(57)【要約】【課題】  出力光の光周波数が入力光の周波数と比較して、マイクロ波シンセサイザの精度で規定しうる確度の光周波数シンセサイザおよび波長変換装置を提供すること。【解決手段】  光周波数シフタ２と、光周波数シフタ２を内部に含む光ループ回路１と、周回光と基準光とを合波する合波器３と、特定の光を光ループ回路１外に出力させる光出力回路４とを備える。さらに、光出力回路４からの、周回数ＫおよびＬの周回光（Ｋ、Ｌは零または自然数、Ｋ≠Ｌ）を取り出し干渉させる光干渉回路５と、該干渉光の電気信号を出力する光電変換手段６と、入力されたマイクロ波基準周波数信号と上記電気信号との位相差に応じた誤差信号を出力する位相比較器７と、上記誤差信号の低域周波数成分を濾波するループフィルタ９と、濾波された誤差信号により発振周波数を制御し、該発振周波数に基づいて光周波数シフタ２を駆動する電圧制御発振器とを備える。【選択図】  図１
2006106362.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された光の光周波数を所定のシフト量だけ偏移させる光周波数シフタと、前記光周波数シフタを内部に含む光ループ回路と、該光ループ回路を周回する光と前記光ループ回路の外部からの入力光を合波する合波器と、前記合波された光のうち特定の１つまたは複数の光周波数の光を前記光ループ回路外に出力させる光出力回路とを備え、前記入力光の光周波数を前記所定のシフト量だけ多数回シフトすることにより広帯域の光周波数範囲の出力光を出力する光周波数シンセサイザにおいて、
前記光出力回路から出力された、前記光ループ回路を所定の回数Ｋだけ周回した周回光および前記光ループ回路を所定の回数Ｌだけ周回した周回光（ＫおよびＬは零または自然数であり、Ｋ≠Ｌ）を取り出し干渉させ出力する光干渉回路と、
該光干渉回路から出力された干渉光を電気信号に変換し出力する光電変換手段と、
マイクロ波基準周波数信号を入力する入力ポートを有し、該入力ポートから入力された前記マイクロ波基準周波数信号と、前記光電変換手段から出力された電気信号との位相を比較し、該位相差に応じた誤差信号を出力する位相比較器と、
該位相比較器から出力された誤差信号により発振周波数を制御し、該発振周波数に基づいて前記光周波数シフタを駆動する電圧制御発振器と
を備えることを特徴とする光周波数シンセサイザ。
【請求項２】
前記位相比較器から出力された誤差信号を濾波して、所定の周波数成分を通過させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の光周波数シンセサイザ。
【請求項３】
前記光周波数シフタは、単一側波帯（ＳＳＢ）光変調器であることを特徴とする請求項１または２記載の光周波数シンセサイザ。
【請求項４】
前記光周波数シフタは、
光非線形材料からなる光非線形素子と、
前記非線形材料の励起光と前記光周波数シフタへの入射光とを合波し、前記光非線形素子に結合させる光合波手段と
を備えることを特徴とする請求項１または２記載の光周波数シンセサイザ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の光周波数シンセサイザを備えることを特徴とする波長変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光周波数シンセサイザおよび波長変換装置に関し、より詳細には、光通信や光計測分野で必要とされる、広帯域で高確度の光周波数シンセサイザおよび波長変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高度情報化に伴い大容量の情報を伝達したいという要望から、高速で大容量の情報が伝達可能な光通信システムが注目されている。このような光通信ネットワークにおいて、帯域を有効に活用することが必須であり、有効に帯域を使用可能にするためには、広帯域で波長変換を可能にすることが求められている。
【０００３】
このような波長変換では、光領域の光周波数基準光源として、アセチレンやシアン化合物などの気体の吸収線に、半導体レーザやヘリウムネオンレーザなどのレーザ光の波長を安定化させた光源が使用されている。これらは、その吸収線の光周波数の値付けと誤差評価とが十分になされており、産業応用上十分な確度を有する。
【０００４】
しかしながら、これらの評価済みの吸収線は高々数十しかなく、任意の光周波数基準光源とはなりえない。そこで、モード同期レーザ光の複数の縦モードのうちの1つを上述の吸収線に周波数同期させることにより、縦モード間隔をグリッド間隔とする光周波数グリッドが利用されている。このモード同期光は時間領域では光短パルスであり、光ピークパワーが大きい。そこで、光ファイバ等の非線形性を利用して、そのスペクトル帯域をひろげることにより、超広帯域の光グリッドも得られている。
【０００５】
ところが、モード同期レーザでは、モード同期周波数（縦モード間隔）は実効レーザ共振器長により定まる最適周波数の高々数パーセントしか変化できないため、任意の光周波数を発生させることは困難である。この解決策として、光変調器により連続光を短パルス化した後、光非線形現象を誘起する光非線形材料に上記短パルス光を入射することにより広帯域化する手法も提案されている。しかしながら、光パルスの繰り返し周波数を大きく変えると、光パルス幅等のパルス特性が変化するため、各スペクトル成分の強度が変動するという問題がある。
【０００６】
また、光周波数シフタを光ループ回路の中で動作させて光周波数シフトを多数回行うことにより、光周波数グリッド発生範囲を±１．８ＴＨｚ以上に広げることが可能な波長変換装置が開示されている（特許文献１および非特許文献１参照）。このような波長変換装置において、光周波数シフタとして単一側波帯光変調器（ＳＳＢ光変調器とも呼ぶ）を用いる場合、光周波数シフト量を数十ＧＨｚ程度まで任意に選択することが可能である。よって、任意の光周波数を発生可能であるうえ、広帯域の光周波数掃引も可能となる。例えば、光周波数シフタの駆動周波数を５ＧＨｚから２５ＧＨｚまで２０ＧＨｚ掃引すると、光ループ回路についての５０周回光に対して、その光周波数を１ＴＨｚ連続的に掃引することができる。
【０００７】
【特許文献１】特開２００４−３７８０５号公報
【非特許文献１】A.Takada et al, ”Wavelength Converter Operating on Strict Frequency Grid Using a Single Side Band Optical Modulator in a Circulating Loop” OFC2003 FP5, 2003
【非特許文献２】O.Tadanaga et al, ”Variable Optical Frequency Shifter Using Multiple Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Wavelength Converters” OFC2003 paper FP3
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の光周波数シフタを含む光ループ回路では、出力光は入力光と比較して、光ループ回路のループ長と光ループ回路を通過する光の周回回数との積だけ光遅延を被る。さらに、上記光遅延時間である光周回遅延時間は、光ループ回路の温度変化により変動する。よって、光周回遅延時間により、出射光の光周波数が変動する。
【０００９】
例えば、ループ長２メートルの光ループ回路の温度が１秒間に1℃変化した場合、光ループ回路を５０周回した光の光周波数は、波長１．５ミクロン帯の光に対して約６７０Ｈｚ偏移する。ここで、ループを構成する光ファイバの線膨張係数は１０−５／℃程度とした。入力する基準光の光スペクトル線幅が１０ＫＨｚ程度以上であれば、この程度の光周波数偏移は問題とはならない。しかし、出力光と入力する基準光などを干渉させ、フォトダイオードなどを用いた光電変換により、ビートとしてマイクロ波／ミリ波発生を行う場合は、上記光周波数偏移がそのまま、マイクロ波／ミリ波周波数偏移につながるという問題があった。
【００１０】
したがって、光ループ回路への入力光と出力光との間に生じるループ遅延の揺らぎが生じる場合においても、出力光間または、入力光と光ループ出力光間ビート周波数が安定な光周波数シンセサイザが必要とされている。
【００１１】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、出力光の光周波数が入力光の周波数と比較して、マイクロ波シンセサイザの精度で規定しうる確度の光周波数シンセサイザおよび波長変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１記載の発明は、入力された光の光周波数を所定のシフト量だけ偏移させる光周波数シフタと、前記光周波数シフタを内部に含む光ループ回路と、該光ループ回路を周回する光と前記光ループ回路の外部からの入力光を合波する合波器と、前記合波された光のうち特定の１つまたは複数の光周波数の光を前記光ループ回路外に出力させる光出力回路とを備え、前記入力光の光周波数を前記所定のシフト量だけ多数回シフトすることにより広帯域の光周波数範囲の出力光を出力する光周波数シンセサイザにおいて、前記光出力回路から出力された、前記光ループ回路を所定の回数Ｋだけ周回した周回光および前記光ループ回路を所定の回数Ｌだけ周回した周回光（ＫおよびＬは零または自然数であり、Ｋ≠Ｌ）を取り出し干渉させ出力する光干渉回路と、該光干渉回路から出力された干渉光を電気信号に変換し出力する光電変換手段と、マイクロ波基準周波数信号を入力する入力ポートを有し、該入力ポートから入力された前記マイクロ波基準周波数信号と、前記光電変換手段から出力された電気信号との位相を比較し、該位相差に応じた誤差信号を出力する位相比較器と、該位相比較器から出力された誤差信号により発振周波数を制御し、該発振周波数に基づいて前記光周波数シフタを駆動する電圧制御発振器とを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記位相比較器から出力された誤差信号を濾波して、所定の周波数成分を通過させる手段をさらに備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記光周波数シフタは、単一側波帯（ＳＳＢ）光変調器であることを特徴とする。
【００１５】
請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の発明において、前記光周波数シフタは、光非線形材料からなる光非線形素子と、前記非線形材料の励起光と前記光周波数シフタへの入射光とを合波し、前記光非線形素子に結合させる光合波手段とを備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項５記載発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の光周波数シンセサイザを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、マイクロ波基準周波数信号と光電変換手段から出力された電気信号との位相差に基づく誤差信号に応じて、光周波数シフタの光周波数のシフト量を制御しているので、光ループ回路から出力される光は、光周回遅延時間の変動による光周波数の変動を抑えた出力光とすることが可能となる。よって、入力光の周波数と比較して、マイクロ波シンセサイザの精度で規定しうる確度の出力光を出力することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。  
図１は、本発明の一実施形態に係る光周波数シンセサイザの構成図である。  
図１において、符号１は、光ファイバや光導波路等の光を伝達する手段によりループを形成している光ループ回路であり、入力された光について、光周波数を所定のシフト量Δνだけ偏移させて出力する光周波数シフタ２を備えている。よって、光ループ回路１をＮ回周回する光の光周波数は、およそＮ×Δνだけシフトする。
【００１９】
また、光ループ回路１には、複数の入力ポートを有し、それら入力ポートから入力された光を合波し同一の出力ポート（合波器３の出力ポートとも呼ぶ）に出力する手段としての合波器３が設けられている。合波器３の複数の入力ポートの第１の入力ポートは、光周波数シフタ２に光を伝達する手段を介して接続されている（光学的に接続されている、とも呼ぶ）。また、上記入力ポートの第２の入力ポートは、基準光を入力するための入力ポートである。このような構成により、光ループ回路１内を周回する光（単に周回光とも呼ぶ）と光ループ回路の外部からの入力光である基準光を合波することができる。
【００２０】
また、光ループ回路１には、複数の出力ポートを有し、上記合波された光（基準光および周回光）のうち特定の１つまたは複数の光周波数の光をループ外に出力させる手段としての光出力回路４が設けられている。光出力回路４の入力ポートは、波長多重合波回路３の出力ポートに光学的に接続されている。また、光出力回路４の複数の出力ポートの第１の出力ポートは、光周波数シフタ２に光学的に接続されている。
【００２１】
上記出力ポートの第２の出力ポートには、入力された光を干渉させる手段としての光干渉回路５が接続されている。このような構成により、光出力回路４から出力される、光ループ回路１を所定の回数Ｋだけ周回した周回光（周回数Ｋの周回光とも呼ぶ）、および光ループ回路１を所定の回数Ｌだけ周回した周回光（周回数Ｌの周回光とも呼ぶ）は、光干渉回路５にて干渉し、光干渉回路５の第１の出力ポートから出力される。光出力回路４から出力され、光干渉回路５にて干渉されない光は、最終的な出力光であり、光干渉回路５の第２の出力ポートから出力される。なお、光干渉回路５を調節することにより、光干渉回路５にて干渉に関わる光の一部を、干渉せずに第２の出力ポートから出力することもできる。ここで、ＫおよびＬは、零または自然数、かつＫ≠Ｌである。ＫまたはＬ＝０の場合は、対応する周回光は基準光となる。
【００２２】
符号６は、入力された光を電気出力に変換する光電変換手段６である。光電変換手段６は、光干渉回路５の第１の出力ポートから出力された干渉光が入力されると、干渉光についての、干渉によって生じる光周波数のうなりに相当するビート信号を発生して出力する。
【００２３】
符号７は、複数の入力ポートを有し、該複数の入力ポートの２つから入力された信号の位相を比較し、その位相差に基づいた誤差信号を出力する手段としての位相比較器７である。位相比較器７の複数の入力ポートの第１の入力ポートは、光電変換手段６に、導線等の電気を伝達する手段を介して接続されており（電気的に接続される、とも呼ぶ）、第２の入力ポートは、マイクロ波基準周波数発振器８に電気的に接続されている。第２の入力ポートは、マイクロ波基準周波数信号を入力するための入力端子に接続されていても良い。
【００２４】
位相比較器７の出力ポートには、入力された誤差信号を濾波して所定の周波数帯を通過させる手段としてのループフィルタ９が電気的に接続されている。このループフィルタ９は、低周波数成分を濾波する低域通過フィルタとすればよい。ループフィルタ９には、ループフィルタ９にて濾波された誤差信号により、発振周波数が制御され、その制御された発振周波数に基づいて光周波数シフタ２を駆動する手段としての電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０が電気的に接続されている。この電圧制御発振器１０は、ループフィルタ９から出力される誤差信号に基づいて、光周波数シフタ２の光周波数シフト量を制御するための周波数Δｆを発生する。
【００２５】
このような構成で、合波器３の第２の入力ポートから入力された、光周波数νｉである基準光は、光ループ回路１を周回することにより多数回シフトされ、広帯域の光周波数範囲の出力光として出力することができる。このとき、互いの光周波数の差がシフト量Δνである、周回数Ｋの周回光と周回数Ｌの周回光を取り出して干渉させ、その干渉された出力光と周波数ｆＭのマイクロ波基準周波数信号との比較結果に基づいて電圧制御発振器により光周波数シフタを制御しているので、周回光の光周回遅延時間の変動による光周波数の変動を抑えることができる。よって、数テラヘルツ以上に渡り、マイクロ波周波数信号源と同等の高確度で任意の光周波数を有する光周波数シンセサイザを構成することができる。また、繰り返し周波数が可変な、短光パルス源を得ることもできる。
【００２６】
以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明するが、本発明は、下記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々変更可能であることは言うまでもない。
【００２７】
（実施例１）
本実施例では、波長１．５ミクロン帯で動作する光周波数シンセサイザ及び波長変換装置について図２を参照しながら説明する。  
図２において、光周波数シフタ２として、単一側波帯光変調器（ＳＳＢ光変調器）１１を使用する。ＳＳＢ光変調器は、ニオブ酸リチウム結晶上にマッハツェンダー型干渉計を組み合わせた光導波路と、それぞれの干渉計の分岐枝にプレーナ型進行波電極を施したものが開発され、変調周波数（すなわち光周波数シフト幅（シフト量Δν））２５ＧＨｚ程度までの広帯域のＳＳＢ変調が可能となっている。ＳＳＢ光変調器１１を駆動する電気信号は、９０度位相が異なる正弦波信号が必要であるため、９０度の位相差を有する、９０度ハイブリッド１２を使用している。ＳＳＢ光変調器１１への入力光パワーからシフト光パワーへの変換効率は、１０ｄＢ程度が達成されている。
【００２８】
このようなＳＳＢ光変調器１１が、光ファイバによってループされた光ループ回路１に設けられている。また、ＳＳＢ光変調器１１には、９０度ハイブリッド１２が、位相差が９０度の２つの正弦波信号をＳＳＢ光変調器１１に入力できるように、ＳＳＢ光変調器１１に電気的に接続されている。
【００２９】
光ループ回路１中において、ＳＳＢ光変調器１１には、光増幅器１３が光学的に接続されている。光増幅器１３は、ＳＳＢ光変調器１１の変換効率と光ループ回路１中のパッシブ光部品の損失を補償するために必要であり、エルビウム添加光増幅器などが適用可能である。
【００３０】
光増幅器１３には、４ポート型の光サーキュレータ１４が光学的に接続されている。光サーキュレータ１４の第１の端には光ファイバが連結されており、ここから所定の周波数νｉの基準光が入力される。光サーキュレータ１４の第２の端には光増幅器１３が光学的に接続されており、それらの間には、基準光の光周波数νｉと略同じ反射中心光周波数を有するファイバブラッググレーティング（ＦＢＧ）１５が配置されている。光サーキュレータ１４の第３の端にはＳＳＢ光変調器１１が光学的に接続されており、それらの間には、ＦＢＧ１６ａ〜１６ｃが配置されている。ＦＢＧ１６ａ〜１６ｃの反射中心波長は、それぞれ、ほぼ、νｉ、νｉ＋１、νｉ＋Ｎ（Ｎ：２以上の整数）に設定されている。また、ＦＢＧ１６ａおよび１６ｂについては、さらに反射率が１０％程度以下に設定されている。ここで、νｉ＋ｋ＝νｉ+ｋｆｓである。但し、ｋはＮ以下の自然数であり、ｆｓは光ループ回路１を１周回することによる光周波数シフト量である。光サーキュレータ１４の第４の端には光サーキュレータ１７が接続されている。
【００３１】
このような接続構成において、光サーキュレータ１４の第１の端に入射された光は第２の端からのみ出射され、第２の端に入射された光は第３の端からのみ出射され、第３の端に入射された光は第４の端からのみ出射される。
【００３２】
すなわち、光周波数νｉの入力周波数基準光は、光サーキュレータ１４により図２の上方（第２の端）に出射され、基準光周波数νｉと同じ反射中心光周波数を有するＦＢＧ１５により反射される。光サーキュレータ１４に戻った光は図２の右側（第３の端）に出射される。第３の端側には、ＦＢＧ１６ａ〜１６ｂが配置されているが、ＦＢＧ１６ａおよび１６ｂについては、反射率が１０％程度以下に設定されているので、光サーキュレータ１４の第３の端から出射された、光周波数νｉの光の大部分は、これらのＦＢＧ１６ａ〜１６ｃを通過し、ＳＳＢ光変調器１１によりその光周波数がおよそνｉ＋１に偏移する。一方、ＦＢＧ１６ａにて反射された光周波数νｉの光は、光サーキュレータ１４の第３の端から入射され、図２の下方（第４の端）に出射される。
【００３３】
上述の、νｉ＋１に偏移した光は、ＦＢＧ１５を通過し、光サーキュレータ１４により図２の右側（第３の端）に出射される。その後、同様にループを周回し、Ｎ周回後、光周波数がνｉ＋Ｎ＝νｉ+Ｎｆｓ（式１）となった周回光が、ＦＢＧ１６ｃに入射すると、その周回光はＦＢＧ１６ｃによって反射され、光サーキュレータ１４により図２の下方（第４の端）に出射される。なお、上記Ｎ周回中で、光周波数νｉ＋１の光については、ＦＢＧ１６ｂにて一部は反射され、図２の下方（第４の端）に出力される。
【００３４】
３ポート型の光サーキュレータ１７の第１の端には、光サーキュレータ１４が光学的に接続されており、第２の端には、光ファイバが連結されており、該光ファイバには、ＦＢＧ１８ａおよび１８ｂが配置されている。ＦＢＧ１８ａおよび１８ｂの反射中心波長は、それぞれ、ほぼνｉ、νｉ＋１に設定されている。最終的な出力光は、光サーキュレータ１７の第２の端から出力されることになる。光サーキュレータ１７の第３の端側には、フォトダイオード（ＰＤ）１９が配置されており、第３の端から出射された光がフォトダイオード１９に入射されるようになっている。
【００３５】
このような接続構成において、光サーキュレータ１７の第１の端に入射された光は第２の端からのみ出射され、第２の端に入射された光は第３の端からのみ出射される。
【００３６】
すなわち、光サーキュレータ１４から出射された光周波数νｉ、νｉ＋１の光は、光サーキュレータ１７により図２の右側（第２の端）に出射され、ＦＢＧ１８ａおよび１８ｂにて反射されて干渉光となる。次いで、該反射光（干渉光）は、光サーキュレータ１７により図２の下方（第３の端）に出射される。この干渉光は、フォトダイオード１９に入射し、ビート信号に変換される。
【００３７】
一方、光サーキュレータ１４から出射された光周波数νｉ＋Ｎの光は、光サーキュレータ１７により図２の右側（第２の端）に出射され、ＦＢＧ１８ａおよび１８ｂを通過して最終的な出力光となる。
【００３８】
フォトダイオード１９には、増幅器２０が電気的に接続されており、増幅器２０には、位相比較器７が電気的に接続されている。位相比較器７は、２つの入力ポートを有しており、第１の入力ポートには、増幅器２０が電気的に接続され、第２の入力ポートには周波数ｆＭ＝２５ＧＨｚのマイクロ波基準周波数信号を発振するマイクロ波基準周波数発振器８が電気的に接続されている。この位相比較器７は、増幅器２０により増幅されたビート信号と周波数２５ＧＨｚのマイクロ波基準周波数信号とを比較し、それらの周波数差に相当する誤差信号を生成し出力する。
【００３９】
位相比較器７の出力ポートには、ループフィルタ９が電気的に接続されている。ループフィルタ９は、位相比較器７から出力された誤差信号の低周波数成分を濾波して出力する。また、ループフィルタ９には、電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０が電気的に接続されており、電圧制御発振器１０には、９０度ハイブリッド１２が電気的に接続されている。電圧制御発振器１０は、ループフィルタ９から入力された誤差信号に基づいて周波数Δｆの電気信号を発振し、ＳＳＢ光変調器１１を制御する。
【００４０】
なお、位相比較器７は、マイクロ波バランスドミキサなどが適用できる。誤差信号の低周波成分を透過させるには、適当な遮断特性を有する低域通過フィルタが適用できる。
【００４１】
さて、光ループ回路１のループ長は環境温度の変動により変化しているため、ループを周回した光は、ＳＳＢ光変調器１１による光周波数シフト以外にループ遅延時間の変動による微小な光周波数シフトを被る。その量は、  
ＬＮ（β＋δｎ／δＴ）（ｄＴ／ｄｔ）／λ  
となる。ここで、Ｌは光ループ回路１のループ長、Ｎは周回数、βはループを構成するファイバの線膨張係数、δｎ／δＴは上記ファイバの単位温度変化あたりの実効屈折率の変化分、（ｄＴ／ｄｔ）は上記ファイバの単位時間当たりの温度変動分、λは周回光の波長である。
【００４２】
上述のように、１秒当たり１℃変化する、ループ長２メートルのループで、50周回程度周回する１．５ミクロン帯の光はおよそ数百ヘルツ偏移する。この量は、入射する光周波数基準光の線幅がキロヘルツ以上の場合で、出力光を単独で使用する場合は無視できるが、元の入射基準光と出力光とを干渉させ、マイクロ波／ミリ波を発生させるような応用分野ではその周波数や位相が変動するため問題となる。
【００４３】
そこで本実施例では、上述の誤差信号に基づいて、光ループ遅延変動による光周波数変動を相殺するようにＳＳＢ光変調器１１の駆動周波数を制御することにより、入射基準光に対して、使用するマイクロ波基準周波数信号の確度と同等の確度の光周波数差を有する出力光を得ている。
【００４４】
具体的には、光サーキュレータ１４により図２の下方（第４の端）に出射した光のうち、光周波数νｉである、周回していない光（基準光）と、光周波数νｉ＋１の１回のみ周回した光とを、ＦＢＧ１８ａおよび１８ｂと光サーキュレータ１７とにより抽出し、フォトダイオード１９によりそれらのビートを発生させる。該ビートは、ＳＳＢ光変調器１１による光周波数シフト量（Δｆ）とループ周回遅延時間変動による光周波数シフトとの和となっている。
【００４５】
このビート信号と、マイクロ波基準周波数発振器８からのマイクロ波基準周波数信号との間の位相差を位相比較器７で比較し、得られた誤差信号の低周波成分により電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０を制御する。このように、位相比較器７の比較結果である誤差信号に基づいて、光周回遅延時間の変動による光周波数の変動を軽減するようにＶＣＯ１０がＳＳＢ光変調器を制御することが可能となるので、周回光が光ループ回路１を一周する毎に光遅延の影響を自動的に軽減することができる。よって、最終的な出力光を、マイクロ波基準周波数信号と同等の確度と安定性とを有するものとすることができる。
【００４６】
すなわち、本構成は、ＶＣＯ１０によって制御されたＢＢＳ光変調器１１による光周波数シフト量と、光ループ回路１の光周回遅延時間変動による光周波数シフトとの総和がマイクロ波基準周波数信号の周波数になるように働く位相同期ループ（ＰＬＬ）である。
【００４７】
従って、本実施例に係る光周波数シンセサイザの出力光の光周波数と、入力光である基準光の光周波数との周波数差は、マイクロ波基準周波数信号（本実施例では、ｆＭ＝２５ＧＨｚ）と同等の確度が保証される。絶対周波数確度は、入力光のそれに依存するため、入力光（基準光）の光源として確度等が誤差評価された気体吸収線安定化光源等を用いればよい。
【００４８】
本実施例に係る光周波数シンセサイザをマイクロ／ミリ波発生器に組み込んで使用する場合は、光サーキュレータ１７の右側（第２の端側）に配置したＦＢＧ１８ａの反射率を小さくし、光周波数νｉの光が光周波数νｉ＋Ｎの光と共に出力するように設定し、光サーキュレータ１７の第２の端より出射される、２つの周波数の光のビートを広帯域ＰＤ等の光電変換器により得ればよい。また、基準周波数信号を５ＧＨｚから２５ＧＨｚまで掃引し、１２周回光を単一走行キャリアＰＤ（ＵＴＣ−ＰＤ）等の超広帯域ＰＤにて光電変換することにより、６０ＧＨｚから３００ＧＨｚ程度までの周波数のミリ波を連続的に掃引発生できる。
【００４９】
なお、本実施例において、ＦＢＧ１６ｃの反射中心周波数を、式１においてＮを所望に応じて変えた周波数に設定することによって、最終的に出力される光の光周波数を制御できることは言うまでもない。
【００５０】
また、本実施例では、マイクロ波基準周波数信号と比較するビート信号に、ループを１周する際に生じる光周回遅延時間変動による光周波数のシフト量を含めることが重要であって、ＦＢＧ１６ａ、１６ｂ、１８ａおよび１８ｂの反射中心周波数を、それぞれνｉおよびνｉ＋１に設定することが本質ではない。すなわち、ＦＢＧ１６ａ、１６ｂ、１８ａおよび１８ｂの反射中心周波数について、ＦＢＧ１６ａおよび１８ａの反射中心周波数と、ＦＢＧ１６ｂおよび１６ｂの反射中心周波数との光周波数差が、光周波数シフト量ｆｓとなるように設定すればよい。
【００５１】
以上、本実施例に係る装置に入力する光として、気体吸収線安定化レーザ光などの発振光周波数の確度が評価された連続光（ＣＷ光）を用いることにより、本実施例に係る装置を光周波数シンセサイザとして使用する場合を記した。データ信号等により変調された光信号を本実施例に係る装置に入力することにより、本実施例に係る装置の出力光として光周波数のみが変換された光信号を得ることができる。この場合、本実施例に係る装置は波長変換装置として動作する。
【００５２】
（実施例２）
本実施例は、図３に示すように、実施例１に係る光周波数シンセサイザの構成において、ＦＢＧ１６ｃを取り除き、かつ出力光としてループ内を周回する複数の光周波数の光を同時に同一ポートから取り出す構成とすることにより、短光パルス出力を得る構成である。すなわち、光サーキュレータ１４の第３の端には、周波数依存性のない光カップラ２１が光学的に接続されており、それらの間には、ＦＢＧ１６ａおよび１６ｂが配置されている。また、光サーキュレータ１４の第４の端側には、フォトダイオード１９が配置されており、第４の端から出射された光がフォトダイオード１９に入射するようになっている。
【００５３】
光カップラ２１の第１の出力ポートには、ＳＳＢ光変調器１１が光学的に接続されている。また、光カップラ２１の第２の出力ポートには、光ファイバが連結されており、ここから最終的な出力光が出力されることになる。
【００５４】
このような構成で、実施例１と同様にして、光周波数νｉの基準光と、光周波数νｉ＋１の周回光との一部は、ＦＢＧ１６ａおよび１６ｂにて反射されて干渉し、光サーキュレータ１４の第４の端より出射されて、フォトダイオード１９に入力され、ビートとなる。次いで、実施例１と同様にして、ビートとマイクロ波基準周波数信号との位相比較に基づいて、光ループ遅延変動による光周波数変動を相殺するようにＳＳＢ光変調器１１を制御することになる。
【００５５】
本実施例では、光カップラ２１は、周波数依存性がないので、入力された光を周波数に関係なく分岐して２つの出力ポートから出力する。この２つの出力ポートから出力される光は、光周波数νｉの基準光から周回数Ｎの周回光までを含んだ光、すなわち、基準光および光ループ回路１を周回している全ての光周波数の光となる。よって、本実施例では、基準光および光ループ回路１を周回している全ての光周波数の光を最終的な出力光とすることができる。このとき、最終的な出力光を、ループ遅延による光周波数のゆらぎの影響を抑えた光とすることができる。
【００５６】
なお、本実施例のＰＬＬ構成により各周回光の光周波数を光位相も含めてロッキングするため、光ループ内を周回する光は時間領域で観測すると短光パルスとなっている。よって、最終的な出力光も短光パルスとなっている。
【００５７】
（実施例３）
本発明は、光周波数シフタとしてＳＳＢ光変調器だけでなく、光非線形素子を用いても実現できる。光非線形素子として、光学結晶の光学軸を周期的に反転させることにより長い素子長（素子の長手方向）にわたって光波間の位相整合条件を満足するようにした擬似位相整合光非線形素子が使用できることが示されている（非特許文献２参照）。非特許文献２では、擬似位相整合光非線形素子として、光学結晶の光学軸を所定の周期で反転させたニオブ酸リチウム導波路（単にＰＰＬＮとも呼ぶ）を用いている。本実施例では、非特許文献２と同様に、光非線形素子としてＰＰＬＮを用いることができる。
【００５８】
図４は、本実施例に係る光周波数シンセサイザの光周波数シフタの構成を示す図である。  
図４において、符号２１は、光周波数ν１（波長λ１）の光（第１の励起光とも呼ぶ）を励起する半導体レーザである。半導体レーザ２１から発振される第１の励起光は、光分岐器２２に入射する。光分岐器２２の第１の出力ポートは光合波器２３の第１の入力ポートに光学的に接続されており、第２の出力ポートは光増幅器２４に光学的に接続されている。よって、第１の励起光は、光分岐器２２にて光合波器２３および光増幅器２４に分岐する。光増幅器２４は、ＰＰＬＮ２５の第１の入力ポートに光学的に接続されている。
【００５９】
ＰＰＬＮ２５の第２の入力ポートには、光ループ回路１のループを形成する光ファイバが連結されており、この第２の入力ポートから光周波数シフタへの入射光（単に入射光とも呼ぶ）が入射される。ＰＰＬＮ２５の出力ポートは、ＰＰＬＮ２９に光学的に接続されている。ＰＰＬＮ２５の位相整合波長は、第１の励起光の波長λ１とほぼ等しくなるように設定されている。よって、ＰＰＬＮ２５は、第１の励起光が光増幅器２４から第２の入力ポートに入射されると、第２高調波を発生する。このとき、ＰＰＬＮ２５の第１の入力ポートから入射光が入射されると、発生された第２高調波がポンプ光の役割を果たし、ＰＰＬＮ２５は、差周波（＝第２高調波の光周波数−入射光の光周波数）を発生する。
【００６０】
すなわち、ＰＰＬＮ２５は、半導体レーザ２１から発振される光が入射されると第２高調波を発生し、該第２高調波と入射光との差周波を発生するように設定されている。
【００６１】
一方、符号２６は、光周波数ν２（波長λ２）の光（第２の励起光とも呼ぶ）を励起する半導体レーザである。半導体レーザ２６から発振される第２の励起光は、光分岐器２７に入射する。光分岐器２７の第１の出力ポートは光合波器２３の第２の入力ポートに光学的に接続されており、第２の出力ポートは光増幅器２８に光学的に接続されている。よって、第２の励起光は、光分岐器２７にて光合波器２３および光増幅器２８に分岐する。光増幅器２８は、ＰＰＬＮ２９の第１の入力ポートに光学的に接続されている。
【００６２】
ＰＰＬＮ２９の第２の入力ポートには、ＰＰＬＮ２５の出力ポートが光学的に接続されており、ＰＰＬＮ２９の出力ポートには、光ループ回路１のループを形成する光ファイバが連結されており、この出力ポートから光周波数シフタからの出射光（単に出射光とも呼ぶ）が出射される。ＰＰＬＮ２９の位相整合波長は、第２の励起光の波長λ２とほぼ等しくなるように設定されている。よって、ＰＰＬＮ２９は、ＰＰＬＮ２５と同様に、第２の励起光が入射されると第２高調波を発生し、該第２高調波とＰＰＬＮ２５から出射された光とにより差周波を発生する。
【００６３】
すなわち、ＰＰＬＮ２９は、半導体レーザ２６から発振される光が入射されると第２高調波を発生し、該第２高調波とＰＰＬＮ２５から出射された光との差周波を発生するように設定されている。
【００６４】
符号２３は、光合波器であり、光分岐器２２および２７から入射された第１の励起光および第２の励起光を合波して、該合波した光をフォトダイオード３０へと出射する。フォトダイオード３０は、光合波器２３から出射された合波光を、第１の励起光と第２の励起光とのビート信号に変換し、該ビート信号を位相比較器３１へと出力する。
【００６５】
位相比較器３１は、２つの入力ポートを有しており、第１の入力ポートには、フォトダイオード３０が電気的に接続されており、第２の入力ポートには、１／２分周器３２が電気的に接続されている。１／２分周器３２は、電圧制御発振器１０が電気的に接続されており、電圧制御発振器１０から周波数Δｆの信号が入力されると、Δｆ／２の電気信号を位相比較器３１へと出力する。
【００６６】
位相比較器３１は、入力される、ビート信号とΔｆ／２の電気信号との位相を比較し、該比較結果に基づいた第２の誤差信号をループフィルタ３３へと出力する。第２の誤差信号は、ループフィルタ３３を介して半導体レーザ２１に入力される。半導体レーザ２１は、第２の誤差信号に基づいて、駆動するための注入電流が制御されている。
【００６７】
このような構成で本実施例に係る光周波数シフタは構成されている。以下では、この光周波数シフタを用いて入射光の光周波数をシフトする様子について説明する。  
図５は、本実施例に係る、入射光、出射光および励起光の光周波数軸上の配置の一例を示す図である。  
まず、半導体レーザ２１からの第１の励起光（光周波数ν１）を、ＰＰＬＮ２５に入射することにより、光周波数が２ν１である、第１の励起光の第２高調波を発生させる。このとき、ＰＰＬＮ２５に入射光（光周波数νｉ）を入射すると、図５から分かるように、ＰＰＬＮ２５内で、発生された光周波数２ν１である第２高調波と光周波数νｉである入射光との差周波光（第１の差周波光）が、光周波数２ν１−νｉに発生する。
【００６８】
ＰＰＬＮ２９では、半導体レーザ２６からの第２の励起光（光周波数ν２）により、光周波数が２ν２である、第２の励起光の第２高調波が発生している。このとき、ＰＰＬＮ２９にＰＰＬＮ２５から光周波数２ν１−νｉである光が入射すると、図５から分かるように、該光と第２の励起光の第２高調波との差周波光（第２の差周波光）が、光周波数２ν２−（２ν１−νｉ）＝νｉ＋２（ν２−ν１）に発生する。この光周波数νｉ＋２（ν２−ν１）の差周波光が出射光としてＰＰＬＮ２９から出射される。すなわち、第１の励起光と第２の励起光との周波数差の２倍だけ光周波数がシフトした出射光が得られる。
【００６９】
ここで、第１の励起光と第２の励起光との光周波数差を、入力するマイクロ波基準周波数信号に安定化するために、ＰＬＬ回路により周波数オフセットロッキングを行っている。すなわち、第１の励起光と第２の励起光との一部を干渉させ、そのビート周波数が入カマイクロ波基準周波数信号と同等の確度を得るための周波数（周波数Δｆ）の半分のΔｆ／２にロッキングするように半導体レーザ２１の注入電流を制御している。すなわち、光ループ遅延変動による光周波数変動を相殺するように、周波数Δｆ／２とフォトダイオード３０からのビート周波数に基づいて、半導体レーザ２１への注入電流を制御しているのである。
【００７０】
なお、本実施例において、ＰＰＬＮ２５とＰＰＬＮ２９との位相整合波長、および半導体レーザ２１と半導体レーザ２６との励起波長を所望に応じて設定することにより、光周波数シフタにおけるシフト量を制御することができることは言うまでもない。
【００７１】
実施例１および実施例２においても、ＳＳＢ光変調器の代わりに本実施例に係る光周波数シフタを用いることができる。
【００７２】
なお、実施例１で説明したように、実施例２および実施例３で説明した光周波数シンセサイザを用いても波長変換装置を構成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の一実施形態に係る光周波数シンセサイザの構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る光周波数シンセサイザの構成図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る光周波数シンセサイザの構成図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る光周波数シンセサイザの光周波数シフタの構成を示す図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る、入射光、出射光および励起光の光周波数軸上の配置の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００７４】
１    光ループ回路
２    光周波数シフタ
３    合波器
４    光出力回路
５    光干渉回路
６    光電変換手段
７    位相比較器
８    マイクロ波基準周波数発振器
９    ループフィルタ
１０    電圧制御発振器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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