(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数基準光源（１）と、該周波数基準光源から出力された周波数基準光を受けて複数の側帯波を有する光を発生する側帯波発生手段（２）と、出力光の波長が可変である波長可変光源（３）と、
該波長可変光源から出力された出力光と前記側帯波発生手段から出力された複数の側帯波を有する光とを受けて互いに位相が９０°異なる２つの合成光を出力する光９０°ハイブリッドカプラ（４１）と、
該２つの合成光をそれぞれ受けて互いに位相が９０°異なるヘテロダイン信号を出力する受光器（４２ａ、４２ｂ）と、
該ヘテロダイン信号を受けて、前記周波数基準光の周波数が前記側帯波の周波数より高いときに該ヘテロダイン信号を出力するリアルポート（４３ａ）と、前記周波数基準光の周波数が前記側帯波の周波数より低いときは該ヘテロダイン信号を出力するイメージポート（４３ｂ）とを有する９０°ハイブリッドカプラ（４３）と、
該９０°ハイブリッドカプラのリアルポートおよびイメージポートからの出力のうちの一方の出力を受けて、前記ヘテロダイン信号の周波数と前記複数の側帯波のうちの前記出力光の所望の波長に関連して決められる一つの側帯波に対応するオフセット周波数信号の周波数とを比較し、周波数差信号を出力する比較手段（５）とを備え、前記周波数差信号を用いて前記波長可変光源の波長を制御する周波数可変レーザ光源装置。
【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、光計測分野で利用されるレーザ光源装置に係り、特に広帯域にわたり周波数が可変であり、かつ出力光の周波数確度、周波数安定度に優れた周波数可変レーザ光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
出力光の周波数確度、周波数安定度に優れたレーザ光源装置を構成するための要素技術については、▲１▼周波数基準光源、▲２▼波長可変光源、▲３▼周波数追従制御、▲４▼広帯域側帯波発生の各技術が知られている。
【０００３】
まず最初に、この各々について簡単に説明する。
▲１▼周波数基準光源としては、原子や分子の吸収線などを周波数基準として半導体レーザ（以下、ＬＤという。ＬＤ：laser diode ）や固体レーザの発振周波数を安定化したもの、気体レーザなどが一般的である。
▲２▼波長可変光源としては、ＬＤあるいは固体レーザと回折格子などの波長選択素子を組み合わせた外部共振型光源やＤＦＢ−ＬＤ（distributed feedback - laser diode）、ＤＢＲ−ＬＤ（distributed Bragg reflector - laser diode ）等のＬＤ内部に波長選択素子を取り込んだものが一般的である。当然、このような光源単体では周波数確度や長期の周波数安定度が保証されない。
【０００４】
▲３▼周波数追従制御は１台のレーザの出力光周波数に追従するように他のレーザの出力光周波数を制御するものである。このような制御において、周波数の基準となるレーザはマスタレーザと呼ばれ、それに追従するレーザはスレーブレーザと呼ばれる。ＬＤは注入電流によって発振周波数を直接制御できるためＬＤをスレーブレーザとして用い、通常、マスタレーザとスレーブレーザとの出力光を合波、受光してビート信号を検出し、その周波数が設定したオフセット周波数と一致するようにスレーブレーザの注入電流を制御する。この制御によってスレーブレーザの出力光周波数はマスタレーザの出力光周波数に対して設定した周波数だけ隔たるため、この制御は光周波数オフセットロック制御とも呼ばれる。ビート信号から得られる情報は２つのレーザ光の周波数差の絶対値であるから、オフセット周波数を０に近づけると制御の誤動作を招く。制御の方法によって、マスタレーザの出力光周波数に対するスレーブレーザの出力光周波数の高低、すなわち、オフセット周波数の符号は正負いずれかに設定できる。また、ビート信号を生成する受光系の帯域などからオフセット周波数の上限は高々１００ＧＨｚである。市販の受光素子などを用いる場合、受光や増幅が容易に行える帯域は数ＧＨｚまでである。
【０００５】
▲４▼広帯域側帯波発生に関しては、その手段として、光周波数コム発生器、短光パルス光源、等がある。
光周波数コム発生器（以下、コム発生器という。）は入力されたレーザ光に対して深い変調をかけて、周波数軸上に変調周波数間隔で数１００本以上の側帯波を発生させて出力する。変調周波数は通常数ＧＨｚ〜２０ＧＨｚ程度に設定され、数ＴＨｚ以上にわたって利用可能な強度の側帯波が得られる。入力光の周波数および変調周波数が既知であれば、各側帯波の周波数も既知となるから、各側帯波を周波数基準光として用いることができる。
【０００６】
短光パルス光源は、光共振器の内部に光を変調する手段である可飽和吸収体、光強度変調器、光位相変調器などと光増幅媒体とを有しており、パルス時間幅が10ps程度以下の光を繰り返し出力するものである。この出力光は光パルスの繰り返し周波数間隔をもつ多数の側帯波を含んでいる。特に一般的な強制モード同期による短光パルス光源は、光強度変調器を内蔵しており、マイクロ波によって光強度変調器を駆動することにより、このマイクロ波に同期した光パルス列を発生する。このため、側帯波の周波数間隔は駆動するマイクロ波のもつ高い周波数確度と高安定度を有しており、この点ではコム発生器を利用する場合と同様である。
しかしながら、強制モード同期のように側帯波の周波数間隔が一定に保たれるものであっても、短光パルス光源は、その内部に光周波数基準をもたないため、各側帯波の周波数は時間的に変動してしまう。そこで、短光パルス光源を利用して広帯域に周波数基準光を発生するためには、周波数が既知の光を用意して、光注入同期現象または周波数追従制御を用いればよい。光注入同期現象は自励発振しているＬＤに、その発振周波数に近い周波数をもつ光を外部から注入するとＬＤの発振周波数が注入された光の周波数に引き込まれて、一致する現象である。短光パルス光源でも同様に、出力光に含まれる低次の側帯波に近い周波数をもつ光を注入すると、この側帯波の周波数が注入された光の周波数に引き込まれる。したがって、強制モード同期による短光パルス光源では、注入される光の周波数が既知であれば、各側帯波の周波数も既知となる。
また、周波数追従制御は前述の通り、参照される光の周波数に他のＬＤ等の発振周波数を追従させるものであるから、強制モード同期による短光パルス光源でも同様に周波数が既知の光を参照光として或る側帯波の周波数を追従させれば、各側帯波の周波数も既知となる。
【０００７】
このように周波数基準光源と組み合わせて使用すれば、コム発生器と短光パルス光源とは同等な側帯波発生手段といえる。
コム発生器の出力光（以下、コム信号光という。）や短光パルス光源の出力光は他の光とのヘテロダイン検波によって利用されるため、ビート信号のＳＮ比を高くするためには、入力光あるいは参照光のスペクトル線幅が狭いほど有利である。このために入力光源として外部共振型ＬＤ光源や自己注入同期ＬＤ光源が用いられることが多い。
なお、ここでいう広帯域に側帯波を発生する手段は周波数軸上で等間隔に側帯波を発生できるものを意味しているので、コム発生器の出力や短光パルス光源の出力に対してパルス圧縮を施したものなども含まれる。これらは本質的には同様の取り扱いが可能なため、以下の説明ではコム発生器の場合について述べる。
【０００８】
次に、以上の要素技術を組み合わせた既存の周波数確度、周波数安定度に優れた周波数可変な光源について説明する。
まず、▲１▼周波数基準光源、▲２▼波長可変光源、▲３▼周波数追従制御を組み合わせた図９に示す周波数可変レーザ光源装置がある。これは、図９に示すように、周波数基準光源１１をマスター光源として、波長可変光源３１をスレーブ光源として周波数追従制御を施した系である。周波数基準光源１１からの周波数基準光と波長可変光源３１からの出力光は周波数追従制御手段３３の合波器３３１で合波され、受光器３３２で受光されてそのビート信号が検出される。検出されたビート信号とオフセット周波数発振器３３４からの信号は位相比較器３３３で位相比較され、その結果はループフィルタ３３５を経由して駆動電流源３３７からの電流に加算器３３６で加算され波長可変光源３１であるＬＤに供給される。このように制御されることで、出力光は周波数基準光に対してオフセット周波数発振器３３４で設定されたオフセット周波数をもって追従する。この系ではスレーブ光源の出力光周波数を高確度、高安定度を維持しながら連続的に変化させることができるが、周波数可変幅は受光系を含む周波数追従制御の帯域までに制限され、高々１００ＧＨｚが限界である。なお、１００ＧＨｚは１．５μｍ帯では波長帯域として１ｎｍ弱に相当する。
【０００９】
この点に鑑みて、コム発生器などの利用が提案され、実験的に動作が確認されている。そして、この▲４▼広帯域側帯波発生の技術の一つである光周波数コム発生の技術を前記３つの技術に加えたもの、すなわち、周波数基準光をコム発生器に入力して得られたコム信号光に含まれる多数の側帯波は周波数基準光とすることができるため、任意の次数の側帯波を基準として波長可変光源に周波数追従制御を施す系が考えられた。その構成を図１０に示す。この系では、周波数追従制御手段３３のオフセット周波数を変化させることで出力光の周波数を変化させている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
この系では、広帯域にわたり高確度、高安定度をもつ光を発生することができるものの、広帯域な周波数範囲内で任意の周波数を発生することはできない。これは２種類のデッドゾーンの存在による。１つは周波数追従制御を行う際に、オフセット周波数を０に近づけることができないためである。つまり、ある次数の側帯波とスレーブ光源である波長可変光源の周波数がほぼ一致すると適正な周波数追従制御ができなくなる（図１１（ａ））。このことは、通常のヘテロダイン検波では２つの光の周波数差の絶対値の情報が取得されるため、レーザ光の周波数差が発振線幅程度以下になると正負両方のヘテロダイン周波数成分が同一の周波数に混在するために生じる。もう１つはコム発生器や短光パルス光源を利用する場合、多数の側帯波が周波数軸上に林立するため、側帯波間の中央に波長可変光源の周波数がほぼ一致すると受光信号には低次側帯波とのビート信号と高次側帯波とのビート信号がほぼ同一の周波数で混在し、適正な周波数追従制御ができなくなる（図１１（ｂ））。前記２種類のデッドゾーン（図１１（ｃ））の周波数幅の目安は適当な余裕を見込めば、側帯波付近のデッドゾーンで２０ＭＨｚ程度、側帯波間の中央付近のデッドゾーンで数１００ＭＨｚ程度である。
【００１１】
本発明の目的は、前述のデッドゾーンの問題点を解決し、▲１▼出力光の周波数確度、周波数安定度、設定分解能に優れ、▲２▼周波数可変範囲が広く、かつ、▲３▼前記周波数可変範囲内で任意に周波数を設定または掃引できる周波数可変レーザ光源装置を提供することである。前記▲１▼でいう高確度、高安定度、高分解能の目安は各々１００ＭＨｚ、１０の−９乗、１ＭＨｚ以下である。また、前記▲２▼でいう広帯域の最低の目安は１．５μｍ帯で１０ｎｍ以上である。なお、１．５μｍ帯では周波数幅１ＴＨｚが波長幅８ｎｍに相当する。以下、波長幅に関する表記は１．５μｍ帯での値とする。
【００１２】
さらに近年、通信すべき情報量の拡大に伴いＷＤＭ（Wavelength Division Multiplexing；波長分割多重）光通信技術が模索されており、複数の所定周波数の光を同時に出力する光源が望まれている。この要請を考慮すれば、１つのコム信号光を発生して、これに含まれる任意の側帯波を基準として、複数の波長可変光源を独立に周波数設定できる構成をとることが望ましい。このためには、コム信号光の周波数を固定した状態で、デッドゾーンを回避する手段を実現しなければならない。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
前述のようにデッドゾーンは、通常のヘテロダイン検波では２つの光の周波数差について、その絶対値しか検知できず、周波数の相対的な高低を知ることができないことに起因している。そこで、この課題を解決するために、周波数の基準となる光、つまり周波数基準光、をもとに側帯波を発生させ、該側帯波を波長可変光源の出力光の基準に用いることは従来と同じであるが、従来のような単純な受光方式ではなく、波長可変光源の出力光と側帯波を２つの受光器を用いて直交位相ヘテロダイン信号を取得し、この信号が有する符号も含めた周波数差の情報に基づいて、波長可変光源の出力光の周波数を制御することとした。すなわち、
【００１４】
本発明の周波数可変レーザ光源装置は、周波数基準光源と、該周波数基準光源から出力された周波数基準光を受けて複数の側帯波を有する光を発生する側帯波発生手段と、出力光の波長が可変である波長可変光源と、該波長可変光源から出力された出力光と前記側帯波発生手段から出力された複数の側帯波を有する光とを受けて互いに位相が９０°異なる２つの合成光を出力する光９０°ハイブリッドカプラと、該２つの合成光をそれぞれ受けて互いに位相が９０°異なるヘテロダイン信号を出力する受光器と、該ヘテロダイン信号を受けて、前記周波数基準光の周波数が前記側帯波の周波数より高いときに該ヘテロダイン信号を出力するリアルポートと、前記周波数基準光の周波数が前記側帯波の周波数より低いときは該ヘテロダイン信号を出力するイメージポートとを有する９０°ハイブリッドカプラと、該９０°ハイブリッドカプラのリアルポートおよびイメージポートからの出力のうちの一方の出力を受けて前記ヘテロダイン信号の周波数と前記複数の側帯波のうちの前記出力光の所望の波長に関連して決められる一つの側帯波に対応するオフセット周波数信号の周波数とを比較し、周波数差信号を出力する比較手段とを備えており、前記周波数差信号を用いて前記波長可変光源の波長を制御する。
【００１５】
このような手段をとることとしたから、その詳細は作用の欄で説明するが、本発明の周波数可変レーザ光源装置では基準となる側帯波の周波数と波長可変光源の出力周波数の差の符号、つまり周波数の相対的な高低、を含めて検出され、デッドゾーンは本質的に除去される。また、本発明の周波数可変レーザ光源装置は周波数が固定された側帯波を基準として、波長可変光源の周波数を設定するものであるため、複数の波長可変光源の周波数を互いに独立に設定することが可能である。
【００１６】
【作用】
本発明の作用を、周波数掃引の観点から説明する。
デッドゾーンが存在する場合には、スレーブ光源である波長可変光源の周波数を任意に設定できないのであるから、この周波数を側帯波の周波数間隔以上の範囲で、順次細かく変化させることもできない。つまり、広い周波数範囲にわたって周波数追従制御をかけた状態で周波数掃引ができないことになる。
【００１７】
まず、図７（ａ）に波長可変光源の出力光と各側帯波の周波数の時間変化の例を示した。図７（ａ）ように波長可変光源の周波数が時間と共に増加した場合に、波長可変光源の周波数を各側帯波を基準として、書き改めたものが図７（ｂ）である。この図の縦軸は符号も含めた周波数差を表している。このとき、波長可変光源の出力光と側帯波を合波した後に、１つの受光器によって受光して得られるビート信号の周波数は、図７（ｃ）のように正の周波数範囲内で記述することができる。このような単純な受光方式ではビート信号に寄与する光の周波数の高低を知ることができないためである。この図７（ｃ）は図７（ｂ）の負の周波数部分を正の周波数に折り返したものと見ることができる。ここで、デッドゾーンは図７（ｃ）中の右下がりの線と右上がりの線の交点付近に現れる。つまり、この交点付近では交差する２つの線に対応する周波数成分がビート信号に混在するため、適正な周波数追従制御が困難となる。
なお、２つの受光素子を内蔵した受光器として、バランスドレシーバが知られているが、バランスドレシーバは全体として１出力の受光器であるため、ここでは、通常の１つの受光素子を内蔵した受光器とその働きとしては同等と見做せる。
【００１８】
ところで、電気通信、特にマイクロ波通信の分野などでは直交位相変復調技術が多用されている。この中で、本発明に関して最も利用しやすい形態を持つイメージリジェクションミキサ（以下、ＩＲＭという。）について概説する。これは２入力２出力のミキサであり、信号波を一方の入力ポートへ入力し、参照波を他方の入力ポートへ入力するとき、信号波の周波数が参照波の周波数よりも高い場合には一方の出力ポート（リアルポート）だけにヘテロダイン信号を出力し、逆に信号波の周波数が参照波の周波数よりも低い場合には他方の出力ポート（イメージポート）だけにヘテロダイン信号を出力するものである。このＩＲＭの内部では、信号波と参照波がそれぞれ２分岐され、２つの（通常の）ミキサによってダウンコンバート（一般にはミキシング）される。そして、その各々の出力が合波されて、２つの出力ポートに出力される。２つのミキサに入る信号波と参照波の位相は９０°ずらしてあり、このために２つのミキサ出力も９０°位相が異なる。このような機能を有するミキサは直交位相ダウンコンバータ（一般には直交位相ミキサ）と呼ばれている。この直交位相ダウンコンバータから得られる２つのヘテロダイン信号が９０°ハイブリッドカプラで合波され、干渉の効果によって、信号波と参照波の周波数の高低に応じて異なる出力ポートにヘテロダイン信号出力が現れる。信号波が複数の周波数成分を持つときには、参照波の周波数よりも高い周波数成分と低い周波数成分とが分離されて、２つの出力ポートに現れる。
【００１９】
ＩＲＭは、その内部にある２つのミキサとして、２つの受光器を用いることで、光の領域でも同様に構成できることが知られている。光通信分野、特にコヒーレント光通信に関連する分野などでは、このような受光技術は受信器に用いられるため、「（光ヘテロダイン）イメージ除去受信器」などの名称で呼ばれている。以下では簡単のため、「光ＩＲＭ」と呼ぶことにする。なお、光ＩＲＭについては例えば「近間輝美、渡辺茂樹、内藤崇男、桑原秀夫、“光ヘテロダインイメージ除去受信方式の検討”、１９８９年電子情報通信学会春季全国大会、Ｂ−７５７」などに記載されている。
【００２０】
本発明では、光ＩＲＭ（より本質的には光の直交位相ダウンコンバータ）を用いることにより、デッドゾーンをなくしている。前述の通り、光ＩＲＭを用いれば、波長可変光源の出力光と側帯波の周波数の高低に応じて分離されたヘテロダイン信号を２つのポートに出力することができる。以下では、波長可変光源の出力光を信号波、側帯波を参照波と考え、ある側帯波よりも波長可変光源の出力光周波数が高い場合に光ＩＲＭのリアルポートにヘテロダイン信号が現れ、ある側帯波よりも波長可変光源の出力光周波数が低い場合にイメージポートにヘテロダイン信号が現れるものとする。
図７（ａ）のように波長可変光源の出力光周波数が変化したときの光ＩＲＭの出力信号周波数を図８（ａ）に示した。図８（ａ）〜（ｃ）では、正の周波数はリアルポート出力に対応し、負の周波数はイメージポート出力に対応するものとして、２つの出力を１つの図に描いている。このように光ＩＲＭを用いることによって、図７（ｂ）と同様な周波数の高低（符号）も含めたヘテロダイン信号が得られる。この結果、図７（ｃ）に見られた負の周波数の折り返しがなくなり、複数の線が交差することがなくなるため、デッドゾーンは原理的に消失する。
【００２１】
次に、光ＩＲＭの出力を周波数追従制御に利用する方法について説明する。
図７（ａ）から明らかなように、図７、図８では、例えば、時刻ｔ0 からｔ2 までの間に側帯波の周波数間隔だけ、波長可変光源の周波数が変化するものとして描いている。側帯波は周波数領域で周期的に存在するから、このｔ0 からｔ2 までの間、常に周波数追従制御が可能であれば、以後同様にして十分な強度の側帯波が存在する全範囲にわたって周波数追従制御が可能である。
図８（ｂ）、（ｃ）は図８（ａ）と同様の光ＩＲＭ出力に基づいた周波数追従制御の方法を模式的に示すものである。この図では、周波数追従制御に使用する信号をリアルポート出力に対して太い実線で、イメージポート出力に対して太い破線で示している。
図８（ｂ）は光ＩＲＭの２つの出力を切り替えながら利用する最も単純な方法である。この図は、側帯波の周波数間隔が４ＧＨｚである場合に、ｔ0 〜ｔ1 の間は（Ｎ＋１）次側帯波に由来する光ＩＲＭ出力の−４〜−２ＧＨｚ成分、つまりイメージポート出力の４〜２ＧＨｚ成分に基づいて周波数追従制御を行い、ｔ1 〜ｔ2 の間はＮ次側帯波に由来する光ＩＲＭ出力の＋２〜＋４ＧＨｚ成分、つまりリアルポート出力の２〜４ＧＨｚ成分に基づいて周波数追従制御を行う例を示している。
図８（ｃ）は光ＩＲＭの一方の出力だけを利用する方法の一例である。この図では＋２〜＋６ＧＨｚ成分、つまりリアルポート出力の２〜６ＧＨｚ成分に基づいて周波数追従制御を行う例を示している。もちろん、イメージ出力だけを用いても同様の制御が可能である。
【００２２】
この他、周波数追従制御をｔ0 〜ｔ2 の間で常に実現するためには、この時間内で常にいずれかの側帯波を参照すればよいだけであるから、切り替えの方法は無数に存在する。なお、参照するヘテロダイン信号の周波数が−２ＧＨｚ〜ＤＣとＤＣ〜＋２ＧＨｚのように、ＤＣを含む周波数追従制御も可能ではあるが、実現形態はやや複雑となる。
また、前述の通り、デッドゾーンの問題は受光方式に起因するものであるため、光ＩＲＭに含まれている互いに位相の異なるヘテロダイン信号を出力する受光部を用いれば、その複数の出力の処理については、電気信号の処理法として知られている各種の技術を有効に利用することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１に本発明の第一の実施の形態の周波数可変レーザ光源装置を示す。
本実施の形態の周波数可変レーザ光源装置は、図１に示すように、周波数基準光源１、側帯波発生手段２、波長可変光源３、光ＩＲＭ４、比較手段５および制御部６からなっている。
周波数基準光源１は、原子や分子の吸収線などを周波数基準とした周波数安定化光源である。側帯波発生手段２は、周波数基準光源１の出力光を入力光として、既知周波数の側帯波を多数発生するものであり、前述のコム発生器などを用いることができる。波長可変光源３はコム信号光の側帯波を周波数基準光として周波数追従制御されるレーザ光源である。この波長可変光源３の出力光の一部が本発明の周波数可変レーザ光源装置の出力光となる。
光ＩＲＭ４は、側帯波発生手段２の出力と波長可変光源３の出力光の一部を受け、互いに９０°位相が異なる２つのヘテロダイン信号を出力する。この機能はマイクロ波通信の分野などで古くから用いられている直交位相ミキサと同様である。
比較手段５は、光ＩＲＭ４からの直交位相ヘテロダイン信号に基づいて、ヘテロダイン信号の周波数が符号を含めて所定のオフセット周波数となるように波長可変光源３に対する制御信号を出力する。
制御部６は、所望の光周波数に応じて、波長可変光源３に対する出力周波数の粗調整のための信号、比較手段５に対する符号を含めたオフセット周波数設定信号及び各種の切替信号を出力する。
【００２４】
図２に本発明の第二の実施の形態の周波数可変レーザ光源装置を示す。
本実施の形態の周波数可変レーザ光源装置は、図２に示すように、周波数基準光源１、側帯波発生手段２、分波器７と、各２組の波長可変光源３ａ、３ｂ、光ＩＲＭ４ａ、４ｂ、比較手段５ａ、５ｂ、制御部６ａ、６ｂとからなっている。
周波数基準光源１、側帯波発生手段２は、第一の実施の形態と全く同様である。波長可変光源、光ＩＲＭ、比較手段、制御部については、３ａ〜６ａ、３ｂ〜６ｂの２組があり、その各々は第一の実施の形態の３〜６と同様である。  分波器７は、側帯波発生手段２の出力光を分岐して、光ＩＲＭ４ａ、４ｂに入力するためのものである。
【００２５】
この構成では、各波長可変光源３ａ、３ｂの周波数追従制御におけるデッドゾーンが回避されるだけでなく、各々の波長可変光源３ａ、３ｂの周波数を互いに独立に設定することができ、ＷＤＭ光通信などに用いられる多出力の周波数可変レーザ光源装置として利用できる。
また、複数の出力光が、側帯波発生や周波数追従制御を介して一つの周波数基準光に対して安定化されているため、この出力光間の相対的な周波数ゆらぎは、複数の周波数基準光源から得る複数の出力光の間の相対的な周波数ゆらぎに対して２桁程度小さい特徴を有している。
【００２６】
本実施の形態では、波長可変光源等が２組の場合を示したが、３組以上の場合も分波器７を３分岐以上として同様に実施できる。また、各波長可変光源の出力光周波数が近接しないような用途では、側帯波発生手段２からの光を単純に分岐せずに、波長選択性をもつ分波手段を用いて分岐すれば、分配損失を抑えられる。
【００２７】
【実施例】
本発明の第二の実施の形態は、第一の実施の形態を拡張することで容易に得られるから、実施例としては、第一の実施の形態のもののみ記述する。
図３に本発明の第一の実施例を示す。本実施例は作用の欄で説明した図８（ｂ）に示す周波数追従制御に対応するものである。
本実施例の周波数可変レーザ光源装置は、図３に示すように、周波数基準光源１、側帯波発生手段２、波長可変光源３、光ＩＲＭ４、比較手段５および制御部６からなっている。
【００２８】
周波数基準光源１は、原子や分子の吸収線を周波数基準とした周波数安定化光源である。例えば、アセチレン分子の１．５３μｍ付近の吸収線を基準として周波数が安定化された半導体レーザなどが利用され、周波数確度、安定度に優れた光を出力する。
側帯波発生手段２は、コム発生器２１と該コム発生器２１に駆動用のマイクロ波を入力するマイクロ波発振器２２とで構成され、周波数基準光源１の出力光を入力光として、既知周波数の側帯波を多数発生する。本実施例では、前記マイクロ波の周波数は４ＧＨｚに設定されている。したがって、発生するコム信号光の側帯波の周波数間隔は４ＧＨｚである。コム信号光の発生範囲は数ＴＨｚ以上にわたり、その発振周波数は周波数基準光源１の出力光と同程度の高確度、高安定度をもっている。
なお、コム発生器２１について、入力光周波数に対して最適な条件を得るため、共振器長制御手段を設けることが望ましい。ここでいう最適な条件とは側帯波の発生範囲が最も広くなる条件、つまり、コム発生器を構成する光共振器が、入力光に対して共振条件を満足することであるが、これはコム発生器の出力光強度の時間変化の中で側帯波間隔（４ＧＨｚ）の周波数成分が最小となる条件でもあるためである。このとき、理想的には側帯波間隔の周波数成分はなくなる。このようにすることで、後述する光ＩＲＭで得られるヘテロダイン信号の周波数が特に４ＧＨｚ付近となったときに、雑音とみなされるコム発生器の出力光強度変化に由来する４ＧＨｚ成分を低減することができる。
波長可変光源３はコム信号光の側帯波を周波数基準光として周波数追従制御される外部共振器型レーザ光源である。この波長可変光源３の出力光の一部が本発明の周波数可変レーザ光源装置の出力光となる。
なお、波長可変光源３の可変帯域幅によっては、外部共振器型レーザ光源の代わりに半導体レーザ単体を用いることも可能である。
【００２９】
光ＩＲＭ４は、光９０°ハイブリッドカプラ４１、受光器４２ａ、４２ｂおよび（電気信号の）９０°ハイブリッドカプラ４３からなっている。
光９０°ハイブリッドカプラの構成の一例を図６に示した。この光９０°ハイブリッドカプラはガラス導波路によって形成されており、入力ポート４１０ａ、４１０ｂに入射された２つの光を分波器４１１ａ、４１１ｂによって、それぞれ分岐した後、合波器４１２ａ、４１２ｂによって合波して、出力ポート４１３ａ、４１３ｂに出力するものであり、入力ポート４１０ａから出力ポート４１３ａ、４１３ｂにいたる２つの光路の長さの差と、入力ポート４１０ｂから出力ポート４１３ａ、４１３ｂにいたる２つの光路の長さの差との差が、波長の整数倍に１／４波長を加えた値または差し引いた値となるように調整されたものである。最も単純な例を挙げれば、入力ポート４１０ａから出力ポート４１３ａ、４１３ｂにいたる２つの光路の長さが等しく、入力ポート４１０ｂから出力ポート４１３ａ、４１３ｂにいたる２つの光路の長さの差が１／４波長となっているものである。このようにすることで、入射された２つの光が、互いに９０°異なる位相で合波された光が、２つの出力ポートに出力される。なお、薄膜ヒータなどを利用して、前述の光路長の差を調整する手法なども知られている。特に、入射される光の波長帯域が広い場合には、入射光の波長によって位相差が変わる場合があるため、波長に応じた調整を行うことが望ましい。
【００３０】
この例のように、光９０°ハイブリッドカプラ４１は、波長可変光源３の出力光の一部（信号光）と側帯波発生手段２の出力光（参照光）とを受け、その各々を２分岐し、信号光と参照光の２つの組を互いに９０°異なる位相で合波して、２つの出力光を得るものである。
光９０°ハイブリッドカプラ４１の２つの出力光は、それぞれ受光器４２ａ、４２ｂによって光電変換され、検波信号として出力される。この２つのヘテロダイン信号は、その周波数が光９０°ハイブリッドカプラ４１に入射された２つの光の周波数差に等しく、互いの位相が９０°異なるものとなっている。つまり、光の直交位相ダウンコンバータとして機能する。
９０°ハイブリッドカプラ４３は、受光器４２ａ、４２ｂから出力される２つのヘテロダイン信号を受けて、光の９０°ハイブリッドカプラと同様に２つの入力信号を分波、合波して、２つの出力ポートに各々同相成分と直交相成分の信号を出力する。その結果、前述の信号光の周波数が参照光の周波数よりも高いときには、９０°ハイブリッドカプラ４３の出力ポートの一方だけからヘテロダイン信号が出力される。ここでは、この出力ポートをリアルポートと呼び、他方の出力ポートをイメージポートと呼ぶことにする。逆に、信号光の周波数が参照光の周波数よりも低いときには、イメージポートだけからヘテロダイン信号が出力される。
【００３１】
比較手段５は、スイッチ５１、フィルタ５２、オフセット周波数発振器５３、位相比較器５４、終端器５８ａ、ｂからなっている。
スイッチ５１は、光ＩＲＭ４の２つの出力を受け、その中の一方をフィルタ５２に出力すると共に、他方を終端器５８ａまたは５８ｂに出力する。スイッチ５１の切り替えは制御部６からの指令による。
フィルタ５２は、スイッチ５１で選択されたヘテロダイン信号を帯域制限し、側帯波の周波数間隔の半分から周波数間隔までの周波数成分を通過させる。本実施例では、側帯波の周波数間隔を４ＧＨｚとしているから、２〜４ＧＨｚの帯域を通過させるバンドパスフィルタを用いればよい。なお、光ＩＲＭ４や光電変換後の信号を増幅するために置かれる増幅器（特に図示していない）の周波数特性によっては、フィルタ５２は不要な場合もある。
【００３２】
オフセット周波数発振器５３は、制御部６の指令により設定されたオフセット周波数の信号を発生する。このオフセット周波数の設定範囲は、絶対値として２〜４ＧＨｚとしている。
位相比較器５４は、フィルタ５２からのヘテロダイン信号とオフセット周波数発振器５３の出力信号との位相比較を行い、この位相差に基づいた波長可変光源３への制御信号を出力する。この制御信号の極性及び制御信号の断続（出力停止状態と出力状態の切り換え）は、制御部６の指令により設定される。ここでいう制御信号の極性とは、制御信号が電圧として出力される場合について言えば、位相差が大きく（小さく）なったときに、電圧を増加（減少）させるか、減少（増加）させるか、のいずれかを意味する。この極性を切り換えることによって、波長可変光源３の出力光周波数が基準とする側帯波の周波数よりも高い場合と低い場合の両方について、負帰還の状態で適正な周波数追従制御を行うことができる。
終端器５８ａ、５８ｂは、スイッチ５１の状態に応じて、９０°ハイブリッドカプラ４３の出力の中で位相比較に直接寄与しないものを無反射終端する。
制御部６は、所望の光周波数に応じて、波長可変光源３に対して出力周波数の粗調整のための信号を出力する。また、比較手段５にスイッチ切替信号、オフセット周波数設定信号、制御極性切替信号、制御停止信号を出力する。なお、スイッチ５１で選択されたリアルポート出力とイメージポート出力のいずれかに応じて、位相比較器５４が出力すべき制御信号の極性は決まるため、スイッチ切替信号と制御極性切替信号とは実質的に同一である。
【００３３】
このように構成された周波数可変レーザ光源装置の出力周波数設定の手法について説明する。
周波数基準光源１の出力光周波数、すなわち、コム信号光の中心周波数をνｒ、側帯波の周波数間隔をｆｍ、基準としている側帯波次数をＮ、側帯波に対する波長可変光源３の出力光のオフセット周波数を符号を含めてｆとすると、波長可変光源３の出力光周波数νは、
ν＝νｒ＋Ｎ・ｆｍ＋ｆ                                      （１）
と確定する。以下、式中の周波数を表す記号や数値は、ＧＨｚ単位とする。
本実施例では、側帯波の周波数間隔を４ＧＨｚ、オフセット周波数発振器５３の周波数設定範囲を２〜４ＧＨｚと定めている。位相比較器５４は制御信号の極性を切り換えられるから、ある側帯波の周波数を基準として波長可変光源３に対する周波数追従制御が可能な周波数範囲は、−４〜−２ＧＨｚ及び＋２〜＋４ＧＨｚである。
【００３４】
式（１）で、νを所望の出力光周波数と考えるとき、整数Ｎを（ν−νｒ）／ｆｍ以下の最大の整数と定めれば、ｆは０〜４ＧＨｚの範囲内の値になる。ｆが０〜２ＧＨｚのときには、波長可変光源３の出力光周波数と（Ｎ＋１）次側帯波の周波数との差  ν−（νｒ＋（Ｎ＋１）・ｆｍ）＝ｆimage は、−４〜−２ＧＨｚであるから、（Ｎ＋１）次側帯波を基準として、イメージポート出力に基づくオフセット周波数をｆimage とする周波数追従制御を行えばよい。一方、ｆが２〜４ＧＨｚであるときには、  ν−（νｒ＋Ｎ・ｆｍ）＝ｆreal  であるから、Ｎ次側帯波を基準として、リアルポート出力に基づくオフセット周波数をｆrealとする周波数追従制御を行えばよい。
このようにして、基準とする側帯波の次数とオフセット周波数を定めることによって、側帯波を利用できる数ＴＨｚの周波数帯域内で、任意の周波数に波長可変光源３の出力光周波数を設定できる。
【００３５】
周波数設定の手順の一例は、次の通りである。
周波数基準光源１、側帯波発生手段２は稼動しているものとして、まず、比較手段５（位相比較器５４）の出力を停止しておき、波長可変光源３の出力周波数を所望の周波数の近傍まで粗調整する。
次に、オフセット周波数発振器５３の出力信号周波数を前述のように算出したオフセット周波数（の絶対値）に設定し、位相比較器５４が出力する制御信号の極性をこのオフセット周波数の符号に従って設定する。スイッチ５１もオフセット周波数の符号に従って、正ならば９０°ハイブリッドカプラ４３のリアルポート出力４３ａを選択し、負ならばイメージポート出力４３ｂを選択するように設定する。
最後に、位相比較器５４を出力状態として、制御信号を波長可変光源３に帰還する。以上の操作で周波数追従制御が機能し、波長可変光源３の出力周波数は所望の周波数となるよう制御され、その周波数が維持される。
なお、波長可変光源３の粗調整の段階で、この光源の周波数確度が低いために調整が困難な場合には、その出力光の周波数（波長）を波長計で測定しながら制御すればよい。通常、側帯波の周波数間隔は数ＧＨｚ以上であり、波長計の測定精度は１００ＭＨｚオーダであるため、この制御は容易である。
また、周波数追従制御の時定数が、スイッチ５１の切り替え、オフセット周波数発振器５３の周波数設定、位相比較器５４の極性切り替えに要する時間よりも十分大きければ、位相比較器５４の出力を停止する必要はない。
【００３６】
このように波長可変光源３の出力周波数を任意に設定できるため、その設定周波数を順次変化させることによって、波長可変光源３の出力周波数を周波数掃引することも可能である。
ヘテロダイン周波数の絶対値がちょうど２ＧＨｚまたは４ＧＨｚである場合には、リアルポート出力とイメージポート出力のいずれを周波数追従制御に用いてもよい。従って、いずれを使用するかを予め定めてもよい。例えば、２ＧＨｚと４ＧＨｚのいずれの場合でも、リアルポート出力を用いることとすれば、１ＭＨｚステップで高周波側へ周波数掃引を行う場合には、ヘテロダイン信号の周波数が＋２〜＋４ＧＨｚまたは−３．９９９〜−１．９９９ＧＨｚへ変化して行く間は、スイッチ５１の切り替え、位相比較器５４の極性切り替えは不要であり、オフセット周波数発振器５３の周波数設定及び必要に応じて位相比較器５４の停止と起動を順次行えばよい。制御に利用するヘテロダイン周波数を＋４ＧＨｚから−３．９９９ＧＨｚへ切り替えるときには、リアルポート出力を使用する状態からイメージポート出力を使用する状態へのスイッチ５１の切り替え、位相比較器５４の極性切り替え、オフセット周波数発振器５３の４ＧＨｚから３．９９９ＧＨｚへの周波数設定及び必要に応じて位相比較器５４の停止と起動を行えばよい。ヘテロダイン周波数を−１．９９９ＧＨｚから＋２ＧＨｚへ切り替えるときも同様である。
【００３７】
本実施例では、９０°ハイブリッドカプラ４３の２つの出力の一方をスイッチ５１で選択することとしたが、９０°ハイブリッドカプラ４３の後段にフィルタおよび位相比較器を２系統準備しておき、２つの位相比較器の出力をスイッチングする構成も可能である。
また、本実施例の比較手段５では、そこで扱われる信号の周波数の関係を単純に明示できるように、オフセット周波数発振器５３と位相比較器５４を用いた構成を示したが、ヘテロダイン信号の分周や周波数変換など、通常の電気信号に対する処理を有効に利用してもよい。また、周波数追従制御に要求される精度によっては、ｆ−Ｖ（周波数−電圧）変換器をオフセット周波数発振器５３と位相比較器５４の代わりに利用する構成なども可能である。このことについては、他の実施例でも同様である。
【００３８】
図４に本発明の第二の実施例の比較手段５を示す。他の部分は第一の実施例と同様であるから省略する。本実施例は作用の欄で説明した図８（ｃ）に示す周波数追従制御に対応するものである。
本実施例の比較手段５は、スイッチ５１ａ、５１ｂ、フィルタ５２ａ、５２ｂ、オフセット周波数発振器５３、位相比較器５４および終端器５８からなっている。
【００３９】
スイッチ５１ａは、９０°ハイブリッドカプラ４３のリアルポート出力をフィルタ５２ａ、５２ｂのいずれかへ出力するものである。フィルタ５２ａは２〜４ＧＨｚを通過させる帯域通過フィルタであり、フィルタ５２ｂは４〜６ＧＨｚを通過させる帯域通過フィルタである。スイッチ５１ｂはフィルタ５２ａ、５２ｂの出力の一方を選択して出力するものであり、スイッチ５１ａと連動して切り替えられる。スイッチ５１ａ、５１ｂとフィルタ５２ａ、５２ｂの組み合せで通過帯域が切り替え可能な帯域通過フィルタを構成している。
オフセット周波数発振器５３は、制御部６の指令により設定されたオフセット周波数の信号を発生する。このオフセット周波数の設定範囲は２〜６ＧＨｚとしている。
位相比較器５４は、スイッチ５１ｂからのヘテロダイン信号とオフセット周波数発振器５３の出力信号との位相比較を行い、この位相差に基づいた波長可変光源３への制御信号を出力する。この制御信号の断続は、制御部６の指令により設定される。制御信号の極性は、９０°ハイブリッドカプラ４３の２つの出力ポートの中で使用しているポートに対応して、負帰還の状態で周波数追従制御が機能するように固定されている。
【００４０】
このように構成された周波数可変レーザ光源装置の出力周波数設定の手法について説明する。
本実施例では、側帯波の周波数間隔を４ＧＨｚ、オフセット周波数発振器５３の周波数設定範囲を２〜６ＧＨｚと定めている。ある側帯波の周波数を基準として波長可変光源３に対する周波数追従制御が可能な周波数範囲は、リアルポート出力を利用しているから＋２〜＋６ＧＨｚである。
【００４１】
式（１）で、整数Ｎを（ν−２−νｒ）／ｆｍ以下（分母、分子はＧＨｚ単位）の最大の整数とすれば、式（１）でｆは２〜６ＧＨｚの範囲内の値になる。従って、リアルポート出力に基づくオフセット周波数をｆとする周波数追従制御を行えばよい。スイッチ５１ａ、５１ｂは、使用するオフセット周波数ｆを通過させるフィルタ５２ａまたは５２ｂを選択するように切り替えればよい。
本実施例において通過帯域を切り替えるのは、図８（ｃ）の時刻ｔ1 、ｔ3 付近などでは、光ＩＲＭ４（９０°ハイブリッドカプラ４３）の出力に２ＧＨｚ付近の成分と６ＧＨｚ付近の成分が混在するためである。通過帯域を切り替えることによって、所望の側帯波に由来するヘテロダイン信号だけを抽出することができる。
【００４２】
図５に本発明の第三の実施例の比較手段５を示す。他の部分は第一の実施例と同様である。本実施例は作用の欄で説明した図８（ｃ）に示す周波数追従制御に対応するものであり、スーパーヘテロダイン法を利用するものである。
本実施例の比較手段５は、周波数可変発振器５５、ミキサ５６、フィルタ５２、周波数固定発振器５７、位相比較器５４からなっている。
【００４３】
周波数可変発振器５５は、制御部６の指令により設定された周波数の信号を発生する。この周波数設定範囲は１〜５ＧＨｚとしている。ミキサ５６は、９０°ハイブリッドカプラ４３のリアルポート４３ａから出力されるヘテロダイン信号と周波数可変発振器５５の出力とを受けて、ミキシングして出力するものである。フィルタ５２は、１ＧＨｚ付近を通過させる帯域通過（または低域通過）フィルタであり、ミキサ５６の出力を帯域制限して出力する。周波数固定発振器５７は、１ＧＨｚの信号を発生する。位相比較器５４は、フィルタ５２の出力と周波数固定発振器５７の出力を受けて、位相比較を行い、波長可変光源３への制御信号を出力する。
【００４４】
このように構成された周波数可変レーザ光源装置の出力周波数設定の手法について説明する。
本実施例では、側帯波の周波数間隔を４ＧＨｚ、オフセット周波数設定範囲を２〜６ＧＨｚと定めている。９０°ハイブリッドカプラ４３のリアルポート出力を利用するものとしているから、ある側帯波の周波数を基準として波長可変光源３に対する周波数追従制御が可能な周波数範囲は、＋２〜＋６ＧＨｚである。
【００４５】
式（１）で、整数Ｎを（ν−２−νｒ）／ｆｍ以下の最大の整数とすれば、ｆは２〜６ＧＨｚの範囲内の値になる。このｆをオフセット周波数と定める。このとき、周波数可変発振器５５の発振周波数は１〜５ＧＨｚの範囲で可変としているので、この発振周波数を（ｆ−１）ＧＨｚと定めることができる。波長可変光源３の出力光周波数が粗調整されていれば、Ｎ次側帯波とのビートに起因するリアルポート出力はオフセット周波数ｆに近い周波数を持つから、これを（ｆ−１）ＧＨｚの信号を参照してダウンコンバートすると、約１ＧＨｚとなる。このとき、（Ｎ−１）次側帯波とのビート、（Ｎ＋１）次側帯波とのビートに起因するリアルポート出力もダウンコンバートされて、それぞれ約３ＧＨｚ、約５ＧＨｚに現れる。そこで、フィルタ５２で約１ＧＨｚの信号だけを取り出せば、Ｎ次側帯波とのビートに起因する信号だけを抽出できる。この信号を周波数固定発振器５７からの１ＧＨｚの信号を参照して、位相比較器５４で位相比較すれば、周波数追従制御に必要な信号が得られる。
【００４６】
【発明の効果】
周波数基準光をもとに側帯波を発生させ、該側帯波を波長可変光源の出力光の周波数基準として用いることは従来と同じであるが、従来のような単純な受光方式ではなく、波長可変光源の出力光と前記側帯波を２つの受光器を用いて得られる直交位相ヘテロダイン信号を取得し、この信号が有する符号も含めた周波数差の情報に基づいて、波長可変光源の出力光の周波数を制御することとしたから、
光周波数コム発生器の使用に伴うデッドゾーンの問題点を本質的に解消して、▲１▼出力光の周波数確度、周波数安定度、設定分解能に優れ、▲２▼周波数可変範囲が広く、かつ、▲３▼前記周波数可変範囲内で任意に周波数を設定または掃引できる周波数可変レーザ光源装置を実現できた。
また、本発明の第二の実施の形態のように複数の波長可変光源を備えれば、一つの周波数基準光に対して複数の出力光の各々を独立に周波数設定することが可能となり、ＷＤＭ通信用の光源等への応用が可能な周波数可変レーザ光源装置となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一の実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の第二の実施の形態を示す図である。
【図３】本発明の第一の実施例を示す図である。
【図４】本発明の第二の実施例を示す図である。
【図５】本発明の第三の実施例を示す図である。
【図６】光９０°ハイブリッドカプラの構成例を示す図である。
【図７】側帯波を周波数基準として用い、出力光の周波数を設定、掃引するときに問題となるデッドゾーンを周波数掃引の観点から説明するための図であり、（ａ）は（ｂ、ｃ）及び図８の前提となる出力光の周波数掃引の状況、（ｂ）は各側帯波を基準とした出力光の周波数、（ｃ）は１つの受光器で得られるヘテロダイン信号とデッドゾーンを示す図である。
【図８】図７（ａ）を前提として、本発明での側帯波を周波数基準とした出力光の周波数の設定、掃引について説明するための図であり、（ａ）は光ＩＲＭが出力するヘテロダイン信号の周波数、（ｂ）、（ｃ）は（ａ）の出力に基づいた出力光の周波数の設定、掃引の方法の例を示す図である。
【図９】従来の周波数可変レーザ光源装置の構成を示す図である。
【図１０】従来の周波数可変レーザ光源装置の構成を示す図である。
【図１１】側帯波を周波数基準として用い、出力光の周波数を設定、掃引するときに問題となるデッドゾーンを説明するための図であり、（ａ）は側帯波近傍、（ｂ）は帯波間の中央付近での問題点の説明図、（ｃ）はデッドゾーンを示す図である。
【符号の説明】
１    周波数基準光源
２    側帯波発生手段
３    波長可変光源
４    光ＩＲＭ
５    比較手段
６    制御部
２１    コム発生器
２２    マイクロ波発振器
４１    光９０°ハイブリッドカプラ
４２ａ  受光器
４２ｂ  受光器
４３    （電気信号の）９０°ハイブリッドカプラ
５１    スイッチ
５１ａ  スイッチ
５１ｂ  スイッチ
５２    フィルタ
５２ａ  フィルタ
５２ｂ  フィルタ
５３    オフセット周波数発振器
５４    位相比較器
５５    周波数可変発振器
５６    ミキサ
５７    周波数固定発振器
５８    終端器
５８ａ  終端器
５８ｂ  終端器
３３１    合波器
３３２    受光器
３３３    位相比較器
３３４    オフセット周波数発振器
３３５    ループフィルタ
３３６    加算器
３３７    駆動電流源
【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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