ロック検出装置及び光フェーズロックループシステム
【課題】光フェーズロックループ装置において、入力光信号とビート光信号とのロックを検出することである。
【解決手段】入力光信号及びビート光信号の第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器１０と、第１の位相比較信号を整形するループフィルタ２０と、整形した第１の位相比較信号に基づいてビート光信号を出力する光学電圧制御発振器（ＯＶＣＯ）３０と、を備える光フェーズロックループ装置１と、ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器としてのπ／２シフト器１３０Ａと、入力光信号及び位相シフトされたビート光信号の第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器１４０と、を備え、π／２シフト器１３０Ａは、ビート光信号に対して、第２の位相検出器１４０で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならないπ／２を位相シフトする。
【解決手段】入力光信号及びビート光信号の第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器１０と、第１の位相比較信号を整形するループフィルタ２０と、整形した第１の位相比較信号に基づいてビート光信号を出力する光学電圧制御発振器（ＯＶＣＯ）３０と、を備える光フェーズロックループ装置１と、ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器としてのπ／２シフト器１３０Ａと、入力光信号及び位相シフトされたビート光信号の第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器１４０と、を備え、π／２シフト器１３０Ａは、ビート光信号に対して、第２の位相検出器１４０で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならないπ／２を位相シフトする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロック検出装置及び光フェーズロックループシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、参照電気信号に位相同期した電気信号を出力するフェーズロックループ（ＰＬＬ：Phase-Locked Loop）装置があった。出力周波数が高周波である場合、図１８に示すような、アナログＰＬＬのフェーズロックループ装置２００が用いられる。フェーズロックループ装置２００は、信号源２１０と、位相検出器（phase detector）としての電気ミキサ２２０と、ループフィルタ（loop filter）２３０と、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御発振器）２４０と、プリスケーラ２５０と、を備えて構成される。
【０００３】
位相比較器としての電気ミキサ２２０の動作を図１９に示す。図１９に示すように、電気ミキサ２２０は、信号源２１０からの基準信号としての入力電気信号と、ＶＣＯ２４０から出力されてプリスケーラ２５０により分周された出力電気信号との積を出力する。よって、周波数領域では二つの信号の差周波と和周波とが出力される。差周波成分が二つの信号の位相差を反映しているので、差周波のみをループフィルタ２３０により取り出すことで、電気ミキサ２２０は位相比較器として動作することができる。ループフィルタ２３０は、入力電気信号とＶＣＯ２４０の出力信号との位相差が０度の時は正の信号を、その位相差が９０度の時は０の信号を、位相差が１８０度のときは負の信号を出力し、位相差に応じて信号は連続的に変化する。
【０００４】
このように、アナログＰＬＬは、位相比較器の出力信号が０になるようにＶＣＯを負帰還制御するため、ＶＣＯの出力位相は入力電気信号の位相に対して９０度ずれた状態で同期する。しかし、１００［GHz］以上の周波数の信号を出力するフェーズロックループ装置は次の困難点がある。
１．１００［GHz］以上の信号に対する電気ミキサの製作が困難。
２．１００［GHz］以上の電気信号を出力するＶＣＯの製作が困難。
このため、１００［GHz］以上の電気信号を出力するフェーズロックループ装置は製作が困難である。
【０００５】
これに対して、１００［GHz］以上に信号を出力することができるフェーズロックループ装置として、光フェーズロックループ（Optical Phase-Locked Loop）装置がある（例えば、特許文献１参照）。ここで、図２０を参照して、光フェーズロックループ装置の一例を説明する。
【０００６】
図２０に示すように、光フェーズロックループ装置３００は、合波器３１０及び位相比較器３２０からなる位相検出器と、ループフィルタ３３０と、ＯＶＣＯ（Optical Voltage Controlled Oscillator：光学電圧制御発振器）３４０との三つの要素を備えて構成される。光フェーズロックループ装置３００において、光信号を入力信号とし、入力信号に同期したビート光信号をＯＶＣＯ３４０から出力する。
【０００７】
ＯＰＬＬ３４０は、ＬＤ（Laser Diode）３４１，３４２と、光カプラ３４３とを備える。ＯＶＣＯ３４０において、出力光波長が異なる２つのＬＤ３４１，３４２の出力光を光カプラ３４３で合波する。ここで、ＬＤ３４１，３４２の光出力の偏波は同一にする。その結果、二つの光出力は、光カプラ３４３内で干渉し、光カプラ３４３が波長の差に応じた周波数で振動するビート光を出力する。波長差に対する制限は光カプラ３４３の帯域で決まる。通常の光カプラは、帯域が１０［THz］以上あるため、１００［GHz］以上周波数で振動するビート光を出力することは容易である。また、ＬＤ３４１，３４２は、駆動電流や制御温度によって出力波長を変化させることができる。よって、ＯＶＣＯ３４０は、入力光信号に応じてＬＤ３４１，３４２の出力波長を制御し、出力するビート光信号の周波数を変化させることができる。
【０００８】
位相比較器３２０は、二光子吸収もしくは第二高調波発生、四光波混合、カー効果等の非線形効果を用いて二つの入力信号光強度の位相差に応じた電気信号を出力する。二光子吸収を行なう素子としてＡＰＤ（Avaranche photo diode）、ＰＭＴ（Photon multiplier Tube：光電子増倍管）等があり、第二次高調波発生素子として、非線形結晶、ＰＰＬＮ（Periodical Poled Lithum Niobate：周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶）等があり、 四光波混合素子として、高非線形ファイバ、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）等があり、カー効果を利用する方法として、ＮＯＬＭ（Nonlinear Optical Loop Mirror：非線形光ループミラー）がある。非線形現象は、数１００［fs］よりも短い時間で行われ、１０［THz］以上の周波数帯域を持つため、１００［GHz］以上の信号であっても位相比較を行うことができる。
【０００９】
例えば、Ｓi−ＡＰＤは、波長１５５０［nm］に光に対してほとんど感度を持たないが、８００［nm］よりも短波長の光に感度を持つ。よって、１５５０［nm］の光を入射してもほとんど光電流が発生しないが、１５５０［nm］の二光子吸収現象に対しては感度を持つ。Ｓi−ＡＰＤの表面に焦点を持つように光学系を設置することでより二光子吸収の起こる確率が大きくなり、Ｓi−ＡＰＤ全体に光を照射するのに比べて格段と大きな光電流が発生する。Ｓi−ＡＰＤにおいて、二光子吸収により発生する光電流は、２つの入力光の互いの位相差φの余弦cosφに比例した項を持つ。二光子吸収によって発生する光電流は、光パワーにより位相差φに関係なく決まる定常値と余弦cosφの寄与による部分の和が出力される。余弦cosφの寄与は出力される光電流と平均光電流の差で抽出することができ、位相比較信号として利用することができる。
【００１０】
ループフィルタ３３０は、通常のフェーズロックループ装置で使用される様に、位相比較信号を整形し、ＯＶＣＯ３４０の制御信号を出力する。
【００１１】
光フェーズロックループ装置３００は、ＯＶＣＯ３４０がビート光信号を出力し、光カプラ３１０及び位相比較器３２０は非線形効果を利用して入力光信号とビート光信号の位相比較を行う点を除き、光フェーズロックループ装置としての動作が、図１８のアナログフェーズロックループ装置と同様である。この光フェーズロックループ装置３００により、入力光信号に同期した、１００［GHz］以上のビート光を出力することができる信号発生が可能となる。
【００１２】
また、電気フェーズロックループ装置中の電気位相比較器をＳi−ＡＰＤにおける二光子吸収を利用した光学位相比較器に置き換えたものも考えられている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１においては、１２．５［Gbits/s］の光信号に同期した電気信号を出力している。
【特許文献１】国際公開第０３／１０４８８６号パンフレット
【非特許文献１】Reza Salem, T. E. Murphy “Broad-Bnad Optical Clock Recovery System Using Two-photon Absorption”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol9, pp2141-2143, Sep. 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来の光フェーズロックループ装置においては、特許文献１に示すように、光フェーズロックループ装置としては動作するが、ロック検出機構を有していないため、入力光信号とビート光信号とが同期しているかどうかを検出することができなかった。
【００１４】
また、従来の電気フェーズロックループ装置中の電気位相比較器をＳi−ＡＰＤにおける二光子吸収を利用した光学位相比較器に置き換える構成では、電気ＶＣＯを用いているため、１００［GHz］以上の周波数で出力することは困難である。
【００１５】
本発明の課題は、入力光信号に同期したビート光信号を出力する光フェーズロックループ装置において、入力光信号とビート光信号とのロックを検出することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記入力光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記ビート光信号及び前記位相シフトされた入力光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のロック検出装置において、
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のロック検出装置において、
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のロック検出装置において、
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項４から６のいずれか一項に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００２６】
請求項１１に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項１２に記載の発明は、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステムである。
【００２８】
請求項１３に記載の発明は、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置を備え、
前記光学電圧制御発振器は、お互いに異なる周波数の光信号を出力する第１及び第２の光源と、当該第１及び第２の光源から出力される光信号を波長板により調整して前記光学電圧制御発振器から出力する光ビート信号の位相をシフトする位相シフト器と、前記調整された光信号を合波し、第１及び第２のビート光信号に分離するビームスプリッタと、を備え、
前記第１の位相検出器は、前記入力光信号及び前記第１のビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力し、
前記入力光信号及び前記第２のビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器を備え、
前記位相シフト器は、前記第１及び第２の光源から出力される光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を調整することを特徴とする光フェーズロックループシステムである。
【００２９】
請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相シフト器は、前記第１の光源の出力信号が透過するλ／２波長板と、前記第２の光源の出力信号が透過するλ／４波長板と、を備え、
前記ビームスプリッタは、前記λ／２波長板を透過した光信号及び前記λ／４波長板を透過した光信号を合波し、第１のビート光信号と、当該第１のビート光信号と位相が９０度ずれた第２のビート光信号とに分離することを特徴とする。
【００３０】
請求項１５に記載の発明は、請求項１３又は１４に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする。
【００３１】
請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする。
【００３２】
請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする。
【００３３】
請求項１８に記載の発明は、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする。
【００３４】
請求項１９に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする。
【００３５】
請求項２０に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００３６】
請求項２１に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００３７】
請求項２２に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
請求項１に記載の発明によれば、位相シフト器において、第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量だけビート光信号を位相シフトし、第２の位相検出器において、入力光信号と位相シフトされたビート光信号との第２の位相比較信号を出力するので、第２の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置のロックを検出できる。
【００３９】
請求項２に記載の発明によれば、位相シフト器において、第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量だけ入力光信号を位相シフトし、第２の位相検出器において、ビート光信号と位相シフトされた入力光信号との第２の位相比較信号を出力するので、第２の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置のロックを検出できる。
【００４０】
請求項３に記載の発明によれば、位相シフト器において、光路長の違いによりビート光信号又は入力光信号の位相をシフトすることができる。
【００４１】
請求項１３に記載の発明によれば、光学電圧制御発振器において、波長板により、第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量だけ光信号を調整し、その調整された２つの光信号に基づいて第１及び第２のビート光信号を生成し、第２の位相検出器において、入力光信号及び第２のビート光信号の第２の位相比較信号を出力するので、入力光信号の周波数の変化によらず、第２の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置のロックを検出できる。
【００４２】
請求項１４に記載の発明によれば、λ／２波長板を透過した光信号及びλ／４波長板を透過した光信号を合波し、第１のビート光信号と、位相が９０度ずれた第２のビート光信号とに分離するので、第１のビート光信号と、位相が９０度ずれた第２のビート光信号とを容易に生成できる。
【００４３】
請求項４又は１５に記載の発明によれば、前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つにおいて、合波部及び位相比較部により、位相比較信号を出力できる。
【００４４】
請求項５又は１６に記載の発明によれば、位相比較部がＳi−ＡＰＤであるので、偏波依存性を低減できるとともに、装置構成を簡便にできる。また、第１の位相検出器位相比較部がＳi−ＡＰＤである場合に、光フェーズロックループ装置のループ長を低減できる。
【００４５】
請求項６又は１７に記載の発明によれば、Ｓi−ＡＰＤに、入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されているので、入力光信号の波長に対応する光信号がＳi−ＡＰＤ内に入射する効率を高めることができる。
【００４６】
請求項７又は１８に記載の発明によれば、位相比較部の前段に光アイソレータを備えるので、位相比較部に入射する光信号の戻り光を低減でき、非線形効果が起こる効率の波長依存性を低減できる。
【００４７】
請求項８又は１９に記載の発明によれば、位相比較部が光電子増倍管であるので、位相比較部に入射する光信号の感度を高めることができる。
【００４８】
請求項９又は２０に記載の発明によれば、位相比較部が第二高調波発生結晶及びその受光部を備えるので、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。
【００４９】
請求項１０又は２１に記載の発明によれば、位相比較部が周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶及びその受光部を備えるので、装置構成を簡便にできるとともに、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。
【００５０】
請求項１１又は２２に記載の発明によれば、位相比較器が高非線形ファイバと、新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えるので、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。
【００５１】
請求項１２に記載の発明によれば、光フェーズロックループ装置と、そのロックを検出する請求項１から１１のいずれか一項に記載のロック検出装置と、を備える光フェーズロックループシステムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、図面を参照して本発明に係る第１及び第２の実施の形態並びに第１及び第２の変形例を順に説明する。
【００５３】
（第１の実施の形態）
図１〜図７を参照して、本発明に係る第１の実施の形態を説明する。先ず、図１〜図５を参照して、本実施の形態の光フェーズロックループシステム１αの装置構成を説明する。図１に、本実施の形態の光フェーズロックループシステム１αの構成を示す。図１に示すように、光フェーズロックループシステム１αは、光フェーズロックループ装置１と、入力光信号と光フェーズロックループ装置１のビート光信号との位相を比較してロックを検出するロック検出装置１００Ａとを有する。
【００５４】
フェーズロックループ装置１は、位相検出器１０と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０と、を備えて構成される。ＯＶＣＯ３０は、ＬＤ３１，３２と、光カプラ３３とを備える。ロック検出装置１００Ａは、分波器１１０と、分波器１２０と、π／２シフト器１３０Ａと、位相検出器１４０とを備える。
【００５５】
分波器１１０は、入力光信号を同位相の２つの光信号に分波し、例えば、光カプラにより構成される。位相検出器１０は、入力される２つの光信号の位相を比較し、その比較結果としての位相比較信号を出力する。ループフィルタ２０は、位相検出器１０の位相比較信号を整形して出力する。ＯＶＣＯ３０は、ループフィルタ２０から出力された位相比較信号に基づいて、ビート光信号を出力する。
【００５６】
ＯＶＣＯ３０において、ＬＤ３１，３２により、お互いに異なる周波数の２つの光信号が出力され、その２つの光信号が光カプラ３３で合波され、その周波数差に応じたビート光信号が２つのビート光信号に分波されて出力される。ＬＤ３１，３２は、各出力光の偏波面は同一であるものとする。光カプラ３３から出力される２つのビート光信号のうちの一方のビート光信号は、アウトプットとして出力され、もう一方のビート光信号は、分波器１２０により２つのビート光信号に分波される。分波された２つのビート光信号のうちの一方のビート光信号は、再び位相検出器１０に入力される。つまり、位相検出器１０において、分波器１１０により分波された入力光信号と、分波器１２０により分波されたビート光信号との位相が比較されて、ループが形成される。入力光信号と、ビート光信号との位相差は、９０度になるように制御される。
【００５７】
π／２シフト器１３０Ａは、分波器１２０により分波されたもう一方のビート光信号の位相をπ／２シフトして出力する。位相検出器１４０は、π／２シフト器１３０Ａによりπ／２シフトされた光信号と、分波器１１０により分波された入力光信号との位相を比較し、比較結果としての位相差比較信号をロック検出信号として出力する。位相検出器１４０に入力される、π／２シフトされた光信号と、入力光信号との互いの偏波面は一致するように設定しておく。
【００５８】
図２に、位相検出器１０，１４０の構成を示す。位相検出器１０，１４０は、２つの光信号を合波する合波部と、非線形効果を利用して光信号を位相比較する位相比較部との二つの要素で構成される。位相検出器１０，１４０は、合波部としての光カプラ１１と、位相比較部としてのＳi−ＡＰＤ１２とを備えて構成される。光カプラ１１は、分波器１１０により分波された入力光信号と、分波器１２０により分波されたビート光信号とを合波して出力する。また、光カプラ１１は、合波後の二つの光の偏波が同一になるようにあらかじめ偏波制御器で同一偏波になるように設定するか、偏波保持ファイバと偏波保持カプラとにより構成される。Ｓi−ＡＰＤ１２は、非線形効果としての二光子吸収による受光部であり、光カプラ１１により合波された光信号に対して、合波前の２つの光信号の位相差に対応する出力光電流としての位相比較信号を出力する。
【００５９】
図３に、Ｓi−ＡＰＤ１２の構成を示す。図３に示すように、Ｓi−ＡＰＤ１２は、Ｓi−ＡＰＤ本体１２Ａを備え、Ｓi−ＡＰＤ本体１２Ａの受光面としての窓材や表面にＡＲコート（Anti Reflection Coating：反射防止膜）１２Ｂが施されて構成される。レンズ１４は、入射光の焦点がＳi−ＡＰＤ１２Ａの受光面にあわせられるように設定される。
【００６０】
市販のＳi−ＡＰＤは、８００［nm］に最大の感度を持ち、１１００［nm］よりも長波長の光にはほとんど感度をもたない。そのため、入力光信号の波長が１５５０［nm］の時、１５５０［nm］の光のエネルギーが、Ｓi−ＡＰＤがもつバンドギャップよりも小さいために、通常の線形過程では、Ｓi−ＡＰＤに光電流がほとんど生じない。しかしながら、Ｓi−ＡＰＤにおいて、二光子吸収が起こると、二光子のエネルギーの和がＳi−ＡＰＤがもつバンドギャップを超えるために、光電流が生じる。
【００６１】
通常、二光子吸収をより効率良く起すためには入射光をレンズで絞り、Ｓi−ＡＰＤの受光面上で最もスポットサイズが小さくなるようにする。このため、本実施の形態についても、そのスポットサイズを小さくするために、できるだけ大きなＮＡ（Numerical Aperture）のレンズ１３で入射光を絞るのが良い。
【００６２】
市販されているＳi−ＡＰＤは、受光感度が最大である８００［nm］の光に対して最も反射を小さくするためのＡＲコートを施している。そのため、ＡＲコートにおける最適波長とは異なる１５５０［nm］の光に対しては入射光の１０％以上の反射がおこる。本実施の形態では、光フェーズロックループ装置１で利用されているように、１５５０［nm］の光を入射光として二光子吸収現象によって出力された光電流を検出する。このため、１５５０［nm］に最適なＡＲコート１２ＢをＳi−ＡＰＤ本体１２Ａの窓材や表面に施していることが望ましい。つまり、Ｓi−ＡＰＤ１２として、入力光信号の波長からずれた部分に感度が最大のＳi−ＡＰＤ本体１２Ａに、入力光信号の波長に最適なＡＲコート１２Ｂが施されるものが好ましい。
【００６３】
また、Ｓi−ＡＰＤは、他の方式による位相比較部に比べて、偏波依存性を少なくでき、さらに構成が簡便であり、好ましい。また、構成が簡便であるので、Ｓi−ＡＰＤを位相検出器１０に用い、ループ帯域を上げる場合にもループ長を短くすることが容易であり、好ましい。
【００６４】
図４に、光路長の違いを利用するπ／２シフト器１３０Ａの例を示す。図４（ａ）に、可変光学遅延部１３０ａの構成を示す。図４（ｂ）に、可変光学遅延部１３０ｂの構成を示す。本実施の形態において、入力光信号の周波数は、固定されているものとする。π／２シフト器１３０Ａは、光路長の違いを利用する可変光学遅延部１３０ａ又は１３０ｂにより構成される。図４（ａ）に示すように、可変光学遅延部１３０ａは、ミラー１３１，１３２とを備えて構成される。可変光学遅延部１３０ａでは、ミラー１３１の位置を調整して設置することで、空間的に光路長を調整する。
【００６５】
図５に、光フェーズロックループシステム１αにおける各光路長を示す。図５に示すように、分波器１１０の出力部と位相検出器１０の入力部との間の光路長をパスＰ１とし、分波器１１０の出力部と位相検出器１４０の入力部との間の光路長をパスＰ２とし、ＯＶＣＯ３０の出力部と位相検出器１０の入力部との間の光路長をパスＰ３とし、ＯＶＣＯ３０の出力部と位相検出器１４０の入力部との間の光路長をパスＰ４とする。この場合に、次式（１）を満たすように、可変光学遅延部１３０ａが調整される。
Ｐ１＋Ｐ３＝Ｐ２＋Ｐ４＋（or−）ｃ／（４×ｆ×ｎ） …（１）
ここで、ｃは光速であり、ｆがＯＶＣＯ３０のビート光信号の周波数であり、ｎが光路の屈折率である。
【００６６】
式（１）の条件を満たすことにより、位相検出器１０と位相検出器１４０との位相検出の位相が９０度ずれる。また、光路差は、周波数ｆで決まるため、ＯＶＣＯのビート光信号の周波数が固定の場合に、光路差の違いを利用する可変光学遅延部を用いることができる。
【００６７】
また、ループフィルタ２０の出力波形や、ビート光信号のＲＦスペクトルを測定するなどの手段によって光フェーズロックループシステム１αが正常に動作していることを確認している時に、パスＰ２もしくはパスＰ４の光路長を調整し、位相検出器１４０の平均出力が最大もしくは最小になるように設置する。
【００６８】
光路長の違いを利用する可変光学遅延部としては、図４（ｂ）に示す可変光学遅延部１３０ｂを利用することとしてもよい。可変光学遅延部１３０ｂは、圧電体としてのピエゾ素子１３３と、ピエゾ素子１３３に巻きつけられた光ファイバ１３４とを備える。通電によりピエゾ素子１３３の直径を増減させることで、光ファイバ１３４が増減し光路長を調整する。また、他にも、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit：平面光波回路）等を用いて、光路長の違いを利用する可変光学遅延部を実現することもできる。
【００６９】
次に、図６及び図７を用いて、光フェーズロックループシステム１αの動作を説明する。図６に、光フェーズロックループシステム１αにおける各信号を示す。図６に示すように、光フェーズロックループ装置１が正常に動作していて位相が同期しているとき、位相検出器１０から出力される位相比較信号が０になるように負帰還している、すなわちＯＶＣＯ３０（光カプラ３３）から出力されるビート光信号と、分波器１１０から出力される入力光信号光との位相差は９０度となっている。また、ＯＶＣＯ３０は、位相比較器としてＳi−ＡＰＤを用いているので、ビート光信号自身と入力光信号自身の二光子吸収により生じる出力光電流がオフセット電流として発生する。位相比較信号はオフセット電流からの差電流となる。
【００７０】
光フェーズロックループ装置１がロックしている時は、位相比較信号が常に０である。またロックしていない時、位相比較信号がランダムな値を取るため、ループフィルタから出力される位相比較信号の平均値は０である。よって、光フェーズロックループ装置１中の位相比較信号の平均値からロックしているかどうかはわからない。
【００７１】
図７に、位相検出器１４０におけるビート光信号及び入力光信号の２つの信号の位相差に対する規格化出力を示す。図７に示すように、ロック検出装置１００Ａを用いて、ビート光信号もしくは入力光信号の位相を例えば９０度ずらし別途設置した位相検出器１４０に入力すると、光フェーズロックループ装置１がロックしている時の位相比較信号の平均値は、位相差が０度の場合は正、位相差が１８０度の場合は負の値を持つ。ロックしていない時に位相比較信号がランダムな値をとるため、その平均値は０となる。よって、ロック動作しているかどうかにより位相比較信号の平均値に差が生じるため、ロックしているかどうかを示すことが可能となる。
【００７２】
また、入力光信号とビート光信号とが同期していない時、位相検出器１０も位相検出器１４０も平均出力はゼロとなる。一方、入力光信号とビート光信号とが同期している時は、位相検出器１０の出力がゼロになるようにＯＶＣＯ３０が制御されている。この時、入力光信号及びビート光信号の位相はπ／２の位相差を持つ。この時、入力光信号もしくはビート光信号の位相をπ／２ずらすと位相差は０もしくはπとなり、位相検出器１４０の出力はゼロで無くなる。
【００７３】
位相検出器１４０の出力は、同期しているときはゼロでない値を持ち、同期していないときには出力位相がランダムであるため平均すると出力がゼロとなる。よって、同期検出を行うことが可能となる。これらの状況を次の表１に示す。
【表１】
【００７４】
以上、本実施の形態によれば、π／２シフト器１３０Ａにおいて、位相検出器１４０で比較される２つの信号がロックした場合に、その位相比較信号が０にならない量として９０度だけビート光信号を位相シフトし、位相検出器１４０において、入力光信号と位相シフトされたビート光信号との位相比較信号（ロック検出信号）を出力するので、位相検出器１４０から出力される位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置１のロックを検出できる。
【００７５】
また、π／２シフト器１３０Ａにおいて、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすることができる。
【００７６】
また、位相検出器１０，１４０において、合波部と位相比較部とにより、位相比較信号を出力できる。また、位相比較部がＳi−ＡＰＤ１２であるので、偏波依存性を低減できるとともに、装置構成を簡便にできる。また、Ｓi−ＡＰＤを位相検出器１０に用い、光フェーズロックループ装置１のループ長を低減できる。
【００７７】
また、Ｓi−ＡＰＤ１２において、Ｓi−ＡＰＤ本体１２Ａに、入力光信号の波長に最適なＡＲコート１２Ｂが施されているので、入力光信号の波長に対応する光信号がＳi−ＡＰＤ内に入射する効率を高めることができる。
【００７８】
（第２の実施の形態）
図８を参照して、本発明に係る第２の実施の形態を説明する。図８に、本実施の形態の光フェーズロックループシステム１βの構成を示す。図８に示すように、光フェーズロックループシステム１βは、第１の実施の形態と同様の光フェーズロックループ装置１と、ロック検出装置１００Ｂとを備えて構成される。
【００７９】
ロック検出装置１００Ｂは、第１の実施の形態と同様に分波器１１０と、分波器１２０と、位相検出器１４０とを備え、さらにπ／２シフト器１３０Ｂを備えて構成される。π／２シフト器１３０Ｂは、第１の実施の形態のπ／２シフト器１３０Ａと同様であるが、分波器１１０に分波された入力光信号の位相をπ／２シフトする。位相検出器１４０は、π／２シフト器１３０Ａによりπ／２シフトされた入力光信号と、分波器１２０により分波されたビート光信号との位相を比較し、その比較結果としての位相比較信号をロック検出信号として出力する。このため、ロック検出装置１００Ｂは、第１の実施の形態のロック検出装置１００Ａと同様のロック検出信号を出力する。
【００８０】
以上、本実施の形態によれば、π／２シフト器において、位相検出器１４０で比較される２つの光信号の位相が合った場合に、その位相比較信号が０にならない量としてπ／２だけ入力光信号を位相シフトし、位相検出器１４０において、ビート光信号と位相シフトされた入力光信号との位相比較信号（ロック検出信号）を出力するので、位相検出器１４０から出力される位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置１のロックを検出できる。
【００８１】
（第１の変形例）
図９〜図１７を参照して、上記第１及び第２の実施の形態において、位相検出器１０，１４０の構成の変形例としての第１の変形例を説明する。
【００８２】
先ず、図９を参照して、位相検出器１０，１４０内の合波部の別の例を示す。図９（ａ）に、ビームスプリッタ１１Ａの構成を示し、図９（ｂ）に、光カプラ１１及び光増幅器１４を設置した例を示す。図９（ａ）に示すように、位相検出器１０，１４０内の合波部として、ビームスプリッタ１１Ａを用いる構成としてもよい。ビームスプリッタ１１Ａは、光学系を空間系で構築する場合に用いる。ビームスプリッタ１１Ａは、合波後の光の偏波が同一になるようにあらかじめ偏波を設定する。
【００８３】
また、位相検出器１０，１４０内の合波部としては、ビームスプリッタ１１Ａに代えてハーフミラー等としても良い。
【００８４】
また、図９（ｂ）に示すように、位相検出器１０，１４０内の合波部（図では光カプラ１１）の後段に、光増幅器１４を設ける構成としてもよい。位相検出器１０，１４０内の合波部による合波後の光信号は、位相比較部としてのＳi−ＡＰＤ１２に入力されるが、より非線形効果を強く起こすために、光増幅器１４を用いてあらかじめ増幅される。
【００８５】
次いで、図１０〜図１７を参照して、位相検出器１０，１４０内の位相比較部の別の例を説明する。図１０（ａ）に、光学素子を傾けた場合の入射光及び反射光の構成を示す。図１０（ｂ）に、Ｓi−ＡＰＤを傾けた場合の入射光及び反射光の軌跡を示す。図１０において、入射光を実線で示し、反射光（戻り光）を点線で示す。
【００８６】
第１の実施の形態のＳi−ＡＰＤ１２のように、入射波長に最適なＡＲコート１２ＢをＳi−ＡＰＤ本体１２Ａに施しても反射光は生じる。そのため、反射光が前段に戻らないようにする必要がある。図１０（ａ）に示す光学系は、光アイソレータや光学フィルタ等の光モジュールで用いられるものである。図１０（ａ）に示すように、出射端１３Ｄから出射された光束は、レンズ１３Ｂによりコリメートされて光学素子１３Ｃを通過し、レンズ１３Ａにより集光されて、入力端１３Ｅに入力される。コリメートされた光（の光軸）に対して斜めに光学素子１３Ｃを設置するので、その反射光の焦点は、入射点と空間的にずれる。そのために光モジュール１３Ｃ前段に反射光が戻る量は、通常、入射光パワーの−５０dB以下となる。
【００８７】
二光子吸収現象は入射光のパワー密度が高いほど効率良く起こる。そこで、図１０（ｂ）に示すように、輝度を高くするためにＳi−ＡＰＤ１２上にレンズ１３Ａの焦点が重なり且つＳi−ＡＰＤ１２を斜めに傾けるように設置する構成を考える。Ｓi−ＡＰＤ１２を斜めに傾けても、レンズ１３ＡのＮＡ値が大きく、反射光は入射端と空間的に一致するために、反射光が前段に戻る量を小さくするのが、図１０（ａ）の光学配置の構成に比べると困難である。反射光は、Ｓi−ＡＰＤ１２前段の光学部品等により反射され、再びＳi−ＡＰＤ１２に入射する場合、Ｓi−ＡＰＤ１２に直接入射する光と干渉し二光子吸収が起こる効率に波長依存性が生じる。
【００８８】
図１１に、位相検出器内に光アイソレータ１５を備える構成を示す。前述の二光子吸収が起こる効率の波長依存性は、図１１に示すように、位相検出器１０，１４０内で光カプラ１１及びＳi−ＡＰＤ１２間に光アイソレータ１５を挿入する構成により緩和される。光アイソレータ１５に代えて、光サーキュレータ等を挿入する構成としてもよい。また、以下に述べるような他の構成の位相比較部の前段に光アイソレータ等を挿入する構成としてもよく、レンズを利用して集光する位相比較部、例えば、ＰＭＴ、ＳＨＧ結晶等に対して有効である。
【００８９】
図１２に、位相検出器内にＰＭＴ１６を備える構成を示す。二光子吸収を利用して入射光の位相差に応じたする電気信号を出力する素子としては、Ｓi−ＡＰＤの他に、ＰＭＴがある。図１２に示すように、位相検出器１０，１４０内で、レンズ１３Ｆと、位相比較部としてのＰＭＴ１６とを順に設置する。ＰＭＴ（光電子倍増管）とは、二光子吸収を利用するとともに、極めて微弱なシンチレーションパルスの光信号をこれに対応する電気信号に変換する装置である。レンズ１３ＦによりＰＭＴ１６の光電面に光を集光することで、ＰＭＴ１６の二光子吸収を効率良く起こるようにする。ＰＭＴ１６には、赤外にほとんど感度をもたず、８００［nm］に大きな感度をもつものを用いる。
【００９０】
ＰＭＴを位相比較部に用いる構成は、Ｓi−ＡＰＤ１２を用いる構成よりも受光感度を１桁程度高めることができる。また、二光子吸収を利用して入射光の位相を比較する他の位相比較部を用いる構成としてもよい。
【００９１】
図１３に、位相検出器内にＳＨＧ（Second Harmonic Generation：第二高調波発生）結晶１７を備える構成を示す。位相比較部としては、二光子吸収をする素子のみならず、入射光が表面に入射した場合に２倍の振動数の出射光を出射する第二高調波発生を利用するものを用いてもよい。図１３に示すように、位相検出器１０，１４０内で、Ｓi−ＡＰＤ１２の前段にレンズ１３Ｇと、ＳＨＧ結晶１７と、レンズ１３Ｈとを順に設置する。ＳＨＧ結晶１７は、第二高調波が発生する結晶であり、例えば、ＬiＮbＯ3である。ＳＨＧ結晶１７において、ＳＨＧがより効率良く発生するようにＳＨＧ結晶１７にはできるだけ小さなビーム径で入射するようにレンズ１３Ｇを用いる。Ｓi−ＡＰＤ１２として、入射光にはほとんど感度が無く、発生したＳＨ光に大きな感度をもつものを受光部として用いても良い。また、Ｓi−ＡＰＤ１２の前段に、入射光を減衰させ、発生したＳＨ光のみを透過させる光学フィルタやカラーフィルタを設置しても良い。この構成では、Ｓi−ＡＰＤ１２に代えて、ＰＤ等の受光部を用いてもよい。
【００９２】
ＳＨＧ結晶を位相比較部に用いる構成は、入射光の縦偏波と横偏波とが相関を持つ場合に電流を出力する構成にでき、位相比較信号にオフセット電流のない構成を実現できる。
【００９３】
図１４に、位相検出器内にＰＰＬＮ１８を備える構成を示す。図１４に示すように、位相検出器１０，１４０内で、Ｓi−ＡＰＤ１２の前段に、第二高調波発生を利用する位相比較部としてＰＰＬＮ１８を設置する。ＰＰＬＮ１８は、ＬiＮbＯ3に周期的な分極反転構造を形成して擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）を達成した効率波長変換素子（周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶）である。ＰＰＬＮ１８は、ＳＨＧ結晶１７と同様に動作する。この構成では、Ｓi−ＡＰＤ１２に代えて、ＰＤ等の受光部を用いてもよい。また、第二高調波発生を利用して入射光の位相を比較する他の位相比較部を用いる構成としてもよい。
【００９４】
ＰＰＬＮを位相比較部として用いる構成は、ＰＰＬＮを導波路型とする場合に、光導波路として光ファイバを用いることができ、ＳＨＧ結晶を用いる構成よりも構成を簡便にできる。また、他の、第二次高調波発生を利用して入射光の位相を比較する位相比較部を用いる構成としてもよい。
【００９５】
図１５に、位相検出器内にＨＮＬＦ（Highly nonlinear fiber：高非線形ファイバ）１９を備える構成を示す。位相比較部としては、他にも、２つの波長の異なる光子の入射により、入射光と異なる波長の２つの光子を出射する四光波混合を利用するものを用いてもよい。図１５に示すように、位相検出器１０，１４０内で、Ｓi−ＡＰＤ１２の前段に、四光波混合を利用するＨＮＬＦ１９と、ＢＰＦ（Band Pass Filter）１Ａとを順に設置する。入射光がＨＮＬＦ１９に入射され、その入射光のうち、四光波混合により、入射光の波長と異なる新たな波長の出射光がＢＰＦ１Ａを透過され、Ｓi−ＡＰＤ１２で電気信号に変換される。この構成では、Ｓi−ＡＰＤ１２に代えて、ＰＤ等の受光部を用いてもよい。
【００９６】
ＨＮＬＦを位相比較部に用いる構成は、四光波混合を利用するので、位相比較信号にオフセット電流が発生しない構成を実現できる。また、四光波混合を利用して入射光の位相を比較する他の位相比較部として、ＳＯＡ等を用いる構成としてもよい。また、カー効果を利用するＮＯＬＭ等を位相比較部に用いる構成としてもよい。
【００９７】
本変形例によれば、位相検出器１０，１４０の位相比較部としてのＳi−ＡＰＤ１２の前段に光アイソレータ１５を備える場合に、Ｓi−ＡＰＤ１２に入射する光信号の戻り光を低減でき、二光子吸収が起こる効率の波長依存性を低減できる。また、位相比較部をＰＭＴ１６とする場合に、位相比較部に入射する光信号の感度を高めることができる。
【００９８】
また、位相比較部がＳＨＧ結晶１７及びその受光部としてのＳi−ＡＰＤ１２を備える場合に、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。また、位相比較部がＰＰＬＮ１８及びその受光部としてのＳi−ＡＰＤ１２を備える場合に、装置構成を簡便にできるとともに、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。また、位相比較部がＨＮＬＦ１９と、新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部としてのＢＰＦ１Ａ及びＳi−ＡＰＤ１２と、を備える場合に、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。
【００９９】
（第２の変形例）
図１６及び図１７を参照して、上記第１の実施の形態及び第１の変形例に対する第２の変形例を説明する。上記各実施の形態（及び第１の変形例）では、π／２シフト器１３０Ａ，１３０Ｂとして、光路長を変化させて光信号の位相をπ／２シフトする構成としたが、本変形例では、波長板を用いて光信号の位相をπ／２シフトする構成を説明する。図５において、Ｐ１＋Ｐ３＝Ｐ２＋Ｐ４の関係を満たすとき、波長板及びＰＢＳ（Polarization beam splitter）を用いて、光信号に実効的な光路差を生じさせることができる。また、波長板及びＰＢＳを用いる構成では、入力光信号の周波数を可変にしても調整無しで動作する。
【０１００】
図１６に、光フェーズロックループシステム１γの構成を示す。光フェーズロックループシステム１γは、第１の実施の形態の光フェーズロックループシステム１αの変形例であり、分波器１２０、π／２シフト器１３０Ａ及びＯＶＣＯ３０に代えて、ＯＶＣＯ３０Ａを備える。
【０１０１】
ＯＶＣＯ３０Ａは、ＬＤ３１，３２と、λ／４波長板３４と、λ／２波長板３５と、ＰＢＳ３６と、を備える。ループフィルタ２０から出力される整形された位相比較信号に対応して、ＬＤ３１，３２からお互いに異なる周波数の光信号が出力され、ＬＤ３１から出力された光がλ／４波長板３４を透過してＰＢＳ３６に入力され、またＬＤ３２から出力された光がλ／２波長板３５を透過してＰＢＳ３６に入力される。また、図１６に示すように、ＰＢＳ３６の出力部と位相検出器１０の入力部との間の光路長をパスＰ５とし、ＰＢＳ３６の出力部と位相検出器１４０の入力部との間の光路長をパスＰ６とする。
【０１０２】
図１７に、ＯＶＣＯ３０Ａ内の光信号の状態変化を示す。図１７に示すように、ＬＤ３１，３２から出力される各光信号がお互いに周波数の異なる直線偏波（縦偏波）であるとする。ＬＤ３１から出力された光信号はλ／４波長板３４により直線偏波のまま偏波面を４５度回転されるように、入力編波の向きとλ／４波長板３４の向きとが調整される。また、ＬＤ３２から出力された光信号がλ／２波長板３５により円偏光に変換されるように、入力編波の向きとλ／２波長板３５の向きとが調整される。円偏光は、縦偏光成分と、９０度位相が遅れた横偏光成分との和である。また、ＰＢＳ３６からパスＰ５又はＰ６に出力されるビート光信号がアウトプットとして出力される。
【０１０３】
そして、偏波面を４５度回転された光信号と、円偏光の光信号とがＰＢＳ３６に入力され、合波されてビート光信号に変換され、さらにそのビート光信号が縦偏波成分と、ビート光信号の９０度位相が遅れた横偏光成分とに分離される。ビート光信号の縦偏波成分と、ビート光信号の９０度位相が遅れた横偏光成分とは、順にパスＰ５、パスＰ６に振り分けられても、順にパスＰ６、パスＰ５に振り分けられても、位相差が９０度になるため、π／２シフト器が実現されている。
【０１０４】
本変形例によれば、ＯＶＣＯ３０Ａにおいて、λ／２波長板３５を透過した光信号及びλ／４波長板３４を透過した光信号をＰＢＳ３６で合波し、ビート光信号と、位相が９０度ずれたビート光信号とに分離し、位相検出器１０が、入力光信号と、一方のビート光信号との位相比較信号を出力し、位相検出器１４０が、入力光信号と、位相検出器１０に入力したビート光信号から位相が９０度ずれたビート光信号との位相比較信号を出力することができるので、入力光信号の周波数の変化によらず、位相検出器１４０の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置１のロックを検出できるとともに、一方のビート光信号と、位相が９０度ずれたもう一方のビート光信号とを容易に出力できる。
【０１０５】
なお、上記各実施の形態及び各変形例において、位相検出器１０及び１４０の構成を説明したが、その構成が位相検出器１０及び１４０のうちの少なくとも一方であることとしてもよい。また、上記各実施の形態及び第１の変形例において、位相シフタ１３０Ａ，１３０Ｂとしては、ビート光信号又は入射光信号に対して、位相検出器１４０で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトする構成としてもよい。また、上記第２の変形例において、位相シフタとしての波長板は、ＬＤ３１，３２から出力された光信号に対して、位相検出器１４０で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を調整する構成としてもよい。
【０１０６】
また、上記各実施の形態及び各変形例における光フェーズロックループシステムの各構成要素の細部構成、及び細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の光フェーズロックループシステム１αの構成を示す図である。
【図２】位相検出器１０，１４０の構成を示す図である。
【図３】Ｓi−ＡＰＤ１２の構成を示す図である。
【図４】（ａ）は、可変光学遅延部１３０ａの構成を示す図である。（ｂ）は、可変光学遅延部１３０ｂの構成を示す図である。
【図５】光フェーズロックループシステム１αにおける各光路長を示す図である。
【図６】光フェーズロックループシステム１αにおける各信号を示す図である。
【図７】位相検出器１４０におけるビート光信号及び入力光信号の２つの信号の位相差に対する規格化出力を示す図である。
【図８】本発明に係る第２の実施の形態の光フェーズロックループシステム１βの構成を示す図である。
【図９】（ａ）は、ビームスプリッタ１１Ａの構成を示す図である。（ｂ）は、光カプラ１１及び光増幅器１４を設置した例を示す図である。
【図１０】（ａ）は、光学素子を傾けた場合の入射光及び反射光の構成を示す図である。（ｂ）は、Ｓi−ＡＰＤを傾けた場合の入射光及び反射光の軌跡を示す図である。
【図１１】位相検出器内に光アイソレータ１５を備える構成を示す図である。
【図１２】位相検出器内にＰＭＴ１６を備える構成を示す図である。
【図１３】位相検出器内にＳＨＧ結晶１７を備える構成を示す図である。
【図１４】位相検出器内にＰＰＬＮ１８を備える構成を示す図である。
【図１５】位相検出器内にＨＮＬＦ１９を備える構成を示す図である。
【図１６】光フェーズロックループシステム１γの構成を示す図である。
【図１７】ＯＶＣＯ３０Ａ内の光信号の状態変化を示す図である。
【図１８】フェーズロックループ装置２００の構成を示す図である。
【図１９】電気ミキサ２２０の動作を示す波形図である。
【図２０】光フェーズロックループ装置３００の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１α，１β，１γ 光フェーズロックループシステム
１，３００ 光フェーズロックループ装置
１０，１４０ 位相検出器
１１，３１０ 光カプラ
１１Ａ ビームスプリッタ
１２ Ｓi−ＡＰＤ
１２Ａ Ｓi−ＡＰＤ本体
１２Ｂ ＡＲコート
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈ レンズ
１３Ｃ 光学素子
１３Ｄ 出力端
１３Ｅ 入力端
１４ 光増幅器
１５ 光アイソレータ
１６ ＰＭＴ
１７ ＳＨＧ結晶
１８ ＰＰＬＮ
１９ ＨＮＬＦ
１Ａ ＢＰＦ
３２０ 位相比較器
２０，３３０ ループフィルタ
３０，３４０ ＯＶＣＯ
３１，３２，３４１，３４２ ＬＤ
３３，３４３ 光カプラ
１００Ａ，１００Ｂ 光位相検出装置
１１０，１２０ 分波器
１３０Ａ，１３０Ｂ π／２シフト器
１３０ａ，１３０ｂ 可変光学遅延回路
１３１，１３２ ミラー
１３３ ピエゾ素子
１３４ 光ファイバ
３０Ａ ＯＶＣＯ
３４ λ／４波長板
３５ λ／２波長板
３６ ＰＢＳ
２００ フェーズロックループ装置
２１０ 信号源
２２０ 電気ミキサ
２３０ ループフィルタ
２４０ ＶＣＯ
２５０ プリスケーラ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロック検出装置及び光フェーズロックループシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、参照電気信号に位相同期した電気信号を出力するフェーズロックループ（ＰＬＬ：Phase-Locked Loop）装置があった。出力周波数が高周波である場合、図１８に示すような、アナログＰＬＬのフェーズロックループ装置２００が用いられる。フェーズロックループ装置２００は、信号源２１０と、位相検出器（phase detector）としての電気ミキサ２２０と、ループフィルタ（loop filter）２３０と、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御発振器）２４０と、プリスケーラ２５０と、を備えて構成される。
【０００３】
位相比較器としての電気ミキサ２２０の動作を図１９に示す。図１９に示すように、電気ミキサ２２０は、信号源２１０からの基準信号としての入力電気信号と、ＶＣＯ２４０から出力されてプリスケーラ２５０により分周された出力電気信号との積を出力する。よって、周波数領域では二つの信号の差周波と和周波とが出力される。差周波成分が二つの信号の位相差を反映しているので、差周波のみをループフィルタ２３０により取り出すことで、電気ミキサ２２０は位相比較器として動作することができる。ループフィルタ２３０は、入力電気信号とＶＣＯ２４０の出力信号との位相差が０度の時は正の信号を、その位相差が９０度の時は０の信号を、位相差が１８０度のときは負の信号を出力し、位相差に応じて信号は連続的に変化する。
【０００４】
このように、アナログＰＬＬは、位相比較器の出力信号が０になるようにＶＣＯを負帰還制御するため、ＶＣＯの出力位相は入力電気信号の位相に対して９０度ずれた状態で同期する。しかし、１００［GHz］以上の周波数の信号を出力するフェーズロックループ装置は次の困難点がある。
１．１００［GHz］以上の信号に対する電気ミキサの製作が困難。
２．１００［GHz］以上の電気信号を出力するＶＣＯの製作が困難。
このため、１００［GHz］以上の電気信号を出力するフェーズロックループ装置は製作が困難である。
【０００５】
これに対して、１００［GHz］以上に信号を出力することができるフェーズロックループ装置として、光フェーズロックループ（Optical Phase-Locked Loop）装置がある（例えば、特許文献１参照）。ここで、図２０を参照して、光フェーズロックループ装置の一例を説明する。
【０００６】
図２０に示すように、光フェーズロックループ装置３００は、合波器３１０及び位相比較器３２０からなる位相検出器と、ループフィルタ３３０と、ＯＶＣＯ（Optical Voltage Controlled Oscillator：光学電圧制御発振器）３４０との三つの要素を備えて構成される。光フェーズロックループ装置３００において、光信号を入力信号とし、入力信号に同期したビート光信号をＯＶＣＯ３４０から出力する。
【０００７】
ＯＰＬＬ３４０は、ＬＤ（Laser Diode）３４１，３４２と、光カプラ３４３とを備える。ＯＶＣＯ３４０において、出力光波長が異なる２つのＬＤ３４１，３４２の出力光を光カプラ３４３で合波する。ここで、ＬＤ３４１，３４２の光出力の偏波は同一にする。その結果、二つの光出力は、光カプラ３４３内で干渉し、光カプラ３４３が波長の差に応じた周波数で振動するビート光を出力する。波長差に対する制限は光カプラ３４３の帯域で決まる。通常の光カプラは、帯域が１０［THz］以上あるため、１００［GHz］以上周波数で振動するビート光を出力することは容易である。また、ＬＤ３４１，３４２は、駆動電流や制御温度によって出力波長を変化させることができる。よって、ＯＶＣＯ３４０は、入力光信号に応じてＬＤ３４１，３４２の出力波長を制御し、出力するビート光信号の周波数を変化させることができる。
【０００８】
位相比較器３２０は、二光子吸収もしくは第二高調波発生、四光波混合、カー効果等の非線形効果を用いて二つの入力信号光強度の位相差に応じた電気信号を出力する。二光子吸収を行なう素子としてＡＰＤ（Avaranche photo diode）、ＰＭＴ（Photon multiplier Tube：光電子増倍管）等があり、第二次高調波発生素子として、非線形結晶、ＰＰＬＮ（Periodical Poled Lithum Niobate：周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶）等があり、 四光波混合素子として、高非線形ファイバ、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier：半導体光増幅器）等があり、カー効果を利用する方法として、ＮＯＬＭ（Nonlinear Optical Loop Mirror：非線形光ループミラー）がある。非線形現象は、数１００［fs］よりも短い時間で行われ、１０［THz］以上の周波数帯域を持つため、１００［GHz］以上の信号であっても位相比較を行うことができる。
【０００９】
例えば、Ｓi−ＡＰＤは、波長１５５０［nm］に光に対してほとんど感度を持たないが、８００［nm］よりも短波長の光に感度を持つ。よって、１５５０［nm］の光を入射してもほとんど光電流が発生しないが、１５５０［nm］の二光子吸収現象に対しては感度を持つ。Ｓi−ＡＰＤの表面に焦点を持つように光学系を設置することでより二光子吸収の起こる確率が大きくなり、Ｓi−ＡＰＤ全体に光を照射するのに比べて格段と大きな光電流が発生する。Ｓi−ＡＰＤにおいて、二光子吸収により発生する光電流は、２つの入力光の互いの位相差φの余弦cosφに比例した項を持つ。二光子吸収によって発生する光電流は、光パワーにより位相差φに関係なく決まる定常値と余弦cosφの寄与による部分の和が出力される。余弦cosφの寄与は出力される光電流と平均光電流の差で抽出することができ、位相比較信号として利用することができる。
【００１０】
ループフィルタ３３０は、通常のフェーズロックループ装置で使用される様に、位相比較信号を整形し、ＯＶＣＯ３４０の制御信号を出力する。
【００１１】
光フェーズロックループ装置３００は、ＯＶＣＯ３４０がビート光信号を出力し、光カプラ３１０及び位相比較器３２０は非線形効果を利用して入力光信号とビート光信号の位相比較を行う点を除き、光フェーズロックループ装置としての動作が、図１８のアナログフェーズロックループ装置と同様である。この光フェーズロックループ装置３００により、入力光信号に同期した、１００［GHz］以上のビート光を出力することができる信号発生が可能となる。
【００１２】
また、電気フェーズロックループ装置中の電気位相比較器をＳi−ＡＰＤにおける二光子吸収を利用した光学位相比較器に置き換えたものも考えられている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１においては、１２．５［Gbits/s］の光信号に同期した電気信号を出力している。
【特許文献１】国際公開第０３／１０４８８６号パンフレット
【非特許文献１】Reza Salem, T. E. Murphy “Broad-Bnad Optical Clock Recovery System Using Two-photon Absorption”, IEEE Photon. Technol. Lett., vol9, pp2141-2143, Sep. 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、従来の光フェーズロックループ装置においては、特許文献１に示すように、光フェーズロックループ装置としては動作するが、ロック検出機構を有していないため、入力光信号とビート光信号とが同期しているかどうかを検出することができなかった。
【００１４】
また、従来の電気フェーズロックループ装置中の電気位相比較器をＳi−ＡＰＤにおける二光子吸収を利用した光学位相比較器に置き換える構成では、電気ＶＣＯを用いているため、１００［GHz］以上の周波数で出力することは困難である。
【００１５】
本発明の課題は、入力光信号に同期したビート光信号を出力する光フェーズロックループ装置において、入力光信号とビート光信号とのロックを検出することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置である。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記入力光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記ビート光信号及び前記位相シフトされた入力光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置である。
【００１８】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載のロック検出装置において、
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすることを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれか一項に記載のロック検出装置において、
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のロック検出装置において、
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする。
【００２２】
請求項７に記載の発明は、請求項４から６のいずれか一項に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする。
【００２３】
請求項８に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする。
【００２４】
請求項９に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００２６】
請求項１１に記載の発明は、請求項４に記載のロック検出装置において、
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項１２に記載の発明は、
請求項１から１１のいずれか一項に記載のロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステムである。
【００２８】
請求項１３に記載の発明は、
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置を備え、
前記光学電圧制御発振器は、お互いに異なる周波数の光信号を出力する第１及び第２の光源と、当該第１及び第２の光源から出力される光信号を波長板により調整して前記光学電圧制御発振器から出力する光ビート信号の位相をシフトする位相シフト器と、前記調整された光信号を合波し、第１及び第２のビート光信号に分離するビームスプリッタと、を備え、
前記第１の位相検出器は、前記入力光信号及び前記第１のビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力し、
前記入力光信号及び前記第２のビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器を備え、
前記位相シフト器は、前記第１及び第２の光源から出力される光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を調整することを特徴とする光フェーズロックループシステムである。
【００２９】
請求項１４に記載の発明は、請求項１３に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相シフト器は、前記第１の光源の出力信号が透過するλ／２波長板と、前記第２の光源の出力信号が透過するλ／４波長板と、を備え、
前記ビームスプリッタは、前記λ／２波長板を透過した光信号及び前記λ／４波長板を透過した光信号を合波し、第１のビート光信号と、当該第１のビート光信号と位相が９０度ずれた第２のビート光信号とに分離することを特徴とする。
【００３０】
請求項１５に記載の発明は、請求項１３又は１４に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする。
【００３１】
請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする。
【００３２】
請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする。
【００３３】
請求項１８に記載の発明は、請求項１５から１７のいずれか一項に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする。
【００３４】
請求項１９に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする。
【００３５】
請求項２０に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００３６】
請求項２１に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【００３７】
請求項２２に記載の発明は、請求項１５に記載の光フェーズロックループシステムにおいて、
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００３８】
請求項１に記載の発明によれば、位相シフト器において、第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量だけビート光信号を位相シフトし、第２の位相検出器において、入力光信号と位相シフトされたビート光信号との第２の位相比較信号を出力するので、第２の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置のロックを検出できる。
【００３９】
請求項２に記載の発明によれば、位相シフト器において、第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量だけ入力光信号を位相シフトし、第２の位相検出器において、ビート光信号と位相シフトされた入力光信号との第２の位相比較信号を出力するので、第２の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置のロックを検出できる。
【００４０】
請求項３に記載の発明によれば、位相シフト器において、光路長の違いによりビート光信号又は入力光信号の位相をシフトすることができる。
【００４１】
請求項１３に記載の発明によれば、光学電圧制御発振器において、波長板により、第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量だけ光信号を調整し、その調整された２つの光信号に基づいて第１及び第２のビート光信号を生成し、第２の位相検出器において、入力光信号及び第２のビート光信号の第２の位相比較信号を出力するので、入力光信号の周波数の変化によらず、第２の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置のロックを検出できる。
【００４２】
請求項１４に記載の発明によれば、λ／２波長板を透過した光信号及びλ／４波長板を透過した光信号を合波し、第１のビート光信号と、位相が９０度ずれた第２のビート光信号とに分離するので、第１のビート光信号と、位相が９０度ずれた第２のビート光信号とを容易に生成できる。
【００４３】
請求項４又は１５に記載の発明によれば、前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つにおいて、合波部及び位相比較部により、位相比較信号を出力できる。
【００４４】
請求項５又は１６に記載の発明によれば、位相比較部がＳi−ＡＰＤであるので、偏波依存性を低減できるとともに、装置構成を簡便にできる。また、第１の位相検出器位相比較部がＳi−ＡＰＤである場合に、光フェーズロックループ装置のループ長を低減できる。
【００４５】
請求項６又は１７に記載の発明によれば、Ｓi−ＡＰＤに、入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されているので、入力光信号の波長に対応する光信号がＳi−ＡＰＤ内に入射する効率を高めることができる。
【００４６】
請求項７又は１８に記載の発明によれば、位相比較部の前段に光アイソレータを備えるので、位相比較部に入射する光信号の戻り光を低減でき、非線形効果が起こる効率の波長依存性を低減できる。
【００４７】
請求項８又は１９に記載の発明によれば、位相比較部が光電子増倍管であるので、位相比較部に入射する光信号の感度を高めることができる。
【００４８】
請求項９又は２０に記載の発明によれば、位相比較部が第二高調波発生結晶及びその受光部を備えるので、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。
【００４９】
請求項１０又は２１に記載の発明によれば、位相比較部が周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶及びその受光部を備えるので、装置構成を簡便にできるとともに、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。
【００５０】
請求項１１又は２２に記載の発明によれば、位相比較器が高非線形ファイバと、新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えるので、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。
【００５１】
請求項１２に記載の発明によれば、光フェーズロックループ装置と、そのロックを検出する請求項１から１１のいずれか一項に記載のロック検出装置と、を備える光フェーズロックループシステムを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
以下、図面を参照して本発明に係る第１及び第２の実施の形態並びに第１及び第２の変形例を順に説明する。
【００５３】
（第１の実施の形態）
図１〜図７を参照して、本発明に係る第１の実施の形態を説明する。先ず、図１〜図５を参照して、本実施の形態の光フェーズロックループシステム１αの装置構成を説明する。図１に、本実施の形態の光フェーズロックループシステム１αの構成を示す。図１に示すように、光フェーズロックループシステム１αは、光フェーズロックループ装置１と、入力光信号と光フェーズロックループ装置１のビート光信号との位相を比較してロックを検出するロック検出装置１００Ａとを有する。
【００５４】
フェーズロックループ装置１は、位相検出器１０と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０と、を備えて構成される。ＯＶＣＯ３０は、ＬＤ３１，３２と、光カプラ３３とを備える。ロック検出装置１００Ａは、分波器１１０と、分波器１２０と、π／２シフト器１３０Ａと、位相検出器１４０とを備える。
【００５５】
分波器１１０は、入力光信号を同位相の２つの光信号に分波し、例えば、光カプラにより構成される。位相検出器１０は、入力される２つの光信号の位相を比較し、その比較結果としての位相比較信号を出力する。ループフィルタ２０は、位相検出器１０の位相比較信号を整形して出力する。ＯＶＣＯ３０は、ループフィルタ２０から出力された位相比較信号に基づいて、ビート光信号を出力する。
【００５６】
ＯＶＣＯ３０において、ＬＤ３１，３２により、お互いに異なる周波数の２つの光信号が出力され、その２つの光信号が光カプラ３３で合波され、その周波数差に応じたビート光信号が２つのビート光信号に分波されて出力される。ＬＤ３１，３２は、各出力光の偏波面は同一であるものとする。光カプラ３３から出力される２つのビート光信号のうちの一方のビート光信号は、アウトプットとして出力され、もう一方のビート光信号は、分波器１２０により２つのビート光信号に分波される。分波された２つのビート光信号のうちの一方のビート光信号は、再び位相検出器１０に入力される。つまり、位相検出器１０において、分波器１１０により分波された入力光信号と、分波器１２０により分波されたビート光信号との位相が比較されて、ループが形成される。入力光信号と、ビート光信号との位相差は、９０度になるように制御される。
【００５７】
π／２シフト器１３０Ａは、分波器１２０により分波されたもう一方のビート光信号の位相をπ／２シフトして出力する。位相検出器１４０は、π／２シフト器１３０Ａによりπ／２シフトされた光信号と、分波器１１０により分波された入力光信号との位相を比較し、比較結果としての位相差比較信号をロック検出信号として出力する。位相検出器１４０に入力される、π／２シフトされた光信号と、入力光信号との互いの偏波面は一致するように設定しておく。
【００５８】
図２に、位相検出器１０，１４０の構成を示す。位相検出器１０，１４０は、２つの光信号を合波する合波部と、非線形効果を利用して光信号を位相比較する位相比較部との二つの要素で構成される。位相検出器１０，１４０は、合波部としての光カプラ１１と、位相比較部としてのＳi−ＡＰＤ１２とを備えて構成される。光カプラ１１は、分波器１１０により分波された入力光信号と、分波器１２０により分波されたビート光信号とを合波して出力する。また、光カプラ１１は、合波後の二つの光の偏波が同一になるようにあらかじめ偏波制御器で同一偏波になるように設定するか、偏波保持ファイバと偏波保持カプラとにより構成される。Ｓi−ＡＰＤ１２は、非線形効果としての二光子吸収による受光部であり、光カプラ１１により合波された光信号に対して、合波前の２つの光信号の位相差に対応する出力光電流としての位相比較信号を出力する。
【００５９】
図３に、Ｓi−ＡＰＤ１２の構成を示す。図３に示すように、Ｓi−ＡＰＤ１２は、Ｓi−ＡＰＤ本体１２Ａを備え、Ｓi−ＡＰＤ本体１２Ａの受光面としての窓材や表面にＡＲコート（Anti Reflection Coating：反射防止膜）１２Ｂが施されて構成される。レンズ１４は、入射光の焦点がＳi−ＡＰＤ１２Ａの受光面にあわせられるように設定される。
【００６０】
市販のＳi−ＡＰＤは、８００［nm］に最大の感度を持ち、１１００［nm］よりも長波長の光にはほとんど感度をもたない。そのため、入力光信号の波長が１５５０［nm］の時、１５５０［nm］の光のエネルギーが、Ｓi−ＡＰＤがもつバンドギャップよりも小さいために、通常の線形過程では、Ｓi−ＡＰＤに光電流がほとんど生じない。しかしながら、Ｓi−ＡＰＤにおいて、二光子吸収が起こると、二光子のエネルギーの和がＳi−ＡＰＤがもつバンドギャップを超えるために、光電流が生じる。
【００６１】
通常、二光子吸収をより効率良く起すためには入射光をレンズで絞り、Ｓi−ＡＰＤの受光面上で最もスポットサイズが小さくなるようにする。このため、本実施の形態についても、そのスポットサイズを小さくするために、できるだけ大きなＮＡ（Numerical Aperture）のレンズ１３で入射光を絞るのが良い。
【００６２】
市販されているＳi−ＡＰＤは、受光感度が最大である８００［nm］の光に対して最も反射を小さくするためのＡＲコートを施している。そのため、ＡＲコートにおける最適波長とは異なる１５５０［nm］の光に対しては入射光の１０％以上の反射がおこる。本実施の形態では、光フェーズロックループ装置１で利用されているように、１５５０［nm］の光を入射光として二光子吸収現象によって出力された光電流を検出する。このため、１５５０［nm］に最適なＡＲコート１２ＢをＳi−ＡＰＤ本体１２Ａの窓材や表面に施していることが望ましい。つまり、Ｓi−ＡＰＤ１２として、入力光信号の波長からずれた部分に感度が最大のＳi−ＡＰＤ本体１２Ａに、入力光信号の波長に最適なＡＲコート１２Ｂが施されるものが好ましい。
【００６３】
また、Ｓi−ＡＰＤは、他の方式による位相比較部に比べて、偏波依存性を少なくでき、さらに構成が簡便であり、好ましい。また、構成が簡便であるので、Ｓi−ＡＰＤを位相検出器１０に用い、ループ帯域を上げる場合にもループ長を短くすることが容易であり、好ましい。
【００６４】
図４に、光路長の違いを利用するπ／２シフト器１３０Ａの例を示す。図４（ａ）に、可変光学遅延部１３０ａの構成を示す。図４（ｂ）に、可変光学遅延部１３０ｂの構成を示す。本実施の形態において、入力光信号の周波数は、固定されているものとする。π／２シフト器１３０Ａは、光路長の違いを利用する可変光学遅延部１３０ａ又は１３０ｂにより構成される。図４（ａ）に示すように、可変光学遅延部１３０ａは、ミラー１３１，１３２とを備えて構成される。可変光学遅延部１３０ａでは、ミラー１３１の位置を調整して設置することで、空間的に光路長を調整する。
【００６５】
図５に、光フェーズロックループシステム１αにおける各光路長を示す。図５に示すように、分波器１１０の出力部と位相検出器１０の入力部との間の光路長をパスＰ１とし、分波器１１０の出力部と位相検出器１４０の入力部との間の光路長をパスＰ２とし、ＯＶＣＯ３０の出力部と位相検出器１０の入力部との間の光路長をパスＰ３とし、ＯＶＣＯ３０の出力部と位相検出器１４０の入力部との間の光路長をパスＰ４とする。この場合に、次式（１）を満たすように、可変光学遅延部１３０ａが調整される。
Ｐ１＋Ｐ３＝Ｐ２＋Ｐ４＋（or−）ｃ／（４×ｆ×ｎ） …（１）
ここで、ｃは光速であり、ｆがＯＶＣＯ３０のビート光信号の周波数であり、ｎが光路の屈折率である。
【００６６】
式（１）の条件を満たすことにより、位相検出器１０と位相検出器１４０との位相検出の位相が９０度ずれる。また、光路差は、周波数ｆで決まるため、ＯＶＣＯのビート光信号の周波数が固定の場合に、光路差の違いを利用する可変光学遅延部を用いることができる。
【００６７】
また、ループフィルタ２０の出力波形や、ビート光信号のＲＦスペクトルを測定するなどの手段によって光フェーズロックループシステム１αが正常に動作していることを確認している時に、パスＰ２もしくはパスＰ４の光路長を調整し、位相検出器１４０の平均出力が最大もしくは最小になるように設置する。
【００６８】
光路長の違いを利用する可変光学遅延部としては、図４（ｂ）に示す可変光学遅延部１３０ｂを利用することとしてもよい。可変光学遅延部１３０ｂは、圧電体としてのピエゾ素子１３３と、ピエゾ素子１３３に巻きつけられた光ファイバ１３４とを備える。通電によりピエゾ素子１３３の直径を増減させることで、光ファイバ１３４が増減し光路長を調整する。また、他にも、ＰＬＣ（Planar Lightwave Circuit：平面光波回路）等を用いて、光路長の違いを利用する可変光学遅延部を実現することもできる。
【００６９】
次に、図６及び図７を用いて、光フェーズロックループシステム１αの動作を説明する。図６に、光フェーズロックループシステム１αにおける各信号を示す。図６に示すように、光フェーズロックループ装置１が正常に動作していて位相が同期しているとき、位相検出器１０から出力される位相比較信号が０になるように負帰還している、すなわちＯＶＣＯ３０（光カプラ３３）から出力されるビート光信号と、分波器１１０から出力される入力光信号光との位相差は９０度となっている。また、ＯＶＣＯ３０は、位相比較器としてＳi−ＡＰＤを用いているので、ビート光信号自身と入力光信号自身の二光子吸収により生じる出力光電流がオフセット電流として発生する。位相比較信号はオフセット電流からの差電流となる。
【００７０】
光フェーズロックループ装置１がロックしている時は、位相比較信号が常に０である。またロックしていない時、位相比較信号がランダムな値を取るため、ループフィルタから出力される位相比較信号の平均値は０である。よって、光フェーズロックループ装置１中の位相比較信号の平均値からロックしているかどうかはわからない。
【００７１】
図７に、位相検出器１４０におけるビート光信号及び入力光信号の２つの信号の位相差に対する規格化出力を示す。図７に示すように、ロック検出装置１００Ａを用いて、ビート光信号もしくは入力光信号の位相を例えば９０度ずらし別途設置した位相検出器１４０に入力すると、光フェーズロックループ装置１がロックしている時の位相比較信号の平均値は、位相差が０度の場合は正、位相差が１８０度の場合は負の値を持つ。ロックしていない時に位相比較信号がランダムな値をとるため、その平均値は０となる。よって、ロック動作しているかどうかにより位相比較信号の平均値に差が生じるため、ロックしているかどうかを示すことが可能となる。
【００７２】
また、入力光信号とビート光信号とが同期していない時、位相検出器１０も位相検出器１４０も平均出力はゼロとなる。一方、入力光信号とビート光信号とが同期している時は、位相検出器１０の出力がゼロになるようにＯＶＣＯ３０が制御されている。この時、入力光信号及びビート光信号の位相はπ／２の位相差を持つ。この時、入力光信号もしくはビート光信号の位相をπ／２ずらすと位相差は０もしくはπとなり、位相検出器１４０の出力はゼロで無くなる。
【００７３】
位相検出器１４０の出力は、同期しているときはゼロでない値を持ち、同期していないときには出力位相がランダムであるため平均すると出力がゼロとなる。よって、同期検出を行うことが可能となる。これらの状況を次の表１に示す。
【表１】
【００７４】
以上、本実施の形態によれば、π／２シフト器１３０Ａにおいて、位相検出器１４０で比較される２つの信号がロックした場合に、その位相比較信号が０にならない量として９０度だけビート光信号を位相シフトし、位相検出器１４０において、入力光信号と位相シフトされたビート光信号との位相比較信号（ロック検出信号）を出力するので、位相検出器１４０から出力される位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置１のロックを検出できる。
【００７５】
また、π／２シフト器１３０Ａにおいて、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすることができる。
【００７６】
また、位相検出器１０，１４０において、合波部と位相比較部とにより、位相比較信号を出力できる。また、位相比較部がＳi−ＡＰＤ１２であるので、偏波依存性を低減できるとともに、装置構成を簡便にできる。また、Ｓi−ＡＰＤを位相検出器１０に用い、光フェーズロックループ装置１のループ長を低減できる。
【００７７】
また、Ｓi−ＡＰＤ１２において、Ｓi−ＡＰＤ本体１２Ａに、入力光信号の波長に最適なＡＲコート１２Ｂが施されているので、入力光信号の波長に対応する光信号がＳi−ＡＰＤ内に入射する効率を高めることができる。
【００７８】
（第２の実施の形態）
図８を参照して、本発明に係る第２の実施の形態を説明する。図８に、本実施の形態の光フェーズロックループシステム１βの構成を示す。図８に示すように、光フェーズロックループシステム１βは、第１の実施の形態と同様の光フェーズロックループ装置１と、ロック検出装置１００Ｂとを備えて構成される。
【００７９】
ロック検出装置１００Ｂは、第１の実施の形態と同様に分波器１１０と、分波器１２０と、位相検出器１４０とを備え、さらにπ／２シフト器１３０Ｂを備えて構成される。π／２シフト器１３０Ｂは、第１の実施の形態のπ／２シフト器１３０Ａと同様であるが、分波器１１０に分波された入力光信号の位相をπ／２シフトする。位相検出器１４０は、π／２シフト器１３０Ａによりπ／２シフトされた入力光信号と、分波器１２０により分波されたビート光信号との位相を比較し、その比較結果としての位相比較信号をロック検出信号として出力する。このため、ロック検出装置１００Ｂは、第１の実施の形態のロック検出装置１００Ａと同様のロック検出信号を出力する。
【００８０】
以上、本実施の形態によれば、π／２シフト器において、位相検出器１４０で比較される２つの光信号の位相が合った場合に、その位相比較信号が０にならない量としてπ／２だけ入力光信号を位相シフトし、位相検出器１４０において、ビート光信号と位相シフトされた入力光信号との位相比較信号（ロック検出信号）を出力するので、位相検出器１４０から出力される位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置１のロックを検出できる。
【００８１】
（第１の変形例）
図９〜図１７を参照して、上記第１及び第２の実施の形態において、位相検出器１０，１４０の構成の変形例としての第１の変形例を説明する。
【００８２】
先ず、図９を参照して、位相検出器１０，１４０内の合波部の別の例を示す。図９（ａ）に、ビームスプリッタ１１Ａの構成を示し、図９（ｂ）に、光カプラ１１及び光増幅器１４を設置した例を示す。図９（ａ）に示すように、位相検出器１０，１４０内の合波部として、ビームスプリッタ１１Ａを用いる構成としてもよい。ビームスプリッタ１１Ａは、光学系を空間系で構築する場合に用いる。ビームスプリッタ１１Ａは、合波後の光の偏波が同一になるようにあらかじめ偏波を設定する。
【００８３】
また、位相検出器１０，１４０内の合波部としては、ビームスプリッタ１１Ａに代えてハーフミラー等としても良い。
【００８４】
また、図９（ｂ）に示すように、位相検出器１０，１４０内の合波部（図では光カプラ１１）の後段に、光増幅器１４を設ける構成としてもよい。位相検出器１０，１４０内の合波部による合波後の光信号は、位相比較部としてのＳi−ＡＰＤ１２に入力されるが、より非線形効果を強く起こすために、光増幅器１４を用いてあらかじめ増幅される。
【００８５】
次いで、図１０〜図１７を参照して、位相検出器１０，１４０内の位相比較部の別の例を説明する。図１０（ａ）に、光学素子を傾けた場合の入射光及び反射光の構成を示す。図１０（ｂ）に、Ｓi−ＡＰＤを傾けた場合の入射光及び反射光の軌跡を示す。図１０において、入射光を実線で示し、反射光（戻り光）を点線で示す。
【００８６】
第１の実施の形態のＳi−ＡＰＤ１２のように、入射波長に最適なＡＲコート１２ＢをＳi−ＡＰＤ本体１２Ａに施しても反射光は生じる。そのため、反射光が前段に戻らないようにする必要がある。図１０（ａ）に示す光学系は、光アイソレータや光学フィルタ等の光モジュールで用いられるものである。図１０（ａ）に示すように、出射端１３Ｄから出射された光束は、レンズ１３Ｂによりコリメートされて光学素子１３Ｃを通過し、レンズ１３Ａにより集光されて、入力端１３Ｅに入力される。コリメートされた光（の光軸）に対して斜めに光学素子１３Ｃを設置するので、その反射光の焦点は、入射点と空間的にずれる。そのために光モジュール１３Ｃ前段に反射光が戻る量は、通常、入射光パワーの−５０dB以下となる。
【００８７】
二光子吸収現象は入射光のパワー密度が高いほど効率良く起こる。そこで、図１０（ｂ）に示すように、輝度を高くするためにＳi−ＡＰＤ１２上にレンズ１３Ａの焦点が重なり且つＳi−ＡＰＤ１２を斜めに傾けるように設置する構成を考える。Ｓi−ＡＰＤ１２を斜めに傾けても、レンズ１３ＡのＮＡ値が大きく、反射光は入射端と空間的に一致するために、反射光が前段に戻る量を小さくするのが、図１０（ａ）の光学配置の構成に比べると困難である。反射光は、Ｓi−ＡＰＤ１２前段の光学部品等により反射され、再びＳi−ＡＰＤ１２に入射する場合、Ｓi−ＡＰＤ１２に直接入射する光と干渉し二光子吸収が起こる効率に波長依存性が生じる。
【００８８】
図１１に、位相検出器内に光アイソレータ１５を備える構成を示す。前述の二光子吸収が起こる効率の波長依存性は、図１１に示すように、位相検出器１０，１４０内で光カプラ１１及びＳi−ＡＰＤ１２間に光アイソレータ１５を挿入する構成により緩和される。光アイソレータ１５に代えて、光サーキュレータ等を挿入する構成としてもよい。また、以下に述べるような他の構成の位相比較部の前段に光アイソレータ等を挿入する構成としてもよく、レンズを利用して集光する位相比較部、例えば、ＰＭＴ、ＳＨＧ結晶等に対して有効である。
【００８９】
図１２に、位相検出器内にＰＭＴ１６を備える構成を示す。二光子吸収を利用して入射光の位相差に応じたする電気信号を出力する素子としては、Ｓi−ＡＰＤの他に、ＰＭＴがある。図１２に示すように、位相検出器１０，１４０内で、レンズ１３Ｆと、位相比較部としてのＰＭＴ１６とを順に設置する。ＰＭＴ（光電子倍増管）とは、二光子吸収を利用するとともに、極めて微弱なシンチレーションパルスの光信号をこれに対応する電気信号に変換する装置である。レンズ１３ＦによりＰＭＴ１６の光電面に光を集光することで、ＰＭＴ１６の二光子吸収を効率良く起こるようにする。ＰＭＴ１６には、赤外にほとんど感度をもたず、８００［nm］に大きな感度をもつものを用いる。
【００９０】
ＰＭＴを位相比較部に用いる構成は、Ｓi−ＡＰＤ１２を用いる構成よりも受光感度を１桁程度高めることができる。また、二光子吸収を利用して入射光の位相を比較する他の位相比較部を用いる構成としてもよい。
【００９１】
図１３に、位相検出器内にＳＨＧ（Second Harmonic Generation：第二高調波発生）結晶１７を備える構成を示す。位相比較部としては、二光子吸収をする素子のみならず、入射光が表面に入射した場合に２倍の振動数の出射光を出射する第二高調波発生を利用するものを用いてもよい。図１３に示すように、位相検出器１０，１４０内で、Ｓi−ＡＰＤ１２の前段にレンズ１３Ｇと、ＳＨＧ結晶１７と、レンズ１３Ｈとを順に設置する。ＳＨＧ結晶１７は、第二高調波が発生する結晶であり、例えば、ＬiＮbＯ3である。ＳＨＧ結晶１７において、ＳＨＧがより効率良く発生するようにＳＨＧ結晶１７にはできるだけ小さなビーム径で入射するようにレンズ１３Ｇを用いる。Ｓi−ＡＰＤ１２として、入射光にはほとんど感度が無く、発生したＳＨ光に大きな感度をもつものを受光部として用いても良い。また、Ｓi−ＡＰＤ１２の前段に、入射光を減衰させ、発生したＳＨ光のみを透過させる光学フィルタやカラーフィルタを設置しても良い。この構成では、Ｓi−ＡＰＤ１２に代えて、ＰＤ等の受光部を用いてもよい。
【００９２】
ＳＨＧ結晶を位相比較部に用いる構成は、入射光の縦偏波と横偏波とが相関を持つ場合に電流を出力する構成にでき、位相比較信号にオフセット電流のない構成を実現できる。
【００９３】
図１４に、位相検出器内にＰＰＬＮ１８を備える構成を示す。図１４に示すように、位相検出器１０，１４０内で、Ｓi−ＡＰＤ１２の前段に、第二高調波発生を利用する位相比較部としてＰＰＬＮ１８を設置する。ＰＰＬＮ１８は、ＬiＮbＯ3に周期的な分極反転構造を形成して擬似位相整合（ＱＰＭ：Quasi Phase Matching）を達成した効率波長変換素子（周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶）である。ＰＰＬＮ１８は、ＳＨＧ結晶１７と同様に動作する。この構成では、Ｓi−ＡＰＤ１２に代えて、ＰＤ等の受光部を用いてもよい。また、第二高調波発生を利用して入射光の位相を比較する他の位相比較部を用いる構成としてもよい。
【００９４】
ＰＰＬＮを位相比較部として用いる構成は、ＰＰＬＮを導波路型とする場合に、光導波路として光ファイバを用いることができ、ＳＨＧ結晶を用いる構成よりも構成を簡便にできる。また、他の、第二次高調波発生を利用して入射光の位相を比較する位相比較部を用いる構成としてもよい。
【００９５】
図１５に、位相検出器内にＨＮＬＦ（Highly nonlinear fiber：高非線形ファイバ）１９を備える構成を示す。位相比較部としては、他にも、２つの波長の異なる光子の入射により、入射光と異なる波長の２つの光子を出射する四光波混合を利用するものを用いてもよい。図１５に示すように、位相検出器１０，１４０内で、Ｓi−ＡＰＤ１２の前段に、四光波混合を利用するＨＮＬＦ１９と、ＢＰＦ（Band Pass Filter）１Ａとを順に設置する。入射光がＨＮＬＦ１９に入射され、その入射光のうち、四光波混合により、入射光の波長と異なる新たな波長の出射光がＢＰＦ１Ａを透過され、Ｓi−ＡＰＤ１２で電気信号に変換される。この構成では、Ｓi−ＡＰＤ１２に代えて、ＰＤ等の受光部を用いてもよい。
【００９６】
ＨＮＬＦを位相比較部に用いる構成は、四光波混合を利用するので、位相比較信号にオフセット電流が発生しない構成を実現できる。また、四光波混合を利用して入射光の位相を比較する他の位相比較部として、ＳＯＡ等を用いる構成としてもよい。また、カー効果を利用するＮＯＬＭ等を位相比較部に用いる構成としてもよい。
【００９７】
本変形例によれば、位相検出器１０，１４０の位相比較部としてのＳi−ＡＰＤ１２の前段に光アイソレータ１５を備える場合に、Ｓi−ＡＰＤ１２に入射する光信号の戻り光を低減でき、二光子吸収が起こる効率の波長依存性を低減できる。また、位相比較部をＰＭＴ１６とする場合に、位相比較部に入射する光信号の感度を高めることができる。
【００９８】
また、位相比較部がＳＨＧ結晶１７及びその受光部としてのＳi−ＡＰＤ１２を備える場合に、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。また、位相比較部がＰＰＬＮ１８及びその受光部としてのＳi−ＡＰＤ１２を備える場合に、装置構成を簡便にできるとともに、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。また、位相比較部がＨＮＬＦ１９と、新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部としてのＢＰＦ１Ａ及びＳi−ＡＰＤ１２と、を備える場合に、オフセット電流のない位相比較信号を出力できる。
【００９９】
（第２の変形例）
図１６及び図１７を参照して、上記第１の実施の形態及び第１の変形例に対する第２の変形例を説明する。上記各実施の形態（及び第１の変形例）では、π／２シフト器１３０Ａ，１３０Ｂとして、光路長を変化させて光信号の位相をπ／２シフトする構成としたが、本変形例では、波長板を用いて光信号の位相をπ／２シフトする構成を説明する。図５において、Ｐ１＋Ｐ３＝Ｐ２＋Ｐ４の関係を満たすとき、波長板及びＰＢＳ（Polarization beam splitter）を用いて、光信号に実効的な光路差を生じさせることができる。また、波長板及びＰＢＳを用いる構成では、入力光信号の周波数を可変にしても調整無しで動作する。
【０１００】
図１６に、光フェーズロックループシステム１γの構成を示す。光フェーズロックループシステム１γは、第１の実施の形態の光フェーズロックループシステム１αの変形例であり、分波器１２０、π／２シフト器１３０Ａ及びＯＶＣＯ３０に代えて、ＯＶＣＯ３０Ａを備える。
【０１０１】
ＯＶＣＯ３０Ａは、ＬＤ３１，３２と、λ／４波長板３４と、λ／２波長板３５と、ＰＢＳ３６と、を備える。ループフィルタ２０から出力される整形された位相比較信号に対応して、ＬＤ３１，３２からお互いに異なる周波数の光信号が出力され、ＬＤ３１から出力された光がλ／４波長板３４を透過してＰＢＳ３６に入力され、またＬＤ３２から出力された光がλ／２波長板３５を透過してＰＢＳ３６に入力される。また、図１６に示すように、ＰＢＳ３６の出力部と位相検出器１０の入力部との間の光路長をパスＰ５とし、ＰＢＳ３６の出力部と位相検出器１４０の入力部との間の光路長をパスＰ６とする。
【０１０２】
図１７に、ＯＶＣＯ３０Ａ内の光信号の状態変化を示す。図１７に示すように、ＬＤ３１，３２から出力される各光信号がお互いに周波数の異なる直線偏波（縦偏波）であるとする。ＬＤ３１から出力された光信号はλ／４波長板３４により直線偏波のまま偏波面を４５度回転されるように、入力編波の向きとλ／４波長板３４の向きとが調整される。また、ＬＤ３２から出力された光信号がλ／２波長板３５により円偏光に変換されるように、入力編波の向きとλ／２波長板３５の向きとが調整される。円偏光は、縦偏光成分と、９０度位相が遅れた横偏光成分との和である。また、ＰＢＳ３６からパスＰ５又はＰ６に出力されるビート光信号がアウトプットとして出力される。
【０１０３】
そして、偏波面を４５度回転された光信号と、円偏光の光信号とがＰＢＳ３６に入力され、合波されてビート光信号に変換され、さらにそのビート光信号が縦偏波成分と、ビート光信号の９０度位相が遅れた横偏光成分とに分離される。ビート光信号の縦偏波成分と、ビート光信号の９０度位相が遅れた横偏光成分とは、順にパスＰ５、パスＰ６に振り分けられても、順にパスＰ６、パスＰ５に振り分けられても、位相差が９０度になるため、π／２シフト器が実現されている。
【０１０４】
本変形例によれば、ＯＶＣＯ３０Ａにおいて、λ／２波長板３５を透過した光信号及びλ／４波長板３４を透過した光信号をＰＢＳ３６で合波し、ビート光信号と、位相が９０度ずれたビート光信号とに分離し、位相検出器１０が、入力光信号と、一方のビート光信号との位相比較信号を出力し、位相検出器１４０が、入力光信号と、位相検出器１０に入力したビート光信号から位相が９０度ずれたビート光信号との位相比較信号を出力することができるので、入力光信号の周波数の変化によらず、位相検出器１４０の位相比較信号に基づいて、光フェーズロックループ装置１のロックを検出できるとともに、一方のビート光信号と、位相が９０度ずれたもう一方のビート光信号とを容易に出力できる。
【０１０５】
なお、上記各実施の形態及び各変形例において、位相検出器１０及び１４０の構成を説明したが、その構成が位相検出器１０及び１４０のうちの少なくとも一方であることとしてもよい。また、上記各実施の形態及び第１の変形例において、位相シフタ１３０Ａ，１３０Ｂとしては、ビート光信号又は入射光信号に対して、位相検出器１４０で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトする構成としてもよい。また、上記第２の変形例において、位相シフタとしての波長板は、ＬＤ３１，３２から出力された光信号に対して、位相検出器１４０で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を調整する構成としてもよい。
【０１０６】
また、上記各実施の形態及び各変形例における光フェーズロックループシステムの各構成要素の細部構成、及び細部動作に関しては、本発明の趣旨を逸脱することのない範囲で適宜変更可能であることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の光フェーズロックループシステム１αの構成を示す図である。
【図２】位相検出器１０，１４０の構成を示す図である。
【図３】Ｓi−ＡＰＤ１２の構成を示す図である。
【図４】（ａ）は、可変光学遅延部１３０ａの構成を示す図である。（ｂ）は、可変光学遅延部１３０ｂの構成を示す図である。
【図５】光フェーズロックループシステム１αにおける各光路長を示す図である。
【図６】光フェーズロックループシステム１αにおける各信号を示す図である。
【図７】位相検出器１４０におけるビート光信号及び入力光信号の２つの信号の位相差に対する規格化出力を示す図である。
【図８】本発明に係る第２の実施の形態の光フェーズロックループシステム１βの構成を示す図である。
【図９】（ａ）は、ビームスプリッタ１１Ａの構成を示す図である。（ｂ）は、光カプラ１１及び光増幅器１４を設置した例を示す図である。
【図１０】（ａ）は、光学素子を傾けた場合の入射光及び反射光の構成を示す図である。（ｂ）は、Ｓi−ＡＰＤを傾けた場合の入射光及び反射光の軌跡を示す図である。
【図１１】位相検出器内に光アイソレータ１５を備える構成を示す図である。
【図１２】位相検出器内にＰＭＴ１６を備える構成を示す図である。
【図１３】位相検出器内にＳＨＧ結晶１７を備える構成を示す図である。
【図１４】位相検出器内にＰＰＬＮ１８を備える構成を示す図である。
【図１５】位相検出器内にＨＮＬＦ１９を備える構成を示す図である。
【図１６】光フェーズロックループシステム１γの構成を示す図である。
【図１７】ＯＶＣＯ３０Ａ内の光信号の状態変化を示す図である。
【図１８】フェーズロックループ装置２００の構成を示す図である。
【図１９】電気ミキサ２２０の動作を示す波形図である。
【図２０】光フェーズロックループ装置３００の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１α，１β，１γ 光フェーズロックループシステム
１，３００ 光フェーズロックループ装置
１０，１４０ 位相検出器
１１，３１０ 光カプラ
１１Ａ ビームスプリッタ
１２ Ｓi−ＡＰＤ
１２Ａ Ｓi−ＡＰＤ本体
１２Ｂ ＡＲコート
１３，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｆ，１３Ｇ，１３Ｈ レンズ
１３Ｃ 光学素子
１３Ｄ 出力端
１３Ｅ 入力端
１４ 光増幅器
１５ 光アイソレータ
１６ ＰＭＴ
１７ ＳＨＧ結晶
１８ ＰＰＬＮ
１９ ＨＮＬＦ
１Ａ ＢＰＦ
３２０ 位相比較器
２０，３３０ ループフィルタ
３０，３４０ ＯＶＣＯ
３１，３２，３４１，３４２ ＬＤ
３３，３４３ 光カプラ
１００Ａ，１００Ｂ 光位相検出装置
１１０，１２０ 分波器
１３０Ａ，１３０Ｂ π／２シフト器
１３０ａ，１３０ｂ 可変光学遅延回路
１３１，１３２ ミラー
１３３ ピエゾ素子
１３４ 光ファイバ
３０Ａ ＯＶＣＯ
３４ λ／４波長板
３５ λ／２波長板
３６ ＰＢＳ
２００ フェーズロックループ装置
２１０ 信号源
２２０ 電気ミキサ
２３０ ループフィルタ
２４０ ＶＣＯ
２５０ プリスケーラ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
【請求項２】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記入力光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記ビート光信号及び前記位相シフトされた入力光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
【請求項３】
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすることを特徴とする請求項１又は２に記載のロック検出装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のロック検出装置。
【請求項５】
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項６】
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項７】
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載のロック検出装置。
【請求項８】
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項９】
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項１０】
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項１１】
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステム。
【請求項１３】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置を備え、
前記光学電圧制御発振器は、お互いに異なる周波数の光信号を出力する第１及び第２の光源と、当該第１及び第２の光源から出力される光信号を波長板により調整して前記光学電圧制御発振器から出力する光ビート信号の位相をシフトする位相シフト器と、前記調整された光信号を合波し、第１及び第２のビート光信号に分離するビームスプリッタと、を備え、
前記第１の位相検出器は、前記入力光信号及び前記第１のビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力し、
前記入力光信号及び前記第２のビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器を備え、
前記位相シフト器は、前記第１及び第２の光源から出力される光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を調整することを特徴とする光フェーズロックループシステム。
【請求項１４】
前記位相シフト器は、前記第１の光源の出力信号が透過するλ／２波長板と、前記第２の光源の出力信号が透過するλ／４波長板と、を備え、
前記ビームスプリッタは、前記λ／２波長板を透過した光信号及び前記λ／４波長板を透過した光信号を合波し、第１のビート光信号と、当該第１のビート光信号と位相が９０度ずれた第２のビート光信号とに分離することを特徴とする請求項１３に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１５】
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１６】
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１７】
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１８】
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求項１５から１７のいずれか一項に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１９】
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２０】
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２１】
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２２】
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
【請求項２】
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすることを特徴とする請求項１に記載のロック検出装置。
【請求項３】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記入力光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記ビート光信号及び前記位相シフトされた入力光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記入力光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
【請求項４】
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記入力光信号の位相をシフトすることを特徴とする請求項３に記載のロック検出装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のロック検出装置。
【請求項６】
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項７】
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする請求項６に記載のロック検出装置。
【請求項８】
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のロック検出装置。
【請求項９】
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項１０】
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項１１】
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項１２】
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載のロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステム。
【請求項１４】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置を備え、
前記光学電圧制御発振器は、お互いに異なる周波数の光信号を出力する第１及び第２の光源と、当該第１及び第２の光源から出力される光信号を波長板により調整して前記光学電圧制御発振器から出力する光ビート信号の位相をシフトする位相シフト器と、前記調整された光信号を合波し、第１及び第２のビート光信号に分離するビームスプリッタと、を備え、
前記第１の位相検出器は、前記入力光信号及び前記第１のビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力し、
前記入力光信号及び前記第２のビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器を備え、
前記位相シフト器は、前記第１及び第２の光源から出力される光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を調整することを特徴とする光フェーズロックループシステム。
【請求項１５】
前記位相シフト器は、前記第１の光源の出力信号が透過するλ／２波長板と、前記第２の光源の出力信号が透過するλ／４波長板と、を備え、
前記ビームスプリッタは、前記λ／２波長板を透過した光信号及び前記λ／４波長板を透過した光信号を合波し、第１のビート光信号と、当該第１のビート光信号と位相が９０度ずれた第２のビート光信号とに分離することを特徴とする請求項１４に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１６】
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１７】
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１８】
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする請求項１７に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１９】
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか一項に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２０】
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２１】
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２２】
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２３】
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
【請求項２】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記入力光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記ビート光信号及び前記位相シフトされた入力光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
【請求項３】
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすることを特徴とする請求項１又は２に記載のロック検出装置。
【請求項４】
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のロック検出装置。
【請求項５】
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項６】
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項７】
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求項４から６のいずれか一項に記載のロック検出装置。
【請求項８】
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項９】
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項１０】
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項１１】
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項４に記載のロック検出装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステム。
【請求項１３】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置を備え、
前記光学電圧制御発振器は、お互いに異なる周波数の光信号を出力する第１及び第２の光源と、当該第１及び第２の光源から出力される光信号を波長板により調整して前記光学電圧制御発振器から出力する光ビート信号の位相をシフトする位相シフト器と、前記調整された光信号を合波し、第１及び第２のビート光信号に分離するビームスプリッタと、を備え、
前記第１の位相検出器は、前記入力光信号及び前記第１のビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力し、
前記入力光信号及び前記第２のビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器を備え、
前記位相シフト器は、前記第１及び第２の光源から出力される光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を調整することを特徴とする光フェーズロックループシステム。
【請求項１４】
前記位相シフト器は、前記第１の光源の出力信号が透過するλ／２波長板と、前記第２の光源の出力信号が透過するλ／４波長板と、を備え、
前記ビームスプリッタは、前記λ／２波長板を透過した光信号及び前記λ／４波長板を透過した光信号を合波し、第１のビート光信号と、当該第１のビート光信号と位相が９０度ずれた第２のビート光信号とに分離することを特徴とする請求項１３に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１５】
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする請求項１３又は１４に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１６】
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１７】
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１８】
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求項１５から１７のいずれか一項に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１９】
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２０】
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２１】
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２２】
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記ビート光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記入力光信号及び前記位相シフトされたビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記ビート光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
【請求項２】
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記ビート光信号の位相をシフトすることを特徴とする請求項１に記載のロック検出装置。
【請求項３】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置のロックを検出するロック検出器であって、
前記入力光信号の位相をシフトする位相シフト器と、
前記ビート光信号及び前記位相シフトされた入力光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器と、を備え、
前記位相シフト器は、前記入力光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を位相シフトすることを特徴とするロック検出装置。
【請求項４】
前記位相シフト器は、光路長の違いにより前記入力光信号の位相をシフトすることを特徴とする請求項３に記載のロック検出装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のロック検出装置。
【請求項６】
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項７】
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする請求項６に記載のロック検出装置。
【請求項８】
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求項５から７のいずれか一項に記載のロック検出装置。
【請求項９】
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項１０】
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項１１】
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項１２】
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項５に記載のロック検出装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか一項に記載のロック検出装置と、
前記光フェーズロックループ装置と、
を備えることを特徴とする光フェーズロックループシステム。
【請求項１４】
入力光信号及びビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力する第１の位相検出器と、当該第１の位相比較信号を整形するループフィルタと、当該整形された第１の位相比較信号に基づいて前記ビート光信号を出力する光学電圧制御発振器と、を備える光フェーズロックループ装置を備え、
前記光学電圧制御発振器は、お互いに異なる周波数の光信号を出力する第１及び第２の光源と、当該第１及び第２の光源から出力される光信号を波長板により調整して前記光学電圧制御発振器から出力する光ビート信号の位相をシフトする位相シフト器と、前記調整された光信号を合波し、第１及び第２のビート光信号に分離するビームスプリッタと、を備え、
前記第１の位相検出器は、前記入力光信号及び前記第１のビート光信号の位相を比較し第１の位相比較信号を出力し、
前記入力光信号及び前記第２のビート光信号の位相を比較し第２の位相比較信号を出力する第２の位相検出器を備え、
前記位相シフト器は、前記第１及び第２の光源から出力される光信号に対して、前記第２の位相検出器で比較される２つの光信号の位相が同期した場合に、その位相比較信号が０にならない量を調整することを特徴とする光フェーズロックループシステム。
【請求項１５】
前記位相シフト器は、前記第１の光源の出力信号が透過するλ／２波長板と、前記第２の光源の出力信号が透過するλ／４波長板と、を備え、
前記ビームスプリッタは、前記λ／２波長板を透過した光信号及び前記λ／４波長板を透過した光信号を合波し、第１のビート光信号と、当該第１のビート光信号と位相が９０度ずれた第２のビート光信号とに分離することを特徴とする請求項１４に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１６】
前記第１及び第２の位相検出器のうちの少なくとも一つは、
前記入力光信号及び前記ビート光信号を合波する合波部と、
前記合波された光信号を用いて、非線形効果により前記入力光信号及び前記ビート光信号の位相差に対応する位相比較信号を出力する位相比較部と、を備えることを特徴とする請求項１４又は１５に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１７】
前記位相比較部は、Ｓi−ＡＰＤであることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１８】
前記Ｓi−ＡＰＤは、前記入力光信号の波長に対応する反射防止膜が施されたことを特徴とする請求項１７に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項１９】
前記位相比較部の前段に光アイソレータを備えることを特徴とする請求項１６から１８のいずれか一項に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２０】
前記位相比較部は、光電子増倍管であることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２１】
前記位相比較部は、第二高調波発生結晶と、当該第二高調波発生結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２２】
前記位相比較部は、周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶と、当該周期分極反転ＬiＮbＯ3結晶から出力した光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【請求項２３】
前記位相比較部は、高非線形ファイバと、当該高非線形ファイバから新たに発生した波長の光を受光して位相比較信号を出力する受光部と、を備えることを特徴とする請求項１６に記載の光フェーズロックループシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
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【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００６−１１４９９６（Ｐ２００６−１１４９９６Ａ）
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２９７９１０（Ｐ２００４−２９７９１０）
【出願日】平成１６年１０月１２日（２００４．１０．１２）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年４月２７日（２００６．４．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１０月１２日（２００４．１０．１２）
【出願人】（５０３３６０１１５）独立行政法人科学技術振興機構 (1,734)
【出願人】（０００００５２９０）古河電気工業株式会社 (4,457)
【Ｆターム（参考）】
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