JP4956749B2

JP4956749B2 - 超高精度光位相同期システム

Info

Publication number: JP4956749B2
Application number: JP2007086147A
Authority: JP
Inventors: 正隆中沢; 真人吉田
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-03-29
Also published as: JP2008244369A

Description

本発明は、コヒーレント光通信システムならびに、高精度な光計測に不可欠な光位相同期技術に関するものである。

光の周波数・位相を制御する技術は、コヒーレントな光通信システム及び光の干渉を用いた高精度光計測システムを構成する上で非常に重要である。へテロダイン検波方式を用いた上記システムにおいては、送信光源、局部発振光源それぞれから出力される光信号の周波数・位相差を一定に保ち、安定な中間周波数(IF)信号を生成する必要がある。これを実現するためには、一般に光位相同期ループ法が用いられる。光位相同期ループ法は、外部から入力される信号光と、局部発振光源から出力される被制御光とを合波して光位相検出器に入力し、その位相誤差信号を局部発振光源に帰還することにより、信号光に対する被制御光の位相同期を実現する方法である。

高精度かつ長期信頼性の高い光位相同期を実現するためには、送信光源の周波数揺らぎの低減、局部発振光源の高速な周波数応答特性の実現、両光源の位相雑音(線幅)の低減が重要である。

光位相同期回路を用いてIF信号を発生させた場合、その性能評価の指標であるIF信号の位相誤差(分散値)は、送信光源及び局部発振光源の線幅に比例し、制御帯域に反比例する。線幅の狭いIF信号を実現するためには、送信光源もしくは局部発振光源の線幅を狭くし、かつ制御帯域を広くして位相誤差を小さくする必要がある。

光位相同期の実施例として、例えば、半導体レーザを送信光源および局部発振光源として使用し、光位相検出器で検出した位相誤差信号をループフィルタを介して局部発振光源の駆動電流に帰還するものがある（非特許文献１参照）。

一般に半導体レーザは、線幅が100kHz〜1MHzと大きい。このような線幅が広い光源を光位相同期システムに用いた場合、IF信号の位相誤差が大きくなりスペクトル純度が劣化する。

また、半導体レーザの光周波数は、環境温度、駆動電流のドリフト変動等により、数GHzと広範囲にわたって変動する。そのため、高精度かつ長期安定な光位相同期動作を実現するためには、1GHz以上の広い動作帯域を有する光位相同期回路が必要となるが、そのような回路を実現することは容易ではない。

例えば、非特許文献１では、光位相同期回路の制御帯域が1MHzであり、光位相同期動作時において2×10^-2rad²程度の大きな位相誤差が観測されている。

この位相同期回路の制御帯域の制限に関する問題を解決する方法として、位相誤差信号の低周波数成分を共振器の温度、屈折率、長さのいずれかに帰還し、位相誤差信号の高周波成分をループフィルタを介さずに利得媒質(半導体)の駆動電流に帰還する方法がある（例えば、特許文献１参照）。

この方法では、ループフィルタを用いないため制御回路の帯域の制限を受けることはなく、GHz以上の高速応答が可能になる。

しかし、特許文献１記載の方式においても半導体を用いた光源の線幅が広いため、高精度な位相同期を実現することは必ずしも容易ではない。

一方、ファイバレーザは、共振器長が長く、その共振器に大きなＱ値が得られるため線幅が数kHzと狭く、これを送信光源および局部発振光源として用いれば、位相誤差の極めて小さいIF信号を実現することができる。

実用的なファイバレーザの一例として、共振器長の長いファイバレーザ固有の問題であったモードホップを抑制し、発振周波数の連続掃引を可能とした単一周波数ファイバレーザ装置がある（例えば、特許文献２参照）。

ファイバレーザは、共振器全体が光ファイバにより構成された、リング型のレーザ共振器である。特許文献２では、共振器長を約4mとしたとき、レーザ発振スペクトルの線幅は約2kHzであることが示されている。

さらに、FBG光フィルタにより発振周波数を単一に選択し、さらに負帰還制御によりFBGの反射中心周波数をレーザ発振周波数と同期させることで、発振モードの不連続な飛び(モードホップ)を抑制している。

また圧電素子を用いて共振器長を可変し、レーザの発振周波数を連続的に掃引している。

Chul-Ho-Shin and Motoichi Ohtsu, "Heterodyne Optical Phase-Locked Loop by Confocal Fabry-Perot Cavity Coupled AlGaAs Lasers", IEEE Photonics Technology Letters, April 1990. 特開2000-68580号公報特開2005-217077号公報

しかし、圧電素子による周波数可変機構は、素子の応答速度が数kHzと低速なため、特許文献２記載のレーザを光位相同期システムの局部発振光源として用いた場合には、送信光の位相揺らぎに局部発振光源が十分には追随することができず、高性能な位相同期動作を得ることが難しい。

そこで本発明は、低位相雑音かつ高速応答可能な局部発振光源を用いることで超高精度な光位相同期システムを実現することを目的とする。

本発明による超高精度光位相同期システムは、送信光源と局部発振光源と負帰還制御部とを有する光位相同期システムにおいて、該送信光源として位相雑音の低いファイバレーザを備え、該局部発振光源として圧電素子及びLiNbO₃光位相変調器を光周波数可変機構に用いた低位相雑音かつ高速応答可能なファイバレーザを備え、該負帰還制御部として該送信光源からの信号光と該局部発振光源の出力光とが入力される光位相差検出回路と、該光位相差検出回路の出力信号を用いて該局部発振光源の出力光の位相を制御する負帰還回路とを備え、該負帰還制御部により負帰還制御を行うことにより、該送信光源と該局部発振光源との間のビート信号として、10Hz以下の狭線幅な中間周波信号を実現することを特徴とする。

また、前記送信光源として、アセチレン分子吸収線を用いた周波数基準器により発振周波数を安定化したファイバレーザを備え、高い長期信頼性を有することを特徴とする。

本発明の超高精度光位相同期システムは、10Hz以下の狭線幅な中間周波信号を実現することが可能である。例えば、本システムをコヒーレント光通信に用いることにより、光の位相と振幅とを用いた高度な多値通信の実現が可能になる。

図１は、本発明の実施の形態の超高精度光位相同期システムの基本構成図である。本超高精度光位相同期システムは、送信光源として位相雑音の低いファイバレーザ１、局部発振光源として光周波数可変ファイバレーザ５、光結合器２、光検出器３、電力分岐器４、マイクロ波基準信号発振器６、位相比較器７、高速動作ループフィルタ８、低速動作ループフィルタ９を備えている。

図２は、第１の実施形態における超高精度光位相同期システムの構成図である。ここでは、送信光源としてフリーランニングファイバレーザ１０を用いる。その他の構成は図１に示す基本構成と等しい。

図３は、第１の実施形態において送信光源として用いるフリーランニングファイバレーザ１０の構成の一例である。

フリーランニングファイバレーザ１０は、希土類元素を添加した光ファイバ１３(以下、「希土類添加光ファイバ」と称する)、希土類添加光ファイバ１３を励起するための励起光源１１、励起光を希土類添加光ファイバ１３に結合させる光結合器１２、光分岐回路１５ａ，１５ｂ、光の進行方向を一定に限定する光アイソレータ１４、反射型超狭帯域ファイバブラッググレーティング(FBG)光フィルタ１６、FBGのグレーティング長制御用圧電素子１７、グレーティング長制御用負帰還回路１８から構成される。フリーランニングファイバレーザ１０は、FBG光フィルタ１６により発振周波数を単一に選択でき、さらにグレーティング長制御用負帰還回路１８によりFBGの反射中心周波数をレーザ発振周波数と同期させることで、発振モードの不連続な飛び(モードホップ)を抑制したレーザ装置を実現している。

図４は、第１の実施形態において局部発振光源として用いる光周波数可変ファイバレーザ５の構成である。光周波数可変ファイバレーザ５は、希土類添加光ファイバ１３、希土類添加光ファイバ１３を励起するための励起光源１１、励起光を希土類添加光ファイバ１３に結合させる光結合器１２、光分岐回路１５ｃ，１５ｄ、光の進行方向を一定に限定する光アイソレータ１４、共振器長可変用圧電素子１９、LN(LiNbO₃)光位相変調器２０、反射型超狭帯域ファイバブラッググレーティング(FBG)光フィルタ１６、FBGのグレーティング長制御用圧電素子１７、グレーティング長制御用負帰還回路１８から構成される。FBGの反射中心周波数は、レーザ発振周波数と同期するよう制御され、モードホップを抑制している。

ここで、局部発振ファイバレーザの共振器中にLNなどの位相変調器を挿入し、高速応答を実現した例はない。

次に、第１の実施形態における超高精度光位相同期システムの動作を説明する。図２において、フリーランニングファイバレーザ１０の出力の一部と光周波数可変ファイバレーザ５の出力とは光結合器２で合波され、光検出器３へ入射される。光検出器３からは、両レーザのビート信号としてIF信号が出力される。

位相比較器７は、上記IF信号の位相とマイクロ波基準信号発振器６の出力信号との位相差を誤差信号として出力する。この誤差電圧信号の高速成分を、高速動作ループフィルタ８を介して光周波数可変ファイバレーザ５の光位相変調器２０に帰還し、一方、誤差電圧信号の低速成分を、低速動作ループフィルタ９を介して光周波数可変ファイバレーザ５の共振器長可変用圧電素子１９に帰還する。この２つの帰還により、広帯域な負帰還制御を実現する。

以上の動作により、光周波数可変ファイバレーザ５の出力光の位相は、フリーランニングファイバレーザ１０の位相に追随し、その結果光検出器３から出力されるIF信号の位相は、マイクロ波基準信号発振器６に同期する。

図５に、第２の実施形態における超高精度光位相同期システムの構成を示す。ここでは、送信光源として周波数安定化ファイバレーザ２１を用いることを特徴とする。その他の構成は、図１に示す基本構成と等しい。

図６は、第２の実施形態で用いる周波数安定化ファイバレーザ２１の構成である。

周波数安定化ファイバレーザ２１は、利得媒質である希土類添加光ファイバ１３、希土類添加光ファイバ１３を励起するための励起光源１１、励起光を希土類添加光ファイバ１３に結合させる光結合器１２、光分岐回路１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ、光の進行方向を一方向に限定する光アイソレータ１４、FBGを用いた光フィルタ１６、レーザ共振器長を制御するための共振器長可変用圧電素子１９、FBGのグレーティング長を制御するための圧電素子１７、グレーティング長制御用負帰還回路１８、周波数変調器２３、レーザの発振周波数を分子の吸収線に安定化するための周波数基準セル２４、光検出器２５、信号発生器２６、位相敏感検波回路２７、負帰還回路２８から構成される。FBGの反射中心周波数は、レーザ発振周波数と同期するよう制御され、モードホップを抑制している。

レーザ出力光２２は、周波数変調器２３にて周波数変調され、周波数基準セル２４を通過する。その後、光検出器２５で光電気変換された検出信号は、位相敏感検波回路２７に入力される。

ここで、位相敏感検波回路２７にて、この入力信号と信号発生器２６からの参照信号とを同期検波することにより得られた誤差信号は、レーザ出力光２２の光周波数と周波数基準セル２４の基準周波数とのずれ量および、ずれの方向の情報を有している。

この誤差信号を負帰還回路２８を介して共振器長可変用圧電素子１９に負帰還することにより、レーザの発振周波数を周波数基準セル２４の基準周波数に安定化している。

第２の実施形態における光位相同期動作は、第１の実施形態の場合と等しい。

次に、第２の実施形態を用いて行った光位相同期動作の実験結果について説明する。送信光源として実験に用いた周波数安定化ファイバレーザ２１は、利得媒質の希土類添加光ファイバ１３としてエルビウム添加ファイバ、周波数基準セル２４に用いる分子としてアセチレン分子を用いており、1.5μm帯で動作する。

なお、周波数安定化ファイバレーザ２１は、波長1538.80nm、半値全幅500MHzのアセチレン分子線形吸収線P(10)に安定化されており、その周波数安定度は2×10^-11、線幅は約4kHzである。

局部発振ファイバレーザとして用いた光周波数可変ファイバレーザ５も同様にエルビウム添加光ファイバを用いており、1.5μm帯で動作する。高速動作ループフィルタ８の制御帯域は1MHz、低速動作ループフィルタ９の制御帯域は1kHzとした。線幅は、送信光源と等しく4kHzであった。また、マイクロ波基準信号発振器６の出力周波数を1.5GHzとした。

以上のような構成により、超高精度光位相同期システムを動作させた結果を図７に示す。
図７（ａ）および（ｂ）は、第２の実施形態による光位相同期システムにより発生したIF信号の電気スペクトル波形である。それぞれ2MHz、2kHzスパンで測定したものである。図の中心周波数は、1.5GHzである。得られたIF信号スペクトルは、S/Nが60dB以上、線幅10Hz以下と、その純度は非常に高い。

図８は、電気スペクトラムアナライザで測定したSSB(Single Sideband)位相雑音スペクトルである。ここから位相雑音の実効値を評価すると、9×10^-6rad²であった。この位相誤差量は、非特許文献１に記載の数値2×10^-2rad²と比較して、３桁以下と非常に低く、高性能な光位相同期動作が得られていることが判る。

また、送信光源として周波数安定化ファイバレーザ２１を用いることにより、温度ドリフトに起因する信号光の周波数揺らぎが抑制された結果、この位相同期動作は、数日以上にわたって安定に実現されている。

以上のように、送信光源として位相雑音が低く、かつ周波数揺らぎ少ないファイバレーザと、局部発振光源として位相雑音の低く高速応答可能な周波数可変ファイバレーザを用いることで、超高精度光位相同期システムを実現できる。

本発明の実施の形態の超高精度光位相同期システムの基本構成を示すブロック図である。第１の実施形態の超高精度光位相同期システムの構成を示すブロック図である。第１の実施形態で送信用光源として用いるフリーランニングファイバレーザの構成図である。第１および第２の実施形態で局部発振光源として用いる光周波数可変ファイバレーザの構成図である。第２の実施形態の超高精度光位相同期システムの構成を示すブロック図である。第２の実施形態で送信用光源として用いる周波数安定化ファイバレーザの構成図である。第２の実施形態の光位相同期回路から生成されたIF信号スペクトル波形を示す（ａ）2MHzスパンで測定した波形図、（ｂ）2kHzのスパンで測定した波形図である。図６のIF信号スペクトルのSSB(Single Sideband)位相雑音スペクトルである。

符号の説明

１ファイバレーザ
２光結合器
３光検出器
４電力分岐器
５光周波数可変ファイバレーザ
６マイクロ波基準信号発振器
７位相比較器
８高速動作ループフィルタ
９低速動作ループフィルタ
１０フリーランニングファイバレーザ
１１励起光源
１２光結合器
１３希土類添加光ファイバ
１４光アイソレータ
１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ光分岐回路
１６反射型超狭帯域ファイバブラッググレーティング光フィルタ
１７グレーティング長制御用圧電素子
１８グレーティング長制御負帰還回路
１９共振器長可変用圧電素子
２０光位相変調器
２１周波数安定化ファイバレーザ
２２レーザ出力光
２３周波数変調器
２４周波数基準セル
２５光検出器
２６信号発生器
２７位相敏感検波回路
２８負帰還回路

Claims

送信光源と局部発振光源と負帰還制御部とを有する光位相同期システムにおいて、
該送信光源として位相雑音の低いファイバレーザを備え、
該局部発振光源として圧電素子及びLiNbO₃光位相変調器を光周波数可変機構に用いた低位相雑音かつ高速応答可能なファイバレーザを備え、
該負帰還制御部として該送信光源からの信号光と該局部発振光源の出力光とが入力される光位相差検出回路と、該光位相差検出回路の出力信号を用いて該局部発振光源の出力光の位相を制御する負帰還回路とを備え、
該負帰還制御部により負帰還制御を行うことにより、該送信光源と該局部発振光源との間のビート信号として、10Hz以下の狭線幅な中間周波信号を実現することを特徴とする超高精度光位相同期システム。
前記送信光源として、アセチレン分子吸収線を用いた周波数基準器により発振周波数を安定化したファイバレーザを備えていることを特徴とする請求項１記載の超高精度光位相同期システム。