(57)【要約】【課題】より広い範囲の周波数の信号を発生することができる光シンセサイザを提供する。【解決手段】光シンセサイザ１０において、レーザ光源１１はレーザ光を出力する。光変調器１３は、レーザ光の周波数を変調し、周波数成分Ａを含む光を出力する。光フィルタ１５は、光変調器１３の出力から周波数成分Ａを抽出する。光コム発生器１４は、レーザ光および所定の駆動信号に基づいて光コムを発生させる。波長可変狭帯域フィルタ１６は、光コムから周波数成分Ｂ６等を抽出する。光電気変換器１８は、周波数成分Ａと周波数成分Ｂ６等との周波数差に基づいて電気信号を出力する。【選択図】図１
2017111276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、
可変入力信号に基づいて前記レーザ光の周波数を変調し、第１周波数成分を含む光を出力する光変調器と、
前記光変調器の出力から前記第１周波数成分を抽出する第１光フィルタと、
前記レーザ光および所定の駆動信号に基づいて光コムを発生させる光コム発生器と、
前記光コムから第２周波数成分を抽出する第２光フィルタと、
前記第１周波数成分と前記第２周波数成分との周波数差に基づいて電気信号を出力する、光電気変換器と
を備える、光シンセサイザ。
【請求項２】
前記可変入力信号および前記駆動信号は、同一の基準信号に位相同期されたものである、請求項１に記載の光シンセサイザ。
【請求項３】
前記第２光フィルタは波長可変帯域通過フィルタである、請求項１または２に記載の光シンセサイザ。
【請求項４】
前記光変調器は、フルバイアスモードで動作可能なマッハツェンダ型光変調器である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光シンセサイザ。
【請求項５】
前記第１周波数成分の可変周波数範囲幅は、前記光コムの周波数間隔以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光シンセサイザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は光シンセサイザに関し、とくに２光波の差周波数に基づいて電気信号を出力するものに関する。
【背景技術】
【０００２】
テラヘルツ領域まで含めた高周波信号発生は、先端技術分野で不可欠なものになっている。測定器としてのシンセサイザは、高周波数分解能で所望の周波数信号を発生する。電気信号（マイクロ波・ミリ波等）は、２つのコヒーレントな光信号の差としてフォトミキサで光・電気変換をすることにより発生することができる。近年、フォトミキサの周波数帯域はテラヘルツ領域に達し、フォトミキサの入手も容易になってきた。
【０００３】
従来の光シンセサイザとして、ハーモニックミキサを用いてレーザ光源の位相同期制御を行うものが知られている。図３は、このような光シンセサイザに用いられる位相同期回路の構成の例を示す。基準となるレーザ光源からの高安定レーザと、波長可変レーザ光とが合成される。合成された信号は２分配され、一方は出力に送られ、他方は光電気変換器に送られる。２光波の差周波数が電気信号（マイクロ波またはミリ波）に変換された後、ハーモニックミキサでこの電気信号と外部マイクロ波信号とを用いて周波数変換が行われ、残差位相を用いて波長可変レーザ光の位相同期制御が実行される。このような構成の例は、非特許文献１に開示される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Cliche, J.、Shillue, B.、「Precision timing control for radio astronomy, maintaining femtosecond synchronization in Atacama Large Millimeter Array」、IEEE control system magazine, pp. 19-26, 2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の光シンセサイザは、発生可能な信号の周波数範囲の広さが限られるという問題があった。
【０００６】
この発明はこのような問題点を解消するためになされたものであり、より広い範囲の周波数の信号を発生することができる光シンセサイザ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】
【０００７】
このような問題を解決するため、この発明に係る光シンセサイザは、
レーザ光を出力する光源と、
可変入力信号に基づいて前記レーザ光の周波数を変調し、第１周波数成分を含む光を出力する光変調器と、
前記光変調器の出力から前記第１周波数成分を抽出する第１光フィルタと、
前記レーザ光および所定の駆動信号に基づいて光コムを発生させる光コム発生器と、
前記光コムから第２周波数成分を抽出する第２光フィルタと、
前記第１周波数成分と前記第２周波数成分との周波数差に基づいて電気信号を出力する、光電気変換器と
を備える。
【０００８】
前記可変入力信号および前記駆動信号は、同一の基準信号に位相同期されたものであってもよい。
前記第２光フィルタは波長可変帯域通過フィルタであってもよい。
前記光変調器は、フルバイアスモードで動作可能なマッハツェンダ型光変調器であってもよい。
前記第１周波数成分の可変周波数範囲幅は、前記光コムの周波数間隔以上であってもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係る光シンセサイザによれば、共通レーザを光源とする光変調器と光コム発生器の１光波ずつを合成することにより、コヒーレントな２光波信号の差信号を発生するので、より広い範囲の周波数の信号を発生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る光シンセサイザの構成の例を示す図である。
【図２】光変調器および光コム発生器の出力における周波数成分の関係の例を示す図である。
【図３】従来の光シンセサイザに用いられる位相同期回路の構成の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
まず、本発明の概要および動作原理を説明する。本発明に係る光シンセサイザは、共通レーザ光を光源として用い、基準信号に位相同期して駆動されるマッハツェンダ型光変調器の出力と、同じ基準信号に位相同期して駆動される光コム発生器の出力とから、周波数成分を１つずつ抽出して合成するための構造を持つ。この光シンセサイザは、高周波数分解能を光変調器が受け持ち、周波数ダイナミックレンジを光コム発生器が受け持つことを特徴のひとつとする。このような構成により、この光シンセサイザは、高周波数分解能と、低周波からテラヘルツまでの広範囲な周波数特性とを併せ持つことができる。
【００１２】
実施の形態１．
以下、本発明の実施の形態１について説明する。図１に、本発明の実施の形態１に係る光シンセサイザ１０の構成の例を示す。
【００１３】
光シンセサイザ１０は、レーザ光源１１と、分配器１２と、光変調器１３と、光コム発生器１４と、光フィルタ１５（第１光フィルタ）と、波長可変狭帯域光フィルタ１６（第２光フィルタ）と、合成器１７と、光電気変換器１８とを備える。
【００１４】
レーザ光源１１は、レーザ光を出力する。このレーザ光のスペクトルＳ１は、単一の周波数成分Ｏを有する。周波数成分Ｏは、所定の周波数ｆ０の光を含む。なお、本明細書において「周波数成分」とは、理想的には単一の周波数のみを含む成分を意味するが、実質的には、本明細書に記載される光シンセサイザ１０の機能を実現可能な程度の広がりを有するものであってもよい。
【００１５】
分配器１２は、入力されたレーザ光を２つの出力に分配する。分配された出力のうち一方は光変調器１３に入力され、他方は光コム発生器１４に入力される。すなわち、光変調器１３および光コム発生器１４には、共通のレーザ光が入力されるということができる。
【００１６】
光変調器１３は、分配器１２から入力されるレーザ光を、可変入力信号に基づいて変調し、変調された光を出力する。本実施形態では、光変調器１３はレーザ光の周波数を変調する。出力される光の周波数は、可変入力信号の周波数に応じて決定されることになる。可変入力信号は、たとえば所定の基準信号に位相同期したものである。光変調器１３の具体例としては、マッハツェンダ型の光変調器を用いることができる。マッハツェンダ型の光変調器は、たとえば可変入力信号として周波数可変高周波数分解能マイクロ波信号を用いて駆動可能である。
【００１７】
マッハツェンダ型の光変調器の構成の具体例は、たとえば、Kiuchi, H.、Kawanishi, T.、Yamada, M.、Sakamoto, T.、Tsuchiya, M.、Amagai, J.、Izutsu, M.による、「High Extinction Ratio Mach-Zehnder Modulator Applied to a Highly Stable Optical Signal Generator」（IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol.55, no.9, pp.1964-1972, 2007）に開示される。
【００１８】
マッハツェンダ型の光変調器は、ヌルバイアスモードおよびフルバイアスモードのいずれかで動作可能であるが、本実施形態では光変調器１３がフルバイアスモードで動作する場合で説明する。ヌルバイアスモードが十分な広帯域性（たとえば図２（ａ）に示す状況を実現し得る程度の広帯域性）を持っている場合はどちらのモードでも良い。光変調器１３の出力におけるスペクトルＳ２は、周波数成分Ｏと、変調された信号に対応する周波数成分ＡおよびＡ’とを含む。ただし、周波数成分Ａの周波数は周波数成分Ａ’より高いものとする。
【００１９】
光変調器１３の変調周波数をｆｍとすると、フルバイアス動作では、変調された信号の差周波数は変調周波数ｆｍの４倍となり、すなわち、周波数成分Ｏと周波数成分Ａとの差周波数はｆｍの２倍となる。このため、光変調器１３の出力における周波数分解能は、変調周波数ｆｍの周波数分解能の２倍となる。
【００２０】
図２（ａ）に、周波数成分Ｏと、周波数成分Ａとの関係の例を示す。本実施形態では、例としてｆｍ＝１８＋α［ＧＨｚ］とし、０≦α≦１４［ＧＨｚ］とする。この場合、１８≦ｆｍ≦３２［ＧＨｚ］となる。また、この場合、周波数成分Ａの周波数は、α＝０に対応するｆ０＋３６［ＧＨｚ］（図中Ａｍｉｎで示す）から、α＝１４に対応するｆ０＋３６＋２８＝ｆ０＋６４［ＧＨｚ］（図中Ａｍａｘで示す）までの範囲で可変となる。したがってこの場合には、周波数成分Ａの可変周波数範囲幅ｆｖは、ｆｖ＝（ｆ０＋６４）−（ｆ０＋３６）＝２８［ＧＨｚ］となる。
【００２１】
光フィルタ１５は、光変調器１３の出力から、入力レーザ光ではない変調波のうち１つ（第１周波数成分）を抽出する。本実施形態では、光フィルタ１５は周波数成分Ａを抽出する。このような光フィルタ１５は、たとえばｆ０＋１８［ＧＨｚ］を遮断周波数とする、固定波長の高域通過フィルタを用いて実現可能である。この場合には、光フィルタ１５の出力におけるスペクトルＳ３は、実質的に周波数成分Ａのみを含むものとなる。
【００２２】
一方、光コム発生器１４は、分配器１２から入力されるレーザ光と、所定の駆動信号とに基づいて、光コムを発生させる。この駆動信号は、光コムの各周波数成分の間隔に対応する固定された周波数ｆｃｏｍｂを持つ。また、この駆動信号は、所定の基準信号に位相同期した信号であり、本実施形態では光変調器１３の可変入力信号の位相同期に用いられるものと同一の基準信号に位相同期した信号を用いるものとする。
【００２３】
光コム発生器１４の出力すなわち光コムは、複数の周波数成分を含む。図１の例では、光コムにおけるスペクトルＳ４は、７個の周波数成分（周波数成分Ｏおよび周波数成分Ｂ１〜Ｂ６）を含む。ただし、光コムに含まれる周波数成分の数は７に限らない。
【００２４】
図２（ｂ）に、光コムの各周波数成分の関係の例を示す。この例では、各周波数成分は互いにｆｃｏｍｂ＝２５［ＧＨｚ］だけ隔てられている。本実施形態では、周波数成分Ａの可変周波数範囲幅ｆｖは、光コムの周波数間隔ｆｃｏｍｂ以上となっている。言い換えると、ｆｍ＝１８＋αとし、αの最小値をαｍｉｎ＝０とし、αの最大値をαｍａｘ＝１４とした場合に、（αｍａｘ−αｍｉｎ）×２≧ｆｃｏｍｂとなっている。
【００２５】
光コム発生器１４としては、公知の光コム発生器を用いることができる。駆動信号はたとえばマイクロ波である。光コム発生器１４が光コムを発生するために用いる具体的な方式は、位相変調器およびファブリペロ共振器を用いる方式、パルスレーザと非線形ファイバを用いる方式、等、様々なものを用いることが可能である。
【００２６】
波長可変狭帯域光フィルタ１６は帯域通過フィルタであり、光コムから、その周波数成分のうち１つ（第２周波数成分）を抽出する。周波数成分ＯおよびＢ１〜Ｂ６のうちいずれを抽出するかは、任意に制御可能であり、たとえば外部から入力される制御信号に応じて決定される。図１の例では、周波数成分Ｂ６が抽出されており、波長可変狭帯域光フィルタ１６の出力におけるスペクトルＳ５は、実質的に周波数成分Ｂ６のみを含むものとなっている。
【００２７】
波長可変狭帯域光フィルタ１６としては、たとえば光サーキュレータと組み合わせた狭帯域ＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）反射フィルタを用いることができる。または、波長可変狭帯域光フィルタ１６は、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating)フィルタや、ＬＣＯＳ(Liquid Crystal On Silicon）フィルタ等であってもよい。
【００２８】
合成器１７は、光フィルタ１５の出力と、波長可変狭帯域光フィルタ１６の出力とを合成する。図１の例では、合成器１７の出力におけるスペクトルＳ６は、周波数成分Ａおよび周波数成分Ｂ６を含む。
【００２９】
光電気変換器１８は、合成器１７の出力に対して光電気変換を実施し、電気信号を発生する。たとえば、合成器１７の出力に含まれる２つの周波数成分（図１の例では周波数成分ＡおよびＢ６）の差周波数に基づいて、この差周波数に対応する周波数を持つ電気信号１８ａを出力する。電気信号１８ａの周波数ｆｏｕｔは、ｆｏｕｔ＝｜ｆｃｏｍｂ×Ｎ−２ｆｍ｜である。ここでＮは光コムの周波数成分を特定する整数であり、図２（ｂ）の例では周波数成分Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｏ，Ｂ４，Ｂ５，Ｂ６についてそれぞれＮ＝−３，−２，−１，０，１，２，３である。
【００３０】
このようにして、実施の形態１に係る光シンセサイザ１０は、任意の周波数を持つ電気信号を出力することができる。
【００３１】
上述の光シンセサイザ１０は、高周波数分解能を光変調器１３で実現し、周波数ダイナミックレンジを光コム発生器１４で実現する構造を持つということができる。
【００３２】
上述の光シンセサイザ１０によれば、光変調器１３における変調に用いられる可変入力信号と、光コム発生器１４を駆動する駆動信号とは、同一の基準信号に位相同期されているので、位相同期ループが不要となる。また、位相同期ループを用いる構成と比較すると、位相同期外れをより容易に回避または低減することができる。
【００３３】
上述の光シンセサイザ１０によれば、広い周波数範囲にわたって高い周波数分解能を得ることができる。たとえば、光変調器１３の可変入力信号の周波数分解能が１ｍＨｚである場合には、低周波領域からテラヘルツ領域までの広範囲にわたって、２ｍＨｚ程度の周波数分解能を得ることができる。
【００３４】
上述の光シンセサイザ１０によれば、一方の周波数成分（図１の周波数成分Ａ）に対応する信号を生成するために、マッハツェンダ型の光変調器１３のフルバイアスモードの動作を用いるので、比較的広い範囲にわたってシームレスな周波数制御が可能である。このため、光コムの周波数間隔以上の広帯域で高周波数分解能光信号を実現することが容易である。
【００３５】
上述の光シンセサイザ１０によれば、電気信号を用いる場合のような逓倍技術は不要であるので、出力信号におけるスプリアスを抑制することができる。
【００３６】
実施の形態１では、周波数成分Ａの可変周波数範囲幅ｆｖは、光コムの周波数間隔ｆｃｏｍｂ以上である。このように設計すると、光シンセサイザ１０は動作周波数領域の全体にわたってシームレスに周波数を変更可能である。しかしながら、シームレスな可変周波数範囲が要求されない用途では、ｆｖはｆｃｏｍｂ未満であってもよい。
【００３７】
実施の形態１では、光変調器１３はフルバイアスモードで動作する。このため、ヌルバイアスモードと比較すると、光変調器１３の出力に含まれる各周波数成分の間隔が大きくなり、光フィルタ１５において高い不要波抑圧度を得やすい。しかしながら、光フィルタにおける不要波抑圧が重要でない場合等には、光変調器１３はヌルバイアスモードで動作してもよい。
【００３８】
実施の形態１では、光フィルタ１５は、光変調器１３の出力から周波数成分Ａを抽出するが、変形例として、光フィルタ１５は周波数成分Ａ’を抽出してもよい。
【００３９】
実施の形態１では、第２光フィルタとして波長可変狭帯域光フィルタ１６を用いるが、周波数ダイナミックレンジの広さが要求されない場合には、変形例として波長固定光フィルタを用い、光コムから固定された１周波数成分を抽出するよう構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明は、たとえば、高周波天文学および超高速通信分野への応用が可能である。また、マイクロ波からテラヘルツ波を使用する分野への応用が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  光シンセサイザ、１１  レーザ光源（光源）、１３  光変調器、１４  光コム発生器、１５  光フィルタ（第１光フィルタ）、１６  波長可変狭帯域光フィルタ（第２光フィルタ）、１８  光電気変換器、Ａ  周波数成分（第１周波数成分）、ＯおよびＢ１〜Ｂ６  周波数成分（第２周波数成分）、ｆｃｏｍｂ  光コムの周波数間隔、ｆｖ  可変周波数範囲幅。
【図１】
2017111276.tif 000003
【図２】
2017111276.tif 000004
【図３】
2017111276.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成29年1月5日(2017.1.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
このような問題を解決するため、この発明に係る光シンセサイザは、
レーザ光を出力する光源と、
可変入力信号に基づいて前記レーザ光の周波数を変調し、第１周波数成分を含む光を出力する、フルバイアスモードで動作可能なマッハツェンダ型光変調器と、
前記光変調器の出力から前記第１周波数成分を抽出する第１光フィルタと、
前記レーザ光および所定の駆動信号に基づいて光コムを発生させる光コム発生器と、
前記光コムから第２周波数成分を抽出する第２光フィルタと、
前記第１周波数成分と前記第２周波数成分との周波数差に基づいて電気信号を出力する、光電気変換器と
を備える。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００８】
前記可変入力信号および前記駆動信号は、同一の基準信号に位相同期されたものであってもよい。
前記第２光フィルタは波長可変帯域通過フィルタであってもよい。
前記第１周波数成分の可変周波数範囲幅は、前記光コムの周波数間隔以上であってもよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を出力する光源と、
可変入力信号に基づいて前記レーザ光の周波数を変調し、第１周波数成分を含む光を出力する、フルバイアスモードで動作可能なマッハツェンダ型光変調器と、
前記光変調器の出力から前記第１周波数成分を抽出する第１光フィルタと、
前記レーザ光および所定の駆動信号に基づいて光コムを発生させる光コム発生器と、
前記光コムから第２周波数成分を抽出する第２光フィルタと、
前記第１周波数成分と前記第２周波数成分との周波数差に基づいて電気信号を出力する、光電気変換器と
を備える、光シンセサイザ。
【請求項２】
前記可変入力信号および前記駆動信号は、同一の基準信号に位相同期されたものである、請求項１に記載の光シンセサイザ。
【請求項３】
前記第２光フィルタは波長可変帯域通過フィルタである、請求項１または２に記載の光シンセサイザ。
【請求項４】
前記第１周波数成分の可変周波数範囲幅は、前記光コムの周波数間隔以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光シンセサイザ。