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JP3339030B2 - Optical frequency reference generator - Google Patents

Optical frequency reference generator

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JP3339030B2
JP3339030B2 JP06997795A JP6997795A JP3339030B2 JP 3339030 B2 JP3339030 B2 JP 3339030B2 JP 06997795 A JP06997795 A JP 06997795A JP 6997795 A JP6997795 A JP 6997795A JP 3339030 B2 JP3339030 B2 JP 3339030B2
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Japan
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optical
frequency
light
ring circuit
resonator
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薫 清水
常雄 堀口
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc
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Nippon Telegraph and Telephone Corp
NTT Inc
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は周波数基準として用いる
ことのできる光の発生に利用する。特に、広い周波数帯
域にわたり安定性および確度の高い周波数参照基準光を
発生する装置に関する。本発明は、特に、レーザ分光装
置、光計測装置、あるいは光周波数多重通信装置におけ
る光周波数の安定化に利用することができる。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention applies to the generation of light which can be used as a frequency reference. In particular, the present invention relates to an apparatus for generating a stable and accurate frequency reference light over a wide frequency band. The present invention can be used particularly for stabilizing an optical frequency in a laser spectrometer, an optical measurement device, or an optical frequency multiplex communication device.

【0002】[0002]

【従来の技術】通常、レーザ光源より出力される光の発
振周波数は、温度等の外部環境の微妙な揺らぎやレーザ
自体に内在する不安定性のために変動している。このよ
うな周波数の変動ないし周波数設定における不定性は、
レーザ光を用いて高精度な分光測定を行う場合や、光の
周波数や位相に情報をのせて通信するコヒーレント光通
信等を行う場合に、系の性能を著しく制限してしまう。
2. Description of the Related Art Generally, the oscillation frequency of light output from a laser light source fluctuates due to subtle fluctuations in the external environment such as temperature and instability inherent in the laser itself. Such frequency fluctuations or uncertainties in the frequency setting are as follows:
When performing high-precision spectroscopic measurement using laser light, or performing coherent optical communication in which information is transmitted with the frequency or phase of light, etc., the performance of the system is significantly limited.

【0003】そこで従来から、光周波数を安定化し絶対
周波数を固定するため、原子あるいは分子の吸収スペク
トルを参照する方法が利用されている。この方法によれ
ば、目的とする光周波数において適当な吸収スペクトル
が存在する場合に、比較的容易に周波数の安定化が可能
になる。
In order to stabilize the optical frequency and fix the absolute frequency, a method of referring to the absorption spectrum of an atom or a molecule has conventionally been used. According to this method, when an appropriate absorption spectrum exists at a target optical frequency, the frequency can be stabilized relatively easily.

【0004】しかしながら、目的とする光周波数におい
て適当な吸収スペクトルが存在しない場合には、目的と
する光周波数とそれに比較的近い吸収線の周波数との間
の相対周波数を安定化するための技術がさらに必要とな
る。
However, when an appropriate absorption spectrum does not exist at a target optical frequency, a technique for stabilizing a relative frequency between the target optical frequency and a frequency of an absorption line relatively close to the target optical frequency has been developed. More is needed.

【0005】このような技術は光周波数シンセサイズと
呼ばれており、一般に、吸収スペクトルを用いて絶対周
波数を安定化したマスタ光源、目的とする周波数の光を
発振するスレーブ光源、およびマスタ光源とスレーブ光
源との間の相対周波数を安定化するための相対周波数参
照基準を発生する装置により構成される。このような技
術については、大津元一著「コヒーレント光量子光学」
朝倉書店に詳しい。
[0005] Such a technique is called an optical frequency synthesizer, and generally includes a master light source that stabilizes an absolute frequency by using an absorption spectrum, a slave light source that oscillates light of a desired frequency, and a master light source. It comprises a device for generating a relative frequency reference for stabilizing the relative frequency with the slave light source. For such a technology, see "Coherent Optical Quantum Optics" by Motoichi Otsu
I am familiar with Asakura Shoten.

【0006】相対周波数参照基準を発生する方法として
は、これまで、マイクロ波周波数電気信号、ファブリー
ペロー干渉計の共振ピーク、あるいはマスタ光源の出力
光の外部変調側帯波成分を用いることがそれぞれ提案さ
れている。マイクロ波周波数電気信号を用いる方法は、
位相ロッキングループと組合せることにより極めて高精
度な相対周波数安定化が可能であるが、その相対周波数
設定範囲がマスタ光とスレーブ光とのビート周波数を検
出する受信器の帯域で制限され、高々20GHz程度で
ある。ファブリーペロー干渉計の共振ピークを用いる方
法は、サブTHz以上の相対周波数設定範囲が実現でき
るが、共振ピークの絶対周波数を高精度で設定すること
が難しい。外部変調側帯波成分を用いる方法は、直接に
光波の形で参照基準を得ることができるが、相対周波数
の設定範囲は外部変調器の変調可変帯域によって高々2
0GHz程度に制限される。これらの技術的な制約は、
さらに多段のレーザを用いてチェーンを構成したり、非
線形光学効果を用いた広帯域周波数変換の利用により克
服可能であるが、構成がさらに複雑化する欠点があっ
た。
As a method of generating a relative frequency reference, it has been proposed to use a microwave frequency electric signal, a resonance peak of a Fabry-Perot interferometer, or an externally modulated sideband component of output light of a master light source. ing. The method using a microwave frequency electric signal is as follows.
Very high-precision relative frequency stabilization is possible by combining with a phase locking loop, but the relative frequency setting range is limited by the band of the receiver that detects the beat frequency of the master light and the slave light, and is at most 20 GHz. It is about. The method using the resonance peak of the Fabry-Perot interferometer can realize a relative frequency setting range of sub THz or more, but it is difficult to set the absolute frequency of the resonance peak with high accuracy. In the method using the external modulation sideband component, the reference standard can be directly obtained in the form of a light wave, but the setting range of the relative frequency is at most 2 depending on the modulation variable band of the external modulator.
It is limited to about 0 GHz. These technical constraints are:
Although it can be overcome by using a multi-stage laser to construct a chain or by using a wideband frequency conversion using a nonlinear optical effect, there is a drawback that the configuration is further complicated.

【0007】以上述べたように、簡単な構成をもち、相
対周波数設定帯域が広く、かつ周波数安定度が高い光周
波数シンセサイズ技術は、最近まで適当なものがなかっ
た。最近になって、上述の課題を比較的簡単に解決する
ことができる技術として、K.Shimizu et al., Applied
Optics., Vol.32, No.33, pp.6718-6726, 1993および同
Vol.33, No.15, pp.3209-3219, 1994 ならびに特開平5
−232540号公報に、光波周波数変換リング回路を
用いることが提案された。これにより、マスタ光源とス
レーブ光源との相対周波数を0〜120GHzの範囲に
わたって1MHz以内の周波数揺らぎに抑えることが可
能になった。
As described above, there has been no suitable optical frequency synthesizing technique having a simple configuration, a wide relative frequency setting band, and high frequency stability until recently. Recently, K. Shimizu et al., Applied
Optics., Vol. 32, No. 33, pp. 6718-6726, 1993 and
Vol.33, No.15, pp.3209-3219, 1994
No. 232540 proposes to use a lightwave frequency conversion ring circuit. This makes it possible to suppress the relative frequency between the master light source and the slave light source to a frequency fluctuation within 1 MHz over the range of 0 to 120 GHz.

【0008】図7は光波周波数変換リング回路を用いた
従来例の光周波数基準発生装置を示す示すブロック構成
図である。この従来例では、周波数基準光源1からの絶
対周波数安定化光(一次周波数参照基準)を光パルス変
調器2によりパルス化し、光方向性結合器3を介して光
リング回路に入力する。光リング回路には光増幅器4、
光狭帯域フィルタ12、光遅延素子6、光周波数シフタ
7および光スイッチ8を備え、光増幅器4はこの光リン
グ回路を周回伝搬する光波を増幅し、光狭帯域フィルタ
12は光増幅器4内で発生した自然放出雑音光を除去
し、光遅延素子6はこの光リング回路を伝搬する光波に
遅延を与え、光周波数シフタ7は光波に一定の周波数シ
フトを与え、光スイッチ8はオン、オフ制御を行う。こ
こでは光周波数シフタ7と光スイッチ8とを別個の素子
として示したが、これらはひとつの音響光学素子により
実現できる。
FIG. 7 is a block diagram showing a conventional optical frequency reference generator using an optical frequency conversion ring circuit. In this conventional example, an absolute frequency stabilized light (primary frequency reference) from a frequency reference light source 1 is pulsed by an optical pulse modulator 2 and input to an optical ring circuit via an optical directional coupler 3. The optical ring circuit has an optical amplifier 4,
The optical amplifier 4 amplifies an optical wave propagating around the optical ring circuit. The optical narrow-band filter 12 includes an optical narrow-band filter 12, an optical delay element 6, an optical frequency shifter 7, and an optical switch 8. The generated spontaneous emission noise light is removed, the optical delay element 6 delays the light wave propagating through this optical ring circuit, the optical frequency shifter 7 gives a constant frequency shift to the light wave, and the optical switch 8 is turned on and off. I do. Here, the optical frequency shifter 7 and the optical switch 8 are shown as separate elements, but these can be realized by one acousto-optical element.

【0009】この構成において、パルス幅を光リング回
路の一周時間よりも短く設定し、かつ光増幅器4の増幅
利得を光リング回路の損失を補償しうるように調整する
と、光リング回路の中を周回伝搬するパルス光の周波数
は、段階状に、時間に対して正確に掃引されていく。そ
の結果、多重周回の後には大きな周波数シフトが得られ
る。このようにして生成した多重周回パルス光の周波数
を二次周波数参照基準として利用することで、スレーブ
光源の絶対周波数を安定化することができる。実際にス
レーブ光源の絶対周波数を安定化した例が、清水他、電
子情報通信学会研究会報告「レーザー量子エレクトロニ
クス」1995年2月に報告されている。
In this configuration, if the pulse width is set to be shorter than the round-trip time of the optical ring circuit and the amplification gain of the optical amplifier 4 is adjusted so as to compensate for the loss of the optical ring circuit, the inside of the optical ring circuit will be reduced. The frequency of the pulse light propagating in the orbit is swept accurately with respect to time in a stepwise manner. As a result, a large frequency shift is obtained after multiple rounds. The absolute frequency of the slave light source can be stabilized by using the frequency of the multi-turn pulse light generated in this way as a secondary frequency reference. An example in which the absolute frequency of the slave light source is actually stabilized is reported in Shimizu et al., IEICE Technical Report, "Laser Quantum Electronics", February 1995.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】このように、光波周波
数変換リング回路を用いることにより、相対周波数設定
範囲を200GHz程度まで拡大することが可能であ
る。しかし、音響光学素子を周波数シフタとして利用し
ているため、一回あたりの周波数シフト量は100〜2
00MHzに限られている。このため、数100GHz
以上の大きな周波数シフトを得るためには、1000回
程度の周回回数が必要である。しかし、この周回回数は
光リング回路中に挿入された光フィルタの透過帯域幅と
光増幅器中で発生する自然放出雑音光の蓄積によって制
限され、200GHz以上の周波数シフトを実現するこ
とは実際には困難であった。
As described above, by using the lightwave frequency conversion ring circuit, the relative frequency setting range can be expanded to about 200 GHz. However, since the acousto-optic element is used as a frequency shifter, the frequency shift amount per operation is 100 to 2 times.
Limited to 00 MHz. For this reason, several hundred GHz
In order to obtain such a large frequency shift, the number of rounds of about 1000 is required. However, this number of rounds is limited by the transmission bandwidth of the optical filter inserted into the optical ring circuit and the accumulation of spontaneous emission noise light generated in the optical amplifier, and it is actually impossible to realize a frequency shift of 200 GHz or more. It was difficult.

【0011】さらに、大きな相対周波数を得るためには
周回回数を多くとる必要があり、特定の周波数シフトを
有する参照パルス光を出力することのできる時間間隔が
長くなる。この場合、スレーブ光源の周波数制御を行う
間隔もそれに応じて長くなるため、スレーブ光の絶対周
波数安定度を高くすることができなくなる。
Furthermore, in order to obtain a large relative frequency, it is necessary to increase the number of rounds, and the time interval during which a reference pulse light having a specific frequency shift can be output becomes long. In this case, the interval at which the frequency control of the slave light source is performed becomes longer accordingly, so that the absolute frequency stability of the slave light cannot be increased.

【0012】本発明は、以上の課題を解決し、広い相対
周波数範囲にわたって周波数安定性と設定確度に優れた
周波数参照基準光を生成する光周波数基準発生装置を提
供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to solve the above problems and to provide an optical frequency reference generator that generates frequency reference light having excellent frequency stability and setting accuracy over a wide relative frequency range.

【0013】本発明の光周波数基準発生装置は、発振周
波数が安定化された周波数基準光源と、この周波数基準
光源から出力された連続光をパルス光に変調する光パル
ス変調器と、光波を周回させる光リング回路と、この光
リング回路に光パルス変調器の出力したパルス光を結合
するとともにこの光リング回路から出力光を取り出す光
結合手段とを備え、光リング回路には、伝搬光を増幅し
てその光リング回路の損失を補償する光増幅器と、伝搬
光に遅延を与えてその周回時間を調整する光遅延素子
と、伝搬光にあらかじめ定められた周波数シフトを与え
る光周波数シフタと、伝搬光を断続する光スイッチとが
挿入され、光パルス変調器と光スイッチとを同期制御す
る同期制御手段を備えた光周波数基準発生装置におい
て、光リング回路にはさらに、伝搬光の位相または強度
を変調する光変調器と、伝搬光の変調成分をスペクトラ
ム整形する光共振器とが挿入され、この光共振器の一つ
の共振ピークの周波数が前記周波数基準光源の出力光の
光周波数と一致するように調整され、前記光共振器の共
振ピークの半値幅が前記光周波数シフタの周波数シフト
量と同程度もしくはそれ以下になるように設定され、光
変調器の変調周波数と光周波数シフタの周波数シフト量
との和が光共振器の共振ピーク間隔と実質的に等しく設
定されたことを特徴とする。
An optical frequency reference generator according to the present invention comprises a frequency reference light source having a stabilized oscillation frequency, an optical pulse modulator for modulating continuous light output from the frequency reference light source into pulse light, and a light wave circulating light source. An optical ring circuit for coupling the pulsed light output from the optical pulse modulator to the optical ring circuit, and an optical coupling means for extracting the output light from the optical ring circuit. An optical amplifier for compensating for the loss of the optical ring circuit, an optical delay element for giving a delay to the propagation light to adjust its circulating time, an optical frequency shifter for giving a predetermined frequency shift to the propagation light, An optical switch for intermittent light is inserted, and an optical frequency reference generator having synchronization control means for synchronously controlling the optical pulse modulator and the optical switch is provided. Further, an optical modulator for modulating the phase or intensity of the propagating light and an optical resonator for spectrum-shaping the modulation component of the propagating light are inserted, and the frequency of one resonance peak of the optical resonator is set to the frequency reference light source. Is adjusted so as to match the optical frequency of the output light, and the half width of the resonance peak of the optical resonator is set to be equal to or less than the frequency shift amount of the optical frequency shifter. The sum of the modulation frequency and the frequency shift amount of the optical frequency shifter is set substantially equal to the resonance peak interval of the optical resonator.

【0014】光周波数シフタと光スイッチとをひとつの
音響光学素子により構成することができる。
The optical frequency shifter and the optical switch can be constituted by one acousto-optical element.

【0015】本発明の光周波数基準発生装置にはさら
に、光共振器のひとつの共振ピークの周波数を周波数基
準光源からの光周波数に安定化する制御手段を備えるこ
とができる。この制御手段は、周波数基準光源から出力
された連続光を分岐して光共振器に入射する手段と、光
共振器から出力される連続光を監視する手段と、この監
視する手段の監視出力に基づいて光共振器の共振周波数
を制御する手段とを含むことがよい。特に、入射する手
段は光リング回路を周回する光波とは逆方向に連続光を
光リング回路に結合する手段を含み、監視する手段は光
リング回路から連続光を分岐する手段を含み、光リング
回路から連続光を除去する光アイソレータを備えること
がよい。
[0015] The optical frequency reference generator of the present invention may further comprise control means for stabilizing the frequency of one resonance peak of the optical resonator to the optical frequency from the frequency reference light source. The control means includes means for splitting continuous light output from the frequency reference light source and entering the optical resonator, means for monitoring continuous light output from the optical resonator, and monitoring output of the monitoring means. Means for controlling the resonance frequency of the optical resonator based on the information. In particular, the means for impinging includes means for coupling continuous light to the optical ring circuit in a direction opposite to the lightwave circulating around the optical ring circuit, the means for monitoring includes means for splitting continuous light from the optical ring circuit, An optical isolator for removing continuous light from the circuit may be provided.

【0016】[0016]

【作用】マスタ光源として用いられる周波数基準光源か
らの絶対周波数安定化連続光を光パルス変調器によって
パルス化した後、光結合手段により光リング回路にその
パルス光を入力する。光リング回路内には光増幅器、光
変調器、光遅延素子、光周波数シフタ、光スイッチおよ
び光共振器が挿入され、光増幅器の増幅利得Gを調節し
て光リング回路の損失を補償し、かつ光パルス幅と光リ
ング回路の一周回時間とを等しくなるように設定する
と、入力された光パルスの多重周回が可能となる。さら
に、光増幅器中で発生した自然放出雑音光成分は、光共
振器の共振ピーク周波数付近を除いて周回に伴いほとん
ど除去される。また、同期制御手段により光パルス変調
器と光リング回路中の光スイッチとを同期制御すること
により、入力されたパルス光の多重周回を周期的に繰り
返させることができる。
After the absolute frequency stabilized continuous light from the frequency reference light source used as the master light source is pulsed by the optical pulse modulator, the pulse light is input to the optical ring circuit by the optical coupling means. An optical amplifier, an optical modulator, an optical delay element, an optical frequency shifter, an optical switch, and an optical resonator are inserted into the optical ring circuit, and the amplification gain G of the optical amplifier is adjusted to compensate for the loss of the optical ring circuit. If the optical pulse width is set to be equal to the rounding time of the optical ring circuit, the input optical pulse can be multiplexed. Further, the spontaneous emission noise light component generated in the optical amplifier is almost removed along with the circuit excluding the vicinity of the resonance peak frequency of the optical resonator. Further, the synchronous control means synchronously controls the optical pulse modulator and the optical switch in the optical ring circuit, so that the multiplexed round of the input pulse light can be periodically repeated.

【0017】ここで、光リング回路内に光変調器と光共
振器とを挿入し、変調周波数と光周波数シフタにおける
周波数シフト量との和が光共振器の共振ピーク間隔に等
しくなるように設定することで、一周回あたりの周波数
シフト量を拡大することができる。
Here, an optical modulator and an optical resonator are inserted in the optical ring circuit, and the sum of the modulation frequency and the frequency shift amount in the optical frequency shifter is set to be equal to the resonance peak interval of the optical resonator. By doing so, the amount of frequency shift per circuit can be increased.

【0018】また、広帯域周波数変換に要する周回回数
が非常に少なくなるため、多重周回に伴う自然放出雑音
光の蓄積の影響を受けることなく従来よりも広い範囲に
わたる周波数変換が可能となる。
Further, since the number of rounds required for wideband frequency conversion is very small, frequency conversion over a wider range than before can be performed without being affected by accumulation of spontaneous emission noise light due to multiple rounds.

【0019】このようにして生成した周波数変換パルス
光を二次周波数参照基準として用いることにより、広い
周波数範囲にわたってスレーブ光源の周波数を安定化す
ることが可能となる。また、このときの周波数参照パル
ス光が供給される時間間隔も従来技術に比較して非常に
短縮でき、精度の高い周波数安定化が可能となる。
By using the frequency-converted pulse light generated as described above as a secondary frequency reference, it is possible to stabilize the frequency of the slave light source over a wide frequency range. Further, the time interval at which the frequency reference pulse light is supplied at this time can be greatly shortened as compared with the related art, and the frequency can be stabilized with high accuracy.

【0020】[0020]

【実施例】図1は本発明第一実施例の光周波数基準発生
装置を示すブロック構成図である。この装置は、発振周
波数が安定化された周波数基準光源1と、この周波数基
準光源1から出力された連続光をパルス光に変調する光
パルス変調器2と、光波を周回させる光リング回路と、
この光リング回路に光パルス変調器2の出力したパルス
光を結合するとともにこの光リング回路から出力光を取
り出す方向性結合器3とを備え、光リング回路には、伝
搬光を増幅してその光リング回路の損失を補償する光増
幅器4と、伝搬光に遅延を与えてその周回時間を調整す
る光遅延素子6と、伝搬光にあらかじめ定められた周波
数シフトを与える光周波数シフタ7と、伝搬光を断続す
る光スイッチ8とが挿入され、光パルス変調器2と光ス
イッチ8とを同期制御する同期制御装置11を備える。
この実施例はさらに、光リング回路に伝搬光を変調する
光変調器5と伝搬光の変調成分をスペクトラム整形する
光共振器9とが挿入され、光変調器の変調周波数と光周
波数シフタの周波数シフト量との和が光共振器9の共振
ピーク間隔と実質的に等しく設定される。光変調器5に
は駆動信号源10が接続される。
1 is a block diagram showing an optical frequency reference generator according to a first embodiment of the present invention. This device includes a frequency reference light source 1 having an oscillation frequency stabilized, an optical pulse modulator 2 for modulating continuous light output from the frequency reference light source 1 into pulse light, and an optical ring circuit for circulating light waves.
The optical ring circuit includes a directional coupler 3 for coupling the pulsed light output from the optical pulse modulator 2 and extracting the output light from the optical ring circuit. An optical amplifier 4 for compensating for the loss of the optical ring circuit, an optical delay element 6 for giving a delay to the propagation light to adjust its circulating time, an optical frequency shifter 7 for giving a predetermined frequency shift to the propagation light, An optical switch 8 for interrupting light is inserted, and a synchronization control device 11 for synchronously controlling the optical pulse modulator 2 and the optical switch 8 is provided.
In this embodiment, an optical modulator 5 for modulating propagating light and an optical resonator 9 for spectrum shaping the modulating component of the propagating light are further inserted into the optical ring circuit, and the modulation frequency of the optical modulator and the frequency of the optical frequency shifter are inserted. The sum with the shift amount is set substantially equal to the resonance peak interval of the optical resonator 9. A drive signal source 10 is connected to the optical modulator 5.

【0021】周波数基準光源1は、例えばアセチレン分
子の波長1.5μm帯の吸収線を利用して絶対周波数が
安定化された光源であり、連続光を出力する。光パルス
変調器2は例えば音響光学パルス変調器により構成さ
れ、周波数基準光源1から出力された連続光をパルス光
に変調する。光方向性結合器3は四つのポート31〜3
4を備え、ポート31から入力されたパルス光をポート
33を介して光リング回路に結合し、光リング回路を周
回してポート34に入力された光の強度の半分をポート
33から再び光リング回路に導くとともに、他の半分を
ポート32から外部出力として出力する。
The frequency reference light source 1 is a light source whose absolute frequency is stabilized by using, for example, an absorption line of acetylene molecules in a wavelength band of 1.5 μm, and outputs continuous light. The optical pulse modulator 2 includes, for example, an acousto-optic pulse modulator, and modulates continuous light output from the frequency reference light source 1 into pulse light. The optical directional coupler 3 has four ports 31 to 3
4, the pulse light input from the port 31 is coupled to the optical ring circuit via the port 33, and the optical ring circuit circulates around the optical ring circuit and halves the intensity of the light input to the port 34 from the port 33 again. The other half is output from the port 32 as an external output while being guided to the circuit.

【0022】光リング回路内の光増幅器4は、例えばエ
ルビウムドープ光ファイバもしくは半導体レーザ増幅器
により構成され、光リング回路に入力された信号パルス
光を増幅する。光変調調器5は例えばTi拡散LiNb
3 導波路により構成され、光増幅器4の出力信号光に
高速の変調を与える。以下では光変調器5として位相変
調器を例に説明する。Ti拡散LiNbO3 導波路を用
いた位相変調器では、変調周波数20GHz程度までの
高速位相変調が可能である。光遅延素子6は例えば光フ
ァイバにより構成され、光変調器5からの変調されたパ
ルス光に遅延を与える。光周波数シフタ7は例えば音響
光学周波数シフタにより構成され、変調されたパルス光
に一定の周波数シフトを与える。音響光学周波数シフタ
の周波数シフト量は100〜200MHz程度であり、
その安定度は高い。光スイッチ8は変調されたパルス光
のオン・オフ制御を行う。この光スイッチ8を光周波数
シフタ7と別個の素子により構成することもできるが、
光周波数シフタ7として音響光学周波数シフタを用いる
場合にはその機能を兼用することができる。光共振器9
は例えばファブリーペロー共振器であり、一定の周波数
間隔fs で並んだ多数の共振ピークを有する。光増幅器
4内で発生した自然放出雑音光は、光共振器9を通過す
ることにより著しく低減される。この光共振器9の出力
光を光方向性結合器3のポート34に入力することで、
光リング回路が構成される。
The optical amplifier 4 in the optical ring circuit is composed of, for example, an erbium-doped optical fiber or a semiconductor laser amplifier, and amplifies the signal pulse light input to the optical ring circuit. The light modulation modulator 5 is, for example, Ti-diffused LiNb.
It is composed of an O 3 waveguide and gives high-speed modulation to the output signal light of the optical amplifier 4. Hereinafter, a phase modulator will be described as an example of the optical modulator 5. In a phase modulator using a Ti-diffused LiNbO 3 waveguide, high-speed phase modulation up to a modulation frequency of about 20 GHz is possible. The optical delay element 6 is composed of, for example, an optical fiber and gives a delay to the modulated pulse light from the optical modulator 5. The optical frequency shifter 7 is constituted by, for example, an acousto-optic frequency shifter, and gives a fixed frequency shift to the modulated pulse light. The frequency shift amount of the acousto-optic frequency shifter is about 100 to 200 MHz,
Its stability is high. The optical switch 8 performs on / off control of the modulated pulse light. Although the optical switch 8 can be constituted by an element separate from the optical frequency shifter 7,
When an acousto-optic frequency shifter is used as the optical frequency shifter 7, its function can be shared. Optical resonator 9
Is, for example, a Fabry-Perot resonator has a number of resonant peaks which are arranged at a constant frequency interval f s. Spontaneous emission noise light generated in the optical amplifier 4 is significantly reduced by passing through the optical resonator 9. By inputting the output light of the optical resonator 9 to the port 34 of the optical directional coupler 3,
An optical ring circuit is configured.

【0023】駆動信号源10は光変調器5を駆動するた
めの高安定信号源であり、一定周波数の電気信号を供給
する。
The driving signal source 10 is a highly stable signal source for driving the optical modulator 5, and supplies an electric signal of a constant frequency.

【0024】この構成において、光増幅器4の利得を光
リング回路中の損失を補償するように調整することによ
り、位相変調パルス信号光の多重周回が可能になる。ま
た、光リング回路の一周回時間が入力パルス信号光の幅
に等しくなるように設定することにより、光リング回路
からの多重周回パルス光列を擬似的な連続光とみなすこ
とが可能になる。さらに、同期制御装置11により光パ
ルス変調器2と光スイッチ2とを同期制御することによ
り、多重周回パルス光列を繰り返し生成すことが可能に
なる。
In this configuration, by adjusting the gain of the optical amplifier 4 so as to compensate for the loss in the optical ring circuit, it is possible to multiplex the phase modulated pulse signal light. In addition, by setting the one round trip time of the optical ring circuit to be equal to the width of the input pulse signal light, it becomes possible to regard the multiple round pulse light train from the optical ring circuit as pseudo continuous light. Further, by controlling the optical pulse modulator 2 and the optical switch 2 synchronously by the synchronous control device 11, it becomes possible to repeatedly generate a multi-circular pulse light train.

【0025】図2および図3はこの実施例の動作を説明
する図であり、光リング回路による位相変調、周波数シ
フトおよびスペクトル整形の複合効果を説明する図であ
る。
FIGS. 2 and 3 are diagrams for explaining the operation of this embodiment, and are diagrams for explaining the combined effects of phase modulation, frequency shift and spectrum shaping by the optical ring circuit.

【0026】ここで、周波数基準光源1の出力光の光周
波数をf0 、光変調器5の基本変調周波数をfm とし、
さらに、光周波数シフタ7として音響光学周波数シフタ
を用いることを想定し、光周波数シフト量を−fA0と表
す。また、光共振器9の共振ピークの周波数間隔をfs
とし、各共振ピークの半値透過帯域幅をfB とする。こ
こで、光共振器9の半値透過帯域幅B は、共振ピーク
間隔fs と比較して十分小さく、光周波数シフタ7にお
ける周波数シフト量の大きさfA0程度であるとする。具
体的には、fB 、fs A0 の値としてそれぞれ、10
MHz、10GHz、120MHzを想定する。これ
らの数値は光共振器の最適設計により十分実現可能な値
である。
[0026] Here, f 0 the optical frequency of the output light of the frequency reference source 1, the fundamental modulation frequency of the optical modulator 5 and f m,
Furthermore, assuming the use of acousto-optic frequency shifter as an optical frequency shifter 7 represents an optical frequency shift amount and -f A0. Further, the frequency interval of the resonance peak of the optical resonator 9 is f s
And then, the half-value transmission bandwidth of each resonance peak and f B. Here, the half-value transmission bandwidth f B of the optical resonator 9 is sufficiently smaller than the resonance peak interval f s, and is about the size f A0 of the frequency shift amount in the optical frequency shifter 7. Specifically, the values of f B , f s , and f A0 are respectively 10
Assume 0 MHz, 10 GHz, and 120 MHz. These values are values that can be sufficiently realized by the optimal design of the optical resonator.

【0027】以上の設定のもとで、図2(a)に示すよ
うに、光共振器9の共振ピーク(図2ではその位置を破
線により示す)のひとつ周波数をマスタ光源の周波数f
0 に一致するように調整する。さらに光変調器5の基本
変調周波数fm と光周波数シフタ7における周波数シフ
ト量−fA0との和fm −fA0が光共振器の共振ピーク周
波数間隔fs に等しくなるように、fm またはfs 、も
しくはその双方を調整する。
Under the above setting, as shown in FIG. 2A, one of the resonance peaks of the optical resonator 9 (the position of which is shown by a broken line in FIG. 2) is set to the frequency f of the master light source.
Adjust to match 0 . As further sum f m -f A0 of the frequency shift amount -f A0 at the fundamental modulation frequency f m and the optical frequency shifter 7 of the optical modulator 5 is equal to the resonance peak frequency interval f s of the optical resonator, f m Or adjust f s , or both.

【0028】[0028]

【数1】 光リング回路に入力された光周波数f0 をもつ信号パル
ス光のスペクトルは、光変調器5によって位相変調を受
けることにより、図2(b)に示すように、光周波数f
0 の搬送波成分と光周波数f0 +fm 、f0 −fm をも
つ1次変調側帯波成分、光周波数f0 +2fm 、f0
2fm をもつ2次変調側帯波成分、さらに高次の変調側
帯波成分をもつようになる。ここで各変調側波成分の振
幅はベッセル関数Jを用いて次のように表される。
(Equation 1) The spectrum of the signal pulse light having the optical frequency f 0 input to the optical ring circuit is subjected to phase modulation by the optical modulator 5, and as shown in FIG.
0 of carrier component and an optical frequency f 0 + f m, 1-order modulation sideband components with f 0 -f m, optical frequency f 0 + 2f m, f 0 -
Secondary modulation sideband component having a 2f m, so further with higher order modulation sidebands component. Here, the amplitude of each modulation side wave component is expressed as follows using the Bessel function J.

【0029】[0029]

【数2】 ここで、Aは入力パルス光の振幅、δは光変調器5の変
調深度である。Ji はそれぞれi次のベッセル関数であ
り、その形状を図4に示す。ここで、変調深度をδ=2
に調整することにより、図2(b)に示すように、搬送
波成分、1次変調側帯波成分、2次変調側帯波成分の振
幅比を1:2:1程度にすることが可能である。
(Equation 2) Here, A is the amplitude of the input pulse light, and δ is the modulation depth of the optical modulator 5. J i is an i-th order Bessel function, and its shape is shown in FIG. Here, the modulation depth is δ = 2
2B, it is possible to make the amplitude ratio of the carrier component, the primary modulation sideband component, and the secondary modulation sideband component approximately 1: 2: 1, as shown in FIG. 2B.

【0030】次に、光変調器5により高速位相変調を受
けた信号パルス光は、光周波数シフタ7を通過すること
により、図2(c)に示すように一定の周波数シフト−
A0を受ける。これにより+1次変調側帯域成分の光周
波数はf0 +(fm −fA0)=f0 +fs となり、ちょ
うど光共振器9の次の共振ピークの周波数に移る。一
方、0次成分(搬送波成分)および他の変調側帯波成分
の周波数は共振ピークの位置からずれることになる。
Next, the signal pulse light that has been subjected to the high-speed phase modulation by the optical modulator 5 passes through the optical frequency shifter 7, and has a constant frequency shift as shown in FIG.
Receive f A0 . Optical frequency of the + 1st order modulation side band component by which proceeds to the next frequency of the resonance peak of f 0 + (f m -f A0 ) = f 0 + f s , and the just the optical resonator 9. On the other hand, the frequencies of the zero-order component (carrier component) and other modulation sideband components deviate from the position of the resonance peak.

【0031】各変調側帯波成分の光周波数と光共振器9
の共振周波数との関係を図3(a)に示す。0次成分
(搬送波成分)および変調側帯波成分の光周波数の共振
周波数からのずれは、−1次成分、0次成分(搬送波成
分)、+1次成分、+2次成分に対してそれぞれ−2f
A0、−fA0、0、fA0であり、したがって、+1次成分
を除いては、光共振器9を通過するときに大きな透過損
失を被る。共振ピークの半値半幅が50MHz、光周波
数シフタ7による周波数シフトfA0=−120MHzで
あると想定すると、+1次成分に対する透過係数T+1
を1とした場合、−1次成分、0次成分、+2次成分の
振幅に対する透過係数はそれぞれT-1=1/8、T0
1/4、T+2=1/4程度となる。
The optical frequency of each modulation sideband component and the optical resonator 9
FIG. 3A shows the relationship with the resonance frequency. The deviation of the optical frequency of the 0th order component (carrier component) and the modulation sideband component from the resonance frequency is -2f for the -1st order component, 0th order component (carrier component), + 1st order component, and + 2nd order component, respectively.
A 0 , −f A0 , 0, f A0 , and therefore suffers a large transmission loss when passing through the optical resonator 9 except for the +1 order component. Assuming that the half width at half maximum of the resonance peak is 50 MHz and the frequency shift f A0 = −120 MHz by the optical frequency shifter 7, the transmission coefficient T + 1 for the +1 order component
Is 1, the transmission coefficients with respect to the amplitudes of the −1st-order component, the 0th-order component, and the + 2nd-order component are T −1 = 1/8 and T 0 =
1 /, T +2 = about 1 /.

【0032】したがって、図3(b)に示すように、−
1次成分、0次成分 、+1次成分、+2次成分に対す
る最終的な振幅比は1:1:8:1程度となり、入力パ
ルス光の全光強度の中に占める+1次成分の割合は95
%になる。したがって、光リング回路を一周することに
より、小さな側帯波成分の存在を別にすれば、入力パル
ス光の光周波数はfm −fA0だけシフトすると見なすこ
とが可能になる。
Therefore, as shown in FIG.
The final amplitude ratio with respect to the first-order component, the zero-order component, the + 1st-order component, and the + 2nd-order component is about 1: 1: 8: 1, and the ratio of the + 1st-order component to the total light intensity of the input pulse light is 95.
%become. Thus, by going around the optical ring circuit, if the presence of a small sideband components separately, the optical frequency of the input pulse light is enabled be regarded as shifted by f m -f A0.

【0033】以上述べたように、光共振器9の共振ピー
ク周波数間隔と、光変調器5による変調周波数と、光周
波数シフタ7における周波数シフト量とを数1の式にし
たがって調整することにより、+1次変調成分に対する
一周回あたりの周波数シフト量を数GHz〜10GHz
程度まで大きく設定することが可能となり、しかも他の
変調成分の強度を抑圧することが可能となる。
As described above, by adjusting the resonance peak frequency interval of the optical resonator 9, the modulation frequency of the optical modulator 5, and the amount of frequency shift in the optical frequency shifter 7 according to the equation 1, The frequency shift amount per round for the + 1st order modulation component is several GHz to 10 GHz.
It can be set as large as possible, and the intensity of other modulation components can be suppressed.

【0034】図3(b)に示した変調成分振幅比をもつ
信号パルスは、光方向性結合器3のポート34に入力さ
れ、一部は外部出力としてポート32から取り出され、
残りはポート33を介して再び光増幅器4に入力され
る。このようにして光増幅、位相変調、周波数シフト、
スペクトル整形、分岐を繰り返すことにより、信号パル
ス光の光周波数は、幾つかの小さな変調側帯波成分を伴
いながら、共振周波数ピークを次々と移動していく。例
えば、fm −fA0=10GHzと設定すると、100周
回で1THzの周波数シフトが可能である。
The signal pulse having the modulation component amplitude ratio shown in FIG. 3B is input to the port 34 of the optical directional coupler 3 and a part is taken out from the port 32 as an external output.
The rest is input to the optical amplifier 4 again via the port 33. In this way, optical amplification, phase modulation, frequency shift,
By repeating the spectrum shaping and branching, the optical frequency of the signal pulse light shifts the resonance frequency peak one after another with some small modulation sideband components. For example, if f m -f A0 = 10 GHz is set, a frequency shift of 1 THz is possible in 100 rounds.

【0035】ここで、多重周回に伴う位相変調パルス光
の各変調成分の振幅比の変化を解析し、+1次成分に対
して他の成分が抑圧されることを明らかにする。ここで
変調側帯波成分として、−1次成分、0次成分、1次成
分、2次成分までを考慮すると、信号パルス光の周回に
伴うスペクトルの変化は次の式で表される。
Here, the change in the amplitude ratio of each modulated component of the phase-modulated pulsed light accompanying the multiple rounds is analyzed to clarify that other components are suppressed with respect to the + 1st-order component. Here, considering the -1st-order component, the 0th-order component, the 1st-order component, and the 2nd-order component as the modulation sideband components, the spectrum change accompanying the circling of the signal pulse light is expressed by the following equation.

【0036】[0036]

【数3】 (Equation 3)

【0037】[0037]

【数4】 nは周回回数(図1において、光増幅器4を出た時点で
周回が開始されると定義する)、Eは光の振幅を表すベ
ルトルであり、j=1、2、3、4はそれぞれ、+2
次、+1次、0次、−1次の変調側帯波成分を示す指標
である。行列Tは位相変調5、周波数シフタ7および光
共振器9によるスペクトル整形の複合効果を表し、各変
調側帯波成分に対応するベッセル関数の値および光共振
器9の透過係数を組合せて得られる。透過係数は共振ピ
ーク周波数における透過係数を1として規格化し、各光
部品の挿入、光分岐による損失の効果は光リング回路の
損失Lで表されているものとする。また、Gは各周回に
おける光増幅器4の増幅利得であり、光リング回路の損
失を補償するように制御される。
(Equation 4) n is the number of rounds (in FIG. 1, it is defined that the round is started when the optical amplifier 4 exits), E is a belttle indicating the amplitude of light, and j = 1, 2, 3, and 4 are: +2
An index indicating the next, + 1st, 0th, and -1st modulation sideband components. The matrix T represents the combined effect of spectrum shaping by the phase modulation 5, the frequency shifter 7, and the optical resonator 9, and is obtained by combining the value of the Bessel function corresponding to each modulation sideband component and the transmission coefficient of the optical resonator 9. The transmission coefficient is normalized by assuming that the transmission coefficient at the resonance peak frequency is 1, and the effect of the loss due to the insertion and branching of each optical component is represented by the loss L of the optical ring circuit. G is the amplification gain of the optical amplifier 4 in each round, and is controlled so as to compensate for the loss of the optical ring circuit.

【0038】1回目の周回における入力パルス信号の振
幅ベクトルは、光共振器9の一つの共振ピーク位置に入
力光周波数が一致するようにあらかじめ調整されている
ため、次の式で表すことができる。
Since the amplitude vector of the input pulse signal in the first round is adjusted in advance so that the input optical frequency coincides with one resonance peak position of the optical resonator 9, it can be expressed by the following equation. .

【0039】[0039]

【数5】 さらに、数3の式を用いると、n+1回目の周回におけ
るパルス信号光の振幅ベクトルを次の式により計算する
ことができる。
(Equation 5) Further, by using the equation (3), the amplitude vector of the pulse signal light in the (n + 1) -th round can be calculated by the following equation.

【0040】[0040]

【数6】 ここで、行列Tの固有値λ1 、λ2 、λ3 、λ4 また対
応する単位固有ベクトルをe1 、e2 、e3 、e4 を用
いて数6の式を計算する。具体的には、入力パルス信号
光の振幅ベクトルを単位固有ベクトルで展開した形式を
利用する。
(Equation 6) Here, the eigenvalues λ 1 , λ 2 , λ 3 , and λ 4 of the matrix T and the corresponding unit eigenvectors are calculated using the formulas e 1 , e 2 , e 3 , and e 4 according to Equation 6. Specifically, a format in which the amplitude vector of the input pulse signal light is expanded by the unit eigenvector is used.

【0041】[0041]

【数7】 この式を利用して数6の式は、次のように表される。(Equation 7) Using this equation, the equation of Equation 6 is expressed as follows.

【0042】[0042]

【数8】 ここで最大の固有値をλ1 とすると、周回を繰り返すこ
とにより固有ベクトルe1 、e2 、e3 、e4 への射影
成分は減少し、パルス信号光の振幅ベクトルは収束して
いく。
(Equation 8) Here, assuming that the largest eigenvalue is λ 1 , the repetition of the circulation reduces the projected components to the eigenvectors e 1 , e 2 , e 3 , and e 4, and the amplitude vector of the pulse signal light converges.

【0043】[0043]

【数9】 そのため、ある程度の周回を経た後では、パルス信号光
の振幅ベクトルは行列Tの最大固有値λ1 に対応する固
有ベクトルe1 の定数倍となる。
(Equation 9) Therefore, after a certain number of rounds, the amplitude vector of the pulse signal light becomes a constant multiple of the eigenvector e 1 corresponding to the maximum eigenvalue λ 1 of the matrix T.

【0044】そこで、行列Tの最大固有値λ1 と他の固
有値との比が大きくなりかつλ1 に対応する固有ベクト
ルe1 において、+1次変調成分に対応するj=2の成
分が他の成分と比較して十分大きくなるように、光変調
器5における変調深度および光共振器9の透過特性を最
適化することにより、信号パルス光は、+1次変調成分
の強度を最大とし他の変調成分が抑圧されたほぼ一定の
スペクトルを保ちながら周回を繰り返し、その+1次変
調成分の光周波数は光共振器9の共振ピークを一つずつ
移動していくことが可能になる。
Therefore, the ratio of the maximum eigenvalue λ 1 of the matrix T to other eigenvalues becomes large, and in the eigenvector e 1 corresponding to λ 1 , the component of j = 2 corresponding to the + 1st-order modulation component is different from the other components. By optimizing the modulation depth in the optical modulator 5 and the transmission characteristics of the optical resonator 9 so that the signal pulse light becomes sufficiently large, the signal pulse light maximizes the intensity of the + 1st-order modulation component and the other modulation components The circling is repeated while maintaining the suppressed and substantially constant spectrum, and the optical frequency of the + 1st-order modulation component can shift the resonance peak of the optical resonator 9 one by one.

【0045】以上述べたように、光波周波数変換リング
回路内に高速の光変調器5と光共振器9とを挿入し、位
相変調の変調周波数fm と光周波数シフタ7における周
波数シフト量fA0との和が光共振器9の共振ピーク間隔
s に等しくなるように設定することにより、一周回あ
たりの周波数シフト量fs を数GHz〜10GHz程度
にまで拡大することが可能である。
[0045] As described above, by inserting a high-speed optical modulator 5 and an optical resonator 9 to lightwave frequency conversion ring circuit, the frequency shift amount in the modulation frequency f m and the optical frequency shifter 7 of the phase modulation f A0 Is set to be equal to the resonance peak interval f s of the optical resonator 9, the frequency shift amount f s per round can be expanded to about several GHz to 10 GHz.

【0046】さらに、広帯域周波数変換に要する周回回
数が著しく少なくなるため、多重周回に伴う自然放出雑
音光の蓄積の影響を被ることなく、数THzにわたる周
波数変換が可能になる。このようにして生成した周波数
変換パルス光を二次周波数参照基準として用いることに
より、広い周波数範囲にわたってスレーブ光源の周波数
を安定化することが可能になる。また、このとき周波数
参照パルス光が供給される時間間隔も従来技術による方
法と比較して著しく短縮されるため、精度の高い周波数
安定化が可能になる。
Furthermore, since the number of rounds required for wideband frequency conversion is significantly reduced, frequency conversion over several THz is possible without being affected by accumulation of spontaneous emission noise light accompanying multiple rounds. By using the frequency-converted pulsed light generated in this manner as a secondary frequency reference, it is possible to stabilize the frequency of the slave light source over a wide frequency range. Also, at this time, the time interval at which the frequency reference pulse light is supplied is significantly reduced as compared with the method according to the related art, so that highly accurate frequency stabilization becomes possible.

【0047】次に、さらに具体的な例として、 光変
調器5の変調周波数fm と光周波数シフタ7の周波数シ
フト量fA0の和が光共振器9の共振ピーク間隔fs に等
しく(数1)、 光共振器5の共振ピークの半値幅f
B が光周波数シフタ7の周波数シフト量fA0と同程度も
しくはそれ以下であり、 光共振器5の一つの共振ピ
ークの周波数が周波数基準光源1からの入力パルス信号
光の周波数 0 に一致するように設定した場合について
説明する。この場合、変調されて周回するパルス光の主
成分の光周波数は、一周回あたり共振ピーク間隔fs
等しい周波数シフトを受ける。
Next, as a more specific example, equal to the sum of the frequency shift amount f A0 of the modulating frequency f m and the optical frequency shifter 7 of the optical modulator 5 is the resonance peak interval f s of the optical resonator 9 (number 1), the half width f of the resonance peak of the optical resonator 5
B is equal to or less than the frequency shift amount f A0 of the optical frequency shifter 7, and the frequency of one resonance peak of the optical resonator 5 matches the frequency f 0 of the input pulse signal light from the frequency reference light source 1. A description will be given of the case where the settings are made as described above. In this case, the optical frequency of the main component of the modulated pulse light that is circulated undergoes a frequency shift equal to the resonance peak interval f s per round.

【0048】以下、光変調器5による変調周波数fm
10.120GHz、光周波数シフタ7による周波数シ
フト量fA0 を−120MHz、光共振器9における共
振ピークの周波数間隔fs を10.0GHz、共振ピー
クの半値幅fB を100MHzと想定した場合につい
て、定量的に位相変調パルス信号光の周回に伴う周波数
スペクトルの変化を解析し、周回に伴いパルス信号光の
周波数が階段状掃引されていくことを示す。
[0048] Hereinafter, 10.120GHz the modulation frequency f m by the optical modulator 5, the frequency shift amount f A0 by optical frequency shifter 7 -120MHz, the frequency interval f s of the resonance peak in the optical resonator 9 10.0 GHz, for the case where the half-value width f B of the resonance peak was assumed 100 MHz, analyzes the change in the frequency spectrum due to the orbiting of the quantitative phase modulated pulse signal light, the frequency of the pulse signal light with the circulation is gradually being stepped sweep Indicates that

【0049】光変調器5における変調深度は、1次変調
成分の振幅を1としたとき、0次変調成分および2次変
調成分の振幅がそれぞれ1/2になるように調整する。
したがって1次変調成分の振幅で規格化されたベッセル
関数は、それぞれの成分に対して次のようなる。
The modulation depth in the optical modulator 5 is adjusted so that the amplitude of the 0th-order modulation component and the amplitude of the secondary modulation component are each と き when the amplitude of the primary modulation component is 1.
Therefore, the Bessel function normalized by the amplitude of the primary modulation component is as follows for each component.

【0050】[0050]

【数10】 光共振器9としてファブリーペロー共振器を用いるとす
ると、その透過特性(透過振幅/入射振幅)は、フィネ
スをFで定義したとき次式で与えられる
(Equation 10) Assuming that a Fabry-Perot resonator is used as the optical resonator 9, its transmission characteristic (transmission amplitude / incident amplitude) is given by the following equation when the finesse is defined by F:

【0051】[0051]

【数11】 ここで、λは光波長であり、n、lは媒質の屈折率およ
び共振器長である。この式は、A.Yariv 著「光エレクト
ロニクスの基礎」丸善に示されている。フィネスFを1
00に設定すると、共振ピークの半値幅/間隔の値が1
00MHz/100GHz=1/100となる。よっ
て、+1次変調成分に対する透過比を1とすると、−1
次、0次、+2次の変調側帯波成分に対する透過比は、
数11の式によりそれぞれ、次のようになる。
[Equation 11] Here, λ is the light wavelength, and n and l are the refractive index of the medium and the resonator length. This formula is shown in Maruzen, "Basics of Optoelectronics" by A.Yariv. Finesse F 1
When set to 00, the value of the half width / interval of the resonance peak is 1
00 MHz / 100 GHz = 1/100. Therefore, assuming that the transmission ratio to the + 1st-order modulation component is 1, -1
The transmission ratios for the second, zeroth and + 2nd order modulation sideband components are:
According to the equation of the formula 11, the following is obtained.

【0052】[0052]

【数12】 ここでは、+3以上および−2以下の変調側帯波成分に
ついては振幅が小さいことおよびファブリーペロー共振
器の透過率が小さいことから無視し、−1次成分、0次
成分、+1次成分、+2次成分の四成分を考慮してい
る。このとき、光リング回路が位相変調信号の側帯波成
分比に及ぼす効果を表す行列Tは、数4、数10および
数12のそれぞれから、次のようになる。
(Equation 12) Here, the modulation sideband components above +3 and below -2 are ignored because the amplitude is small and the transmittance of the Fabry-Perot resonator is small, so that the −1st order component, the 0th order component, the + 1st order component, and the + 2nd order component Four components are considered. At this time, the matrix T representing the effect of the optical ring circuit on the sideband component ratio of the phase modulation signal is as follows from Equations 4, 10, and 12 respectively.

【0053】[0053]

【数13】 ここで、j=1、2、3、4はそれぞれ+2次、+1
次、0次、−1次の変調成分を示す指標である。行列T
の固有値λ1 、λ2 、λ3 、λ4 はそれぞれ次のように
なる。
(Equation 13) Here, j = 1, 2, 3, and 4 are +2 order and +1 respectively.
This is an index indicating the next, 0th, and -1st order modulation components. Matrix T
The eigenvalues λ 1 , λ 2 , λ 3 , λ 4 of are as follows.

【0054】[0054]

【数14】 したがって、対応する単位固有ベクトルは、少数点3位
を四捨五入して、それぞれ次のようになる。
[Equation 14] Accordingly, the corresponding unit eigenvectors are as follows, with the third decimal place rounded off.

【0055】[0055]

【数15】 ここで、固有値λ1 に対応する固有ベクトルe1 では、
j=2すなわち+1次変調成分にほとんどの光強度が集
中していることがわかる。
(Equation 15) Here, in the eigenvector e 1 corresponding to the eigenvalue λ 1 ,
It can be seen that most light intensity is concentrated on j = 2, that is, the + 1st-order modulation component.

【0056】入力パルス信号に対する規格化した振幅ベ
クトルは、数5の式を数15で与えられた固有ベクトル
で展開することにより、次のように変形できる。
The normalized amplitude vector for the input pulse signal can be transformed as follows by expanding the equation of Equation 5 with the eigenvector given by Equation 15.

【0057】[0057]

【数16】 n周回後の振幅ベクトルを求めるために、行列T(数1
3)と入力振幅ベクトル(数16)を多重周回を記述す
る数6の式に代入し、固有値(数14)と固有ベクトル
(数15)を利用して変形すると、次の式が得られる。
(Equation 16) To find the amplitude vector after n rounds, a matrix T (Equation 1)
Substituting 3) and the input amplitude vector (Equation 16) into the equation of Equation 6 describing the multiplexing, and transforming using the eigenvalue (Equation 14) and the eigenvector (Equation 15), the following equation is obtained.

【0058】[0058]

【数17】 4、5回の周回を経た時点で、既に固有ベクトルe2
3 、e4 への射影成分はe1 への射影成分と比較して
十分に小さくなっている。したがって、ある程度周回し
た後では、位相変調パルス信号光の振幅ベクトルの成分
比は、次の固有ベクトルe1 で与えられる一定値に保た
れる。
[Equation 17] After four or five rounds, the eigenvector e 2 ,
The projected components to e 3 and e 4 are sufficiently smaller than the projected components to e 1 . Thus, in after some extent orbiting, component ratio of the amplitude vector of the phase modulated pulse signal light is kept at a constant value given by the following eigenvector e 1.

【0059】[0059]

【数18】 この場合、+1次の変調側帯波成分に光強度の約94%
が集中し、+2次成分、0次成分、−1次成分の+1次
成分に対する相対強度比はそれぞれ、−17dB、−1
4dB、−17dBとなる。このようすを図5に示す。
(Equation 18) In this case, about 94% of the light intensity is added to the + 1st-order modulation sideband component.
Are concentrated, and the relative intensity ratios of the +2 order component, the 0 order component, and the −1 order component to the +1 order component are −17 dB and −1, respectively.
4 dB and -17 dB. This is shown in FIG.

【0060】このように、この例では、光リング回路中
を1周回することにより、パルス光の光周波数が10G
Hzシフトし、その結果100周回の後には1THzの
周波数シフトが可能になる。このとき1周回あたりの時
間を10μsに設定した場合には、1msの周期で周波
数シフト量1THzの周波数基準参照パルス光を供給す
ることが可能になる。
As described above, in this example, by making one round in the optical ring circuit, the optical frequency of the pulse light becomes 10G.
Hz, so that a frequency shift of 1 THz is possible after 100 rounds. At this time, if the time per round is set to 10 μs, it becomes possible to supply the frequency-based reference pulse light having a frequency shift amount of 1 THz at a cycle of 1 ms.

【0061】図6は本発明第二実施例の光周波数基準発
生装置を示すブロック構成図である。この装置は、光共
振器9のひとつの共振ピークの周波数を周波数基準光源
1からの光周波数に安定化する制御手段を備えたことが
第一実施例と異なる。すなわち、周波数基準光源1から
出力された連続光を分岐する光方向性結合器21および
その分岐光を光共振器9に入射する光方向性結合器22
を備え、光共振器9から出力される連続光を監視するた
め光方向性結合器23および光検出器25を備え、光検
出器25の検出出力に基づいて光共振器9の共振周波数
を制御する制御装置26を備える。また、光共振器9の
共振ピーク周波数を安定化するために用いた連続光を光
リング回路から除去するため、光アイソレータ24を備
える。
FIG. 6 is a block diagram showing an optical frequency reference generator according to a second embodiment of the present invention. This device differs from the first embodiment in that it has a control means for stabilizing the frequency of one resonance peak of the optical resonator 9 to the optical frequency from the frequency reference light source 1. That is, an optical directional coupler 21 that branches continuous light output from the frequency reference light source 1 and an optical directional coupler 22 that splits the branched light into the optical resonator 9.
And a light directional coupler 23 and a photodetector 25 for monitoring continuous light output from the optical resonator 9. The resonance frequency of the optical resonator 9 is controlled based on the detection output of the photodetector 25. The control device 26 is provided. Further, an optical isolator 24 is provided to remove continuous light used for stabilizing the resonance peak frequency of the optical resonator 9 from the optical ring circuit.

【0062】周波数基準光源1は、例えばアセチレン分
子の波長1.5μm帯の吸収線を利用して絶対周波数が
安定化された光源であり、連続光を出力する。光方向性
結合器21は周波数基準光源1から出力された連続光を
光パルス変調器2に導くとともに、その一部を分岐して
光方向性結合器22に導く。光パルス変調器2は例えば
音響光学パルス変調器により構成され、周波数基準光源
1からの光方向性結合器21を経由した連続光をパルス
光に変調する。光方向性結合器3は四つのポート31〜
34を備え、ポート31から入力されたパルス光をポー
ト33を介して光リング回路に結合し、光リング回路を
周回してポート34に入力された光の強度の半分をポー
ト33から再び光リング回路に導くとともに、他の半分
をポート32から外部出力として出力する。
The frequency reference light source 1 is a light source whose absolute frequency is stabilized using, for example, absorption lines of acetylene molecules in the wavelength band of 1.5 μm, and outputs continuous light. The optical directional coupler 21 guides the continuous light output from the frequency reference light source 1 to the optical pulse modulator 2, branches a part of the continuous light, and guides the branched light to the optical directional coupler 22. The optical pulse modulator 2 includes, for example, an acousto-optical pulse modulator, and modulates continuous light from the frequency reference light source 1 via the optical directional coupler 21 into pulse light. The optical directional coupler 3 has four ports 31 to
34, the pulsed light input from the port 31 is coupled to the optical ring circuit via the port 33, and the optical ring circuit circulates around the optical ring circuit and halves the intensity of the light input to the port 34 from the port 33 again. The other half is output from the port 32 as an external output while being guided to the circuit.

【0063】光リング回路内の光増幅器4は、例えばエ
ルビウムドープ光ファイバもしくは半導体レーザ増幅器
により構成され、光リング回路に入力された信号パルス
光を増幅する。光変調調器5は例えばTi拡散LiNb
3 導波路により構成され、光増幅器4の出力信号光に
高速の変調を与える。光遅延素子6は例えば光ファイバ
により構成され、光変調器5からの変調されたパルス光
に遅延を与える。光周波数シフタ7は例えば音響光学周
波数シフタにより構成され、変調されたパルス光に一定
の周波数シフトを与える。光スイッチ8は変調されたパ
ルス光のオン・オフ制御を行う。光スイッチ8を通過し
た光は、光アイソレータ24および光方向性結合器23
を経由して光共振器9に導かれる。光共振器9は例えば
ファブリーペロー共振器であり、一定の周波数間隔fs
で並んだ多数の共振ピークを有する。光増幅器4内で発
生した自然放出雑音光は、光共振器9を通過することに
より著しく低減される。この光共振器9の出力光を光方
向性結合器22を経由して光方向性結合器3のポート3
4に入力することで、光リング回路が構成される。駆動
信号源10は光変調器5を駆動するための高安定信号源
であり、一定周波数の電気信号を供給する。
The optical amplifier 4 in the optical ring circuit is composed of, for example, an erbium-doped optical fiber or a semiconductor laser amplifier, and amplifies the signal pulse light input to the optical ring circuit. The light modulation modulator 5 is, for example, Ti-diffused LiNb.
It is composed of an O 3 waveguide and gives high-speed modulation to the output signal light of the optical amplifier 4. The optical delay element 6 is composed of, for example, an optical fiber and gives a delay to the modulated pulse light from the optical modulator 5. The optical frequency shifter 7 is constituted by, for example, an acousto-optic frequency shifter, and gives a fixed frequency shift to the modulated pulse light. The optical switch 8 performs on / off control of the modulated pulse light. The light that has passed through the optical switch 8 is converted into an optical isolator 24 and an optical directional coupler 23.
To the optical resonator 9 via The optical resonator 9 is, for example, a Fabry-Perot resonator, and has a constant frequency interval f s.
Have a number of resonance peaks. Spontaneous emission noise light generated in the optical amplifier 4 is significantly reduced by passing through the optical resonator 9. The output light of the optical resonator 9 is passed through the optical directional coupler 22 to the port 3 of the optical directional coupler 3.
By inputting the signal to 4, an optical ring circuit is formed. The drive signal source 10 is a highly stable signal source for driving the optical modulator 5, and supplies an electric signal of a constant frequency.

【0064】光方向性結合器22は、光共振器9のひと
つの共振ピーク周波数を周波数基準光源1からの周波数
安定化基準光の周波数に安定化するため、光方向性結合
器21により分岐された周波数基準光源1の出力連続光
を光リング回路に逆方向に導き、光共振器9に入力す
る。光方向性結合器23は光共振器9からの出力連続光
を取り出し、光検出器25に導く。光共振器9からの出
力連続光の一部は光リング回路に逆方向に伝搬するが、
それは光アイソレータ24により除去する。光検出器2
5は光強度を測定し、制御装置26はその検出された光
強度に基づいて光共振器9の共振周波数を制御する。具
体的には、温度制御または電圧制御により共振周波数の
調整を行う。このとき、光検出器25により検出される
光強度が常に最大となるようにフィードバック制御する
ことにより、外部環境の変動による共振ピーク周波数の
ずれに起因する光リング回路の不安定性を容易に回避す
ることが可能になる。
The optical directional coupler 22 is branched by the optical directional coupler 21 to stabilize one resonance peak frequency of the optical resonator 9 to the frequency of the frequency stabilizing reference light from the frequency reference light source 1. The continuous light output from the frequency reference light source 1 is guided to the optical ring circuit in the opposite direction, and is input to the optical resonator 9. The optical directional coupler 23 extracts the continuous output light from the optical resonator 9 and guides the continuous light to the photodetector 25. Part of the output continuous light from the optical resonator 9 propagates in the opposite direction to the optical ring circuit.
It is removed by the optical isolator 24. Photodetector 2
5 measures the light intensity, and the control device 26 controls the resonance frequency of the optical resonator 9 based on the detected light intensity. Specifically, the resonance frequency is adjusted by temperature control or voltage control. At this time, by performing feedback control so that the light intensity detected by the photodetector 25 is always maximized, the instability of the optical ring circuit due to the shift of the resonance peak frequency due to the fluctuation of the external environment can be easily avoided. It becomes possible.

【0065】この構成において、光増幅器4の利得を光
リング回路中の損失を補償するように調整することによ
り、変調されたパルス信号光の多重周回が可能になる。
また、光リング回路の一周回時間が入力パルス信号光の
幅に等しくなるように設定することにより、光リング回
路からの多重周回パルス光列を疑似的な連続光とみなす
ことが可能になる。さらに、同期制御装置11により光
パルス変調器2と光スイッチ2とを同期制御することに
より、多重周回パルス光列を繰り返し生成すことが可能
になる。
In this configuration, by adjusting the gain of the optical amplifier 4 so as to compensate for the loss in the optical ring circuit, it is possible to multiplex the modulated pulse signal light.
In addition, by setting the round trip time of the optical ring circuit to be equal to the width of the input pulse signal light, the multiple round pulse light train from the optical ring circuit can be regarded as pseudo continuous light. Further, by controlling the optical pulse modulator 2 and the optical switch 2 synchronously by the synchronous control device 11, it becomes possible to repeatedly generate a multi-circular pulse light train.

【0066】このような構成において、第一実施例と同
様に、 光変調器5の変調周波数fm と光周波数シフ
タ7の周波数シフト量fA0の和が光共振器9の共振ピー
ク間隔fs に等しく、 光共振器5の共振ピークの半
値幅fB が光周波数シフタ7の周波数シフト量fA0と同
程度もしくはそれ以下であり、 光共振器5の一つの
共振ピークの周波数が周波数基準光源1からの入力パル
ス信号光の周波数f0 に一致するように設定する。これ
により、変調されて周回するパルス光の主成分の光周波
数は、一周回あたり共振ピーク間隔fs に等しい周波数
シフトを受ける。さらに、フィードバック制御を行うこ
とにより、光共振器5の共振ピーク周波数を安定化し、
光リング回路の安定動作が可能となる。
[0066] In this configuration, as in the first embodiment, modulation of the optical modulator 5 frequency f m and the resonance peak interval f s of the sum of the frequency shift amount f A0 of the optical frequency shifter 7 is the optical resonator 9 equally, the degree half-value width f B of the resonance peak of the optical resonator 5 is a frequency shift amount f A0 of the optical frequency shifter 7 same or is at less, one frequency is frequency reference source of the resonance peak of the optical resonator 5 The frequency is set so as to match the frequency f 0 of the input pulse signal light from No. 1. Thus, the main component of the optical frequency of the pulse light circulating modulated is subjected to frequency shift equal to one circuit per resonance peak interval f s. Further, by performing feedback control, the resonance peak frequency of the optical resonator 5 is stabilized,
The stable operation of the optical ring circuit becomes possible.

【0067】[0067]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の光周波数
基準発生装置は、吸収スペクトルを用いて周波数安定化
された周波数基準光(一次周波数参照基準)から、数T
Hzにわたる広い相対周波数範囲にわたり高度に安定化
された周波数基準光(二次周波数参照基準または相対周
波数参照基準)を発生させることができる。
As described above, the optical frequency reference generating apparatus of the present invention uses the frequency reference light (primary frequency reference standard) whose frequency has been stabilized using the absorption spectrum to several Ts.
Highly stabilized frequency reference light (secondary frequency reference or relative frequency reference) over a wide relative frequency range over Hz can be generated.

【0068】また、この光周波数基準発生装置内の光共
振器の共振周波数を安定化することで、さらに安定な動
作が可能となる。
Further, by stabilizing the resonance frequency of the optical resonator in the optical frequency reference generator, a more stable operation is possible.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明第一実施例の光周波数基準発生装置を示
すブロック構成図。
FIG. 1 is a block diagram showing an optical frequency reference generator according to a first embodiment of the present invention.

【図2】実施例の動作を説明する図。FIG. 2 is a diagram illustrating the operation of the embodiment.

【図3】実施例の動作を説明する図。FIG. 3 is a diagram illustrating the operation of the embodiment.

【図4】ベッセル関数を説明する図。FIG. 4 is a diagram illustrating a Bessel function.

【図5】光リング回路による変調、周波数シフトおよび
スペクトル整形による効果を説明する図。
FIG. 5 is a diagram illustrating effects of modulation, frequency shift, and spectrum shaping by an optical ring circuit.

【図6】本発明第二実施例の光周波数基準発生装置を示
すブロック構成図。
FIG. 6 is a block diagram showing an optical frequency reference generator according to a second embodiment of the present invention.

【図7】従来例の光周波数基準発生装置を示すブロック
構成図。
FIG. 7 is a block diagram showing a conventional optical frequency reference generator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 周波数基準光源 2 光パルス変調器 3、21、22、23 光方向性結合器 4 光増幅器 5 光変調器 6 光遅延素子 7 光周波数シフタ 8 光スイッチ 9 光共振器 10 高周波数安定駆動信号源 11 同期制御装置 12 光狭帯域フィルタ 24 光アイソレータ 25 光検出器 26 制御装置 Reference Signs List 1 frequency reference light source 2 optical pulse modulator 3, 21, 22, 23 optical directional coupler 4 optical amplifier 5 optical modulator 6 optical delay element 7 optical frequency shifter 8 optical switch 9 optical resonator 10 high frequency stable drive signal source 11 Synchronous control device 12 Optical narrow band filter 24 Optical isolator 25 Photodetector 26 Control device

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平6−202181(JP,A) 特開 平6−110103(JP,A) 特開 平6−110102(JP,A) 特開 平5−232540(JP,A) 特開 平5−218550(JP,A) 特開 平5−218549(JP,A) 特開 平5−211366(JP,A) 特開 平3−91726(JP,A) 特表 平4−503868(JP,A) K.Shimizu et al., Applied Optics,Vo l.33,No.15,p.3209−3219 (1994) K.Shimizu et al., Applied Optics,Vo l.32,No.33,p.6718−6726 (1993) 辻 幸嗣 他,電子情報通信学会技術 研究報告,Vol.94,No.493(O PE94−108〜126),p.55−59,1995 年2月16日 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G02F 1/00 - 7/00 H04B 10/00 - 10/28 H04J 14/00 - 14/02 JICSTファイル(JOIS) WPI(DIALOG)Continuation of the front page (56) References JP-A-6-202181 (JP, A) JP-A-6-110103 (JP, A) JP-A-6-110102 (JP, A) JP-A-5-232540 (JP) JP-A-5-218550 (JP, A) JP-A-5-218549 (JP, A) JP-A-5-211366 (JP, A) JP-A-3-91726 (JP, A) 4-503868 (JP, A) Shimizu et al. , Applied Optics, Vol. 33, No. 15, p. 3209-3219 (1994) Shimizu et al. , Applied Optics, Vol. 32, No. 33, p. 6718-6726 (1993) Koji Tsuji et al., IEICE Technical Report, Vol. 94, no. 493 (OPE 94-108 to 126), p. 55-59, February 16, 1995 (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G02F 1/00-7/00 H04B 10/00-10/28 H04J 14/00-14/02 JICST file (JOIS) WPI (DIALOG)

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 発振周波数が安定化された周波数基準光
源と、 この周波数基準光源から出力された連続光をパルス光に
変調する光パルス変調器と、 光波を周回させる光リング回路と、 この光リング回路に前記光パルス変調器の出力したパル
ス光を結合するとともにこの光リング回路から出力光を
取り出す光結合手段と を備え、 前記光リング回路には、伝搬光を増幅してその光リング
回路の損失を補償する光増幅器と、伝搬光に遅延を与え
てその周回時間を調整する光遅延素子と、伝搬光にあら
かじめ定められた周波数シフトを与える光周波数シフタ
と、伝搬光を断続する光スイッチとが挿入され、 前記光パルス変調器と前記光スイッチとを同期制御する
同期制御手段を備えた光周波数基準発生装置において、 前記光リング回路にはさらに、伝搬光を変調する光変調
器と、伝搬光の変調成分をスペクトラム整形する光共振
器とが挿入され、 この光共振器の一つの共振ピークの周波数が前記周波数
基準光源の出力光の光周波数と一致するように調整さ
れ、 前記光共振器の共振ピークの半値幅が前記光周波数シフ
タの周波数シフト量と同程度もしくはそれ以下になるよ
うに設定され、 前記光変調器の変調周波数と前記光周波数シフタの周波
数シフト量との和が前記光共振器の共振ピーク間隔と実
質的に等しく設定されたことを特徴とする光周波数基準
発生装置。
1. A frequency reference light source whose oscillation frequency is stabilized, an optical pulse modulator that modulates continuous light output from the frequency reference light source into pulse light, an optical ring circuit that circulates light waves, Optical coupling means for coupling the pulsed light output from the optical pulse modulator to the ring circuit and extracting the output light from the optical ring circuit. Optical amplifier that compensates for the loss of the optical signal, an optical delay element that delays the propagating light to adjust its orbit time, an optical frequency shifter that applies a predetermined frequency shift to the propagating light, and an optical switch that interrupts the propagating light Wherein the optical ring circuit further includes a synchronization control unit that controls the optical pulse modulator and the optical switch in synchronization. An optical modulator for modulating the propagating light and an optical resonator for spectrum shaping the modulation component of the propagating light are inserted, and the frequency of one resonance peak of the optical resonator is the optical frequency of the output light of the frequency reference light source. The half-width of the resonance peak of the optical resonator is set to be equal to or less than the frequency shift amount of the optical frequency shifter, and the modulation frequency of the optical modulator and the optical frequency are adjusted. An optical frequency reference generator, wherein the sum of the shift amount and the frequency shift amount of the shifter is set substantially equal to the resonance peak interval of the optical resonator.
【請求項2】 前記光周波数シフタと前記光スイッチと
がひとつの音響光学素子により構成された請求項1記載
の光周波数基準発生装置。
2. The optical frequency reference generator according to claim 1, wherein said optical frequency shifter and said optical switch are constituted by one acousto-optic device.
【請求項3】 前記光共振器のひとつの共振ピークの周
波数を前記周波数基準光源からの光周波数に安定化する
制御手段を備えた請求項1記載の光周波数基準発生装
置。
3. The optical frequency reference generator according to claim 1, further comprising control means for stabilizing a frequency of one resonance peak of the optical resonator to an optical frequency from the frequency reference light source.
【請求項4】 前記制御手段は、前記周波数基準光源か
ら出力された連続光を分岐して前記光共振器に入射する
手段と、前記光共振器から出力される連続光を監視する
手段と、この監視する手段の監視出力に基づいて前記光
共振器の共振周波数を制御する手段とを含む請求項3記
載の光周波数基準発生装置。
4. The control means includes means for branching continuous light output from the frequency reference light source and entering the optical resonator, and means for monitoring continuous light output from the optical resonator. 4. An optical frequency reference generator according to claim 3, further comprising means for controlling a resonance frequency of said optical resonator based on a monitoring output of said monitoring means.
【請求項5】 前記入射する手段は前記光リング回路を
周回する光波とは逆方向に前記連続光を前記光リング回
路に結合する手段を含み、前記監視する手段は前記光リ
ング回路から前記連続光を分岐する手段を含み、前記光
リング回路から前記連続光を除去する光アイソレータを
備えた請求項4記載の光周波数基準発生装置。
5. The light incident means includes means for coupling the continuous light to the optical ring circuit in a direction opposite to a light wave circulating around the optical ring circuit, and the monitoring means comprises means for coupling the continuous light from the optical ring circuit to the optical ring circuit. 5. The optical frequency reference generator according to claim 4, further comprising an optical isolator that includes means for splitting light and removes the continuous light from the optical ring circuit.
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