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JP2006106362A - Optical frequency synthesizer and wavelength converter - Google Patents

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JP2006106362A
JP2006106362A JP2004292951A JP2004292951A JP2006106362A JP 2006106362 A JP2006106362 A JP 2006106362A JP 2004292951 A JP2004292951 A JP 2004292951A JP 2004292951 A JP2004292951 A JP 2004292951A JP 2006106362 A JP2006106362 A JP 2006106362A
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JP
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optical
light
frequency
optical frequency
output
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Application number
JP2004292951A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Takada
篤 高田
Etsushi Yamazaki
悦史 山崎
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Publication date
Application filed by Nippon Telegraph and Telephone Corp filed Critical Nippon Telegraph and Telephone Corp
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  • Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical frequency synthesizer, the accuracy of which an optical frequency of output light is defined with accuracy of a microwave synthesizer compared with an optical frequency of input light, and also provide a wavelength converter. <P>SOLUTION: The optical frequency synthesizer comprises: an optical frequency shifter 2; an optical loop circuit 1 including the optical frequency shifter 2 inside; a multiplexer 3 to synthesize orbiting light and reference light; and an optical output circuit 4 to output prescribed light to the outside of the optical loop circuit 1. Furthermore, the optical frequency synthesizer is equipped with: an optical interference circuit 5 to take out orbiting light beams with the number of orbiting K and L (K, L are zero or natural numbers, K≠L) from the optical output circuit 4 and to make them interfere with each other; a photoelectric conversion means 6 to output an electric signal of the interference light; a phase comparator 7 to output an error signal corresponding to a phase difference between an input microwave reference frequency signal and the electric signal; a loop filter 9 to filter a low frequency component of the error signal; and a voltage control oscillator to control an oscillation frequency with the filtered error signal and to drive the optical frequency shifter 2 based on the oscillation frequency. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

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。   The present invention relates to an optical frequency synthesizer and a wavelength converter, and more particularly, to a broadband and highly accurate optical frequency synthesizer and wavelength converter required in the fields of optical communication and optical measurement.

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。   In recent years, optical communication systems capable of transmitting large volumes of information at high speed have attracted attention because of the desire to transmit large volumes of information with the advancement of information technology. In such an optical communication network, it is indispensable to effectively use the band, and in order to enable the band to be used effectively, it is required to enable wavelength conversion in a wide band.

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。   In such wavelength conversion, a light source that stabilizes the wavelength of a laser beam, such as a semiconductor laser or a helium neon laser, is used as an optical frequency reference light source in the optical region, for an absorption line of gas such as acetylene or cyanide. Yes. These have sufficient optical frequency pricing and error evaluation of their absorption lines, and have sufficient accuracy for industrial applications.

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。   However, these evaluated absorption lines are only tens of at most, and cannot be an arbitrary optical frequency reference light source. Therefore, an optical frequency grid is used in which one of a plurality of longitudinal modes of mode-locked laser light is frequency-synchronized with the above-described absorption line, so that the longitudinal mode interval is the grid interval. This mode-locked light is a light short pulse in the time domain and has a large light peak power. Thus, an ultra-wideband optical grid has been obtained by using the nonlinearity of an optical fiber or the like to widen the spectrum band.

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。   However, in a mode-locked laser, the mode-locked frequency (longitudinal mode interval) can change only at most several percent of the optimum frequency determined by the effective laser cavity length, so it is difficult to generate an arbitrary optical frequency. As a solution to this problem, a technique has been proposed in which the continuous light is shortened by an optical modulator and then the above-mentioned short pulse light is incident on an optical nonlinear material that induces an optical nonlinear phenomenon to increase the bandwidth. However, when the repetition frequency of the optical pulse is greatly changed, the pulse characteristics such as the optical pulse width change, which causes a problem that the intensity of each spectral component varies.

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。   Also disclosed is a wavelength conversion device capable of extending the optical frequency grid generation range to ± 1.8 THz or more by operating the optical frequency shifter in an optical loop circuit and performing optical frequency shift many times. (See Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In such a wavelength converter, when a single sideband optical modulator (also referred to as an SSB optical modulator) is used as an optical frequency shifter, the optical frequency shift amount can be arbitrarily selected up to about several tens of GHz. is there. Therefore, an arbitrary optical frequency can be generated, and a broadband optical frequency sweep is also possible. For example, when the drive frequency of the optical frequency shifter is swept by 20 GHz from 5 GHz to 25 GHz, the optical frequency can be swept continuously for 1 THz with respect to 50 rounds of light for the optical loop circuit.

特開2004−37805号公報JP 2004-37805 A A.Takada et al, ”Wavelength Converter Operating on Strict Frequency Grid Using a Single Side Band Optical Modulator in a Circulating Loop” OFC2003 FP5, 2003A. Takada et al, “Wavelength Converter Operating on Strict Frequency Grid Using a Single Side Band Optical Modulator in a Circulating Loop” OFC2003 FP5, 2003 O.Tadanaga et al, ”Variable Optical Frequency Shifter Using Multiple Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Wavelength Converters” OFC2003 paper FP3O.Tadanaga et al, “Variable Optical Frequency Shifter Using Multiple Quasi-Phase-Matched LiNbO3 Wavelength Converters” OFC2003 paper FP3

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。   However, in the optical loop circuit including the optical frequency shifter described above, the output light suffers an optical delay compared to the input light by the product of the loop length of the optical loop circuit and the number of times the light passes through the optical loop circuit. Further, the optical circulation delay time, which is the optical delay time, varies depending on the temperature change of the optical loop circuit. Therefore, the optical frequency of the emitted light varies depending on the optical circulation delay time.

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。 For example, if the temperature of an optical loop circuit with a loop length of 2 meters changes by 1 ° C. per second, the optical frequency of the light that circulates the optical loop circuit 50 times is shifted by about 670 Hz with respect to the light having a wavelength of 1.5 microns. To do. Here, the linear expansion coefficient of the optical fiber constituting the loop was about 10 −5 / ° C. If the optical spectrum line width of the input reference light is about 10 KHz or more, this degree of optical frequency shift is not a problem. However, when the microwave / millimeter wave is generated as a beat by photoelectric conversion using a photodiode or the like by interfering with the output light and the input reference light, the above-described optical frequency shift is directly applied to the microwave / millimeter wave. There was a problem that it led to a frequency shift.

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。   Therefore, an optical frequency synthesizer with a stable beat frequency between output lights or between input light and optical loop output light is required even when fluctuations in loop delay occur between the input light and output light to the optical loop circuit. It is said that.

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。   The present invention has been made in view of such problems, and the object of the present invention is to provide light with an accuracy that the optical frequency of the output light can be defined by the accuracy of the microwave synthesizer compared to the frequency of the input light. The object is to provide a frequency synthesizer and a wavelength converter.

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。   In order to achieve the above object, the present invention provides an optical frequency shifter for shifting the optical frequency of input light by a predetermined shift amount, and the optical frequency shifter therein. Including an optical loop circuit, a multiplexer that multiplexes light circulating around the optical loop circuit and input light from outside the optical loop circuit, and one or more specific lights among the combined light A light output circuit that outputs light of a frequency outside the optical loop circuit, and outputs output light in a wide-band optical frequency range by shifting the optical frequency of the input light by the predetermined shift amount many times. In the frequency synthesizer, the circulating light output from the optical output circuit and circulated the optical loop circuit a predetermined number of times K and the circulating light circulated the optical loop circuit a predetermined number of times L (K and L are zero or natural) An optical interference circuit that picks up and outputs K ≠ L), photoelectric conversion means for converting the interference light output from the optical interference circuit into an electrical signal, and an input for inputting a microwave reference frequency signal A phase comparison that compares the phase of the microwave reference frequency signal input from the input port with the electrical signal output from the photoelectric conversion means and outputs an error signal according to the phase difference And a voltage-controlled oscillator that controls the oscillation frequency based on the error signal output from the phase comparator and drives the optical frequency shifter based on the oscillation frequency.

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。   According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the error signal output from the phase comparator is further filtered, and means for passing a predetermined frequency component is further provided.

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。   According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the optical frequency shifter is a single sideband (SSB) optical modulator.

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。   The invention according to claim 4 is the invention according to claim 1 or 2, wherein the optical frequency shifter includes an optical nonlinear element made of an optical nonlinear material, excitation light of the nonlinear material, and incident light to the optical frequency shifter. And an optical multiplexing means for combining the optical nonlinear element with the optical nonlinear element.

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。   According to a fifth aspect of the present invention, the optical frequency synthesizer according to any one of the first to fourth aspects is provided.

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。   As described above, according to the present invention, the shift amount of the optical frequency of the optical frequency shifter is controlled according to the error signal based on the phase difference between the microwave reference frequency signal and the electrical signal output from the photoelectric conversion means. Therefore, the light output from the optical loop circuit can be output light in which the fluctuation of the optical frequency due to the fluctuation of the optical circulation delay time is suppressed. Therefore, it is possible to output the output light with the accuracy that can be defined by the accuracy of the microwave synthesizer compared to the frequency of the input light.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings described below, components having the same function are denoted by the same reference numerals, and repeated description thereof is omitted.
FIG. 1 is a configuration diagram of an optical frequency synthesizer according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes an optical loop circuit in which a loop is formed by means for transmitting light such as an optical fiber or an optical waveguide, and the optical frequency of the input light is shifted by a predetermined shift amount Δν. An optical frequency shifter 2 is provided for output. Therefore, the optical frequency of the light that circulates the optical loop circuit 1 N times is shifted by approximately N × Δν.

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。   The optical loop circuit 1 has a plurality of input ports, and combines light input from the input ports and outputs the combined light to the same output port (also called the output port of the multiplexer 3). A multiplexer 3 is provided. The first input port of the plurality of input ports of the multiplexer 3 is connected to the optical frequency shifter 2 through means for transmitting light (also referred to as optically connected). The second input port of the input port is an input port for inputting reference light. With such a configuration, it is possible to multiplex light that circulates in the optical loop circuit 1 (also simply referred to as circulated light) and reference light that is input light from the outside of the optical loop circuit.

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。   The optical loop circuit 1 has a plurality of output ports, and outputs means for outputting light having a specific optical frequency or a plurality of optical frequencies out of the combined light (reference light and circulating light). The light output circuit 4 is provided. The input port of the optical output circuit 4 is optically connected to the output port of the wavelength multiple polymerization wave circuit 3. The first output port of the plurality of output ports of the optical output circuit 4 is optically connected to the optical frequency shifter 2.

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。   The second output port of the output port is connected to an optical interference circuit 5 as means for causing the input light to interfere. With such a configuration, the output light from the optical output circuit 4 and the optical loop circuit 1 that circulates the optical loop circuit 1 a predetermined number of times K (also referred to as “circular light with the frequency K”) and the optical loop circuit 1 the predetermined number of times L The circulated light (also referred to as circulated light having the number of laps L) interferes with the optical interference circuit 5 and is output from the first output port of the optical interference circuit 5. The light output from the optical output circuit 4 and not interfered by the optical interference circuit 5 is the final output light and is output from the second output port of the optical interference circuit 5. In addition, by adjusting the optical interference circuit 5, a part of the light related to the interference in the optical interference circuit 5 can be output from the second output port without interference. Here, K and L are zero or a natural number, and K ≠ L. When K or L = 0, the corresponding circulating light is the reference light.

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。   Reference numeral 6 denotes a photoelectric conversion means 6 that converts input light into electrical output. When the interference light output from the first output port of the optical interference circuit 5 is input, the photoelectric conversion means 6 generates and outputs a beat signal corresponding to the beat of the optical frequency caused by the interference for the interference light. To do.

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。   Reference numeral 7 denotes a phase comparator 7 which has a plurality of input ports, compares the phases of signals input from two of the plurality of input ports, and outputs an error signal based on the phase difference. is there. The first input port of the plurality of input ports of the phase comparator 7 is connected to the photoelectric conversion means 6 via a means for transmitting electricity such as a conducting wire (also referred to as being electrically connected). The second input port is electrically connected to the microwave reference frequency oscillator 8. The second input port may be connected to an input terminal for inputting a microwave reference frequency signal.

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。   A loop filter 9 is electrically connected to the output port of the phase comparator 7 as means for filtering the input error signal and passing it through a predetermined frequency band. The loop filter 9 may be a low pass filter that filters low frequency components. The loop filter 9 has an oscillation frequency controlled by the error signal filtered by the loop filter 9, and a voltage controlled oscillator (VCO) 10 as means for driving the optical frequency shifter 2 based on the controlled oscillation frequency. Are electrically connected. The voltage controlled oscillator 10 generates a frequency Δf for controlling the optical frequency shift amount of the optical frequency shifter 2 based on the error signal output from the loop filter 9.

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ν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f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。 With such a configuration, the reference light having the optical frequency ν i input from the second input port of the multiplexer 3 is shifted many times by circling the optical loop circuit 1, and has a wide optical frequency range. Output light. At this time, the difference between the optical frequencies is the shift amount Δν, and the circulating light with the frequency K and the circulating light with the frequency L are extracted and interfered, and the interfered output light and the microwave reference frequency of the frequency f M Since the optical frequency shifter is controlled by the voltage controlled oscillator based on the comparison result with the signal, fluctuations in the optical frequency due to fluctuations in the optical circulation delay time of the circulating light can be suppressed. Therefore, an optical frequency synthesizer having an arbitrary optical frequency with high accuracy equivalent to that of the microwave frequency signal source over several terahertz can be configured. It is also possible to obtain a short optical pulse source having a variable repetition frequency.

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。   EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in detail based on an Example, this invention is not limited to the following Example, It cannot be overemphasized that it can change variously in the range which does not deviate from the summary.

(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。
Example 1
In the present embodiment, an optical frequency synthesizer and a wavelength converter operating in a wavelength of 1.5 microns will be described with reference to FIG.
In FIG. 2, a single sideband optical modulator (SSB optical modulator) 11 is used as the optical frequency shifter 2. SSB optical modulators have been developed with optical waveguides that combine Mach-Zehnder interferometers on lithium niobate crystals and planar traveling-wave electrodes on the branches of each interferometer. Broadband SSB modulation up to about 25 GHz (frequency shift width (shift amount Δν)) is possible. Since the electrical signal for driving the SSB optical modulator 11 requires sinusoidal signals having a phase difference of 90 degrees, the 90-degree hybrid 12 having a phase difference of 90 degrees is used. The conversion efficiency from the input optical power to the SSB optical modulator 11 to the shifted optical power is about 10 dB.

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。   Such an SSB optical modulator 11 is provided in the optical loop circuit 1 looped by an optical fiber. The SSB optical modulator 11 is electrically connected to the SSB optical modulator 11 so that the 90-degree hybrid 12 can input two sine wave signals having a phase difference of 90 degrees to the SSB optical modulator 11. ing.

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。   In the optical loop circuit 1, an optical amplifier 13 is optically connected to the SSB optical modulator 11. The optical amplifier 13 is necessary to compensate for the conversion efficiency of the SSB optical modulator 11 and the loss of passive optical components in the optical loop circuit 1, and an erbium-doped optical amplifier or the like is applicable.

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ν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ν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、ν、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=ν+kfである。但し、kはN以下の自然数であり、f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。 A four-port optical circulator 14 is optically connected to the optical amplifier 13. An optical fiber is connected to the first end of the optical circulator 14, from which reference light having a predetermined frequency ν i is input. An optical amplifier 13 is optically connected to the second end of the optical circulator 14, and a fiber Bragg grating (FBG) having a reflection center optical frequency substantially the same as the optical frequency ν i of the reference light is interposed between them. 15 is arranged. The SSB optical modulator 11 is optically connected to the third end of the optical circulator 14, and the FBGs 16a to 16c are disposed therebetween. The reflection center wavelengths of the FBGs 16a to 16c are set to approximately ν i , ν i + 1 , and ν i + N (N: an integer of 2 or more), respectively. Further, the reflectivities of the FBGs 16a and 16b are set to about 10% or less. Here is a ν i + k = ν i + kf s. However, k is a natural number equal to or less than N, and f s is an optical frequency shift amount caused by making one round of the optical loop circuit 1. An optical circulator 17 is connected to the fourth end of the optical circulator 14.

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。   In such a connection configuration, the light incident on the first end of the optical circulator 14 is emitted only from the second end, the light incident on the second end is emitted only from the third end, The light incident on the third end is emitted only from the fourth end.

すなわち、光周波数ν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ν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ν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ν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。 That is, the input frequency reference light from the optical frequency [nu i is the optical circulator 14 is emitted upward (second end) of FIG. 2, it is reflected by FBG15 having the same reflection center optical frequency between the reference light frequency [nu i. The light returning to the optical circulator 14 is emitted to the right side (third end) in FIG. The FBGs 16a to 16b are arranged on the third end side. However, since the reflectivities of the FBGs 16a and 16b are set to about 10% or less, they are emitted from the third end of the optical circulator 14. Most of the light having the optical frequency ν i passes through these FBGs 16 a to 16 c, and the optical frequency is shifted to approximately ν i + 1 by the SSB optical modulator 11. On the other hand, the light having the optical frequency ν i reflected by the FBG 16a enters from the third end of the optical circulator 14 and is emitted downward (fourth end) in FIG.

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=ν+Nf(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。 The above-described light shifted to ν i + 1 passes through the FBG 15 and is emitted to the right side (third end) in FIG. 2 by the optical circulator 14. After that, when the circulating light having the optical frequency ν i + N = ν i + Nf s (formula 1) is incident on the FBG 16c after N turns, the circulating light is reflected by the FBG 16c, and the light It is emitted downward (fourth end) in FIG. 2 by the circulator 14. In addition, during the N rounds, a part of the light having the optical frequency ν i + 1 is reflected by the FBG 16b and is output downward (fourth end) in FIG.

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ν、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。 An optical circulator 14 is optically connected to the first end of the three-port optical circulator 17, and an optical fiber is coupled to the second end. The optical fiber includes an FBG 18a and 18b is arranged. The reflection center wavelengths of the FBGs 18a and 18b are set to approximately ν i and ν i + 1 , respectively. The final output light is output from the second end of the optical circulator 17. A photodiode (PD) 19 is disposed on the third end side of the optical circulator 17 so that light emitted from the third end is incident on the photodiode 19.

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。   In such a connection configuration, the light incident on the first end of the optical circulator 17 is emitted only from the second end, and the light incident on the second end is emitted only from the third end.

すなわち、光サーキュレータ14から出射された光周波数ν、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。 That is, the light of the optical frequencies ν i and ν i + 1 emitted from the optical circulator 14 is emitted to the right side (second end) in FIG. 2 by the optical circulator 17 and reflected by the FBGs 18a and 18b to become interference light. . Next, the reflected light (interference light) is emitted downward (third end) in FIG. 2 by the optical circulator 17. This interference light enters the photodiode 19 and is converted into a beat signal.

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。 On the other hand, the light having the optical frequency ν i + N emitted from the optical circulator 14 is emitted to the right side (second end) in FIG. 2 by the optical circulator 17 and passes through the FBGs 18a and 18b to become the final output light.

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f=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。 An amplifier 20 is electrically connected to the photodiode 19, and the phase comparator 7 is electrically connected to the amplifier 20. The phase comparator 7 has two input ports. The amplifier 20 is electrically connected to the first input port, and the microwave reference frequency having a frequency f M = 25 GHz is connected to the second input port. A microwave reference frequency oscillator 8 that oscillates a signal is electrically connected. The phase comparator 7 compares the beat signal amplified by the amplifier 20 with a microwave reference frequency signal having a frequency of 25 GHz, and generates and outputs an error signal corresponding to the frequency difference between them.

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。   A loop filter 9 is electrically connected to the output port of the phase comparator 7. The loop filter 9 filters and outputs the low frequency component of the error signal output from the phase comparator 7. In addition, a voltage controlled oscillator (VCO) 10 is electrically connected to the loop filter 9, and a 90 degree hybrid 12 is electrically connected to the voltage controlled oscillator 10. The voltage controlled oscillator 10 oscillates an electric signal having a frequency Δf based on the error signal input from the loop filter 9 and controls the SSB optical modulator 11.

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。   The phase comparator 7 can be a microwave balanced mixer or the like. In order to transmit the low-frequency component of the error signal, a low-pass filter having an appropriate cutoff characteristic can be applied.

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。
Now, since the loop length of the optical loop circuit 1 has changed due to environmental temperature fluctuations, the light that has circulated around the loop has a small optical frequency shift caused by fluctuations in loop delay time in addition to the optical frequency shift by the SSB optical modulator 11. Suffer. The amount is
LN (β + δn / δT) (dT / dt) / λ
It becomes. Here, L is the loop length of the optical loop circuit 1, N is the number of turns, β is the linear expansion coefficient of the fiber constituting the loop, δn / δT is the change in effective refractive index per unit temperature change of the fiber, ( dT / dt) is the temperature variation per unit time of the fiber, and λ is the wavelength of the circulating light.

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。   As described above, in a loop having a loop length of 2 meters that changes by 1 ° C. per second, light in a 1.5 micron band that circulates about 50 times is shifted by several hundred hertz. This amount is when the line width of the incident optical frequency reference light is kilohertz or more and can be ignored when the output light is used alone, but the original incident reference light and the output light interfere with each other, and the microwave / millimeter In application fields where waves are generated, the frequency and phase fluctuate.

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。   Therefore, in the present embodiment, the driving frequency of the SSB optical modulator 11 is controlled based on the above error signal so as to cancel out the optical frequency fluctuation due to the optical loop delay fluctuation, thereby using the incident reference light. Output light having an optical frequency difference with an accuracy equivalent to the accuracy of the microwave reference frequency signal is obtained.

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ν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。 Specifically, out of the light emitted downward (fourth end) in FIG. 2 by the optical circulator 14, the light having the optical frequency ν i (non-circular light) (reference light) and 1 of the optical frequency ν i + 1 . The light that has circulated only once is extracted by the FBGs 18 a and 18 b and the optical circulator 17, and those beats are generated by the photodiode 19. The beat is the sum of the optical frequency shift amount (Δf) by the SSB optical modulator 11 and the optical frequency shift due to the loop circulation delay time fluctuation.

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。   The phase difference between the beat signal and the microwave reference frequency signal from the microwave reference frequency oscillator 8 is compared by the phase comparator 7, and a voltage controlled oscillator (VCO) 10 is obtained by the low frequency component of the obtained error signal. To control. As described above, the VCO 10 can control the SSB optical modulator so as to reduce the fluctuation of the optical frequency due to the fluctuation of the optical circulation delay time based on the error signal which is the comparison result of the phase comparator 7. The influence of the optical delay can be automatically reduced every time the circulating light goes around the optical loop circuit 1. Therefore, the final output light can have the same accuracy and stability as the microwave reference frequency signal.

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。   That is, in this configuration, the sum of the optical frequency shift amount by the BBS optical modulator 11 controlled by the VCO 10 and the optical frequency shift due to the optical loop delay time variation of the optical loop circuit 1 becomes the frequency of the microwave reference frequency signal. It is a phase locked loop (PLL) that works like this.

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、f=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。 Therefore, the frequency difference between the optical frequency of the output light of the optical frequency synthesizer according to the present embodiment and the optical frequency of the reference light that is the input light is the microwave reference frequency signal (f M = 25 GHz in this embodiment). Equivalent accuracy is guaranteed. Since the absolute frequency accuracy depends on that of the input light, a gas absorption line stabilized light source whose accuracy has been evaluated for error may be used as the light source of the input light (reference light).

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ν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。 When the optical frequency synthesizer according to the present embodiment is incorporated in a micro / millimeter wave generator, the reflectance of the FBG 18a disposed on the right side (second end side) of the optical circulator 17 is reduced, and the optical frequency ν i Is output so as to be output together with the light of the optical frequency ν i + N , and the beats of the light of two frequencies emitted from the second end of the optical circulator 17 may be obtained by a photoelectric converter such as a broadband PD. . In addition, the reference frequency signal is swept from 5 GHz to 25 GHz, and the 12-round light is photoelectrically converted by an ultra-wideband PD such as a single traveling carrier PD (UTC-PD), so that a millimeter wave having a frequency from about 60 GHz to about 300 GHz is obtained. Can be generated continuously.

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。   In this embodiment, it goes without saying that the optical frequency of the light finally output can be controlled by setting the reflection center frequency of the FBG 16c to a frequency obtained by changing N in Equation 1 as desired.

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ν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fとなるように設定すればよい。 In this embodiment, it is important that the beat signal to be compared with the microwave reference frequency signal includes the shift amount of the optical frequency due to the fluctuation of the optical circulation delay time that occurs when the loop goes around, and the FBGs 16a and 16b. , 18a and 18b are not essential to set the reflection center frequencies to ν i and ν i + 1 , respectively. That is, the reflection center frequencies of the FBGs 16a, 16b, 18a, and 18b are set so that the optical frequency difference between the reflection center frequencies of the FBGs 16a and 18a and the reflection center frequencies of the FBGs 16b and 16b becomes the optical frequency shift amount f s. That's fine.

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。   As described above, by using continuous light (CW light) whose accuracy of oscillation light frequency such as gas absorption line stabilized laser light is evaluated as light input to the apparatus according to the present embodiment, the apparatus according to the present embodiment is The case where it is used as an optical frequency synthesizer is described. By inputting an optical signal modulated by a data signal or the like to the apparatus according to the present embodiment, an optical signal in which only the optical frequency is converted can be obtained as the output light of the apparatus according to the present embodiment. In this case, the apparatus according to the present embodiment operates as a wavelength conversion apparatus.

(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。
(Example 2)
As shown in FIG. 3, the present embodiment is a configuration of the optical frequency synthesizer according to the first embodiment, in which the FBG 16c is removed, and light having a plurality of optical frequencies that circulate in the loop as output light is simultaneously extracted from the same port. Thus, a short light pulse output is obtained. That is, the optical coupler 21 having no frequency dependency is optically connected to the third end of the optical circulator 14, and the FBGs 16a and 16b are disposed therebetween. Further, a photodiode 19 is arranged on the fourth end side of the optical circulator 14, and light emitted from the fourth end enters the photodiode 19.

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。   The SSB optical modulator 11 is optically connected to the first output port of the optical coupler 21. In addition, an optical fiber is connected to the second output port of the optical coupler 21, and the final output light is output therefrom.

このような構成で、実施例1と同様にして、光周波数ν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。 In such a configuration, in the same manner as in Example 1, and the reference light optical frequency [nu i, part of the circulating light of optical frequency [nu i + 1 interferes been reflected by FBG16a and 16b, the optical circulator 14 And is input to the photodiode 19 to become a beat. Next, in the same manner as in the first embodiment, the SSB optical modulator 11 is controlled so as to cancel the optical frequency variation due to the optical loop delay variation based on the phase comparison between the beat and the microwave reference frequency signal.

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ν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。 In this embodiment, since the optical coupler 21 has no frequency dependence, the input light is branched regardless of the frequency and is output from the two output ports. The light output from these two output ports includes the light from the reference light having the optical frequency ν i to the circulating light having the number of rotations N, that is, all the optical frequencies circulating around the reference light and the optical loop circuit 1. Of light. Therefore, in the present embodiment, the reference light and the light of all the optical frequencies circulating around the optical loop circuit 1 can be used as the final output light. At this time, the final output light can be light in which the influence of fluctuation of the optical frequency due to the loop delay is suppressed.

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。   In addition, since the optical frequency of each circulating light including the optical phase is locked by the PLL configuration of the present embodiment, the light circulating in the optical loop is a short optical pulse when observed in the time domain. Therefore, the final output light is also a short light pulse.

(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。
(Example 3)
The present invention can be realized by using not only an SSB optical modulator but also an optical nonlinear element as an optical frequency shifter. As the optical nonlinear element, a quasi phase matching optical nonlinear element that satisfies the phase matching condition between the light waves over a long element length (longitudinal direction of the element) by periodically inverting the optical axis of the optical crystal can be used. (See Non-Patent Document 2). In Non-Patent Document 2, a lithium niobate waveguide (also simply referred to as PPLN) in which the optical axis of an optical crystal is inverted at a predetermined period is used as a quasi phase matching optical nonlinear element. In this embodiment, as in Non-Patent Document 2, PPLN can be used as the optical nonlinear element.

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ν(波長λ)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。
FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the optical frequency shifter of the optical frequency synthesizer according to the present embodiment.
In FIG. 4, reference numeral 21 denotes a semiconductor laser that excites light (also referred to as first excitation light) having an optical frequency ν 1 (wavelength λ 1 ). The first excitation light oscillated from the semiconductor laser 21 enters the optical branching device 22. The first output port of the optical splitter 22 is optically connected to the first input port of the optical multiplexer 23, and the second output port is optically connected to the optical amplifier 24. Therefore, the first excitation light is branched to the optical multiplexer 23 and the optical amplifier 24 by the optical branching device 22. The optical amplifier 24 is optically connected to the first input port of the PPLN 25.

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λ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。 An optical fiber forming a loop of the optical loop circuit 1 is connected to the second input port of the PPLN 25, and incident light (also simply referred to as incident light) is incident on the optical frequency shifter from the second input port. Is done. The output port of the PPLN 25 is optically connected to the PPLN 29. The phase matching wavelength of the PPLN 25 is set to be approximately equal to the wavelength λ 1 of the first excitation light. Therefore, the PPLN 25 generates the second harmonic when the first excitation light is incident from the optical amplifier 24 to the second input port. At this time, when incident light is incident from the first input port of the PPLN 25, the generated second harmonic plays the role of pump light, and the PPLN 25 has a difference frequency (= the optical frequency of the second harmonic−incident). Optical frequency of light).

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。   That is, the PPLN 25 is set to generate a second harmonic when the light oscillated from the semiconductor laser 21 is incident, and to generate a difference frequency between the second harmonic and the incident light.

一方、符号26は、光周波数ν(波長λ)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。 On the other hand, reference numeral 26 denotes a semiconductor laser that excites light (also referred to as second excitation light) having an optical frequency ν 2 (wavelength λ 2 ). The second excitation light oscillated from the semiconductor laser 26 enters the optical branching device 27. The first output port of the optical splitter 27 is optically connected to the second input port of the optical multiplexer 23, and the second output port is optically connected to the optical amplifier 28. Therefore, the second excitation light is branched to the optical multiplexer 23 and the optical amplifier 28 by the optical branching device 27. The optical amplifier 28 is optically connected to the first input port of the PPLN 29.

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λ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。 The output port of the PPLN 25 is optically connected to the second input port of the PPLN 29, and an optical fiber forming a loop of the optical loop circuit 1 is connected to the output port of the PPLN 29. This output port The light emitted from the optical frequency shifter (also simply referred to as the emitted light) is emitted from. The phase matching wavelength of the PPLN 29 is set to be approximately equal to the wavelength λ 2 of the second excitation light. Therefore, like the PPLN 25, the PPLN 29 generates a second harmonic when the second excitation light is incident, and generates a difference frequency by the second harmonic and the light emitted from the PPLN 25.

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。   That is, the PPLN 29 is set to generate a second harmonic when the light oscillated from the semiconductor laser 26 is incident, and to generate a difference frequency between the second harmonic and the light emitted from the PPLN 25. Yes.

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。   Reference numeral 23 denotes an optical multiplexer, which combines the first excitation light and the second excitation light incident from the optical branching units 22 and 27 and emits the combined light to the photodiode 30. . The photodiode 30 converts the multiplexed light emitted from the optical multiplexer 23 into a beat signal of the first excitation light and the second excitation light, and outputs the beat signal to the phase comparator 31.

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。   The phase comparator 31 has two input ports, the photodiode 30 is electrically connected to the first input port, and the 1/2 frequency divider is connected to the second input port. 32 is electrically connected. The 1/2 frequency divider 32 is electrically connected to the voltage controlled oscillator 10. When a signal having a frequency Δf is input from the voltage controlled oscillator 10, the electrical signal having Δf / 2 is supplied to the phase comparator 31. Output.

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。   The phase comparator 31 compares the phase of the input beat signal and the electric signal of Δf / 2, and outputs a second error signal based on the comparison result to the loop filter 33. The second error signal is input to the semiconductor laser 21 via the loop filter 33. An injection current for driving the semiconductor laser 21 is controlled based on the second error signal.

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ν)を、PPLN25に入射することにより、光周波数が2ν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ν)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2νである第2高調波と光周波数νである入射光との差周波光(第1の差周波光)が、光周波数2ν−νに発生する。
With such a configuration, the optical frequency shifter according to the present embodiment is configured. Hereinafter, a state in which the optical frequency of incident light is shifted using this optical frequency shifter will be described.
FIG. 5 is a diagram illustrating an example of the arrangement of incident light, outgoing light, and excitation light on the optical frequency axis according to the present embodiment.
First, the first excitation light (optical frequency ν 1 ) from the semiconductor laser 21 is incident on the PPLN 25 to generate the second harmonic of the first excitation light having an optical frequency of 2ν 1 . At this time, when incident light (optical frequency ν i ) is incident on the PPLN 25, as can be seen from FIG. 5, the generated second harmonic wave having the optical frequency 2ν 1 and the incident light having the optical frequency ν i are generated in the PPLN 25. Difference frequency light (first difference frequency light) is generated at the optical frequency 2ν 1 −ν i .

PPLN29では、半導体レーザ26からの第2の励起光(光周波数ν)により、光周波数が2ν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2ν−ν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2ν−(2ν−ν)=ν+2(ν−ν)に発生する。この光周波数ν+2(ν−ν)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。 In the PPLN 29, the second excitation light (optical frequency ν 2 ) from the semiconductor laser 26 generates the second harmonic of the second excitation light having an optical frequency of 2ν 2 . At this time, when light having an optical frequency of 2ν 1 −ν i is incident on the PPLN 29 from the PPLN 25, as can be seen from FIG. 5, the difference frequency light between the light and the second harmonic of the second excitation light (second (Difference frequency light) is generated at an optical frequency 2ν 2 − (2ν 1 −ν i ) = ν i +2 (ν 2 −ν 1 ). The difference frequency light having the optical frequency ν i +2 (ν 2 −ν 1 ) is emitted from the PPLN 29 as outgoing light. That is, it is possible to obtain outgoing light whose optical frequency is shifted by twice the frequency difference between the first excitation light and the second excitation light.

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。   Here, in order to stabilize the optical frequency difference between the first excitation light and the second excitation light to the input microwave reference frequency signal, frequency offset locking is performed by a PLL circuit. That is, a part of the first excitation light and the second excitation light interfere with each other, and the beat frequency is Δf / 2 which is half the frequency (frequency Δf) for obtaining the same accuracy as the input microwave reference frequency signal. The injection current of the semiconductor laser 21 is controlled so as to lock. That is, the injection current to the semiconductor laser 21 is controlled based on the frequency Δf / 2 and the beat frequency from the photodiode 30 so as to cancel out the optical frequency fluctuation due to the optical loop delay fluctuation.

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。   In this embodiment, the amount of shift in the optical frequency shifter can be controlled by setting the phase matching wavelength of PPLN 25 and PPLN 29 and the excitation wavelength of semiconductor laser 21 and semiconductor laser 26 as desired. Needless to say.

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。   In the first and second embodiments, the optical frequency shifter according to the present embodiment can be used instead of the SSB optical modulator.

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。   As described in the first embodiment, it is possible to configure the wavelength converter using the optical frequency synthesizer described in the second and third embodiments.

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。It is a block diagram of the optical frequency synthesizer which concerns on one Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram of the optical frequency synthesizer which concerns on one Embodiment of this invention. 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。It is a block diagram of the optical frequency synthesizer which concerns on one Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows the structure of the optical frequency shifter of the optical frequency synthesizer which concerns on one Embodiment of this invention. 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。It is a figure which shows an example of arrangement | positioning on the optical frequency axis of incident light, outgoing light, and excitation light based on one Embodiment of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Optical loop circuit 2 Optical frequency shifter 3 Multiplexer 4 Optical output circuit 5 Optical interference circuit 6 Photoelectric conversion means 7 Phase comparator 8 Microwave reference frequency oscillator 9 Loop filter 10 Voltage control oscillator

Claims (5)

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。
An optical frequency shifter that shifts the optical frequency of the input light by a predetermined shift amount, an optical loop circuit that includes the optical frequency shifter inside, light that circulates through the optical loop circuit, and the outside of the optical loop circuit And a light output circuit for outputting light of one or more specific optical frequencies out of the light loop circuit out of the light loop circuit. In an optical frequency synthesizer that outputs an output light in a wide-band optical frequency range by shifting the optical frequency by a predetermined number of times,
The circulating light output from the optical output circuit that circulates the optical loop circuit a predetermined number of times K and the circulating light that circulates the optical loop circuit a predetermined number of times L (K and L are zero or natural numbers, ≠ L), an optical interference circuit that picks up, interferes and outputs,
Photoelectric conversion means for converting the interference light output from the optical interference circuit into an electrical signal and outputting the electrical signal;
An input port for inputting a microwave reference frequency signal is compared, and the phase of the microwave reference frequency signal input from the input port is compared with the electrical signal output from the photoelectric conversion means, and the phase difference is determined. A phase comparator that outputs a corresponding error signal;
An optical frequency synthesizer comprising: a voltage controlled oscillator that controls an oscillation frequency based on an error signal output from the phase comparator and drives the optical frequency shifter based on the oscillation frequency.
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。   2. The optical frequency synthesizer according to claim 1, further comprising means for filtering an error signal output from the phase comparator to pass a predetermined frequency component. 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。   3. The optical frequency synthesizer according to claim 1, wherein the optical frequency shifter is a single sideband (SSB) optical modulator. 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。
The optical frequency shifter is
An optical nonlinear element made of an optical nonlinear material;
3. The optical frequency synthesizer according to claim 1, further comprising: an optical multiplexing unit that combines the excitation light of the nonlinear material and the incident light to the optical frequency shifter and couples the combined light to the optical nonlinear element.
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。   A wavelength converter comprising the optical frequency synthesizer according to claim 1.
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