JP6254356B2

JP6254356B2 - 光周波数コム発生装置および光周波数コムの周波数安定化方法

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Publication number: JP6254356B2
Application number: JP2013086008A
Authority: JP
Inventors: 和彦川▲崎▼
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Priority date: 2013-04-16
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Description

本発明は、光周波数コム発生装置および光周波数コムの周波数安定化方法に関し、レーザ光の生成ないし制御に関する。

産業利用されるレーザとして、光周波数コムと呼ばれる超短パルスレーザがある。この光周波数コムは、レーザ共振器内の縦モードをモード同期させることで、周波数スペクトルが正確に等間隔で並んだコム状（櫛状）になるレーザである。
光周波数コムはマイクロ波領域の周波数標準器に安定化することができるため、光領域の周波数標準器として利用することができる。これにより、これまで非常に困難であった、光の絶対周波数計測や極めて高い精度でのレーザの周波数制御が可能になった。それ以外でも、光周波数コムそのものを光源として用いた応用計測などにも利用されている。

このような光周波数コムを生成するために、従来の光周波数コム発生装置では、周波数スペクトルに現れる櫛状の間隔ｆｒｅｐと、周波数の端数となるＣＥＯ周波数（キャリアエンベロープオフセット周波数）ｆｃｅｏとを検出し、それぞれマイクロ波の参照周波数に位相同期をかけることによって安定化させている（特許文献１参照）。

特許文献１の装置では、光周波数コムの一部を分割して、その周波数間隔ｆｒｅｐおよびＣＥＯ周波数ｆｃｅｏを検出している。
ｆｒｅｐの周波数は、光周波数コムをフォトディテクタで受光した際に発生するビート周波数信号で検出できるため、比較的簡単な構成で信号を得ることができる。検出されたｆｒｅｐの周波数を参照周波数と比較し、これが一定になるように共振器長を制御することで、繰り返し周波数ｆｒｅｐの安定化を行うことができる。
これに対し、ｆｃｅｏの検出は、光周波数コムの増幅やスペクトルの広帯域化、第二高調波の発生、干渉といった幾通りの光学的な作用を組み合わせることによって実現されている。

特開２００７−２５６３６５号公報

前述した従来の光周波数コム発生装置では、ｆｃｅｏを検出するために付加的な光学部品が多く必要であり、そのために大がかりで高価なシステムになるという問題があった。

光周波数コム発生装置において、ｆｃｅｏの安定化を行うための主な構成としては、光周波数コムを発生させるオシレータと、オシレータからの出力光を増幅するアンプと、光周波数コムのスペクトルを１オクターブ以上に広げる広帯域化要素と、広帯域化された光周波数コムからｆｃｅｏを仮想的に発生させる非線形光学媒体と、が用いられる。
前述した特許文献１においては、増幅用にＥｒ（エルビウム）等の希土類がドープされた増幅用光ファイバとレーザダイオード（ＬＤ）とからなるファイバアンプが利用され、広帯域化要素として高非線形性光ファイバ（ＨＮＬＦ）が利用され、非線形光学媒体としてＰＰＬＮ結晶（周期的分極反転ニオブ酸リチウム結晶）が利用されている。

このような光周波数コム発生装置において、例えば１．５μｍの通信波長域の光学部品を使用した光周波数コムの場合、Ｅｒドープファイバをレーザ媒質としたレーザ光源による光周波数コムは出力数ｍＷで、１５５０ｎｍの波長付近に数十ｎｍのスペクトル幅で発生する。この数ｍＷの出力光はファイバアンプで５０ｍＷ以上まで増幅され、増幅された光は広帯域化要素のＮＨＬＦに入射され、１オクターブ以上の広範囲に広がったスペクトル光に広げられる。そして、広帯域化された光はＰＰＬＮ結晶に入力され、低周波数（長波長）の第二高調波と高周波（短波長）とを干渉させることによってＣＥＯ周波数ｆｃｅｏを擬似的に発生させる。
このように、従来の光周波数コム発生装置では、ファイバアンプ、ＨＮＬＦを用いた広帯域化要素、ＰＰＬＮ結晶を用いた非線形光学媒体など、ｆｃｅｏを発生ないし検出するための付加的な光学部品が多く必要であり、そのために大がかりで高価なシステムになっていた。

本発明の目的は、簡単な構成で周波数を安定化できる光周波数コム発生装置および光周波数コムの周波数安定化方法を提供することにある。

本発明は、発明者が鋭意研究の結果、光周波数コムを光源とし所定の光路長差を与えた干渉計より得られる干渉強度とＣＥＯ周波数ｆｃｅｏとの相関に基づいてなされたものである。
すなわち、光周波数コム発生装置において、ｆｃｅｏは、パルスレーザがエンベロープとして進む群速度と、パルスを構成するキャリアの位相速度とが、共振器内の分散によってずれを生じるために発生する。そして、ｆｃｅｏは、繰り返し周波数ｆｒｅｐの時間周期で発生するパルス間におけるキャリアの位相ずれ量Δφとの関係から、次式（１）で表される。
ｆｃｅｏ＝（Δφ／２π）・ｆｒｅｐ …（１）
これは、式（１）の関係を有する光周波数コムにおいては、２π／Δφの周期で、つまり２π／Δφ個目のパルス毎に、パルスの位相が同じになることを意味する（図１参照）。
具体的には、例えばｆｒｅｐが５０ＭＨｚ、ｆｃｅｏが５ＭＨｚの光周波数コムにおいては、１０個おきに同じ位相のパルスとなる。

図１において、レーザ光源から出力される光には、共振器内を光が１周する時間間隔でパルスが発生する。Ｐ０位置のパルスを基準にすると、光軸上の、共振器長ｎＬに相当する光路長だけ離れた位置に、１つ後に発生したパルスＰ１，Ｐ２，…が存在する。この時、各パルスＰ０，Ｐ１，…における位相ズレΔφとすると、２π／Δφ後に発生したパルスＰ（２π／Δφ）の位相は基準としたパルスＰ０と一致する。

本発明においては、このような光周波数コムに対し、共振器長ｎＬの整数倍ｍ・ｎＬに相当する光路長差を与えて干渉させる。このような干渉により、異なるタイミングで発生したパルスどうしが重ね合わせられることになる。
この際、光路長差をｎＬの整数倍ｍ・ｎＬとなるように正確に調整し、パルス強度のピークどうしが干渉するようにしても、互いのパルスの間にはｆｃｅｏによるキャリアの位相ずれがあるために、その分干渉強度が低くなるといった現象が発生する。
例えば、前述したｆｒｅｐ＝５０ＭＨｚ、ｆｃｅｏ＝５ＭＨｚの例においては、光路長差を５・ｎＬ、つまり５個前のパルスと干渉させるようにした場合に、各パルスの位相が反転して打ち消しあう関係になり、干渉強度は小さくなる。一方、光路長差を１０・ｎＬ、つまり１０個前のパルスと干渉させるようにした場合には、各パルスの位相が揃っているため、干渉強度は大きくなる。

この現象を逆に利用して、レーザ光源からの光周波数コムに対し、共振器長ｎＬの整数倍ｍ・ｎＬに相当する固定の光路長差を与えて干渉させ、レーザ光源の励起光源の注入電流を変える等の方法によってｆｃｅｏを変化させると、観測される干渉強度が変化する。
図２に示すように、ｆｃｅｏを変化させた際に観測される干渉強度は、ｆｃｅｏ＝（２ｋ−１）ｆｒｅｐ／（２ｍ）で最小となり、ｆｃｅｏ＝２ｋ・ｆｒｅｐ／（２ｍ）で最大となる周期的な変化を示す（ｋは自然数）。このような干渉強度の周期的な変化は、ｆｃｅｏが０からｆｒｅｐ／ｍまでの間繰り返される。

従って、光周波数コムに対し、固定の光路長差ｍ・ｎＬを与えた干渉計から得られる強度信号を観測し、その値が最大、最小あるいは中間の値など、所定の値になるようにＬＤの注入電流を制御することで、発生する光周波数コムのｆｃｅｏを安定化させることができる。
本発明は、以上のような知見に基づき、光周波数コムのｆｃｅｏを安定化させるための構成として、固定の光路長差ｍ・ｎＬを与える干渉計を用いるようにしたものである。
具体的に、本発明は以下に示す構成を備える。

本発明の光周波数コム発生装置は、光周波数コムを発生するレーザ光源と、前記レーザ光源からの光のＣＥＯ周波数を検出するｆｃｅｏ検出器とを備えた光周波数コム発生装置であって、前記ｆｃｅｏ検出器は、干渉させる光束間で光路長差を有する干渉計であり、前記光路長差は前記レーザ光源の共振器長の１以上の整数倍であり、前記ｆｃｅｏ検出器は、前記ＣＥＯ周波数を変化させることにより、前記ｆｃｅｏ検出器に現れる干渉強度を変化させて前記ＣＥＯ周波数の変化に対する前記干渉強度の変化を干渉強度情報として取得し、取得した前記干渉強度情報をもとに、前記ＣＥＯ周波数を検出あるいは所定の値に安定化させることを特徴とする。

このような本発明では、レーザ光源で発生した光周波数コムに対し、ｆｃｅｏ検出器である干渉計において干渉させるとともに、干渉計においてはレーザ光源の共振器長の整数倍の光路長差（光路長差ｍ・ｎＬ）を与え、これにより得られる干渉強度信号に基づいてレーザ光源を制御することで、発生する光周波数コムのｆｃｅｏを安定化させることができる。
さらに、本発明では、簡素な干渉計を用いてｆｃｅｏを検出することができるため、従来の光周波数コム発生装置のような、大がかりで高価な付加的構成（ファイバアンプ、ＨＮＬＦを用いた広帯域化要素、ＰＰＬＮ結晶を用いた非線形光学媒体など）を省略することができる。
なお、本発明に用いる干渉計としては、マイケルソン型、フィゾー型、マッハツェンダー型あるいは他の形式の干渉計を適宜採用することができる。

また、このような本発明では、光源の周波数を変化させてｆｃｅｏを走査することで、干渉強度の変化を干渉強度情報として取得することができ、変化を示す曲線の最大、最小等を用いて安定化を行うことができる。

本発明において、前記干渉強度情報の最大値または最小値のいずれか、または、前記干渉強度情報の極大値または極小値のいずれか、または、前記干渉縞強度情報の最大値と最小値の中間の値、または、前記干渉縞強度情報の極大値と極小値の中間の値、または、前記干渉縞強度情報より得られるＣＥＯ周波数ｆｃｅｏに対する干渉強度曲線の変曲点、前記干渉強度情報の最大値および最小値をもとに定めた所定の周波数、または、前記干渉強度情報の極大値および極小値をもとに定めた所定の周波数により、前記ｆｃｅｏを検出または安定化することを特徴とすることが好ましい。
このような本発明では、取得された干渉強度情報における特定の点を識別することができ、ＣＥＯ周波数を検出または安定化する際に利用することができる。

本発明において、前記ｆｃｅｏ検出器は、光路長が異なる複数の前記干渉計を有することが望ましい。
本発明においては、ｆｃｅｏ検出器である干渉計による干渉強度信号に基づいてレーザ光源を制御する際に、前述したように光路長差ｍ・ｎＬを与えた干渉計から得られる強度信号を観測し、その値が最大、最小あるいは中間の値などの所定の値になるように制御する。

図２に示した通り、ｆｃｅｏの周波数に対する干渉強度の変化の周期は干渉させる二つの光路の光路長差の整数ｍ倍によって変わる。ｍの異なる複数の干渉計から得られるｆｃｅｏの周波数に対する干渉強度の変化の複数の曲線を利用して、ｆｃｅｏの周波数を検出または制御することで、より高精度または高安定な光周波数コムとすることができる。

本発明において、前記干渉計は、光路長が異なる複数の光ファイバを有することが望ましい。
このような本発明では、コンパクトに収納可能な光ファイバの長さによって光路長を設定することで小型かつ環境変動に頑健な装置とすることができる。

本発明の光周波数コムの周波数安定化方法は、光周波数コムを発生するレーザ光源と、干渉させる光束間で光路長が異なる光路差を有する干渉計とを用い、前記光路長差を前記レーザ光源の共振器長の１以上の整数倍に設定しておき、前記レーザ光源からの前記光周波数コムを前記干渉計に通し、前記レーザ光源からの光のＣＥＯ周波数を変化させることにより、前記干渉計に現れる干渉強度を変化させて前記ＣＥＯ周波数の変化に対する前記干渉強度の変化を干渉強度情報として取得し、取得した前記干渉強度情報をもとに、前記ＣＥＯ周波数を検出あるいは所定の値に安定化させることを特徴とする。
このような本発明によれば、前述した本発明の光周波数コム発生装置で説明した通り、簡素な干渉計でｆｃｅｏを検出、発生することができるため、従来の光周波数コム発生装置のような、大がかりで高価な付加的構成を省略することができる。

本発明によれば、簡単な構成で周波数を安定化できる光周波数コム発生装置および光周波数コムの周波数安定化方法を提供することができる。

本発明の原理を説明するための光周波数コムの模式図。本発明の原理を説明するための干渉強度信号のグラフ。本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図。本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図。前記第２実施形態における干渉強度信号のグラフ。本発明の第３実施形態の構成を示すブロック図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
〔第１実施形態〕
図３には、本発明に基づく光周波数コム発生装置の第１実施形態が示されている。
図３において、光周波数コム発生装置１は、レーザ光源１０、光周波数コム出力部２０、ｆｒｅｐ安定化制御部３０、ｆｃｅｏ安定化制御部４０を備えている。
この光周波数コム発生装置１では、光周波数コム出力部２０で生成される光周波数コムにおける周波数間隔ｆｒｅｐおよびＣＥＯ周波数ｆｃｅｏの周波数成分を、それぞれｆｒｅｐ安定化制御部３０およびｆｃｅｏ安定化制御部４０で安定化することによって、光周波数コムの周波数を安定化することができ、光領域での周波数標準器として使用可能な光源となる。このように安定化した光周波数コムは、ハーフミラー２１により光周波数コム出力部２０へと取り出して外部へ供給したり、他のレーザ光源のレーザ光測定に利用したり、あるいは他の用途への利用に供することができる。

レーザ光源１０は、モード同期レーザ発振によりパルスレーザ光を発生するものである。
光周波数コム出力部２０は、ファイバリング状の光共振器光路１９内に増幅用光ファイバ１２、偏波コントローラ１３、光アイソレータ１４、取り出しカプラ１５を配置している。励起光源１１で増幅用光ファイバ１２を励起してレーザ発振させて、共振器内を周回するレーザ光の偏波面を偏波コントローラで回転調整をすることでモード同期発振をさせて、アイソレータ１６から出力カプラ１７へと超短パルスレーザの光周波数コムを出力することができる。
これらのレーザ光源１０および光周波数コム出力部２０の構成は、前述した特許文献１の光源で示されたものと同様であるため、原理説明等は省略する。

ｆｒｅｐ安定化制御部３０には、ハーフミラー３１により出力カプラ１７からの光周波数コムが入力される。ｆｒｅｐ安定化制御部３０において、光周波数コムをフォトディテクタで受光した際に発生するビート周波数によって周波数間隔ｆｒｅｐを得ることができる。ｆｒｅｐは、共振器光路１９の光路長ｎＬ（ｎ；屈折率、Ｌ；幾何的な長さ）を光が１回まわる時間の逆数によって物理的に決まる値であるため、ｆｒｅｐ周波数を測定してその値が一定になるように、共振器光路１９の光路長をコントロールして安定化制御する。これらの構成も前述した特許文献１と同様であるため、詳細な原理説明は省略する。
一方、本発明に係るＣＥＯ周波数ｆｃｅｏは、以下に示す原理で周波数を検出して安定化制御を行う。

ｆｃｅｏ安定化制御部４０は、出力カプラ１７からの光周波数コムが入力されるｆｃｅｏ検出器４１によりｆｃｅｏを検出し、予め設定された基準値に従ってレーザ光源１０の励起光源１１のパワーを制御する。これによりレーザ光源１０から出力される光周波数コムのｆｃｅｏが安定化される。

本実施形態においては、ｆｃｅｏ検出器４１として、マイケルソン型干渉計５０を用いる。
マイケルソン型干渉計５０は、ハーフミラー５３、ミラー５４，５５および光検出器５６を有し、ハーフミラー５３を透過してミラー５４で反射されハーフミラー５３を経て光検出器５６に至る第１光路５１と、ハーフミラー５３で反射されてミラー５５からハーフミラー５３に戻り光検出器５６に至る第２光路５２とを備えている。
第１光路５１の光路長はｌ１、第２光路５２の光路長はｌ２とされている。これらの光路長ｌ１、ｌ２は、その光路長差（ｌ１−ｌ２）が、前述した光共振器光路１９の共振器長ｎＬの整数倍（ｍ・ｎＬ）となるように設定されている。

このような本実施形態では、レーザ光源１０からの光周波数コムは、ｆｃｅｏ検出器４１であるマイケルソン型干渉計５０に導入され、第１光路５１および第２光路５２に設定された光路長差（ｌ１−ｌ２＝ｍ・ｎＬ）により干渉を生じる。
ｆｃｅｏ安定化制御部４０は、レーザ光源１０の励起光源１１の注入電流を変えることにより、ｆｃｅｏ検出器４１に現れる干渉強度を変化させ、これによりＣＥＯ周波数ｆｃｅｏの走査を行って干渉強度情報を取得する。そして、取得した干渉強度情報から、干渉強度の値のうち最大、最小あるいは中間の値など着目した位置での値が所定の値になるように（図２参照）、励起光源１１の注入電流を制御し、光周波数コム発生装置１として発生する光周波数コムのｆｃｅｏを安定化させる。
なお、参照する干渉強度の値としては、干渉強度情報の最大値または最小値のいずれか、または、干渉強度情報の極大値または極小値のいずれか、または、干渉強度情報の最大と最小値の中間の値、または、干渉強度情報の極小値と極大値の中間の値、または、干渉強度情報より得られたＣＥＯ周波数に対する干渉強度曲線の変曲点の値、または、干渉強度情報の最大値および最小値をもとに定めた所定の周波数、または、干渉強度情報の極大値および極小値をもとに定めた所定の周波数を用いることができる。

このように、本実施形態によれば、光周波数コム発生装置１で発生する光周波数コムのＣＥＯ周波数ｆｃｅｏを簡素な干渉計で検出し、安定化することができる。したがって、従来の光周波数コム発生装置で欠かすことのできない、ファイバアンプ、ＨＮＬＦを用いた広帯域化要素、ＰＰＬＮ結晶を用いた非線形光学媒体といったといった高価でかつ大がかりな付加的な構成を省略することができる。

〔第２実施形態〕
図４には、本発明に基づく光周波数コム発生装置の第２実施形態が示されている。
図４において、光周波数コム発生装置１Ａは、レーザ光源１０、光周波数コム出力部２０、ｆｒｅｐ安定化制御部３０、ｆｃｅｏ安定化制御部４０Ａを備えている。
このうち、レーザ光源１０、光周波数コム出力部２０、ｆｒｅｐ安定化制御部３０は、前述した第１実施形態と同様であるため重複する説明は省略する。

ｆｃｅｏ安定化制御部４０Ａは、前述した第１実施形態と同様に、出力カプラ１７からの光周波数コムにおけるＣＥＯ周波数ｆｃｅｏを検出し、予め設定された基準値に従ってレーザ光源１０の励起光源１１のパワーを制御するものである。
ただし、前述した第１実施形態のｆｃｅｏ安定化制御部４０（図３参照）が、ｆｃｅｏ検出器４１を１つだけ備えていたのに対し、本実施形態のｆｃｅｏ安定化制御部４０Ａは複数のｆｃｅｏ検出器４１，４２を備えている。
このうち、ｆｃｅｏ検出器４１は、前述した第１実施形態と同様に出力カプラ１７の先の光路上に設置されている。ｆｃｅｏ検出器４２は、ハーフミラー４３により出力カプラ１７からの光周波数コムを取り込む構成とされている。

ｆｃｅｏ検出器４１，４２は、それぞれ前述した第１実施形態と同様なマイケルソン型干渉計５０で構成されている。
すなわち、各々が、ハーフミラー５３、ミラー５４，５５および光検出器５６を有し、ハーフミラー５３を透過してミラー５４で反射されハーフミラー５３を経て光検出器５６に至る第１光路５１と、ハーフミラー５３で反射されてミラー５５からハーフミラー５３に戻り光検出器５６に至る第２光路５２とを備えている。

本実施形態において、ｆｃｅｏ検出器４１，４２は、各々の第１光路５１および第２光路５２の光路長が互いに異なる設定とされている。
ｆｃｅｏ検出器４１では、第１光路５１の光路長がｌ１、第２光路５２の光路長がｌ２とされている。これらの光路長ｌ１、ｌ２は、その光路長差（ｌ１−ｌ２）が、前述した光共振器光路１９の共振器長ｎＬの整数倍（ｍ１・ｎＬ）となるように設定されている。
ｆｃｅｏ検出器４２では、第１光路５１の光路長がｌ１’、第２光路５２の光路長がｌ２’とされている。これらの光路長ｌ１’、ｌ２’は、その光路長差（ｌ１’−ｌ２’）が、前述した光共振器光路１９の共振器長ｎＬの整数倍（ｍ２・ｎＬ）となるように設定されている。

このような本実施形態では、レーザ光源１０からの光周波数コムは、ｆｃｅｏ検出器４１およびｆｃｅｏ検出器４２に導入され、各々を構成するマイケルソン型干渉計５０で干渉を生じる。
この際、ｆｃｅｏ検出器４１では、その第１光路５１および第２光路５２に設定された光路長差（ｌ１−ｌ２＝ｍ１・ｎＬ）に基づく干渉を生じる。
また、ｆｃｅｏ検出器４２では、その第１光路５１および第２光路５２に設定された光路長差（ｌ１’−ｌ２＝ｍ・ｎＬ）に基づく干渉を生じる。

ｆｃｅｏ安定化制御部４０Ａは、レーザ光源１０の励起光源１１の注入電流を変えることにより、ｆｃｅｏ検出器４１，４２に現れる干渉強度を変化させる。
従って、前述した第１実施形態と同様に、干渉強度の値のうち最大、最小あるいは中間の値など着目した位置での値が所定の値になるように、励起光源１１の注入電流を制御することで、光周波数コム発生装置１として発生する光周波数コムのｆｃｅｏを安定化させることができる。

とくに、本実施形態においては、複数のｆｃｅｏ検出器４１，４２を用いているため、ｆｃｅｏの変化に対して、各々から得られる干渉強度の変化を互いにずらすことができ、より高精度なｆｃｅｏ検出を行うことができる。
ここでは、本実施形態においてｍ_１＝２、ｍ_２＝４とした場合で具体的に説明する。

図５に、ｆｃｅｏを０から１／２・ｆｒｅｐの間で変化させた場合に、ｆｃｅｏ検出器４１とｆｃｅｏ検出器４２得られる干渉強度の変化の様子をそれぞれＳ１とＳ２で示す。
Ｓ１は０と１／２・ｆｒｅｐの時を最大とする周期関数として変化し、概略１周期のコサイン関数のように変化する。一方のＳ２は、同区間の間に、０と１／４・ｆｒｅｐと１／２・ｆｒｅｐを最大として２周期で変化する。
１／６・ｆｒｅｐの時、Ｓ１とＳ２の曲線は交差し、その前後の１／８・ｆｒｅｐから１／４・ｆｒｅｐの範囲ではＳ１は減少傾向にある一方で、Ｓ２の曲線は増加傾向にある。
１／３・ｆｒｅｐの場合も両曲線は交差し、１／２・ｆｒｅｐから３／４・ｆｒｅｐ間でＳ１は増加しＳ２は減少する傾向にある。

そこで、ｆｃｅｏの周波数変化に対して、干渉強度が方や増加、方や減少するこの区間で、両強度の差のデータを観測すれば、ｆｃｅｏの周波数変化を高い感度で検出することができる。そして、その強度の差が一定になるように励起光源１１の出力を電流制御などでコントロールすれば、ｆｃｅｏを高い精度で一定に保つことができる。
また、図５に示したコサイン関数で変化する現象に従えば、ｆｃｅｏ検出器４１と４２から得られる強度が同じになるところ安定化すれば、ｆｃｅｏは１／６・ｆｒｅｐまたは、１／３・ｆｒｅｐで安定化していることになる。

実際には、ｆｃｅｏに対する干渉強度の変化の振幅は、図中、Ｓ１とＳ２で示したように同じであるとも限らないし、理想的にコサイン関数で変化しているとは限らない。その場合には、ｆｃｅｏ検出器４１，４２の両検出器から出力される干渉強度変化の振幅が同じで一様になるような正規化処理や理想的なコサイン関数でフィッティングするといった、通常考え得る補正処理を施した後に、ｆｃｅｏの周波数検出および安定化制御を施すと良い。

前述した第１実施形態のように、１つのｆｃｅｏ検出器４１のみの場合、構成はより簡素である一方で、レーザ光源１０の出力に変化があった場合に干渉強度の曲線の振幅や絶対値は変化するために、そのような強度信号を使って、強度一定にする制御ではレーザ光源の出力変化に応じて、ｆｃｅｏが変化することになる。
それに対して、本実施形態のように２つのｆｃｅｏ検出器４１、４２から得られる干渉強度の差をとる手法においては、レーザ光源１１の出力変化分が相殺されるために、これがｆｃｅｏの安定化への影響はない。さらに言えば、周波数変化に対する強度変化が概略２倍になって検出できるために、その情報を用いれば２倍の精度で安定化制御することができる。

このように、本実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様に、簡素な干渉光学系でｆｃｅｏを検出し安定化することができる。複数のｆｃｅｏ検出器４１，４２を用いることで、前述した第１実施形態よりも高い精度でｆｃｅｏを検出して制御することができる。

なお、前述した第２実施形態では、２つのｆｃｅｏ検出器４１，４２を用いたが、３つ以上であってもよい。ｆｃｅｏ検出器の数を増すことで、情報の冗長性が増し、高精度のｆｃｅｏ検出が可能となる。ただし、機器点数も増加するため、構成の簡略化の目的に沿うように配慮することが望ましい。
また、光路長ｌ１と光路長ｌ２との間に付与する固定の光路長差ｍ・ｎＬについては、ｍ１＝２の場合とｍ２＝４の場合で示したが、これに限らず、本発明の趣旨にそった特性の干渉強度信号が得られる組み合わせあれば、いくつであっても構わない。

〔第３実施形態〕
図６には、本発明に基づく光周波数コム発生装置の第３実施形態が示されている。
図６において、光周波数コム発生装置１Ｂは、レーザ光源１０、光周波数コム出力部２０、ｆｒｅｐ安定化制御部３０、ｆｃｅｏ安定化制御部４０Ｂを備えている。
このうち、レーザ光源１０、光周波数コム出力部２０、ｆｒｅｐ安定化制御部３０は、前述した第１実施形態と同様であるため重複する説明は省略する。

レーザ光源１０からの出力光をファイバカプラ１７で分岐して、光ファイバを導波させる状態のままでｆｃｅｏ安定化制御部４０Ｂへと入射する。ただし、前述した第１実施形態のｆｃｅｏ安定化制御部４０（図３参照）が、マイケルソン型干渉計５０を用いたｆｃｅｏ検出器４１を備えていたのに対し、本実施形態のｆｃｅｏ安定化制御部４０Ｂは並列に接続された光ファイバ６１，６２を用いたｆｃｅｏ検出器４４を備えている。

ｆｃｅｏ検出器４４において、光ファイバ６１，６２はファイバカプラ６３，６４の間に並列に接続されており、ファイバカプラ６３にはファイバカプラ１７からの光周波数コムが導入され、ファイバカプラ６４には光検出器６５が接続されている。
光ファイバ６１，６２は、それぞれ異なる光路長ｌ１，ｌ２とされており、これらは前述した第１実施形態と同様に光路長差（ｌ１−ｌ２＝ｍ・ｎＬ）となるように設定されている。

このような本実施形態では、レーザ光源１０からの光周波数コムは、ファイバカプラ６３で分岐されて光ファイバ６１，６２に通され、各々を通った２つの光がファイバカプラ６４で重ね合わせられて光検出器６５で受光され、光検出器６５では光ファイバ６１，６２の光路長差（ｌ１−ｌ２＝ｍ・ｎＬ）に応じた干渉が観測される。
従って、本実施形態においても、前述した第１実施形態と同様に、光路長差に応じた干渉強度の変化を利用して、光周波数コム発生装置として発生する光周波数コムのｆｃｅｏを安定化させることができる。また、従来の光周波数コム発生装置のような、大がかりで高価な付加的構成を省略することができる。

さらに、本実施形態では、ｆｃｅｏ検出器４４において光ファイバ６１，６２を用いて光路長差を与えることができ、構成を簡略かつ長い光路長とした際にも安定した光伝送が行えるとともに、光ファイバを巻いて収納することによって装置の大幅なコンパクト化を図ることができる。
なお、本実施形態では、光ファイバ６１，６２を有するｆｃｅｏ検出器４４を１つ用いたが、同様な光ファイバ式のｆｃｅｏ検出器を複数設置してもよく、これにより前述した第２実施形態のような検出の容易化および精度向上が期待できる。

〔変形例〕
本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形等は本発明に含まれるものである。
たとえば、図３、図４で示したマイケルソン干渉計の光路５１、５２については、光ファイバを導波させて光路長差ｍ・ｎＬを与えるファイバ型の干渉計であっても良い。また、干渉計については、ここに示したマイケルソン型に限らず、フィゾー型、マッハツェンダー型ほか、干渉させる２光束間に光路長差ｍ・ｎＬを付与させるものであればどのような構成であっても差支えない。
また、レーザ光源１０の構成は、前述した第１実施形態の構成に限らず、適宜光学要素を加減してもよく、要するに本発明に基づいて制御しうる光周波数コムを発生できるものであればよい。
また、光周波数コム出力部２０およびｆｒｅｐ安定化制御部３０の構成も、前述した第１実施形態の構成に限らず、適宜光学要素を加減してもよい。

本発明は、光周波数標準として利用可能な光周波数コムを得るための装置および光周波数コムの周波数安定化方法に利用できる。

１，１Ａ，１Ｂ…光周波数コム発生装置
１０…レーザ光源
１１…励起光源
１２…増幅用光ファイバ
１３…偏波コントローラ
１４…アイソレータ
１５…取り出しカプラ
１６…アイソレータ
１７…出力カプラ
１９…光共振器光路
２０…光周波数コム出力部
２１…ハーフミラー
３０…ｆｒｅｐ安定化制御部
３１…ハーフミラー
４０，４０Ａ，４０Ｂ…ｆｃｅｏ安定化制御部
４１，４２，４４…ｆｃｅｏ検出器
４３…ハーフミラー
５０…マイケルソン型干渉計
５１…第１光路
５２…第２光路
５３…ハーフミラー
５４，５５…ミラー
５６，６５…光検出器
６１，６２…光ファイバ
６３，６４…ファイバカプラ
ｆｃｅｏ…ＣＥＯ周波数
ｆｒｅｐ…間隔
ｌ１，ｌ２…光路長
ｎＬ…共振器長
Ｐ０，Ｐ１…パルス
Ｓ１，Ｓ２…干渉強度
Δφ…位相ずれ量

Claims

光周波数コムを発生するレーザ光源と、前記レーザ光源からの光のＣＥＯ周波数を検出するｆｃｅｏ検出器とを備えた光周波数コム発生装置であって、
前記ｆｃｅｏ検出器は、干渉させる光束間で光路長差を有する干渉計であり、前記光路長差は前記レーザ光源の共振器長の１以上の整数倍であり、
前記ｆｃｅｏ検出器は、前記ＣＥＯ周波数を変化させることにより、前記ｆｃｅｏ検出器に現れる干渉強度を変化させて前記ＣＥＯ周波数の変化に対する前記干渉強度の変化を干渉強度情報として取得し、取得した前記干渉強度情報をもとに、前記ＣＥＯ周波数を検出あるいは所定の値に安定化させることを特徴とする光周波数コム発生装置。
請求項１に記載した光周波数コム発生装置において、
前記干渉強度情報の最大値または最小値のいずれか、または、前記干渉強度情報の極大値または極小値のいずれか、または、前記干渉強度情報の最大値と最小値の中間の値、または、前記干渉強度情報の極大値と極小値の中間の値、または、前記干渉強度情報より得られるＣＥＯ周波数に対する干渉強度変化曲線における変曲点、または、前記干渉強度情報の最大値および最小値をもとに定めた所定の周波数、または、前記干渉強度情報の極大値および極小値をもとに定めた所定の周波数により、前記ＣＥＯ周波数を検出または安定化することを特徴とする光周波数コム発生装置。
請求項１または請求項２に記載した光周波数コム発生装置において、
前記ｆｃｅｏ検出器は、光路長が異なる複数の前記干渉計を有することを特徴とする光周波数コム発生装置。
請求項１から請求項３のいずれかに記載した光周波数コム発生装置において、
前記干渉計は、光路長が異なる光ファイバを有することを特徴とする光周波数コム発生装置。
光周波数コムを発生するレーザ光源と、干渉させる光束間で光路長が異なる光路差を有する干渉計とを用い、前記光路長差を前記レーザ光源の共振器長の１以上の整数倍に設定しておき、
前記レーザ光源からの前記光周波数コムを前記干渉計に通し、
前記レーザ光源からの光のＣＥＯ周波数を変化させることにより、前記干渉計に現れる干渉強度を変化させて前記ＣＥＯ周波数の変化に対する前記干渉強度の変化を干渉強度情報として取得し、取得した前記干渉強度情報をもとに、前記ＣＥＯ周波数を検出あるいは所定の値に安定化させることを特徴とする光周波数コムの周波数安定化方法。