JP7093949B2 - 光周波数計測装置 - Google Patents

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特許法第３０条第２項適用 ［公開の事実］ １．ウェブサイト掲載日：２０１８年３月５日 ２．ウェブサイトのアドレス：２０１８年第６５回応用物理学会春季学術講演会ウェブサイト ・ＷＥＢプログラム ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｎｆｉｔ．ａｔｌａｓ．ｊｐ／ｇｕｉｄｅ／ｅｖｅｎｔ／ｊｓａｐ２０１８ｓ／ｔｏｐ ・ｉＴｕｎｅｓ（Ａｐｐ Ｓｔｏｒｅ） ｈｔｔｐｓ：／／ｇｏｏ．ｇｌ／ｓｄＡＵ４Ｑ ・Ｇｏｏｇｌｅ Ｐｌａｙ ｈｔｔｐｓ：／／ｇｏｏ．ｇｌ／ｒｓＸＦＴ９ ３．公開者：原 一鳳、石澤 淳、日達 研一、西川 正、寒川 哲臣、後藤 秀樹

本発明は、被計測レーザーの光周波数を計測するための光周波数計測技術に関する。

被計測レーザーの光周波数を精密に計測する方式として、２０００年以前まで９ＧＨｚの周波数標準から被計測レーザーまで順次周波数を逓倍する周波数チェーンという方式が使われていた（例えば、非特許文献１など参照）。しかしこの方式では、基準となる大型レーザーを複数台使用するため、広い場所を必要とし、簡便に被計測レーザーの周波数を計測できなかった。一方、１９９９年には光コムが登場し、被計測レーザーをマイクロ波の周波数で計測可能となったが、光コム光源が必要であった。

Y. Miki et al., "Frequency Chain to 3.39μm CH4-Stabilized He-Ne Laser Using Josephson Point Contact as Harmonic Mixer", Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 33 pp. 1655-1658, 1994 H. Inaba et al., "Frequency Measurement Capability of a Fiber-Based Frequency Comb at 633nm", IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT, Vol. 58(4) pp.1234-1239, 2009

近年、いくつかの光周波数計測装置が市販されており、主な光周波数計測装置として、（１）光波長計や（２）光周波数コムがある。これらの光周波数計測法には何らかの参照光源を用いる必要がある。以下、（１）光波長計および（２）光周波数コムについて説明する。

（１）光波長計
光波長計は、光通信用レーザーダイオードの波長調整、分光器や光スペクトル・アナライザの校正用波長標準として使用されている。高精度なものでは、±２ＭＨｚの精度が実現されている。基本的な光学構成は、図５に示す通りである。マイケルソン干渉計の光学系に、可動型キューブコーナを配置して構成を有している。この構成により、参照レーザー光路と被計測レーザー光ＬＸ路との光路長差変化による干渉縞変化を、基準となる参照レーザー光と被計測レーザー光ＬＸとについて計測し、計測結果に基づいて光波長を求めるものである。

（２）光周波数コムを用いる光周波数計測法
１９９０年代後半、光周波数コムの周波数を安定化する手法が実現した。そのレーザー光源として、光共振器装置を備えた受動モード同期レーザーが用いられている。受動モード同期レーザーはパルスレーザーを発振することができる。レーザーは、通常、光を増幅する利得媒質と、共振器長がＬの共振器を有する。この共振器の縦モードの共振周波数はｃ／２Ｌ（ｃは光速）の整数倍である。そして、レーザーが発振するレーザー光のスペクトルの幅よりも共振器の共振周波数の間隔が狭いと、共振器において複数のモード（周波数）で共振する。このとき、各モードの位相を揃える（モード同期）ことにより、繰り返し周波数ｆｒｅｐ＝ｃ／（２Ｌ）でレーザー光が強められる。これにより、繰り返し周波数ｆｒｅｐのパルスレーザー光が生成される。

このモード同期レーザーにより発振されるパルスレーザー光は、時間軸上に等しい時間間隔Ｔで並ぶ。一方、周波数軸上では等しい周波数間隔ｆｒｅｐで櫛状に並ぶ多数のモードの集合体となる。図６に示すように、このように周波数軸上に櫛状に並ぶレーザー光の集合体は「光周波数コム」と呼ばれる。光周波数コムのあるモードのスペクトル周波数ｆnはｆn＝Ｎ×ｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ（Ｎは０以上の整数）と表すことができる。ここでｆｃｅｏはキャリアエンベロープのオフセット周波数と呼ばれている。

モード同期レーザー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ーなどで生じる自己位相変調効果を用いて帯域１オクターブ以上の白色光を発生させる。そして、その長波長成分（Ｎ×ｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ）の第２高調波を発生させると、その周波数は、２×（Ｎ×ｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ）となる。また、白色光の短波長成分は、２×Ｎ×ｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏと表せる。これら長波長成分の第２高調波と短波長成分の２つの光を干渉させ、例えばフォトダイオードでそのうなり信号を検出することにより２つの光の周波数差の値を計測することができる。その計測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で、キャリアエンベロープのオフセット周波数ｆｃｅｏを安定化することができる。

一方、レーザーの繰り返し周波数は、フォトダイオードからの繰り返し周波数信号を元に、レーザーの共振器長に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ーをベースに開発されている。

未知の光周波数ｆｘを計測する場合、上記光周波数コムとの干渉信号を計測する。その干渉信号の周波数ｆｂｅａｔはｆｂｅａｔ＝ｆｘ－（Ｎ×ｆｒｅｐ＋ｆｃｅｏ）となる。光周波数コムのモード次数Ｎを求めるには、参照光源を別途用意して算出する。この光周波数コムを用いる光周波数計測の精度は光周波数コムを安定化するために用いる外部基準信号に依存する。例えば、ＧＰＳ同期の外部基準信号源を用いた場合、精度は１２桁程度であるため、光周波数の確度は２００Ｈｚ程度となり、光波長計の確度±２ＭＨｚよりも３桁以上高確度である（例えば、非特許文献２など参照）。

しかしながら、このような従来技術によれば、いずれの方式も高精度な参照光源が別途必要となるという問題があった。例えば、（１）波長計の場合には、波長安定化ヘリウムネオンレーザーなどの参照光源が必要なる。また、（２）光周波数コムの場合には、モード同期レーザーなどの参照光源が必要となる。このため、光周波数計測に必要な設備規模が大きくなり、簡便に被計測レーザーの周波数を計測することができない。また、ＣＷ半導体レーザーからのレーザー光については、ゆらぎ（周波数変動）が大きいため、モード同期レーザーで発生させた光周波数コムでは、正確に測定できない。

本発明はこのような課題を解決するためのものであり、高精度な参照光源を必要とすることなく、被計測レーザーの光周波数を高確度で計測できる光周波数計測技術を提供することを目的としている。

このような目的を達成するために、本発明にかかる光周波数計測装置は、被計測レーザー光源から出力された被計測レーザー光を、第１の信号発生器から出力された繰り返し周波数ｆｒｅｐを示す基準信号に基づいて位相変調することにより、前記繰り返し周波数ｆｒｅｐで光周波数コムを形成する第１の光パルス列を発生する光パルス列発生部と、前記第１の光パルス列のパルス幅を分散補償手段で圧縮して短パルス化した第３の光パルス列を出力するパルス幅圧縮部と、前記第３の光パルス列の光スペクトル帯域を非線形光学媒質により拡大することにより、ＳＣ光からなる第４の光パルス列を出力する帯域拡大部と、前記第４の光パルス列を自己参照型干渉計に入射し、得られた干渉信号からキャリアエンベロープのオフセット周波数を検出するオフセット周波数検出部と、第２の信号発生器から出力された設定信号と前記オフセット周波数を示すオフセット信号とを位相比較し、得られた比較結果に基づく帰還制御により前記繰り返し周波数ｆｒｅｐの安定化を行う帰還制御部と、前記第１の信号発生器から出力された前記基準信号の繰り返し周波数ｆｒｅｐを計測し、得られた計測結果に基づいて前記光周波数コムのモード次数Ｎを特定するとともに、前記被計測レーザー光の光周波数ｆｘを特定する光周波数特定部とを備え、前記光周波数特定部は、前記設定信号の設定周波数ｆ０を第１および第２のシフト周波数ｆ０ａ，ｆ０ｂに変更した際における、前記基準信号の繰り返し周波数ｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂを計測し、これらの周波数差ｆｒｅｐａ－ｆｒｅｐｂに基づいて、前記モード次数Ｎさらには前記光周波数ｆｘを特定するようにしたものである。

また、本発明にかかる他の光周波数計測装置は、被計測レーザー光源から出力された被計測レーザー光を、第１の信号発生器から出力された繰り返し周波数ｆｒｅｐを示す基準信号に基づいて位相変調することにより、前記繰り返し周波数ｆｒｅｐで光周波数コムを形成する第１の光パルス列を発生する光パルス列発生部と、前記第１の光パルス列のパルス幅を分散補償手段で圧縮して短パルス化した第３の光パルス列を出力するパルス幅圧縮部と、前記第３の光パルス列の光スペクトル帯域を非線形光学媒質により拡大することにより、ＳＣ光からなる第４の光パルス列を出力する帯域拡大部と、前記第４の光パルス列を自己参照型干渉計に入射し、得られた干渉信号からキャリアエンベロープのオフセット周波数ｆｃｅｏを検出するオフセット周波数検出部と、前記オフセット周波数ｆｃｅｏに基づいて前記光周波数コムのモード次数Ｎを特定するとともに、前記被計測レーザー光の光周波数ｆｘを特定する光周波数特定部とを備え、前記光周波数特定部は、前記繰り返し周波数ｆｒｅｐを第１および第２の繰り返し周波数ｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂに変更した際におけるオフセット周波数ｆｃｅｏａ，ｆｃｅｏｂを計測し、これらの周波数差ｆｃｅｏａ－ｆｃｅｏｂに基づいて、前記モード次数Ｎさらには前記光周波数ｆｘを特定するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記光周波数計測装置の一構成例は、前記第１の光パルス列のデューティー比を１／Ｄ（Ｄは２以上の整数）に低減することにより、繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄを有する第２の光パルス列を出力するデューティー比低減部をさらに備え、前記パルス幅圧縮部は、前記第２の光パルス列のパルス幅を分散補償手段で圧縮して短パルス化した前記第３の光パルス列を出力するようにしたものである。

また、本発明にかかる上記光周波数計測装置の一構成例は、第２の信号発生器から出力された設定信号と前記オフセット周波数ｆｃｅｏを示すオフセット信号とを位相比較し、得られた比較結果に基づく帰還制御により、前記繰り返し周波数ｆｒｅｐの安定化を行うとともに、前記種光源の周波数安定化を行う帰還制御部をさらに備えている。

本発明によれば、設定周波数または繰り返し周波数を変動させた場合における、繰り返し周波数またはオフセット周波数の変動分に基づいて、光周波数コムのモード次数さらには被計測レーザー光の光周波数を特定することができる。このため、参照光源を必要とすることなく、従来手法より簡素な構成で、被計測レーザーの光周波数を高確度で計測することが可能であるという優れた効果が得られる。
したがって、光周波数の計測に必要な設備コスト、所要時間、作業負担を大幅に削減することが可能となる。このように、本発明は、従来以上に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。

第１の実施の形態にかかる光周波数計測装置の構成を示すブロック図である。 第２の実施の形態にかかる光周波数計測装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施の形態にかかる光周波数計測装置の構成を示すブロック図である。 第４の実施の形態にかかる光周波数計測装置の構成を示すブロック図である。 一般的な光波長計についての説明図である。 光周波数コムを参照光源として用いた光周波数計測を示す説明図である。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施の形態にかかる光周波数計測装置１について説明する。図１は、第１の実施の形態にかかる光周波数計測装置の構成を示すブロック図である。

この光周波数計測装置１は、高精度な参照光源を必要とすることなく、例えばＣＷレーザー光源などの任意の被計測レーザー光源Ｘから出力された被計測レーザー光ＬＸに関する光周波数ｆｘを計測する装置である。
図１に示すように、光周波数計測装置１は、主な構成として、光パルス列発生部１０、デューティー比低減部２０、パルス幅圧縮部３０、帯域拡大部４０、オフセット周波数検出部５０、帰還制御部６０、および光周波数特定部７０を備えている。

光パルス列発生部１０は、被計測レーザー光源ＸからのＬＸを、繰り返し周波数ｆｒｅｐで位相変調してスペクトル帯域を拡張した後、波長分散を付与することにより、繰り返し周波数ｆｒｅｐで光周波数コムを形成する光パルス列（第１の光パルス列）ＰＸを発生する機能を有している。光パルス列発生部１０は、主な構成として、信号発生器１１（第１の信号発生器）、位相変調器１２、位相シフタ１３、強度変調器１４、および波長分散付与手段１５を備えている。

デューティー比低減部２０は、分周数Ｄ（Ｄは２以上の整数）に基づいて、光パルス列発生部１０から出力された光パルス列ＰＸのデューティー比を１／Ｄに低減することにより、繰り返し周波数ｆｒｅｐをｆｒｅｐ／Ｄまで低減した光パルス列ＰＮ（第２の光パルス列）を出力する機能を有している。Ｎ（Ｎは０以上の整数）は光周波数コムモードの次数に相当し、０以上の整数をとる。デューティー比低減部２０は、主な構成として、分周器２１および光ゲート２２を備えている。なお、このデューティー比の低減を行わないでも、以下でオフセット周波数の検出が可能である場合は、デューティー比低減部２０は不要となり、以下のＤの値は１となる。

パルス幅圧縮部３０は、デューティー比低減部２０から出力された、繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄを有する光パルス列ＰＮを増幅した後、スペクトル帯域幅を拡大することにより、ＰＮのパルス幅を圧縮して短パルス化した、繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄを有する光パルス列ＰＳ（第３の光パルス列）を出力する機能を有している。パルス幅圧縮部３０は、主な構成として、光増幅器３１および分散補償手段３２を備えている。

帯域拡大部４０は、パルス幅圧縮部３０から出力された光パルス列ＰＳを高非線形媒質へ入力することにより、光スペクトル帯域が拡大されたＳＣ光からなる、繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄを有する光パルス列ＰＳＣ（第４の光パルス列）を発生する機能を有している。帯域拡大部４０は、主な構成として、高非線形媒質４１を備えている。

オフセット周波数検出部５０は、帯域拡大部４０から出力された光パルス列ＰＳＣを、自己参照干渉法により干渉させ、得られた干渉信号からキャリアエンベロープのオフセット周波数ｆｃｅｏを示す電気信号であるオフセット信号Ｓｃｅｏを検出する機能を有している。オフセット周波数検出部５０は、主な構成として、自己参照型干渉計５１および光検出器５２を備えている。

帰還制御部６０は、オフセット周波数検出部５０で検出された、オフセット周波数ｆｃｅｏを示すオフセット信号Ｓｃｅｏを、基準となる設定周波数ｆ０を有する設定信号ＳＳと位相比較し、得られた比較結果により変化する電圧制御信号ＳＶに基づいて光パルス列発生部１０を帰還制御することにより、光パルス列発生部１０の位相雑音を抑圧して、繰り返し周波数ｆｒｅｐの高確度安定化するとともに、位相雑音を極めて小さく低減する機能を有している。帰還制御部６０は、主な構成として、フィルタ６１、信号発生器（第２の信号発生器）６２、および帰還回路６３を備えている。

光周波数特定部７０は、光パルス列発生部１０から出力された繰り返し周波数ｆｒｅｐをダウンコンバートした後、その周波数を計測することにより光周波数コムのモード次数Ｎを特定し、得られたＮに基づいて被計測レーザー光ＬＸの光周波数ｆｘを算出する機能を有している。光周波数特定部７０は、主な構成として、外部基準信号発生器７１、周波数混合器７２、周波数カウンタ７３、および計算部７４を備えている。

［第１の実施の形態にかかる動作］
次に、図１を参照して、本実施の形態にかかる光周波数計測装置１の動作について説明する。

［光パルス列発生部］
光周波数計測装置１で計測する被計測レーザー光ＬＸはＣＷレーザー光であるものとする。光パルス列発生部１０では、この被計測レーザー光ＬＸを位相変調器１２において、光変調器駆動用の信号発生器１１から出力される基準信号ＳＲの繰り返し周波数ｆｒｅｐで位相変調してスペクトル帯域を拡張し、位相変調器１２の後段（もしくは前段）に強度変調器１４を縦列配置し、位相変調器１２によってダウンチャーピングもしくはアップチャーピングした片方を選択して光透過させる。これにより、時間領域で残留するＤＣフロア成分が除去される。

位相変調器１２と強度変調器１４で変調する時間調整のため、繰り返し周波数ｆｒｅｐを位相シフトさせて強度変調器１４へ出力する位相シフタ１３を用いる。
この後、波長分散付与手段１５により、強度変調器１４からの出力光に適切な分散を与えることで、繰り返し周波数ｆｒｅｐを有する光パルス列ＰＸを発生させる。このとき、波長フィルタを使用すれば、光パルス列ＰＸに残留するウィング成分を抑圧でき、クリーンパルス発生を可能にする。

なお、光パルス列発生部１０は、ファブリペロー共振器内に電気光学変調器を設置することで深い周波数変調をＣＷ光にかけ、ＦＭ側帯波を発生させる方法であってもよい。これらの位相変調器を用いてパルス列を発生させる手法では、共振器長の制約を受けないために、数十ＧＨｚの繰り返し周波数を有する光パルス列を発生させることが可能となる。

［デューティー比低減部］
光パルス列ＰＸの繰り返し周波数ｆｒｅｐが高いため、光増幅後における広スペクトル帯域光からなる光パルス列ＰＳＣの発生に、十分なパルスエネルギーを得られない場合、光パルス列発生部１０の波長分散付与手段１５と、パルス幅圧縮部３０の光増幅器３１との間に、デューティー比低減部２０を設ける。

デューティー比低減部２０では、光パルス列発生部１０の波長分散付与手段１５とパルス幅圧縮部３０の光増幅器３１との間に光ゲート２２を設けて、光パルス列発生部１０から出力された光パルス列ＰＸの繰り返し周波数ｆｒｅｐ（デュ－ティー比）をｆｒｅｐ／Ｄまで低減した光パルス列ＰＮを出力する。これにより、光増幅後におけるピークパワーの増大が可能となり、オフセット周波数検出部５０の自己参照型干渉計５１に必要な広スペクトル帯域の光パルス列ＰＳＣを発生させることが可能となる。

この場合、デューティー比低減部２０では、信号発生器１１から出力される基準信号ＳＲの繰り返し周波数ｆｒｅｐを分周器２１によって１／Ｄに分周し、得られた周波数ｆｒｅｐ／Ｄの電気信号と同期させて光ゲート２２を駆動することにより、光パルス列ＰＸのデューティー比を低減し、繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄを有する光パルス列ＰＮを出力する。

このようにして、光ゲート２２を用いた光周波数コム安定化光源を用いることにより、光ゲート２２前において繰り返し周波数ｆｒｅｐ（例えば、数ＧＨｚ～数１０ＧＨｚ）でデューティー比がパルス幅×ｆｒｅｐであったの光波形（光パルス列ＰＸ）が、光ゲート２２後において繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄ（例えば、数ＭＨｚ～数１００ＭＨｚ）でデューティー比がパルス幅×ｆｒｅｐ／Ｄの光波形（光パルス列ＰＮ）となる。

光パルス列ＰＸのピークパワーが後段の広スペクトル帯域光発生に不十分な場合は、光パルス列発生部１０の波長分散付与手段１５と光ゲート２２の間に、光パルス列ＰＸのピークパワー増大のために、もう一段、光増幅器および光バンドバスフィルタを追加してもよい。また、広スペクトル帯域光は、入射する光パルス幅が狭いほど発生しやすいため、波長分散付与手段１５と光ゲート２２との間に、光パルス幅を低減するための非線形媒質を追加してもよい。

［パルス幅圧縮部］
パルス幅圧縮部３０では、デューティー比低減部２０の光ゲート２２から出力された、繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄの光パルス列ＰＮを、光増幅器３１によって光増幅する。このとき、光増幅器３１内の進行型自己位相変調効果等の非線形効果を用いて段階的に光増幅する手法により、光分裂を起こさないでスペクトル帯域幅を拡大する方法を用いてもよい。分散補償手段３２でパルス幅を圧縮して短パルス化し、繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄを有する光パルス列ＰＳを出力する。

［帯域拡大部］
帯域拡大部４０では、パルス幅圧縮部３０で発生させた光パルス列ＰＳを高非線形媒質（非線形光学媒質）４１へ入力し、広スペクトル帯域光（ＳＣ光）からなる繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄの光パルス列ＰＳＣを発生させる。この高非線形媒質４１において、非線形感受率の大きい材料を使用すれば、高効率に所望の広スペクトル帯域光を発生でき、被計測レーザー光ＬＸからの供給エネルギーの最低閾値を低く抑制することが可能である。

広スペクトル帯域光のモード次数ｋ（ｋ＝０，±１，±２，±３，…）の光周波数コムは、次の式（１）で表せる。式（１）において、Ｅoは光電場振幅を示し、ψ0（ｔ）、ψ1（ｔ）はそれぞれ被計測レーザー光ＬＸと位相変調器駆動用の信号発生器１１とが持つ位相雑音を示している。

［オフセット周波数検出部］
オフセット周波数検出部５０では、帯域拡大部４０で得られた光パルス列ＰＳＣを自己参照型干渉計５１に入射し、光検出器５２を用いてキャリアエンベロープを検出し、オフセット周波数ｆｃｅｏを示す電気信号であるオフセット信号Ｓｃｅｏを出力する。自己参照型干渉計５１は、光パルス列ＰＳＣの帯域幅により、その種類を選択できる。

例えば、ＳＣ光帯域幅が１オクターブ以上あれば、基本波の高周波成分と基本波の低周波成分の第２高調波の干渉信号からオフセット周波数を検出する、ｆ－２ｆ自己参照型干渉計を用いればよい。また、ＳＣ光の帯域幅が２／３オクターブ帯域であれば、基本波の高周波成分の第２高調波と基本波の低周波成分の第３高調波の干渉信号からオフセット周波数ｆｃｅｏを検出する、２ｆ－３ｆ自己参照型干渉計を用いればよい。

［帰還制御部］
帰還制御部６０では、オフセット周波数検出部５０で検出された、オフセット周波数ｆｃｅｏを示すオフセット信号Ｓｃｅｏを、基準となる設定周波数ｆ０を有する設定信号ＳＳと位相比較し、得られた比較結果により変化する電圧制御信号ＳＶに基づいて光パルス列発生部１０を帰還制御することにより、光パルス列発生部１０の位相雑音を抑圧して、繰り返し周波数ｆｒｅｐの高確度安定化する。

本実施の形態は、後述するように、帰還制御部６０で、この設定周波数ｆ０を、２つの異なるシフト周波数ｆ０ａ，ｆ０ｂに変更し、これに応じた繰り返し周波数ｆｒｅｐの変動に伴う、繰り返し周波数ｆｒｅｐの変動量を計測することにより、光周波数コムモードの次数Ｎを特定し、得られたＮから被計測レーザー光ＬＸの光周波数ｆｘを計算している。

［光周波数特定部］
被計測レーザー光ＬＸの光周波数ｆｘは、ｆｘ＝Ｎ×ｆｒｅｐ／Ｄ＋ｆ０と表すことができる。ｆ０は、帰還制御部６０の信号発生器６２から出力される設定信号ＳＳの設定周波数である。繰り返し周波数ｆｒｅｐは、帰還制御部６０によって安定化したときの信号発生器１１の周波数である。信号発生器６２の設定周波数ｆ０を異なる２つのシフト周波数ｆ０ａ，ｆ０ｂに変更し、これにより変動する繰り返し周波数ｆｒｅｐの変動量を計測し、得られた計測結果に基づいて光周波数コムモードの次数Ｎを特定できる。

Ｎの桁数は、光パルス列ＰＮの繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄの値により変わる。したがって、Ｎの桁数によって、光周波数特定部７０における外部基準信号発生器７１の外部基準周波数ｆｅxや周波数カウンタ７３に要求される計測精度が変わる。１００ＫＨｚ以上の大きい周波数差を観測する実験系では、以下の手法を用いずに繰り返し周波数ｆｒｅｐを、外部基準信号発生器７１と周波数混合器７２を省いた構成で、そのまま計測できる。
一方、周波数差が小さい場合、外部基準信号発生器７１と周波数混合器７２を用いて、周波数ダウンコンバートする。これにより、繰り返し周波数ｆｒｅｐと外部基準周波数ｆｅxとの差分、すなわち差分周波数Δｆ＝ｆｒｅｐ－ｆｅｘだけを周波数カウンタ７３で計測することになるため、計測精度を最大限に活用できる。

さらに、精度を向上するために、信号発生器６２のシフト周波数ｆ０ａ，ｆ０ｂの周波数の差を大きくする。実証実験では、ｆ０ａを＋１３０ＭＨｚに設定するとともにｆ０ｂを－１２０ＭＨｚに設定し、電圧制御信号ＳＶにより、信号発生器１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐを安定化制御した。また、光ゲート２２後の繰り返し周波数ｆｒｅｐが２５ＧＨｚ近傍であるので、外部基準周波数ｆｅxを２４．９９９９８ＧＨｚに設定した。周波数カウンタ７３はｆｒｅｐとｆｅxとの差分周波数Δｆを計測する。

ここで、設定周波数ｆ０をｆ０ａからｆ０ｂに変更すると、信号発生器１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐが変動して、繰り返し周波数ｆｒｅｐは、ｆｒｅｐａ＝ｆｅｘ＋Δｆａからｆｒｅｐｂ＝ｆｅｘ＋Δｆｂに変化する。したがって、これらｆ０ａ，ｆ０ｂを用いた場合における被計測レーザー光ＬＸの光周波数ｆｘは、次の式（２）で表されるため、ｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂ、あるいは、Δｆａ，Δｆｂを周波数カウンタ７３で計測すれば、ＣＰＵやＰＣなどからなる計算部７４により、モード次数Ｎさらにはｆｘを特定できる。

実証実験では、例えばＤ＝２０の場合、ｆ０ａを＋１３０ＭＨｚに設定したとき、差分周波数Δｆａは１９．４００５９９３８２３６ｋＨｚとなり、ｆ０ｂを－１２０ＭＨｚに設定したとき、差分周波数Δｆｂは５１．５５９６８７２５６６ｋＨｚとなった。したがって、モード次数Ｎは式（２）の３行目の式から、Ｎ＝１５５４７７と求められ、被計測レーザー光ＬＸの光周波数ｆｘは、式（２）の１行目の式から先に求めたＮの値を用いて、ｆｘ＝１９４．３４６３７５３４０（１）ＴＨｚと同定できた。なお、繰り返し周波数ｆｒｅｐの測定は、分周器２１後の分周信号を用いて行ってもよい。

今回の外部基準信号の精度は１２桁であるため、光周波数は１ｋＨｚまで正確に求められていることになる。光周波数計測の精度はオフセット周波数ｆｃｅｏを安定化するために用いる外部基準信号に依存する。例えば、ＧＰＳ同期の外部基準信号源を用いた場合、精度は１２桁程度であるため、光周波数の確度は２００Ｈｚ程度となる。（１）光波長計の確度±２ＭＨｚよりも３桁以上高確度である。（２）モード同期レーザーを用いる光周波数コムの光周波数計測精度と同程度である。

［第２の実施の形態］
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施の形態にかかる光周波数計測装置１について説明する。図２は、第２の実施の形態にかかる光周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
第１の実施の形態では、信号発生器１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐに基づき光周波コムのモード次数Ｎを特定する場合を例として説明した。本実施の形態の特徴は、帰還制御部６０から出力されたオフセット信号Ｓｃｅｏのオフセット周波数ｆｃｅｏに基づきモード次数Ｎを特定する点にある。本実施の形態において、帰還制御部６０からは電圧制御信号ＳＶに代えて、オフセット周波数検出部５０で検出されたオフセット周波数ｆｃｅｏを示すオフセット信号Ｓｃｅｏが光周波数特定部７０に出力されている。本実施の形態にかかるその他の構成について第１の実施の形態と同様である。

［光周波数特定部］
本実施の形態では、信号発生器１１の繰り返し周波数ｆｒｅｐを異なる２周波数ｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂに変更し、その時得られるオフセット周波数ｆｃｅｏａ,ｆｃｅｏｂ、あるいは、これらに加えて外部基準信号発生器７１の外部基準周波数ｆｅxとの差分周波数Δｆｃｅｏａ（＝ｆｃｅｏａ－ｆｅｘ），Δｆｃｅｏｂ（＝ｆｃｅｏｂ－ｆｅｘ）を計測することによりモード次数Ｎを算出する。

この際、これらｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂを用いた場合における被計測レーザー光ＬＸの光周波数ｆｘは、次の式（３）で表されるため、ｆｃｅｏａ，ｆｃｅｏｂ、あるいは、Δｆｃｅｏａ，Δｆｃｅｏｂを周波数カウンタ７３で計測すれば、ＣＰＵやＰＣなどからなる計算部７４により、次の式（３）に基づいてモード次数Ｎさらにはｆｘを特定できる。

この場合も第１の実施の形態と同様に、光周波数特定部７０の外部基準信号発生器７１と周波数混合器７２を用いて、オフセット周波数ｆｃｅｏａ,ｆｃｅｏｂを周波数ダウンコンバートすることで、周波数カウンタ７３の精度を最大限に活用できる。さらに、２周波数ｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂの差を大きくすることで、計測精度を向上できる。

［第３の実施の形態］
次に、図３を参照して、本発明の第３の実施の形態にかかる光周波数計測装置１について説明する。図３は、第３の実施の形態にかかる光周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、広いモード間隔を持つ光周波数コムを参照光源として、被計測レーザー光ＬＸの周波数を計測する場合について説明する。本実施の形態の特徴は、被計測レーザー光源Ｘに代えて半導体レーザーなどの、波長が高安定な種光源Ｙを用い、種光源Ｙからの種光源レーザー光ＬＹにより発生させた光パルス列発生部１０からの光パルス列ＰＸの分岐光に基づいて、被計測レーザー光源Ｘからの被計測レーザー光ＬＸの光周波数ｆｘを光周波数特定部８０で計測する点にある。

また、本実施の形態では、光周波数特定部（第１の光周波数特定部）７０により、光周波数コム、すなわち種光源レーザー光ＬＹのモード次数Ｎさらには種光源光周波数ｆｙを特定する。本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した構成に基づいてｆｙを特定する場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、第２の実施の形態で説明した構成に基づいてｆｙを特定してもよい。本実施の形態にかかるその他の構成について第１乃至第２の実施の形態と同様である。

図３に示すように、本実施の形態では、光パルス列発生部１０において、信号発生器１１の設定周波数を用いてモード間隔光コム発生させる。この際、種光源レーザー光ＬＹのモード次数Ｎを特定した後、帰還制御部６０において、フィルタ６１でオフセット周波数ｆｃｅｏだけを抽出し、信号発生器６２の設定周波数ｆ０との位相比較の結果から得られた電圧制御信号ＳＹを用いて、種光源Ｙ内の電流値や温度等を制御することにより、種光源レーザー光ＬＹを周波数安定化してもよい。
これにより、一般的なモード同期レーザーのモード間隔（１００ＭＨｚ）では実現できないような広いモード間隔（１０ＧＨｚ以上）の周波数安定化光コムを実現できる。

２５ＧＨｚモード間隔光コムの場合を考える。光スペクトラムアナライザを用いて、被計測レーザー光ＬＸの暫定光周波数ｆｘを２５ＧＨｚ精度でおおよそに計測する。モード間隔が広いほどｆｘの計測精度は低くても良い。ｆｘ／（２５ＧＨｚ）を計算することにより、ｆｘのモード次数Ｍ（Ｍは整数）を特定できる。また、ｆｘがｆｒｅｐ以上に大きく変動する場合には、光スペクトラムアナライザより測定精度の高い波長計などによりｆｘを計測すれば、精度よくモード次数Ｍを特定できる。

次に、光パルス列発生部１０の波長分散付与手段１５とデューティー比低減部２０の光ゲート２２との間に光分波器ＳＰを挿入する。光周波数特定部（第２の光周波数特定部）８０では、光分波器ＳＰの一分岐である光パルス列ＰＸと被計測レーザー光源Ｘからの被計測レーザー光ＬＸとを光合波器８１で合波し、得られた干渉光の干渉光周波数ｆｅを光検出器８２と周波数カウンタ８３で計測する。

ここで、ｆｘのモード次数をＭとし、ＬＸとＬＹとの干渉信号の干渉光周波数をｆｅとし、ｆｘは次の式（４）で表せる。これにより、計算部８４でｆｘを高精度に特定できる。この際、ｆｅの極性は、ｆｒｅｐまたはｆｃｅｏを周波数可変した際における、ｆｅの増減に基づいて特定できる。

以上から、被計測レーザー光ＬＸの光周波数を高精度に計測できる。第３の実施の形態は光周波数ｆｘを計測精度が低い計測器で暫定的に計ってモード次数Ｍを特定しさえすれば、簡便に周波数を観測できる利点がある。

［第４の実施の形態］
次に、図４を参照して、本発明の第４の実施の形態にかかる光周波数計測装置１について説明する。図４は、第４の実施の形態にかかる光周波数計測装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態では、広帯域な光周波数コムを参照光源として光周波数計測する場合について説明する。本実施の形態の特徴は、光パルス列発生部１０に接続されていた種光源として、被計測レーザー光源Ｘに代えて半導体レーザーなどの、波長が高安定な種光源Ｙを用い、帯域拡大部４０の分岐光に基づいて、被計測レーザー光源Ｘからの被計測レーザー光ＬＸの光周波数ｆｘを光周波数特定部８０で計測する点にある。

また、本実施の形態では、光周波数特定部（第１の光周波数特定部）７０により、光周波数コム、すなわち種光源レーザー光ＬＹのモード次数Ｎさらには種光源光周波数ｆｙを特定する。本実施の形態では、第１の実施の形態で説明した構成に基づいてｆｙを特定する場合を例として説明するが、これに限定されるものではなく、第２の実施の形態で説明した構成に基づいてｆｙを特定してもよい。本実施の形態にかかるその他の構成について第１乃至第２の実施の形態と同様である。

前述した第３の実施の形態は、位相変調器１２、強度変調器１４、および光増幅器３１が動作する周波数帯に被計測レーザー光ＬＸの周波数がある場合に使用できる。そのデバイス動作周波数帯域外に被計測レーザー光ＬＸがある場合、本実施の形態を用いる。

図４に示すように、本実施の形態において、帯域拡大部４０の高非線形媒質４１とオフセット周波数検出部５０の自己参照型干渉計５１との間に光分波器ＳＰを挿入する。光周波数特定部（第２の光周波数特定部）８０では、光分波器ＳＰの一分岐である光パルス列ＰＳＣと被計測レーザー光源Ｘからの被計測レーザー光ＬＸを光合波器８１で合波し、得られた干渉光の干渉光周波数ｆｅを光検出器８２と周波数カウンタ８３で計測する。本実施の形態にかかる光周波数算出方法は第３の実施の形態と同様である。

被計測レーザー光源Ｘからの被計測レーザー光ＬＸと干渉している広帯域なｆｒｅｐ／Ｄモード間隔光コムのモード次数Ｍと被計測レーザー光源Ｘの光周波数ｆｘを特定する。この際、第３の実施の形態と同様に、モード次数Ｍは、ｆｒｅｐ／Ｄの計測精度を持つ波長計で特定できる。また、干渉光周波数ｆｅは、光パルス列ＰＳＣと被計測レーザー光源Ｘからの被計測レーザー光ＬＸとを光合波器８１で合波し、得られた干渉信号の光周波数を光検出器８２と周波数カウンタ８３で計測すればよい。したがって、次の式（５）に基づき第３の実施の形態と同様にしてｆｘを特定できる。

以上、第１および第２の実施の形態で説明した本発明の光周波数計測装置によれば、従来法のような高精度な参照光源が不要であり、かつ、従来の光波長計を用いた場合よりも３桁以上も高確度に光周波数計測できることから、従来以上に光周波数計量の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。

［実施の形態の拡張］
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解しうる様々な変更をすることができる。また、各実施形態については、矛盾しない範囲で任意に組み合わせて実施することができる。

１…光周波数計測装置、１０…光パルス列発生部、１１…信号発生器、１２…位相変調器、１３…位相シフタ、１４…強度変調器、１５…波長分散付与手段、２０…デューティー比低減部、２１…分周器、２２…光ゲート、３０…パルス幅圧縮部、３１…光増幅器、３２…分散補償手段、４０…帯域拡大部、４１…高非線形媒質、５０…オフセット周波数検出部、５１…自己参照型干渉計、５２…光検出器、６０…帰還制御部、６１…フィルタ、６２…信号発生器、６３…帰還回路、７０…光周波数特定部、７１…外部基準信号発生器、７２…周波数混合器、７３…周波数カウンタ、７４…計算部、８０…光周波数特定部、８１…光合波器、８２…光検出器、８３…周波数カウンタ、８４…計算部、Ｘ…被計測レーザー光源、Ｙ…種光源、ＳＰ…光分波器、ＬＸ…被計測レーザー光、ＬＹ…種光源レーザー光、ＳＲ…基準信号、ＰＸ，ＰＮ，ＰＳ，ＰＳＣ…光パルス列、Ｓｃｅｏ…オフセット信号、ＳＳ…設定信号、ＳＶ，ＳＹ…電圧制御信号、ｆｒｅｐ，ｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂ…繰り返し周波数、ｆｃｅｏ，ｆｃｅｏａ，ｆｃｅｏｂ…オフセット周波数、ｆ０…設定周波数、ｆ０ａ，ｆ０ｂ…シフト周波数、ｆｅｘ…外部基準周波数、Δｆ，Δｆａ，Δｆｂ，Δｆｃｅｏａ，Δｆｃｅｏｂ…差分周波数、Ｎ，Ｍ…モード次数、Ｄ…分周数、ｆｘ…光周波数、ｆｙ…種光源光周波数、ｆｅ…干渉光周波数。

Claims (4)

1. 被計測レーザー光源から出力された被計測レーザー光を、第１の信号発生器から出力された繰り返し周波数ｆｒｅｐを示す基準信号に基づいて位相変調することにより、前記繰り返し周波数ｆｒｅｐで光周波数コムを形成する第１の光パルス列を発生する光パルス列発生部と、
   前記第１の光パルス列のパルス幅を分散補償手段で圧縮して短パルス化した第３の光パルス列を出力するパルス幅圧縮部と、
   前記第３の光パルス列の光スペクトル帯域を非線形光学媒質により拡大することにより、ＳＣ光からなる第４の光パルス列を出力する帯域拡大部と、
   前記第４の光パルス列を自己参照型干渉計に入射し、得られた干渉信号からキャリアエンベロープのオフセット周波数を検出するオフセット周波数検出部と、
   第２の信号発生器から出力された設定信号と前記オフセット周波数を示すオフセット信号とを位相比較し、得られた比較結果に基づく帰還制御により前記繰り返し周波数ｆｒｅｐの安定化を行う帰還制御部と、
   前記第１の信号発生器から出力された前記基準信号の繰り返し周波数ｆｒｅｐを計測し、得られた計測結果に基づいて前記光周波数コムのモード次数Ｎを特定するとともに、前記被計測レーザー光の光周波数ｆｘを特定する光周波数特定部とを備え、
   前記光周波数特定部は、前記設定信号の設定周波数ｆ０を第１および第２のシフト周波数ｆ０ａ，ｆ０ｂに変更した際における、前記基準信号の繰り返し周波数ｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂを計測し、これらの周波数差ｆｒｅｐａ－ｆｒｅｐｂに基づいて、前記モード次数Ｎさらには前記光周波数ｆｘを特定する
   ことを特徴とする光周波数計測装置。
2. 被計測レーザー光源から出力された被計測レーザー光を、第１の信号発生器から出力された繰り返し周波数ｆｒｅｐを示す基準信号に基づいて位相変調することにより、前記繰り返し周波数ｆｒｅｐで光周波数コムを形成する第１の光パルス列を発生する光パルス列発生部と、
   前記第１の光パルス列のパルス幅を分散補償手段で圧縮して短パルス化した第３の光パルス列を出力するパルス幅圧縮部と、
   前記第３の光パルス列の光スペクトル帯域を非線形光学媒質により拡大することにより、ＳＣ光からなる第４の光パルス列を出力する帯域拡大部と、
   前記第４の光パルス列を自己参照型干渉計に入射し、得られた干渉信号からキャリアエンベロープのオフセット周波数ｆｃｅｏを検出するオフセット周波数検出部と、
   前記オフセット周波数ｆｃｅｏに基づいて前記光周波数コムのモード次数Ｎを特定するとともに、前記被計測レーザー光の光周波数ｆｘを特定する光周波数特定部とを備え、
   前記光周波数特定部は、前記繰り返し周波数ｆｒｅｐを第１および第２の繰り返し周波数ｆｒｅｐａ，ｆｒｅｐｂに変更した際におけるオフセット周波数ｆｃｅｏａ，ｆｃｅｏｂを計測し、これらの周波数差ｆｃｅｏａ－ｆｃｅｏｂに基づいて、前記モード次数Ｎさらには前記光周波数ｆｘを特定する
   ことを特徴とする光周波数計測装置。
3. 請求項１又は２に記載の光周波数計測装置において、
   前記第１の光パルス列のデューティー比を１／Ｄ（Ｄは２以上の整数）に低減することにより、繰り返し周波数ｆｒｅｐ／Ｄを有する第２の光パルス列を出力するデューティー比低減部をさらに備え、
   前記パルス幅圧縮部は、前記第２の光パルス列のパルス幅を分散補償手段で圧縮して短パルス化した前記第３の光パルス列を出力する
   ことを特徴とする光周波数計測装置。
4. 請求項３に記載の光周波数計測装置において、
   第２の信号発生器から出力された設定信号と前記オフセット周波数ｆｃｅｏを示すオフセット信号とを位相比較し、得られた比較結果に基づく帰還制御により、前記繰り返し周波数ｆｒｅｐの安定化を行うとともに、前記種光源の周波数安定化を行う帰還制御部をさらに備えることを特徴とする光周波数計測装置。

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