JPH08262515A - Optical frequency reference generator - Google Patents

Optical frequency reference generator

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JPH08262515A
JPH08262515A JP7069977A JP6997795A JPH08262515A JP H08262515 A JPH08262515 A JP H08262515A JP 7069977 A JP7069977 A JP 7069977A JP 6997795 A JP6997795 A JP 6997795A JP H08262515 A JPH08262515 A JP H08262515A
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frequency reference
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Kaoru Shimizu
薫 清水
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Abstract

PURPOSE: To generate light utilizable as a secondary frequency reference standard of high frequency stability and set likelihood over a wide relative frequency range by subjecting frequency standard signal which is a primary frequency reference standard to frequency shift. CONSTITUTION: An optical ring circuit is composed by connecting an optical amplifier 4, an optical delay element 6, an optical frequency shifter 7 and an optical switch 8 to an annular form. This device shifts the frequency by repetitively and cyclically supplying pulse light in this optical ring circuit. An optical modulator 5 and an optical resonator 9 are inserted into the optical ring circuit. The sum of the modulation frequency of this optical modulator 9 and the frequency shift quantity of the optical frequency shifter 7 is set substantially equal to the resonance peak intervals of the optical resonator 9.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は周波数基準として用いる
ことのできる光の発生に利用する。特に、広い周波数帯
域にわたり安定性および確度の高い周波数参照基準光を
発生する装置に関する。本発明は、特に、レーザ分光装
置、光計測装置、あるいは光周波数多重通信装置におけ
る光周波数の安定化に利用することができる。
FIELD OF THE INVENTION The present invention is used to generate light which can be used as a frequency reference. In particular, it relates to a device that generates a frequency reference light with high stability and accuracy over a wide frequency band. INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be utilized particularly for stabilizing an optical frequency in a laser spectroscopic device, an optical measuring device, or an optical frequency multiplex communication device.

【0002】[0002]

【従来の技術】通常、レーザ光源より出力される光の発
振周波数は、温度等の外部環境の微妙な揺らぎやレーザ
自体に内在する不安定性のために変動している。このよ
うな周波数の変動ないし周波数設定における不定性は、
レーザ光を用いて高精度な分光測定を行う場合や、光の
周波数や位相に情報をのせて通信するコヒーレント光通
信等を行う場合に、系の性能を著しく制限してしまう。
2. Description of the Related Art Normally, the oscillation frequency of light output from a laser light source fluctuates due to subtle fluctuations in the external environment such as temperature and instability inherent in the laser itself. Such fluctuations in frequency or indeterminacy in frequency setting are
When performing highly accurate spectroscopic measurement using laser light, or performing coherent optical communication in which information is added to the frequency or phase of light, communication performance is significantly limited.

【0003】そこで従来から、光周波数を安定化し絶対
周波数を固定するため、原子あるいは分子の吸収スペク
トルを参照する方法が利用されている。この方法によれ
ば、目的とする光周波数において適当な吸収スペクトル
が存在する場合に、比較的容易に周波数の安定化が可能
になる。
Therefore, conventionally, in order to stabilize the optical frequency and fix the absolute frequency, a method of referring to an absorption spectrum of an atom or a molecule has been used. According to this method, the frequency can be stabilized relatively easily when a proper absorption spectrum exists at the target optical frequency.

【0004】しかしながら、目的とする光周波数におい
て適当な吸収スペクトルが存在しない場合には、目的と
する光周波数とそれに比較的近い吸収線の周波数との間
の相対周波数を安定化するための技術がさらに必要とな
る。
However, when a proper absorption spectrum does not exist at the target optical frequency, a technique for stabilizing the relative frequency between the target optical frequency and the frequency of the absorption line relatively close to the target optical frequency has been proposed. Further required.

【0005】このような技術は光周波数シンセサイズと
呼ばれており、一般に、吸収スペクトルを用いて絶対周
波数を安定化したマスタ光源、目的とする周波数の光を
発振するスレーブ光源、およびマスタ光源とスレーブ光
源との間の相対周波数を安定化するための相対周波数参
照基準を発生する装置により構成される。このような技
術については、大津元一著「コヒーレント光量子光学」
朝倉書店に詳しい。
Such a technique is called optical frequency synthesis, and generally, a master light source whose absolute frequency is stabilized by using an absorption spectrum, a slave light source which oscillates light of a target frequency, and a master light source are used. It is composed of a device for generating a relative frequency reference standard for stabilizing the relative frequency with respect to the slave light source. For this kind of technology, refer to Genichi Otsu, "Coherent Photon Optics".
Detailed in Asakura Shoten.

【0006】相対周波数参照基準を発生する方法として
は、これまで、マイクロ波周波数電気信号、ファブリー
ペロー干渉計の共振ピーク、あるいはマスタ光源の出力
光の外部変調側帯波成分を用いることがそれぞれ提案さ
れている。マイクロ波周波数電気信号を用いる方法は、
位相ロッキングループと組合せることにより極めて高精
度な相対周波数安定化が可能であるが、その相対周波数
設定範囲がマスタ光とスレーブ光とのビート周波数を検
出する受信器の帯域で制限され、高々20GHz程度で
ある。ファブリーペロー干渉計の共振ピークを用いる方
法は、サブTHz以上の相対周波数設定範囲が実現でき
るが、共振ピークの絶対周波数を高精度で設定すること
が難しい。外部変調側帯波成分を用いる方法は、直接に
光波の形で参照基準を得ることができるが、相対周波数
の設定範囲は外部変調器の変調可変帯域によって高々2
0GHz程度に制限される。これらの技術的な制約は、
さらに多段のレーザを用いてチェーンを構成したり、非
線形光学効果を用いた広帯域周波数変換の利用により克
服可能であるが、構成がさらに複雑化する欠点があっ
た。
As a method of generating a relative frequency reference standard, it has been proposed so far to use a microwave frequency electric signal, a resonance peak of a Fabry-Perot interferometer, or an externally modulated sideband component of output light of a master light source. ing. The method using microwave frequency electrical signals is
It is possible to stabilize the relative frequency with extremely high accuracy by combining with the phase locking loop, but the relative frequency setting range is limited by the band of the receiver that detects the beat frequency of the master light and the slave light, and at most 20 GHz. It is a degree. The method using the resonance peak of the Fabry-Perot interferometer can realize a relative frequency setting range of sub THz or higher, but it is difficult to set the absolute frequency of the resonance peak with high accuracy. The method using the external modulation sideband component can directly obtain the reference reference in the form of a light wave, but the setting range of the relative frequency is at most 2 depending on the modulation variable band of the external modulator.
It is limited to about 0 GHz. These technical constraints are
Further, it can be overcome by constructing a chain using multi-stage lasers or using wideband frequency conversion using a nonlinear optical effect, but there is a drawback that the configuration becomes more complicated.

【0007】以上述べたように、簡単な構成をもち、相
対周波数設定帯域が広く、かつ周波数安定度が高い光周
波数シンセサイズ技術は、最近まで適当なものがなかっ
た。最近になって、上述の課題を比較的簡単に解決する
ことができる技術として、K.Shimizu et al., Applied
Optics., Vol.32, No.33, pp.6718-6726, 1993および同
Vol.33, No.15, pp.3209-3219, 1994 ならびに特開平5
−232540号公報に、光波周波数変換リング回路を
用いることが提案された。これにより、マスタ光源とス
レーブ光源との相対周波数を0〜120GHzの範囲に
わたって1MHz以内の周波数揺らぎに抑えることが可
能になった。
As described above, until recently, there was no suitable optical frequency synthesis technique having a simple structure, a wide relative frequency setting band, and high frequency stability. Recently, K. Shimizu et al., Applied has been proposed as a technique that can solve the above problems relatively easily.
Optics., Vol.32, No.33, pp.6718-6726, 1993 and the same.
Vol.33, No.15, pp.3209-3219, 1994 and JP-A-5
In Japanese Patent No. 232540, it has been proposed to use a lightwave frequency conversion ring circuit. As a result, the relative frequency between the master light source and the slave light source can be suppressed to a frequency fluctuation within 1 MHz over the range of 0 to 120 GHz.

【0008】図7は光波周波数変換リング回路を用いた
従来例の光周波数基準発生装置を示す示すブロック構成
図である。この従来例では、周波数基準光源1からの絶
対周波数安定化光(一次周波数参照基準)を光パルス変
調器2によりパルス化し、光方向性結合器3を介して光
リング回路に入力する。光リング回路には光増幅器4、
光狭帯域フィルタ12、光遅延素子6、光周波数シフタ
7および光スイッチ8を備え、光増幅器4はこの光リン
グ回路を周回伝搬する光波を増幅し、光狭帯域フィルタ
12は光増幅器4内で発生した自然放出雑音光を除去
し、光遅延素子6はこの光リング回路を伝搬する光波に
遅延を与え、光周波数シフタ7は光波に一定の周波数シ
フトを与え、光スイッチ8はオン、オフ制御を行う。こ
こでは光周波数シフタ7と光スイッチ8とを別個の素子
として示したが、これらはひとつの音響光学素子により
実現できる。
FIG. 7 is a block diagram showing a conventional optical frequency reference generator using a lightwave frequency conversion ring circuit. In this conventional example, the absolute frequency stabilizing light (primary frequency reference) from the frequency reference light source 1 is pulsed by the optical pulse modulator 2 and input to the optical ring circuit via the optical directional coupler 3. The optical amplifier 4 in the optical ring circuit,
The optical narrow band filter 12, the optical delay element 6, the optical frequency shifter 7 and the optical switch 8 are provided, the optical amplifier 4 amplifies the optical wave propagating in the optical ring circuit, and the optical narrow band filter 12 is provided in the optical amplifier 4. The generated spontaneous emission noise light is removed, the optical delay element 6 delays the light wave propagating through the optical ring circuit, the optical frequency shifter 7 gives a constant frequency shift to the light wave, and the optical switch 8 is turned on / off. I do. Although the optical frequency shifter 7 and the optical switch 8 are shown as separate elements here, they can be realized by a single acousto-optic element.

【0009】この構成において、パルス幅を光リング回
路の一周時間よりも短く設定し、かつ光増幅器4の増幅
利得を光リング回路の損失を補償しうるように調整する
と、光リング回路の中を周回伝搬するパルス光の周波数
は、段階状に、時間に対して正確に掃引されていく。そ
の結果、多重周回の後には大きな周波数シフトが得られ
る。このようにして生成した多重周回パルス光の周波数
を二次周波数参照基準として利用することで、スレーブ
光源の絶対周波数を安定化することができる。実際にス
レーブ光源の絶対周波数を安定化した例が、清水他、電
子情報通信学会研究会報告「レーザー量子エレクトロニ
クス」1995年2月に報告されている。
In this configuration, if the pulse width is set to be shorter than one round time of the optical ring circuit and the amplification gain of the optical amplifier 4 is adjusted so as to compensate the loss of the optical ring circuit, the inside of the optical ring circuit is adjusted. The frequency of the pulsed light propagating in the orbit is swept stepwise and accurately with respect to time. As a result, a large frequency shift is obtained after multiple rounds. The absolute frequency of the slave light source can be stabilized by using the frequency of the multi-cycle pulsed light thus generated as the secondary frequency reference standard. An example of actually stabilizing the absolute frequency of a slave light source is reported in Shimizu et al., "Laser Quantum Electronics", February 1995, report by IEICE.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】このように、光波周波
数変換リング回路を用いることにより、相対周波数設定
範囲を200GHz程度まで拡大することが可能であ
る。しかし、音響光学素子を周波数シフタとして利用し
ているため、一回あたりの周波数シフト量は100〜2
00MHzに限られている。このため、数100GHz
以上の大きな周波数シフトを得るためには、1000回
程度の周回回数が必要である。しかし、この周回回数は
光リング回路中に挿入された光フィルタの透過帯域幅と
光増幅器中で発生する自然放出雑音光の蓄積によって制
限され、200GHz以上の周波数シフトを実現するこ
とは実際には困難であった。
As described above, by using the light wave frequency conversion ring circuit, the relative frequency setting range can be expanded to about 200 GHz. However, since the acousto-optic device is used as a frequency shifter, the frequency shift amount per time is 100 to 2
Limited to 00 MHz. Therefore, several hundred GHz
In order to obtain the above-mentioned large frequency shift, the number of rounds of about 1000 times is required. However, this number of rounds is limited by the transmission bandwidth of the optical filter inserted in the optical ring circuit and the accumulation of spontaneous emission noise light generated in the optical amplifier, and it is actually impossible to realize a frequency shift of 200 GHz or more. It was difficult.

【0011】さらに、大きな相対周波数を得るためには
周回回数を多くとる必要があり、特定の周波数シフトを
有する参照パルス光を出力することのできる時間間隔が
長くなる。この場合、スレーブ光源の周波数制御を行う
間隔もそれに応じて長くなるため、スレーブ光の絶対周
波数安定度を高くすることができなくなる。
Furthermore, in order to obtain a large relative frequency, it is necessary to increase the number of rounds, and the time interval at which the reference pulse light having a specific frequency shift can be output becomes long. In this case, the interval of frequency control of the slave light source is correspondingly lengthened, so that the absolute frequency stability of the slave light cannot be increased.

【0012】本発明は、以上の課題を解決し、広い相対
周波数範囲にわたって周波数安定性と設定確度に優れた
周波数参照基準光を生成する光周波数基準発生装置を提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and provide an optical frequency reference generator which generates a frequency reference light with excellent frequency stability and setting accuracy over a wide relative frequency range.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明の光周波数基準発
生装置は、発振周波数が安定化された周波数基準光源
と、この周波数基準光源から出力された連続光をパルス
光に変調する光パルス変調器と、光波を周回させる光リ
ング回路と、この光リング回路に光パルス変調器の出力
したパルス光を結合するとともにこの光リング回路から
出力光を取り出す光結合手段とを備え、光リング回路に
は、伝搬光を増幅してその光リング回路の損失を保証す
る光増幅器と、伝搬光に遅延を与えてその周回時間を調
整する光遅延素子と、伝搬光にあらかじめ定められた周
波数シフトを与える光周波数シフタと、伝搬光を断続す
る光スイッチとが挿入され、光パルス変調器と光スイッ
チとを同期制御する同期制御手段を備えた光周波数基準
発生装置において、光リング回路にはさらに、伝搬光の
位相または強度を変調する光変調器と、伝搬光の変調成
分をスペクトラム整形する光共振器とが挿入され、光変
調器の変調周波数と光周波数シフタの周波数シフト量と
の和が光共振器の共振ピーク間隔と実質的に等しく設定
されたことを特徴とする。
An optical frequency reference generator according to the present invention comprises a frequency reference light source whose oscillation frequency is stabilized, and optical pulse modulation for modulating continuous light output from the frequency reference light source into pulsed light. Optical ring circuit for circulating an optical wave, and optical coupling means for coupling the pulsed light output from the optical pulse modulator to the optical ring circuit and for extracting the output light from the optical ring circuit. Is an optical amplifier that amplifies propagating light to guarantee the loss of the optical ring circuit, an optical delay element that delays propagating light and adjusts its orbiting time, and a predetermined frequency shift to propagating light. An optical frequency shifter and an optical frequency reference generator, in which an optical switch for connecting and disconnecting propagating light is inserted, and including an optical pulse modulator and a synchronous control means for synchronously controlling the optical switch, An optical modulator that modulates the phase or intensity of the propagating light and an optical resonator that spectrum-shapes the modulation component of the propagating light are further inserted in the ring circuit, and the modulation frequency of the optical modulator and the frequency shift of the optical frequency shifter are inserted. It is characterized in that the sum of the quantities is set to be substantially equal to the resonance peak interval of the optical resonator.

【0014】光周波数シフタと光スイッチとをひとつの
音響光学素子により構成することができる。
The optical frequency shifter and the optical switch can be constructed by one acousto-optic device.

【0015】本発明の光周波数基準発生装置にはさら
に、光共振器のひとつの共振ピークの周波数を周波数基
準光源からの光周波数に安定化する制御手段を備えるこ
とができる。この制御手段は、周波数基準光源から出力
された連続光を分岐して光共振器に入射する手段と、光
共振器から出力される連続光を監視する手段と、この監
視する手段の監視出力に基づいて光共振器の共振周波数
を制御する手段とを含むことがよい。特に、入射する手
段は光リング回路を周回する光波とは逆方向に連続光を
光リング回路に結合する手段を含み、監視する手段は光
リング回路から連続光を分岐する手段を含み、光リング
回路から連続光を除去する光アイソレータを備えること
がよい。
The optical frequency reference generator of the present invention may further comprise control means for stabilizing the frequency of one resonance peak of the optical resonator to the optical frequency from the frequency reference light source. This control means splits the continuous light output from the frequency reference light source into the optical resonator, enters the optical resonator, monitors the continuous light output from the optical resonator, and monitors the monitoring output of the monitoring means. Based on the resonance frequency of the optical resonator. In particular, the means for entering includes means for coupling the continuous light into the optical ring circuit in the opposite direction of the light waves circulating in the optical ring circuit, and the means for monitoring includes means for branching the continuous light from the optical ring circuit. An optical isolator that removes continuous light from the circuit may be included.

【0016】[0016]

【作用】マスタ光源として用いられる周波数基準光源か
らの絶対周波数安定化連続光を光パルス変調器によって
パルス化した後、光結合手段により光リング回路にその
パルス光を入力する。光リング回路内には光増幅器、光
変調器、光遅延素子、光周波数シフタ、光スイッチおよ
び光共振器が挿入され、光増幅器の増幅利得Gを調節し
て光リング回路の損失を補償し、かつ光パルス幅と光リ
ング回路の一周回時間とを等しくなるように設定する
と、入力された光パルスの多重周回が可能となる。さら
に、光増幅器中で発生した自然放出雑音光成分は、光共
振器の共振ピーク周波数付近を除いて周回に伴いほとん
ど除去される。また、同期制御手段により光パルス変調
器と光リング回路中の光スイッチとを同期制御すること
により、入力されたパルス光の多重周回を周期的に繰り
返させることができる。
After the absolute frequency stabilized continuous light from the frequency reference light source used as the master light source is pulsed by the optical pulse modulator, the pulsed light is input to the optical ring circuit by the optical coupling means. An optical amplifier, an optical modulator, an optical delay element, an optical frequency shifter, an optical switch and an optical resonator are inserted in the optical ring circuit, and the amplification gain G of the optical amplifier is adjusted to compensate the loss of the optical ring circuit. Moreover, if the optical pulse width and the one-cycle time of the optical ring circuit are set to be equal to each other, it becomes possible to multiple-cycle the input optical pulse. Further, the spontaneous emission noise light component generated in the optical amplifier is almost removed along with the circulation except near the resonance peak frequency of the optical resonator. Further, by synchronously controlling the optical pulse modulator and the optical switch in the optical ring circuit by the synchronous control means, it is possible to periodically repeat the multiple rounds of the input pulsed light.

【0017】ここで、光リング回路内に光変調器と光共
振器とを挿入し、変調周波数と光周波数シフタにおける
周波数シフト量との和が光共振器の共振ピーク間隔に等
しくなるように設定することで、一周回あたりの周波数
シフト量を拡大することができる。
Here, an optical modulator and an optical resonator are inserted in the optical ring circuit, and the sum of the modulation frequency and the frequency shift amount in the optical frequency shifter is set to be equal to the resonance peak interval of the optical resonator. By doing so, it is possible to increase the frequency shift amount per revolution.

【0018】また、広帯域周波数変換に要する周回回数
が非常に少なくなるため、多重周回に伴う自然放出雑音
光の蓄積の影響を受けることなく従来よりも広い範囲に
わたる周波数変換が可能となる。
Further, since the number of orbits required for wideband frequency conversion is extremely small, it is possible to perform frequency conversion over a wider range than before without being affected by the accumulation of spontaneous emission noise light associated with multiple orbits.

【0019】このようにして生成した周波数変換パルス
光を二次周波数参照基準として用いることにより、広い
周波数範囲にわたってスレーブ光源の周波数を安定化す
ることが可能となる。また、このときの周波数参照パル
ス光が供給される時間間隔も従来技術に比較して非常に
短縮でき、精度の高い周波数安定化が可能となる。
By using the frequency-converted pulsed light thus generated as the secondary frequency reference standard, it becomes possible to stabilize the frequency of the slave light source over a wide frequency range. Further, the time interval at which the frequency reference pulsed light is supplied at this time can be greatly shortened as compared with the conventional technique, and the frequency can be stabilized with high accuracy.

【0020】[0020]

【実施例】図1は本発明第一実施例の光周波数基準発生
装置を示すブロック構成図である。この装置は、発振周
波数が安定化された周波数基準光源1と、この周波数基
準光源1から出力された連続光をパルス光に変調する光
パルス変調器2と、光波を周回させる光リング回路と、
この光リング回路に光パルス変調器2の出力したパルス
光を結合するとともにこの光リング回路から出力光を取
り出す方向性結合器3とを備え、光リング回路には、伝
搬光を増幅してその光リング回路の損失を保証する光増
幅器4と、伝搬光に遅延を与えてその周回時間を調整す
る光遅延素子6と、伝搬光にあらかじめ定められた周波
数シフトを与える光周波数シフタ7と、伝搬光を断続す
る光スイッチ8とが挿入され、光パルス変調器2と光ス
イッチ8とを同期制御する同期制御装置11を備える。
この実施例はさらに、光リング回路に伝搬光を変調する
光変調器5と伝搬光の変調成分をスペクトラム整形する
光共振器9とが挿入され、光変調器の変調周波数と光周
波数シフタの周波数シフト量との和が光共振器9の共振
ピーク間隔と実質的に等しく設定される。光変調器5に
は駆動信号原10が接続される。
1 is a block diagram showing an optical frequency reference generator according to a first embodiment of the present invention. This device includes a frequency reference light source 1 whose oscillation frequency is stabilized, an optical pulse modulator 2 which modulates continuous light output from the frequency reference light source 1 into pulsed light, an optical ring circuit which circulates a light wave,
The optical ring circuit is provided with a directional coupler 3 for coupling the pulsed light output from the optical pulse modulator 2 and for extracting the output light from the optical ring circuit. The optical ring circuit amplifies the propagating light and outputs the amplified light. An optical amplifier 4 that guarantees the loss of the optical ring circuit, an optical delay element 6 that delays propagating light to adjust its orbiting time, an optical frequency shifter 7 that gives a predetermined frequency shift to propagating light, and a propagation An optical switch 8 for connecting and disconnecting light is inserted, and a synchronization control device 11 for synchronously controlling the optical pulse modulator 2 and the optical switch 8 is provided.
In this embodiment, an optical modulator 5 for modulating propagating light and an optical resonator 9 for spectrum shaping the modulation component of propagating light are further inserted in the optical ring circuit, and the modulation frequency of the optical modulator and the frequency of the optical frequency shifter are inserted. The sum of the shift amount is set to be substantially equal to the resonance peak interval of the optical resonator 9. The drive signal source 10 is connected to the optical modulator 5.

【0021】周波数基準光源1は、例えばアセチレン分
子の波長1.5μm帯の吸収線を利用して絶対周波数が
安定化された光源であり、連続光を出力する。光パルス
変調器2は例えば音響光学パルス変調器により構成さ
れ、周波数基準光源1から出力された連続光をパルス光
に変調する。光方向性結合器3は四つのポート31〜3
4を備え、ポート31から入力されたパルス光をポート
33を介して光リング回路に結合し、光リング回路を周
回してポート34に入力された光の強度の半分をポート
33から再び光リング回路に導くとともに、他の半分を
ポート32から外部出力として出力する。
The frequency reference light source 1 is a light source whose absolute frequency is stabilized by utilizing the absorption line of the acetylene molecule in the wavelength band of 1.5 μm, and outputs continuous light. The optical pulse modulator 2 is composed of, for example, an acousto-optical pulse modulator, and modulates the continuous light output from the frequency reference light source 1 into pulsed light. The optical directional coupler 3 has four ports 31 to 3
4, the pulsed light input from the port 31 is coupled to the optical ring circuit via the port 33, and the optical ring circuit is circulated to halve half the intensity of the light input to the port 34 from the port 33 again. While leading to the circuit, the other half is output from the port 32 as an external output.

【0022】光リング回路内の光増幅器4は、例えばエ
ルビウムドープ光ファイバもしくは半導体レーザ増幅器
により構成され、光リング回路に入力された信号パルス
光を増幅する。光変調調器5は例えばTi拡散LiNb
3 導波路により構成され、光増幅器4の出力信号光に
高速の変調を与える。以下では光変調器5として位相変
調器を例に説明する。Ti拡散LiNbO3 導波路を用
いた位相変調器では、変調周波数20GHz程度までの
高速位相変調が可能である。光遅延素子6は例えば光フ
ァイバにより構成され、光変調器5からの変調されたパ
ルス光に遅延を与える。光周波数シフタ7は例えば音響
光学周波数シフタにより構成され、変調されたパルス光
に一定の周波数シフトを与える。音響光学周波数シフタ
の周波数シフト量は100〜200MHz程度であり、
その安定度は高い。光スイッチ8は変調されたパルス光
のオン・オフ制御を行う。この光スイッチ8を光周波数
シフタ7と別個の素子により構成することもできるが、
光周波数シフタ7として音響光学周波数シフタを用いる
場合にはその機能を兼用することができる。光共振器9
は例えばファブリーペロー共振器であり、一定の周波数
間隔fs で並んだ多数の共振ピークを有する。光増幅器
4内で発生した自然放出雑音光は、光共振器9を通過す
ることにより著しく低減される。この光共振器9の出力
光を光方向性結合器3のポート34に入力することで、
光リング回路が構成される。
The optical amplifier 4 in the optical ring circuit is composed of, for example, an erbium-doped optical fiber or a semiconductor laser amplifier, and amplifies the signal pulse light input to the optical ring circuit. The optical modulator 5 is, for example, Ti diffused LiNb.
It is composed of an O 3 waveguide and applies high-speed modulation to the output signal light of the optical amplifier 4. Hereinafter, a phase modulator will be described as an example of the optical modulator 5. The phase modulator using the Ti diffused LiNbO 3 waveguide is capable of high-speed phase modulation up to a modulation frequency of about 20 GHz. The optical delay element 6 is composed of, for example, an optical fiber, and delays the modulated pulsed light from the optical modulator 5. The optical frequency shifter 7 is composed of, for example, an acousto-optical frequency shifter, and gives a constant frequency shift to the modulated pulsed light. The frequency shift amount of the acousto-optic frequency shifter is about 100 to 200 MHz,
Its stability is high. The optical switch 8 controls ON / OFF of the modulated pulsed light. Although this optical switch 8 can be constituted by an element separate from the optical frequency shifter 7,
When an acousto-optical frequency shifter is used as the optical frequency shifter 7, the function can be shared. Optical resonator 9
Is, for example, a Fabry-Perot resonator, which has a large number of resonance peaks arranged at a constant frequency interval f s . The spontaneous emission noise light generated in the optical amplifier 4 is significantly reduced by passing through the optical resonator 9. By inputting the output light of the optical resonator 9 into the port 34 of the optical directional coupler 3,
An optical ring circuit is constructed.

【0023】駆動信号源10は光変調器5を駆動するた
めの高安定信号源であり、一定周波数の電気信号を供給
する。
The drive signal source 10 is a highly stable signal source for driving the optical modulator 5, and supplies an electric signal having a constant frequency.

【0024】この構成において、光増幅器4の利得を光
リング回路中の損失を補償するように調整することによ
り、位相変調パルス信号光の多重周回が可能になる。ま
た、光リング回路の一周回時間が入力パルス信号光の幅
に等しくなるように設定することにより、光リング回路
からの多重周回パルス光列を擬似的な連続光とみなすこ
とが可能になる。さらに、同期制御装置11により光パ
ルス変調器2と光スイッチ2とを同期制御することによ
り、多重周回パルス光列を繰り返し生成すことが可能に
なる。
In this configuration, the gain of the optical amplifier 4 is adjusted so as to compensate for the loss in the optical ring circuit, so that the phase-modulated pulse signal light can be multiplexed. Further, by setting the one-cycle time of the optical ring circuit to be equal to the width of the input pulse signal light, the multiple-cycle pulse light train from the optical ring circuit can be regarded as pseudo continuous light. Further, by synchronously controlling the optical pulse modulator 2 and the optical switch 2 by the synchronization control device 11, it becomes possible to repeatedly generate a multi-cycle pulsed optical train.

【0025】図2および図3はこの実施例の動作を説明
する図であり、光リング回路による位相変調、周波数シ
フトおよびスペクトル整形の複合効果を説明する図であ
る。
2 and 3 are diagrams for explaining the operation of this embodiment, and are diagrams for explaining the combined effect of phase modulation, frequency shift and spectrum shaping by the optical ring circuit.

【0026】ここで、周波数基準光源1の出力光の光周
波数をf0 、光変調器5の基本変調周波数をfm とし、
さらに、光周波数シフタ7として音響光学周波数シフタ
を用いることを想定し、光周波数シフト量を−fA0と表
す。また、光共振器9の共振ピークの周波数間隔をfs
とし、各共振ピークの半値透過帯域半幅をfB とする。
ここで、光共振器9の半値透過帯域半幅fB は、共振ピ
ーク間隔fs と比較して十分小さく、光周波数シフタ7
における周波数シフト量の大きさfA0程度であるとす
る。具体的には、fB 、fs 、fA の値としてそれぞ
れ、50MHz、10GHz、120MHzを想定す
る。これらの数値は光共振器の最適設計により十分実現
可能な値である。
Here, the optical frequency of the output light of the frequency reference light source 1 is f 0 , and the basic modulation frequency of the optical modulator 5 is f m ,
Furthermore, assuming that an acousto-optical frequency shifter is used as the optical frequency shifter 7, the optical frequency shift amount is represented by -f A0 . Further, the frequency interval of the resonance peak of the optical resonator 9 is set to f s
And the half width of the half-value transmission band of each resonance peak is f B.
Here, the half bandwidth f B of the optical resonator 9 is sufficiently smaller than the resonance peak interval f s, and the optical frequency shifter 7
It is assumed that the frequency shift amount is about f A0 . Specifically, 50 MHz, 10 GHz, and 120 MHz are assumed as the values of f B , f s , and f A , respectively. These values are values that can be sufficiently realized by the optimum design of the optical resonator.

【0027】以上の設定のもとで、図2(a)に示すよ
うに、光共振器9の共振ピーク(図2ではその位置を破
線により示す)のひとつ周波数をマスタ光源の周波数f
0 に一致するように調整する。さらに光変調器5の基本
変調周波数fm と光周波数シフタ7における周波数シフ
ト量−fA0との和fm −fA0が光共振器の共振ピーク周
波数間隔fs に等しくなるように、fm またはfs 、も
しくはその双方を調整する。
Under the above setting, as shown in FIG. 2A, one frequency of the resonance peak of the optical resonator 9 (its position is shown by a broken line in FIG. 2) is set to the frequency f of the master light source.
Adjust to match 0 . Further, the sum f m −f A0 of the basic modulation frequency f m of the optical modulator 5 and the frequency shift amount −f A0 in the optical frequency shifter 7 is equal to the resonance peak frequency interval f s of the optical resonator, f m Alternatively, adjust f s , or both.

【0028】[0028]

【数1】 光リング回路に入力された光周波数f0 をもつ信号パル
ス光のスペクトルは、光変調器5によって位相変調を受
けることにより、図2(b)に示すように、光周波数f
0 の搬送波成分と光周波数f0 +fm 、f0 −fm をも
つ1次変調側帯波成分、光周波数f0 +2fm 、f0
2fm をもつ2次変調側帯波成分、さらに高次の変調側
帯波成分をもつようになる。ここで各変調側波成分の振
幅はベッセル関数Jを用いて次のように表される。
[Equation 1] The spectrum of the signal pulsed light having the optical frequency f 0 input to the optical ring circuit is subjected to phase modulation by the optical modulator 5, so that as shown in FIG.
0 carrier wave component and primary modulation sideband components having optical frequencies f 0 + f m , f 0 −f m , optical frequencies f 0 + 2f m , f 0
Secondary modulation sideband component having a 2f m, so further with higher order modulation sidebands component. Here, the amplitude of each modulation side wave component is expressed as follows using the Bessel function J.

【0029】[0029]

【数2】 ここで、Aは入力パルス光の振幅、δは光変調器5の変
調深度である。Ji はそれぞれi次のベッセル関数であ
り、その形状を図4に示す。ここで、変調深度をδ=2
に調整することにより、図2(b)に示すように、搬送
波成分、1次変調側帯波成分、2次変調側帯波成分の振
幅比を1:2:1程度にすることが可能である。
[Equation 2] Here, A is the amplitude of the input pulsed light, and δ is the modulation depth of the optical modulator 5. J i is an i-th order Bessel function, and its shape is shown in FIG. Here, the modulation depth is δ = 2
2B, the amplitude ratio of the carrier wave component, the first-order modulation sideband component, and the second-order modulation sideband component can be adjusted to about 1: 2: 1.

【0030】次に、光変調器5により高速位相変調を受
けた信号パルス光は、光周波数シフタ7を通過すること
により、図2(c)に示すように一定の周波数シフト−
A0を受ける。これにより+1次変調側帯域成分の光周
波数はf0 +(fm −fA0)=f0 +fs となり、ちょ
うど光共振器9の次の共振ピークの周波数に移る。一
方、0次成分(搬送波成分)および他の変調側帯波成分
の周波数は共振ピークの位置からずれることになる。
Next, the signal pulsed light subjected to the high-speed phase modulation by the optical modulator 5 passes through the optical frequency shifter 7 and, as shown in FIG.
Receive f A0 . Optical frequency of the + 1st order modulation side band component by which proceeds to the next frequency of the resonance peak of f 0 + (f m -f A0 ) = f 0 + f s , and the just the optical resonator 9. On the other hand, the frequencies of the 0th-order component (carrier component) and other modulation sideband components deviate from the resonance peak position.

【0031】各変調側帯波成分の光周波数と光共振器9
の共振周波数との関係を図3(a)に示す。0次成分
(搬送波成分)および変調側帯波成分の光周波数の共振
周波数からのずれは、−1次成分、0次成分(搬送波成
分)、+1次成分、+2次成分に対してそれぞれ−2f
A0、−fA0、0、fA0であり、したがって、+1次成分
を除いては、光共振器9を通過するときに大きな透過損
失を被る。共振ピークの半値半幅が50MHz、光周波
数シフタ7による周波数シフトfA0=−120MHzで
あると想定すると、+1次成分に対する透過係数T+1
を1とした場合、−1次成分、0次成分、+2次成分の
振幅に対する透過係数はそれぞれT-1=1/8、T0
1/4、T+2=1/4程度となる。
Optical frequency of each modulation sideband component and optical resonator 9
The relationship with the resonance frequency of is shown in FIG. The deviations of the optical frequencies of the 0th-order component (carrier component) and the modulation sideband component from the resonance frequency are −2f for the −first-order component, the 0th-order component (carrier component), the + first-order component, and the + second-order component, respectively.
A0 , -fA0 , 0, fA0 . Therefore, except for the + first-order component, a large transmission loss occurs when passing through the optical resonator 9. Assuming that the full width at half maximum of the resonance peak is 50 MHz and the frequency shift f A0 by the optical frequency shifter 7 is −120 MHz, the transmission coefficient T + 1 for the + 1st order component is T + 1.
When 1 is set to 1, the transmission coefficients for the amplitudes of the −1st order component, the 0th order component, and the + 2nd order component are T −1 = 1/8 and T 0 =
¼ , T +2 = about ¼ .

【0032】したがって、図3(b)に示すように、−
1次成分、0次成分 、+1次成分、+2次成分に対す
る最終的な振幅比は1:1:8:1程度となり、入力パ
ルス光の全光強度の中に占める+1次成分の割合は95
%になる。したがって、光リング回路を一周することに
より、小さな側帯波成分の存在を別にすれば、入力パル
ス光の光周波数はfm −fA0だけシフトすると見なすこ
とが可能になる。
Therefore, as shown in FIG.
The final amplitude ratio for the first-order component, the 0th-order component, the + first-order component, and the + second-order component is about 1: 1: 8: 1, and the ratio of the + 1st-order component in the total light intensity of the input pulsed light is 95.
%become. Therefore, it is possible to consider that the optical frequency of the input pulsed light shifts by f m −f A0 , except for the existence of a small sideband component, by making one round in the optical ring circuit.

【0033】以上述べたように、光共振器9の共振ピー
ク周波数間隔と、光変調器5による変調周波数と、光周
波数シフタ7における周波数シフト量とを数1の式にし
たがって調整することにより、+1次変調成分に対する
一周回あたりの周波数シフト量を数GHz〜10GHz
程度まで大きく設定することが可能となり、しかも他の
変調成分の強度を抑圧することが可能となる。
As described above, the resonance peak frequency interval of the optical resonator 9, the modulation frequency of the optical modulator 5, and the frequency shift amount in the optical frequency shifter 7 are adjusted according to the equation (1). Frequency shift amount per revolution for + 1st order modulation component is several GHz to 10 GHz
It is possible to set the value as large as possible, and it is possible to suppress the intensity of other modulation components.

【0034】図3(b)に示した変調成分振幅比をもつ
信号パルスは、光方向性結合器3のポート34に入力さ
れ、一部は外部出力としてポート32から取り出され、
残りはポート33を介して再び光増幅器4に入力され
る。このようにして光増幅、位相変調、周波数シフト、
スペクトル整形、分岐を繰り返すことにより、信号パル
ス光の光周波数は、幾つかの小さな変調側帯波成分を伴
いながら、共振周波数ピークを次々と移動していく。例
えば、fm −fA0=10GHzと設定すると、100周
回で1THzの周波数シフトが可能である。
A signal pulse having the modulation component amplitude ratio shown in FIG. 3B is input to the port 34 of the optical directional coupler 3 and a part of the signal pulse is taken out from the port 32 as an external output.
The rest is input again to the optical amplifier 4 via the port 33. In this way, optical amplification, phase modulation, frequency shift,
By repeating spectrum shaping and branching, the optical frequency of the signal pulse light shifts the resonance frequency peak one after another, accompanied by some small modulation sideband components. For example, if f m −f A0 = 10 GHz is set, a frequency shift of 1 THz is possible in 100 turns.

【0035】ここで、多重周回に伴う位相変調パルス光
の各変調成分の振幅比の変化を解析し、+1次成分に対
して他の成分が抑圧されることを明らかにする。ここで
変調側帯波成分として、−1次成分、0次成分、1次成
分、2次成分までを考慮すると、信号パルス光の周回に
伴うスペクトルの変化は次の式で表される。
Here, the change in the amplitude ratio of each modulation component of the phase-modulated pulsed light due to multiple turns is analyzed, and it is clarified that other components are suppressed with respect to the + 1st-order component. Here, if the −1st-order component, the 0th-order component, the 1st-order component, and the 2nd-order component are taken into consideration as the modulation sideband component, the change in the spectrum due to the circulation of the signal pulse light is expressed by the following equation.

【0036】[0036]

【数3】 (Equation 3)

【0037】[0037]

【数4】 nは周回回数(図1において、光増幅器4を出た時点で
周回が開始されると定義する)、Eは光の振幅を表すベ
ルトルであり、j=1、2、3、4はそれぞれ、+2
次、+1次、0次、−1次の変調側帯波成分を示す指標
である。行列Tは位相変調5、周波数シフタ7および光
共振器9によるスペクトル整形の複合効果を表し、各変
調側帯波成分に対応するベッセル関数の値および光共振
器9の透過係数を組合せて得られる。透過係数は共振ピ
ーク周波数における透過係数を1として規格化し、各光
部品の挿入、光分岐による損失の効果は光リング回路の
損失Lで表されているものとする。また、Gは各周回に
おける光増幅器4の増幅利得であり、光リング回路の損
失を補償するように制御される。
[Equation 4] n is the number of revolutions (in FIG. 1, it is defined that the revolution is started at the time of leaving the optical amplifier 4), E is a beltrepresenting the amplitude of light, and j = 1, 2, 3, and 4, respectively. +2
It is an index showing the second-order, + first-order, zero-order, and −1st-order modulation sideband components. The matrix T represents the combined effect of spectrum shaping by the phase modulation 5, the frequency shifter 7, and the optical resonator 9, and is obtained by combining the value of the Bessel function corresponding to each modulation sideband component and the transmission coefficient of the optical resonator 9. The transmission coefficient is standardized with the transmission coefficient at the resonance peak frequency being 1, and the effect of the loss due to the insertion of each optical component and the optical branch is represented by the loss L of the optical ring circuit. Further, G is the amplification gain of the optical amplifier 4 in each round, and is controlled so as to compensate the loss of the optical ring circuit.

【0038】1回目の周回における入力パルス信号の振
幅ベクトルは、光共振器9の一つの共振ピーク位置に入
力光周波数が一致するようにあらかじめ調整されている
ため、次の式で表すことができる。
The amplitude vector of the input pulse signal in the first round is adjusted in advance so that the input optical frequency coincides with one resonance peak position of the optical resonator 9, and can be expressed by the following equation. .

【0039】[0039]

【数5】 さらに、数3の式を用いると、n+1回目の周回におけ
るパルス信号光の振幅ベクトルを次の式により計算する
ことができる。
(Equation 5) Further, by using the equation (3), the amplitude vector of the pulse signal light in the (n + 1) th circulation can be calculated by the following equation.

【0040】[0040]

【数6】 ここで、行列Tの固有値λ1 、λ2 、λ3 、λ4 また対
応する単位固有ベクトルをe1 、e2 、e3 、e4 を用
いて数6の式を計算する。具体的には、入力パルス信号
光の振幅ベクトルを単位固有ベクトルで展開した形式を
利用する。
(Equation 6) Here, the equation (6) is calculated by using the eigenvalues λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 of the matrix T and the corresponding unit eigenvectors using e 1 , e 2 , e 3 , e 4 . Specifically, the form in which the amplitude vector of the input pulse signal light is expanded by the unit eigenvector is used.

【0041】[0041]

【数7】 この式を利用して数6の式は、次のように表される。(Equation 7) Using this formula, the formula of the equation 6 is expressed as follows.

【0042】[0042]

【数8】 ここで最大の固有値をλ1 とすると、周回を繰り返すこ
とにより固有ベクトルe1 、e2 、e3 、e4 への射影
成分は減少し、パルス信号光の振幅ベクトルは収束して
いく。
(Equation 8) Here, when the maximum eigenvalue is λ 1 , the projection components on the eigenvectors e 1 , e 2 , e 3 , and e 4 are reduced by repeating the circulation, and the amplitude vector of the pulse signal light converges.

【0043】[0043]

【数9】 そのため、ある程度の周回を経た後では、パルス信号光
の振幅ベクトルは行列Tの最大固有値λ1 に対応する固
有ベクトルe1 の定数倍となる。
[Equation 9] Therefore, after a certain number of rounds, the amplitude vector of the pulse signal light becomes a constant multiple of the eigenvector e 1 corresponding to the maximum eigenvalue λ 1 of the matrix T.

【0044】そこで、行列Tの最大固有値λ1 と他の固
有値との比が大きくなりかつλ1 に対応する固有ベクト
ルe1 において、+1次変調成分に対応するj=2の成
分が他の成分と比較して十分大きくなるように、光変調
器5における変調深度および光共振器9の透過特性を最
適化することにより、信号パルス光は、+1次変調成分
の強度を最大とし他の変調成分が抑圧されたほぼ一定の
スペクトルを保ちながら周回を繰り返し、その+1次変
調成分の光周波数は光共振器9の共振ピークを一つずつ
移動していくことが可能になる。
Therefore, in the eigenvector e 1 corresponding to λ 1 in which the ratio of the maximum eigenvalue λ 1 of the matrix T to other eigenvalues is large and the component of j = 2 corresponding to the + 1st order modulation component is different from the other components. By optimizing the modulation depth of the optical modulator 5 and the transmission characteristics of the optical resonator 9 so that the signal pulse light is sufficiently large in comparison, the signal pulsed light has the maximum intensity of the + 1st-order modulation component and other modulation components. It becomes possible to repeat the orbit while keeping the suppressed almost constant spectrum, and the optical frequency of the + 1st order modulation component can move the resonance peak of the optical resonator 9 one by one.

【0045】以上述べたように、光波周波数変換リング
回路内に高速の光変調器5と光共振器9とを挿入し、位
相変調の変調周波数fm と光周波数シフタ7における周
波数シフト量fA0との和が光共振器9の共振ピーク間隔
s に等しくなるように設定することにより、一周回あ
たりの周波数シフト量fs を数GHz〜10GHz程度
にまで拡大することが可能である。
As described above, the high-speed optical modulator 5 and the optical resonator 9 are inserted in the light wave frequency conversion ring circuit, and the modulation frequency f m for phase modulation and the frequency shift amount f A0 in the optical frequency shifter 7 are inserted. It is possible to expand the frequency shift amount f s per revolution to several GHz to 10 GHz by setting the sum of the above and the resonance peak interval f s of the optical resonator 9 to be equal.

【0046】さらに、広帯域周波数変換に要する周回回
数が著しく少なくなるため、多重周回に伴う自然放出雑
音光の蓄積の影響を被ることなく、数THzにわたる周
波数変換が可能になる。このようにして生成した周波数
変換パルス光を二次周波数参照基準として用いることに
より、広い周波数範囲にわたってスレーブ光源の周波数
を安定化することが可能になる。また、このとき周波数
参照パルス光が供給される時間間隔も従来技術による方
法と比較して著しく短縮されるため、精度の高い周波数
安定化が可能になる。
Further, since the number of rounds required for wideband frequency conversion is significantly reduced, frequency conversion over several THz is possible without being affected by the accumulation of spontaneous emission noise light associated with multiple rounds. By using the frequency-converted pulsed light thus generated as the secondary frequency reference standard, it becomes possible to stabilize the frequency of the slave light source over a wide frequency range. Further, at this time, the time interval at which the frequency reference pulse light is supplied is significantly shortened as compared with the method according to the related art, so that the frequency can be stabilized with high accuracy.

【0047】次に、さらに具体的な例として、 光変調器5の変調周波数fm と光周波数シフタ7の
周波数シフト量fA0の和が光共振器9の共振ピーク間隔
s に等しく(数1)、 光共振器5の共振ピークの半値幅fB が光周波数シ
フタ7の周波数シフト量fA0と同程度もしくはそれ以下
であり、 光共振器5の一つの共振ピークの周波数が周波数基
準光源1の入力パルス信号光の周波数f0 に一致するよ
うに設定した場合について説明する。この場合、変調さ
れて周回するパルス光の主成分の光周波数は、一周回あ
たり共振ピーク間隔fs に等しい周波数シフトを受け
る。
Next, as a more specific example, the sum of the modulation frequency f m of the optical modulator 5 and the frequency shift amount f A0 of the optical frequency shifter 7 is equal to the resonance peak interval f s of the optical resonator 9 (number 1), the degree and frequency shift amount f A0 of the optical frequency shifter 7 is a half-value width f B of the resonance peak of the optical resonator 5 same or is at less, one frequency is frequency reference source of the resonance peak of the optical resonator 5 A case where the frequency is set to match the frequency f 0 of the input pulse signal light of 1 will be described. In this case, the optical frequency of the main component of the modulated and revolving pulsed light undergoes a frequency shift equal to the resonance peak interval f s per revolution.

【0048】以下、光変調器5による変調周波数fm
10.120GHz、光周波数シフタ7による周波数シ
フト量fA0 を−120MHz、光共振器9における共
振ピークの周波数間隔fs を10.0GHz、共振ピー
クの半値幅fB を100MHzと想定した場合につい
て、定量的に位相変調パルス信号光の周回に伴う周波数
スペクトルの変化を解析し、周回に伴いパルス信号光の
周波数が階段状掃引されていくことを示す。
Hereinafter, the modulation frequency f m by the optical modulator 5 is 10.120 GHz, the frequency shift amount f A0 by the optical frequency shifter 7 is -120 MHz, and the frequency interval f s of the resonance peak in the optical resonator 9 is 10.0 GHz. When the half-value width f B of the resonance peak is assumed to be 100 MHz, the change in the frequency spectrum accompanying the circulation of the phase-modulated pulse signal light is quantitatively analyzed, and the frequency of the pulse signal light is swept stepwise along with the circulation. Indicates that.

【0049】光変調器5における変調深度は、1次変調
成分の振幅を1としたとき、0次変調成分および2次変
調成分の振幅がそれぞれ1/2になるように調整する。
したがって1次変調成分の振幅で規格化されたベッセル
関数は、それぞれの成分に対して次のようなる。
The modulation depth in the optical modulator 5 is adjusted so that the amplitudes of the 0th-order modulation component and the 2nd-order modulation component are 1/2 when the amplitude of the 1st-order modulation component is 1.
Therefore, the Bessel function standardized by the amplitude of the primary modulation component is as follows for each component.

【0050】[0050]

【数10】 光共振器9としてファブリーペロー共振器を用いるとす
ると、その透過特性(透過振幅/入射振幅)は、フィネ
スをFで定義したとき次式で与えられる
[Equation 10] If a Fabry-Perot resonator is used as the optical resonator 9, its transmission characteristic (transmission amplitude / incident amplitude) is given by the following equation when finesse is defined by F:

【0051】[0051]

【数11】 ここで、λは光波長であり、n、lは媒質の屈折率およ
び共振器長である。この式は、A.Yariv 著「光エレクト
ロニクスの基礎」丸善に示されている。フィネスFを1
00に設定すると、共振ピークの半値幅/間隔の値が1
00MHz/100GHz=1/100となる。よっ
て、+1次変調成分に対する透過比を1とすると、−1
次、0次、+2次の変調側帯波成分に対する透過比は、
数11の式によりそれぞれ、次のようになる。
[Equation 11] Here, λ is the light wavelength, and n and l are the refractive index of the medium and the cavity length. This equation is shown in Maruzen, "The Basics of Optoelectronics" by A. Yariv. Finesse F 1
When set to 00, the value of the half-value width / interval of the resonance peak is 1
00 MHz / 100 GHz = 1/100. Therefore, if the transmission ratio for the + 1st order modulation component is 1, -1
The transmission ratios for the 2nd, 0th, and + 2nd order modulation sideband components are
The following equations are obtained from the equations of the equation (11).

【0052】[0052]

【数12】 ここでは、+3以上および−2以下の変調側帯波成分に
ついては振幅が小さいことおよびファブリーペロー共振
器の透過率が小さいことから無視し、−1次成分、0次
成分、+1次成分、+2次成分の四成分を考慮してい
る。このとき、光リング回路が位相変調信号の側帯波成
分比に及ぼす効果を表す行列Tは、数4、数10および
数12のそれぞれから、次のようになる。
(Equation 12) Here, the modulation sideband components of +3 or more and −2 or less are ignored because they have small amplitudes and small transmittances of the Fabry-Perot resonator, and the −1st-order component, 0th-order component, + 1st-order component, + 2nd-order component The four components are considered. At this time, the matrix T representing the effect that the optical ring circuit has on the sideband component ratio of the phase-modulated signal is as follows from the equations 4, 10 and 12.

【0053】[0053]

【数13】 ここで、j=1、2、3、4はそれぞれ+2次、+1
次、0次、−1次の変調成分を示す指標である。行列T
の固有値λ1 、λ2 、λ3 、λ4 はそれぞれ次のように
なる。
(Equation 13) Here, j = 1, 2, 3, and 4 are + secondary and +1 respectively.
It is an index indicating the 2nd, 0th, and −1st order modulation components. Matrix T
The eigenvalues λ 1 , λ 2 , λ 3 , and λ 4 of are as follows.

【0054】[0054]

【数14】 したがって、対応する単位固有ベクトルは、少数点3位
を四捨五入して、それぞれ次のようになる。
[Equation 14] Therefore, the corresponding unit eigenvectors are as follows, rounding off the decimal point to the third place.

【0055】[0055]

【数15】 ここで、固有値λ1 に対応する固有ベクトルe1 では、
j=2すなわち+1次変調成分にほとんどの光強度が集
中していることがわかる。
(Equation 15) Here, in the eigenvector e 1 corresponding to the eigenvalue λ 1 ,
It can be seen that most of the light intensity is concentrated on j = 2, that is, the + 1st-order modulation component.

【0056】入力パルス信号に対する規格化した振幅ベ
クトルは、数5の式を数15で与えられた固有ベクトル
で展開することにより、次のように変形できる。
The normalized amplitude vector for the input pulse signal can be transformed as follows by expanding the equation of Equation 5 with the eigenvector given by Equation 15.

【0057】[0057]

【数16】 n周回後の振幅ベクトルを求めるために、行列T(数1
3)と入力振幅ベクトル(数16)を多重周回を記述す
る数6の式に代入し、固有値(数14)と固有ベクトル
(数15)を利用して変形すると、次の式が得られる。
[Equation 16] In order to obtain the amplitude vector after n rounds, the matrix T (equation 1
Substituting 3) and the input amplitude vector (Equation 16) into the equation of Equation 6 that describes the multi-turn, and transforming using the eigenvalue (Equation 14) and the eigenvector (Equation 15), the following equation is obtained.

【0058】[0058]

【数17】 4、5回の周回を経た時点で、既に固有ベクトルe2
3 、e4 への射影成分はe1 への射影成分と比較して
十分に小さくなっている。したがって、ある程度周回し
た後では、位相変調パルス信号光の振幅ベクトルの成分
比は、次の固有ベクトルe1 で与えられる一定値に保た
れる。
[Equation 17] After four or five rounds, the eigenvector e 2 ,
The projection components on e 3 and e 4 are sufficiently smaller than the projection components on e 1 . Therefore, after the circuit has circulated to some extent, the component ratio of the amplitude vector of the phase-modulated pulse signal light is maintained at a constant value given by the next eigenvector e 1 .

【0059】[0059]

【数18】 この場合、+1次の変調側帯波成分に光強度の約94%
が集中し、+2次成分、0次成分、−1次成分の+1次
成分に対する相対強度比はそれぞれ、−17dB、−1
4dB、−17dBとなる。このようすを図5に示す。
(Equation 18) In this case, about 9.4% of the light intensity in the + 1st-order modulation sideband
Are concentrated, and the relative intensity ratios of the + 2nd order component, the 0th order component, and the −1st order component to the + 1st order component are −17 dB and −1, respectively.
It becomes 4 dB and -17 dB. This is shown in FIG.

【0060】このように、この例では、光リング回路中
を1周回することにより、パルス光の光周波数が10G
Hzシフトし、その結果100周回の後には1THzの
周波数シフトが可能になる。このとき1周回あたりの時
間を10μsに設定した場合には、1msの周期で周波
数シフト量1THzの周波数基準参照パルス光を供給す
ることが可能になる。
As described above, in this example, by making one round in the optical ring circuit, the optical frequency of the pulsed light is 10 G.
Hz shift, and as a result, a frequency shift of 1 THz becomes possible after 100 turns. At this time, when the time for one round is set to 10 μs, it becomes possible to supply the frequency reference pulsed light with the frequency shift amount of 1 THz in the cycle of 1 ms.

【0061】図6は本発明第二実施例の光周波数基準発
生装置を示すブロック構成図である。この装置は、光共
振器9のひとつの共振ピークの周波数を周波数基準光源
1からの光周波数に安定化する制御手段を備えたことが
第一実施例と異なる。すなわち、周波数基準光源1から
出力された連続光を分岐する光方向性結合器21および
その分岐光を光共振器9に入射する光方向性結合器22
を備え、光共振器9から出力される連続光を監視するた
め光方向性結合器23および光検出器25を備え、光検
出器25の検出出力に基づいて光共振器9の共振周波数
を制御する制御装置26を備える。また、光共振器9の
共振ピーク周波数を安定化するために用いた連続光を光
リング回路から除去するため、光アイソレータ24を備
える。
FIG. 6 is a block diagram showing an optical frequency reference generator according to the second embodiment of the present invention. This device differs from the first embodiment in that it has a control means for stabilizing the frequency of one resonance peak of the optical resonator 9 to the optical frequency from the frequency reference light source 1. That is, the optical directional coupler 21 that branches the continuous light output from the frequency reference light source 1 and the optical directional coupler 22 that inputs the branched light into the optical resonator 9.
And an optical directional coupler 23 and a photodetector 25 for monitoring continuous light output from the optical resonator 9, and controlling the resonance frequency of the optical resonator 9 based on the detection output of the photodetector 25. The control device 26 is provided. Further, an optical isolator 24 is provided to remove the continuous light used to stabilize the resonance peak frequency of the optical resonator 9 from the optical ring circuit.

【0062】周波数基準光源1は、例えばアセチレン分
子の波長1.5μm帯の吸収線を利用して絶対周波数が
安定化された光源であり、連続光を出力する。光方向性
結合器21は周波数基準光源1から出力された連続光を
光パルス変調器2に導くとともに、その一部を分岐して
光方向性結合器22に導く。光パルス変調器2は例えば
音響光学パルス変調器により構成され、周波数基準光源
1からの光方向性結合器21を経由した連続光をパルス
光に変調する。光方向性結合器3は四つのポート31〜
34を備え、ポート31から入力されたパルス光をポー
ト33を介して光リング回路に結合し、光リング回路を
周回してポート34に入力された光の強度の半分をポー
ト33から再び光リング回路に導くとともに、他の半分
をポート32から外部出力として出力する。
The frequency reference light source 1 is a light source whose absolute frequency is stabilized by utilizing, for example, the absorption line of the acetylene molecule in the wavelength band of 1.5 μm, and outputs continuous light. The optical directional coupler 21 guides the continuous light output from the frequency reference light source 1 to the optical pulse modulator 2, and branches a part of the continuous light to the optical directional coupler 22. The optical pulse modulator 2 is composed of, for example, an acousto-optic pulse modulator, and modulates continuous light from the frequency reference light source 1 via the optical directional coupler 21 into pulsed light. The optical directional coupler 3 has four ports 31 to 31.
34, the pulsed light input from the port 31 is coupled to the optical ring circuit via the port 33, and the optical ring circuit is circulated to halve the intensity of the light input to the port 34 again from the port 33. While leading to the circuit, the other half is output from the port 32 as an external output.

【0063】光リング回路内の光増幅器4は、例えばエ
ルビウムドープ光ファイバもしくは半導体レーザ増幅器
により構成され、光リング回路に入力された信号パルス
光を増幅する。光変調調器5は例えばTi拡散LiNb
3 導波路により構成され、光増幅器4の出力信号光に
高速の変調を与える。光遅延素子6は例えば光ファイバ
により構成され、光変調器5からの変調されたパルス光
に遅延を与える。光周波数シフタ7は例えば音響光学周
波数シフタにより構成され、変調されたパルス光に一定
の周波数シフトを与える。光スイッチ8は変調されたパ
ルス光のオン・オフ制御を行う。光スイッチ8を通過し
た光は、光アイソレータ24および光方向性結合器23
を経由して光共振器9に導かれる。光共振器9は例えば
ファブリーペロー共振器であり、一定の周波数間隔fs
で並んだ多数の共振ピークを有する。光増幅器4内で発
生した自然放出雑音光は、光共振器9を通過することに
より著しく低減される。この光共振器9の出力光を光方
向性結合器22を経由して光方向性結合器3のポート3
4に入力することで、光リング回路が構成される。駆動
信号源10は光変調器5を駆動するための高安定信号源
であり、一定周波数の電気信号を供給する。
The optical amplifier 4 in the optical ring circuit is composed of, for example, an erbium-doped optical fiber or a semiconductor laser amplifier, and amplifies the signal pulse light input to the optical ring circuit. The optical modulator 5 is, for example, Ti diffused LiNb.
It is composed of an O 3 waveguide and applies high-speed modulation to the output signal light of the optical amplifier 4. The optical delay element 6 is composed of, for example, an optical fiber, and delays the modulated pulsed light from the optical modulator 5. The optical frequency shifter 7 is composed of, for example, an acousto-optical frequency shifter, and gives a constant frequency shift to the modulated pulsed light. The optical switch 8 controls ON / OFF of the modulated pulsed light. The light that has passed through the optical switch 8 is converted into the optical isolator 24 and the optical directional coupler 23.
Is guided to the optical resonator 9 via. The optical resonator 9 is, for example, a Fabry-Perot resonator, and has a constant frequency interval f s.
It has a large number of resonance peaks lined up. The spontaneous emission noise light generated in the optical amplifier 4 is significantly reduced by passing through the optical resonator 9. The output light of the optical resonator 9 is passed through the optical directional coupler 22 to the port 3 of the optical directional coupler 3.
By inputting to 4, the optical ring circuit is constructed. The drive signal source 10 is a highly stable signal source for driving the optical modulator 5, and supplies an electric signal having a constant frequency.

【0064】光方向性結合器22は、光共振器9のひと
つの共振ピーク周波数を周波数基準光源1からの周波数
安定化基準光の周波数に安定化するため、光方向性結合
器21により分岐された周波数基準光源1の出力連続光
を光リング回路に逆方向に導き、光共振器9に入力す
る。光方向性結合器23は光共振器9からの出力連続光
を取り出し、光検出器25に導く。光共振器9からの出
力連続光の一部は光リング回路に逆方向に伝搬するが、
それは光アイソレータ24により除去する。光検出器2
5は光強度を測定し、制御装置26はその検出された光
強度に基づいて光共振器9の共振周波数を制御する。具
体的には、温度制御または電圧制御により共振周波数の
調整を行う。このとき、光検出器25により検出される
光強度が常に最大となるようにフィードバック制御する
ことにより、外部環境の変動による共振ピーク周波数の
ずれに起因する光リング回路の不安定性を容易に回避す
ることが可能になる。
The optical directional coupler 22 is branched by the optical directional coupler 21 in order to stabilize one resonance peak frequency of the optical resonator 9 to the frequency of the frequency-stabilized reference light from the frequency reference light source 1. The continuous light output from the frequency reference light source 1 is guided to the optical ring circuit in the opposite direction and input to the optical resonator 9. The optical directional coupler 23 takes out continuous light output from the optical resonator 9 and guides it to the photodetector 25. Although a part of the continuous light output from the optical resonator 9 propagates in the opposite direction to the optical ring circuit,
It is removed by the optical isolator 24. Photo detector 2
5 measures the light intensity, and the control device 26 controls the resonance frequency of the optical resonator 9 based on the detected light intensity. Specifically, the resonance frequency is adjusted by temperature control or voltage control. At this time, by performing feedback control so that the light intensity detected by the photodetector 25 is always maximized, the instability of the optical ring circuit due to the shift of the resonance peak frequency due to the change of the external environment can be easily avoided. It will be possible.

【0065】この構成において、光増幅器4の利得を光
リング回路中の損失を補償するように調整することによ
り、変調されたパルス信号光の多重周回が可能になる。
また、光リング回路の一周回時間が入力パルス信号光の
幅に等しくなるように設定することにより、光リング回
路からの多重周回パルス光列を疑似的な連続光とみなす
ことが可能になる。さらに、同期制御装置11により光
パルス変調器2と光スイッチ2とを同期制御することに
より、多重周回パルス光列を繰り返し生成すことが可能
になる。
In this configuration, by adjusting the gain of the optical amplifier 4 so as to compensate for the loss in the optical ring circuit, the modulated pulse signal light can be multiplexed.
Further, by setting the one-cycle time of the optical ring circuit to be equal to the width of the input pulse signal light, the multiple-cycle pulse light train from the optical ring circuit can be regarded as pseudo continuous light. Further, by synchronously controlling the optical pulse modulator 2 and the optical switch 2 by the synchronization control device 11, it becomes possible to repeatedly generate a multi-cycle pulsed optical train.

【0066】このような構成において、第一実施例と同
様に、 光変調器5の変調周波数fm と光周波数シフタ7の
周波数シフト量fA0の和が光共振器9の共振ピーク間隔
s に等しく、 光共振器5の共振ピークの半値幅fB が光周波数シ
フタ7の周波数シフト量fA0と同程度もしくはそれ以下
であり、 光共振器5の一つの共振ピークの周波数が周波数基
準光源1の入力パルス信号光の周波数f0 に一致するよ
うに設定する。これにより、変調されて周回するパルス
光の主成分の光周波数は、一周回あたり共振ピーク間隔
s に等しい周波数シフトを受ける。さらに、フィード
バック制御を行うことにより、光共振器5の共振ピーク
周波数を安定化し、光リング回路の安定動作が可能とな
る。
In such a configuration, as in the first embodiment, the sum of the modulation frequency f m of the optical modulator 5 and the frequency shift amount f A0 of the optical frequency shifter 7 is the resonance peak interval f s of the optical resonator 9. And the half-value width f B of the resonance peak of the optical resonator 5 is equal to or less than the frequency shift amount f A0 of the optical frequency shifter 7, and the frequency of one resonance peak of the optical resonator 5 is equal to The frequency is set to match the frequency f 0 of the input pulse signal light of 1. As a result, the optical frequency of the main component of the modulated and revolving pulsed light undergoes a frequency shift equal to the resonance peak interval f s per revolution. Further, by performing feedback control, the resonance peak frequency of the optical resonator 5 is stabilized, and the stable operation of the optical ring circuit becomes possible.

【0067】[0067]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光周波数
基準発生装置は、吸収スペクトルを用いて周波数安定化
された周波数基準光(一次周波数参照基準)から、数T
Hzにわたる広い相対周波数範囲にわたり高度に安定化
された周波数基準光(二次周波数参照基準または相対周
波数参照基準)を発生させることができる。
As described above, the optical frequency reference generator of the present invention uses the frequency reference light (primary frequency reference reference) frequency-stabilized by using the absorption spectrum to obtain a number T.
A highly stabilized frequency reference light (secondary frequency reference or relative frequency reference) can be generated over a wide relative frequency range over Hz.

【0068】また、この光周波数基準発生装置内の光共
振器の共振周波数を安定化することで、さらに安定な動
作が可能となる。
Further, by stabilizing the resonance frequency of the optical resonator in the optical frequency reference generator, more stable operation becomes possible.

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

【図1】本発明第一実施例の光周波数基準発生装置を示
すブロック構成図。
FIG. 1 is a block diagram showing an optical frequency reference generator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】実施例の動作を説明する図。FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the embodiment.

【図3】実施例の動作を説明する図。FIG. 3 is a diagram for explaining the operation of the embodiment.

【図4】ベッセル関数を説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating a Bessel function.

【図5】光リング回路による変調、周波数シフトおよび
スペクトル整形による効果を説明する図。
FIG. 5 is a diagram for explaining effects of modulation, frequency shift, and spectrum shaping by an optical ring circuit.

【図6】本発明第二実施例の光周波数基準発生装置を示
すブロック構成図。
FIG. 6 is a block diagram showing an optical frequency reference generator according to a second embodiment of the present invention.

【図7】従来例の光周波数基準発生装置を示すブロック
構成図。
FIG. 7 is a block diagram showing a conventional optical frequency reference generator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 周波数基準光源 2 光パルス変調器 3、21、22、23 光方向性結合器 4 光増幅器 5 光変調器 6 光遅延素子 7 光周波数シフタ 8 光スイッチ 9 光共振器 10 高周波数安定駆動信号源 11 同期制御装置 12 光狭帯域フィルタ 24 光アイソレータ 25 光検出器 26 制御装置 1 frequency reference light source 2 optical pulse modulator 3, 21, 22, 23 optical directional coupler 4 optical amplifier 5 optical modulator 6 optical delay element 7 optical frequency shifter 8 optical switch 9 optical resonator 10 high frequency stable drive signal source 11 Synchronous control device 12 Optical narrow band filter 24 Optical isolator 25 Photodetector 26 Control device

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 発振周波数が安定化された周波数基準光
源と、 この周波数基準光源から出力された連続光をパルス光に
変調する光パルス変調器と、 光波を周回させる光リング回路と、 この光リング回路に前記光パルス変調器の出力したパル
ス光を結合するとともにこの光リング回路から出力光を
取り出す光結合手段とを備え、 前記光リング回路には、伝搬光を増幅してその光リング
回路の損失を保証する光増幅器と、伝搬光に遅延を与え
てその周回時間を調整する光遅延素子と、伝搬光にあら
かじめ定められた周波数シフトを与える光周波数シフタ
と、伝搬光を断続する光スイッチとが挿入され、 前記光パルス変調器と前記光スイッチとを同期制御する
同期制御手段を備えた光周波数基準発生装置において、 前記光リング回路にはさらに、伝搬光を変調する光変調
器と、伝搬光の変調成分をスペクトラム整形する光共振
器とが挿入され、 前記光変調器の変調周波数と前記光周波数シフタの周波
数シフト量との和が前記光共振器の共振ピーク間隔と実
質的に等しく設定されたことを特徴とする光周波数基準
発生装置。
1. A frequency reference light source whose oscillation frequency is stabilized, an optical pulse modulator that modulates continuous light output from this frequency reference light source into pulsed light, an optical ring circuit that circulates a light wave, and this light. An optical coupling unit that couples the pulsed light output from the optical pulse modulator to the ring circuit and extracts the output light from the optical ring circuit, wherein the optical ring circuit amplifies the propagating light and Amplifier that guarantees the loss of light, an optical delay element that delays propagating light to adjust its orbiting time, an optical frequency shifter that gives a predetermined frequency shift to propagating light, and an optical switch that interrupts propagating light. In the optical frequency reference generator having a synchronization control means for synchronously controlling the optical pulse modulator and the optical switch, the optical ring circuit further includes: An optical modulator that modulates the propagating light and an optical resonator that shapes the modulation component of the propagating light are inserted, and the sum of the modulation frequency of the optical modulator and the frequency shift amount of the optical frequency shifter is the optical resonance. An optical frequency reference generator characterized in that it is set to be substantially equal to the resonance peak interval of the device.
【請求項2】 前記光周波数シフタと前記光スイッチと
がひとつの音響光学素子により構成された請求項1記載
の光周波数基準発生装置。
2. The optical frequency reference generator according to claim 1, wherein the optical frequency shifter and the optical switch are formed by one acousto-optic device.
【請求項3】 前記光共振器のひとつの共振ピークの周
波数を前記周波数基準光源からの光周波数に安定化する
制御手段を備えた請求項1記載の光周波数基準発生装
置。
3. The optical frequency reference generator according to claim 1, further comprising control means for stabilizing the frequency of one resonance peak of the optical resonator to the optical frequency from the frequency reference light source.
【請求項4】 前記制御手段は、前記周波数基準光源か
ら出力された連続光を分岐して前記光共振器に入射する
手段と、前記光共振器から出力される連続光を監視する
手段と、この監視する手段の監視出力に基づいて前記光
共振器の共振周波数を制御する手段とを含む請求項3記
載の光周波数基準発生装置。
4. The control means branches the continuous light output from the frequency reference light source into the optical resonator, and monitors the continuous light output from the optical resonator. 4. The optical frequency reference generator according to claim 3, further comprising means for controlling the resonance frequency of the optical resonator based on the monitoring output of the means for monitoring.
【請求項5】 前記入射する手段は前記光リング回路を
周回する光波とは逆方向に前記連続光を前記光リング回
路に結合する手段を含み、前記監視する手段は前記光リ
ング回路から前記連続光を分岐する手段を含み、前記光
リング回路から前記連続光を除去する光アイソレータを
備えた請求項4記載の光周波数基準発生装置。
5. The means for injecting includes means for coupling the continuous light to the optical ring circuit in a direction opposite to the light waves circulating in the optical ring circuit, and the means for monitoring the continuous light from the optical ring circuit. The optical frequency reference generator according to claim 4, further comprising an optical isolator that includes means for branching light and removes the continuous light from the optical ring circuit.
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