JP2019152645A - 光周波数計測装置 - Google Patents
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Abstract
Description
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。
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。
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]
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (6)
- 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高非線形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。 - 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高非線形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。 - 種光源から出力された種光源レーザー光を、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高非線形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、
前記第1の信号発生器から出力された前記繰り返し周波数frep、または、前記オフセット周波数fceoに基づいて、前記種光源の光周波数を特定する第1の光周波数特定部と、
被計測レーザー光源から出力された被計測レーザー光の暫定光周波数を計測することにより、前記被計測レーザー光のモード次数を特定するとともに、前記被計測レーザー光と前記第1の光パルス列の分岐光との干渉光に関する干渉光周波数を計測し、前記種光源の光周波数、前記被計測レーザー光のモード次数、および干渉光周波数に基づいて前記被計測レーザー光の光周波数を特定する第2の光周波数特定部とを備える
ことを特徴とする光周波数計測装置。 - 種光源から出力された種光源レーザー光を、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高非線形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、
前記第1の信号発生器から出力された前記繰り返し周波数frep、または、前記オフセット周波数fceoに基づいて、前記種光源の光周波数を特定する第1の光周波数特定部と、
被計測レーザー光源から出力された被計測レーザー光の暫定光周波数を計測することにより、前記被計測レーザー光のモード次数を特定するとともに、前記被計測レーザー光と前記第4の光パルス列の分岐光との干渉光に関する干渉光周波数を計測し、前記種光源の光周波数、前記被計測レーザー光のモード次数、および干渉光周波数に基づいて前記被計測レーザー光の光周波数を特定する第2の光周波数特定部とを備える
ことを特徴とする光周波数計測装置。 - 請求項1〜請求項4のいずれか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。 - 請求項3〜請求項5のいずれか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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