(57)【要約】【課題】周波数シフトを生じさせずに、光源から出力される連続光の線幅を変更する装置を提供する。【解決手段】光源１０とベクトル変調器８０とを備えて構成される。光源は、連続光を生成してベクトル変調器に送る。ベクトル変調器は、位相成分をψとしてｃｏｓψの第１信号で変調した連続光Ｓ１と、ｓｉｎψの第２信号で変調した連続光Ｓ１とを干渉させて出力する。第１信号及び第２信号におけるψは、周波数をｆとして１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音である。【選択図】図１
2020027214.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源とベクトル変調器とを備え、
前記光源は、連続光を生成して前記ベクトル変調器に送り、
前記ベクトル変調器は、位相成分をψとしてｃｏｓψの第１信号で変調した前記連続光と、ｓｉｎψの第２信号で変調した前記連続光とを干渉させて出力し、
前記第１信号及び前記第２信号におけるψは、周波数をｆとして１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音である
ことを特徴とする可変線幅光発生装置。
【請求項２】
白色雑音を生成する白色雑音源と、
前記白色雑音を用いて、１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音が与えられた発振信号を生成する電圧制御発振器と、
前記電圧制御発振器の発振周波数と共通の中心周波数で発振するＲＦ信号を生成する周波数発振器と、
前記発振信号と前記ＲＦ信号とを乗算した信号を生成するＲＦミキサと、
前記ＲＦミキサで生成された信号を２分岐し、かつ２分岐した一方の信号にπ／２の位相シフトを与えることによって、ｃｏｓ波及びｓｉｎ波をそれぞれ出力するＲＦハイブリッドと、
前記ｃｏｓ波及び前記ｓｉｎ波からそれぞれ高周波成分を除去することによって、前記第１信号及び前記第２信号を生成するローパスフィルタと
をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載の可変線幅光発生装置。
【請求項３】
前記ベクトル変調器は、主マッハツェンダー干渉器、並びに第１サブマッハツェンダー干渉器及び第２サブマッハツェンダー干渉器を含んで構成されており、
前記主マッハツェンダー干渉器は、分岐部、合波部、並びにこれらの間を並列に繋ぐ第１アーム導波路部及び第２アーム導波路部を含み、
前記分岐部は入力される光を２分岐して、前記第１アーム導波路部及び第２アーム導波路部にそれぞれ送り、
前記合波部は、前記第１アーム導波路部及び前記第２アーム導波路部から送られる光を合波して出力し、
前記第１サブマッハツェンダー干渉器は、前記第１アーム導波路部の中途に設けられており
前記第１サブマッハツェンダー干渉器は、第１サブ分岐部、第１サブ合波部、並びにこれらの間を並列に繋ぐ第３アーム導波路部及び第４アーム導波路部を含み、
前記第１サブ分岐部は、前記第１アーム導波路部の前記第１サブマッハツェンダー干渉器に対して前段の部分から送られる光を２分岐して、前記第３アーム導波路部及び前記第４アーム導波路部にそれぞれ送り、
前記第１サブ合波部は、前記第３アーム導波路部及び前記第４アーム導波路部から送られる光を合波して、前記第１アーム導波路部の前記第１サブマッハツェンダー干渉器に対して後段の部分に送り、
前記第２サブマッハツェンダー干渉器は、前記第２アーム導波路部の中途に設けられており、
前記第２サブマッハツェンダー干渉器は、第２サブ分岐部、第２サブ合波部、並びにこれらの間を並列に繋ぐ第５アーム導波路部及び第６アーム導波路部を含み、
前記第２サブ分岐部は、前記第２アーム導波路部の前記第２サブマッハツェンダー干渉器に対して前段の部分から送られる光を２分岐して、前記第５アーム導波路部及び前記第６アーム導波路部にそれぞれ送り、
前記第２サブ合波部は、前記第５アーム導波路部及び前記第６アーム導波路部から送られる光を合波して、前記第２アーム導波路部の前記第２サブマッハツェンダー干渉器に対して後段の部分に送り、
前記第３アーム導波路部には、ｍを変調度として、前記第１信号に基づくｍｃｏｓψの変調信号が入力され、
前記第４アーム導波路部には、前記第１信号に基づく−ｍｃｏｓψの変調信号が入力され、
前記第５アーム導波路部には、前記第２信号に基づくｍｓｉｎψの変調信号が入力され、
前記第６アーム導波路部には、前記第２信号に基づく−ｍｓｉｎψの変調信号が入力され、
前記第４アーム導波路部を伝播する光には、πの位相シフトが与えられ、
前記第６アーム導波路部を伝播する光には、πの位相シフトが与えられ、
前記第１アーム導波路部を伝播する光には、前記第１サブマッハツェンダー干渉器に対して後段の部分においてπ／２の位相シフトが与えられる
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の可変線幅光発生装置。
【請求項４】
連続光を生成する過程と、
位相成分をψとしてｃｏｓψの第１信号で変調した前記連続光と、ｓｉｎψの第２信号で変調した前記連続光とを干渉させて出力する過程と
を含み、
前記第１信号及び前記第２信号におけるψは、周波数をｆとして１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音である
ことを特徴とする可変線幅光発生方法。
【請求項５】
白色雑音を生成する過程と、
前記白色雑音を用いて、１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音が与えられた発振信号を生成する過程と、
前記発振信号の発振周波数と共通の中心周波数で発振するＲＦ信号を生成する過程と、
前記発振信号と前記ＲＦ信号とを乗算した信号を生成する過程と、
前記乗算した信号を生成する過程において生成された信号を２分岐し、かつ２分岐した一方の信号にπ／２の位相シフトを与えることによって、ｃｏｓ波及びｓｉｎ波をそれぞれ出力する過程と、
前記ｃｏｓ波及び前記ｓｉｎ波からそれぞれ高周波成分を除去することによって、前記第１信号及び前記第２信号を生成する過程と
をさらに備える
ことを特徴とする請求項４に記載の可変線幅光発生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、光源から出力される光の線幅を変更する、可変線幅光発生装置及び可変線幅光発生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コヒーレント通信を中心に、コヒーレントライダー、レーザドップラーセンサ、又はコヒーレント光時間領域反射測定（コヒーレントＯＴＤＲ）など、光のコヒーレンス性に着目した技術が盛んに研究されている。コヒーレント通信では、光のコヒーレンス性により、通信の大容量化が実現されている。また、光波センシングでは、測定の高精度化が実現されている。光のコヒーレンス性に立脚したこれらの技術の性能は、光源から出力される連続光の線幅に影響される。従って、これら技術の性能を評価するためには、線幅に対する性能の依存性を明らかにする必要がある。
【０００３】
例えば、コヒーレント通信の場合、光源として半導体レーザが用いられる。半導体レーザは注入電流や温度調整によって、連続光の波長を狭い範囲で容易に変更することができる。しかし、波長の変更に伴い、連続光の線幅は公称値から大きくずれ、また、出力パワーの変動も生じる。従って、一定の線幅でかつ一定の出力パワーの下でシステムの性能を評価するに際しては、共通の線幅及び共通の出力パワーを有し、かつ波長の異なる複数の光源を用いる必要があった。しかし、この手法では細かい精度での検証ができないだけでなく、複数の光源を用意しなければならないため、コストがかかる。
【０００４】
これを回避する技術として、光源からの連続光の線幅を、外部変調によって変更する方法がある（例えば、非特許文献１及び非特許文献２）。
【０００５】
非特許文献１に係る技術では、連続光がニオブ酸リチウム（ＬＮ）位相変調器に入力される。ＬＮ位相変調器には、連続光の他に、周波数をｆとして、１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音（以下、１／ｆ２雑音とも称する）が入力される。１／ｆ２雑音は、白色雑音源から出力される白色雑音を、完全積分回路で積分することによって生成される。非特許文献１に係る技術では、ＬＮ位相変調器において、連続光に１／ｆ２雑音を加えて変調する。この結果、連続光の線幅は、１／ｆ２に比例した位相雑音により近似することができる。このため、非特許文献１に係る技術では、連続光の線幅を変更することができる。
【０００６】
しかし、非特許文献１に係る技術において、完全積分回路として用いるオペアンプ等の能動素子では、原理的にオフセット電圧を避けることができない。このため、白色雑音に重畳された直流オフセット成分を完全積分回路が積分し続けることにより、完全積分回路からの出力が飽和してしまうという問題がある。
【０００７】
このような問題を解消すべく、非特許文献２に係る技術では、完全積分回路に代えて、電圧制御発振器（ＶＣＯ）を用いている。ＶＣＯは入力電圧に対応した周波数を出力する発振器である。非特許文献２に係る技術では、ＶＣＯに白色雑音を入力することにより、ＶＣＯの発振周波数ω（Ｖ）に１／ｆ２の揺らぎを与える。非特許文献２に係る技術では、この発振周波数ω（Ｖ）に基づき、ＬＮ位相変調器において、中心角周波数ω０の連続光を周波数変調することによって、連続光の線幅を変更することができる。そして、非特許文献２に係る技術では、ＶＣＯを用いることによって、能動素子による完全積分回路を用いる非特許文献１に係る技術とは異なり、出力が飽和するという問題が生じない。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Design Theory of Electrically Frequency-Controlled Narrow-Linewidth Semiconductor Lasers for Coherent Optical Communication Systems, Kazuro Kikuchi, IEEE
【非特許文献２】光位相同期回路における残留位相誤差低減実験に関する報告、藤井亮浩、2017年電気情報通信学会総合大会 通信講演論文集2、p306
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、非特許文献２に係る技術では、ＶＣＯの発振周波数に基づいて連続光を変調するため、ＬＮ位相変調器からは、中心角周波数ω０に対して、高周波側及び低周波側にω（Ｖ）間隔で周波数シフトした複数の角周波数成分が出力される。そして、これら周波数シフトしたω０±ｋω（Ｖ）の角周波数成分の出力について、線幅が変更される（なお、ｋは１以上の整数）。このため、中心角周波数ω０を除く、これら複数の角周波数成分のうちの一つを抽出すべく、非特許文献２に係る技術では、ＬＮ位相変調器の後段に光バンドパスフィルタを設ける必要がある。この結果、非特許文献２に係る技術では、光バンドパスフィルタを設ける分のコストがかかり、及び光バンドパスフィルタにおいて出力のロスを生じるといった問題がある。
【００１０】
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、周波数シフトを生じさせずに、光源から出力される連続光の線幅を変更する装置及び方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述した目的を達成するために、この発明の可変線幅光発生装置は、光源とベクトル変調器とを備えて構成される。光源は、連続光を生成してベクトル変調器に送る。ベクトル変調器は、位相成分をψとしてｃｏｓψの第１信号で変調した連続光と、ｓｉｎψの第２信号で変調した連続光とを干渉させて出力する。第１信号及び第２信号におけるψは、周波数をｆとして１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音である。
【００１２】
また、この発明の可変線幅光発生方法は、以下の過程を含んで構成される。すなわち、連続光を生成する。そして、位相成分をψとしてｃｏｓψの第１信号で変調した連続光と、ｓｉｎψの第２信号で変調した連続光とを干渉させて出力する。第１信号及び第２信号におけるψは、周波数をｆとして１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音である。
【発明の効果】
【００１３】
この発明の可変線幅光発生装置及び可変線幅光発生方法では、光源からの連続光を、周波数シフトせずに、１／ｆ２に応じた線幅に変更することができる。このため、ベクトル変調器の後段に光バンドパスフィルタを設ける必要がない。従って、光バンドパスフィルタを設けることによる、上述したコストの問題及び出力ロスの問題を解消できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】可変線幅光発生装置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】ベクトル変調器の模式的な平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【００１６】
（可変線幅光発生装置及び可変線幅光発生方法）
図１〜３を参照して、この発明の可変線幅光発生装置及び可変線幅光発生方法について説明する。図１は、可変線幅光発生装置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。また、図３は、ベクトル変調器の模式的な平面図である。
【００１７】
可変線幅光発生装置１００は、光源１０と、白色雑音源２０と、ＶＣＯ３０と、周波数発振器４０と、ＲＦ（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）ミキサ５０と、ＲＦハイブリッド６０と、第１ローパスフィルタ（ＬＰＦ）７１と、第２ローパスフィルタ（ＬＰＦ）７２と、ベクトル変調器８０とを備えて構成される。
【００１８】
光源としての半導体レーザ１０は、中心角周波数ω０の連続光Ｓ１を生成する（図２（Ａ））。連続光Ｓ１は、ベクトル変調器８０に送られる。
【００１９】
白色雑音源２０は、白色雑音を生成してＶＣＯ３０に送る。
【００２０】
ＶＣＯ３０は、時刻をｔ、角周波数をω及び位相成分をψとして、白色雑音を用いて下式（１）で表される発振信号を生成する。
【００２１】
ｃｏｓ（ωｔ＋ψ）      ・・・（１）
上記式（１）における位相成分ψは、白色雑音による位相雑音である。ここでは、ψは１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音として設定される。発振信号は、ＲＦミキサ５０に送られる。
【００２２】
周波数発振器４０は、ＶＣＯ３０の発振周波数と共通の中心周波数ωで発振するＲＦ信号を生成し出力する。このＲＦ信号は、下式（２）で表される。ＲＦ信号は、ＲＦミキサ５０に送られる。
【００２３】
ｃｏｓωｔ      ・・・（２）
ＲＦミキサ５０は、ＶＣＯ３０から送られる発振信号と、周波数発振器４０から送られるＲＦ信号とを乗算処理し、下式（３）で表される信号を生成する。
【００２４】
（１／２）｛ｃｏｓ（２ωｔ＋ψ）＋ｃｏｓψ｝      ・・・（３）
ＲＦハイブリッド６０は、ＲＦミキサ５０から送られる信号を２分岐する。また、ＲＦハイブリッド６０は、２分岐した一方の信号にπ／２の位相シフトを与える。従って、ＲＦハイブリッド６０からは、上記式（３）で表されるｃｏｓ波と、このｃｏｓ波に対してπ／２だけ位相がずれた、下式（４）で表されるｓｉｎ波とが出力される。
【００２５】
（１／２）｛ｓｉｎ（２ωｔ＋ψ）＋ｓｉｎψ｝      ・・・（４）
ｃｏｓ波は第１ＬＰＦ７１に、ｓｉｎ波は第２ＬＰＦ７２に、それぞれ送られる。
【００２６】
第１ＬＰＦ７１は、入力されるｃｏｓ波の高周波成分を除去して、ｃｏｓψの第１信号を出力する。一方、第２ＬＰＦ７２は、入力されるｓｉｎ波の高周波成分を除去して、ｓｉｎψの第２信号を出力する。第１信号及び第２信号は、それぞれベクトル変調器８０に入力される。
【００２７】
ベクトル変調器８０は、第１信号で変調した連続光Ｓ１と、第２信号で変調した連続光Ｓ１とを干渉させて出力する。
【００２８】
ベクトル変調器８０は、それぞれプレーナ型の光導波路によって形成された、主マッハツェンダー（ＭＺ）干渉器９０、並びに２つのサブＭＺ干渉器、すなわち第１サブＭＺ干渉器９１及び第２サブＭＺ干渉器９２を含んで構成されている（図３参照）。
【００２９】
主ＭＺ干渉器９０は、分岐部８１、合波部８２、並びにこれらの間を並列に繋ぐ第１アーム導波路部８３及び第２アーム導波路部８４を含んでいる。分岐部８１は入力される光を２分岐して、第１アーム導波路部８３及び第２アーム導波路部８４にそれぞれ送る。また、合波部８２は、第１アーム導波路部８３及び第２アーム導波路部８４から送られる光を合波して出力する。
【００３０】
第１サブＭＺ干渉器９１は、第１アーム導波路部８３の中途に設けられている。また、第２サブＭＺ干渉器９２は、第２アーム導波路部８４の中途に設けられている。従って、第１アーム導波路部８３は、第１サブＭＺ干渉器９１の前段に配置された部分（第１アーム導波路部８３ａ）と、第１サブＭＺ干渉器９１の後段に配置された部分（第１アーム導波路部８３ｂ）とを含んでいる。また、第２アーム導波路部８４は、第２サブＭＺ干渉器９２の前段に配置された部分（第２アーム導波路部８４ａ）と、第２サブＭＺ干渉器９２の後段に配置された部分（第２アーム導波路部８４ｂ）とを含んでいる。
【００３１】
第１サブＭＺ干渉器９１は、第１サブ分岐部１８１、第１サブ合波部１８２、並びにこれらの間を並列に繋ぐ第３アーム導波路部１８３及び第４アーム導波路部１８４を含んでいる。第１サブ分岐部１８１は、前段の第１アーム導波路部８３ａから送られる光を２分岐して、第３アーム導波路部１８３及び第４アーム導波路部１８４にそれぞれ送る。また、第１サブ合波部１８２は、第３アーム導波路部１８３及び第４アーム導波路部１８４から送られる光を合波して、後段の第１アーム導波路部８３ｂに送る。
【００３２】
また、第２サブＭＺ干渉器９２は、第２サブ分岐部２８１、第２サブ合波部２８２、並びにこれらの間を並列に繋ぐ第５アーム導波路部２８３及び第６アーム導波路部２８４を含んでいる。第２サブ分岐部２８１は、前段の第２アーム導波路部８４ａから送られる光を２分岐して、第５アーム導波路部２８３及び第６アーム導波路部２８４にそれぞれ送る。また、第２サブ合波部２８２は、第５アーム導波路部２８３及び第６アーム導波路部２８４から送られる光を合波して、後段の第２アーム導波路部８４ｂに送る。
【００３３】
第３アーム導波路部１８３には、変調信号を入力するための第１電極１９１が設けられている。また、第４アーム導波路部１８４には、変調信号を入力するための第２電極１９２が設けられている。さらに、第４アーム導波路部１８４には、第３アーム導波路部１８３を伝播する光と、第４アーム導波路部１８４を伝播する光とに、πの位相差を与えるための第１ＤＣ電極１９３が設けられている。
【００３４】
第５アーム導波路部２８３には、変調信号を入力するための第３電極２９１が設けられている。また、第６アーム導波路部２８４には、変調信号を入力するための第４電極２９２が設けられている。さらに、第６アーム導波路部２８４には、第５アーム導波路部２８３を伝播する光と、第６アーム導波路部２８４を伝播する光とに、πの位相差を与えるための第２ＤＣ電極２９３が設けられている。
【００３５】
第１サブＭＺ干渉器９１に対して後段の第１アーム導波路部８３ｂには、第１アーム導波路部８３を伝播する光と、第２アーム導波路部８４を伝播する光とに、π／２の位相差を与えるための第３ＤＣ電極８５が設けられている。
【００３６】
この可変線幅光発生装置１００では、半導体レーザ１０から送られる中心角周波数ω０の連続光Ｓ１が、分岐部８１に入力される。また、第１電極１９１には、第１ＬＰＦ７１から送られるｃｏｓψの第１信号を用いて、ｍｃｏｓψの変調信号が入力される。なお、ｍは変調度を示す。また、第２電極１９２には、第１ＬＰＦ７１から送られるｃｏｓψの第１信号を用いて、−ｍｃｏｓψの変調信号が入力される。また、第３電極２９１には、第２ＬＰＦ７２から送られるｓｉｎψの第２信号を用いて、ｍｓｉｎψの変調信号が入力される。また、第４電極２９２には、第２ＬＰＦ７２から送られるｓｉｎψの第２信号を用いて、−ｍｓｉｎψの変調信号が入力される。
【００３７】
また、第１ＤＣ電極１９３に電圧を印加することによって、第４アーム導波路部１８４を伝播する光にπの位相シフトが与えられる。また、第２ＤＣ電極２９３に電圧を印加することによって、第６アーム導波路部２８４を伝播する光にπの位相シフトが与えられる。さらに、第３ＤＣ電極８５に電圧を印加することによって、第１アーム導波路部８３を伝播する光にπ／２の位相シフトが与えられる。
【００３８】
このような条件に基づいて連続光Ｓ１を変調すると、下式（５）で表される光ＳＳＢ（ｓｉｎｇｌｅ−ｓｉｄｅｂａｎｄ）変調波が生成され、合波部８２から（すなわちベクトル変調器８０から）出力される（黒川隆志、共立出版「光機能デバイス」ｐ１９２〜１９４参照）。
【００３９】
【数１】
2020027214.tif 000003
【００４０】
ここで、Ｊは第１種ベッセル関数を示す。また、ｎは整数である。上記式（５）において、ｎ＝０のとき、Ｊ２ｎ＋１の項が消去される。さらに、第１種ベッセル関数は、ｍ＜１．８４のとき、Ｊ−１（ｍ）以外の値は十分に小さい。従って、ベクトル変調器８０からの出力光は、近似的に下式（６）で表すことができる。
【００４１】
【数２】
2020027214.tif 000004
【００４２】
上記式（６）に示すように、連続光Ｓ１の変調波の角周波数成分は、中心角周波数ω０に重畳される。このため、ベクトル変調器８０からの出力光Ｓ２（図２（Ｂ））は、連続光Ｓ１の中心角周波数ω０に対して周波数シフトが生じない。また、上述したように、可変線幅光発生装置１００では、位相成分ψは、１／ｆ２の揺らぎを持つ位相雑音である。従って、ベクトル変調器８０からの出力光Ｓ２（図２（Ｂ））は、中心角周波数ω０にピークを持ち、かつ中心角周波数ω０に対して１／ｆ２に応じた線幅となる。
【００４３】
このように、可変線幅光発生装置１００では、半導体レーザ（光源）１０からの連続光Ｓ１を、周波数シフトせずに、１／ｆ２に応じた線幅に変更することができる。従って、ベクトル変調器８０の後段に光バンドパスフィルタを設ける必要がない。
【符号の説明】
【００４４】
１０：光源
２０：白色雑音源
３０：ＶＣＯ
４０：周波数発振器
５０：ＲＦミキサ
６０：ＲＦハイブリッド
７１：第１ローパスフィルタ
７２：第２ローパスフィルタ
８０：ベクトル変調器
１００：可変線幅光発生装置
【図１】
2020027214.tif 000005
【図２】
2020027214.tif 000006
【図３】
2020027214.tif 000007