(57)【要約】【課題】遅延量の変動を相殺し、位相雑音の変化量を常に高精度で取得し、低位相雑音を実現する。【解決手段】分岐部は、連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する。遅延器は、第１分岐光に遅延を与える。周波数シフタは、遅延された第１分岐光に周波数シフトを与える。合波器は、周波数シフトされた第１分岐光と、第２分岐光とを合波して合波光を生成する。位相変調部は、第３分岐光を位相変調させる。第１ループは、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御する。第２ループは、合波光から得られる第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、制御信号によって位相変調部を制御する。スイッチ部は、第１ループで位相同期が確立した後、第２ループを動作させる。【選択図】図１
2020031312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する分岐部と、
前記第１分岐光に遅延を与える遅延器と、
遅延された前記第１分岐光に周波数シフトを与える周波数シフタと、
周波数シフトされた前記第１分岐光と、前記第２分岐光とを合波して合波光を生成する合波器と、
前記第３分岐光を位相変調させる位相変調部と、
前記合波光から得られる第１誤差信号を用いて、前記遅延器における遅延量の変動を相殺するように、前記周波数シフタを制御する第１ループと、
前記合波光から得られる第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、前記制御信号によって前記位相変調部を制御する第２ループと、
前記第１ループで位相同期が確立した後、前記第２ループを動作させるスイッチ部と
を備えることを特徴とする位相雑音低減器。
【請求項２】
前記分岐部から出力される前記第１分岐光及び前記第２分岐光に基づく前記制御信号が前記位相変調部に入力されるまでの時間と、前記分岐部から出力される前記第３分岐光が前記位相変調部に入力されるまでの時間とが、揃っている
ことを特徴とする請求項１に記載の位相雑音低減器。
【請求項３】
前記合波光を電気信号に変換する光電変換器と、
前記電気信号から位相変動成分を抽出するミキサと、
前記位相変動成分に含まれる、前記遅延器における遅延量の変動に基づく成分を前記第１誤差信号とするループフィルタと、
前記第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記周波数シフタを駆動させる第１電圧制御発振器と、
前記位相変動成分に含まれる、前記光源における位相の変動に基づく前記第２誤差信号の極性を逆にして出力する反転電気増幅器と、
前記反転電気増幅器からの出力を積分し、前記位相変調部への前記制御信号として出力する積分器と
を備え、
前記反転電気増幅器は、当該反転電気増幅器及び前記積分器を合わせたゲインが１となるように前記第２誤差信号を増幅する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相雑音低減器。
【請求項４】
前記合波光を電気信号に変換する光電変換器と、
前記電気信号から位相変動成分を抽出するミキサと、
前記位相変動成分に含まれる、前記遅延器における遅延量の変動に基づく成分を前記第１誤差信号とするループフィルタと、
前記第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記周波数シフタを駆動させる第１電圧制御発振器と、
前記位相変動成分に含まれる、前記光源における位相の変動に基づく前記第２誤差信号を増幅して出力する電気増幅器と、
前記電気増幅器からの出力に応じて発振周波数を変更し、前記位相変調部に前記制御信号を送る第２電圧制御発振器と、
前記位相変調部から出力される変調信号の、低周波側の角周波数成分のみを通過させる光バンドパスフィルタと
を備え、
前記電気増幅器は、当該電気増幅器及び前記第２電圧制御発振器を合わせたゲインが１となるように前記第２誤差信号を増幅する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相雑音低減器。
【請求項５】
前記合波光を電気信号に変換する光電変換器と、
前記電気信号から位相変動成分を抽出するミキサと、
前記位相変動成分に含まれる、前記遅延器における遅延量の変動に基づく成分を前記第１誤差信号とするループフィルタと、
前記第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記周波数シフタを駆動させる第１電圧制御発振器と、
前記位相変動成分に含まれる、前記光源における位相の変動に基づく前記第２誤差信号を増幅して出力する電気増幅器と、
前記電気増幅器からの出力に応じて発振周波数を変更し、前記位相変調部に前記制御信号を送る第２電圧制御発振器と
を備え、
前記電気増幅器は、当該電気増幅器及び前記第２電圧制御発振器を合わせたゲインが１となるように前記第２誤差信号を増幅し、
前記位相変調部は、単側波帯光変調器である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相雑音低減器。
【請求項６】
分岐部において、連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する過程と、
遅延器において、前記第１分岐光に遅延を与える過程と、
周波数シフタにおいて、遅延された前記第１分岐光に周波数シフトを与える過程と、
周波数シフトされた前記第１分岐光と、前記第２分岐光とを合波して合波光を生成する過程と、
前記第３分岐光を位相変調する過程と、
第１ループにおいて、前記合波光から得られる第１誤差信号を用いて、前記遅延器における遅延量の変動を相殺するように、前記周波数シフタを制御する過程と、
前記第１ループで位相同期が確立した後、第２ループにおいて、前記合波光から得られる第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、前記制御信号によって、前記第３分岐光を位相変調する過程における位相変調量を制御する過程と、
を備えることを特徴とする位相雑音低減方法。
【請求項７】
前記分岐部において前記連続光が３分岐されてから、前記第１分岐光及び前記第２分岐光に基づく前記制御信号が前記位相変調部に入力されるまでの時間と、前記第３分岐光が前記位相変調部に入力されるまでの時間とが、揃っている
ことを特徴とする請求項６に記載の位相雑音低減器。
【請求項８】
前記合波光を電気信号に変換する過程と、
前記電気信号から位相変動成分を抽出する過程と、
前記第１ループにおいて実施される、前記位相変動成分に含まれる、遅延量の変動に基づく成分を第１誤差信号とする過程、及び、前記第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記周波数シフタを駆動させる過程と、
前記第２ループにおいて実施される、前記位相変動成分に含まれる、前記光源における位相の変動に基づく成分を第２誤差信号とする過程、及び、前記第２誤差信号に応じて、前記第３分岐光を位相変調する過程における位相変調量を制御する過程と
を備える
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の位相雑音低減方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、レーザ出力における位相雑音を低減する、位相雑音低減器及び位相雑音低減方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信やセンシングで用いられるレーザ光源の出力（レーザ出力）には、位相雑音が重畳されている。例えば、位相変調信号を用いるコヒーレント通信の場合、信号光と局発光の位相雑音の量に比例して復調性能が悪化するため、低位相雑音の光源を用いることが好ましい。
【０００３】
低位相雑音の光源として、半導体レーザの出力を２分岐して、一方を遅延させ、他方に周波数シフトを加えて、両者をバランス検波することにより瞬時周波数として観測される位相雑音を相殺させる技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−４９９７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、レーザの位相雑音の変化量を正確に測定するためには、与えられる遅延量τが、レーザ光のコヒーレンス時間より小さいこと、及び、整数ｍに対して、レーザ光の中心角周波数ωＬＤがωＬＤτ−２πｍ＝π／２を満たすことが必要である。上述の特許文献１では、この条件を満たすために、バランス検波出力を基準周波数でミキシングする際に、ミキサ出力の平均電圧が０となるように設定している。
【０００６】
しかしながら、遅延量τは温度や外乱により顕著に変化する。例えば、２００ＴＨｚのレーザ光の場合、遅延量τがフェムト秒程度変化した際に、ωＬＤτで表される位相変動は数十度になる。よって、位相雑音の変化量を常に高精度で取得するためには、遅延量τの影響を十分に低く抑える必要がある。
【０００７】
この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであり、この発明の目的は、遅延による位相差に対してフィードバック制御を施すことにより、遅延量の変動を相殺し、位相雑音の変化量を常に高精度で取得し、低位相雑音を実現する、位相雑音低減器及び位相雑音低減方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明の位相雑音低減器は、分岐部と、遅延器と、周波数シフタと、合波器と、位相変調部と、第１ループと、第２ループと、スイッチ部とを備えて構成される。
【０００９】
分岐部は、連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する。遅延器は、第１分岐光に遅延を与える。周波数シフタは、遅延された第１分岐光に周波数シフトを与える。合波器は、周波数シフトされた第１分岐光と、第２分岐光とを合波して合波光を生成する。位相変調部は、第３分岐光を位相変調させる。第１ループは、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御する。第２ループは、合波光から得られる第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、制御信号によって位相変調部を制御する。スイッチ部は、第１ループで位相同期が確立した後、第２ループを動作させる。
【００１０】
また、この発明の位相雑音低減方法は、以下の過程を備えて構成される。
【００１１】
まず、分岐部において、連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する。そして、第１分岐光に遅延を与える。さらに、周波数シフタにおいて、遅延された第１分岐光に周波数シフトを与える。そして、周波数シフトされた第１分岐光と、第２分岐光とを合波して合波光を生成する。また、第３分岐光を位相変調する。第１ループにおいて、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御する。第１ループで位相同期が確立した後、第２ループにおいて、合波光から得られる第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、制御信号によって、上述した第３分岐光を位相変調する過程における位相変調量を制御する。
【発明の効果】
【００１２】
この発明の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法によれば、第１ループ及び第２ループを用い、第１ループにおいて、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、外乱等により位相変動する第１分岐光と、第２分岐光との位相差を相殺することで遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御した後、第２ループにおいて、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、連続光の位相の変動を相殺するように、連続光の位相変調量を制御する。このため、遅延量の変動を抑えた上で位相雑音を低減させるので、低位相雑音が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の位相雑音低減器の模式的なブロック図である。
【図２】角周波数スペクトルを示す図である。
【図３】第２の位相雑音低減器の模式的なブロック図である。
【図４】第３の位相雑音低減器の模式的なブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、各構成要素の材質及び数値的条件などは、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。
【００１５】
（第１の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法）
図１及び図２を参照して、この発明の第１の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法について説明する。図１は、第１の位相雑音低減器の模式的なブロック図である。また、図２は、角周波数スペクトルを示す図である。
【００１６】
第１の位相雑音低減器１００は、光源の出力側に設けられた、分岐部と、遅延器と、周波数シフタと、合波器と、第１ループと、第２ループと、スイッチ部と、位相変調部とを備えて構成される。
【００１７】
光源としての半導体レーザ１０は、角周波数ω０の連続光Ｓ１を生成する（図２（Ａ））。連続光Ｓ１は、以下の式（１）で表される。
【００１８】
【数１】
2020031312.tif 000003
【００１９】
ここで、ｐ１は連続光Ｓ１の強度であり、φｎは、半導体レーザ１０における位相雑音である。
【００２０】
連続光Ｓ１は、分岐部１５において第１〜第３分岐光に３分岐される。３分岐された連続光Ｓ１の１つである第３分岐光は、後述する位相変調部２０に送られる。
【００２１】
３分岐された連続光Ｓ１の他の１つである第１分岐光は、遅延器である遅延線３０に送られる。第１分岐光には、遅延線３０において遅延量τの遅延が与えられる。遅延された第１分岐光は、周波数シフタであるＡＯＭ（Ａｃｏｕｓｔｉｃ  Ｏｐｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）３２において、Δωの周波数シフトを受ける。この遅延線３０及びＡＯＭ３２を経た光Ｓ２（図２（Ｂ））は、合波器である光３ｄＢカプラ４０に送られる。
【００２２】
３分岐された連続光Ｓ１の残りの１つである第２分岐光Ｓ３（図２（Ｂ））は、光３ｄＢカプラ４０に送られる。
【００２３】
光３ｄＢカプラ４０に入力される第１分岐光Ｓ２及び第２分岐光Ｓ３は、それぞれ、以下の式（２）及び（３）で表される。
【００２４】
【数２】
2020031312.tif 000004
【００２５】
【数３】
2020031312.tif 000005
【００２６】
ここで、ｐ２は、第１分岐光Ｓ２の強度である。また、ｐ３は、第２分岐光Ｓ３の強度である。また、ψ０は、ＡＯＭ３２でΔωの周波数シフトと同時に加えられる位相シフトである。
【００２７】
光３ｄＢカプラ４０は、入力された光Ｓ２及びＳ３を合波する。光３ｄＢカプラ４０で合波された合波光は、光電変換器（Ｏ／Ｅ）５０に送られる。
【００２８】
光電変換器５０の出力は、以下の式（４）で表される。
【００２９】
【数４】
2020031312.tif 000006
【００３０】
ここで、ｐ４は、光電変換器５０の出力の振幅である。また、Δφｎは、以下の式（５）で表される。
【００３１】
【数５】
2020031312.tif 000007
【００３２】
なお、光電変換器５０の出力は、適切に交流（ＡＣ）結合されており、光電変換器５０からの出力は直流（ＤＣ）成分を含まないものとする。
【００３３】
光電変換器５０の出力は、ミキサ５２に送られる。ミキサ５２には、発振器５４で生成される角周波数Δωの発振信号が入力される。ミキサ５２は、光電変換器５０の出力と発振器５４の出力とをミキシングして出力する。
【００３４】
ミキサ５２の出力は分岐器５６に送られる。分岐器５６は、ミキサ５２の出力を２分岐して、一方をループフィルタ６０に送る。また、分岐器５６は、２分岐した他方を、スイッチ部７０を経て反転電気増幅器８０に送る。
【００３５】
スイッチ部７０は、この第１の位相雑音低減器１００の起動時には切断（ＯＦＦ）状態となっている。このため、起動時には、分岐器５６の出力は、ループフィルタ６０に送られるが、反転電気増幅器８０には送られない。スイッチ部７０は、ループフィルタ６０を含んで構成される第１ループで位相同期が確立すると、切断状態から導通（ＯＮ）状態に切り替わる。導通状態になると、分岐器５６の出力は、反転電気増幅器８０にも送られる。その後、反転電気増幅器８０を含んで構成される第２ループが動作する。
【００３６】
ここで、第１ループは、ＡＯＭ３２、光３ｄＢカプラ４０、光電変換器５０、ミキサ５２、分岐器５６、ループフィルタ６０及び第１電圧制御発振器（ＶＣＯ）６２を含んで構成される。また、第２ループは、光３ｄＢカプラ４０、光電変換器５０、ミキサ５２、分岐器５６、スイッチ部７０、反転電気増幅器８０、積分器８２及び位相変調部２０を含んで構成される。
【００３７】
第１ループは、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延線３０における遅延量の変動を相殺するように、ＡＯＭ３２を制御する。また、第２ループは、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、半導体レーザ１０における位相の変動を相殺するように、位相変調部２０を制御する。ここで、第１誤差信号は、ミキサ５２で抽出された位相変動成分に含まれる、遅延線３０における遅延量の変動に基づく成分である。また、第２誤差信号は、ミキサ５２で抽出された位相変動成分に含まれる、光源における位相の変動に基づく成分である。
【００３８】
スイッチ部７０は、例えば、スイッチ７２とタイマ７４を備えて構成される。スイッチ７２は、第１の位相雑音低減器１００の起動時は切断（ＯＦＦ）状態である。タイマ７４は、第１の位相雑音低減器１００の起動後、所定の時間が経過すると、その旨、スイッチ７２に通知する。スイッチ７２は、所定の時間の経過を知らせるタイマ７４からの信号に応じて、切断（ＯＦＦ）状態から導通（ＯＮ）状態に切り替える。
【００３９】
このタイマ７４が知らせる所定の時間は、第１ループでの引き込み時間に応じて定められる。引き込み時間は、第１ループで位相同期が確立（ロック）するまでの時間であり、第１ループの各パラメータに基づいて見積もることができる。そこで、確実にロックするまでの時間が所定の時間として設定される。
【００４０】
ここで、連続光Ｓ１の角周波数ω０は、一般に数百ｒａｄ／ｓになる。よって、遅延線３０での遅延量τを十分小さく、例えば、ピコ秒レベルで遅延させたとしても、ω０τは十分大きくなる。さらに、この遅延量τは、遅延線３０の僅かな熱変化による伸縮に応じて、ゆっくりと揺らいでいる。従って、直流成分の近傍では、ω０τに対して高速に変動するΔφｎは、白色雑音とみなすことが可能であり、ω０τの変動量に対してその時間変化の割合も十分小さい。
【００４１】
従って、第１ループのループ帯域、すなわち、ループフィルタ６０のカットオフ周波数を十分狭く設定することにより、ゆっくり変動するω０τの変動のみ抽出することができる。
【００４２】
このため、上記式（４）で与えられる光電変換器５０の出力は、第１ループでは、近似的に以下の式（６）とみなすことができる。
【００４３】
【数６】
2020031312.tif 000008
【００４４】
そして、上記式（６）で表される光電変換器５０からの出力と、角周波数Δωで発振する発振器５４からの出力とをミキサ５２においてミキシングし、当該ミキサ５２で抽出される成分は、第１ループでは、以下の式（７）に比例する。
【００４５】
【数７】
2020031312.tif 000009
【００４６】
なお、発振器５４の出力は、別途位相調整がなされているものとする。そして、ここでは、ミキサ５２において、上記式（７）に示す信号が抽出されるものとする。
【００４７】
ループフィルタ６０の出力は、第１電圧制御発振器６２に送られる。第１電圧制御発振器６２は、ループフィルタ６０から受け取る第１誤差信号に含まれる位相誤差成分に応じて、自己の発振周波数を変更する。第１電圧制御発振器６２が生成した発振信号は、ＡＯＭ３２に送られて、ＡＯＭ３２を通過する光の周波数を変更する。
【００４８】
第１ループは、いわゆる位相同期回路と同様に動作し、以下の式（８）を満たすように、第１電圧制御発振器６２が駆動される。
【００４９】
【数８】
2020031312.tif 000010
【００５０】
その結果、ＡＯＭ３２は、角周波数Δωの周りで制御されて、上記式（８）が成立する位相ψ０（ｔ）が与えられる。
【００５１】
この第１ループで位相同期が確立した後、上述のスイッチ部７０での切り替えにより第２ループが動作する。スイッチ部７０がＯＮ状態になった後、スイッチ７２の出力は、反転電気増幅器８０に送られる。
【００５２】
第１ループで位相同期が確立した後は、上記式（８）が成立している。このため、上記式（６）で表される光電変換器５０からの出力を、以下の式（９）とみなすことができる。
【００５３】
【数９】
2020031312.tif 000011
【００５４】
従って、第１ループで位相同期が確立した後は、上記式（７）で与えられるミキサ５２で抽出され、スイッチ７２から出力される信号は、以下の式（１０）に比例する。
【００５５】
【数１０】
2020031312.tif 000012
【００５６】
ここで、上記式（１０）に対する比例定数をＫとする。上述したようにΔφｎは十分０に近いため、上記式（１０）を以下の式（１１）のように近似することができる。
【００５７】
【数１１】
2020031312.tif 000013
【００５８】
上記式（１１）におけるφｎの時間微分は、位相雑音による位相の時間的変動、すなわち連続光Ｓ１の瞬時的な位相変動を表す。この瞬時的な位相変動が反転電気増幅器８０への入力となる。反転電気増幅器８０は、上記式（１１）で表されるスイッチ７２からの信号に対して、極性を逆にし、正味のゲイン（反転電気増幅器８０及び後段の積分器８２を合わせたゲイン）が１となるように出力する。反転電気増幅器８０からの出力は、以下の式（１２）で表される。
【００５９】
【数１２】
2020031312.tif 000014
【００６０】
反転電気増幅器８０の出力は、積分器８２に送られる。
【００６１】
積分器８２は、上記式（１２）で表される反転電気増幅器８０からの出力を積分し、位相変調部２０を制御する信号（制御信号）として出力する。積分器８２からの出力は、以下の式（１３）で表される。
【００６２】
【数１３】
2020031312.tif 000015
【００６３】
上記式（１３）に示すように、積分器８２からの出力は、時刻ｔにおける連続光Ｓ１の瞬時的な位相変動に対して、絶対値が等しくかつ逆の極性を持つ値となる。
【００６４】
積分器８２からの出力は、位相変調部２０に入力される。位相変調部２０は、光位相変調器によって構成されている。位相変調部２０は、分岐部１５から送られる、連続光Ｓ１の第３分岐光を位相変調して出力する。時刻ｔにおいて、積分器８２からの出力を用いて、位相変調部２０を通過する光の周波数を変更することによって、位相変動を相殺することができる。
【００６５】
ここで、分岐部１５から第２ループを経て位相変調部２０に至る回路の長さに応じて、第３分岐光が伝播する分岐部１５から位相変調部２０までの光路長が設定される。この結果、分岐部１５から出力される第１分岐光及び第２分岐光に基づき、積分器８２から出力される制御信号が位相変調部２０に入力されるまでの時間と、分岐部１５から出力される第３分岐光が位相変調部２０に入力されるまでの時間とを、揃えるのが好ましい。これにより、時刻ｔにおいて、積分器８２からの出力を位相変調部２０に入力することができる。この場合には、連続光の位相の変動をより確実に相殺することができる。
【００６６】
このように、第１の位相雑音低減器１００及び位相雑音低減方法によれば、第１ループ及び第２ループを用い、第１ループにおいて、合波光から得られる第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御した後、第２ループにおいて、合波光から得られる第２誤差信号を用いて、連続光の位相の変動を相殺するように、連続光の位相変調量を制御する。このため、遅延量の変動を抑えた上で位相雑音を低減させるので、低位相雑音が実現できる。
【００６７】
（第２の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法）
図３を参照して、この発明の第２の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法について説明する。図３は、第２の位相雑音低減器の模式的なブロック図である。なお、第２の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法は、第２ループの構成が、部分的に上述した第１の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法と相違する。また、第２の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法では、位相変調部の後段に光バンドパスフィルタが設けられる。第１の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００６８】
第２の位相雑音低減器２００は、第１の位相雑音低減器１００の反転電気増幅器８０及び積分器８２に代えて、電気増幅器２８０及び第２電圧制御発振器（ＶＣＯ）２８２を備えている。従って、第２の位相雑音低減器２００では、第２ループは、光３ｄＢカプラ４０、光電変換器５０、ミキサ５２、分岐器５６、スイッチ部７０、電気増幅器２８０及び第２電圧制御発振器（ＶＣＯ）２８２及び位相変調部２０を含んで構成される。
【００６９】
第１の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法と同様に、第１ループで位相同期が確立した後、ミキサ５２で抽出された信号が、分岐部５６を経て、スイッチ７２から出力される。スイッチ７２からの出力は、電気増幅器２８０に送られる。
【００７０】
電気増幅器２８０は、上記式（１１）に対応するスイッチ７２からの信号の正味のゲイン（電気増幅器２８０及び後段の第２電圧制御発振器２８２を合わせたゲイン）が１となるように出力する。電気増幅器２８０からの出力は、第２電圧制御発振器２８２に送られる。
【００７１】
第２電圧制御発振器２８２は、ミキサ５２で抽出された第２誤差信号に含まれる位相誤差成分に応じて、自己の発振周波数を変更する。第２電圧制御発振器２８２が生成した発振信号（すなわち位相変調部２０を制御する制御信号）は、位相変調部２０に送られて、位相変調部２０を通過する光の周波数を変更する。
【００７２】
第２電圧制御発振器２８２の感度をＫＶＣＯとすると、第２電圧制御発振器２８２からの出力は、以下の式（１４）で表される。
【００７３】
【数１４】
2020031312.tif 000016
【００７４】
ここでｍは第２電圧制御発振器２８２のフリーランニング時の角周波数とする。上述したように、電気増幅器２８０により、正味のゲインは１となる。このため、第２電圧制御発振器２８２から出力される発振信号（制御信号）のゲインτＧＫＫＶＣＯは以下の式（１５）となる。
【００７５】
【数１５】
2020031312.tif 000017
【００７６】
従って、上記式（１５）から、上記式（１４）は、以下の式（１６）となる。
【００７７】
【数１６】
2020031312.tif 000018
【００７８】
位相変調部２０は、上記式（１６）で表される第２電圧制御発振器２８２からの出力を用いて、分岐部１５から送られる、連続光Ｓ１の第３分岐光を位相変調する。位相変調部２０として例えばマッハツェンダー型強度変調器を用い、上記式（１６）で第３分岐光（連続光Ｓ１）を強度変調すると、位相変調部２０から出力される変調信号の位相は下式（１７）となる。
【００７９】
【数１７】
2020031312.tif 000019
【００８０】
ここで、ｐｍ（ｐは０以上の整数）は変調による角周波数のシフト量である。位相変調部２０から出力される変調信号は、ω０±ｐｍで与えられる複数の角周波数成分を生成する。この複数の角周波数成分を有する変調信号は、光バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）２４に送られる。
【００８１】
光バンドパスフィルタ２４は、位相変調部２０からの出力のうち、ｐ＝１に相当する低周波側の角周波数ω０−ｍの成分のみを通過させる。この結果、光バンドパスフィルタ２４の出力の位相は、以下の式（１８）で表される。
【００８２】
【数１８】
2020031312.tif 000020
【００８３】
上記式（１８）に示すように、光バンドパスフィルタ２４の出力では、時刻ｔにおける位相雑音φｎ（ｔ）が解消される。
【００８４】
第２の位相雑音低減器２００においても、第１の位相雑音低減器１００と同様に、分岐部１５から第２ループを経て位相変調部２０に至る回路の長さに応じて、第３分岐光が伝播する分岐部１５から位相変調部２０までの光路長が設定される。この結果、分岐部１５から出力される第１分岐光及び第２分岐光に基づき、第２電圧制御発振器２８２から出力される発振信号（制御信号）が位相変調部２０に入力されるまでの時間と、分岐部１５から出力される第３分岐光が位相変調部２０に入力されるまでの時間とを、揃えるのが好ましい。これにより、時刻ｔにおいて、第２電圧制御発振器２８２からの出力を位相変調部２０に入力することができる。この場合には、連続光の位相の変動をより確実に相殺することができる。
【００８５】
このように、第２の位相雑音低減器２００及び位相雑音低減方法においても、第１の位相雑音低減器１００及び位相雑音低減方法と同様に、遅延量の変動を抑えた上で位相雑音を低減させるので、低位相雑音が実現できる。
【００８６】
（第３の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法）
図４を参照して、この発明の第３の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法について説明する。図４は、第３の位相雑音低減器の模式的なブロック図である。なお、第３の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法は、位相変調部として単側波帯（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｂａｎｄ：ＳＳＢ）光変調器を用いる点、及び光バンドパスフィルタが省略される点において、上述した第２の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法と相違する。第２の位相雑音低減器及び位相雑音低減方法と共通する構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
【００８７】
第３の位相雑音低減器３００は、位相変調部２０として、例えばベクトル変調器等のＳＳＢ光変調器３２０を備えている。
【００８８】
ＳＳＢ光変調器３２０では、上記式（１７）で表される変調信号の位相のうち、上記式（１８）で表される低周波側の成分を抽出して出力することができる。従って、位相変調部２０としてＳＳＢ光変調器３２０を用いることにより、位相変調部の後段に光バンドパスフィルタを設ける必要がない。
【００８９】
第３の位相雑音低減器３００及び位相雑音低減方法においても、第２の位相雑音低減器２００及び位相雑音低減方法と同様に、遅延量の変動を抑えた上で位相雑音を低減させるので、低位相雑音が実現できる。さらに、第３の位相雑音低減器３００では、光バンドパスフィルタを省略できるため、第２の位相雑音低減器２００と同様の効果を奏しつつ、構成をより簡略化できる。
【符号の説明】
【００９０】
１０：半導体レーザ
１５：分岐部
２０：位相変調部
２４：光ＢＰＦ
３０：遅延線
３２：ＡＯＭ
４０：光３ｄＢカプラ
５０：Ｏ／Ｅ
５２：ミキサ
５４：発振器
５６：分岐器
６０：ループフィルタ
６２：第１ＶＣＯ
７０：スイッチ部
７２：スイッチ
７４：タイマ
８０：反転電気増幅器
８２：積分器
１００、２００、３００：位相雑音低減器
２８０：電気増幅器
２８２：第２ＶＣＯ
３２０：ＳＳＢ光変調器
【図１】
2020031312.tif 000021
【図２】
2020031312.tif 000022
【図３】
2020031312.tif 000023
【図４】
2020031312.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月9日(2019.8.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する分岐部と、
前記第１分岐光に遅延を与える遅延器と、
遅延された前記第１分岐光に、角周波数Δωの周波数シフトを与える周波数シフタと、
周波数シフトされた前記第１分岐光と、前記第２分岐光とを合波して合波光を生成する合波器と、
前記合波光を電気信号に変換する光電変換器と、
前記電気信号と、角周波数Δωで発振する発振器からの出力とをミキシングし、前記電気信号から位相変動成分を抽出するミキサと、
前記位相変動成分に含まれる、前記遅延器における遅延量の変動に基づく成分を第１誤差信号とするループフィルタと、
前記第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記周波数シフタを駆動させる第１電圧制御発振器と、
前記第３分岐光を位相変調させる位相変調部と、
第１ループと、
第２ループと、
スイッチ部と
を備え、
前記第１ループは、
前記周波数シフタ、前記合波器、前記光電変換器、前記ミキサ、前記ループフィルタ、及び前記第１電圧制御発振器を含み、
前記第１誤差信号を用いて、前記遅延器における遅延量の変動を相殺するように、前記周波数シフタを制御し
前記第２ループは、
前記合波器、前記光電変換器、前記ミキサ、及び前記スイッチ部を含み、
前記位相変動成分に含まれる、前記光源における位相の変動に基づく成分を第２誤差信号とし、前記第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、前記制御信号によって前記位相変調部を制御し、
前記スイッチ部は、前記第１ループで位相同期が確立した後、前記第２ループを動作させる
ことを特徴とする位相雑音低減器。
【請求項２】
前記分岐部から出力される前記第１分岐光及び前記第２分岐光に基づく前記制御信号が前記位相変調部に入力されるまでの時間と、前記分岐部から出力される前記第３分岐光が前記位相変調部に入力されるまでの時間とが、揃っている
ことを特徴とする請求項１に記載の位相雑音低減器。
【請求項３】
前記第２誤差信号の極性を逆にして出力する反転電気増幅器と、
前記反転電気増幅器からの出力を積分し、前記位相変調部への前記制御信号として出力する積分器と
を備え、
前記反転電気増幅器は、当該反転電気増幅器及び前記積分器を合わせたゲインが１となるように前記第２誤差信号を増幅する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相雑音低減器。
【請求項４】
前記第２誤差信号を増幅して出力する電気増幅器と、
前記電気増幅器からの出力に応じて発振周波数を変更し、前記位相変調部に前記制御信号を送る第２電圧制御発振器と、
前記位相変調部から出力される変調信号の、低周波側の角周波数成分のみを通過させる光バンドパスフィルタと
を備え、
前記電気増幅器は、当該電気増幅器及び前記第２電圧制御発振器を合わせたゲインが１となるように前記第２誤差信号を増幅する
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相雑音低減器。
【請求項５】
前記第２誤差信号を増幅して出力する電気増幅器と、
前記電気増幅器からの出力に応じて発振周波数を変更し、前記位相変調部に前記制御信号を送る第２電圧制御発振器と
を備え、
前記電気増幅器は、当該電気増幅器及び前記第２電圧制御発振器を合わせたゲインが１となるように前記第２誤差信号を増幅し、
前記位相変調部は、単側波帯光変調器である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の位相雑音低減器。
【請求項６】
分岐部において、連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する過程と、
遅延器において、前記第１分岐光に遅延を与える過程と、
周波数シフタにおいて、遅延された前記第１分岐光に、角周波数Δωの周波数シフトを与える過程と、
周波数シフトされた前記第１分岐光と、前記第２分岐光とを合波して合波光を生成する過程と、
前記合波光を電気信号に変換する過程と、
前記電気信号と、角周波数Δωの発振信号とをミキシングし、前記電気信号から位相変動成分を抽出する過程と、
前記位相変動成分に含まれる、遅延量の変動に基づく成分を第１誤差信号とする過程と、
前記第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、前記周波数シフタを駆動させる過程と
前記第３分岐光を位相変調する過程と、
を備え、
第１ループにおいて、前記周波数シフトを与える過程、前記合波光を生成する過程、前記合波光を電気信号に変換する過程、前記位相変動成分を抽出する過程、前記第１誤差信号とする過程、及び前記周波数シフタを駆動させる過程を実施することによって、前記第１誤差信号を用いて、前記遅延器における遅延量の変動を相殺するように、前記周波数シフタを制御し、
前記第１ループで位相同期が確立した後、第２ループにおいて、前記合波光を生成する過程、前記合波光を電気信号に変換する過程、前記位相変動成分を抽出する過程、及び前記位相変動成分に含まれる、前記光源における位相の変動に基づく成分を第２誤差信号とする過程を実施することによって、前記第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、前記制御信号によって、前記第３分岐光を位相変調する過程における位相変調量を制御する
ことを特徴とする位相雑音低減方法。
【請求項７】
前記３分岐する過程において前記連続光が３分岐されてから、前記位相変調量を制御する過程において、前記第１分岐光及び前記第２分岐光に基づく前記制御信号が前記位相変調量を制御するまでの時間と、
前記３分岐する過程において前記連続光が３分岐されてから、前記第３分岐光を位相変調する過程において、前記第３分岐光を位相変調するまでの時間と
が、揃っている
ことを特徴とする請求項６に記載の位相雑音低減方法。
【請求項８】
前記第２ループにおいて実施される、前記第２誤差信号に応じて、前記第３分岐光を位相変調する過程における位相変調量を制御する過程と
を備える
ことを特徴とする請求項６又は７に記載の位相雑音低減方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
上述した目的を達成するために、この発明の位相雑音低減器は、分岐部と、遅延器と、周波数シフタと、合波器と、光電変換器と、ミキサと、ループフィルタと、第１電圧制御発振器と、位相変調部と、第１ループと、第２ループと、スイッチ部とを備えて構成される。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
分岐部は、連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する。遅延器は、第１分岐光に遅延を与える。周波数シフタは、遅延された第１分岐光に、角周波数Δωの周波数シフトを与える。合波器は、周波数シフトされた第１分岐光と、第２分岐光とを合波して合波光を生成する。光電変換器は、合波光を電気信号に変換する。ミキサは、電気信号と、角周波数Δωで発振する発振器からの出力とをミキシングし、電気信号から位相変動成分を抽出する。ループフィルタは、位相変動成分に含まれる、遅延器における遅延量の変動に基づく成分を第１誤差信号とする。第１電圧制御発振器は、第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、周波数シフタを駆動させる。位相変調部は、第３分岐光を位相変調させる。第１ループは、周波数シフタ、合波器、光電変換器、ミキサ、ループフィルタ、及び第１電圧制御発振器を含み、第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御する。第２ループは、合波器、光電変換器、ミキサ、及びスイッチ部を含み、位相変動成分に含まれる、光源における位相の変動に基づく成分を第２誤差信号とし、第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、制御信号によって位相変調部を制御する。スイッチ部は、第１ループで位相同期が確立した後、第２ループを動作させる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
まず、分岐部において、連続光を第１〜第３分岐光に３分岐する。そして、第１分岐光に遅延を与える。さらに、周波数シフタにおいて、遅延された第１分岐光に、角周波数Δωの周波数シフトを与える。そして、周波数シフトされた第１分岐光と、第２分岐光とを合波して合波光を生成する。合波光を電気信号に変換する。電気信号と、角周波数Δωの発振信号とをミキシングし、電気信号から位相変動成分を抽出する。位相変動成分に含まれる、遅延量の変動に基づく成分を第１誤差信号とする。第１誤差信号に応じて、発振周波数を変更し、周波数シフタを駆動させる。また、第３分岐光を位相変調する。第１ループにおいて、周波数シフトを与える過程、合波光を生成する過程、合波光を電気信号に変換する過程、位相変動成分を抽出する過程、第１誤差信号とする過程、及び周波数シフタを駆動させる過程を実施することによって、第１誤差信号を用いて、遅延器における遅延量の変動を相殺するように、周波数シフタを制御する。第１ループで位相同期が確立した後、第２ループにおいて、合波光を生成する過程、合波光を電気信号に変換する過程、位相変動成分を抽出する過程、及び位相変動成分に含まれる、光源における位相の変動に基づく成分を第２誤差信号とする過程を実施することによって、第２誤差信号を用いて制御信号を生成し、光源における位相の変動を相殺するように、制御信号によって、上述した第３分岐光を位相変調する過程における位相変調量を制御する。