同期光信号発生装置、時間的変調装置、同期光信号発生方法及び時間的変調方法
【課題】入力光信号の偏波に依存しない同期タイミングで同期ビート光信号を発生することである。
【解決手段】変調信号を発生する局所発振部１５と、参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する光カプラ１１と、非線形効果により、合波された参照光信号及びビート光信号の位相比較信号を生成する位相比較部１２と、位相比較信号及び変調信号を乗算して位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する電気ミキサ１３と、位相誤差信号を整形するループフィルタ２０と、整形された位相誤差信号に基づいて、位相誤差信号を０にするビート光信号を発生して出力するＯＶＣＯ３０と、発生されたビート光信号を、変調信号に基づいて時間的変調する時間的変調部１６と、時間的変調されたビート光信号を円偏光にして光カプラ１１に出力する円偏光調整部１７と、を備える。
【解決手段】変調信号を発生する局所発振部１５と、参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する光カプラ１１と、非線形効果により、合波された参照光信号及びビート光信号の位相比較信号を生成する位相比較部１２と、位相比較信号及び変調信号を乗算して位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する電気ミキサ１３と、位相誤差信号を整形するループフィルタ２０と、整形された位相誤差信号に基づいて、位相誤差信号を０にするビート光信号を発生して出力するＯＶＣＯ３０と、発生されたビート光信号を、変調信号に基づいて時間的変調する時間的変調部１６と、時間的変調されたビート光信号を円偏光にして光カプラ１１に出力する円偏光調整部１７と、を備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期光信号発生装置、時間的変調装置、同期光信号発生方法及び時間的変調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速の情報通信を行う光通信ネットワークが知られている。例えば、１００［Ｇbit/s］以上の光通信ネットワークにおいて、中継器や受信器は、光ファイバ伝送後のタイミングのずれた光パルスを元のタイミングで整列するリタイミング機能を有する。このリタイミング機能には、通信する光信号に同期した光信号が必要となる。
【０００３】
上記同期光信号を発生する装置として、ＯＰＬＬ（Optical Phase-Lock Loop）やＰＬＬ（Phase-Lock Loop）を用いた方式のものがあった。例えば、ＯＰＬＬにより参照光信号に同期したビート光信号を発生する装置が考えられている（例えば、特許文献１参照）。図１７を参照して、従来のＯＰＬＬにより同期光信号を出力する同期光信号発生装置を説明する。図１７に、従来の同期光信号発生装置７の構成を示す。
【０００４】
図１７に示すように、同期光信号発生装置８は、合波部としての光カプラ８１と、光位相比較部としてのＳｉ−ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）８２と、ループフィルタ８３と、ＯＶＣＯ（Optical Voltage Controlled Oscillator：電圧制御光信号発生源）８４と、の三つの要素を備えて構成される。同期させる対象の入力光信号を参照光信号とする。同期光信号発生装置８において、参照光信号に同期したビート光信号をＯＶＣＯ８４から出力する。
【０００５】
なお、光学素子と光学素子との間（光経路）は、特に断らない限り、偏波を保持しない通常の光ファイバにより接続されており、電気素子と電気素子との間（電気経路）が導線により接続されている。また、図面上、光経路を太線で図示し、電気経路を細線で示す。これらの事項は、以下同様とする。
【０００６】
ＯＶＣＯ８４は、ＬＤ（Laser Diode）８４１，８４２と、光カプラ８４３とを備える。ＯＶＣＯ８４において、出力光波長が異なる２つのＬＤ８４１，８４２の出力光を光カプラ８４３で合波する。ここで、ＬＤ８４１，８４２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８４３内で干渉し、光カプラ８４３が波長の差に応じた周波数で振動するビート光信号を出力する。波長差に対する制限は光カプラ８４３の帯域で決まる。ＬＤ８４１，８４２は、駆動電流や制御温度によって出力光の波長を変化させることができる。よって、ＯＶＣＯ８４は、参照光信号に応じてＬＤ８４１，８４２の出力光の波長を制御し、出力するビート光信号の周波数を変化させ、参照光信号に同期したビート光信号を出力することができる。
【０００７】
Ｓｉ−ＡＰＤ８２は、非線形効果としての二光子吸収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（ＴＰＡ信号）を位相誤差信号として出力する。ループフィルタ８３は、位相誤差信号を平均化して整形し、ＯＶＣＯ８４の制御信号として出力する。
【０００８】
図１８を参照して、位相誤差信号について説明する。図１８（ａ）に、ビート光信号と参照光信号との波形及び時間差τを示す。図１８（ｂ）に、時間差τに対するＴＰＡ（Two Photon Absorption）信号（ＴＰＡ電流の信号）Ｉ（τ）を示す。
【０００９】
Ｓｉ−ＡＰＤ８２は、受光すると、二光子吸収により、参照光信号とビート光信号とのＴＰＡ信号Ｉを出力する。Ｓｉ−ＡＰＤ８２が受光した瞬時の光のパワーをＰとすると、Ｉ∝Ｐ２の関係を有する。図１８（ａ）に示すように、同期光信号発生装置８において、参照光信号と、ビート光信号と、の間に時間差τが発生している場合を考える。Ｓｉ−ＡＰＤ８２から出力されるＴＰＡ信号Ｉ（τ）は、時間差τに対して、図１８（ｂ）に示すような関係を有する。つまり、ＴＰＡ信号Ｉ（τ）は、τ＝０の場合に最大になり、所定のオフセット電流を中心として振動している。
【００１０】
そして、同期光信号発生装置８は、Ｓｉ−ＡＰＤ８２から出力されるＴＰＡ信号Ｉ（τ）と、ビート光信号と、の間の時間差τ（位相差）を０にするように動作する。このようにして、Ｓｉ−ＡＰＤ８２等により、光通信における超高速の光信号同士の位相比較が可能となっている。
【００１１】
また、ＯＰＬＬにより線幅の小さい同期ビート光信号を出力する同期光信号発生装置も考えられている（例えば、特許文献２参照）。ここで、図１９を参照して、線幅の狭い光信号を用いて同期ビート光信号を出力する同期光信号発生装置９を説明する。図１９に、同期光信号発生装置９の構成を示す。
【００１２】
図１９に示すように、同期光信号発生装置９は、合波部としての光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ（TransImpedance Amplifier）１９と、ループフィルタ２０と、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御電気信号発生源）３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦ（Radio Frequency）アンプ３２と、ＤＦＢ（Distributed FeedBack：分布帰還型）−ＬＤ３３１と、ＬＮ（Lithium Niobete：ニオブ酸リチウム）位相変調器３３２と、サーキュレータ３４１と、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating：アレイ導波路回析格子）３４２と、ＦＲＭ（Faraday Rotator Mirror：ファラデーローテーターミラー）３５１，３５２と、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）３６１と、光カプラ３７と、を備えて構成される。
【００１３】
同期光信号発生装置９は、例えば、１６０［ＧＨｚ］の同期ビート光信号を発生する。光カプラ１１は、参照光信号と、光カプラ３７から出力されるビート光信号と、を合波して出力する。Ｓｉ−ＡＰＤ１２１は、光カプラ１１から入力される合波された光信号を受光してＴＰＡ信号を位相誤差信号として出力する。ＴＩＡ１９は、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１から入力される位相誤差信号を電圧信号に変換及び増幅して出力する。ループフィルタ２０は、ＴＩＡ１９から入力される位相誤差信号を整形して出力する。
【００１４】
ＶＣＯ３１は、ループフィルタ２０から入力される位相誤差信号に応じて周波数を変化させた電気信号を発生して出力する。二倍周波数発生器３１１は、ＶＣＯ３１から入力された電気信号の２倍の周波数の電気信号を発生して出力する。二倍周波数発生器３１２は、二倍周波数発生器３１１から入力された電気信号の２倍の周波数の電気信号を発生して出力する。ＲＦアンプ３２は、二倍周波数発生器３１２から入力された電気信号を増幅して出力する。ＶＣＯ３１から出力される電気信号の周波数を１０［ＧＨｚ］程度とすると、ＲＦアンプ３２から出力される電気信号の周波数が４０［ＧＨｚ］程度となる。
【００１５】
ＤＦＢ−ＬＤ３３１は、単一周波数のレーザ光を出力する。ＬＮ位相変調器３３２は、ＤＦＢ−ＬＤ３３１から入力されるレーザ光を位相変調して、ＲＦアンプ３２から入力される電気信号の周波数（約４０［ＧＨｚ］）間隔の細いスペクトル線を有する光コム信号を発生して出力する。ＬＮ位相変調器３３２から出力された光コム信号は、サーキュレータ３４１を介してＡＷＧ３４２に入力される。ＡＷＧ３４２は、ＬＮ位相変調器３３２から入力された光コム信号から波長λ１，λ２のスペクトル線の光信号を選択して出力する。この波長λ１，λ２の周波数間隔が１６０［ＧＨｚ］に設定されている。
【００１６】
ＡＷＧ３４２から出力された波長λ１，λ２の光信号は、偏波がそろっており、それぞれ、ＦＲＭ３５１，３５２で反射され、ＡＷＧ３４２を再び通って出力される。また、ＦＲＭ３５１，３５２は、反射により入力光信号の偏波と直交する偏波の光信号を出力する。このため、ＡＷＧ３４２から出力された光信号は、波長λ１，λ２のビート光信号となる。ＡＷＧ３４２によりビート光信号の偏波純度を高められ、選出したい２つの光スペクトル線が２度ＡＷＧ３４２を通過することとにより、光ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio：Ｓ／Ｎ比）が高くなる（周波数純度が高くなる）。
【００１７】
ＡＷＧ３４２から出力された波長λ１，λ２のビート光信号（周波数が１６０［ＧＨｚ］）は、サーキュレータ３４１を介してＥＤＦＡ３６１に入力される。ＥＤＦＡ３６１は、入力される波長λ１，λ２のビート光信号を増幅して出力する。光カプラ３７は、ＥＤＦＡ３６１から入力される波長λ１，λ２のビート光信号を分波して、一方を外部に出力し、もう一方を帰還して光カプラ１１に出力する。このように、同期光信号発生装置８において、線幅の狭い電気信号に基づき生成した光コム信号から波長λ１，λ２の光スペクトル線を選択及び合波して、参照光信号に同期した線幅の狭い光ビート信号を発生する。このため、ループ帯域を小さくできるとともに、位相雑音及びタイミングジッタを低減できる。
【００１８】
また、ＯＰＬＬにより参照光信号に同期した電気信号を出力する同期電気信号発生装置も考えられている（例えば、非特許文献１、２参照）。ここで、図２０を参照して、同期電気信号を出力する同期電気信号発生装置１０を説明する。図２０に、同期電気信号発生装置１０の構成を示す。
【００１９】
図２０に示すように、同期電気信号発生装置１０は、光カプラ１０１と、ＥＤＦＡ１０２と、Ｓｉ−ＡＰＤ１０３と、ループフィルタ１０４と、ＶＣＯ１０５と、ＲＦアンプ１０６と、モードロックレーザ１０７と、ＰＣ（Polarization Controller：偏波コントローラ）１０８と、を備えて構成される。
【００２０】
モードロックレーザ１０７は、入力される電気信号に応じたクロック光信号を出力する。先ず、光カプラ１０１により、参照光信号とクロック光信号が合波されて出力される。光カプラ１０１から出力された光信号は、ＥＤＦＡ１０２により増幅されてＳｉ−ＡＰＤ１０３に入力される。
【００２１】
Ｓｉ−ＡＰＤ１０３は、２光子吸収により、ＥＤＦＡ１０２から入力された参照光信号とクロック光信号とが合波された光信号のＴＰＡ信号を位相誤差信号として出力する。Ｓｉ−ＡＰＤ１０３から出力された位相誤差信号は、ループフィルタ１０４により整形され、ＶＣＯ１０５に出力される。ＶＣＯ１０５は、ループフィルタ１０４から入力された位相誤差信号に応じた周波数の電気信号を発生し、外部に出力するとともに、ＲＦアンプ１０６に出力する。また、ＶＣＯ１０５から出力された電気信号は、ＲＦアンプ１０６により増幅されてモードロックレーザ１０７に入力される。モードロックレーザ１０７により発生されたクロック信号は、ＰＣ１０８により偏波が調整されて光カプラ１０１に入力される。このようにして、参照光信号に同期した電気信号を得る。
【００２２】
図２１を参照して、同期電気信号発生装置１０のＴＰＡ信号の偏波依存性について説明する。図２１（ａ）に、時間差τに対するＴＰＡ信号の関係を示す。図２１（ｂ）に、時間ｔに対するＴＰＡ信号の関係を示す。
【００２３】
同期電気信号発生装置１０において、ＰＣ１０８によりクロック信号の偏波を変更した場合のＳｉ−ＡＰＤ１０３が出力するＴＰＡ信号を図２１（ａ），（ｂ）に示す。図２１（ａ），（ｂ）において、ＰＣ１０８の調整により直線偏光のクロック信号を出力した場合のＴＰＡ信号を実線で示し、円偏光のクロック信号を出力した場合のＴＰＡ信号を点線で示す。
【００２４】
図２１（ａ）に示すように、直線偏光のクロック信号を光カプラ１０１に入力したＴＰＡ信号の波形と、円偏光のクロック信号を光カプラ１０１に入力したＴＰＡ信号の波形とでは、オフセット値が異なる。このため、図２１（ｂ）に示すように、オフセットを合わせると、直線偏光のクロック信号を光カプラ１０１に入力したＴＰＡ信号の波形と、円偏光のクロック信号を光カプラ１０１に入力したＴＰＡ信号の波形とには、時間ｔについて周期の１０分の１程度のタイミングのずれ（タイミングオフセット）が発生している。
【００２５】
また、上記のようなＳｉ−ＡＰＤにおける位相誤差信号の偏波依存性を低減するための技術が考えられている。具体的には、Ｓｉ−ＡＰＤに入射させる２つの光信号の一方を円偏光にする構成である（例えば、非特許文献３参照）。
【００２６】
図２２を参照して、２つの光信号を合波してＳｉ−ＡＰＤに入力した場合に、Ｓｉ−ＡＰＤから出力されるＴＰＡ信号の偏波依存性を説明する。図２２（ａ）に、時間差τに対する、少なくとも一方が直線偏光の２つの光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を示す。図２２（ｂ）に、時間差τに対する、少なくとも一方が円偏光の光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を示す。
【００２７】
図２２（ａ）において、互いに同じ方向の直線偏光の２つの光信号を合波した場合の位相誤差信号を実線で示し、互いに直交する直線偏光の２つの光信号を合波した場合の位相誤差信号を点線で示し、直線偏光及び円偏光の光信号を合波した場合の位相誤差信号を破断線で示す。図２２（ａ）に示すように、偏波が異なると、位相誤差信号のオフセット値及び振幅がともに異なっている。
【００２８】
図２２（ｂ）において、円偏光及び直線偏光の光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を実線で示し、互いに同じ回転方向の円偏光の２つの光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を破断線で示し、互いに逆回転方向の円偏光の２つの光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を点線で示す。図２２（ｂ）に示すように、図２２（ａ）に比べて、偏波が異なっても、ＴＰＡ信号の振幅が同一になっている。
【００２９】
一方を円偏光にして合波した場合のＴＰＡ信号Ｉ（τ）は、次式（１）〜（４）により記述される。
【数１】
【００３０】
但し、
Ｉ（τ）：二光子吸収によりＳｉ−ＡＰＤに発生する光電流（ＴＰＡ信号）、
Ｅ（ｔ）：時間の関数である電場、
η：二光子吸収効率に関する定数、
Ｓ１〜Ｓ３：片方の入射光の規格化Stokesベクトル、
Ｓ’１〜Ｓ’３：もう片方の入射光の規格化Stokesベクトル、
ｇ（ｔ）：片方の入射光のエンベロープ、
ｇ’（ｔ)：もう片方の入射光のエンベロープ、
Ｂ１：Ｉ（τ）のオフセット値、
Ｃ１：Ｉ（τ）の振幅、
である。
【００３１】
図２３（ａ）に、時間ｔに対するエンベロープｇ (ｔ)の波形を示す。図２３（ｂ）に、時間差τに対するＴＰＡ信号Ｉ（τ）の波形を示す。式（１）〜（４）に示すエンベロープｇ(ｔ)、ｇ’(ｔ−τ)は、図２３（ａ）に示すような波形である。このとき、式（２）に示すＴＰＡ信号Ｉ（τ）は、図２３（ｂ）に示すような波形となり、式（３）、（４）で表されるオフセット値Ｂ１及び振幅Ｃ１を有する。Ｓｉ−ＡＰＤへの２つの入力光信号のうち、片方を円偏光にすると、振幅Ｃ１は変化せず、オフセット値Ｂ１が変化する。
【特許文献１】国際公開第０３／１０４８８６号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００８／００７６１５号パンフレット
【非特許文献１】Reza Salem,T.E.Murphy,“Broad-Band Optical Clock Recovery System Using Two-Photon Absorption,” Photonics Technology Letters,vol.16,no.9,2141-2143,2004
【非特許文献２】Reza Salem,G.E.Tudury,T.U.Horton,G.M.Carter and T.E.Murphy,“Polarization-Insensitive Optical Clock Recovery at 80 Gbi/s Using a Silicon Photociode,”Photonics technology letters,vol.17,no.9,pp.1968-1970,2005.
【非特許文献３】Reza Salem and Thomas E.Murphy,“Polarization-insensitive cross correlation using two-photon absorption in a silicon photodiode,”Optics letters,vol.29,no.13,pp.1524-1526,2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
しかし、従来のＯＰＬＬを利用した同期光信号発生装置において、Ｓｉ−ＡＰＤにおけるＴＰＡ信号Ｉ（τ）の偏波依存性を無くすために片方の入力光信号を円偏光にしたとしても、ＴＰＡ信号Ｉ（τ）の振幅Ｃ１を偏波無依存化できるが、オフセット値Ｂ１を偏波無依存化できない。このため、参照光信号や、帰還されるビート光信号（以下、この２つを入力光信号とする）の偏波が変わることにより、同期ビート信号のタイミングオフセットが生じる。
【００３３】
本発明の課題は、入力光信号の偏波に依存しない同期タイミングで同期ビート光信号を発生することである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記課題を解決するために、本発明に係る同期光信号発生装置は、
所定周波数の変調信号を発生する局所発振部と、
参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する合波部と、
非線形効果により、前記合波された参照光信号及びビート光信号の位相を比較し位相比較信号を生成する位相比較部と、
前記位相比較信号及び前記変調信号を乗算して当該位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する電気ミキサと、
前記位相誤差信号を整形する整形部と、
前記整形された位相誤差信号に基づいて、当該位相誤差信号を０にするビート光信号を発生して出力するビート光信号発生部と、
前記ビート光信号発生部により発生されたビート光信号を、前記変調信号に基づいて時間的変調する時間的変調部と、
前記時間的変調されたビート光信号を円偏光にして前記合波部に出力する円偏光調整部と、を備える。
【００３５】
好ましくは、前記円偏光調整部は、偏波コントローラである。
【００３６】
好ましくは、前記合波部は、ハーフミラーであり、
前記円偏光調整部は、１／４波長板であり、
前記１／４波長板から前記位相比較部までの光路が空間光学系により構成され、
前記ビート光信号発生部から前記１／４波長板までの光路を通る光信号の偏波を直線偏光に保持する偏波保持部を備える。
【００３７】
好ましくは、前記時間的変調部は、前記ビート光信号を構成する一方の波長の光信号を位相変調する位相変調部を備える。
【００３８】
好ましくは、前記時間的変調部は、
前記ビート光信号を構成する第１及び第２の波長の光信号を抽出するアレイ導波路回析格子と、
前記第２の波長の光信号及び位相変調された第１の波長の光信号を反射するファラデーローテータミラーと、を備え、
前記位相変調部は、前記アレイ導波路回析格子から出力される前記第１の波長の光信号を位相変調し、
前記アレイ導波路回析格子は、前記ファラデーローテータミラーにより反射された、前記第２の波長の光信号及び前記位相変調された第１の波長の光信号を合波しビート光信号として出力する。
【００３９】
好ましくは、前記ビート光信号発生部は、
前記位相誤差信号に応じた周波数間隔の光コム信号を発生する光コム発生部と、
前記発生された光コム信号から第１及び第２の波長の線スペクトルの光信号を選択して抽出する２モード選択部と、
前記抽出された第１及び第２の波長の光信号を合波してビート光信号を発生して出力する２モード合波部と、を備える。
【００４０】
好ましくは、前記２モード選択部及び前記２モード合波部は、ファブリペローエタロンにより構成される。
【００４１】
好ましくは、前記時間的変調部は、前記２モード選択部により選択された第１の波長の光信号を時間的変調し、当該時間的変調した第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波して出力する。
【００４２】
好ましくは、前記２モード選択部及び前記２モード合波部は、前記時間的変調部を含み、当該時間的変調部により時間的変調されたビート光信号を発生して出力する。
【００４３】
好ましくは、前記時間的変調部は、前記ビート光信号を位相変調する位相変調部を備える。
【００４４】
好ましくは、前記局所発振部からの変調信号の位相をシフトして、前記電気ミキサ又は前記時間的変調部に出力する位相シフタを備える。
【００４５】
本発明に係る時間的変調装置は、
第１及び第２の波長の光信号から構成されるビート光信号の前記第１の波長の光信号を位相変調する位相変調部と、
前記位相変調された第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波してビート光信号として出力する合波部と、を備える。
【００４６】
本発明に係る同期光信号発生方法は、
参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する工程と、
非線形効果により、前記合波された参照光信号及びビート光信号の位相を比較して位相比較信号を生成する工程と、
前記位相比較信号と、所定周波数の変調信号を乗算して当該位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する工程と、
前記位相誤差信号を整形する工程と、
前記整形された位相誤差信号の微分値信号に基づいて、当該微分値信号を０にするビート光信号を発生して出力する工程と、
前記発生されたビート光信号を、前記変調信号に基づいて時間的変調する工程と、
前記時間的変調されたビート光信号を円偏光にして前記合波に用いる時間的変調された円偏光のビート光信号として出力する工程と、を含む。
【００４７】
本発明に係る時間的変調方法は、
第１及び第２の波長の光信号から構成されるビート光信号の前記第１の波長の光信号を位相変調する工程と、
前記位相変調された第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波してビート光信号として出力する工程と、を含む。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、帰還するビート光信号を時間的変調し、円偏光にして復調することにより、位相比較信号の微分値を位相誤差信号として得ることができ、入力光信号の偏波に依存しない同期タイミングで同期ビート光信号を発生できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。但し、本発明は図示例に限定されるものではない。
【００５０】
先ず、図１を参照して、本実施の形態の同期光信号発生装置１の装置構成を説明する。図１に、本実施の形態の同期光信号発生装置１の構成を示す。
【００５１】
図１に示すように、同期光信号発生装置１は、合波部としての光カプラ１１と、位相比較部１２と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ビート光信号発生部としてのＯＶＣＯ３０と、局所発振部１５と、時間的変調部１６と、円偏光調整部１７と、を備えて構成される。ＯＶＣＯ３０は、ＶＣＯ３１と、ＲＦアンプ３２と、光コム発生部３３と、２モード選択部３４と、２モード合波部３５と、を備えて構成される。合波部としては、光カプラ１１に限定されるものではなく、ハーフミラー等、他の合波部としてもよい。
【００５２】
光カプラ１１は、図示しない外部機器から入力される同期させたい参照光信号と円偏光調整部１７から出力されるビート光信号とが入力され、その２つの光を合波して出力する。位相比較部１２は、光カプラ１１から出力された合波された光信号が入力され、その光信号から参照光信号とビート光信号との位相差を示す位相比較信号を出力する。位相比較部１２は、非線形効果である２光子吸収により位相比較信号としてのＴＰＡ信号（ＴＰＡ電流）を出力する位相比較器である。以下、一例として、位相比較部１２が、Ｓｉ−ＡＰＤであるものとして説明するが、Ｓｉ−ＰＤ等、他の二光子吸収による位相比較部を用いることとしてもよい。位相比較部１２の出力信号を、ＲＦ信号とする。
【００５３】
電気ミキサ１３は、位相比較部１２から出力された位相比較信号と、局所発振部１５から出力される変調信号とが入力され、その２つの電気信号を乗算して位相比較信号を復調し位相誤差信号として出力する。電気ミキサ１３の出力信号を、ＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）信号とする。
【００５４】
ループフィルタ２０は、電気ミキサ１３から出力された位相誤差信号を整形して出力する。ＯＶＣＯ３０は、ループフィルタ２０から入力された整形後の位相誤差信号に応じて、参照光信号に同期した波長λ１，λ２のビート光信号を出力する。
【００５５】
ＶＣＯ３１は、ループフィルタ２０から出力された整形後の位相誤差信号が入力され、その位相誤差信号に応じた周波数の電気信号を発生して出力する。ＲＦアンプ３２は、ＶＣＯ３１から出力された電気信号が入力され、その電気信号を増幅して出力する。光コム発生部３３は、ＲＦアンプ３２から出力された電気信号が入力され、その電気信号の周波数間隔（繰り返し周波数）の光コム信号を出力する。光コム信号は、ＶＣＯ３１の電気信号の周波数間隔の複数のスペクトル線を有する光信号である。各スペクトル線間の差周波数の線幅は狭い。このようにして、ＯＶＣＯ３０は、ループフィルタ２０から入力される位相誤差信号を０にするようなビート光信号を出力する。
【００５６】
２モード選択部３４は、光コム発生部３３から出力される光コム信号が入力され、その光コム信号のうち、所定の波長λ１，λ２のスペクトル線（所定の２つのモード）の光信号を選択して出力する。２モード合波部３５は、２モード選択部３４から出力された波長λ１，λ２の光信号が入力され、その波長λ１，λ２の光信号を合波し光ビート光信号として外部に出力するとともに、時間的変調部１６にも出力する。なお、２モード合波部３５が合波する波長λ１，λ２の光信号の偏波は合っているものとする。
【００５７】
局所発振部１５は、所定周波数の電気信号を変調信号として出力する。局所発振部１５の出力信号を、ＬＯ信号とする。時間的変調部１６は、２モード合波部３５から出力されたビート光信号と局所発振部１５から出力された局所周波数信号とが入力され、その局所周波数信号に基づいてビート光信号に時間的変調をかけて出力する。円偏光調整部１７は、時間的変調部１６から出力された時間的変調後のビート光信号が入力され、そのビート光信号を位相比較部１２の入力時に円偏光となるよう調整して光カプラ１１に出力する。ビート光信号は、位相比較部１２に帰還される。このように、同期光信号発生装置１は、位相誤差信号が０になるところでロックされ、参照光信号に同期したビート光信号を出力する。
【００５８】
次に、図２〜図１０を参照して、同期光信号発生装置１の動作を説明する。従来の技術で述べたように、二光子吸収の位相比較部１２（Ｓｉ−ＡＰＤ）に入力する２つの光信号のうち、片方を円偏光にすると、位相比較部１２から出力される位相比較信号（ＴＰＡ電流）の振幅が、入力光信号の偏波によらず一定となり、そのオフセット値が入力光信号の偏波に依存する。このため、ＴＰＡ電流を時間で微分すれば、そのオフセット値がキャンセルされ、その微分値信号が、入力光信号の偏波によらず同一の信号となる。同期光信号発生装置１では、時間的変調部１６によりビート光信号に時間的変調がかけられ、円偏光調整部１７により円偏光に調整され、参照信号とともに位相比較部１２に入力され、電気ミキサ１３により位相比較部１２のＴＰＡ信号が復調されることで、ＴＰＡ信号の時間的な微分値信号が位相誤差信号として得られる。
【００５９】
ここで、ビート光信号に対する時間的変調と、ＴＰＡ信号に対する復調とにより、ＴＰＡ信号の時間的な微分値信号が得られることを説明する。先ず、参照光信号とビート光信号との時間差τに対して得られる位相比較部１２のＴＰＡ信号をＸ（τ）とする。所定の時間差τ０にて局所発振部１５による時間的変調sinωｔを振幅Ｄで、時間的変調部１６によりビート光信号に加えると、ＴＰＡ信号Ｘ（τ）がＸsin（τ０＋Ｄsinωｔ）で記述される。
【００６０】
ここで、ＴＰＡ信号Ｘ（τ）をテイラー展開すると、次式（５）で表される。ここでは、Ｄが小さい極限では式（５）の右辺の第二項がＸ（τ）の微分値と等しくなることを意味する。
【数２】
【００６１】
また、局所発振部１５がＤsinωｔで駆動されて電気ミキサ１３に入力され、また電気ミキサ１３に式（５）のＴＰＡ信号が入力されると、電気ミキサ１３の出力は、式（５）の右辺の第二項にsinωｔを乗じた値となる。というのは、通常用いられる電気ミキサでは、入力ＤＣ成分が無視されるからである。
【００６２】
式（５）の右辺の第二項にsinωｔを乗じた値は、次式（６）で示される。また、式（６）からＤＣ成分を抜き出すと、次式（７）の値が得られる。
【数３】
【００６３】
時間振幅Ｄが小さな極限では、式（７）がＴＰＡ信号の微分値に一致する。式（７）の値は、電気ミキサ１３の出力信号である。通常の動作では、時間振幅Ｄが有限の値をとり、その値はできる限り小さく抑制されるため、電気ミキサ１３の出力信号がほぼＴＰＡ信号の微分値に一致する。ただし、通常の動作での時間振幅Ｄの大きさは、ビート光信号の周期に比較すると十分小さな値であり、且つタイミングジッタよりは大きな値である必要がある。
【００６４】
次いで、図２を参照して時間的変調の例を説明する。図２に、時間的変調がなされた信号の波形を示す。図２において、横軸の「ピリオド」とは、ビート光信号の一周期であり、以下の図でも同様とする。また、時間的変調周期をΔｔで示す。
【００６５】
時間的変調部１６において、例えば、図２に示すように、所定の時間ｔからｔ＋４Δｔまで、変調量が振動するように時間的変調がなされる。また、時間的変調信号の周波数は、ＯＰＬＬ信号周波数に比較して小さいことが必要である。つまり、次式（８）を満たす。
（時間的変調周期Δｔ）≫（ＯＰＬＬ出力信号の一周期） …（８）
【００６６】
また、時間的変調信号の周波数は、ＯＰＬＬループ帯域に比較して大きいことが必要である。つまり、次式（９）を満たす。
（時間的変調周期Δｔ）≪（ループ帯域の逆数） …（９）
本実施の形態では、例えば、
（ループ帯域の逆数＝１０［μｓ］）≫（時間的変調周期＝１００［ｎｓ］）≫（ＯＰＬＬ出力信号（ビート光信号）の周期＝６．２５［ｐｓ］）
の関係を満たすように設定されている。
【００６７】
次いで、図３及び図４を参照して、時間的変調・復調の様子を説明する。図３（ａ）に、時間差τに対するＴＰＡ信号の一例と時間的変調するポイントＡ，Ｂ，Ｃとを示す。図３（ｂ）に、図３（ａ）のＴＰＡ信号の微分値信号を示す。図４（ａ）に、図３（ａ）のポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける時間的変調後のＴＰＡ信号の波形を示す。図４（ｂ）に、局所発振部１５のＬＯ信号と図３（ａ）のポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける復調信号との波形を示す。
【００６８】
位相比較部１２の出力信号は、ビート光信号に時間的変調を加えないと、図３（ａ）に示す実線、破断線、点線のように、時間差τに対してオフセット値が異なるＴＰＡ信号となる。このような場合に、時間的変調部１６により、局所発振部１５が発生する変調信号の周波数で時間的変調をかける。ここで、時間差τ＜０、τ＝０、τ＞０の各所定値のＴＰＡ信号を、順に、ポイントＡ，Ｂ，Ｃとする。
【００６９】
すると、ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける位相比較部１２の出力信号（ＴＰＡ信号）は、図４（ａ）に示すような波形となる。さらに、局所発振部１５から出力されるＬＯ信号（変調信号）と、ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける電気ミキサ１３の出力信号（復調信号）とは、図４（ｂ）に示すような波形となる。図４（ｂ）に示すように、復調信号のＤＣ成分（平均値）は、ポイントＡで正の値となり、ポイントＢで０の値となり、ポイントＣで負の値となる。つまり、復調信号は、図３（ａ）のＴＰＡ信号の微分値になっていることが分かる。なお、図３（ａ）のＴＰＡ信号の微分値信号は、図３（ｂ）に示す波形となる。
【００７０】
次いで、図５を参照して、局所発振部１５の変調信号の適切な周波数範囲について説明する。図５に、電気ミキサ１３の出力信号の周波数分布を示す。
【００７１】
電気ミキサ１３の出力信号は、図５に示すような周波数分布となる。ここで、局所発振部１５の変調信号の周波数をｆＬＯとする。位相比較部１２から出力されるＴＰＡ信号は、局所発振部１５の変調信号で時間的に変調されているため、周波数ｆＬＯに信号成分を有する。また、電気ミキサ１３のアイソレーション不足により、電気ミキサ１３の出力信号に現れている。電気ミキサ１３から出力される復調信号は、ＴＰＡ信号と局所発振部１５の変調信号との乗算成分を有するため、ＤＣ成分と２×ｆＬＯ成分とを有する。
【００７２】
電気ミキサ１３の出力信号は、ループフィルタ２０により復調信号ＤＣ成分のみが抽出されて整形されてＯＶＣＯ３０（ＶＣＯ３１）に入力される。よって、ループフィルタ２０には、電気ミキサ１３の出力信号から、ｆＬＯ成分と２×ｆＬＯ成分とを効率よく減衰するローパスフィルタを用いることが好ましい。このため、局所発振部１５の変調信号の周波数ｆＬＯは、ＯＰＬＬのループ帯域より大きいことが好ましい。また、周波数ｆＬＯが、ＯＰＬＬのループ帯域の１０倍より大きいことがさらに好ましい。
【００７３】
次に、図６〜図１０を参照して、時間的変調部１６の時間的変調方法として、第１〜第４の時間的変調方法を順に説明する。なお、従来、位相変調器を用いて光信号を位相変調する構成はあった（例えば、特許文献２参照）。しかし、光信号（特にビート光信号）に対して時間的変調をかける技術はなかった。
【００７４】
先ず、図６〜図８を参照して、第１の時間的変調方法を説明する。図６に、第１の時間的変調方法による位相変調部１６Ａを用いた装置構成を示す。
【００７５】
第１の時間的変調方法は、ビート光信号を構成する波長λ１，λ２のＣＷ（Continuous Wave：連続波）光のうち、片方（波長λ１）を位相変調することにより時間的変調を行う方法である。図２に示すように、時間的変調は、位相変調により実現できる。第１の時間的変調方法において、図６に示すように、時間的変調部１６は、位相変調部１６Ａと、光カプラ１６０と、により構成される。例えば、局所発振部１５から出力された変調信号がＲＦアンプ１５１により増幅されて位相変調部１６Ａに出力される。
【００７６】
位相変調部１６Ａは、局所発振部１５から入力された変調信号の電圧でビート光信号の波長λ１成分を位相変調する。位相変調部１６Ａにより位相変調されたビート光信号の波長λ１成分と、ビート光信号の波長λ２成分とは、光カプラ１６０により合波され、時間的変調後のビート光信号として円偏光調整部１７に出力される。
【００７７】
ここで、第１の時間的変調方法によるビート光信号の位相の変化を説明する。先ず、ビート光信号の波長λ１成分の電場をＥ１（ｔ）とし、同じく波長λ２成分の電場をＥ２（ｔ）とする。また、電場Ｅ１（ｔ）＝sin（ω１ｔ＋φ）、電場Ｅ２（ｔ）＝sinω２ｔとする。但し、ω１：波長λ１に対応する角速度、ω２：波長λ２に対応する角速度、φ：位相変調部１６Ａによる位相変調量、である。本実施の形態では、例えば、１９３［ＴＨｚ］（波長１５５０［ｎｍ］）程度のビート光信号を想定するが、これに限定されるものではない。
【００７８】
すると、時間的変調後のビート光信号のパワーＰ（ｔ）は、次式（１０）により記述される。
【数４】
【００７９】
式（１０）において、（１＋cos（（ω２−ω１）ｔ−φ））／２の成分がビート光信号のエンベロープ成分（例えば、１６０［ＧＨｚ］）であり、sin２（（（ω１＋ω２）ｔ＋φ）／２）の成分（例えば、１９３［ＴＨｚ］）が搬送波の成分となる。式（１０）から、位相変調部１６Ａの位相変調量φを０から２πまで変化させると、ビート光信号の位相も０から２πまで変化することが分かる。すなわち、波長λ１成分の任意の位相変調により、ビート光信号を自在に時間的変調することができる。
【００８０】
図７を参照して、位相変調部１６Ａに入力する変調信号の電圧を説明する。図７に、位相変調部１６Ａに加えた電圧に対するビート光信号の強度時間波形を示す。
【００８１】
図７において、Ｖπは、位相変調部１６Ａがビート光信号を構成する搬送波の位相をπずらすために必要な印加電圧である。通常のＬＮ位相変調器を用いる場合に、Ｖπは３〜５［Ｖ］程度である。
【００８２】
位相変調部を通過する光の変調時間量Ｔｍと、その時間的変調に必要な電圧Ｖとは、次式（１１）に従う。
【数５】
但し、Ｔperiod-of-BeatSignal：入力ビート光信号の一周期である。ビート光信号の周波数が１６０［ＧＨｚ］である場合に、Ｔperiod-of-BeatSignalは、６．２５［ｐｓ］となる。一般的には、Ｔperiod-of-BeatSignal＝１／ｆbeatである。ただし、ｆbeat：ビート光信号の周波数である。
【００８３】
例えば、図７に示すように、１６０［ＧＨｚ］のビート光信号の周波数を半周期である３．１２５［ｐｓ］だけ時間的に変調させるためには、式（１１）によりＶ＝Ｖπの印加電圧を必要とする。よって、ビート光信号を時間的変調するために位相変調部１６Ａに入力する局所発振部１５の変調信号の電圧値は、比較的小さい。
【００８４】
また、第１の時間的変調方法では、変調周波数の上限が位相変調部１６Ａの帯域で決まる。このため、例えば、５０［ＧＨｚ］程度までの変調周波数が可能である。そして、時間的変調量はビート光信号の周期の数倍程度まで可能である。例えば、１６０［ＧＨｚ］のビート光信号であれば、容易に６．２５［ｐｓ］は変調可能である。
【００８５】
ここで、図８を参照して、第１の時間的変調方法を行う時間的変調部の一例としての時間的変調部１６１を説明する。図８に、時間的変調部１６１の構成を示す。
【００８６】
図８に示すように、時間的変調部１６１は、サーキュレータ１６１１と、ＡＷＧ１６１２と、ＬＮ位相変調器１６１３と、ＦＲＭ１６１４と、ＶＯＡ（Variable Optical Attenuator）１６１５と、ＦＲＭ１６１６と、を備えて構成される。
【００８７】
サーキュレータ１６１１は、ＯＶＣＯ３０から入力された光コム信号（ビート光信号）をＡＷＧ１６１２に出力するとともに、ＡＷＧ１６１２から入力されたビート光信号を（円偏光調整部１７に）出力する。ＡＷＧ１６１２は、サーキュレータ１６１１から入力される光コム信号（ビート光信号）から波長λ１，λ２のスペクトル線の光信号を選択し、波長λ１の光信号をＬＮ位相変調器１６１３に出力し、波長λ２の光信号をＶＯＡ１６１５に出力する。
【００８８】
ＬＮ位相変調器１６１３は、局所発振部１５からの変調信号と、ＡＷＧ１６１２からの波長λ１の光信号と、が入力される。ＬＮ位相変調器１６１３は、入力された変調信号の電圧に応じて、波長λ１の光信号の位相を変調して出力する。ＬＮ位相変調器１６１３から出力された波長λ１の光信号は、ＦＲＭ１６１４で反射され、ＬＮ位相変調器１６１３を介し、ＡＷＧ１６１２に再び入力される。ＶＯＡ１６１５は、ＡＷＧ１６１２からの波長λ２の光信号が入力され、その波長λ２の光信号にＬＮ位相変調器１６１３と等しい減衰をかけて出力する。ＶＯＡ１６１５から出力された波長λ２の光信号は、ＦＲＭ１６１６で反射され、ＶＯＡ１６１５を介し、ＡＷＧ１６１２に再び入力される。
【００８９】
ＬＮ位相変調器１６１３、ＶＯＡ１６１５を介して入力された波長λ１，λ２の光信号は、ＡＷＧ１６１２により合波されてビート光信号としてサーキュレータ１６１１を介して円偏光調整部１７に出力される。
【００９０】
ＡＷＧ１６１２から出力された波長λ１，λ２の光信号は、偏波がそろっており、それぞれ、ＬＮ位相変調器１６１３、ＶＯＡ１６１を介して、ＦＲＭ１６１４１，１６１５で反射され、ＡＷＧ１６１２を再び通って出力される。また、ＦＲＭ１６１４１，１６１５は、反射により入力光信号の偏波と直交する偏波の光信号を出力する。このため、ＡＷＧ１６１２から出力された光信号は、波長λ１，λ２のビート光信号となる。ＡＷＧ１６１２によりビート光信号の偏波純度を高められ、選出したい２つの光スペクトル線が２度ＡＷＧ１６１２を通過することとにより、光ＳＮＲが高くなる。
【００９１】
次いで、図９及び図１０を参照して、第２の時間的変調方法を説明する。図９に、第２の時間的変調方法による装置構成を示す。
【００９２】
第２の時間的変調方法は、入力光信号（ビート光信号）そのものを位相変調する方法である。図９に示すように、第２の時間的変調方法では、図６に示すように、時間的変調部１６は、位相変調部１６Ｂにより構成される。例えば、局所発振部１５から出力された変調信号がＲＦアンプ１５２により増幅されて位相変調部１６Ｂに出力される。位相変調部１６Ｂは、ＲＦアンプ１５２から入力された変調信号の電圧に応じて、入力されたビート光信号に位相変調をかけて出力する。
【００９３】
第２の時間的変調方法は、最も構成が簡単である。また、ビート光信号に限らず、任意の光信号を時間的に変調できる。また、高速の変調が可能である。例えば、変調周波数の最大値を５０［ＧＨｚ］にできる。
【００９４】
図１０を参照して、第２の時間的変調方法に必要な電圧を説明する。図１０に、位相変調部１６Ｂに加えた電圧に対するビート光信号の強度時間波形を示す。
【００９５】
図１０において、Ｖπは、位相変調部１６Ｂが搬送波であるビート光信号の位相をπずらすために必要な印加電圧値であり、例えば３〜５［Ｖ］程度である。
【００９６】
位相変調部を通過する光の変調時間量Ｔｍと、その時間的変調に必要な電圧Ｖとは、次式（１２）に従う。
【数６】
但し、Ｔperiod：入力光信号の搬送波の一周期である。
【００９７】
例えば、入力光信号の波長を１５３３．３３［ｎｍ］（１９３．０［ＴＨｚ］）とすると、Ｔｍ＝５．１８［ｆｓ］となる。このとき、１６０［ＧＨｚ］のビート光信号を半周期である３．１２５［ｐｓ］時間的に遅延させるためには、式（１２）より、図１０に示すように１２０６・Ｖπの電圧の印加が必要となる。
【００９８】
次いで、第３の時間的変調方法を説明する。第３の時間的変調方法は、空間光学系において、空間の光路長を振動させることにより時間的変調を行う方法である。例えば、入力光信号を第１の固定ミラーにより反射させるとともに、その反射光を第１、第２の可動ミラーで反射し、その反射光を第２の固定ミラーにより反射させて出力する構成を考える。第１、第２の可動ミラーにピエゾ素子等のアクチュエータが取り付けられている。局所発振部から出力されＲＦアンプにより増幅された変調信号により、アクチュエータを振動させる。第３の時間的変調方法によれば、遅延量を大きくとることができる。その反面、アクチュエータが機械的な振動をするので、メガヘルツオーダの変調信号による時間的変調が困難である。
【００９９】
次いで、第４の時間的変調方法を説明する。第４の時間的変調方法は、モードロックレーザの繰り返し周波数を変調することにより時間的変調を行う方法である。局所発振部から出力された変調信号により、モードロックレーザを駆動してレーザ光を出力させる。このように、繰り返し周波数の増減を通じて出力パルスのタイミングを変調する。タイミング変調度は、周波数ずれに時間を乗じた値となる。第４の時間的変調方法によれば、大きなタイミング変調を行える。その反面、ループ帯域よりも大きな変調周波数が必要であり、メガヘルツオーダの変調信号による時間的変調が困難である。
【０１００】
以上、本実施の形態によれば、光カプラ１１が参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波し、位相比較部１２がその合波された参照光信号及びビート光信号の位相比較信号（ＴＰＡ信号）を生成し、電気ミキサ１３がその位相比較信号と局所発振部１５の変調信号とを乗算して（復調して）位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力してループフィルタ２０が整形する。そして、ＯＶＣＯ３０がその整形された位相誤差信号に基づいて、当該位相誤差信号が０になるビート光信号を発生して出力し、時間的変調部１６がＯＶＣＯ３０により発生されたビート光信号を局所発振部１５の変調信号に基づいて時間的変調し、円偏光調整部１７が時間的変調されたビート光信号を円偏光にして光カプラ１１に出力する。このように、ＯＰＬＬにおいて、ビート光信号に時間的変調をかけ、円偏光にし、位相比較信号を復調することにより、位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として得る。このため、ＯＰＬＬにおける入力光信号（参照光信号、帰還するビート光信号）の偏波に依存しない同期タイミングで同期ビート光信号を発生できる。
【０１０１】
また、ＯＶＣＯ３０は、ＶＣＯ３１と、光コム発生部３３と、２モード選択部３４と、２モード合波部３５と、を備える。このため、ＯＶＣＯ３０から出力する同期ビート光信号の線幅を狭くでき、その位相雑音を低減し、ループ帯域を小さくできるとともに、ループ長を適切にできる。
【０１０２】
また、時間的変調部１６が第１の時間的変調方法を行うものである場合に、位相変調部１６Ｂで位相を０から２πまで変えることにより、ビート光信号の位相も０から２πまで自在に変化できる。また、局所発振部１５からの比較的低い電圧の変調信号を用いてビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。
【０１０３】
また、第１の時間的変調方法を行う時間的変調部１６１は、ＡＷＧ１６１２、ＦＲＭ１６１４，１６１６を含んで構成され、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。
【０１０４】
また、時間的変調部１６が第２の時間的変調方法を行うものである場合に、局所発振部１５からの変調信号を用いてビート光信号の時間的変調を行うことができるとともに、時間的変調部１６の装置構成を簡単にできる。
【実施例１】
【０１０５】
図１１を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例１を説明する。図１１に、本実施例の同期光信号発生装置２の構成を示す。但し、上記実施の形態で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１０６】
本実施例の同期光信号発生装置２は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１１に示すように、同期光信号発生装置２は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０１と、局所発振部１５と、時間的変調部１６１と、位相シフタ１８と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。ＯＶＣＯ３０１は、ＶＣＯ３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、ＬＮ位相変調器３３２と、サーキュレータ３４１と、ＡＷＧ３４２と、ＦＲＭ３５１，３５２と、ＥＤＦＡ３６１と、光カプラ３７と、を備える。
【０１０７】
局所発振部１５は、所定周波数の局所的な電気信号（変調信号）を発生して出力する。光カプラ１１は、参照光信号とＰＣ１７１から入力された円偏光のビート光信号とを合波して出力する。Ｓｉ−ＡＰＤ１２１は、光カプラ１１から出力された合波後の光信号が入力され、参照光信号とビート光信号との位相比較信号（ＴＰＡ信号）を出力する。位相比較信号は、ＴＩＡ１９で電圧信号にされて増幅され、電気ミキサ１３により、局所発振部１５から入力された変調信号と乗算されて復調されて出力される。この復調信号が、位相比較信号の微分値信号であり、位相誤差信号として用いられる。
【０１０８】
位相誤差信号は、ループフィルタ２０により整形されＯＶＣＯ３０１のＶＣＯ３１に入力される。ＶＣＯ３１は、ループフィルタ２０から入力された位相誤差信号に応じて周波数を変化した電気信号を発生して出力する。ＶＣＯ３１から出力された電気信号は、二倍周波数発生器３１１，３１２により周波数が４倍にされ、ＲＦアンプ３２により増幅される。ＤＦＢ−ＬＤ３３１は、ＣＷ光を発生して出力する。ＬＮ位相変調器３３２は、ＤＦＢ−ＬＤ３３１から出力されたＣＷ光をＲＦアンプ３２から出力された電気信号の周波数間隔の光コム信号に変換して出力する。
【０１０９】
ＬＮ位相変調器３３２から出力された光コム信号は、サーキュレータ３４１を介してＡＷＧ３４２に入力され、ＡＷＧ３４２により、波長λ１、λ２のスペクトル線の光信号が選択され、ＦＲＭ３５１，３５２で反射されて合波され、波長λ１、λ２のビート光信号が出力される。ＡＷＧ３４２から出力されたビート光信号は、サーキュレータ３４１を介してＥＤＦＡ３６１により増幅されて外部に出力されるとともに、時間的変調部１６１に出力される。このように、ＯＶＣＯ３０１は、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ３４２を２回通る。このため、ビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。
【０１１０】
位相シフタ１８は、局所発振部１５から出力された変調信号が入力され、その変調信号を設定された位相量だけシフトして時間的変調部１６１のＬＮ位相変調器１６１３に出力する。この位相シフト量は、同期光信号発生装置２の経路等に因り、位相誤差信号振幅が最大になるように調整される。
【０１１１】
時間的変調部１６１により時間的変調されたビート光信号は、サーキュレータ１６１１から出力され、ＰＣ１７１に入力される。ＰＣ１７１は、サーキュレータ１６１１から入力されたビート光信号がＳｉ−ＡＰＤ１２１の入力で円偏光になるよう偏波を調整して光カプラ１１に出力する。
【０１１２】
ここで、位相シフタ１８の機能について説明する。図３（ａ）において、ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおいて時間的変調を加えた場合の時間経路例を基に考える。同期光信号発生装置２において、電気ミキサ１３に入力されるＬＯ信号は、電気経路の長さに因り、cos（ωｔ＋φ）と記述できる。また、ポイントＡ，Ｂ，Ｃの信号は、順に、cos（ωｔ＋π）、cos（２ωｔ＋π）、cosωｔと記述できる。電気ミキサ１３は乗算をする。このため、ポイントＡ，Ｂ，Ｃの信号は、順に、次式（１３）〜（１５）で記述される。
【数７】
【０１１３】
ポイントＡ，Ｃにおいて、ループフィルタ２０で抽出されるＤＣ成分（低周波成分）は、式（１３），（１５）の各第１項である。式（１４）により、ポイントＢでは、φに関わらずＤＣ成分が常にゼロとなる。ポイントＡ，Ｃでは、ＤＣ成分がφの値により増減し、且つ正負が反転する。同期動作を実現するには、非同期であるがＯＰＬＬの出力周波数と参照光信号のビットレートとがほとんど同じ状態で、位相誤差信号振幅が最大値になるように、位相シフタ１８によりφを調整する。但し、局所発振部１５からＬＮ位相変調器１６１３へと、局所発振部１５から電気ミキサ１３へと、の導線の長さを変調波長の波長の１／５以下の誤差で同一にした場合は位相シフタ１８が無くとも、ある程度の振幅の位相誤差信号が得られる。
【０１１４】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。また、時間的変調部１６１により、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。さらに、既製の光学部品を用いて装置構成を容易に実現できる。
【０１１５】
また、局所発振部１５の変調信号の位相を、位相誤差信号振幅が最大となる量シフトする位相シフタ１８を備える。このため、位相誤差信号の振幅を最大にできる。これにより、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例２】
【０１１６】
図１２を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例２を説明する。図１２に、本実施例の同期光信号発生装置３の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１１７】
本実施例の同期光信号発生装置３は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１２に示すように、同期光信号発生装置３は、ハーフミラー１１１と、レンズ１１２と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０２と、偏波保持部としてのＰＭＦ（Polarization Maintaining Fiber：偏波保持ファイバ）４５，４６と、局所発振部１５と、位相シフタ１８と、時間的変調部１６２と、１／４波長板１７２と、を備えて構成される。
【０１１８】
ＯＶＣＯ３０２は、ＶＣＯ３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、偏波保持部としてのＰＭＦ４１〜４４と、ＬＮ位相変調器３３２と、偏波保持部としてのＰＢＳ（Polarized Beam Splitter：偏光ビームスプリッタ）３４３と、ＡＷＧ３４２と、ＦＲＭ３５１，３５２と、偏波保持部としてのＰＭ（Polarization Maintaining：偏波保持）−ＥＤＦＡ３６２と、光カプラ３７と、を備えて構成される。時間的変調部１６２は、偏波保持部としてのＰＢＳ１６１７と、ＡＷＧ１６１２と、ＬＮ位相変調器１６１３と、ＦＲＭ１６１４と、ＶＯＡ１６１５と、ＦＲＭ１６１６と、を備えて構成される。ＰＢＳ３４３，１６１７は、ＰＢＣ（Polarized Beam Combiner：偏波合成器）でもよい。
【０１１９】
ハーフミラー１１１、レンズ１１２、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１及び１／４波長板１７２により、空間光学系Ｆが構成されている。空間光学系Ｆでは、光学素子同士が光ファイバでなく空間を介するよう構成され、空間中では偏波が変化しない。ハーフミラー１１１は、参照光信号を透過するとともに、１／４波長板１７２から出射される円偏光のビート光信号を反射し、参照光信号と同じ方向（レンズ１１２）に出射する。レンズ１１２は、ハーフミラー１１１から出射された光信号をＳｉ−ＡＰＤ１２１の表面に集光する。Ｓｉ−ＡＰＤ１２１は、入射された光信号の位相比較信号を発生して出力する。
【０１２０】
ＯＶＣＯ３０２において、ＤＦＢ−ＬＤ３３１とＬＮ位相変調器３３２との間がＰＭＦ４１を介して接続され、ＬＮ位相変調器３３２とＰＢＳ３３２との間がＰＭＦ４２を介して接続され、ＰＢＳ３３２とＰＭ−ＥＤＦＡ３６２との間がＰＭＦ４３を介して接続され、ＰＭ−ＥＤＦＡ３６２と光カプラ３７との間がＰＭＦ４４を介して接続される。ＰＭＦ４１〜４４を通過する光信号は、偏波が保持される。ＤＦＢ―ＬＤ３３１から出力される直線偏光のＣＷ光は、ＰＭＦ４１を介してＬＮ位相変調器３３２に入力され、ＬＮ位相変調器３３２により直線偏光の光コム信号に変換されて出力される。ＰＢＳ３４３は、ＬＮ位相変調器３３２からＰＭＦ４２を介して入力される直線偏光の光コム信号を反射してＡＷＧ３４２に出力するとともに、ＡＷＧ３４２から入力される直線偏光の波長λ１，λ２のビート光信号をＰＭＦ４３を介してＰＭ−ＥＤＦＡ３６２に出力する。ＰＭ−ＥＤＦＡ３６２は、ＰＢＳ３４３から入力される直線偏光のビート光信号の偏波を保持し増幅して出力する。
【０１２１】
ＰＭ−ＥＤＦＡ３６２から出力された直線偏光のビート光信号は、ＰＭＦ４４を介して光カプラ３７により分波され、外部に出力されるとともに、ＰＭＦ４５を介して時間的変調部１６２のＰＢＳ１６１７に出力される。ＰＢＳ１６１７は、ＰＭＦ４５を介して入力された直線偏光のビート光信号を反射してＡＷＧ１６１２に出力するとともに、ＡＷＧ１６１２から入力される直線偏光のビート光信号を、時間的変調されたビート光信号としてＰＭＦ４６を介して１／４波長板１７２に出力する。１／４波長板１７２は、直線偏光を円偏光に変換する機能を有する。このため、１／４波長板１７２は、ＰＭＦ４６を介して入力された直線偏光のビート光信号を円偏光に変換してハーフミラー１１１に出力する。
【０１２２】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。さらに、円偏光調整部１７に１／４波長板１７２を用いるので、ＰＣ１７１のような偏波の調整を不要にできる。
【０１２３】
また、実施例１と同様に、時間的変調部１６２により、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。さらに、位相シフタ１８により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例３】
【０１２４】
図１３を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例３を説明する。図１３に、本実施例の同期光信号発生装置４の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１２５】
本実施例の同期光信号発生装置４は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１３に示すように、同期光信号発生装置４は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０３と、局所発振部１５と、位相シフタ１８１と、時間的変調部１６３と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。
【０１２６】
ＯＶＣＯ３０３は、ＶＣＯ３１と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、ＬＮ位相変調器３３２と、ＡＷＧ３４２と、光カプラ３４４，３４５と、ＰＣ３５３と、光カプラ３５４と、を備えて構成される。時間的変調部１６３は、ＬＮ位相変調器１６１３と、ＰＣ１６１８と、光カプラ１６１９と、ＥＤＦＡ１６２０と、を備えて構成される。
【０１２７】
同期光信号発生装置４において、位相シフタ１８１は、局所発振部１５から入力される変調信号を、位相誤差信号振幅が最大になるような位相量シフトして出力する。電気ミキサ１３は、ＴＩＡ１９からの時間的に調整され増幅された位相比較信号と、局所発振部１５から出力されて位相シフタ１８１により位相シフトされた変調信号と、が入力されて、それら２つの信号を乗算して位相比較信号の微分値信号を生成し位相誤差信号として出力する。
【０１２８】
ＯＶＣＯ３０３において、ＬＮ位相変調器３３２から出力される光コム信号は、ＡＷＧ３４２に入力される。ＡＷＧ３４２は、ＬＮ位相変調器３３２から入力される光コム信号から波長λ１，λ２の線スペクトルの光信号を出力する。ＡＷＧ３４２から出力された波長λ１の光信号は、光カプラ３４４により分波され、光カプラ３５４に出力されるとともに、時間的変調部１６３のＬＮ位相変調器１６１３に出力される。ＡＷＧ３４２から出力された波長λ２の光信号は、光カプラ３４５により分波され、ＰＣ３５３を介して光カプラ３５４に出力されるとともに、時間的変調部１６３のＰＣ１６１８に出力される。ＰＣ３５３は、ＡＷＧ３４２から入力された波長λ２の光信号の偏波を、光カプラ３５４に入力される波長λ１の光信号の偏波に調整して出力する。光カプラ３４４から出力された波長λ１の光信号と、ＰＣ３５３から出力された波長λ２の光信号とは、光カプラ３５４により合波され、ビート光信号として外部に出力される。
【０１２９】
時間的変調部１６３において、ＬＮ位相変調器１６１３は、局所発振部１５から出力されてＲＦアンプ１５１により増幅された変調信号の電圧に応じて、光カプラ３４３から入力される波長λ１の光信号の位相を変調して光カプラ１６１９に出力する。ＰＣ１６１８は、光カプラ３４４から入力される波長λ２の光信号の偏波を、光カプラ１６１９に入力される波長λ２の光信号の偏波に調整して出力する。ＬＮ位相変調器１６１３から出力される波長λ１の光信号と、ＰＣ１６１８から出力される波長λ２の光信号とは、光カプラ１６１９により合波されてＥＤＦＡ１６２０により増幅され、時間的変調されたビート光信号としてＰＣ１７１に出力される。
【０１３０】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。また、ＯＶＣＯ３０３と時間的変調部１６３とで、波長λ１，λ２の波長の選択部分（２モード選択部３４）が共通であり、装置構成を簡単にできる。特に、同期光信号発生装置２，３に比べて、ＡＷＧが１つで済み、製造コストを低減できる。
【０１３１】
また、実施例１と同様に、位相シフタ１８１により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例４】
【０１３２】
図１４を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例４を説明する。図１４に、本実施例の同期光信号発生装置５の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１３３】
本実施例の同期光信号発生装置５は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１４に示すように、同期光信号発生装置５は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０１と、局所発振部１５と、位相シフタ１８と、時間的変調部としてのＬＮ位相変調器１６４と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。
【０１３４】
ＬＮ位相変調器１６４は、位相シフタ１８から入力される変調信号の電圧に応じて、ＯＶＣＯ３０１の光カプラ３７から入力されるビート光信号を位相変調し、時間的変調されたビート光信号としてＰＣ１７に出力する。
【０１３５】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第２の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を行うことができるとともに、装置構成を簡単にできる。特に、同期光信号発生装置２，３に比べて、ＡＷＧが１つで済み、製造コストを低減できる。
【０１３６】
また、実施例１と同様に、位相シフタ１８により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例５】
【０１３７】
図１５を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例５を説明する。図１５に、本実施例の同期光信号発生装置６の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１３８】
本実施例の同期光信号発生装置６は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１５に示すように、同期光信号発生装置６は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０４と、局所発振部１５と、位相シフタ１８と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。
【０１３９】
ＯＶＣＯ３０４は、ＶＣＯ３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、ＬＮ位相変調器３３２と、時間的変調部１６１と、ＥＤＦＡ３６１と、光カプラ３７と、を備えて構成される。ＬＮ位相変調器３３２から出力された光コム信号は、時間的変調部１６１のサーキュレータ１６１１を介してＡＷＧ１６１２に出力される。また、ＡＷＧ１６１２から出力されるＬＮ位相変調器３３２から出力された時間的変調されたビート光信号は、ＥＤＦＡ３６１により増幅され、光カプラ３７により分波され、外部とＰＣ１７１とに出力される。
【０１４０】
つまり、同期光信号発生装置６から外部に出力されるビート光信号は、時間的変調されたビート光信号となる。このため、外部のビート光信号を用いるアプリケーション等が、時間的変調されたビート光信号を許容する場合に、同期光信号発生装置６が適用可能となる。
【０１４１】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。さらに、ＯＶＣＯ３０４が時間的変調部１６１を含むので、装置構成を簡単にできる。特に、同期光信号発生装置２，３に比べて、ＡＷＧが１つで済み、製造コストを低減できる。
【０１４２】
また、実施例１と同様に、時間的変調部１６１により、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。さらに、位相シフタ１８により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例６】
【０１４３】
図１６を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例６を説明する。図１６に、本実施例の同期光信号発生装置７の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１４４】
本実施例の同期光信号発生装置７は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけ、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１６に示すように、同期光信号発生装置７は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０５と、局所発振部１５と、位相シフタ１８と、時間的変調部１６１と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。
【０１４５】
ＯＶＣＯ３０５は、ＶＣＯ３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、ＬＮ位相変調器３３２と、ファブリペローエタロン３４６と、ＥＤＦＡ３６１と、光カプラ３７と、を備えて構成される。
【０１４６】
ファブリペローエタロンは、ファブリペロー干渉系のうち、干渉間距離が固定されている光学素子であり、入力光のうち、特定の波長が強められて出力される。ファブリペローエタロンが透過する特定の波長の間隔は、ＦＳＲ（Free Spectral Range）として設定されている。また、ファブリペローエタロンは、出力光の波長精度を保つため、温度調整が必要となる。
【０１４７】
ファブリペローエタロン３４６は、例えば、ＦＳＲが１６０［ＧＨｚ］に設定されているものとする。ファブリペローエタロン３４６は、ＬＮ位相変調器３３２から出力された光コム信号が入力され、その光コム信号からＦＳＲに対応する波長（λ１，λ２）の光信号を透過し（例えば１６０［ＧＨｚ］の）ビート光信号としてＥＤＦＡ３６１に出力する。
【０１４８】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。さらに、ＯＶＣＯ３０４にＡＷＧを用いることなくファブリペローエタロン３４６を用いて構成するので、装置構成を簡単にできる。特に、同期光信号発生装置２，３に比べて、ＡＷＧが１つで済み、製造コストを低減できる。
【０１４９】
また、実施例１と同様に、時間的変調部１６１により、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。さらに、位相シフタ１８により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【０１５０】
なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る同期光信号発生装置、時間的変調装置、同期光信号発生方法及び時間的変調方法の一例であり、これに限定されるものではない。
【０１５１】
例えば、上記実施の形態、各実施例及び以下に述べる構成の一部又は全部のうち、少なくとも２つの構成を適宜組み合わせることとしてもよい。
【０１５２】
また、上記実施の形態、各実施例では、ＯＶＣＯとして、光コム発生部、２モード選択部、２モード合波部により、線幅の狭いビート光信号を発生する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、従来の同期光信号発生装置７のように、ＬＤを用いたＯＶＣＯ等、他のＯＶＣＯを用いる構成としてもよい。
【０１５３】
また、上記実施の形態、各実施例では、位相比較部１２として、非線形効果として二光子吸収を利用したＳｉ−ＡＰＤ１２１を用いる構成としたが、これに限定されるものではなく、他の非線形効果を利用したものとしてもよい。例えば、光ファイバ中の四光波混合（ＦＷＭ：Four Wave Mixing）を利用する位相比較部を用いてもよい。ＦＷＭを利用する位相比較部は、ＦＷＭによって新しく生じたＦＷＭ光を光フィルタを用いて抜き出し、フォトダイオードで電流に変換し位相比較信号として出力する。ＦＷＭを利用する位相比較部は、例えば、ＨＮＬＦ（Highly Nonlinear Fiber：高非線形ファイバ）等の非線形媒質や、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）等を用いる。
【０１５４】
また、位相比較部としては、光ファイバ中の相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）を利用する位相比較部を用いてもよい。ＸＰＭを利用する位相比較部は、ＸＰＭによって光信号の波長が移動し、移動した波長を持つＸＰＭ光を光フィルタで抜き出しフォトダイオードで電流に変換し位相比較信号として出力する。
【０１５５】
また、非線形光学結晶における第二次高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）を利用する位相比較部を用いてもよい。ＳＨＧを利用する位相比較部は、ＳＨＧ光を光フィルタで抜き出しフォトダイオードで電流に変換し位相比較信号として出力する。
【０１５６】
また、擬似位相整合（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）におけるＳＨＧを利用する位相比較部を用いてもよい。ＰＰＬＮにおけるＳＨＧを利用する位相比較部は、ＳＨＧ光を光フィルタで抜き出しフォトダイオードで電流に変換し位相比較信号として出力する。他にも、位相比較部として、ＰＭＴ（Photo Multiplier Tube：光電子倍増管）を利用したもの、カー効果を利用したもの等としてもよい。
【０１５７】
また、上記実施の形態及び各実施例で説明した同期光信号発生装置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】
【０１５８】
【図１】本発明に係る実施の形態の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図２】時間的変調がなされた信号の波形を示す図である。
【図３】（ａ）は、時間差τに対するＴＰＡ信号の一例と時間的変調するポイントＡ，Ｂ，Ｃとを示す図である。（ｂ）は、（ａ）のＴＰＡ信号の微分値信号を示す図である。
【図４】（ａ）は、図３（ａ）のポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける時間的変調後のＴＰＡ信号の波形を示す図である。（ｂ）は、局所発振部１５のＬＯ信号と図３（ａ）のポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける復調信号との波形を示す図である。
【図５】電気ミキサの出力信号の周波数分布を示す図である。
【図６】第１の時間的変調方法による位相変調部を用いた装置構成を示す図である。
【図７】位相変調部に加えた電圧に対するビート光信号の強度時間波形を示す図である。
【図８】時間的変調部の構成を示す図である。
【図９】第２の時間的変調方法による装置構成を示す図である。
【図１０】位相変調器に加えた電圧に対するビート光信号の強度時間波形を示す図である。
【図１１】本発明に係る実施例１の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明に係る実施例２の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明に係る実施例３の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明に係る実施例４の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１５】本発明に係る実施例５の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１６】本発明に係る実施例６の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１７】従来の第１の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１８】（ａ）は、ビート光信号と参照光信号との波形及び時間差τを示す図である。（ｂ）は、時間差τに対する位相誤差信号Ｉ（τ）を示す図である。
【図１９】従来の第２の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図２０】従来の同期電気信号発生装置の構成を示す図である。
【図２１】（ａ）は、時間差τに対するＴＰＡ信号の関係を示す図である。（ｂ）は、時間ｔに対するＴＰＡ信号の関係を示す図である。
【図２２】（ａ）は、時間差τに対する、少なくとも一方が直線偏光の２つの光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を示す図である。（ｂ）は、時間差τに対する、少なくとも一方が円偏光の光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を示す図である。
【図２３】（ａ）は、時間ｔに対するエンベロープｇ(ｔ)の波形を示す図である。（ｂ）は、時間差τに対するＴＰＡ信号Ｉ（τ）の波形を示す図である。
【符号の説明】
【０１５９】
１，２，３，４，５，６，７，８，９ 同期光信号発生装置
１０ 同期電気信号発生装置
１１ 光カプラ
Ｆ 空間光学系
１１１ ハーフミラー
１１２ レンズ
１２ 位相比較部
１２１ Ｓｉ−ＡＰＤ
１５ 局所発振部
１５１，１５２ ＲＦアンプ
１６ 時間的変調部
１６Ａ，１６Ｂ 位相変調部
１６０ 光カプラ
１６１，１６２，１６３ 時間的変調部
１６１１ サーキュレータ
１６１２ ＡＷＧ
１６１３ ＬＮ位相変調器
１６１４，１６１６ ＦＲＭ
１６１５ ＶＯＡ
１６１７ ＰＢＳ
１６１８ ＰＣ
１６１９ 光カプラ
１６２０ ＥＤＦＡ
１６４ ＬＮ位相変調器
１７ 円偏光調整部
１７１ ＰＣ
１７２ １／４波長板
１８ 位相シフタ
１９ ＴＩＡ
２０ ループフィルタ
３０，３０１，３０２，３０３，３０４，３０５ ＯＶＣＯ
３１ ＶＣＯ
３１１，３１２ 二倍周波数発生器
３２ ＲＦアンプ
３３ 光コム発生部
３３１ ＤＦＢ−ＬＤ
３３２ ＬＮ位相変調器
３４ ２モード選択部
３４１ サーキュレータ
３４２ ＡＷＧ
３４３ ＰＢＳ
３４４，３４５ 光カプラ
３４６ ファブリペローエタロン
３５ ２モード合波部
３５１，３５２ ＦＲＭ
３５３ ＰＣ
３５４ 光カプラ
３６１ ＥＤＦＡ
３６２ ＰＭ−ＥＤＦＡ
３７ 光カプラ
４１，５２，５３，４４，４５，４６ ＰＭＦ
８１ 光カプラ
８２ Ｓｉ−ＡＰＤ
８３ ループフィルタ
８４ ＯＶＣＯ
８４１，８４２ ＬＤ
８４３ 光カプラ
１０１ 光カプラ
１０２ ＥＤＦＡ
１０３ Ｓｉ−ＡＰＤ
１０４ ループフィルタ
１０５ ＶＣＯ
１０６ ＲＦアンプ
１０７ モードロックレーザ
１０８ ＰＣ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期光信号発生装置、時間的変調装置、同期光信号発生方法及び時間的変調方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、高速の情報通信を行う光通信ネットワークが知られている。例えば、１００［Ｇbit/s］以上の光通信ネットワークにおいて、中継器や受信器は、光ファイバ伝送後のタイミングのずれた光パルスを元のタイミングで整列するリタイミング機能を有する。このリタイミング機能には、通信する光信号に同期した光信号が必要となる。
【０００３】
上記同期光信号を発生する装置として、ＯＰＬＬ（Optical Phase-Lock Loop）やＰＬＬ（Phase-Lock Loop）を用いた方式のものがあった。例えば、ＯＰＬＬにより参照光信号に同期したビート光信号を発生する装置が考えられている（例えば、特許文献１参照）。図１７を参照して、従来のＯＰＬＬにより同期光信号を出力する同期光信号発生装置を説明する。図１７に、従来の同期光信号発生装置７の構成を示す。
【０００４】
図１７に示すように、同期光信号発生装置８は、合波部としての光カプラ８１と、光位相比較部としてのＳｉ−ＡＰＤ（Avalanche Photo Diode）８２と、ループフィルタ８３と、ＯＶＣＯ（Optical Voltage Controlled Oscillator：電圧制御光信号発生源）８４と、の三つの要素を備えて構成される。同期させる対象の入力光信号を参照光信号とする。同期光信号発生装置８において、参照光信号に同期したビート光信号をＯＶＣＯ８４から出力する。
【０００５】
なお、光学素子と光学素子との間（光経路）は、特に断らない限り、偏波を保持しない通常の光ファイバにより接続されており、電気素子と電気素子との間（電気経路）が導線により接続されている。また、図面上、光経路を太線で図示し、電気経路を細線で示す。これらの事項は、以下同様とする。
【０００６】
ＯＶＣＯ８４は、ＬＤ（Laser Diode）８４１，８４２と、光カプラ８４３とを備える。ＯＶＣＯ８４において、出力光波長が異なる２つのＬＤ８４１，８４２の出力光を光カプラ８４３で合波する。ここで、ＬＤ８４１，８４２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８４３内で干渉し、光カプラ８４３が波長の差に応じた周波数で振動するビート光信号を出力する。波長差に対する制限は光カプラ８４３の帯域で決まる。ＬＤ８４１，８４２は、駆動電流や制御温度によって出力光の波長を変化させることができる。よって、ＯＶＣＯ８４は、参照光信号に応じてＬＤ８４１，８４２の出力光の波長を制御し、出力するビート光信号の周波数を変化させ、参照光信号に同期したビート光信号を出力することができる。
【０００７】
Ｓｉ−ＡＰＤ８２は、非線形効果としての二光子吸収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（ＴＰＡ信号）を位相誤差信号として出力する。ループフィルタ８３は、位相誤差信号を平均化して整形し、ＯＶＣＯ８４の制御信号として出力する。
【０００８】
図１８を参照して、位相誤差信号について説明する。図１８（ａ）に、ビート光信号と参照光信号との波形及び時間差τを示す。図１８（ｂ）に、時間差τに対するＴＰＡ（Two Photon Absorption）信号（ＴＰＡ電流の信号）Ｉ（τ）を示す。
【０００９】
Ｓｉ−ＡＰＤ８２は、受光すると、二光子吸収により、参照光信号とビート光信号とのＴＰＡ信号Ｉを出力する。Ｓｉ−ＡＰＤ８２が受光した瞬時の光のパワーをＰとすると、Ｉ∝Ｐ２の関係を有する。図１８（ａ）に示すように、同期光信号発生装置８において、参照光信号と、ビート光信号と、の間に時間差τが発生している場合を考える。Ｓｉ−ＡＰＤ８２から出力されるＴＰＡ信号Ｉ（τ）は、時間差τに対して、図１８（ｂ）に示すような関係を有する。つまり、ＴＰＡ信号Ｉ（τ）は、τ＝０の場合に最大になり、所定のオフセット電流を中心として振動している。
【００１０】
そして、同期光信号発生装置８は、Ｓｉ−ＡＰＤ８２から出力されるＴＰＡ信号Ｉ（τ）と、ビート光信号と、の間の時間差τ（位相差）を０にするように動作する。このようにして、Ｓｉ−ＡＰＤ８２等により、光通信における超高速の光信号同士の位相比較が可能となっている。
【００１１】
また、ＯＰＬＬにより線幅の小さい同期ビート光信号を出力する同期光信号発生装置も考えられている（例えば、特許文献２参照）。ここで、図１９を参照して、線幅の狭い光信号を用いて同期ビート光信号を出力する同期光信号発生装置９を説明する。図１９に、同期光信号発生装置９の構成を示す。
【００１２】
図１９に示すように、同期光信号発生装置９は、合波部としての光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ（TransImpedance Amplifier）１９と、ループフィルタ２０と、ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator：電圧制御電気信号発生源）３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦ（Radio Frequency）アンプ３２と、ＤＦＢ（Distributed FeedBack：分布帰還型）−ＬＤ３３１と、ＬＮ（Lithium Niobete：ニオブ酸リチウム）位相変調器３３２と、サーキュレータ３４１と、ＡＷＧ（Arrayed Waveguide Grating：アレイ導波路回析格子）３４２と、ＦＲＭ（Faraday Rotator Mirror：ファラデーローテーターミラー）３５１，３５２と、ＥＤＦＡ（Erbium Doped Fiber Amplifier）３６１と、光カプラ３７と、を備えて構成される。
【００１３】
同期光信号発生装置９は、例えば、１６０［ＧＨｚ］の同期ビート光信号を発生する。光カプラ１１は、参照光信号と、光カプラ３７から出力されるビート光信号と、を合波して出力する。Ｓｉ−ＡＰＤ１２１は、光カプラ１１から入力される合波された光信号を受光してＴＰＡ信号を位相誤差信号として出力する。ＴＩＡ１９は、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１から入力される位相誤差信号を電圧信号に変換及び増幅して出力する。ループフィルタ２０は、ＴＩＡ１９から入力される位相誤差信号を整形して出力する。
【００１４】
ＶＣＯ３１は、ループフィルタ２０から入力される位相誤差信号に応じて周波数を変化させた電気信号を発生して出力する。二倍周波数発生器３１１は、ＶＣＯ３１から入力された電気信号の２倍の周波数の電気信号を発生して出力する。二倍周波数発生器３１２は、二倍周波数発生器３１１から入力された電気信号の２倍の周波数の電気信号を発生して出力する。ＲＦアンプ３２は、二倍周波数発生器３１２から入力された電気信号を増幅して出力する。ＶＣＯ３１から出力される電気信号の周波数を１０［ＧＨｚ］程度とすると、ＲＦアンプ３２から出力される電気信号の周波数が４０［ＧＨｚ］程度となる。
【００１５】
ＤＦＢ−ＬＤ３３１は、単一周波数のレーザ光を出力する。ＬＮ位相変調器３３２は、ＤＦＢ−ＬＤ３３１から入力されるレーザ光を位相変調して、ＲＦアンプ３２から入力される電気信号の周波数（約４０［ＧＨｚ］）間隔の細いスペクトル線を有する光コム信号を発生して出力する。ＬＮ位相変調器３３２から出力された光コム信号は、サーキュレータ３４１を介してＡＷＧ３４２に入力される。ＡＷＧ３４２は、ＬＮ位相変調器３３２から入力された光コム信号から波長λ１，λ２のスペクトル線の光信号を選択して出力する。この波長λ１，λ２の周波数間隔が１６０［ＧＨｚ］に設定されている。
【００１６】
ＡＷＧ３４２から出力された波長λ１，λ２の光信号は、偏波がそろっており、それぞれ、ＦＲＭ３５１，３５２で反射され、ＡＷＧ３４２を再び通って出力される。また、ＦＲＭ３５１，３５２は、反射により入力光信号の偏波と直交する偏波の光信号を出力する。このため、ＡＷＧ３４２から出力された光信号は、波長λ１，λ２のビート光信号となる。ＡＷＧ３４２によりビート光信号の偏波純度を高められ、選出したい２つの光スペクトル線が２度ＡＷＧ３４２を通過することとにより、光ＳＮＲ（Signal to Noise Ratio：Ｓ／Ｎ比）が高くなる（周波数純度が高くなる）。
【００１７】
ＡＷＧ３４２から出力された波長λ１，λ２のビート光信号（周波数が１６０［ＧＨｚ］）は、サーキュレータ３４１を介してＥＤＦＡ３６１に入力される。ＥＤＦＡ３６１は、入力される波長λ１，λ２のビート光信号を増幅して出力する。光カプラ３７は、ＥＤＦＡ３６１から入力される波長λ１，λ２のビート光信号を分波して、一方を外部に出力し、もう一方を帰還して光カプラ１１に出力する。このように、同期光信号発生装置８において、線幅の狭い電気信号に基づき生成した光コム信号から波長λ１，λ２の光スペクトル線を選択及び合波して、参照光信号に同期した線幅の狭い光ビート信号を発生する。このため、ループ帯域を小さくできるとともに、位相雑音及びタイミングジッタを低減できる。
【００１８】
また、ＯＰＬＬにより参照光信号に同期した電気信号を出力する同期電気信号発生装置も考えられている（例えば、非特許文献１、２参照）。ここで、図２０を参照して、同期電気信号を出力する同期電気信号発生装置１０を説明する。図２０に、同期電気信号発生装置１０の構成を示す。
【００１９】
図２０に示すように、同期電気信号発生装置１０は、光カプラ１０１と、ＥＤＦＡ１０２と、Ｓｉ−ＡＰＤ１０３と、ループフィルタ１０４と、ＶＣＯ１０５と、ＲＦアンプ１０６と、モードロックレーザ１０７と、ＰＣ（Polarization Controller：偏波コントローラ）１０８と、を備えて構成される。
【００２０】
モードロックレーザ１０７は、入力される電気信号に応じたクロック光信号を出力する。先ず、光カプラ１０１により、参照光信号とクロック光信号が合波されて出力される。光カプラ１０１から出力された光信号は、ＥＤＦＡ１０２により増幅されてＳｉ−ＡＰＤ１０３に入力される。
【００２１】
Ｓｉ−ＡＰＤ１０３は、２光子吸収により、ＥＤＦＡ１０２から入力された参照光信号とクロック光信号とが合波された光信号のＴＰＡ信号を位相誤差信号として出力する。Ｓｉ−ＡＰＤ１０３から出力された位相誤差信号は、ループフィルタ１０４により整形され、ＶＣＯ１０５に出力される。ＶＣＯ１０５は、ループフィルタ１０４から入力された位相誤差信号に応じた周波数の電気信号を発生し、外部に出力するとともに、ＲＦアンプ１０６に出力する。また、ＶＣＯ１０５から出力された電気信号は、ＲＦアンプ１０６により増幅されてモードロックレーザ１０７に入力される。モードロックレーザ１０７により発生されたクロック信号は、ＰＣ１０８により偏波が調整されて光カプラ１０１に入力される。このようにして、参照光信号に同期した電気信号を得る。
【００２２】
図２１を参照して、同期電気信号発生装置１０のＴＰＡ信号の偏波依存性について説明する。図２１（ａ）に、時間差τに対するＴＰＡ信号の関係を示す。図２１（ｂ）に、時間ｔに対するＴＰＡ信号の関係を示す。
【００２３】
同期電気信号発生装置１０において、ＰＣ１０８によりクロック信号の偏波を変更した場合のＳｉ−ＡＰＤ１０３が出力するＴＰＡ信号を図２１（ａ），（ｂ）に示す。図２１（ａ），（ｂ）において、ＰＣ１０８の調整により直線偏光のクロック信号を出力した場合のＴＰＡ信号を実線で示し、円偏光のクロック信号を出力した場合のＴＰＡ信号を点線で示す。
【００２４】
図２１（ａ）に示すように、直線偏光のクロック信号を光カプラ１０１に入力したＴＰＡ信号の波形と、円偏光のクロック信号を光カプラ１０１に入力したＴＰＡ信号の波形とでは、オフセット値が異なる。このため、図２１（ｂ）に示すように、オフセットを合わせると、直線偏光のクロック信号を光カプラ１０１に入力したＴＰＡ信号の波形と、円偏光のクロック信号を光カプラ１０１に入力したＴＰＡ信号の波形とには、時間ｔについて周期の１０分の１程度のタイミングのずれ（タイミングオフセット）が発生している。
【００２５】
また、上記のようなＳｉ−ＡＰＤにおける位相誤差信号の偏波依存性を低減するための技術が考えられている。具体的には、Ｓｉ−ＡＰＤに入射させる２つの光信号の一方を円偏光にする構成である（例えば、非特許文献３参照）。
【００２６】
図２２を参照して、２つの光信号を合波してＳｉ−ＡＰＤに入力した場合に、Ｓｉ−ＡＰＤから出力されるＴＰＡ信号の偏波依存性を説明する。図２２（ａ）に、時間差τに対する、少なくとも一方が直線偏光の２つの光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を示す。図２２（ｂ）に、時間差τに対する、少なくとも一方が円偏光の光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を示す。
【００２７】
図２２（ａ）において、互いに同じ方向の直線偏光の２つの光信号を合波した場合の位相誤差信号を実線で示し、互いに直交する直線偏光の２つの光信号を合波した場合の位相誤差信号を点線で示し、直線偏光及び円偏光の光信号を合波した場合の位相誤差信号を破断線で示す。図２２（ａ）に示すように、偏波が異なると、位相誤差信号のオフセット値及び振幅がともに異なっている。
【００２８】
図２２（ｂ）において、円偏光及び直線偏光の光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を実線で示し、互いに同じ回転方向の円偏光の２つの光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を破断線で示し、互いに逆回転方向の円偏光の２つの光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を点線で示す。図２２（ｂ）に示すように、図２２（ａ）に比べて、偏波が異なっても、ＴＰＡ信号の振幅が同一になっている。
【００２９】
一方を円偏光にして合波した場合のＴＰＡ信号Ｉ（τ）は、次式（１）〜（４）により記述される。
【数１】
【００３０】
但し、
Ｉ（τ）：二光子吸収によりＳｉ−ＡＰＤに発生する光電流（ＴＰＡ信号）、
Ｅ（ｔ）：時間の関数である電場、
η：二光子吸収効率に関する定数、
Ｓ１〜Ｓ３：片方の入射光の規格化Stokesベクトル、
Ｓ’１〜Ｓ’３：もう片方の入射光の規格化Stokesベクトル、
ｇ（ｔ）：片方の入射光のエンベロープ、
ｇ’（ｔ)：もう片方の入射光のエンベロープ、
Ｂ１：Ｉ（τ）のオフセット値、
Ｃ１：Ｉ（τ）の振幅、
である。
【００３１】
図２３（ａ）に、時間ｔに対するエンベロープｇ (ｔ)の波形を示す。図２３（ｂ）に、時間差τに対するＴＰＡ信号Ｉ（τ）の波形を示す。式（１）〜（４）に示すエンベロープｇ(ｔ)、ｇ’(ｔ−τ)は、図２３（ａ）に示すような波形である。このとき、式（２）に示すＴＰＡ信号Ｉ（τ）は、図２３（ｂ）に示すような波形となり、式（３）、（４）で表されるオフセット値Ｂ１及び振幅Ｃ１を有する。Ｓｉ−ＡＰＤへの２つの入力光信号のうち、片方を円偏光にすると、振幅Ｃ１は変化せず、オフセット値Ｂ１が変化する。
【特許文献１】国際公開第０３／１０４８８６号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００８／００７６１５号パンフレット
【非特許文献１】Reza Salem,T.E.Murphy,“Broad-Band Optical Clock Recovery System Using Two-Photon Absorption,” Photonics Technology Letters,vol.16,no.9,2141-2143,2004
【非特許文献２】Reza Salem,G.E.Tudury,T.U.Horton,G.M.Carter and T.E.Murphy,“Polarization-Insensitive Optical Clock Recovery at 80 Gbi/s Using a Silicon Photociode,”Photonics technology letters,vol.17,no.9,pp.1968-1970,2005.
【非特許文献３】Reza Salem and Thomas E.Murphy,“Polarization-insensitive cross correlation using two-photon absorption in a silicon photodiode,”Optics letters,vol.29,no.13,pp.1524-1526,2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３２】
しかし、従来のＯＰＬＬを利用した同期光信号発生装置において、Ｓｉ−ＡＰＤにおけるＴＰＡ信号Ｉ（τ）の偏波依存性を無くすために片方の入力光信号を円偏光にしたとしても、ＴＰＡ信号Ｉ（τ）の振幅Ｃ１を偏波無依存化できるが、オフセット値Ｂ１を偏波無依存化できない。このため、参照光信号や、帰還されるビート光信号（以下、この２つを入力光信号とする）の偏波が変わることにより、同期ビート信号のタイミングオフセットが生じる。
【００３３】
本発明の課題は、入力光信号の偏波に依存しない同期タイミングで同期ビート光信号を発生することである。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
上記課題を解決するために、本発明に係る同期光信号発生装置は、
所定周波数の変調信号を発生する局所発振部と、
参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する合波部と、
非線形効果により、前記合波された参照光信号及びビート光信号の位相を比較し位相比較信号を生成する位相比較部と、
前記位相比較信号及び前記変調信号を乗算して当該位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する電気ミキサと、
前記位相誤差信号を整形する整形部と、
前記整形された位相誤差信号に基づいて、当該位相誤差信号を０にするビート光信号を発生して出力するビート光信号発生部と、
前記ビート光信号発生部により発生されたビート光信号を、前記変調信号に基づいて時間的変調する時間的変調部と、
前記時間的変調されたビート光信号を円偏光にして前記合波部に出力する円偏光調整部と、を備える。
【００３５】
好ましくは、前記円偏光調整部は、偏波コントローラである。
【００３６】
好ましくは、前記合波部は、ハーフミラーであり、
前記円偏光調整部は、１／４波長板であり、
前記１／４波長板から前記位相比較部までの光路が空間光学系により構成され、
前記ビート光信号発生部から前記１／４波長板までの光路を通る光信号の偏波を直線偏光に保持する偏波保持部を備える。
【００３７】
好ましくは、前記時間的変調部は、前記ビート光信号を構成する一方の波長の光信号を位相変調する位相変調部を備える。
【００３８】
好ましくは、前記時間的変調部は、
前記ビート光信号を構成する第１及び第２の波長の光信号を抽出するアレイ導波路回析格子と、
前記第２の波長の光信号及び位相変調された第１の波長の光信号を反射するファラデーローテータミラーと、を備え、
前記位相変調部は、前記アレイ導波路回析格子から出力される前記第１の波長の光信号を位相変調し、
前記アレイ導波路回析格子は、前記ファラデーローテータミラーにより反射された、前記第２の波長の光信号及び前記位相変調された第１の波長の光信号を合波しビート光信号として出力する。
【００３９】
好ましくは、前記ビート光信号発生部は、
前記位相誤差信号に応じた周波数間隔の光コム信号を発生する光コム発生部と、
前記発生された光コム信号から第１及び第２の波長の線スペクトルの光信号を選択して抽出する２モード選択部と、
前記抽出された第１及び第２の波長の光信号を合波してビート光信号を発生して出力する２モード合波部と、を備える。
【００４０】
好ましくは、前記２モード選択部及び前記２モード合波部は、ファブリペローエタロンにより構成される。
【００４１】
好ましくは、前記時間的変調部は、前記２モード選択部により選択された第１の波長の光信号を時間的変調し、当該時間的変調した第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波して出力する。
【００４２】
好ましくは、前記２モード選択部及び前記２モード合波部は、前記時間的変調部を含み、当該時間的変調部により時間的変調されたビート光信号を発生して出力する。
【００４３】
好ましくは、前記時間的変調部は、前記ビート光信号を位相変調する位相変調部を備える。
【００４４】
好ましくは、前記局所発振部からの変調信号の位相をシフトして、前記電気ミキサ又は前記時間的変調部に出力する位相シフタを備える。
【００４５】
本発明に係る時間的変調装置は、
第１及び第２の波長の光信号から構成されるビート光信号の前記第１の波長の光信号を位相変調する位相変調部と、
前記位相変調された第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波してビート光信号として出力する合波部と、を備える。
【００４６】
本発明に係る同期光信号発生方法は、
参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する工程と、
非線形効果により、前記合波された参照光信号及びビート光信号の位相を比較して位相比較信号を生成する工程と、
前記位相比較信号と、所定周波数の変調信号を乗算して当該位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する工程と、
前記位相誤差信号を整形する工程と、
前記整形された位相誤差信号の微分値信号に基づいて、当該微分値信号を０にするビート光信号を発生して出力する工程と、
前記発生されたビート光信号を、前記変調信号に基づいて時間的変調する工程と、
前記時間的変調されたビート光信号を円偏光にして前記合波に用いる時間的変調された円偏光のビート光信号として出力する工程と、を含む。
【００４７】
本発明に係る時間的変調方法は、
第１及び第２の波長の光信号から構成されるビート光信号の前記第１の波長の光信号を位相変調する工程と、
前記位相変調された第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波してビート光信号として出力する工程と、を含む。
【発明の効果】
【００４８】
本発明によれば、帰還するビート光信号を時間的変調し、円偏光にして復調することにより、位相比較信号の微分値を位相誤差信号として得ることができ、入力光信号の偏波に依存しない同期タイミングで同期ビート光信号を発生できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
以下、図面を参照して本発明に係る実施の形態を説明する。但し、本発明は図示例に限定されるものではない。
【００５０】
先ず、図１を参照して、本実施の形態の同期光信号発生装置１の装置構成を説明する。図１に、本実施の形態の同期光信号発生装置１の構成を示す。
【００５１】
図１に示すように、同期光信号発生装置１は、合波部としての光カプラ１１と、位相比較部１２と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ビート光信号発生部としてのＯＶＣＯ３０と、局所発振部１５と、時間的変調部１６と、円偏光調整部１７と、を備えて構成される。ＯＶＣＯ３０は、ＶＣＯ３１と、ＲＦアンプ３２と、光コム発生部３３と、２モード選択部３４と、２モード合波部３５と、を備えて構成される。合波部としては、光カプラ１１に限定されるものではなく、ハーフミラー等、他の合波部としてもよい。
【００５２】
光カプラ１１は、図示しない外部機器から入力される同期させたい参照光信号と円偏光調整部１７から出力されるビート光信号とが入力され、その２つの光を合波して出力する。位相比較部１２は、光カプラ１１から出力された合波された光信号が入力され、その光信号から参照光信号とビート光信号との位相差を示す位相比較信号を出力する。位相比較部１２は、非線形効果である２光子吸収により位相比較信号としてのＴＰＡ信号（ＴＰＡ電流）を出力する位相比較器である。以下、一例として、位相比較部１２が、Ｓｉ−ＡＰＤであるものとして説明するが、Ｓｉ−ＰＤ等、他の二光子吸収による位相比較部を用いることとしてもよい。位相比較部１２の出力信号を、ＲＦ信号とする。
【００５３】
電気ミキサ１３は、位相比較部１２から出力された位相比較信号と、局所発振部１５から出力される変調信号とが入力され、その２つの電気信号を乗算して位相比較信号を復調し位相誤差信号として出力する。電気ミキサ１３の出力信号を、ＩＦ（Intermediate Frequency：中間周波数）信号とする。
【００５４】
ループフィルタ２０は、電気ミキサ１３から出力された位相誤差信号を整形して出力する。ＯＶＣＯ３０は、ループフィルタ２０から入力された整形後の位相誤差信号に応じて、参照光信号に同期した波長λ１，λ２のビート光信号を出力する。
【００５５】
ＶＣＯ３１は、ループフィルタ２０から出力された整形後の位相誤差信号が入力され、その位相誤差信号に応じた周波数の電気信号を発生して出力する。ＲＦアンプ３２は、ＶＣＯ３１から出力された電気信号が入力され、その電気信号を増幅して出力する。光コム発生部３３は、ＲＦアンプ３２から出力された電気信号が入力され、その電気信号の周波数間隔（繰り返し周波数）の光コム信号を出力する。光コム信号は、ＶＣＯ３１の電気信号の周波数間隔の複数のスペクトル線を有する光信号である。各スペクトル線間の差周波数の線幅は狭い。このようにして、ＯＶＣＯ３０は、ループフィルタ２０から入力される位相誤差信号を０にするようなビート光信号を出力する。
【００５６】
２モード選択部３４は、光コム発生部３３から出力される光コム信号が入力され、その光コム信号のうち、所定の波長λ１，λ２のスペクトル線（所定の２つのモード）の光信号を選択して出力する。２モード合波部３５は、２モード選択部３４から出力された波長λ１，λ２の光信号が入力され、その波長λ１，λ２の光信号を合波し光ビート光信号として外部に出力するとともに、時間的変調部１６にも出力する。なお、２モード合波部３５が合波する波長λ１，λ２の光信号の偏波は合っているものとする。
【００５７】
局所発振部１５は、所定周波数の電気信号を変調信号として出力する。局所発振部１５の出力信号を、ＬＯ信号とする。時間的変調部１６は、２モード合波部３５から出力されたビート光信号と局所発振部１５から出力された局所周波数信号とが入力され、その局所周波数信号に基づいてビート光信号に時間的変調をかけて出力する。円偏光調整部１７は、時間的変調部１６から出力された時間的変調後のビート光信号が入力され、そのビート光信号を位相比較部１２の入力時に円偏光となるよう調整して光カプラ１１に出力する。ビート光信号は、位相比較部１２に帰還される。このように、同期光信号発生装置１は、位相誤差信号が０になるところでロックされ、参照光信号に同期したビート光信号を出力する。
【００５８】
次に、図２〜図１０を参照して、同期光信号発生装置１の動作を説明する。従来の技術で述べたように、二光子吸収の位相比較部１２（Ｓｉ−ＡＰＤ）に入力する２つの光信号のうち、片方を円偏光にすると、位相比較部１２から出力される位相比較信号（ＴＰＡ電流）の振幅が、入力光信号の偏波によらず一定となり、そのオフセット値が入力光信号の偏波に依存する。このため、ＴＰＡ電流を時間で微分すれば、そのオフセット値がキャンセルされ、その微分値信号が、入力光信号の偏波によらず同一の信号となる。同期光信号発生装置１では、時間的変調部１６によりビート光信号に時間的変調がかけられ、円偏光調整部１７により円偏光に調整され、参照信号とともに位相比較部１２に入力され、電気ミキサ１３により位相比較部１２のＴＰＡ信号が復調されることで、ＴＰＡ信号の時間的な微分値信号が位相誤差信号として得られる。
【００５９】
ここで、ビート光信号に対する時間的変調と、ＴＰＡ信号に対する復調とにより、ＴＰＡ信号の時間的な微分値信号が得られることを説明する。先ず、参照光信号とビート光信号との時間差τに対して得られる位相比較部１２のＴＰＡ信号をＸ（τ）とする。所定の時間差τ０にて局所発振部１５による時間的変調sinωｔを振幅Ｄで、時間的変調部１６によりビート光信号に加えると、ＴＰＡ信号Ｘ（τ）がＸsin（τ０＋Ｄsinωｔ）で記述される。
【００６０】
ここで、ＴＰＡ信号Ｘ（τ）をテイラー展開すると、次式（５）で表される。ここでは、Ｄが小さい極限では式（５）の右辺の第二項がＸ（τ）の微分値と等しくなることを意味する。
【数２】
【００６１】
また、局所発振部１５がＤsinωｔで駆動されて電気ミキサ１３に入力され、また電気ミキサ１３に式（５）のＴＰＡ信号が入力されると、電気ミキサ１３の出力は、式（５）の右辺の第二項にsinωｔを乗じた値となる。というのは、通常用いられる電気ミキサでは、入力ＤＣ成分が無視されるからである。
【００６２】
式（５）の右辺の第二項にsinωｔを乗じた値は、次式（６）で示される。また、式（６）からＤＣ成分を抜き出すと、次式（７）の値が得られる。
【数３】
【００６３】
時間振幅Ｄが小さな極限では、式（７）がＴＰＡ信号の微分値に一致する。式（７）の値は、電気ミキサ１３の出力信号である。通常の動作では、時間振幅Ｄが有限の値をとり、その値はできる限り小さく抑制されるため、電気ミキサ１３の出力信号がほぼＴＰＡ信号の微分値に一致する。ただし、通常の動作での時間振幅Ｄの大きさは、ビート光信号の周期に比較すると十分小さな値であり、且つタイミングジッタよりは大きな値である必要がある。
【００６４】
次いで、図２を参照して時間的変調の例を説明する。図２に、時間的変調がなされた信号の波形を示す。図２において、横軸の「ピリオド」とは、ビート光信号の一周期であり、以下の図でも同様とする。また、時間的変調周期をΔｔで示す。
【００６５】
時間的変調部１６において、例えば、図２に示すように、所定の時間ｔからｔ＋４Δｔまで、変調量が振動するように時間的変調がなされる。また、時間的変調信号の周波数は、ＯＰＬＬ信号周波数に比較して小さいことが必要である。つまり、次式（８）を満たす。
（時間的変調周期Δｔ）≫（ＯＰＬＬ出力信号の一周期） …（８）
【００６６】
また、時間的変調信号の周波数は、ＯＰＬＬループ帯域に比較して大きいことが必要である。つまり、次式（９）を満たす。
（時間的変調周期Δｔ）≪（ループ帯域の逆数） …（９）
本実施の形態では、例えば、
（ループ帯域の逆数＝１０［μｓ］）≫（時間的変調周期＝１００［ｎｓ］）≫（ＯＰＬＬ出力信号（ビート光信号）の周期＝６．２５［ｐｓ］）
の関係を満たすように設定されている。
【００６７】
次いで、図３及び図４を参照して、時間的変調・復調の様子を説明する。図３（ａ）に、時間差τに対するＴＰＡ信号の一例と時間的変調するポイントＡ，Ｂ，Ｃとを示す。図３（ｂ）に、図３（ａ）のＴＰＡ信号の微分値信号を示す。図４（ａ）に、図３（ａ）のポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける時間的変調後のＴＰＡ信号の波形を示す。図４（ｂ）に、局所発振部１５のＬＯ信号と図３（ａ）のポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける復調信号との波形を示す。
【００６８】
位相比較部１２の出力信号は、ビート光信号に時間的変調を加えないと、図３（ａ）に示す実線、破断線、点線のように、時間差τに対してオフセット値が異なるＴＰＡ信号となる。このような場合に、時間的変調部１６により、局所発振部１５が発生する変調信号の周波数で時間的変調をかける。ここで、時間差τ＜０、τ＝０、τ＞０の各所定値のＴＰＡ信号を、順に、ポイントＡ，Ｂ，Ｃとする。
【００６９】
すると、ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける位相比較部１２の出力信号（ＴＰＡ信号）は、図４（ａ）に示すような波形となる。さらに、局所発振部１５から出力されるＬＯ信号（変調信号）と、ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける電気ミキサ１３の出力信号（復調信号）とは、図４（ｂ）に示すような波形となる。図４（ｂ）に示すように、復調信号のＤＣ成分（平均値）は、ポイントＡで正の値となり、ポイントＢで０の値となり、ポイントＣで負の値となる。つまり、復調信号は、図３（ａ）のＴＰＡ信号の微分値になっていることが分かる。なお、図３（ａ）のＴＰＡ信号の微分値信号は、図３（ｂ）に示す波形となる。
【００７０】
次いで、図５を参照して、局所発振部１５の変調信号の適切な周波数範囲について説明する。図５に、電気ミキサ１３の出力信号の周波数分布を示す。
【００７１】
電気ミキサ１３の出力信号は、図５に示すような周波数分布となる。ここで、局所発振部１５の変調信号の周波数をｆＬＯとする。位相比較部１２から出力されるＴＰＡ信号は、局所発振部１５の変調信号で時間的に変調されているため、周波数ｆＬＯに信号成分を有する。また、電気ミキサ１３のアイソレーション不足により、電気ミキサ１３の出力信号に現れている。電気ミキサ１３から出力される復調信号は、ＴＰＡ信号と局所発振部１５の変調信号との乗算成分を有するため、ＤＣ成分と２×ｆＬＯ成分とを有する。
【００７２】
電気ミキサ１３の出力信号は、ループフィルタ２０により復調信号ＤＣ成分のみが抽出されて整形されてＯＶＣＯ３０（ＶＣＯ３１）に入力される。よって、ループフィルタ２０には、電気ミキサ１３の出力信号から、ｆＬＯ成分と２×ｆＬＯ成分とを効率よく減衰するローパスフィルタを用いることが好ましい。このため、局所発振部１５の変調信号の周波数ｆＬＯは、ＯＰＬＬのループ帯域より大きいことが好ましい。また、周波数ｆＬＯが、ＯＰＬＬのループ帯域の１０倍より大きいことがさらに好ましい。
【００７３】
次に、図６〜図１０を参照して、時間的変調部１６の時間的変調方法として、第１〜第４の時間的変調方法を順に説明する。なお、従来、位相変調器を用いて光信号を位相変調する構成はあった（例えば、特許文献２参照）。しかし、光信号（特にビート光信号）に対して時間的変調をかける技術はなかった。
【００７４】
先ず、図６〜図８を参照して、第１の時間的変調方法を説明する。図６に、第１の時間的変調方法による位相変調部１６Ａを用いた装置構成を示す。
【００７５】
第１の時間的変調方法は、ビート光信号を構成する波長λ１，λ２のＣＷ（Continuous Wave：連続波）光のうち、片方（波長λ１）を位相変調することにより時間的変調を行う方法である。図２に示すように、時間的変調は、位相変調により実現できる。第１の時間的変調方法において、図６に示すように、時間的変調部１６は、位相変調部１６Ａと、光カプラ１６０と、により構成される。例えば、局所発振部１５から出力された変調信号がＲＦアンプ１５１により増幅されて位相変調部１６Ａに出力される。
【００７６】
位相変調部１６Ａは、局所発振部１５から入力された変調信号の電圧でビート光信号の波長λ１成分を位相変調する。位相変調部１６Ａにより位相変調されたビート光信号の波長λ１成分と、ビート光信号の波長λ２成分とは、光カプラ１６０により合波され、時間的変調後のビート光信号として円偏光調整部１７に出力される。
【００７７】
ここで、第１の時間的変調方法によるビート光信号の位相の変化を説明する。先ず、ビート光信号の波長λ１成分の電場をＥ１（ｔ）とし、同じく波長λ２成分の電場をＥ２（ｔ）とする。また、電場Ｅ１（ｔ）＝sin（ω１ｔ＋φ）、電場Ｅ２（ｔ）＝sinω２ｔとする。但し、ω１：波長λ１に対応する角速度、ω２：波長λ２に対応する角速度、φ：位相変調部１６Ａによる位相変調量、である。本実施の形態では、例えば、１９３［ＴＨｚ］（波長１５５０［ｎｍ］）程度のビート光信号を想定するが、これに限定されるものではない。
【００７８】
すると、時間的変調後のビート光信号のパワーＰ（ｔ）は、次式（１０）により記述される。
【数４】
【００７９】
式（１０）において、（１＋cos（（ω２−ω１）ｔ−φ））／２の成分がビート光信号のエンベロープ成分（例えば、１６０［ＧＨｚ］）であり、sin２（（（ω１＋ω２）ｔ＋φ）／２）の成分（例えば、１９３［ＴＨｚ］）が搬送波の成分となる。式（１０）から、位相変調部１６Ａの位相変調量φを０から２πまで変化させると、ビート光信号の位相も０から２πまで変化することが分かる。すなわち、波長λ１成分の任意の位相変調により、ビート光信号を自在に時間的変調することができる。
【００８０】
図７を参照して、位相変調部１６Ａに入力する変調信号の電圧を説明する。図７に、位相変調部１６Ａに加えた電圧に対するビート光信号の強度時間波形を示す。
【００８１】
図７において、Ｖπは、位相変調部１６Ａがビート光信号を構成する搬送波の位相をπずらすために必要な印加電圧である。通常のＬＮ位相変調器を用いる場合に、Ｖπは３〜５［Ｖ］程度である。
【００８２】
位相変調部を通過する光の変調時間量Ｔｍと、その時間的変調に必要な電圧Ｖとは、次式（１１）に従う。
【数５】
但し、Ｔperiod-of-BeatSignal：入力ビート光信号の一周期である。ビート光信号の周波数が１６０［ＧＨｚ］である場合に、Ｔperiod-of-BeatSignalは、６．２５［ｐｓ］となる。一般的には、Ｔperiod-of-BeatSignal＝１／ｆbeatである。ただし、ｆbeat：ビート光信号の周波数である。
【００８３】
例えば、図７に示すように、１６０［ＧＨｚ］のビート光信号の周波数を半周期である３．１２５［ｐｓ］だけ時間的に変調させるためには、式（１１）によりＶ＝Ｖπの印加電圧を必要とする。よって、ビート光信号を時間的変調するために位相変調部１６Ａに入力する局所発振部１５の変調信号の電圧値は、比較的小さい。
【００８４】
また、第１の時間的変調方法では、変調周波数の上限が位相変調部１６Ａの帯域で決まる。このため、例えば、５０［ＧＨｚ］程度までの変調周波数が可能である。そして、時間的変調量はビート光信号の周期の数倍程度まで可能である。例えば、１６０［ＧＨｚ］のビート光信号であれば、容易に６．２５［ｐｓ］は変調可能である。
【００８５】
ここで、図８を参照して、第１の時間的変調方法を行う時間的変調部の一例としての時間的変調部１６１を説明する。図８に、時間的変調部１６１の構成を示す。
【００８６】
図８に示すように、時間的変調部１６１は、サーキュレータ１６１１と、ＡＷＧ１６１２と、ＬＮ位相変調器１６１３と、ＦＲＭ１６１４と、ＶＯＡ（Variable Optical Attenuator）１６１５と、ＦＲＭ１６１６と、を備えて構成される。
【００８７】
サーキュレータ１６１１は、ＯＶＣＯ３０から入力された光コム信号（ビート光信号）をＡＷＧ１６１２に出力するとともに、ＡＷＧ１６１２から入力されたビート光信号を（円偏光調整部１７に）出力する。ＡＷＧ１６１２は、サーキュレータ１６１１から入力される光コム信号（ビート光信号）から波長λ１，λ２のスペクトル線の光信号を選択し、波長λ１の光信号をＬＮ位相変調器１６１３に出力し、波長λ２の光信号をＶＯＡ１６１５に出力する。
【００８８】
ＬＮ位相変調器１６１３は、局所発振部１５からの変調信号と、ＡＷＧ１６１２からの波長λ１の光信号と、が入力される。ＬＮ位相変調器１６１３は、入力された変調信号の電圧に応じて、波長λ１の光信号の位相を変調して出力する。ＬＮ位相変調器１６１３から出力された波長λ１の光信号は、ＦＲＭ１６１４で反射され、ＬＮ位相変調器１６１３を介し、ＡＷＧ１６１２に再び入力される。ＶＯＡ１６１５は、ＡＷＧ１６１２からの波長λ２の光信号が入力され、その波長λ２の光信号にＬＮ位相変調器１６１３と等しい減衰をかけて出力する。ＶＯＡ１６１５から出力された波長λ２の光信号は、ＦＲＭ１６１６で反射され、ＶＯＡ１６１５を介し、ＡＷＧ１６１２に再び入力される。
【００８９】
ＬＮ位相変調器１６１３、ＶＯＡ１６１５を介して入力された波長λ１，λ２の光信号は、ＡＷＧ１６１２により合波されてビート光信号としてサーキュレータ１６１１を介して円偏光調整部１７に出力される。
【００９０】
ＡＷＧ１６１２から出力された波長λ１，λ２の光信号は、偏波がそろっており、それぞれ、ＬＮ位相変調器１６１３、ＶＯＡ１６１を介して、ＦＲＭ１６１４１，１６１５で反射され、ＡＷＧ１６１２を再び通って出力される。また、ＦＲＭ１６１４１，１６１５は、反射により入力光信号の偏波と直交する偏波の光信号を出力する。このため、ＡＷＧ１６１２から出力された光信号は、波長λ１，λ２のビート光信号となる。ＡＷＧ１６１２によりビート光信号の偏波純度を高められ、選出したい２つの光スペクトル線が２度ＡＷＧ１６１２を通過することとにより、光ＳＮＲが高くなる。
【００９１】
次いで、図９及び図１０を参照して、第２の時間的変調方法を説明する。図９に、第２の時間的変調方法による装置構成を示す。
【００９２】
第２の時間的変調方法は、入力光信号（ビート光信号）そのものを位相変調する方法である。図９に示すように、第２の時間的変調方法では、図６に示すように、時間的変調部１６は、位相変調部１６Ｂにより構成される。例えば、局所発振部１５から出力された変調信号がＲＦアンプ１５２により増幅されて位相変調部１６Ｂに出力される。位相変調部１６Ｂは、ＲＦアンプ１５２から入力された変調信号の電圧に応じて、入力されたビート光信号に位相変調をかけて出力する。
【００９３】
第２の時間的変調方法は、最も構成が簡単である。また、ビート光信号に限らず、任意の光信号を時間的に変調できる。また、高速の変調が可能である。例えば、変調周波数の最大値を５０［ＧＨｚ］にできる。
【００９４】
図１０を参照して、第２の時間的変調方法に必要な電圧を説明する。図１０に、位相変調部１６Ｂに加えた電圧に対するビート光信号の強度時間波形を示す。
【００９５】
図１０において、Ｖπは、位相変調部１６Ｂが搬送波であるビート光信号の位相をπずらすために必要な印加電圧値であり、例えば３〜５［Ｖ］程度である。
【００９６】
位相変調部を通過する光の変調時間量Ｔｍと、その時間的変調に必要な電圧Ｖとは、次式（１２）に従う。
【数６】
但し、Ｔperiod：入力光信号の搬送波の一周期である。
【００９７】
例えば、入力光信号の波長を１５３３．３３［ｎｍ］（１９３．０［ＴＨｚ］）とすると、Ｔｍ＝５．１８［ｆｓ］となる。このとき、１６０［ＧＨｚ］のビート光信号を半周期である３．１２５［ｐｓ］時間的に遅延させるためには、式（１２）より、図１０に示すように１２０６・Ｖπの電圧の印加が必要となる。
【００９８】
次いで、第３の時間的変調方法を説明する。第３の時間的変調方法は、空間光学系において、空間の光路長を振動させることにより時間的変調を行う方法である。例えば、入力光信号を第１の固定ミラーにより反射させるとともに、その反射光を第１、第２の可動ミラーで反射し、その反射光を第２の固定ミラーにより反射させて出力する構成を考える。第１、第２の可動ミラーにピエゾ素子等のアクチュエータが取り付けられている。局所発振部から出力されＲＦアンプにより増幅された変調信号により、アクチュエータを振動させる。第３の時間的変調方法によれば、遅延量を大きくとることができる。その反面、アクチュエータが機械的な振動をするので、メガヘルツオーダの変調信号による時間的変調が困難である。
【００９９】
次いで、第４の時間的変調方法を説明する。第４の時間的変調方法は、モードロックレーザの繰り返し周波数を変調することにより時間的変調を行う方法である。局所発振部から出力された変調信号により、モードロックレーザを駆動してレーザ光を出力させる。このように、繰り返し周波数の増減を通じて出力パルスのタイミングを変調する。タイミング変調度は、周波数ずれに時間を乗じた値となる。第４の時間的変調方法によれば、大きなタイミング変調を行える。その反面、ループ帯域よりも大きな変調周波数が必要であり、メガヘルツオーダの変調信号による時間的変調が困難である。
【０１００】
以上、本実施の形態によれば、光カプラ１１が参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波し、位相比較部１２がその合波された参照光信号及びビート光信号の位相比較信号（ＴＰＡ信号）を生成し、電気ミキサ１３がその位相比較信号と局所発振部１５の変調信号とを乗算して（復調して）位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力してループフィルタ２０が整形する。そして、ＯＶＣＯ３０がその整形された位相誤差信号に基づいて、当該位相誤差信号が０になるビート光信号を発生して出力し、時間的変調部１６がＯＶＣＯ３０により発生されたビート光信号を局所発振部１５の変調信号に基づいて時間的変調し、円偏光調整部１７が時間的変調されたビート光信号を円偏光にして光カプラ１１に出力する。このように、ＯＰＬＬにおいて、ビート光信号に時間的変調をかけ、円偏光にし、位相比較信号を復調することにより、位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として得る。このため、ＯＰＬＬにおける入力光信号（参照光信号、帰還するビート光信号）の偏波に依存しない同期タイミングで同期ビート光信号を発生できる。
【０１０１】
また、ＯＶＣＯ３０は、ＶＣＯ３１と、光コム発生部３３と、２モード選択部３４と、２モード合波部３５と、を備える。このため、ＯＶＣＯ３０から出力する同期ビート光信号の線幅を狭くでき、その位相雑音を低減し、ループ帯域を小さくできるとともに、ループ長を適切にできる。
【０１０２】
また、時間的変調部１６が第１の時間的変調方法を行うものである場合に、位相変調部１６Ｂで位相を０から２πまで変えることにより、ビート光信号の位相も０から２πまで自在に変化できる。また、局所発振部１５からの比較的低い電圧の変調信号を用いてビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。
【０１０３】
また、第１の時間的変調方法を行う時間的変調部１６１は、ＡＷＧ１６１２、ＦＲＭ１６１４，１６１６を含んで構成され、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。
【０１０４】
また、時間的変調部１６が第２の時間的変調方法を行うものである場合に、局所発振部１５からの変調信号を用いてビート光信号の時間的変調を行うことができるとともに、時間的変調部１６の装置構成を簡単にできる。
【実施例１】
【０１０５】
図１１を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例１を説明する。図１１に、本実施例の同期光信号発生装置２の構成を示す。但し、上記実施の形態で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１０６】
本実施例の同期光信号発生装置２は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１１に示すように、同期光信号発生装置２は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０１と、局所発振部１５と、時間的変調部１６１と、位相シフタ１８と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。ＯＶＣＯ３０１は、ＶＣＯ３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、ＬＮ位相変調器３３２と、サーキュレータ３４１と、ＡＷＧ３４２と、ＦＲＭ３５１，３５２と、ＥＤＦＡ３６１と、光カプラ３７と、を備える。
【０１０７】
局所発振部１５は、所定周波数の局所的な電気信号（変調信号）を発生して出力する。光カプラ１１は、参照光信号とＰＣ１７１から入力された円偏光のビート光信号とを合波して出力する。Ｓｉ−ＡＰＤ１２１は、光カプラ１１から出力された合波後の光信号が入力され、参照光信号とビート光信号との位相比較信号（ＴＰＡ信号）を出力する。位相比較信号は、ＴＩＡ１９で電圧信号にされて増幅され、電気ミキサ１３により、局所発振部１５から入力された変調信号と乗算されて復調されて出力される。この復調信号が、位相比較信号の微分値信号であり、位相誤差信号として用いられる。
【０１０８】
位相誤差信号は、ループフィルタ２０により整形されＯＶＣＯ３０１のＶＣＯ３１に入力される。ＶＣＯ３１は、ループフィルタ２０から入力された位相誤差信号に応じて周波数を変化した電気信号を発生して出力する。ＶＣＯ３１から出力された電気信号は、二倍周波数発生器３１１，３１２により周波数が４倍にされ、ＲＦアンプ３２により増幅される。ＤＦＢ−ＬＤ３３１は、ＣＷ光を発生して出力する。ＬＮ位相変調器３３２は、ＤＦＢ−ＬＤ３３１から出力されたＣＷ光をＲＦアンプ３２から出力された電気信号の周波数間隔の光コム信号に変換して出力する。
【０１０９】
ＬＮ位相変調器３３２から出力された光コム信号は、サーキュレータ３４１を介してＡＷＧ３４２に入力され、ＡＷＧ３４２により、波長λ１、λ２のスペクトル線の光信号が選択され、ＦＲＭ３５１，３５２で反射されて合波され、波長λ１、λ２のビート光信号が出力される。ＡＷＧ３４２から出力されたビート光信号は、サーキュレータ３４１を介してＥＤＦＡ３６１により増幅されて外部に出力されるとともに、時間的変調部１６１に出力される。このように、ＯＶＣＯ３０１は、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ３４２を２回通る。このため、ビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。
【０１１０】
位相シフタ１８は、局所発振部１５から出力された変調信号が入力され、その変調信号を設定された位相量だけシフトして時間的変調部１６１のＬＮ位相変調器１６１３に出力する。この位相シフト量は、同期光信号発生装置２の経路等に因り、位相誤差信号振幅が最大になるように調整される。
【０１１１】
時間的変調部１６１により時間的変調されたビート光信号は、サーキュレータ１６１１から出力され、ＰＣ１７１に入力される。ＰＣ１７１は、サーキュレータ１６１１から入力されたビート光信号がＳｉ−ＡＰＤ１２１の入力で円偏光になるよう偏波を調整して光カプラ１１に出力する。
【０１１２】
ここで、位相シフタ１８の機能について説明する。図３（ａ）において、ポイントＡ，Ｂ，Ｃにおいて時間的変調を加えた場合の時間経路例を基に考える。同期光信号発生装置２において、電気ミキサ１３に入力されるＬＯ信号は、電気経路の長さに因り、cos（ωｔ＋φ）と記述できる。また、ポイントＡ，Ｂ，Ｃの信号は、順に、cos（ωｔ＋π）、cos（２ωｔ＋π）、cosωｔと記述できる。電気ミキサ１３は乗算をする。このため、ポイントＡ，Ｂ，Ｃの信号は、順に、次式（１３）〜（１５）で記述される。
【数７】
【０１１３】
ポイントＡ，Ｃにおいて、ループフィルタ２０で抽出されるＤＣ成分（低周波成分）は、式（１３），（１５）の各第１項である。式（１４）により、ポイントＢでは、φに関わらずＤＣ成分が常にゼロとなる。ポイントＡ，Ｃでは、ＤＣ成分がφの値により増減し、且つ正負が反転する。同期動作を実現するには、非同期であるがＯＰＬＬの出力周波数と参照光信号のビットレートとがほとんど同じ状態で、位相誤差信号振幅が最大値になるように、位相シフタ１８によりφを調整する。但し、局所発振部１５からＬＮ位相変調器１６１３へと、局所発振部１５から電気ミキサ１３へと、の導線の長さを変調波長の波長の１／５以下の誤差で同一にした場合は位相シフタ１８が無くとも、ある程度の振幅の位相誤差信号が得られる。
【０１１４】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。また、時間的変調部１６１により、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。さらに、既製の光学部品を用いて装置構成を容易に実現できる。
【０１１５】
また、局所発振部１５の変調信号の位相を、位相誤差信号振幅が最大となる量シフトする位相シフタ１８を備える。このため、位相誤差信号の振幅を最大にできる。これにより、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例２】
【０１１６】
図１２を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例２を説明する。図１２に、本実施例の同期光信号発生装置３の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１１７】
本実施例の同期光信号発生装置３は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１２に示すように、同期光信号発生装置３は、ハーフミラー１１１と、レンズ１１２と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０２と、偏波保持部としてのＰＭＦ（Polarization Maintaining Fiber：偏波保持ファイバ）４５，４６と、局所発振部１５と、位相シフタ１８と、時間的変調部１６２と、１／４波長板１７２と、を備えて構成される。
【０１１８】
ＯＶＣＯ３０２は、ＶＣＯ３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、偏波保持部としてのＰＭＦ４１〜４４と、ＬＮ位相変調器３３２と、偏波保持部としてのＰＢＳ（Polarized Beam Splitter：偏光ビームスプリッタ）３４３と、ＡＷＧ３４２と、ＦＲＭ３５１，３５２と、偏波保持部としてのＰＭ（Polarization Maintaining：偏波保持）−ＥＤＦＡ３６２と、光カプラ３７と、を備えて構成される。時間的変調部１６２は、偏波保持部としてのＰＢＳ１６１７と、ＡＷＧ１６１２と、ＬＮ位相変調器１６１３と、ＦＲＭ１６１４と、ＶＯＡ１６１５と、ＦＲＭ１６１６と、を備えて構成される。ＰＢＳ３４３，１６１７は、ＰＢＣ（Polarized Beam Combiner：偏波合成器）でもよい。
【０１１９】
ハーフミラー１１１、レンズ１１２、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１及び１／４波長板１７２により、空間光学系Ｆが構成されている。空間光学系Ｆでは、光学素子同士が光ファイバでなく空間を介するよう構成され、空間中では偏波が変化しない。ハーフミラー１１１は、参照光信号を透過するとともに、１／４波長板１７２から出射される円偏光のビート光信号を反射し、参照光信号と同じ方向（レンズ１１２）に出射する。レンズ１１２は、ハーフミラー１１１から出射された光信号をＳｉ−ＡＰＤ１２１の表面に集光する。Ｓｉ−ＡＰＤ１２１は、入射された光信号の位相比較信号を発生して出力する。
【０１２０】
ＯＶＣＯ３０２において、ＤＦＢ−ＬＤ３３１とＬＮ位相変調器３３２との間がＰＭＦ４１を介して接続され、ＬＮ位相変調器３３２とＰＢＳ３３２との間がＰＭＦ４２を介して接続され、ＰＢＳ３３２とＰＭ−ＥＤＦＡ３６２との間がＰＭＦ４３を介して接続され、ＰＭ−ＥＤＦＡ３６２と光カプラ３７との間がＰＭＦ４４を介して接続される。ＰＭＦ４１〜４４を通過する光信号は、偏波が保持される。ＤＦＢ―ＬＤ３３１から出力される直線偏光のＣＷ光は、ＰＭＦ４１を介してＬＮ位相変調器３３２に入力され、ＬＮ位相変調器３３２により直線偏光の光コム信号に変換されて出力される。ＰＢＳ３４３は、ＬＮ位相変調器３３２からＰＭＦ４２を介して入力される直線偏光の光コム信号を反射してＡＷＧ３４２に出力するとともに、ＡＷＧ３４２から入力される直線偏光の波長λ１，λ２のビート光信号をＰＭＦ４３を介してＰＭ−ＥＤＦＡ３６２に出力する。ＰＭ−ＥＤＦＡ３６２は、ＰＢＳ３４３から入力される直線偏光のビート光信号の偏波を保持し増幅して出力する。
【０１２１】
ＰＭ−ＥＤＦＡ３６２から出力された直線偏光のビート光信号は、ＰＭＦ４４を介して光カプラ３７により分波され、外部に出力されるとともに、ＰＭＦ４５を介して時間的変調部１６２のＰＢＳ１６１７に出力される。ＰＢＳ１６１７は、ＰＭＦ４５を介して入力された直線偏光のビート光信号を反射してＡＷＧ１６１２に出力するとともに、ＡＷＧ１６１２から入力される直線偏光のビート光信号を、時間的変調されたビート光信号としてＰＭＦ４６を介して１／４波長板１７２に出力する。１／４波長板１７２は、直線偏光を円偏光に変換する機能を有する。このため、１／４波長板１７２は、ＰＭＦ４６を介して入力された直線偏光のビート光信号を円偏光に変換してハーフミラー１１１に出力する。
【０１２２】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。さらに、円偏光調整部１７に１／４波長板１７２を用いるので、ＰＣ１７１のような偏波の調整を不要にできる。
【０１２３】
また、実施例１と同様に、時間的変調部１６２により、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。さらに、位相シフタ１８により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例３】
【０１２４】
図１３を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例３を説明する。図１３に、本実施例の同期光信号発生装置４の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１２５】
本実施例の同期光信号発生装置４は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１３に示すように、同期光信号発生装置４は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０３と、局所発振部１５と、位相シフタ１８１と、時間的変調部１６３と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。
【０１２６】
ＯＶＣＯ３０３は、ＶＣＯ３１と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、ＬＮ位相変調器３３２と、ＡＷＧ３４２と、光カプラ３４４，３４５と、ＰＣ３５３と、光カプラ３５４と、を備えて構成される。時間的変調部１６３は、ＬＮ位相変調器１６１３と、ＰＣ１６１８と、光カプラ１６１９と、ＥＤＦＡ１６２０と、を備えて構成される。
【０１２７】
同期光信号発生装置４において、位相シフタ１８１は、局所発振部１５から入力される変調信号を、位相誤差信号振幅が最大になるような位相量シフトして出力する。電気ミキサ１３は、ＴＩＡ１９からの時間的に調整され増幅された位相比較信号と、局所発振部１５から出力されて位相シフタ１８１により位相シフトされた変調信号と、が入力されて、それら２つの信号を乗算して位相比較信号の微分値信号を生成し位相誤差信号として出力する。
【０１２８】
ＯＶＣＯ３０３において、ＬＮ位相変調器３３２から出力される光コム信号は、ＡＷＧ３４２に入力される。ＡＷＧ３４２は、ＬＮ位相変調器３３２から入力される光コム信号から波長λ１，λ２の線スペクトルの光信号を出力する。ＡＷＧ３４２から出力された波長λ１の光信号は、光カプラ３４４により分波され、光カプラ３５４に出力されるとともに、時間的変調部１６３のＬＮ位相変調器１６１３に出力される。ＡＷＧ３４２から出力された波長λ２の光信号は、光カプラ３４５により分波され、ＰＣ３５３を介して光カプラ３５４に出力されるとともに、時間的変調部１６３のＰＣ１６１８に出力される。ＰＣ３５３は、ＡＷＧ３４２から入力された波長λ２の光信号の偏波を、光カプラ３５４に入力される波長λ１の光信号の偏波に調整して出力する。光カプラ３４４から出力された波長λ１の光信号と、ＰＣ３５３から出力された波長λ２の光信号とは、光カプラ３５４により合波され、ビート光信号として外部に出力される。
【０１２９】
時間的変調部１６３において、ＬＮ位相変調器１６１３は、局所発振部１５から出力されてＲＦアンプ１５１により増幅された変調信号の電圧に応じて、光カプラ３４３から入力される波長λ１の光信号の位相を変調して光カプラ１６１９に出力する。ＰＣ１６１８は、光カプラ３４４から入力される波長λ２の光信号の偏波を、光カプラ１６１９に入力される波長λ２の光信号の偏波に調整して出力する。ＬＮ位相変調器１６１３から出力される波長λ１の光信号と、ＰＣ１６１８から出力される波長λ２の光信号とは、光カプラ１６１９により合波されてＥＤＦＡ１６２０により増幅され、時間的変調されたビート光信号としてＰＣ１７１に出力される。
【０１３０】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。また、ＯＶＣＯ３０３と時間的変調部１６３とで、波長λ１，λ２の波長の選択部分（２モード選択部３４）が共通であり、装置構成を簡単にできる。特に、同期光信号発生装置２，３に比べて、ＡＷＧが１つで済み、製造コストを低減できる。
【０１３１】
また、実施例１と同様に、位相シフタ１８１により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例４】
【０１３２】
図１４を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例４を説明する。図１４に、本実施例の同期光信号発生装置５の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１３３】
本実施例の同期光信号発生装置５は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１４に示すように、同期光信号発生装置５は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０１と、局所発振部１５と、位相シフタ１８と、時間的変調部としてのＬＮ位相変調器１６４と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。
【０１３４】
ＬＮ位相変調器１６４は、位相シフタ１８から入力される変調信号の電圧に応じて、ＯＶＣＯ３０１の光カプラ３７から入力されるビート光信号を位相変調し、時間的変調されたビート光信号としてＰＣ１７に出力する。
【０１３５】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第２の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を行うことができるとともに、装置構成を簡単にできる。特に、同期光信号発生装置２，３に比べて、ＡＷＧが１つで済み、製造コストを低減できる。
【０１３６】
また、実施例１と同様に、位相シフタ１８により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例５】
【０１３７】
図１５を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例５を説明する。図１５に、本実施例の同期光信号発生装置６の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１３８】
本実施例の同期光信号発生装置６は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけるとともに、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１５に示すように、同期光信号発生装置６は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０４と、局所発振部１５と、位相シフタ１８と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。
【０１３９】
ＯＶＣＯ３０４は、ＶＣＯ３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、ＬＮ位相変調器３３２と、時間的変調部１６１と、ＥＤＦＡ３６１と、光カプラ３７と、を備えて構成される。ＬＮ位相変調器３３２から出力された光コム信号は、時間的変調部１６１のサーキュレータ１６１１を介してＡＷＧ１６１２に出力される。また、ＡＷＧ１６１２から出力されるＬＮ位相変調器３３２から出力された時間的変調されたビート光信号は、ＥＤＦＡ３６１により増幅され、光カプラ３７により分波され、外部とＰＣ１７１とに出力される。
【０１４０】
つまり、同期光信号発生装置６から外部に出力されるビート光信号は、時間的変調されたビート光信号となる。このため、外部のビート光信号を用いるアプリケーション等が、時間的変調されたビート光信号を許容する場合に、同期光信号発生装置６が適用可能となる。
【０１４１】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。さらに、ＯＶＣＯ３０４が時間的変調部１６１を含むので、装置構成を簡単にできる。特に、同期光信号発生装置２，３に比べて、ＡＷＧが１つで済み、製造コストを低減できる。
【０１４２】
また、実施例１と同様に、時間的変調部１６１により、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。さらに、位相シフタ１８により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【実施例６】
【０１４３】
図１６を参照して、上記実施の形態の具体的な一実施例としての実施例６を説明する。図１６に、本実施例の同期光信号発生装置７の構成を示す。但し、上記実施の形態及び実施例で説明した構成と同じ構成要素には、同じ符号を付し、その説明を省略する。
【０１４４】
本実施例の同期光信号発生装置７は、第１の時間的変調方法によりビート光信号に時間的変調をかけ、参照光信号に同期した同期ビート光信号を出力する装置である。図１６に示すように、同期光信号発生装置７は、光カプラ１１と、Ｓｉ−ＡＰＤ１２１と、ＴＩＡ１９と、電気ミキサ１３と、ループフィルタ２０と、ＯＶＣＯ３０５と、局所発振部１５と、位相シフタ１８と、時間的変調部１６１と、ＰＣ１７１と、を備えて構成される。
【０１４５】
ＯＶＣＯ３０５は、ＶＣＯ３１と、二倍周波数発生器３１１，３１２と、ＲＦアンプ３２と、ＤＦＢ−ＬＤ３３１と、ＬＮ位相変調器３３２と、ファブリペローエタロン３４６と、ＥＤＦＡ３６１と、光カプラ３７と、を備えて構成される。
【０１４６】
ファブリペローエタロンは、ファブリペロー干渉系のうち、干渉間距離が固定されている光学素子であり、入力光のうち、特定の波長が強められて出力される。ファブリペローエタロンが透過する特定の波長の間隔は、ＦＳＲ（Free Spectral Range）として設定されている。また、ファブリペローエタロンは、出力光の波長精度を保つため、温度調整が必要となる。
【０１４７】
ファブリペローエタロン３４６は、例えば、ＦＳＲが１６０［ＧＨｚ］に設定されているものとする。ファブリペローエタロン３４６は、ＬＮ位相変調器３３２から出力された光コム信号が入力され、その光コム信号からＦＳＲに対応する波長（λ１，λ２）の光信号を透過し（例えば１６０［ＧＨｚ］の）ビート光信号としてＥＤＦＡ３６１に出力する。
【０１４８】
以上、本実施例によれば、上記実施の形態と同様に、入力光信号の偏波に依存しない同期ビート光信号を発生できる。また、第１の時間的変調方法を行うので、ビート光信号の時間的変調を容易に行うことができる。さらに、ＯＶＣＯ３０４にＡＷＧを用いることなくファブリペローエタロン３４６を用いて構成するので、装置構成を簡単にできる。特に、同期光信号発生装置２，３に比べて、ＡＷＧが１つで済み、製造コストを低減できる。
【０１４９】
また、実施例１と同様に、時間的変調部１６１により、波長λ１、λ２の光信号がＡＷＧ１６１２を２回通る。このため、帰還するビート光信号の光ＳＮＲを高くできる。さらに、位相シフタ１８により、位相誤差信号の振幅を最大にでき、位相誤差信号のＳＮＲを高くでき、タイミングジッタを小さくできる。
【０１５０】
なお、上記実施の形態及び変形例における記述は、本発明に係る同期光信号発生装置、時間的変調装置、同期光信号発生方法及び時間的変調方法の一例であり、これに限定されるものではない。
【０１５１】
例えば、上記実施の形態、各実施例及び以下に述べる構成の一部又は全部のうち、少なくとも２つの構成を適宜組み合わせることとしてもよい。
【０１５２】
また、上記実施の形態、各実施例では、ＯＶＣＯとして、光コム発生部、２モード選択部、２モード合波部により、線幅の狭いビート光信号を発生する構成としたが、これに限定されるものではない。例えば、従来の同期光信号発生装置７のように、ＬＤを用いたＯＶＣＯ等、他のＯＶＣＯを用いる構成としてもよい。
【０１５３】
また、上記実施の形態、各実施例では、位相比較部１２として、非線形効果として二光子吸収を利用したＳｉ−ＡＰＤ１２１を用いる構成としたが、これに限定されるものではなく、他の非線形効果を利用したものとしてもよい。例えば、光ファイバ中の四光波混合（ＦＷＭ：Four Wave Mixing）を利用する位相比較部を用いてもよい。ＦＷＭを利用する位相比較部は、ＦＷＭによって新しく生じたＦＷＭ光を光フィルタを用いて抜き出し、フォトダイオードで電流に変換し位相比較信号として出力する。ＦＷＭを利用する位相比較部は、例えば、ＨＮＬＦ（Highly Nonlinear Fiber：高非線形ファイバ）等の非線形媒質や、ＳＯＡ（Semiconductor Optical Amplifier）等を用いる。
【０１５４】
また、位相比較部としては、光ファイバ中の相互位相変調（ＸＰＭ：Cross Phase Modulation）を利用する位相比較部を用いてもよい。ＸＰＭを利用する位相比較部は、ＸＰＭによって光信号の波長が移動し、移動した波長を持つＸＰＭ光を光フィルタで抜き出しフォトダイオードで電流に変換し位相比較信号として出力する。
【０１５５】
また、非線形光学結晶における第二次高調波発生（ＳＨＧ：Second Harmonic Generation）を利用する位相比較部を用いてもよい。ＳＨＧを利用する位相比較部は、ＳＨＧ光を光フィルタで抜き出しフォトダイオードで電流に変換し位相比較信号として出力する。
【０１５６】
また、擬似位相整合（ＰＰＬＮ：Periodically Poled Lithium Niobate）におけるＳＨＧを利用する位相比較部を用いてもよい。ＰＰＬＮにおけるＳＨＧを利用する位相比較部は、ＳＨＧ光を光フィルタで抜き出しフォトダイオードで電流に変換し位相比較信号として出力する。他にも、位相比較部として、ＰＭＴ（Photo Multiplier Tube：光電子倍増管）を利用したもの、カー効果を利用したもの等としてもよい。
【０１５７】
また、上記実施の形態及び各実施例で説明した同期光信号発生装置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】
【０１５８】
【図１】本発明に係る実施の形態の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図２】時間的変調がなされた信号の波形を示す図である。
【図３】（ａ）は、時間差τに対するＴＰＡ信号の一例と時間的変調するポイントＡ，Ｂ，Ｃとを示す図である。（ｂ）は、（ａ）のＴＰＡ信号の微分値信号を示す図である。
【図４】（ａ）は、図３（ａ）のポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける時間的変調後のＴＰＡ信号の波形を示す図である。（ｂ）は、局所発振部１５のＬＯ信号と図３（ａ）のポイントＡ，Ｂ，Ｃにおける復調信号との波形を示す図である。
【図５】電気ミキサの出力信号の周波数分布を示す図である。
【図６】第１の時間的変調方法による位相変調部を用いた装置構成を示す図である。
【図７】位相変調部に加えた電圧に対するビート光信号の強度時間波形を示す図である。
【図８】時間的変調部の構成を示す図である。
【図９】第２の時間的変調方法による装置構成を示す図である。
【図１０】位相変調器に加えた電圧に対するビート光信号の強度時間波形を示す図である。
【図１１】本発明に係る実施例１の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明に係る実施例２の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１３】本発明に係る実施例３の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１４】本発明に係る実施例４の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１５】本発明に係る実施例５の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１６】本発明に係る実施例６の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１７】従来の第１の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図１８】（ａ）は、ビート光信号と参照光信号との波形及び時間差τを示す図である。（ｂ）は、時間差τに対する位相誤差信号Ｉ（τ）を示す図である。
【図１９】従来の第２の同期光信号発生装置の構成を示す図である。
【図２０】従来の同期電気信号発生装置の構成を示す図である。
【図２１】（ａ）は、時間差τに対するＴＰＡ信号の関係を示す図である。（ｂ）は、時間ｔに対するＴＰＡ信号の関係を示す図である。
【図２２】（ａ）は、時間差τに対する、少なくとも一方が直線偏光の２つの光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を示す図である。（ｂ）は、時間差τに対する、少なくとも一方が円偏光の光信号を合波した場合のＴＰＡ信号を示す図である。
【図２３】（ａ）は、時間ｔに対するエンベロープｇ(ｔ)の波形を示す図である。（ｂ）は、時間差τに対するＴＰＡ信号Ｉ（τ）の波形を示す図である。
【符号の説明】
【０１５９】
１，２，３，４，５，６，７，８，９ 同期光信号発生装置
１０ 同期電気信号発生装置
１１ 光カプラ
Ｆ 空間光学系
１１１ ハーフミラー
１１２ レンズ
１２ 位相比較部
１２１ Ｓｉ−ＡＰＤ
１５ 局所発振部
１５１，１５２ ＲＦアンプ
１６ 時間的変調部
１６Ａ，１６Ｂ 位相変調部
１６０ 光カプラ
１６１，１６２，１６３ 時間的変調部
１６１１ サーキュレータ
１６１２ ＡＷＧ
１６１３ ＬＮ位相変調器
１６１４，１６１６ ＦＲＭ
１６１５ ＶＯＡ
１６１７ ＰＢＳ
１６１８ ＰＣ
１６１９ 光カプラ
１６２０ ＥＤＦＡ
１６４ ＬＮ位相変調器
１７ 円偏光調整部
１７１ ＰＣ
１７２ １／４波長板
１８ 位相シフタ
１９ ＴＩＡ
２０ ループフィルタ
３０，３０１，３０２，３０３，３０４，３０５ ＯＶＣＯ
３１ ＶＣＯ
３１１，３１２ 二倍周波数発生器
３２ ＲＦアンプ
３３ 光コム発生部
３３１ ＤＦＢ−ＬＤ
３３２ ＬＮ位相変調器
３４ ２モード選択部
３４１ サーキュレータ
３４２ ＡＷＧ
３４３ ＰＢＳ
３４４，３４５ 光カプラ
３４６ ファブリペローエタロン
３５ ２モード合波部
３５１，３５２ ＦＲＭ
３５３ ＰＣ
３５４ 光カプラ
３６１ ＥＤＦＡ
３６２ ＰＭ−ＥＤＦＡ
３７ 光カプラ
４１，５２，５３，４４，４５，４６ ＰＭＦ
８１ 光カプラ
８２ Ｓｉ−ＡＰＤ
８３ ループフィルタ
８４ ＯＶＣＯ
８４１，８４２ ＬＤ
８４３ 光カプラ
１０１ 光カプラ
１０２ ＥＤＦＡ
１０３ Ｓｉ−ＡＰＤ
１０４ ループフィルタ
１０５ ＶＣＯ
１０６ ＲＦアンプ
１０７ モードロックレーザ
１０８ ＰＣ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定周波数の変調信号を発生する局所発振部と、
参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する合波部と、
非線形効果により、前記合波された参照光信号及びビート光信号の位相を比較し位相比較信号を生成する位相比較部と、
前記位相比較信号及び前記変調信号を乗算して当該位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する電気ミキサと、
前記位相誤差信号を整形する整形部と、
前記整形された位相誤差信号に基づいて、当該位相誤差信号を０にするビート光信号を発生して出力するビート光信号発生部と、
前記ビート光信号発生部により発生されたビート光信号を、前記変調信号に基づいて時間的変調する時間的変調部と、
前記時間的変調されたビート光信号を円偏光にして前記合波部に出力する円偏光調整部と、を備える同期光信号発生装置。
【請求項２】
前記円偏光調整部は、偏波コントローラである請求項１に記載の同期光信号発生装置。
【請求項３】
前記合波部は、ハーフミラーであり、
前記円偏光調整部は、１／４波長板であり、
前記１／４波長板から前記位相比較部までの光路が空間光学系により構成され、
前記ビート光信号発生部から前記１／４波長板までの光路を通る光信号の偏波を直線偏光に保持する偏波保持部を備える請求項１又は２に記載の同期光信号発生装置。
【請求項４】
前記時間的変調部は、前記ビート光信号を構成する一方の波長の光信号を位相変調する位相変調部を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の同期光信号発生装置。
【請求項５】
前記時間的変調部は、
前記ビート光信号を構成する第１及び第２の波長の光信号を抽出するアレイ導波路回析格子と、
前記第２の波長の光信号及び位相変調された第１の波長の光信号を反射するファラデーローテータミラーと、を備え、
前記位相変調部は、前記アレイ導波路回析格子から出力される前記第１の波長の光信号を位相変調し、
前記アレイ導波路回析格子は、前記ファラデーローテータミラーにより反射された、前記第２の波長の光信号及び前記位相変調された第１の波長の光信号を合波しビート光信号として出力する請求項４に記載の同期光信号発生装置。
【請求項６】
前記ビート光信号発生部は、
前記位相誤差信号に応じた周波数間隔の光コム信号を発生する光コム発生部と、
前記発生された光コム信号から第１及び第２の波長の線スペクトルの光信号を選択して抽出する２モード選択部と、
前記抽出された第１及び第２の波長の光信号を合波してビート光信号を発生して出力する２モード合波部と、を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の同期光信号発生装置。
【請求項７】
前記２モード選択部及び前記２モード合波部は、ファブリペローエタロンにより構成される請求項６に記載の同期光信号発生装置。
【請求項８】
前記時間的変調部は、前記２モード選択部により選択された第１の波長の光信号を時間的変調し、当該時間的変調した第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波して出力する請求項６に記載の同期光信号発生装置。
【請求項９】
前記２モード選択部及び前記２モード合波部は、前記時間的変調部を含み、当該時間的変調部により時間的変調されたビート光信号を発生して出力する請求項６に記載の同期光信号発生装置。
【請求項１０】
前記時間的変調部は、前記ビート光信号を位相変調する位相変調部を備える請求項１から７のいずれか一項に記載の同期光信号発生装置。
【請求項１１】
前記局所発振部からの変調信号の位相をシフトして、前記電気ミキサ又は前記時間的変調部に出力する位相シフタを備える請求項１から１０のいずれか一項に記載の同期光信号発生装置。
【請求項１２】
第１及び第２の波長の光信号から構成されるビート光信号の前記第１の波長の光信号を位相変調する位相変調部と、
前記位相変調された第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波してビート光信号として出力する合波部と、を備える時間的変調装置。
【請求項１３】
参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する工程と、
非線形効果により、前記合波された参照光信号及びビート光信号の位相を比較して位相比較信号を生成する工程と、
前記位相比較信号と、所定周波数の変調信号を乗算して当該位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する工程と、
前記位相誤差信号を整形する工程と、
前記整形された位相誤差信号の微分値信号に基づいて、当該微分値信号を０にするビート光信号を発生して出力する工程と、
前記発生されたビート光信号を、前記変調信号に基づいて時間的変調する工程と、
前記時間的変調されたビート光信号を円偏光にして前記合波に用いる時間的変調された円偏光のビート光信号として出力する工程と、を含む同期光信号発生方法。
【請求項１４】
第１及び第２の波長の光信号から構成されるビート光信号の前記第１の波長の光信号を位相変調する工程と、
前記位相変調された第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波してビート光信号として出力する工程と、を含む時間的変調方法。
【請求項１】
所定周波数の変調信号を発生する局所発振部と、
参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する合波部と、
非線形効果により、前記合波された参照光信号及びビート光信号の位相を比較し位相比較信号を生成する位相比較部と、
前記位相比較信号及び前記変調信号を乗算して当該位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する電気ミキサと、
前記位相誤差信号を整形する整形部と、
前記整形された位相誤差信号に基づいて、当該位相誤差信号を０にするビート光信号を発生して出力するビート光信号発生部と、
前記ビート光信号発生部により発生されたビート光信号を、前記変調信号に基づいて時間的変調する時間的変調部と、
前記時間的変調されたビート光信号を円偏光にして前記合波部に出力する円偏光調整部と、を備える同期光信号発生装置。
【請求項２】
前記円偏光調整部は、偏波コントローラである請求項１に記載の同期光信号発生装置。
【請求項３】
前記合波部は、ハーフミラーであり、
前記円偏光調整部は、１／４波長板であり、
前記１／４波長板から前記位相比較部までの光路が空間光学系により構成され、
前記ビート光信号発生部から前記１／４波長板までの光路を通る光信号の偏波を直線偏光に保持する偏波保持部を備える請求項１又は２に記載の同期光信号発生装置。
【請求項４】
前記時間的変調部は、前記ビート光信号を構成する一方の波長の光信号を位相変調する位相変調部を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の同期光信号発生装置。
【請求項５】
前記時間的変調部は、
前記ビート光信号を構成する第１及び第２の波長の光信号を抽出するアレイ導波路回析格子と、
前記第２の波長の光信号及び位相変調された第１の波長の光信号を反射するファラデーローテータミラーと、を備え、
前記位相変調部は、前記アレイ導波路回析格子から出力される前記第１の波長の光信号を位相変調し、
前記アレイ導波路回析格子は、前記ファラデーローテータミラーにより反射された、前記第２の波長の光信号及び前記位相変調された第１の波長の光信号を合波しビート光信号として出力する請求項４に記載の同期光信号発生装置。
【請求項６】
前記ビート光信号発生部は、
前記位相誤差信号に応じた周波数間隔の光コム信号を発生する光コム発生部と、
前記発生された光コム信号から第１及び第２の波長の線スペクトルの光信号を選択して抽出する２モード選択部と、
前記抽出された第１及び第２の波長の光信号を合波してビート光信号を発生して出力する２モード合波部と、を備える請求項１から５のいずれか一項に記載の同期光信号発生装置。
【請求項７】
前記２モード選択部及び前記２モード合波部は、ファブリペローエタロンにより構成される請求項６に記載の同期光信号発生装置。
【請求項８】
前記時間的変調部は、前記２モード選択部により選択された第１の波長の光信号を時間的変調し、当該時間的変調した第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波して出力する請求項６に記載の同期光信号発生装置。
【請求項９】
前記２モード選択部及び前記２モード合波部は、前記時間的変調部を含み、当該時間的変調部により時間的変調されたビート光信号を発生して出力する請求項６に記載の同期光信号発生装置。
【請求項１０】
前記時間的変調部は、前記ビート光信号を位相変調する位相変調部を備える請求項１から７のいずれか一項に記載の同期光信号発生装置。
【請求項１１】
前記局所発振部からの変調信号の位相をシフトして、前記電気ミキサ又は前記時間的変調部に出力する位相シフタを備える請求項１から１０のいずれか一項に記載の同期光信号発生装置。
【請求項１２】
第１及び第２の波長の光信号から構成されるビート光信号の前記第１の波長の光信号を位相変調する位相変調部と、
前記位相変調された第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波してビート光信号として出力する合波部と、を備える時間的変調装置。
【請求項１３】
参照光信号と時間的変調された円偏光のビート光信号とを合波する工程と、
非線形効果により、前記合波された参照光信号及びビート光信号の位相を比較して位相比較信号を生成する工程と、
前記位相比較信号と、所定周波数の変調信号を乗算して当該位相比較信号の微分値信号を位相誤差信号として出力する工程と、
前記位相誤差信号を整形する工程と、
前記整形された位相誤差信号の微分値信号に基づいて、当該微分値信号を０にするビート光信号を発生して出力する工程と、
前記発生されたビート光信号を、前記変調信号に基づいて時間的変調する工程と、
前記時間的変調されたビート光信号を円偏光にして前記合波に用いる時間的変調された円偏光のビート光信号として出力する工程と、を含む同期光信号発生方法。
【請求項１４】
第１及び第２の波長の光信号から構成されるビート光信号の前記第１の波長の光信号を位相変調する工程と、
前記位相変調された第１の波長の光信号と前記第２の波長の光信号とを合波してビート光信号として出力する工程と、を含む時間的変調方法。
【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２１】
【図２２】
【図２３】
【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２１】
【図２２】
【図２３】
【公開番号】特開２００９−２４４６２１（Ｐ２００９−２４４６２１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−９１４３５（Ｐ２００８−９１４３５）
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【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２１年１０月２２日（２００９．１０．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月３１日（２００８．３．３１）
【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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