(57)【要約】【課題】１つの波長可変レーザ光源のみを用いる簡易な構成で、波長可変レーザの波長可変帯域内に多数存在する光周波数基準の近傍の任意の光周波数に安定化した出力光が得られる波長可変光周波数安定化光源を提供する。【解決手段】ビームスプリッタ２により波長可変レーザ光源１の出力光を分岐し、分岐した一方の出力を光変調器３で変調することにより変調サイドバンドを発生させろ。制御回路１２の制御下で、そのサイドバンド成分の光周波数を、光吸収セル４における基準となるガスの吸収線などにロックすることにより、波長可変レーザ光源の出力光周波数を所望の値に制御する。光変調器３の変調周波数は、コントローラ３０の制御下で、得ようとする光周波数と、その光周波数近傍の基準光周波数の差周波数にセットされる。コントローラ３０は、波長可変レーザ光源の動作パラメータ、光変調器の変調周波数などをテーブル化しメモリに格納している。【選択図】図１
2008288390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振光周波数を変化させることができる連続発振光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源により発生したレーザ光のパワーの一部を分岐する光分波器と、
分岐された前記レーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器と、
前記光変調器に印加する周波数変調された電気信号を発生する信号発生手段と、
該電気信号の周波数変動周期を制御する低周波発振器と、
前記光変調器から出力される変調を与えられたレーザ光を入力とする、前記レーザ光源の発振光周波数範囲に存在する複数の吸収線を有する光吸収セルと、
前記光吸収セルを透過した前記光変調器により変調を与えられたレーザ光を検出する受光器と、
前記低周波発振器の発振周波数と同期して前記受光器の出力信号の同期検波を行う同期検波器と、
前記同期検波器の出力に応じて前記レーザ光源の光周波数の制御を行う制御手段と、
前記レーザ光源の出力光周波数および前記信号発生手段の周波数変調された電気信号のキャリア周波数の設定を行う制御手段と
を有することを特徴とする波長可変光周波数安定化光源。
【請求項２】
発振光周波数を変化させることができる連続発振光を出力するレーザ光源と、
前記レーザ光源により発生したレーザ光のパワーの一部を分岐する光分波器と、
分岐された前記レーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器と、
前記光変調器に印加する周波数変調された電気信号を発生する信号発生手段と、
該電気信号の周波数変動周期を制御する低周波発振器と、
前記光変調器からのレーザ光のパワーを分岐する第二の光分波器と、
前記第二の光分波器により分岐された前記光変調器により変調を与えられたレーザ光の一方を入力とする、前記レーザ光源の発振光周波数範囲に存在する複数の吸収線を有する光吸収セルと、
前記光吸収セルを透過した前記光変調器により変調を与えられたレーザ光を検出する第一の受光器と、
前記第二の光分波器により分岐された前記光変調器により変調を与えられたレーザ光の他方を検出する第二の受光器と、
前記第一および第二の受光器の出力の差成分を得る演算増幅器と、
前記低周波発振器の発振周波数と同期して前記演算増幅器の出力信号の同期検波を行う同期検波器と、
前記同期検波器の出力に応じて前記レーザ光源の光周波数の制御を行う制御手段と、
前記レーザ光源の出力光周波数および前記信号発生手段の周波数変調された電気信号のキャリア周波数の設定を行う制御手段と
を有することを特徴とする波長可変光周波数安定化光源。
【請求項３】
前記周波数変調された電気信号を発生する信号発生手段は、
変調信号のキャリア周波数に相当する正弦波信号を発生する高周波発振器と、
外部の低周波発振器の出力周波数に同期して動作する周波数変調器と、
周波数変調信号の出力振幅を調整する出力調整手段と
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光周波数安定化光源。
【請求項４】
前記周波数変調された電気信号を発生する信号発生手段は、
変調信号のキャリア周波数に相当する正弦波信号を発生する第一の高周波発振器と、
前記第一の高周波発振器の発振周波数に対し一定の周波数の差を保って発振する第二の高周波発振器と、
前記低周波発振器の出力周波数に同期して前記第一の発振器と第二の発振器の出力とを切り替える切替スイッチと、
前記切替スイッチの出力振幅を調整する出力調整手段と
を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光周波数安定化光源。
【請求項５】
前記レーザ光源の光周波数の制御を行う制御手段は、前記光変調器により発生する変調側波帯成分のうち、高次の成分の光周波数を前記吸収線の中心光周波数と一致するように前記レーザ光源の光周波数を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光周波数安定化光源。
【請求項６】
前記レーザ光源の光周波数の変化に対して周期的な検出特性を有する光周波数検出手段をさらに有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長可変光周波数安定化光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長可変光周波数安定化光源に関し、より詳細には、半導体レーザ光源を用いた光通信帯の波長可変光周波数安定化光源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インターネットや企業内通信網に代表される通信網の需要は増大の一途にあり、通信網のさらなる大容量化、高速化が望まれている。これに応えるべく光技術は、波長の異なる光信号の多重と分離を容易にし、近年の光通信網では、波長の異なる光信号を多重分離するＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing）と呼ばれる波長多重伝送方式により、光ファイバ１本当たりの伝送容量を拡大し、経済的なネットワークを構成している。
【０００３】
このＷＤＭ方式では、波長の差を利用して回線の切り替えを行うが、波長高密度化を実現するために、信号光源の光周波数に高い精度、安定性が求められる。
【０００４】
従来、エタロンを利用した波長ロッカなどの光周波数に対して周期的な透過特性を有する素子を用いることにより、一定の光周波数間隔で発振可能な波長可変レーザ光源が実用化され、ＤＷＤＭ（Dense Wavelength Division Multiplexing）光通信用の光源として使用されている。
【０００５】
しかしながら、エタロンは光周波数の絶対値を決定する素子ではないため、これを用いて得られる光源の光周波数確度は、１０‐6程度と高くはなく、かつ、経時劣化も多かった。そのため、この種の波長可変レーザ光源は、コヒーレント技術を利用した光通信用の光源や精密計測用光源としては性能的に満足できなかった。
【０００６】
また、高確度な光周波数を得るために、波長可変レーザの発振波長を基準となる原子や分子などの吸収線波長に安定化する方法は提供されていたが、吸収線の光周波数は、一般に光通信で基準とされているＩＴＵグリッド周波数と異なる。
【０００７】
ＩＴＵ−Ｔグリッド上の光周波数に一致する高精度の周波数安定化光源を実現する場合、従来技術として２つのレーザ光源と１つの吸収セルを用いた構成（例えば特許文献１参照）が提案されている。
【０００８】
このような２つのレーザ光源と１つの吸収セルを用いた周波数安定化光源では、単一の波長（光周波数）において、ＩＴＵグリッド上の光周波数など特定の光周波数に制御されたｃｗ（continuous wave）光を得るには、まず一台目のレーザ光源の光周波数を光周波数の基準となる光吸収線などにロックし、その後、二台目のレーザの光周波数を、一台目の光周波数にオフセットロックすることによって所望の値に制御する。
【０００９】
また、波長を高精度に制御するために、１つの波長可変レーザ光源の出力光周波数をディサ変調し吸収線のピークをロックイン検出する方法も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
図１５は、１つの波長可変レーザ光源の出力光周波数をディサ変調し吸収線のピークをロックイン検出する方法を用いた波長可変安定化光源の構成を示す図である。図１５に示す波長可変安定化光源は、波長可変レーザ光源１と、波長可変レーザ光源１から入射する光を２分岐するビームスプリッタ２と、ビームスプリッタ２から入射する光を２分岐するビームスプリッタ７と、ビームスプリッタ７により分岐された光の一方を透過する波長基準器８と、波長基準器８からの光を受光する受光器５ａと、ビームスプリッタ７により分岐された光の一方を受光する受光器５ｂと、受光器５ａおよび５ｂから出力された信号の出力差を検出する差動増幅器１４と、差動増幅器１４からの信号を波長安定化手段３３およびピーク検出回路３４へ切り換えて供給するスイッチ９と、光源１の発信波長を制御する電流を供給する電流源３１と、光源１の発信温度を制御する温度制御回路３２と、電流源３１に制御信号を供給する波長安定化手段３３と、差動増幅器１４からの信号のピークを検出するピーク検出回路３４と、温度制御回路３２、電流源３１およびスイッチ９へそれぞれ温度設定信号、注入電流設定信号および切換信号を供給するコントローラ３０とを備える。
【００１１】
上記構成において、半導体レーザ光源をベースとした波長可変レーザ光源１の出力をビームスプリッタにて二つに分岐し、一方は外部への出力、他方は波長制御に使用する。制御用の光信号をビームスプリッタ７で二つに分岐し、一方は直接受光器５ａで受光し、他方は波長基準器８を透過した後受光器５ｂで受光する。波長基準器８は、波長制御の基準となるもので、たとえばその吸収線の波長が正確に値付けされているガスを充填したセルを用いる。ガスによる吸収の有無に応じて受光器で検出される光パワーに差が生じる。このパワー変動分を差動増幅器１４で検出し、吸収ピークにロックすることにより波長制御を行う。
【００１２】
所望の制御波長に設定するために、まず、光源の温度を温度制御回路３２でスキャンし、ピーク検出回路からの出力を数えて使用する吸収線の波長とそのときの動作温度を決定する。その後、スイッチ９を切替え、波長安定化手段３３を用いて波長の精密制御を行う構造となっている。装置全体の制御はコントローラ３０で行っている。
【００１３】
【特許文献１】特開２０００−３５７８４０号公報、第２図
【特許文献２】特許２５２０７４０号公報、第１図
【非特許文献１】W. C. Swann and S.L. Gilbert, “Pressure-induced shift and broadening of 1560-1630-nm carbon nonoxide wavelength-calibration lines”, J. Opt. Soc. Am. B, vol. 19, pp.2461-2467(2002)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、２つのレーザ光源と１つの吸収セルを用いた周波数安定化光源では、２つの光源の光周波数を精密に制御する必要があるため、その制御系の構成が非常に複雑になるという欠点があった。
【００１５】
また、１つの波長可変レーザ光源の出力光周波数をディサ変調する波長可変安定化光源では、駆動電流を変調して出力光周波数に変調を与えるため、出力光の線幅が広がってしまうという問題があった。
【００１６】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、１つの波長可変レーザ光源を用いる簡易な構成で、波長可変レーザの波長可変帯域内に多数存在する光周波数基準の近傍の任意の光周波数に安定化した出力光が得られる波長可変光周波数安定化光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、波長可変光周波数安定化光源であって、発振光周波数を変化させることができる連続発振光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源により発生したレーザ光のパワーの一部を分岐する光分波器と、分岐された前記レーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器と、前記光変調器に印加する周波数変調された電気信号を発生する信号発生手段と、該電気信号の周波数変動周期を制御する低周波発振器と、前記光変調器から出力される変調を与えられたレーザ光を入力とする、前記レーザ光源の発振光周波数範囲に存在する複数の吸収線を有する光吸収セルと、前記光吸収セルを透過した前記光変調器により変調を与えられたレーザ光を検出する受光器と、前記低周波発振器の発振周波数と同期して前記受光器の出力信号の同期検波を行う同期検波器と、前記同期検波器の出力に応じて前記レーザ光源の光周波数の制御を行う制御手段と、前記レーザ光源の出力光周波数および前記信号発生手段の周波数変調された電気信号のキャリア周波数の設定を行う制御手段とを有することを特徴とする。
【００１８】
請求項２に記載の発明は、波長可変光周波数安定化光源であって、発振光周波数を変化させることができる連続発振光を出力するレーザ光源と、前記レーザ光源により発生したレーザ光のパワーの一部を分岐する光分波器と、分岐された前記レーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器と、前記光変調器に印加する周波数変調された電気信号を発生する信号発生手段と、該電気信号の周波数変動周期を制御する低周波発振器と、前記光変調器からのレーザ光のパワーを分岐する第二の光分波器と、前記第二の光分波器により分岐された前記光変調器により変調を与えられたレーザ光の一方を入力とする、前記レーザ光源の発振光周波数範囲に存在する複数の吸収線を有する光吸収セルと、前記光吸収セルを透過した前記光変調器により変調を与えられたレーザ光を検出する第一の受光器と、前記第二の光分波器により分岐された前記光変調器により変調を与えられたレーザ光の他方を検出する第二の受光器と、前記第一および第二の受光器の出力の差成分を得る演算増幅器と、前記低周波発振器の発振周波数と同期して前記演算増幅器の出力信号の同期検波を行う同期検波器と、前記同期検波器の出力に応じて前記レーザ光源の光周波数の制御を行う制御手段と、前記レーザ光源の出力光周波数および前記信号発生手段の周波数変調された電気信号のキャリア周波数の設定を行う制御手段とを有することを特徴とする。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長可変光周波数安定化光源であって、前記周波数変調された電気信号を発生する信号発生手段は、変調信号のキャリア周波数に相当する正弦波信号を発生する高周波発振器と、外部の低周波発振器の出力周波数に同期して動作する周波数変調器と、周波数変調信号の出力振幅を調整する出力調整手段とを有することを特徴とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長可変光周波数安定化光源であって、前記周波数変調された電気信号を発生する信号発生手段は、変調信号のキャリア周波数に相当する正弦波信号を発生する第一の高周波発振器と、前記第一の高周波発振器の発振周波数に対し一定の周波数の差を保って発振する第二の高周波発振器と、前記低周波発振器の出力周波数に同期して前記第一の発振器と第二の発振器の出力とを切り替える切替スイッチと、前記切替スイッチの出力振幅を調整する出力調整手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長可変光周波数安定化光源であって、前記レーザ光源の光周波数の制御を行う制御手段は、前記光変調器により発生する変調側波帯成分のうち、高次の成分の光周波数を前記吸収線の中心光周波数と一致するように前記レーザ光源の光周波数を制御することを特徴とする。
【００２２】
請求項６に記載の発明は、請求項１または２に記載の波長可変光周波数安定化光源であって、前記レーザ光源の光周波数の変化に対して周期的な検出特性を有する光周波数検出手段をさらに有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明により、１つの波長可変レーザ光源のみを用いる簡易な構成で、波長可変レーザ光源の波長可変帯域内に多数存在する光周波数基準の近傍の任意の光周波数に安定化した出力光が得られる波長可変光周波数安定化光源を実現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】
【００２４】
本発明では、光源に１つの波長可変レーザ光源を用い、その出力光を分岐し、分岐した一方の出力を外部変調器で変調することにより変調サイドバンドを発生させ、そのサイドバンド成分の光周波数を、基準となるガスの吸収線などにロックすることにより、波長可変レーザ光源の出力光周波数を所望の値に制御することによって、波長可変かつその光周波数が所望の値に制御された波長可変光周波数安定化光源を実現するものである。
【００２５】
光変調器の変調周波数は、本発明に係る波長可変光周波数安定化光源により得ようとする光周波数と、その光周波数近傍の基準光周波数の差周波数にセットする。本発明によって得ようとする光周波数を実現するための、波長可変レーザ光源の動作パラメータ、光変調器の変調周波数などをテーブル化することによって、多数の光周波数において、高い光周波数確度を有するｃｗ光源を実現することができる。
【００２６】
これにより、基準となる光周波数の近傍において、所望の光周波数（光通信分野における多くの応用においてはＩＴＵグリッド上の光周波数）のｃｗ光源を比較的簡易な構成で実現することができる。以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明する。
【００２７】
（実施例１）
図１は、本発明に係る波長可変光周波数安定化光源の一実施例を示す。本実施例の波長可変光周波数安定化光源は、外部の制御入力に応じてその発振光周波数を変化させることが可能な連続発振光を出力するレーザ光源（本明細書において、単に波長可変レーザ光源ともいう。）１と、波長可変レーザ光源１により発生したレーザ光の一部を分岐する光分波器としてのビームスプリッタ２と、信号発生手段から印加される周波数変調された電気信号により、ビームスプリッタ２により分岐されたレーザ光に変調を与えて変調側波帯を発生させる光変調器３と、光変調器３から出力される変調を与えられた光を入力とする、波長可変レーザ光源１の発振光周波数範囲に存在する複数の吸収線を有する物質を充填した光吸収セル４と、光吸収セル４を透過した光信号を検出する受光器５と、低周波発振器２２の発振周波数と同期して受光器５の出力信号の同期検波を行う同期検波器１１と、同期検波器１１の出力に応じて波長可変レーザ光源１の光周波数の制御を行う制御手段と、波長可変レーザ光源１の出力光周波数の設定および信号発生手段の周波数変調された電気信号のキャリア周波数の設定を行う制御手段としてのコントローラ３０とを備える。また、本実施例の波長可変光周波数安定化光源は、受光器５により検出された電気信号を増幅する増幅器１０を備える。
【００２８】
本実施例では、信号発生手段は、キャリアを発生するキャリア発生用発振器２０と、低周波発振器２２からの信号によりキャリアを周波数変調するＦＭ変調器２１と、ＦＭ変調器２１からの信号を増幅する高周波増幅器２３と、光変調器３へ供給する信号の強度を調整するＲＦ出力調整器２４とから構成される。
【００２９】
また、本実施例では、波長可変レーザ光源１の光周波数の制御を行う制御手段は、同期検波器１１の出力から光周波数制御ループの制御量を求める制御回路１２と、制御回路１２により求められた制御量に基づいて、波長可変レーザ光源１へ供給する駆動電流を調整するレーザ駆動回路１３とから構成される。
【００３０】
本実施例の波長可変光周波数安定化光源において、波長可変レーザ光源１から出力されたレーザ光は、出力用のビームスプリッタ２で分岐され、一方は出力光として、他方は光周波数制御に使用される。ビームスプリッタ２は、光カップラ、スプリッタなどの素子に置き換え可能である。
【００３１】
ビームスプリッタ２によって分岐されたレーザ光は、光変調器３、光吸収セル４を順次透過した後に受光器５により検出される。受光器５から得られる信号を増幅器１０により増幅し、これに接続された位相検波器１１により光吸収セル４の基準光周波数ｖcellからの光周波数ずれに対応する誤差信号を得る。
【００３２】
制御回路１２は、同期検波器１１の出力から光周波数制御の制御量を求められ、これを用いてレーザ駆動回路１３を制御し、波長可変レーザ光源１の光周波数の制御を行う。
【００３３】
光変調器３を駆動する信号として、キャリア周波数ｖoffset、最大周波数偏移ｖFM、変調周波数ｆmのＦＭ変調信号を用いる。この信号を発生させるため本実施例においては、キャリア発生用発振器２０、ＦＭ変調器２１、低周波発振器２２、高周波増幅器２３、ＲＦ出力調整回路２４を用いている。なお、低周波発振器２２の出力は、位相検波器１１の動作のためにも使用される。
【００３４】
また、波長可変光周波数安定化光源全体の動作を制御するためのコントローラ３０が、キャリア発生用発振器２０および、レーザ駆動回路１３の動作を制御している。
【００３５】
光変調器３は、波長可変レーザ光源１の発振光周波数の周りに変調サイドバンドを発生させるために使用するもので、導波路型の位相変調器、強度変調器、ＳＳＢ変調器などが使用可能である。本実施例では、ＬＮ位相変調器を例にとって説明する。
【００３６】
光吸収セル４は、広い光周波数範囲において複数の光周波数基準を有するもので、一般的にはレーザ分光技術などにより、その周波数安定度が正確に評価された原子もしくは分子の吸収線を用いる。それらのいくつかは、メートル法条約において標準物質として認定されている。光吸収セル４としては、例えば光通信帯では、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）、シアン化水素（ＨＣＮ）、一酸化炭素（12Ｃ16Ｏ、13Ｃ16Ｏ）、水蒸気（Ｈ2Ｏ）などの分子を単独または複数封入した光吸収セルなどが用いられる。本実施例では、一酸化炭素（12Ｃ16Ｏ）を例にとって説明する。
【００３７】
波長可変レーザ光源１として、ＤＦＢレーザ（ＤＦＢ−ＬＤ：distributed feedback laser diode）アレイ、ＤＢＲレーザ（Distributed Bragg Reflector laser）、外部共振器型半導体レーザ、ファイバレーザなどの種々のレーザを用いることができる。ここでは、ＤＦＢレーザアレイを例にとって説明する。この素子は、発振光周波数の異なるＤＦＢレーザチップをアレイ状に並べ、動作させるチップを選択し、動作温度、駆動電流を制御することにより、出力されるレーザ光の光周波数を制御する構造となっている。
【００３８】
図２（ａ）および（ｂ）は、光吸収セル４として一酸化炭素（12Ｃ16Ｏ）を封入した光吸収セルを用いた際の、吸収スペクトルの例を示す図である。12Ｃ16Ｏは、Ｌ帯において全部で４０本以上の吸収線を有しており、それらの吸収線の波長はサブｐｍの不確かさで安定なことが知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【００３９】
図３は、図２の吸収ピークに対応する光周波数と１００ＧＨｚ間隔および５０ＧＨｚ間隔のＩＴＵグリッド周波数との差ｖoffsetを整理した表である。図３の表に示すように、ｖoffsetは、数ＧＨｚから数十ＧＨｚ程度である。波長可変レーザ光源の出力光周波数をｖout(i)とすると、
ｖout(i)＝ｖcell(i) ＋ｖoffset(i)                （１）
となる。ここで、ｖcell(i)はｉ番目の吸収線の光周波数を表す。着目しているｉ番目の吸収線の近傍のＩＴＵグリッド周波数ｖout(i)を得るための周波数オフセットｖoffset(i)は、図３の表から一意に決まるため、コントローラ３０のメモリに格納しておくことができる。光源の出力光周波数ｖout(i)は、ＩＴＵグリッドと異なる値に設定することも、上記の関係から可能である。
【００４０】
図４は、ガス吸収線の透過スペクトルと、波長可変レーザ光源の発振光周波数と、光変調器によって生ずる変調サイドバンド（変調側波帯）の周波数との関係を説明するための図である。ｖoffset(i)に相当する周波数差を有する信号成分は、波長可変レーザ光源１の出力（光周波数ｖout(i)）の一部をビームスプリッタ２で分岐した成分の一方を、光変調器３を用いて変調することにより、変調サンドバンド成分として得られる。このサイドバンド成分ｖSB(i) ＝ｖout(i)−ｖoffset(i)が光吸収セルの光周波数ｖcell(i)に一致するように制御することによって、
ｖout(i)＝ｖSB(i)＋ｖoffset(i)＝ｖcell(i)＋ｖoffset(i)    （２）
の関係から、ｖout(i)をＩＴＵグリッド周波数に制御することができる。サイドバンド成分ｖSB(i) と吸収線の光周波数ｖcell(i)の差が制御誤差に相当するが、この検出は以下のように行う。
【００４１】
本実施例において、光変調器３を駆動する信号を、キャリア周波数ｖoffset(i)、最大周波数偏移ｖFM、変調周波数ｆmのＦＭ変調信号とする。ＦＭ変調波形として、最大周波数偏移ｖFMの正弦波を用いることも可能であるが、ここでは簡単のため、最大周波数偏移ｖFM、スイッチング周波数ｆmのＦＳＫ変調波形を仮定する。光変調を受けた後のサイドバンド成分のスペクトル強度は、光変調の変調指数（変調強度）に依存するため、高周波増幅器２３とＲＦ出力調整回路２４により、最適な強度となるように調整を行う。
【００４２】
光変調器３を透過した後の光キャリア成分、および着目しているサイドバンド成分と光キャリア成分を挟んで反対側のサイドバンド成分は、使用しているガス吸収線の吸収線幅が数ＧＨｚ程度と狭く、吸収線の間隔が数十ＧＨ以上と広いため、吸収線の影響を殆ど受けない。従って上記の成分は、光吸収セル４を透過した後の光出力は時間的な変化は生じない。
【００４３】
一方、着目しているサイドバンドの光周波数の中心値ｖSB(i)と吸収線の光周波数ｖcell(i)がほぼ一致している場合には、ｖSB(i)とｖcell(i)の位置関係により、光吸収セル４を透過したサイドバンド成分に、周波数ｆmで時間的に変化する成分が現れる。この様子を図５に示す。
【００４４】
図５（ａ）に示すように、ｖSB(i)とｖcell(i) が一致している場合には、ＦＭ変調された二つの周波数成分ｖout(i)−ｖoffset(i)＋ｖFMとｖout(i) −ｖoffset(i)−ｖFMの受ける光損失が等しいため、透過光の時間変化は生じない。図５（ｂ）に示すように、ｖout(i)−ｖoffset(i)＞ｖcell(i)の場合には、ＦＭ変調された二つの周波数成分ｖout(i)−ｖoffset(i)＋ｖFMとｖout(i)−ｖoffset(i)−ｖFMの受ける光損失に差を生じるために、光吸収セル４を透過した光強度は周波数ｆmで変動する。図５（ｃ）に示すように、ｖout(i)−ｖoffset(i)＜ｖcell(i)の場合には、（ｂ）に示す場合と逆位相で光強度の変動を生じる。
【００４５】
従って、光吸収セル４の出力を、受光器５で受光して、周波数ｆm成分の振幅と位相を検出することにより、着目しているサイドバンド成分ｖSB(i)のｖcell(i)からのずれ量（誤差信号）を得ることができる。
【００４６】
図６は、サイドバンド成分ｖSB(i)のｖcell(i)からの周波数ずれ量に対して受光器５で検出されるｆm周波数成分の振幅をプロットしたものである。ｖSB(i)とｖcell(i)が一致している場合にはその振幅が零となり、離調に応じてｆm周波数成分が検出される。
【００４７】
誤差信号の検出のためには、受光器５で得られた電気信号を増幅器１０により増幅し、その後位相検波器１１にて位相敏感検波を行う。位相敏感検波を実行するために、低周波発振器２２の信号を用いる。位相検波器１１の出力を平滑化し、制御回路１２により所望の制御量を算出する。この制御量を元に、レーザ駆動回路１３を制御し、波長可変レーザ光源１の光周波数の制御を行う。
【００４８】
波長可変レーザ光源１としてＤＦＢレーザアレイを使用した場合には、発生させようとするｉ番目のキャリアの光周波数を決めると、使用するＤＦＢ−ＬＤのチップ番号、ＤＦＢ−ＬＤの動作温度、ＤＦＢ−ＬＤの動作電流、ｖoffset(i)を一意に決めることによって、ｖSB(i)とｖcell(i)が数１００ＭＨｚ程度の確度で、ほぼ一致するように設定することができる。これにより、ｆm周波数成分の誤差信号の検出が可能となり、光周波数制御を行うことができる。
【００４９】
本実施例のようにＤＦＢレーザアレイを使用する場合、温度制御装置（図示しない）によりＤＦＢ−ＬＤの動作温度を一定に保ち、駆動電流を検出された誤差信号の大きさに応じて微調整することで光周波数制御を達成することができる。ＤＦＢレーザの駆動電流の変化量に対するレーザの光周波数の変化は、約１ＧＨｚ／ｍＡであるため、１μＡオーダーの電流制御によって、１ＭＨｚ程度の精度で光周波数を制御することが可能である。
【００５０】
また、ｖoffset(i)を決めているキャリア発生用発振器２０は、通常良く用いられているＰＬＬ（Phase Locked Loop）シンセサイザ方式の発振器を使用することによって、図３の表にリストアップされた広い周波数範囲の発振周波数への対応が可能である。
【００５１】
以上説明した要素技術を統合することによって波長可変かつ高光周波数確度を有する光源を実現することができる。そのため、あらかじめコントローラ３０に内蔵されているメモリに、出力すべき各々の光周波数に対して、波長可変レーザ光源の動作パラメータ（例えば、ＤＦＢレーザアレイの場合には、選択するＤＦＢ−ＬＤチップ番号、ＬＤの動作温度、ＬＤの駆動電流など）およびキャリア発生用発振器２０の発振周波数を記憶させておく。
【００５２】
図７の表に、ＤＦＢレーザアレイを波長可変レーザ光源１として用いた場合の制御目標光周波数とそれを実現するためのＤＦＢレーザアレイの動作パラメータ及びキャリア発生用発振器２０の発振周波数の設定値の一部を例示する。吸収線としては12Ｃ16ＯのＰブランチを用いており、図７の表の左から２列目に吸収線の光周波数を示している。尚、基準とする光吸収線の光周波数の確からしさは数ＭＨｚ以内であり、かつ吸収線の線幅は数ＧＨｚ以下であるためＤＦＢレーザの動作温度で１／１００度、動作電流で１／１００ｍＡ程度の設定精度が必要であることに注意を要する。
【００５３】
図８は、本発明に係る波長可変光周波数安定化光源の動作を説明するための図である。まず、装置外部からコントローラ３０に対して送られた光周波数設定命令に応答して、コントローラ３０は、波長可変レーザ光源１の動作パラメータおよびキャリア発生用発振器２０の発振周波数を、コントローラ３０の内蔵メモリから読み出して（Ｓ８０２）、それぞれの値をレーザ駆動回路１３およびキャリア発生用発振器２０へ送り、波長可変レーザ光源１およびキャリア発生用発振器２０の制御を開始する（Ｓ８０４，Ｓ８０６）。レーザ駆動回路１３に与えた動作パラメータが所望の値に収束し（Ｓ８０８）、かつキャリア発生用発振器２０の発振周波数が所望の値にロック（Ｓ８１０）したタイミングで、誤差信号の取得を開始する（Ｓ８１２）。取得された誤差信号を制御回路１２を介して、レーザ駆動回路１３へとフィードバックする帰還回路の動作を開始する（Ｓ８１４）。
【００５４】
上述した制御の仕組みにより、光変調器３によって発生したサイドバンド成分ｖSB(i)が光吸収セル４の着目している吸収線の光周波数ｖcell(i)に一致させることができるので、結果として波長可変レーザ光源１の光周波数ｖout(i)を所望の値に制御することができる。光変調器３によって発生したサイドバンド成分ｖSB(i)が光吸収セル４の着目している吸収線の光周波数ｖcell(i)に対して所望の誤差範囲内に収束した時点で、光周波数ロック状態と判断（Ｓ８１６）し、外部に対して光周波数ロックアラームを解除する（Ｓ８１８）。
【００５５】
さらに、前述したものとは別の光周波数ｖcell(i)で本光源を動作させる場合には、一旦光周波数制御のフィードバックループの動作を解除した後に、前述した順序で本波長可変レーザ光源の動作制御を行う。
【００５６】
本実施例の説明においては、波長可変レーザ光源１としてＤＦＢレーザアレイを例に取ったが、上述したように、ＤＢＲレーザ、外部共振器型半導体レーザ、ファイバレーザなど、各種のレーザが適用できる。この場合、コントローラ３０の内部メモリにあらかじめ格納される波長可変レーザ１の動作パラメータの組は、使用するレーザによって異なることに注意されたい。
【００５７】
また、光吸収セルとして本実施例の説明では、一酸化炭素（12Ｃ16Ｏ）を例に取ったが、本発明によって実現される光源の所望の波長帯に応じて、使用する吸収物質の選択を行うのは言うまでもない。
【００５８】
（実施例２）
図９は、本発明に係る波長可変光周波数安定化光源の第二の実施例の構成を示す図である。第一の実施例と同一あるいは類似の構成要素については、同一あるいは類似の番号で示している。したがって、繰り返しの説明は省略する。
【００５９】
第一の実施例においては、ＦＭ変調されたキャリア成分（中心周波数ｖoffset(i)、最大周波数偏移ｆFM、変調周波数ｆm）を変調信号として光変調器３により、波長可変レーザ光源１から出力されるｃｗ光を変調しても、原理的にはその変調出力は時間的に変動しないはずである。
【００６０】
しかしながら、実際には、光変調器３の物理的な特性などの原因により、変調後の強度が周波数ｆmで変動するという現象が生じる場合がある。例えば、光変調器３としてマッハツェンダー型強度変調器を使用した場合にそのような現象が観測されている。光吸収セル４に対して、もともと周波数ｆmで強度変調された光が入力されると、制御回路１２は、受光器５で検出されるｆm周波数成分が零となるように動作する。結果として、制御される光源の光周波数ｖout(i)にオフセットを生じてしまう。これは、本発明の光周波数安定化光源の光周波数確度の劣化の原因となる。
【００６１】
そこで、本実施例においては、光変調器３による光変調によって生じる周波数ｆmの強度変調成分を、光変調器３と光吸収セル４の間に設けたビームスプリッタ７で分岐する。ビームスプリッタ７により分岐された一方を受光器５ｂで検出するとともに、分岐された他方は光吸収セル４を透過させ受光器５ａで受光する。二つの受光器５ａおよび５ｂで得られた信号の差の成分を差動増幅器１４で検出増幅することにより、光吸収セル４を透過後に周波数ｆmで変化する光吸収量の変化を正確に検出することができる。
【００６２】
受光器５ａ、５ｂにおいては、内部に振幅調整回路を有しており、両者の出力振幅が等しくなるように調整を行う。もしくは、差動増幅器の二つの入力の初段の回路ブロックにおいて、その出力振幅が等しくなるような振幅調整回路を有していても良い。また、受光器出力に、その減衰量が可変である減衰器を設置し、両者の減衰量を調整することによって上記の調整を行っても構わない。
【００６３】
上記の構成とすることによって、例えば以前の構成で最大１０ＭＨｚあった出力光周波数のオフセット量を、本構成によって１ＭＨｚ未満まで減らすことは比較的容易である。
【００６４】
また、本実施例の構成においては、差動増幅器１４と位相検波器１１との間にフィルタ６を挿入しているが、これは回路雑音による制御誤差検出の精度劣化を防ぐために使用している。フィルタ６としては、その透過域に、周波数変調の変調数端数ｆmを含むローパスフィルタ、バンドパスフィルタ、などが使用可能である。もともと光検出器によって検出される周波数ｆmの成分振幅が小さく、回路雑音によって光周波数の制御回路の動作が影響されやすいため、本フィルタ６を挿入することの効果は大きい。位相検波器１１は、そのリファレンスとして用いている周波数ｆm成分以外の入力信号の周波数成分を除去する能力は高いが、その回路構成によっては、ｆmの奇数次の高調波成分も検出する性質を有するため、本実施例に示すようなフィルタを挿入する効果は大きい。なお、本フィルタ６は、実施例１においても適用可能であり、その効果は大きい。
【００６５】
（実施例３）
図１０は、本発明に係る波長可変光周波数安定化光源の第三の実施例の構成を示す図である。第一の実施例および第二の実施例と同一あるいは類似の構成要素については、同一あるいは類似の番号で示している。したがって、重複する説明は省略する。
【００６６】
本実施例は、第二の実施例の波長可変光周波数安定化光源の構成と比較して、信号発生手段の構成が異なる（なお、本明細書において、図９に示す構成のうちキャリア発生用発振器２０とＦＭ変調器２１で構成される回路をＦＭ変調信号発生回路ともいう。）。本実施例における信号発生手段は、コントローラ３０および周波数制御回路２５によって発振周波数が制御されるキャリア発生用発振器２０ａと、周波数制御回路２５によって発振周波数が制御されるキャリア発生用発振器２０ｂと、キャリア発生用発振器２０ａおよび２０ｂからの出力をそれぞれ調整するＲＦ出力調整回路２４ａおよび２４ｂと、低周波発振器２２の出力に基づいてＲＦ出力調整回路２４ａおよび２４ｂの出力を切り換える高周波スイッチ２６と、ＲＦ出力調整回路２４ａおよび２４ｂの出力を増幅する高周波増幅器２３から構成される。本実施例における信号発生手段の構成は、第一の実施例の波長可変光周波数安定化光源の構成にも適用することができる。
【００６７】
次に、本実施例における信号発生手段の動作を説明する。装置外部からコントローラ３０に対して送られた光周波数設定命令に応答して、コントローラ３０は、波長可変光周波数安定化光源から発生すべき光周波数に応じてコントローラ３０中のメモリからキャリア発生用発振器２０ａの発振周波数を読み出し、その発振周波数をセットする。ここで、第一の実施例と異なるのは、設定する発振周波数がｖoffset(i)ではなく、
ｖOSC1(i) ＝ｖoffset(i)−ｖFM                          （３）
で与えられるｖOSC1(i) としている点である。このため、キャリア発生用発振器２０ａとしては、シンセサイズ方式の発振器などを用いることができる。次に、周波数制御回路２５を用いてキャリア発生用発振器２０ｂの発振周波数を
ｖOSC2(i) ＝ｖOSC1(i)＋２・ｖFM＝ｖoffset(i)＋ｖFM      （４）
にセットする。周波数制御回路２５としては、例えばＰＬＬ回路を用いて構成することができ、発振器２０ａと２０ｂが常に一定の周波数差で発振する回路を実現することができる。本実施例の場合には、発振器２０ａおよび２０ｂの発信周波数の周波数差を２ｖFMとすることで上述した周波数の関係が実現できる。
【００６８】
図１１は、本実施例の構成における、ガス吸収線の透過スペクトルと、波長可変レーザ光源の発振光周波数と、光変調器によって生ずる変調サイドバンドの周波数との関係を説明するための図である。
【００６９】
本実施例では、周波数の低い側のキャリア発生用発振器２０ａの発振周波数を外部から制御する構成としたが、周波数の高い側のキャリア発生用発振器２０ｂの発振周波数を外部から制御して、周波数の低い側の発振周波数を周波数制御回路２５で制御しても構わない。
【００７０】
次に、二つのキャリア発生用発振器２０ａおよび２０ｂからの出力強度をそれぞれＲＦ出力調整回路２４ａ、２４ｂで等しい値となるように調整し、高周波スイッチ２６に入力する。高周波スイッチ２６は、低周波発振器２２の出力によって１／ｆmの周期で二つのキャリア発生用発振器の出力を切り替える。上記の動作を行う高周波スイッチ２６として、例えばマイクロ波用のＰＩＮスイッチを用いることができる。
【００７１】
以上により、高周波スイッチ２６の出力端子からは、平均周波数ｖoffset(i)、最大周波数偏移ｖFM、変調周波数ｆmのディジタル変調信号が得られる。
【００７２】
（実施例４）
上記実施例１においては、光変調器３の変調周波数に等しいサイドバンド成分ｖSB(i)をｉ番目の吸収線の光周波数ｖcell(i)に一致するように制御した。このような制御方法では、吸収線に隣接するＩＴＵグリッドに光源の光周波数を制御しようとする場合、５０ＧＨｚグリッドの場合最大２５ＧＨｚ、１００ＧＨｚグリッドの場合最大５０ＧＨｚの周波数オフセットを光変調器で発生させる必要がある。
【００７３】
一般に、駆動周波数が概ね２０ＧＨｚを超えると、キャリア発生用発振器２０、ＦＭ変調器２１、高周波増幅器２３、ＲＦ出力調整回路２４、光変調器３などの動作特性の劣化を生じ始める。したがって、第一の実施例で述べた制御方法を適用することは困難になってくる。
【００７４】
そこで、本実施例においては、光変調によって生ずる高次のサイドバンド成分を基準となる光吸収セル４の光周波数ｖcell(i)に一致するような制御を行うことにより、上記の問題点の解決を図る。
【００７５】
図１２（ａ）ないし（ｃ）は、光変調器４として位相変調器を用いた際に得られる変調サイドバンドのスペクトルを示す図である。図１２では、光変調器３へ入力される波長可変レーザ光源１の光周波数からの相対値を横軸に取って示している。図１２（ａ）は変調振幅が小さい場合、（ｂ）は一次のサイドバンド成分を最大になるようにＲＦ出力調整回路２４で変調振幅を調整した場合、（ｃ）は二次のサイドバンド成分（２・ｖoffset(i))が最大となるように変調振幅を調整した場合のスペクトルをそれぞれ示す。二次以上のサイドバンド成分を発生するには、一次のサイドバンド成分が容易に発生できれば十分である。
【００７６】
本実施例を適用して光周波数安定化光源を構成する場合には、図１３に示す周波数の関係を保ちつつ動作させる。二次のサイドバンド成分を着目している吸収線の光周波数ｖcell(i)に制御する場合は
ｖout(i)＝ｖcell(i)＋２・ｖoffset(i)                （５）
という関係を用いる。また、三次のサイドバンド成分を用いて制御を行う場合には
ｖout(i)＝ｖcell(i)＋３・ｖoffset(i)                （６）
の関係を使用する。
【００７７】
本実施例においても、制御に使用する高次サイドバンド成分と光吸収線の光周波数のずれは、第一の実施例と同様に変調キャリアを最大周波数偏移ｖFM、周波数ｆmで周波数変調し、光周波数セル４を透過後の光強度のｎ・ｆm成分を検出することにより検出することができる。ここでｎは光周波数制御に使用した変調サイドバンドの次数を示す。
【００７８】
本実施例を用いた波長可変光周波数安定化光源を構成するに当たって、光変調器３として位相変調器を例にとって説明したが、強度変調器やＳＳＢ変調器を用いた場合でも、その変調スペクトルの形状が位相変調器の場合と異なるだけで、高次の変調サイドバンド成分を光吸収セル４の吸収線の光周波数に一致させるという動作には変わりがない。
【００７９】
（実施例５）
図１４は、本発明に係る波長可変光周波数安定化光源の第五の実施例の構成を示す図である。上記実施例と同一あるいは類似の構成要素については、同一あるいは類似の番号で示している。したがって、重複する説明は省略する。
【００８０】
本実施例の構成は、第二の実施例の構成と比較して、波長可変光源１とビームスプリッタ２との間に波長ロッカ４０を備える点で異なる。本実施例の構成は、第一の実施例、第三の実施例および第四の実施例にも適用できる。
【００８１】
第一の実施例においては、コントローラ３０から所望の出力光周波数を与えるための波長可変レーザ光源１の動作パラメータの組を読み出し、レーザ駆動回路１３を介して設定した後に、光吸収セル４を用いた光周波数の安定化を行う構成となっている。しかしながら、初期に設定したパラメータ値の組み合わせでは、波長可変レーザ光源の経年変動により、波長可変レーザ光源１の出力光周波数の値が光吸収セル４の光周波数ずれの検出範囲を超えてしまうことがあった。この範囲は、使用する吸収物質の種類および光吸収セル４への充填圧力などにより変化するが、概ね数１００ＭＨｚからＧＨｚのオーダーである。
【００８２】
そこで、本実施例においては、まず、第一の実施例と同様に、コントローラ３０から所望の出力光周波数を与えるための反射可変光源１の動作パラメータの組を読み出し、レーザ駆動回路１３を介して設定を行う。次に、波長ロッカ４０を動作させ、波長ロッカ４０でモニタされる光周波数の値が、着目している吸収線の吸収中心と一致するように、コントローラ３０、レーザ駆動回路１３を用いて制御する。波長ロッカ４０を用いると、波長ロッカ４０の経年変化を考慮しても１ＧＨｚオーダー以下の光周波数確度で波長可変レーザ光源１の光周波数を制御可能であるので、次の段階で、光吸収セル４による光周波数制御に安定に移行することができる。
【００８３】
現在市販されているＤＷＤＭ光通信を目的として製造されている波長可変レーザ光源１の多くは、始めから光源内部に波長ロッカ４０を内蔵しているため、特に、波長可変レーザ光源モジュールの構造自体を変更することなく、本実施例に示す波長可変光周波数安定化光源を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】本発明に係る波長可変安定化光源の第一の実施例を示す図である。
【図２】（ａ）は12Ｃ16Ｏ分子を充填した光吸収セルの透過率の波長特性を示す図であり、（ｂ）は多数の吸収線のうち一本について透過率を正規化して拡大表示した図である。
【図３】12Ｃ16Ｏ分子の吸収線波長とＩＴＵグリッドからの周波数オフセット（単位ＧＨｚ）との関係を示した表である。
【図４】ガス吸収線の透過スペクトルと、波長可変レーザ光源の発振光周波数と、光変調器によって生ずる変調サイドバンドの周波数との関係を説明するための図である。
【図５】光吸収セルを透過した後のｆm周波数成分の波形に対して、変調サイドバンド周波数ｖoffset(i)とガス吸収線ｖcell(i)の光周波数との大小関係が与える影響を説明するための図である。
【図６】変調サイドバンド周波数ｖoffset(i)とガス吸収線ｖcell(i)の光周波数の差と、受光器で検出されるｆm周波数成分の大きさの関係を示す図である。
【図７】ＤＦＢレーザアレイを波長可変レーザ光源１として用いた場合の制御目標光周波数とそれを実現するためのＤＦＢレーザアレイの動作パラメータ及びキャリア発生用発振器２０の発振周波数の設定値との関係を示す表である。
【図８】本発明に係る波長可変光周波数安定化光源の動作順序を示す図である。
【図９】本発明に係る波長可変安定化光源の第二の実施例の構成を示す図である。
【図１０】本発明に係る波長可変安定化光源の第三の実施例の構成を示す図である。
【図１１】本発明に係る波長可変安定化光源の第三の実施例の構成における、ガス吸収線の透過スペクトルと、波長可変レーザ光源の発振光周波数と、光変調器によって生ずる変調サイドバンドの周波数との関係を説明するための図である。
【図１２】光位相変調器を用いた場合の高次の変調サイドバンドのスペクトル例を示す図である。
【図１３】本発明に係る波長可変安定化光源の第四の実施例における、ガス吸収線の透過スペクトルと、波長可変レーザ光源の発振光周波数と、光変調器によって生ずる変調サイドバンドの周波数との関係を説明するための図である。
【図１４】本発明に係る波長可変光周波数安定化光源の第五の実施例の構成を示す図である。
【図１５】従来の波長可変光周波数安定化光源の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１  波長可変レーザ光源
２  ビームスプリッタ
３  光変調器
４  光吸収セル
５，５ａ，５ｂ  受光器
６  フィルタ
７  ビームスプリッタ
８  波長基準器
９  スイッチ
１０  増幅器
１１  位相検波器
１２  制御回路
１３  レーザ駆動回路
２０，２０ａ，２０ｂ  キャリア発生用発振器
２１  ＦＭ変調器
２２  低周波発振器
２３  高周波増幅器
２４，２４ａ，２４ｂ  ＲＦ出力調整回路
２５  周波数制御回路
２６  高周波スイッチ
３０  コントローラ
３１  電流源
３２  温度制御回路
３３  波長安定化手段
３４  ピーク検出回路
４０  波長ロッカ
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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