JP2017146217A - 光周波数コム測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置コストの上昇を抑制した状態で、光周波数コムにおける実質的な周波数の不確かさの測定が実施できるようにする。【解決手段】光周波数コム発生部１０１，分岐部１０２，第１非線形光学媒質１０３，第１波長変換干渉部１０４，第１検出部１０５，帰還制御部１０６，第２非線形光学媒質１１３，第２波長変換干渉部１１４，および第２検出部１１５を備える。光周波数コム発生部１０１，第１非線形光学媒質１０３，第１波長変換干渉部１０４，第１検出部１０５，帰還制御部１０６により、第１の干渉計を構成し、光周波数コム発生部１０１，第２非線形光学媒質１１３，第２波長変換干渉部１１４，および第２検出部１１５により、第２の干渉計を構成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、光の周波数を測定するためなどに用いる光周波数コムの状態を測定する光周波数コム測定装置に関する。

高精度な周波数標準として、光周波数コムの研究が盛んに行われている。光周波数コムは、図９の（ａ）に示すように、周波数軸上に等しい周波数間隔ｆ_repで櫛状に並ぶ多数の輝線スペクトルの集合体である。光周波数コムのスペクトル周波数ｆ_nは、周波数間隔ｆ_repとキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_CEOを用い、「ｆ_n＝ｎ×ｆ_rep＋ｆ_CEO（ただし、ｎは整数）」と記述することができる。

また、光周波数コムを時間軸上で見ると、図９の（ｂ）の「光搬送波包絡線」に示すようなパルスが、時間軸上に等しい間隔Ｔ（＝１／ｆ_rep）で並ぶパルスレーザー光である。光搬送波包絡線内には「光搬送波電界」が存在する。光搬送波包絡線と光搬送波電界のピークの差を「キャリアエンベロープ位相（ＣＥＰ）」と呼び、時間軸上で隣り合うパルス間のＣＥＰの差を「キャリアエンベロープ位相差（Δφ）」と呼ぶ。キャリアエンベロープ位相差（Δφ）は、レーザー共振器中の媒質を通過する光の群速度と位相速度の差に起因する。

このキャリアエンベロープ位相差(Δφ)と光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数(ｆ_CEO)の間には、「ｆ_CEO＝（Δφ／２π）×ｆ_rep」という関係がある。

ｆ_repは、数ＭＨｚから数ＧＨｚが一般的であり、ｆ_CEOは０＜ｆ_CEO＜ｆ_repなので、これらはマイクロ波領域に存在する。マイクロ波領域に存在するｆ_rep、ｆ_CEOを安定化させることによって、数百ＴＨｚ程度の光周波数コムを安定化させることが可能になる。

光周波数コムの安定化には、位相同期回路（phase-locked loop回路，ＰＬＬ回路）などが用いられる。基準となるマイクロ波周波数に対して、レーザーの繰り返し周波数ｆ_repやＣＥＯ周波数ｆ_CEOを合わせるように、レーザー側のパラメータにフィードバックをかけることによって周波数制御ができる。従って、光周波数コムの周波数安定化には、ｆ_repやｆ_CEOを検出する必要がある。ｆ_repは、光周波数コムの光をそのままフォトダイオードに当てると、パルスレーザー光の繰り返し信号として検出可能であり、ｆ_CEOは後述する自己参照干渉計によって検出可能である。

自己参照干渉計によるキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_CEOの検出方法としては、ｆ−２ｆ自己参照干渉法や２ｆ−３ｆ自己参照干渉法がある。ｆ−２ｆ自己参照干渉法は、光周波数コムの基本周波数と２倍波成分の干渉信号をとることによりｆ_CEOを検出する。

まず、光周波数コムをフォトニック結晶ファイバーなどの高非線形性ファイバーに入射し、スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）を生成する。次に、ＳＣ光低周波数成分（オフセット周波数：ｆ_CEO）を非線形媒質に入射して２倍波（オフセット周波数：２ｆ_CEO）を生成し、ＳＣ光高周波数成分（オフセット周波数：ｆ_CEO）と干渉させる。

もともとの光周波数コムの周波数ｆ_n＝ｎ×ｆ_rep＋ｆ_CEOの２倍波をとると、２ｆ_n＝２ｎ×ｆ_rep＋２ｆ_CEOとなる。基本波と２倍波がオーバーラップする領域では、基本波のｍ番目の周波数ｆ_m＝ｍ×ｆ_rep＋ｆ_CEOと２倍波のｎ番目の周波数２ｆ_n＝２ｎ×ｆ_rep＋２ｆ_CEOの干渉信号が現れる［図１０（ａ）］。干渉信号の最低次の項はｍ＝２ｎのときで、周波数２ｆ_n−ｆ_m＝ｆ_CEOの信号を検出することができる。

今度は、ｆ−２ｆ自己参照干渉法で干渉信号を検出できるためのスペクトル条件を、波長領域に直して考える［図１０（ｂ）］。例えば、２１００ｎｍの光周波数コムの２倍波は１０５０ｎｍに位置するが、この位置までもともとの光周波数コムが広がっていないといけない。従って、ｆ−２ｆ自己参照干渉法では、１０５０−２１００ｎｍ、一般的には１オクターブ以上スペクトル帯域が広がっていないといけない。スペクトル帯域の拡大は、高非線形性ファイバーなどに光周波数コムを入射させることで実現できる。スペクトル帯域が拡大した光周波数コムは、スーパーコンティニューム光（ＳＣ光）と呼ばれている。

次に、２ｆ−３ｆ自己参照干渉法について説明する。２ｆ−３ｆ自己参照干渉法は、光周波数コムの２倍波成分と３倍波成分の干渉信号をとることによりｆ_CEOを検出する。例えば、１８００ｎｍの３倍波（６００ｎｍ）と１２００ｎｍの２倍波（６００ｎｍ）を干渉させる［図１０（ｃ）］。従って、２ｆ−３ｆ自己参照干渉法では、１２００−１８００ｎｍ、一般的には２／３オクターブ以上のＳＣ光でＣＥＯ周波数ｆ_CEOを検出できる可能性がある。

前述したｆ−２ｆ自己参照干渉法の利点は、２倍波を生成するために１回だけ非線形過程を用いればｆ_CEOを検出できる点にある。ただし、ｆ−２ｆ自己参照干渉法では、ＳＣ光を１オクターブ以上広げなければならない。これに対し、２ｆ−３ｆ自己参照干渉法は、２／３オクターブ以上のＳＣ光を生成すれば安定化可能である。

ところで、光周波数コムの周波数の不確かさを測定するためには、２つの自己参照干渉計が必要である。

一方は、光周波数コムの周波数安定化をするための自己参照干渉計であり、ｉｎ−ｌｏｏｐ干渉計と呼ばれている。ｉｎ−ｌｏｏｐ干渉計により測定される周波数安定度は、通常、周波数安定化回路によって、どれだけ周波数安定化をすることができるのかという能力を示す指標であるが、実際の光周波数コムの不確かさを表しているわけではない。

光周波数コムの周波数安定化は、共振器長やポンプ電流など、キャビティー内のパラメータにフィードバックをかけているため、キャビティー外にあるファイバーや干渉計部分に周波数揺らぎがあった場合、これらの揺らぎを解消するようにフィードバックがかかる。このため、実際の光コムの周波数揺らぎはｉｎ−ｌｏｏｐ干渉計の示す値よりも大きくなることが一般的である。

キャビティー外にある光学系の周波数揺らぎがどの程度であるのかを調べるのが、他方の干渉計であり、これは、ｏｕｔ−ｏｆ−ｌｏｏｐ干渉計と呼ばれている。この干渉計は、ｉｎ−ｌｏｏｐ干渉計で周波数安定化した光周波数コムのＣＥＯ周波数検出に用いる。

過去の文献では、ｉｎ−ｌｏｏｐ干渉計とｏｕｔ−ｏｆ−ｌｏｏｐ干渉計を、ｆ−２ｆ自己参照干渉計から構成し、チタン・サファイアレーザーの安定性を調べている（非特許文献６，７，８参照）。それぞれの自己参照干渉計で、ＣＥＯ周波数を安定化するのに十分なＳＮ比（１００ｋＨｚ分解能帯域幅で３５ｄＢ以上）の信号を検出する必要があるため、ハイパワーの光増幅器を用いているか、レーザーの繰り返し周波数を落とすように共振器を設計してパルスエネルギーを大きくしている。また、ファイバーレーザーの実質的な周波数安定性を調べるために、レーザー共振器の出力を幾つかのブランチに分け、それぞれの出力を光増幅器で増幅することにより、ｉｎ−ｌｏｏｐ干渉計とｏｕｔ−ｏｆ−ｌｏｏｐ干渉計を構成した例がある（非特許文献９参照）。

特開２０１５−１５５９８４号公報

T. M. Ramond et al., "Phase-coherent link from optical to microwave frequencies by means of the broadband continuum from a 1-GHz Ti:sapphire femtosecond oscillator", Optics Letters, vol.27, no.20, pp.1842-1844, 2002. C.R. Locke et al., "Frequency stabilisation of a fibre-laser comb using a novel microstructured fibre", Optics Express, vol.17, no.7, pp.5897-5904, 2009. I. Hartl et al., "Integrated Fiber-Frequency Comb using a PPLN Waveguide for Spectral Broadening and CEO Phase Detection", Optical Society of America, CLEO/QELS, paper CTuH5, 2006. C. Langrock et al., "Generation of octave-spanning spectra inside reverse-proton-exchanged periodically poled lithium niobate waveguides", Optics Letters, vol.32, no.17, pp.2478-2480, 2007. K. Hitachi et al., "Frequency stabilization of an Er-doped fiber laser with a collinear 2f-to-3f self-referencing interferometer", Applied Physics Letters, vol.106, 231106, 2015. T. M. Fortier et al., "Long-term carrier-envelope phase coherence", Optics Letters, vol.27, no.16, pp.1436-1438, 2002. C. Grebing et al., "Performance comparison of interferometer topologies for carrier-envelope phase detection", Applied Physics B, vol.95, pp.81-84, 2009. E. B. Kim et al., "Long-term maintenance of the carrier-envelope phase coherence of a femtosecond laser", Optics Express, vol.18, no.25, pp.26365-26372, 2010. Y. Nakajima et al., Optics Express, "A multi-branch, fiber-based frequency comb with millihertz-level relative linewidths using an intra-cavity electro-optic modulator", vol.18, no.2, pp.1667-1676, 2010.

以上のように、ｉｎ−ｌｏｏｐ干渉計とｏｕｔ−ｏｆ−ｌｏｏｐ干渉計を備えた自己参照干渉計は、光周波数コムの周波数安定化と、安定化した周波数の実質的な安定性を調べる上で重要であった。これら２つの系統を使うためには、ハイパワーの光増幅器か、通常の光増幅器が２台必要であった。しかしながら、２つの光増幅器を用いると、別々の光増幅器を用いることにより周波数ノイズが増幅し、実質的な安定性が低下する可能性がある。また、２つの光増幅器を用意することになるので、装置コストが上昇するという問題があった。あるいは、レーザーの繰り返し周波数を落としてパルスエネルギーを大きくするように、長い共振器に作り変えるという方法もあるが、既存の発振器をもつレーザーには適用できないという問題があった。

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、装置コストの上昇を抑制した状態で、光周波数コムにおける実質的な周波数の不確かさの測定が実施できるようにすることを目的とする。

本発明に係る光周波数コム測定装置は、等しい周波数間隔である複数の輝線スペクトルを有する光周波数コムを生成する光周波数コム発生部と、光周波数コム発生部より生成される光周波数コムを第１光周波数コムおよび第２光周波数コムに分岐する分岐部と、第１光周波数コムを入力して第１光周波数コムの光スペクトル帯域を２／３オクターブ以上に拡大させて第１ＳＣ光を生成する第１帯域拡大部と、第１ＳＣ光の短波長成分より２倍波である第１の変換光を生成し、かつ第１ＳＣ光の長波長成分より３倍波である第２の変換光を生成し、生成した第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる第１波長変換干渉部と、第１波長変換干渉部において第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する差周波成分を検出する第１検出部と、第１検出部で検出した差周波成分を元に光周波数コム発生部をフィードバック制御する帰還制御部と、第２光周波数コムを入力して第２光周波数コムの光スペクトル帯域を２／３オクターブ以上に拡大させて第２ＳＣ光を生成する第２帯域拡大部と、第２ＳＣ光の短波長成分より２倍波である第１の変換光を生成し、かつ第２ＳＣ光の長波長成分より３倍波である第２の変換光を生成し、生成した第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる第２波長変換干渉部と、第２波長変換干渉部において第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する差周波成分を検出する第２検出部とを備え、第１波長変換干渉部および第２波長変換干渉部は、前段に位置する第１の周期分極反転配列結晶部および後段に位置する第２の周期分極反転配列結晶部を備え、第１の周期分極反転配列結晶部は、周期的に隣り合う領域で結晶の分極が反転し、各領域の配列方向の長さが光周波数コムの長波長成分の２倍波発生に対応した１群の非線形光学結晶から構成され、第２の周期分極反転配列結晶部は、周期的に隣り合う領域で結晶の分極が反転し、各領域の配列方向の長さが光周波数コムの短波長成分の２倍波発生に対応した１群の非線形光学結晶から構成され、第２の変換光は、第１の周期分極反転配列結晶部において生成される光周波数コムの第１の長波長成分の２倍波と、光周波数コムの第２の長波長成分とが、第２の周期分極反転配列結晶部において和周波をとることで生成され、第１の変換光は、第２の周期分極反転配列結晶部において光周波数コムの短波長成分より２倍波を発生することで生成される。

上記光周波数コム測定装置おいて、第２の変換光を生成するための光周波数コムの第１の長波長成分と光周波数コムの第２の長波長成分とは、同じ波長であればよい。

以上説明したことにより、本発明によれば、装置コストの上昇を抑制した状態で、光周波数コムにおける実質的な周波数の不確かさの測定が実施できるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における光周波数コム測定装置の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態における光周波数コム測定装置を構成する第１波長変換干渉部１０４の構成を示す構成図である。 図３は、３倍波発生に同じ波長を用いた第１波長変換干渉部１０４におけるＳＣ光のパワー依存性を示す特性図である。 図４は、３倍波発生に異なる波長を用いた第１波長変換干渉部１０４におけるＳＣ光のパワー依存性を示す特性図である。 図５は、ｆ−２ｆ自己参照干渉計用のシングルピッチＰＰＬＮ導波路におけるＳＣ光のパワー依存性を示す特性図である。 図６は、３倍波発生に異なる波長を用いた第１波長変換干渉部１０４，３倍波発生に異なる波長を用いた第１波長変換干渉部１０４，およびｆ−２ｆ自己参照干渉計用のシングルピッチＰＰＬＮ導波路の各々におけるＣＥＯ信号ＳＮ比の入射光パワー依存性を示す特性図である。 図７は、本発明の実施の形態における光周波数コム測定装置の第１干渉計、第２の干渉計によるアラン分散を示す特性図である。 図８は、本発明の実施の形態における光周波数コム測定装置の第１の干渉計、第２の干渉計によって測定された位相ノイズを示す特性図である。 図９は、光パルスの周波数軸上における線スペクトルの状態（ａ）、および光パルスにおける光搬送波のキャリアエンベロープ位相（ｂ）について示す説明図である。 図１０は、光周波数コムのキャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ_CEO）を検出する概念についての説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における光周波数コム測定装置の構成を示す構成図である。この光周波数コム測定装置は、光周波数コム発生部１０１，分岐部１０２，第１非線形光学媒質（第１帯域拡大部）１０３，第１波長変換干渉部１０４，第１検出部１０５，帰還制御部１０６，第２非線形光学媒質（第２帯域拡大部）１１３，第２波長変換干渉部１１４，および第２検出部１１５を備える。光周波数コム発生部１０１，第１非線形光学媒質１０３，第１波長変換干渉部１０４，第１検出部１０５，帰還制御部１０６により、第１の干渉計を構成している。また、光周波数コム発生部１０１，第２非線形光学媒質１１３，第２波長変換干渉部１１４，および第２検出部１１５により、第２の干渉計を構成している。

光周波数コム発生部１０１は、等しい周波数間隔である複数の輝線スペクトルを有する光周波数コムを生成する。例えば、光周波数コム発生部１０１は、繰り返し周波数ｆ_repの光パルス列を生成する。このような光パルス列のスペクトルは、等しい周波数間隔ｆ_repである複数の輝線スペクトルとなる。この場合、光周波数コム発生部１０１は、周波数間隔ｆ_repの光周波数コムを出力する。光周波数コム発生部１０１は、例えば、共振器長Ｌによって繰り返し周波数ｆ_repが決まる受動モード同期レーザーであればよく、モード同期Ｅｒドープファイバーレーザーや、チタンサファイアレーザー・ファイバーレーザーなどであればよい。

また、光周波数コム発生部１０１は、連続（ＣＷ）光を発生するＣＷ光源に対して外部から繰り返し周波数ｆ_repのマイクロ波を強度変調器・位相変調器などに印加することで、ＣＷ光源の強度および位相を変調し、繰り返し周波数（ｆ_rep）一定の光パルス列に変換して出力する強度/位相変調方式によるパルスレーザー光源でもよい。

分岐部１０２は、光周波数コム発生部１０１より生成される光周波数コムを第１光周波数コムおよび第２光周波数コムに分岐する。

第１非線形光学媒質１０３は、第１光周波数コムを入力して第１光周波数コムの光スペクトル帯域を２／３オクターブ以上に拡大させて第１ＳＣ光を生成する。第１非線形光学媒質１０３は、高非線形性ファイバーから構成すればよく、例えば、フォトニック結晶ファイバーから構成すればよい。あるいは、非線形光学効果を有する非線形光学結晶であってもよい。第１非線形光学媒質１０３により、等しい周波数間隔ｆ_repである複数の輝線スペクトルを有し、光スペクトル帯域が２／３オクターブ以上にわたって広がる第１ＳＣ光が得られる。

第１波長変換干渉部１０４は、第１ＳＣ光の短波長成分より２倍波である第１の変換光を生成し、かつ第１ＳＣ光の長波長成分より３倍波である第２の変換光を生成し、生成した第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる。

第１検出部１０５は、第１波長変換干渉部１０４において第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する差周波成分を含むビート信号を検出する。第１検出部１０５は、例えば、フォトダイオードから構成されている。第１検出部１０５が検出する差周波成分には、キャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_CEOが含まれる。

帰還制御部１０６は、第１検出部１０５で検出した差周波成分を元に光周波数コム発生部１０１をフィードバック制御する。帰還制御部１０６は、第１検出部１０５で検出されたビート信号(ｆ_CEO)を外部から得られるマイクロ波参照周波数ｆ_ref2と比較し、ｆ_CEOとｆ_ref2の差がゼロになるように、光周波数コム発生部１０１をフィードバック制御する。例えば、光周波数コム発生部１０１におけるレーザー共振器内媒質の非線形分散にフィードバック制御する。また、光周波数コムの繰り返し周波数(ｆ_rep)もマイクロ波参照周波数(ｆ_ref1)と比較し、その差がゼロになるように、光周波数コム発生部１０１におけるレーザー共振器長などにフィードバック制御する。

第１波長変換干渉部１０４では、まず、周波数が「（キャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_CEO）×２＋（繰り返し周波数ｆ_repの整数倍）」の２倍波を発生する。また、第１波長変換干渉部１０４では、周波数が「（キャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_CEO）×３＋（繰り返し周波数ｆ_repの整数倍）」の３倍波を発生する。これらの２倍波と３倍波が干渉し、この結果得られるビート信号を測定することで、キャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ_CEO）を検出することができる。

従って、光周波数コム発生部１０１，第１非線形光学媒質１０３，第１波長変換干渉部１０４，第１検出部１０５，および帰還制御部１０６による第１の干渉計は、光パスを分けず、第１波長変換干渉部１０４で、ＳＣ光短波長成分の２倍波とＳＣ光長波長成分の３倍波を干渉させるコリニア（Collinear；共線状）型の２ｆ−３ｆ自己参照干渉計を構成していることになる。

また、上述した第１検出部１０５による測定値を、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ｆ_ref2との差がゼロになるように、帰還制御部１０６で光周波数コム発生部１０１にフィードバック制御を行うことで、出力される光周波数コムのオフセット周波数（ｆ_CEO）を安定化することができる。

例えば、帰還制御部１０６は、光周波数コム発生部１０１を構成している共振器内の非線形分散の大きさにフィードバックを行えばよい。また、レーザーの繰り返し周波数（ｆ_rep）は、第１検出部１０５からの繰り返し周波数信号を元に、光周波数コム発生部１０１を構成しているレーザーの共振器長などにフィードバックすることにより安定化することが可能である。

また、第２非線形光学媒質１１３は、第２光周波数コムを入力して第２光周波数コムの光スペクトル帯域を２／３オクターブ以上に拡大させて第２ＳＣ光を生成する。第２非線形光学媒質１１３は、例えば、フォトニック結晶ファイバーから構成すればよい。あるいは、非線形光学効果を有する非線形光学結晶であってもよい。第２非線形光学媒質１１３は、等しい周波数間隔ｆ_repである複数の輝線スペクトルを有し、光スペクトル帯域が２／３オクターブ以上にわたって広がる第２ＳＣ光が得られる。この構成は、第１非線形光学媒質１０３と同様である。

第２波長変換干渉部１１４は、第２ＳＣ光の短波長成分より２倍波である第１の変換光を生成し、かつ第２ＳＣ光の長波長成分より３倍波である第２の変換光を生成し、生成した第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる。この構成は、第１波長変換干渉部１０４と同様である。

第２検出部１１５は、第２波長変換干渉部１１４において第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する差周波成分を検出する。この構成は、第１検出部１０５と同様である。

上述した光周波数コム発生部１０１，第２非線形光学媒質１１３，第２波長変換干渉部１１４，および第２検出部１１５による第２の干渉計も、前述した第１の干渉計と同様に、第２波長変換干渉部１１４で、ＳＣ光短波長成分の２倍波とＳＣ光長波長成分の３倍波を干渉させるコリニア型の２ｆ−３ｆ自己参照干渉計を構成している。

ここで、第１波長変換干渉部１０４および第２波長変換干渉部１１４について、より詳細に説明する。第１波長変換干渉部１０４および第２波長変換干渉部１１４は、同一の構成とされており、以下では、第１波長変換干渉部１０４を代表として説明する。第１波長変換干渉部１０４は、図２に示すように、前段に位置する第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａおよび後段に位置する第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂを備える。

第１非線形光学媒質１０３より生成した第１ＳＣ光は、第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａの先端（入射端）より入射し、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂの後端（出射端）より出射する。本例では、第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａと第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂとが一体である。

第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａは、複数の領域１４１が直列に配列した１群の非線形光学結晶から構成され、隣り合う領域１４１で結晶の分極が反転している。また、各々の領域１４１の配列方向の長さが、ＳＣ光長波長成分の２倍波発生に対応している。なお、図２では、互いに分極が反転している隣り合う２つの領域１４１の長さを、ピッチ長Λ₁としている。

第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂは、複数の領域１４２が直列に配列した１群の非線形光学結晶から構成され、隣り合う領域１４２で結晶の分極が反転している。また、各々の領域１４２の配列方向の長さが、ＳＣ光短波長成分の２倍波発生に対応している。なお、図２では、互いに分極が反転している隣り合う２つの領域１４２の長さを、ピッチ長Λ₂としている。

上述した構成の第１波長変換干渉部１０４において、第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａにおいて生成されるＳＣ光の第１の長波長成分の２倍波と、ＳＣ光の第２の長波長成分とが、第２の周期分極反転配列結晶部において和周波（３倍波）をとることで第２の変換光が生成される。また、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂにおいては、ＳＣ光短波長成分の２倍波をとることで第１の変換光が生成される。

上述したように、第１波長変換干渉部１０４の第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａで、ＳＣ光のある基本光（波長λ_1L；第１の長波長成分）の２倍波（λ_2L＝λ_1L／２）を生成し、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂで、この２倍波（λ_2L）とＳＣ光のある基本光（波長λ_1L'；第２の長波長成分）との和周波（波長λ_3L；第２の変換光）を生成する（ここで、１／λ_3L＝１／λ_2L＋１／λ_1L'である）。

また、これと同時に、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂで、ＳＣ光のある基本光（波長λ_1R；短波長成分）の２倍波（λ_2R＝λ_1R／２；第１の変換光）を生成する。生成した３倍波（λ_3L；第２の変換光）と２倍波（λ_2R；第１の変換光）が波長領域でオーバーラップすると、両者が干渉し、ビート信号を検出することが可能になる。

ここで、ＳＣ光の第１の長波長成分（λ_1L）と第２の長波長成分（λ_1L'）とは、同じ波長であっても異なる波長であっても、原理的には自己参照干渉計を構成することが可能である。なお、後述するように、光周波数コム発生部１０１（光源）からの光パワーによっては、これらの波長が異なる条件の方が、より効率的に第１の変換光ないしは第２の変換光を生成できる場合と、これらの波長が同じ条件の方が、より効率的に第１の変換光ないしは第２の変換光を生成できる場合とがある。

次に、光源からの特定の光パワー条件において、上述した２倍波（第１の変換光）と、３倍波（第２の変換光）との中心波長を近づけるような、２種類（第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａ，第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂ）の擬似位相整合長（Λ₁，Λ₂）の決定方法について説明する。

２種類の擬似位相整合デバイスにおける３倍波生成過程は、前段である第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａで、ＳＣ光基本波（波長λ_1L）の２倍波をとり、後段である第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂで、２倍波とＳＣ光基本波（波長λ_1L'）の和周波をとる２段階の２次非線形過程から構成され、λ_1Lとλ_1L'が等しいことが一般的である。

波長領域でのオーバーラップを大きくするためには、意図的にλ_1L’をλ_1Lよりも短くする方が、等しい場合（λ_1L＝λ_1L’）と比べると有利であり、このようにピッチ長（Λ₁，Λ₂）を決定することが重要である。実際には、ＳＣ光が広がっている範囲内でλ_1Lをできるだけ大きくとり、λ_1L’を小さくとるように２種類のピッチ長を設計すれば、これらのオーバーラップが大きくなる。

擬似位相整合デバイスである第１波長変換干渉部１０４のピッチ長（Λ₁，Λ₂）の決め方について説明するために、まず、ピッチ長をいくつに定めると、どの波長の光がどの波長に変換されるのかについて述べる。

通常の非線形光学結晶媒質では、基本波光と波長変換光の位相速度が異なることにより、結晶中のどの位置で波長変換するかによって位相が異なる。このため、波長変換光の位相はバラバラで互いに打ち消しあい、この結果、変換効率が大幅に低下する。これが、擬似位相整合デバイスにより解消可能である。擬似位相整合デバイスでは、基本波光と波長変換光との位相がπずれたところで、非線形結晶の分極を反転させ、波長変換光の位相をπずらして高効率に波長変換を行う。このことを言い換えると、基本波光と波長変換光の位相がπずれるときの距離が、擬似位相整合のピッチ長の半分（Λ／２）と一致するような基本波光と波長変換光の組み合わせのときに、高効率に波長変換が行われる。この条件を、擬似位相整合条件と呼ぶ。

非線形光学結晶中に入射した光の波長がλのときの屈折率をｎ（λ）とすると、基本波（λ_s，λ_i）から和周波（λ_f）を高効率に生成するように、擬似位相整合のピッチ長Λを決めるためには、「１／Λ＝｛ｎ（λ_f）｝／λ_f−｛ｎ（λ_s）｝／λ_s−｛ｎ（λ_i）｝／λ_i・・・（１）」を満たせばよい。ここで、和周波の波長λ_fと基本波λ_s，λ_iの間には、「１／λ_f＝１／λ_s＋１／λ_i・・・（２）」の関係式が成り立つ。

特に、２倍波の場合は、λ_sとλ_iが等しいので、式（２）よりλ_f＝λ_s／２となり、式（１）の擬似位相整合条件は、「１／Λ＝｛ｎ（λ_f）−ｎ（２λ_f）｝／λ_f・・・（３）」となる。

次に、上述した３つの関係式を用い、２つのピッチ長（Λ₁，Λ₂）を有するときの第１波長変換干渉部１０４の動作を説明する。第１波長変換干渉部１０４の第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａおよび第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂで、どのＳＣ光成分（λ_1L，λ_1L'，λ_1R）が波長変換に用いられ、どの２倍波（λ_2L，λ_2R）が生成し、第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａで生成する２倍波（λ_2L）とＳＣ光成分（λ_1L'）の和周波の波長（λ_3L）がいくつになるのかについて説明する。

第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａ（ピッチ長Λ₁）で発生する２倍波（λ_2L）と波長変換に用いられる基本波（λ_1L）との関係式は、式（３）より「１／Λ₁＝｛ｎ（λ_2L）−ｎ（２λ_2L）｝／λ_2L・・・（４）」であり、また「λ_2L＝λ_1L／２・・・（５）」である。式（４）より、ＳＣ光の２倍波（波長：λ_1L／２）が生成する。

次に、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂ（ピッチ長Λ₂）では、第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａで生成した２倍波（λ_2L）と、ＳＣ光のある成分（λ_1L'）との和周波が生成される。ピッチ長Λ₂を固定すると、用いられるＳＣ光成分（λ_1L'）と生成する和周波の波長（λ_3L）が決まり、これらの関係式は、各々「１／Λ₂＝｛ｎ（λ_3L）｝／λ_3L−｛ｎ（λ_2L）｝／λ_2L−｛ｎ（λ_1L '）｝／λ_1L'・・・（６）」、「１／λ_3L＝１／λ_2L＋１／λ_1L '・・・（７）」である。

最後に、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂのピッチ長Λ₂と発生する２倍波（λ_2R）、および波長変換に用いられるＳＣ光成分（λ_1R）との関係式は、「１／Λ₂＝｛ｎ（λ_2R）−ｎ（２λ_2R）｝／λ_2R・・・（８）」であり、また「λ_2R＝λ_1R／２・・・（９）」である。結果として、ビート信号をとるための２倍波（波長：λ_2R）と３倍波（波長：λ_3L）が決定される。

第１波長変換干渉部１０４は、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃；ＬＮ）を結晶材料とする周期分極反転ＬＮ（Periodically Poled lithium niobate；ＰＰＬＮ）から構成したリッジ構造の光導波路（リッジ導波路）とすればよい。上述した第１波長変換干渉部１０４（第２波長変換干渉部１１４）は、前段と後段とで異なる（２つの）ピッチの周期反転構造を備えるデュアルピッチＰＰＬＮである。ただし、結晶材料は、ＬＮに限定されるものではなく、和周波や２倍波などが生成可能な非線形光学結晶であればよい。例えば、ＭｇＬＮ、ＭｇＳＬＴなどを用いればよい（特許文献１参照）。

前述したように、ｆ−２ｆ自己参照干渉法に対し、２ｆ−３ｆ自己参照干渉法は、２／３オクターブ以上のＳＣ光を生成すれば安定化可能であるという利点がある。例えば、１２００ｎｍの２倍波と１８００ｎｍの３倍波を６００ｎｍで干渉させる。しかしながら、２ｆ−３ｆ自己参照干渉計では、３倍波生成に２回の非線形過程を用いるため、変換効率が低くなるという難点があった。

過去の文献では、３倍波生成に固体結晶を２枚組み合わせているが、周波数安定化に十分なＳＮ比（１００ｋＨｚ分解能帯域幅で３５ｄＢ）の光周波数コム（ＣＥＯ信号）は得られていなかった（非特許文献１，２参照）。また、位相整合条件が完全に揃わないシングルピッチＰＰＬＮ導波路を用いた２ｆ−３ｆ自己参照干渉法により、３５ｄＢのＣＥＯ信号が得られることが報告されているが、ｆ−２ｆ自己参照干渉法と同程度のパルスエネルギーが必要であった（非特許文献３，４参照）。シングルピッチＰＰＬＮは、全域にわたって同一のピッチとされた周期反転構造である。

これに対し、上述した第１波長変換干渉部１０４，第２波長変換干渉部１１４を用いた２ｆ−３ｆ自己参照干渉計によれば、ｆ−２ｆ自己参照干渉法と同程度のパルスエネルギーで、ＳＮ比最大５２ｄＢのＣＥＯ信号が得られる（非特許文献５参照）。

以下、周波数安定化に必要なパルスエネルギー閾値の評価を行った結果について説明する。この評価では、モード同期Ｅｒドープファイバーレーザー（繰り返し周波数２５０ＭＨｚ）に固定減衰器を入れてパルスエネルギーを調整した光周波数コム発生部１０１を用い、第１非線形光学媒質１０３に入射してＳＣ光を発生させた。

また、波長変換干渉部には、前述した第１波長変換干渉部１０４を用いた場合（デュアルピッチＰＰＬＮ導波路）と、比較のためのシングルピッチＰＰＬＮ導波路を用いた場合ｆ−２ｆ自己参照干渉計）とについて評価を実施した。また、第１検出部１０５でＣＥＯ信号を検出することで評価を行った。なお、周波数安定化に十分なＣＥＯ信号のＳＮ比は、１００ｋＨｚ分解能帯域幅で３５ｄＢのため、このＳＮ比を与えるＳＣ光パワーを用いて、周波数安定化に必要なパルスエネルギー閾値の評価を行った。

また、デュアルピッチＰＰＬＮ導波路としている第１波長変換干渉部１０４としては、３倍波発生に同じ波長を用いるＴｙｐｅ−Ａと、大きく異なる波長を用いるＴｙｐｅ−Ｂを使用した。

Ｔｙｐｅ−Ａは、第１波長変換干渉部１０４の第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａで、波長１８００ｎｍの基本光（第１の長波長成分）の２倍波（９００ｎｍ）を生成し、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂで、この２倍波（９００ｎｍ）と波長１８００ｎｍの基本光（第２の長波長成分）との和周波（６００ｎｍ；第２の変換光）を生成する。また、これと同時に、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂで、ＳＣ光のある基本光（１２３０ｎｍ）の２倍波（６１５ｎｍ；第１の変換光）を生成する。

Ｔｙｐｅ−Ｂは、第１波長変換干渉部１０４の第１の周期分極反転配列結晶部１０４ａで、波長１９４０ｎｍの基本光（第１の長波長成分）の２倍波（９７０ｎｍ）を生成し、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂで、この２倍波（９７０ｎｍ）と波長１３１０ｎｍの基本光（第２の長波長成分）との和周波（５５５ｎｍ；第２の変換光）を生成する。また、これと同時に、第２の周期分極反転配列結晶部１０４ｂで、ＳＣ光のある基本光（１１２０ｎｍ）の２倍波（５６０ｎｍ；第１の変換光）を生成する。

Ｔｙｐｅ−Ｂの利点は、異なるＳＣ光波長成分を用いるため３倍波の変換効率が大きくなることである。また、周期分極反転構造の位相整合条件を考えると、和周波をとる際に短い波長を使うＴｙｐｅ−Ｂの方が、同じ波長を使うＴｙｐｅ−Ａよりも２倍波と３倍波の変換波長の差が小さくなるため、２倍波・３倍波のオーバーラップが大きくなる。

一方、Ｔｙｐｅ−Ｂの不利な点は、２倍波・３倍波を生成する際に、２／３オクターブよりも広いＳＣ光が必要なため、このＳＣ光を発生させるために強いパルスエネルギーが必要なことである。実験ではＴｙｐｅ−Ａ、Ｔｙｐｅ−Ｂどちらの方が低パルスエネルギーでＣＥＯ信号が安定化できるのかについても調べた。

図３（ａ）は、Ｔｙｐｅ−Ａを測定したときのＳＣ光のパワー依存性を表している。ＳＣ光のパワーが０．３７ｎＪでも、Ｔｙｐｅ−Ａの波長変換に必要な１２００，１８００ｎｍのＳＣ光成分は広がっていた。図３（ｂ）、（ｃ）は、パワーが０．５１、０．３７ｎＪのときのＣＥＯ信号を示している。ＣＥＯ信号のＳＮ比は、０．５１ｎＪで３８ｄＢ、０．３７ｎＪで２９ｄＢであった。

図４（ａ）は、Ｔｙｐｅ−Ｂのデバイスを測定したときのＳＣ光のパワー依存性を表している。Ｔｙｐｅ−Ｂの波長変換に必要な１１２０，１３１０，１９４０ｎｍのＳＣ光成分は、パワーが０．５３ｎＪではすべて得られているが、０．３６ｎＪでは１１２０ｎｍ付近のＳＣ光が得られていない。図４（ｂ）は０．５３ｎＪのときのＣＥＯ信号である。このときのＳＮ比は３５ｄＢであった。なお、０．３６ｎＪのときはＣＥＯ信号が得られなかった。

図５（ａ）は、ｆ−２ｆ自己参照干渉計用のシングルピッチＰＰＬＮ導波路を測定したときのＳＣ光のパワー依存性を表している。波長変換に必要な１０８０，２１６０ｎｍの成分は１．１１ｎＪでは得られているが、０．９５ｎＪでは得られなかった。図５（ｂ）は、１．１１ｎＪのときのＣＥＯ信号である。このときのＳＮ比は３５ｄＢであった。なお、０．９５ｎＪのときはＣＥＯ信号が得られなかった。

以上の結果を、ＣＥＯ信号ＳＮ比の入射光パワー依存性としてまとめた結果を図６に示す。ＣＥＯ周波数安定化に十分なＳＮ比である３５ｄＢ以上のＣＥＯ信号は、ｆ−２ｆ自己参照干渉計では１．１１ｎＪとなり［図６（ｃ）］、２ｆ−３ｆ自己参照干渉計ではＴｙｐｅ−Ａで０．５１ｎＪ［図６（ａ）］、Ｔｙｐｅ−Ｂで０．５３ｎＪ［図６（ｂ）］であった。

また、実際にＴｙｐｅ−Ａ方式で入射光パワー０．３７ｎＪ（ＣＥＯ信号２９ｄＢ）での周波数安定化に成功した。Ｔｙｐｅ−Ａの構成とすることで、２ｆ−３ｆ自己参照干渉法ではｆ−２ｆ自己参照干渉法の半分以下のエネルギーで周波数安定化できることが判明した。

なお、パルスエネルギーが０．５−０．７ｎＪではＴｙｐｅ−Ａの方がＴｙｐｅ−ＢよりもＳＮ比が大きいが、パルスエネルギーが０．８−１．０ｎＪではＳＮ比の大小関係が逆転した。これは、パルスエネルギーが大きくなるにつれて、ＳＣ光がだんだん広くなり、より広いＳＣ光成分を用いるＴｙｐｅ−Ｂの方がＴｙｐｅ−ＡよりもＣＥＯ信号ＳＮ比の上で有利になるからであると考えられる。

次に、本発明の実施の形態における第１の干渉計および第２の干渉計による光周波数コム測定装置について、より詳細に説明する。実施の形態においては、第１の干渉計において、周波数安定化を実施し、第１の干渉計により安定化したＣＥＯ周波数を第２の干渉計においてモニターし、周波数安定性を周波数カウンターや位相ノイズ測定器などで測定する。ここで、第１の干渉計の周波数安定度は、周波数安定化回路によって、どれだけ周波数安定化をすることができるのかという能力を示す指標となり、第２の干渉計の周波数安定度は、安定化した光周波数コムの実質的な周波数安定性を示す。

一般には、上述したような２系統の干渉計を作る場合には、周波数安定化に十分なＳＮ比（１００ｋＨｚ分解能帯域幅で３５ｄＢ）のＣＥＯ信号を２つモニターできる必要があり、ＣＥＯ周波数計測にｆ−２ｆ自己参照干渉計を用いる場合には、パワーの強い光増幅器や通常のパワーの光増幅器が２台必要であった。あるいは、レーザーの繰り返し周波数を落としてパルスエネルギーを大きくするように、長い共振器に作り変えなければならなかった。

これに対し、本発明における第１の干渉計および第２の干渉計によれば、いずれも前段と後段とで異なるピッチの周期反転構造を備える周期分極反転配列結晶による波長変換干渉部を用いる構成としたことにより、シングルピッチのものを使う場合と比べて半分以下のパルスエネルギーで周波数安定化に十分なＳＮ比のＣＥＯ信号が得られる。この結果、本発明によれば、通常のパワーの光増幅器でＣＥＯ周波数の安定化とＣＥＯ周波数の実質的安定性を計測することが可能になる。

光増幅器を共通にすることによって、光増幅器からの周波数ノイズの影響を低減することも可能である。図７は、第１干渉計、第２の干渉計によるアラン分散を示す特性図である。図７において、「＋」は、第１の干渉計のアラン分散を示し、「○」は、第２の干渉計のアラン分散を示す。計測されたアラン分散は、ゲート時間に反比例した。また、ＣＥＯ周波数の安定度は１秒積算で１Ｈｚ以下であった。さらに、第１の干渉計と第２の干渉計のアラン分散は完全に一致していた。これは、作製した２ｆ−３ｆ自己参照干渉計内の帯域拡大部による周波数ノイズや、波長変換干渉部による周波数ノイズが十分小さいことを意味していて、実質的に１秒積算で１Ｈｚ以下の周波数揺らぎに抑えられたことを示している。

図８は、第１の干渉計、第２の干渉計によって測定された位相ノイズである。図８において、実線は、第１の干渉計の位相ノイズを示し、破線は、第２の干渉計の位相ノイズを示す。この結果も、第１の干渉計と第２の干渉計による位相ノイズの値は一致していた。従って、本発明の構成により、位相ノイズにおいても高非線形性ファイバーや干渉計による周波数ノイズの影響がでないことが確認できた。

以上に説明したように、本発明によれば、前段と後段とで異なるピッチの周期反転構造を備える周期分極反転配列結晶による第１波長変換干渉部，第２波長変換干渉部による第１の干渉計，第２の干渉計を備えるようにしたので、装置コストの上昇を抑制した状態で、光周波数コムにおける実質的な周波数の不確かさの測定ができるようになる。

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。

１０１…光周波数コム発生部、１０２…分岐部、１０３…第１非線形光学媒質（第１帯域拡大部）、１０４…第１波長変換干渉部、１０５…第１検出部、１０６…帰還制御部、１１３…第２非線形光学媒質（第２帯域拡大部）、１１４…第２波長変換干渉部、１１５…第２検出部。

Claims (2)

1. 等しい周波数間隔である複数の輝線スペクトルを有する光周波数コムを生成する光周波数コム発生部と、
   前記光周波数コム発生部より生成される光周波数コムを第１光周波数コムおよび第２光周波数コムに分岐する分岐部と、
   前記第１光周波数コムを入力して前記第１光周波数コムの光スペクトル帯域を２／３オクターブ以上に拡大させて第１ＳＣ光を生成する第１帯域拡大部と、
   前記第１ＳＣ光の短波長成分より２倍波である第１の変換光を生成し、かつ前記第１ＳＣ光の長波長成分より３倍波である第２の変換光を生成し、生成した前記第１の変換光と前記第２の変換光とを干渉させる第１波長変換干渉部と、
   前記第１波長変換干渉部において前記第１の変換光と前記第２の変換光との干渉により発生する差周波成分を検出する第１検出部と、
   前記第１検出部で検出した差周波成分を元に前記光周波数コム発生部をフィードバック制御する帰還制御部と、
   前記第２光周波数コムを入力して前記第２光周波数コムの光スペクトル帯域を２／３オクターブ以上に拡大させて第２ＳＣ光を生成する第２帯域拡大部と、
   前記第２ＳＣ光の短波長成分より２倍波である第１の変換光を生成し、かつ前記第２ＳＣ光の長波長成分より３倍波である第２の変換光を生成し、生成した前記第１の変換光と前記第２の変換光とを干渉させる第２波長変換干渉部と、
   前記第２波長変換干渉部において前記第１の変換光と前記第２の変換光との干渉により発生する差周波成分を検出する第２検出部と
   を備え、
   前記第１波長変換干渉部および前記第２波長変換干渉部は、前段に位置する第１の周期分極反転配列結晶部および後段に位置する第２の周期分極反転配列結晶部を備え、
   前記第１の周期分極反転配列結晶部は、周期的に隣り合う領域で結晶の分極が反転し、各領域の配列方向の長さが前記光周波数コムの長波長成分の２倍波発生に対応した１群の非線形光学結晶から構成され、
   前記第２の周期分極反転配列結晶部は、周期的に隣り合う領域で結晶の分極が反転し、各領域の配列方向の長さが前記光周波数コムの短波長成分の２倍波発生に対応した１群の非線形光学結晶から構成され、
   前記第２の変換光は、前記第１の周期分極反転配列結晶部において生成される前記光周波数コムの第１の長波長成分の２倍波と、前記光周波数コムの第２の長波長成分とが、前記第２の周期分極反転配列結晶部において和周波をとることで生成され、
   前記第１の変換光は、前記第２の周期分極反転配列結晶部において前記光周波数コムの短波長成分より２倍波を発生することで生成される
   ことを特徴とする光周波数コム測定装置。
2. 請求項１記載の光周波数コム測定装置において、
   前記第２の変換光を生成するための前記光周波数コムの第１の長波長成分と前記光周波数コムの第２の長波長成分とは、同じ波長であることを特徴とする光周波数コム測定装置。

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