(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
発振周波数を安定化させた周波数安定化光源（１）と、
発振周波数を外部信号により制御できる周波数可変光源（２）と、
前記周波数安定化光源から出射された周波数安定化レーザー光と前記周波数可変光源から出射された周波数可変レーザー光とを合波する合波器（４）と、
掃引信号により自身の持つ共振ピーク間隔よりも広い範囲で共振ピーク周波数を掃引させて、前記合波器からの入射光の発振周波数と共振ピーク周波数が一致したときに透過光を出射する光共振器（３）と、
前記光共振器から出射された透過光を受光する受光器（５）と、
前記受光器から出力された信号から、前記周波数安定化光源に由来する信号のピークが検出された時刻における前記光共振器に印加された電圧値と、前記周波数可変光源に由来する信号のピークが検出された時刻における前記光共振器に印加された電圧値を測定し、当該両電圧値の差から、前記周波数安定化レーザー光と前記周波数可変レーザー光との周波数差に依存した周波数差信号を前記周波数可変光源に帰還させる解析器（６）とを備えた周波数可変光源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光通信、光計測の分野で利用される光源に係り、特に発振周波数を高確度に制御させた光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信において、周波数の異なる複数の信号光を重畳させ、１本の光ファイバーに伝送させる波長多重通信（WDM:Wavelength Division Multiplexing）が開発されている。それぞれのチャネルのキャリア周波数は（ITU:International Telecommunication Unit）から勧告されており、それらは193.1THzを基準周波数として、そこから100GHzの整数倍離れた位置に配置されている。また、キャリア周波数の周波数確度は1GHz以下が要求されている。ＷＤＭ通信用光源は、上記の条件を満たすように設定されているが、光源の劣化、環境変化等により、設定値からずれる恐れがあり、従って、全てのキャリア周波数を常に監視する必要がある。しかしながら、キャリア周波数を測定する波長計や光スペクトラムアナライザは非常に高価であり、全てのチャネルにこれらの装置を設置することは経済的に見て極めて困難である。
【０００３】
そこで、光周波数コム発生器（特願平05-203441 ）を利用したレーザ光源装置（特願平7-217941）が発明された。光周波数コム発生器とは位相変調器と光共振器を組み合わせることにより、入力光の発振周波数を中心に位相変調周波数の間隔毎に櫛状に多数の側帯波群を発生させるものである。この櫛状に発生した側帯波群の側帯波間隔は、高確度に安定であることから、周波数軸上の目印となる光周波数グリッドとして利用することができる。光周波数コム発生器の出力を光周波数グリッドとして利用し、任意の周波数で発振周波数を安定化させた光源が前述の特願平7-217941に記述されたレーザ光源装置である。このレーザ光源装置を多数並べれば、ＷＤＭ用の光源と成り得る。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光周波数コム発生器は、高価なマイクロ波シンセサイザーやマイクロ波アンプが必要であった。また、側帯波強度は次数に対して指数関数的に低下しまい、その発生範囲は通常１〜２THz 程度であったことから、レーザ光源装置の発振周波数域も１〜２THz 程度に制限された。
本発明の目的は、上述の如き従来の問題点に鑑み、低価格で、広い光周波数帯域にわたって高確度にレーザー光の周波数制御を施した光源を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するために、本発明の周波数可変光源は、フリースペクトルレンジごとに周期的な透過プロファイルを有する光共振器を掃引、この光共振器にレーザー光を入射した際、レーザー光の周波数と光共振器の共振ピーク周波数が一致したときに光共振器からレーザー光が出射されることを利用して、レーザー光の周波数を検出し、検出された値を光源に帰還することにより、光源のレーザー光の周波数を制御することを特徴とするものである。
【０００６】
すなわち、本発明の周波数可変光源は、発振周波数を安定化させた周波数安定化光源と、発振周波数を外部信号により制御できる周波数可変光源と、前記周波数安定化光源から出射された周波数安定化レーザー光と前記周波数可変光源から出射された周波数可変レーザー光とを合波する合波器と、掃引信号により自身の持つ共振ピーク間隔よりも広い範囲で共振ピーク周波数を掃引させて、前記合波器からの入射光の発振周波数と共振ピーク周波数が一致したときに透過光を出射する光共振器と、前記光共振器から出射された透過光を受光する受光器と、前記受光器から出力された信号から、前記周波数安定化光源に由来する信号のピークが検出された時刻における前記光共振器に印加された電圧値と、前記周波数可変光源に由来する信号のピークが検出された時刻における前記光共振器に印加された電圧値を測定し、当該両電圧値の差から、前記周波数安定化レーザー光と前記周波数可変レーザー光との周波数差に依存した周波数差信号を前記周波数可変光源に帰還させる解析器とを備えている。本発明の周波数可変光源では、安価にレーザー光の周波数を検出し、検出された周波数に対応した信号を光源に帰還することにより、光源のレーザー光の周波数を制御することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の周波数可変光源の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の周波数可変光源の周波数変動検出の原理を以下に示す。光共振器の透過スペクトルは、鋭いLorentzianの透過域が等間隔に並んだ形状をしており、透過のピーク周波数（共振周波数）と間隔（FSR ：フリースペクトルレンジ）は共振器長と共振器内部の屈折率で決定される。レーザー光を光共振器に入射し、その透過光量を観測する場合、共振周波数をFSR 以上の範囲で掃引すれば、共振周波数とレーザー光周波数が一致したときに出射光が観測される。複数の光源からのレーザー光を多重化して入射した場合は、それぞれのレーザー光周波数に依存したときに出射光が観測される。従って、それぞれの出射光とそのときの共振周波数とからそれぞれの光源間の差周波数を精度良く見積もることができる。以下に２つの光源間の差周波数を見積もる方法を示した。
【０００８】
図２に示した様に、２つのレーザー光源Ａ，Ｂからのレーザー光を合波後に、共振周波数を鋸歯状に掃引させた光共振器に入射したとする。掃引範囲は光共振器のFSR よりも十分広いとする。この状態で光共振器の透過光量を受光器（ＰＤ）で観測する。光共振器の共振周波数（Ｒi ）と光源Ａ、Ｂの発振周波数（νA 、νB ）の関係が、図３に示した状態にあり共振周波数が低周波側に掃引されているとする。この場合、掃引により、Ｒ0 、Ｒ1 がνA と一致するときに光共振器からパルス光が出射される。同様に、Ｒn 、Ｒn+1 がνB と一致するときにもパルス光が出射される。光共振器の共振周波数が信号発生器の電圧に比例して制御できるとすれば、信号発生器の出力電圧を横軸に、光共振器の透過光量を縦軸にとると、図４に示したように、周期的なパルスを観測することができる。ＰAiは、光源Ａからのレーザー光からの信号である。共振周波数の掃引幅がフリースペクトルレンジ（FSR ）よりも十分に広いため、１掃引内において複数のパルスが出射される。同様に、ＰBiは、光源Ｂからのレーザー光からの信号である。ＰA1、ＰA2、ＰB1のパルスが出射された時刻での信号発生器の出力電圧をＶA1、ＶA2、ＶB1とすれば、νA 、νB の関係は、
νB −νA ＝〔ｎ＋（ＶB1−ＶA1）／（ＶA2−ＶA1）〕・ＦＳＲ  （１）
で表わすことができる。従って、νA とνB の間にある共振周波数の数ｎが既知であれば、ＶA1、ＶA2、ＶB1を測定することにより、簡単に光源Ａ，Ｂ間の差周波数を測定することが可能である。また、これらの信号を制御信号として光源に帰還すれば両光源間の差周波数を制御することもできる。
【０００９】
図１は本発明の周波数可変光源の構成を模式的に示したものである。周波数安定化光源１は、1545.1754nm にあるアセチレンガスの吸収線を周波数基準としている。駆動電流に100kHzの変調信号を重畳させて位相検波を行うことによって得られた周波数弁別信号を誤差信号とし、これを半導体レーザ（LD）の駆動電流に負帰還させることにより、発振周波数の安定化が施されている。直接変調であるため、発振周波数は振幅400MHzで変調されている。周波数安定度はアラン分散の平方根評価でσ＝10-9（τ＝1 秒）であった。
【００１０】
周波数可変光源２は、LD、グレーティング、ミラーをリットマン型に配置した外部共振器構造LD光源である。ミラーの角度をモーターで粗調、PZT で微調することにより発振周波数を可変している。±0.6GHzの確度で周波数を制御可能である。
【００１１】
光共振器３は、FSR ＝1.49928GHz、フィネス150 のコンフォーカルエタロンを用いた。共振周波数での透過率は20％であった。内蔵のPZT に電圧を印加することにより３FSR 程度の共振周波数の掃引が可能である。
光共振器３のFSR が1.5GHzであるのに対して周波数可変光源２の周波数設定確度が0.6GHzであることから、設定値から式（１）のｎを、ミスカウント無しに計算することができる。
【００１２】
周波数安定化光源１と周波数可変光源２からのレーザー光を合波器４で合波して光共振器３に入射した。光共振器３は、光共振器内蔵PZT に電圧を印加して共振周波数を掃引した。光共振器３から出射されたレーザー光は受光器５で受光され電気信号に変換された。電気信号の電圧を図５に示した。図中のＴ１，Ｔ２，Ｔ３が周波数可変光源２の、Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３が周波数基準光源１からの信号である。周波数基準光源１は安定化を行わず、無変調の状態で、光共振器３に入射した。ピーク間隔がFSR に対応することから、横軸を周波数に換算した。
【００１３】
ピーク位置検出はコンピューターによって自動的に行われるが、周波数基準光源１の信号と周波数可変光源２の信号が重なってしまった場合、ピーク位置検出が不能となり差周波数を見積もることができなくなる。そこで周波数基準光源１の駆動電流へ変調信号を重畳させ、発振周波数を直接変調させた（この直接変調は周波数安定化のために位相検波を行うためにも必要である）。発振周波数が変調されることにより、受光器５で観測される信号は王冠状に広がる。従って、両光源１，２からの信号が重なったとしても、常にそれぞれの光源のピーク位置が検出できる。図６に、変調中に受光器で観測された信号を示した。変調振幅は約４００MHz であった。
【００１４】
解析器６における周波数可変光源の発振周波数測定の手順を図７に示した。まず、図６の信号を読み取った後、ピークサーチにより、周波数可変光源２の信号位置を検出する。ピーク位置での信号値を０として周波数可変光源２の信号を除去する。変調振幅400MHzとして計算された王冠状信号との相関を計算する。相関信号のピーク位置を検出し、その位置を周波数基準光源１の信号位置とする。最後に、信号位置、周波数安定化光源２の発振周波数、周波数可変光源２の設定周波数と周波数安定化光源１の発振周波数から計算されたｎを式（１）に代入して周波数可変光源２の発振周波数を見積もる。
【００１５】
図８に変調時の周波数基準光源１の信号と王冠状信号との相関の計算結果を示した。相関がピークとなる周波数が図６の周波数基準光源１の信号の変調中心周波数と一致していることが分かる。
見積もられた発振周波数と設定周波数との差を基に、D/A コンバーターを通して周波数可変光源２のPZT を制御して周波数可変光源２の周波数安定化を行った。光共振器３の掃引から、差周波数検出、周波数可変光源２の制御までに要する時間は約１秒であった。従って、１Ｈｚ以下の帯域の周波数変動を抑圧することができる。
【００１６】
図９に、周波数可変光源２の設定波長を1500.000nmとして周波数安定化を行った場合の周波数安定度を示した。縦軸は、1500.000nmからのずれを示している。ほぼ±100MHzの範囲で安定化されていることが分かる。
高精度波長計（分解能10MHz ）の測定値を基準として周波数確度の波長依存性を測定した結果を図１０に示した。今回使用した周波数可変光源２の発振可能な波長範囲が1480-1555nm であったため、この波長域内でのみの測定となった。図から、周波数安定化光源２から65nm離れた波長域においても±0.6GHzの精度で波長設定が可能であることが分かる。1GHz以上に周波数確度が劣化しているものが観測されているが、これは周波数可変光源２が多モード発振してしまったためである。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の周波数可変光源は、共振周波数を掃引させた光共振器に、周波数安定化光源と周波数可変光源からのレーザー光を入射し、光共振器からレーザー光が出射されるときから両レーザー光間の差周波数を検出し、この差周波数に依存した信号を周波数可変レーザー光源に帰還すことにより、周波数可変光源のレーザー周波数の確度と安定度を周波数安定化光源のそれらと同等にしている。本発明の周波数可変光源は、上記のような構成としたために、低価格化を実現できた。
従って、本発明の周波数可変光源をWDM 用光源に用いることにより、周波数が安定なＷＤＭ系を簡便で、安価に、構築することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の周波数可変光源の構成を模式的に示す図である。
【図２】差周波数の測定を説明するための図である。
【図３】光源の発振周波数と光共振器の共振周波数の関係を示す図である。
【図４】光共振器の透過光量と掃引との関係を示す図である。
【図５】周波数安定化光源が無変調時の受光器出力を示す図である。
【図６】周波数安定化光源が変調時の受光器出力を示す図である。
【図７】周波数測定の手順を示す図である。
【図８】王冠状信号との相関を示した図である。
【図９】本発明の周波数可変光源の周波数安定度を示す図である。
【図１０】本発明の周波数可変光源の周波数確度を示す図である。
【符号の説明】
１  周波数安定化光源（周波数基準光源）
２  周波数可変光源
３  光共振器
４  合波器
５  受光器
６  解析器
７  分波器
【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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【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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