JP4607312B2 - 光周波数測定システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、任意の波長における広いスペクトル幅を必要とする光周波数測定システムに関し、特に高速且つ高分解能な光周波数測定を実現するための光周波数測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光周波数を高精度に測定する場合に光周波数コム発生器（Optical Frequency Comb Generator）が使用されている。すなわち、２つのレーザ光をヘテロダイン検波してその差周波数を測定する場合、その帯域は受光素子の帯域で制限され、おおむね数十ＧＨｚ程度であるので、光周波数コム発生器を用いて広帯域なヘテロダイン検波系を構築するようにしている。光周波数コム発生器は、入射したレーザ光の側帯波を等周波数間隔毎に数百本発生させるもので、発生される側帯波の周波数安定度はもとのレーザ光のそれとほぼ同等である。そこで、この側帯波と被測定レーザ光をヘテロダイン検波することにより、数ＴＨｚに亘る広帯域なヘテロダイン検波系を構築することができる。
【０００３】
例えば、図９に示す従来の光周波数測定システム１００は、レーザ光Ｌ０を出射するレーザ光源１１１と、このレーザ光源１１１からレーザ光Ｌ０が入射される光周波数コム発生器１１２と、この光周波数コム発生器１１２に与える変調信号ＳＭＯＤを発生する変調信号発生器１１３と、上記光周波数コム発生器１１２により発生された光周波数コムを参照光ＬＲＥＦとして被測定レーザ光ＬＯＢと参照光ＬＲＥＦとの合成を行う光合成器１１４と、上記光合成器１１４により合成された参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化すなわち周波数信号ＳＤＥＴを検出する光検出器１１５と、この光検出器１１５による検出出力信号の周波数を測定する周波数カウンタ１１６からなる。
【０００４】
このような構成の従来の光周波数測定システム１００において、光周波数コム発生器１１２により発生された光周波数コムのｍ次のサイトバンドと被測定レーザ光ＬＯＢとのビート周波数を周波数カウンタ１１６で測定し、その測定結果をΔｆｂとするとき、被測定レーザ光ＬＯＢの周波数ν２は
ν２＝ν１＋ｍｆｍ±Δｆｂ
である。ここで、ν１は、レーザ光源１１１から出射されるレーザ光Ｌ０周波数、ｆｍは、変調信号発生器１１３により光周波数コム発生器１１２に与えられる変調信号ＳＭＯＤの周波数すなわち変調周波数である。これらの値は、既知であるので±Δｆｂの符号の決定及び整数である光周波数コムのサイドバンド次数ｍを知ることで、上記被測定レーザ光ＬＯＢの周波数ν２を決定することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の如き構成の従来の光周波数測定システム１００では、±Δｆｂの符号の決定及び整数である光周波数コムのサイドバンド次数ｍを知るために、例えば分解能がｆｍ以下の波長計を用いてν２の測定を行うなど、他の光周波数の測定装置を組み合わせて使用する必要があった。従来の光周波数測定システムでは、このように付加的な光周波数測定装置の使用によるコストの上昇を避けることができないという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の光周波数測定システムにおける問題点に鑑み、被測定レーザの周波数揺らぎに影響されることなく、高速且つ高分解能な光周波数測定を行うことができるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光周波数測定システムは、第１の変調周波数ｆｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生手段と、第２の変調周波数ｆｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムを生成する第２の光周波数コム発生手段と、被測定レーザ光を分離する第１の光分離手段と、上記第１の光周波数コム発生手段により発生された第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第１の光合成手段と、上記第２の光周波数コム発生手段により発生された第２の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第２の光合成手段と、上記第１の光合成手段により合成された上記第１の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力する第１の検出手段と、上記第２の光合成手段により合成された上記第２の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第２の周波数信号を出力する第２の検出手段と、上記第１の検出手段により得られる第１の周波数信号と上記第２の検出手段により得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を測定する周波数測定手段とを備え、上記第１の光周波数コム発生手段により発生された第１の光周波数コムを分離する第２の光分離手段と、上記第２の光分離手段により分離された第１の光周波数コムに＋ｆＳ の周波数シフトを与える第１の周波数シフト手段と、上記第２の光分離手段により分離された第１の光周波数コムに−ｆＳ の周波数シフトを与える第２の周波数シフト手段と、上記第２の周波数シフト手段により−ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第３の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第３の光合成手段と、上記第３の光合成手段により合成された上記−ｆＳ の周波数シフトが与えられた第３の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第３の周波数信号を出力する第３の検出手段とを備え、上記第１の光合成手段は、上記第１の周波数シフト手段により＋ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成し、上記第１の検出手段は、上記第１の光合成手段により合成された上記＋ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力し、上記周波数測定手段は、上記第１乃至第３の検出手段により得られる第１乃至第３の周波数信号間の差周波数又は和周波数を測定することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る光周波数測定システムは、第１の周波数ｆ ｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムと第２の周波数ｆ ｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムとを所定時間τ毎に交互に生成する光周波数コム発生手段と、被測定レーザ光を分離する第１の光分離手段と、上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムを分離する第２の光分離手段と、上記第２の光分離手段により分離された光周波数コムに所定時間τの時間遅延を与える光遅延手段と、上記光遅延手段により所定時間τの時間遅延が与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第１の光合成手段と、上記第２の光分離手段により分離された光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第２の光合成手段と、上記第１の光合成手段により合成された上記光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力する第１の検出手段と、上記第２の光合成手段により合成された上記光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第２の周波数信号を出力する第２の検出手段と、上記第１の検出手段により得られる第１の周波数信号と上記第２の検出手段により得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を測定する周波数測定手段とを備えることを特徴とする。
上記光周波数測定システムは、上記光遅延手段により所定時間τの時間遅延が与えられた光周波数コムを分離する第３の光分離手段と、上記第３の光分離手段により分離された光周波数コムに＋ｆ Ｓ の周波数シフトを与える第１の周波数シフト手段と、上記第３の光分離手段により分離された光周波数コムに−ｆ Ｓ の周波数シフトを与える第２の周波数シフト手段と、上記第２の周波数シフト手段により−ｆ Ｓ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第３の光合成手段と、上記第３の光合成手段により合成された上記−ｆ Ｓ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第３の周波数信号を出力する第３の検出手段とを備え、上記第１の光合成手段は、上記第１の周波数シフト手段により＋ｆ Ｓ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成し、上記第１の検出手段は、上記第１の光合成手段により合成された上記＋ｆ Ｓ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力し、上記周波数測定手段は、上記第１乃至第３の検出手段により得られる第１乃至第３の周波数信号間の差周波数又は和周波数を測定するものとすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
本発明に係る光周波数測定システムは、例えば図１に示すように構成される。
【００１２】
この光周波数測定システム１０は、レーザ光Ｌ０を出射するレーザ光源１１と、このレーザ光源１１からレーザ光Ｌ０が光周波数シフタ１２を介して入射される光周波数コム発生器１３と、この光周波数コム発生器１３に与える変調信号ＳＭＯＤを発生する変調信号発生器１４と、上記光周波数コム発生器１３により発生された光周波数コムを参照光ＬＲＥＦとして被測定レーザ光ＬＯＢと参照光ＬＲＥＦとの合成を行う光合成器１５と、上記光合成器１５により合成された参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化すなわち周波数信号ＳＤＥＴを検出する光検出器１６と、この光検出器１６による検出出力信号の周波数を測定する周波数カウンタ１７からなる。
【００１３】
このような構成の光周波数測定システム１０において、光周波数コム発生器１３により発生された光周波数コムのｍ次のサイドバンドと被測定レーザ光ＬＯＢとのビート周波数を周波数カウンタ１７で測定し、その測定結果をΔｆｂとするとき、被測定レーザ光ＬＯＢの周波数ν２は
ν２＝ν１＋ｆＳ＋ｍｆｍ±Δｆｂ
である。ここで、ν１は、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌ０周波数、ｆＳは、光周波数シフタ１２によるシフト周波数、ｆｍは、変調信号発生器１４により光周波数コム発生器１３に与えられる変調信号ＳＭＯＤの周波数すなわち変調周波数である。これらの値は、既知であるので±Δｆｂの符号の決定及び整数である光周波数コムのサイドバンド次数ｍを知ることで、上記被測定レーザ光ＬＯＢの周波数ν２を決定することができる。
【００１４】
光周波数コム発生器１３により発生された光周波数コムのｍ次のサイトバンドと被測定レーザ光とのビート周波数を測定する場合、図２に示すように、変調周波数ｆｍをΔｆだけ変化させると、ビート周波数はｍΔｆ変化しΔｆｂ'となる。また、変調周波数ｆｍをΔｆだけ変化させる前の状態でかつ図３に示すようにｆＳの周波数シフトを与えた場合と与えない場合を比べると、ビート周波数はｆＳ変化し、Δｆｂ''なる。これらのビート周波数と被測定レーザ光の周波数ν２との関係は、
ν２＝ν１＋ｆＳ＋ｍ（ｆｍ＋Δｆ）±Δｆｂ' （２）
ν２＝ν１＋ｍｆｍ±Δｆｂ'' （３）
となる。Δｆｂ'とΔｆｂ''の符号が等しい場合には、上記（２）式及び（３）式より、
｜Δｆｂ''−Δｆｂ'｜＝ｆＳ＋ｍΔｆ （４）
となり、ｆＳ＞ｍΔｆとなるようにΔｆとｆＳの値をｆＳ≫Δｆに設定しておくことにより、ｍを決定することができる。
【００１５】
Δｆｂ''とΔｆｂ'の符号が異なる場合には、負の周波数シフトを行ってｆＳの代わりに−ｆＳとすることにより、ビート周波数Δｆｂ'''と被測定レーザ光の周波数ν２との関係は、
ν２＝ν１−ｆＳ＋ｍ（ｆｍ＋Δｆ）±Δｆｂ''' （５）
となる。Δｆｂ''とΔｆｂ'の符号が異なる場合には、Δｆｂ''とΔｆｂ'''の符号が等しくなるので、上記（３）式及び（５）式より、
｜Δｆｂ''−Δｆｂ'''｜＝ｆＳ−ｍΔｆ （６）
となり、ｍを決定することができる。
【００１６】
この結果が正しいか否かの判別は、
｜Δｆｂ''−Δｆｂ'''｜＋｜Δｆｂ''−Δｆｂ'｜＝２ｆＳ （７）
が成り立てば、Δｆｂ'，Δｆｂ''，Δｆｂ'''の符号が等しいので（４）式及び（６）式のどちらの式から得られた結果も正しい。
【００１７】
また、（７）式が成り立たない場合、
｜Δｆｂ''−Δｆｂ'''｜＋｜Δｆｂ''＋Δｆｂ'｜＝２ｆＳ （８）
が正しければ、（６）式が正しくｍ及び±Δｆｂの符号を決定することができる。
【００１８】
さらに、
｜Δｆｂ''＋Δｆｂ'''｜＋｜Δｆｂ''−Δｆｂ'｜＝２ｆＳ （９）
が正しければ、（４）式が正しくｍ及び±Δｆｂの符号を決定することができる。
【００１９】
ここで、ｆＳ及びΔｆに関して異なる（２）式、（３）式及び（５）式で表現される３つのパターンからｍ及び±Δｆｂの符号を決定することができる場合を説明したが、これ以外のパターンであっても最低３つのパターンがあれば、またｆＳ及びΔｆの値は測定対象とするレーザ光の周波数範囲において解を複数与えないように設定しておけば、ｍ及び±Δｆｂの符号を決定し被測定レーザ光の周波数ν２を決定することができる。例えばｍの符号が明らかである場合（例えばν１とν２の大小関係が明確である場合）、ｆＳ＝０であって、Δｆが異なる３つの値をとるとき、ｍの値とΔｆｂの符号を決定することができる。
【００２０】
なお、ｍの値とΔｆｂの符号を決定するに当たり、レーザ光の波長の制限などの条件を付加するパターンは多数あり、パターンが２つで良い場合もあるが、ここでは、上記３つのパターンで行うものとして、実施の形態を説明する。
【００２１】
ここで、被測定レーザ光に揺らぎがある場合、レーザ周波数や変調周波数を切り替えている間に、被測定レーザ光の周波数が揺らいでしまうと、図４に示すように、ビート周波数の変化量が正確に測定できないことがおこる。例えばｆｍを変化させて、Δｆｂを測定しようとすると、少なくともΔｆｂを測定するための時間が必要であり、この間に被測定レーザ光の周波数が変化すると、正確に測定できなくなる。特に、光周波数コム発生器は、ｆｍの変化範囲を大きくとれないので、不正確な測定は致命的である。
【００２２】
この問題は時間毎に条件を切り替えて測定を行うことにより発生するのであって、図５に示す実施の形態における光周波数測定システム２０のように、２台の光周波数コム発生器すなわち第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂを用いて異なった条件での干渉による周波数信号を同時に測定することで解決することができる。
【００２３】
この光周波数測定システム２０では、被測定レーザ光が揺らいでいても、２台の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの出力と被測定レーザ光の間で得られたビートの相対的な周波数を同時測定することにより、被測定レーザ光の揺らぎをキャンセルすることができ、周波数カウンタ２８で第１の周波数信号ＳＡと第２の周波数信号ＳＢ、第１の周波数信号ＳＡと第３の周波数信号ＳＣ、第２の周波数信号ＳＢと第３の周波数信号ＳＣの各信号間の差周波数及び和周波数を測定することにより、ｍ及び±Δｆｂの符号を決定し被測定レーザ光の周波数ν２を決定することができる。
【００２４】
すなわち、図５に示す光周波数測定システム２０は、レーザ光源２１、第１乃至第４の光分離器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂ、第１及び第２の変調信号発生器２４Ａ，２４Ｂ、第１及び第２の光周波数シフタ２５Ａ，２５Ｂ、第１乃至第３の光合成器２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ、第１乃至第３の光検出器２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ及び周波数カウンタ２８からなる。
【００２５】
この光周波数測定システム２０において、レーザ光源２１は、レーザ光Ｌ０を出射する光源である。このレーザ光源２１からのレーザ光Ｌ０は、第１の光分離器２２を介して第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂに入射される。
【００２６】
第１の光周波数コム発生器２３Ａは、第１の変調信号発生器２４Ａからｆｍ＋Δｆの第１の変調周波数を有する第１の変調信号ＳＭＯＤＡが与えられており、この第１の変調信号ＳＭＯＤＡで上記レーザ光Ｌ０を変調することにより、レーザ光Ｌ０の周波数を中心周波数ν０として、第１の変調周波数ｆｍ＋Δｆの等周波数間隔で側帯波を発生させ、中心周波数ν０からｋ（ｆｍ＋Δｆ）（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光周波数コムを参照光ＬＲＥＦとして出力する。この第１の光周波数コム発生器２３Ａにより発生された参照光ＬＲＥＦは、第２の光分離器２２Ｂを介して第１及び第２の光周波数シフタ２５Ａ，２５Ｂに入射される。
【００２７】
第１の光周波数シフタ２５Ａは、上記第１の光周波数コム発生器２３Ａにより発生された参照光ＬＲＥＦに＋ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第１の参照光ＬＲＥＦＡを出力する。この第１の光周波数シフタ２５Ａにより得られた第１の参照光ＬＲＥＦＡは、第１の光合成器２６Ａに入射される。
【００２８】
第２の光周波数シフタ２５Ｂは、上記第１の光周波数コム発生器２３Ａにより発生された参照光ＬＲＥＦに−ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第３の参照光ＬＲＥＦＣを出力する。この第２の光周波数シフタ２５Ｂにより得られた第３の参照光ＬＲＥＦＣは、第３の光合成器２６Ｃに入射される。
【００２９】
第２の光周波数コム発生器２３Ｂは、第２の変調信号発生器２４Ｂからｆｍの変調周波数を有する第２の変調信号ＳＭＯＤＢが与えられており、この第２の変調信号ＳＭＯＤＢで上記レーザ光Ｌ０を変調することにより、レーザ光Ｌ０の周波数を中心周波数ν０として、第２の変調周波数ｆｍの等周波数間隔で側帯波を発生させ、中心周波数νからｋｆｍ（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光周波数コムを第２の参照光ＬＲＥＦＢとして出力する。この第２の光周波数コム発生器２３Ｂにより得られた第２の参照光ＬＲＥＦＢは、第２の光合成器２６Ｂに入射される。
【００３０】
また、この光周波数測定システム２０において、被測定レーザ光ＬＯＢは、第３及び第４の光分離器２２Ｃ，２２Ｄを介して、上記第１乃至第３の光合成器２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃに入射される。
【００３１】
そして、第１の光合成器２６Ａは、上記第１の参照光ＬＲＥＦＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第１の光合成器２６Ａにより得られた第１の合成光は、第１の光検出器２７Ａに入射される。また、第２の光合成器２６Ｂは、上記第２の参照光ＬＲＥＦＢと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第２の光合成器２６Ｂにより得られた第２の合成光は、第２の光検出器２７Ｂに入射される。さらに、第３の光合成器２６Ｃは、上記第３の参照光ＬＲＥＦＣと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第３の光合成器２６Ｃにより得られた第３の合成光は、第３の光検出器２７Ｃに入射される。
【００３２】
第１の光検出器２７Ａは、第１の光合成器２６Ａにより得られた第１の合成光の光強度の変化、すなわち、第１の参照光ＬＲＥＦＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第１の周波数信号ＳＡとして検出する。また、第２の光検出器２７Ｂは、第２の光合成器２６Ｂにより得られた第２の合成光の光強度の変化、すなわち、第２の参照光ＬＲＥＦＢと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第２の周波数信号ＳＢとして検出する。さらに、第３の光検出器２７Ｃは、第３の光合成器２６Ｃにより得られた第３の合成光の光強度の変化、すなわち、第３の参照光ＬＲＥＦＢと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第３の周波数信号ＳＣとして検出する。上記第１乃至第３の光検出器２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃにより検出された第１乃至第３の周波数信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、周波数カウンタ２８に入力される。
【００３３】
上記周波数カウンタ２８は、上記第１乃至第３の周波数信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣの各信号間の差周波数及び和周波数を測定する。
【００３４】
ここで、この光周波数測定システム２０に使用する２台の光周波数コム発生器すなわち第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂは、変調周波数ｆｍ＋Δｆ，ｆｍの差周波数Δｆを正確に決める必要がある。すなわち、光周波数コム発生器の変調周波数は結晶長で決定されるので、特定の結晶長を持った光周波数コム発生器が複数必要となる。
【００３５】
そこで、この光周波数測定システム２０では、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂとして、例えば図６に示すように、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの電気光学結晶基板３０上に互いに平行に形成された２台の光導波路型光周波数コム発生器が用いられる。
【００３６】
すなわち、図６に示す第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂは、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの電気光学結晶基板３０上に、光導波路部３１Ａ，３１Ｂを形成し、さらに、保護層３２を介して電極３３Ａ，３３Ｂを形成した光導波路型光周波数コム発生器である。光導波路部３１Ａ，３１Ｂは、各両端面にはクロム，金，アルミニウムあるいは誘電体多層膜などを蒸着することにより、図示しない入射端反射膜と出射端反射膜が形成されており、入射されたレーザ光を内部で共振させるファブリペロエタロンを構成している。
【００３７】
このような構造の第１の光周波数コム発生器２３Ａは、上記第１の変調信号発生器２４Ａからｆｍ＋Δｆの変調周波数を有する第１の変調信号ＳＭＯＤＡが上記電極３３Ａに印加され、上記第１の変調信号ＳＭＯＤＡに応じた電界が上記光導波路部３１Ａに印加されることにより、上記入射端から上記光導波路部３１Ａに入射されたレーザ光の周波数を上記第１の変調信号ＳＭＯＤＡに応じて変調する。また、第２の光周波数コム発生器２３Ｂは、上記第２の変調信号発生器２４Ｂからｆｍの変調周波数を有する第２の変調信号ＳＭＯＤＢが上記電極３３Ｂに印加され、上記第２の変調信号ＳＭＯＤＢに応じた電界が上記光導波路部３１Ｂに印加されることにより、上記入射端から上記光導波路部３１Ｂに入射されたレーザ光の周波数を上記第２の変調信号ＳＭＯＤＢに応じて変調する。
【００３８】
このように電気光学結晶基板３０上に形成された２台の光導波路型光周波数コム発生器を用いるようにした第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂでは、図７の（Ａ）に示すように、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂを構成する光導波路部３１Ａ，３１Ｂを長方形の電気光学結晶基板３０上に互いに平行に形成し、上記長方形の電気光学結晶基板３０互いに平行な２辺を共有させることにより、上記第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの共振器長を一致させて、同じ変調周波数とすることができる。そして、変調周波数の差を１台の光導波路型光周波数コム発生器の調整可能範囲内で正確に調整することができる。また、このような構造を採用することにより、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの全体を小型化することができる。
【００３９】
ここで、図７の（Ａ）に示した例では、第１及び第２の光周波数コム発生器３Ａ，３Ｂを構成する光導波路部３１Ａ，３１Ｂを長方形の電気光学結晶基板３０上に互いに平行に形成したが、図７の（Ｂ）に示すように上記光導波路部３１Ａ，３１Ｂを長方形の電気光学結晶基板３０上に互いに非平行な状態に形成することにより、上記第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの共振器長を不一致の状態にさせ、変調周波数を大きく異ならしめることができる。そして、変調周波数の差を１台の光導波路型光周波数コム発生器の調整可能範囲内で正確に調整することができる。
【００４０】
また、上記第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの変調周波数の差周波数を大きくするには、図７の（Ｂ）に示すように非平行な２辺を有する四角形状の電気光学結晶基板３０Ａを用い、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂを構成する光導波路部３１Ａ，３１Ｂを上記電気光学結晶基板３０Ａの非平行な２辺を共有するように形成すればよい。このような構造を採用することにより上記第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの各共振器長は、非平行な２辺を有する四角形状の電気光学結晶基板３０Ａ上における光導波路部３１Ａ，３１Ｂの位置と、上記非平行な２辺なす角度の大きさで正確に決定することができる。
【００４１】
さらに、上記光導波路型光周波数コム発生器の導波路作製時に、導波路の幅や深さを変えたり、ドープ量を変えて屈折率に変化させる等、導波路構造に変化を持たせることによって、差周波数を調整することができる。
【００４２】
また、上述の図５に示した光周波数測定システム２０では、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂを用いたが、図８に示すような構成を採用することにより、１台の光周波数コム発生器４２を用いて上記光周波数測定システム２０と同様な測定を行うことができる。
【００４３】
すなわち、この図８に示す光周波数測定システム４０は、レーザ光源４１、光周波数コム発生器４２、変調信号発生器４３、第１乃至第４の光分離器４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ、遅延ファイバ４５、第１及び第２の光周波数シフタ４６Ａ，４６Ｂ、第１乃至第３の光合成器４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ、第１乃至第３の光検出器４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ及び周波数カウンタ４９からなる。
【００４４】
この光周波数測定システム４０において、レーザ光源４１は、レーザ光Ｌ０を出射する光源である。このレーザ光源４１からのレーザ光Ｌ０は、光周波数コム発生器４２に入射される。
【００４５】
光周波数コム発生器４２は、変調信号発生器４３から与えられる変調信号ＳＭＯＤの変調周波数が第１の変調周波数ｆｍ＋Δｆと第２の変調周波数ｆｍに時間τ毎に切り換えられており、この変調信号ＳＭＯＤで上記レーザ光Ｌ０を変調することにより、レーザ光Ｌ０の周波数を中心周波数ν０として、第１の変調周波数ｆｍ＋Δｆの等周波数間隔で側帯波を発生させ、中心周波数ν０からｋ（ｆｍ＋Δｆ）（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光周波数コムと、レーザ光Ｌ０の周波数を中心周波数ν０として、第２の変調周波数周波数ｆｍの等周波数間隔で側帯波を発生させ、中心周波数νからｋｆｍ（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光周波数コムを時間τ毎に交互に参照光ＬＲＥＦとして出力する。この光周波数コム発生器４２により発生された参照光ＬＲＥＦは、第１の光分離器４４Ａに入射される。
【００４６】
この第１の光分離器４４Ａにより分離された参照光ＬＲＥＦは、第１の光合成器４７Ａに第２の参照光ＬＲＥＦとして入射されるとともに、τの遅延時間を有する遅延ファイバ４５を介して第２の光分離器４４Ｂに入射される。
【００４７】
上記遅延ファイバ４５により遅延時間τの時間遅延を与えられた参照光ＬＲＥＦＤＬは、第２の光分離器４４Ｂを介して第１及び第２の光周波数シフタ４６Ａ，４６Ｂに入射される。
【００４８】
第１の光周波数シフタ４６Ａは、上記参照光ＬＲＥＦＤＬに＋ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡを出力する。この第１の光周波数シフタ４６Ａにより得られた第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡは、第１の光合成器４７Ａに入射される。
【００４９】
また、第２の光周波数シフタ４６Ｂは、上記参照光ＬＲＥＦＤＬに−ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣを出力する。この第２の光周波数シフタ４６Ｂにより得られた第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣは、第３の光合成器４７Ｃに入射される。
【００５０】
また、この光周波数測定システム４０において、被測定レーザ光ＬＯＢは、第３及び第４の光分離器４４Ｃ，４４Ｄを介して、上記第１及び第３の光合成器４７Ａ，４７Ｃに入射される。
【００５１】
そして、第１の光合成器４７Ａは、第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第１の光合成器４７Ａにより得られた第１の合成光は、第１の光検出器４８Ａに入射される。また、第２の光合成器４７Ｂは、上記第２の参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第２の光合成器４７Ｂにより得られた第２の合成光は、第２の光検出器４８Ｂに入射される。また、第３の光合成器４７Ｃは、上記第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第２の光合成器４７Ｃにより得られた第３の合成光は、第３の光検出器４８Ｃに入射される。
【００５２】
第１の光検出器４８Ａは、第１の光合成器４７Ａにより得られた第１の合成光の光強度の変化、すなわち、第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第１の周波数信号ＳＡとして検出する。また、第２の光検出器４８Ｂは、第２の光合成器４７Ｂにより得られた第２の合成光の光強度の変化、すなわち、第２の参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第２の周波数信号ＳＢとして検出する。さらに、第３の光検出器４８Ｃは、第３の光合成器４７Ｃにより得られた第３の合成光の光強度の変化、すなわち、第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第３の周波数信号ＳＣとして検出する。上記第１乃至第３の光検出器４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃにより検出された第１乃至第３の周波数信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、周波数カウンタ４９に入力される。
【００５３】
上記周波数カウンタ４９は、上記第１乃至第３の周波数信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣの各信号間の差周波数及び和周波数を測定する。
【００５４】
この光周波数測定システム４０において、光周波数コム発生器４２の変調周波数が時間τ毎にΔｆの幅で切り替えられており、Δｆが第２の参照光ＬＲＥＦとして用いるレーザ光Ｌ０の揺らぎよりも大きく設定されている。この変調周波数の関数をｆｍ（ｔ）で表すと、被測定レーザ光の周波数が、上記光周波数コム発生器４２から参照光ＬＲＥＦとして時間τ毎に切り替えられて出力される各光周波数コムのｍ次のサイドバンドの周波数の間の周波数でない場合、すなわち符号が等しいときのビート周波数は、上記参照光ＬＲＥＦＤＬに＋ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を検出する第１の光検出器４８Ａにより得られる第１の周波数信号ＳＡでは、例えば、
ΔｆｂＡ＝｜ν２−ν１−ｆＳ＋ｍｆｍ（ｔ−τ）｜ （１０）
であるとき、第２の参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を検出する第２の光検出器４８Ｂにより得られる第２の周波数信号ＳＢでは、
ΔｆｂＢ＝｜ν２−ν１−ｆＳ＋ｍｆｍ（ｔ）｜ （１１）
となる。ここで、この差の周波数の信号は被測定レーザの揺らぎに関係なく
｜ΔｆｂＡ−ΔｆｂＢ｜＝ｆＳ＋ｍｆｍ（ｔ−τ）−ｍｆｍ（ｔ） （１２）
となる。すなわち、この信号の周波数は、ｆＳを中心として±ｍΔｆの周波数変動が観測される。したがって、この信号より、ｍ及び±ΔｆｂＡ、±ΔｆｂＢの符号を決定し被測定レーザ光の周波数ν２を決定することができる。
【００５５】
上記（１２）式で示される信号は、被測定レーザの周波数揺らぎに影響される項はなくｍを決定できることがわかる。また、このとき、被測定レーザの周波数変動の影響はキャンセルされ図４のようなビート周波数の変化量が正確に測定できなくなることが回避される。
【００５６】
また、被測定レーザ光の周波数が、上記光周波数コム発生器４２から参照光ＬＲＥＦとして時間τ毎に切り替えられて出力される各光周波数コムのｍ次のサイドバンドの周波数の中間の周波数である場合には、第２の参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を検出する第２の光検出器４８Ｂにより得られる第２の周波数信号ＳＢと、上記参照光ＬＲＥＦＤＬに−ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を検出する第３の光検出器４８Ｃにより得られる第３の周波数信号ＳＣを用いることにより、ｍ及び±ΔｆｂＡ、±ΔｆｂＢの符号を決定し被測定レーザ光の周波数ν２を決定することができる。
【００５７】
なお、上記各実施の形態における光周波数測定システムでは、１つ被測定レーザ光の周波数を測定したが、参照光を複数に分離することにより、光通信用の複数のレーザ光源の周波数測定を行うこともできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光周波数測定システムでは、第１及び第２の光周波数コム発生手段により、第１の周波数ｆ ｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムと第２の周波数ｆ ｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムを生成し、第１の光合成手段により合成される上記第１の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を第１の検出手段により検出して得られる第１の周波数信号と、第２の光合成手段により合成される上記第２の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を第２の検出手段により検出して得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を周波数測定手段により測定することによって、２台の周波数コム発生器を用いて、被測定レーザの周波数揺らぎに影響されることなく、短時間に且つ安定に光周波数の高分解能測定を行うことができる。
【００６０】
また、本発明に係る光周波数測定システムでは、光周波数コム発生手段により、第１の周波数ｆ ｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムと第２の周波数ｆ ｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムとを所定時間τ毎に交互に生成し、上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムを分離して、分離された光周波数コムに光遅延手段により所定時間τの時間遅延を与え、第１の光合成手段により合成される上記光遅延手段により所定時間τの時間遅延が与えられた光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を第１の検出手段により検出して得られる第１の周波数信号と、第２の光合成手段により合成される上記光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を第２の検出手段により検出して得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を周波数測定手段により測定することによって、１台の周波数コム発生器を用いた簡単な構成で、被測定レーザの周波数揺らぎに影響されることなく、短時間に且つ安定に光周波数の高分解能測定を行うことができる。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光周波数測定システムの構成を示すブロック図である。
【図２】光周波数コム発生器により発生された光周波数コムのｍ次のサイトバンドと被測定レーザ光とのビート周波数を測定する場合に、変調周波数ｆｍをΔｆだけ変化させることにより生ずるビート周波数の変化を模式的に示す図である。
【図３】光周波数コム発生器により発生された光周波数コムのｍ次のサイトバンドと被測定レーザ光とのビート周波数を測定する場合に、変調周波数ｆｍをΔｆだけ変化させる前の状態でｆＳの周波数シフトを与えた場合と与えない場合を比較して、ビート周波数の変化を模式的に示す図である。
【図４】レーザ周波数や変調周波数を切り替えている間に、被測定レーザ光の周波数が揺らいでしまうと、ビート周波数の変化量が正確に測定できない状態を模式的に示す図である。
【図５】本発明に係る光周波数測定システムの他の構成を示すブロック図である。
【図６】上記光周波数測定システムにおける第１及び第２の光周波数コム発生器の構造を模式的に示す斜視図である。
【図７】上記第１及び第２の光周波数コム発生器を構成する光導波路部の形成状態を構造を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明に係る光周波数測定システムのさらに他の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の光周波数測定システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０，２０，４０ 光周波数測定システム、１１，２１，４１ レーザ光源、１２，２５Ａ，２５Ｂ，４６Ａ，４６Ｂ 光周波数シフタ、１３，２３Ａ，２３Ｂ、４２ 光周波数コム発生器、１４，２４Ａ，２４Ｂ，４３ 変調信号発生器、１５，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ 光合成器、１６，２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ 光検出器、１７，２８，４９ 周波数カウンタ、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ 光分離器、４５ 遅延ファイバ
【発明の属する技術分野】
本発明は、任意の波長における広いスペクトル幅を必要とする光周波数測定システムに関し、特に高速且つ高分解能な光周波数測定を実現するための光周波数測定システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光周波数を高精度に測定する場合に光周波数コム発生器（Optical Frequency Comb Generator）が使用されている。すなわち、２つのレーザ光をヘテロダイン検波してその差周波数を測定する場合、その帯域は受光素子の帯域で制限され、おおむね数十ＧＨｚ程度であるので、光周波数コム発生器を用いて広帯域なヘテロダイン検波系を構築するようにしている。光周波数コム発生器は、入射したレーザ光の側帯波を等周波数間隔毎に数百本発生させるもので、発生される側帯波の周波数安定度はもとのレーザ光のそれとほぼ同等である。そこで、この側帯波と被測定レーザ光をヘテロダイン検波することにより、数ＴＨｚに亘る広帯域なヘテロダイン検波系を構築することができる。
【０００３】
例えば、図９に示す従来の光周波数測定システム１００は、レーザ光Ｌ０を出射するレーザ光源１１１と、このレーザ光源１１１からレーザ光Ｌ０が入射される光周波数コム発生器１１２と、この光周波数コム発生器１１２に与える変調信号ＳＭＯＤを発生する変調信号発生器１１３と、上記光周波数コム発生器１１２により発生された光周波数コムを参照光ＬＲＥＦとして被測定レーザ光ＬＯＢと参照光ＬＲＥＦとの合成を行う光合成器１１４と、上記光合成器１１４により合成された参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化すなわち周波数信号ＳＤＥＴを検出する光検出器１１５と、この光検出器１１５による検出出力信号の周波数を測定する周波数カウンタ１１６からなる。
【０００４】
このような構成の従来の光周波数測定システム１００において、光周波数コム発生器１１２により発生された光周波数コムのｍ次のサイトバンドと被測定レーザ光ＬＯＢとのビート周波数を周波数カウンタ１１６で測定し、その測定結果をΔｆｂとするとき、被測定レーザ光ＬＯＢの周波数ν２は
ν２＝ν１＋ｍｆｍ±Δｆｂ
である。ここで、ν１は、レーザ光源１１１から出射されるレーザ光Ｌ０周波数、ｆｍは、変調信号発生器１１３により光周波数コム発生器１１２に与えられる変調信号ＳＭＯＤの周波数すなわち変調周波数である。これらの値は、既知であるので±Δｆｂの符号の決定及び整数である光周波数コムのサイドバンド次数ｍを知ることで、上記被測定レーザ光ＬＯＢの周波数ν２を決定することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の如き構成の従来の光周波数測定システム１００では、±Δｆｂの符号の決定及び整数である光周波数コムのサイドバンド次数ｍを知るために、例えば分解能がｆｍ以下の波長計を用いてν２の測定を行うなど、他の光周波数の測定装置を組み合わせて使用する必要があった。従来の光周波数測定システムでは、このように付加的な光周波数測定装置の使用によるコストの上昇を避けることができないという問題点があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上述の如き従来の光周波数測定システムにおける問題点に鑑み、被測定レーザの周波数揺らぎに影響されることなく、高速且つ高分解能な光周波数測定を行うことができるようにすることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光周波数測定システムは、第１の変調周波数ｆｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生手段と、第２の変調周波数ｆｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムを生成する第２の光周波数コム発生手段と、被測定レーザ光を分離する第１の光分離手段と、上記第１の光周波数コム発生手段により発生された第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第１の光合成手段と、上記第２の光周波数コム発生手段により発生された第２の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第２の光合成手段と、上記第１の光合成手段により合成された上記第１の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力する第１の検出手段と、上記第２の光合成手段により合成された上記第２の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第２の周波数信号を出力する第２の検出手段と、上記第１の検出手段により得られる第１の周波数信号と上記第２の検出手段により得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を測定する周波数測定手段とを備え、上記第１の光周波数コム発生手段により発生された第１の光周波数コムを分離する第２の光分離手段と、上記第２の光分離手段により分離された第１の光周波数コムに＋ｆＳ の周波数シフトを与える第１の周波数シフト手段と、上記第２の光分離手段により分離された第１の光周波数コムに−ｆＳ の周波数シフトを与える第２の周波数シフト手段と、上記第２の周波数シフト手段により−ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第３の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第３の光合成手段と、上記第３の光合成手段により合成された上記−ｆＳ の周波数シフトが与えられた第３の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第３の周波数信号を出力する第３の検出手段とを備え、上記第１の光合成手段は、上記第１の周波数シフト手段により＋ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成し、上記第１の検出手段は、上記第１の光合成手段により合成された上記＋ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力し、上記周波数測定手段は、上記第１乃至第３の検出手段により得られる第１乃至第３の周波数信号間の差周波数又は和周波数を測定することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る光周波数測定システムは、第１の周波数ｆ ｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムと第２の周波数ｆ ｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムとを所定時間τ毎に交互に生成する光周波数コム発生手段と、被測定レーザ光を分離する第１の光分離手段と、上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムを分離する第２の光分離手段と、上記第２の光分離手段により分離された光周波数コムに所定時間τの時間遅延を与える光遅延手段と、上記光遅延手段により所定時間τの時間遅延が与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第１の光合成手段と、上記第２の光分離手段により分離された光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第２の光合成手段と、上記第１の光合成手段により合成された上記光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力する第１の検出手段と、上記第２の光合成手段により合成された上記光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第２の周波数信号を出力する第２の検出手段と、上記第１の検出手段により得られる第１の周波数信号と上記第２の検出手段により得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を測定する周波数測定手段とを備えることを特徴とする。
上記光周波数測定システムは、上記光遅延手段により所定時間τの時間遅延が与えられた光周波数コムを分離する第３の光分離手段と、上記第３の光分離手段により分離された光周波数コムに＋ｆ Ｓ の周波数シフトを与える第１の周波数シフト手段と、上記第３の光分離手段により分離された光周波数コムに−ｆ Ｓ の周波数シフトを与える第２の周波数シフト手段と、上記第２の周波数シフト手段により−ｆ Ｓ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第３の光合成手段と、上記第３の光合成手段により合成された上記−ｆ Ｓ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第３の周波数信号を出力する第３の検出手段とを備え、上記第１の光合成手段は、上記第１の周波数シフト手段により＋ｆ Ｓ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成し、上記第１の検出手段は、上記第１の光合成手段により合成された上記＋ｆ Ｓ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力し、上記周波数測定手段は、上記第１乃至第３の検出手段により得られる第１乃至第３の周波数信号間の差周波数又は和周波数を測定するものとすることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
本発明に係る光周波数測定システムは、例えば図１に示すように構成される。
【００１２】
この光周波数測定システム１０は、レーザ光Ｌ０を出射するレーザ光源１１と、このレーザ光源１１からレーザ光Ｌ０が光周波数シフタ１２を介して入射される光周波数コム発生器１３と、この光周波数コム発生器１３に与える変調信号ＳＭＯＤを発生する変調信号発生器１４と、上記光周波数コム発生器１３により発生された光周波数コムを参照光ＬＲＥＦとして被測定レーザ光ＬＯＢと参照光ＬＲＥＦとの合成を行う光合成器１５と、上記光合成器１５により合成された参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化すなわち周波数信号ＳＤＥＴを検出する光検出器１６と、この光検出器１６による検出出力信号の周波数を測定する周波数カウンタ１７からなる。
【００１３】
このような構成の光周波数測定システム１０において、光周波数コム発生器１３により発生された光周波数コムのｍ次のサイドバンドと被測定レーザ光ＬＯＢとのビート周波数を周波数カウンタ１７で測定し、その測定結果をΔｆｂとするとき、被測定レーザ光ＬＯＢの周波数ν２は
ν２＝ν１＋ｆＳ＋ｍｆｍ±Δｆｂ
である。ここで、ν１は、レーザ光源１１から出射されるレーザ光Ｌ０周波数、ｆＳは、光周波数シフタ１２によるシフト周波数、ｆｍは、変調信号発生器１４により光周波数コム発生器１３に与えられる変調信号ＳＭＯＤの周波数すなわち変調周波数である。これらの値は、既知であるので±Δｆｂの符号の決定及び整数である光周波数コムのサイドバンド次数ｍを知ることで、上記被測定レーザ光ＬＯＢの周波数ν２を決定することができる。
【００１４】
光周波数コム発生器１３により発生された光周波数コムのｍ次のサイトバンドと被測定レーザ光とのビート周波数を測定する場合、図２に示すように、変調周波数ｆｍをΔｆだけ変化させると、ビート周波数はｍΔｆ変化しΔｆｂ'となる。また、変調周波数ｆｍをΔｆだけ変化させる前の状態でかつ図３に示すようにｆＳの周波数シフトを与えた場合と与えない場合を比べると、ビート周波数はｆＳ変化し、Δｆｂ''なる。これらのビート周波数と被測定レーザ光の周波数ν２との関係は、
ν２＝ν１＋ｆＳ＋ｍ（ｆｍ＋Δｆ）±Δｆｂ' （２）
ν２＝ν１＋ｍｆｍ±Δｆｂ'' （３）
となる。Δｆｂ'とΔｆｂ''の符号が等しい場合には、上記（２）式及び（３）式より、
｜Δｆｂ''−Δｆｂ'｜＝ｆＳ＋ｍΔｆ （４）
となり、ｆＳ＞ｍΔｆとなるようにΔｆとｆＳの値をｆＳ≫Δｆに設定しておくことにより、ｍを決定することができる。
【００１５】
Δｆｂ''とΔｆｂ'の符号が異なる場合には、負の周波数シフトを行ってｆＳの代わりに−ｆＳとすることにより、ビート周波数Δｆｂ'''と被測定レーザ光の周波数ν２との関係は、
ν２＝ν１−ｆＳ＋ｍ（ｆｍ＋Δｆ）±Δｆｂ''' （５）
となる。Δｆｂ''とΔｆｂ'の符号が異なる場合には、Δｆｂ''とΔｆｂ'''の符号が等しくなるので、上記（３）式及び（５）式より、
｜Δｆｂ''−Δｆｂ'''｜＝ｆＳ−ｍΔｆ （６）
となり、ｍを決定することができる。
【００１６】
この結果が正しいか否かの判別は、
｜Δｆｂ''−Δｆｂ'''｜＋｜Δｆｂ''−Δｆｂ'｜＝２ｆＳ （７）
が成り立てば、Δｆｂ'，Δｆｂ''，Δｆｂ'''の符号が等しいので（４）式及び（６）式のどちらの式から得られた結果も正しい。
【００１７】
また、（７）式が成り立たない場合、
｜Δｆｂ''−Δｆｂ'''｜＋｜Δｆｂ''＋Δｆｂ'｜＝２ｆＳ （８）
が正しければ、（６）式が正しくｍ及び±Δｆｂの符号を決定することができる。
【００１８】
さらに、
｜Δｆｂ''＋Δｆｂ'''｜＋｜Δｆｂ''−Δｆｂ'｜＝２ｆＳ （９）
が正しければ、（４）式が正しくｍ及び±Δｆｂの符号を決定することができる。
【００１９】
ここで、ｆＳ及びΔｆに関して異なる（２）式、（３）式及び（５）式で表現される３つのパターンからｍ及び±Δｆｂの符号を決定することができる場合を説明したが、これ以外のパターンであっても最低３つのパターンがあれば、またｆＳ及びΔｆの値は測定対象とするレーザ光の周波数範囲において解を複数与えないように設定しておけば、ｍ及び±Δｆｂの符号を決定し被測定レーザ光の周波数ν２を決定することができる。例えばｍの符号が明らかである場合（例えばν１とν２の大小関係が明確である場合）、ｆＳ＝０であって、Δｆが異なる３つの値をとるとき、ｍの値とΔｆｂの符号を決定することができる。
【００２０】
なお、ｍの値とΔｆｂの符号を決定するに当たり、レーザ光の波長の制限などの条件を付加するパターンは多数あり、パターンが２つで良い場合もあるが、ここでは、上記３つのパターンで行うものとして、実施の形態を説明する。
【００２１】
ここで、被測定レーザ光に揺らぎがある場合、レーザ周波数や変調周波数を切り替えている間に、被測定レーザ光の周波数が揺らいでしまうと、図４に示すように、ビート周波数の変化量が正確に測定できないことがおこる。例えばｆｍを変化させて、Δｆｂを測定しようとすると、少なくともΔｆｂを測定するための時間が必要であり、この間に被測定レーザ光の周波数が変化すると、正確に測定できなくなる。特に、光周波数コム発生器は、ｆｍの変化範囲を大きくとれないので、不正確な測定は致命的である。
【００２２】
この問題は時間毎に条件を切り替えて測定を行うことにより発生するのであって、図５に示す実施の形態における光周波数測定システム２０のように、２台の光周波数コム発生器すなわち第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂを用いて異なった条件での干渉による周波数信号を同時に測定することで解決することができる。
【００２３】
この光周波数測定システム２０では、被測定レーザ光が揺らいでいても、２台の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの出力と被測定レーザ光の間で得られたビートの相対的な周波数を同時測定することにより、被測定レーザ光の揺らぎをキャンセルすることができ、周波数カウンタ２８で第１の周波数信号ＳＡと第２の周波数信号ＳＢ、第１の周波数信号ＳＡと第３の周波数信号ＳＣ、第２の周波数信号ＳＢと第３の周波数信号ＳＣの各信号間の差周波数及び和周波数を測定することにより、ｍ及び±Δｆｂの符号を決定し被測定レーザ光の周波数ν２を決定することができる。
【００２４】
すなわち、図５に示す光周波数測定システム２０は、レーザ光源２１、第１乃至第４の光分離器２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂ、第１及び第２の変調信号発生器２４Ａ，２４Ｂ、第１及び第２の光周波数シフタ２５Ａ，２５Ｂ、第１乃至第３の光合成器２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ、第１乃至第３の光検出器２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ及び周波数カウンタ２８からなる。
【００２５】
この光周波数測定システム２０において、レーザ光源２１は、レーザ光Ｌ０を出射する光源である。このレーザ光源２１からのレーザ光Ｌ０は、第１の光分離器２２を介して第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂに入射される。
【００２６】
第１の光周波数コム発生器２３Ａは、第１の変調信号発生器２４Ａからｆｍ＋Δｆの第１の変調周波数を有する第１の変調信号ＳＭＯＤＡが与えられており、この第１の変調信号ＳＭＯＤＡで上記レーザ光Ｌ０を変調することにより、レーザ光Ｌ０の周波数を中心周波数ν０として、第１の変調周波数ｆｍ＋Δｆの等周波数間隔で側帯波を発生させ、中心周波数ν０からｋ（ｆｍ＋Δｆ）（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光周波数コムを参照光ＬＲＥＦとして出力する。この第１の光周波数コム発生器２３Ａにより発生された参照光ＬＲＥＦは、第２の光分離器２２Ｂを介して第１及び第２の光周波数シフタ２５Ａ，２５Ｂに入射される。
【００２７】
第１の光周波数シフタ２５Ａは、上記第１の光周波数コム発生器２３Ａにより発生された参照光ＬＲＥＦに＋ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第１の参照光ＬＲＥＦＡを出力する。この第１の光周波数シフタ２５Ａにより得られた第１の参照光ＬＲＥＦＡは、第１の光合成器２６Ａに入射される。
【００２８】
第２の光周波数シフタ２５Ｂは、上記第１の光周波数コム発生器２３Ａにより発生された参照光ＬＲＥＦに−ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第３の参照光ＬＲＥＦＣを出力する。この第２の光周波数シフタ２５Ｂにより得られた第３の参照光ＬＲＥＦＣは、第３の光合成器２６Ｃに入射される。
【００２９】
第２の光周波数コム発生器２３Ｂは、第２の変調信号発生器２４Ｂからｆｍの変調周波数を有する第２の変調信号ＳＭＯＤＢが与えられており、この第２の変調信号ＳＭＯＤＢで上記レーザ光Ｌ０を変調することにより、レーザ光Ｌ０の周波数を中心周波数ν０として、第２の変調周波数ｆｍの等周波数間隔で側帯波を発生させ、中心周波数νからｋｆｍ（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光周波数コムを第２の参照光ＬＲＥＦＢとして出力する。この第２の光周波数コム発生器２３Ｂにより得られた第２の参照光ＬＲＥＦＢは、第２の光合成器２６Ｂに入射される。
【００３０】
また、この光周波数測定システム２０において、被測定レーザ光ＬＯＢは、第３及び第４の光分離器２２Ｃ，２２Ｄを介して、上記第１乃至第３の光合成器２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃに入射される。
【００３１】
そして、第１の光合成器２６Ａは、上記第１の参照光ＬＲＥＦＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第１の光合成器２６Ａにより得られた第１の合成光は、第１の光検出器２７Ａに入射される。また、第２の光合成器２６Ｂは、上記第２の参照光ＬＲＥＦＢと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第２の光合成器２６Ｂにより得られた第２の合成光は、第２の光検出器２７Ｂに入射される。さらに、第３の光合成器２６Ｃは、上記第３の参照光ＬＲＥＦＣと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第３の光合成器２６Ｃにより得られた第３の合成光は、第３の光検出器２７Ｃに入射される。
【００３２】
第１の光検出器２７Ａは、第１の光合成器２６Ａにより得られた第１の合成光の光強度の変化、すなわち、第１の参照光ＬＲＥＦＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第１の周波数信号ＳＡとして検出する。また、第２の光検出器２７Ｂは、第２の光合成器２６Ｂにより得られた第２の合成光の光強度の変化、すなわち、第２の参照光ＬＲＥＦＢと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第２の周波数信号ＳＢとして検出する。さらに、第３の光検出器２７Ｃは、第３の光合成器２６Ｃにより得られた第３の合成光の光強度の変化、すなわち、第３の参照光ＬＲＥＦＢと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第３の周波数信号ＳＣとして検出する。上記第１乃至第３の光検出器２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃにより検出された第１乃至第３の周波数信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、周波数カウンタ２８に入力される。
【００３３】
上記周波数カウンタ２８は、上記第１乃至第３の周波数信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣの各信号間の差周波数及び和周波数を測定する。
【００３４】
ここで、この光周波数測定システム２０に使用する２台の光周波数コム発生器すなわち第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂは、変調周波数ｆｍ＋Δｆ，ｆｍの差周波数Δｆを正確に決める必要がある。すなわち、光周波数コム発生器の変調周波数は結晶長で決定されるので、特定の結晶長を持った光周波数コム発生器が複数必要となる。
【００３５】
そこで、この光周波数測定システム２０では、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂとして、例えば図６に示すように、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの電気光学結晶基板３０上に互いに平行に形成された２台の光導波路型光周波数コム発生器が用いられる。
【００３６】
すなわち、図６に示す第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂは、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）などの電気光学結晶基板３０上に、光導波路部３１Ａ，３１Ｂを形成し、さらに、保護層３２を介して電極３３Ａ，３３Ｂを形成した光導波路型光周波数コム発生器である。光導波路部３１Ａ，３１Ｂは、各両端面にはクロム，金，アルミニウムあるいは誘電体多層膜などを蒸着することにより、図示しない入射端反射膜と出射端反射膜が形成されており、入射されたレーザ光を内部で共振させるファブリペロエタロンを構成している。
【００３７】
このような構造の第１の光周波数コム発生器２３Ａは、上記第１の変調信号発生器２４Ａからｆｍ＋Δｆの変調周波数を有する第１の変調信号ＳＭＯＤＡが上記電極３３Ａに印加され、上記第１の変調信号ＳＭＯＤＡに応じた電界が上記光導波路部３１Ａに印加されることにより、上記入射端から上記光導波路部３１Ａに入射されたレーザ光の周波数を上記第１の変調信号ＳＭＯＤＡに応じて変調する。また、第２の光周波数コム発生器２３Ｂは、上記第２の変調信号発生器２４Ｂからｆｍの変調周波数を有する第２の変調信号ＳＭＯＤＢが上記電極３３Ｂに印加され、上記第２の変調信号ＳＭＯＤＢに応じた電界が上記光導波路部３１Ｂに印加されることにより、上記入射端から上記光導波路部３１Ｂに入射されたレーザ光の周波数を上記第２の変調信号ＳＭＯＤＢに応じて変調する。
【００３８】
このように電気光学結晶基板３０上に形成された２台の光導波路型光周波数コム発生器を用いるようにした第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂでは、図７の（Ａ）に示すように、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂを構成する光導波路部３１Ａ，３１Ｂを長方形の電気光学結晶基板３０上に互いに平行に形成し、上記長方形の電気光学結晶基板３０互いに平行な２辺を共有させることにより、上記第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの共振器長を一致させて、同じ変調周波数とすることができる。そして、変調周波数の差を１台の光導波路型光周波数コム発生器の調整可能範囲内で正確に調整することができる。また、このような構造を採用することにより、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの全体を小型化することができる。
【００３９】
ここで、図７の（Ａ）に示した例では、第１及び第２の光周波数コム発生器３Ａ，３Ｂを構成する光導波路部３１Ａ，３１Ｂを長方形の電気光学結晶基板３０上に互いに平行に形成したが、図７の（Ｂ）に示すように上記光導波路部３１Ａ，３１Ｂを長方形の電気光学結晶基板３０上に互いに非平行な状態に形成することにより、上記第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの共振器長を不一致の状態にさせ、変調周波数を大きく異ならしめることができる。そして、変調周波数の差を１台の光導波路型光周波数コム発生器の調整可能範囲内で正確に調整することができる。
【００４０】
また、上記第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの変調周波数の差周波数を大きくするには、図７の（Ｂ）に示すように非平行な２辺を有する四角形状の電気光学結晶基板３０Ａを用い、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂを構成する光導波路部３１Ａ，３１Ｂを上記電気光学結晶基板３０Ａの非平行な２辺を共有するように形成すればよい。このような構造を採用することにより上記第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂの各共振器長は、非平行な２辺を有する四角形状の電気光学結晶基板３０Ａ上における光導波路部３１Ａ，３１Ｂの位置と、上記非平行な２辺なす角度の大きさで正確に決定することができる。
【００４１】
さらに、上記光導波路型光周波数コム発生器の導波路作製時に、導波路の幅や深さを変えたり、ドープ量を変えて屈折率に変化させる等、導波路構造に変化を持たせることによって、差周波数を調整することができる。
【００４２】
また、上述の図５に示した光周波数測定システム２０では、第１及び第２の光周波数コム発生器２３Ａ，２３Ｂを用いたが、図８に示すような構成を採用することにより、１台の光周波数コム発生器４２を用いて上記光周波数測定システム２０と同様な測定を行うことができる。
【００４３】
すなわち、この図８に示す光周波数測定システム４０は、レーザ光源４１、光周波数コム発生器４２、変調信号発生器４３、第１乃至第４の光分離器４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ、遅延ファイバ４５、第１及び第２の光周波数シフタ４６Ａ，４６Ｂ、第１乃至第３の光合成器４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ、第１乃至第３の光検出器４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ及び周波数カウンタ４９からなる。
【００４４】
この光周波数測定システム４０において、レーザ光源４１は、レーザ光Ｌ０を出射する光源である。このレーザ光源４１からのレーザ光Ｌ０は、光周波数コム発生器４２に入射される。
【００４５】
光周波数コム発生器４２は、変調信号発生器４３から与えられる変調信号ＳＭＯＤの変調周波数が第１の変調周波数ｆｍ＋Δｆと第２の変調周波数ｆｍに時間τ毎に切り換えられており、この変調信号ＳＭＯＤで上記レーザ光Ｌ０を変調することにより、レーザ光Ｌ０の周波数を中心周波数ν０として、第１の変調周波数ｆｍ＋Δｆの等周波数間隔で側帯波を発生させ、中心周波数ν０からｋ（ｆｍ＋Δｆ）（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光周波数コムと、レーザ光Ｌ０の周波数を中心周波数ν０として、第２の変調周波数周波数ｆｍの等周波数間隔で側帯波を発生させ、中心周波数νからｋｆｍ（ｋ＝−ｍ，−ｍ＋１，−ｍ＋２，・・・，０，１，２，・・・，ｎ）の周波数成分の側帯波を有する光周波数コムを時間τ毎に交互に参照光ＬＲＥＦとして出力する。この光周波数コム発生器４２により発生された参照光ＬＲＥＦは、第１の光分離器４４Ａに入射される。
【００４６】
この第１の光分離器４４Ａにより分離された参照光ＬＲＥＦは、第１の光合成器４７Ａに第２の参照光ＬＲＥＦとして入射されるとともに、τの遅延時間を有する遅延ファイバ４５を介して第２の光分離器４４Ｂに入射される。
【００４７】
上記遅延ファイバ４５により遅延時間τの時間遅延を与えられた参照光ＬＲＥＦＤＬは、第２の光分離器４４Ｂを介して第１及び第２の光周波数シフタ４６Ａ，４６Ｂに入射される。
【００４８】
第１の光周波数シフタ４６Ａは、上記参照光ＬＲＥＦＤＬに＋ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡを出力する。この第１の光周波数シフタ４６Ａにより得られた第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡは、第１の光合成器４７Ａに入射される。
【００４９】
また、第２の光周波数シフタ４６Ｂは、上記参照光ＬＲＥＦＤＬに−ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣを出力する。この第２の光周波数シフタ４６Ｂにより得られた第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣは、第３の光合成器４７Ｃに入射される。
【００５０】
また、この光周波数測定システム４０において、被測定レーザ光ＬＯＢは、第３及び第４の光分離器４４Ｃ，４４Ｄを介して、上記第１及び第３の光合成器４７Ａ，４７Ｃに入射される。
【００５１】
そして、第１の光合成器４７Ａは、第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第１の光合成器４７Ａにより得られた第１の合成光は、第１の光検出器４８Ａに入射される。また、第２の光合成器４７Ｂは、上記第２の参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第２の光合成器４７Ｂにより得られた第２の合成光は、第２の光検出器４８Ｂに入射される。また、第３の光合成器４７Ｃは、上記第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣと被測定レーザ光ＬＯＢとの合成を行う。この第２の光合成器４７Ｃにより得られた第３の合成光は、第３の光検出器４８Ｃに入射される。
【００５２】
第１の光検出器４８Ａは、第１の光合成器４７Ａにより得られた第１の合成光の光強度の変化、すなわち、第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第１の周波数信号ＳＡとして検出する。また、第２の光検出器４８Ｂは、第２の光合成器４７Ｂにより得られた第２の合成光の光強度の変化、すなわち、第２の参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第２の周波数信号ＳＢとして検出する。さらに、第３の光検出器４８Ｃは、第３の光合成器４７Ｃにより得られた第３の合成光の光強度の変化、すなわち、第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を第３の周波数信号ＳＣとして検出する。上記第１乃至第３の光検出器４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃにより検出された第１乃至第３の周波数信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣは、周波数カウンタ４９に入力される。
【００５３】
上記周波数カウンタ４９は、上記第１乃至第３の周波数信号ＳＡ，ＳＢ，ＳＣの各信号間の差周波数及び和周波数を測定する。
【００５４】
この光周波数測定システム４０において、光周波数コム発生器４２の変調周波数が時間τ毎にΔｆの幅で切り替えられており、Δｆが第２の参照光ＬＲＥＦとして用いるレーザ光Ｌ０の揺らぎよりも大きく設定されている。この変調周波数の関数をｆｍ（ｔ）で表すと、被測定レーザ光の周波数が、上記光周波数コム発生器４２から参照光ＬＲＥＦとして時間τ毎に切り替えられて出力される各光周波数コムのｍ次のサイドバンドの周波数の間の周波数でない場合、すなわち符号が等しいときのビート周波数は、上記参照光ＬＲＥＦＤＬに＋ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第１の参照光ＬＲＥＦＤＬＡと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を検出する第１の光検出器４８Ａにより得られる第１の周波数信号ＳＡでは、例えば、
ΔｆｂＡ＝｜ν２−ν１−ｆＳ＋ｍｆｍ（ｔ−τ）｜ （１０）
であるとき、第２の参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を検出する第２の光検出器４８Ｂにより得られる第２の周波数信号ＳＢでは、
ΔｆｂＢ＝｜ν２−ν１−ｆＳ＋ｍｆｍ（ｔ）｜ （１１）
となる。ここで、この差の周波数の信号は被測定レーザの揺らぎに関係なく
｜ΔｆｂＡ−ΔｆｂＢ｜＝ｆＳ＋ｍｆｍ（ｔ−τ）−ｍｆｍ（ｔ） （１２）
となる。すなわち、この信号の周波数は、ｆＳを中心として±ｍΔｆの周波数変動が観測される。したがって、この信号より、ｍ及び±ΔｆｂＡ、±ΔｆｂＢの符号を決定し被測定レーザ光の周波数ν２を決定することができる。
【００５５】
上記（１２）式で示される信号は、被測定レーザの周波数揺らぎに影響される項はなくｍを決定できることがわかる。また、このとき、被測定レーザの周波数変動の影響はキャンセルされ図４のようなビート周波数の変化量が正確に測定できなくなることが回避される。
【００５６】
また、被測定レーザ光の周波数が、上記光周波数コム発生器４２から参照光ＬＲＥＦとして時間τ毎に切り替えられて出力される各光周波数コムのｍ次のサイドバンドの周波数の中間の周波数である場合には、第２の参照光ＬＲＥＦと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を検出する第２の光検出器４８Ｂにより得られる第２の周波数信号ＳＢと、上記参照光ＬＲＥＦＤＬに−ｆＳの周波数だけ周波数シフトを与えた第３の参照光ＬＲＥＦＤＬＣと被測定レーザ光ＬＯＢとの干渉による光強度の変化を検出する第３の光検出器４８Ｃにより得られる第３の周波数信号ＳＣを用いることにより、ｍ及び±ΔｆｂＡ、±ΔｆｂＢの符号を決定し被測定レーザ光の周波数ν２を決定することができる。
【００５７】
なお、上記各実施の形態における光周波数測定システムでは、１つ被測定レーザ光の周波数を測定したが、参照光を複数に分離することにより、光通信用の複数のレーザ光源の周波数測定を行うこともできる。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る光周波数測定システムでは、第１及び第２の光周波数コム発生手段により、第１の周波数ｆ ｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムと第２の周波数ｆ ｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムを生成し、第１の光合成手段により合成される上記第１の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を第１の検出手段により検出して得られる第１の周波数信号と、第２の光合成手段により合成される上記第２の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を第２の検出手段により検出して得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を周波数測定手段により測定することによって、２台の周波数コム発生器を用いて、被測定レーザの周波数揺らぎに影響されることなく、短時間に且つ安定に光周波数の高分解能測定を行うことができる。
【００６０】
また、本発明に係る光周波数測定システムでは、光周波数コム発生手段により、第１の周波数ｆ ｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムと第２の周波数ｆ ｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムとを所定時間τ毎に交互に生成し、上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムを分離して、分離された光周波数コムに光遅延手段により所定時間τの時間遅延を与え、第１の光合成手段により合成される上記光遅延手段により所定時間τの時間遅延が与えられた光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を第１の検出手段により検出して得られる第１の周波数信号と、第２の光合成手段により合成される上記光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を第２の検出手段により検出して得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を周波数測定手段により測定することによって、１台の周波数コム発生器を用いた簡単な構成で、被測定レーザの周波数揺らぎに影響されることなく、短時間に且つ安定に光周波数の高分解能測定を行うことができる。
【００６１】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光周波数測定システムの構成を示すブロック図である。
【図２】光周波数コム発生器により発生された光周波数コムのｍ次のサイトバンドと被測定レーザ光とのビート周波数を測定する場合に、変調周波数ｆｍをΔｆだけ変化させることにより生ずるビート周波数の変化を模式的に示す図である。
【図３】光周波数コム発生器により発生された光周波数コムのｍ次のサイトバンドと被測定レーザ光とのビート周波数を測定する場合に、変調周波数ｆｍをΔｆだけ変化させる前の状態でｆＳの周波数シフトを与えた場合と与えない場合を比較して、ビート周波数の変化を模式的に示す図である。
【図４】レーザ周波数や変調周波数を切り替えている間に、被測定レーザ光の周波数が揺らいでしまうと、ビート周波数の変化量が正確に測定できない状態を模式的に示す図である。
【図５】本発明に係る光周波数測定システムの他の構成を示すブロック図である。
【図６】上記光周波数測定システムにおける第１及び第２の光周波数コム発生器の構造を模式的に示す斜視図である。
【図７】上記第１及び第２の光周波数コム発生器を構成する光導波路部の形成状態を構造を模式的に示す平面図である。
【図８】本発明に係る光周波数測定システムのさらに他の構成を示すブロック図である。
【図９】従来の光周波数測定システムの構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
１０，２０，４０ 光周波数測定システム、１１，２１，４１ レーザ光源、１２，２５Ａ，２５Ｂ，４６Ａ，４６Ｂ 光周波数シフタ、１３，２３Ａ，２３Ｂ、４２ 光周波数コム発生器、１４，２４Ａ，２４Ｂ，４３ 変調信号発生器、１５，２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，４７Ａ，４７Ｂ，４７Ｃ 光合成器、１６，２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，４８Ａ，４８Ｂ，４８Ｃ 光検出器、１７，２８，４９ 周波数カウンタ、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，４４Ａ，４４Ｂ，４４Ｃ，４４Ｄ 光分離器、４５ 遅延ファイバ
Claims (3)
- 第１の変調周波数ｆ ｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムを生成する第１の光周波数コム発生手段と、
第２の変調周波数ｆ ｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムを生成する第２の光周波数コム発生手段と、
被測定レーザ光を分離する第１の光分離手段と、
上記第１の光周波数コム発生手段により発生された第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第１の光合成手段と、
上記第２の光周波数コム発生手段により発生された第２の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第２の光合成手段と、
上記第１の光合成手段により合成された上記第１の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力する第１の検出手段と、
上記第２の光合成手段により合成された上記第２の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第２の周波数信号を出力する第２の検出手段と、
上記第１の検出手段により得られる第１の周波数信号と上記第２の検出手段により得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を測定する周波数測定手段と、
上記第１の光周波数コム発生手段により発生された第１の光周波数コムを分離する第２の光分離手段と、
上記第２の光分離手段により分離された第１の光周波数コムに＋ｆＳ の周波数シフトを与える第１の周波数シフト手段と、
上記第２の光分離手段により分離された第１の光周波数コムに−ｆＳ の周波数シフトを与える第２の周波数シフト手段と、
上記第２の周波数シフト手段により−ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第３の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第３の光合成手段と、
上記第３の光合成手段により合成された上記−ｆＳ の周波数シフトが与えられた第３の光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第３の周波数信号を出力する第３の検出手段と
を備え、
上記第１の光合成手段は、上記第１の周波数シフト手段により＋ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成し、
上記第１の検出手段は、上記第１の光合成手段により合成された上記＋ｆＳ の周波数シフトが与えられた第１の光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力し、
上記周波数測定手段は、上記第１乃至第３の検出手段により得られる第１乃至第３の周波数信号間の差周波数又は和周波数を測定することを特徴とする光周波数測定システム。 - 第１の周波数ｆｍ ＋Δｆ間隔毎に側帯波を有する第１の光周波数コムと第２の周波数ｆｍ 間隔毎に側帯波を有する第２の光周波数コムとを所定時間τ毎に交互に生成する光周波数コム発生手段と、
被測定レーザ光を分離する第１の光分離手段と、
上記光周波数コム発生手段により生成された光周波数コムを分離する第２の光分離手段と、
上記第２の光分離手段により分離された光周波数コムに所定時間τの時間遅延を与える光遅延手段と、
上記光遅延手段により所定時間τの時間遅延が与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第１の光合成手段と、
上記第２の光分離手段により分離された光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第２の光合成手段と、
上記第１の光合成手段により合成された上記光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力する第１の検出手段と、
上記第２の光合成手段により合成された上記光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第２の周波数信号を出力する第２の検出手段と、
上記第１の検出手段により得られる第１の周波数信号と上記第２の検出手段により得られる第２の周波数信号との間の差周波数又は和周波数を測定する周波数測定手段とを備えることを特徴とする光周波数測定システム。 - 上記光遅延手段により所定時間τの時間遅延が与えられた光周波数コムを分離する第３の光分離手段と、
上記第３の光分離手段により分離された光周波数コムに＋ｆＳ の周波数シフトを与える第１の周波数シフト手段と、
上記第３の光分離手段により分離された光周波数コムに−ｆＳ の周波数シフトを与える第２の周波数シフト手段と、
上記第２の周波数シフト手段により−ｆＳ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成する第３の光合成手段と、
上記第３の光合成手段により合成された上記−ｆＳ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第３の周波数信号を出力する第３の検出手段と
を備え、
上記第１の光合成手段は、上記第１の周波数シフト手段により＋ｆＳ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと上記第１の光分離手段により分離された被測定レーザ光とを合成し、
上記第１の検出手段は、上記第１の光合成手段により合成された上記＋ｆＳ の周波数シフトが与えられた光周波数コムと被測定レーザ光との干渉による光強度の変化を検出して第１の周波数信号を出力し、
上記周波数測定手段は、上記第１乃至第３の検出手段により得られる第１乃至第３の周波数信号間の差周波数又は和周波数を測定することを特徴とする請求項２記載の光周波数測定システム。
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