光周波数コム安定化光源および光周波数コム安定化方法
【課題】パルスエネルギーのレーザーパルス光源を用いて通信波長帯ＣＥＯロックを実現し、ファイバレーザーアンプ段を必要としない小型化を実現した光周波数コム安定化光源を提供する。
【解決手段】低パルスエネルギーの光パルス列を出力する光パルス列発生部(10)と、前記光パルス列を用いて、この光パルス列の基本波スペクトル帯域を１オクターブ以上まで拡大した広帯域光を発生させるテルライトＰＣＦを使用した高非線形光学媒質部(11)と、光学素子を簡素化した自己参照型干渉計により遅延機構を必要とせずＣＥＯ周波数を検出する検出部(12)と、ＣＥＯ周波数と外部から入力されるマイクロ波基準周波数とを比較し、この比較結果に基づいて前記レーザー光を制御する帰還制御部(13)とを設けた。
【解決手段】低パルスエネルギーの光パルス列を出力する光パルス列発生部(10)と、前記光パルス列を用いて、この光パルス列の基本波スペクトル帯域を１オクターブ以上まで拡大した広帯域光を発生させるテルライトＰＣＦを使用した高非線形光学媒質部(11)と、光学素子を簡素化した自己参照型干渉計により遅延機構を必要とせずＣＥＯ周波数を検出する検出部(12)と、ＣＥＯ周波数と外部から入力されるマイクロ波基準周波数とを比較し、この比較結果に基づいて前記レーザー光を制御する帰還制御部(13)とを設けた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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安定化光源および光周波数コム安定化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モード同期レーザ技術の進展により、電気的方法で測定可能なマイクロ波以下のマイクロ波基準周波数を元に、光の周波数を直接測定する新しい技術が開発された（非特許文献１〜７参照）。
この技術では、光周波数コム（Comb）を、光周波数のものさしとして光周波数計測に利用している。この光周波数コムでは、安定した光パルス列の周波数領域において、一定の周波数間隔で現れる複数の線スペクトルを櫛目と見立てている。
この櫛目の間隔が光パルスの繰り返し周波数であり、各櫛目の光周波数は、隣り合う櫛目の間隔の周波数の整数倍にオフセット光周波数を加えたものとなる。
したがって、光周波数コムでは、櫛目の間隔の周波数と整数値とにより各線スペクトルの光周波数が決定できる。
【０００３】
従来より、このような光周波数コムの光源として、例えば、共振器を備えた受動モード同期レーザが用いられている（非特許文献１〜３，５，６参照）。受動モード同期レーザは、パルスレーザを発振することができる。また、受動モード同期レーザを光源とした光周波数コムの周波数を安定化する手法が提案されている（非特許文献１〜６参照）。
【０００４】
以下に、従来技術における受動モード同期レーザを光源とした光周波数コムの周波数の安定化について説明する。
まず、レーザは、一般に、光を増幅する利得媒質と、所定の共振器長Ｌを有する共振器を備えている。この共振器の縦モードの共振周波数は、ｃ／２Ｌ（ｃは利得媒質中における光速）の整数倍である。
また、受動モード同期レーザが発振するレーザ光のスペクトル幅よりも共振器の共振周波数の間がさらに狭いと、共振器において複数のモード（周波数）で共振する。このように複数のモードで共振する状態において、各モードの位相を揃える（モード同期させる）ことにより、繰り返し周波数（モード間隔）ｆrep＝ｃ／（２Ｌ）で発振するレーザ光が強められる。このように、複数のモードで共振する状態においてモード同期させることで、繰り返し周波数ｆrepのパルスレーザを発振させることができる。
【０００５】
このような、受動モード同期レーザにより発振されるパルスレーザ光は、図６において「パルス包絡線」で示されるようなパルスが、時間軸上に等しい時間間隔Ｔで並ぶ。
図６では、光搬送波電界が変化することによるパルスを、光搬送波電界の包絡線として示し、また、１つのパルスを示している。一方、周波数軸上においては、図７に示すように、等しい周波数間隔ｆrepで櫛状に並ぶ多数のモード（線スペクトル）の集合体となり、光周波数コムとなる。
一般に、時間軸上に並ぶ光搬送波電界のピークと、パルスレーザのパルスのピークとは常に一致しているわけではなく、時間的にシフトしていき、この変化も一定ではない。 例えば、図６では、光搬送波電界のピークと、包絡線により示されるパルスのピークとが、φずれている状態を示している。また、繰り返しパルス間のφのずれΔφに対応し、図７に示すように、光周波数コムもオフセット光周波数δだけオフセットされている。
【０００６】
ここで、上述した包絡線のピーク間の時間幅Ｔと、図７に示す光周波数コムのモード間隔である繰り返し周波数ｆrepとの間には、ｆrep＝１／Ｔとの関係があり、各モード（光周波数コムのピーク）のスペクトル周波数はｆn＝ｎ*ｆrep＋δ（ただし、ｎは整数）と表すことができる。ここで、δはオフセットを表し、包絡線のピークから計った光搬送波電界の位相（キャリアエンベロープ位相）をφとし、このφの隣り合うパルス（包絡線）の間のずれをΔφとすると、「δ＝（Δφ／２π）×ｆrep」である。
【０００７】
モード同期レーザ発振器のスペクトルを、例えば、フォトニック結晶ファイバなどで生じる自己位相変調効果を用いて周波数を２倍以上（帯域１オクターブ以上）の白色光を発生させる。このことにより、光周波数コムの櫛目となるモードの数を増大させることができる。
この白色光の長波長成分ｆ1(ｆ1＝ｎ＊ｆrep＋δ）の第２高調波を発生させると、その周波数は、ｆ2＝２＊（ｎ＊ｆrep＋δ）となり、また、白色光の短波長成分は、ｆ3＝２＊ｎ＊ｆrep＋δと表せる。したがって、ｆ2とｆ3の２つの光を干渉させて発生するうなり信号を、例えばフォトダイオードを用いて検出することによりｆ2とｆ3の周波数差ｆ2-ｆ3＝δの値を測定することができる。
そこで、その測定値を外部からのマイクロ波基準周波数と比較し、それからのずれの大きさを元に電子回路で共振器内の非線形分散の大きさにフィードバックを行うことによって、キャリアエンベロープ位相差Δφ、すなわち前述した光周波数コムのオフセット周波数δを安定化することができる。一方、モード同期レーザ発振器の繰返し周波数は、フォトダイオードで検出した繰返し周波数信号を元に、レーザの共振器長に検出信号をフィードバックすることにより、ある有限の範囲内に固定することが可能である。
このようにして、オフセット周波数とモード周波数間隔とを一定にした光周波数コム安定化光源が、共振器装置を備えたモード同期レーザをベースに開発されている(非特許文献１〜７参照)。
また、上述したような光周波数コムの周波数安定化に使用される光源を用いた、高い精度で任意の中心光周波数および繰り返し周波数の光周波数コムを得られるような光周波数コム安定化光源が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１１６２４２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】D.J.Jones, et al., "Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis", Science, Vol.288, pp.635-639, 2000.
【非特許文献２】R.Holzwarth, et al., "Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy", Phys. Rev. Lett., Vol.85, No.11, pp.2264-2267, 2000.
【非特許文献３】K.Sugiyama, et al., "Frequency Control of a Chirped-Mirror-Dispersion-Controlled Mode-Locked Ti:Al2O3 Laser for Comparison between Microwave and Optical Frequencies", Proceedings of SPIE, Vol.4269, pp.95-104,2001
【非特許文献４】T.R.Schibli, et al., "Frequency metrology with a turnkey all-fiber system", Optics Letters ,Vol.29, No.21, pp.2467-2469, 2004.
【非特許文献５】T.M.Foritier, et al., "Octave-spanning Ti:sapphire laser with a repetition rate >1 GHz for optical frequency measurements and comparisons", Optics Letters ,Vol.31, No.7, pp.1011-1013, 2006.
【非特許文献６】I. Hartl, et al., "Integrated self-referenced frequency-comb laser based on a combination of fiber and waveguide technology", Optics Express, Vol.13, No.17, pp.6490-6496,2005.
【非特許文献７】A. Bartles, et al., "Spectrally resolved optical frequency comb from a self-referenced 5GHz femtosecond laser" Optics Letters,Vol.32,No17,pp2553-2555,2007.
【非特許文献８】A. Ishizawa, et al., "Demonstration of carrier envelope offset locking with pulse energy", Optics Express, Vol.16, No.7, pp4706-4712, 2008.
【非特許文献９】D. DingHuan, et al., "75-femtosecond all-fiber ultrashort pulse laser" Chinese Science Bulletin, Vol.53, No.13, pp1937-pp1940, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、光周波数コムの周波数安定化に使用される光源には、キャリアエンベロープオフセット（ＣＥＯ）検出に必要なオクターブ帯域光を発生させる為に、高出力光パルスが必要である。
【００１１】
また、非特許文献６に開示されている技術では、オクターブ光発生や自己参照干渉計で用いる全ての光ファイバに石英系ファイバを用い、石英分散補償ファイバを遅延線として採用するコリニア型の自己参照干渉計を構築することによって、通信波長帯ＣＥＯロック光周波数コムで要求されるレーザパルスエネルギーの低閾値化を成功した。しかしながら、非特許文献６の技術を用いた通信波長帯ＣＥＯロック光周波数コムで要求されるレーザパルスエネルギーの値は６００pJであることが報告されている。
これに対し、これまでの受動モード同期ファイバレーザ発振器のパルスエネルギーの最高記録は５８０pJである（非特許文献９参照）。
【００１２】
このことから、石英材料で作られる高非線形ファイバを使用した光周波数コム安定化光源では、ファイバレーザではＣＥＯロックのためにファイバレーザアンプ段を必要とするために、通信波長帯ＣＥＯロックの光周波数コム安定化光源の小型化は困難であった。
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、小型化を実現した光周波数コム安定化光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するために、光パルス列を出力する光パルス列発生部と、この光パルス列発生部によって出力される光パルス列のスペクトル帯域を１オクターブ以上に拡大した広帯域光を発生させる高非線形光学媒質部と、この高非線形光学媒質部より発生した広帯域光の光パルス列からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する検出部と、この検出部によって検出されたキャリアエンベロープオフセット周波数と外部から入力される基準周波数との比較結果に基づいて前記光パルス列発生部を制御する帰還制御部とを少なくとも備え、前記高非線形光学媒質部は、石英材料で作られる高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つ広帯域光発生ファイバであり、前記検出部は、前記高非線形光学媒質部から出力される広帯域光の長波長成分の第二高調波を発生させると同時に、長波長成分の第二高調波と短波長波とを合波させる非線形光学結晶部と、この非線形光学結晶部によって合波されたレーザ光を平行光にするコリメート用レンズと、このコリメート用レンズによって平行光にされたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット干渉信号の波長成分を抽出するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタを通過したレーザ光を集光する集光レンズと、この集光レンズによって集光されたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する光検出部とを備えた。
【００１４】
また、本発明の光周波数コム安定化光源における前記検出部は、前記高非線形光学媒質部から出力される広帯域光の一部を遅延させる機構を持たない一軸干渉計を構成することを特徴としても良い。
さらに、本発明の光周波数コム安定化光源における前記光パルス列発生部は、前記高非線形光学媒質部の分散特性に対応して任意に中心光波長を選択できるレーザパルス光源と、テーパー化したファイバを備え、入力レーザ光のモードフィールド径を縮小するレーザパルス伝搬ファイバと、前記レーザパルス光源から出力されるレーザ光の偏光の向きを調節する偏光コントローラとを備える構成としても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、石英材料で作られる高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つ広帯域光発生ファイバを光非線形光学媒質部に使用することによって、低パルスエネルギーで光周波数コムの安定化を実現でき、また、広帯域光発生ファイバの長さが従来の石英材料の高非線形ファイバよりも短くすることが可能となり、超広帯域光の長短波長成分の時間差が少なく遅延機構を不要とした一軸干渉計を構成することが可能となる。
したがって、ファイバアンプ段と遅延機構を不要とする構成を有することにより、光周波数コム安定化光源の小型化の実現を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源の構成を示すブロック図である。
【図２】長さ３０ｃｍのテルライトＰＣＦを使用した場合のオクターブ光の群遅延速度の測定データを示す図である。
【図３】遅延機構を設置した２軸の自己参照干渉計を用いたときの遅延時間とＣＥＯ干渉信号のＳＮＲの関係の実験データを示す図である。
【図４】パルスエネルギー５００pJを用いて、本発明の実施の形態における光学素子の構成でＣＥＯロックしたときの周波数スペクトルデータである。
【図５】ＣＥＯ周波数とマイクロ波基準周波数との差分である電気信号波形を示す図である。
【図６】光パルスにおける光搬送波の位相についての説明図である。
【図７】光パルスの周波数軸上における線スペクトルの状態を示す説明図である。
【図８】一般的なＣＥＯロック光周波数コムの光学系素子の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
なお、以下に説明する本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源は、本発明の実施の形態の一例であり、具体的な構成はこのの実施の形態に限られるものではない。すなわち、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での設計の変更は、本発明に含まれるものである。
【００１８】
本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源は、従来よりも低いパルスエネルギーのレーザ光源を使用して通信波長帯ＣＥＯロックを実現するものである。
図１に示すように、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源１は、光パルスを発生させる光パルス列発生部１０と、広帯域光を発生させる高非線形光学媒質部１１と、ＣＥＯ周波数を検出する検出部１２と、レーザ光源を制御する帰還制御部１３とから構成されている。
【００１９】
このうち、光パルス発生部１０は、レーザパルス光源１０１と、偏光コントローラ１０２と、レーザパルス伝搬用のファイバ１０３と、高ＮＡ（Numerical Aperture）ファイバ１０５と、レーザパルス伝搬用のファイバ１０３と高ＮＡファイバ１０５とを接続する光ファイバの接続部１０４とから構成されている。
【００２０】
ここで、レーザパルス光源１０１は、受動モード同期ファイバレーザ発振器を用いる。レーザパルス光源１０１から出力されるレーザパルス光の中心光波長は、高非線形光学媒質部１１の分散特性に対応して任意に選択可能である。なお、受動モード同期ファイバレーザ発振器に代えて、ＣＷ（連続波）光源を用いてもよい。この場合は、このＣＷ光を位相変調手段においてマイクロ波基準周波数発生器から送信される周波数ｆrepで位相変調し、波長分散付与手段で適切な分散を与えることによって、繰返し周波数ｆrepの光パルス列を発生することができる（特許文献１）。
偏光コントローラ１０２は、レーザパルス光源１０１から出力されるレーザ光の向きを、後述するテルライトフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）１１１のフォトニック結晶の構造に起因するオクターブ光発生に最適な直線偏光の向きへ調節する。
【００２１】
高ＮＡファイバ１０５のコア径はレーザパルス伝搬用ファイバ１０３のコア径よりも小さい。したがって、光パルス伝搬用ファイバ１０３と高ＮＡファイバ１０５とを接続するファイバ接続部１０４では、光パルス伝搬用ファイバ１０３のコア径がテーパー状になっており、ファイバ接続部１０４へ向かって徐々にモードフィールド径を小さくしている。
また、光パルス伝搬用ファイバ１０３および高ＮＡファイバ１０５との接続部であるファイバ接続部１０４にあたっては、熱拡散（ＴＥＣ）処理を施して、接合部分でモードフィールド径のミスマッチによる接続損失を低減させている。
また、高ＮＡファイバ１０５の長さは、ファイバ内部で起こる非線形効果の影響を小さくするため、より短いことが望ましい。例えば、光パルス伝搬用ファイバ１０３にはシングルモードファイバ(モードフィールド径：８.０ mm)、高ＮＡファイバ１０５にはコア径の小さいファイバ(モードフィールド径:２．５ mm)を用いることが出来る。その際、ファイバ内部での非線形効果の影響を回避するため、高ＮＡファイバの長さは１０cm以下である必要がある。
【００２２】
高非線形光学媒質部１１は、石英高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つテルライトＰＣＦ１１１とファイバ固定用の基板にＶ溝が形成されたファイバ接続部１１２とから構成されている。
テルライトフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）１１１は、ファイバ内の非線形効果を利用して１オクターブ以上の広帯域光を発生させる。ここで、より低いパルスエネルギーでオクターブ光を発生させるためには、非線形屈折率ｎ2とファイバの実行断面積Ａeffとで決まる非線形定数γ＝２πｎ2／λＡeffの値がより大きく、入射光の波長で伝搬に伴うパルス幅の広がりを抑えられるように群速度分散がより小さく、従来よりも低損失のファイバを用いればよい。
具体的には、屈折率が大きなテルライト材料を用いたフォトニック結晶構造のファイバでは、石英材料を用いた高非線形ファイバよりも３０倍以上の高いγ値を持つことが報告されている（非特許文献９参照)。
このように、テルライトＰＣＦを用いることによって、石英材料を用いた高非線形ファイバよりも低いパルスエネルギーでオクターブ光を発生できる。
【００２３】
また、テルライト材料は、石英材料と融点温度が異なるために融着接続が困難である。
そこで、石英材料の高ＮＡファイバ１０５とテルライトＰＣＦ１１１との接続は、角度付きＶ溝接続するファイバ接続部１１２を用いて接続する。Ｖ溝接続とはファイバ固定用の基板にＶ溝が形成されており、そこにファイバ両端面を付き合わせ接着剤で固定する接続方法である。角度付きでＶ溝接続する理由は端面反射によりレーザパルスの戻り光損失を増加させて、レーザ光機器への戻り光を防ぎ、かつ、レーザ光結合効率を向上させるためである。
具体的には、双方のファイバ固定用Ｖ溝フォルダをファイバ固定用の基盤に作成して、ファイバ両端面を付き合わせた後に、紫外硬化樹脂を用いてするＶ溝接続によるファイバ接続部１１２を用いる。対物レンズを使用した場合のテルライトＰＣＦへのレーザ光結合効率は約２３％であるが、Ｖ溝接続を使用した場合、その結合効率が約４０％まで改善する。
なお、高非線形光学媒質部１１には、従来よりも分散特性が低い高非線形ファイバを用いることによってオクターブ光を発生させることとしても良い。
【００２４】
ＣＥＯ周波数を検出する検出部１２は、第二高調波発生用の非線形光学結晶部１２１と、コリメート用レンズ１２２と、干渉信号検出に必要となる波長帯域を透過させるためのバンドパスフィルタ１２３と、集光レンズ１２４と、光検出部１２５とから構成されている。
【００２５】
第二高調波発生用の非線形光学結晶部１２１（例えば、ＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium niobate）導波路）は、テルライトＰＣＦ１１１とバットジョント接続し、非線形光学結晶部１２１の内部でオクターブ光の長波長成分の第二高調波を発生させると同時に、長波長成分の第二高調波と短波長成分を合波させる。
コリメート用レンズ１２２は、非線形光学結晶部１２１によって合波されたレーザ光を平行光にする。
バンドパスフィルタ１２３は、このコリメート用レンズ１２２によって平行光にされたレーザ光から、ＣＥＯ干渉信号の波長成分を抽出する。
集光レンズ１２４は、バンドパスフィルタ１２３を通過したレーザ光を集光する。
光検出部１２５は、集光レンズ１２４によって集光されたレーザ光からＣＥＯ周波数を検出する。
【００２６】
ここで、ＣＥＯ周波数を検出する検出部１２が、上述のような簡素化された構成を実現する理由について説明する。
非特許文献６に開示されている技術によると、通信波長帯レーザパルス光源を使用して低パルスエネルギーによるＣＥＯ周波数の検出には、光学素子を簡素化したコリニア自己参照干渉計が使用される。例えば、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源おいて、テルライトＰＣＦ１１１から発生するオクターブ光について、非特許文献６に開示されているコリニア干渉計と同様の構成を有したテルライトＰＣＦと高ＮＡファイバ１０５とを接続した場合では、テルライトＰＣＦと高ＮＡファイバ１０５との結合損失が大きく、ＣＥＯ信号がノイズレベル以下となってしまう。
【００２７】
しかしながら、実験結果より本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源におけるレーザパルス光源で、オクターブ光を発生させるために最適なテルライトＰＣＦの長さは約３０cmであることが導出された。
また、図２に示す長さ３０cmのテルライトＰＣＦを使用したオクターブ光の群遅延速度の実測データから、３０cmの長さのテルライトＰＣＦを使用して発生したオクターブ光の短波長成分と長波長成分(例えば、１０４０nmと２０８０nm)の遅延時間は、約３psと見積もられる。
一方、遅延機構を設置した自己参照干渉計を使って遅延時間とＣＥＯ干渉信号のＳＮＲとの関係の計測結果を図３に示す。図３より、長さ３０cmのテルライトＰＣＦを使用した場合、オクターブ光の短波長成分と長波長成分の時間遅延は約３psであることから、ＣＥＯ干渉信号のＳＮＲに与える影響が小さいことが分かる。
したがって、本実施の形態においては、遅延機構を設置しない光学素子を簡素化したコリニア自己参照干渉計を構成することができる。
【００２８】
帰還制御部１３は、マイクロ波基準周波数発生部１３１と、帰還回路部１３２とから構成されている。
マイクロ波基準周波数発生部１３１は、基準周波数を有するマイクロ波(例えばＧＰＳ（Global Positioning System ）信号)を発生させて帰還回路部１３２へ供給する。
帰還回路部１３２は、マイクロ波基準周波数発生部１３１より供給されるマイクロ波(例えばＧＰＳ信号)の基準周波数と検出部１２によって検出されたＣＥＯ周波数とを比較参照し、比較結果に基づいてレーザパルス光源１０１を制御する。
【００２９】
例えば、レーザパルス光源１０１が受動モード同期レーザの場合には、帰還回路部１３２はマイクロ波基準周波数発生部１３１より供給されるマイクロ波の基準周波数と検出部１２によって検出されたＣＥＯ周波数との比較結果に基づいて、レーザパルス光源１０１が発振するレーザの励起光強度を安定化するように制御する。また、ＣＷ光源を使った位相変調方式の場合には、帰還回路部１３２は、ＣＷ光源の波長に比較結果をフィードバック制御することで光周波数コムの周波数を安定化制御する(特許文献１参照)。
【００３０】
ＣＷ光源の波長制御は、例えば、ＣＷ光源の注入電流あるいは温度を変化させることによって、ＣＷ光源の波長を安定化させることができる。
ここで、５００pJのレーザパルスエネルギーを使用して本実施の形態における光学素子の構成によってマイクロ波基準周波数２０MHzを用いてＣＥＯロックしたときの周波数スペクトルデータを図４に示す。さらに、ＣＥＯ周波数とマイクロ波基準周波数との差分を示す電気信号波形を図５にしめす。図４と図５とから、帰還回路部１３２を用いるとＣＥＯ周波数とマイクロ波基準周波数との周波数差がゼロになり、ＣＥＯロックしていることを示している。
近年、パルスエネルギー５８０pJのフェムト秒ファイバレーザ発振器（非特許文献１０参照）が実現されており、増幅段を必要とせずにファイバレーザ発振器のみで通信波長帯ＣＥＯロックを実現するために、本発明は有用である。
【００３１】
このように、本発明の光周波数コム安定化光源は、ファイバレーザ増幅段を必要とせず、かつ、遅延機構を設置しない光学素子を簡素化した一軸干渉計を用いることでファイバレーザ発振器のみでＣＥＯロック光周波数コムを実現できる。
このことから、従来以上に光周波数コム安定化光源を小型化することができ、光周波数コムの各モードを利用した通信分野や分光学分野の発展に寄与するものであり、本発明が従来技術よりも優れていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
このような光周波数コムは、マイクロ波周波数を光の周波数領域までつなぐ周波数基準となり、高精度な周波数基準および関連する基礎物理学だけではなく、通信、精密計測、量子情報通信などの分野への応用が展開されると考えられる。
さらに、超高確度な波長を有する光周波数コムの安定化光源を小型化することによって、超精密分光や次世代コヒーレント通信などの新たな利用分野が飛躍的に広がることが期待できる。
【符号の説明】
【００３３】
１…光周波数コム安定化光源、１０…光パルス列発生部、１１…高非線形光学媒質部、１２…検出部、１３…帰還制御部、１０１…レーザパルス光源、１０２…偏光コントローラ、１０３…レーザパルス伝搬用のファイバ、１０４…ファイバ接続部（ＴＥＣ処理）、１０５…高ＮＡファイバ、１１１…テルライトＰＣＦ、１１２…ファイバ接続部（Ｖ溝接続）、１２１…第二高調波発生用の非線形光学結晶部、１２２…コリメート用レンズ、１２３…バンドパスフィルタ、１２４…集光レンズ、１２５…光検出部、１３１…マイクロ波基準周波数発生部、１３２…帰還回路部、８０１…ファイバレーザ増幅器、８０２…レーザパルス伝搬用ファイバ、８０３…λ／２波長板、８０４…対物レンズ、８０５…高非線形ファイバ、８０６…ロングパスフィルタ、８０７…非線形結晶、８０８…バンドパスフィルタ、８０９…グランレーザプリズム、８１０…アバランシェ・フォトダイオード、８１１…帰還回路。
【技術分野】
【０００１】
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安定化光源および光周波数コム安定化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、モード同期レーザ技術の進展により、電気的方法で測定可能なマイクロ波以下のマイクロ波基準周波数を元に、光の周波数を直接測定する新しい技術が開発された（非特許文献１〜７参照）。
この技術では、光周波数コム（Comb）を、光周波数のものさしとして光周波数計測に利用している。この光周波数コムでは、安定した光パルス列の周波数領域において、一定の周波数間隔で現れる複数の線スペクトルを櫛目と見立てている。
この櫛目の間隔が光パルスの繰り返し周波数であり、各櫛目の光周波数は、隣り合う櫛目の間隔の周波数の整数倍にオフセット光周波数を加えたものとなる。
したがって、光周波数コムでは、櫛目の間隔の周波数と整数値とにより各線スペクトルの光周波数が決定できる。
【０００３】
従来より、このような光周波数コムの光源として、例えば、共振器を備えた受動モード同期レーザが用いられている（非特許文献１〜３，５，６参照）。受動モード同期レーザは、パルスレーザを発振することができる。また、受動モード同期レーザを光源とした光周波数コムの周波数を安定化する手法が提案されている（非特許文献１〜６参照）。
【０００４】
以下に、従来技術における受動モード同期レーザを光源とした光周波数コムの周波数の安定化について説明する。
まず、レーザは、一般に、光を増幅する利得媒質と、所定の共振器長Ｌを有する共振器を備えている。この共振器の縦モードの共振周波数は、ｃ／２Ｌ（ｃは利得媒質中における光速）の整数倍である。
また、受動モード同期レーザが発振するレーザ光のスペクトル幅よりも共振器の共振周波数の間がさらに狭いと、共振器において複数のモード（周波数）で共振する。このように複数のモードで共振する状態において、各モードの位相を揃える（モード同期させる）ことにより、繰り返し周波数（モード間隔）ｆrep＝ｃ／（２Ｌ）で発振するレーザ光が強められる。このように、複数のモードで共振する状態においてモード同期させることで、繰り返し周波数ｆrepのパルスレーザを発振させることができる。
【０００５】
このような、受動モード同期レーザにより発振されるパルスレーザ光は、図６において「パルス包絡線」で示されるようなパルスが、時間軸上に等しい時間間隔Ｔで並ぶ。
図６では、光搬送波電界が変化することによるパルスを、光搬送波電界の包絡線として示し、また、１つのパルスを示している。一方、周波数軸上においては、図７に示すように、等しい周波数間隔ｆrepで櫛状に並ぶ多数のモード（線スペクトル）の集合体となり、光周波数コムとなる。
一般に、時間軸上に並ぶ光搬送波電界のピークと、パルスレーザのパルスのピークとは常に一致しているわけではなく、時間的にシフトしていき、この変化も一定ではない。 例えば、図６では、光搬送波電界のピークと、包絡線により示されるパルスのピークとが、φずれている状態を示している。また、繰り返しパルス間のφのずれΔφに対応し、図７に示すように、光周波数コムもオフセット光周波数δだけオフセットされている。
【０００６】
ここで、上述した包絡線のピーク間の時間幅Ｔと、図７に示す光周波数コムのモード間隔である繰り返し周波数ｆrepとの間には、ｆrep＝１／Ｔとの関係があり、各モード（光周波数コムのピーク）のスペクトル周波数はｆn＝ｎ*ｆrep＋δ（ただし、ｎは整数）と表すことができる。ここで、δはオフセットを表し、包絡線のピークから計った光搬送波電界の位相（キャリアエンベロープ位相）をφとし、このφの隣り合うパルス（包絡線）の間のずれをΔφとすると、「δ＝（Δφ／２π）×ｆrep」である。
【０００７】
モード同期レーザ発振器のスペクトルを、例えば、フォトニック結晶ファイバなどで生じる自己位相変調効果を用いて周波数を２倍以上（帯域１オクターブ以上）の白色光を発生させる。このことにより、光周波数コムの櫛目となるモードの数を増大させることができる。
この白色光の長波長成分ｆ1(ｆ1＝ｎ＊ｆrep＋δ）の第２高調波を発生させると、その周波数は、ｆ2＝２＊（ｎ＊ｆrep＋δ）となり、また、白色光の短波長成分は、ｆ3＝２＊ｎ＊ｆrep＋δと表せる。したがって、ｆ2とｆ3の２つの光を干渉させて発生するうなり信号を、例えばフォトダイオードを用いて検出することによりｆ2とｆ3の周波数差ｆ2-ｆ3＝δの値を測定することができる。
そこで、その測定値を外部からのマイクロ波基準周波数と比較し、それからのずれの大きさを元に電子回路で共振器内の非線形分散の大きさにフィードバックを行うことによって、キャリアエンベロープ位相差Δφ、すなわち前述した光周波数コムのオフセット周波数δを安定化することができる。一方、モード同期レーザ発振器の繰返し周波数は、フォトダイオードで検出した繰返し周波数信号を元に、レーザの共振器長に検出信号をフィードバックすることにより、ある有限の範囲内に固定することが可能である。
このようにして、オフセット周波数とモード周波数間隔とを一定にした光周波数コム安定化光源が、共振器装置を備えたモード同期レーザをベースに開発されている(非特許文献１〜７参照)。
また、上述したような光周波数コムの周波数安定化に使用される光源を用いた、高い精度で任意の中心光周波数および繰り返し周波数の光周波数コムを得られるような光周波数コム安定化光源が提案されている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−１１６２４２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】D.J.Jones, et al., "Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis", Science, Vol.288, pp.635-639, 2000.
【非特許文献２】R.Holzwarth, et al., "Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy", Phys. Rev. Lett., Vol.85, No.11, pp.2264-2267, 2000.
【非特許文献３】K.Sugiyama, et al., "Frequency Control of a Chirped-Mirror-Dispersion-Controlled Mode-Locked Ti:Al2O3 Laser for Comparison between Microwave and Optical Frequencies", Proceedings of SPIE, Vol.4269, pp.95-104,2001
【非特許文献４】T.R.Schibli, et al., "Frequency metrology with a turnkey all-fiber system", Optics Letters ,Vol.29, No.21, pp.2467-2469, 2004.
【非特許文献５】T.M.Foritier, et al., "Octave-spanning Ti:sapphire laser with a repetition rate >1 GHz for optical frequency measurements and comparisons", Optics Letters ,Vol.31, No.7, pp.1011-1013, 2006.
【非特許文献６】I. Hartl, et al., "Integrated self-referenced frequency-comb laser based on a combination of fiber and waveguide technology", Optics Express, Vol.13, No.17, pp.6490-6496,2005.
【非特許文献７】A. Bartles, et al., "Spectrally resolved optical frequency comb from a self-referenced 5GHz femtosecond laser" Optics Letters,Vol.32,No17,pp2553-2555,2007.
【非特許文献８】A. Ishizawa, et al., "Demonstration of carrier envelope offset locking with pulse energy", Optics Express, Vol.16, No.7, pp4706-4712, 2008.
【非特許文献９】D. DingHuan, et al., "75-femtosecond all-fiber ultrashort pulse laser" Chinese Science Bulletin, Vol.53, No.13, pp1937-pp1940, 2008.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、光周波数コムの周波数安定化に使用される光源には、キャリアエンベロープオフセット（ＣＥＯ）検出に必要なオクターブ帯域光を発生させる為に、高出力光パルスが必要である。
【００１１】
また、非特許文献６に開示されている技術では、オクターブ光発生や自己参照干渉計で用いる全ての光ファイバに石英系ファイバを用い、石英分散補償ファイバを遅延線として採用するコリニア型の自己参照干渉計を構築することによって、通信波長帯ＣＥＯロック光周波数コムで要求されるレーザパルスエネルギーの低閾値化を成功した。しかしながら、非特許文献６の技術を用いた通信波長帯ＣＥＯロック光周波数コムで要求されるレーザパルスエネルギーの値は６００pJであることが報告されている。
これに対し、これまでの受動モード同期ファイバレーザ発振器のパルスエネルギーの最高記録は５８０pJである（非特許文献９参照）。
【００１２】
このことから、石英材料で作られる高非線形ファイバを使用した光周波数コム安定化光源では、ファイバレーザではＣＥＯロックのためにファイバレーザアンプ段を必要とするために、通信波長帯ＣＥＯロックの光周波数コム安定化光源の小型化は困難であった。
本発明は上述の課題を解決するためになされたものであり、小型化を実現した光周波数コム安定化光源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、上記目的を達成するために、光パルス列を出力する光パルス列発生部と、この光パルス列発生部によって出力される光パルス列のスペクトル帯域を１オクターブ以上に拡大した広帯域光を発生させる高非線形光学媒質部と、この高非線形光学媒質部より発生した広帯域光の光パルス列からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する検出部と、この検出部によって検出されたキャリアエンベロープオフセット周波数と外部から入力される基準周波数との比較結果に基づいて前記光パルス列発生部を制御する帰還制御部とを少なくとも備え、前記高非線形光学媒質部は、石英材料で作られる高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つ広帯域光発生ファイバであり、前記検出部は、前記高非線形光学媒質部から出力される広帯域光の長波長成分の第二高調波を発生させると同時に、長波長成分の第二高調波と短波長波とを合波させる非線形光学結晶部と、この非線形光学結晶部によって合波されたレーザ光を平行光にするコリメート用レンズと、このコリメート用レンズによって平行光にされたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット干渉信号の波長成分を抽出するバンドパスフィルタと、このバンドパスフィルタを通過したレーザ光を集光する集光レンズと、この集光レンズによって集光されたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する光検出部とを備えた。
【００１４】
また、本発明の光周波数コム安定化光源における前記検出部は、前記高非線形光学媒質部から出力される広帯域光の一部を遅延させる機構を持たない一軸干渉計を構成することを特徴としても良い。
さらに、本発明の光周波数コム安定化光源における前記光パルス列発生部は、前記高非線形光学媒質部の分散特性に対応して任意に中心光波長を選択できるレーザパルス光源と、テーパー化したファイバを備え、入力レーザ光のモードフィールド径を縮小するレーザパルス伝搬ファイバと、前記レーザパルス光源から出力されるレーザ光の偏光の向きを調節する偏光コントローラとを備える構成としても良い。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、石英材料で作られる高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つ広帯域光発生ファイバを光非線形光学媒質部に使用することによって、低パルスエネルギーで光周波数コムの安定化を実現でき、また、広帯域光発生ファイバの長さが従来の石英材料の高非線形ファイバよりも短くすることが可能となり、超広帯域光の長短波長成分の時間差が少なく遅延機構を不要とした一軸干渉計を構成することが可能となる。
したがって、ファイバアンプ段と遅延機構を不要とする構成を有することにより、光周波数コム安定化光源の小型化の実現を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源の構成を示すブロック図である。
【図２】長さ３０ｃｍのテルライトＰＣＦを使用した場合のオクターブ光の群遅延速度の測定データを示す図である。
【図３】遅延機構を設置した２軸の自己参照干渉計を用いたときの遅延時間とＣＥＯ干渉信号のＳＮＲの関係の実験データを示す図である。
【図４】パルスエネルギー５００pJを用いて、本発明の実施の形態における光学素子の構成でＣＥＯロックしたときの周波数スペクトルデータである。
【図５】ＣＥＯ周波数とマイクロ波基準周波数との差分である電気信号波形を示す図である。
【図６】光パルスにおける光搬送波の位相についての説明図である。
【図７】光パルスの周波数軸上における線スペクトルの状態を示す説明図である。
【図８】一般的なＣＥＯロック光周波数コムの光学系素子の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。
なお、以下に説明する本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源は、本発明の実施の形態の一例であり、具体的な構成はこのの実施の形態に限られるものではない。すなわち、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での設計の変更は、本発明に含まれるものである。
【００１８】
本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源は、従来よりも低いパルスエネルギーのレーザ光源を使用して通信波長帯ＣＥＯロックを実現するものである。
図１に示すように、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源１は、光パルスを発生させる光パルス列発生部１０と、広帯域光を発生させる高非線形光学媒質部１１と、ＣＥＯ周波数を検出する検出部１２と、レーザ光源を制御する帰還制御部１３とから構成されている。
【００１９】
このうち、光パルス発生部１０は、レーザパルス光源１０１と、偏光コントローラ１０２と、レーザパルス伝搬用のファイバ１０３と、高ＮＡ（Numerical Aperture）ファイバ１０５と、レーザパルス伝搬用のファイバ１０３と高ＮＡファイバ１０５とを接続する光ファイバの接続部１０４とから構成されている。
【００２０】
ここで、レーザパルス光源１０１は、受動モード同期ファイバレーザ発振器を用いる。レーザパルス光源１０１から出力されるレーザパルス光の中心光波長は、高非線形光学媒質部１１の分散特性に対応して任意に選択可能である。なお、受動モード同期ファイバレーザ発振器に代えて、ＣＷ（連続波）光源を用いてもよい。この場合は、このＣＷ光を位相変調手段においてマイクロ波基準周波数発生器から送信される周波数ｆrepで位相変調し、波長分散付与手段で適切な分散を与えることによって、繰返し周波数ｆrepの光パルス列を発生することができる（特許文献１）。
偏光コントローラ１０２は、レーザパルス光源１０１から出力されるレーザ光の向きを、後述するテルライトフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）１１１のフォトニック結晶の構造に起因するオクターブ光発生に最適な直線偏光の向きへ調節する。
【００２１】
高ＮＡファイバ１０５のコア径はレーザパルス伝搬用ファイバ１０３のコア径よりも小さい。したがって、光パルス伝搬用ファイバ１０３と高ＮＡファイバ１０５とを接続するファイバ接続部１０４では、光パルス伝搬用ファイバ１０３のコア径がテーパー状になっており、ファイバ接続部１０４へ向かって徐々にモードフィールド径を小さくしている。
また、光パルス伝搬用ファイバ１０３および高ＮＡファイバ１０５との接続部であるファイバ接続部１０４にあたっては、熱拡散（ＴＥＣ）処理を施して、接合部分でモードフィールド径のミスマッチによる接続損失を低減させている。
また、高ＮＡファイバ１０５の長さは、ファイバ内部で起こる非線形効果の影響を小さくするため、より短いことが望ましい。例えば、光パルス伝搬用ファイバ１０３にはシングルモードファイバ(モードフィールド径：８.０ mm)、高ＮＡファイバ１０５にはコア径の小さいファイバ(モードフィールド径:２．５ mm)を用いることが出来る。その際、ファイバ内部での非線形効果の影響を回避するため、高ＮＡファイバの長さは１０cm以下である必要がある。
【００２２】
高非線形光学媒質部１１は、石英高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つテルライトＰＣＦ１１１とファイバ固定用の基板にＶ溝が形成されたファイバ接続部１１２とから構成されている。
テルライトフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）１１１は、ファイバ内の非線形効果を利用して１オクターブ以上の広帯域光を発生させる。ここで、より低いパルスエネルギーでオクターブ光を発生させるためには、非線形屈折率ｎ2とファイバの実行断面積Ａeffとで決まる非線形定数γ＝２πｎ2／λＡeffの値がより大きく、入射光の波長で伝搬に伴うパルス幅の広がりを抑えられるように群速度分散がより小さく、従来よりも低損失のファイバを用いればよい。
具体的には、屈折率が大きなテルライト材料を用いたフォトニック結晶構造のファイバでは、石英材料を用いた高非線形ファイバよりも３０倍以上の高いγ値を持つことが報告されている（非特許文献９参照)。
このように、テルライトＰＣＦを用いることによって、石英材料を用いた高非線形ファイバよりも低いパルスエネルギーでオクターブ光を発生できる。
【００２３】
また、テルライト材料は、石英材料と融点温度が異なるために融着接続が困難である。
そこで、石英材料の高ＮＡファイバ１０５とテルライトＰＣＦ１１１との接続は、角度付きＶ溝接続するファイバ接続部１１２を用いて接続する。Ｖ溝接続とはファイバ固定用の基板にＶ溝が形成されており、そこにファイバ両端面を付き合わせ接着剤で固定する接続方法である。角度付きでＶ溝接続する理由は端面反射によりレーザパルスの戻り光損失を増加させて、レーザ光機器への戻り光を防ぎ、かつ、レーザ光結合効率を向上させるためである。
具体的には、双方のファイバ固定用Ｖ溝フォルダをファイバ固定用の基盤に作成して、ファイバ両端面を付き合わせた後に、紫外硬化樹脂を用いてするＶ溝接続によるファイバ接続部１１２を用いる。対物レンズを使用した場合のテルライトＰＣＦへのレーザ光結合効率は約２３％であるが、Ｖ溝接続を使用した場合、その結合効率が約４０％まで改善する。
なお、高非線形光学媒質部１１には、従来よりも分散特性が低い高非線形ファイバを用いることによってオクターブ光を発生させることとしても良い。
【００２４】
ＣＥＯ周波数を検出する検出部１２は、第二高調波発生用の非線形光学結晶部１２１と、コリメート用レンズ１２２と、干渉信号検出に必要となる波長帯域を透過させるためのバンドパスフィルタ１２３と、集光レンズ１２４と、光検出部１２５とから構成されている。
【００２５】
第二高調波発生用の非線形光学結晶部１２１（例えば、ＰＰＬＮ（Periodically Poled Lithium niobate）導波路）は、テルライトＰＣＦ１１１とバットジョント接続し、非線形光学結晶部１２１の内部でオクターブ光の長波長成分の第二高調波を発生させると同時に、長波長成分の第二高調波と短波長成分を合波させる。
コリメート用レンズ１２２は、非線形光学結晶部１２１によって合波されたレーザ光を平行光にする。
バンドパスフィルタ１２３は、このコリメート用レンズ１２２によって平行光にされたレーザ光から、ＣＥＯ干渉信号の波長成分を抽出する。
集光レンズ１２４は、バンドパスフィルタ１２３を通過したレーザ光を集光する。
光検出部１２５は、集光レンズ１２４によって集光されたレーザ光からＣＥＯ周波数を検出する。
【００２６】
ここで、ＣＥＯ周波数を検出する検出部１２が、上述のような簡素化された構成を実現する理由について説明する。
非特許文献６に開示されている技術によると、通信波長帯レーザパルス光源を使用して低パルスエネルギーによるＣＥＯ周波数の検出には、光学素子を簡素化したコリニア自己参照干渉計が使用される。例えば、本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源おいて、テルライトＰＣＦ１１１から発生するオクターブ光について、非特許文献６に開示されているコリニア干渉計と同様の構成を有したテルライトＰＣＦと高ＮＡファイバ１０５とを接続した場合では、テルライトＰＣＦと高ＮＡファイバ１０５との結合損失が大きく、ＣＥＯ信号がノイズレベル以下となってしまう。
【００２７】
しかしながら、実験結果より本実施の形態にかかる光周波数コム安定化光源におけるレーザパルス光源で、オクターブ光を発生させるために最適なテルライトＰＣＦの長さは約３０cmであることが導出された。
また、図２に示す長さ３０cmのテルライトＰＣＦを使用したオクターブ光の群遅延速度の実測データから、３０cmの長さのテルライトＰＣＦを使用して発生したオクターブ光の短波長成分と長波長成分(例えば、１０４０nmと２０８０nm)の遅延時間は、約３psと見積もられる。
一方、遅延機構を設置した自己参照干渉計を使って遅延時間とＣＥＯ干渉信号のＳＮＲとの関係の計測結果を図３に示す。図３より、長さ３０cmのテルライトＰＣＦを使用した場合、オクターブ光の短波長成分と長波長成分の時間遅延は約３psであることから、ＣＥＯ干渉信号のＳＮＲに与える影響が小さいことが分かる。
したがって、本実施の形態においては、遅延機構を設置しない光学素子を簡素化したコリニア自己参照干渉計を構成することができる。
【００２８】
帰還制御部１３は、マイクロ波基準周波数発生部１３１と、帰還回路部１３２とから構成されている。
マイクロ波基準周波数発生部１３１は、基準周波数を有するマイクロ波(例えばＧＰＳ（Global Positioning System ）信号)を発生させて帰還回路部１３２へ供給する。
帰還回路部１３２は、マイクロ波基準周波数発生部１３１より供給されるマイクロ波(例えばＧＰＳ信号)の基準周波数と検出部１２によって検出されたＣＥＯ周波数とを比較参照し、比較結果に基づいてレーザパルス光源１０１を制御する。
【００２９】
例えば、レーザパルス光源１０１が受動モード同期レーザの場合には、帰還回路部１３２はマイクロ波基準周波数発生部１３１より供給されるマイクロ波の基準周波数と検出部１２によって検出されたＣＥＯ周波数との比較結果に基づいて、レーザパルス光源１０１が発振するレーザの励起光強度を安定化するように制御する。また、ＣＷ光源を使った位相変調方式の場合には、帰還回路部１３２は、ＣＷ光源の波長に比較結果をフィードバック制御することで光周波数コムの周波数を安定化制御する(特許文献１参照)。
【００３０】
ＣＷ光源の波長制御は、例えば、ＣＷ光源の注入電流あるいは温度を変化させることによって、ＣＷ光源の波長を安定化させることができる。
ここで、５００pJのレーザパルスエネルギーを使用して本実施の形態における光学素子の構成によってマイクロ波基準周波数２０MHzを用いてＣＥＯロックしたときの周波数スペクトルデータを図４に示す。さらに、ＣＥＯ周波数とマイクロ波基準周波数との差分を示す電気信号波形を図５にしめす。図４と図５とから、帰還回路部１３２を用いるとＣＥＯ周波数とマイクロ波基準周波数との周波数差がゼロになり、ＣＥＯロックしていることを示している。
近年、パルスエネルギー５８０pJのフェムト秒ファイバレーザ発振器（非特許文献１０参照）が実現されており、増幅段を必要とせずにファイバレーザ発振器のみで通信波長帯ＣＥＯロックを実現するために、本発明は有用である。
【００３１】
このように、本発明の光周波数コム安定化光源は、ファイバレーザ増幅段を必要とせず、かつ、遅延機構を設置しない光学素子を簡素化した一軸干渉計を用いることでファイバレーザ発振器のみでＣＥＯロック光周波数コムを実現できる。
このことから、従来以上に光周波数コム安定化光源を小型化することができ、光周波数コムの各モードを利用した通信分野や分光学分野の発展に寄与するものであり、本発明が従来技術よりも優れていることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
このような光周波数コムは、マイクロ波周波数を光の周波数領域までつなぐ周波数基準となり、高精度な周波数基準および関連する基礎物理学だけではなく、通信、精密計測、量子情報通信などの分野への応用が展開されると考えられる。
さらに、超高確度な波長を有する光周波数コムの安定化光源を小型化することによって、超精密分光や次世代コヒーレント通信などの新たな利用分野が飛躍的に広がることが期待できる。
【符号の説明】
【００３３】
１…光周波数コム安定化光源、１０…光パルス列発生部、１１…高非線形光学媒質部、１２…検出部、１３…帰還制御部、１０１…レーザパルス光源、１０２…偏光コントローラ、１０３…レーザパルス伝搬用のファイバ、１０４…ファイバ接続部（ＴＥＣ処理）、１０５…高ＮＡファイバ、１１１…テルライトＰＣＦ、１１２…ファイバ接続部（Ｖ溝接続）、１２１…第二高調波発生用の非線形光学結晶部、１２２…コリメート用レンズ、１２３…バンドパスフィルタ、１２４…集光レンズ、１２５…光検出部、１３１…マイクロ波基準周波数発生部、１３２…帰還回路部、８０１…ファイバレーザ増幅器、８０２…レーザパルス伝搬用ファイバ、８０３…λ／２波長板、８０４…対物レンズ、８０５…高非線形ファイバ、８０６…ロングパスフィルタ、８０７…非線形結晶、８０８…バンドパスフィルタ、８０９…グランレーザプリズム、８１０…アバランシェ・フォトダイオード、８１１…帰還回路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光パルス列を出力する光パルス列発生部と、
この光パルス列発生部によって出力される光パルス列のスペクトル帯域を１オクターブ以上に拡大した広帯域光を発生させる高非線形光学媒質部と、
この高非線形光学媒質部より発生した広帯域光の光パルス列からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する検出部と、
この検出部によって検出されたキャリアエンベロープオフセット周波数と外部から入力される基準周波数との比較結果に基づいて前記光パルス列発生部を制御する帰還制御部と
を少なくとも備え、
前記高非線形光学媒質部は、
石英材料で作られる高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つ広帯域光発生ファイバであり、
前記検出部は、
前記高非線形光学媒質部から出力される広帯域光の長波長成分の第二高調波を発生させると同時に、長波長成分の第二高調波と短波長波とを合波させる非線形光学結晶部と、
この非線形光学結晶部によって合波されたレーザ光を平行光にするコリメート用レンズと、
このコリメート用レンズによって平行光にされたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット干渉信号の波長成分を抽出するバンドパスフィルタと、
このバンドパスフィルタを通過したレーザ光を集光する集光レンズと、
この集光レンズによって集光されたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する光検出部と
を備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項２】
請求項１に記載の光周波数コム安定化光源において、
前記検出部は、前記高非線形光学媒質部から出力される広帯域光の一部を遅延させる機構を持たない一軸干渉計を構成することを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項３】
請求項１に記載の光周波数コム安定化光源において、
前記光パルス列発生部は、
前記高非線形光学媒質部の分散特性に対応して任意に中心光波長を選択できるレーザパルス光源と、
テーパー化したファイバを備え、入力レーザ光のモードフィールド径を縮小するレーザパルス伝搬ファイバと、
前記レーザパルス光源から出力されるレーザ光の偏光の向きを調節する偏光コントローラと
を備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項４】
光パルス列を出力する光パルス列発生ステップと、
この光パルス列発生ステップによって出力される光パルス列を石英材料で作られる高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つ広帯域光発生ファイバに入力して、１オクターブ以上に拡大する広帯域光発生ステップと、
この広帯域光発生ステップによりスペクトル帯域が拡大された広帯域光からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって検出されたキャリアエンベロープオフセット周波数と外部から入力される波基準周波数との比較結果に基づいて前記光パルス列発生ステップを制御する帰還制御ステップと
を少なくとも有し、
前記検出ステップは、遅延機構を持たない一軸干渉計を用いて、前記広帯域光発生ファイバから出力される広帯域光を非線形光学結晶部に入力して、前記広帯域光の長波長成分の第二高調波を発生させると同時に、長波長成分の第二高調波と短波長波とを合波させ、この合波されたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出することを特徴とする光周波数コム安定化方法。
【請求項１】
光パルス列を出力する光パルス列発生部と、
この光パルス列発生部によって出力される光パルス列のスペクトル帯域を１オクターブ以上に拡大した広帯域光を発生させる高非線形光学媒質部と、
この高非線形光学媒質部より発生した広帯域光の光パルス列からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する検出部と、
この検出部によって検出されたキャリアエンベロープオフセット周波数と外部から入力される基準周波数との比較結果に基づいて前記光パルス列発生部を制御する帰還制御部と
を少なくとも備え、
前記高非線形光学媒質部は、
石英材料で作られる高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つ広帯域光発生ファイバであり、
前記検出部は、
前記高非線形光学媒質部から出力される広帯域光の長波長成分の第二高調波を発生させると同時に、長波長成分の第二高調波と短波長波とを合波させる非線形光学結晶部と、
この非線形光学結晶部によって合波されたレーザ光を平行光にするコリメート用レンズと、
このコリメート用レンズによって平行光にされたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット干渉信号の波長成分を抽出するバンドパスフィルタと、
このバンドパスフィルタを通過したレーザ光を集光する集光レンズと、
この集光レンズによって集光されたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する光検出部と
を備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項２】
請求項１に記載の光周波数コム安定化光源において、
前記検出部は、前記高非線形光学媒質部から出力される広帯域光の一部を遅延させる機構を持たない一軸干渉計を構成することを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項３】
請求項１に記載の光周波数コム安定化光源において、
前記光パルス列発生部は、
前記高非線形光学媒質部の分散特性に対応して任意に中心光波長を選択できるレーザパルス光源と、
テーパー化したファイバを備え、入力レーザ光のモードフィールド径を縮小するレーザパルス伝搬ファイバと、
前記レーザパルス光源から出力されるレーザ光の偏光の向きを調節する偏光コントローラと
を備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。
【請求項４】
光パルス列を出力する光パルス列発生ステップと、
この光パルス列発生ステップによって出力される光パルス列を石英材料で作られる高非線形ファイバよりも大きい非線形定数を持つ広帯域光発生ファイバに入力して、１オクターブ以上に拡大する広帯域光発生ステップと、
この広帯域光発生ステップによりスペクトル帯域が拡大された広帯域光からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する検出ステップと、
前記検出ステップによって検出されたキャリアエンベロープオフセット周波数と外部から入力される波基準周波数との比較結果に基づいて前記光パルス列発生ステップを制御する帰還制御ステップと
を少なくとも有し、
前記検出ステップは、遅延機構を持たない一軸干渉計を用いて、前記広帯域光発生ファイバから出力される広帯域光を非線形光学結晶部に入力して、前記広帯域光の長波長成分の第二高調波を発生させると同時に、長波長成分の第二高調波と短波長波とを合波させ、この合波されたレーザ光からキャリアエンベロープオフセット周波数を検出することを特徴とする光周波数コム安定化方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−２５８０（Ｐ２０１１−２５８０Ａ）
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１４４５６０（Ｐ２００９−１４４５６０）
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年３月３０日 社団法人応用物理学会発行の「２００９年（平成２１年）春季 第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 Ｎｏ．３」に発表
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１月６日（２０１１．１．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年６月１７日（２００９．６．１７）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２１年３月３０日 社団法人応用物理学会発行の「２００９年（平成２１年）春季 第５６回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集 Ｎｏ．３」に発表
【出願人】（０００００４２２６）日本電信電話株式会社 (13,992)
【Ｆターム（参考）】
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