特開 2017-129775 光信号の周波数差を比較する方法ならびに光信号の位相を同期させる方法および装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-129775(P2017-129775A)

(43)【公開日】2017年7月27日

(54)【発明の名称】光信号の周波数差を比較する方法ならびに光信号の位相を同期させる方法および装置

(51)【国際特許分類】

   G02F 2/00 20060101AFI20170630BHJP

【ＦＩ】

   G02F2/00

【審査請求】有

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2016-9701(P2016-9701)

(22)【出願日】2016年1月21日

(11)【特許番号】特許第6130527号(P6130527)

(45)【特許公報発行日】2017年5月17日

(71)【出願人】

【識別番号】504261077

【氏名又は名称】大学共同利用機関法人自然科学研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100110423

【弁理士】

【氏名又は名称】曾我 道治

(74)【代理人】

【識別番号】100111648

【弁理士】

【氏名又は名称】梶並 順

(74)【代理人】

【識別番号】100147500

【弁理士】

【氏名又は名称】田口 雅啓

(74)【代理人】

【識別番号】100166235

【弁理士】

【氏名又は名称】大井 一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100179914

【弁理士】

【氏名又は名称】光永 和宏

(74)【代理人】

【識別番号】100179936

【弁理士】

【氏名又は名称】金山 明日香

(72)【発明者】

【氏名】木内 等

【テーマコード（参考）】

2K102

【Ｆターム（参考）】

2K102AA30

2K102BA01

2K102BA18

2K102BB02

2K102BB03

2K102BC04

2K102BC07

2K102BD01

2K102BD09

2K102DB04

2K102EA25

2K102EB20

2K102EB22

(57)【要約】

【課題】光信号の周波数差を比較する方法において、光・電気信号変換を行う変換器の必要数を低減することを目的とする。
【解決手段】光発振器１０は、周波数差Δｆ１だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ光波Ｗ１’および光波Ｗ２’を含む光信号Ｌ１’と、周波数差Δｆ２だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ光波Ｗ３および光波Ｗ４を含む光信号Ｌ２とを合成することにより、光信号Ｌ３を生成する。光発振器１０は、光信号Ｌ３を、光波Ｗ１’および光波Ｗ３を含む光信号Ｌ４と、光波Ｗ２’および光波Ｗ４を含む光信号Ｌ５とに分波する。光発振器１０は、光信号Ｌ４に含まれる光波Ｗ１’および光波Ｗ３の間の周波数差Δｆ３と、光信号Ｌ５に含まれる光波Ｗ２’および光波Ｗ４の間の周波数差Δｆ４とに基づいて、Δｆ１とΔｆ２とを比較する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光信号の周波数差を比較する方法であって、
第１周波数差だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ第１光波および第２光波を含む第１光信号と、第２周波数差だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ第３光波および第４光波を含む第２光信号とを合成することにより、第３光信号を生成するステップと、
前記第３光信号を、前記第１光波および前記第３光波を含む第４光信号と、前記第２光波および前記第４光波を含む第５光信号とに分波するステップと、
前記第４光信号に含まれる前記第１光波および前記第３光波の間の第３周波数差と、前記第５光信号に含まれる前記第２光波および前記第４光波の間の第４周波数差とに基づいて、前記第１周波数差と前記第２周波数差とを比較するステップと
を備える、方法。

【請求項2】

第３光信号を生成するステップの前に、前記第１光信号または前記第２光信号の周波数をシフトさせるステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１周波数差と前記第２周波数差とを比較する前記ステップは、
前記第４光信号に基づいて、前記第３周波数差に対応する周波数を持つ第１電気信号を生成するステップと、
前記第５光信号に基づいて、前記第４周波数差に対応する周波数を持つ第２電気信号を生成するステップと、
前記第１電気信号および前記第２電気信号の差位相を検出するステップと、
を備える、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

請求項３に記載の方法を用いて光信号の位相を同期させる方法であって、
前記第１周波数差は制御対象として可変であり、
前記第２周波数差は制御の目標となる基準値であり、
前記方法は、前記差位相に基づいて前記第１周波数差を変更するステップをさらに備える、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記第１周波数差を変更する前記ステップは、
前記差位相に対応する周波数間隔を持つ光コムを生成するステップと、
前記光コムから前記第１光波および前記第２光波を抽出するステップと、
を備え、
前記方法は、さらに、前記光コムから、前記第１光波とも前記第２光波とも異なる光波を少なくとも１つ含む２光波を抽出するステップを備える、請求項４に記載の方法。

【請求項6】

請求項４または５に記載の方法を用いて光信号の位相を同期させる装置であって、
前記第１光信号を生成する光２波発生手段と、
前記第１光信号および前記第２光信号を合成する光カプラと、
前記第３光信号を、前記第４光信号および前記第５光信号に分波する光分波器と、
を備える、装置。

【請求項7】

前記第４光信号に基づいて、前記第３周波数差に対応する周波数を持つ第１電気信号を生成する第１光検出器と、
前記第５光信号に基づいて、前記第４周波数差に対応する周波数を持つ第２電気信号を生成する第２光検出器と、
をさらに備え、
前記第１光検出器および前記第２光検出器の検出可能周波数範囲の上限は、前記第１周波数差よりも低い、請求項６に記載の装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、光信号の周波数差を比較する方法ならびに光信号の位相を同期させる方法および装置に関する。

【背景技術】

【0002】

コヒーレントなレーザ光２波を用いると、遠方に高安定高周波基準信号を送ることが可能である。これにより広大なコヒーレント系を構築することができる。この光２波のビート信号として伝送される高周波基準信号は、光・電気信号変換され、電気的な発振器と位相同期回路を用いた位相同期が行われ、新たな周波数が生成される。現在では、光２波で伝送される基準信号は低周波から１００ＧＨｚ以上の広い周波帯域に及んでいる。このため、光・電気信号変換に用いられるフォトミキサまたは周波数変換器も低周波用から高周波用まで各種用意する必要がある。これの良い例がＡＬＭＡ（Atacama Large Millimeter/submillimeter Array）である。ＡＬＭＡの構成は非特許文献１に記載される。

【0003】

マイクロ波からテラヘルツ波領域での高位相安定信号の発生は、今後大いに発展が期待される分野であり、高速光通信、高周波天文学などで必要性が高まっている。

【0004】

高周波・広帯域な信号の発生には、フォトニック技術を用いるのが有利である。また、光信号はファイバ伝送により遠方にまで容易に配信できる。近年、光高周波基準信号を広域に配信し、広大なコヒーレント系を構築したシステムが実現され始めた。高い周波数の基準信号は、配信先での逓倍器等を必要とせず、コヒーレンスの維持に有利である。この良い例がＡＬＭＡである。光高周波基準信号は、コヒーレントなレーザ光２波のビート信号として発生・伝送される。従来の技術では、この光高周波基準信号は、フォトミキサ等を用いた光電気変換により電気信号に変えられ周波数基準となり、制御対象の信号との周波数差の比較に用いられる。

【0005】

図５は、このような周波数差の比較を行うための従来の構成の一例を示す。この構成は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）と呼ばれる方式のものである。光２波発生手段は２つの光波を含む光信号を発生する。この光信号は光分配器で２つに分配される。分配された光信号の一方は光電気変換を受け、光２波の周波数差に相当する周波数を持つ高周波電気信号として出力信号が出力される。他方も光電気変換を受け、同様に光電気変換を受けた基準光信号との差位相が検出される。この差位相に基づいて、光２波発生手段が発生する光信号の周波数が制御される。

【0006】

図６は、周波数差の比較を行うための従来の構成の別の例を示す。この構成は、光基準信号に同期したＰＬＬ発振器を表す。この例では光２波発生手段に代えて高周波電気信号発生手段が用いられている。高周波電気信号発生手段からの信号は分配器で２つに分配され、一方は出力信号となる。他方と、光電気変換を受けた基準光信号との差位相が検出され、この差位相に基づいて、高周波電気信号発生手段が発生する電気信号の周波数が制御される。

【0007】

このように、いずれの従来例においても、少なくとも基準光信号における光２波の周波数差を検出するための光電気変換器が必要となる。この光電気変換器は、基準光信号が取り得る周波数範囲の全域にわたって動作可能でなければならない。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】J. F. Cliche, et al, 「A 100-GHz-tunable photonic millimeter wave synthesizer for the Atacama Large Millimeter Array radio telescope」、IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, 2007, p. 349-352

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

上述のような従来の方法では、光２波で伝送される基準信号の周波数範囲の広さに応じて、光・電気信号変換を行う変換器の必要数が増大するという問題があった。

【0010】

現在では、光２波で伝送される基準信号は低周波から１００ＧＨｚ以上の広い周波帯域に及んでいる。このため広帯域システムでは、光・電気信号変換を行う変換器（高周波フォトミキサ、周波数変換用の高周波ミキサすなわちハーモニックミキサ等）を低周波用から高周波用まで各種用意する必要がある。この結果として、システムの構成が複雑になり、場合によっては高価なものともなる。

【0011】

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、光・電気信号変換を行う変換器の必要数を低減する周波数差比較方法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】

【0012】

このような問題を解決するため、この発明に係る光信号の周波数差を比較する方法は、
第１周波数差だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ第１光波および第２光波を含む第１光信号と、第２周波数差だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ第３光波および第４光波を含む第２光信号とを合成することにより、第３光信号を生成するステップと、
前記第３光信号を、前記第１光波および前記第３光波を含む第４光信号と、前記第２光波および前記第４光波を含む第５光信号とに分波するステップと、
前記第４光信号に含まれる前記第１光波および前記第３光波の間の第３周波数差と、前記第５光信号に含まれる前記第２光波および前記第４光波の間の第４周波数差とに基づいて、前記第１周波数差と前記第２周波数差とを比較するステップと
を備える。
第３光信号を生成するステップの前に、前記第１光信号または前記第２光信号の周波数をシフトさせるステップをさらに備えてもよい。
前記第１周波数差と前記第２周波数差とを比較する前記ステップは、
前記第４光信号に基づいて、前記第３周波数差に対応する周波数を持つ第１電気信号を生成するステップと、
前記第５光信号に基づいて、前記第４周波数差に対応する周波数を持つ第２電気信号を生成するステップと、
前記第１電気信号および前記第２電気信号の差位相を検出するステップと、
を備えてもよい。

【0013】

また、この発明に係る光信号の位相を同期させる方法は、上述の方法を用い、
前記第１周波数差は制御対象として可変であり、
前記第２周波数差は制御の目標となる基準値であり、
前記方法は、前記差位相に基づいて前記第１周波数差を変更するステップをさらに備える。
前記第１周波数差を変更する前記ステップは、
前記差位相に対応する周波数間隔を持つ光コムを生成するステップと、
前記光コムから前記第１光波および前記第２光波を抽出するステップと、
を備え、
前記方法は、さらに、前記光コムから、前記第１光波とも前記第２光波とも異なる光波を少なくとも１つ含む２光波を抽出するステップを備えてもよい。

【0014】

また、この発明に係る光信号の位相を同期させる装置は、上述の方法を用い、
前記第１光信号を生成する光２波発生手段と、
前記第１光信号および前記第２光信号を合成する光カプラと、
前記第３光信号を、前記第４光信号および前記第５光信号に分波する光分波器と、
を備える。
前記第４光信号に基づいて、前記第３周波数差に対応する周波数を持つ第１電気信号を生成する第１光検出器と、
前記第５光信号に基づいて、前記第４周波数差に対応する周波数を持つ第２電気信号を生成する第２光検出器と、
をさらに備え、
前記第１光検出器および前記第２光検出器の検出可能周波数範囲の上限は、前記第１周波数差よりも低いものであってもよい。

【発明の効果】

【0015】

本発明に係る、光信号の周波数差を比較する方法ならびに光信号の位相を同期させる方法および装置によれば、２つの光信号を合成し、対応する光波対ごとに分波してから周波数差を検出して比較するので、光・電気信号変換が必要となる周波数範囲が限定され、変換器の必要数を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施の形態１に係る光発振器の構成の例を示す図である。

【図2】第３光信号のスペクトルを示す図である。

【図3】本発明の実施の形態２に係る光発振器の構成の例を示す図である。

【図4】本発明の実施の形態３に係る光発振器の構成の例を示す図である。

【図5】周波数差の比較を行うための従来の構成の一例を示す図である。

【図6】周波数差の比較を行うための従来の構成の別の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

まず、本発明の概要および動作原理を説明する。本発明は、光信号の周波数差を比較する方法、光信号の位相を同期させる方法、および、光信号の位相を同期させる装置に関する。これらの発明は、２光波で送られてくる高周波基準信号から、高周波フォトミキサを用いることなく基準信号位相を取り出し、制御対象となる光２波を発生する光信号発振器に位相同期を掛けることを可能にする。

【0018】

本発明の方式によれば、光高周波基準信号を直接光電気変換することなく、光高周波基準信号と光発振器から出力される信号との位相差を、光周波数シフタを用いたり、光２波発生手段のレーザ光源波長を僅かにずらしたりすることにより、低周波光検出器２台を用いてそれぞれ検出される位相の差として測定することができる。この方式では、低周波から高周波までの光高周波基準信号との同期が、同一種類の少数の低周波光検出器（たとえば２台）で実現可能である。

【0019】

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に係る光発振器１０の構成の例を示す。光発振器１０は、光２波発生手段１１と、光分配器１２と、光電気変換器１３と、光周波数シフタ１４と、光カプラ１５と、光分波器１６と、光検出器１７および１８と、差位相検出器１９とを備える。これらの構成要素のうち、光電気変換器１３を除くものが、位相同期ループを構成する。この光発振器１０は、以下に記載する方法を用いて光信号の周波数差を比較し、または、光信号の位相を同期させる。

【0020】

なお、周波数と位相は、微分または積分演算を介して相互に変換可能であるので、本明細書では、周波数と位相を等価なものとして扱う場合がある。以下では、「周波数差」、「位相差」および「差位相」という用語は、互いに交換可能である。

【0021】

光２波発生手段１１は、たとえば図示しないレーザ光を光源として動作する。光２波発生手段１１は光信号Ｌ１（第１光信号）を生成する。光信号Ｌ１は、光波Ｗ１（第１光波）および光波Ｗ２（第２光波）を含む。図１の例では、光波Ｗ１の周波数は光波Ｗ２の周波数よりも低いものとする。光波Ｗ１および光波Ｗ２は、互いに周波数差Δｆ１（第１周波数差）だけ隔てられた周波数を持つ。光波Ｗ１および光波Ｗ２（ならびに後述の各光波）は、それぞれ単一の周波数成分からなる。

【0022】

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発振器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。

【0023】

また、本明細書では、説明の便宜上、単一の周波数成分のみからなる光を「光波」と呼び、複数の周波数成分を含む光を「光信号」と呼んで区別する。とくに、「光信号」とは、２つの光波の周波数差が表す信号を意味する場合がある。しかしながら、これらの用語はそれぞれそのような意味には限定されず、たとえば光波が複数の周波数成分を含んでもよい。

【0024】

Δｆ１は可変であり、制御対象となる。たとえば、光２波発生手段１１は、外部から入力される所定の制御信号（たとえば後述の制御信号Ｓ２であるが、これに加えて図示しない他の制御信号を用いてもよい）に応じ、Δｆ１を変更することができる。このような光２波発生手段１１は、たとえばシンセサイザで駆動されるマッハツェンダ型光変調器を用いた光２波発生器を用いて実現可能である。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。

【0025】

別の例として、光２波発生手段１１は、ＰＬＬ型のものを用いて構成することもできる。ＰＬＬ型では光カプラを用いて、高安定レーザと、波長可変レーザとを合成することにより、光信号Ｌ１を生成する。光信号Ｌ１は２経路に分配され、一方は出力となり、他方は波長可変レーザの波長を制御するためにフィードバックされる。フィードバックは、たとえば、まず光信号Ｌ１をフォトミキサによりマイクロ波信号に変換し、次に、このマイクロ波信号と、外部制御信号に応じて変化する制御用マイクロ波信号とをマイクロ波ハーモニックミキサ等で合成し、合成されたマイクロ波信号にフィルタを作用させて必要な周波数を抽出し、抽出された信号を波長可変レーザの生成装置に入力するという構成により行われる。

【0026】

さらに別の例として、光２波発生手段１１は、ＳＳＢ（シングルサイドバンド）変調器型のものを用いて構成することもできる。この例では、ＳＳＢ変調器が、入力レーザ（高安定レーザである必要はない）を、変調信号（ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号）に基づいて変調することにより、光信号Ｌ１を生成する。この変調信号（ｓｉｎ信号およびｃｏｓ信号）は、たとえば９０度ハイブリッド回路を用い、外部制御信号に応じて変化する制御用マイクロ波信号に基づいて生成することができる。

【0027】

さらに別の例として、光２波発生手段１１は、ＡＯ（音響光学素子）変調器型のものを用いて構成することもできる。この例では、ＡＯ変調器が、入力レーザ（高安定レーザである必要はない）を、外部制御信号に応じて変化する制御用マイクロ波信号に基づいて変調することにより、光信号Ｌ１を生成する。

【0028】

光分配器１２は、入力された光信号Ｌ１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電気変換器１３に入力され、他方は光周波数シフタ１４に入力される。

【0029】

光電気変換器１３は、光信号Ｌ１に対して光電気変換を実施し、出力信号Ｓ１としての電気信号を発生する。光信号Ｌ１に含まれる光波Ｗ１および光波Ｗ２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を出力する。このようにして、実施の形態１に係る光発振器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。

【0030】

光周波数シフタ１４は、光信号Ｌ１の周波数をシフトさせる。すなわち、光波Ｗ１および光波Ｗ２の周波数を、それぞれ同じ値だけシフトさせる。図１の例では、光信号Ｌ１の周波数が低い方にシフトされ、光波Ｗ１’および光波Ｗ２’を含む光信号Ｌ１’が生成されている。光波Ｗ１’および光波Ｗ２’の周波数差はΔｆ１に等しい。

【0031】

このシフトの量（シフト周波数）は、光２波発生手段１１の不安定性よりも大きな周波数である。言い換えると、シフト周波数は、光波Ｗ１と光波Ｗ２との周波数差が誤差等により変動する範囲の幅よりも大きい値である。また、シフト周波数は、Δｆ１よりも小さく、好ましくははるかに小さい。このシフト周波数は、たとえば後述の光検出器１７および１８の動作周波数範囲に含まれる値となるよう設計される。

【0032】

ここで、光信号Ｌ１および光信号Ｌ１’は、互いに異なる周波数成分を含むものであるが、いずれも周波数成分間の周波数差はΔｆ１であって互いに等しいので、光発振器１０においては本質的に等価な光信号とみなすことができる。したがって、本発明に関して、光信号Ｌ１と光信号Ｌ１’とは、いずれも第１光信号として解釈することが可能である。また、同様に、光波Ｗ１と光波Ｗ１’とは、いずれも第１光波として解釈することが可能であり、光波Ｗ２と光波Ｗ２’とは、いずれも第２光波として解釈することが可能である。

【0033】

光カプラ１５は、光信号Ｌ１’と、光信号Ｌ２（第２光信号）とを合成する。光信号Ｌ２は外部から入力される所定の基準光信号である。光信号Ｌ２は、光波Ｗ３（第３光波）および光波Ｗ４（第４光波）を含む。図１の例では、光波Ｗ３の周波数は光波Ｗ４の周波数よりも低いものとする。光波Ｗ３および光波Ｗ４は、互いに周波数差Δｆ２（第２周波数差）だけ隔てられた周波数を持つ。Δｆ２は、制御の目標（たとえば光発振器１０が生成すべき出力信号の周波数基準）として入力されるものである。

【0034】

光カプラ１５は、このように光信号Ｌ１’と、光信号Ｌ２とを合成することにより、光信号Ｌ３（第３光信号）を生成して出力する。光信号Ｌ３は、光波Ｗ１’，Ｗ２’，Ｗ３，Ｗ４を含む。

【0035】

図２に、光信号Ｌ３のスペクトルを示す。上述のように、光波Ｗ１’と光波Ｗ２’との周波数差はΔｆ１であり、光波Ｗ３と光波Ｗ４との周波数差はΔｆ２である。ここで、光波Ｗ１’と光波Ｗ３との周波数差をΔｆ３（第３周波数差）とし、光波Ｗ２’と光波Ｗ４との周波数差をΔｆ４（第４周波数差）とすると、Δｆ１−Δｆ２＝Δｆ３−Δｆ４となることが図２より明らかである。

【0036】

光２波発生手段１１の光源であるレーザの波長と、基準光信号（光信号Ｌ２）の光源であるレーザの波長とは、互いに異なる位相不安定性（ふらつき）を持つ。しかしながら、上式により計算される値には、これらの位相不安定性により発生する誤差は相殺されるため入り込まない。図２を参照して説明すると、光波Ｗ１’と光波Ｗ２’とが互いに同一のふらつきを有して一体としてふらつき、光波Ｗ３と光波Ｗ４とが互いに同一のふらつきを有して一体としてふらつくため、上式のように差をとるとふらつきを相殺することができる。当業者であれば、図２に基づいてこのような原理を容易に理解する。

【0037】

光発振器１０は、Δｆ３とΔｆ４とに基づき、Δｆ１とΔｆ２とを比較する。この比較はどのように実行されてもよいが、図１の例では以下に説明する方法で実行される。

【0038】

光分波器１６は、光信号Ｌ３を、光信号Ｌ４（第４光信号）および光信号Ｌ５（第５光信号）に分離する。ここで、光信号Ｌ４は光波Ｗ１’および光波Ｗ３を含み、光信号Ｌ５は光波Ｗ２’および光波Ｗ４を含む。このような動作はたとえば、光信号Ｌ３から、所定の閾値周波数未満の周波数成分と、閾値周波数を超える周波数成分とをそれぞれ抽出することにより実現可能である。図２の例では、光波Ｗ３の周波数と光波Ｗ２’の周波数との中点の周波数を閾値周波数として選択することができる。

【0039】

光分波器１６によって分離された出力のうち一方は光検出器１７に入力され、他方は光検出器１８に入力される。光検出器１７は、光信号Ｌ４に基づき、Δｆ３に対応する周波数を持つ電気信号Ｅ１（第１電気信号）を生成する。たとえば、光検出器１７は、光信号Ｌ４に対して光電気変換を行い、Δｆ３に等しい周波数を持つ電気信号として、電気信号Ｅ１を生成する。同様に、光検出器１８は、光信号Ｌ５に基づき、Δｆ４に対応する周波数を持つ電気信号Ｅ２（第２電気信号）を生成する。たとえば、光検出器１８は、光信号Ｌ５に対して光電気変換を行い、Δｆ４に等しい周波数を持つ電気信号として、電気信号Ｅ２を生成する。

【0040】

ここで、光検出器１７および１８は、元の光信号Ｌ１における周波数差Δｆ１に関わらず、それぞれ光信号Ｌ４およびＬ５における周波数差Δｆ３およびΔｆ４を検出できればよい。このため、光検出器１７および１８の動作周波数範囲は、Δｆ１の変動範囲（低周波から１００ＧＨｚ以上の広範囲に及び得る）に関わらず、Δｆ３またはΔｆ４の変動範囲（たとえば数ＭＨｚから数百ＭＨｚ程度）に合わせて設計すればよく、より少数の光検出器（たとえば単一のもの）によってカバーすることができる。言い換えると、光検出器１７および１８の検出可能周波数範囲の上限を、Δｆ１よりも低い値（好ましくははるかに低い値）に設計することにより、光検出器の必要数を低減することができる。

【0041】

差位相検出器１９は、電気信号Ｅ１およびＥ２に基づき、Δｆ３とΔｆ４とを比較する。比較の動作はどのように行われてもよいが、本実施形態では電気信号Ｅ１と電気信号Ｅ２との差位相を検出することによって行われる。

【0042】

このように、実施の形態１では、光検出器１７および１８と差位相検出器１９とが、Δｆ３とΔｆ４とに基づいてΔｆ１とΔｆ２とを比較するための比較装置（比較手段）として機能する。

【0043】

Δｆ３とΔｆ４との比較の結果は、どのように出力または利用されてもよいが、図１の例では、制御信号Ｓ２として出力され、光２波発生手段１１の動作を制御するために用いられる。たとえば光２波発生手段１１は、制御信号Ｓ２によって表される電気信号Ｅ１およびＥ２の差位相に基づき、光信号Ｌ１におけるΔｆ１を変更する。たとえば、Δｆ１がΔｆ２に一致するように、またはΔｆ１がΔｆ２に近づくように変更する。このような制御によって、光発振器１０は、光信号Ｌ１の位相を光信号Ｌ２の位相と同期させることができる。

【0044】

なお、光周波数シフタ１４によるシフトは、光波Ｗ１および光波Ｗ２に対して同一の作用を及ぼすので、差位相検出器１９における検出動作において除去され、制御信号Ｓ２には（少なくとも直接的には）影響を与えない。

【0045】

以上説明されるように、本発明の実施の形態１に係る光発振器１０によれば、光検出器１７および１８の動作周波数範囲を、Δｆ１の変動範囲に関わらず、Δｆ３またはΔｆ４の変動範囲に合わせて設計すればよいので、光検出器の必要数を低減することができる。

【0046】

また、光発振器１０によれば、以下の特徴が実現される。
光発振器１０は、光高周波基準信号（光信号Ｌ２）を直接的に光電気変換することなく、光信号Ｌ２の位相と、光発振器１０によって出力される信号（光信号Ｌ１）の位相との差を得る。これを実現するために、光発振器１０は、光周波数シフタ１４を用いて、光２波発生手段１１の光源となるレーザの波長を僅かにずらすことにより、低周波の光検出器２台がそれぞれ検出する周波数の差を測定する。

【0047】

光発振器１０は、光高周波基準信号を高周波数のまま直接的に電気信号に変換するのではなく、光信号として直接的に入力する。

【0048】

光発振器１０は、低周波から高周波まで（たとえばマイクロ波領域からテラヘルツ波領域まで）の光高周波基準信号に対して、同一の低周波光検出器２台で対応可能である。

【0049】

光発振器１０は、位相比較を低い周波数で行うことができ、位相同期ループ内に高周波フォトミキサや高周波ミキサなどの高周波部品が不要である。

【0050】

実施の形態２．
実施の形態１では、差位相検出器１９の出力が光２波発生手段１１に直接入力される。実施の形態２では、これらの間に、信号を操作する構成要素が追加される。以下、実施の形態１との相違点を説明する。

【0051】

図３に、実施の形態２に係る光発振器１１０の構成の例を示す。光発振器１１０は、実施の形態１に係る光発振器１０の構成に加えて、位相差検出器１２２を備える。位相差検出器１２２には、差位相検出器１９の出力としての差位相信号Ｓ１０２と、所定のずれに対応する周波数のオフセット周波数信号Ｓ１０３とが入力される。オフセット周波数信号Ｓ１０３は、たとえばマイクロ波周波数の電気信号である。位相差検出器１２２は、これら２つの信号の位相差を検出して出力する。この出力は、たとえば制御信号Ｓ１０４として光２波発生手段１１に入力される。光２波発生手段１１は、この制御信号Ｓ１０４に応じ、Δｆ１を変更する。

【0052】

このような構成によれば、Δｆ１の制御がより柔軟に行える。たとえばオフセット周波数信号Ｓ１０３の周波数を制御することにより、Δｆ２を固定したままでΔｆ１を動的に変更することができる。

【0053】

また、実施の形態１に係る光発振器１０と同様に、光検出器１７および１８の動作周波数範囲を、Δｆ１の変動範囲に関わらず、Δｆ３またはΔｆ４の変動範囲に合わせて設計すればよいので、光検出器の必要数を低減することができる。

【0054】

実施の形態３．
実施の形態１および２では、光電気変換器１３に入力される光信号と、光周波数シフタ１４に入力される光信号とは、いずれも同一の光信号Ｌ１であった。実施の形態３では、光コムを用い、光電気変換器１３および光周波数シフタ１４にそれぞれ異なる対の光波が抽出され入力される。以下、実施の形態２との相違点を説明する。

【0055】

図４に、実施の形態３に係る光発振器２１０の構成の例を示す。光発振器２１０は、実施の形態２に係る光発振器１１０の構成における光２波発生手段１１および光分配器１２に代えて、光コム発生手段２０２と、光分配器２１２と、第１の光２波選択手段２１１ａと、第２の光２波選択手段２１１ｂとを備える。

【0056】

光コム発生手段２０２は、位相差検出器１２２から入力される制御信号Ｓ１０４に基づいて、光コムＬ６を生成する。光コムＬ６は、少なくとも３つの光波を含む。各光波は、制御信号Ｓ１０４の周波数に応じた周波数差ｆｃｏｍだけ隔てられている。ここで、制御信号Ｓ１０４の周波数は、電気信号Ｅ１およびＥ２の差位相に基づいて決定されるので、光コムＬ６は、この差位相に対応する周波数間隔を持つということができる。

【0057】

光分配器２１２は、入力された光コムＬ６を２つの出力に分配する。分配された出力のうち一方は第１の光２波選択手段２１１ａに入力され、他方は第２の光２波選択手段２１１ｂに入力される。

【0058】

第１の光２波選択手段２１１ａは、光コムＬ６から隣接する２光波（実施の形態１における光波Ｗ１および光波Ｗ２に対応するもの）を選択して抽出し、その２光波を含む光信号を、光信号Ｌ１として出力する。すなわち、光信号Ｌ１における周波数差（図１におけるΔｆ１）はｆｃｏｍに等しくなる。光信号Ｌ１は、実施の形態１および２と同様に光周波数シフタ１４に入力される。

【0059】

第２の光２波選択手段２１１ｂは、光コムＬ６から所定の２光波を選択して抽出し、その２光波を含む光信号Ｌ７を出力する。光信号Ｌ７における周波数差は、第２の２波選択手段２１１ｂの作用に応じ、ｆｃｏｍ×ｎ（ただしｎは２以上の整数）のうちから任意に選択可能となる。図４の例ではｎ＝３である。ｎは動的に変更可能であってもよい。

【0060】

ｎを２以上とすることにより、各光２波選択手段によって抽出される光波の対は異なるものとなる。言い換えると、第２の光２波選択手段２１１ｂによって抽出される２光波のうち少なくとも一方は、第１の光２波選択手段２１１ａによって抽出される２光波（実施の形態１における光波Ｗ１および光波Ｗ２に対応するもの）のいずれとも異なるものとなる。

【0061】

光信号Ｌ７は光電気変換器１３に入力される。光電気変換器１３は、光信号Ｌ７に対して、実施の形態１および２と同様の光電気変換を実施し、出力信号Ｓ１としての電気信号を発生する。

【0062】

このような構成によれば、周波数逓倍機能を備えた光発振器２１０を実現することができる。すなわち、光信号Ｌ７における周波数差は、光信号Ｌ２における周波数差Δｆ２のｎ倍となる。

【0063】

また、実施の形態１に係る光発振器１０と同様に、光検出器１７および１８の動作周波数範囲を、Δｆ１の変動範囲に関わらず、Δｆ３またはΔｆ４の変動範囲に合わせて設計すればよいので、光検出器の必要数を低減することができる。

【0064】

上述の実施の形態３では、ｎ≧２であるが、ｎ＝１の場合を許容してもよい。また、実施の形態３では、第１の光２波選択手段２１１ａは光コムＬ６から隣接する２光波を抽出するが、隣接しない２光波を抽出可能なように構成してもよく、たとえば周波数差をｆｃｏｍ×ｍ（ただしｍは１以上の整数）のうちから任意に選択可能としてもよい。この場合には、ｍ＞ｎまたはｍ＝ｎとしてもよい。とくにｍ＝ｎとすると、実質的に実施の形態２と同等の光発振器が実現される。

【0065】

上述の実施の形態１〜３では、周波数のシフトは、光周波数シフタ１４により光信号Ｌ１に対して行われる。変形例として、周波数のシフトは、光信号Ｌ３が生成されるより前であれば、他の態様で行われてもよい。たとえば、光２波発生手段１１または光コム発生手段２０２の光源となるレーザ光の波長を僅かにずらすことによって行われてもよい（この場合には光周波数シフタ１４は不要となる）し、光周波数シフタにより光信号Ｌ２に対して行われてもよい。なお、光信号Ｌ２（光波Ｗ３および光波Ｗ４）の周波数をシフトさせる構成では、光信号Ｌ２と、光信号Ｌ２がシフトされたものとは、いずれも第２光信号として解釈することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0066】

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】

【0067】

１０，１１０，２１０ 光発振器（光信号の位相を同期させる装置）、１１ 光２波発生手段、１２，２１２ 光分配器、１３ 光電気変換器、１４ 光周波数シフタ、１５ 光カプラ、１６ 光分波器、１７，１８ 光検出器、１９ 差位相検出器、１２２ 位相差検出器、２０２ 光コム発生手段、２１１ａ，２１１ｂ 光２波選択手段、Ｅ１，Ｅ２ 電気信号（第１電気信号，第２電気信号）、Ｌ１，Ｌ１’ 光信号（第１光信号）、Ｌ２〜Ｌ５ 光信号（第２光信号〜第５光信号）、Ｌ６ 光コム、Ｌ７ 光信号、Ｗ１，Ｗ１’ 光波（第１光波）、Ｗ２，Ｗ２’ 光波（第２光波）、Ｗ３，Ｗ４ 光波（第３光波，第４光波）、Δｆ１〜Δｆ４ 周波数差（第１周波数差〜第４周波数差）。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【手続補正書】

【提出日】2017年1月5日

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１２

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0012】

このような問題を解決するため、この発明に係る光信号の位相を同期させる方法は、
第１周波数差だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ第１光波および第２光波を含む第１光信号と、第２周波数差だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ第３光波および第４光波を含む第２光信号とを合成することにより、第３光信号を生成するステップと、
前記第３光信号を、前記第１光波および前記第３光波を含む第４光信号と、前記第２光波および前記第４光波を含む第５光信号とに分波するステップと、
前記第４光信号に基づいて、前記第３周波数差に対応する周波数を持つ第１電気信号を生成するステップと、
前記第５光信号に基づいて、前記第４周波数差に対応する周波数を持つ第２電気信号を生成するステップと、
前記第１電気信号および前記第２電気信号の差位相を検出することにより、前記第１周波数差と前記第２周波数差とを比較するステップと、
前記差位相に基づいて前記第１周波数差を変更するステップと
を備え、
前記第１周波数差は制御対象として可変であり、
前記第２周波数差は制御の目標となる基準値である。
第３光信号を生成するステップの前に、前記第１光信号または前記第２光信号の周波数をシフトさせるステップをさらに備えてもよい。

【手続補正2】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１３

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0013】

前記第１周波数差を変更する前記ステップは、
前記差位相に対応する周波数間隔を持つ光コムを生成するステップと、
前記光コムから前記第１光波および前記第２光波を抽出するステップと、
を備え、
前記方法は、さらに、前記光コムから、前記第１光波とも前記第２光波とも異なる光波を少なくとも１つ含む２光波を抽出するステップを備えてもよい。

【手続補正3】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５６

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0056】

光コム発生手段２０２は、位相差検出器１２２から入力される制御信号Ｓ１０４に基づいて、光コムＬ６を生成する。光コムＬ６は、少なくとも３つの光波を含む。各光波は、制御信号Ｓ１０４の周波数に応じた周波数差ｆｃｏｍｂだけ隔てられている。ここで、制御信号Ｓ１０４の周波数は、電気信号Ｅ１およびＥ２の差位相に基づいて決定されるので、光コムＬ６は、この差位相に対応する周波数間隔を持つということができる。

【手続補正4】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0058】

第１の光２波選択手段２１１ａは、光コムＬ６から隣接する２光波（実施の形態１における光波Ｗ１および光波Ｗ２に対応するもの）を選択して抽出し、その２光波を含む光信号を、光信号Ｌ１として出力する。すなわち、光信号Ｌ１における周波数差（図１におけるΔｆ１）はｆｃｏｍｂに等しくなる。光信号Ｌ１は、実施の形態１および２と同様に光周波数シフタ１４に入力される。

【手続補正5】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５９

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0059】

第２の光２波選択手段２１１ｂは、光コムＬ６から所定の２光波を選択して抽出し、その２光波を含む光信号Ｌ７を出力する。光信号Ｌ７における周波数差は、第２の２波選択手段２１１ｂの作用に応じ、ｆｃｏｍｂ×ｎ（ただしｎは２以上の整数）のうちから任意に選択可能となる。図４の例ではｎ＝３である。ｎは動的に変更可能であってもよい。

【手続補正6】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００６４

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0064】

上述の実施の形態３では、ｎ≧２であるが、ｎ＝１の場合を許容してもよい。また、実施の形態３では、第１の光２波選択手段２１１ａは光コムＬ６から隣接する２光波を抽出するが、隣接しない２光波を抽出可能なように構成してもよく、たとえば周波数差をｆｃｏｍｂ×ｍ（ただしｍは１以上の整数）のうちから任意に選択可能としてもよい。この場合には、ｍ＞ｎまたはｍ＝ｎとしてもよい。とくにｍ＝ｎとすると、実質的に実施の形態２と同等の光発振器が実現される。

【手続補正7】

【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】

光信号の位相を同期させる方法であって、
第１周波数差だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ第１光波および第２光波を含む第１光信号と、第２周波数差だけ隔てられた周波数をそれぞれ持つ第３光波および第４光波を含む第２光信号とを合成することにより、第３光信号を生成するステップと、
前記第３光信号を、前記第１光波および前記第３光波を含む第４光信号と、前記第２光波および前記第４光波を含む第５光信号とに分波するステップと、
前記第４光信号に基づいて、前記第３周波数差に対応する周波数を持つ第１電気信号を生成するステップと、
前記第５光信号に基づいて、前記第４周波数差に対応する周波数を持つ第２電気信号を生成するステップと、
前記第１電気信号および前記第２電気信号の差位相を検出することにより、前記第１周波数差と前記第２周波数差とを比較するステップと、
前記差位相に基づいて前記第１周波数差を変更するステップと
を備え、
前記第１周波数差は制御対象として可変であり、
前記第２周波数差は制御の目標となる基準値である、
方法。

【請求項2】

第３光信号を生成するステップの前に、前記第１光信号または前記第２光信号の周波数をシフトさせるステップをさらに備える、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記第１周波数差を変更する前記ステップは、
前記差位相に対応する周波数間隔を持つ光コムを生成するステップと、
前記光コムから前記第１光波および前記第２光波を抽出するステップと、
を備え、
前記方法は、さらに、前記光コムから、前記第１光波とも前記第２光波とも異なる光波を少なくとも１つ含む２光波を抽出するステップを備える、請求項１または２に記載の方法。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法を用いて光信号の位相を同期させる装置であって、
前記第１光信号を生成する光２波発生手段と、
前記第１光信号および前記第２光信号を合成する光カプラと、
前記第３光信号を、前記第４光信号および前記第５光信号に分波する光分波器と、
を備える、装置。

【請求項5】

前記第４光信号に基づいて、前記第３周波数差に対応する周波数を持つ第１電気信号を生成する第１光検出器と、
前記第５光信号に基づいて、前記第４周波数差に対応する周波数を持つ第２電気信号を生成する第２光検出器と、
をさらに備え、
前記第１光検出器および前記第２光検出器の検出可能周波数範囲の上限は、前記第１周波数差よりも低い、請求項４に記載の装置。