JP2006293247A - 光周波数コム発生方法及び光周波数コム発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光周波数コムの発生範囲を大きくとりながら、ヘテロダイン検波におけるビート周波数を低く抑える。
【解決手段】 入射されるレーザー光を第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号で変調して第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生器１と、上記第１の光周波数コム発生器１により生成された第１の光周波数コムＯＦＣ１が入射される第２の光周波数コム発生器２とを備え、上記第２の光周波数コム発生器２で、上記第１の光周波数コムＯＦＣ１を上記第１の変調周波数ｆｍ１とは異なる第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号で変調することにより、ｆｍ１間隔の光周波数コムＯＦＣ１の各モード中心に上記第２の変調周波数ｆｍ２の周波数間隔の第２の光周波数コムＯＦＣ２を生成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、広に周波数範囲に亘って安定した光周波数コムを発生する光周波数コム発生方法及び光周波数コム発生装置に関する。

従来より、被測定光の周波数測定やスペクトル解析、あるいは、被測定光に乗せられた測定対象物の情報などを被測定光の位相や振幅を利用して観測する場合などに、測定分解能や感度を上げるためにヘテロダイン検波法が用いられる。ヘテロダイン検波法は、基準となる光源と被測定光の波面を重ねて干渉させてから光検出器に入射し、２台のレーザーの周波数差で振動するビート信号を観測する方法である。

ヘテロダイン検波法は、極めて高い周波数の電磁波であるレーザー光の情報を周波数の低い電気信号に置き換え、感度や分解能の高い計測器で解析することを可能にする。しかし、基準光源と被測定光の周波数差の上限は、光検出器で検出し信号処理できる帯域に制限される。現在、比較的安価で一般的に使用される光検出器や電気信号処理装置の帯域は高々数ＧＨｚでしかなく、数百ＴＨｚから数ＰＨｚに及ぶ光周波数の帯域幅と比較してはるかに狭い。

このようなヘテロダイン検波システムに光周波数コム発生器（Optical Frequency Comb Generator）を応用すると、光検出器の帯域をはるかに越える周波数差を持つ２台のレーザーであってもヘテロダイン検波することが可能となる。

光周波数コム発生器は、ファブリ・ペロー型の電気光学変調器であり、入射したレーザー光のサイドバンド（光周波数コム）を等周波数間隔毎に数百本発生させるもので、発生されるサイドバンドの周波数安定度はもとのレーザー光のそれとほぼ同等である。

光周波数コム発生器を用いた光の差周波数測定では、光検出器の帯域よりもはるかに大きな差周波数であっても、サイドバンドとのビート信号によって差周波数を正確に測ることができる。すなわち、サイドバンドと被測定レーザー光をヘテロダイン検波することにより、数ＴＨｚに亘る広帯域なヘテロダイン検波系を構築することができる。２つのレーザー光をヘテロダイン検波してその差周波数を測定する場合、その帯域は受光素子の帯域で制限され、おおむね数十ＧＨｚ程度であるので、光周波数コム発生器を用いて広帯域なヘテロダイン検波系を構築するようにしている（例えば、特許文献１参照）。

例えば、図１１に示すように、光周波数コム発生器１０１には発振器１０２から周波数ｆｍのマイクロ波が加えられており、基準光源１００の周波数を中心にｆｍ間隔の光周波数コムを発生する。光周波数コムと被測定光の波面を重ねて干渉させ光検出器１０３でビート信号を観測すると、基準光源と被測定光から直接生成されるビート信号は、光検出器１０３の帯域をはるかに越えるため観測できない場合でも、光周波数コム発生器１０１で発生するサイドバンドのうち被測定光の周波数にもっとも近いサイドバンドと被測定光のビート信号が検出可能であるためヘテロダイン検出が可能となる。

なお、光周波数コム発生器へ入射する光は、被測定光であっても良い。

ヘテロダイン検波におけるビート周波数ｆｂは、図１２に示すように、最も近いサイドバンドとの差周波数で与えられる。ビート周波数は最高で変調周波数ｆｍの半分（ｆｍ／２）に達する。

特開２００２−１７４５５２号公報

ところで、一般的に光周波数コムの周波数スパンを拡大しヘテロダイン検波可能な光周波数帯域を拡大するためには変調周波数ｆｍを大きくすることが望ましいが、ｆｍを大きくすることによりビート周波数が高くなり、光コ周波数コムを用いることによってヘテロダインビート周波数を低くすることの利点を損なう場合もある。

ここで、変調周波数と変調指数を変えて計算した光周波数コムのスペクトルを図１３に示すように、光周波数コム発生器の出力光のスペクトル形状は、中心から高次サイドバンドに向かって指数関数的にパワーが減少する特徴を持っている。図１３は縦軸を対数表示した光周波数コム発生器のスペクトル形状であるため、中心からほぼ直線的にパワーが減少するように表示されている。スペクトル包絡線の傾きの大きさは、変調指数Δθと変調周波数ｆｍと共振器のフィネスＦに反比例（∝１／（ΔθｆｍＦ）する。したがって、光周波数コムの間隔を狭くしようとｆｍを低下させると、光周波数コムの広がりが狭くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の実情に鑑み、光周波数コムの発生範囲を大きくとりながら、ヘテロダイン検波におけるビート周波数を低く抑えることが可能な光周波数コム発生器および光周波数コム発生方法を提供する。

本発明の更に他の目的、本発明によって得られる具体的な利点は、以下に説明される実施の形態の説明から一層明らかにされる。

本発明では、入射された光に対して異なる２つの周波数ｆｍ１、ｆｍ２で変調を加えることにより、光周波数コムの発生範囲を大きくとりながら、ヘテロダイン検波におけるビート周波数を低く抑える。

すなわち、本発明に係る光周波数コム発生方法は、入射されるレーザー光を第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号で変調することにより、上記第１の変調周波数ｆｍ１の周波数間隔の第１の光周波数コムを生成し、上記第１の光周波数コムを上記第１の変調周波数ｆｍ１とは異なる第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号で変調することにより、ｆｍ１間隔の光周波数コムの各モード中心に上記第２の変調周波数ｆｍ２の周波数間隔の第２の光周波数コムを生成することを特徴とする。

また、本発明に係る光周波数コム発生装置は、入射されるレーザー光を第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号で変調して第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生器と、上記第１の光周波数コム発生器により生成された第１の光周波数コムが入射される第２の光周波数コム発生器とを備え、上記第２の光周波数コム発生器は、上記第１の光周波数コムを上記第１の変調周波数ｆｍ１とは異なる第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号で変調することにより、ｆｍ１間隔の光周波数コムの各モード中心に上記第２の変調周波数ｆｍ２の周波数間隔の第２の光周波数コムを生成することを特徴とする。

本発明では、光周波数コム発生器により生成される光周波数コムの発生範囲を大きくとりながら、ヘテロダイン検波におけるビート周波数を低く抑えることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は以下の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更可能であることは言うまでもない。

本発明は、例えば図１に示すような構成の光周波数コム発生装置１０に適用される。

この光周波数コム発生装置１０は、入射されるレーザー光を第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号で変調して第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生器１と、上記第１の光周波数コム発生器１により生成された第１の光周波数コムＯＦＣ１が入射される第２の光周波数コム発生器２とを備える。ここで、第１の光周波数コム発生器１には、第１の変調周波数ｆｍ１で発振する第１の発振器１１により第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号が与えられ、また、第２の光周波数コム発生器１には、第２の変調周波数ｆｍ２で発振する第１の発振器１２により第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号が与えられている。

上記第２の光周波数コム発生器２は、上記第１の光周波数コムＯＦＣ１を上記第１の変調周波数ｆｍ１とは異なる第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号で変調することにより、ｆｍ１間隔の光周波数コムＯＦＣ１の各モード中心に上記第２の変調周波数ｆｍ２の周波数間隔の第２の光周波数コムＯＦＣ２を生成する。

すなわち、この光周波数コム発生装置１０では、２台の光周波数コム発生器１，２を使用して、異なる二つの周波数ｆｍ１，ｆｍ２間隔の光周波数コムＯＦＣ１，ＯＦＣ２を発生させる。そして、２台目のコム発生器２は、１台目のコム発生器ＯＦＣＧ１で発生したサイドバンドの一本一本をそれぞれ周波数ｆｍ２で変調することにより、ｆｍ１間隔の光周波数コムＯＦＣ１の各モードを中心にｆｍ２間隔の光周波数コムＯＦＣ２を発生する。

それぞれの光周波数コム発生器１，２には、電気的に光を変調する効果のある各種電気光学変調器を使用することができる。光共振器に光位相変調器を挿入した光周波数コム発生器もそのような変調器のひとつである。その他、ＬＮ結晶を使用する光位相変調器、光強度変調器、マッハ・ツェンダ変調器、半導体を使用したＥＡ変調器、音響光学変調器などでも良い。また、コム発生器としてモードロックレーザーを用いても良い。

ここで、上記光周波数コム発生装置１０において、ｆｍ１＞ｆｍ２、すなわち、第１の変調周波数ｆｍ１が第２の変調周波数ｆｍ２よりも高い場合における各光周波数コムＯＦＣ１，ＯＦＣ２のスペクトル例を図２に示す。このように、第１の光周波数コム発生器１は、周波数間隔ｆｍ１の光周波数コムＯＦＣ１を発生し、第２の光周波数コム発生器２は、光周波数コムＯＦＣ１の各モードを中心に周波数間隔ｆｍ２の光周波数コムＯＦＣ２を発生する。

一般に、光周波数コム発生器を用いた光の差周波数測定において、被測定光とのビート周波数ｆｂは、最も近いサイドバンドとの差周波数で与えられるので、最高でもｆｍ２／２であり、ｆｍ１／２よりはるかに低い周波数にすることができるので、上記光周波数コム発生装置１０を用いることにより、ヘテロダイン検波システムにおける光検出や電気信号の処理を容易にすることができる。

ここで、上記光周波数コム発生装置１０において、２台の発振器１１，１２の位相関係が固定されていないと、サイドバンドの干渉により光強度が変化してしまい、ビート信号の周波数測定やスペクトル解析に際して測定精度が低下する可能性がある。そのような事態を避けるため、図３に示す光周波数コム発生装置１０Ａように、２台の発振器１１，１２を基準となる発振器１３の出力信号に同期させることによって、２台の発振器１１，１２の位相を同期させても良い。

また、例えば、図４に示す光周波数コム発生装置１０Ｂように、例えば第１の変調周波数ｆｍ１で発振する第１の発振器１１の発振位相を基準とする場合には、第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号の位相と第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号の位相を比較して、第２の発振器１２の発振位相を同期させても良い。逆に、第２の変調周波数ｆｍ２で発振する第２の発振器１２の発振位相を基準とする場合には、第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号の位相と第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号の位相を比較して、第１の発振器１１の発振位相を同期させるようにすれば良い。

また、隣り合うｆｍ１間隔の光周波数コムＯＦＣ１から発生するｆｍ２間隔の光周波数コムＯＦＣ２が周波数軸で重なる場合、サイドバンドの位相関係によって、打ち消しあう可能性がある。そこで、図５に示す光周波数コム発生装置１０Ｃように、どちらかの発振器１１，１２（この例では第１の発振器１１）の出力に移相器１４を挿入して位相調整を行うことにより、サイドバンド間の位相を調整して打消しを避けることができる。

さらに、図６に示す光周波数コム発生装置１０Ｄように、発振器１１，１２の発振周波数の関係をｆｍ２＝Ｎ・ｆｍ１又はｆｍ１＝Ｎ・ｆｍ２（Ｎは正の整数）に設定することにより、大きな周波数間隔ｆｍ２の光周波数コムＯＦＣ２も全て小さな周波数間隔ｆｍ１の光周波数コムＯＦＣ１の一部となるので、測定されるビート信号周波数の解析が簡単になる。

また、図７に示す光周波数コム発生装置１０Ｅように、マイクロ波の移相器１４を用いる代わりに光の遅延器１５を用いても良い。すなわち、上記第１の光周波数コム発生器１と第２の光周波数コム発生器２の間に遅延器１５を入れて、上記第２の光周波数コム発生器２に入力する光と第２の発振器１２により与えられる第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号の位相関係を調整して変調を加えることによって、マイクロ波の第１及び第２の変調信号の位相を調整することと同じ効果が得られる。光の遅延量を調整する遅延器１５としては、適当な長さの光ファイバを用いても良いし、適当な距離の空間を用いても良い。

ここで、上述の図６に示した構成の光周波数コム発生装置１０Ｄについて、数値シミュレーションを行って得られたスペクトルを図８に示すとともに、その中心周波数付近の拡大図を図９に示す。

上記数値シミュレーションは、Ｎ＝１０、基準となる発振器１３の発振周波数を１０ＭＨｚとし、第１の発振器１１から第１の変調周波数ｆｍ１が２．５ＧＨｚの余弦波の変調信号を第１の光周波数コム発生器１に与え、第２の発振器１２から第２の変調周波数ｆｍ２が２５ＧＨｚの正弦波の変調信号を第２の光周波数コム発生器２に与えるものとし、第１の光周波数コム発生器１の変調指数をπラジアン（片道）、第２の光周波数コム発生器１の変調指数をπラジアン（１周期あたり）とし、第１の光周波数コム発生器１に＋２０ｄＢｍの連続光を入射するものとして行った。

図８は、入射光を中心に±２．５ＴＨｚの範囲を示しており、入射光のパワーは＋２０ｄＢｍ、２５ＧＨｚだけで変調を行う従来の光周波数コムのスペクトルを●で示し、二重変調を行った場合の光周波数コムＯＦＣ２のスペクトルを実線で示している。このように、２．５ＧＨｚで二重に変調を行うと２５ＧＨｚ間隔一本あたりのパワーが低下して、２．５ＧＨｚの光周波数コムに分配される。

図９は、中心周波数付近を拡大して示しており、２５ＧＨｚだけで変調を行う従来の光周波数コムのスペクトルを●で示し、二重変調を行った場合の光周波数コムＯＦＣ２のスペクトルを○で示している。この図９には２５ＧＨｚ間隔の光周波数コムが２．５ＧＨｚで変調される様子が示されている。

さらに、サイドバンドが打ち消しあう場合の例として、第１の光周波数コム発生器１及び第２の光周波数コム発生器２ともに正弦波で変調した場合を計算した結果を図１０に示す。この図８に示す数値シミュレーションの結果では、図中に×を付して示すように、２５ＧＨｚ間隔の光コムの−５番目のモードと＋５番目のモードが互いに打ち消しあうように干渉するためパワーが低下している。

本発明を適用した光周波数コム発生装置の構成を示すブロック図である。 上記光周波数コム発生装置における各光周波数コムのスペクトル例を示すスペクトル分布図である。 本発明を適用した光周波数コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。 本発明を適用した光周波数コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。 本発明を適用した光周波数コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。 本発明を適用した光周波数コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。 本発明を適用した光周波数コム発生装置の他の構成例を示すブロック図である。 図６に示した構成の光周波数コム発生装置について、数値シミュレーションを行って得られたスペクトルを示すスペクトル分布図である。 図８に示したスペクトル分布図の中心周波数付近の拡大図である。 サイドバンドが打ち消しあう場合の数値シミュレーション例で得られたスペクトルを示すスペクトル分布図である。 従来のヘテロダイン検波システムの構成を示すブロック図である。 ヘテロダイン検波におけるビート周波数を示すスペクトル分布図である。 光周波数コム発生器の変調周波数と変調指数を変えて計算した光周波数コムのスペクトル分布図である。

符号の説明

１，２ 第１及び第２の光周波数コム発生器、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ 光周波数コム発生装置、１１，１２ 第１及び第２の発振器、１３ 基準の発振器、１４ 移相器、１５ 遅延器

Claims (7)

1. 入射されるレーザー光を第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号で変調することにより、上記第１の変調周波数ｆｍ１の周波数間隔の第１の光周波数コムを生成し、
   上記第１の光周波数コムを上記第１の変調周波数ｆｍ１とは異なる第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号で変調することにより、ｆｍ１間隔の光周波数コムの各モード中心に上記第２の変調周波数ｆｍ２の周波数間隔の第２の光周波数コムを生成する
   ことを特徴とする光周波数コム発生方法。
2. 入射されるレーザー光を第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号で変調して第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生器と、
   上記第１の光周波数コム発生器により生成された第１の光周波数コムが入射される第２の光周波数コム発生器とを備え、
   上記第２の光周波数コム発生器は、上記第１の光周波数コムを上記第１の変調周波数ｆｍ１とは異なる第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号で変調することにより、ｆｍ１間隔の光周波数コムの各モード中心に上記第２の変調周波数ｆｍ２の周波数間隔の第２の光周波数コムを生成することを特徴とする光周波数コム発生装置。
3. 上記第１の光周波数コム発生器に第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号を与える第１の発振器と、
   上記第２の光周波数コム発生器に第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号を与える第２の発振器と、
   上記第１及び第２の発振器の発振位相を同期させる基準発振器を備えることを特徴とする請求項２記載の光周波数コム発生装置。
4. 上記第１の発振器及び第２の発振器の発振周波数の関係をｆｍ２＝Ｎ・ｆｍ１又はｆｍ１＝Ｎ・ｆｍ２（Ｎは正の整数）に設定したことを特徴とする請求項３記載の光周波数コム発生装置。
5. 上記第１の光周波数コム発生器に第１の変調周波数ｆｍ１の変調信号を与える第１の発振器と、上記第２の光周波数コム発生器に第２の変調周波数ｆｍ２の変調信号を与える第２の発振器を備え、
   上記第１の発振器又は第２の発振器の一方の発振位相を基準とし、基準の発振位相の発振器からの変調信号の位相と他方の発振器からの変調信号の位相を比較して、他方の発振器の発振位相を同期させることを特徴とする請求項２記載の光周波数コム発生装置。
6. 上記第１発振器又は 第２の発振器の一方の出力側に移相器を備えることを特徴とする請求項２記載の光周波数コム発生装置。
7. 上記第１の光周波数コム発生器と第２の光周波数コム発生器の間に遅延器を備えることを特徴とする請求項２記載の光周波数コム発生装置。

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