JPS6324690A - 光周波数多重光源 - Google Patents

光周波数多重光源

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JPS6324690A
JPS6324690A JP61168924A JP16892486A JPS6324690A JP S6324690 A JPS6324690 A JP S6324690A JP 61168924 A JP61168924 A JP 61168924A JP 16892486 A JP16892486 A JP 16892486A JP S6324690 A JPS6324690 A JP S6324690A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、高密度に光周波数を多重化したコヒーレント
光を発生する多重通信用光源に関する。
（従来の技術） 従来の光波長多重通信の構想は、波長が例えば、８５０
ｎｍ、１２００ｎｍ、１３００ｎｍ、１５５Ｑｎｍの４
波をそれぞれ発振する別個のレーザ光を多重化して１本
の光ファイバで送り、受信側で光学フィルタや回折格子
を用いた分波器で波長を分＃ｌＴるというものであった
。
これは光通信技術が未熟で、単に光のオンオフ信号を利
用するイン・コヒーレント通信であること、実際には変
調帯域幅が数ＧＨｚであるので、キャリア光周波数間隔
は１０ＧＨｚもあれば充分であっても、このような狭い
周波数間隔の光多重では光学的分離手段がなかつたこと
、また、高精度に光周波数を制御する手段が無かったこ
となどが原因である。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら最近提案されたコヒーレント光通信方式は
、高安定な光周波数安定化光源を使用し、送信およびヘ
テロダイン検波することによって、高感度・高密度光周
波数多重による大容量通信を実現しようとするものであ
る。この実現のためには、１０ＧＨｚ程度の周波数間隔
で、光周波数多重化した安定化光源が必須となるが、ま
だ実現されていない。
本発明はこのような問題点を解決するためになされたも
ので、高密度に光周波数多重化した安定化光源を実現す
ることを目的とする。
（問題点を解決するための手段） 本発明は複数の異なる波長の光を安定化して出力する光
周波数多重光源に係るもので、その特徴とするところは
入力光の波長に対応して出力光の波長を制御する複数の
縦続接続した光周波数ＰＬＬ部と、第１段目の前記光周
波数ＰＬＬ部の入力に一定波長の出力光を印加する基準
波長光源部とを幅え、２段目以降の前記光周波数ＰＬＬ
部の出力光がその入力光に対しそれぞれ所定の周波数間
隔を有するように構成した点にある。
（実ＩＭ例） 以下本発明を図面を用いて詳しく説明する。
第１図は本発明に係る光周波数多垂光源の一実施例を示
す構成ブロック図である。１は波長を安定化された基準
波長光源部（詳細は後述）、２はこの基準波長光源部１
の出力光を入力する光周波数ＰＬＬ部、３はこの光周波
数ＰＬＬ部２の出力光を入力する第２段目の光周波数Ｐ
ＬＬ部、４はこの光周波数ＰＬＬ部３の出力光を入力す
る第３段目の光周波数ＰＬＬ部である。
光周波数ＰＬＬ部２において、２１はＰＩＮフォトダイ
オードヤアバランシエダイオード等からなり、前記基準
波長光源部１の出力光を一方の入力とする光ヘテロダイ
ン検波部、２２はこの光ヘテロダイン検波部２１の電気
出力により出力光の発振波長を制御される可変波長光源
部、２３は非線形材料を用いた先導波路等からなり前記
可変波長光源部２２の出力光の周波数を逓倍するととも
にその出力光をｔＪ記光ヘテロダイン検波部２１の他方
の入力とする光周波数逓倍部である。
光周波数Ｐ　Ｌ　１部３．４において、３１．４１は前
記光周波数ＰＬＬ部２，３の出力光の一部をツレぞれ一
方の入力とする２１と同様の光へテロゲイン検波部、３
４．４４はこの光ヘテログイン検波部３１．４１の電気
出力をそれぞれその一方の入力とするミキサ（混合）回
路、１０は一定周波数の電気出力を発生する発振器など
からなり、その出力がそれぞれ前記ミキサ回路３４．４
４の他方の入力となる基準オフセット周波数回路、３２
．４２は前記ミキサ回路３４．４４の出力をそれぞれ入
力しその出力光の一部がそれぞれ前記光ヘテロダイン検
波部３１．４１の他方の入力となる２２と同様の可変波
長光源部である。
このような構成の装置の動作を次に説明する。
基準波長光源部１の出力光が光周波数ＰＬＬ部２に入力
すると、以下のように光周波数ＰＬＬ部２は基準波長光
源部１の発振波長に対応する波長にその光出力の波長を
制御（ロック）する。可変波長光源２２の出力光は光周
波数逓倍部２３に入射し、非線形材料を用いた先導波路
で入力光の２次高調波を出力する。導波路として、ＺＴ
ＬＳの非線形薄膜およびＴｌＯ２の線形薄膜を用いた空
気−Ｔｔ　０２−ＺＴＩ　Ｓ−ガラスの４層スラブ光導
波路を用いて、非線形効果を効率良く起こしている。
光ヘテロダイン検波部２１は基準波長光源部１からの出
力光と光周波数逓倍部２３の出力光の周波数の差に等し
い周波数の電気信号（ビート信号）を出力する。可変波
長光源部２２はこの電気１８号の周波数がＯｌすなわち
基準波長光源部１と光周波数逓倍部２３の出力周波数が
等しくなるように出力光の周波数をｌｌｌ１１１する。
以上の結果基準波長光源部１の出力周波数をｆｓとする
と、可変波長光源２２の出力周波数ｆｏＩは ｆ　ｏ　ｒ　−１／　２　ｆ　ｓ　　　　　　　　　・
・・（１）となる。なおこの実施例では光周波数逓倍部
２３で２次高調波を利用しているが、任意のｎ次高調波
を用いてｎ分の１の出力周波数を得ることができる。光
周波数ＰＬＬ部３では光ヘテロダイン検波部３１の出力
周波数に基準オフセット周波数回路１０の基準オフセッ
ト周波数ｆ’ｓが加わるので、可変波長光源３２の出力
光の周波数はｒｏ２””ｒｏ＋＋ｒｏｓ ＝　　（１／２）　　ｆｓ　　＋ｆ、）　　ｓ　　　　
　　・＝　　（２）となる。同様に光周波数ＰＬＬ部４
において、可変波長光源４２の出力光の周波数は ｆ０３＝ｆ０２＋ｆＯ５ −（１／２）ｆｓ＋２ｆｏｓ　　・−（３）と仕る。す
なわも第２圀の周波数スペクトルの特性曲線図に示すよ
うに、第１図装置の各光周波数ＰＬＬ部から正確に周波
数間隔ｆｏｓ（例えば１０　Ｇ　ｌ−１ｚ　）の光出力
を発生できる。
第３図は第１図装置の基準波長光源部１の構成をさらに
具体化したものの構成ブロック図である。
ＬＤｌは半導体レーザ、ＰＥ１はこの半導体レーザＬＤ
１を冷却または加熱するペルチェ素子、ＣＴ１はこのペ
ルチェ素子ＰＥＩを駆動して前記半導体レーザＬＤ１の
温度を一定に制御する温度制御手段、ＴＢＩはこれらを
格納して温度変動を減少させる恒温槽、ＢＳｌは前記半
導体レーザＬＤ１の出力光を２方向に分離するビームス
プリッタ、ＵＭＩはこのビームスプリッタＢＳ１の透過
光を入射し変調手段を構成する音響光学変調器、ＣＬｌ
はこの音響光学変調器ＩＪＭ１の回折光出力を入射し特
定の波長の光を吸収する標準物質（ここではＲｂ）を封
入した吸収セル、ＰＤｌはこの吸収セルＣＬ１の透過光
を入射する光検出器、Ａ１はこの光検出ＷＰＤ１の出力
電気信号を入力する増幅器、ＬＡｌはこの増幅器Ａ１の
電気出力を入力するロックインアンプ、ＣＴ２はこのロ
ックインアンプＬＡ１の出力を入力し前記半導体レーザ
］−Ｄ１の′Ｒ流を制御する制御手段を構成するＰＩＤ
コントローラ、ＳＷｌは前記音響光学変調器ＵＭ１にそ
の一端が接続するスイッチ、ＳＧＩはその出力で前記ス
イッチＳＷ１が周波数ｆ箋（例えば２ｋＨｚ＞でオンオ
フする信号発生器、８Ｇ２は前記スイッチＳＷ１の他ζ
；に接続する周波数ｆＤ〈例えば８０ＭＨＺ　）の第２
の信号発生器である。
上記のような構成の半導体レーザ波長安定化装置の動作
を以下に詳しく説明する。半導体レーザＬＤ１は恒温槽
ＴＢＩ内で温度検出信号を入力する制御手段ＣＴ１によ
りペルチェ素子ＰＥＩを介して一定温度にＩＩＩ御され
ている。半導体レーザＬＤ１の出力光はビームスプリッ
タ８８１で２方向に分離され、反射光は外部への出力光
となり透過光は音響光学変調器ＵＭ１に入射する。スイ
ッチＳＷ１がオンの時音響光学変調器ＵＭＩは信号発生
器ＳＧ２の周波数ｆ、の出力で駆動されるので、周波数
ν０の入射光の大部分は回折して周波数（ドツプラ）シ
フトを受け、１次回折光として周波数ν、＋ｆ（、の光
が吸収セルＣＬ１に入射する。
スイッチＳＷ１がオフのときは入射光は全てＯ次回折光
として周波数ν０で吸収セルＣＬ１に入射する。スイッ
チＳＷ１は信号発生器ＳＧ１の周波数ｆ、のクロックで
駆動されるので、吸収セルＣＬ１に入射する光は変調周
波数ｆｍｌ　＋変調器さｆＯの周波数変調を受けること
になる。Ｒｂ原子の吸収スペクトルは７８Ｑｎｍの波長
で吸収線（Ｄ２線）を有する。吸収セルＣＬ１に音響光
学変調器ＵＭ１で変調された光が入射すると、吸収信号
の箇所でのみ透過光ｍｔｆｉ変調を受けて出力に信号が
現れる。この信号を光検出器ＰＤ１で電気信号に変換し
、増幅器Ａ１を介してロックインアンプＬＡ１において
周波数ｆ１１Ｌで同！■整流すれば、１次微分波形が得
られる。、ＰＩＤコントローラＣＴ２により半導体レー
ザＬＤＩの１Ｒ流を制御して、ロックインアンプＬＡ１
の出力を前記１次微分波形の中心にロック（制御）すれ
ば半導体レーザの出力光はνｓ　　ｆｏ／２（−ｆｓ）
の安定な周波数となる。これはレーザの発振周波数が′
ａＩ調されていないので、瞬時的にも非常に安定な光出
力として光周波数ＰＬＬ部２に入射する。
第４図は可変波長光源２２．３２および４２の具体例で
、共振器内に電気的に屈折率を制御できる素子を挿入し
て２！Ｉ！共振器形としたものである。
ＬＤ２は半導体レーザ、５１．５２はこの半導体Ｌ／−
ｆＬＤ２の両端に設けられた無反射コート部、ＬＳＩは
この無反射コート部５１から出射される光を平行光とす
るレンズ、ＨＭｌはこのレンズＬＳ１を通過した光が反
射されるハーフミラ−１ＬＳ２は無反射コート部５２が
ら出射される光を平行光とするレンズ、ＢＳ２はレンズ
ＬＳ２からの出射光を２方向に分離するビームスプリッ
タ、ＥｏｌはこのビームスプリッタＢＳ２を透過した光
を入射する、ＬｔＮｂＯ３にオフ酸リチウム）等からな
り両面無反射コートの電気光学素子、Ｍｌはこの電気光
学素子ＥＯＩの出射光を反射するミラー、Ｍｌはこの電
気光学素子ＥＯ１を通過した光が入射するミラー、ＥＯ
２は前記ビームスプリッタ８８２で反射した光を入射す
る電気光学素子、Ｍ２はこの電気光学素子ＥＯ２の出射
光を反射するミラーである。
半導体レーザＬＤ２の無反射コート部５１から出射した
光はレンズＬＳ１で平行光とされ、ハーフミラ−ＨＭＩ
で反射される。ハーフミラ−ＨＭｌからの反射光は光路
を元に戻って再び半導体レ−’ｆＬＤ２に入射する。無
反射コートｒＪ５５２から出射した光はレンズＬＳ２で
平行光となった後電気光学素子ＥＯ１を通過し、ミラー
Ｍ１で反射した後光の光路を逆行して、再び半導体レー
ザＬＤ２に入射する。この結果ハーフミラ−ＨＭｌとミ
ラーＭ１の間で共振器を構成できる。同様にハーフミラ
−ＨＭｌとミラーＭ２の間も共振器を構成する。電気光
学素子ＥＯ１，ＥＯ２の光路方向の長さをそれぞれＩｔ
　＋　＋　（１２、屈折率をそれぞれｎＴ＋ｎ２、ハー
フミラ−ＨＭｌ、Ｍｌ間の光路に沿ったｔ言を除く距離
を１１％ハーフミラ−ＨＭＩ、Ｍ２闇の光路に沿った１
２２を除く距離を１２、光速をＣ１ｑを整数とすると、
この場合の発振周波数ず・は ｆｏ−Ｑ　　−Ｃ／２１　　（Ｌ＋　　＋ｎｔ　　　（
Ｖｌ　　）ｊ！＋　　）−（Ｌ２　＋ｎ２　（Ｖ２　）
ａ２）ｌ　　　−（４）となる。ここで、Ｖｌ、Ｖ２は
電気光学素子Ｅ○１、ＥＯ２の電界強度を変えるための
電源電圧である。すなわち電源電圧Ｖ１．Ｖ２により電
気光学素子ＥＯ１，ＥＯ２の電界強度を変えることによ
り屈折率ｎｌ　、ｎ２を変化させることができ、その結
果発振周波数ｆｏが可変の光をハーフミラ−ＨＭｌから
出力できる。（４）式は分母を小さくできるので、発振
周波数の可変範囲を大きくできる。
上記のような構成の光周波数多重光源装置によれば、そ
の基準光出力が絶対波長で高精度かつ高安定にＲｈの吸
収線に制御できるので、高精度の多重光源を実現できる
。
またそれぞれの周波数間隔も高精度に制御できる。
またそれぞれの周波数間隔が狭く、かつ安定なため、高
密度な光周波数多重光源を実現できる。
また可変波長レーザダイオードとして外部共振層形レー
ザダイオードを用いるため、共振器のＱが高く、発振ス
ペクトル幅を狭くすることができる。
また基準波長光源１において、ＲｂのＤ２線の吸収波長
は７８０ｎｍであり、これを光周波数ＰＬＬ部２におい
て２逓倍すると１５６０ｎｍとなり、光フアイバ通信波
長である１５００ｎｍ帯と一致した光出力を得ることが
できる。
以上の特長により、高密度光周波数多重通信が可能とな
るのみならず、測長なと、高精度光応用計測器用光源と
して利用しても、大幅な性能アップが予想される。
なお上記の実施例において、可変波長光［３２゜４２の
出力と光ヘテロダイン検波部３１．４１の入力の間に超
音波変調器を挿入してオフセット周波数を加えてもよい
。
また光周波数逓倍部２３の逓倍数は任意の整数を用いる
ことができる。逓倍数が１の場合は光周波数逓倍部２３
を省略できる。このとき、各出力光の周波数は ｆ’ｏ＋−ｆ’ｓ ｆ、、−ｒ６＋ｆｏｓ ｆｏ３−ｆｓ＋２ｆｏｓ とむる。この場合には１段目の光周波数ＰＬＬ部２を省
略して、その代りに基準波長光源１の出力を第１段出力
光として用いることができる。
また上記実施例では各段の光周波数ＰＬＬ部に同一の基
準オフセット周波数ｆ’ｏｓを加えているが、各段ごと
に複数の異なる基準オフセット周波数ｆＯ８Ｉ＋ｆＯ８
２を加えてもよい。
また光周波数ＰＬＬ部は３段に限らず、任意の複数段用
いることができる。
また、上記の実施例では基準波長光１１ｉ１として、線
形吸収法を用いているが、飽和吸収法（堀、開田、北野
、藪崎、小川：飽和吸収分光を用いた半導体レーザの周
波数安定化、信学技報　０ＱＥ８２−１１６）によりド
ツプラシフトで隠れている超微細構造の吸収線を検出し
て、これにレーザダイオードＬＤ１の発振波長をロック
すれば、吸収スペクトルがより細くなるので、さらに高
安定となる。
また上記の実施例では基準波長光源部１においてＲｂの
吸収線を利用しているが、これらに限らず、絶対波長で
高精度、高安定線な任意の吸収線例えばＣｓ　＊　Ｎ　
ＨｓやＨ２Ｏの吸収線（１５００ｎｍ帯）を用いること
もできる。
また上記の＊施例では、基準波長光源１においてロック
インアンプＬＡＩの参照周波数として変調周波＠　ｆ　
１Ｋを用いたがその整数倍の周波数としてもよい。
また上記の実施例では、基準波長光源１において変調手
段として音響光学変調器を用いてｌ、Ｎるが、これに限
らず、例えば電気光学素子を用いた位相変ａｍを用いて
もよい。これには例えば縦型変調器、横型変調器、進行
波形変調器などがある（Ａｍｎｏｎ　　Ｙａｒｉｆ：光
エレクト０ニクスの基礎（丸善）、ｐ２４７〜ｐ２５３
）。
また上記の実施例では、基準波長光源１において制御手
段の出力で半導体レーザの［流を１ＩＩＩｔＩｌシてい
るが、これに限らず半導体レーザの・′ａｒ！！、を制
御してもよい。
また上記の実施例では、可変波長光源が音響光学変調器
を用いているが、これに限らず、共振器内に超音波変調
器を挿入して、その回折時のドツプラ効果を利用して波
長選択性を持たせてもよい（特願昭６０−２８７１６２
号明細ｌ）。
また光ヘテロダイン検波部にＷ−Ｎｉ　　（タングステ
ン、ニッケル）点接触ダイオードやジョゼフソン素子を
使うこともできる。これらの素子は逓倍とミキサの両方
の機能を儀えているため、第１図におけるミキサ回路３
４．４４や、光周波数逓倍部２３を不要とすることもで
きる。
（発明の効果） 以上述べたように本発明によれば、高密度に光周波数多
重化した安定化光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例に係る光周波数多重光源の基
本構成を示す構成ブロック図、第２図は第１図装置の出
力光の周波数スペクトルを示す特性曲線口、第３図は第
１図の基準波長光源部の具体的な構成を示す構成ブロッ
ク図、第４図は′１ｌＳ１図の可変波長光源の具体的な
構成を示す構成ブロック図である。 １・・・基準波長光源部、２．３．４・・・光周波数Ｐ
ＬＬ部、ｆ’ｏｓ・・・周波数間隔。 第１図 ｎ 第２図 第３　図 第　４　図

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）複数の異なる波長の光を安定化して出力する光周
    波数多重光源において、 入力光の波長に対応して出力光の波長を制御する複数の
    縦続接続した光周波数ＰＬＬ部と、第１段目の前記光周
    波数ＰＬＬ部の入力に一定波長の出力光を印加する基準
    波長光源部とを備え、２段目以降の前記光周波数ＰＬＬ
    部の出力光がその入力光に対しそれぞれ所定の周波数間
    隔を有するように構成したことを特徴とする光周波数多
    重光源。
  2. （２）基準波長光源部としてＲｂ原子またはＣｓ原子の
    吸収スペクトルにレーザダイオードの発振波長を制御し
    たものを用いた特許請求の範囲第１項記載の光周波数多
    重光源。
  3. （３）基準波長光源部としてＲｂ原子のＤ＿２（７８０
    ｎｍ）線またはＤ＿１線（７９５ｎｍ）の吸収スペクト
    ルにレーザダイオードの発振波長を制御したものを用い
    、第１段目の光周波数ＰＬＬ部が前記発振波長の２倍の
    波長帯域の光を出力する特許請求の範囲第１項記載の光
    周波数多重光源。
  4. （４）基準波長光源部として半導体レーザの出力光の一
    部を入射して周波数変調する音響光学変調器と、この音
    響光学変調器の出力光を入射して特定の波長で吸収を起
    こす標準物質を封入した吸収セルと、この吸収セルの透
    過光を電気信号に変換する光検出と、この光検出器の出
    力電気信号に関連する電気信号を入力して前記音響光学
    変調器の変調周波数またはその整数倍の周波数で同期整
    流するロックインアンプと、このロックインアンプの出
    力が一定値となるように前記半導体レーザの電流または
    温度を制御する制御手段とを備えた特許請求の範囲第１
    項記載の光周波数多重光源。
  5. （５）光周波数ＰＬＬ部が基準波長光源部または前段の
    光周波数ＰＬＬ部の出力光を一方の入力とする光ヘテロ
    ダイン検波部と、この光ヘテロダイン検波部の電気出力
    に関連する出力により出力光の発振波長が制御される可
    変波長光源部とを備え、この可変波長光源部の出力光に
    関連する光を前記光ヘテロダイン検波部の他方の入力と
    した特許請求の範囲第１項記載の光周波数多重光源。
  6. （６）第２段目以降の光周波数ＰＬＬ部が基準波長光源
    部の出力光を一方の入力とする光ヘテロダイン検波部と
    、この光ヘテロダイン検波部の電気出力を入力するミキ
    サ回路と、このミキサ回路の電気出力に関連する出力に
    より出力光の発振波長が制御される可変波長光源部とを
    備え、この可変波長光源部の出力光を前記光ヘテロダイ
    ン検波部の他方の入力とした特許請求の範囲第１項記載
    の光周波数多重光源。
  7. （７）可変波長光源部が共振器内の光路の屈折率を制御
    できるようにした特許請求の範囲第５項または第６項記
    載の光周波数多重光源。
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