JP4164599B2 - 多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置及び測定方法 - Google Patents
多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置及び測定方法 Download PDFInfo
- Publication number
- JP4164599B2 JP4164599B2 JP2003136429A JP2003136429A JP4164599B2 JP 4164599 B2 JP4164599 B2 JP 4164599B2 JP 2003136429 A JP2003136429 A JP 2003136429A JP 2003136429 A JP2003136429 A JP 2003136429A JP 4164599 B2 JP4164599 B2 JP 4164599B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light wave
- wave
- monochromatic light
- optical frequency
- combined
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Optical Modulation, Optical Deflection, Nonlinear Optics, Optical Demodulation, Optical Logic Elements (AREA)
- Lasers (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザの光周波数を高精度に測定する技術に関する。詳しくは、モードロックレーザからの超短パルス出力の光コム（comb）を「光周波数の物差し」として用いる光周波数測定技術に関する。
【０００２】
１９８３年の第１７回国際度量衡総会において、長さの単位「ｍ」は、時間の単位「ｓ」と結びつく形で次のように定義された。「メートルは、１秒の299,792,458分の１の時間に光が真空中を伝わる行程の長さである。」これは、光速度ｃを299,792,458ｍ／ｓと定義したことと等価である。波長λ、周波数ｆ、時間ｔの間には、
λ=ｃ／ｆ （１）
ｆ=１／ｔ （２）
の関係があるので、メートルの定義を忠実に実現するには、周波数安定化レーザの光周波数を測定して、上記のように定義された光速度を割ることにより真空波長を求めることで達成される。
【０００３】
【従来の技術】
繰り返しパルス間隔が１／ｆrepの超短パルス出力を周波数軸上に模式的に示すと、図７の実線で示す櫛の歯状になることから、これを光コムと呼ぶ。図７でｆceoはキャリア・エンベロープ・オフセット（CEO）周波数と呼ばれる。このモードロックレーザと被測定ＣＷレーザとをヘテロダイン干渉させると、図７に点線で示すようなビート（δは実線の光コムとのオフセット）が観測される。実線の光コムのｎ番目のコムは、
ｆ（ｎ）＝ｎｆrep＋ｆceo （３）
と表される。同様に、点線の光コムのｎ番目のコムは、
ｆcw（ｎ）＝ｎｆrep＋ｆceo±δ （４）
と表される。（４）式でｆrepは既知であり、δは図７から求まるので、ｆceoが決まれば、被測定ＣＷレーザの光周波数ｆcwが求まることになる。なお、（４）式には、ｎと±の曖昧さがあるが、これは被測定レーザの波長を通常の波長計等で測定することで除かれる。
【０００４】
従来の光周波数測定では、ｆceoを次のように求めている（例えば、非特許文献１参照。）。波長が７７８ｎｍのTi:S（チタン：サファイア）レーザのスペクトルをフォトニック結晶ファイバ（ＦＣＢ）を用いて１オクターブ以上の５００ｎｍから１１００ｎｍまで拡張して、図７に示すような１オクターブ以上に広がるTi:Sレーザの光コムを作った。すると、ｎ番目から１オクターブ離れた２ｎ番目のコムは、
ｆ（２ｎ）＝２ｎｆrep＋ｆceo （３’）
と表される。一方、低周波の部分を切り出して第２高調波発生結晶（BBO）で第２高調波２ｆ（ｎ）を発生させる。そして、２ｎ番目のコムｆ（２ｎ）と第２高調波２ｆ（ｎ）をヘテロダイン干渉（ｆ−２ｆ干渉）させてビート周波数δ0を観測すると、（３）式から２ｆ（ｎ）は、
２ｆ（ｎ）＝２ｎｆrep＋２ｆceo （５）
と表されるので、
δ0＝２ｆ（ｎ）−ｆ（２ｎ）＝ｆceo
となり、ｆceoが求められる。このような求め方をｆ−２ｆ自己参照型（self-referenced）技術と呼ぶ。
【０００５】
つまり、従来は、ｆ−２ｆ自己参照型技術、すなわち、基本波スペクトルを１オクターブ以上に拡張して、その後、第２高調波を発生させてｆ−２ｆヘテロダイン干渉させるものである。この従来のｆ−２ｆ自己参照型技術で必要な１オクターブ以上に拡張することは、ＦＣＢの損失により強度の高い（パワーの大きい）光コムを作ることができないといった問題を有している。また、基本波から切り出して第２高調波を発生させるため、ますます強度の低い光コムになってしまう。強度が低いとｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができない。さらに、この従来の光周波数測定では、光コムが上記したように、５００ｎｍ〜１１００ｎｍであるため、光通信帯の１５００ｎｍ（１．５μｍ）のレーザの光周波数を測定することができない。
【０００６】
【非特許文献１】
David J. Jones et al.,"Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis", SIENCE, Vol.288, 28 APRIL 2000, pp635-639
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の光周波数測定では、１オクターブ以上の光コムを必要とし、ｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができず、測定できる波長範囲が狭いといった問題があった。
【０００８】
本発明は上記従来の光周波数測定技術の問題に鑑みてなされたものであり、測定できる波長範囲の広く、１オクターブ以上の光コムを必要とせず、且つｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができる光周波数測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光周波数測定装置は、基本波と該基本波の逓倍波とを含む複数の光波を発生する多色モードロックレーザ光源と、該多色モードロックレーザ光源から発生される該複数の光波を各単色光波に分離する波長分離素子と、該波長分離素子で分離された該各単色光波の一方の単色光波のスペクトルを他方の単色光波のスペクトルとオーバラップするまで拡張するスペクトル拡張手段と、該他方の単色光波と該拡張手段で拡張された光波とを合波する第１合波手段と、該第１合波手段で合波された該他方の単色光波と該拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第１検出器と、該波長分離素子で分離された該各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と被測定光波とを合波する第２合波手段と、該第２合波手段で合波された該各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と該被測定光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第２検出器と、を有する。
【００１０】
多色モードロックレーザ光源を用いているので、測定可能な波長範囲を広くすることができる。また、第１合波手段で合波された他方の単色光波と拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する非ｆ−２ｆ自己参照型のため、スペクトルを拡張した後に非線形光学効果で高調波を発生する必要がなく、高いＳ／Ｎでｆceoを求めることができ、その分、光周波数を高精度で測定することができる。
【００１１】
多色モードロックレーザ光源は、受動型モードロックレーザと、逓倍手段と、を有することもできる。
【００１２】
受動型モードロックレーザから発生される超短パルスを基本波とし、それを逓倍手段で逓倍するので、光源をコンパクト化することができ、光源を含む光周波数測定装置を小型且つ簡便化できるようになる。
【００１３】
受動型モードロックレーザは、エルビウム・ドープ・ファイバを有することができる。
【００１４】
エルビウムドープファイバをレーザ媒質とすることで、受動型モードロックレーザからは、波長が１．５μｍの超短パルスが発生され、これを基本波として逓倍手段で逓倍するので、測定波長範囲が可視から近赤の１．５μｍまで広がる。
【００１５】
逓倍波は、第２高調波と周波数が３倍の光波を含み、前記一方の単色光波は該第２高調波で、前記他方の単色光波は該３倍の光波であるようにすることもできる。
【００１６】
スペクトルを拡張する一方の単色光波を第２高調波とし、拡張された第２高調波とヘテロダイン干渉する他方の単色光波を周波数が３倍の光波とすることで、拡張する一方の単色光波（光コム）を、０．５オクターブ拡張するだけで他方の単色光波（光コム）とオーバラップするので、拡張された光波の強度低下が押さえられ、ｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００１７】
第１合波手段は、合波される他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波との一方を遅延する遅延線を有することもできる。
【００１８】
合波される光波を遅延線で遅延することで、合波させる両光波のタイミングを合わせヘテロダイン干渉ビートのコントラストを上げることができる。
【００１９】
第１合波手段は、合波される他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波との偏光を調節する偏光調節素子とビームスプリッタとを有することもできる。
【００２０】
偏光調節素子で合波される一方の光波をｐ偏光とし、他方の光波をｓ偏光としてビームスプリッタで合波することで、ヘテロダイン干渉させる両光波の強度が調節し易く、干渉ビートのコントラスト向上に寄与する。
【００２１】
第１合波手段は、合波された他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波との偏光を調節して両光波の強度を調節する強度調節部を有することもできる。
【００２２】
強度調節部で両光波の強度を等しくすることで、ヘテロダイン干渉ビートのコントラストが高くになり、ｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００２３】
また、第１合波手段は、シングルモードファイバを有することもできる。
【００２４】
合波された他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波とをシングルモードファイバに通すことで、両光波の重ね合わせとモードマッチングを確実にすることができ、干渉ビートのコントラストが高くなり、ｆceoをより高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００２５】
第２合波手段は、合波される各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と被測定光波との偏光を調節する偏光調節素子とビームスプリッタとを有することもできる。
【００２６】
偏光調節素子で、合波される一方の光波をｐ偏光とし、他方の光波をｓ偏光としてビームスプリッタで合波することで、ヘテロダイン干渉させる両光波の強度が調節し易く、干渉ビートのコントラスト向上に寄与する。
【００２７】
また、第２合波手段は、合波された各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と被測定光波との偏光を調節して両光波の強度を調節する強度調節部を有することもできる。
【００２８】
強度調節部で両光波の強度を等しくすることで、ヘテロダイン干渉ビートのコントラストが高くになり、δを高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００２９】
さらに、第２合波手段は、シングルモードファイバを有することもできる。
【００３０】
合波された各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と被測定光波とをシングルモードファイバに通すことで、両光波の重ね合わせとモードマッチングを確実にすることができ、干渉ビートのコントラストが高くなり、δをより高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
基本波と逓倍波とを含む複数の光波を発生する多色モードロックレーザ光源は、基本波とその基本波の逓倍波とを含む複数の光波を発生する光源であれば何でもよいが、受動型モードロックレーザと逓倍手段とを有し、その受動型モードロックレーザは、エルビウム・ドープ・ファイバを有することが好ましい。波長が１．５μｍの超短パルスが発生され、これを基本波（基本光コム）として逓倍手段で逓倍するので、測定波長範囲が可視から近赤の１．５μｍまで広がる。
【００３２】
逓倍手段としては、ADP、KDP、LiNbO3、BBO、などの非線形性結晶を用いることができる。
【００３３】
多色モードロックレーザ光源から発生される複数の光波（光コム）を各単色光波（光コム）に分離する波長分離素子としては、２色ミラー、回折格子、ビームスプリッタとバンドパス・フィルタを組み合わせたもの、等を使用できる。
【００３４】
波長分離素子で分離された各単色光波の一方の単色光波のスペクトルを他方の単色光波のスペクトルとオーバラップするまで拡張するスペクトル拡張手段としては、フォトニック結晶ファイバなどが用いられる。
【００３５】
他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波とを合波する第１合波手段は、両光波を合波するものであればファイバカップラ等何でもよいが、一方の光波を遅延させる遅延線と両光波の偏光を調節する偏光調節素子とビームスプリッタと合波された光波の偏光を調節して両光波の強度を調節する強度調節部とシングルモード・ファイバとを有することが好ましい。遅延線で遅延することで、合波させる両光波のタイミングを合わせ、偏光調節素子で合波される一方の光波をｐ偏光とし、他方の光波をｓ偏光とし、ビームスプリッタで両光波を合波し、強度調節部で両光波の強度を等しくし、シングルモードファイバに通すことで、両光波の重ね合わせとモードマッチングを確実にするので、ヘテロダイン干渉ビートのコントラストを高くすることができる。
【００３６】
波長分離素子で分離された各単色光波の一つと被測定光波とを合波する第２合波手段としては、上記の第１合波手段と同じものを用いることができる。但し、被測定光波は一般に連続発振レーザであり、第２合波手段で合波される両光波の間の時間差が問題にならず遅延線はなくてもよい。
【００３７】
遅延線は、複数のミラーを所定の間隔で配置することで構成してもよいし、ミラーとキャッツアイプリズムを所定の間隔で配置することでも構成できる。偏光調節素子としては、偏光子や１／２波長板などを用いることができるが、強度をロスしない点で１／２波長板が好ましい。ビームスプリッタとしては、ハーフミラーや偏光ビームスプリッタなどを用いることができるが、強度をロスしない点で偏光ビームスプリッタが好ましい。強度調節部としては、偏光子や１／２波長板と偏光ビームスプリッタを組み合わせたもの、等を用いることができる。
【００３８】
第１合波手段で合波された他方の単色光波と拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第１検出器と、第２合波手段で合波された各単色光波の一つと被測定光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第２検出器には、フォトダイオード、アバランシェ・フォトダイオードやＰＭ等を用いることができる。
【００３９】
【実施例】
実施例１．図１は本発明の一実施例の光周波数測定装置の構成図である。
【００４０】
本実施例の光周波数測定装置は、１．５μｍの基本波（光コム）と７８０ｎｍの第２高調波（光コム）と、５２０ｎｍの和周波（光コム）を発生する多色モードロックレーザ光源１と、３色を単色にする波長分離素子２と、７８０ｎｍの第２高調波のスペクトルを拡張するスペクトル拡張手段３と、５２０ｎｍの和周波と拡張された第２高調波とを合波する第１合波手段４と、和周波と拡張された第２高調波とのヘテロダイン干渉ビート信号を検出する第１検出器５と、１．５μｍの基本波と被測定光波とを合波する第２合波手段６と、基本波と被測定光波とのヘテロダイン干渉ビート信号を検出する第２検出器７と、を有する。
【００４１】
多色モードロックレーザ光源１は、エルビウム・ドープ・ファイバを利得媒質とする受動型モードロック・ファイバレーザ１１と逓倍手段１２とを有し、逓倍手段１２は、周期的に分極されたLiNbO3を備えており、約５０ｍＷの基本波と第２高調波及び１ｍＷ以下の和周波を発生する。発生される超短パルスのパルス幅は１２１ｆｓであり、パルスの繰り返し周期ｆrep＝４９．１３ＭＨｚである。
【００４２】
波長分離素子２は２色ミラー２１、２２を備え、２色ミラー２１で１．５μｍの基本波が分離（反射）され、次の２色ミラー２２で５２０ｎｍの和周波が分離（反射）され、２色ミラー２２から７８０ｎｍの第２高調波が透過される。
【００４３】
スペクトル拡張手段３は、クリスタル・ファイバー社（Crystal Fiber）の長さが５０ｃｍのフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）である。ＰＣＦ３は、コア径が１．８μｍの偏光保持ファイバで、２色ミラー２２から透過された７８０ｎｍの第２高調波は、ミラー１０２で折り曲げられ、１／２波長板１０３で偏光が調節され、集光レンズ１０６でＰＣＦ３の入射端に結合される。ＰＣＦ３を通過してスペクトルが短波長側に０．５オクターブ拡張された第２高調波（光コム）は、コリメータレンズ１０６’でコリメートされ、２色ミラー１０４で５５０ｎｍ以下のスペクトルが分離（反射）される。２色ミラー１０４を透過した５５０ｎｍ〜７８０ｎｍの光波は光トラップ１０５でトラップされる。
【００４４】
第１合波手段４は、遅延線４１と、偏光調節素子４２ａ、４２ｂと、ビームスプリッタ４３と、強度調節部４４と、シングルモードファイバ４５と、を備えている。遅延線４１は、キャッツアイプリズム４１１とミラー４１２とからなる。偏光調節素子４２a、４２bは、１／２波長板で、ビームスプリッタ４３は偏光ビームスプリッタであり、強度調節部４４は偏光子である。２色ミラー２２で分離（反射）された５２０ｎｍの和周波は、７８０ｎｍの第２高調波と等しい光路長になるように遅延線４１で遅延され、１／２波長板４２aでｐ偏光に調節され、偏光ビームスプリッタ４３に入射される。一方、２色ミラー１０４で分離（反射）された第２高調波の緑部分は、１／２波長板４２bでｓ偏光に調節され偏光ビームスプリッタ４３に入射される。ｐ偏光とｓ偏光は偏光ビームスプリッタ４３で合波され、ｐ偏光とｓ偏光が出射され、ヘテロダイン干渉する。偏光ビームスプリッタ４３から出射されたｐ偏光とｓ偏光は、偏光子４４でｐ偏光成分とｓ偏光成分が等しい直線偏光にされ、ミラー１０２で折り曲げられ、集光レンズ１０６でシングルモードファイバ４５の入射端に結合され、シングルモードファイバ４５で和周波（ｐ偏光成分）と第２高調波（ｓ偏光成分）の重ね合わせとモードマッチングが確実に行われる。
【００４５】
第１検出器５は、Siフォトダイオードで、第１合波手段４のシングルモードファイバ４５から出射される重ね合わされた和周波（ｐ偏光成分）と第２高調波（ｓ偏光成分）を受光する。
【００４６】
第２合波手段６は、第１合波手段４から遅延線４１を除いたものに等しく、偏光調節素子６１a、６１bと、ビームスプリッタ６２と、強度調節部６３と、シングルモードファイバ６４と、からなる。偏光調節素子６１a、６１bは、１／２波長板で、ビームスプリッタ６２は偏光ビームスプリッタであり、強度調節部６３は偏光子である。２色ミラー２１で分離（反射）された１．５μｍの基本波（光コム）は、１／２波長板６１aでｐ偏光に調節され、偏光ビームスプリッタ６２に入射される。一方、入力ポート１０１から入射される被測定光波は、１／２波長板６１bでｓ偏光に調節され、偏光ビームスプリッタ６２に入射される。ｐ偏光とｓ偏光は偏光ビームスプリッタ６２で合波されｐ偏光とｓ偏光が出射され、ヘテロダイン干渉する。偏光ビームスプリッタ６２から出射されたｐ偏光とｓ偏光は、偏光子６３でｐ偏光成分とｓ偏光成分が等しい直線偏光にされ、ミラー１０２で折り曲げられ、集光レンズ１０６でシングルモードファイバ６４の入射端に結合され、シングルモードファイバ６４で基本波（ｐ偏光成分）と被測定光波（ｓ偏光成分）の重ね合わせとモードマッチングが確実に行われる。
【００４７】
第２検出器７は、Siフォトダイオードで、第２合波手段４のシングルモードファイバ６４から出射される重ね合わされた基本波（ｐ偏光成分）と被測定光波（ｓ偏光成分）を受光する。
【００４８】
本実施例の光周波数測定装置で波長１．５μｍの外部共振器型連続発振半導体レーザの光周波数を測定した。入力ポート１０１から１．５μｍの被測定光波を入射させて測定した結果が図２、３で、図２は第１検出器５の出力をスペクトラム・アナライザで解析したビート信号スペクトル、図３は第２検出器７の出力をスペクトラム・アナライザで解析したビート信号スペクトルである。
【００４９】
図２からｆceo＝１７．４ＭＨｚであり、図３からδ1.5＝１８．７ＭＨｚであることがわかる。したがって、通常の波長計等を使って整数ｎさえ決まれば（４）式からｆ1.5が決まる。すなわち、本実施例の光周波数測定装置は、ｆceoを従来のようにｆ−２ｆ自己参照型で求めず、且つスペクトルを０．５オクターブ拡張するだけでよいため、光周波数を高精度に測定することができた。
【００５０】
実施例２．図４は、本発明の実施例２の光周波数測定装置の構成図である。実施例１の光周波数測定装置では、１．５μｍの光通信波長帯しか測定できなかったが、この実施例２の測定装置は、１．５μｍ以外に可視波長領域の５２０ｎｍ〜７８０ｎｍの光周波数も測定できるようにしたものである。したがって、実施例１（図１）の第２合波手段６と第２検出器７のペアをさらに２ペア（６’と７’、６’’と７’’）備えている。
【００５１】
図４では、実施例１と同じ構成要素には図１と同じ番号（’、’’付きの違いはある）が付されてあり説明を省略する。５２０ｎｍ〜５５０ｎｍの光周波数を測定するために、第１合波手段４の偏光ビームスプリッタ４３から出射される和周波（ｐ偏光成分）と第２高調波（ｓ偏光成分）から第２高調波（ｓ偏光成分）を分離する必要があり、実施例１の強度調節部４４が１／２波長板４４１と偏光ビームスプリッタ４４２とからなる。また、５５０ｎｍ〜７８０ｎｍの光周波数を測定するために、実施例１（図１）の光トラップ１０５をミラー１０２に替えて２色ミラー１０４を透過する５５０ｎｍ〜７８０ｎｍの光波（光コム）を第２合波手段６’に入射させるようになっている。
【００５２】
本実施例の光周波数測定装置で波長７８０ｎｍの外部共振器型連続発振半導体レーザの光周波数と波長５３２ｎｍの周波数安定化ＹＡＧレーザの光周波数を測定した。入力ポート１０１’から７８０ｎｍの被測定光波を、入力ポート１０１’’から５３２ｎｍの被測定光波を入射させて測定した結果が図５、６で、図５は第２検出器７’の出力をスペクトラム・アナライザで解析したビート信号スペクトル、図６は第２検出器７’’の出力をスペクトラム・アナライザで解析したビート信号スペクトルである。
【００５３】
図５からδ780＝１９．８ＭＨｚ、図６からδ532＝１６．５ＭＨｚであり、通常の波長計等を使って整数ｎさえ決まれば、（４）式からｆ780およびｆ532が求まる。
【００５４】
このように、本第２実施例の光周波数測定装置１台で、５２０ｎｍの可視光から１．５μｍの近赤外光までの光周波数を測定することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光周波数測定装置は、多色モードロックレーザ光源を用いているので、測定可能な波長範囲を広くすることができる。また、第１合波手段で合波された他方の単色光波と拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する非ｆ−２ｆ自己参照型のため、スペクトルを拡張した後に非線形光学効果で高調波を発生する必要がなく、高いＳ／Ｎでｆceoを求めることができ、その分、光周波数を高精度で測定することができる。
【００５６】
また、多色モードロックレーザ光源は、受動型モードロックレーザと、逓倍手段と、を有することもできるので、受動型モードロックレーザから発生される超短パルスを基本波とし、それを逓倍手段で逓倍するので、光源をコンパクト化することができ、光源を含む光周波数測定装置を小型且つ簡便化できるようになる。
【００５７】
さらに、受動型モードロックレーザは、エルビウム・ドープ・ファイバを有することができるので、受動型モードロックレーザからは、波長が１．５μｍの超短パルスが発生され、これを基本波として逓倍手段で逓倍するので、測定波長範囲が可視から近赤の１．５μｍまで広がる。
【００５８】
逓倍波は、第２高調波と周波数が３倍の光波を含み、前記一方の単色光波は該第２高調波で、前記他方の単色光波は該３倍の光波であるようにすることもできる。スペクトルを拡張する一方の単色光波を第２高調波とし、拡張された第２高調波とヘテロダイン干渉する他方の単色光波を周波数が３倍の光波とすることで、拡張する一方の単色光波を、０．５オクターブ拡張するだけで他方の単色光波とオーバラップするので、拡張された光波の強度低下が押さえられ、ｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置の概略構成図である。
【図２】実施例１の光周波数測定装置で観測したキャリアエンベロープオフセット周波数ｆceoを求めるためのビート信号スペクトルである。
【図３】実施例１の光周波数測定装置で観測した波長１．５μｍの被測定光波のオフセット周波数δ1.5を求めるためのビート信号スペクトルである。
【図４】実施例２の多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置の概略構成図である。
【図５】実施例２の光周波数測定装置で観測した波長７８０ｎｍの被測定光波のオフセット周波数δ780を求めるためのビート信号スペクトルである。
【図６】実施例２の光周波数測定装置で観測した波長５３２ｎｍの被測定光波のオフセット周波数δ532を求めるためのビート信号スペクトルである。
【図７】従来の自己参照型でのｆceoの観測
【符号の説明】
1 ・・・・・・・・・・・・・・・・多色モードロックレーザ光源
2・・・・・・・・・・・・・・・・波長分離素子
3・・・・・・・・・・・・・・・・スペクトル拡張手段
4・・・・・・・・・・・・・・・・第１合波手段
5・・・・・・・・・・・・・・・・第１検出器
6,6',6''・・・・・・・・・・・・・・第２合波手段
7,7',7''・・・・・・・・・・・・・・第２検出器
11・・・・・・・・・・・・・・・・受動型モードロックレーザ
12・・・・・・・・・・・・・・・・逓倍手段
41・・・・・・・・・・・・・・・・遅延線
42a,42b,61a,61b,61'a,61'b,61''a,61''b・・・偏光調節素子
43,62,62',62''・・・・・・・・・・・・ビームスプリッタ
44,63,63',63''・・・・・・・・・・・・強度調節部
45,64,64',64''・・・・・・・・・・・・シングルモードファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザの光周波数を高精度に測定する技術に関する。詳しくは、モードロックレーザからの超短パルス出力の光コム（comb）を「光周波数の物差し」として用いる光周波数測定技術に関する。
【０００２】
１９８３年の第１７回国際度量衡総会において、長さの単位「ｍ」は、時間の単位「ｓ」と結びつく形で次のように定義された。「メートルは、１秒の299,792,458分の１の時間に光が真空中を伝わる行程の長さである。」これは、光速度ｃを299,792,458ｍ／ｓと定義したことと等価である。波長λ、周波数ｆ、時間ｔの間には、
λ=ｃ／ｆ （１）
ｆ=１／ｔ （２）
の関係があるので、メートルの定義を忠実に実現するには、周波数安定化レーザの光周波数を測定して、上記のように定義された光速度を割ることにより真空波長を求めることで達成される。
【０００３】
【従来の技術】
繰り返しパルス間隔が１／ｆrepの超短パルス出力を周波数軸上に模式的に示すと、図７の実線で示す櫛の歯状になることから、これを光コムと呼ぶ。図７でｆceoはキャリア・エンベロープ・オフセット（CEO）周波数と呼ばれる。このモードロックレーザと被測定ＣＷレーザとをヘテロダイン干渉させると、図７に点線で示すようなビート（δは実線の光コムとのオフセット）が観測される。実線の光コムのｎ番目のコムは、
ｆ（ｎ）＝ｎｆrep＋ｆceo （３）
と表される。同様に、点線の光コムのｎ番目のコムは、
ｆcw（ｎ）＝ｎｆrep＋ｆceo±δ （４）
と表される。（４）式でｆrepは既知であり、δは図７から求まるので、ｆceoが決まれば、被測定ＣＷレーザの光周波数ｆcwが求まることになる。なお、（４）式には、ｎと±の曖昧さがあるが、これは被測定レーザの波長を通常の波長計等で測定することで除かれる。
【０００４】
従来の光周波数測定では、ｆceoを次のように求めている（例えば、非特許文献１参照。）。波長が７７８ｎｍのTi:S（チタン：サファイア）レーザのスペクトルをフォトニック結晶ファイバ（ＦＣＢ）を用いて１オクターブ以上の５００ｎｍから１１００ｎｍまで拡張して、図７に示すような１オクターブ以上に広がるTi:Sレーザの光コムを作った。すると、ｎ番目から１オクターブ離れた２ｎ番目のコムは、
ｆ（２ｎ）＝２ｎｆrep＋ｆceo （３’）
と表される。一方、低周波の部分を切り出して第２高調波発生結晶（BBO）で第２高調波２ｆ（ｎ）を発生させる。そして、２ｎ番目のコムｆ（２ｎ）と第２高調波２ｆ（ｎ）をヘテロダイン干渉（ｆ−２ｆ干渉）させてビート周波数δ0を観測すると、（３）式から２ｆ（ｎ）は、
２ｆ（ｎ）＝２ｎｆrep＋２ｆceo （５）
と表されるので、
δ0＝２ｆ（ｎ）−ｆ（２ｎ）＝ｆceo
となり、ｆceoが求められる。このような求め方をｆ−２ｆ自己参照型（self-referenced）技術と呼ぶ。
【０００５】
つまり、従来は、ｆ−２ｆ自己参照型技術、すなわち、基本波スペクトルを１オクターブ以上に拡張して、その後、第２高調波を発生させてｆ−２ｆヘテロダイン干渉させるものである。この従来のｆ−２ｆ自己参照型技術で必要な１オクターブ以上に拡張することは、ＦＣＢの損失により強度の高い（パワーの大きい）光コムを作ることができないといった問題を有している。また、基本波から切り出して第２高調波を発生させるため、ますます強度の低い光コムになってしまう。強度が低いとｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができない。さらに、この従来の光周波数測定では、光コムが上記したように、５００ｎｍ〜１１００ｎｍであるため、光通信帯の１５００ｎｍ（１．５μｍ）のレーザの光周波数を測定することができない。
【０００６】
【非特許文献１】
David J. Jones et al.,"Carrier-Envelope Phase Control of Femtosecond Mode-Locked Lasers and Direct Optical Frequency Synthesis", SIENCE, Vol.288, 28 APRIL 2000, pp635-639
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように従来の光周波数測定では、１オクターブ以上の光コムを必要とし、ｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができず、測定できる波長範囲が狭いといった問題があった。
【０００８】
本発明は上記従来の光周波数測定技術の問題に鑑みてなされたものであり、測定できる波長範囲の広く、１オクターブ以上の光コムを必要とせず、且つｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができる光周波数測定装置及び測定方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の光周波数測定装置は、基本波と該基本波の逓倍波とを含む複数の光波を発生する多色モードロックレーザ光源と、該多色モードロックレーザ光源から発生される該複数の光波を各単色光波に分離する波長分離素子と、該波長分離素子で分離された該各単色光波の一方の単色光波のスペクトルを他方の単色光波のスペクトルとオーバラップするまで拡張するスペクトル拡張手段と、該他方の単色光波と該拡張手段で拡張された光波とを合波する第１合波手段と、該第１合波手段で合波された該他方の単色光波と該拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第１検出器と、該波長分離素子で分離された該各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と被測定光波とを合波する第２合波手段と、該第２合波手段で合波された該各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と該被測定光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第２検出器と、を有する。
【００１０】
多色モードロックレーザ光源を用いているので、測定可能な波長範囲を広くすることができる。また、第１合波手段で合波された他方の単色光波と拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する非ｆ−２ｆ自己参照型のため、スペクトルを拡張した後に非線形光学効果で高調波を発生する必要がなく、高いＳ／Ｎでｆceoを求めることができ、その分、光周波数を高精度で測定することができる。
【００１１】
多色モードロックレーザ光源は、受動型モードロックレーザと、逓倍手段と、を有することもできる。
【００１２】
受動型モードロックレーザから発生される超短パルスを基本波とし、それを逓倍手段で逓倍するので、光源をコンパクト化することができ、光源を含む光周波数測定装置を小型且つ簡便化できるようになる。
【００１３】
受動型モードロックレーザは、エルビウム・ドープ・ファイバを有することができる。
【００１４】
エルビウムドープファイバをレーザ媒質とすることで、受動型モードロックレーザからは、波長が１．５μｍの超短パルスが発生され、これを基本波として逓倍手段で逓倍するので、測定波長範囲が可視から近赤の１．５μｍまで広がる。
【００１５】
逓倍波は、第２高調波と周波数が３倍の光波を含み、前記一方の単色光波は該第２高調波で、前記他方の単色光波は該３倍の光波であるようにすることもできる。
【００１６】
スペクトルを拡張する一方の単色光波を第２高調波とし、拡張された第２高調波とヘテロダイン干渉する他方の単色光波を周波数が３倍の光波とすることで、拡張する一方の単色光波（光コム）を、０．５オクターブ拡張するだけで他方の単色光波（光コム）とオーバラップするので、拡張された光波の強度低下が押さえられ、ｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００１７】
第１合波手段は、合波される他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波との一方を遅延する遅延線を有することもできる。
【００１８】
合波される光波を遅延線で遅延することで、合波させる両光波のタイミングを合わせヘテロダイン干渉ビートのコントラストを上げることができる。
【００１９】
第１合波手段は、合波される他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波との偏光を調節する偏光調節素子とビームスプリッタとを有することもできる。
【００２０】
偏光調節素子で合波される一方の光波をｐ偏光とし、他方の光波をｓ偏光としてビームスプリッタで合波することで、ヘテロダイン干渉させる両光波の強度が調節し易く、干渉ビートのコントラスト向上に寄与する。
【００２１】
第１合波手段は、合波された他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波との偏光を調節して両光波の強度を調節する強度調節部を有することもできる。
【００２２】
強度調節部で両光波の強度を等しくすることで、ヘテロダイン干渉ビートのコントラストが高くになり、ｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００２３】
また、第１合波手段は、シングルモードファイバを有することもできる。
【００２４】
合波された他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波とをシングルモードファイバに通すことで、両光波の重ね合わせとモードマッチングを確実にすることができ、干渉ビートのコントラストが高くなり、ｆceoをより高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００２５】
第２合波手段は、合波される各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と被測定光波との偏光を調節する偏光調節素子とビームスプリッタとを有することもできる。
【００２６】
偏光調節素子で、合波される一方の光波をｐ偏光とし、他方の光波をｓ偏光としてビームスプリッタで合波することで、ヘテロダイン干渉させる両光波の強度が調節し易く、干渉ビートのコントラスト向上に寄与する。
【００２７】
また、第２合波手段は、合波された各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と被測定光波との偏光を調節して両光波の強度を調節する強度調節部を有することもできる。
【００２８】
強度調節部で両光波の強度を等しくすることで、ヘテロダイン干渉ビートのコントラストが高くになり、δを高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００２９】
さらに、第２合波手段は、シングルモードファイバを有することもできる。
【００３０】
合波された各単色光波の一つ、または該拡張された光波の一部と被測定光波とをシングルモードファイバに通すことで、両光波の重ね合わせとモードマッチングを確実にすることができ、干渉ビートのコントラストが高くなり、δをより高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
基本波と逓倍波とを含む複数の光波を発生する多色モードロックレーザ光源は、基本波とその基本波の逓倍波とを含む複数の光波を発生する光源であれば何でもよいが、受動型モードロックレーザと逓倍手段とを有し、その受動型モードロックレーザは、エルビウム・ドープ・ファイバを有することが好ましい。波長が１．５μｍの超短パルスが発生され、これを基本波（基本光コム）として逓倍手段で逓倍するので、測定波長範囲が可視から近赤の１．５μｍまで広がる。
【００３２】
逓倍手段としては、ADP、KDP、LiNbO3、BBO、などの非線形性結晶を用いることができる。
【００３３】
多色モードロックレーザ光源から発生される複数の光波（光コム）を各単色光波（光コム）に分離する波長分離素子としては、２色ミラー、回折格子、ビームスプリッタとバンドパス・フィルタを組み合わせたもの、等を使用できる。
【００３４】
波長分離素子で分離された各単色光波の一方の単色光波のスペクトルを他方の単色光波のスペクトルとオーバラップするまで拡張するスペクトル拡張手段としては、フォトニック結晶ファイバなどが用いられる。
【００３５】
他方の単色光波と拡張手段で拡張された光波とを合波する第１合波手段は、両光波を合波するものであればファイバカップラ等何でもよいが、一方の光波を遅延させる遅延線と両光波の偏光を調節する偏光調節素子とビームスプリッタと合波された光波の偏光を調節して両光波の強度を調節する強度調節部とシングルモード・ファイバとを有することが好ましい。遅延線で遅延することで、合波させる両光波のタイミングを合わせ、偏光調節素子で合波される一方の光波をｐ偏光とし、他方の光波をｓ偏光とし、ビームスプリッタで両光波を合波し、強度調節部で両光波の強度を等しくし、シングルモードファイバに通すことで、両光波の重ね合わせとモードマッチングを確実にするので、ヘテロダイン干渉ビートのコントラストを高くすることができる。
【００３６】
波長分離素子で分離された各単色光波の一つと被測定光波とを合波する第２合波手段としては、上記の第１合波手段と同じものを用いることができる。但し、被測定光波は一般に連続発振レーザであり、第２合波手段で合波される両光波の間の時間差が問題にならず遅延線はなくてもよい。
【００３７】
遅延線は、複数のミラーを所定の間隔で配置することで構成してもよいし、ミラーとキャッツアイプリズムを所定の間隔で配置することでも構成できる。偏光調節素子としては、偏光子や１／２波長板などを用いることができるが、強度をロスしない点で１／２波長板が好ましい。ビームスプリッタとしては、ハーフミラーや偏光ビームスプリッタなどを用いることができるが、強度をロスしない点で偏光ビームスプリッタが好ましい。強度調節部としては、偏光子や１／２波長板と偏光ビームスプリッタを組み合わせたもの、等を用いることができる。
【００３８】
第１合波手段で合波された他方の単色光波と拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第１検出器と、第２合波手段で合波された各単色光波の一つと被測定光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第２検出器には、フォトダイオード、アバランシェ・フォトダイオードやＰＭ等を用いることができる。
【００３９】
【実施例】
実施例１．図１は本発明の一実施例の光周波数測定装置の構成図である。
【００４０】
本実施例の光周波数測定装置は、１．５μｍの基本波（光コム）と７８０ｎｍの第２高調波（光コム）と、５２０ｎｍの和周波（光コム）を発生する多色モードロックレーザ光源１と、３色を単色にする波長分離素子２と、７８０ｎｍの第２高調波のスペクトルを拡張するスペクトル拡張手段３と、５２０ｎｍの和周波と拡張された第２高調波とを合波する第１合波手段４と、和周波と拡張された第２高調波とのヘテロダイン干渉ビート信号を検出する第１検出器５と、１．５μｍの基本波と被測定光波とを合波する第２合波手段６と、基本波と被測定光波とのヘテロダイン干渉ビート信号を検出する第２検出器７と、を有する。
【００４１】
多色モードロックレーザ光源１は、エルビウム・ドープ・ファイバを利得媒質とする受動型モードロック・ファイバレーザ１１と逓倍手段１２とを有し、逓倍手段１２は、周期的に分極されたLiNbO3を備えており、約５０ｍＷの基本波と第２高調波及び１ｍＷ以下の和周波を発生する。発生される超短パルスのパルス幅は１２１ｆｓであり、パルスの繰り返し周期ｆrep＝４９．１３ＭＨｚである。
【００４２】
波長分離素子２は２色ミラー２１、２２を備え、２色ミラー２１で１．５μｍの基本波が分離（反射）され、次の２色ミラー２２で５２０ｎｍの和周波が分離（反射）され、２色ミラー２２から７８０ｎｍの第２高調波が透過される。
【００４３】
スペクトル拡張手段３は、クリスタル・ファイバー社（Crystal Fiber）の長さが５０ｃｍのフォトニック結晶ファイバ（ＰＣＦ）である。ＰＣＦ３は、コア径が１．８μｍの偏光保持ファイバで、２色ミラー２２から透過された７８０ｎｍの第２高調波は、ミラー１０２で折り曲げられ、１／２波長板１０３で偏光が調節され、集光レンズ１０６でＰＣＦ３の入射端に結合される。ＰＣＦ３を通過してスペクトルが短波長側に０．５オクターブ拡張された第２高調波（光コム）は、コリメータレンズ１０６’でコリメートされ、２色ミラー１０４で５５０ｎｍ以下のスペクトルが分離（反射）される。２色ミラー１０４を透過した５５０ｎｍ〜７８０ｎｍの光波は光トラップ１０５でトラップされる。
【００４４】
第１合波手段４は、遅延線４１と、偏光調節素子４２ａ、４２ｂと、ビームスプリッタ４３と、強度調節部４４と、シングルモードファイバ４５と、を備えている。遅延線４１は、キャッツアイプリズム４１１とミラー４１２とからなる。偏光調節素子４２a、４２bは、１／２波長板で、ビームスプリッタ４３は偏光ビームスプリッタであり、強度調節部４４は偏光子である。２色ミラー２２で分離（反射）された５２０ｎｍの和周波は、７８０ｎｍの第２高調波と等しい光路長になるように遅延線４１で遅延され、１／２波長板４２aでｐ偏光に調節され、偏光ビームスプリッタ４３に入射される。一方、２色ミラー１０４で分離（反射）された第２高調波の緑部分は、１／２波長板４２bでｓ偏光に調節され偏光ビームスプリッタ４３に入射される。ｐ偏光とｓ偏光は偏光ビームスプリッタ４３で合波され、ｐ偏光とｓ偏光が出射され、ヘテロダイン干渉する。偏光ビームスプリッタ４３から出射されたｐ偏光とｓ偏光は、偏光子４４でｐ偏光成分とｓ偏光成分が等しい直線偏光にされ、ミラー１０２で折り曲げられ、集光レンズ１０６でシングルモードファイバ４５の入射端に結合され、シングルモードファイバ４５で和周波（ｐ偏光成分）と第２高調波（ｓ偏光成分）の重ね合わせとモードマッチングが確実に行われる。
【００４５】
第１検出器５は、Siフォトダイオードで、第１合波手段４のシングルモードファイバ４５から出射される重ね合わされた和周波（ｐ偏光成分）と第２高調波（ｓ偏光成分）を受光する。
【００４６】
第２合波手段６は、第１合波手段４から遅延線４１を除いたものに等しく、偏光調節素子６１a、６１bと、ビームスプリッタ６２と、強度調節部６３と、シングルモードファイバ６４と、からなる。偏光調節素子６１a、６１bは、１／２波長板で、ビームスプリッタ６２は偏光ビームスプリッタであり、強度調節部６３は偏光子である。２色ミラー２１で分離（反射）された１．５μｍの基本波（光コム）は、１／２波長板６１aでｐ偏光に調節され、偏光ビームスプリッタ６２に入射される。一方、入力ポート１０１から入射される被測定光波は、１／２波長板６１bでｓ偏光に調節され、偏光ビームスプリッタ６２に入射される。ｐ偏光とｓ偏光は偏光ビームスプリッタ６２で合波されｐ偏光とｓ偏光が出射され、ヘテロダイン干渉する。偏光ビームスプリッタ６２から出射されたｐ偏光とｓ偏光は、偏光子６３でｐ偏光成分とｓ偏光成分が等しい直線偏光にされ、ミラー１０２で折り曲げられ、集光レンズ１０６でシングルモードファイバ６４の入射端に結合され、シングルモードファイバ６４で基本波（ｐ偏光成分）と被測定光波（ｓ偏光成分）の重ね合わせとモードマッチングが確実に行われる。
【００４７】
第２検出器７は、Siフォトダイオードで、第２合波手段４のシングルモードファイバ６４から出射される重ね合わされた基本波（ｐ偏光成分）と被測定光波（ｓ偏光成分）を受光する。
【００４８】
本実施例の光周波数測定装置で波長１．５μｍの外部共振器型連続発振半導体レーザの光周波数を測定した。入力ポート１０１から１．５μｍの被測定光波を入射させて測定した結果が図２、３で、図２は第１検出器５の出力をスペクトラム・アナライザで解析したビート信号スペクトル、図３は第２検出器７の出力をスペクトラム・アナライザで解析したビート信号スペクトルである。
【００４９】
図２からｆceo＝１７．４ＭＨｚであり、図３からδ1.5＝１８．７ＭＨｚであることがわかる。したがって、通常の波長計等を使って整数ｎさえ決まれば（４）式からｆ1.5が決まる。すなわち、本実施例の光周波数測定装置は、ｆceoを従来のようにｆ−２ｆ自己参照型で求めず、且つスペクトルを０．５オクターブ拡張するだけでよいため、光周波数を高精度に測定することができた。
【００５０】
実施例２．図４は、本発明の実施例２の光周波数測定装置の構成図である。実施例１の光周波数測定装置では、１．５μｍの光通信波長帯しか測定できなかったが、この実施例２の測定装置は、１．５μｍ以外に可視波長領域の５２０ｎｍ〜７８０ｎｍの光周波数も測定できるようにしたものである。したがって、実施例１（図１）の第２合波手段６と第２検出器７のペアをさらに２ペア（６’と７’、６’’と７’’）備えている。
【００５１】
図４では、実施例１と同じ構成要素には図１と同じ番号（’、’’付きの違いはある）が付されてあり説明を省略する。５２０ｎｍ〜５５０ｎｍの光周波数を測定するために、第１合波手段４の偏光ビームスプリッタ４３から出射される和周波（ｐ偏光成分）と第２高調波（ｓ偏光成分）から第２高調波（ｓ偏光成分）を分離する必要があり、実施例１の強度調節部４４が１／２波長板４４１と偏光ビームスプリッタ４４２とからなる。また、５５０ｎｍ〜７８０ｎｍの光周波数を測定するために、実施例１（図１）の光トラップ１０５をミラー１０２に替えて２色ミラー１０４を透過する５５０ｎｍ〜７８０ｎｍの光波（光コム）を第２合波手段６’に入射させるようになっている。
【００５２】
本実施例の光周波数測定装置で波長７８０ｎｍの外部共振器型連続発振半導体レーザの光周波数と波長５３２ｎｍの周波数安定化ＹＡＧレーザの光周波数を測定した。入力ポート１０１’から７８０ｎｍの被測定光波を、入力ポート１０１’’から５３２ｎｍの被測定光波を入射させて測定した結果が図５、６で、図５は第２検出器７’の出力をスペクトラム・アナライザで解析したビート信号スペクトル、図６は第２検出器７’’の出力をスペクトラム・アナライザで解析したビート信号スペクトルである。
【００５３】
図５からδ780＝１９．８ＭＨｚ、図６からδ532＝１６．５ＭＨｚであり、通常の波長計等を使って整数ｎさえ決まれば、（４）式からｆ780およびｆ532が求まる。
【００５４】
このように、本第２実施例の光周波数測定装置１台で、５２０ｎｍの可視光から１．５μｍの近赤外光までの光周波数を測定することができる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光周波数測定装置は、多色モードロックレーザ光源を用いているので、測定可能な波長範囲を広くすることができる。また、第１合波手段で合波された他方の単色光波と拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する非ｆ−２ｆ自己参照型のため、スペクトルを拡張した後に非線形光学効果で高調波を発生する必要がなく、高いＳ／Ｎでｆceoを求めることができ、その分、光周波数を高精度で測定することができる。
【００５６】
また、多色モードロックレーザ光源は、受動型モードロックレーザと、逓倍手段と、を有することもできるので、受動型モードロックレーザから発生される超短パルスを基本波とし、それを逓倍手段で逓倍するので、光源をコンパクト化することができ、光源を含む光周波数測定装置を小型且つ簡便化できるようになる。
【００５７】
さらに、受動型モードロックレーザは、エルビウム・ドープ・ファイバを有することができるので、受動型モードロックレーザからは、波長が１．５μｍの超短パルスが発生され、これを基本波として逓倍手段で逓倍するので、測定波長範囲が可視から近赤の１．５μｍまで広がる。
【００５８】
逓倍波は、第２高調波と周波数が３倍の光波を含み、前記一方の単色光波は該第２高調波で、前記他方の単色光波は該３倍の光波であるようにすることもできる。スペクトルを拡張する一方の単色光波を第２高調波とし、拡張された第２高調波とヘテロダイン干渉する他方の単色光波を周波数が３倍の光波とすることで、拡張する一方の単色光波を、０．５オクターブ拡張するだけで他方の単色光波とオーバラップするので、拡張された光波の強度低下が押さえられ、ｆceoを高いＳ／Ｎで求めることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置の概略構成図である。
【図２】実施例１の光周波数測定装置で観測したキャリアエンベロープオフセット周波数ｆceoを求めるためのビート信号スペクトルである。
【図３】実施例１の光周波数測定装置で観測した波長１．５μｍの被測定光波のオフセット周波数δ1.5を求めるためのビート信号スペクトルである。
【図４】実施例２の多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置の概略構成図である。
【図５】実施例２の光周波数測定装置で観測した波長７８０ｎｍの被測定光波のオフセット周波数δ780を求めるためのビート信号スペクトルである。
【図６】実施例２の光周波数測定装置で観測した波長５３２ｎｍの被測定光波のオフセット周波数δ532を求めるためのビート信号スペクトルである。
【図７】従来の自己参照型でのｆceoの観測
【符号の説明】
1 ・・・・・・・・・・・・・・・・多色モードロックレーザ光源
2・・・・・・・・・・・・・・・・波長分離素子
3・・・・・・・・・・・・・・・・スペクトル拡張手段
4・・・・・・・・・・・・・・・・第１合波手段
5・・・・・・・・・・・・・・・・第１検出器
6,6',6''・・・・・・・・・・・・・・第２合波手段
7,7',7''・・・・・・・・・・・・・・第２検出器
11・・・・・・・・・・・・・・・・受動型モードロックレーザ
12・・・・・・・・・・・・・・・・逓倍手段
41・・・・・・・・・・・・・・・・遅延線
42a,42b,61a,61b,61'a,61'b,61''a,61''b・・・偏光調節素子
43,62,62',62''・・・・・・・・・・・・ビームスプリッタ
44,63,63',63''・・・・・・・・・・・・強度調節部
45,64,64',64''・・・・・・・・・・・・シングルモードファイバ
Claims (21)
- 光コムである基本波と該基本波の逓倍波とを含む複数の光波を発生する多色モードロックレーザ光源と、
該多色モードロックレーザ光源から発生される該複数の光波を各単色光波に分離する波長分離素子と、
該波長分離素子で分離された該各単色光波の一方の単色光波のスペクトルを他方の単色光波のスペクトルとオーバラップするまで拡張するスペクトル拡張手段と、
該他方の単色光波と該拡張手段で拡張された光波とを合波する第１合波手段と、
該第１合波手段で合波された該他方の単色光波と該拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第１検出器と、
該波長分離素子で分離された該各単色光波の一つ、または該拡張された光波の周波数帯域の一部と被測定光波とを合波する第２合波手段と、
該第２合波手段で合波された該各単色光波の一つ、または該拡張された光波の周波数帯域の一部と該被測定光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出する第２検出器と、
を有し、該第１検出器で検出された干渉ビートからキャリア・エンベロープ・オフセット（CEO）周波数ｆceoを求め、該第２検出器で検出された干渉ビートからオフセット周波数δを求めて被測定光波の光周波数を測定することを特徴とする光周波数測定装置。 - 前記多色モードロックレーザ光源は、受動型モードロックレーザと、逓倍手段と、を有することを特徴とする請求項１に記載の光周波数測定装置。
- 前記受動型モードロックレーザは、エルビウム・ドープ・ファイバを有することを特徴とする請求項２に記載の光周波数測定装置。
- 前記逓倍波は、第２高調波と周波数が３倍の光波を含み、前記一方の単色光波は該第２高調波で、前記他方の単色光波は該３倍の光波であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光周波数測定装置。
- 前記第１合波手段は、合波される前記他方の単色光波と前記拡張手段で拡張された光波との一方を遅延する遅延線を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光周波数測定装置。
- 前記第１合波手段は、合波される前記他方の単色光波と前記拡張手段で拡張された光波との偏光を調節する偏光調節素子とビームスプリッタとを有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光周波数測定装置。
- 前記第１合波手段は、合波された前記他方の単色光波と前記拡張手段で拡張された光波との偏光を調節して両光波の強度を調節する強度調節部を有することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光周波数測定装置。
- 前記第１合波手段は、合波された前記他方の単色光波と前記拡張手段で拡張された光波との重ね合わせとモードマッチングを確実にするシングルモードファイバを有することを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光周波数測定装置。
- 前記第２合波手段は、合波される前記各単色光波の一つ、または前記拡張された光波の周波数帯域の一部と被測定光波との偏光を調節する偏光調節素子とビームスプリッタとを有することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光周波数測定装置。
- 前記第２合波手段は、合波された前記各単色光波の一つ、または前記拡張された光波の周波数帯域の一部と前記被測定光波との偏光を調節して両光波の強度を調節する強度調節部を有することを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光周波数測定装置。
- 前記第２合波手段は、合波された前記各単色光波の一つ、または前記拡張された光波の周波数帯域の一部と前記被測定光波との重ね合わせとモードマッチングを確実にするシングルモードファイバを有することを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光周波数測定装置。
- 光コムである基本波と該基本波の逓倍波とを含む複数の光波を発生するステップ１と、
該複数の光波を各単色光波に分離するステップ２と、
該各単色光波の一方の単色光波のスペクトルを他方の単色光波のスペクトルとオーバラップするまで拡張するステップ３と、
該他方の単色光波と該ステップ３で拡張された光波とを合波させてヘテロダイン干渉させるステップ４と、
該他方の単色光波と該拡張された光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出して該各単色光波の周波数スペクトルのキャリア・エンベロープ・オフセット周波数ｆceoを求めるステップ５と、
該各単色光波の一つ、または該拡張された光波の周波数帯域の一部と被測定光波とを合波させてヘテロダイン干渉させるステップ６と、
該各単色光波の一つ、または該拡張された光波の周波数帯域の一部と該被測定光波とのヘテロダイン干渉ビートを検出してオフセット周波数δを求め、前記ｆceoを使って被測定光波の周波数を測定するステップ７と、
を有することを特徴とする光周波数測定方法。 - 前記ステップ１は基本波を発生するサブステップ１１と該基本波を非線形光学効果で逓倍するサブステップ１２とを有することを特徴とする請求項１２に記載の光周波数測定方法。
- 前記基本波は、波長が１．５μｍの光波を含み、前記逓倍波は、波長が７８０ｎｍの第２高調波と波長が５２０ｎｍの和周波とを含み、前記一方の単色光波は、該第２高調波であり、前記他方の単色光波は該和周波であることを特徴とする請求項１２または１３に記載の光周波数測定方法。
- 前記ステップ４は、合波される前記他方の単色光波と前記ステップ３で拡張された光波との一方を遅延するサブステップ４１を有することを特徴とする請求項１２ないし１４のいずれか１項に記載の光周波数測定方法。
- 前記ステップ４は、合波される前記他方の単色光波と前記ステップ３で拡張された光波との偏光を調節するサブステップ４２を有することを特徴とする請求項１２ないし１５のいずれか１項に記載の光周波数測定方法。
- 前記ステップ４は、合波された前記他方の単色光波と前記ステップ３で拡張された光波との偏光を調節して両光波の強度を調節するサブステップ４３を有することを特徴とする請求項１２ないし１６のいずれか１項に記載の光周波数測定方法。
- 前記ステップ４は、合波された前記他方の単色光波と前記ステップ３で拡張された光波との重ね合わせとモードマッチングを確実にするサブステップ４４を有することを特徴とする請求項１２ないし１７のいずれか１項に記載の光周波数測定方法。
- 前記ステップ６は、合波される前記各単色光波の一つ、または前記拡張された光波の周波数帯域の一部と前記被測定光波との偏光を調節するサブステップ６１を有することを特徴とする請求項１２ないし１８のいずれか１項に記載の光周波数測定方法。
- 前記ステップ６は、合波された前記各単色光波の一つ、または前記拡張された光波の周波数帯域の一部と前記被測定光波との偏光を調節して両光波の強度を調節するサブステップ６２を有することを特徴とする請求項１２ないし１９のいずれか１項に記載の光周波数測定方法。
- 前記ステップ６は、合波された前記各単色光波の一つと前記被測定光波との重ね合わせとモードマッチングを確実にするサブステップ６３を有することを特徴とする請求項１２ないし２０のいずれか１項に記載の光周波数測定方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003136429A JP4164599B2 (ja) | 2003-05-14 | 2003-05-14 | 多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置及び測定方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003136429A JP4164599B2 (ja) | 2003-05-14 | 2003-05-14 | 多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置及び測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004340690A JP2004340690A (ja) | 2004-12-02 |
| JP4164599B2 true JP4164599B2 (ja) | 2008-10-15 |
Family
ID=33526398
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003136429A Expired - Lifetime JP4164599B2 (ja) | 2003-05-14 | 2003-05-14 | 多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置及び測定方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4164599B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8477314B2 (en) * | 2007-06-26 | 2013-07-02 | UNIVERSITé LAVAL | Referencing of the beating spectra of frequency combs |
| JP5511162B2 (ja) * | 2008-07-31 | 2014-06-04 | 株式会社ミツトヨ | 多波長干渉変位測定方法及び装置 |
| JP2011181691A (ja) | 2010-03-01 | 2011-09-15 | Advantest Corp | パルスレーザ、光周波数安定化レーザ、測定装置および測定方法 |
| CN103855599B (zh) * | 2014-01-17 | 2016-08-24 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 利用扫描共焦腔f-p干涉仪实现激光偏频锁定的方法 |
| CN108680099B (zh) * | 2018-03-24 | 2019-08-23 | 北京工业大学 | 一种分析激光束振幅波动对外差干涉非线性误差影响的方法 |
-
2003
- 2003-05-14 JP JP2003136429A patent/JP4164599B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2004340690A (ja) | 2004-12-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9711932B2 (en) | Optical signal processing with modelocked lasers | |
| US9885614B2 (en) | Method and apparatus for multifrequency optical comb generation | |
| US7570851B2 (en) | Ultrashort photonic waveform measurement using quasi-phase-matched non-linear optics | |
| US8923349B2 (en) | Fourier domain mode locking: method and apparatus for control and improved performance | |
| US7414779B2 (en) | Mode locking methods and apparatus | |
| CN110168822B (zh) | 具有载波包络偏移频率检测的光学频率梳发生器 | |
| US7483143B2 (en) | Method and apparatus for conducting heterodyne frequency-comb spectroscopy | |
| Maddaloni et al. | Optical comb generators for laser frequency measurement | |
| JPH06194611A (ja) | 多段光学カーゲート装置 | |
| JP2011181691A (ja) | パルスレーザ、光周波数安定化レーザ、測定装置および測定方法 | |
| JP3631025B2 (ja) | 波長分散測定装置及び偏波分散測定装置 | |
| CN108429123B (zh) | 利用时间塔尔博特效应产生激光脉冲和光谱 | |
| JP2007271783A (ja) | 光源装置及び光源システム | |
| JP4164599B2 (ja) | 多色モードロックレーザを用いた光周波数測定装置及び測定方法 | |
| EP2101161A1 (en) | Bandwidth-independent method and setup for measuring and stabilizing the carrier-envelope phase drift of laser pulses | |
| JP4753063B2 (ja) | 光電場波形制御方法および制御装置 | |
| JPH0212227A (ja) | 光パルス発生装置 | |
| JP4559291B2 (ja) | 干渉信号増幅装置 | |
| JP2723201B2 (ja) | 光学応答速度測定器 | |
| Picqué et al. | Femtosecond frequency combs: new trends for Fourier transform spectroscopy | |
| JP2022129276A (ja) | 分光偏光特性測定装置及び分光偏光特性測定方法 | |
| Cerullo et al. | Time domain vibrational spectroscopy: principle and experimental tools | |
| JP2014013935A (ja) | パルスレーザ、光周波数安定化レーザ、測定装置および測定方法 | |
| JPH0875603A (ja) | 光学応答測定器 | |
| Feurer | -Characterization of Time Domain Pulses |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20060329 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20071205 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080401 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080530 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20080708 |
|
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080714 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4164599 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110808 Year of fee payment: 3 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120808 Year of fee payment: 4 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130808 Year of fee payment: 5 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S533 | Written request for registration of change of name |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313533 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |