JP2014041273A - 自己参照干渉装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光周波数コムのスペクトル帯域を余り拡大することなく、高い精度でオフセット周波数が検出できるようにする。
【解決手段】光学結晶１０５は、長波長成分の中の第２の基本光より生成した第２高調波と、長波長成分より得られる第２の基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の第２の群高調波生成用光との和周波を生成することで第２の変換光を生成する。例えば、ｎが３の場合、ある波長の光（λ₁）の第２高調波（λ₁／２）と、この第２高調波を発生するのに用いた波長λ₁の光とは異なる波長λ₂の光と和周波を取って第３高調波（λ₃）を発生させる。
【選択図】 図１

Description

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のキャリアエンベロープオフセット周波数を検出する自己参照干渉装置および方法に関するものである。

近年、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ている（非特許文献１〜７参照）。これらの技術で用いられているレーザ光源としては、長さＬの共振器装置を備えた受動モード同期レーザがある。このレーザ光源は、繰り返し周波数ｆ_rep［＝ｃ／（２Ｌ）］（ｃは光速）のパルスレーザ光を生成する（非特許文献１〜３，５〜７参照）。

また、光源として連続（ＣＷ）光を発生するＣＷ光源を用い、ＣＷ光源の位相を変調することによって、繰り返し周波数（ｆ_rep）が一定の光パルス列に変換する位相変調方式によるパルスレーザ光源も用いられている（非特許文献８参照）。これらのレーザにより発振されるパルスレーザ光は、図５の「光搬送波包絡線」に示すようなパルスが、時間軸上に等しい時間間隔Ｔ（＝１／ｆ_rep）で並ぶ。図５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、周波数軸上では、図６に示すように、等しい周波数間隔ｆ_repで櫛状に並ぶ多数のモード（線スペクトル）の集合体となる。このように周波数軸上に櫛状に並ぶレーザ光（線スペクトル）の集合体が「光周波数コム」である。

パルスレーザ光の１パルスに注目すると、図５に示すように、光搬送波包絡線のピークと光搬送波電界のピークとは、光の群速度と位相速度の差によりずれが生じる。この、光搬送波包絡線のピークと光搬送波電界位相のピークとの差は、キャリアエンベロープ位相と呼ばれる。また、繰り返されるパルス間のキャリアエンベロープ位相のずれに対応し、図６に示すように、光周波数コムもオフセット光周波数ｆ₀だけオフセットされている。

ところで、上述したオフセット周波数ｆ₀は、光搬送波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）の隣り合うパルス（包絡線）の間のずれをΔφとすると、「ｆ₀＝（Δφ／２π）×ｆ_rep」で与えられる。光周波数コムの周波数軸上の間隔がｆ_repで与えられるため、各モードのスペクトル周波数はｆ_n＝ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀（但し、ｎは整数）と表すことができる。

このレーザ繰り返し周波数（ｆ_rep）とキャリアエンベロープ位相差を固定することができれば、光周波数コムの各モードの周波数を安定化することができ、マイクロ波周波数を光の周波数領域にまでつなぐ周波数基準となる。各モードの周波数が正確に定まった光周波数コムは、高精度な周波数標準および関連する基礎物理だけでなく、通信、精密計測、量子情報通信などの分野へ応用されていくと考えられる。

上述したオフセット周波数（ｆ₀）を検出する従来の方法として、ｆ₁−２ｆ₂自己参照干渉法がある。この方法は、図７に示す装置を用いる。この装置は、周波数コム発生部７０１より得られる繰り返し周波数ｆ_repの光パルス列からなる光周波数コムのスペクトル帯域を、１オクターブ以上拡大したスーパーコンティニューム（ＳＣ）光とする非線形光学媒質７０２と、非線形光学媒質７０２を通過した光周波数コムを長波長成分と短波長成分とに分離するダイクロイックミラー７０３を備える。

ＳＣ光は、広帯域なレーザパルス光であり、一般には、超短パルス光を非線形光学材料に入射した際、自己位相変調，相互位相変調，四光波混合，ラマン散乱などの非線形光学効果によって生成される。現在は、非線形材料である高非線形ファイバを用いることで、１オクターブ以上の広帯域性を有するＳＣ光の生成が可能になっている。

また、この装置は、分離された長波長成分の第２高調波（２次高調波）を発生させる非線形光学結晶７０４と、ダイクロイックミラー７０３で分離された短波長成分と非線形光学結晶７０４で発生した長波長成分の第２高調波とを干渉させる偏光ビームスプリッタ７０５と、偏光ビームスプリッタ７０５より生成される光のうなり信号（光ビート）を検出する検出器７０６と、検出器７０６で検出されたうなり信号より、周波数コム発生部７０１を制御する帰還制御部７０７とを備える。

上述した装置を用い、まず、周波数コム発生部７０１で生成した繰り返し周波数ｆ_repの光周波数コムのスペクトル帯域を、非線形光学媒質７０２により拡大してＳＣ光とする。次に、ダイクロイックミラー７０３により、得られたＳＣ光を、短波長成分（ｆ₁＝ｍ×ｆ_rep＋ｆ₀）と長波長成分（ｆ₂＝ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀）とに空間的に分離する。次に、ダイクロイックミラー７０３により分離した長波長成分（ｆ₂＝ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀）より、非線形光学結晶７０４で第２高調波［２ｆ₂＝２×（ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀）］を発生させる。

次に、上述したことに得られた長波長成分の第２高調波（２ｆ₂）と短波長成分（ｆ₁）とを、偏光ビームスプリッタ７０５により干渉させ、この干渉により発生するうなり信号を検出部７０６で検出する。これらのことにより、周波数の最も小さい項としてｍ＝２ｎを満たしたときに現れるｆ₁とｆ₂の周波数差ｆ₀（＝ｆ₁−ｆ₂）のキャリアエンベロープオフセット周波数を測定することができる。

この測定により得られたキャリアエンベロープオフセット周波数と、外部から得られるマイクロ波参照周波数とを比較参照する。この比較の結果が一定となるように、周波数コム発生部７０１における共振器内の非線形分散の大きさにフィードバック制御をかけることで、周波数コム発生部７０１より生成する光周波数コムのオフセット周波数（ｆ₀）を安定化することができるようになる。また、光周波数コムの繰り返し周波数（ｆ_rep）は、検出部７０６で検出される繰り返し周波数信号を元に、周波数コム発生部７０１におけるレーザの共振器長などにフィードバックすることにより固定することが可能である。

上述したｆ₁−２ｆ₂自己参照干渉法を用い、キャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ₀）とモード周波数間隔（ｆ_rep）を検出し、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きた（非特許文献１〜６参照）。

しかしながら、ｆ₁−２ｆ₂自己参照干渉法では、光周波数コムを帯域１オクターブ以上のＳＣ光にする必要があるが、このためには、高強度の超短パルスレーザ光源と非線形定数の大きいフォトニック結晶ファイバなどが必要となる。このようなｆ₁−２ｆ₂自己参照計の代わりに、２ｆ₁−３ｆ₂自己参照干渉計を用いる方法がある（非特許文献１０，１１参照）。

この方法は、図８に示す装置を用いる。この装置は、周波数コム発生部８０１より発生する繰り返し周波数ｆ_repの光パルス列からなる光周波数コムのスペクトル帯域をＳＣ光とする非線形光学媒質８０２と、非線形光学媒質８０２を通過した光周波数コムを長波長成分と短波長成分とに分離するダイクロイックミラー８０３を備える。この装置では、非線形光学媒質８０２が、自己位相変調効果により、長波長成分と短波長成分との周波数帯域の比が２：３以上のＳＣ光を生成すればよい。

また、この装置は、分離された短波長成分の第２高調波を発生させる非線形光学結晶８０４と、分離された長波長成分の第３高調波を発生させる非線形光学結晶８１４と、非線形光学結晶８１４で発生した長波長成分の第３高調波とを干渉させる偏光ビームスプリッタ８０５と、偏光ビームスプリッタ８０５より生成される光のうなり信号（光ビート）を検出する検出器８０６と、検出器８０６で検出されたうなり信号より、周波数コム発生部８０１を制御する帰還制御部８０７とを備える。

上述した装置を用い、まず、周波数コム発生部８０１で生成した繰り返し周波数ｆ_repの光周波数コムのスペクトル帯域を、非線形光学媒質８０２により長波長成分と短波長成分との比が２：３の状態で拡大してＳＣ光とする。次に、ダイクロイックミラー８０３により、得られたＳＣ光を、短波長成分（ｆ₁＝ｍ×ｆ_rep＋ｆ₀）と長波長成分（ｆ₂＝ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀）とに空間的に分離する。

次に、ダイクロイックミラー８０３により分離した長波長成分（ｆ₂＝ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀）より、非線形光学結晶８１４で第３高調波［３ｆ₂＝３×（ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀）］を発生させる。また、ダイクロイックミラー８０３により分離した短波長成分（ｆ₁＝ｍ×ｆ_rep＋ｆ₀）より、非線形光学結晶８０４で第２高調波［２ｆ₁＝２×（ｍ×ｆ_rep＋ｆ₀）］を発生させる。

次に、上述したことにより得られた長波長成分の第３高調波（３ｆ₂）と短波長成分の第２高調波（２ｆ₁）とを、偏光ビームスプリッタ８０５により干渉させ、この干渉により発生するうなり信号を検出部８０６で検出する。３ｎ＝２ｍを満たすように、言いかえれば、発生した第２高調波および第３高調波の波長をほぼ等しくなるように波長変換を行い２ｆ₁と３ｆ₂を干渉させると、キャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ₀）を検出することが可能である。

例えば、周波数コム発生部８０１より生成される中心周波数ｆ＝１９３．１ＴＨｚ（λ＝１５５２ｎｍ）の通信波長帯の中心周波数から、フォトニック結晶ファイバなどによる非線形光学媒質８０２で周波数帯域が２：３以上の広帯域ＳＣ光（１２００〜１８００ｎｍ）を発生する。次いで、カットオフ周波数が１５００ｎｍのダイクロイックミラー８０３でＳＣ光を短波長成分（１２００〜１５００ｎｍ）と長波長成分（１５００〜１８００ｎｍ）に分離する。

次に、非線形光学結晶８１４でＳＣ光の長波長成分の中の例えばλ_L＝１８００ｎｍの光（ｆ₂）の３倍波（λ_L／３＝６００ｎｍ）を生成し、非線形光学結晶８０４でＳＣ光の短波長成分の中の例えばλ_H＝１２００ｎｍの光（ｆ₁）の２倍波（λ_H／２＝６００ｎｍ）を生成する。この後、これらを干渉させると、キャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ₀）が検出される。

この、２ｆ₁−３ｆ₂自己参照干渉法を用いる方法の最大の利点は、光の周波数帯域を２：３以上に広げればよいため、低パルスエネルギーのパルスレーザ光源でも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が可能となる点である。

特表２００２−５３９６２７号公報 特開２００６−２０９０６７号公報

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. R. Holzwarth et al. , "Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy", PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.85, no.11, pp.2264-2267, 2000. K. Sugiyama et al. , "Frequency Control of a Chirped-Mirror-Dispersion-Controlled Mode-Locked Ti:Al203 Laser for Comparison between Microwave and Optical Frequencies", Proceedings of SPIE, vol.4269, pp.95-104. 2001. T. R. Schibli et al. , "Frequency metrology with a turnkey all-fiber system", OPTICS LETTERS, vol.29, no. 21, pp.2467-2469, 2004. T. M. Fortier 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. 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. M. Kourogi et al. , "Limit of Optical-Frequency Comb Generation Due to Material Dispersion", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, vol.31. no.12, pp.2120-2126, 1995. T. Kobayashi et al. , "Optical Pulse Compression Using High-Frequency Electrooptic Phase Modulation", IEEE JOURNAL OF QUANTUM ELECTRONICS, vol.24. no.2, pp.382-387, 1988. http://optipedia.info/laser/ultrashort-pulse/supercontinuum/sc-light/ U. Morgner et al. , "Nonlinear Optics with Phase-Controlled Pulses in the Sub-Two-Cycle Regime",PHYSICAL REVIEW LETTERS, vol.86, no.24 ,pp.5462-5465, 2001. T. M. Ramond et al. , "Phase-coherent link from optical to microwave frequencies by means of the broadband continuum from a 1-GHz Ti:sapphire femtosecond oscillator", OPTICS LETTERS, vol.27, no.20,pp.1842-1844, 2002.

しかしながら、２ｆ₁−３ｆ₂干渉法で用いられる第２高調波発生では、図９に示すように、ある波長の光（λ_L）の第２高調波（λ_L／２）と、この第２高調波を発生するのに用いた波長λ_Lの光との和周波を取って第３高調波（λ_L／３）を発生させている。ここで、１／（λ_L／３）＝１／λ_L＋１／（λ_L／２）である。このため、変換効率が落ちるという問題がある。

波長変換の例としては、ＳＣ光の長波長成分（λ_L＝１８００ｎｍ）の３倍波（λ_L／３＝６００ｎｍ）を取るために、ある波長の光（λ_L＝１８００ｎｍ）の第２高調波（λ_L／２＝９００ｎｍ）と、第２高調波を発生するのに用いられた（λ_L＝１８００ｎｍ）との和周波を取って第３高調波（６００ｎｍ）を発生する。

例えば、λ_Lから第２高調波λ_L／２への波長変換効率をη（０＜η＜１）とする。また、第３高調波を生成するためにλ_L／２とλ_Lの和周波への変換効率をη’（０＜η’＜１）とする。ここで、λ_L／２を生成するためのλ_Lの光、および第３高調波を生成するためのλ_Lの光は、同じＳＣ光から得るため、λ_L／２を生成するためのλ_Lの光を用いたことによる残りのλ_Lの光強度は（１−η）であるので、第３高調波までの変換効率は、η（１−η）η’となる。η（１−η）は、η＝０．５のとき最大値０．２５となる。従って、たとえ理想的な素子として第２高調波をη＝０．５の割合で生成（変換）し、第３高調波を１００％の割合で生成（変換）する素子が存在したとしても、得られる第３高調波の変換効率は、２５％を超えることは原理的に不可能である。このように変換効率が低い状態では、干渉によるうなり信号の強度が得られず、高い精度でオフセット周波数が検出できない。

本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、光周波数コムのスペクトル帯域を余り拡大することなく、高い精度でオフセット周波数が検出できるようにすることを目的とする。

本発明に係る自己参照干渉装置は、周波数帯域の比がｎ：（ｎ＋１）となる長波長成分および短波長成分の光が得られる範囲に（ｎは２以上の整数）、入力された光周波数コムの光スペクトル帯域を拡大させて帯域拡大光パルスを生成する帯域拡大手段と、帯域拡大光パルスより長波長成分および短波長成分を分離する分離手段と、短波長成分より第ｎ高調波の第１の変換光を生成する第１の高調波生成手段と、長波長成分より第ｎ＋１高調波の第２の変換光を生成する第２の高調波生成手段と、第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる干渉手段と、第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する第１の変換光と第２の変換光の周波数差の光信号を検出する検出手段とを少なくとも備え、第１の高調波生成手段は、ｎが２の場合は、短波長成分のなかの第１の基本光より第２高調波となる第１の変換光を生成し、ｎが３以上の場合は、第１の基本光より生成した第２高調波と、短波長成分より得られる第１の基本光とは各々波長が異なるｎ−２個の第１の群高調波生成用光との和周波を生成することで第１の変換光を生成し、第２の高調波生成手段は、長波長成分の中の第２の基本光より生成した第２高調波と、長波長成分より得られる第２の基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の第２の群高調波生成用光との和周波を生成することで第２の変換光を生成する。

上記自己参照干渉装置において、第１の高調波生成手段は、ｎが２の場合は、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列して各々の領域の配列方向の長さが第１の基本光の波長に対応した１群からなる第１の分極反転配列結晶部から構成され、ｎが３以上の場合は、第１の分極反転配列結晶部に加え、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列した複数の群から構成されて各々の群の各領域の配列方向の長さが第１の群高調波生成用光の各々の波長に各々対応した第１の群分極反転配列結晶部を備え、第２の高調波生成手段は、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列して各々の領域の配列方向の長さが第２の基本光の波長に対応した１群からなる第２の分極反転配列結晶部と、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列した複数の群から構成されて各々の群の各領域の配列方向の長さが第２の群高調波生成用光の各々の波長に各々対応した第２の群分極反転配列結晶部とから構成されている。

また、本発明に係る自己参照干渉方法は、周波数帯域の比がｎ：（ｎ＋１）となる長波長成分および短波長成分の光が得られる範囲に（ｎは２以上の整数）入力された光周波数コムの光スペクトル帯域を拡大させて帯域拡大光パルスを生成する第１ステップ、帯域拡大光パルスより長波長成分および短波長成分を分離する第２ステップと、短波長成分より第ｎ高調波の第１の変換光を生成する第３ステップと、長波長成分より第ｎ＋１高調波の第２の変換光を生成する第４ステップと、第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる第５ステップと、第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する第１の変換光と第２の変換光の周波数差の光信号を検出する第６ステップとを少なくとも備え、第３ステップは、ｎが２の場合は、短波長成分の中の第１の基本光より第２高調波となる第１の変換光を生成し、ｎが３以上の場合は、第１の基本光より生成した第２高調波と、短波長成分より得られる第１の基本光とは各々波長が異なるｎ−２個の第１の群高調波生成用光との和周波を生成することで第１の変換光を生成し、第４ステップは、長波長成分の中の第２の基本光より生成した第２高調波と、長波長成分より得られる第２の基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の第２の群高調波生成用光との和周波を生成することで第２の変換光を生成する。

以上説明したことにより、本発明によれば、光周波数コムのスペクトル帯域を余り拡大することなく、高い精度でオフセット周波数が検出できるようになるという優れた効果が得られる。

図１は、本発明の実施の形態における自己参照干渉装置の構成を示す構成図である。 図２は、本発明の実施の形態における第３高調波の生成について説明する説明図である。 図３は、擬似位相整合型の波長変換素子の構成例を示す構成図である。 図４は、本発明の実施の形態における自己参照干渉方法を説明するためのフローチャートである。 図５は、光パルスにおける光搬送波の位相について説明する説明図である。 図６は、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７は、自己参照干渉装置の構成を示す構成図である。 図８は、自己参照干渉装置の構成を示す構成図である。 図９は、第３高調波の生成について説明する説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における自己参照干渉装置の構成を示す構成図である。この自己参照干渉装置は、周波数コム発生部１０１，非線形光学媒質（帯域拡大手段）１０２，ダイクロイックミラー（分離手段）１０３，光学結晶（第１の高調波生成手段）１０４，光学結晶（第２の高調波生成手段）１０５，ビームスプリッタ（干渉手段）１０６，検出部１０７，および帰還制御部１０８を備える。

周波数コム発生部１０１は、繰り返し周波数ｆ_repの周波数コムを出力する。周波数コム発生部１０１は、例えば、共振器長Ｌによって繰り返し周波数ｆ_repが決まる受動モード同期レーザであればよい。また、周波数コム発生部１０１は、連続（ＣＷ）光を発生するＣＷ光源に対して外部から繰り返し周波数ｆ_repのマイクロ波を位相変調器などにより印加することで、ＣＷ光源の位相を変調して繰り返し周波数（ｆ_rep）が一定の光パルス列に変換して出力する位相変調方式によるパルスレーザ光源でもよい。

非線形光学媒質１０２は、周波数コム発生部１０１より発生する光周波数コムを入力し、この光周波数コムの光スペクトル帯域を、周波数帯域の比がｎ：（ｎ＋１）となる長波長成分および短波長成分の光が得られる範囲に（ｎは２以上の整数）拡大させて帯域拡大光パルス（ＳＣ光）を生成する。非線形光学媒質１０２は、例えば、フォトニック結晶ファイバから構成すればよい。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により、周波数帯域の比が長波長成分：短波長成分＝ｎ：（ｎ＋１）以上となる各成分が得られる範囲の周波数帯域のＳＣ光を発生させる。また、ダイクロイックミラー１０３は、所望とするカットオフ周波数を備え、非線形光学媒質１０２より得られたＳＣ光より長波長成分および短波長成分を空間的に分離する。

光学結晶１０４は、ダイクロイックミラー１０３で分離した短波長成分より第ｎ高調波の第１の変換光を生成し、光学結晶１０５は、ダイクロイックミラー１０３で分離した長波長成分より第ｎ＋１高調波の第２の変換光を生成する。まず、光学結晶１０４は、ｎが２の場合は、短波長成分の中の第１の基本光より第２高調波となる第１の変換光を生成する。また、光学結晶１０４は、ｎが３以上の場合は、第１の基本光より生成した第２高調波と、短波長成分より得られる第１の基本光とは各々波長が異なるｎ−２個の第１の群高調波生成用光との和周波を生成することで第１の変換光を生成する。

一方、光学結晶１０５は、長波長成分の中の第２の基本光より生成した第２高調波と、長波長成分より得られる第２の基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の第２の群高調波生成用光との和周波を生成することで第２の変換光を生成する。本実施の形態では、図２に例示するように、ある波長の光（λ_L）の第２高調波（λ_L／２）と、この第２高調波を発生するのに用いた波長λ_Lの光とは異なる波長λ_L’の光と和周波を取って第３高調波（λ／３）を発生させるようにしたところに特徴がある。

このようにして得られた第１の変換光と第２の変換光とを、ビームスプリッタ１０６で干渉させ、第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する第１の変換光と第２の変換光の周波数差の光信号（うなり信号）を検出部１０７で検出する。また、帰還制御部１０８が、検出器１０７で検出されたうなり信号より、周波数コム発生部１０１における光周波数コムの出力を制御する。

光学結晶１０４では、（オフセット周波数ｆ₀）×ｎ＋（繰り返し周波数ｆ_repの整数倍）の周波数の第ｎ高調波が発生することになる。一方、光学結晶１０５では、（オフセット周波数ｆ₀）×（ｎ＋１）＋（繰り返し周波数ｆ_repの整数倍）の周波数の第ｎ＋１高調波が発生することになる。この第ｎ高調波と第ｎ＋１高調波との整数部分が等しくなるように発生した第１の変換光および第２の変換光を干渉させると、得られるうなり信号（光ビート）を測定することでキャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ₀）を検出することができる。

また、このような検出部１０７による測定値を外部からのマイクロ波基準周波数と比較し、マイクロ波基準周波数からのずれの大きさを元に、帰還制御部１０８で周波数コム発生部１０１にフィードバック制御を行うことで、出力される光周波数コムのオフセット周波数（ｆ₀）を安定化することができるようになる。

例えば、上記マイクロ波基準周波数からのずれの大きさを元に、周波数コム発生部１０１を構成している共振器内の非線形分散の大きさにフィードバックを行えばよい。また、レーザの繰り返し周波数（ｆ_rep）は、検出部１０７からの繰り返し周波数信号を元に、周波数コム発生部１０１を構成しているレーザの共振器長などにフィードバックすることにより固定することが可能である。

このように、上述した実施の形態によれば、まず、必要とするＳＣ光は、周波数帯域の比が長波長成分：短波長成分＝ｎ：（ｎ＋１）以上となる各成分が得られる範囲の周波数帯域であればよく、１オクターブ以上拡大する必要がなく、より低パルスエネルギーでよい。また、ｎが３以上の第ｎ高調波を、短波長成分の中の基本光より生成した第２高調波と、短波長成分より得られる基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の第１の群高調波生成用光との和周波を生成することで発生するようにしているので、高い変換効率が得られるようになり、干渉によるうなり信号の強度をより高くすることが可能となり、高い精度でオフセット周波数が検出できるようになる。

以下、上述した光学結晶（第１の高調波生成手段）１０４，光学結晶（第２の高調波生成手段）１０５について、より詳細に説明する。これらは、周期的なピッチ長で分極反転構造を有する擬似位相整合型の波長変換素子から構成すればよい。この擬似位相整合型の波長変換素子３０１は、図３の（ａ）に示すように、非線形光学特性を持った結晶から構成されて直列に接続した複数の領域３０２から構成され、隣り合う領域３０２で結晶の分極が反転している。この配列の方向に光が入射されて透過する。

一般的に、基本光と非線形光学特性を持った結晶で発生する波長変換光との間では、屈折率が異なるため位相速度に差がある。このため、基本光が、結晶内を伝播するにつれて次々と発生する波長変換光は、少しずつ位相がずれていく。この中で、ある距離Λ離れた２点で発生した波長変換光の位相差がπになると、互いに打ち消し合うようになり逆に強度が減衰していく。この状態を抑制して安定して強度を増大させる方法として、擬似位相整合型の波長変換素子がある。

擬似位相整合型の波長変換素子では、基本光と波長変換光との位相差がπとなるところ（距離Λ）で、結晶の分極（分極の方向）を反転させてここで発生する波長変換光の位相を反転させる。この構造によると、分極を反転していない状態であれば打ち消し合う状態が、逆に強め合う状態となり、結晶内を伝播するにつれて次々と発生する波長変換光の強度を常に増加させることができる。このように、擬似位相整合法では、基本光の波長λに対応した距離Λで結晶の分極を反転させている周期分極反転により、擬似的に位相整合させて波長を変換している。

擬似位相整合型の波長変換素子３０１の大きな特徴の１つとして、分極反転周期を調整することで、対応波長や変換方法（高調波発生、光パラメトリック発振など）を適宜に設定することができる。例えば、第２高調波発生用の波長変換素子３０１では、分極反転周期となる各々の領域３０２の配列方向の長さΛは、「Λ＝ｍ×λ／｛２×（ｎ_2ω−ｎ_ω）｝・・（１）」と表すことができる。ここで、λは基本光の波長、ｎ_ωは、領域３０２における基本光の波長の屈折率、ｎ_2ωは、領域３０２における第２高調波波長の屈折率、ｍは定数であり、通常１である。式（１）に示すように、分極反転周期Λは、入射する基本光の波長λによって決まるため、周期Λを適宜に設計することで様々な波長λに対応した波長変換素子３０１を作製することができる。

上述した擬似位相整合型の波長変換素子は、第２高調波だけではなく、和周波発生（Sum Frequency Generation：ＳＦＧ）、差周波発生（Difference Frequency Generation：ＤＦＧ）、光パラメトリック発振（Optical Parametric Oscillation：ＯＰＯ）といった２次の非線形性を利用した様々な波長変換にも幅広く利用されている。また、擬似位相整合型の波長変換素子は、上述した特徴的な周期分極反転構造（Periodically Poled structure）を有することから、ＰＰ−ＸＸとも呼ばれており（ＸＸは材料名がはいる）、ＰＰＬＮ、ＰＰＭｇＬＮ、ＰＰＭｇＳＬＴのように表現される。

上述した擬似位相整合型の波長変換素子により、光学結晶１０４，光学結晶１０５が構成できる。例えば、光学結晶１０５は、ｎ種類のΛの分極反転構造を有する擬似位相整合型の波長変換素子から構成することができる。この場合、光学結晶１０５は、まず、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列して各々の領域の配列方向の長さが第２の基本光の波長に対応した部分（第２の分極反転配列結晶部）を備える。加えて、光学結晶１０５は、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列した複数の群から構成され、各々の群の各領域の配列方向の長さが第２の基本光とは各々波長が異なるｎ個の第２の群高調波生成用光の各々の波長に各々対応する部分（第２の群分極反転配列結晶部）を備える。

光学結晶１０５には、長波長成分の第２の基本光が入射光となる。この中のｎ個の波長（λ₁，λ₂，…，λ_n）を用いることで、第ｎ＋１高調波の第２の変換光を発生させることができる。このためには、波長λ₁に対応した複数の長さΛ₁の領域からなる第１部分（第２の分極反転配列結晶部），波長λ₂に対応した複数の長さΛ₂の領域からなる第２部分，波長λ₃に対応した複数の長さΛ₃の領域からなる第３部分，・・・波長λ_nに対応した複数の長さΛ_nの領域からなる第ｎ部分から光学結晶１０５を構成すればよい。

第１部分では、波長λ₁の光の第２高調波（λ₁’＝λ₁／２）を発生させる。このときのピッチ長Λ₁は、前述した式（１）より「Λ₁＝λ₁／［２×｛ｎ（λ₁’）−ｎ（λ₁）｝］・・（２）」で与えればよい。ここでｎ（λ）は、波長λに対する非線形光学特性を持った結晶の屈折率を表す。このとき、波長λ₂，λ₃，…，λ_nの光は、対応するピッチ長がΛ₁ではないため、第１部分では波長変換されずに透過される。

第２部分では、λ₁とは異なる波長であるλ₂と、第１部分で生成された第２高調波（λ₁’）との和周波が取られて波長λ₂’の波長変換光が生成される。このときのピッチ長Λ₂は、「１／Λ₂＝ｎ（λ₂’）／λ₂’−ｎ（λ₁’）／（λ₁’）−ｎ（λ₂）／λ₂・・・（３）」で与えられる。この式（３）により求められるピッチ長Λ₂を変化させることにより、ＳＣ光のどの波長の光λ₂’を用いるかを選択することができる。

以下、第ｋ（２≦ｋ≦ｎ）部分では、λ_k-1’とλ_kとの和周波を取って、波長λ_k’の波長変換光を得る。このためには、第ｋ部分における各領域のピッチ長Λ_kを「１／Λ_k＝ｎ（λ_k’）／λ_k’−ｎ（λ_k-1’）／（λ_k-1’）−ｎ（λ_k）／λ_k・・・（３）」により与えればよい。

上述した構成とした光学結晶１０５の最大の特徴は、第ｎ＋１高調波の生成を、波長λ₁のみから生成するのではなく、波長（λ₁，λ₂，…，λ_n）の光を用いているため、高効率な高調波が生成できる点である。

例えば、簡単のためにｎ＝２の場合を考えると、この場合は、図３の（ｂ）に示すように、擬似位相整合型の波長変換素子３１１とすればよい。波長変換素子３１１は、非線形光学特性を持った結晶から構成されて直列に接続した複数の領域３１２と、非線形光学特性を持った結晶から構成されて直列に接続した複数の領域３１３とから構成されている。各領域３１２は、配列方向の長さΛ₁が基本光の波長λ₁に対応し、各領域３１３は、配列方向の長さΛ₂が基本光とは波長が異なる波長λ₂に対応している、領域３１２からなる第１部分により波長λ₁の基本光の第２高調波が発生する。

領域３１２からなる第１部分により第２高調波が発生する変換効率をη（０＜η＜１）とし、領域３１３からなる第２部分において、波長λ₂の光と第２高調波の光との和周波を発生させる変換効率をη’とすれば、第３高調波が得られる変換効率はη×η’で与えられる。ここには、「１−η」のような最大値を制限する項がないため、変換効率が２５％を超えることも原理的に可能である。

また、上述した構成の擬似位相整合型の波長変換素子では、１つの素子で第ｎ＋１高調波を発生させることができる。ｎ個の擬似位相整合素子を直列に並べた光学系と比べると、光学部品の節約ができるため、光学部品と擬似位相整合素子端面からのフレネル反射損失がなくなる。また、レーザ光と擬似位相整合素子との光結合損失が、少ない状態が得られる点も、上記素子の特徴となる。

以上のことは、第ｎ高調波の発生を行う光学結晶１０４についても同様である。光学結晶１０４は、ｎが２の場合は、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列して各々の領域の配列方向の長さが第１の基本光の波長に対応した１群からなる第１の分極反転配列結晶部から構成されていればよい。第１の基本光は、短波長成分より得られる。また、ｎが３以上の場合、光学結晶１０４は、上述した第１の分極反転配列結晶部に加え、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列したｎ−１個の群から構成されて各々の群の各領域の配列方向の長さが第１の群高調波生成用光の各々の波長に各々対応した第１の群分極反転配列結晶部を備えていればよい。第１の群高調波生成用光は、短波長成分より得られる基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の光である。

次に、本発明の実施の形態における自己参照干渉方法について、ｎ＝２の場合を例にして図４のフローチャートを用いて説明する。

まず、ステップＳ４０１で、例えば、フォトニック結晶ファイバなどの非線形光学媒質により、周波数帯域の比が２：３となる長波長成分および短波長成分の光が得られる範囲に、入力された光周波数コムの光スペクトル帯域を拡大させて帯域拡大光パルス（ＳＣ光）を生成する（第１ステップ）。次に、ステップＳ４０２で、例えば、所望とするカットオフ周波数のダイクロイックミラーを用い、ＳＣ光より長波長成分および短波長成分を分離する（第２ステップ）。

次に、ステップＳ４０３で、短波長成分の中の第１の基本光より第２高調波の第１の変換光を生成する（第３ステップ）。例えば、前述した波長変換素子３０１に、周波数ｆ₁の第１の基本光を含むＳＣ光の短波長成分を入射させる。波長変換に使われる入射光の周波数ｆ₁を「ｆ₁＝ｍ×ｆ_rep＋ｆ₀」とすれば、第２高調波である第１の変換光の周波数は、２ｆ₁＝２×（ｍ×ｆ_rep＋ｆ₀）で与えられる。なお、ｎが３以上の場合（第３高調波以上の高調波生成）は、短波長成分の中の第１の基本光より生成した第２高調波と、短波長成分より得られる第１の基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の第１の群高調波生成用光との和周波を生成することで第１の変換光を生成する。

次に、ステップＳ４０４で、長波長成分より第３高調波の第２の変換光を生成する。このとき、長波長成分の中の第２の基本光より生成した第２高調波と、長波長成分より得られる第２の基本光とは波長が異なる他の光（第２の群高調波生成用光）との和周波を生成することで第３高調波を生成する。

例えば、波長変換素子３１１に、周波数ｆ₂の第２の基本光とこれとは周波数が異なる周波数ｆ₂’の光を含むＳＣ光の長波長成分を入射させる。波長変換に使われる２つの光の周波数をｆ₂（＝ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀）、ｆ₂’（＝ｎ’×ｆ_rep＋ｆ₀）とすれば（ここでｆ₂〜ｆ₂’）、波長変換素子３１１の、複数の領域３１２からなる群で生成される第２高調波の周波数は、２ｆ₂＝２（ｎ×ｆ_rep＋ｆ₀）となる。また、複数の領域３１３からなる群で生成される第３高調波の周波数は、２ｆ₂＋ｆ₂’＝（２ｎ＋ｎ’）×ｆ_rep＋３ｆ₀である。従って、発生する第３高調波（第２の変換光）は（オフセット周波数ｆ₀）×３＋（繰り返し周波数ｆ_repの整数倍）になる。

次に、ステップＳ４０５で、第１の変換光と第２の変換光とを干渉させ（第５ステップ）、ステップＳ４０６で、第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する第１の変換光と第２の変換光の周波数差の光信号（光ビート）を検出する（第６ステップ）。

２ｎ＋ｎ’＝２ｍを満たすように、言いかえれば、発生した第２高調波および第３高調波の波長をほぼ等しくなるように波長変換を行い、第２高調波と第３高調波の光を干渉させると、キャリアエンベロープオフセット周波数（ｆ₀）を検出することが可能である。

例えば、中心周波数ｆ＝１９３．１ＴＨｚ（λ＝１５５２ｎｍ）の通信波長帯の中心周波数から、まず、フォトニック結晶ファイバなどで周波数帯域が、長波長成分：短波長成分＝２：３以上のＳＣ光（１２００〜１８１０ｎｍ）を発生させる。次いで、カットオフ周波数が１５００ｎｍのダイクロイックミラーで、上記ＳＣ光を短波長成分（１２００〜１５００ｎｍ）と長波長成分（１５００〜１８１０ｎｍ）とに分離する。

ＳＣ光の長波長成分（λ₂＝１８００ｎｍ、λ₂’＝１８１０ｎｍを含む）を入射光としたときの、光学結晶１０５における波長変換光（第２の変換光）の波長λ₃は、１／λ₃＝１／（λ₂／２）＋１／λ₂’よりλ₃＝６０１．１ｎｍである。また、ＳＣ光の短波長成分（λ₁＝１２０２．２ｎｍを含む）を入射光としたときの、光学結晶１０４より得られるλ₁＝１２０２．２ｎｍの２倍波（第１の変換光）の波長λ₁／２は、６０１．１ｎｍである。これらを干渉させると、ビート信号（ｆ₀）が検出される。

この測定値を、外部からのマイクロ波基準周波数と比較し、マイクロ波基準周波数からのずれの大きさを元に帰還制御部１０８で、周波数コム発生部１０１を構成している共振器内の非線形分散の大きさにフィードバック制御を行う。この制御により、周波数コム発生部１０１より得られる光周波数コムのオフセット周波数（ｆ₀）を安定化することができるようになる。また、周波数コム発生部１０１が出力する周波数コムの繰り返し周波数（ｆ_rep）は、検出部１０７で検出される繰り返し周波数信号を元に、周波数コム発生部１０１を構成しているレーザの共振器長などにフィードバックすることにより固定することが可能である。

なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。

１０１…周波数コム発生部、１０２…非線形光学媒質（帯域拡大手段）、１０３…ダイクロイックミラー（分離手段）、１０４…光学結晶（第１の高調波生成手段）、１０５…光学結晶（第２の高調波生成手段）、１０６…ビームスプリッタ（干渉手段）、１０７…検出部、１０８…帰還制御部。

Claims (3)

1. 周波数帯域の比がｎ：（ｎ＋１）となる長波長成分および短波長成分の光が得られる範囲に（ｎは２以上の整数）、入力された光周波数コムの光スペクトル帯域を拡大させて帯域拡大光パルスを生成する帯域拡大手段と、
   前記帯域拡大光パルスより長波長成分および短波長成分を分離する分離手段と、
   前記短波長成分より第ｎ高調波の第１の変換光を生成する第１の高調波生成手段と、
   前記長波長成分より第ｎ＋１高調波の第２の変換光を生成する第２の高調波生成手段と、
   前記第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる干渉手段と、
   前記第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する前記第１の変換光と前記第２の変換光の周波数差の光信号を検出する検出手段と
   を少なくとも備え、
   前記第１の高調波生成手段は、ｎが２の場合は、前記短波長成分のなかの第１の基本光より第２高調波となる前記第１の変換光を生成し、ｎが３以上の場合は、前記第１の基本光より生成した第２高調波と、前記短波長成分より得られる前記第１の基本光とは各々波長が異なるｎ−２個の第１の群高調波生成用光との和周波を生成することで前記第１の変換光を生成し、
   前記第２の高調波生成手段は、前記長波長成分の中の第２の基本光より生成した第２高調波と、前記長波長成分より得られる前記第２の基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の第２の群高調波生成用光との和周波を生成することで前記第２の変換光を生成する
   ことを特徴とする自己参照干渉装置。
2. 請求項１記載の自己参照干渉装置において、
   前記第１の高調波生成手段は、
   ｎが２の場合は、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列して各々の領域の配列方向の長さが前記第１の基本光の波長に対応した１群からなる第１の分極反転配列結晶部から構成され、
   ｎが３以上の場合は、前記第１の分極反転配列結晶部に加え、隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列したｎ−１個の群から構成されて各々の群の各領域の配列方向の長さが前記第１の群高調波生成用光の各々の波長に各々対応した第１の群分極反転配列結晶部を備え、
   前記第２の高調波生成手段は、
   隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列して各々の領域の配列方向の長さが前記第２の基本光の波長に対応した１群からなる第２の分極反転配列結晶部と、
   隣り合う領域で結晶の分極が反転している複数の領域が直列に接続して配列したｎ個の群から構成されて各々の群の各領域の配列方向の長さが前記第２の群高調波生成用光の各々の波長に各々対応した第２の群分極反転配列結晶部と
   から構成されていることを特徴とする自己参照干渉装置。
3. 周波数帯域の比がｎ：（ｎ＋１）となる長波長成分および短波長成分の光が得られる範囲に（ｎは２以上の整数）入力された光周波数コムの光スペクトル帯域を拡大させて帯域拡大光パルスを生成する第１ステップ、
   前記帯域拡大光パルスより長波長成分および短波長成分を分離する第２ステップと、
   前記短波長成分より第ｎ高調波の第１の変換光を生成する第３ステップと、
   前記長波長成分より第ｎ＋１高調波の第２の変換光を生成する第４ステップと、
   前記第１の変換光と第２の変換光とを干渉させる第５ステップと、
   前記第１の変換光と第２の変換光との干渉により発生する前記第１の変換光と前記第２の変換光の周波数差の光信号を検出する第６ステップと
   を少なくとも備え、
   前記第３ステップは、ｎが２の場合は、前記短波長成分の中の第１の基本光より第２高調波となる前記第１の変換光を生成し、ｎが３以上の場合は、前記第１の基本光より生成した第２高調波と、前記短波長成分より得られる前記第１の基本光とは各々波長が異なるｎ−２個の第１の群高調波生成用光との和周波を生成することで前記第１の変換光を生成し、
   前記第４ステップは、前記長波長成分の中の第２の基本光より生成した第２高調波と、前記長波長成分より得られる前記第２の基本光とは各々波長が異なるｎ−１個の第２の群高調波生成用光との和周波を生成することで前記第２の変換光を生成する
   ことを特徴とする自己参照干渉方法。

Images