JP2010506421A - フェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器及び光周波数合成方法｛Ｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒａｎｄｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｏｐｔｉｃａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｌｏｃｋｉｎｇ｝ - Google Patents

フェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器及び光周波数合成方法｛Ｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅｒａｎｄｏｐｔｉｃａｌｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｙｎｔｈｅｓｉｚｉｎｇｍｅｔｈｏｄｕｓｉｎｇｆｅｍｔｏｓｅｃｏｎｄｌａｓｅｒｏｐｔｉｃａｌｉｎｊｅｃｔｉｏｎｌｏｃｋｉｎｇ｝ Download PDF

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Abstract

【課題】
【解決手段】本発明はフェムト秒レーザ光周波数コムをダイオードレーザに注入して光周波数コムのうち単に1個のモードにのみ注入位相ロック(injection phase-locking)された単一モードのレーザ光を得てフェムト秒レーザの光周波数及び間隔、すなわち繰返し率を半導体レーザ周波数とともに変化させることで、所望の単一光周波数を有しながら走査可能なフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器及び上記光周波数合成器を用いた光周波数合成方法に関し、主レーザとしてモードロックされたフェムト秒レーザと、従属レーザとして上記主レーザであるフェムト秒レーザのレーザ光が注入されるダイオードレーザを含んでなることを特徴とする。

Description

本発明はフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器及び光周波数合成方法に関する。
光インターネット基盤の情報通信時代には光周波数の絶対測定技術が必須である。光通信で光の波長すなわち、周波数を正確に測定することができるようになると、波長を所望の分だけ小さく分けることができるようになる。これにより光ファイバ1本に複数の波長を分割して送る高密度波長分割多重方式(DWDM;dense wavelength division multiplexing)の送信が可能である。これは1つの光ファイバ上で複数の光波長を同時に送る光伝送方式をいい、一般の光ファイバでは1波長当たり2.5Gbpsシステムを4波長多重化して10Gbpsの伝送速度を提供するが、DWDM方式では最大約80個の光波長を同時に多重化するので、約400Gbpsの伝送速度を提供することができる。
最近の光周波数測定技術は新たな転機を迎えている。時間領域で極めて短い時間のフェムト秒(1/1015秒)のパルスを発生させるフェムト秒モードロックレーザが利用されながら光周波数の絶対測定が可能になったからである。
光注入ロックは周波数幅の広い特性が好ましくない縦レーザを、周波数幅が狭くその分光特性が好ましい主レーザに電気的な装置なしに位相ロックする方法である。
フェムト秒レーザは時間領域で極超短パルスの繰返し率(repetition rate)が周波数領域での周波数間隔と一致する光周波数コム(optical frequency comb)で示すことができる。最近fceo(carrier-envelope-offset frequency)安定化技術が開発されながら、フェムト秒レーザを用いた光周波数の絶対測定が可能になった。これは原子時計のようなマイクロ波領域での周波数標準器をそのまま光周波数領域まで拡大するきっかけを作っただけでなく、現在最も正確であるといわれるセシウム原子分数時計よりもより正確な光周波数標準器の開発を可能にした。このようなフェムト秒レーザ周波数コムはその周波数が定義されているが、依然として1個のモードのみを選択して所望の周波数の単一モードレーザにしたり、その周波数を走査(scan)し難く、現在まで開発された光周波数合成器はその装置が極めて複雑であるという短所がある。
本発明は上記のような従来技術の問題点を解決するために創案したものであり、フェムト秒レーザ光周波数コムをダイオードレーザに注入して光周波数コムのうち単に1個のモードにのみ位相ロック(phase-locking)された単一モードのレーザ光を得てフェムト秒レーザの光周波数及び間隔、すなわち繰返し率を半導体レーザ周波数とともに変化させることで、所望の単一光周波数を有しながら走査可能なフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器及び光周波数合成方法を提供することにその目的がある。
上記のように本発明の目的を達成するためのフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器は、主レーザとしてモードロックされたフェムト秒レーザ、及び従属レーザとして上記主レーザであるフェムト秒レーザのレーザ光が注入されるダイオードレーザを含んでなることを特徴とする。
また本発明において、上記主レーザであるフェムト秒レーザに光注入ロックされたダイオードレーザは分散-ブラッグリフレクタレーザ(DBR:Distributed-Bragg Reflector laser)または分散帰還レーザ(DFB:Distributed Feedback laser)である。
また本発明において、上記主レーザであるフェムト秒レーザからのレーザ光を全体レーザ光出力の約5から15%を光注入ロックに使用し、全体レーザの残りをfceo安定化と frep調節に使用するように分離する光分離器を更に含んでなる。
また本発明において、上記主レーザであるフェムト秒レーザは光スペクトラム拡張のためのフォトニッククリスタルファイバ(Photonic crystal fiber)を具備してなる。
また本発明において、上記光周波数合成器が所望の光周波数のレーザ光を得ることができるように同期化させるためのマイクロ波周波数合成器を更に含んでなる。
また本発明において、上記主レーザであるフェムト秒レーザからのレーザ光が経由しながら従属レーザであるダイオードレーザの発振波長近傍の光周波数コム成分のみをダイオードレーザに注入されるようにする干渉フィルタを更に含む。
また本発明において、上記主レーザであるフェムト秒レーザからのレーザ光が上記干渉フィルタを経由した後、半波長偏光板と偏光分離器(PBS;Polarized beam splitter)を経て従属レーザであるダイオードレーザに注入されるようにしてレーザ光の強さを調節するようになる。
また本発明によるフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法は、モードロックされたフェムト秒レーザを主レーザとして使用し、単一モードで発振するダイオードレーザを従属レーザとして使用して主レーザを従属レーザに注入することで、主レーザであるフェムト秒レーザの周波数コムのうち単に1個のモードにのみ位相ロックされた単一モードのレーザ光を収得し、上記フェムト秒レーザの光周波数コム間隔(繰返し率)をダイオードレーザ周波数とともに変化させることで、所望の単一光周波数を有しながら走査可能なレーザ光を収得することを特徴とする。
また本発明において、上記主レーザであるフェムト秒レーザの光注入ロックされたレーザ光の周波数をマイクロ波周波数合成器の周波数の変化によって所望の光周波数にし、この時、従属レーザであるダイオードレーザに供給される電流を変化させてダイオードレーザの周波数を変化させることによって光注入ロック状態を維持しながら結果的に所望の周波数のレーザ光を得るようにすることができる。この時、フェムト秒レーザの光周波数コム間隔(繰返し率)を変化させてフェムト秒レーザの周波数を変化させ、走査(scanning)がなされるようにすることができる。
また本発明において、上記主レーザであるフェムト秒レーザからのレーザ光を干渉フィルタを経由して従属レーザであるダイオードレーザの発振波長近傍の光周波数コム成分のみをダイオードレーザに注入されるようにすることができる。
本発明の光周波数合成器及び光周波数合成方法は、モードロックされたフェムト秒レーザで得るレーザ光をダイオードレーザに注入してモードロックされたフェムト秒レーザのレーザ光の光周波数コムのうち単に1個のモードにのみ位相ロック(phase-locking)された単一モードのレーザ光を得てフェムト秒レーザのレーザ光の光周波数及び間隔、すなわち繰返し率を半導体レーザ周波数とともに変化させることで、光周波数走査がなされるようにする。
本発明の図面によるフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器の構成及びその特性を把握するために付加した実験装置の構成を図示した構成図である。 注入される光周波数コムの強さを変化させながら得たセシウムの飽和吸収分光スペクトラムを示すグラフである。 共焦点ファブリペロー共振器の透過信号を用いて観察した注入ロック状態のダイオードレーザスペクトラムを示すグラフである。 光注入ロックされたダイオードレーザと光周波数コムとの間のうねりスペクトラムを示すグラフである。 光注入ロックされたダイオードレーザと光周波数コムとの間の周波数安定度を示すグラフである。 本発明による光周波数合成器を用いてセシウム蒸気セルで観察したセシウム D2遷移線のうち底状態(F=4)から励起状態(F'=3、4、5)に該当する飽和吸収分光信号を示すグラフである。 本発明による光周波数合成器の一実施例の構成を示す構成図である。
図7の実施例は水素メーザ(131)に結合されるfceo調節用マイクロ波周波数合成器(135)及びfrep調節用マイクロ波周波数合成器(133)の結合形態を具体的な例を通じて示している。
ここで、フェムト秒レーザ及びダイオードレーザを基本に音響光変調器(139)、ポンプレーザ(137)、fceo調節用マイクロ波周波数合成器(135)、frep調節用マイクロ波周波数合成器(133)がこれら周辺に配置された構成が開示される。フェムト秒レーザ(110)は音響光変調器(acoustic optic modulator:AOM:139)を介してポンプレーザ(137)と連結される。フェムト秒レーザ(110)はfrep調節用マイクロ波周波数合成器(133)に同期化されてfrep調節用マイクロ波周波数合成器(133)の出力信号周波数frepを調節することによってフェムト秒レーザの繰返し率を調節することができるようになる。
フェムト秒レーザ(110)のレーザ光を光分離器(141)で分離し、例えば5~15%を光注入ロックに使用し、残りのレーザ光はまた別途の光分離器(145)で分けてfceo安定化と frepを調節するのに使用する。ここで、光注入ロックによってダイオードレーザに注入されるレーザ光の量が例えば5%未満と非常に少なければ本発明の光周波数合成器の出力が微弱になり、ダイオードレーザの発振、駆動自体が難しくなり、非常に量が多ければダイオードレーザを損傷させたり、単一モード光注入ロックが難しくなり複数モード発振が生じる場合がある。
ここで、fceoはf-2f方法(f-2f干渉計:136)を用いて安定化されており、frepは基準時計である水素メーザ(131)あるいはセシウム原子時計に同期されたマイクロ波周波数合成器(133)の出力信号周波数fsynと一致するように位相ロックされる。すなわち、frepはfrep調節用マイクロ波周波数合成器(133)の出力信号周波数自体と見ることができる。フェムト秒レーザ光周波数コムのn番目モード周波数はn×fsyn±fceoなので、光注入ロックされたレーザ光の周波数はマイクロ波周波数合成器の周波数fsynを変えて所望の光周波数のレーザ光を作ることができた。またダイオードレーザ(120)の周波数も光周波数コムの周波数が移動した分ダイオードレーザ(120)の電流を変化させて補正するようにして常に注入ロック状態を維持するようにした。
以下、本発明の具体的な実施例を添付した図面を参照して詳細に説明する。
図1は本発明によるフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器の1つの具体的な実施例と、その特性を確認するために付加した実験装置の構成を示す。本発明の実施例の構成を見ると、フェムト秒レーザ(10)とダイオードレーザ(20)であるDBRが具備され、これらの間には干渉フィルタ(13)、半波長偏光板(λ/2 plate:17、23)、分離器(BS:41、43)、光絶縁体(optical isolator:21)が選択的に配置される。
主レーザとしてのフェムト秒レーザ(10)の繰返し率は1.05GHzで、この場合、光周波数コムのモードは1.05GHz間隔に配列されており、その中心波長は830nmであり、スペクトラムは約30nmにわたる。波長532nmのポンプレーザ(37)の出力は5.5Wで、この時モードロックフェムト秒レーザ(10)の出力は約700mWを得ることができた。ここで分離器で約60mWのレーザ光を分離して光注入ロックに使用し、残りのレーザ光は、基本時計である水素メーザ(31)に同期化されたfceo調節用マイクロ波周波数合成器(35)の出力信号の周波数であるfceoの安定化と、フェムト秒レーザ光周波数コムの繰返し率調節に関与するfrep調節用マイクロ波周波数合成器(33)の出力信号周波数であるfrepを調節するのに使用した。主レーザであるフェムト秒レーザ(10)に対して光注入ロックされたダイオードレーザ(20)は発振波長852nmで、最大出力150mWの分散-ブラッグリフレクタレーザ(DBR;Distributed-Bragg Reflector laser)または分散帰還レーザ(DFB;Distributed FeedBack laser)を使用し、それ自体の発振線幅は約5MHzである。従属レーザであるダイオードレーザ(20)の発振波長近傍の光周波数コム成分のみを注入するために中心波長が852.3nmで、バンド幅が1.5nmの干渉フィルタ(13)を使用した。約60mWのフェムト秒レーザが干渉フィルタ(13)を通過した後、出力は約0.2mWで、従属レーザであるダイオードレーザ(20)に注入される前、半波長(λ/2)偏光板(17)と偏光分離器(PBS:43)を使用してその強さを調節した。図1の参照番号25はanamorphic prism pair(PP)で、Mは鏡(mirror)、BSは光分離器(beam splitter)、PDは光検出器(photo detector)である。注入ロックされたダイオードレーザ(20)の位相ロック特性を観察するために音響光変調器(acoustic optic modulator:AOM:51)を使用してダイオードレーザ(20)の周波数を80MHz移動させた後、フェムト秒レーザ(10)の光周波数コムの該当モード周波数とのうねり(beating)周波数を周波数カウンタ(61)とスペクトラム分析器(spectrum analyzer:63)を使用して観察した。また自由スペクトル範囲(free spectral range)が10GHzの共焦点ファブリペロー共振器(confocal Fabry-Perot resonator:65)を使用して単一モードで発振することを確認した。
さらに、上記主レーザであるフェムト秒レーザ(10)は光スペクトラム拡張のためのフォトニッククリスタルファイバ(Photonic crystal fiber:図示しない)を有する。
図2及び図3には注入される光周波数コムの強さを変化させながら得たセシウムの飽和吸収分光スペクトラムを示すグラフが図示される。これは注入される光周波数コムの強さによるダイオードレーザの注入ロック領域(injection-locking range)をセシウム D2遷移線のうち底状態F=4から励起状態F'=3、4、5に該当する飽和吸収分光信号を観察しながら測定した結果である。まずダイオードレーザに供給される電流を変化させてレーザ光の周波数を移動させながら飽和吸収分光信号を観察した。ここでフェムト秒レーザ周波数コムをダイオードレーザに注入するようになると、ダイオードレーザの周波数がフェムト秒レーザ周波数コムの1モードに対する周波数とある程度近くなる時にダイオードレーザの周波数がフェムト秒レーザの該当モード周波数と一致するようになり、かかる注入ロック領域では飽和吸収分光信号の大きさが変わらなくなる。図2で見ると、注入光の強さが大きくなる程、注入ロック領域も広くなることを確認することができる。実際にダイオードレーザに結合される光周波数コムの強さを知ることは難しいため、図2で注入光の強さはダイオードレーザに入射される光周波数コムの強さを示す。注入光の強さが約40uWの時、注入ロック領域は約200MHzと測定された。
光周波数コムが注入されると、従属レーザであるダイオードレーザの発振周波数は低くなることが分かるが、その理由は注入光がダイオードレーザのキャリア密度(carrier density)を変化させ、これが屈折率を変化させるためである。したがって、図2でのように注入光の強さが大きくなる程、周波数移動も大きくなるようになる。ダイオードレーザが注入ロック状態である時にダイオードレーザのスペクトラムを共焦点ファブリペロー共振器の透過信号を用いて観察した結果を図3に示し、図3に示された結果を通じてダイオードレーザが単一モードで発振することを確認することができた。
図4及び図5は光注入ロックされたダイオードレーザと光周波数コムとの間のうねりスペクトラムと周波数安定度を示すグラフである。
注入ロックされたダイオードレーザの周波数と、その特性が注入する光周波数コムの一成分(モード)とどれくらい一致するか、すなわち遡及程度(trancability)を測定し、その結果を図4及び図5に示した。図4は光注入ロックされたダイオードレーザの周波数を音響光変調器(AOM;acousto-optic modulator)で80MHz移動させた後、光周波数コムと空間的に一致させ、その二つの間のうねり周波数をスペクトラム分析器(spectrum analyzer)を使用して測定した結果である。中心周波数は音響光変調器に注入したRF 周波数80MHzは同様であり、その線幅はスペクトラム分析器の分解能限界と同様に測定された。ダイオードレーザと光周波数コムとの間の周波数安定度を測定するために、うねり周波数を周波数カウンタで測定してアラン(Allan)分散で示した結果を図5に示した。積分時間1秒で光周波数コム1モードとダイオードレーザとの間の遡及程度は 3.5＊1016で、平均周波数は音響光変調器駆動周波数である80MHzで1.75mHzと高く測定された。この結果は光注入ロックされたダイオードレーザの特性は完璧に光周波数コムと一致すると判断することができる。
したがって、ダイオードレーザを光注入ロックされた状態を維持しながらフェムト秒レーザの光周波数コムの周波数を変化させるようになると、ダイオードレーザを介して任意の単一モード光周波数を有するレーザ光を出力することができるので、全体は1つの光周波数合成器として作用し、光周波数コムの周波数を一定の間隔に移動させると走査が可能な光周波数合成器を具現することができる。
図6はマイクロ波周波数合成器の出力周波数を変化させながら得た飽和吸収分光信号であって、x軸は光注入ロックされたダイオードレーザの絶対周波数である。
図6には本発明による光周波数合成器を用いてセシウム蒸気セルで観察したセシウム D2遷移線のうち底状態(F=4)から励起状態(F= 3、4、5)に該当する飽和吸収分光信号を示すグラフを示した。すなわち、前述の方法で図7の実施例のような光周波数合成器を作ってセシウム原子の飽和吸収分光信号の観察に適用した結果である。
10 フェムト秒レーザ
13 干渉フィルタ
17、23 半波長偏光板
20 ダイオードレーザ
21 光絶縁体
31 水素メーザ
33 frep調節用マイクロ波周波数合成器
35 fceo調節用マイクロ波周波数合成器
37 ポンプレーザ
41、43 分離器
51 音響光変調器
61 周波数カウンタ
63 スペクトラム分析器
65 共焦点ファブリペロー共振器

Claims (15)

  1. 主レーザとしてモードロックされたフェムト秒レーザ、及び従属レーザとして上記フェムト秒レーザのレーザ光が注入されるダイオードレーザを含んでなることを特徴とするフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器。
  2. 上記ダイオードレーザは分散-ブラッグリフレクタレーザ(DBR:Distributed-Bragg Reflector laser)または分散帰還レーザ(DFB:Distributed Feedback laser)であることを特徴とする第1項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器。
  3. 音響光変調器、ポンプレーザ、fceo 調節用マイクロ波周波数合成器が具備され、
    上記フェムト秒レーザは上記音響光変調器(acoustic optic modulator:AOM)を介して上記ポンプレーザと連結され、
    上記音響光変調器はf-2f干渉計を通じて安定化した上記fceo調節用マイクロ波周波数合成器によって調節されるようにして、
    上記フェムト秒レーザからのレーザ光を全体レーザ光出力の約5から15%を光注入ロックに使用し、全体レーザ光出力の残りの一部をfceoの安定化に使用するように分離する光分離器を更に含んでなることを特徴とする第1項または第2項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器。
  4. 上記フェムト秒レーザが光スペクトラム拡張のためのフォトニッククリスタルファイバ(Photonic crystal fiber)を更に具備することを特徴とする第1項または第2項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器。
  5. 上記フェムト秒レーザからのレーザ光が経由しながら従属レーザである上記ダイオードレーザの発振波長近傍の光周波数コム成分のみをダイオードレーザに注入されるようにする干渉フィルタを更に含むことを特徴とする第1項または第2項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器。
  6. 出力信号周波数frepを調節することができるfrep調節用マイクロ波周波数合成器が具備され、
    上記フェムト秒レーザは上記frep調節用マイクロ波周波数合成器によって同期化されて上記frepによって周波数が変化されるようにして、
    上記frepを変化させることによって結果的に上記ダイオードレーザを介して出力されるレーザ光周波数を変化させて走査が可能になることを特徴とする第1項または第2項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器。
  7. 上記主レーザであるフェムト秒レーザからのレーザ光が上記干渉フィルタを経由した後、半波長偏光板と偏光分離器(PBS;Polarized beam splitter)を経て従属レーザであるダイオードレーザに注入されるようにしてレーザ光の強さを調節するようになることを特徴とする第5項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成器。
  8. モードロックされたフェムト秒レーザを主レーザとして使用し、単一モードで発振するダイオードレーザを従属レーザとして使用して主レーザを従属レーザに注入することで、主レーザであるフェムト秒レーザの周波数コムのうち単に1個のモードにのみ位相ロックされた単一モードのレーザ光を収得し、上記フェムト秒レーザの光周波数コム間隔(繰返し率)をダイオードレーザ周波数とともに変化させることで、光周波数走査可能なレーザ光を収得することを特徴とするフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法。
  9. 上記ダイオードレーザは分散-ブラッグリフレクタレーザ(DBR;Distributed-Bragg Reflector laser)または分散帰還レーザ(DFB:Distributed Feedback laser)が使用されることを特徴とする第8項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法。
  10. 上記主レーザであるフェムト秒レーザからのレーザを分離して全体レーザの5ないし 15%を光注入ロックに使用し、全体レーザの残りの一部をfceo安定化に使用することを特徴とする第8項または第9項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法。
  11. 上記主レーザであるフェムト秒レーザが光スペクトラム拡張のためのフォトニッククリスタルファイバ(Photonic crystal fiber)を更に具備することを特徴とする第8項または第9項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法。
  12. 上記主レーザであるフェムト秒レーザからのレーザ光を干渉フィルタを経由して従属レーザであるダイオードレーザの発振波長近傍の光周波数コム成分のみをダイオードレーザに注入されるようにすることを特徴とする第8項または第9項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法。
  13. 上記主レーザであるフェムト秒レーザの光注入ロックされたレーザ光の周波数をマイクロ波周波数合成器の周波数の変化によって所望の光周波数のレーザ光を収得するようになることを特徴とする第8項または第9項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法。
  14. 上記フェムト秒レーザの光周波数コム間隔(繰返し率)を変化させる時、上記従属レーザであるダイオードレーザに供給される電流を変化させてレーザ光の周波数を変化させることによって上記フェムト秒レーザと上記ダイオードレーザの光注入ロック状態を維持したまま走査(scanning)されることを特徴とする第8項または第9項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法。
  15. 上記主レーザであるフェムト秒レーザからのレーザが上記干渉フィルタを経由した後、半波長偏光板と偏光分離器を経て従属レーザであるダイオードレーザに注入されることを特徴とする第12項に記載のフェムト秒レーザ光注入ロックを用いた光周波数合成方法。
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