JP2020140033A

JP2020140033A - 広帯域光周波数コム光源

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Publication number: JP2020140033A
Application number: JP2019034525A
Authority: JP
Inventors: 章大久保; Akira Okubo; 肇稲場; Hajime Inaba
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2019-02-27
Filing date: 2019-02-27
Publication date: 2020-09-03

Abstract

【課題】分極反転周期が変化するチャープＰＰＬＮ導波路を用いて可視領域を含む広帯域かつ高効率に光周波数コムの波長を変換することができる光周波数コム光源およびその設計方法を提供する。【解決手段】本発明の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元光周波数コムを発生させる元光周波数コム発生器１と、元光周波数コムを増幅するファイバ増幅器２と、増幅後の元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３と、を備える。非線形光学媒質３は、入力された元光周波数コムに含まれる多数の周波数群（ｆ）の光を元光とする逐次的な二次非線形光学効果により、元光の二次高調波群および和周波群（２ｆ）、ｆと２ｆの和周波群（３ｆ）、２ｆの二次高調波群およびｆと３ｆの和周波群（４ｆ）を含む光を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、広帯域光周波数コム光源に関し、より具体的には、非線形光学素子を用いた、２次以上の高調波を含む広帯域光周波数コム光源に関する。

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いる。光周波数コムを発する光源（以下、光周波数コム光源と呼ぶ）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いる。その櫛目の間隔が光パルスの繰り返し周波数である。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（余りの光周波数）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ｆ_repと整数値ｎとにより各線スペクトルの光周波数ｆ_n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＝ｎｆ_rep＋ｆ_ceo （１）
ここで、ｆ_ceoは光周波数の余りの部分であり、キャリアエンベロープオフセット周波数と呼ばれている。０≦ｆ_ceo＜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。

光周波数コムにおいて最も重要視される事項の一つに、得られるスペクトル帯域がある。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ている。例えば、特許文献１には、Ｅｒ添加ファイバを利得媒質とした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）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では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。

非特許文献１では、２パターンの実験が行われており、１つは分極反転周期が一定の導波路型の非線形光学媒質（ＰＰＬＮ）を用いて、アンプした光コムのスペクトルの広帯域化を試みたものである。可視光領域での３次高調波の発生が確認されているが、分極反転周期が光コムのスペクトル成分とは異なる波長２.４μｍから１.２μｍへの第２次高調波発生に最適化されており一定である。もう１つは分極反転周期が連続的に変化するチャープＰＰＬＮ導波路を用いて、アンプした光周波数コムのスペクトルの広帯域化を試みたものである。こちらは可視光領域での第２次、３次高調波の発生は確認されていない。

特許文献２には、高非線形ファイバで広帯域化した光周波数コムを、ＰＰＬＮ導波路に入射して２次非線形光学効果によって長波長（差周波）と短波長（和周波、２次高調波など）の光を出力することを開示する。しかし、ＰＰＬＮの分極反転周期が一定であり、分極反転周期の設計方法も示していない。

特開２０１４−２３５１７４号公報特開２０１６−２１２２６１号公報

C. Langrock, et. al., Opt. Lett. 32, 2478 (2007)

本発明の目的は、分極反転周期が変化するチャープＰＰＬＮ導波路を用いて可視領域を含む広帯域かつ高効率に光周波数コムの波長を変換することができる光周波数コム光源およびその設計方法を提供することである。

本発明の一態様の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元光周波数コムを発生させる元光周波数コム発生器と、元光周波数コムを増幅するファイバ増幅器と、増幅後の元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、を備える。非線形光学媒質は、入力された元光周波数コムに含まれる多数の周波数群（ｆ）の光を元光とする逐次的な二次非線形光学効果により、元光の二次高調波群および和周波群（２ｆ）、ｆと２ｆの和周波群（３ｆ）、２ｆの二次高調波群およびｆと３ｆの和周波群（４ｆ）を含む光を出力する。

可視領域を含む広帯域かつ高効率に光周波数コムの波長を変換することができる。ファイバーレーザーの堅牢性を維持しつつ、可視の短波長領域にアクセスできる。分極反転周期を２倍周波数発生の位相整合条件に合わせることで、３倍、４倍の周波数の光コムも強く発生させることができる。分極反転周期の変化量を調整することで、発生する可視領域での短波長光コムのスペクトルの波長範囲をコントロールできる。

本発明の一実施形態の光周波数コム光源の構成例を示す図である。本発明の他の一実施形態の光周波数コム光源の構成例を示す図である。ＰＰＬＮ導波路での分極の様子を示す図である。本発明の一実施形態のチャープＰＰＬＮ導波路での分極の様子を示す図である。本発明の一実施形態のリッジ型のチャープＰＰＬＮ導波路での分極の様子を示す図である。本発明の一実施形態の各高調波群の発生のイメージ図である。本発明の他の一実施形態の各高調波群の発生のイメージ図である。本発明の一実施形態の１つの連続的な（各高調波群が連結した）光コムの発生の仕組みを説明するための図である。本発明の一実施例の測定結果を示す図である。本発明の他の一実施例の測定結果を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態の光周波数コム光源の構成例を示す図である。本発明の一実施形態の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元光周波数コムを発生させる元光周波数コム発生器１と、元光周波数コムを増幅するファイバ増幅器２と、増幅後の元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３と、を備える。

元光周波数コム発生器１は、例えばエルビウム（Ｅｒ）をコアに添加した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ることができる。そのファイバコム型として、例えば励起光源としてレーザーダイオード（ＬＤ）を用いるモード同期Ｅｒファイバーレーザーを用いることができる。ファイバ増幅器２は、例えばコアにＥｒを添加したファイバを用いることができる。

非線形光学媒質３は、非線形分極により元光周波数コムの２次高調波を発生可能な材料（素子）を用いることができる。例えば、二次非線形光学結晶である、分極が周期的に反転する周期分極反転ニオブ酸リチウム（ＰＰＬＮ）導波路を、より具体的には、分極反転周期が連続的に変化するチャープＰＰＬＮ導波路を用いることができる。ＰＰＬＮは一例であって、同様な周期分極反転機能を有する他の例えば周期分極反転タンタル酸リチウム（ＰＰＬＴ（ＰＰＳＬＮ、ＰＰＳＬＴ））や周期分極反転リン酸チタニルカリウム（ＰＰＫＴＰ）などを用いることもできる。非線形光学媒質３は、入力された元光周波数コムに含まれる多数の波長群（ｆ）の光を元光とする逐次的な二次非線形光学効果により、元光の二次高調波群および和周波群（２ｆ）、ｆと２ｆの和周波群（３ｆ）、２ｆの二次高調波群およびｆと３ｆの和周波群（４ｆ）、さらには他の同様な高次高調波をも含む光を出力することができる。

図２は、本発明の他の一実施形態の光周波数コム光源の構成例を示す図である。図２の構成では、図１の元光周波数コム発生器１、ファイバ増幅器２、および非線形光学媒質３に加えて、ファイバ増幅器２と非線形光学媒質３の間に高非線形ファイバ４をさらに含む。高非線形ファイバ４は、ファイバ増幅器２によって増幅された元光周波数コムの帯域（周波数（波長）幅）を拡大し、その帯域を拡大した元光周波数コムを非線形光学媒質３に入力する。これにより、非線形光学媒質３から出力される和周波群の各々（２ｆ、３ｆ、４ｆ）のスペクトル幅（帯域）を広げることができる。

図３〜図５を参照しながら本発明の一実施形態の非線形光学媒質３（チャープＰＰＬＮ導波路）について説明する。図３は、従来からあるＰＰＬＮ導波路３１での分極の様子を示す図である。ＰＰＬＮ導波路３１では、一定の幅毎に分極３３、３４の反転が繰り返される。すなわち所定の反転周期Ｔ１で分極が反転している。

図３のＰＰＬＮ導波路３１のように所定の反転周期で分極を反転させるのは以下の理由による。一般に非線形光学素子による二次非線形光学効果により、入力光に対して様々な波長（周波数）変換が起こり得る。例えば、２次高調波、和調波、差周波、あるいは光パラメトリック発信が発生する。そのうちの和調波発生の場合、非線形光学素子への入力光とその出力光において、エネルギー保存則と運動量保存則（位相整合条件）を満たす必要がある。しかし、普通の非線形光学素子の媒質（結晶）は光の波長（周波数）によって屈折率が異なるので、そのままでは運動量保存則（位相整合条件）を満たさない。そこで、ＰＰＬＮ導波路のように、非線形光学素子の結晶中の分極を周期的に反転させることにより、屈折率変化の影響を打ち消して疑似的に位相整合を成立させる。以下に説明する本発明の一実施形態のチャープＰＰＬＮ導波路でも基本的にこの疑似的な位相整合を利用している。

図４は、本発明の一実施形態のチャープＰＰＬＮ導波路３２での分極の様子を示す図である。チャープＰＰＬＮ導波路３２では、連続的に変化する（徐々に短くなる）幅毎に分極３３、３４の反転が繰り返される。すなわち連続的に変化する（徐々に短くなる）反転周期Ｔで分極が反転している。その反転周期Ｔは、チャープＰＰＬＮ導波路３２に入力される元光周波数コムのスペクトルに合わせて、より具体的には元光周波数コムのスペクトルの周波数幅に合わせて変化させる。例えば、元光周波数コムのスペクトルの周波数幅がｆ１〜ｆ２（ｆ１＜ｆ２）の範囲にあるとした場合、チャープＰＰＬＮ導波路の入力側から出力側へ向かって分極の反転周期Ｔをｆ１〜ｆ２に対応するように徐々に短くまたは長くしていく。

さらに、元光周波数コムの２次高調波が発生するように分極の反転周期Ｔを合わせる。すなわち、位相整合条件を元光周波数コムの２次高調波発生に合わせる。具体的には、例えば上述した元光周波数コムのスペクトルの周波数幅がｆ１〜ｆ２（ｆ１＜ｆ２）の範囲にあるとした場合は、ｆ１の２倍の周波数２ｆ１が強く発生する反転周期をＴ２、ｆ２の２倍の周波数２ｆ２が強く発生する反転周期をＴ３として、ＴをチャープＰＰＬＮ導波路の入力側から出力側へ向かってＴ２からＴ３（またはＴ４からＴ３）に変化させる。その結果、結晶内部の連続的な２次非線形効果により、２倍（２ｆｍ）周波数だけでなくより高次の３倍周波数（３ｆｍ）や４倍周波数（４ｆｍ）などを含む高調波群も発生する。

その際、位相整合条件を満たすのは２倍周波数だけだが、３倍周波数や４倍周波数などの高次高調波を含む高調波群も高効率で発生する。この３倍周波数や４倍周波数などの高次高調波を含む高調波群も高効率で発生することが本発明の特徴（利点）である。なお、上記の説明は周波数を用いて説明しているが、波長λを用いて説明する場合は、元光周波数コムのスペクトルの波長範囲λ１〜λ２に対してその中心波長λｍの二分の一、三分の一、四分の一といった波長をそれぞれ含む各波長群（光周波数コム、スペクトル）を想定することで同様に説明することができる。

図５は、本発明の一実施形態のリッジ（リブ）型のチャープＰＰＬＮ導波路３２での分極の様子を示す図である。図５の例では、平板部３７の表面に屈折率の大きなリッジ（リブ）と呼ばれる凸形構造３６を設けた導波路構造を有する。入射光が進行する導波路の長さ方向において、図４のチャープＰＰＬＮ導波路の場合と同様に、連続的に変化する（徐々に短くなる）幅毎に分極反転が繰り返される。すなわち連続的に変化する（徐々に短くなるまたは長くなる）反転周期で分極が反転する。図５のリッジ（リブ）型のチャープＰＰＬＮ導波路３２では、リッジ部の導波路内に光を閉じ込めることで、電場が強くなり非線形効果の効率を上げることができる。

図６は、図１の本発明の一実施形態の光周波数コム光源を用いた場合の各高調波群の発生のイメージ図である。中心周波数ｆを含み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元光周波数コムのスペクトル１１が光周波数コム光源に入射して上述した周波数変換後に、２倍、３倍、４倍の中心周波数２ｆ、３ｆ、４ｆの各々を含む各高調波群１２、１３、１４が出力される。なお、図示はされていないが、各スペクトルは光周波数コムとして等間隔で並ぶ多数の櫛形のスペクトルを内包している。図６の変換後のスペクトル１２、１３、１４は離間し所定間隔を有している。

図７は、図２の本発明の一実施形態の光周波数コム光源を用いた場合の各高調波群の発生のイメージ図である。図２の高非線形ファイバ４によって、ファイバ増幅器２によって増幅された元光周波数コム１６の帯域（周波数（波長）幅）を拡大している。その帯域を拡大した元光周波数コム１６を非線形光学媒質３に入力しているので、非線形光学媒質３から出力される中心周波数が２倍（２ｆ）、３倍（３ｆ）、４倍（４ｆ）の各高調波群のスペクトル１７、１８、１９のスペクトル幅（帯域）が広がっている。その結果、変換後のスペクトル１７、１８、１９の間隔が狭くなりより広帯域の光周波数コムのスペクトルを得ることが可能となる。

図７に例示した広帯域の光周波数コムのスペクトル１７、１８、１９をさらに１つの連続したスペクトル（光周波数コム）として得る場合に、隣接する２つのスペクトルが重なりその重なり部での複数の櫛形のスペクトルの間隔が一定では無く密になってしまうことがある。これは、上述した背景技術の欄において式（１）で示した光周波数コムを構成する各光周波数ｆｎがオフセット周波数ｆｃｅｏを持つことから生じている。図８（a）は、このスペクトルの重なり部での複数の櫛形のスペクトルの間隔が密になってしまう状態を示す模式図である。元光周波数コムνｎ、２倍（２νｎ）、３倍（３νｎ）、４倍（４νｎ）の各高調波群Ａ１、Ａ２、Ａ３、Ａ４のオフセット周波数は、波長変換によりｆｃｅｏ、２ｆｃｅｏ、３ｆｃｅｏ、４ｆｃｅｏとなることから、その重なり部Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３において複数の櫛形のスペクトルの間隔が密になってしまう。

そこで、オフセット周波数ｆｃｅｏをゼロ（ｆｃｅｏ＝０）とすることで、図８（ｂ）に示すように、元光周波数コムνｎ、２倍（２νｎ）、３倍（３νｎ）、４倍（４νｎ）の各高調波群Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４のオフセットが一致するので、スペクトルの重なり部（境界）での複数の櫛形のスペクトルの間隔を一定のままにすることができる。オフセット周波数ｆｃｅｏをゼロにすることは、例えば出願人の特許出願（特願２０１７−６４３１６）に開示される、光周波数コム発生器１１、オフセット周波数ｆｃｅｏ検出部１２、誤差信号生成部１３、ループフィルタ１４からなるフィードバックループ構成を採用し、光コム１１からオフセット周波数ｆｃｅｏがゼロとされた制御後のパルスレーザ光である光周波数コムを利用することで実施することができる。

図９は、本発明の図１の光周波数コム光源を用いた一実施例の測定結果を示す図である。使用した光周波数コム光源は、モード同期Ｅｒファイバーレーザー２１、Ｅｒ添加ファイバーアンプ２２、およびチャープＰＰＬＮ導波路１（２３）を備えている。チャープＰＰＬＮ導波路１（２３）の反転周期Ｔ２は、詳細は上述したように、入力される元光周波数コムｆのスペクトルの周波数幅に合わせて、より具体的には、２倍周波数発生の位相整合条件に合わせている。図９（ａ）は、Ｅｒ添加ファイバーアンプ２２によって増幅後のモード同期Ｅｒファイバーレーザー２１からの元光周波数コムｆのパワースペクトルをスペクトラムアナライザで測定した結果である。元光周波数コムｆは、約１.５〜１.７μｍの波長幅と約１.６μｍの中心波長を有する。

図９（ｂ）から（ｆ）は、元光周波数コムｆを入力としてチャープＰＰＬＮ導波路１（２３）から出力する２倍（２ｆ）、３倍（３ｆ）、４倍（４ｆ）の各高調波群のスペクトルをスペクトラムアナライザで測定した結果である。（ｂ）の２倍（２ｆ）の光周波数コムは、約７５０〜８５０ｎｍの波長幅と約８００ｎｍの中心波長を有する。（ｃ）の３倍（２ｆ）の光周波数コムは、約５００〜５７５ｎｍの波長幅と約５８８ｎｍの中心波長を有する。（ｄ）の４倍（４ｆ）の光周波数コムは、約３９０〜４３０ｎｍの波長幅と約４１０ｎｍの中心波長を有する。（ｂ）のスペクトルと（ｃ）及び（ｄ）のスペクトルの比較から３倍（３ｆ）、４倍（４ｆ）の各光周波数コムにおいても２倍（２ｆ）の光周波数コムの場合と同様に比較的大きな（高効率な）パワースペクトルを得ることができていることがわかる。

図１０は、本発明の図１の光周波数コム光源を用いた一実施例の測定結果を示す図である。使用した光周波数コム光源は、モード同期Ｅｒファイバーレーザー２１、Ｅｒ添加ファイバーアンプ２２、高非線形ファイバ２４およびチャープＰＰＬＮ導波路２（２３）を備えている。チャープＰＰＬＮ導波路２（２３）の反転周期Ｔ２は、詳細は上述したように、入力される元光周波数コムｆのスペクトルの周波数幅に合わせて、より具体的には、２倍周波数発生の位相整合条件に合わせている。図１０（ａ）は、高非線形ファイバ２４によって帯域拡張後の元光周波数コムｆのパワースペクトルをスペクトラムアナライザで測定した結果である。元光周波数コムｆは、約１２００〜２０００ｎｍの波長幅と約１６００ｎｍの中心波長を有する。

図１０（ｂ）は、元光周波数コムｆを入力としてチャープＰＰＬＮ導波路２（２３）から出力する２倍（２ｆ）、３倍（３ｆ）、４倍（４ｆ）の各高調波群のスペクトルをスペクトラムアナライザで測定した結果である。２倍の光周波数コムは、約６５０〜８８０ｎｍの波長幅と約７７０ｎｍの中心波長を有する。３倍の光周波数コムは、約４５０〜５５０ｎｍの波長幅と約５００ｎｍの中心波長を有する。４倍の光周波数コムは、約３４０〜４００ｎｍの波長幅と約３７０ｎｍの中心波長を有する。（ｂ）の各スペクトルの比較から３倍、４倍の各光周波数コムにおいても２倍の光周波数コムの場合と同様に比較的大きな（高効率な）パワースペクトルを得ることができていることがわかる。

本発明の実施形態について、図を参照しながら説明をした。しかし、本発明はこれらの実施形態に限られるものではない。さらに、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々なる改良、修正、変形を加えた態様で実施できるものである。

本発明の光周波数コム光源は、分光測定装置、物性計測装置、分光器の波長校正光源などに利用することができる。

１元光周波数コム発生器
２ファイバ増幅器
３非線形光学媒質
４高非線形ファイバ
１１、１６元光周波数コムのスペクトル
１２、１７第２高調波群のスペクトル
１３、１８第３高調波群のスペクトル
１４、１９第４高調波群のスペクトル
２１モード同期Ｅｒファイバーレーザー
２２Ｅｒ添加ファイバーアンプ
２３チャープＰＰＬＮ導波路１、２
２４高非線形ファイバ
３１ＰＰＬＮ導波路
３２チャープＰＰＬＮ導波路
３３、３４分極
３６凸形構造（リッジ、リブ）
３７平板部

Claims

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元光周波数コムを発生させる元光周波数コム発生器と、
元光周波数コムを増幅するファイバ増幅器と、
増幅後の元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、
非線形光学媒質は、入力された元光周波数コムに含まれる多数の周波数群（ｆ）の光を元光とする逐次的な二次非線形光学効果により、元光の二次高調波群および和周波群（２ｆ）、ｆと２ｆの和周波群（３ｆ）、２ｆの二次高調波群およびｆと３ｆの和周波群（４ｆ）を含む光を出力する、光周波数コム光源。
前記非線形光学媒質は、疑似位相整合のための周期的な分極反転を有し、ｆから２ｆへの二次高調波発生の位相整合条件を満たすように分極反転周期を変化させることで、３ｆ、４ｆを含む光を高効率で発生する、請求項１に記載の光周波数コム光源。
前記ファイバ増幅器によって増幅された元光周波数コムの帯域を拡大し、帯域を拡大した元光周波数コムを前記非線形光学媒質に入力するする高非線形ファイバをさらに備える、請求項１または２に記載の光周波数コム光源。
前記元光周波数コム発生器において、元光周波数コムのオフセット周波数をゼロとすることで、周波数群ｆおよび逐次的に発生する高調波群２ｆ、３ｆ、４ｆがスペクトル上等間隔に並ぶ、請求項３に記載の光周波数コム光源。
前記非線形光学媒質は、前記元光周波数コムのスペクトルに合わせて分極反転周期が変化する周期分極反転ニオブ酸リチウム（チャープＰＰＬＮ）を含む、請求項２に記載の光周波数コム光源。
前記元光周波数コム発生器は、モード同期Ｅｒファイバーレーザーを含む、請求項１〜５のいずれか１項に記載の光周波数コム光源。
前記ファイバ増幅器は、Ｅｒ添加ファイバ増幅器を含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光周波数コム光源。
前記非線形光学媒質から出力する２ｆ、３ｆ、４ｆを含む光は可視領域の光を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光周波数コム光源。