WO2006041103A1 - ロック検出装置及び光フェーズロックループシステム - Google Patents

ロック検出装置及び光フェーズロックループシステム Download PDF

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WO2006041103A1
WO2006041103A1 PCT/JP2005/018806 JP2005018806W WO2006041103A1 WO 2006041103 A1 WO2006041103 A1 WO 2006041103A1 JP 2005018806 W JP2005018806 W JP 2005018806W WO 2006041103 A1 WO2006041103 A1 WO 2006041103A1
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WO
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phase
optical
signal
optical signal
phase comparison
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Application number
PCT/JP2005/018806
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English (en)
French (fr)
Inventor
Shigehiro Takasaka
Yasuyuki Ozeki
Original Assignee
Japan Science And Technology Agency
The Furukawa Electric Co., Ltd.
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Filing date
Publication date
Application filed by Japan Science And Technology Agency, The Furukawa Electric Co., Ltd. filed Critical Japan Science And Technology Agency
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Priority to US11/577,128 priority patent/US7715725B2/en
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L7/00—Arrangements for synchronising receiver with transmitter
    • H04L7/0075—Arrangements for synchronising receiver with transmitter with photonic or optical means

Definitions

  • the present invention relates to a lock detection device and an optical phase lock loop system.
  • phase-locked loop PLL
  • the phase-lock loop device 200 includes a signal source 210, an electric mixer 220 as a phase detector, a loop filter 230, a VCO (Voltage Controlled Oscillator) 240, and a prescaler. 250.
  • FIG. 19 shows the operation of the electric mixer 220 as a phase comparator.
  • the electric mixer 220 outputs a product of an input electric signal as a reference signal from the signal source 210 and an output electric signal output from the VCO 240 and divided by the prescaler 250. Therefore, the difference frequency and sum frequency of the two signals are output in the frequency domain. Since the difference frequency component reflects the phase difference between the two signals, the electric mixer 220 can operate as a phase comparator by extracting only the difference frequency with the loop filter 230.
  • the loop filter 230 outputs a positive signal when the phase difference between the input electrical signal and the output signal of the VCO 240 is 0 degrees, a 0 signal when the phase difference is 90 degrees, and a phase difference of 180 degrees. Outputs a negative signal, and the signal changes continuously according to the phase difference.
  • phase-locked loop device that outputs an electrical signal of 100 [GHz] or higher is manufactured. Is difficult.
  • phase-locked loop device capable of outputting a signal at 100 [GHz] or more
  • an optical phase-locked loop device for example, see Patent Document 1.
  • an example of an optical phase-locked loop device will be described with reference to FIG.
  • an optical phase-locked loop device 300 includes a phase detector including a multiplexer 310 and a phase comparator 320, a loop filter 330, and an OVCO (Optical Voltage Controlled Oscillator). Controlled oscillator) 340 and three elements.
  • a phase detector including a multiplexer 310 and a phase comparator 320, a loop filter 330, and an OVCO (Optical Voltage Controlled Oscillator). Controlled oscillator) 340 and three elements.
  • an optical signal is used as an input signal, and a beat optical signal synchronized with the input signal is output from the OVCO 340.
  • the OPLL 340 includes LDs (Laser Diodes) 341 and 342 and a light power plastic 343.
  • LDs Laser Diodes
  • the output light of two LD341 and 342 having different output light wavelengths are combined by the optical power plastic 343.
  • the polarization of the optical output of the LD341 and 342 is the same.
  • the two optical outputs interfere within the optical power bra 343, and the optical power bra 343 outputs beat light that vibrates at a frequency corresponding to the wavelength difference.
  • the restriction on the wavelength difference is determined by the bandwidth of the light power bra 343.
  • the usual optical power bra has a bandwidth of 10 [THz] or more, it is easy to output beat light that vibrates at a frequency of 100 [GHz] or more.
  • LD341 and 342 can change the output wavelength according to the drive current and control temperature. Therefore, the OVCO 340 can control the output wavelength of the LDs 341 and 342 in accordance with the input optical signal and change the frequency of the beat optical signal to be output.
  • the phase comparator 320 outputs an electrical signal corresponding to the phase difference between the two input signal light intensities using nonlinear effects such as two-photon absorption or second harmonic generation, four-wave mixing, and Kerr effect.
  • APD Align photo diode
  • PMT Phot on multiplier Tube
  • PPLN Periodical Poled Lithum Niobate
  • Hitoshigaa is, as four-wave mixing element, a highly nonlinear fiber, SOA (semiconductor optical Amplifi e r : There are semiconductor optical amplifiers) or the like, as a method of utilizing the Kerr effect, NOLM (nonlinear optical Loop Mirror : Non-linear optical loop mirror).
  • SOA semiconductor optical Amplifi e r : There are semiconductor optical amplifiers
  • NOLM non-linear optical Loop Mirror : Non-linear optical loop mirror.
  • Non-linear phenomenon from several hundred [fs] Since it is performed in a short time and has a frequency band of 10 [THz] or more, phase comparison can be performed even for signals of 100 [GHz] or more.
  • Si-APD has little sensitivity to light at a wavelength of 1550 [nm], but has sensitivity to light having a wavelength shorter than 800 [nm]. Therefore, even if 1550 [nm] light is incident, almost no photocurrent is generated, but it is sensitive to the two-photon absorption phenomenon of 1550 [ ⁇ ].
  • the photocurrent generated by two-photon absorption has a term proportional to the cosine cos ⁇ of the phase difference ⁇ between the two input lights.
  • the photocurrent generated by the two-photon absorption is the sum of the steady value determined by the optical power regardless of the phase difference ⁇ and the part due to the contribution of the cosine cos ⁇ .
  • the contribution of cosine cos ⁇ can be extracted as the difference between the output photocurrent and the average photocurrent, and can be used as a phase comparison signal.
  • the loop filter 330 shapes the phase comparison signal and outputs the control signal of the OVCO 340, as used in a normal phase-locked loop device.
  • the OVCO 340 outputs a beat optical signal
  • the optical power coupler 310 and the phase comparator 320 use a nonlinear effect to perform phase comparison between the input optical signal and the beat optical signal.
  • the operation as an optical phase-locked loop device is the same as that of the analog phase-locked loop device in FIG.
  • the optical phase-locked loop device 300 can generate a signal that can output beat light of 100 [GHz] or more in synchronization with the input optical signal.
  • an electrical phase comparator in the electrical phase-locked loop device may be replaced with an optical phase comparator using two-photon absorption in Si-APD (for example, see Non-Patent Document 1).
  • an electrical signal synchronized with an optical signal of 12.5 [Gbits / s] is output.
  • Patent Literature 1 Pamphlet of International Publication No. 03Z104886
  • Non-Patent Literature 1 Reza unorm, TE Murphy 'Broad-Bnad Optical Clock Recovery byst em Using Two-photon Absorption ", IEEE Photon. Technol. Lett., Vol9, pp2141-214 3, Sep. 2004. Disclosure of the invention
  • the conventional optical phase-locked loop device has a force lock detection mechanism that operates as an optical phase-locked loop device. The power to detect whether the optical signal is synchronized
  • the electric phase comparator in the conventional electric phase-locked loop apparatus is replaced with an optical phase comparator using two-photon absorption in Si-APD. It is difficult to output at a frequency of 100 [GHz] or higher.
  • An object of the present invention is to detect lock between an input optical signal and a beat optical signal in an optical phase-locked loop device that outputs a beat optical signal synchronized with the input optical signal.
  • a lock detection device includes:
  • a first phase detector that compares the phases of the input optical signal and the beat optical signal and outputs a first phase comparison signal
  • a loop filter that shapes the first phase comparison signal
  • the shaped first An optical voltage control oscillator that outputs the beat optical signal based on the phase comparison signal
  • a lock detector that detects the lock of the optical phase lock loop device
  • a phase shifter for shifting the phase of the beat optical signal
  • a second phase detector for comparing the phase of the input optical signal and the phase-shifted beat optical signal and outputting a second phase comparison signal
  • the phase shifter phase-shifts the beat optical signal by an amount that the phase comparison signal does not become zero when the phases of the two optical signals compared by the second phase detector are synchronized. It is characterized by that.
  • a first phase detector that compares the phases of the input optical signal and the beat optical signal and outputs a first phase comparison signal, a loop filter that shapes the first phase comparison signal, and the shaped first Optical voltage control generator that outputs the beat light signal based on the phase comparison signal of
  • a lock detector for detecting a lock of an optical phase-locked loop device comprising:
  • a phase shifter for shifting the phase of the input optical signal
  • a second phase detector that compares phases of the beat optical signal and the phase-shifted input optical signal and outputs a second phase comparison signal
  • the phase shifter phase-shifts the input optical signal by an amount that the phase comparison signal does not become zero when the phases of the two optical signals compared by the second phase detector are synchronized. It is characterized by that.
  • the phase shifter may shift the phase of the beat optical signal or the input optical signal according to a difference in optical path length.
  • At least one of the first and second phase detectors is
  • a multiplexing unit for multiplexing the input optical signal and the beat optical signal
  • phase comparison unit that outputs a phase comparison signal corresponding to a phase difference between the input optical signal and the beat optical signal by using a non-linear effect using the combined optical signal.
  • the phase comparison unit may be Si-APD.
  • the Si-APD may be provided with an antireflection film corresponding to the wavelength of the input optical signal.
  • the phase comparator is a photomultiplier tube.
  • the phase comparison unit outputs a second harmonic generation crystal and the second harmonic generation crystal.
  • a light receiving unit that receives the received light and outputs a phase comparison signal.
  • the phase comparison unit includes a periodically poled LiNb03 crystal and a light receiving unit that receives light output from the periodically poled LiNb03 crystal and outputs a phase comparison signal.
  • the phase comparison unit may include a highly nonlinear fiber and a light receiving unit that receives light of a wavelength newly generated from the highly nonlinear fiber and outputs a phase comparison signal.
  • optical phase-locked loop device The optical phase-locked loop device
  • You may comprise as an optical phase-locked loop system characterized by providing.
  • a first phase detector that compares the phases of the input optical signal and the beat optical signal and outputs a first phase comparison signal
  • a loop filter that shapes the first phase comparison signal
  • the shaped first An optical voltage control oscillator that outputs the beat optical signal based on the phase comparison signal of
  • the optical voltage controlled oscillator adjusts the first and second light sources that output optical signals having different frequencies from each other and the optical signals output from the first and second light source powers by using a wave plate.
  • a phase shifter that shifts the phase of the optical beat signal output from the voltage controlled oscillator, and a beam splitter that multiplexes the adjusted optical signal and separates it into first and second beat optical signals,
  • the first phase detector compares the phase of the input optical signal and the first beat optical signal and outputs a first phase comparison signal
  • a second phase detector for comparing the phase of the input optical signal and the second beat optical signal and outputting a second phase comparison signal
  • the phase shifter When the phase of two optical signals compared by the second phase detector is synchronized with the optical signals output from the first and second light sources, the phase shifter The amount that the comparison signal does not become 0 is adjusted. [0029] In the optical phase-locked loop system according to the third invention,
  • the phase shifter includes: a ⁇ 2 wavelength plate that transmits an output signal of the first light source; and a ⁇ 4 wavelength plate that transmits an output signal of the second light source;
  • the beam splitter combines the optical signal that has passed through the ⁇ 2 wavelength plate and the optical signal that has passed through the ⁇ ⁇ 4 wavelength plate so that the first beat optical signal and the phase of the first beat optical signal are 90 °. It may be separated into a second beat optical signal that is shifted in degree.
  • At least one of the first and second phase detectors is
  • a multiplexing unit for multiplexing the input optical signal and the beat optical signal
  • phase comparison unit that outputs a phase comparison signal corresponding to a phase difference between the input optical signal and the beat optical signal by using a non-linear effect using the combined optical signal.
  • the phase comparison unit may be Si-APD.
  • the Si-APD may be provided with an antireflection film corresponding to the wavelength of the input optical signal.
  • the phase comparator is a photomultiplier tube.
  • the phase comparison unit may include a second harmonic generation crystal and a light receiving unit that receives light output from the second harmonic generation crystal and outputs a phase comparison signal.
  • the phase comparison unit includes a periodically poled LiNb03 crystal and a light receiving unit that receives light output from the periodically poled LiNb03 crystal and outputs a phase comparison signal.
  • the phase comparison unit may include a highly nonlinear fiber and a light receiving unit that receives light of a wavelength newly generated from the highly nonlinear fiber and outputs a phase comparison signal.
  • the phase shifter when the phases of the two optical signals compared by the second phase detector are synchronized, the beat of the phase comparison signal does not become zero.
  • the optical signal is phase-shifted, and the second phase detector outputs the second phase comparison signal between the input optical signal and the phase-shifted beat optical signal. Based on the second phase comparison signal, The lock of the optical phase lock loop device can be detected.
  • the phase shifter when the phases of the two optical signals compared by the second phase detector are synchronized, the phase comparison signal is input by an amount that does not become zero.
  • the optical signal is phase-shifted, and the second phase detector outputs a second phase comparison signal between the beat optical signal and the phase-shifted input optical signal. Therefore, based on the second phase comparison signal, The lock of the optical phase lock loop device can be detected.
  • the phase comparison signal power SO The optical signal is adjusted by an amount that does not become the same, and the first and second beat optical signals are generated based on the two adjusted optical signals.
  • the second phase detector detects the input optical signal and the second optical signal. Since the second phase comparison signal of the optical signal is output, the lock of the optical phase-locked loop device can be detected based on the second phase comparison signal regardless of the change in the frequency of the input optical signal.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical phase-locked loop system 1 a according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing the configuration of phase detectors 10 and 140.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of Si-APD12.
  • FIG. 4A is a diagram showing a configuration of a variable optical delay unit 130a.
  • FIG. 4B is a diagram showing a configuration of a variable optical delay unit 130b.
  • FIG. 5 is a diagram showing optical path lengths in the optical phase-locked loop system 1 ⁇ .
  • FIG. 6 is a diagram showing each signal in the optical phase-locked loop system 1 (X.
  • FIG. 7 is a diagram showing a normalized output with respect to a phase difference between two signals of a beat optical signal and an input optical signal in the phase detector 140.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of an optical phase-locked loop system 1/3 according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B A diagram showing a configuration of the beam splitter 11B.
  • FIG. 9B is a diagram showing an example in which the optical power bra 11 and the optical amplifier 14 are installed.
  • FIG. 10A is a diagram showing a configuration of incident light and reflected light when the optical element is tilted.
  • FIG. 10B is a diagram showing trajectories of incident light and reflected light when Si-APD is tilted.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration including an optical isolator 15 in a phase detector.
  • FIG. 12 is a diagram showing a configuration including a PMT 16 in a phase detector.
  • FIG. 13 is a diagram showing a configuration in which an SHG crystal 17 is provided in a phase detector.
  • FIG. 14 is a diagram showing a configuration including a PPLN 18 in a phase detector.
  • FIG. 15 is a diagram showing a configuration including an HNLF 19 in a phase detector.
  • FIG. 16 is a diagram showing a configuration of an optical phase-locked loop system 1 ⁇ .
  • FIG. 17 is a diagram showing a state change of an optical signal in OVCO 30A.
  • FIG. 18 is a diagram showing a configuration of a phase-locked loop device 200.
  • FIG. 19 is a waveform diagram showing the operation of the electric mixer 220.
  • FIG. 20 is a diagram showing a configuration of an optical phase-locked loop device 300.
  • FIG. 1 shows a configuration of an optical phase-locked loop system 1 ⁇ according to the present embodiment.
  • the optical phase-locked loop system 1a is equipped with an optical phase-locked loop system.
  • a lock detection device 100A that detects the lock by comparing the phases of the input optical signal and the beat optical signal of the optical phase lock loop device 1.
  • the phase-locked loop device 1 includes a phase detector 10, a loop filter 20, and an OVCO 30.
  • the OVCO 30 includes LD 31 and 32 and a light power plastic 33.
  • the lock detection device 100A includes a duplexer 110, a duplexer 120, a ⁇ 2 shift device 130A, and a phase detector 140.
  • the demultiplexer 110 demultiplexes the input optical signal into two optical signals having the same phase, and is configured by, for example, an optical power bra.
  • the phase detector 10 compares the phases of the two input optical signals and outputs a phase comparison signal as a comparison result.
  • the loop filter 20 shapes the phase comparison signal of the phase detector 10 and outputs it.
  • the OVCO 30 outputs a beat optical signal based on the phase comparison signal output from the loop filter 20.
  • the LD31 and 32 output two optical signals having different frequencies, and the two optical signals are combined by the optical power bra 33, and the beat optical signal corresponding to the frequency difference is 2 Divided into two beat light signals and output.
  • the polarization plane of each output light is the same.
  • One beat optical signal of the two beat optical signals output from the optical power bra 33 is output as an output, and the other beat optical signal is demultiplexed into two beat optical signals by the splitter 120. Is done.
  • One beat optical signal of the two demultiplexed beat optical signals is input to the phase detector 10 again.
  • the phase detector 10 compares the phases of the input optical signal demultiplexed by the demultiplexer 110 and the beat optical signal demultiplexed by the demultiplexer 120 to form a loop.
  • the phase difference between the input optical signal and the beat optical signal is controlled to be 90 degrees.
  • the ⁇ 2 shifter 130A shifts the phase of the other beat optical signal demultiplexed by the demultiplexer 120 by ⁇ 2 and outputs it.
  • the phase detector 140 compares the phase of the optical signal shifted by ⁇ ⁇ 2 by the ⁇ ⁇ 2 shifter 130A and the input optical signal demultiplexed by the demultiplexer 110, and outputs a phase difference comparison signal as a comparison result. Output as a lock detection signal.
  • the ⁇ 2 shifted optical signal input to the phase detector 140 and the input optical signal are set so that their polarization planes coincide with each other.
  • FIG. 2 shows the configuration of the phase detectors 10 and 140.
  • Phase detector 10, 140 has two optical signals It consists of two elements: a multiplexing unit that combines signals and a phase comparison unit that compares the phases of optical signals using nonlinear effects.
  • the phase detectors 10 and 140 are configured to include an optical power bra 11 as a multiplexing unit and a Si-APD 12 as a phase comparison unit.
  • the optical power bra 11 multiplexes and outputs the input optical signal demultiplexed by the demultiplexer 110 and the beat optical signal demultiplexed by the demultiplexer 120.
  • the optical power bra 11 is set so that the polarization of the two lights after multiplexing is the same by the polarization controller in advance, or the polarization maintaining fiber and the polarization are changed. Consists of a wave holding bra.
  • the Si-APD12 is a light-receiving unit that uses two-photon absorption as a nonlinear effect. The output photocurrent corresponding to the phase difference between the two optical signals before multiplexing is compared to the optical signal combined by the optical power bra 11. Is output as a phase comparison signal.
  • FIG. 3 shows the configuration of the Si-APD 12.
  • the Si-APD12 has a Si-APD body 12A, and an AR coating (Anti Reflection Coating) 12B is applied to the surface of the window material as the light-receiving surface of the Si-APD body 12A.
  • the lens 14 is set so that the incident light is focused on the light receiving surface of the Si-APD 12A.
  • Si-APD has the highest sensitivity at 800 [nm] and has little sensitivity to light having a wavelength longer than 1100 [nm]. Therefore, when the wavelength of the input optical signal is 1550 [nm], the energy power of light of 1550 [nm] is smaller than the band gap of Si-APD. Almost no current is generated. However, when two-photon absorption occurs in Si-AP D, a photocurrent is generated because the sum of two-photon energy exceeds the band gap of Si-APD.
  • the incident light is stopped by a lens so that the spot size becomes the smallest on the light receiving surface of the Si-APD. Therefore, in the present embodiment as well, it is preferable to narrow the incident light with a NA (Numerical Aperture) lens 13 as large as possible in order to reduce the spot size.
  • NA Numerical Aperture
  • the commercially available Si-APD is provided with an AR coating for minimizing the reflection of light with a maximum light receiving sensitivity of 800 [nm]. For this reason, reflection of 10% or more of incident light occurs for light of 1550 [nm], which is different from the optimum wavelength in the AR coating.
  • the photocurrent output by the two-photon absorption phenomenon is detected using 1550 [nm] light as incident light. Therefore, 155 It is desirable that the surface of the Si-APD body 12A is coated with an AR coating 12B that is optimal for 0 [nm].
  • the Si-APD 12 is such that the AR coat 12B optimum for the wavelength of the input optical signal is applied to the Si-APD main body 12A having the maximum sensitivity in a portion shifted from the wavelength of the input optical signal.
  • Si-APD is preferable because it can reduce polarization dependence and has a simpler configuration than a phase comparison unit using another method.
  • the configuration is simple, it is easy to shorten the loop length even when using Si-APD for the phase detector 10 and increasing the loop bandwidth, which is preferable.
  • FIG. 4A and FIG. 4B show an example of a ⁇ 2 shifter 130A that uses the difference in optical path length.
  • Figure 4 shows the configuration of the variable optical delay unit 130a.
  • FIG. 4B shows the configuration of the variable optical delay unit 130b.
  • the ⁇ 2 shifter 130A includes a variable optical delay unit 130a or 130b that uses the difference in optical path length.
  • the variable optical delay unit 130a includes mirrors 131 and 132.
  • the optical path length is spatially adjusted by adjusting the position of the mirror 131.
  • FIG. 5 shows optical path lengths in the optical phase-locked loop system 1 at.
  • the optical path length between the output unit of the duplexer 110 and the input unit of the phase detector 10 is defined as a path P1
  • the output unit of the duplexer 110 and the input unit of the phase detector 140 are
  • the path length between the output section of OVCO 30 and the input section of phase detector 10 is defined as path P3
  • the path length between the output section of OVC030 and the input section of phase detector 140 is The optical path length is path P4.
  • the variable optical delay unit 130a is adjusted so as to satisfy the following expression (1).
  • P1 + P3 P2 + P4 + (or-) c / (4 X f X n)...
  • c is the speed of light
  • f is the frequency of the beat optical signal of OVCO30
  • n is the refractive index of the optical path.
  • the phase detection phase of the phase detector 10 and the phase detector 140 is shifted by 90 degrees.
  • the optical path difference is determined by the frequency f, when the frequency of the OVCO beat optical signal is fixed, a variable optical delay unit that uses the optical path difference can be used.
  • variable optical delay unit 130b As the variable optical delay unit that uses the difference in optical path length, the variable optical delay unit 130b shown in FIG. 4B may be used.
  • the variable optical delay unit 130b includes a piezo element 133 as a piezoelectric body, and an optical fiber 134 attached to the piezo element 133. By increasing or decreasing the diameter of the piezo element 133 by energization, the optical fiber 134 is increased or decreased to adjust the optical path length.
  • a variable optical delay unit that utilizes the difference in optical path length can be realized by using a PLC (Planar Lightwave Circuit).
  • FIG. 6 shows each signal in optical phase-locked loop system 1 (X.
  • phase detector 10 when optical phase-locked loop device 1 is operating normally and the phase is synchronized, phase detector 10 In other words, negative feedback is performed so that the phase comparison signal power is output from the OVCO30 (optical power bra 33) and the input optical signal output from the duplexer 110.
  • the phase difference from the light is 90 degrees, and since the OVCO30 uses Si-APD as the phase comparator, the output light generated by the two-photon absorption of the beat light signal itself and the input light signal itself
  • the current is generated as an offset current, and the phase comparison signal is the difference current of the offset current force.
  • phase comparison signal When the optical phase-locked loop device 1 is locked, the phase comparison signal is always 0. Since the phase comparison signal takes a random value when not locked, the average value of the phase comparison signal from which the loop filter force is also output is zero. Therefore, it is unknown whether the phase comparison signal in the optical phase lock loop device 1 is locked or not.
  • FIG. 7 shows the normalized output with respect to the phase difference between the two signals of the beat optical signal and the input optical signal in the phase detector 140.
  • the optical phase lock loop device 1 is locked.
  • the average value of the phase comparison signal is positive when the phase difference is SO degrees and negative when the phase difference is 180 degrees.
  • the phase comparison signal takes a random value when it is not locked, its average value is zero. Therefore, a difference occurs in the average value of the phase comparison signal depending on whether or not the lock operation is performed, so that it is possible to indicate whether or not the lock is performed.
  • the OVCO 30 is controlled so that the output of the phase detector 10 becomes zero.
  • the phase of the input optical signal and the beat optical signal has a phase difference of ⁇ 2.
  • the phase difference becomes 0 or ⁇ , and the output of the phase detector 140 is not zero.
  • the output of the phase detector 140 has a non-zero value when synchronized, and when not synchronized, the output phase is random, so that the output is zero when averaged. Therefore, synchronization detection can be performed. These situations are shown in Table 1 below.
  • the amount that does not become the phase comparison signal power ⁇ is only 90 degrees.
  • the beat optical signal is phase-shifted, and the phase detector 140 outputs a phase comparison signal (lock detection signal) between the input optical signal and the phase-shifted beat optical signal, so that it is output from the phase detector 140. Based on the phase comparison signal, the lock of the optical phase lock loop device 1 can be detected.
  • the phase of the beat optical signal is caused by the difference in the optical path length. Can be shifted.
  • the phase comparison signal can be output by the multiplexing unit and the phase comparison unit.
  • the phase comparison unit is Si-APD12
  • the polarization dependence can be reduced and the device configuration can be simplified.
  • the loop length of the optical phase-lock loop device 1 can be reduced by using Si-APD for the phase detector 10.
  • the optical signal corresponding to the wavelength of the input optical signal is changed to the Si-AP D
  • the efficiency of incident light can be increased.
  • FIG. Figure 8 shows the configuration of the optical phase-locked loop system 1 ⁇ in this embodiment.
  • the optical phase lock loop system 1 ⁇ includes the same optical phase lock loop device 1 as that of the first embodiment and a lock detection device 100B.
  • the lock detection device 100B includes a duplexer 110, a duplexer 120, and a phase detector 140, and further includes a ⁇ 2 shifter 130B.
  • the ⁇ 2 shifter 130B shifts the phase of the input optical signal demultiplexed by the power splitter 110 similar to the ⁇ 2 shifter 130A of the first embodiment by ⁇ 2.
  • the phase detector 140 compares the phase of the input optical signal shifted by ⁇ ⁇ 2 by the ⁇ ⁇ 2 shifter 130A and the beat optical signal demultiplexed by the demultiplexer 120, and the phase as a result of the comparison is compared.
  • the comparison signal is output as a lock detection signal. For this reason, the lock detection device 100B outputs a lock detection signal similar to that of the lock detection device 100A of the first embodiment.
  • the phase detector 140 when the two optical signals compared by the phase detector 140 are in phase, the amount that the phase comparison signal does not become zero is ⁇
  • the phase of the input optical signal is shifted by ⁇ 2
  • the phase detector 140 outputs a phase comparison signal (lock detection signal) between the beat optical signal and the phase-shifted input optical signal. Based on the phase comparison signal, the lock of the optical phase lock loop device 1 can be detected.
  • FIG. 9A shows the configuration of the beam splitter 11 A
  • FIG. 9B shows an example in which the optical power bra 11 and the optical amplifier 14 are installed.
  • a beam splitter 11A may be used as a multiplexing unit in the phase detectors 10 and 140.
  • the beam splitter 11A is used when the optical system is constructed with a spatial system.
  • the beam splitter 11A preliminarily sets the polarization so that the polarization of the combined light becomes the same.
  • the multiplexing unit in the phase detectors 10, 140 may be a first mirror instead of the beam splitter 11A.
  • an optical amplifier 14 may be provided at the subsequent stage of the multiplexing section (in the figure, the optical power bra 11) in the phase detectors 10, 140.
  • the optical signal after the multiplexing by the multiplexing unit in the phase detectors 10 and 140 is input to the Si-APD 12 as the phase comparison unit.
  • the optical amplifier 14 is used. It is amplified by using it.
  • FIGS. 10A and 10B show the configuration of incident light and reflected light when the optical element is tilted.
  • Figure 10B shows the locus of incident and reflected light when the Si-APD is tilted.
  • incident light is indicated by a solid line
  • reflected light is indicated by a dotted line.
  • the AR coating 12B optimum for the incident wavelength is made of Si.
  • the optical system shown in FIG. 10A is used in optical modules such as optical isolators and optical filters.
  • the light beam emitted from the emission end 13D is collimated by the lens 13B, passes through the optical element 13C, is condensed by the lens 13A, and is input to the input end 13E. Since the optical element 13C is installed obliquely with respect to the collimated light (its optical axis), the focal point of the reflected light is spatially shifted from the incident point. For this reason, the amount of reflected light returning to the front stage of the optical module 13C is usually -50 dB or less of the incident light power.
  • the reflected light is reflected by the optical components in front of the Si-APD12 and enters the Si-APD12 again, it interferes with the light directly incident on the Si-APD12 and the two-photon absorption efficiency is wavelength dependent. .
  • FIG. 11 shows a configuration including the optical isolator 15 in the phase detector.
  • the wavelength dependence of the efficiency at which the above-described two-photon absorption occurs is alleviated by the configuration in which the optical isolator 15 is inserted between the optical power plug 11 and the Si-APD 12 in the phase detectors 10 and 140.
  • an optical circuit or the like may be inserted.
  • an optical isolator or the like may be inserted before the phase comparison unit having another configuration as described below. For a phase comparison unit that collects light using a lens, such as a PMT or SHG crystal. It is effective.
  • FIG. 12 shows a configuration including the PMT 16 in the phase detector.
  • PMT as an element that outputs an electrical signal corresponding to the phase difference of incident light using two-photon absorption.
  • a lens 13F and a PMT 16 as a phase comparison unit are sequentially installed in the phase detectors 10 and 140.
  • a PMT photomultiplier tube
  • PMT photomultiplier tube
  • PMT16 the one with almost no sensitivity in the infrared and a large sensitivity at 800 [nm] is used.
  • the configuration using the PMT for the phase comparison unit can increase the light receiving sensitivity by an order of magnitude compared to the configuration using the Si-APD12. Also, a configuration using another phase comparison unit that compares the phase of incident light using two-photon absorption.
  • FIG. 13 shows a configuration in which an SHG (Second Harmonic Generation) crystal 17 is provided in the phase detector.
  • the phase comparison unit is not only an element that absorbs two-photons, but also a second harmonic that emits outgoing light with twice the frequency when incident light is incident on the surface. You may use what uses generation
  • a lens 13G, an SHG crystal 17, and a lens 13H are sequentially installed in front of the Si-APD 12.
  • the SHG crystal 17 is a crystal that generates a second harmonic, and is, for example, LiNb03.
  • the lens 13G is used so that the SHG crystal 17 is incident with a beam diameter as small as possible.
  • a Si-APD12 that has a high sensitivity to the SH light generated with little sensitivity to the incident light may be used as the light receiving section.
  • an optical filter or a color filter that attenuates incident light and transmits only the generated SH light may be installed in front of the Si-APD 12.
  • a light receiving portion such as a PD may be used instead of Si-APD12.
  • the configuration in which the SHG crystal is used for the phase comparison unit can be configured to output current when the longitudinally polarized wave and the transversely polarized wave of incident light have a correlation, and the phase comparison signal has no offset current. realizable.
  • FIG. 14 shows a configuration including PPLN 18 in the phase detector.
  • a PPLN 18 is installed as a phase comparison unit that uses the second harmonic generation before the Si-APD 12.
  • PPLN18 is an efficient wavelength conversion element (periodically poled LiNb03 crystal) that achieves quasi phase matching (QPM) by forming a periodically poled structure on LiNb03.
  • QPM quasi phase matching
  • PPLN18 operates in the same way as SHG crystal 17.
  • a light receiving unit such as a PD may be used instead of the Si-APD 12.
  • another phase comparison unit that compares the phase of incident light using second harmonic generation may be used.
  • the configuration using PPLN as the phase comparison unit can use an optical fiber as an optical waveguide when the PPLN is a waveguide type, and can be simpler than the configuration using an SHG crystal.
  • Another configuration that uses a phase comparator that compares the phases of incident light using second harmonic generation is also possible.
  • FIG. 15 shows a configuration in which a phase detector includes an HNLF (Highly nonlinear fiber) 19.
  • the phase comparison unit one using four-wave mixing in which two photons having a wavelength different from the incident light are emitted by incidence of two photons having different wavelengths may be used.
  • the phase detectors 10, 140 the four stages before the Si—APD 12 HNLF19 using light wave mixing and BPF (Band Pass Filter) 1A are installed in order. Incident light is incident on the HNLF19. Out of the incident light, due to four-wave mixing, outgoing light with a new wavelength different from the wavelength of the incident light is transmitted through the BPF1A and converted into an electrical signal by the Si-APD12.
  • a light receiving unit such as a PD may be used instead of the Si-APD 12.
  • phase comparison unit Since the configuration using HNLF for the phase comparison unit uses four-wave mixing, a configuration in which no offset current is generated in the phase comparison signal can be realized. Further, an SOA or the like may be used as another phase comparison unit that compares the phases of incident light using four-wave mixing. In addition, a configuration in which NOLM or the like using the Kerr effect is used for the phase comparison unit may be used.
  • phase comparison unit when the phase comparison unit includes the SHG crystal 17 and the Si-APD 12 as its light receiving unit, a phase comparison signal without an offset current can be output. Further, when the phase comparison unit includes the PPLN 18 and the Si-APD 12 as its light receiving unit, the device configuration can be simplified and a phase comparison signal without an offset current can be output. In addition, when the phase comparison unit is equipped with HN LF19 and BPF1A and Si-APD12 as the light receiving unit that receives the newly generated light and outputs the phase comparison signal, the phase comparison without offset current A signal can be output.
  • the ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 2 shifters 1 30 ⁇ and 130B are configured to shift the optical signal phase by ⁇ ⁇ 2 by changing the optical path length.
  • a configuration that shifts the phase of an optical signal by ⁇ ⁇ 2 using a plate is described.
  • FIG. 16 shows the configuration of the optical phase-locked loop system 1 ⁇ .
  • the optical phase-locked loop system 1 ⁇ is a modification of the optical phase-locked loop system 1 ⁇ of the first embodiment, and includes an OVCO30A instead of the duplexer 120, the ⁇ 2 shifter 130A, and the OVCO30.
  • the OVCO 30A includes: LD31, 32, ⁇ / 4 wavelength plate 34, ⁇ / 2 wavelength plate 35, and PBS 36.
  • optical signals of different frequencies are output from the LD 31 and 32, and the light output from the LD 31 is transmitted through the ⁇ ⁇ 4 wavelength plate 34.
  • the light input to the PBS 36 and output from the LD 32 is transmitted through the ⁇ 2 wavelength plate 35 and input to the PBS 36.
  • the optical path length between the output section of PBS 36 and the input section of phase detector 10 is path ⁇ 5
  • the optical path length between the output section of PBS 36 and the input section of phase detector 140 is To pass ⁇ 6.
  • FIG. 17 shows a change in the state of the optical signal in the OVCO 30A.
  • the optical signals output from the LDs 31 and 32 are linearly polarized waves (longitudinal polarized waves) having different frequencies.
  • the direction of the input knitting wave and the direction of the ⁇ 4 wavelength plate 34 are adjusted so that the polarization plane of the optical signal output from the LD31 is rotated by 45 ° while maintaining the linear polarization by the ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ 4 wavelength plate 34.
  • the direction of the input knitting wave and the direction of the ⁇ 2 wavelength plate 35 are adjusted so that the optical signal output from the LD 32 is converted into circularly polarized light by the ⁇ 2 wavelength plate 35.
  • Circularly polarized light is the sum of the longitudinal polarization component and the transverse polarization component delayed by 90 degrees.
  • the beat light signal output from PBS 36 to path ⁇ 5 or ⁇ 6 is output as an output.
  • an optical signal whose polarization plane is rotated by 45 degrees and a circularly polarized optical signal are input to the PBS 36, combined and converted into a beat optical signal, and the beat optical signal is further longitudinally polarized
  • the component is separated into a horizontally polarized component whose phase of the beat light signal is delayed by 90 degrees.
  • the longitudinal polarization component of the beat optical signal and the transverse polarization component whose phase of the beat optical signal is delayed by 90 degrees are assigned to path ⁇ 5, path ⁇ 6, or sequentially to path ⁇ 6 and path ⁇ 5. Because the phase difference is 90 degrees, a ⁇ ⁇ 2 shifter is realized.
  • the optical signal transmitted through the ⁇ 2 wavelength plate 35 and the optical signal transmitted through the ⁇ 4 wavelength plate 34 are combined by the PBS 36, and the phase of the beat optical signal is 90.
  • the phase detector 10 outputs a phase comparison signal between the input optical signal and one beat optical signal
  • the phase detector 140 outputs the input optical signal and the phase detector. Since the phase comparison signal with the beat optical signal whose phase is shifted by 90 degrees from the beat optical signal input to 10 can be output, the phase comparison signal of the phase detector 140 can be output regardless of the change in the frequency of the input optical signal. Based on the above, it is possible to detect the lock of the optical phase-locked loop device 1 and to easily output one beat optical signal and the other beat optical signal whose phase is shifted by 90 degrees.
  • the force described for the configuration of the phase detectors 10 and 140 is that the configuration is at least one of the phase detectors 10 and 140. Also good.
  • the phase shifters 130A and 130B have the phase of the two optical signals compared by the phase detector 140 with respect to the beat optical signal or the incident optical signal. It is also possible to adopt a configuration in which the phase is shifted by an amount that does not become the phase comparison signal power when synchronized.
  • the wave plate as a phase shifter synchronizes the phases of the two optical signals compared by the phase detector 140 with the optical signals output from the LD 31 and 32. In such a case, it is possible to adjust the amount that does not become the phase comparison signal power.
  • the lock detection device and the optical phase-locked loop system according to the present invention are suitable for use in an optical phase-locked loop device that outputs a beat optical signal synchronized with an input optical signal.

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Abstract

　入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置である。

Description

明 細 書
ロック検出装置及び光フェーズロックループシステム
技術分野
[0001] 本発明は、ロック検出装置及び光フェーズロックループシステムに関する。
背景技術
[0002] 従来、参照電気信号に位相同期した電気信号を出力するフェーズロックループ (P LL : Phase-Locked Loop)装置があった。出力周波数が高周波である場合、図 18に 示すような、アナログ PLLのフェーズロックループ装置 200が用いられる。フェーズ口 ックループ装置 200は、信号源 210と、位相検出器 (phase detector)としての電気ミ キサ 220と、ループフィルタ（loop filter) 230と、 VCO (Voltage Controlled Oscillator ：電圧制御発振器) 240と、プリスケーラ 250と、を備えて構成される。
[0003] 位相比較器としての電気ミキサ 220の動作を図 19に示す。図 19に示すように、電 気ミキサ 220は、信号源 210からの基準信号としての入力電気信号と、 VCO240か ら出力されてプリスケーラ 250により分周された出力電気信号との積を出力する。よつ て、周波数領域では二つの信号の差周波と和周波とが出力される。差周波成分が二 つの信号の位相差を反映しているので、差周波のみをループフィルタ 230により取り 出すことで、電気ミキサ 220は位相比較器として動作することができる。ループフィル タ 230は、入力電気信号と VCO240の出力信号との位相差が 0度の時は正の信号 を、その位相差が 90度の時は 0の信号を、位相差が 180度のときは負の信号を出力 し、位相差に応じて信号は連続的に変化する。
[0004] このように、アナログ PLLは、位相比較器の出力信号力^になるように VCOを負帰 還制御するため、 VCOの出力位相は入力電気信号の位相に対して 90度ずれた状 態で同期する。しかし、 100 [GHz]以上の周波数の信号を出力するフェーズロックル ープ装置は次の困難点がある。
1. 100 [GHz]以上の信号に対する電気ミキサの製作が困難。
2. 100[GHz]以上の電気信号を出力する VCOの製作が困難。
このため、 100 [GHz]以上の電気信号を出力するフェーズロックループ装置は製作 が困難である。
[0005] これに対して、 100 [GHz]以上に信号を出力することができるフェーズロックループ 装置として、光フェーズロックループ（Optical Phase-Locked Loop)装置がある（例え ば、特許文献 1参照)。ここで、図 20を参照して、光フェーズロックループ装置の一例 を説明する。
[0006] 図 20に示すように、光フェーズロックループ装置 300は、合波器 310及び位相比 較器 320からなる位相検出器と、ループフィルタ 330と、 OVCO (Optical Voltage Co ntrolled Oscillator :光学電圧制御発振器） 340との三つの要素を備えて構成される。 光フェーズロックループ装置 300において、光信号を入力信号とし、入力信号に同 期したビート光信号を OVCO340から出力する。
[0007] OPLL340は、 LD (Laser Diode) 341, 342と、光力プラ 343とを備える。 OVC03 40において、出力光波長が異なる 2つの LD341, 342の出力光を光力プラ 343で 合波する。ここで、 LD341 , 342の光出力の偏波は同一にする。その結果、二つの 光出力は、光力ブラ 343内で干渉し、光力ブラ 343が波長の差に応じた周波数で振 動するビート光を出力する。波長差に対する制限は光力ブラ 343の帯域で決まる。通 常の光力ブラは、帯域が 10 [THz]以上あるため、 100 [GHz]以上周波数で振動する ビート光を出力することは容易である。また、 LD341, 342は、駆動電流や制御温度 によって出力波長を変化させることができる。よって、 OVCO340は、入力光信号に 応じて LD341, 342の出力波長を制御し、出力するビート光信号の周波数を変化さ せることができる。
[0008] 位相比較器 320は、二光子吸収もしくは第二高調波発生、四光波混合、カー効果 等の非線形効果を用いて二つの入力信号光強度の位相差に応じた電気信号を出 力する。二光子吸収を行なう素子として APD (Avaranche photo diode)、 PMT(Phot on multiplier Tube :光電子増倍管)等があり、第二次高調波発生素子として、非線形 結晶、 PPLN (Periodical Poled Lithum Niobate :周期分極反転 LiNb03結晶）等があ り、四光波混合素子として、高非線形ファイバ、 SOA (Semiconductor Optical Amplifi er :半導体光増幅器)等があり、カー効果を利用する方法として、 NOLM (Nonlinear Optical Loop Mirror:非線形光ループミラー）がある。非線形現象は、数 100 [fs]より も短い時間で行われ、 10 [THz]以上の周波数帯域を持っため、 100 [GHz]以上の 信号であっても位相比較を行うことができる。
[0009] 例えば、 Si— APDは、波長 1550 [nm]に光に対してほとんど感度を持たないが、 8 00 [nm]よりも短波長の光に感度を持つ。よって、 1550 [nm]の光を入射してもほとん ど光電流が発生しないが、 1550 [應]の二光子吸収現象に対しては感度を持つ。 Si APDの表面に焦点を持つように光学系を設置することでより二光子吸収の起こる 確率が大きくなり、 Si— APD全体に光を照射するのに比べて格段と大きな光電流が 発生する。 Si— APDにおいて、二光子吸収により発生する光電流は、 2つの入力光 の互いの位相差 φの余弦 cos φに比例した項を持つ。二光子吸収によって発生する 光電流は、光パワーにより位相差 φに関係なく決まる定常値と余弦 cos φの寄与によ る部分の和が出力される。余弦 cos φの寄与は出力される光電流と平均光電流の差 で抽出することができ、位相比較信号として利用することができる。
[0010] ループフィルタ 330は、通常のフェーズロックループ装置で使用される様に、位相 比較信号を整形し、 OVCO340の制御信号を出力する。
[0011] 光フェーズロックループ装置 300は、 OVCO340がビート光信号を出力し、光力プ ラ 310及び位相比較器 320は非線形効果を利用して入力光信号とビート光信号の 位相比較を行う点を除き、光フェーズロックループ装置としての動作が、図 18のアナ ログフェーズロックループ装置と同様である。この光フェーズロックループ装置 300に より、入力光信号に同期した、 100 [GHz]以上のビート光を出力することができる信 号発生が可能となる。
[0012] また、電気フェーズロックループ装置中の電気位相比較器を Si— APDにおける二 光子吸収を利用した光学位相比較器に置き換えたものも考えられている（例えば、非 特許文献 1参照)。非特許文献 1においては、 12. 5 [Gbits/s]の光信号に同期した 電気信号を出力している。
特許文献 1：国際公開第 03Z104886号パンフレット
非特干文献 1 : Reza baiem, T. E. Murphy 'Broad- Bnad Optical Clock Recovery byst em Using Two-photon Absorption", IEEE Photon. Technol. Lett., vol9, pp2141- 214 3, Sep. 2004. 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0013] しかし、従来の光フェーズロックループ装置においては、特許文献 1に示すように、 光フェーズロックループ装置としては動作する力 ロック検出機構を有して 、な 、ため 、入力光信号とビート光信号とが同期しているかどうかを検出することができな力つた
[0014] また、従来の電気フェーズロックループ装置中の電気位相比較器を Si— APDにお ける二光子吸収を利用した光学位相比較器に置き換える構成では、電気 VCOを用 Vヽて 、るため、 100 [GHz]以上の周波数で出力することは困難である。
[0015] 本発明の課題は、入力光信号に同期したビート光信号を出力する光フェーズロック ループ装置において、入力光信号とビート光信号とのロックを検出することである。 課題を解決するための手段
[0016] 上記課題を解決するために、第 1の発明に係るロック検出装置は、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第 1の位相比較信号を出力する第 1 の位相検出器と、当該第 1の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形さ れた第 1の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発 振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であつ て、
前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第 2の位 相比較信号を出力する第 2の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第 2の位相検出器で比較さ れる 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が 0にならない量を 位相シフトすることを特徴とする。
[0017] 第 2の発明に係るロック検出装置は、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第 1の位相比較信号を出力する第 1 の位相検出器と、当該第 1の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形さ れた第 1の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発 振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であつ て、
前記入力光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記ビート光信号及び前記位相シフトされた入力光信号の位相を比較し第 2の位 相比較信号を出力する第 2の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記入力光信号に対して、前記第 2の位相検出器で比較さ れる 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が 0にならない量を 位相シフトすることを特徴とする。
[0018] 第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記ビート光信号又は前記入力光信号 の位相をシフトすることとしてもよ 、。
[0019] 第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記第 1及び第 2の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビー ト光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えること としてちよい。
[0020] この場合、第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記位相比較部は、 Si— APDであることとしてもよい。
[0021] この場合、第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記 Si— APDは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたこと としてちよい。
[0022] 第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることとしてもよい。
[0023] 第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記位相比較部は、光電子増倍管であることとしてもょ 、。
[0024] 第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力 した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることとしてもよい。
[0025] 第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記位相比較部は、周期分極反転 LiNb03結晶と、当該周期分極反転 LiNb03結 晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることとして ちょい。
[0026] 第 1、第 2の発明に係るロック検出装置において、
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生し た波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることとしてもよい。
[0027] 第 1、第 2の発明に係るロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステムとして構成してもよい。
[0028] 第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムは、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第 1の位相比較信号を出力する第 1 の位相検出器と、当該第 1の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形さ れた第 1の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発 振器と、を備える光フェーズロックループ装置を備え、
前記光学電圧制御発振器は、お互いに異なる周波数の光信号を出力する第 1及 び第 2の光源と、当該第 1及び第 2の光源力 出力される光信号を波長板により調整 して前記光学電圧制御発振器から出力する光ビート信号の位相をシフトする位相シ フト器と、前記調整された光信号を合波し、第 1及び第 2のビート光信号に分離する ビームスプリッタと、を備え、
前記第 1の位相検出器は、前記入力光信号及び前記第 1のビート光信号の位相を 比較し第 1の位相比較信号を出力し、
前記入力光信号及び前記第 2のビート光信号の位相を比較し第 2の位相比較信号 を出力する第 2の位相検出器を備え、
前記位相シフト器は、前記第 1及び第 2の光源から出力される光信号に対して、前 記第 2の位相検出器で比較される 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相 比較信号が 0にならない量を調整することを特徴とする。 [0029] 第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相シフト器は、前記第 1の光源の出力信号が透過する λ Ζ2波長板と、前記 第 2の光源の出力信号が透過する λ Ζ4波長板と、を備え、
前記ビームスプリッタは、前記 λ Ζ2波長板を透過した光信号及び前記 λ Ζ4波長 板を透過した光信号を合波し、第 1のビート光信号と、当該第 1のビート光信号と位相 が 90度ずれた第 2のビート光信号とに分離することとしてもよい。
[0030] 第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにおいて、
前記第 1及び第 2の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビー ト光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えること としてちよい。
[0031] この場合、第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、 Si— APDであることとしてもよい。
[0032] この場合、第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにおいて、
前記 Si— APDは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたこと としてちよい。
[0033] 第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにお!/、て、
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることとしてもよい。
[0034] 第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、光電子増倍管であることとしてもょ 、。
[0035] 第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力 した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることとしてもよい。
[0036] 第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、周期分極反転 LiNb03結晶と、当該周期分極反転 LiNb03結 晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることとして ちょい。 [0037] 第 3の発明に係る光フェーズロックループシステムにお!/、て、
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生し た波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることとしてもよい。 発明の効果
[0038] 第 1の発明によれば、位相シフト器において、第 2の位相検出器で比較される 2つ の光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が 0にならない量だけビート 光信号を位相シフトし、第 2の位相検出器において、入力光信号と位相シフトされた ビート光信号との第 2の位相比較信号を出力するので、第 2の位相比較信号に基づ いて、光フェーズロックループ装置のロックを検出できる。
[0039] 第 2の発明によれば、位相シフト器において、第 2の位相検出器で比較される 2つ の光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が 0にならない量だけ入力光 信号を位相シフトし、第 2の位相検出器において、ビート光信号と位相シフトされた入 力光信号との第 2の位相比較信号を出力するので、第 2の位相比較信号に基づいて 、光フェーズロックループ装置のロックを検出できる。
[0040] 第 3の発明によれば、光学電圧制御発振器において、波長板により、第 2の位相検 出器で比較される 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号力 SOに ならない量だけ光信号を調整し、その調整された 2つの光信号に基づいて第 1及び 第 2のビート光信号を生成し、第 2の位相検出器において、入力光信号及び第 2のビ ート光信号の第 2の位相比較信号を出力するので、入力光信号の周波数の変化によ らず、第 2の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置のロックを検出 できる。
図面の簡単な説明
[0041] [図 1]本発明に係る第 1の実施の形態の光フェーズロックループシステム 1 aの構成 を示す図である。
[図 2]位相検出器 10, 140の構成を示す図である。
[図 3]Si—APD12の構成を示す図である。
[図 4A]可変光学遅延部 130aの構成を示す図である。
[図 4B]可変光学遅延部 130bの構成を示す図である。 [図 5]光フェーズロックループシステム 1 αにおける各光路長を示す図である。
[図 6]光フェーズロックループシステム 1 (Xにおける各信号を示す図である。
[図 7]位相検出器 140におけるビート光信号及び入力光信号の 2つの信号の位相差 に対する規格化出力を示す図である。
[図 8]本発明に係る第 2の実施の形態の光フェーズロックループシステム 1 /3の構成 を示す図である。
[図 9Α]ビームスプリッタ 11 Αの構成を示す図である。
[図 9B]光力ブラ 11及び光増幅器 14を設置した例を示す図である。
[図 10A]光学素子を傾けた場合の入射光及び反射光の構成を示す図である。
[図 10B]Si— APDを傾けた場合の入射光及び反射光の軌跡を示す図である。
[図 11]位相検出器内に光アイソレータ 15を備える構成を示す図である。
[図 12]位相検出器内に PMT16を備える構成を示す図である。
[図 13]位相検出器内に SHG結晶 17を備える構成を示す図である。
[図 14]位相検出器内に PPLN18を備える構成を示す図である。
[図 15]位相検出器内に HNLF19を備える構成を示す図である。
[図 16]光フェーズロックループシステム 1 γの構成を示す図である。
[図 17]OVCO30A内の光信号の状態変化を示す図である。
[図 18]フェーズロックループ装置 200の構成を示す図である。
[図 19]電気ミキサ 220の動作を示す波形図である。
[図 20]光フェーズロックループ装置 300の構成を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0042] 以下、図面を参照して本発明に係る第 1及び第 2の実施の形態並びに第 1及び第 2 の変形例を順に説明する。
[0043] (第 1の実施の形態）
図 1〜図 7を参照して、本発明に係る第 1の実施の形態を説明する。先ず、図 1〜図 5を参照して、本実施の形態の光フェーズロックループシステム 1 aの装置構成を説 明する。図 1に、本実施の形態の光フェーズロックループシステム 1 αの構成を示す。 図 1に示すように、光フェーズロックループシステム 1 aは、光フェーズロックループ装 置 1と、入力光信号と光フェーズロックループ装置 1のビート光信号との位相を比較し てロックを検出するロック検出装置 100Aとを有する。
[0044] フェーズロックループ装置 1は、位相検出器 10と、ループフィルタ 20と、 OVCO30 と、を備えて構成される。 OVCO30は、 LD31, 32と、光力プラ 33とを備える。ロック 検出装置 100Aは、分波器 110と、分波器 120と、 π Ζ2シフト器 130Aと、位相検出 器 140とを備える。
[0045] 分波器 110は、入力光信号を同位相の 2つの光信号に分波し、例えば、光力ブラ により構成される。位相検出器 10は、入力される 2つの光信号の位相を比較し、その 比較結果としての位相比較信号を出力する。ループフィルタ 20は、位相検出器 10の 位相比較信号を整形して出力する。 OVCO30は、ループフィルタ 20から出力された 位相比較信号に基づいて、ビート光信号を出力する。
[0046] OVCO30において、 LD31, 32により、お互いに異なる周波数の 2つの光信号が 出力され、その 2つの光信号が光力ブラ 33で合波され、その周波数差に応じたビート 光信号が 2つのビート光信号に分波されて出力される。 LD31, 32は、各出力光の偏 波面は同一であるものとする。光力ブラ 33から出力される 2つのビート光信号のうちの 一方のビート光信号は、アウトプットとして出力され、もう一方のビート光信号は、分波 器 120により 2つのビート光信号に分波される。分波された 2つのビート光信号のうち の一方のビート光信号は、再び位相検出器 10に入力される。つまり、位相検出器 10 において、分波器 110により分波された入力光信号と、分波器 120により分波された ビート光信号との位相が比較されて、ループが形成される。入力光信号と、ビート光 信号との位相差は、 90度になるように制御される。
[0047] π Ζ2シフト器 130Aは、分波器 120により分波されたもう一方のビート光信号の位 相を π Ζ2シフトして出力する。位相検出器 140は、 π Ζ2シフト器 130Aにより π Ζ 2シフトされた光信号と、分波器 110により分波された入力光信号との位相を比較し、 比較結果としての位相差比較信号をロック検出信号として出力する。位相検出器 14 0に入力される、 π Ζ2シフトされた光信号と、入力光信号との互いの偏波面は一致 するように設定しておく。
[0048] 図 2に、位相検出器 10, 140の構成を示す。位相検出器 10, 140は、 2つの光信 号を合波する合波部と、非線形効果を利用して光信号を位相比較する位相比較部と の二つの要素で構成される。位相検出器 10, 140は、合波部としての光力ブラ 11と 、位相比較部としての Si— APD12とを備えて構成される。光力ブラ 11は、分波器 11 0により分波された入力光信号と、分波器 120により分波されたビート光信号とを合波 して出力する。また、光力ブラ 11は、合波後の二つの光の偏波が同一になるようにあ らかじめ偏波制御器で同一偏波になるように設定するか、偏波保持ファイバと偏波保 持力ブラとにより構成される。 Si—APD12は、非線形効果としての二光子吸収による 受光部であり、光力ブラ 11により合波された光信号に対して、合波前の 2つの光信号 の位相差に対応する出力光電流としての位相比較信号を出力する。
[0049] 図 3に、 Si— APD 12の構成を示す。図 3に示すように、 Si—APD12は、 Si—APD 本体 12Aを備え、 Si— APD本体 12Aの受光面としての窓材ゃ表面に ARコート（Ant i Reflection Coating:反射防止膜） 12Bが施されて構成される。レンズ 14は、入射光 の焦点が Si— APD12Aの受光面にあわせられるように設定される。
[0050] 市販の Si—APDは、 800 [nm]に最大の感度を持ち、 1100 [nm]よりも長波長の光 にはほとんど感度をもたない。そのため、入力光信号の波長が 1550[nm]の時、 155 0[nm]の光のエネルギー力 Si—APDがもつバンドギャップよりも小さいために、通 常の線形過程では、 Si— APDに光電流がほとんど生じない。しかしながら、 Si-AP Dにおいて、二光子吸収が起こると、二光子のエネルギーの和が Si— APDがもつバ ンドギャップを超えるために、光電流が生じる。
[0051] 通常、二光子吸収をより効率良く起すためには入射光をレンズで絞り、 Si— APDの 受光面上で最もスポットサイズが小さくなるようにする。このため、本実施の形態につ いても、そのスポットサイズを小さくするために、できるだけ大きな NA (Numerical Ape rture)のレンズ 13で入射光を絞るのが良い。
[0052] 市販されている Si— APDは、受光感度が最大である 800 [nm]の光に対して最も反 射を小さくするための ARコートを施している。そのため、 ARコートにおける最適波長 とは異なる 1550[nm]の光に対しては入射光の 10%以上の反射がおこる。本実施の 形態では、光フェーズロックループ装置 1で利用されているように、 1550[nm]の光を 入射光として二光子吸収現象によって出力された光電流を検出する。このため、 155 0 [nm]に最適な ARコート 12Bを Si—APD本体 12Aの窓材ゃ表面に施していること が望ましい。つまり、 Si— APD12として、入力光信号の波長からずれた部分に感度 が最大の Si—APD本体 12Aに、入力光信号の波長に最適な ARコート 12Bが施さ れるものが好ましい。
[0053] また、 Si— APDは、他の方式による位相比較部に比べて、偏波依存性を少なくで き、さらに構成が簡便であり、好ましい。また、構成が簡便であるので、 Si— APDを位 相検出器 10に用い、ループ帯域を上げる場合にもループ長を短くすることが容易で あり、好ましい。
[0054] 図 4A,図 4Bに、光路長の違いを利用する π Ζ2シフト器 130Aの例を示す。図 4Α に、可変光学遅延部 130aの構成を示す。図 4Bに、可変光学遅延部 130bの構成を 示す。本実施の形態において、入力光信号の周波数は、固定されているものとする。 π Ζ2シフト器 130Aは、光路長の違いを利用する可変光学遅延部 130a又は 130b により構成される。図 4Aに示すように、可変光学遅延部 130aは、ミラー 131 , 132と を備えて構成される。可変光学遅延部 130aでは、ミラー 131の位置を調整して設置 することで、空間的に光路長を調整する。
[0055] 図 5に、光フェーズロックループシステム 1 atにおける各光路長を示す。図 5に示す ように、分波器 110の出力部と位相検出器 10の入力部との間の光路長をパス P1とし 、分波器 110の出力部と位相検出器 140の入力部との間の光路長をパス P2とし、 O VCO30の出力部と位相検出器 10の入力部との間の光路長をパス P3とし、 OVC03 0の出力部と位相検出器 140の入力部との間の光路長をパス P4とする。この場合に 、次式（1)を満たすように、可変光学遅延部 130aが調整される。
P1 + P3 = P2 + P4 + (or- ) c/ (4 X f X n) …ひ）
ここで、 cは光速であり、 fが OVCO30のビート光信号の周波数であり、 nが光路の 屈折率である。
[0056] 式（1)の条件を満たすことにより、位相検出器 10と位相検出器 140との位相検出の 位相が 90度ずれる。また、光路差は、周波数 fで決まるため、 OVCOのビート光信号 の周波数が固定の場合に、光路差の違いを利用する可変光学遅延部を用いること ができる。 [0057] また、ループフィルタ 20の出力波形や、ビート光信号の RFスペクトルを測定するな どの手段によって光フェーズロックループシステム 1 aが正常に動作していることを確 認している時に、パス P2もしくはパス P4の光路長を調整し、位相検出器 140の平均 出力が最大もしくは最小になるように設置する。
[0058] 光路長の違いを利用する可変光学遅延部としては、図 4Bに示す可変光学遅延部 130bを利用することとしてもよい。可変光学遅延部 130bは、圧電体としてのピエゾ 素子 133と、ピエゾ素子 133に卷きつけられた光ファイバ 134とを備える。通電により ピエゾ素子 133の直径を増減させることで、光ファイバ 134が増減し光路長を調整す る。また、他にも、 PLC (Planar Lightwave Circuit :平面光波回路）等を用いて、光路 長の違いを利用する可変光学遅延部を実現することもできる。
[0059] 次に、図 6及び図 7を用いて、光フェーズロックループシステム 1 αの動作を説明す る。図 6に、光フェーズロックループシステム 1 (Xにおける各信号を示す。図 6に示す ように、光フェーズロックループ装置 1が正常に動作していて位相が同期しているとき 、位相検出器 10から出力される位相比較信号力^になるように負帰還している、すな わち OVCO30 (光力ブラ 33)から出力されるビート光信号と、分波器 110から出力さ れる入力光信号光との位相差は 90度となっている。また、 OVCO30は、位相比較器 として Si— APDを用いて 、るので、ビート光信号自身と入力光信号自身の二光子吸 収により生じる出力光電流がオフセット電流として発生する。位相比較信号はオフセ ット電流力 の差電流となる。
[0060] 光フェーズロックループ装置 1がロックしている時は、位相比較信号が常に 0である 。またロックしていない時、位相比較信号がランダムな値を取るため、ループフィルタ 力も出力される位相比較信号の平均値は 0である。よって、光フェーズロックループ 装置 1中の位相比較信号の平均値からロックしているかどうかはわからない。
[0061] 図 7に、位相検出器 140におけるビート光信号及び入力光信号の 2つの信号の位 相差に対する規格化出力を示す。図 7に示すように、ロック検出装置 100Aを用いて 、ビート光信号もしくは入力光信号の位相を例えば 90度ずらし別途設置した位相検 出器 140に入力すると、光フェーズロックループ装置 1がロックしている時の位相比較 信号の平均値は、位相差力 SO度の場合は正、位相差が 180度の場合は負の値を持 つ。ロックしていない時に位相比較信号がランダムな値をとるため、その平均値は 0と なる。よって、ロック動作しているかどうかにより位相比較信号の平均値に差が生じる ため、ロックしているかどうかを示すことが可能となる。
[0062] また、入力光信号とビート光信号とが同期していない時、位相検出器 10も位相検 出器 140も平均出力はゼロとなる。一方、入力光信号とビート光信号とが同期してい る時は、位相検出器 10の出力がゼロになるように OVCO30が制御されている。この 時、入力光信号及びビート光信号の位相は π Ζ2の位相差を持つ。この時、入力光 信号もしくはビート光信号の位相を π Ζ2ずらすと位相差は 0もしくは πとなり、位相 検出器 140の出力はゼロで無くなる。
[0063] 位相検出器 140の出力は、同期しているときはゼロでない値を持ち、同期していな いときには出力位相がランダムであるため平均すると出力がゼロとなる。よって、同期 検出を行うことが可能となる。これらの状況を次の表 1に示す。
[表 1]
Figure imgf000016_0001
[0064] 以上、本実施の形態によれば、 π Ζ2シフト器 130Aにおいて、位相検出器 140で 比較される 2つの信号がロックした場合に、その位相比較信号力^にならない量として 90度だけビート光信号を位相シフトし、位相検出器 140において、入力光信号と位 相シフトされたビート光信号との位相比較信号 (ロック検出信号)を出力するので、位 相検出器 140から出力される位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装 置 1のロックを検出できる。
[0065] また、 π Ζ2シフト器 130Aにおいて、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相 をシフトすることができる。
[0066] また、位相検出器 10, 140において、合波部と位相比較部とにより、位相比較信号 を出力できる。また、位相比較部が Si— APD12であるので、偏波依存性を低減でき るとともに、装置構成を簡便にできる。また、 Si— APDを位相検出器 10に用い、光フ エーズロックループ装置 1のループ長を低減できる。
[0067] また、 Si— APD12において、 Si— APD本体 12Aに、入力光信号の波長に最適な ARコート 12Bが施されているので、入力光信号の波長に対応する光信号が Si— AP D内に入射する効率を高めることができる。
[0068] (第 2の実施の形態）
図 8を参照して、本発明に係る第 2の実施の形態を説明する。図 8に、本実施の形 態の光フェーズロックループシステム 1 βの構成を示す。図 8に示すように、光フエ一 ズロックループシステム 1 βは、第 1の実施の形態と同様の光フェーズロックループ装 置 1と、ロック検出装置 100Bとを備えて構成される。
[0069] ロック検出装置 100Bは、第 1の実施の形態と同様に分波器 110と、分波器 120と、 位相検出器 140とを備え、さらに π Ζ2シフト器 130Bを備えて構成される。 π Ζ2シ フト器 130Bは、第 1の実施の形態の π Ζ2シフト器 130Aと同様である力 分波器 11 0に分波された入力光信号の位相を π Ζ2シフトする。位相検出器 140は、 π Ζ2シ フト器 130Aにより π Ζ2シフトされた入力光信号と、分波器 120により分波されたビ ート光信号との位相を比較し、その比較結果としての位相比較信号をロック検出信号 として出力する。このため、ロック検出装置 100Bは、第 1の実施の形態のロック検出 装置 100Aと同様のロック検出信号を出力する。
[0070] 以上、本実施の形態によれば、 π Ζ2シフト器において、位相検出器 140で比較さ れる 2つの光信号の位相が合った場合に、その位相比較信号が 0にならない量として π Ζ2だけ入力光信号を位相シフトし、位相検出器 140において、ビート光信号と位 相シフトされた入力光信号との位相比較信号 (ロック検出信号)を出力するので、位 相検出器 140から出力される位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装 置 1のロックを検出できる。
[0071] (第 1の変形例） 図 9A,図 9B〜図 17を参照して、上記第 1及び第 2の実施の形態において、位相 検出器 10, 140の構成の変形例としての第 1の変形例を説明する。
[0072] 先ず、図 9A,図 9Bを参照して、位相検出器 10, 140内の合波部の別の例を示す 。図 9Aに、ビームスプリッタ 11 Aの構成を示し、図 9Bに、光力ブラ 11及び光増幅器 14を設置した例を示す。図 9Aに示すように、位相検出器 10, 140内の合波部として 、ビームスプリッタ 11Aを用いる構成としてもよい。ビームスプリッタ 11Aは、光学系を 空間系で構築する場合に用いる。ビームスプリッタ 11Aは、合波後の光の偏波が同 一になるようにあら力じめ偏波を設定する。
[0073] また、位相検出器 10, 140内の合波部としては、ビームスプリッタ 11Aに代えてノヽ 一フミラー等としても良い。
[0074] また、図 9Bに示すように、位相検出器 10, 140内の合波部（図では光力ブラ 11)の 後段に、光増幅器 14を設ける構成としてもよい。位相検出器 10, 140内の合波部に よる合波後の光信号は、位相比較部としての Si— APD12に入力されるが、より非線 形効果を強く起こすために、光増幅器 14を用いてあら力じめ増幅される。
[0075] 次いで、図 10A,図 10B〜図 17を参照して、位相検出器 10, 140内の位相比較 部の別の例を説明する。図 10Aに、光学素子を傾けた場合の入射光及び反射光の 構成を示す。図 10Bに、 Si— APDを傾けた場合の入射光及び反射光の軌跡を示す 。図 10A,図 10Bにおいて、入射光を実線で示し、反射光 (戻り光）を点線で示す。
[0076] 第 1の実施の形態の Si— APD12のように、入射波長に最適な ARコート 12Bを Si
APD本体 12Aに施しても反射光は生じる。そのため、反射光が前段に戻らないよ うにする必要がある。図 10Aに示す光学系は、光アイソレータや光学フィルタ等の光 モジュールで用いられるものである。図 10Aに示すように、出射端 13Dから出射され た光束は、レンズ 13Bによりコリメートされて光学素子 13Cを通過し、レンズ 13Aによ り集光されて、入力端 13Eに入力される。コリメートされた光（の光軸）に対して斜めに 光学素子 13Cを設置するので、その反射光の焦点は、入射点と空間的にずれる。そ のために光モジュール 13C前段に反射光が戻る量は、通常、入射光パワーの— 50d B以下となる。
[0077] 二光子吸収現象は入射光のパワー密度が高 、ほど効率良く起こる。そこで、図 10 Bに示すように、輝度を高くするために Si— APD12上にレンズ 13Aの焦点が重なり 且つ Si— APD12を斜めに傾けるように設置する構成を考える。 Si— APD12を斜め に傾けても、レンズ 13Aの NA値が大きぐ反射光は入射端と空間的に一致するため に、反射光が前段に戻る量を小さくするのが、図 10Aの光学配置の構成に比べると 困難である。反射光は、 Si— APD12前段の光学部品等により反射され、再び Si— A PD12に入射する場合、 Si— APD12に直接入射する光と干渉し二光子吸収が起こ る効率に波長依存性が生じる。
[0078] 図 11に、位相検出器内に光アイソレータ 15を備える構成を示す。前述の二光子吸 収が起こる効率の波長依存性は、図 11に示すように、位相検出器 10, 140内で光力 プラ 11及び Si— APD12間に光アイソレータ 15を挿入する構成により緩和される。光 アイソレータ 15に代えて、光サーキユレ一タ等を挿入する構成としてもよい。また、以 下に述べるような他の構成の位相比較部の前段に光アイソレータ等を挿入する構成 としてもよく、レンズを利用して集光する位相比較部、例えば、 PMT、 SHG結晶等に 対して有効である。
[0079] 図 12に、位相検出器内に PMT16を備える構成を示す。二光子吸収を利用して入 射光の位相差に応じたする電気信号を出力する素子としては、 Si-APDの他に、 P MTがある。図 12に示すように、位相検出器 10, 140内で、レンズ 13Fと、位相比較 部としての PMT16とを順に設置する。 PMT (光電子倍増管）とは、二光子吸収を利 用するとともに、極めて微弱なシンチレーシヨンパルスの光信号をこれに対応する電 気信号に変換する装置である。レンズ 13Fにより PMT16の光電面に光を集光するこ とで、 PMT16の二光子吸収を効率良く起こるようにする。 PMT16には、赤外にほと んど感度をもたず、 800 [nm]に大きな感度をもつものを用いる。
[0080] PMTを位相比較部に用いる構成は、 Si— APD12を用いる構成よりも受光感度を 1桁程度高めることができる。また、二光子吸収を利用して入射光の位相を比較する 他の位相比較部を用いる構成としてもょ 、。
[0081] 図 13に、位相検出器内に SHG (Second Harmonic Generation:第二高調波発生） 結晶 17を備える構成を示す。位相比較部としては、二光子吸収をする素子のみなら ず、入射光が表面に入射した場合に 2倍の振動数の出射光を出射する第二高調波 発生を利用するものを用いてもよい。図 13に示すように、位相検出器 10, 140内で、 Si— APD12の前段にレンズ 13Gと、 SHG結晶 17と、レンズ 13Hとを順に設置する 。 SHG結晶 17は、第二高調波が発生する結晶であり、例えば、 LiNb03である。 SH G結晶 17において、 SHGがより効率良く発生するように SHG結晶 17にはできるだけ 小さなビーム径で入射するようにレンズ 13Gを用いる。 Si— APD12として、入射光に はほとんど感度が無ぐ発生した SH光に大きな感度をもつものを受光部として用いて も良い。また、 Si— APD12の前段に、入射光を減衰させ、発生した SH光のみを透 過させる光学フィルタやカラーフィルタを設置しても良い。この構成では、 Si— APD1 2に代えて、 PD等の受光部を用いてもよい。
[0082] SHG結晶を位相比較部に用いる構成は、入射光の縦偏波と横偏波とが相関を持 つ場合に電流を出力する構成にでき、位相比較信号にオフセット電流のない構成を 実現できる。
[0083] 図 14に、位相検出器内に PPLN18を備える構成を示す。図 14に示すように、位相 検出器 10, 140内で、 Si— APD12の前段に、第二高調波発生を利用する位相比 較部として PPLN18を設置する。 PPLN18は、 LiNb03に周期的な分極反転構造を 形成して擬似位相整合 (QPM : Quasi Phase Matching)を達成した効率波長変換素 子 (周期分極反転 LiNb03結晶）である。 PPLN18は、 SHG結晶 17と同様に動作す る。この構成では、 Si— APD12に代えて、 PD等の受光部を用いてもよい。また、第 二高調波発生を利用して入射光の位相を比較する他の位相比較部を用いる構成と してちよい。
[0084] PPLNを位相比較部として用いる構成は、 PPLNを導波路型とする場合に、光導 波路として光ファイバを用いることができ、 SHG結晶を用いる構成よりも構成を簡便 にできる。また、他の、第二次高調波発生を利用して入射光の位相を比較する位相 比較部を用いる構成としてもょ 、。
[0085] 図 15に、位相検出器内に HNLF (Highly nonlinear fiber:高非線形ファイバ） 19を 備える構成を示す。位相比較部としては、他にも、 2つの波長の異なる光子の入射に より、入射光と異なる波長の 2つの光子を出射する四光波混合を利用するものを用い てもよい。図 15に示すように、位相検出器 10, 140内で、 Si— APD12の前段に、四 光波混合を利用する HNLF19と、 BPF (Band Pass Filter) 1Aとを順に設置する。入 射光が HNLF19に入射され、その入射光のうち、四光波混合により、入射光の波長 と異なる新たな波長の出射光が BPF1Aを透過され、 Si— APD12で電気信号に変 換される。この構成では、 Si— APD12に代えて、 PD等の受光部を用いてもよい。
[0086] HNLFを位相比較部に用いる構成は、四光波混合を利用するので、位相比較信 号にオフセット電流が発生しない構成を実現できる。また、四光波混合を利用して入 射光の位相を比較する他の位相比較部として、 SOA等を用いる構成としてもよい。ま た、カー効果を利用する NOLM等を位相比較部に用いる構成としてもよい。
[0087] 本変形例によれば、位相検出器 10, 140の位相比較部としての Si— APD12の前 段に光アイソレータ 15を備える場合に、 Si— APD12に入射する光信号の戻り光を 低減でき、二光子吸収が起こる効率の波長依存性を低減できる。また、位相比較部 を PMT16とする場合に、位相比較部に入射する光信号の感度を高めることができる
[0088] また、位相比較部が SHG結晶 17及びその受光部としての Si— APD12を備える場 合に、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。また、位相比較部が PPLN 18及びその受光部としての Si— APD12を備える場合に、装置構成を簡便にできる とともに、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。また、位相比較部が HN LF19と、新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部とし ての BPF1A及び Si— APD12と、を備える場合に、オフセット電流のない位相比較 信号を出力できる。
[0089] (第 2の変形例）
図 16及び図 17を参照して、上記第 1の実施の形態及び第 1の変形例に対する第 2 の変形例を説明する。上記各実施の形態 (及び第 1の変形例)では、 π Ζ2シフト器 1 30Α, 130Bとして、光路長を変化させて光信号の位相を π Ζ2シフトする構成とした 力 本変形例では、波長板を用いて光信号の位相を π Ζ2シフトする構成を説明す る。図 5において、 Ρ1 + Ρ3 = Ρ2 + Ρ4の関係を満たすとき、波長板及び PBS (Polari zation beam splitter)を用いて、光信号に実効的な光路差を生じさせることができる。 また、波長板及び PBSを用いる構成では、入力光信号の周波数を可変にしても調整 無しで動作する。
[0090] 図 16に、光フェーズロックループシステム 1 γの構成を示す。光フェーズロックルー プシステム 1 γは、第 1の実施の形態の光フェーズロックループシステム 1 αの変形例 であり、分波器 120、 π Ζ2シフト器 130A及び OVCO30に代えて、 OVCO30Aを 備える。
[0091] OVCO30Aは、: LD31, 32と、 λ /4波長板 34と、 λ /2波長板 35と、 PBS36と、 を備える。ループフィルタ 20から出力される整形された位相比較信号に対応して、 L D31, 32からお互いに異なる周波数の光信号が出力され、 LD31から出力された光 が λ Ζ4波長板 34を透過して PBS36に入力され、また LD32から出力された光が λ Ζ2波長板 35を透過して PBS36に入力される。また、図 16に示すように、 PBS36の 出力部と位相検出器 10の入力部との間の光路長をパス Ρ5とし、 PBS36の出力部と 位相検出器 140の入力部との間の光路長をパス Ρ6とする。
[0092] 図 17に、 OVCO30A内の光信号の状態変化を示す。図 17に示すように、 LD31, 32から出力される各光信号がお互いに周波数の異なる直線偏波（縦偏波）であると する。 LD31から出力された光信号は λ Ζ4波長板 34により直線偏波のまま偏波面 を 45度回転されるように、入力編波の向きと λ Ζ4波長板 34の向きとが調整される。 また、 LD32から出力された光信号が λ Ζ2波長板 35により円偏光に変換されるよう に、入力編波の向きと λ Ζ2波長板 35の向きとが調整される。円偏光は、縦偏光成 分と、 90度位相が遅れた横偏光成分との和である。また、 PBS36からパス Ρ5又は Ρ 6に出力されるビート光信号がアウトプットとして出力される。
[0093] そして、偏波面を 45度回転された光信号と、円偏光の光信号とが PBS36に入力さ れ、合波されてビート光信号に変換され、さらにそのビート光信号が縦偏波成分と、 ビート光信号の 90度位相が遅れた横偏光成分とに分離される。ビート光信号の縦偏 波成分と、ビート光信号の 90度位相が遅れた横偏光成分とは、順にパス Ρ5、パス Ρ 6に振り分けられても、順にパス Ρ6、パス Ρ5に振り分けられても、位相差が 90度にな るため、 π Ζ2シフト器が実現されている。
[0094] 本変形例によれば、 OVCO30Aにおいて、 λ Ζ2波長板 35を透過した光信号及 び λ Ζ4波長板 34を透過した光信号を PBS36で合波し、ビート光信号と、位相が 90 度ずれたビート光信号とに分離し、位相検出器 10が、入力光信号と、一方のビート 光信号との位相比較信号を出力し、位相検出器 140が、入力光信号と、位相検出器 10に入力したビート光信号から位相が 90度ずれたビート光信号との位相比較信号 を出力することができるので、入力光信号の周波数の変化によらず、位相検出器 14 0の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置 1のロックを検出できると ともに、一方のビート光信号と、位相が 90度ずれたもう一方のビート光信号とを容易 に出力できる。
[0095] なお、上記各実施の形態及び各変形例にお!、て、位相検出器 10及び 140の構成 を説明した力 その構成が位相検出器 10及び 140のうちの少なくとも一方であること としてもよい。また、上記各実施の形態及び第 1の変形例において、位相シフタ 130 A, 130Bとしては、ビート光信号又は入射光信号に対して、位相検出器 140で比較 される 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号力^にならない量 を位相シフトする構成としてもよい。また、上記第 2の変形例において、位相シフタと しての波長板は、 LD31, 32から出力された光信号に対して、位相検出器 140で比 較される 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号力^にならない 量を調整する構成としてもょ ヽ。
[0096] また、上記各実施の形態及び各変形例における光フェーズロックループシステムの 各構成要素の細部構成、及び細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することの ない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。
産業上の利用可能性
[0097] 以上のように、本発明に係るロック検出装置及び光フェーズロックループシステムは 、入力光信号に同期したビート光信号を出力する光フェーズロックループ装置に用 いるのに適している。

Claims

請求の範囲
[1] 入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第 1の位相比較信号を出力する第 1 の位相検出器と、当該第 1の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形さ れた第 1の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発 振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であつ て、
前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第 2の位 相比較信号を出力する第 2の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第 2の位相検出器で比較さ れる 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が 0にならない量を 位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
[2] 前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすること を特徴とする請求の範囲第 1項に記載のロック検出装置。
[3] 前記第 1及び第 2の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビー ト光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えること を特徴とする請求の範囲第 1項に記載のロック検出装置。
[4] 前記位相比較部は、 Si— APDであることを特徴とする請求の範囲第 3項に記載の ロック検出装置。
[5] 前記 Si— APDは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたこと を特徴とする請求の範囲第 4項に記載のロック検出装置。
[6] 前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求の範囲第 3 項に記載のロック検出装置。
[7] 前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求の範囲第 3項に記 載のロック検出装置。
[8] 前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力 した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求 の範囲第 3項に記載のロック検出装置。
[9] 前記位相比較部は、周期分極反転 LiNb03結晶と、当該周期分極反転 LiNb03結 晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴 とする請求の範囲第 3項に記載のロック検出装置。
[10] 前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生し た波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする 請求の範囲第 3項に記載のロック検出装置。
[11] 入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第 1の位相比較信号を出力する第 1 の位相検出器と、当該第 1の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形さ れた第 1の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発 振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であつ て、
前記入力光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記ビート光信号及び前記位相シフトされた入力光信号の位相を比較し第 2の位 相比較信号を出力する第 2の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記入力光信号に対して、前記第 2の位相検出器で比較さ れる 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が 0にならない量を 位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
[12] 前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記入力光信号の位相をシフトすること を特徴とする請求の範囲第 11項に記載のロック検出装置。
[13] 前記第 1及び第 2の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビー ト光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えること を特徴とする請求の範囲第 11項に記載のロック検出装置。
[14] 前記位相比較部は、 Si— APDであることを特徴とする請求の範囲第 13項に記載 のロック検出装置。
[15] 前記 Si— APDは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたこと を特徴とする請求の範囲第 14項に記載のロック検出装置。
[16] 前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求の範囲第 1
3項に記載のロック検出装置。
[17] 前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求の範囲第 13項に記 載のロック検出装置。
[18] 前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力 した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求 の範囲第 13項に記載のロック検出装置。
[19] 前記位相比較部は、周期分極反転 LiNb03結晶と、当該周期分極反転 LiNb03結 晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴 とする請求の範囲第 13項に記載のロック検出装置。
[20] 前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生し た波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする 請求の範囲第 13項に記載のロック検出装置。
[21] 請求の範囲第 1項に記載のロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステム。
[22] 請求の範囲第 11項に記載のロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステム。
[23] 入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第 1の位相比較信号を出力する第 1 の位相検出器と、当該第 1の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形さ れた第 1の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発 振器と、を備える光フェーズロックループ装置を備え、
前記光学電圧制御発振器は、お互いに異なる周波数の光信号を出力する第 1及 び第 2の光源と、当該第 1及び第 2の光源力 出力される光信号を波長板により調整 して前記光学電圧制御発振器から出力する光ビート信号の位相をシフトする位相シ フト器と、前記調整された光信号を合波し、第 1及び第 2のビート光信号に分離する ビームスプリッタと、を備え、
前記第 1の位相検出器は、前記入力光信号及び前記第 1のビート光信号の位相を 比較し第 1の位相比較信号を出力し、
前記入力光信号及び前記第 2のビート光信号の位相を比較し第 2の位相比較信号 を出力する第 2の位相検出器を備え、
前記位相シフト器は、前記第 1及び第 2の光源から出力される光信号に対して、前 記第 2の位相検出器で比較される 2つの光信号の位相が同期した場合に、その位相 比較信号が 0にならない量を調整することを特徴とする光フェーズロックループシステ ム。
[24] 前記位相シフト器は、前記第 1の光源の出力信号が透過する λ Ζ2波長板と、前記 第 2の光源の出力信号が透過する λ Ζ4波長板と、を備え、
前記ビームスプリッタは、前記 λ Ζ2波長板を透過した光信号及び前記 λ Ζ4波長 板を透過した光信号を合波し、第 1のビート光信号と、当該第 1のビート光信号と位相 が 90度ずれた第 2のビート光信号とに分離することを特徴とする請求の範囲第 23項 に記載の光フェーズロックループシステム。
[25] 前記第 1及び第 2の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビー ト光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えること を特徴とする請求の範囲第 23項に記載の光フェーズロックループシステム。
[26] 前記位相比較部は、 Si— APDであることを特徴とする請求の範囲第 25項に記載 の光フェーズロックノレープシステム。
[27] 前記 Si— APDは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたこと を特徴とする請求の範囲第 26項に記載の光フェーズロックループシステム。
[28] 前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求の範囲第 2
5項に記載の光フェーズロックループシステム。
[29] 前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求の範囲第 25項に記 載の光フェーズロックループシステム。
[30] 前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力 した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求 の範囲第 25項に記載の光フェーズロックループシステム。
[31] 前記位相比較部は、周期分極反転 LiNb03結晶と、当該周期分極反転 LiNb03結 晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴 とする請求の範囲第 25項に記載の光フェーズロックループシステム。
[32] 前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生し た波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする 請求の範囲第 25項に記載の光フェーズロックループシステム。
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