制御信号を出力する。この制御信号の断続は、制御部6の指令により設定される。制御信号の極性は、90°ハイブリッドカプラ43の2つの出力ポートの中で使用しているポートに対応して、負帰還の状態で周波数追従制御が機能するように固定されている。
【0040】
このように構成された周波数可変レーザ光源装置の出力周波数設定の手法について説明する。
本実施例では、側帯波の周波数間隔を4GHz、オフセット周波数発振器53の周波数設定範囲を2〜6GHzと定めている。ある側帯波の周波数を基準として波長可変光源3に対する周波数追従制御が可能な周波数範囲は、リアルポート出力を利用しているから+2〜+6GHzである。
【0041】
式(1)で、整数Nを(ν−2−νr)/fm以下(分母、分子はGHz単位)の最大の整数とすれば、式(1)でfは2〜6GHzの範囲内の値になる。従って、リアルポート出力に基づくオフセット周波数をfとする周波数追従制御を行えばよい。スイッチ51a、51bは、使用するオフセット周波数fを通過させるフィルタ52aまたは52bを選択するように切り替えればよい。
本実施例において通過帯域を切り替えるのは、図8(c)の時刻t1 、t3 付近などでは、光IRM4(90°ハイブリッドカプラ43)の出力に2GHz付近の成分と6GHz付近の成分が混在するためである。通過帯域を切り替えることによって、所望の側帯波に由来するヘテロダイン信号だけを抽出することができる。
【0042】
図5に本発明の第三の実施例の比較手段5を示す。他の部分は第一の実施例と同様である。本実施例は作用の欄で説明した図8(c)に示す周波数追従制御に対応するものであり、スーパーヘテロダイン法を利用するものである。
本実施例の比較手段5は、周波数可変発振器55、ミキサ56、フィルタ52、周波数固定発振器57、位相比較器54からなっている。
【0043】
周波数可変発振器55は、制御部6の指令により設定された周波数の信号を発生する。この周波数設定範囲は1〜5GHzとしている。ミキサ56は、90°ハイブリッドカプラ43のリアルポート43aから出力されるヘテロダイン信号と周波数可変発振器55の出力とを受けて、ミキシングして出力するものである。フィルタ52は、1GHz付近を通過させる帯域通過(または低域通過)フィルタであり、ミキサ56の出力を帯域制限して出力する。周波数固定発振器57は、1GHzの信号を発生する。位相比較器54は、フィルタ52の出力と周波数固定発振器57の出力を受けて、位相比較を行い、波長可変光源3への制御信号を出力する。
【0044】
このように構成された周波数可変レーザ光源装置の出力周波数設定の手法について説明する。
本実施例では、側帯波の周波数間隔を4GHz、オフセット周波数設定範囲を2〜6GHzと定めている。90°ハイブリッドカプラ43のリアルポート出力を利用するものとしているから、ある側帯波の周波数を基準として波長可変光源3に対する周波数追従制御が可能な周波数範囲は、+2〜+6GHzである。
【0045】
式(1)で、整数Nを(ν−2−νr)/fm以下の最大の整数とすれば、fは2〜6GHzの範囲内の値になる。このfをオフセット周波数と定める。このとき、周波数可変発振器55の発振周波数は1〜5GHzの範囲で可変としているので、この発振周波数を(f−1)GHzと定めることができる。波長可変光源3の出力光周波数が粗調整されていれば、N次側帯波とのビートに起因するリアルポート出力はオフセット周波数fに近い周波数を持つから、これを(f−1)GHzの信号を参照してダウンコンバートすると、約1GHzとなる。このとき、(N−1)次側帯波とのビート、(N+1)次側帯波とのビートに起因するリアルポート出力もダウンコンバートされて、それぞれ約3GHz、約5GHzに現れる。そこで、フィルタ52で約1GHzの信号だけを取り出せば、N次側帯波とのビートに起因する信号だけを抽出できる。この信号を周波数固定発振器57からの1GHzの信号を参照して、位相比較器54で位相比較すれば、周波数追従制御に必要な信号が得られる。
【0046】
【発明の効果】
周波数基準光をもとに側帯波を発生させ、該側帯波を波長可変光源の出力光の周波数基準として用いることは従来と同じであるが、従来のような単純な受光方式ではなく、波長可変光源の出力光と前記側帯波を2つの受光器を用いて得られる直交位相ヘテロダイン信号を取得し、この信号が有する符号も含めた周波数差の情報に基づいて、波長可変光源の出力光の周波数を制御することとしたから、
光周波数コム発生器の使用に伴うデッドゾーンの問題点を本質的に解消して、▲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。
また、本発明の第二の実施の形態のように複数の波長可変光源を備えれば、一つの周波数基準光に対して複数の出力光の各々を独立に周波数設定することが可能となり、WDM通信用の光源等への応用が可能な周波数可変レーザ光源装置となる。
【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】本発明の第二の実施例を示す図である。
【図5】本発明の第三の実施例を示す図である。
【図6】光90°ハイブリッドカプラの構成例を示す図である。
【図7】側帯波を周波数基準として用い、出力光の周波数を設定、掃引するときに問題となるデッドゾーンを周波数掃引の観点から説明するための図であり、(a)は(b、c)及び図8の前提となる出力光の周波数掃引の状況、(b)は各側帯波を基準とした出力光の周波数、(c)は1つの受光器で得られるヘテロダイン信号とデッドゾーンを示す図である。
【図8】図7(a)を前提として、本発明での側帯波を周波数基準とした出力光の周波数の設定、掃引について説明するための図であり、(a)は光IRMが出力するヘテロダイン信号の周波数、(b)、(c)は(a)の出力に基づいた出力光の周波数の設定、掃引の方法の例を示す図である。
【図9】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10】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11】側帯波を周波数基準として用い、出力光の周波数を設定、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、(b)は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 側帯波発生手段
3 波長可変光源
4 光IRM
5 比較手段
6 制御部
21 コム発生器
22 マイクロ波発振器
41 光90°ハイブリッドカプラ
42a 受光器
42b 受光器
43 (電気信号の)90°ハイブリッドカプラ
51 スイッチ
51a スイッチ
51b スイッチ
52 フィルタ
52a フィルタ
52b フィルタ
53 オフセット周波数発振器
54 位相比較器
55 周波数可変発振器
56 ミキサ
57 周波数固定発振器
58 終端器
58a 終端器
58b 終端器
331 合波器
332 受光器
333 位相比較器
334 オフセット周波数発振器
335 ループフィルタ
336 加算器
337 駆動電流源
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laser light source device used in the fields of optical communication and optical measurement, and more particularly to a frequency variable laser light source device that has a variable frequency over a wide band and is excellent in frequency accuracy and frequency stability of output light.
[0002]
[Prior art]
Regarding elemental technologies for constructing a laser light source device with excellent frequency accuracy and frequency stability of output light, (1) frequency reference light source, (2) wavelength variable light source, (3) frequency tracking control, (4) broadband Various techniques for generating sidebands are known.
[0003]
First, each of these will be briefly described.
(1) As a frequency reference light source, a semiconductor laser (hereinafter referred to as LD: laser diode) or a solid laser whose oscillation frequency is stabilized using an atomic or molecular absorption line as a frequency reference, a gas laser, etc. are generally used. Is.
(2) As a wavelength variable light source, an external resonant light source combining a wavelength selective element such as an LD or a solid state laser and a diffraction grating, a DFB-LD (distributed feedback-laser diode), a DBR-LD (distributed Bragg reflector-laser diode) In general, the one in which the wavelength selection element is incorporated in the LD. Naturally, such a light source alone does not guarantee frequency accuracy or long-term frequency stability.
[0004]
(3) Frequency follow-up control is to control the output light frequency of another laser so as to follow the output light frequency of one laser. In such control, a laser that is a reference for frequency is called a master laser, and a laser that follows the laser is called a slave laser. Since the LD can directly control the oscillation frequency by the injection current, the LD is used as a slave laser. Usually, the output light of the master laser and the slave laser is combined and received to detect the beat signal, and the offset frequency is set. The injection current of the slave laser is controlled so as to coincide with. By this control, the output optical frequency of the slave laser is separated by the set frequency with respect to the output optical frequency of the master laser, so this control is also called optical frequency offset lock control. Since the information obtained from the beat signal is the absolute value of the frequency difference between the two laser beams, a control malfunction occurs if the offset frequency is brought close to zero. Depending on the control method, the output optical frequency of the slave laser relative to the output optical frequency of the master laser, that is, the sign of the offset frequency can be set to either positive or negative. In addition, the upper limit of the offset frequency is 100 GHz at most because of the band of the light receiving system that generates the beat signal. When using a commercially available light receiving element or the like, the band in which light reception and amplification can be easily performed is up to several GHz.
[0005]
{Circle around (4)} Wideband sideband generation includes optical frequency comb generators, short optical pulse light sources, and the like as means.
An optical frequency comb generator (hereinafter referred to as a comb generator) performs deep modulation on input laser light, generates several hundreds or more sidebands at a modulation frequency interval on the frequency axis, and outputs the generated sideband waves. . The modulation frequency is normally set to about several GHz to 20 GHz, and a sideband having a strength that can be used over several THz or more can be obtained. If the frequency of the input light and the modulation frequency are known, the frequency of each sideband is also known, so that each sideband can be used as the frequency reference light.
[0006]
The short optical pulse light source has a saturable absorber, optical intensity modulator, optical phase modulator, etc., which are means for modulating light inside the optical resonator, and an optical amplification medium, and a pulse time width of 10 ps. It repeatedly outputs less than or equal to light. This output light includes a large number of sidebands having optical pulse repetition frequency intervals. In particular, a general short light pulse light source based on forced mode synchronization has a built-in light intensity modulator, and an optical pulse train synchronized with the microwave is generated by driving the light intensity modulator with the microwave. For this reason, the frequency interval of the sideband has high frequency accuracy and high stability of the driving microwave, and this is the same as the case of using the comb generator.
However, even if the frequency interval of the sidebands is kept constant as in forced mode synchronization, the short optical pulse light source does not have an optical frequency reference inside, so the frequency of each sideband is time. Will fluctuate. Therefore, in order to generate a frequency reference light in a wide band using a short optical pulse light source, light having a known frequency may be prepared and the light injection locking phenomenon or frequency tracking control may be used. The light injection locking phenomenon is a phenomenon in which, when light having a frequency close to the oscillation frequency is injected into the self-excited LD from the outside, the oscillation frequency of the LD is drawn into the frequency of the injected light and coincides. Similarly, when light having a frequency close to a low-order sideband included in the output light is injected into the short light pulse light source, the frequency of the sideband is drawn into the frequency of the injected light. Therefore, in the short light pulse light source by forced mode synchronization, if the frequency of the injected light is known, the frequency of each sideband is also known.
As described above, the frequency tracking control is to make the oscillation frequency of other LDs follow the frequency of the light to be referenced. Therefore, reference is made to light with a known frequency even in the short light pulse light source by forced mode synchronization. If the frequency of a certain sideband is used as light, the frequency of each sideband is also known.
[0007]
Thus, when used in combination with the frequency reference light source, the comb generator and the short optical pulse light source can be said to be equivalent sideband generation means.
Since the output light of the comb generator (hereinafter referred to as the comb signal light) and the output light of the short optical pulse light source are used for heterodyne detection with other light, in order to increase the SN ratio of the beat signal, The narrower the spectral line width of light or reference light, the more advantageous. For this reason, an external resonant LD light source or a self-injection locked LD light source is often used as an input light source.
Note that the means for generating sidebands in a wide band here means that the sidebands can be generated at equal intervals on the frequency axis, so the pulse is output with respect to the output of the comb generator or the output of the short optical pulse light source. Also includes those that have been compressed. Since these can essentially be handled in the same manner, the following description describes the case of a comb generator.
[0008]
Next, an existing frequency variable light source excellent in frequency accuracy and frequency stability combining the above elemental technologies will be described.
First, there is a frequency tunable laser light source apparatus shown in FIG. 9 that combines (1) a frequency reference light source, (2) a wavelength variable light source, and (3) frequency tracking control. As shown in FIG. 9, this is a system in which frequency tracking control is performed using the frequency reference light source 11 as a master light source and the variable wavelength light source 31 as a slave light source. The frequency reference light from the frequency reference light source 11 and the output light from the wavelength variable light source 31 are combined by the multiplexer 331 of the frequency tracking control means 33, received by the light receiver 332, and the beat signal is detected. The detected beat signal and the signal from the offset frequency oscillator 334 are phase-compared by the phase comparator 333, and the result is added to the current from the drive current source 337 via the loop filter 335 and added by the adder 336. 31 is supplied to the LD. By controlling in this way, the output light follows the frequency reference light with an offset frequency set by the offset frequency oscillator 334. In this system, the output light frequency of the slave light source can be continuously changed while maintaining high accuracy and high stability. However, the variable frequency range is limited to the frequency tracking control band including the light receiving system, and is at most 100 GHz. Is the limit. Note that 100 GHz corresponds to a wavelength band of less than 1 nm in the 1.5 μm band.
[0009]
In view of this point, the use of a comb generator or the like has been proposed, and its operation has been confirmed experimentally. Then, (4) the optical frequency comb generation technique, which is one of the wideband sideband generation techniques, is added to the above three techniques, that is, the comb obtained by inputting the frequency reference light to the comb generator. Since a large number of sidebands contained in the signal light can be used as frequency reference light, a system for performing frequency tracking control on a wavelength tunable light source based on an arbitrary order of sidebands has been considered. The configuration is shown in FIG. In this system, the frequency of the output light is changed by changing the offset frequency of the frequency tracking control means 33.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
This system can generate light having high accuracy and high stability over a wide band, but cannot generate an arbitrary frequency within a wide frequency range. This is due to the presence of two types of dead zones. One is that the offset frequency cannot be brought close to 0 when performing frequency tracking control. That is, when the frequency of the sideband of a certain order and the wavelength of the wavelength tunable light source that is the slave light source substantially coincide with each other, proper frequency tracking control cannot be performed (FIG. 11A). This is because normal heterodyne detection acquires information on the absolute value of the frequency difference between the two lights, so that both the positive and negative heterodyne frequency components have the same frequency when the laser light frequency difference is about the oscillation line width or less. It is caused by mixing. The other is that when a comb generator or short optical pulse light source is used, a large number of sidebands grow on the frequency axis. The beat signal of the sideband and the beat signal of the higher-order sideband are mixed at substantially the same frequency, and proper frequency tracking control cannot be performed (FIG. 11B). As a guideline for the frequency width of the two types of dead zones (FIG. 11C), if an appropriate margin is expected, the dead zone near the sideband is about 20 MHz, and the deadzone near the center between the sidebands is about several hundred MHz. .
[0011]
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the dead zone, (1) excellent in output light frequency accuracy, frequency stability, and setting resolution, (2) wide frequency variable range, and (3) To provide a frequency variable laser light source device capable of arbitrarily setting or sweeping a frequency within a frequency variable range. The standards for high accuracy, high stability, and high resolution in (1) are 100 MHz, 10 −9, and 1 MHz or less, respectively. In addition, the lowest standard for the broadband in the above (2) is 10 nm or more in the 1.5 μm band. In the 1.5 μm band, a frequency width of 1 THz corresponds to a wavelength width of 8 nm. Hereinafter, the notation regarding the wavelength width is a value in the 1.5 μm band.
[0012]
In recent years, with the expansion of the amount of information to be communicated, WDM (Wavelength Division Multiplexing) optical communication technology has been sought, and a light source that simultaneously outputs light of a plurality of predetermined frequencies is desired. In consideration of this requirement, it is desirable to adopt a configuration in which one comb signal light is generated, and a plurality of wavelength tunable light sources can be independently set with reference to an arbitrary sideband included therein. For this purpose, a means for avoiding a dead zone must be realized while the frequency of the comb signal light is fixed.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
As described above, the dead zone is due to the fact that in normal heterodyne detection, only the absolute value of the frequency difference between two lights can be detected, and the relative level of the frequency cannot be known. Therefore, in order to solve this problem, it has been conventional to generate a sideband based on the frequency reference light, that is, the frequency reference light, and use the sideband as a reference for the output light of the wavelength tunable light source. Although it is the same, it is not a simple light receiving method as in the past, but a quadrature heterodyne signal is obtained by using two light receivers for the output light and sideband of the wavelength tunable light source, and the frequency including the code that this signal has Based on the difference information, the frequency of the output light of the wavelength tunable light source is controlled. That is,
[0014]
The frequency tunable laser light source device of the present invention includes a frequency reference light source, sideband wave generating means for receiving the frequency reference light output from the frequency reference light source and generating light having a plurality of sideband waves, and the wavelength of the output light is A variable wavelength light source that is variable, and two combined lights that are 90 ° out of phase with each other in response to the output light output from the variable wavelength light source and the light having a plurality of sidebands output from the sideband generation means. An optical 90 ° hybrid coupler to output, a receiver that receives the two combined lights and outputs heterodyne signals that are 90 ° out of phase with each other, and receives the heterodyne signal, and the frequency of the frequency reference light is the sideband A real port that outputs the heterodyne signal when the frequency is higher than the frequency of the sideband, and the heterodyne signal when the frequency of the frequency reference light is lower than the frequency of the sideband. A 90 ° hybrid coupler having an output image port, and receiving the output of one of the output from the real port and the image port of the 90 ° hybrid coupler, the frequency of the heterodyne signal and the plurality of sidebands Comparing means for comparing a frequency of an offset frequency signal corresponding to one sideband determined in relation to a desired wavelength of the output light and outputting a frequency difference signal, and using the frequency difference signal To control the wavelength of the wavelength tunable light source.
[0015]
Since it is decided to take such means, the details will be described in the column of action, in the variable frequency laser light source device of the present invention, the sign of the difference between the frequency of the reference sideband and the output frequency of the variable wavelength light source, That is, it is detected including the relative high and low frequencies, and the dead zone is essentially eliminated. Further, since the frequency tunable laser light source device of the present invention sets the frequency of the wavelength tunable light source with reference to the sideband having a fixed frequency, the frequencies of the plurality of wavelength tunable light sources can be set independently of each other. Is possible.
[0016]
[Action]
The operation of the present invention will be described from the viewpoint of frequency sweep.
If there is a dead zone, the frequency of the wavelength tunable light source, which is a slave light source, cannot be set arbitrarily. Therefore, this frequency cannot be changed in detail in a range that is equal to or greater than the frequency interval of the sidebands. That is, frequency sweep cannot be performed in a state where frequency tracking control is applied over a wide frequency range.
[0017]
First, FIG. 7A shows an example of the time change of the frequency of the output light of each wavelength variable light source and each sideband. When the frequency of the wavelength tunable light source increases with time as shown in FIG. 7A, the frequency of the wavelength tunable light source is rewritten with reference to each sideband as shown in FIG. 7B. The vertical axis in this figure represents the frequency difference including the sign. At this time, the frequency of the beat signal obtained by receiving the light from one wavelength detector after combining the output light of the wavelength variable light source and the sideband is described within a positive frequency range as shown in FIG. be able to. This is because such a simple light receiving method cannot know the level of the frequency of light contributing to the beat signal. FIG. 7C can be regarded as a negative frequency portion of FIG. 7B folded back to a positive frequency. Here, the dead zone appears in the vicinity of the intersection of the lower right line and the upper right line in FIG. That is, in the vicinity of this intersection, frequency components corresponding to two intersecting lines are mixed in the beat signal, so that proper frequency tracking control becomes difficult.
Note that a balanced receiver is known as a light receiver incorporating two light receiving elements. However, since the balanced receiver is a single output light receiver as a whole, a single normal light receiving element is incorporated here. It can be considered that the receiver is equivalent in function.
[0018]
By the way, quadrature modulation / demodulation techniques are frequently used in the field of telecommunications, particularly microwave communications. Among these, an image rejection mixer (hereinafter referred to as IRM) having the most easily usable form in the present invention will be outlined. This is a 2-input 2-output mixer. When a signal wave is input to one input port and a reference wave is input to the other input port, if the frequency of the signal wave is higher than the frequency of the reference wave, Heterodyne signal is output only to the output port (real port), and when the frequency of the signal wave is lower than the frequency of the reference wave, the heterodyne signal is output only to the other output port (image port). . Inside this IRM, each of the signal wave and the reference wave is branched into two and down-converted (generally mixed) by two (normal) mixers. Then, the respective outputs are combined and output to two output ports. The phase of the signal wave entering the two mixers and the phase of the reference wave are shifted by 90 °, and therefore the two mixer outputs are also 90 ° out of phase. A mixer having such a function is called a quadrature down converter (generally a quadrature mixer). Two heterodyne signals obtained from this quadrature down-converter are combined by a 90 ° hybrid coupler, and due to the interference effect, heterodyne signal outputs appear at different output ports depending on the level of the frequency of the signal wave and the reference wave. When the signal wave has a plurality of frequency components, the frequency component higher and lower than the frequency of the reference wave are separated and appear at the two output ports.
[0019]
It is known that the IRM can be similarly configured in the light region by using two light receivers as two mixers in the IRM. In the field of optical communication, particularly in the field related to coherent optical communication, such a light receiving technique is used for a receiver, so it is called by a name such as “(optical heterodyne) image removal receiver”. Hereinafter, for the sake of simplicity, this will be referred to as “optical IRM”. The optical IRM is described in, for example, “Terumi Koma, Shigeki Watanabe, Takao Naito, Hideo Kuwahara,“ Examination of optical heterodyne image removal reception method ”, 1989 IEICE Spring National Convention, B-757, etc. ing.
[0020]
In the present invention, the dead zone is eliminated by using an optical IRM (more essentially, a quadrature optical down-converter). As described above, when the optical IRM is used, the heterodyne signal separated in accordance with the output light of the wavelength tunable light source and the sideband frequency can be output to the two ports. In the following, the output light of the wavelength tunable light source is considered as a signal wave, and the sideband wave is a reference wave, and when the output optical frequency of the wavelength tunable light source is higher than a certain sideband wave, a heterodyne signal appears in the real port of the optical IRM, It is assumed that a heterodyne signal appears at the image port when the output optical frequency of the wavelength tunable light source is lower than the wave.
The output signal frequency of the optical IRM when the output optical frequency of the wavelength tunable light source changes as shown in FIG. 7A is shown in FIG. In FIGS. 8A to 8C, two outputs are depicted in one diagram, with the positive frequency corresponding to the real port output and the negative frequency corresponding to the image port output. By using the optical IRM in this way, a heterodyne signal including the frequency level (symbol) similar to that shown in FIG. 7B can be obtained. As a result, the return of the negative frequency seen in FIG. 7C is eliminated, and the plurality of lines do not cross each other, so that the dead zone disappears in principle.
[0021]
Next, a method for using the output of the optical IRM for frequency tracking control will be described.
As is apparent from FIG. 7A, in FIGS. 7 and 8, for example, the frequency of the wavelength variable light source is changed by the frequency interval of the sidebands from time t0 to t2. Since sideband waves periodically exist in the frequency domain, if frequency tracking control is always possible from t0 to t2, frequency tracking control is performed over the entire range where sideband waves of sufficient strength exist thereafter. Is possible.
FIGS. 8B and 8C schematically show a frequency tracking control method based on the same optical IRM output as in FIG. 8A. In this figure, the signal used for frequency tracking control is indicated by a thick solid line for the real port output and by a thick broken line for the image port output.
FIG. 8B shows the simplest method that is used while switching between two outputs of the optical IRM. This figure shows that when the frequency interval of the sidebands is 4 GHz, the -4 to -2 GHz component of the optical IRM output derived from the (N + 1) -order sideband, that is, 4 to 2 GHz of the image port output, between t0 and t1. Example of performing frequency tracking control based on the component, and performing frequency tracking control based on the +2 to +4 GHz component of the optical IRM output derived from the Nth order sideband, that is, the 2 to 4 GHz component of the real port output during t1 to t2. Is shown.
FIG. 8C shows an example of a method using only one output of the optical IRM. This figure shows an example in which frequency tracking control is performed based on +2 to +6 GHz components, that is, 2 to 6 GHz components of the real port output. Of course, the same control is possible using only image output.
[0022]
In addition, in order to always realize the frequency tracking control between t0 and t2, it is only necessary to always refer to one of the sidebands within this time, and there are innumerable switching methods. In addition, although frequency tracking control including DC is possible, such as the frequency of the heterodyne signal to be referred to is −2 GHz to DC and DC to +2 GHz, the implementation is somewhat complicated.
As described above, since the problem of the dead zone is caused by the light receiving method, if a light receiving unit that outputs heterodyne signals having different phases included in the optical IRM is used, the processing of the plurality of outputs is performed. Can effectively utilize various techniques known as electrical signal processing methods.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows a variable frequency laser light source apparatus according to a first embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the frequency variable laser light source apparatus of the present embodiment includes a frequency reference light source 1, a sideband generation unit 2, a wavelength variable light source 3, an optical IRM 4, a comparison unit 5, and a control unit 6.
The frequency reference light source 1 is a frequency-stabilized light source using an atomic or molecular absorption line as a frequency reference. The sideband generation means 2 generates a large number of sidebands of known frequency using the output light of the frequency reference light source 1 as input light, and the aforementioned comb generator or the like can be used. The wavelength tunable light source 3 is a laser light source that is frequency follow-up controlled using the sideband of the comb signal light as a frequency reference light. A part of the output light of the wavelength tunable light source 3 becomes the output light of the frequency variable laser light source apparatus of the present invention.
The optical IRM 4 receives the output of the sideband generation means 2 and part of the output light of the wavelength tunable light source 3, and outputs two heterodyne signals that are 90 ° out of phase with each other. This function is the same as the quadrature phase mixer that has been used for a long time in the field of microwave communication.
Based on the quadrature heterodyne signal from the optical IRM 4, the comparison unit 5 outputs a control signal for the wavelength tunable light source 3 so that the frequency of the heterodyne signal becomes a predetermined offset frequency including the sign.
The control unit 6 outputs a signal for coarse adjustment of the output frequency for the wavelength tunable light source 3, an offset frequency setting signal including a sign for the comparison unit 5, and various switching signals according to a desired optical frequency.
[0024]
FIG. 2 shows a variable frequency laser light source apparatus according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 2, the frequency tunable laser light source device of the present embodiment includes a frequency reference light source 1, a sideband generation means 2, a duplexer 7, and two sets of wavelength tunable light sources 3a and 3b, an optical IRM 4a, 4b, comparison means 5a, 5b, and control units 6a, 6b.
The frequency reference light source 1 and the sideband generation means 2 are exactly the same as those in the first embodiment. There are two sets of the variable wavelength light source, the light IRM, the comparison unit, and the control unit, 3a to 6a and 3b to 6b, each of which is the same as 3 to 6 in the first embodiment. The duplexer 7 is for branching the output light of the sideband generation means 2 and inputting it to the optical IRMs 4a and 4b.
[0025]
In this configuration, not only the dead zone in the frequency tracking control of each wavelength variable light source 3a, 3b is avoided, but also the frequency of each wavelength variable light source 3a, 3b can be set independently of each other, such as WDM optical communication. It can be used as a multi-output variable frequency laser light source device used in the above.
In addition, since a plurality of output lights are stabilized with respect to one frequency reference light through sideband generation and frequency tracking control, the relative frequency fluctuation between the output lights is a plurality of frequency reference light sources. Thus, it has a feature that is smaller by about two orders of magnitude than the relative frequency fluctuation among a plurality of output lights obtained from the above.
[0026]
In the present embodiment, the case where there are two sets of wavelength tunable light sources and the like has been described. However, even in the case of three or more sets, the duplexer 7 can be similarly implemented with three or more branches. Also, in applications where the output optical frequencies of the wavelength variable light sources are not close to each other, if the light from the sideband generation means 2 is not simply branched, but is branched using a wavelength selective branching means, distribution is possible. Loss can be suppressed.
[0027]
【Example】
Since the second embodiment of the present invention can be easily obtained by extending the first embodiment, only the first embodiment will be described as an example.
FIG. 3 shows a first embodiment of the present invention. This embodiment corresponds to the frequency tracking control shown in FIG.
As shown in FIG. 3, the variable frequency laser light source apparatus of this embodiment includes a frequency reference light source 1, a sideband generation unit 2, a variable wavelength light source 3, an optical IRM 4, a comparison unit 5, and a control unit 6.
[0028]
The frequency reference light source 1 is a frequency stabilized light source using an absorption line of atoms or molecules as a frequency reference. For example, a semiconductor laser whose frequency is stabilized with reference to an absorption line near 1.53 μm of acetylene molecules is used to output light with excellent frequency accuracy and stability.
The sideband wave generating means 2 includes a comb generator 21 and a microwave oscillator 22 that inputs a driving microwave to the comb generator 21. The sideband wave generating means 2 uses the output light of the frequency reference light source 1 as input light and has a known frequency. Many sidebands are generated. In this embodiment, the frequency of the microwave is set to 4 GHz. Therefore, the frequency interval of the sideband of the generated comb signal light is 4 GHz. The generation range of the comb signal light is several THz or more, and the oscillation frequency thereof has the same high accuracy and high stability as the output light of the frequency reference light source 1.
For the comb generator 21, it is desirable to provide a resonator length control means in order to obtain optimum conditions for the input optical frequency. The optimum condition here is that the sideband generation range is the widest, that is, that the optical resonator constituting the comb generator satisfies the resonance condition for the input light. This is because it is also a condition that the frequency component of the sideband interval (4 GHz) is minimized in the temporal change in the output light intensity of the generator. At this time, there is ideally no frequency component in the sideband interval. In this way, when the frequency of the heterodyne signal obtained by the optical IRM described later becomes particularly around 4 GHz, the 4 GHz component derived from the change in the output light intensity of the comb generator regarded as noise can be reduced. it can.
The wavelength tunable light source 3 is an external resonator type laser light source that is frequency follow-up controlled using the sideband of the comb signal light as a frequency reference light. A part of the output light of the wavelength tunable light source 3 becomes the output light of the frequency variable laser light source apparatus of the present invention.
Depending on the variable bandwidth of the wavelength tunable light source 3, it is possible to use a single semiconductor laser instead of the external resonator type laser light source.
[0029]
The optical IRM 4 includes an optical 90 ° hybrid coupler 41, light receivers 42a and 42b, and a 90 ° hybrid coupler 43 (for electrical signals).
An example of the configuration of the optical 90 ° hybrid coupler is shown in FIG. This optical 90 ° hybrid coupler is formed of a glass waveguide, and after the two lights incident on the input ports 410a and 410b are branched by the demultiplexers 411a and 411b, they are combined by the multiplexers 412a and 412b. And output to the output ports 413a and 413b. The difference between the lengths of the two optical paths from the input port 410a to the output ports 413a and 413b and the two from the input port 410b to the output ports 413a and 413b. The difference from the difference in length of the optical path is adjusted to be a value obtained by adding or subtracting a quarter wavelength to an integral multiple of the wavelength. In the simplest example, the lengths of the two optical paths from the input port 410a to the output ports 413a and 413b are equal, and the difference between the lengths of the two optical paths from the input port 410b to the output ports 413a and 413b is 1 / There are four wavelengths. By doing in this way, the light into which the two incident lights were combined with a phase different by 90 ° is output to the two output ports. A method of adjusting the above-described difference in optical path length using a thin film heater or the like is also known. In particular, when the wavelength band of incident light is wide, the phase difference may change depending on the wavelength of the incident light, so it is desirable to perform adjustment according to the wavelength.
[0030]
As in this example, the optical 90 ° hybrid coupler 41 receives a part of the output light (signal light) of the wavelength tunable light source 3 and the output light (reference light) of the sideband generation means 2 and splits each of them into two branches. Then, the two sets of the signal light and the reference light are combined at a phase different by 90 ° from each other to obtain two output lights.
The two output lights of the optical 90 ° hybrid coupler 41 are photoelectrically converted by the light receivers 42a and 42b, respectively, and output as detection signals. These two heterodyne signals are equal in frequency to the frequency difference between the two lights incident on the optical 90 ° hybrid coupler 41 and are 90 ° out of phase with each other. That is, it functions as a quadrature phase down converter of light.
The 90 ° hybrid coupler 43 receives the two heterodyne signals output from the light receivers 42a and 42b, demultiplexes and combines the two input signals in the same manner as the optical 90 ° hybrid coupler, and outputs two output ports. Respectively output in-phase component and quadrature component signals. As a result, when the frequency of the signal light is higher than the frequency of the reference light, a heterodyne signal is output from only one of the output ports of the 90 ° hybrid coupler 43. Here, this output port is called a real port, and the other output port is called an image port. Conversely, when the frequency of the signal light is lower than the frequency of the reference light, a heterodyne signal is output only from the image port.
[0031]
The comparison means 5 includes a switch 51, a filter 52, an offset frequency oscillator 53, a phase comparator 54, and terminators 58a and 58b.
The switch 51 receives two outputs of the optical IRM4, outputs one of them to the filter 52, and outputs the other to the terminator 58a or 58b. The switch 51 is switched by a command from the control unit 6.
The filter 52 limits the band of the heterodyne signal selected by the switch 51, and passes the frequency components from half the frequency interval of the sideband to the frequency interval. In the present embodiment, since the frequency interval of the sidebands is 4 GHz, a band pass filter that passes the band of 2 to 4 GHz may be used. Note that the filter 52 may be unnecessary depending on the frequency characteristics of the optical IRM 4 and an amplifier (not particularly shown) placed to amplify the signal after photoelectric conversion.
[0032]
The offset frequency oscillator 53 generates a signal having an offset frequency set by a command from the control unit 6. The setting range of the offset frequency is 2 to 4 GHz as an absolute value.
The phase comparator 54 performs phase comparison between the heterodyne signal from the filter 52 and the output signal of the offset frequency oscillator 53, and outputs a control signal to the wavelength variable light source 3 based on this phase difference. The polarity of the control signal and the intermittentness of the control signal (switching between the output stop state and the output state) are set by a command from the control unit 6. The polarity of the control signal here refers to the case where the voltage is increased (decreased) or decreased (increased) when the phase difference increases (decreases) when the control signal is output as a voltage. , Means either. By switching the polarity, appropriate frequency tracking control can be performed in a negative feedback state both when the output optical frequency of the wavelength tunable light source 3 is higher and lower than the reference sideband frequency.
The terminators 58a and 58b perform non-reflective termination of outputs of the 90 ° hybrid coupler 43 that do not directly contribute to the phase comparison according to the state of the switch 51.
The control unit 6 outputs a signal for coarse adjustment of the output frequency to the variable wavelength light source 3 according to a desired optical frequency. Further, a switch switching signal, an offset frequency setting signal, a control polarity switching signal, and a control stop signal are output to the comparison means 5. Note that since the polarity of the control signal to be output by the phase comparator 54 is determined according to either the real port output or the image port output selected by the switch 51, the switch switching signal and the control polarity switching signal are substantially different. Are identical.
[0033]
A method of setting the output frequency of the frequency variable laser light source apparatus configured as described above will be described.
The output optical frequency of the frequency reference light source 1, that is, the center frequency of the comb signal light is νr, the frequency interval of the sidebands is fm, the reference sideband wave order is N, and the offset frequency of the output light of the tunable light source 3 with respect to the sidebands Is f including the sign, the output optical frequency ν of the wavelength tunable light source 3 is
ν = νr + N · fm + f (1)
And confirm. Hereinafter, symbols and numerical values representing frequencies in the equations are in GHz units.
In the present embodiment, the frequency interval of the sideband is set to 4 GHz, and the frequency setting range of the offset frequency oscillator 53 is set to 2 to 4 GHz. Since the phase comparator 54 can switch the polarity of the control signal, the frequency ranges in which the frequency tracking control with respect to the wavelength variable light source 3 can be performed with reference to the frequency of a certain sideband are −4 to −2 GHz and +2 to +4 GHz.
[0034]
When ν is considered as a desired output optical frequency in the expression (1), if the integer N is defined as the maximum integer of (ν−νr) / fm or less, f becomes a value in the range of 0 to 4 GHz. When f is 0 to 2 GHz, the difference between the output optical frequency of the wavelength tunable light source 3 and the frequency of the (N + 1) -order sideband ν− (νr + (N + 1) · fm) = fimage is −4 to −2 GHz. , (N + 1) frequency tracking control with the offset frequency based on the image port output as fimage may be performed on the basis of the next sideband. On the other hand, when f is 2 to 4 GHz, ν− (νr + N · fm) = freal, and therefore, frequency tracking control may be performed with the offset frequency based on the real port output as freal with the Nth-order sideband as a reference. .
Thus, by determining the order of the sideband wave as a reference and the offset frequency, the output optical frequency of the wavelength tunable light source 3 can be set to an arbitrary frequency within a frequency band of several THz where the sideband wave can be used.
[0035]
An example of the frequency setting procedure is as follows.
Assuming that the frequency reference light source 1 and the sideband wave generating means 2 are operating, first, the output of the comparing means 5 (phase comparator 54) is stopped, and the output frequency of the wavelength tunable light source 3 is set near the desired frequency. Adjust until coarse.
Next, the output signal frequency of the offset frequency oscillator 53 is set to the offset frequency (absolute value) calculated as described above, and the polarity of the control signal output from the phase comparator 54 is set according to the sign of this offset frequency. The switch 51 is also set in accordance with the sign of the offset frequency so as to select the real port output 43a of the 90 ° hybrid coupler 43 if positive and to select the image port output 43b if negative.
Finally, the phase comparator 54 is set in the output state, and the control signal is fed back to the wavelength variable light source 3. The frequency tracking control functions by the above operation, the output frequency of the wavelength tunable light source 3 is controlled to be a desired frequency, and the frequency is maintained.
When adjustment is difficult at the stage of coarse adjustment of the wavelength tunable light source 3 because the frequency accuracy of the light source is low, the frequency (wavelength) of the output light may be controlled while measuring with a wavelength meter. Usually, the frequency interval of the sidebands is several GHz or more, and the measurement accuracy of the wavelength meter is on the order of 100 MHz, so this control is easy.
Further, if the time constant of the frequency tracking control is sufficiently longer than the time required for switching the switch 51, setting the frequency of the offset frequency oscillator 53, and switching the polarity of the phase comparator 54, it is necessary to stop the output of the phase comparator 54. Absent.
[0036]
Since the output frequency of the wavelength tunable light source 3 can be arbitrarily set in this way, the output frequency of the wavelength tunable light source 3 can be swept by sequentially changing the set frequency.
When the absolute value of the heterodyne frequency is exactly 2 GHz or 4 GHz, either the real port output or the image port output may be used for frequency tracking control. Therefore, which one to use may be determined in advance. For example, if the real port output is used in both cases of 2 GHz and 4 GHz, the frequency of the heterodyne signal is +2 to +4 GHz or −3.999 to − when the frequency sweep is performed in the 1 MHz step toward the high frequency side. While changing to 1.999 GHz, switching of the switch 51 and switching of the polarity of the phase comparator 54 are not necessary, and the frequency setting of the offset frequency oscillator 53 and the stop and start of the phase comparator 54 are sequentially performed as necessary. Just do it. When switching the heterodyne frequency used for control from +4 GHz to -3.999 GHz, switching of the switch 51 from the state using the real port output to the state using the image port output, switching the polarity of the phase comparator 54, offset frequency oscillator The frequency setting from 53 4 GHz to 3.999 GHz may be performed, and the phase comparator 54 may be stopped and started as necessary. The same applies when the heterodyne frequency is switched from -1.999 GHz to +2 GHz.
[0037]
In this embodiment, one of the two outputs of the 90 ° hybrid coupler 43 is selected by the switch 51. However, two systems of filters and phase comparators are prepared after the 90 ° hybrid coupler 43, A configuration for switching the output of the phase comparator is also possible.
Further, in the comparison means 5 of the present embodiment, the configuration using the offset frequency oscillator 53 and the phase comparator 54 is shown so that the relationship of the frequency of the signal handled there can be simply shown, but the frequency division of the heterodyne signal is shown. Processing for normal electrical signals such as frequency conversion and frequency conversion may be used effectively. Depending on the accuracy required for frequency tracking control, an fV (frequency-voltage) converter may be used instead of the offset frequency oscillator 53 and the phase comparator 54. This is the same in other embodiments.
[0038]
FIG. 4 shows the comparison means 5 of the second embodiment of the present invention. The other parts are the same as those in the first embodiment, and will be omitted. The present embodiment corresponds to the frequency tracking control shown in FIG.
The comparison means 5 of this embodiment includes switches 51a and 51b, filters 52a and 52b, an offset frequency oscillator 53, a phase comparator 54, and a terminator 58.
[0039]
The switch 51a outputs the real port output of the 90 ° hybrid coupler 43 to one of the filters 52a and 52b. The filter 52a is a band pass filter that passes 2 to 4 GHz, and the filter 52b is a band pass filter that passes 4 to 6 GHz. The switch 51b selects and outputs one of the outputs of the filters 52a and 52b, and is switched in conjunction with the switch 51a. A combination of the switches 51a and 51b and the filters 52a and 52b constitutes a band pass filter capable of switching the pass band.
The offset frequency oscillator 53 generates a signal having an offset frequency set by a command from the control unit 6. The setting range of the offset frequency is 2 to 6 GHz.
The phase comparator 54 compares the phase of the heterodyne signal from the switch 51b and the output signal of the offset frequency oscillator 53, and outputs a control signal to the wavelength variable light source 3 based on this phase difference. This intermittent control signal is set by a command from the control unit 6. The polarity of the control signal is fixed so that the frequency tracking control functions in a negative feedback state corresponding to the port used in the two output ports of the 90 ° hybrid coupler 43.
[0040]
A method of setting the output frequency of the frequency variable laser light source apparatus configured as described above will be described.
In this embodiment, the frequency interval of the sideband is set to 4 GHz, and the frequency setting range of the offset frequency oscillator 53 is set to 2 to 6 GHz. The frequency range in which frequency tracking control with respect to the wavelength tunable light source 3 can be performed with reference to the frequency of a certain sideband is +2 to +6 GHz because the real port output is used.
[0041]
In equation (1), if integer N is the largest integer of (ν-2-νr) / fm or less (denominator, numerator is in GHz), f in equation (1) is a value in the range of 2 to 6 GHz. become. Therefore, it is only necessary to perform frequency tracking control in which the offset frequency based on the real port output is f. The switches 51a and 51b may be switched so as to select the filter 52a or 52b that passes the offset frequency f to be used.
In the present embodiment, the pass band is switched because the component near 2 GHz and the component near 6 GHz are mixed in the output of the optical IRM4 (90 ° hybrid coupler 43) near the times t1 and t3 in FIG. It is. By switching the passband, only the heterodyne signal derived from the desired sideband can be extracted.
[0042]
FIG. 5 shows the comparison means 5 of the third embodiment of the present invention. Other parts are the same as those of the first embodiment. This embodiment corresponds to the frequency tracking control shown in FIG. 8C described in the section of action, and uses the superheterodyne method.
The comparison means 5 of this embodiment includes a frequency variable oscillator 55, a mixer 56, a filter 52, a frequency fixed oscillator 57, and a phase comparator 54.
[0043]
The variable frequency oscillator 55 generates a signal having a frequency set by a command from the control unit 6. This frequency setting range is 1 to 5 GHz. The mixer 56 receives the heterodyne signal output from the real port 43a of the 90 ° hybrid coupler 43 and the output of the frequency variable oscillator 55, and mixes and outputs them. The filter 52 is a band-pass (or low-pass) filter that allows the vicinity of 1 GHz to pass, and the output of the mixer 56 is band-limited and output. The fixed frequency oscillator 57 generates a 1 GHz signal. The phase comparator 54 receives the output of the filter 52 and the output of the fixed frequency oscillator 57, performs phase comparison, and outputs a control signal to the wavelength variable light source 3.
[0044]
A method of setting the output frequency of the frequency variable laser light source apparatus configured as described above will be described.
In this embodiment, the frequency interval of the sidebands is set to 4 GHz, and the offset frequency setting range is set to 2 to 6 GHz. Since the real port output of the 90 ° hybrid coupler 43 is used, the frequency range in which frequency tracking control with respect to the wavelength variable light source 3 can be performed with respect to the frequency of a certain sideband is +2 to +6 GHz.
[0045]
In the formula (1), if the integer N is a maximum integer of (ν-2-νr) / fm or less, f becomes a value in the range of 2 to 6 GHz. This f is defined as an offset frequency. At this time, since the oscillation frequency of the frequency variable oscillator 55 is variable in the range of 1 to 5 GHz, this oscillation frequency can be determined as (f-1) GHz. If the output optical frequency of the wavelength tunable light source 3 is roughly adjusted, the real port output resulting from the beat with the Nth order sideband has a frequency close to the offset frequency f, and this is the (f-1) GHz signal. If it is down-converted with reference to, it becomes about 1 GHz. At this time, the real port output resulting from the beat with the (N-1) secondary sideband and the beat with the (N + 1) secondary sideband is also down-converted and appears at about 3 GHz and about 5 GHz, respectively. Therefore, if only the signal of about 1 GHz is extracted by the filter 52, only the signal resulting from the beat with the Nth order sideband can be extracted. If this signal is phase-compared by the phase comparator 54 with reference to the 1 GHz signal from the frequency fixed oscillator 57, a signal necessary for frequency tracking control is obtained.
[0046]
【The invention's effect】
The sideband is generated based on the frequency reference light, and the sideband is used as the frequency reference for the output light of the wavelength tunable light source. Obtain the quadrature heterodyne signal obtained by using two light receivers for the output light of the light source and the sideband, and based on the information of the frequency difference including the code of this signal, the frequency of the output light of the wavelength tunable light source Because we decided to control
Essentially eliminates the dead zone problem associated with the use of optical frequency comb generators, (1) excellent output light frequency accuracy, frequency stability, and setting resolution, (2) wide frequency variable range, and (3) A frequency variable laser light source device capable of arbitrarily setting or sweeping the frequency within the frequency variable range has been realized.
If a plurality of wavelength tunable light sources are provided as in the second embodiment of the present invention, it is possible to independently set the frequency of each of the plurality of output lights with respect to one frequency reference light. This is a variable frequency laser light source device that can be applied to a light source for communication.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration example of an optical 90 ° hybrid coupler.
7A and 7B are diagrams for explaining a dead zone that causes a problem when setting and sweeping the frequency of output light using a sideband as a frequency reference, from the viewpoint of frequency sweeping, and FIG. ) And the frequency sweep condition of the output light that is the premise of FIG. 8, (b) is the frequency of the output light with reference to each sideband, and (c) is the heterodyne signal and dead zone obtained by one light receiver. FIG.
8A and 8B are diagrams for explaining the setting and sweeping of the frequency of output light based on the sideband wave as a frequency reference in the present invention on the premise of FIG. 7A, and FIG. The frequency of a heterodyne signal, (b), (c) is a figure which shows the example of the setting of the frequency of the output light based on the output of (a), and the method of a sweep.
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a conventional variable frequency laser light source device.
FIG. 10 is a diagram showing a configuration of a conventional frequency variable laser light source device.
FIGS. 11A and 11B are diagrams for explaining a dead zone that causes a problem when setting and sweeping the frequency of output light using a sideband as a frequency reference. FIG. 11A shows the vicinity of the sideband, and FIG. Explanatory drawing of the problem in the center vicinity between waves, (c) is a figure which shows a dead zone.
[Explanation of symbols]
1 Frequency reference light source
2 Sideband generation means
3 Tunable light source
4 Hikari IRM
5 comparison means
6 Control unit
21 Com generator
22 Microwave oscillator
41 Optical 90 ° hybrid coupler
42a Receiver
42b Receiver
43 90 ° hybrid coupler (for electrical signals)
51 switch
51a switch
51b switch
52 Filter
52a filter
52b filter
53 Offset Frequency Oscillator
54 Phase comparator
55 Frequency Variable Oscillator
56 mixer
57 fixed frequency oscillator
58 Terminator
58a terminator
58b terminator
331 multiplexer
332 Receiver
333 Phase comparator
334 Offset frequency oscillator
335 Loop filter
336 Adder
337 Drive current source

Claims (1)

周波数基準光源(1)と、該周波数基準光源から出力された周波数基準光を受けて複数の側帯波を有する光を発生する側帯波発生手段(2)と、出力光の波長が可変である波長可変光源(3)と、
該波長可変光源から出力された出力光と前記側帯波発生手段から出力された複数の側帯波を有する光とを受けて互いに位相が90°異なる2つの合成光を出力する光90°ハイブリッドカプラ(41)と、
該2つの合成光をそれぞれ受けて互いに位相が90°異なるヘテロダイン信号を出力する受光器(42a、42b)と、
該ヘテロダイン信号を受けて、前記周波数基準光の周波数が前記側帯波の周波数より高いときに該ヘテロダイン信号を出力するリアルポート(43a)と、前記周波数基準光の周波数が前記側帯波の周波数より低いときは該ヘテロダイン信号を出力するイメージポート(43b)とを有する90°ハイブリッドカプラ(43)と、
90°ハイブリッドカプラのリアルポートおよびイメージポートからの出力のうちの一方の出力を受けて前記ヘテロダイン信号の周波数と前記複数の側帯波のうちの前記出力光の所望の波長に関連して決められる一つの側帯波に対応するオフセット周波数信号の周波数とを比較し、周波数差信号を出力する比較手段(5)とを備え、前記周波数差信号を用いて前記波長可変光源の波長を制御する周波数可変レーザ光源装置。
A frequency reference light source (1), sideband wave generating means (2) for receiving the frequency reference light output from the frequency reference light source and generating light having a plurality of sidebands, and a wavelength at which the wavelength of the output light is variable A variable light source (3);
An optical 90 ° hybrid coupler that receives the output light output from the wavelength tunable light source and the light having a plurality of sidebands output from the sideband generation means and outputs two combined lights that are 90 ° out of phase with each other ( 41),
A receiver (42a, 42b) that receives the two combined lights and outputs heterodyne signals that are 90 ° out of phase with each other;
A real port (43a) that receives the heterodyne signal and outputs the heterodyne signal when the frequency of the frequency reference light is higher than the frequency of the sideband, and the frequency of the frequency reference light is lower than the frequency of the sideband A 90 ° hybrid coupler (43) having an image port (43b) for outputting the heterodyne signal,
Receiving one of the outputs of the serial port and image port of the 90 ° hybrid coupler, determined in relation to the desired wavelength of the output light of the frequency and the plurality of sidebands of the heterodyne signal Comparing means (5) for comparing the frequency of the offset frequency signal corresponding to one sideband wave to be output and outputting the frequency difference signal, and for controlling the wavelength of the wavelength tunable light source using the frequency difference signal Variable laser light source device.
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