JPS63500973A - 周波数安定化方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 周波数参照方法および装置 〔背景技術〕 特に先広帯域通信網では、伝送信号の波長または周波数を細かく制御する必要が 増大している。実際に、通信網で伝送されるチャネル数が増えると、信号の周波 数を制御することが重要となる。

〔発明の開示〕

本発明の第一の発明は、複数の放射源からの放射の周波数を参照する方法であり 、上記放射を周波数空間上の離れた位置に繰り返し通過帯域を有するフィルタ素 子に導き、このフィルタ素子を透過した放射を監視し、上記放射源を制御して上 記フィルタ素子を透過する放射を実質的に一定に保ち、かつ上記放射の帯域幅を 上記フィルタ素子の対応する通過帯域の幅より小さく保つことを特徴とする。

本発明の第二の発明は周波数参照装置であり、異なる周波数の放射を発生する放 射源と、周波数空間上の離れた位置に繰り返し通過帯域を有するフィルタ素子と 、このフィルタ素子を透過した放射を検出し、それに対応する出力信号を発生す る検出手段と、上記検出手段の出力信号に応答して上記放射源を制御し、上記フ ィルタ素子を透過する放射を実質的に一定に維持し、かつ上記放射の帯域幅を上 記フィルタ素子の対応する通過帯域の幅より小さく保つ制御手段とを備える。

本発明は、放射源の放射周波数を他の放射源の放射周波数に対してロックする非 常に単純な方法を提供する。したがって本発明は、放射が光放射である場合に、 上述した先広帯域通信網で利用するに特に適する。

本発明はまた、ラジオ周波数、マイクロ波等の光周波数以外の放射でも実施でき る。

監視工程は透過した放射の強度を監視する工程を含む。その場合に、放射の帯域 幅をフィルタ素子の対応する通過帯域の中心周波数からずらして設定することが 望ましく、対応する通過帯域の端近くに位置することが特に便利である。この利 点は、放射周波数とフィルタ素子の通過帯域との相対的な位置の変化が、変化の 方向に依存してフィルタ素子を通過する放射の強度の増加または減少に対応する ことである。

強度を監視するかわりに、透過した放射の位相を監視してもよい。

その場合には、放射の帯域幅を対応する通過帯域の実質的に中央に配置しておく 。放射周波数および通過帯域の相対的な位置が変化すると、透過するビームの位 相変化が生じる。このときの位相変化のタイプは、放射周波数と通過帯域との間 の移動方向により異なる。

この場合の利点は、ビームが通過帯域の中心にあることから減衰がなく、強度で はなく位相を監視するので、直流ドリフトが生じても特性に影響しないことであ る。

場合によって、温度変化等によりフィルタ素子の通過帯域が温度変化等により連 動してシフトすることがある。したがって、ひとつの放射源は、参照ビームを発 生する参照源を含み、本方法がさらに、参照ビームに対応する透過した放射を監 視し、フィルタ素子を調整して参照ビームの透過特性を実質的に一定に保つこと が望ましい。

例えば、装置が、参照源からの放射に対応する検出手段からの出力信号に対応し てフィルタ素子を調整する調整手段を含んでもよい。

調整手段は、圧電素子、ステッピング・モータ等のフィルタ素子を物理的に移動 させる手段またはフィルタ素子に応力を加える手段や、ベルチェ冷却子等のフィ ルタ素子またはその支持具の温度を調節する手段を含むこともできる。

フィルタ素子の通過帯域は、周波数空間の間隔に実質的に等しいことが望ましい 。

放射が光放射である場合には、フィルタ素子は、光学的な導波路ループまたはリ ング共振器により提供され、ループの基本周波数および高次の共振周波数を有す る放射を通過させることもできるが、最も簡単には、ファブリベロー・エタロン により提供される。エタロンは、通常は光周波数において、広い周波数範囲にわ たって規則的な周波数周期で通過帯域が存在する伝達特性を有する０通過帯域の 幅およびその間隔はエタロンの機械的な寸法、材料および被膜により決定される 。エタロンは、例えばシリカガラスまたは空気で区切られた素子を使用して作ら れる。集積化された光学素子またはファイバを基本とした素子を用いて同様の効 果が得られる。通過帯域の間隔は例えば数１０ＭＨｚないし数ｎ１１１の範囲で ある。

−例として、各々の放射源からの放射をフィルタ素子の異なる部分に入射する。

これにより、異なる放射ビームを容易に区別することができるが、それに対応し て複数の検出器を使用する必要がある。

したがって、複数の放射源からの放射を同じ径路に沿って導き、フィルタ素子と 、このフィルタ素子を透過した放射を受光するために設けられた共通の検出手段 と、各々の放射源からの放射にそれぞれ識別子を付加し、フィルタ素子を通過し た放射から各々の識別子およびその識別子に対応する放射を検出する構成の制御 手段とに供給することが望ましい。

識別子は周波数変調または時間符号変調を含む。

典型的には放射源はレーザを含む。

場合によっては、互いの周波数を参照する放射源群を複数組設け、その放射源群 を物理的に大きく離れた場所に配置する必要がある。

これらの放射源群の周波数は、それぞれフィルタ素子と共に設けられた参照源の それぞれの組に出力を供給する参照源を設けることにより参照される。しかし、 これは、各々のフィルタ素子を完全に整合させる必要があり、光通信網では、ど のような不整合でも交換または伝送特性に悪影響を与える。

通信網は、本発明の第二の発明の周波数参照装置を含み、各々の放射源は、参照 源と、この参照源からの周波数参照放射を多重化する多重化手段と、多重化され た放射を複数の副次的信号に分岐してそれぞれ遠隔の放射源に供給する分岐手段 とを含み、副次的放射源からの放射の周波数を上記分岐手段から供給される一以 上の参照周波数に比較するために副次的放射源の組毎に設けられた副次的制御手 段を備えることが望ましい。

本発明の方法および装置の実施例を模式的ブロック構成図として示した添付図面 を参照して説明する。

〔図面の簡単な説明〕

第１図は本発明第一実施例を示す図。

第２図は第１図に示したフィルタ要素の透過特性を示す図。

第３図は第１図に示した実施例の修正を示す図。

第４図は第二実施例を示す図。

第５図は第三実施例を示す図。

第６図および第７図は第四実施例を示す図。

〔発明を実施するだめの最良の形態〕

第１図は二つのレーザ１，２を示す。これらのレーザ１．２は、それぞれレーザ 駆動回路３．４により駆動され、中心周波数が異なる帯域で光出力信号を発生す る。これらの光信号は、光ファイバ等の光導波路５．６に沿って、それぞれファ イバ・スプリッタ７．８に導かれる。各スプリッタ７．８に供給される信号の一 部は、それぞれ収光レンズ９．１ｏに分岐される。レンズ９．１ｏがらの光は、 フェプリベロー・エタロンｌｌ上の離れた場所に収光される。エタロン１１を通 過した光放射は、それぞれ収光レンズ１２．１３に入射し、光ファイバ１４．１ ５に沿ってそれぞれホトダイオード１６．１７に導かれる。

ホトダイオード１６．１７は、光ファイバ１４．１５を通過した光の強度に対応 して電気的出力を発生し、この電気的出力を比較器１８．１９に供給する。

第２図はエタロン１１の透過特性を示す。この透過特性は、エタロン１１が・周 波数空間Ｑごおいて実質的に等間隔に離れた複数の通過帯域２０を有することを 示す。通過帯域２０の間隔は数１０ＭＨｚないし数ｎｌ１１である。

レーザ１．２の一方が出力した信号の周波数が通過帯域２ｏのひとつの周波数帯 に含まれているときには、その信号はエタロン１１を透過する。透過する信号の 強度は信号周波数と通過帯域との関係に依存する。これは、現実的に、光信号の 周波数を正確に通過帯域２ｏの中心に同調させることができない場合に便利であ り、透過した信号の強度の変化を、通過帯域の相対的な移動方向および光信号周 波数に容易に関連付けることができる。

他の構成（図示せず）として、レーザ出力を周波数変調するが、またはエタロン の周波数間隔を変化させ、ホトダイオード１６．１７に位相検波器を接続するこ ともできる。どちらの場合でも、光信号の周波数を対応する通過帯域の中央に同 調させることができ、どちらの場合でも、放射と光フィルタとの干渉が受光信号 の強度変化を引き起こす。検出された副搬送波の強度はレーザ周波数とエタロン 通過帯域との瞬時の差異を示し、位相は相対的移動方向を示す。

次にレーザ１の制御について詳細に説明するが、レーザ２を制御する場合にも同 様のステップを実行する。最初に、レーザ１の出力する光信号について所望の出 力周波数を設定する。この出力周波数は、使用時に信号が光検出器１７に入射す るように、エタロン１１の通過帯域のひとつに含まれなければならない。レーザ １の光信号の周波数が所望の値のとき、比較器１９の参照久方を設定して、レー ザ駆動回路３がレーザ１を制御して所望の周波数の光出力を出力させるようにす る。例えば温度変化によりレーザ１からの信号の周波数に変化があると、導波路 １５を通過する信号の強度が所望の値と異なってしまう。到来した光信号の強度 に対応する電気信号がホトダイオード１７により生成され、比較器１９に供給さ れる。比較器１９は、ホトダイオード１７と参照信号との差異を検出するので、 レーザ駆動回路３に適当な電気信号を供給してレーザｌの発生する光信号の周波 数を調整する。このようにして、レーザ１からの出力信号が実質的に一定の周波 数に維持される。

レーザ２についても同様に制御するが、その周波数については、エタロン１１の 他の通過帯域に対応させて同調する。エタロン１１の通過帯域の周波数間隔は実 質的に固定されており、温度または他の影響が変化しても、レーザ１．２からの 出力信号を相対的に固定された状態に保つことができる。

通常のエタロンでは、通過帯域の正確な間隔が温度により変化することがある。

第１図において温度変化によりエタロンの周波数がシフトすると、制御ループに より、レーザ１．２の双方がそのシフトに追随し、それらの相対的な周波数を保 存する。しかし、応用によっては、エタロンの安定性の限度を越える絶対的な安 定性が必要な場合がある。そのような場合には、光軸に対してエタロン１１の角 度を制御する制御ループにより安定性を改善できる。これを第３図に示す。この 方法でエタロン１１を傾斜させると、素子光路長がわずかに変化し、これにより 共振周波数の変化が生じる。したがって、エタロンの通過帯域をその本来の位置 すなわち周波数に戻すことができる。

この修正例において、エタロン１１自身は、ＨｅＮｅレーザ２１または原子標準 にロックされたレーザのようなより安定を参照光によりロックされる。第１図の 実施例で説明したように、レーザ２１からの光出力信号はエタロン１１に４かれ 、透過した信号がホトダイオード２２により受光される。ホトダイオード２２の 出力は比較器２３に供給され、この比較器２３の出力は位置制御部２４に供給さ れる。位置制御部としては、圧電素子またはステッピングモータを用いる。

エタロン１１を安定させる特に優れた方法として、エタロンの複数の反射鏡の間 にＬｉＮｂ０．の結晶を配置する方法がある。ＬｉＮｂＯｘを横切る電界を制御 することにより光路長を変化させることができる。この方法では、エタロン１１ を機械的に移動させる必要性がない。

第１図に示した実施例およびその修正例では、レーザからの各々の光信号をエタ ロン１１の異なる部分に供給する必要がある。このため、各々のレーザに対して 別個のホトダイオードを設ける必要がある。エタロンの構成を単純化し、必要な ホトダイオードの個数を削減する実施例を第４図に示す。この例では複数のレー ザが設けられ（図には二個だけ示す）、その出力信号をファイバ・スプリッタに 供給して出力信号の一部を光連結器２５に導く。光連結器２５の出力はひとつの 収光レンズ２６に供給され、エタロン１１を透過してひとつのレンズ２７に入射 し、レンズ２７から共通のホトダイオード２８に供給される。ホトダイオード２ ８の電気的出力は、レーザ毎にひとつの出力を有する電気的デマルチプレクサ２ ９に供給される。

各々のレーザからの光信号を区別するため、各々のレーザに変調器３０が接続さ れ、これらの変調器３０が、レーザからの出力信号に独特の識別変調を施す。変 調方法としては、例えば周波数または時間を利用することができる。周波数を利 用する場合には、独特の周波数符号を各々のレーザに割り当て、時間を利用する 場合には、独特のタイムスロットまたは時間符号を割り当てる。電気的デマルチ プレクサ２９は識別変調を検知し、各々の識別変調に対応する放射の強度に関連 する電気信号を出力する。

第５図は、第１図に示した実施例および第３図に示した修正例を基本とした参照 レーザにレーザをロックするための装置を示す。Ｈｅ−Ｎｅレーザ等の参照レー ザ３１が参照信号を出力し、この信号がエタロン３２に供給される。参照される レーザ３３からの出力信号は、その一部をエタロン３７に供給するように分岐さ れる。エタロン３７を透過した光信号は分岐され、透過した参照信号はホトダイ オード３４およびホトダイオード３５に供給され、この一方でレーザ３３からの 透過信号はホトダイオード３６およびホトダイオード３５に供給される。ホトダ イオード３４の出力信号は、バッファ３５および制御インクフェイス３８を経由 して、第３図に示したと同様の位置制御部３９に供給される。

ホトダイオード３６の出力は、バッファ４ｏを経由し、その出力が分岐され、一 部が計数器４１に供給され、他の部分が三点切替器４２に供給される。ホトダイ オード４５の出力はフィルタ４３、比較器４４および電気的検波器４５に供給さ れ、電気的検波器４５の出力は切替器４２に接続される６レーザ３３はレーザ駆 動回路４６により駆動される。

この装置の動作は以下のとおりである。

１、　エタロン３２の位置が固定され、そのひとつの通過帯域がレーザ３１から の参照周波数に一致する。これは、ホトダイオード３４および位置制御部３９を 含む制御ループを用いて実現される。

２、切替器４２を位置＋ａｌに接続すると、比較器４４の一方の入力端子に供給 される制御信号Ａを調節することによりレーザ３３の周波数が調整され、これに より、レーザ３３が参照信号との間でビートを発生してＢにおいて電気的中間周 波数信号を発生させる。

これにより半導体レーザ３３の周波数が判明する。

３、　この後に切替器４２を位置（１））に移動させ、レーザ駆動回路４６に適 当なオフセットを加えることにより、半導体レーザの周波数を所望の波長に調節 する。レーザ周波数がエタロン３２の通過帯域を通過する毎に、Ｃに高レベルの 信号が現れる。この信号の現れた回数を計数器４１で記録し、これにより、レー ザ３１の周波数およびエタロン３２における通過帯域の間隔がわかれば、レーザ ３３の周波数がわかる。

４、所望の周波数が得られたら、切替器４２を位置（Ｃ１に設定し、上述したよ うに、レーザ制御ループにより周波数を所望のエタロン通過帯域に安定させる。

上述した実施例では、参照レーザが、ロックする半導体レーザと並べて示されて いる。本発明は、参照レーザをロックされるレーザから離れた位置に配置しても 同様に実施できる。複数組のレーザを参照レーザから離れた異なる位置に配置す ることもでき、その場合には、各々の組に参照レーザからの供給手段を設け、各 々の組にファブリベロー・エタロンを設ける。このような状況では、エタロンが 完全に整合していなければ、その位置により小さな周波数差が現れる。光通信網 では、これは交換または伝送特性に悪い影響をもたらす。第６図および第７図は この問題を解決する構成を示す。

第６図において破線で囲まれた部分は第７図に示した例に対応し、ロック装置の 主要部を参照番号４７で示す。複数のレーザのうちの二つをその識別変調器とと もに参照番号１．２で示し、これらのレーザからのロックされた信号が光連結・ スプリッタ４８に供給され、これにより光信号が連結されて光周波数多重され、 多数の遠隔地に送信される。各々の遠隔地には光スプリンタ４９が設けられ、こ の光スプリンタ４９は、その地におけるレーザ群の各々のレーザにそれぞれひと つの出力を供給する。

レーザ群の各々のレーザは、第７図に示した形態の光学電子周波数制御ループ内 に接続されている。多重化された参照信号は、スプリッタ４９から光ファイバ５ ０に沿って、ホトダイオードｓｉ、’を気的中間周波数プロセッサ５２および電 気的検波器５３に供給される。検波器５３の出力はバッファ５４に供給され、バ ッファ５４の出力はレーザ駆動回路５５に供給され、レーザ駆動回路５５はレー ザ５６を制御する。レーザ５６の出力信号は参照番号５７の部分で分岐され、そ の一部がホトダイオード５１に供給される。

最初に、このループを上述した径路で到来した多重化信号に含まれるどれかひと つの参照信号にロックする。電気的なビート周波数がホトダイオード５１の出力 に得られ、これを検波する。検波された信号には参照周波数に対応する識別変調 を含み、これを用いてレーザ５６をロックし、この識別出力を符号チェック回路 ５８に供給する。

これにより制御部５９の接続を決定し、局部レーザ５６を帰還するが否かおよび どのように帰還させるかを設定する。適当な修正信号をバッファ５４の制御信号 に付加し、レーザ５６から所望のチャネルに戻す。

これにより、直接ループ径路を経由して制御を連続させる。

国際調査報告 １ｍｌ、、ｊｌ１６Ｐｊｌ　ａｅｏ、１．＋ｗ、Ｎ−、ＰＣＴ／ＧＢ　８６１０ ０５５３Ａ３＋’ＮＥＸＴｏ、、：ＥＺコ；：三ス二乙−二：：０ン：ユ；ＬＳ Ｅｉキ、只０；ミλ三ｐＱス：ＣＮ

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. １．複数の放射源からの放射の周波数を参照する方法において、上記放射を周波 数空間上の離れた位置に繰り返し通過帯域を有するフィルタ素子に導き、 このフィルタ素子を透過した放射を監視し、上記放射源を制御して上記フィルタ 素子を透過する放射を実質的に一定に保ち、かつ上記放射の帯域幅を上記フィル タ素子の対応する通過帯域の幅より小さく保つ ことを特徴とする周波数参照方法。
2. ２．放射の帯域幅をフィルタ素子の対応する通過帯域の中心周波数からずらして 設定し、 透過した放射の強度を監視する 請求の範囲第１項に記載の方法。
3. ３．放射周波数を変調するかまたはフィルタ素子の通過帯域の周波数間隔を変化 させ、 検波された副搬送波の振幅および位相を監視する請求の範囲第１項に記載の方法 。
4. ４．ひとつの放射源は参照ビームを発生する参照源を含み、この方法はさらに、 参照ビームに対応する透過した放射を監視し、フィルタ素子を調整して参照ビー ムの透過特性を実質的に一定に保つ方法を含む 請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の方法。
5. ５．各々の放射源からの放射にそれぞれ識別子を付加し、各々の放射源からの放 射を共通の径路に沿ってフィルタ素子に導き、 このフィルタ素子を透過した放射から各々の識別子を検出し、識別子に対応する 放射を検出する 請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の方法。
6. ６．識別子は周波数変調または時間符号変調を含む請求の範囲第５項に記載の方 法。
7. ７．放射は光放射である請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の方法 。
8. ８．添付図面に示した実施例を参照して実質的に説明した複数の放射源からの放 射の周波数を参照する方法。
9. ９．異なる周波数の放射を発生する放射源と、周波数空間上の離れた位置に繰り 返し通過帯域を有するフィルタ素子と、 このフィルタ素子を透過した放射を検出し、それに対応する出力信号を発生する 検出手段と、 上記検出手段の出力信号に応答して上記放射源を制御し、上記フィルタ素子を透 過する放射を実質的に一定に維持し、かつ上記放射の帯域幅を上記フィルタ素子 の対応する通過帯域の幅より小さく保つ制御手段と を備えた周波数参照装置。
10. １０．ひとつの放射源は参照ビームを発生する参照源を含み、この装置はさらに 、参照源からの放射に対応する検出手段の出力信号に応答してフィルタ素子を調 整する手段を含む請求の範囲第９項に記載の装置。
11. １１．フィルタ素子の通過帯域は、周波数空間上で実質的に同じ間隔で配置され ている請求の範囲第９項または第１０項に記載の装置。
12. １２．フィルタ素子はファプリペロー・エタロンまたはリング共振器を含む請求 の範囲第９項または第１１項に記載の装置。
13. １３．複数の放射源からの放射は、同一の径路に沿って、フィルタ素子、フィル タ素子を透過した放射が入射する位置に設けられた共通の検出手段、および各々 の放射源からの放射に識別子を付加し、フィルタ素子を通過した放射から各々の 識別子およびその識別子に対応する放射を検出する構成の制御手段に導かれる構 成である請求の範囲第９項ないし第１２項のいずれかに記載の装置。
14. １４．放射源はレーザを含む請求の範囲第９項ないし第１３項のいずれかに記載 の装置。
15. １５．添付図面に示した実施例のいずれかを参照して実質的に説明した周波数参 照装置。
16. １６．請求の範囲第９項ないし第１５項のいずれかに記載の周波数参照装置を含 む通信網において、 各々の放射源は、 参照源と、 この参照源からの周波数参照放射を多重化する多重化手段と、多重化された放射 を複数の副次的信号に分岐してそれぞれ遠隔の放射源に供給する分岐手段と を含み、 副次的放射源からの放射の周波数を上記分岐手段から供給される−以上の参照周 波数に比較するために副次的放射源の組毎に設けられた副次的制御手段を備えた ことを特徴とする通信網。