JP2019039972A - Signal generator and signal generation method - Google Patents
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Abstract
【課題】安定な光周波数コム参照光源を別途必要とせずに、位相雑音が抑制されたマイクロ波やミリ波などの信号が、周波数が可変な状態で生成できるようにする。【解決手段】自己参照干渉計107により、非線形光学媒質106により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第n高調波および短波長成分の第n−1高調波を干渉させて第n高調波と第n−1高調波との周波数差の光信号を生成し、自己参照干渉計107から生成された光信号を、光検出器108で光電変換して電気信号を出力し、帰還制御部109で、光検出器108で光電変換されて出力された電気信号と第2信号発生部103から出力される第2信号とを比較し、この比較の状態をもとに、第1信号の位相雑音が抑圧されるように第1信号発生部102を制御する。【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To generate a signal such as a microwave or a millimeter wave in which phase noise is suppressed in a variable frequency state without separately requiring a stable optical frequency comb reference light source. SOLUTION: A self-reference interferometer 107 interferes with the nth harmonic of a long wavelength component and the n-1th harmonic of a short wavelength component obtained from an optical pulse whose optical spectrum band is expanded by a nonlinear optical medium 106. The optical signal of the frequency difference between the nth harmonic and the n-1th harmonic is generated, and the optical signal generated from the self-reference interferometer 107 is photoelectrically converted by the optical detector 108 to output an electric signal. , The feedback control unit 109 compares the electric signal output after photoelectric conversion by the optical detector 108 with the second signal output from the second signal generation unit 103, and based on the state of this comparison, the first The first signal generation unit 102 is controlled so that the phase noise of one signal is suppressed. [Selection diagram] Fig. 1
Description
本発明は、光周波数コム安定化光源などの参照信号源を生成する信号発生器および信号発生方法に関する。 The present invention relates to a signal generator and a signal generation method for generating a reference signal source such as an optical frequency comb stabilized light source.
近年、電気的方法で測定可能なマイクロ波以下のマイクロ波基準周波数をもとに、光の周波数を直接測定する新しい技術が開発されている(非特許文献1、2参照)。この技術では、光周波数コム(Comb)を、光周波数のものさしとして光周波数計測に利用している。例えば、モード同期レーザーにより発振されるパルスレーザー光が、光周波数コムとなる。
In recent years, new technologies have been developed that directly measure the frequency of light based on a microwave reference frequency that is equal to or lower than the microwave that can be measured by an electrical method (see Non-Patent
モード同期レーザーにより発振されるパルスレーザー光は、図3の(a)に示す「光搬送波包絡線」に示すようなパルスが、時間軸上に等しい時間間隔Tで並ぶ。一方、周波数軸上においては、図3の(b)に示すように、等しい周波数間隔frepで櫛状に並ぶ多数のモード(線スペクトル)の集合体となる。このように周波数軸上に櫛歯状に並ぶレーザー光の集合体が、光周波数コムとなる。 In the pulse laser light oscillated by the mode-locked laser, pulses as shown by “optical carrier envelope” shown in FIG. 3A are arranged at equal time intervals T on the time axis. On the other hand, on the frequency axis, as shown in FIG. 3B, an aggregate of a large number of modes (line spectra) arranged in a comb shape at equal frequency intervals f rep is obtained. In this way, an assembly of laser beams arranged in a comb shape on the frequency axis becomes an optical frequency comb.
包絡線で示すパルスのピーク間の時間幅Tと、図3の(b)に示す光周波数コムのモードの間隔である周波数間隔frepとの間には、「frep=1/T」という関係があり、光周波数コムの各モードのスペクトル周波数fnは、「fn=n×frep+δ(nは整数)」と表すことができる。また、包絡線のピークから計った光搬送波電界の位相(キャリアエンベロープ位相)をφとし、このφの隣り合うパルス(包絡線)の間のずれをΔφとすると、オフセット周波数δとレーザー繰り返し周波数であるfrepとの間には、「δ=(Δφ/2π)×frep」の関係が成り立っている。 Between the time width T between the peaks of the pulse indicated by the envelope and the frequency interval f rep , which is the mode interval of the optical frequency comb shown in FIG. 3B, “f rep = 1 / T”. There is a relationship, and the spectral frequency f n of each mode of the optical frequency comb can be expressed as “f n = n × f rep + δ (n is an integer)”. Also, if the phase of the optical carrier electric field (carrier envelope phase) measured from the peak of the envelope is φ and the deviation between adjacent pulses (envelope) of φ is Δφ, the offset frequency δ and the laser repetition frequency are A relationship of “δ = (Δφ / 2π) × f rep ” is established with a certain f rep .
これにより、レーザー繰り返し周波数とキャリアエンベロープ位相差を固定することができれば、光周波数コムの各モードの波長を安定化することができ、マイクロ波周波数を光の周波数領域にまでつなぐ周波数基準となる。各モードの波長が正確に定まった光周波数コムは、高精度な周波数標準および関連する基礎物理だけでなく、通信、精密計測、量子情報通信などの分野へ応用されていくと考えられる。 Thus, if the laser repetition frequency and the carrier envelope phase difference can be fixed, the wavelength of each mode of the optical frequency comb can be stabilized, which becomes a frequency reference for connecting the microwave frequency to the light frequency region. The optical frequency comb in which the wavelength of each mode is accurately determined will be applied not only to high-precision frequency standards and related basic physics, but also to fields such as communication, precision measurement, and quantum information communication.
近年、光周波数コムの周波数を安定化する手法が実現した(非特許文献1,2参照)。このレーザー光源として、光共振器装置を備えた受動モード同期レーザーが用いられている(非特許文献1,2参照)。受動モード同期レーザーは、パルスレーザーを発振することができる。レーザーは通常、光を増幅する利得媒質と、共振器長がLの共振器を有する。この共振器の縦モードの共振周波数はc/2L(cは光速)の整数倍である。
In recent years, a technique for stabilizing the frequency of an optical frequency comb has been realized (see Non-Patent
レーザーが発振するレーザー光のスペクトルの幅よりも共振器の共振周波数の間隔が狭いと、共振器において複数のモード(周波数)で共振する。この状態で各モードの位相を揃える(モード同期)ことにより、繰り返し周波数frep=c/(2L)でレーザー光が強められる。これにより、繰り返し周波数frepのパルスレーザー光が生成される。 When the resonance frequency interval of the resonator is narrower than the spectrum width of the laser beam oscillated by the laser, the resonator resonates in a plurality of modes (frequency). By aligning the phase of each mode in this state (mode synchronization), the laser beam is intensified at the repetition frequency f rep = c / (2L). As a result, pulsed laser light having a repetition frequency f rep is generated.
図3に示すように、このモード同期レーザーにより発振されるパルスレーザー光は、時間軸上に等しい時間間隔Tで並ぶ。一方、周波数軸上では等しい周波数間隔frepで櫛状に並ぶ多数のモードの集合体となる。このように周波数軸上に櫛状に並ぶレーザー光の集合体が「光周波数コム」と呼ばれる。一般に、包絡線のピークと光搬送波電界のピークは常に一致しているわけではなく、時間的にシフトしていき、この変化も一定でない。 As shown in FIG. 3, the pulse laser beams oscillated by the mode-locked laser are arranged at equal time intervals T on the time axis. On the other hand, on the frequency axis, it becomes an aggregate of a large number of modes arranged in a comb shape at equal frequency intervals f rep . An assembly of laser beams arranged in a comb shape on the frequency axis is called an “optical frequency comb”. In general, the peak of the envelope and the peak of the optical carrier electric field do not always coincide with each other and shift with time, and this change is not constant.
包絡線のピーク間の時間幅をTとし、隣り合うパルスの、包絡線のピークから計った光搬送波電界位相φのずれをΔφとすると、得られる光周波数コムのモード間隔frepとTの間にはfrep=1/Tという関係があり、コムの各モードのスペクトル周波数はfn=n×frep+δ(但し、nは整数)と表すことができる。なお、「δ=(Δφ/2π)×frep」である。 When the time width between the peaks of the envelope is T, and the shift of the optical carrier electric field phase φ measured from the peak of the envelope of adjacent pulses is Δφ, the mode interval f rep between the obtained optical frequency combs and T Has a relationship of f rep = 1 / T, and the spectrum frequency of each mode of the comb can be expressed as f n = n × f rep + δ (where n is an integer). Note that “δ = (Δφ / 2π) × f rep ”.
モード同期レーザー発振器のスペクトルを例えば、フォトニック結晶ファイバなどで生じる自己位相変調効果を用いて帯域1オクターブ以上の白色光を発生させる。この長波長成分(n×frep+δ)の第2高調波を発生させると、その周波数は、2×(n×frep+δ)となる。また、白色光の短波長成分は、2×n×frep+δと表せる。長波長成分の第二高調波と短波長成分の2つの光を干渉させ、例えばフォトダイオードでそのうなり信号を検出することにより2つの光の周波数差δの値を測定することができる。 The spectrum of the mode-locked laser oscillator is used to generate white light having a band of 1 octave or more by using a self-phase modulation effect generated by, for example, a photonic crystal fiber. When the second harmonic of the long wavelength component (n × f rep + δ) is generated, the frequency becomes 2 × (n × f rep + δ). Further, the short wavelength component of white light can be expressed as 2 × n × f rep + δ. The value of the frequency difference δ of the two lights can be measured by causing the second light of the long wavelength component and the two lights of the short wavelength component to interfere with each other and detecting the beat signal with a photodiode, for example.
この測定値を外部からのマイクロ波基準周波数と比較し、マイクロ波基準周波数からのずれの大きさをもとに電子回路で共振器内の非線形分散の大きさにフィードバックを行うことで、キャリアエンベロープ位相差すなわちコムのオフセット周波数を安定化することができるようになった。一方、レーザーの繰り返し周波数は、フォトダイオードからの繰り返し周波数信号をもとに、レーザーの共振器長にフィードバックすることにより、ある有限の範囲内に固定することが可能である。 The measured value is compared with an external microwave reference frequency, and feedback is made to the magnitude of the nonlinear dispersion in the resonator using an electronic circuit based on the magnitude of the deviation from the microwave reference frequency. The phase difference, that is, the comb offset frequency can be stabilized. On the other hand, the laser repetition frequency can be fixed within a certain finite range by feeding back to the laser resonator length based on the repetition frequency signal from the photodiode.
上述したようなオフセット周波数とモード周波数間隔を一定にした光周波数コム安定化光源が、共振器装置を備えたモード同期レーザーをベースに開発されている(非特許文献1,2参照)。
An optical frequency comb stabilized light source having a constant offset frequency and mode frequency interval as described above has been developed based on a mode-locked laser including a resonator device (see Non-Patent
ところで、上述した受動モード同期レーザーを用いた光周波数コム光源では、キャリアエンベロープ位相を制御する手段として、共振器内に設置されたガラスウエッジの挿入量を変えて共振器における屈折率(分散量)を変化させることや、ポンプ光の強度を変えて利得媒質(例えばチタンサファイア結晶)の非線形屈折率を変化させるようにしている(非特許文献1,2参照)。従って、従来の技術では、周波数が安定な光周波数コムを得るためには、共振器を備えた受動モード同期レーザーを用いることが前提となる。
By the way, in the optical frequency comb light source using the passive mode-locked laser described above, as a means for controlling the carrier envelope phase, the refractive index (dispersion amount) in the resonator is changed by changing the insertion amount of the glass wedge installed in the resonator. And the nonlinear refractive index of the gain medium (for example, titanium sapphire crystal) is changed by changing the intensity of the pump light (see Non-Patent
受動モード同期レーザーを用いる場合、得られるレーザーの中心光周波数は共振器内に配置された利得媒質に依存し、例えば、利得媒質としてチタンサファイア結晶を用いた場合、発振可能なレーザーの波長は650〜1100nmの範囲となるが、最も効率よく発振できる波長は800nmである。このように、受動モード同期レーザーでは、得られるレーザーの中心光周波数が限定される。 When a passively mode-locked laser is used, the center optical frequency of the obtained laser depends on the gain medium arranged in the resonator. For example, when a titanium sapphire crystal is used as the gain medium, the wavelength of the oscillatable laser is 650. Although it is in the range of ˜1100 nm, the wavelength that can oscillate most efficiently is 800 nm. Thus, in the passive mode-locked laser, the center optical frequency of the obtained laser is limited.
また、キャリアエンベロープ位相差の検出には、前述したように、フォトニック結晶ファイバや高非線形ファイバなどを用いてスペクトルを広帯域化した光を得られるだけのレーザー出力が必要となる。このため、用いることができるレーザーの種類が限定される。また、条件を満たすレーザーでは、共振器内に配置する利得媒質と光学部品との空間的配置などの制約から、共振器長を短くすることができず、共振器長で決定される繰り返し周波数は、1GHz程度が上限となる。 In addition, as described above, the detection of the carrier envelope phase difference requires a laser output sufficient to obtain light having a broad spectrum using a photonic crystal fiber or a highly nonlinear fiber. For this reason, the kind of laser which can be used is limited. Also, with a laser that satisfies the conditions, the resonator length cannot be shortened due to restrictions such as the spatial arrangement of the gain medium and the optical components placed in the resonator, and the repetition frequency determined by the resonator length is About 1 GHz is the upper limit.
更に、繰り返し周波数を変化させるための共振器の長さの調節(制御)は、通常、共振器エンドミラーに固定したピエゾ素子などのアクチュエータで行っている。このため、繰り返し周波数の可変範囲も小さいものとなっている。例えば、繰り返し周波数が80MHzのレーザー光源の可変範囲は、77〜83MHz程度である。 Furthermore, adjustment (control) of the length of the resonator for changing the repetition frequency is usually performed by an actuator such as a piezo element fixed to the resonator end mirror. For this reason, the variable range of the repetition frequency is also small. For example, the variable range of a laser light source with a repetition frequency of 80 MHz is about 77 to 83 MHz.
一方、安定な光周波数コムを得る方法として、連続的にレーザーを出す波長安定化連続波(CW;Continuous Wave)光源を用い、この光源に対して電気光学変調器で深い周波数変調をかけ、FM側帯波を発生させる方法が提案されている(非特許文献3参照)。この方法では、繰り返し周波数における制約は解消される。しかしながら、この方法では、光周波数コムのオフセット光周波数は、もとになるCW光の中心波長によって決定される。このため、得られる光周波数コムの安定化を実現するためには、例えば、アセチレンガスなどの吸収線にロックすることで得られる波長安定化光源などのCW光源が必要となり、外部からのマイクロ波参照周波数だけで光周波数コムの各モードの波長を固定することができず、得られる確度も劣るものとなる。 On the other hand, as a method for obtaining a stable optical frequency comb, a wavelength-stabilized continuous wave (CW) light source that continuously emits a laser is used, and this light source is subjected to deep frequency modulation by an electro-optic modulator, and FM. A method of generating sideband waves has been proposed (see Non-Patent Document 3). In this method, the restriction on the repetition frequency is removed. However, in this method, the offset optical frequency of the optical frequency comb is determined by the center wavelength of the original CW light. For this reason, in order to realize stabilization of the obtained optical frequency comb, for example, a CW light source such as a wavelength stabilized light source obtained by locking to an absorption line such as acetylene gas is required. The wavelength of each mode of the optical frequency comb cannot be fixed only by the reference frequency, and the obtained accuracy is inferior.
上述した問題を解消するために、以下に示す技術が提案されている。まず、CW光源より発生したレーザー光を第1周波数で位相変調することで、パルスの繰り返し周波数が第1周波数の光パルスを生成し、この光パルスの光スペクトル帯域を拡大させる。次に、自己参照干渉計を用い、帯域を拡大した光パルスより得られる長波長成分の第n高調波および短波長成分の第n−1高調波の周波数差(オフセット周波数)の光信号を検出する。次いで、検出した光信号に対応する電気信号と、外部のマイクロ波基準周波数とを比較し、この比較の状態をフィードバックしてCW光源の中心波長を制御し、安定化する(特許文献1参照)。 In order to solve the problems described above, the following techniques have been proposed. First, the laser light generated from the CW light source is phase-modulated at the first frequency to generate an optical pulse whose pulse repetition frequency is the first frequency, and the optical spectrum band of the optical pulse is expanded. Next, a self-reference interferometer is used to detect an optical signal having a frequency difference (offset frequency) between the nth harmonic of the long wavelength component and the n-1th harmonic of the short wavelength component obtained from the optical pulse whose band has been expanded. To do. Next, an electrical signal corresponding to the detected optical signal is compared with an external microwave reference frequency, and the comparison wavelength is fed back to control and stabilize the center wavelength of the CW light source (see Patent Document 1). .
安定化された高繰り返し光パルス列は、増幅前に設置した、光カップラーで分岐して、出力する。このような構成により、オフセット周波数が安定した光周波数コムを得ることができる。 The stabilized high repetition optical pulse train is branched by an optical coupler installed before amplification and output. With such a configuration, an optical frequency comb having a stable offset frequency can be obtained.
しかしながら、特許文献1の技術では、位相変調のための位相変調器を駆動するマイクロ波信号発生器が、低い時間ジッターでなければならないという制約がある。マイクロ波信号発生器の時間ジッターが大きくなると、光スペクトルを拡大し、自己参照干渉計を用いてオフセット周波数を検出する際に位相雑音が大きくなるため、信号検出が困難になる。
However, the technique of
特許文献2では、上記課題を解決している。特許文献2では、参照光源である、受動モード同期レーザーをベースとした光周波数コムとマイクロ波基準信号をもとに、従来技術と比較して1桁以上高い繰り返し周波数でかつ各モード線幅が狭い光周波数コムを実現可能としている。更に、特許文献2では、マイクロ波信号発生器の位相雑音が、従来の水晶発振器の位相雑音以下に低減できるため、超低位相雑音なマイクロ波発生器を実現できるとともに、位相変調レーザーの光周波数コムモードの位相雑音を低減している。 Patent Document 2 solves the above problem. In Patent Document 2, based on an optical frequency comb based on a passive mode-locked laser, which is a reference light source, and a microwave reference signal, each mode line width has a repetition frequency that is one digit higher than that of the prior art. A narrow optical frequency comb can be realized. Further, in Patent Document 2, since the phase noise of the microwave signal generator can be reduced below the phase noise of the conventional crystal oscillator, an ultra-low phase noise microwave generator can be realized, and the optical frequency of the phase modulation laser can be realized. Com mode phase noise is reduced.
しかしながら、特許文献2の技術では、CWレーザー光源とは別の波長帯の、受動モード同期レーザーなどの安定な光周波数コム参照光源を別途必要とするという問題があった。 However, the technique of Patent Document 2 has a problem that a stable optical frequency comb reference light source such as a passive mode-locked laser having a wavelength band different from that of the CW laser light source is required separately.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、安定な光周波数コム参照光源を別途必要とせずに、位相雑音が抑制されたマイクロ波やミリ波などの信号が、周波数が可変な状態で生成できるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and does not require a separate stable optical frequency comb reference light source, and signals such as microwaves and millimeter waves with suppressed phase noise can be obtained. An object is to enable generation with a variable frequency.
本発明に係る信号発生器は、連続光を生成するレーザーから構成された光源と、所定の周波数の第1信号を出力する第1信号発生部と、所定の周波数の第2信号を出力する第2信号発生部と、光源より出力された連続光を第1信号で位相変調する位相変調器と、位相変調器により位相変調された連続光より第1周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する光パルス生成部と、光パルス生成部により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大する非線形光学媒質と、非線形光学媒質により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第n高調波(nは2以上の整数)および短波長成分の第n−1高調波を干渉させて第n高調波と第n−1高調波との周波数差の光信号を生成する自己参照干渉計と、自己参照干渉計から生成された光信号を光電変換して電気信号を出力する光検出器と、光検出器で光電変換されて出力された電気信号と第2信号とを比較し、この比較の状態をもとに第1信号の位相雑音が抑圧されるように第1信号発生部を制御する帰還制御部とを備える。 A signal generator according to the present invention includes a light source configured by a laser that generates continuous light, a first signal generator that outputs a first signal having a predetermined frequency, and a second signal that outputs a second signal having a predetermined frequency. A two-signal generator, a phase modulator for phase-modulating the continuous light output from the light source with the first signal, and an optical pulse having a pulse repetition frequency of the first frequency from the continuous light phase-modulated by the phase modulator An optical pulse generator that generates the optical signal, a nonlinear optical medium that expands an optical spectrum band of the optical pulse generated by the optical pulse generator, and a long wavelength component obtained from an optical pulse whose optical spectrum band is expanded by the nonlinear optical medium. Self-reference interference that generates an optical signal having a frequency difference between the nth harmonic and the n-1th harmonic by interfering with the nth harmonic (n is an integer of 2 or more) and the n-1th harmonic of the short wavelength component. Total and self A comparison is made between the photodetector that photoelectrically converts the optical signal generated from the illumination interferometer and outputs an electrical signal, the electrical signal that is photoelectrically converted by the photodetector and the second signal, and the state of this comparison And a feedback control unit that controls the first signal generation unit so that the phase noise of the first signal is suppressed.
上記信号発生器において、光パルス生成部から生成された光パルスのパルス幅を圧縮する分散補償部を更に備えるようにしてもよい。 The signal generator may further include a dispersion compensator that compresses the pulse width of the optical pulse generated from the optical pulse generator.
本発明に係る信号発生方法は、光源から連続光を生成する第1ステップと、第1信号発生部が出力する所定の周波数の第1信号を用いて位相変調器で連続光を位相変調する第2ステップと、位相変調された連続光より、光パルス生成部で第1周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する第3ステップと、光パルス生成部が生成した光パルスの光スペクトル帯域を非線形光学媒質で拡大する第4ステップと、自己参照干渉計により、非線形光学媒質により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第n高調波(nは2以上の整数)および短波長成分の第n−1高調波を干渉させて第n高調波と第n−1高調波との周波数差の光信号を生成する第5ステップと、自己参照干渉計から生成された光信号を、光検出器で光電変換して電気信号を出力する第6ステップと、帰還制御部で、光検出器で光電変換されて出力された電気信号と、第2信号発生部が出力する所定の周波数の第2信号とを比較し、この比較の状態をもとに第1信号の位相雑音が抑圧されるように帰還制御する第7ステップとを備える。 The signal generation method according to the present invention includes a first step of generating continuous light from a light source, and a phase modulator that performs phase modulation of the continuous light using a first signal of a predetermined frequency output from the first signal generator. 2 steps, a third step of generating an optical pulse having a pulse repetition frequency of the first frequency by the optical pulse generator from the phase-modulated continuous light, and an optical spectrum band of the optical pulse generated by the optical pulse generator A fourth step of expanding with a nonlinear optical medium, and an nth harmonic of a long wavelength component (n is an integer of 2 or more) obtained from an optical pulse whose optical spectrum band is expanded with a nonlinear optical medium by a self-reference interferometer; A fifth step of generating an optical signal having a frequency difference between the nth harmonic and the n-1th harmonic by interfering with the n-1th harmonic of the short wavelength component; and an optical signal generated from the self-reference interferometer The light A sixth step of outputting an electric signal by photoelectric conversion by the output unit; an electric signal output by photoelectric conversion by the photodetector by the feedback control unit; and a predetermined frequency output by the second signal generation unit. A seventh step of comparing the two signals and performing feedback control so that the phase noise of the first signal is suppressed based on the comparison state.
上記信号発生方法において、光パルス生成部から生成された光パルスのパルス幅を分散補償部で圧縮する第8ステップを更に備えるようにしてもよい。 The signal generation method may further include an eighth step of compressing the pulse width of the optical pulse generated from the optical pulse generator by the dispersion compensator.
以上説明したことにより、本発明によれば、安定な光周波数コム参照光源を別途必要とせずに、位相雑音が抑制されたマイクロ波やミリ波などの信号が、周波数が可変な状態で生成できるという優れた効果が得られる。 As described above, according to the present invention, a signal such as a microwave or a millimeter wave in which phase noise is suppressed can be generated with a variable frequency without separately requiring a stable optical frequency comb reference light source. An excellent effect is obtained.
以下、本発明の実施の形態における信号発生器ついて図1を参照して説明する。この信号発生器は、光源101、第1信号発生部102、第2信号発生部103、位相変調器104、分散付与部(光パルス生成部)105、非線形光学媒質106、自己参照干渉計107、光検出器108、帰還制御部109を備える。
Hereinafter, a signal generator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The signal generator includes a
光源101は、連続光を生成するレーザーから構成されている。例えば、光源101は、ULE(Ultra Low Expansion)共振器を用いた狭線幅CWレーザー、あるいは狭線幅光周波数コムや光格子時計に周波数安定化されたCWレーザーである。光源101より連続光を生成する(第1ステップ)。第1信号発生部102は、所定の周波数の第1信号(fm)を出力する。第1信号発生部102は、例えば、水晶発振器ベースのマイクロ波信号発生器である。第2信号発生部103は、所定の周波数の第2信号を出力する。
The
位相変調器104は、光源101より出力された連続光を第1信号で位相変調する(第2ステップ)。分散付与部105は、位相変調器104により位相変調された連続光より第1周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する(第3ステップ)。非線形光学媒質106は、分散付与部105により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大する(第4ステップ)。
The
光源101からの連続光は、位相変調器104において、第1信号発生部102から送信(出力)される周波数fmの信号(第1信号)により位相変調されてスペクトル帯域が拡張される。なお、実施の形態では、位相変調器104の前段もしくは後段に、強度変調器111を縦列配置する。強度変調器111により、位相変調器104によってダウンもしくはアップチャーピングした片方を選択して光透過させ、位相変調器104で発生したDCベース部分を取り除く。これにより、分散付与部105で各パルスのパルス幅を圧縮した際のDC成分の抑圧に寄与することができる。また、位相変調器104と強度変調器111で変調する時間調整のために、位相シフタ110を用いる。
Continuous light from the
なお、実施の形態では、位相変調器104の後段に強度変調器111を縦列して配置させているが、位相変調器104の前段に強度変調器111を縦列配置してもよい。この場合、光源101からの連続光を、強度変調器111で強度変調してから位相変調器104で位相変調する構成となる。
In the embodiment, the
自己参照干渉計107は、非線形光学媒質106により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第n高調波(nは2以上の整数)および短波長成分の第n−1高調波を干渉させて第n高調波と第n−1高調波との周波数差の光信号を生成する(第5ステップ)。
The self-
自己参照干渉計107では、長波長側の成分(長波長側のいずれかのコム)より第2高調波が生成され、これと短波長側の成分(短波長側のいずれかのコム)の基本波(第1高調波)とが干渉させられる。これは、上記広スペクトル帯域光の帯域幅が1オクターブ以上の場合である。また、短波長側の基本波と生成した長波長側の基本波とによる差周波発生法により、オフセット光周波数の光信号を発生させるようにしてもよい。一方、得られる広スペクトル帯域光の帯域幅が1オクターブ未満の場合、長波長側の第3高調波と短波長側の第2高調波とを干渉させるようにしてもよい。
The self-referencing
光検出器108は、自己参照干渉計107から生成された光信号を光電変換して電気信号を出力する(第6ステップ)。帰還制御部109は、光検出器108で光電変換されて出力された電気信号と第2信号とを比較し、この比較の状態をもとに第1信号の位相雑音が抑圧されるように第1信号発生部102を制御する(第7ステップ)。
The
実施の形態では、分散付与部105が、強度変調器111より出力された連続光に波長分散を与えて所定の繰り返し周波数の光パルス列に変換する。分散付与部105で適切な分散を与えることで、繰り返し周波数の短光パルス列を発生することができる。また、分散付与部105が波長フィルタを備えていれば、変換した光パルス列に残留するウィング成分を抑圧でき、クリーンパルス発生を可能にする。
In the embodiment, the
また、実施の形態では、光増幅器112により、分散付与部105により光パルス列に変換された光(光パルス列)の光強度を増幅する。例えば、光増幅器112では、光増幅器112内の進行型自己位相変調効果などの非線形効果を用いて段階的に光増幅する手法を用い、光分裂を起こさずにスペクトル帯域幅を拡大する。また、実施の形態では、光増幅器112の次段の分散補償部113で、パルス幅を圧縮して所望とするパルス幅への短パルス発生を行う(第8ステップ)。分散補償部113は、例えば、非線形光学媒質から構成すればよい。
In the embodiment, the
なお、光源101、位相変調器104、強度変調器111、分散付与部105からなるパルス光源部分は、ファブリペロー共振器内に電気光学変調器を設置することで深い周波数変調をCW光にかけ、FM側帯波を発生させる方法であってもよい。これらの位相変調器を用いてパルス列を発生させる方法では、共振器長の制約を受けないために、数十GHzの繰り返しパルス列の発生が実現可能となる。
In addition, the pulse light source portion including the
以上のようにして発生させた光パルス列は、非線形光学媒質106に入力し、広スペクトル帯域光(SC光)として出力される。非線形光学媒質106において、非線形感受率の大きい材料を使用すれば、高効率に所望の広スペクトル帯域光を発生でき、光周波数コム安定化に必要となる光源101からの供給エネルギーの最低閾値を低く抑制することが可能である。この点について、図2を用いて説明する。
The optical pulse train generated as described above is input to the nonlinear
図2は、上述したことにより得られたSC光と、別途に用意した波長可変レーザーを用い、SC光の各モードの位相雑音累積値の測定結果である。図2において、横軸にはモード次数、縦軸には位相雑音累積値をとってプロットした。図2が示すように、SC光各モードの位相雑音累積値はモード次数に対して二乗で増加することがわかった。また同時に、増加分が、光変調器駆動用のマイクロ波発生器の位相雑音であることが実験から検証できた。 FIG. 2 shows the measurement result of the accumulated phase noise value of each mode of the SC light using the SC light obtained as described above and a wavelength variable laser prepared separately. In FIG. 2, the horizontal axis represents the mode order, and the vertical axis represents the accumulated phase noise value. As shown in FIG. 2, it was found that the accumulated phase noise value of each mode of the SC light increases with the square of the mode order. At the same time, it was verified from experiments that the increment was the phase noise of the microwave generator for driving the optical modulator.
従って、SC光のモード次数k(k=0,±1,±2,±3,・・・)の光周波数コムは、「E0(t)=E0exp[−i{2π(f0+k×fm)t+ψ0(t)+k×ψ1(t)}]・・・(1)」と、表せる。ここで、E0は光電場振幅、ψ0(t)は、光源101がもつ位相雑音である。ψ1(t)は、第1信号発生部102がもつ位相雑音である。
Therefore, the optical frequency comb of the mode order k (k = 0, ± 1, ± 2, ± 3,...) Of SC light is expressed as “E 0 (t) = E 0 exp [−i {2π (f 0 + K × f m ) t + ψ 0 (t) + k × ψ 1 (t)}] (1) ”. Here, E 0 is the photoelectric field amplitude, and ψ 0 (t) is the phase noise of the
以上のようにして非線形光学媒質106により広スペクトル帯域とされたSC光は、自己参照干渉計107に入力する。このことにより、干渉光が生成され、この干渉光が光検出器108で検出(光電変換)されて電気信号(オフセット周波数)が出力される。
The SC light having a wide spectral band by the nonlinear
SC光の帯域幅により、自己参照干渉計107の種類を選択できる。例えば、SC光帯域幅が1オクターブ以上あれば、基本波の高周波成分と基本波の低周波成分の第2高調波の干渉信号からオフセット周波数を検出する、f−2f自己参照干渉計を用いればよい。また、SC光の帯域幅が2/3オクターブ帯域であれば、基本波の高周波成分の第2高調波と基本波の低周波成分の第3高調波の干渉信号からオフセット周波数を検出する、2f−3f自己参照干渉計を用いればよい。
The type of self-referencing
次に、光検出器108で出力されるオフセット周波数の電気信号は、周波数フィルタ114で所定の周波数がフィルタ(遮断)されて帰還制御部109に入力する。以下、帰還制御について、詳細に説明する。以下では、自己参照干渉計107が、f−2f自己参照干渉計の場合を例に説明する。
Next, the electrical signal of the offset frequency output from the
基本波の高周波成分の光周波数コムの光電場E1は、光周波数コムモード次数kとすると「E1(t)=E1exp[−i{2π(f0+k×fm)t+ψ0(t)+k×ψ1(t)}]・・・(2)」と、記述できる。ここで、E1は、光電場振幅である。また、ψ0(t)は、光源101がもつ位相雑音である。また、ψ1(t)は、位相変調器104を駆動するための第1信号発生部102がもつ位相雑音である。
The optical field E 1 of the optical frequency comb of the high frequency component of the fundamental wave is expressed as “E 1 (t) = E 1 exp [−i {2π (f 0 + k × f m ) t + ψ 0 ( t) + k × ψ 1 (t)}] (2) ”. Here, E 1 is the photoelectric field amplitude. Also, ψ 0 (t) is phase noise of the
一方、基本波の低周波成分の光周波数コムから発生する第二高調波の光電場E2は、光周波数コムモード次数mとすると「E2(t)=E2exp[−i{4π(f0+m×fm)t+2ψ0(t)+2m×ψ1(t)}]・・・(3)」と、記述できる。ここで、E2は、光電場振幅である。また、ψ0(t)は、光源101がもつ位相雑音である。また、ψ1(t)は、第1信号発生部102がもつ位相雑音である。
On the other hand, the second harmonic photoelectric field E 2 generated from the optical frequency comb of the low frequency component of the fundamental wave is expressed as “E 2 (t) = E 2 exp [−i {4π ( f 0 + m × f m ) t + 2ψ 0 (t) + 2m × ψ 1 (t)}] (3) ”. Here, E 2 is the photoelectric field amplitude. Also, ψ 0 (t) is phase noise of the
基本波の高周波成分の光周波数コムの光電場E1と、基本波の低周波成分の光周波数コムから発生する第二高調波の光電場E2の干渉信号は、光検出器108で検出する。この干渉信号Iobsは、「Iobs=|E1(t)|2+|E2(t)|2+2E1E2cos{2π[f0+(k−2m)×fm]t+[ψ0(t)+(k−2m)×ψ1(t)]}・・・(4)」と記述できる。ここで、Vobs=2E1E2、Δf=f0+(k−2m)×fm、Δψ=ψ0(t)+(k−2m)×ψ1(t)とする。
The optical signal E 1 of the optical frequency comb of the high frequency component of the fundamental wave and the interference signal of the second harmonic photoelectric field E 2 generated from the optical frequency comb of the low frequency component of the fundamental wave are detected by the
光検出器108から出力された干渉信号は、周波数フィルタ114を通過する。周波数フィルタ114により、式(3)の干渉項「Vobscos{2πΔft+Δψ}・・・(5)」が検出される(取り出される)。
The interference signal output from the
ここで、帰還制御部109では、干渉信号との比較のために、干渉信号より十分に位相雑音が小さい参照信号源として第2信号発生部103を用いる。第2信号発生部103の位相を90度シフトさせると、「Vrefsin{2πfnt+ψ2(t)}・・・(6)」となる。式(5)と式(6)を比較参照すると、「Vobscos{2πΔft+Δψ}×Vrefsin{2πfnt+ψ2(t)}=(Vobs×Vref/2){sin(2πΔft+Δψ+ψ2(t))+sin(Δψ−ψ2(t))}・・・(7)」となる。
Here, the
ここで、帰還制御部109が備えているローパスフィルタを用いることで、式(7)の高周波項sin(4πΔft+Δψ+ψ2(t))を遮断し、式(7)の低周波項sin(Δψ−ψ2(t))を検出する。検出される電圧V(t)は、「V(t)=V0sin{Δψ−ψ2(t)}・・・(8)」と記述できる。ここで、V0=Vobs×Vref/2とする。
Here, by using a low-pass filter included in the
帰還制御部109は、式(8)の位相差Δψ−ψ2(t)がゼロになるように、第1信号発生部102の電圧を制御する。第1信号発生部102がもつ位相雑音ψ1(t)は、{ψ2(t)−ψ0(t)}/(k−2m)に収束し、モード次数k−2mに反比例して位相雑音を低減できる。
The
このように、実施の形態によれば、位相変調器104で位相変調されて分散付与部105で生成される光パルスの高確度安定化と、第1信号発生部102から出力される第1信号の位相雑音を非常に小さくすることとが同時に実現できる。
Thus, according to the embodiment, high-accuracy stabilization of the optical pulse that is phase-modulated by the
以上に説明したように、本発明では、光源から得られる連続光より、第1信号発生部からの第1信号をもとにした位相変調および強度変調手段を用いて光パルス列を発生させ、この光パルス列と非線形光学媒質を用いて広帯域光を発生させ、この広帯域光より自己参照干渉計で長波長成分と短波長成分とを干渉させてこれらの間の周波数差の光信号を生成させて干渉信号を得、この干渉信号をもとに、帰還制御部で第1信号発生部をフィードバック制御した。この結果、本発明によれば、安定な光周波数コム参照光源を別途必要とせずに、位相雑音が抑制されたマイクロ波やミリ波などの信号が、周波数が可変な状態で生成できる。 As described above, in the present invention, the optical pulse train is generated from the continuous light obtained from the light source by using the phase modulation and intensity modulation means based on the first signal from the first signal generation unit. Broadband light is generated using an optical pulse train and a non-linear optical medium, and a long-wavelength component and a short-wavelength component are caused to interfere from the broadband light by a self-reference interferometer to generate an optical signal having a frequency difference between them. A signal was obtained, and the first signal generator was feedback controlled by the feedback controller based on the interference signal. As a result, according to the present invention, a signal such as a microwave or a millimeter wave in which phase noise is suppressed can be generated with a variable frequency without separately requiring a stable optical frequency comb reference light source.
本発明によれば、自己参照計における高調波の次数に反比例する抑圧比で第1信号発生部がもつ位相雑音を抑圧でき、周波数間隔で安定な光周波数コム光源が実現可能である。本発明では、特許文献1のような別の参照光源が不要であり、従来技術よりも1桁以上繰り返し周波数が高く周波数間隔が広い光周波数コムを実現できる。本発明は、従来以上に光コム各モードを利用した通信分野や分光学分野の発展に寄与するものであり、本発明が従来技術よりも優れていることが分かる。また、本発明によれば、RF信号発生器における位相雑音を、水晶発振器で実現できる低位相雑音強度の限界値を更新することから、全く新しいRF信号発生器を提供できる。本発明によれば、マイクロ波技術を利用している多分野の発展に大きく寄与できると考える。
According to the present invention, the phase noise of the first signal generation unit can be suppressed with a suppression ratio that is inversely proportional to the harmonic order in the self-reference meter, and an optical frequency comb light source that is stable at frequency intervals can be realized. In the present invention, another reference light source as in
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。 The present invention is not limited to the embodiment described above, and many modifications and combinations can be implemented by those having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.
101…光源、102…第1信号発生部、103…第2信号発生部、104…位相変調器、105…分散付与部(光パルス生成部)、106…非線形光学媒質、107…自己参照干渉計、108…光検出器、109…帰還制御部、110…位相シフタ、111…強度変調器、112…光増幅器、113…分散補償部、114…周波数フィルタ。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
所定の周波数の第1信号を出力する第1信号発生部と、
所定の周波数の第2信号を出力する第2信号発生部と、
前記光源より出力された連続光を前記第1信号で位相変調する位相変調器と、
前記位相変調器により位相変調された前記連続光より第1周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する光パルス生成部と、
前記光パルス生成部により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大する非線形光学媒質と、
前記非線形光学媒質により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第n高調波(nは2以上の整数)および短波長成分の第n−1高調波を干渉させて前記第n高調波と前記第n−1高調波との周波数差の光信号を生成する自己参照干渉計と、
前記自己参照干渉計から生成された光信号を光電変換して電気信号を出力する光検出器と、
前記光検出器で光電変換されて出力された電気信号と前記第2信号とを比較し、この比較の状態をもとに前記第1信号の位相雑音が抑圧されるように前記第1信号発生部を制御する帰還制御部と
を備えることを特徴とする信号発生器。 A light source composed of a laser that produces continuous light;
A first signal generator for outputting a first signal having a predetermined frequency;
A second signal generator for outputting a second signal of a predetermined frequency;
A phase modulator for phase-modulating continuous light output from the light source with the first signal;
An optical pulse generator that generates an optical pulse having a pulse repetition frequency of a first frequency from the continuous light phase-modulated by the phase modulator;
A non-linear optical medium that expands the optical spectrum band of the optical pulse generated by the optical pulse generator;
The nth harmonic of a long wavelength component (n is an integer of 2 or more) and the n−1th harmonic of a short wavelength component obtained from an optical pulse whose optical spectrum band is expanded by the nonlinear optical medium are caused to interfere with each other. a self-referencing interferometer that generates an optical signal having a frequency difference between an n harmonic and the n-1 th harmonic;
A photodetector that photoelectrically converts an optical signal generated from the self-reference interferometer and outputs an electrical signal;
The electrical signal photoelectrically converted by the photodetector is compared with the second signal, and the first signal is generated so that the phase noise of the first signal is suppressed based on the comparison state. And a feedback control unit for controlling the unit.
前記光パルス生成部から生成された前記光パルスのパルス幅を圧縮する分散補償部を更に備えることを特徴とする信号発生器。 The signal generator of claim 1.
The signal generator further comprising a dispersion compensation unit that compresses a pulse width of the optical pulse generated from the optical pulse generation unit.
第1信号発生部が出力する所定の周波数の第1信号を用いて位相変調器で前記連続光を位相変調する第2ステップと、
位相変調された前記連続光より、光パルス生成部で第1周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する第3ステップと、
前記光パルス生成部が生成した光パルスの光スペクトル帯域を非線形光学媒質で拡大する第4ステップと、
自己参照干渉計により、前記非線形光学媒質により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第n高調波(nは2以上の整数)および短波長成分の第n−1高調波を干渉させて前記第n高調波と前記第n−1高調波との周波数差の光信号を生成する第5ステップと、
前記自己参照干渉計から生成された光信号を、光検出器で光電変換して電気信号を出力する第6ステップと、
帰還制御部で、前記光検出器で光電変換されて出力された電気信号と、第2信号発生部が出力する所定の周波数の第2信号とを比較し、この比較の状態をもとに前記第1信号の位相雑音が抑圧されるように帰還制御する第7ステップと
を備えることを特徴とする信号発生方法。 A first step of generating continuous light from a light source;
A second step of phase-modulating the continuous light with a phase modulator using a first signal of a predetermined frequency output from the first signal generator;
A third step of generating an optical pulse having a pulse repetition frequency of the first frequency in the optical pulse generator from the phase-modulated continuous light;
A fourth step of expanding the optical spectrum band of the optical pulse generated by the optical pulse generator with a nonlinear optical medium;
The self-reference interferometer uses the nonlinear optical medium to expand the optical spectrum band of the optical pulse to obtain the nth harmonic of the long wavelength component (n is an integer of 2 or more) and the n−1th harmonic of the short wavelength component. And generating an optical signal having a frequency difference between the nth harmonic and the n-1th harmonic,
A sixth step of photoelectrically converting an optical signal generated from the self-referencing interferometer with a photodetector and outputting an electrical signal;
In the feedback control unit, the electrical signal photoelectrically converted by the photodetector and output is compared with the second signal having a predetermined frequency output from the second signal generating unit, and based on the comparison state, And a seventh step of performing feedback control so that the phase noise of the first signal is suppressed.
前記光パルス生成部から生成された前記光パルスのパルス幅を分散補償部で圧縮する第8ステップを更に備えることを特徴とする信号発生方法。 The signal generation method according to claim 3.
8. The signal generation method according to claim 8, further comprising an eighth step of compressing a pulse width of the optical pulse generated from the optical pulse generator by a dispersion compensator.
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