JP6558454B1

JP6558454B1 - 位相雑音低減器及び位相雑音低減方法。

Info

Publication number: JP6558454B1
Application number: JP2018028098A
Authority: JP
Inventors: 亮浩藤井
Original assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Current assignee: Oki Electric Industry Co Ltd
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: JP2019144393A

Abstract

【課題】遅延量の変動を相殺し、位相雑音の変化量を常に高精度で取得し、低位相雑音を実現する。【解決手段】光源は、連続光を生成する。位相変調部は、連続光を位相変調させて周波数シフト光を生成する。遅延器は、周波数シフト光が３分岐された第１〜第３分岐光のうち、第１分岐光に遅延を与える。周波数シフタは、遅延された第１分岐光に周波数シフトを与える。合波器は、周波数シフトされた第１分岐光と、第２分岐光とを合波して合波光を生成する。第１ループは、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御する。第２ループは、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、光源における位相の変動を相殺するように、位相変調部を制御する。スイッチ部は、第１ループで位相同期が確立した後、第２ループで位相同期を確立させる。【選択図】図１

Description

この発明は、例えば、レーザ出力における位相雑音を低減する、位相雑音低減器及び位相雑音低減方法に関する。

光通信やセンシングで用いられるレーザ光源の出力（レーザ出力）には、位相雑音が重畳されている。例えば、位相変調信号を用いるコヒーレント通信の場合、信号光と局発光の位相雑音の量に比例して復調性能が悪化するため、低位相雑音の光源を用いることが好ましい。

低位相雑音の光源として、半導体レーザの出力を２分岐して、一方を遅延させ、他方に周波数シフトを加えて、両者をバランス検波することにより瞬時周波数として観測される位相雑音を相殺させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−４９９７０号公報

ここで、レーザの位相雑音の変化量を正確に測定するためには、与えられる遅延量τが、レーザ光のコヒーレンス時間より小さいこと、及び、整数ｍに対して、レーザ光の中心角周波数ω_ＬＤがω_ＬＤτ−２πｍ＝π／２を満たすことが必要である。上述の特許文献１では、この条件を満たすために、バランス検波出力を基準周波数でミキシングする際に、ミキサ出力の平均電圧が０となるように設定している。

しかしながら、遅延量τは温度や外乱により顕著に変化する。例えば、２００ＴＨｚのレーザ光の場合、遅延量τがフェムト秒程度変化した際に、ω_ＬＤτで表される位相変動は数十度になる。よって、位相雑音の変化量を常に高精度で取得するためには、遅延量τの影響を十分に低く抑える必要がある。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、遅延による位相差に対してフィードバック制御を施すことにより、遅延量の変動を相殺し、位相雑音の変化量を常に高精度で取得し、低位相雑音を実現する、位相雑音低減器及び位相雑音低減方法を提供することにある。

上述した目的を達成するために、この発明の位相雑音低減器は、光源と、位相変調部と、遅延器と、周波数シフタと、合波器と、第１ループと、第２ループと、スイッチ部とを備えて構成される。

光源は、連続光を生成する。位相変調部は、連続光を位相変調し、周波数シフト光を生成する。遅延器は、周波数シフト光が３分岐された第１〜第３分岐光のうち、第１分岐光に遅延を与える。周波数シフタは、遅延された第１分岐光にさらに周波数シフトを与える。合波器は、周波数シフトされた第１分岐光と、第２分岐光とを合波して合波光を生成する。第１ループは、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御する。第２ループは、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、光源における位相の変動を相殺するように、位相変調部を制御する。スイッチ部は、第１ループで位相同期が確立した後、第２ループで位相同期を確立させる。

また、この発明の位相雑音低減方法は、以下の過程を備えて構成される。

先ず、連続光を生成する。次に、連続光を位相変調して周波数シフト光を生成する。次に、周波数シフト光を第１〜第３分岐光に３分岐する。次に、遅延器において、第１分岐光に遅延を与える。次に、周波数シフタにおいて、遅延された第１分岐光にさらに周波数シフトを与える。次に、周波数シフトされた第１分岐光と、第２分岐光とを合波して合波光を生成する。次に、第１ループにおいて、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御する。第１ループで位相同期が確立した後、第２ループにおいて、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、連続光の位相の変動を相殺するように、連続光の位相変調量を制御する。

この発明の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法によれば、第１ループ及び第２ループを用い、第１ループにおいて、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、外乱等により位相変動する第１分岐光と、第２分岐光との位相差を相殺することで遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御した後、第２ループにおいて、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、連続光の位相の変動を相殺するように、連続光の位相変調量を制御する。このため、遅延量の変動を抑えた上で位相雑音を低減させるので、低位相雑音が実現できる。

位相雑音低減器の模式的なブロック図である。角周波数スペクトルを示す図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（位相雑音低減器の構成）
図１及び図２を参照して、位相雑音低減器及び位相雑音低減方法について説明する。図１は、位相雑音低減器の模式的なブロック図である。また、図２は、角周波数スペクトルを示す図である。

位相雑音低減器は、光源と、位相変調部と、遅延器と、周波数シフタと、合波器と、第１ループと、第２ループと、スイッチ部とを備えて構成される。

光源としての半導体レーザ１０は、角周波数ω_０の連続光Ｓ１を生成する（図２（Ａ））。連続光Ｓ１は、位相変調部２０に送られる。連続光Ｓ１は、以下の式（１）で表される。

ここで、ｐ_１は連続光Ｓ１の強度であり、φ_ｎは、半導体レーザ１０における位相雑音である。

位相変調部２０は、第２電圧制御発振器（ＶＣＯ）８２で生成される角周波数Δωの発振信号を用いて、連続光Ｓ１を位相変調させて角周波数ω_０＋Δωの周波数シフト光Ｓ３を生成する。

位相変調部２０は、任意好適な構成にすることができるが、例えば、光位相変調器２２と光バンドパスフィルタ（光ＢＰＦ）２４を備えて構成される。位相変調部２０に送られた連続光Ｓ１は、光位相変調器２２に入力される。光位相変調器２２は、角周波数ω_０の連続光を位相変調して、ω_０±ｎΔω（ｎは０以上の整数）で与えられる複数の角周波数成分を生成する。この複数の角周波数成分を有する光Ｓ２（図２（Ｂ））は、光バンドパスフィルタ２４に送られる。光バンドパスフィルタ２４は、高周波側の一次モード（ω_０＋Δω）の角周波成分のみを通過させる。この結果、光バンドパスフィルタ２４の出力は、角周波数ω_０＋Δωの周波数シフト光Ｓ３になる（図２（Ｃ））。周波数シフト光Ｓ３は、以下の式（２）で表される。

ここで、ｐ_２は周波数シフト光Ｓ３の強度であり、φ_０は光位相変調器２２で加えられる位相である。

周波数シフト光Ｓ３は第１〜第３分岐光に３分岐される。３分岐された周波数シフト光の１つである第３分岐光は、出力光として外部に出力される。

３分岐された周波数シフト光Ｓ３の他の１つである第１分岐光は、遅延器である遅延線３０に送られる。第１分岐光には、遅延線３０において遅延量τの遅延が与えられる。遅延された第１分岐光は、周波数シフタであるＡＯＭ（ＡｃｏｕｓｔｉｃＯｐｔｉｃＭｏｄｕｌａｔｏｒ）３２において、Δωの周波数シフトを受ける。この遅延線３０及びＡＯＭ３２を経た光Ｓ４（図２（Ｄ））は、合波器である光３ｄＢカプラ４０に送られる。

３分岐された周波数シフト光Ｓ３の残りの１つである第２分岐光Ｓ５（図２（Ｄ））は、光３ｄＢカプラ４０に送られる。

光３ｄＢカプラ４０に入力される第１分岐光Ｓ４及び第２分岐光Ｓ５は、それぞれ、以下の式（３）及び（４）で表される。

ここで、ｐ_３は第１分岐光Ｓ４及び第２分岐光Ｓ５の強度である。また、ψ_０は、ＡＯＭ３２でΔωの周波数シフトと同時に加えられる位相シフトである。

３ｄＢカプラ４０は、入力された光Ｓ４及びＳ５を合波する。３ｄＢカプラ４０で合波された合波光は、光電変換器（Ｏ／Ｅ）５０に送られる。

光電変換器５０の出力は、以下の式（５）で表される。

ここで、ｐ_４は、光電変換器５０の出力の振幅である。また、Δθは、以下の式（６）で表される。

なお、光電変換器５０の出力は、適切に交流（ＡＣ）結合されており、光電変換器５０からの出力は直流（ＤＣ）成分を含まないものとする。

光電変換器５０の出力は、ミキサ５２に送られる。ミキサ５２には、発振器５４で生成される角周波数Δωの発振信号が入力される。ミキサ５２は、光電変換器５０の出力と発振器５４の出力とをミキシングして、以下の式（７）で与えられる信号を抽出する。

なお、発振器５４の出力は、別途位相調整がなされているものとする。ミキサ５２の出力は分岐器５６に送られる。分岐器５６は、ミキサ５２の出力を２分岐して、一方を第１ループフィルタ６０に送る。また、分岐器５６は、２分岐した他方を、スイッチ部７０を経て第２ループフィルタ８０に送る。

スイッチ部７０は、この装置の起動時には切断（ＯＦＦ）状態となっている。このため、起動時には、分岐器５６の出力は、第１ループフィルタ６０に送られるが、第２ループフィルタ８０には送られない。スイッチ部７０は、第１ループフィルタ７０を含んで構成される第１ループで位相同期が確立すると、切断状態から導通（ＯＮ）状態に切り替わる。導通状態になると、分岐器５６の出力は、第２ループフィルタ８０にも送られる。その後、第２ループフィルタ８０を含んで構成される第２ループで位相同期が確立する。

ここで、第１ループは、ＡＯＭ３２、光３ｄＢカプラ４０、光電変換器５０、ミキサ５２、分岐器５６、第１ループフィルタ６０及び第１ＶＣＯ６２を含んで構成される。また、第２ループは、位相変調部２０、光３ｄＢカプラ４０、光電変換器５０、ミキサ５２、分岐器５６、スイッチ部７０、第２ループフィルタ８０及び第２ＶＣＯ８２を含んで構成される。

第１ループは、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延線３０における遅延量の変動を相殺するように、ＡＯＭ３２を制御する。また、第２ループは、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、半導体レーザ１０における位相の変動を相殺するように、位相変調部２０を制御する。ここで、第１誤差信号は、ミキサ５２で抽出された位相変動成分に含まれる、遅延線３０における遅延量の変動に基づく成分である。また、第２誤差信号は、ミキサ５２で抽出された位相変動成分に含まれる、光源における位相の変動に基づく成分である。

スイッチ部７０は、例えば、スイッチ７２とタイマ７４を備えて構成される。スイッチ７２は、位相雑音低減器の起動時は切断（ＯＦＦ）状態である。タイマ７４は、位相雑音低減器の起動後、所定の時間が経過すると、その旨、スイッチ７２に通知する。スイッチ７２は、所定の時間の経過を知らせるタイマ７４から信号に応じて、切断（ＯＦＦ）状態から導通（ＯＮ）状態に切り替える。

このタイマ７４が知らせる所定の時間は、第１ループでの引き込み時間に応じて定められる。引き込み時間は、第１ループで位相同期が確立（ロック）するまでの時間であり、第１ループの各パラメータに基づいて見積もることができる。そこで、確実にロックするまでの時間が所定の時間として設定される。

ここで、連続光Ｓ１の角周波数ω_０は、一般に数百ｒａｄ／ｓになる。よって、遅延線３０での遅延量τを十分小さく、例えば、ピコ秒レベルで遅延させたとしても、ω_０τは十分大きくなる。さらに、この遅延量τは、遅延線３０の僅かな熱変化による伸縮に応じて、ゆっくりと揺らいでいる。従って、直流成分の近傍では、ω_０τに対して高速に変動するΔθは、白色雑音とみなすことが可能であり、ω_０τの変動量に対してその時間変化の割合も十分小さい。

従って、第１ループのループ帯域、すなわち、第１ループフィルタ６０のカットオフ周波数を十分狭く設定することにより、ゆっくり変動するω_０τの変動のみ抽出することができる。このため、上記式（７）で与えられる、ミキサ５２で抽出される信号は、第１ループでは、近似的に以下の式（８）で与えられる。

第１ループフィルタ６０の出力は、第１電圧制御発振器（ＶＣＯ）６２に送られる。第１電圧制御発振器６２は、第１ループフィルタ６０から受け取る第１誤差信号に含まれる位相誤差成分に応じて、自己の発振周波数を変更する。第１電圧制御発振器６２が生成した発振信号は、ＡＯＭ３２に送られて、ＡＯＭ３２を通過する光の周波数を変更する。

第１ループは、いわゆる位相同期回路と同様に動作し、以下の式（９）を満たすように、第１電圧制御発振器６２が駆動される。

その結果、ＡＯＭ３２は、周波数Δωの周りで制御されて、上記式（９）が成立する位相ψ_０（ｔ）が与えられる。

この第１ループで位相同期が確立した後、上述のスイッチ部７０での切り換えにより第２ループが動作する。

第１ループで位相同期が確立した後は、上記式（９）が成立している。このため、上記式（７）で与えられる、ミキサ５２で抽出される信号は、以下の式（１０）に比例する。

スイッチ部７０がＯＮ状態になった後、第２ループフィルタ８０の出力は、第２電圧制御発振器（ＶＣＯ）８２に送られる。第２電圧制御発振器８２は、第２ループフィルタ８０から受け取る第２誤差信号に含まれる位相誤差成分に応じて、自己の発振周波数を変更する。第２電圧制御発振器８２が生成した発振信号は、位相変調部２０に送られて、位相変調部２０を通過する光の周波数を変更する。

第２ループは、いわゆる位相同期回路と同様に動作し、上記式（１０）に比例する誤差成分が０になるように、第２電圧制御発振器８２を駆動させる。

ここで、第２ループのループ帯域、すなわち、第２ループフィルタ８０のカットオフ周波数を、第１ループに比べて十分広く設定することにより、上記式（１０）に比例する広帯域な誤差成分が０になるように、第２ループを動作させることができる。

具体的には、上記式（２）のφ_０（ｔ）を制御し、以下の式（１１）で与えられる、上記式（２）の第２式の時間変化Δθ（ｔ）が０になるように、第２ループが動作する。

このとき、Δθは十分０に近いため、上記式（６）から、以下の式（１２）が成り立つ。

上記式（１２）が成り立つように、第２ループが動作することは、上記式（１２）において、θの時間変化が０になることを意味する。この条件は、上記式（２）において、θ（ｔ）の変動が緩和されることを意味しており、この結果、周波数シフト光Ｓ３の位相雑音が小さくなる。

このように、この位相雑音低減器及び位相雑音低減方法によれば、第１ループ及び第２ループを用い、第１ループにおいて、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御した後、第２ループにおいて、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、連続光の位相の変動を相殺するように、連続光の位相変調量を制御する。このため、遅延量の変動を抑えた上で位相雑音を低減させるので、低位相雑音が実現できる。

１０半導体レーザ
２０位相変調部
２２光位相変調器
２４光ＢＰＦ
３０遅延線
３２ＡＯＭ
４０光３ｄＢカプラ
５０Ｏ／Ｅ
５２ミキサ
５４発振器
５６分岐器
６０第１ループフィルタ
６２第１ＶＣＯ
７０スイッチ部
７２スイッチ
７４タイマ
８０第２ループフィルタ
８２第２ＶＣＯ

Claims

連続光を生成する光源と、
前記連続光を位相変調させて周波数シフト光を生成する位相変調部と、
前記周波数シフト光が３分岐された第１〜第３分岐光の、前記第１分岐光に遅延を与える遅延器と、
遅延された前記第１分岐光に周波数シフトを与える周波数シフタと、
周波数シフトされた前記第１分岐光と、前記第２分岐光とを合波して合波光を生成する合波器と、
前記合波光から得られる第１誤差信号を用いて、前記遅延器における遅延量の変動を相殺するように、前記周波数シフタを制御する第１ループと、
前記合波光から得られる第２誤差信号を用いて、前記光源における位相の変動を相殺するように、前記位相変調部を制御する第２ループと、
前記第１ループで位相同期が確立した後、前記第２ループで位相同期を確立させるスイッチ部と
を備える位相雑音低減器。
前記合波光を電気信号に変換する光電変換器と、
前記電気信号から位相変動成分を抽出するミキサと、
前記位相変動成分に含まれる、前記遅延器における遅延量の変動に基づく成分を第１誤差信号とする第１ループフィルタと、
前記第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記周波数シフタを駆動させる第１電圧制御発振器と、
前記位相変動成分に含まれる、前記光源における位相の変動に基づく成分を第２誤差信号とする第２ループフィルタと、
前記第２誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記位相変調部を駆動させる第２電圧制御発振器と
を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の位相雑音低減器。
前記スイッチ部は、スイッチ、及び、タイマを備え、
前記ミキサで抽出された位相変動成分は２分岐されて、一方は前記第１ループフィルタに送られ、他方は前記スイッチに送られ、
前記スイッチは、当該位相雑音低減器を駆動させてから一定時間経過するまで、切断状態であり、一定時間経過後に導通状態となり、前記導通状態では、前記２分岐された位相変動成分の他方を前記第２ループフィルタに送る
ことを特徴とする請求項２に記載の位相雑音低減器。
前記位相変調部は、
前記連続光を、複数の角周波数成分を含む光に変調する位相変調器と、
前記複数の角周波数成分から角周波数成分側の一次モードのみを通過させる光バンドパスフィルタと
を備える
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の位相雑音低減器。
連続光を生成する過程と、
前記連続光を位相変調させて周波数シフト光を生成する過程と、
前記周波数シフト光を第１〜第３分岐光に３分岐する過程と、
遅延器において、前記第１分岐光に遅延を与える過程と、
周波数シフタにおいて、遅延された前記第１分岐光に周波数シフトを与える過程と、
周波数シフトされた前記第１分岐光と、前記第２分岐光とを合波して合波光を生成する過程と、
第１ループにおいて、前記合波光から得られる第１誤差信号を用いて、前記遅延器における遅延量の変動を相殺するように、前記周波数シフタを制御する過程と、
前記第１ループで位相同期が確立した後、第２ループにおいて、前記合波光から得られる第２誤差信号を用いて、前記連続光の位相の変動を相殺するように、前記連続光の位相変調量を制御する過程と
を備える位相雑音低減方法。
前記合波光を電気信号に変換する過程と、
前記電気信号から位相変動成分を抽出する過程と、
前記第１ループにおいて実施される、前記位相変動成分に含まれる、遅延量の変動に基づく成分を第１誤差信号とする過程、及び、前記第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記周波数シフタを駆動させる過程と、
前記第２ループにおいて実施される、前記位相変動成分に含まれる、前記光源における位相の変動に基づく成分を第２誤差信号とする過程、及び、前記第２誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記連続光の位相変調量を制御する過程と
を備える
ことを特徴とする請求項５に記載の位相雑音低減方法。