JPH03120774A - Light frequency control device - Google Patents

Light frequency control device

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JPH03120774A
JPH03120774A JP25823589A JP25823589A JPH03120774A JP H03120774 A JPH03120774 A JP H03120774A JP 25823589 A JP25823589 A JP 25823589A JP 25823589 A JP25823589 A JP 25823589A JP H03120774 A JPH03120774 A JP H03120774A
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JP
Japan
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frequency
semiconductor laser
laser diode
oscillation
optical
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Application number
JP25823589A
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Japanese (ja)
Inventor
Osamu Ishida
修 石田
Hiroshi Toba
弘 鳥羽
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
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Abstract

PURPOSE:To maintain the operation speed of a phase comparator which is needed when controlling a semiconductor laser diode by offset blocking and enable designing to be easy by providing an oscillation frequency control means for changing the oscillation frequency of the semiconductor diode. CONSTITUTION:An oscillation frequency nu of a semiconductor laser diode 101 to be controlled in the state where locking is being applied to, namely a second intermediate frequency fIF2 is equal to a reference frequency fr due to a second local oscillator 114 can be considered to be available in four ways depending on the relationship of a reference light with a light frequency nur and the relationship between a first intermediate frequency fIF1 defined by fIF1=¦nu-nur¦ and an oscillation frequency f of a first local oscillator 111. It is controlled so that the frequency of input signal to a phase comparator 113 is always equal to fr (260MHz), thus achieving a stable frequency offset locking operation.

Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、光領域での周波数分割多重通信や、高速受
光回路の周波数応答の測定等といった光周波数情報を使
う光計測機器に用いられ、DFB(分布帰還形)レーザ
ダイオードやDBR(分布反射形)レーザダイオードな
どの単一縦モードで発振する半導体レーザダイオードの
発振光周波数を高い精度でかつ広い周波数帯域にわたっ
て制御することができる光周波数制御装置に関するもの
である。
[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is used in optical measurement equipment that uses optical frequency information, such as frequency division multiplex communication in the optical domain and measurement of the frequency response of high-speed light receiving circuits. Optical frequency control that can control the oscillation optical frequency of semiconductor laser diodes that oscillate in a single longitudinal mode, such as DFB (distributed feedback) laser diodes and DBR (distributed reflection) laser diodes, with high precision and over a wide frequency band. It is related to the device.

[従来の技術] 近年、光の波どしての性質を利用する光波通信技術のな
かで、光ファイバのもつ数T肚という広い伝送可能な周
波数帯域を有効に利用する方式として、光領域での周波
数分割多重通信(光FDM)方式が注目を集めている。
[Prior art] In recent years, in light wave communication technology that utilizes the properties of light as a wave, research has been developed in the optical domain as a method that effectively utilizes the wide transmittable frequency band of several T degrees possessed by optical fiber. Frequency division multiplexing (optical FDM) is attracting attention.

しかし、この光FDM方式の実用化のためには、まず光
の周波数を広い可変範囲の中で自由に設定し、かつ安定
してその値を維持することが出来るような周波数可変光
源の実・現が必要とされる。また、このような周波数可
変光源は、基準の光源と組み合わせて10GHzを越え
るような広い周波数帯域を有する高速受光回路等の周波
数応答を測定する光計測機器にも利用出来るため、その
重要性はきわめて高い。
However, in order to put this optical FDM method into practical use, it is first necessary to develop a variable frequency light source that can freely set the optical frequency within a wide variable range and stably maintain that value. present is required. In addition, such variable frequency light sources can be used in optical measurement equipment that measures the frequency response of high-speed light receiving circuits and other devices that have a wide frequency band exceeding 10 GHz when combined with a reference light source, so their importance is extremely high. expensive.

一方、近年の半導体レーザダイオードの進歩は著しく、
分布帰還形(DFB)あるいは分布反射形(DBR)レ
ーザダイオード(LD)のように、単一の光周波数(単
一縦モード)で発振し、なおかつ温度もしくは注入電流
、あるいは制御電流を変化さぜることによって、その発
振光周波数を連続的に変化させることが出来るものも開
発されている。
On the other hand, semiconductor laser diodes have made remarkable progress in recent years.
Laser diodes (LDs) such as distributed feedback (DFB) or distributed reflection (DBR) laser diodes (LDs) oscillate at a single optical frequency (single longitudinal mode) and do not allow temperature, injection current, or control current to be varied. A device that can continuously change the oscillation light frequency by changing the oscillation frequency has also been developed.

例えばDFB  LDの発振光周波数は、温度1°Cあ
たり約10GHz、注入電流1mAあたり数百MHz変
化し、またDBRLDの発振光周波数は、分布反射層(
DBR)領域へ注入する制御電流1mAあたり数GHz
変化することが知られている。さらに連続的に変化させ
ることの出来る周波数範囲も、数十GHz〜数百GHz
に達している。
For example, the oscillation optical frequency of a DFB LD changes by approximately 10 GHz per 1°C of temperature and several hundred MHz per 1 mA of injection current, and the oscillation optical frequency of a DBRLD changes by approximately 10 GHz per 1°C of temperature and several hundred MHz per 1 mA of injection current, and the oscillating optical frequency of a DBRLD changes by approximately 10 GHz per 1°C of temperature and several hundred MHz per 1 mA of injection current.
Several GHz per 1 mA of control current injected into the DBR) region
known to change. Furthermore, the frequency range that can be changed continuously is from tens of GHz to hundreds of GHz.
has reached.

しかし、この周波数可変特性は、同時に発振光周波数の
安定度を劣化させる要因にもなっている。
However, this frequency variable characteristic also becomes a factor that deteriorates the stability of the oscillation optical frequency.

一般に、これらの単一縦モードのレーザダイオードを光
波通信に利用する場合には、温度制御装置を用いてレー
ザダイオードの温度を一定に保つように努めるが、発光
自体が発熱過程であることと、周囲温度にも揺らぎが生
じることにより通常数十MHzから数百MHzの周波数
揺らぎを生じてしまう。
Generally, when these single longitudinal mode laser diodes are used for light wave communication, efforts are made to keep the temperature of the laser diode constant using a temperature control device, but light emission itself is a heat generation process. Fluctuations also occur in the ambient temperature, which usually causes frequency fluctuations of several tens of MHz to several hundred MHz.

さらに、半導体レーザダイオードの発振光周波数が1時
間あたり数MHzのドリフトを示す現象も観測されてい
る(大津元−「半導体レーザのコヒ−レンスの向上技術
」、電子通信学会誌1986年」0月号pp、1028
)。このような状態は、「フリーランニング」と呼ばれ
ており、このままでは数百MHzカラ数G llzとい
った狭い周波数間隔ての光FDM通信などを実現したり
、あるいはMHzオーダーの分解能を有する、受光器等
の周波数特性計測機器を構成することは困難である。
Furthermore, a phenomenon in which the oscillation optical frequency of a semiconductor laser diode drifts by several MHz per hour has been observed. Issue pp, 1028
). This state is called "free running," and if left as it is, it would be difficult to realize optical FDM communications at narrow frequency intervals of several hundred MHz, or to realize optical receivers with resolution on the order of MHz. It is difficult to configure a frequency characteristic measuring device such as

このため、まず数MHz以下といった高い周波数安定度
を実現する方法として、半導体レーザダイオードの発振
周波数を、ファブリ・ペロ共振器、ファブリ・ペロエタ
ロン、原子・分子の吸収線といった外部の周波数基準を
用いである特定の値に安定化する方法が広く用いられて
いる。こうして、光の周波数の基準となる光源は徐々に
ではあるが実現されつつある。そして、このような基準
光との相対的な光の周波数差を検出することで、半導体
レーザタイオートの発振周波数を連続的にかつ高い安定
度で制御する方式として、周波数オフセラ)oソキング
の手法が提案されている。以下に、Kuboki、 0
htsuによる IEEE Journal of Q
uantumElectronics  (Vol、Q
B−23,No、+l、  April  1987.
  pp388−393)への報告に準じて、この従来
手法による光周波数制御装置を説明する。
Therefore, as a method to achieve high frequency stability of several MHz or less, the oscillation frequency of the semiconductor laser diode can be adjusted using an external frequency reference such as a Fabry-Perot cavity, a Fabry-Perot etalon, or an atomic or molecular absorption line. A method of stabilizing it to a specific value is widely used. In this way, light sources that serve as standards for light frequencies are gradually being realized. Then, by detecting the frequency difference of the light relative to the reference light, the frequency off-sinking method is used as a method to control the oscillation frequency of the semiconductor laser tie auto continuously and with high stability. is proposed. Below, Kuboki, 0
IEEE Journal of Q by htsu
uantum Electronics (Vol, Q
B-23, No, +l, April 1987.
This conventional optical frequency control device will be described in accordance with the report on pp. 388-393).

第2図は、この従来手法を利用した光周波数制御装置の
構成例を示す図である。単一縦モーI−で発振している
被制御半導体レーザダイオード101の出力は、反射光
によって発振周波数が影響を受けることを防ぐためのア
イソレータ104に導かれた後に、その一部が光カプラ
1.05によって取り出される。この光カップラ1.0
5の出力光の一部と基準光とを、両光の偏波状態が一致
する様に光カプラ106で混合したのぢにフォトダイオ
ード(光検出器)107に入射する。ここで、半導体レ
ーザダイオード101の発振光周波数をν、前記基準光
の光周波数をνrとすると、それぞれの光電界は E=Acos(2πνt+φ)    ・・・・・ (
1)Er=Arcos (2yr vrt+φr)  
 −(2)と書ける。但しA、Arは電界振幅、φ、φ
rは初期位相である。フォトダイオード107は入射光
のパワーに比例した光電流を生じるので、その出力は、 1 −RI E+Erl           −(3
)で与えられる。ただし、Rはフォトダイオード107
によって定まる係数である。上式(3)に(1)と(2
)式を代入して計算することにより、直流成分の他に、
両光の周波数差に相当する周波数flFを有するビート
信号が得られることがわかる。すなわら、 flF= l v −νrl         −・=
 (4)の中間周波数信号かえられる。
FIG. 2 is a diagram showing an example of the configuration of an optical frequency control device using this conventional method. The output of the controlled semiconductor laser diode 101 oscillating in a single longitudinal mode I- is guided to an isolator 104 for preventing the oscillation frequency from being affected by reflected light, and then a part of it is sent to the optical coupler 1. Retrieved by .05. This optical coupler 1.0
A part of the output light of No. 5 and the reference light are mixed by an optical coupler 106 so that the polarization states of both lights match, and the mixture is input to a photodiode (photodetector) 107. Here, if the oscillation optical frequency of the semiconductor laser diode 101 is ν, and the optical frequency of the reference light is νr, the respective optical electric fields are E=Acos(2πνt+φ) (
1) Er=Arcos (2yr vrt+φr)
−(2) can be written. However, A, Ar are electric field amplitudes, φ, φ
r is the initial phase. Since the photodiode 107 generates a photocurrent proportional to the power of the incident light, its output is 1 −RI E+Erl −(3
) is given by However, R is the photodiode 107
It is a coefficient determined by In the above formula (3), (1) and (2
), in addition to the DC component,
It can be seen that a beat signal having a frequency flF corresponding to the frequency difference between the two lights is obtained. That is, flF= l v −νrl −・=
(4) The intermediate frequency signal is changed.

次に、この中間周波数信号(周波数flF)と、発振周
波数を連続的に変化させることが出来る局部発振器11
4(たとえばマイクロ波周波数シンセサイザ)の出力信
号(周波数1)とを位相比較器113に入力する。こう
して、それぞれの位相を比較した結果、すなわち位相差
の情報を含んだ誤差信号が得られる。この誤差信号を発
振周波数制御回路28に加えて半導体レーザーダイオー
ド101の発振周波数を変化させ、中間周波数信号と局
部発振器114の出力信号とを常に一定の位相差に保つ
よう制御すれば、周波数は位相の微分であるという関係
からflFとfとを定常的な誤差なしに一致させること
が出来る。したがって、半導体レーザダイオード101
の発振周波数νは、第3図(a)および(b)に示す様
に、 シーシr+ f            ・・・・・・
 (5)に安定化される。ここで第3図(a)および(
b)のどちらの状態に安定化されるかは、位相差の正負
に対して半導体レーザダイオード101の発振周波数の
増減のどちらの向きを対応させるかによって、−意に決
定される。なお、発振周波数制御回路28としては、誤
差信号に応じて、たとえば半導体レーザダイオード10
1の注入電流を変化させるものが用いられる。
Next, this intermediate frequency signal (frequency flF) and a local oscillator 11 that can continuously change the oscillation frequency
4 (for example, a microwave frequency synthesizer) (frequency 1) is input to the phase comparator 113. In this way, a result of comparing the respective phases, that is, an error signal containing information on the phase difference is obtained. By applying this error signal to the oscillation frequency control circuit 28 to change the oscillation frequency of the semiconductor laser diode 101 and controlling the intermediate frequency signal and the output signal of the local oscillator 114 to always maintain a constant phase difference, the frequency can be changed from phase to phase. Because of the relationship that they are differentials of , flF and f can be matched without any steady error. Therefore, the semiconductor laser diode 101
As shown in Figure 3 (a) and (b), the oscillation frequency ν of
(5) is stabilized. Here, Fig. 3(a) and (
Which state b) is stabilized is arbitrarily determined depending on which direction of increase or decrease of the oscillation frequency of the semiconductor laser diode 101 corresponds to the positive or negative phase difference. Note that the oscillation frequency control circuit 28 may include, for example, a semiconductor laser diode 10 depending on the error signal.
A device that changes the injection current of 1 is used.

以上が周波数オフセットロッキングの原理であるが、こ
れは電気周波数(kHz−G Hz)領域において発振
周波数を安定化するために広く用いられている位相同期
ループ(PLL)の技術を応用したものであり、ヘテロ
タイン型の光PLL技術と呼ば7 れることもある。しかし、光領域において半導体レーザ
を用いてこのような周波数オフセットロッキングを実現
するためには、半導体レーザダイオード特有の問題に対
処する必要があり、以下に説明するような特殊な工夫が
なされている。
The above is the principle of frequency offset locking, which is an application of phase-locked loop (PLL) technology, which is widely used to stabilize the oscillation frequency in the electrical frequency (kHz-GHz) domain. It is also called heterotine-type optical PLL technology7. However, in order to realize such frequency offset locking using a semiconductor laser in the optical domain, it is necessary to deal with problems unique to semiconductor laser diodes, and special measures have been taken as described below.

DFB  LD、DBRLD等はさきに説明した通り単
一の周波数で発振(単一縦モード発振)し、かつその発
振周波数を連続的に変化させることが出来るが、これを
通常の電気周波数領域の周波数可変発振器と比較した場
合、発振スペクトル線幅に著しい違いか存在する。電気
周波数領域の周波数可変発振器ではスペクトルの半値全
幅が肚オーターものが比較的容易に得られるのに対して
、発振周波数を連続的に変化できるレーザダイオードで
は、近年改善が著しいとはいえ数百kHzから数十M肚
である。すなわちこれらの半導体レーザダイオードは位
相雑音(あるいは周波数雑音といってもよい)がきわめ
て大きい。この位相雑音によって時間間隔τの間に生じ
る位相揺らぎの分散値をσ2とすれば、この値とスペク
トル線幅△νとの間に次式の関係が成立する (例えば
、K、 Kikuchiet al、 ”Degrad
ation of Bet−Error Rate −
IEEE  J、 Lightwave Techno
logy、 vol、I+T−2,pp1024−10
33.1984)。
As explained earlier, DFB LDs, DBRLDs, etc. oscillate at a single frequency (single longitudinal mode oscillation) and can continuously change the oscillation frequency, but this is not the same as the frequency in the normal electrical frequency domain. There is a significant difference in the oscillation spectral linewidth when compared to a variable oscillator. With a variable frequency oscillator in the electrical frequency domain, it is relatively easy to obtain a full width at half maximum of the spectrum, whereas with a laser diode that can continuously change the oscillation frequency, the oscillation frequency can be adjusted to several hundred kHz, although there have been significant improvements in recent years. It is several dozen meters long. In other words, these semiconductor laser diodes have extremely large phase noise (or it may be called frequency noise). If the dispersion value of the phase fluctuation caused by this phase noise during the time interval τ is σ2, then the following relationship holds between this value and the spectral linewidth △ν (for example, K, Kikuchiet al, ” Degrad
ation of Bet-Error Rate-
IEEE J, Lightwave Techno
logy, vol, I+T-2, pp1024-10
33.1984).

σ2−2π△シτ         ・・・・・ (6
)したがって、例えば線幅がIQM)Izの光の場合、
1μsの間に生じる位相揺らぎの標準偏差σは、2πX
1.26にもなる。すなわち、わずか1μsの間でも1
周期分以上の位相揺らぎが存在しているわけである。こ
のため、電気周波数領域のPLL回路で通常用いられて
いる、比較可能な位相範囲が±π/2もしくは±πとい
った位相比較器を用いようとすると、極端に速い速度(
数百MHz以上)で制御を行わなければならず、現実的
ではない。
σ2−2π△shiτ・・・・・・(6
) Therefore, for example, in the case of light with a line width of IQM)Iz,
The standard deviation σ of the phase fluctuation occurring during 1 μs is 2πX
It also becomes 1.26. In other words, even in just 1 μs, 1
This means that there is a phase fluctuation that is equal to or more than the period. For this reason, if you try to use a phase comparator with a comparable phase range of ±π/2 or ±π, which is normally used in PLL circuits in the electrical frequency domain, the speed will be extremely high (
control must be performed at a frequency of several hundred MHz or higher), which is impractical.

そこで前述したKuboki等は、「分周率Mが500
もしくは2000の分周器」および「2進アツプカウン
タと、2進ダウンカウンタと、全加算器と、D/Aコン
バータ」からなるディジタル位相比較器を利用した。こ
の位相比較器の動作特性を第4図に示す。この図におい
て、横軸は2人力信号間の位相差、縦軸は比較した結果
出力される誤差信号を任意目盛りで表わしている。比較
可能な位相範囲は、分周率をMとして±2π×M X 
2 + 1に拡大されており、数+M117.の線幅を
有する半導体レーザダイオードでも、MHz程度の比較
的ゆっ(りとした制御で安定に周波数オフセットロッキ
ングが実現出来る。
Therefore, Kuboki et al. mentioned above stated that ``the frequency division ratio M is 500
or 2000 frequency divider," and a digital phase comparator consisting of "a binary up counter, a binary down counter, a full adder, and a D/A converter." The operating characteristics of this phase comparator are shown in FIG. In this figure, the horizontal axis represents the phase difference between the two human input signals, and the vertical axis represents the error signal output as a result of the comparison on an arbitrary scale. The phase range that can be compared is ±2π×M
It has been expanded to 2 + 1, and the number + M117. Even with a semiconductor laser diode having a linewidth of , stable frequency offset locking can be achieved with relatively slow control on the order of MHz.

以上が半導体レーザダイオードを用いた周波数オフセッ
トロッキングの手法の説明である。そして第2図に示す
従来の光周波数制御装置において、周波数オフセットロ
ッキングが実現されている状態で局部発振器114の発
振周波数fを連続的に変化もしくは掃引すれば、前述し
た(4)式の関係により半導体レーザダイオード101
の発振光周波数νを掃引したり、設定した値に安定化す
る事が出来る。第3図(c)および(d)はこの様子を
示したもので、発振周波数fをδfだけ変化させること
により、発振光周波数νもδfだけ変化する。
The above is an explanation of the frequency offset locking method using a semiconductor laser diode. In the conventional optical frequency control device shown in FIG. 2, if the oscillation frequency f of the local oscillator 114 is continuously changed or swept while frequency offset locking is realized, the above-mentioned relationship of equation (4) is obtained. Semiconductor laser diode 101
The oscillation optical frequency ν can be swept or stabilized at a set value. FIGS. 3(c) and 3(d) show this situation, and by changing the oscillation frequency f by δf, the oscillation optical frequency ν also changes by δf.

実際に前述したKuboki等の論文にも、基準光との
差として80M肚から1.3GHzまで、すなわち1.
22GHzの光周波数の可変幅が実現されたと報告され
ている。ここで、fは電気周波数領域の発振器より得ら
れる周波数であるので精度はきわめて高く、また、発振
光周波数νの基準光周波数νrへの(周波数fだけずれ
た)追従に際しては、PLLを利用した制御であるため
に定常的な周波数誤差が生じない。したがって、きわめ
て高い精度・安定度での半導体レーザダイオード1.0
1の発振光周波数制御か実現される。
In fact, the above-mentioned paper by Kuboki et al. also states that the difference from the reference light is from 80 MHz to 1.3 GHz, that is, 1.
It has been reported that a variable width of optical frequency of 22 GHz has been achieved. Here, f is a frequency obtained from an oscillator in the electrical frequency domain, so the accuracy is extremely high, and when tracking the oscillation optical frequency ν to the reference optical frequency νr (deviated by the frequency f), a PLL is used. Since it is controlled, there is no steady frequency error. Therefore, semiconductor laser diode 1.0 with extremely high precision and stability
1 oscillation light frequency control is realized.

[発明が解決しようとする課題] ところで、上述した従来の光周波数制御装置においては
、位相比較器113に前述した(4)式で与えられる周
波数差(局部発振器114の発振周波数rに相当)が直
接人力されるので、可変出来る光の周波数範囲Δνは位
相比較器113の動作可能速度によって制限される。既
に説明した様に、スペクトル線幅が数百kHzから数十
MHzと広い半導体レーザダイオード101を用いて周
波数オフセットロッキング(ヘテロダイン型の光P L
 L )を1 実現するためには位相比較器113を比較的複雑なディ
ジタル回路で構成する必要があり、その動作速度は数百
MHz〜数GHzに制限される。すなわち、同調可能な
周波数範囲は、たかだか数GHzに制限される。また、
位相比較器1.13を広い速度範囲で動作するように設
計するには、特に高速動作時のタイミング設定が難しい
[Problems to be Solved by the Invention] Incidentally, in the conventional optical frequency control device described above, the frequency difference (corresponding to the oscillation frequency r of the local oscillator 114) given to the phase comparator 113 by the above-mentioned equation (4) is Since it is directly manually operated, the variable optical frequency range Δν is limited by the operating speed of the phase comparator 113. As already explained, frequency offset locking (heterodyne type optical P L
In order to realize L) of 1, it is necessary to configure the phase comparator 113 with a relatively complicated digital circuit, and its operating speed is limited to several hundred MHz to several GHz. That is, the tunable frequency range is limited to several GHz at most. Also,
In order to design the phase comparator 1.13 to operate over a wide speed range, it is difficult to set the timing especially during high-speed operation.

一方、位相比較器113を構成する分周器の分周率Mを
大きくすれば、この分周器のみが高速で動作すればよい
ため、現状でも十数GHzまでの拡張が可能と考えられ
る。しかしながら、この場合、前述した(4)式で定義
される中間周波数flFが小さいときに、分周器以降の
位相比較器の動作速度はflP/M以下となるため、位
相比較動作か遅くなる。すると、半導体レーザダイオー
ド特有の大きな位相雑音の影響を受け、オフセットロッ
キング動作が不安定になってしまうおそれがある。また
、−回の比較動作で比較可能な最小位相差△φは、 △φ−2π×M            ・・・・・・
 (7)2 で与えられるので、分周率Mを大きくするとオフセット
ロッキングによって得られる両光の相対周波数の安定度
が劣化し、結局、被制御光の周波数安定度も劣化してし
まうという欠点もある。
On the other hand, if the frequency division ratio M of the frequency divider constituting the phase comparator 113 is increased, only this frequency divider needs to operate at high speed, so it is thought that expansion to more than ten GHz is possible even at present. However, in this case, when the intermediate frequency flF defined by the above-mentioned equation (4) is small, the operating speed of the phase comparator after the frequency divider is less than flP/M, so the phase comparison operation becomes slow. In this case, the offset locking operation may become unstable due to the influence of large phase noise peculiar to semiconductor laser diodes. In addition, the minimum phase difference △φ that can be compared with − times of comparison operations is △φ−2π×M ・・・・・・
(7) Since it is given by be.

この発明は上述した事情に鑑みてなされたもので、その
目的とするところは、上述した従来技術の欠点を克服し
、半導体レーザダイオードをオフセットロッキングによ
って制御する際に必要となる位相比較器の動作速度を一
定に保ち、設計を容易に行うことができる共に、数十G
l(z以上の広い同調可能な周波数範囲を有し、かつそ
の設定値を高い精度で安定化することの出来る優れた光
周波数制御装置を提供することにある。
This invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to overcome the drawbacks of the prior art described above, and to improve the operation of the phase comparator required when controlling a semiconductor laser diode by offset locking. The speed can be kept constant, design can be done easily, and tens of Gs can be maintained.
The object of the present invention is to provide an excellent optical frequency control device that has a wide tunable frequency range of 1(z or more) and can stabilize its set value with high accuracy.

[課題を解決するための手段] 上記の課題を解決するために、この発明は、半導体レー
ザダイオードの出力光の少なくとも一部と基準光とを混
合した後、光電変換によって第1の中間周波数信号を生
成する手段と、発振周波数が連続的に変化可能な第1の
局部発振器と、前記第1の中間周波数信号と、前記第1
の局部発振器の出力とを混合し、これら各信号の和また
は差の周波数を有する第2の中間周波数信号を生成する
ミキサと、一定の基準周波数で発振する第2の局部発振
器と、前記第2の局部発振器の出力と前記第2の中間周
波数信号との位相差を検出し、その位相差に応じた誤差
信号を出力する位相比較器と、前記誤差信号に基づいて
、前記第2の中間周波数信号の周波数と前記基準周波数
とが常に等しくなるように前記半導体レーザダイオード
の発振周波数を変化させる発振周波数制御手段とを具備
することを特徴としている。
[Means for Solving the Problems] In order to solve the above problems, the present invention mixes at least a part of the output light of a semiconductor laser diode with a reference light, and then converts the output light into a first intermediate frequency signal by photoelectric conversion. a first local oscillator whose oscillation frequency can be changed continuously; the first intermediate frequency signal;
a mixer that mixes the outputs of the local oscillators and generates a second intermediate frequency signal having a frequency that is the sum or difference of these respective signals; a second local oscillator that oscillates at a constant reference frequency; a phase comparator that detects a phase difference between the output of the local oscillator and the second intermediate frequency signal and outputs an error signal corresponding to the phase difference; The present invention is characterized by comprising oscillation frequency control means for changing the oscillation frequency of the semiconductor laser diode so that the frequency of the signal and the reference frequency are always equal.

[作用] 」二人の構成によれば、半導体レーザダイオードの発振
周波数を変化させるための周波数可変の第1の局部発振
器の出力と、制御の結果周波数が変化する第1の中間周
波数信号とが、ミキサに入力され、このミキサによって
生成された第2の中間周波数信号の周波数が常に一定の
周波数となるように、周波数オフセットロッキングの手
法を用いて半導体レーザダイオードの発振周波数が制御
される。こうしてオフセットロッキングがかかった状態
において、周波数可変の第1の局部発振器の発振周波数
を変化・掃引すれば、同時に半導体レーザダイオードの
発振周波数も変化・掃引され、光の周波数の制御が可能
になる。すなわち、この発明においては、広帯域に周波
数を掃引する際の大きな周波数変化はミキサにおいて吸
収され、オフセットロッキング用の位相比較器への入力
(第2の中間周波数信号)が常に一定の周波数となるよ
うにしている。ここで、ミキサは、半導体レーザダイオ
ードの周波数オフセットロッキングに必要なディジタル
位相比較器に比べてはるかに簡単な構造で済み、広い周
波数帯域(〜十数G Hz)にわたって動作するものが
容易に得られるため、従来のように複雑な構成の位相比
較器の動作速度によって制限されることなく、周波数可
変範囲の広帯域化が可能となる。
[Function] According to the configuration of the two researchers, the output of the first local oscillator with variable frequency for changing the oscillation frequency of the semiconductor laser diode and the first intermediate frequency signal whose frequency changes as a result of control are The oscillation frequency of the semiconductor laser diode is controlled using a frequency offset locking technique so that the frequency of the second intermediate frequency signal input to the mixer and generated by the mixer is always constant. In this state where offset locking is applied, if the oscillation frequency of the variable frequency first local oscillator is changed and swept, the oscillation frequency of the semiconductor laser diode is also changed and swept at the same time, making it possible to control the frequency of light. That is, in this invention, large frequency changes when sweeping the frequency over a wide band are absorbed by the mixer, so that the input (second intermediate frequency signal) to the phase comparator for offset locking always has a constant frequency. I have to. Here, the mixer has a much simpler structure than the digital phase comparator required for frequency offset locking of a semiconductor laser diode, and one that operates over a wide frequency band (~10-odd GHz) can be easily obtained. Therefore, it is possible to widen the frequency variable range without being limited by the operating speed of a phase comparator with a complicated configuration as in the past.

なお、半導体レーザを用いた光周波数制御装置として、
第1の中間周波数信号(ビーI・信号)ど第1の局部発
振器(第1のシンセサイザ)の出力とを5 混合して第2の中間周波数信号を生成し、この第2の中
間周波数信号と第2の局部発振器(第2のシンセサイザ
)の出力信号との位相を比較してオフセットロッキング
を行なう構成は、K、 Kuboki等によって報告さ
れている[複数のフィードバックループを有する光周波
数制御装置J(1,988年精密電磁測定会議(CPE
M’88 )ダイジェスト PP 24〜PP、 25
、K、Kuboki、 et al、、Peforma
nce and 1tsevaluation of 
optical frequency 5unthes
izerby 51m1condutor 1aser
s、”)のなかで示唆されているか、この装置において
は第3の局部発振器が別のフィードバックループにも含
まれている上に、連続的に周波数を変化させる際の各局
部発振器の動作方法が明確に示されていない。本発明に
おいては、上記報告例にみられる第3の局部発振器を含
む別のフィードバックループを有する事なく、かつ第2
の局部発振器の発振周波数を一定値に保ちつつ、第1の
局部発振器によって、周波数の掃引を行なうことで、上
述した作用を実現している。
In addition, as an optical frequency control device using a semiconductor laser,
The first intermediate frequency signal (Bee I signal) and the output of the first local oscillator (first synthesizer) are mixed to generate a second intermediate frequency signal, and this second intermediate frequency signal and A configuration in which offset locking is performed by comparing the phase with the output signal of a second local oscillator (second synthesizer) has been reported by K., Kuboki et al. [Optical frequency control device J with multiple feedback loops] 1,988 Conference on Precision Electromagnetic Measurement (CPE)
M'88) Digest PP 24-PP, 25
, K., Kuboki, et al., ,Performa
nce and 1tsevaluation of
optical frequency 5unthes
iserby 51m1 conductor 1aser
In this device, a third local oscillator is also included in a separate feedback loop, and the method of operation of each local oscillator when changing the frequency continuously is also suggested in the above. In the present invention, there is no separate feedback loop including the third local oscillator as seen in the above reported example, and the second feedback loop is not clearly shown.
The above-mentioned effect is achieved by sweeping the frequency using the first local oscillator while keeping the oscillation frequency of the first local oscillator at a constant value.

[実施例] 】6 以下、図面を参照し、この発明の実施例について説明す
る。
[Embodiments] 6 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、この発明の一実施例による光周波数制御装置
の構成を示す図である。この図において、被制御半導体
レーザダイオード1.01としては、例えば活性層領域
と分布反射層領域を有する15μm帯のDBRLDを用
い、その活性層領域には電流注入装置102によって例
えば80mA程度の電流を注入し、また分布反射層領域
には制御電流注入装置103によって例えば約30mA
の制御電流を供給する。このとき、このレーザダイオー
ド101は、約193.5 THz(1,535μm近
傍)−c−単一縦モード発振し、かつスペクトル線幅は
16 MHz程度となる。さらに、制御電流注入装置1
03によって、分布反射層領域への制御電流値を変化さ
せることにより、約100GHzにわたって、1 、9
 G Hz/mA程度の割合でレーザダイオード101
の発振光周波数を変化させることが出来る。なお、この
実施例において、レーザダイオード101には、l/1
00℃程度の温度安定化を施している。
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an optical frequency control device according to an embodiment of the present invention. In this figure, as the controlled semiconductor laser diode 1.01, for example, a 15 μm band DBRLD having an active layer region and a distributed reflection layer region is used, and a current of about 80 mA is applied to the active layer region by a current injection device 102. For example, about 30 mA is applied to the distributed reflection layer region by a controlled current injection device 103.
supply the control current. At this time, the laser diode 101 oscillates in a c-single longitudinal mode of approximately 193.5 THz (near 1,535 μm), and has a spectral linewidth of approximately 16 MHz. Furthermore, the control current injection device 1
1,9 over approximately 100 GHz by changing the control current value to the distributed reflective layer region.
Laser diode 101 at a rate of about GHz/mA
The oscillation light frequency can be changed. In this embodiment, the laser diode 101 has l/1
The temperature is stabilized to around 00℃.

被制御半導体レーザダイオード101の出力光は、反射
光によってその発振周波数が揺らいでしまう現象を防ぐ
ためにアイソレータ104を透過させたのち、光ファイ
バに入射され、光カプラ105によって被制御出力光と
、周波数オフセットロッキングに使用される光とに分離
される。
The output light of the controlled semiconductor laser diode 101 is transmitted through an isolator 104 to prevent the oscillation frequency from fluctuating due to reflected light, and is then input into an optical fiber. The light used for offset locking is separated.

こうして得られた被制御半導体レーザダイオードの出力
光の一部と基準光とを両光の偏波状態が一致するように
光カプラ106で混合し、混合光をフォトダイオード1
07に入射してビート信号を検出する。この場合、フォ
トダイオード107としては、例えば、15GHz以上
の帯域を有するLa5ertron社製QDEtlCH
−035−001を使用する。このビート信号は、被制
御光の周波数をν、基準光の光周波数をνrとすると、 「lF、=lシーシrl      −(8)で与えら
れる周波数を有し、以降、このビート信号を第1の中間
周波数信号とも呼ぶことにする。
A part of the output light of the controlled semiconductor laser diode thus obtained and the reference light are mixed by the optical coupler 106 so that the polarization states of both lights match, and the mixed light is sent to the photodiode 1.
07 and detect the beat signal. In this case, the photodiode 107 is, for example, QDEtlCH manufactured by La5ertron, which has a band of 15 GHz or more.
-035-001 is used. This beat signal has a frequency given by "lF, =lcsrl - (8), where ν is the frequency of the controlled light and νr is the optical frequency of the reference light. It is also called the intermediate frequency signal.

なお、基準光源108としては、半導体レーザダイオー
ドに外部共振器を付加してスペクトル線幅を数十kHz
まで狭くするとともに光周波数の安定度を向上させた、
狭スペクトル化LD光源(例えば、サンチック社製N5
L−155)を用いたが、単体の半導体レーザダイオー
ドを用いてもよい。また、この発明においては、光カプ
ラ105および106としては通常のシングルモード光
ファイバカプラを、また光配線には通常のシングルモー
ド光ファイバを用いており、光カプラ106で混合され
る両光の偏波状態が一致するように最初に調整した後は
、特に両光の偏波状態を制御しないが、光カプラ105
および106として偏波保持光フアイバカプラを用い、
さらに偏波保持光ファイバを用いて光配線を行なえば、
両光の偏波状態の不一致を最小限に抑え、きわめて安定
したビート信号を得ることができる。
Note that the reference light source 108 is a semiconductor laser diode with an external resonator and a spectral linewidth of several tens of kHz.
The optical frequency stability has been improved as well as narrowed to
Narrow spectrum LD light source (for example, Santic N5
L-155) was used, but a single semiconductor laser diode may also be used. Further, in this invention, ordinary single mode optical fiber couplers are used as the optical couplers 105 and 106, and ordinary single mode optical fibers are used for the optical wiring, and both lights mixed by the optical coupler 106 are polarized. After the initial adjustment so that the wave states match, the optical coupler 105 does not particularly control the polarization states of both lights.
and using a polarization-maintaining optical fiber coupler as 106,
Furthermore, if optical wiring is performed using polarization-maintaining optical fiber,
It is possible to minimize the mismatch between the polarization states of both lights and obtain an extremely stable beat signal.

フォトダイオード107から得られる第1の中間周波数
信号は、16GH2以上の帯域を有する増幅器109に
よって増幅された後、ミキサ110(ワトキンス・ジョ
ンソン社製M87C: RP帯域約189 G Hz)のRF端子に入力される。一方、ミキサ11
0のLo端子には第1の局部発振器111の出力(周波
数r)か入力され、その結果、ミキサ110のIF端子
からは次式で与えられる周波数flF。
The first intermediate frequency signal obtained from the photodiode 107 is amplified by an amplifier 109 having a band of 16 GH2 or more, and then input to the RF terminal of a mixer 110 (M87C manufactured by Watkins Johnson, RP band approximately 189 GHz). be done. On the other hand, mixer 11
The output (frequency r) of the first local oscillator 111 is input to the Lo terminal of 0, and as a result, the frequency flF given by the following equation is output from the IF terminal of the mixer 110.

を有する第2の中間周波数信号が出力される。A second intermediate frequency signal is output.

flF2−1 flFl−f l       ・・・
・・・(9)なお、第1の局部発振器1.1.1として
は、例えば、広い周波数帯域にわたって周波数を変化・
掃引させることが可能なシンセサイズド・スィーパ(例
えばHEWLETT PACKARD社製HP8340
A:周波数可変範囲10 MHz〜26 、5 G H
z)を用いる。
flF2-1 flFl-fl...
...(9) Note that the first local oscillator 1.1.1 may, for example, change the frequency over a wide frequency band.
A synthesized sweeper that can sweep (for example, HEWLETT PACKARD HP8340)
A: Frequency variable range 10 MHz ~ 26 MHz, 5 GH
z) is used.

こうして得られた第2の中間周波数信号は、約1GHz
の帯域を有する増幅器112によって増幅されたのち、
位相比較器113に入力される。この第2の中間周波数
信号と位相を比較すべき信号としては、ある一定の基準
周波数frで発振している第2の局部発振器114の出
力を利用する。ここで位相比較器113としては、例え
ば、従来例において説明した通り、分周率M−20のプ
リスケーラ分周器と8ビツトの同期式カウンタと今加0 算器などを組み合わせて、±2πX2560の位相比較
範囲を持つディジタル位相比較器を用いる。
The second intermediate frequency signal thus obtained has a frequency of approximately 1 GHz.
After being amplified by an amplifier 112 having a band of
The signal is input to the phase comparator 113. As a signal whose phase should be compared with this second intermediate frequency signal, the output of the second local oscillator 114 oscillating at a certain reference frequency fr is used. Here, the phase comparator 113 is, for example, a combination of a prescaler divider with a frequency division ratio of M-20, an 8-bit synchronous counter, and a current adder, as described in the conventional example. A digital phase comparator with a phase comparison range is used.

また、この実施例においては、基準周波数frを2(3
QMHzと設定し、位相比較を4.3MHzのクロック
周期で行うようにした。なお、第2の局部発振器114
と第1の局部発振器111の基準クロックを同期させる
ことにより、より高い精度での周波数安定度を実現する
ことが可能である。
In addition, in this embodiment, the reference frequency fr is set to 2 (3
QMHz was set, and phase comparison was performed at a clock cycle of 4.3 MHz. Note that the second local oscillator 114
By synchronizing the reference clock of the first local oscillator 111 with the reference clock of the first local oscillator 111, it is possible to achieve frequency stability with higher accuracy.

位相比較器113から出力される誤差信号は、位相比較
のクロック周期成分によるリップルを減少させるための
ローパスフィルタと、PLLのロックレンジを拡大する
ための2次のラグリードフィルタとから構成されるルー
プフィルタ115を介して、制御電流注入装置103に
フィードバックされ、DBRLDの分布反射層領域への
制御電流が変化される。このようにして、第2の中間周
波数信号の周波数flF、が基準周波数frに等しくな
るように、被制御半導体レーザダイオード101の発振
周波数が制御され、光周波数のロッキングが実現される
The error signal output from the phase comparator 113 is processed through a loop consisting of a low-pass filter for reducing ripples due to clock cycle components of phase comparison and a second-order lag lead filter for expanding the lock range of the PLL. The control current is fed back to the control current injection device 103 via the filter 115, and the control current to the distributed reflection layer region of the DBRLD is changed. In this way, the oscillation frequency of the controlled semiconductor laser diode 101 is controlled so that the frequency flF of the second intermediate frequency signal is equal to the reference frequency fr, and optical frequency locking is achieved.

ここで、まず、上述した一実施例による光周波数制御装
置において、高い精度で被制御半導体レーザダイオード
101の発振光周波数を制御できることを示すために、
同実施例で使用されている位相比較器113、ループフ
ィルタ115、制御電流注入装置103等を用いて第2
図に示す従来の装置を構成し、周波数オフセットロッキ
ングを実現した場合を例に説明する。この場合の測定結
果を第5図に示す。第5図(a)は基準光と被制御半導
体レーザダイオードの出力によるビート信号のスペクト
ルを示し、(a−1)が制御時(ロッキング時)、(a
−2)が非制御時(フリーランニング時)のものである
。両者を比較して明らかなように、フリーランニング状
態では両光の周波数差が大きく揺らいでいるのに対し、
制御時には中心周波数26QMHzで高精度に安定化さ
れている。
First, in order to show that the optical frequency control device according to the embodiment described above can control the oscillation optical frequency of the controlled semiconductor laser diode 101 with high accuracy,
The second
An example will be described in which the conventional device shown in the figure is configured to realize frequency offset locking. The measurement results in this case are shown in FIG. Figure 5(a) shows the spectrum of the beat signal due to the reference light and the output of the controlled semiconductor laser diode, where (a-1) is during control (locking), (a-1) is during control (locking), and (a) is
-2) is the one when not controlled (free running). As is clear from comparing the two, the frequency difference between the two lights fluctuates greatly in the free running state, whereas
During control, the center frequency is stabilized with high precision at 26QMHz.

また、第5図(b)は、制御時(白丸)と非制御時(黒
丸)におけるビート信号の周波数安定度をそれぞれ測定
した結果である。周波数安定度の目安としては、周波数
揺らぎの標準偏差σf(τ)を次式によって定義して用
いた。
Further, FIG. 5(b) shows the results of measuring the frequency stability of the beat signal under control (white circles) and under no control (black circles). As a measure of frequency stability, the standard deviation σf(τ) of frequency fluctuation was defined by the following equation and used.

但し、τは1回の周波数測定に要した時間、Nは測定回
数、f、は1番目の測定でのτの間の平均周波数である
。この標準偏差は、周波数安定度の指標としてよく用い
られるアラン分散の平方根に、中心周波数の値を掛けた
ものに相当する。制御時・非制御時の測定に際しては、
それぞれN= 100、N=20とした。第5図(b)
からは、1秒あたりの周波数揺らぎが非制御時にはIQ
MI(z以上であったのに対し、制御時には20Hzに
まで減少していることがわかる。
However, τ is the time required for one frequency measurement, N is the number of measurements, and f is the average frequency during τ in the first measurement. This standard deviation corresponds to the value of the center frequency multiplied by the square root of the Allan variance, which is often used as an index of frequency stability. When measuring under control or non-control,
N=100 and N=20, respectively. Figure 5(b)
From this, the frequency fluctuation per second is the IQ when uncontrolled.
It can be seen that while it was above MI(z), it decreased to 20 Hz during control.

したがって、これらの周波数オフセットロッキングの回
路で、被制御半導体レーザダイオード101の発振光周
波数は、極めて高い精度で基準光の光周波数に対して相
対的に安定化されることがわかる。また、制御電流注入
装置103の直流的な電流量を変化させて等測的なロッ
クレンジを測定したところ、26GI(zであった。
Therefore, it can be seen that with these frequency offset locking circuits, the oscillation optical frequency of the controlled semiconductor laser diode 101 is stabilized with extremely high accuracy relative to the optical frequency of the reference light. Further, when the isometric lock range was measured by changing the DC current amount of the control current injection device 103, it was 26 GI (z).

3 なお、このような従来装置での制御可能な周波数帯域の
上限は位相比較器の動作可能速度によって制限され、た
かだか4.OOMHz程度である。
3. The upper limit of the controllable frequency band in such a conventional device is limited by the operating speed of the phase comparator, and is at most 4. It is about OOMHz.

次に、第1図に示したこの発明の一実施例による光周波
数制御装置によって、広い周波数帯域にわたって被制御
半導体レーザダイオード101の発振光周波数が制御可
能となることを説明する。
Next, it will be explained that the oscillation optical frequency of the controlled semiconductor laser diode 101 can be controlled over a wide frequency band by the optical frequency control device according to the embodiment of the present invention shown in FIG.

第1図において、ロッキングかかかった状態、すなわち
第2の中間周波数flF、が第2の局部発振器114に
よる基準周波数frに等しくなった状態での被制御半導
体レーザダイオード101の発振周波数νは、基準光の
光周波数νrとの大小関係および前述した(8)式で定
義される第1の中間周波数flF、と第1の局部発振器
111の発振周波数fとの大小関係により、4通りの場
合が考えられ、これらの関係を第6図に示す。この図に
おいて、■あるいは■の状態となるか、それとも■ある
いは■の状態となるかは、位相比較器113で検出され
た位相差の正負に対して被制御半導体レーザータイオー
ド101の発振周波数の増減のどちら4 を対応させるかによって、−意に決定される。例えば、
この一実施例においては、第2の中間周波数信号の位相
が第2の局部発振器114の出力信号の位相より進んで
いる場合に、被制御半導体レーザーダイオード101の
発振周波数νを減少させる向きにフィードバックをかけ
るように構成したので、■あるいは■いずれかの関係で
ロッキングされる。そしてロッキング状態での第1の中
間周波数(ビート周波数)flF、と第1の局部発振器
111の発振周波数fとを比較すれば、■と■どちらの
関係であるかは判別可能である。つまり、第6図の■〜
■いずれの関係でロッキングされているかは一意に決定
される。
In FIG. 1, the oscillation frequency ν of the controlled semiconductor laser diode 101 in a locked state, that is, in a state in which the second intermediate frequency flF is equal to the reference frequency fr generated by the second local oscillator 114, is the reference frequency ν. Depending on the magnitude relationship between the optical frequency νr of the light and the magnitude relationship between the first intermediate frequency flF defined by the above-mentioned equation (8) and the oscillation frequency f of the first local oscillator 111, four cases can be considered. Figure 6 shows these relationships. In this figure, the oscillation frequency of the controlled semiconductor laser diode 101 depends on the positive/negative of the phase difference detected by the phase comparator 113 to determine whether the state is ■ or ■ or whether the state is ■ or ■. It is determined arbitrarily depending on whether the number is increased or decreased. for example,
In this embodiment, when the phase of the second intermediate frequency signal leads the phase of the output signal of the second local oscillator 114, feedback is provided in the direction of decreasing the oscillation frequency ν of the controlled semiconductor laser diode 101. Since it is configured to apply , it will be locked depending on either ■ or ■. By comparing the first intermediate frequency (beat frequency) flF in the rocking state with the oscillation frequency f of the first local oscillator 111, it is possible to determine whether the relationship is (1) or (2). In other words, ■ ~ in Figure 6
■Which relationship is used for locking is uniquely determined.

ここて、第6図中に示された周波数の値のうぢ、νrと
frは基準となる固定された値である。したがって、こ
こで第1の局部発振器111の発振周波数fを変化させ
ることにより、被制御半導体レーザダイオード101の
発振光周波数νを変化させることが出来る。一方、発振
周波数fを変化させた場合でも、位相比較器113への
人力信号の周波数は常にfr(ここでは260 M)l
z)となるように制御されており、安定した周波数オフ
セットロッキング動作を実現することが可能である。
Here, among the frequency values shown in FIG. 6, νr and fr are fixed values serving as references. Therefore, by changing the oscillation frequency f of the first local oscillator 111, the oscillation optical frequency ν of the controlled semiconductor laser diode 101 can be changed. On the other hand, even when the oscillation frequency f is changed, the frequency of the human input signal to the phase comparator 113 is always fr (here 260 M)
z), and it is possible to realize stable frequency offset locking operation.

第7図(a)〜(e)は、上述した一実施例によって被
制御半導体レーザータイオード101の発振光周波数を
制御した際に測定された、基準光とのビートスペクトル
(第1図中A点での信号に相当)を示す図である。ビー
ト周波数と、第1の局部発振器111であるシンセサイ
ザの出力周波数とを比較することにより、第6図中■の
関係であることがわかる。また、第7図(f)は、シン
セサイザの出力周波数を手動で連続的に変化させたとき
のビートスペクトルを、スペクトラム・アナライザの最
大値トレース機能を用いて測定したものである。
FIGS. 7(a) to 7(e) show the beat spectra (A in FIG. FIG. By comparing the beat frequency and the output frequency of the synthesizer, which is the first local oscillator 111, it can be seen that the relationship shown in (■) in FIG. 6 is established. FIG. 7(f) shows the beat spectrum measured by manually changing the output frequency of the synthesizer continuously using the maximum value tracing function of the spectrum analyzer.

これらの測定結果から、1QGHz以上の広い周波数可
変範囲が実現されていることがわかる。
From these measurement results, it can be seen that a wide frequency variable range of 1QGHz or more is realized.

以上の説明により、同じ位相比較器113を利用した従
来装置(周波数可変範囲400 MHz以下)に比べて
、本発明の一実施例による改善効果がきわめて大きいこ
とが明らかであろう。
From the above explanation, it will be clear that the improvement effect of the embodiment of the present invention is extremely large compared to the conventional device (frequency variable range of 400 MHz or less) using the same phase comparator 113.

なお、上述した一実施例においてはミキサ110を周波
数ダウンコンパーソヨン用に用いるものとして説明した
が、これをアップコンバージョン用に用いて同様な構成
による光周波数制御装置を構成することも可能である。
In the above-described embodiment, the mixer 110 is used for frequency downconversion, but it is also possible to construct an optical frequency control device with a similar configuration by using it for upconversion.

また、被制御半導体レーザーダイオード101としてD
BRLDを用い、その分布反射層領域への制御電流によ
って発振光周波数を制御する方法を例に挙げて説明した
が、この発明に利用される半導体L Dは何等これに限
定されるものではない。
In addition, as the controlled semiconductor laser diode 101, D
Although the method of controlling the oscillation light frequency by controlling current to the distributed reflection layer region using a BRLD has been described as an example, the semiconductor LD used in the present invention is not limited to this in any way.

[発明の効果] 以上詳述したように、この発明によれば、半導体レーザ
ーダイオードの発振周波数を基準光の光周波数にオフセ
ットロッキングさせる際に必要な位相比較器に高い性能
を要求する必要がなくなり、10Gtlzを越える広い
範囲での光の周波数制御が可能となる。すなわち、光周
波数を掃引したりする際の大きな周波数変動は、周波数
オフセットロッキング用の位相比較器に比べてその構造
が簡単でかつ広い周波数帯域(〜十数G)lz)で動作
するもの7 が容易に得られるミキサによって吸収され、一方、半導
体レーザダイオードの発振光周波数の安定化は、常に一
定の人力周波数によって動作する位相比較器を用いたオ
フセットロッキングの原理によって実現することで、広
い光周波数可変範囲と高い周波数精度の両立が可能とな
る。
[Effects of the Invention] As detailed above, according to the present invention, it is no longer necessary to require high performance from the phase comparator necessary for offset locking the oscillation frequency of the semiconductor laser diode to the optical frequency of the reference light. , it becomes possible to control the frequency of light over a wide range exceeding 10 Gtlz. In other words, large frequency fluctuations when sweeping the optical frequency can be avoided by using a phase comparator that has a simpler structure and operates over a wider frequency band (~10-odd G) than a phase comparator for frequency offset locking. On the other hand, the stabilization of the oscillation optical frequency of the semiconductor laser diode is achieved by the principle of offset locking using a phase comparator that is always operated with a constant manual frequency, allowing a wide optical frequency range to be absorbed by the easily obtained mixer. It is possible to achieve both variable range and high frequency accuracy.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of drawings]

第1図はこの発明の一実施例による光周波数制御装置の
構成を示すブロック図、第2図は従来の光周波数オフセ
ットロッキングの手法を利用した光周波数制御装置の構
成を示すブロック図、第3図は従来の光周波数制御装置
における光周波数の関係を示す図、第4図は従来の光周
波数制御装置で用いられるディジタル位相比較器の動作
を説明するための図、第5図は従来の光周波数制御装置
による光周波数制御動作時の周波数安定度の測定結果を
示す図、第6図は本発明に係わる光周波数制御動作例を
説明するための図、第7図はこの発明の一実施例による
光周波数制御装置の光周波数制御動作の測定結果を示す
図である。 8 1・・・・・・被制御半導体レーザダイオード、3・・
・・・・制御電流注入装置、 4・・・・・アイソレータ、 5.1.06・・・・光カプラ、 7・・・・・フォトダイオード、 8・・・・基準光源、 9・・・・・・増幅器、 0・・・・・・ミキサ、 l・・・・・第1の局部発振器、 2・・・・・・増幅器、 3・・・・・・位相比較器、 4・・・第2の局部発振器、 5・・・・・ループフィルタ。
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an optical frequency control device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of an optical frequency control device using a conventional optical frequency offset locking method, and FIG. The figure shows the relationship between optical frequencies in a conventional optical frequency control device, FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of a digital phase comparator used in a conventional optical frequency control device, and FIG. A diagram showing measurement results of frequency stability during optical frequency control operation by a frequency control device, FIG. 6 is a diagram for explaining an example of optical frequency control operation according to the present invention, and FIG. 7 is an example of the present invention. It is a figure which shows the measurement result of the optical frequency control operation of the optical frequency control apparatus by. 8 1... Controlled semiconductor laser diode, 3...
... Control current injection device, 4 ... Isolator, 5.1.06 ... Optical coupler, 7 ... Photodiode, 8 ... Reference light source, 9 ... ...Amplifier, 0...Mixer, l...First local oscillator, 2...Amplifier, 3...Phase comparator, 4... Second local oscillator, 5...Loop filter.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 光の周波数可変発振器として単一縦モードで発振する半
導体レーザダイオードを用い、該半導体レーザダイオー
ドの出力光の少なくとも一部と基準光の少なくとも一部
とから検出される両光の光の周波数差に関する情報をも
とに該半導体レーザダイオードの発振光周波数を制御す
る光周波数制御装置において、 前記半導体レーザダイオードの出力光の少なくとも一部
と基準光とを混合した後、光電変換によって第1の中間
周波数信号を生成する手段と、発振周波数が連続的に変
化可能な第1の局部発振器と、 前記第1の中間周波数信号と、前記第1の局部発振器の
出力とを混合し、これら各信号の和または差の周波数を
有する第2の中間周波数信号を生成するミキサと、 一定の基準周波数で発振する第2の局部発振器と、 前記第2の局部発振器の出力と前記第2の中間周波数信
号との位相差を検出し、その位相差に応じた誤差信号を
出力する位相比較器と、 前記誤差信号に基づいて、前記第2の中間周波数信号の
周波数と前記基準周波数とが常に等しくなるように前記
半導体レーザダイオードの発振周波数を変化させる発振
周波数制御手段と、 を具備することを特徴とする光周波数制御装置。
[Claims] A semiconductor laser diode that oscillates in a single longitudinal mode is used as an optical frequency variable oscillator, and both lights are detected from at least a part of the output light of the semiconductor laser diode and at least a part of the reference light. In an optical frequency control device that controls the oscillation light frequency of the semiconductor laser diode based on information regarding the frequency difference of light of the semiconductor laser diode, after mixing at least a part of the output light of the semiconductor laser diode with a reference light, photoelectric conversion is performed. a first local oscillator whose oscillation frequency can be changed continuously; and a means for mixing the first intermediate frequency signal and the output of the first local oscillator. , a mixer that generates a second intermediate frequency signal having a frequency that is the sum or difference of these respective signals, a second local oscillator that oscillates at a constant reference frequency, and an output of the second local oscillator and the second intermediate frequency signal. a phase comparator that detects a phase difference between the second intermediate frequency signal and the reference frequency, and outputs an error signal according to the phase difference; An optical frequency control device comprising: oscillation frequency control means for changing the oscillation frequency of the semiconductor laser diode so that the oscillation frequency is always equal.
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