JP2016212261A - 広帯域光周波数コム光源および広帯域光周波数コムの発生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可視領域から中赤外領域に及ぶ非常に広い波長範囲にわたってコヒーレントな光周波数コムを発生させる。【解決手段】広帯域光周波数コム光源は、光周波数コムを発生させる光周波数コム種光発生手段１と、光周波数コムを増幅するＥｒ添加ファイバ増幅器２と、増幅された光周波数コムの帯域を拡大する高非線形ファイバ４と、高非線形ファイバ４から出力された光周波数コムを入力とし、二次非線形光学効果を発する非線形光学媒質である周期分極反転ＬｉＮｂＯ3導波路５とを備える。周期分極反転ＬｉＮｂＯ3導波路５は、入力された光周波数コムに含まれる多数の光のうち波長λ1を有する光と波長λ2を有する光とを元光とする二次非線形光学効果により、λ1，λ2よりも長波長の光を出力すると共にλ1，λ2よりも短波長の光を出力する。【選択図】 図１

Description

本発明は、光周波数コム光源に関し、より具体的には、計測や分光に好適な可視領域から中赤外領域までの広帯域にわたる光を発生する広帯域光周波数コム光源および広帯域光周波数コムの発生方法に関するものである。

等しい周波数間隔の離散的なスペクトルを有する光は、光周波数コムと呼ばれており、光周波数コムを発する光源は、計測や分光、その他の分野において非常に有用な光源である。可視領域や中赤外領域などいくつかの波長域で光周波数コムを得ることができると、様々な波長領域で参照周波数との周波数比較が可能になる。さらに、光周波数コム光源は、デュアルコム分光やコヒーレントトモグラフィーなどの光源としても有用である。

光周波数コムは一定の周波数間隔で現れる複数の線スペクトルを櫛目と見立てており、この櫛目の間隔が光パルスの繰り返し周波数であり、各櫛目の光周波数は隣り合う櫛目の間隔の周波数の整数倍にオフセット光周波数を加えたものとなる。したがって、光周波数コムでは、櫛目の間隔の周波数と整数値とにより各線スペクトルの光周波数が決定できる。すなわち光周波数コムを構成する各光周波数は次式で与えられる。
ｆ_n＝ｆ₀＋ｎｆ_rep ・・・（１）

ここで、ｆ_repは隣り合う櫛目の光周波数間隔、ｎは整数で、ｆ₀は光周波数の余りの部分であり、０≦ｆ₀＜ｆ_repの関係がある。光周波数コムは様々な光周波数ｆ_nの光の集合体とみなすことができる。特にｆ₀はキャリアエンベロープオフセット周波数と呼ばれており、ｆ_CEOと表記する事がある。

この様な光周波数コムの発生方法としては、非特許文献１に示されるＴｉサファイアを用いたＴｉサファイアコムや、非特許文献２に示されるファイバループ中にＥｒドープファイバを挿入したＥｒコムが知られている。

光周波数コムにおいて最も重要視されるのは光周波数コムが得られるスペクトル帯域である。この帯域を広げるため、すなわち広帯域化を実現するために、様々な技術が工夫されてきた。
例えば波長が５００−１０００ｎｍの可視領域の１オクターブ（短波長側と長波長側の波長関係が２倍）に近い広帯域光周波数コムでは、非特許文献３に示される広帯域化されたＴｉサファイアコムあるいは非特許文献４に示されるフォトニック結晶ファイバー（ＰＣＦ：Photonic crystal fiber）を用いたＥｒコムの２次高調波発生により可視光が得られる。しかし、これら可視領域の光周波数コムは、ＴｉサファイアあるいはＰＣＦを使う際に空間光学系を使う必要があり、空間光学系の不安定さにより、長時間稼働に必要な堅牢性がないという問題があった。

一方で波長が１０００−２４００ｎｍの近赤外領域の１オクターブに近い広帯域光周波数コムは、Ｅｒ添加ファイバ（もしくはＹｂ添加ファイバ）を利得媒質としたＥｒコム（もしくはＹｂコム）を、高非線形ファイバ（ＨＮＬＦ：Highly nonlinear fiber）でスペクトル広帯域化して得られる。この構成はすべて光ファイバをベースに構成されており、環境擾乱に対して堅牢であり、長時間稼働が可能である。

そして、波長が２４００ｎｍ以上の中赤外領域の広帯域光周波数コムは、近赤外領域の光周波数コムを、さらに二次非線形光学結晶である周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ：Periodically poled lithium niobate）を用いて波長変換することによって得られている。ＰＰＬＮは光モジュールとして作成され、光ファイバとの結合を安定的に保たれているので、中赤外領域の光周波数コムもまた環境擾乱に対して堅牢であり、長時間稼働が可能である。

中赤外領域の光周波数コムとしては、例えば非特許文献５では波長領域が３．２−４．８μｍのものが得られ、非特許文献６では波長領域が２．８−５．４μｍのものが得られている。しかし、非特許文献５，６に開示された光周波数コムの例では、反転周期がチャープしたＰＰＬＮを用いて、結晶の傾きを変えて広帯域スペクトルを得ているため、上記の波長領域の一部の光を発生することが可能なだけで、広帯域の光周波数コムを一度に発生することはできない。

また、非特許文献７には、Ｅｒコムを２分岐し、一方のＥｒコムについてはＥｒ添加ファイバ増幅器で１．５５μｍ帯光を高出力化し、他方のＥｒコムについてはＥｒ添加ファイバ増幅器で高出力化した後にＨＮＬＦでスペクトル広帯域化した光周波数コムをＹｂ添加ファイバ増幅器に入力して１．０４μｍ帯光を高出力化し、高出力化した１．５５μｍ帯光と高出力化した１．０４μｍ帯光とを合波してＰＰＬＮに入力することにより、中赤外領域の２．８−３．６μｍの波長帯で光周波数コムを発生させることが開示されている。しかしながら、非特許文献７に開示された構成では、中赤外領域の１オクターブを超える広帯域光周波数コムを得ることはできない。

また、特許文献１には、Ｅｒコムを入力とするＥｒ添加ファイバ増幅器と、Ｅｒ添加ファイバ増幅器に接続された高非線形ファイバとからなる構成を近赤外領域の１オクターブに近い広帯域光周波数コム光源とし、この広帯域光周波数コム光源から出力された光周波数コムをＰＰＬＮに入力し、ＰＰＬＮは、入力された光周波数コムの多数の光の中から選択された波長λｐを有する光と波長λｓを有する光との差周波発生により、１／λｉ＝１／λｐ−１／λｓの式を満たす波長λｉの変換光を出力することで２−４．５μｍの中赤外領域の１オクターブを超える広帯域周波数コムを発生させることが開示されている。しかし、この特許文献１の例でも可視領域の波長帯の光周波数コムを得ることはできない。

特開２０１４−２３５１７４号公報

D.J.Jones，S.A.Diddams，J.K.ranka，A.Stentz，R.S.Windeler，J.L.Hall，and S.T.Cundiff，"Carrier envelope phase control of femtosecond mode-locked lasers and direct optical frequency synthesis"，Science，vol.288，pp. 635-639，2000 H.Inaba，Y.Daimon，F.-L.Hong，A.Onae，Ka.Minoshima，T.R.Schibli，H.Matsumoto，M.Hirano，T.Okuno，M.Onishi，and M.Nakazawa，"Long-term measurement of optical frequencies using a simple, robust and low-noise fiber based frequency comb"，Optics Express，vol.14，pp.5223-5231，2006 J.C.Knight，"Photonic crystal fibres"，Nature，vol.424，pp.847-851，2003 A.Onae，T.Ikegami，K.Sugiyama，F.-L.Hong，K.Minoshima，H.Matsumoto，K.Nakagawa，M.Yoshida，and S.Harada，"Optical frequency link between an acetylene stabilized laser at 1542 nm and an Rb stabilized laser at 778 nm using a two-colour mode-locked fiber laser"，Optics Communications，Vol.183，pp.181-187，2000 C.Erny，K.Moutzouris，and J.Biegert，"Mid-infrared difference-frequency generation of ultrashort pulses tunable between 3.2 and 4.8μm from a compact fiber source"，Optics Letters，Vol.32，pp.1138-1140，2007 A.Sell，R.Scheu，A.Leitenstorfer，and R.Huber，"Field-resolved detection of phase-locked infrared transients from a compact Er:fiber system tunable between 55 and 107 THz"，Applied Physics Letters，vol.93，251107，2008 S.A.Meek，A.Poisson，G.Guelachvili，T.W.Hansch，and N.Picque，"Fourier transform spectroscopy around 3μm with a broad difference frequency comb"，Applied Physics B，vol.114，pp.573-578，2014

以上のように、従来は可視領域から中赤外領域に及ぶ３オクターブ近い非常に広い波長範囲にわたって、コヒーレントな光周波数コムを得ることができないという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、可視領域から中赤外領域に及ぶ非常に広い波長範囲にわたって、コヒーレントな光周波数コムを発することが可能な広帯域光周波数コム光源および広帯域光周波数コムの発生方法を提供することを目的とする。

本発明の広帯域光周波数コム光源は、周波数軸上でピークが等間隔で並ぶ櫛形のスペクトルを有する光周波数コムを発生させる光周波数コム種光発生手段と、この光周波数コム種光発生手段から出力された光周波数コムを増幅するＥｒ添加ファイバ増幅器と、このＥｒ添加ファイバ増幅器によって増幅された光周波数コムの帯域を拡大する高非線形ファイバと、この高非線形ファイバから出力された光周波数コムを入力とし、二次非線形光学効果を発する非線形光学媒質とを備え、前記非線形光学媒質は、入力された前記光周波数コムに含まれる多数の光のうち波長λ₁を有する光と波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果により、λ₁，λ₂よりも長波長の光を出力すると共にλ₁，λ₂よりも短波長の光を出力することを特徴とするものである。

また、本発明の広帯域光周波数コム光源の１構成例において、前記非線形光学媒質は、前記波長λ₁を有する光と前記波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果の差周波発生により、１／λ₃＝１／λ₁−１／λ₂の式を満たす波長λ₃の光を、前記λ₁，λ₂よりも長波長の光として出力すると共に、前記波長λ₁を有する光と前記波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果の和周波発生もしくは第二高調波発生により、１／λ₄＝１／λ₁＋１／λ₂の式を満たす波長λ₄の光を、前記λ₁，λ₂よりも短波長の光として出力することを特徴とするものである。
また、本発明の広帯域光周波数コム光源の１構成例において、前記非線形光学媒質は、入力された前記光周波数コムに含まれる多数の光のうち波長λ₅の光と前記波長λ₄の波長の光とを元光とする和周波発生により１／λ₆＝１／λ₅＋１／λ₄の式を満たす波長λ₆の光を、前記λ₁，λ₂よりも短波長の光として出力することを特徴とするものである。
また、本発明の広帯域光周波数コム光源の１構成例において、前記光周波数コム種光発生手段は、ファイバループと、このファイバループ中に配置されたＥｒ添加ファイバと、前記ファイバループ中に配置された偏光子と、前記ファイバループ中に配置された偏波コントローラと、前記ファイバループ中に配置されたアイソレータと、前記Ｅｒ添加ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、この励起光源から出力された励起光を前記ファイバループ中を伝搬する光と合波する合波手段と、前記ファイバループ中を伝搬する光を取り出して前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器に出力する分波手段とからなることを特徴とするものである。

また、本発明の広帯域光周波数コム光源の１構成例は、さらに、前記光周波数コム種光発生手段と前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器との間の光の伝搬経路に配置された偏波コントローラを備え、前記偏波コントローラは、前記非線形光学媒質に入力される光周波数コムの偏光状態を制御することを特徴とするものである。
また、本発明の広帯域光周波数コム光源の１構成例において、前記非線型光学媒質は、コア層の分極が周期的に反転する光導波路の構造を有することを特徴とするものである。
また、本発明の広帯域光周波数コム光源の１構成例において、前記コア層は、ＬｉＮｂＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃にＺｎ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｉｎのうち少なくとも１つが添加された二次非線形光学材料からなり、前記光導波路の長さは、２０から３０ｍｍの間に設定されていることを特徴とするものである。

また、本発明の広帯域光周波数コムの発生方法は、周波数軸上でピークが等間隔で並ぶ櫛形のスペクトルを有する光周波数コムを発生させる光周波数コム種光発生ステップと、前記光周波数コムをＥｒ添加ファイバ増幅器で増幅する増幅ステップと、増幅した光周波数コムの帯域を高非線形ファイバで拡大する第１の帯域拡大ステップと、この第１の帯域拡大ステップで得られた光周波数コムの帯域を二次非線形光学効果を発する非線形光学媒質でさらに拡大する第２の帯域拡大ステップとを含み、前記第２の帯域拡大ステップは、前記第１の帯域拡大ステップで得られた光周波数コムに含まれる多数の光のうち波長λ₁を有する光と波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果により、λ₁，λ₂よりも長波長の光を出力すると共にλ₁，λ₂よりも短波長の光を出力することを特徴とするものである。

本発明によれば、光周波数コム種光発生手段とＥｒ添加ファイバ増幅器と高非線形ファイバとで発生させた広い帯域を有する光周波数コムを非線形光学媒質に入力することにより、この光周波数コムに含まれる波長λ₁を有する光と波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果により、λ₁，λ₂よりも長波長の光を出力すると共にλ₁，λ₂よりも短波長の光を出力することができるので、可視領域から中赤外領域に及ぶ非常に広い波長範囲にわたってコヒーレントな光周波数コムを発する広帯域光周波数コム光源を実現することができる。また、本発明では、環境擾乱に対して堅牢で、長時間稼働が可能な広帯域光周波数コム光源を実現することができる。本発明の広帯域光周波数コム光源から発する光周波数コムをガスに吸収させて、ガスの吸収を受けた後の出力光を分光器で観測すれば、非常に広い波長帯での分光が可能となる。このような吸収分光の他にも、例えば、コヒーレントトモグラフィーや、分光器の校正に用いることができ、可視領域では特に有用である。

本発明の実施の形態に係る広帯域光周波数コム光源の構成を示す図である。 本発明の実施の形態に係る広帯域光周波数コム光源の出力光スペクトルを示す図である。 本発明の実施の形態において高非線形ファイバから出力される光周波数コムを周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路で中赤外領域に広帯域に波長変換できる原理を説明する図である。 本発明の実施の形態に係る広帯域光周波数コム光源の中赤外領域の出力光のコヒーレンシーを示す図である。 本発明の実施の形態に係る広帯域光周波数コム光源の可視領域の出力光のコヒーレンシーを示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。

［実施の形態］
図１は本発明の実施の形態に係る広帯域光周波数コム光源の構成を示す図である。広帯域光周波数コム光源は、光周波数コムを発生させる光周波数コム種光発生手段１と、光周波数コム種光発生手段１から出力された光周波数コムを増幅するＥｒ添加ファイバ増幅器２と、光周波数コム種光発生手段１とＥｒ添加ファイバ増幅器２との間の光ファイバに配置され、光周波数コム種光発生手段１からＥｒ添加ファイバ増幅器２に入力される偏光を任意の偏光状態に制御する偏波コントローラ３と、Ｅｒ添加ファイバ増幅器２によって増幅された光周波数コムの帯域を拡大する高非線形ファイバ４と、高非線形ファイバ４から出力された光周波数コムを入力とし、二次非線形光学効果を発する非線形光学媒質である周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃（ニオブ酸リチウム）導波路５と、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５からの出力光を平行光に変換するフッ化物レンズ６とを備えている。

本実施の形態では、光周波数コム種光発生手段１としてＥｒ添加ファイバを利得媒質としたファイバコム型のものを用いた。つまり、光周波数コム種光発生手段１は、ファイバループ１０と、ファイバループ１０中に配置されたＥｒ添加ファイバ１１と、ファイバループ１０中に配置され、ファイバループ１０中を伝搬する偏光を任意の偏光状態に制御する偏波コントローラ１２と、ファイバループ１０中に配置された偏光子１３と、ファイバループ１０中に配置されたアイソレータ１４と、Ｅｒ添加ファイバ１１を励起するための励起光を出力する励起光源である励起ＬＤ（Laser Diode）１５と、励起ＬＤ１５から出力された励起光をファイバループ１０に挿入する合波手段であるカプラ１６と、ファイバループ１０中を伝搬する光を取り出してＥｒ添加ファイバ増幅器２に出力する分波器１７とから構成される。

偏光子１３は、ファイバループ１０中を伝搬する光を光強度による偏波回転が起きている状態のある偏光状態のみを切り出すために挿入されている。アイソレータ１４は、発振するレーザ光の進行方向を決めるために挿入されている。ファイバループ１０中のＥｒ添加ファイバ１１の励起を行うために、外部に配置した励起ＬＤ１５からの光をカプラ１６を介してファイバループ１０に挿入するようになっている。本実施の形態では、連続発振する励起ＬＤ１５として、１．４８μｍ帯レーザを用いた。ファイバループ１０中を伝搬する光（光周波数コム）は、分波器１７を介して外に取り出され、偏波コントローラ３を通ってＥｒ添加ファイバ増幅器２に入力される。

Ｅｒ添加ファイバ増幅器２は、光周波数コム種光発生手段１から出力された光周波数コムを増幅する。Ｅｒ添加ファイバ増幅器２によって増幅された光周波数コムを高非線形ファイバ４に入力すると、高非線形ファイバ４中において４光波混合により、光周波数コムを構成する各光の周波数差（上記の光周波数間隔ｆ_rep）をもった光が長波長側および短波長側に次々と発生し、発生する光の波長幅が広がっていく。本実施の形態では、光スペクトルを１μｍ〜２．４μｍの波長領域に広げることができる。この高非線形ファイバ４から出力される光周波数コムを、導波路のＴＭ偏光に合わせて周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５に入力する。

周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５は、二次非線形光学材料であるＬｉＮｂＯ₃の分極を周期的に反転した構造を有する。本実施の形態では、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５を直接接合法により作製した。直接接合法は、Ｚｎを７ｍоｌ％添加したＬｉＮｂＯ₃の基板をコア層として、このＬｉＮｂＯ₃基板に先に分極反転を施し、このＬｉＮｂＯ₃基板と、クラッド層となるＬｉＴａＯ₃基板を直接接合し、その後ＬｉＮｂＯ₃基板を薄膜化して、ダイシングにより横方向の閉じ込めを行いリッジ型の光導波路構造とするものである。コア層の厚さを１２μｍ、コア層の幅を１６μｍとした。また、分極反転周期Λを２８．５５μｍとし、導波路長を２４ｍｍとした。

図２に周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５からの出力光をフッ化物レンズ６で平行光に変換し、分光器で分光した時の出力スペクトルを示す。図２の縦軸の出力値は相対強度で示している。ここでは、可視領域を含む短波長領域３５０〜１７００ｎｍの出力光スペクトル（図２の２００）と、近赤外領域１２００〜２４００ｎｍの出力光スペクトル（図２の２０１）と、中赤外領域２５００〜４５００ｎｍの出力光スペクトル（図２の２０２）とを、それぞれ別の光スペクトラムアナライザーで観察した。３つの異なる光スペクトラムアナライザーを用いているため図２にはノイズフロアを示している。

可視コム（可視領域の光周波数コム）は５００ｎｍ以下まで広がり、中赤外コム（中赤外領域の光周波数コム）は４４００ｎｍまで広がっている。中赤外コムのスペクトルには、２．６μｍに大気の水の吸収と、４．３μｍに大気の二酸化炭素の吸収線が見えている。以上のように、本実施の形態の広帯域光周波数コム光源によれば、少なくとも波長５００ｎｍから４４００ｎｍまでの可視領域から中赤外領域にわたる広帯域な光が出力されていることが分かった。

次に、高非線形ファイバ４から出力される近赤外領域の光周波数コムを周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５で中赤外領域に広帯域に波長変換できる原理を、図３を用いて説明する。周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５では、シグナル光と励起光との差周波光であるアイドラ光が発生する。励起光の波長をλ₁、シグナル光の波長をλ₂、アイドラ光の波長をλ₃とすると、二次非線形光学効果での差周波発生では、これら３つの波長λ₁，λ₂，λ₃は以下の式を満たす。
１／λ₃＝１／λ₁−１／λ₂ ・・・（２）

高非線形ファイバ４から出力される光周波数コムに含まれる光の各々は、シグナル光にも励起光にもなり得る。また、波長λ₃での導波モード屈折率がｎ_idlerで、波長λ₁での導波モード屈折率がｎ_pumpで、波長λ₂での導波モード屈折率がｎ_signalのときに以下の式を満たす分極反転周期Λを設定することにより高効率に波長変換が可能である。
ｎ_pump／λ₁−ｎ_signal／λ₂−ｎ_idler／λ₃ ―１／Λ＝０ ・・・（３）

以上の関係を用いて、分極反転周期Λ＝２６．０μｍ、２８．５５μｍ、３０．０μｍの場合について、それぞれの波長の関係を示したのが図３である。ここでは、シグナル光の波長λ₂を横軸にとり、励起光の波長λ₁、アイドラ光の波長λ₃を縦軸にとっている。図３における３００は分極反転周期Λ＝２８．５５μｍのときの励起光の波長λ₁を示し、３０１は分極反転周期Λ＝２８．５５μｍのときのアイドラ光の波長λ₃を示し、３０２は分極反転周期Λ＝２６．０μｍのときの励起光の波長λ₁を示し、３０３は分極反転周期Λ＝２６．０μｍのときのアイドラ光の波長λ₃を示し、３０４は分極反転周期Λ＝３０．０μｍのときの励起光の波長λ₁を示し、３０５は分極反転周期Λ＝３０．０μｍのときのアイドラ光の波長λ₃を示している。

図３はシグナル光の波長λ₂と周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５の分極反転周期Λとがある値のときに効率良く発生するための励起波長λ₁とアイドラ波長λ₃の関係を示している。すなわち、例えばシグナル光の波長λ₂＝１．８μｍの場合に分極反転周期Λ＝２８．５５μｍと設定すると、約１μｍの励起光の波長λ₁と約２．２μｍのアイドラ光の波長λ₃とが組み合わさることにより中赤外領域の２．２μｍが発生するという具合である。

シグナル光の波長λ₂と励起光の波長λ₁の取り得る値は、高非線形ファイバ４から出力される光周波数コムの波長範囲１〜２．４μｍ（図３の３０６の範囲）の値である。図３から、Λ＝２８．５５μｍ付近の分極反転周期において２〜４．４μｍの広帯域の波長が発生可能なことが分かる。

次に、高非線形ファイバ４から出力される光周波数コムを周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５で可視領域に広帯域に波長変換できる原理について説明する。可視の波長変換は、高非線形ファイバ４から出力される、波長領域１〜２．４μｍの光周波数コムを元光として二次非線形光学効果の和周波発生に基づいて発生する。励起光の波長をλ₁、シグナル光の波長をλ₂、アイドラ光の波長をλ₄とすると、二次非線形光学効果での和周波発生では、これら３つの波長λ₁，λ₂，λ₄は以下の式を満たす。
１／λ₄＝１／λ₁＋１／λ₂ ・・・（４）
この時、λ₁＝λ₂の関係を満たす場合には特に第二高調波発生と呼ぶが、和周波発生の一種として考えられる。

差周波発生の場合と同様に、高非線形ファイバ４から出力される光周波数コムに含まれる光の各々は、シグナル光にも励起光にもなり得る。発明者らは位相整合していなくても１０００〜２４００ｎｍに広げた広帯域光を非線形光学媒質に入力すれば和周波発生や第二高調波発生によって広く可視域の光が発生することを見出した（図２）。さらに図２では５００ｎｍ以下の光も発生しており、高非線形ファイバ４から出力される光周波数コムに含まれる光と和周波発生により発生したλ₄の光の和周波発生も同時に起こっている。つまり、高非線形ファイバ４から出力される光周波数コムに含まれる多数の光のうち波長λ₅の光と前記波長λ₄の光とを元光とする和周波発生により以下の式を満たす波長λ₆の光が発生する。
１／λ₆＝１／λ₅＋１／λ₄ ・・・（５）
ちなみに純粋に導波路の基本モードと分極反転周期Λ＝２８．５５μｍを考えると和周波発生は効率よく行われないはずであるが、高次の導波路モードの導波屈折率と高次の分極反転周期の影響により、実際には可視領域にも様々な波長の光が効率よく発生している。

この様な広帯域光周波数コムの発生をさせるために高非線形ファイバ４の前段に設けた偏波コントローラ３によって高非線形ファイバ４に入力する偏光状態を最適化することにより行うことができる。

次に、本実施の形態の広帯域光周波数コム光源の出力光のコヒーレンスを調べた。まず、中赤外領域である２４００ｎｍより長い波長の光を透過させるフィルターを介して、広帯域光周波数コム光源の出力光をＩｎＳｂ受光器で観測した。ＩｎＳｂ受光器の出力信号を電気スペクトルアナライザーで観測した結果を図４に示す。図４によれば、約５０ＭＨｚの光周波数間隔ｆ_repに相当する信号の８次の高調波ピークまで観測ができ、出力光のコヒーレンシーが非常に良いことが確認された。

さらに、可視領域のコヒーレンシーを確認するために、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５からの出力光と波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザ光と干渉させ、干渉光のスペクトルを光スペクトラムアナライザーで観察した結果を図５に示す。ここでは、光スペクトラムアナライザーの分解能帯域幅ＲＢＷを３００ｋＨｚ、画像信号帯域幅ＶＢＷを３ｋＨｚとした。図５によれば、約５０ＭＨｚの光周波数間隔ｆ_repに相当する信号以外に、図中矢印で示すキャリアエンベロープオフセット周波数ｆ_CEOに相当する信号も観測でき、可視領域においてもコヒーレンシーの良い光周波数コムが出力されていることが分かる。

近赤外領域については、光周波数コム種光発生手段１で発生させた光周波数コムを高非線形ファイバ４で広帯域化したことによって得られた近赤外領域の光周波数コムが、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５を透過して出力されるので、近赤外領域の出力光のコヒーレンシーが良いことは言うまでもない。

なお、本実施の形態では、Ｅｒ添加ファイバ１１を利得媒質とした光周波数コム種光発生手段１（Ｅｒコム）を用いて説明を行ったが、光周波数コム種光発生手段１として、他の光周波数コム光源を用いてもよい。
また、本実施の形態では、ファイバループ１０の長さを調整する機構を用いなかったが、ファイバループ１０の長さで光周波数コムの光周波数間隔ｆ_repが決定されるので、光周波数間隔ｆ_repを安定化するために、ファイバ長制御機構を挿入してもよい。

また、本実施の形態では、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５のコア層を構成する二次非線形光学材料として、ＬｉＮｂＯ₃にＺｎが微量に添加されたものを用いたが、これに限るものではなく、ＬｉＮｂＯ₃そのものや、ＬｉＮｂＯ₃に他の元素が微量に添加されたものを用いてもよい。例えばＬｉＮｂＯ₃にＺｎ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｉｎのうち少なくとも１つが添加されたものを二次非線形光学材料として用いることができる。また、他の二次非線形光学材料を用いてもよい。

また、本実施の形態では、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５の長さを２４ｍｍとしたが、様々な長さの導波路を試験したところ、周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路５の長さは２０から３０ｍｍの間が最適で、それより長くても出射光のスペクトル帯域の大きさは増えず、また短いと光出力が低下するという結果を得た。

本発明は、広帯域の光周波数コムを生成する技術に適用することができる。

１…光周波数コム種光発生手段、２…Ｅｒ添加ファイバ増幅器、３，１２…偏波コントローラ、４…高非線形ファイバ、５…周期分極反転ＬｉＮｂＯ₃導波路、６…フッ化物レンズ、１０…ファイバループ、１１…Ｅｒ添加ファイバ、１３…偏光子、１４…アイソレータ、１５…励起ＬＤ、１６…カプラ、１７…分波器。

Claims (8)

1. 周波数軸上でピークが等間隔で並ぶ櫛形のスペクトルを有する光周波数コムを発生させる光周波数コム種光発生手段と、
   この光周波数コム種光発生手段から出力された光周波数コムを増幅するＥｒ添加ファイバ増幅器と、
   このＥｒ添加ファイバ増幅器によって増幅された光周波数コムの帯域を拡大する高非線形ファイバと、
   この高非線形ファイバから出力された光周波数コムを入力とし、二次非線形光学効果を発する非線形光学媒質とを備え、
   前記非線形光学媒質は、入力された前記光周波数コムに含まれる多数の光のうち波長λ₁を有する光と波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果により、λ₁，λ₂よりも長波長の光を出力すると共にλ₁，λ₂よりも短波長の光を出力することを特徴とする広帯域光周波数コム光源。
2. 請求項１記載の広帯域光周波数コム光源において、
   前記非線形光学媒質は、前記波長λ₁を有する光と前記波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果の差周波発生により、１／λ₃＝１／λ₁−１／λ₂の式を満たす波長λ₃の光を、前記λ₁，λ₂よりも長波長の光として出力すると共に、前記波長λ₁を有する光と前記波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果の和周波発生もしくは第二高調波発生により、１／λ₄＝１／λ₁＋１／λ₂の式を満たす波長λ₄の光を、前記λ₁，λ₂よりも短波長の光として出力することを特徴とする広帯域光周波数コム光源。
3. 請求項２記載の広帯域光周波数コム光源において、
   前記非線形光学媒質は、入力された前記光周波数コムに含まれる多数の光のうち波長λ₅の光と前記波長λ₄の波長の光とを元光とする和周波発生により１／λ₆＝１／λ₅＋１／λ₄の式を満たす波長λ₆の光を、前記λ₁，λ₂よりも短波長の光として出力することを特徴とする広帯域光周波数コム光源。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の広帯域光周波数コム光源において、
   前記光周波数コム種光発生手段は、
   ファイバループと、
   このファイバループ中に配置されたＥｒ添加ファイバと、
   前記ファイバループ中に配置された偏光子と、
   前記ファイバループ中に配置された偏波コントローラと、
   前記ファイバループ中に配置されたアイソレータと、
   前記Ｅｒ添加ファイバを励起するための励起光を出力する励起光源と、
   この励起光源から出力された励起光を前記ファイバループ中を伝搬する光と合波する合波手段と、
   前記ファイバループ中を伝搬する光を取り出して前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器に出力する分波手段とからなることを特徴とする広帯域光周波数コム光源。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の広帯域光周波数コム光源において、
   さらに、前記光周波数コム種光発生手段と前記Ｅｒ添加ファイバ増幅器との間の光の伝搬経路に配置された偏波コントローラを備え、
   前記偏波コントローラは、前記非線形光学媒質に入力される光周波数コムの偏光状態を制御することを特徴とする広帯域光周波数コム光源。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の広帯域光周波数コム光源において、
   前記非線型光学媒質は、コア層の分極が周期的に反転する光導波路の構造を有することを特徴とする広帯域光周波数コム光源。
7. 請求項６記載の広帯域光周波数コム光源において、
   前記コア層は、ＬｉＮｂＯ₃またはＬｉＮｂＯ₃にＺｎ、Ｍｇ、Ｓｃ、Ｉｎのうち少なくとも１つが添加された二次非線形光学材料からなり、
   前記光導波路の長さは、２０から３０ｍｍの間に設定されていることを特徴とする広帯域光周波数コム光源。
8. 周波数軸上でピークが等間隔で並ぶ櫛形のスペクトルを有する光周波数コムを発生させる光周波数コム種光発生ステップと、
   前記光周波数コムをＥｒ添加ファイバ増幅器で増幅する増幅ステップと、
   増幅した光周波数コムの帯域を高非線形ファイバで拡大する第１の帯域拡大ステップと、
   この第１の帯域拡大ステップで得られた光周波数コムの帯域を二次非線形光学効果を発する非線形光学媒質でさらに拡大する第２の帯域拡大ステップとを含み、
   前記第２の帯域拡大ステップは、前記第１の帯域拡大ステップで得られた光周波数コムに含まれる多数の光のうち波長λ₁を有する光と波長λ₂を有する光とを元光とする二次非線形光学効果により、λ₁，λ₂よりも長波長の光を出力すると共にλ₁，λ₂よりも短波長の光を出力することを特徴とする広帯域光周波数コムの発生方法。