JP5198833B2 - Optical frequency comb stabilized light source - Google Patents
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Description
本発明は、光の周波数を測定するためなどに用いる光周波数コム安定化光源に関するものである。 The present invention relates to an optical frequency comb stabilized light source used for measuring the frequency of light.
近年、電気的方法で測定可能なマイクロ波以下のマイクロ波基準周波数をもとに、光の周波数を直接測定する新しい技術が開発されている(非特許文献1〜7参照)。この技術では、光周波数コム(Comb)を、光周波数のものさしとして光周波数計測に利用している。この光周波数コムでは、周波数領域において安定した光パルス列の一定の周波数間隔で現れる周波数の複数の線スペクトルを櫛目と見立てている。この櫛目の間隔がマイクロ波帯の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(マイクロ波周波数)の整数倍にオフセット光周波数を加えたものとなる。従って、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。
In recent years, new technologies have been developed that directly measure the frequency of light based on a microwave reference frequency that is equal to or lower than the microwave that can be measured by an electrical method (see Non-Patent
このような光周波数コムを用いれば、電気的に測定可能な間隔周波数をもとに、光周波数の計測が行える。例えば、測定対象の光と光周波数コムとを混ぜ合わせ(干渉させ)たときに観察される光ビートを用いれば、光周波数コムの各線スペクトルの光周波数は既知であるので、測定対象の光の光周波数を求めることができる。このように直接光周波数を測定可能とする光周波数コムは、マイクロ波周波数を光の周波数領域にまでつなぐ周波数基準となる。光周波数コムは、高精度な周波数基準及び関連する基礎物理学だけではなく、通信,精密計測,量子情報通信などの分野への応用が展開されていくものと考えられる。 If such an optical frequency comb is used, the optical frequency can be measured based on an electrically measurable interval frequency. For example, using the optical beat observed when the light to be measured and the optical frequency comb are mixed (interfered), the optical frequency of each line spectrum of the optical frequency comb is known, so The optical frequency can be determined. The optical frequency comb that enables direct measurement of the optical frequency in this way is a frequency reference that connects the microwave frequency to the frequency region of light. Optical frequency combs are expected to be applied not only to high-precision frequency standards and related basic physics, but also to fields such as communications, precision measurement, and quantum information communications.
このような光周波数コムの光源として、例えば、共振器を備えた受動モード同期レーザが用いられている(非特許文献1〜3,5〜7参照)。受動モード同期レーザは、パルスレーザを発振することができる。また、受動モード同期レーザを光源とした光周波数コムの周波数を安定化する手法が提案されている(特許文献1及び非特許文献1〜6参照)。
As a light source of such an optical frequency comb, for example, a passive mode-locked laser including a resonator is used (see Non-Patent
以下、従来技術における受動モード同期レーザを光源とした光周波数コムの、周波数の安定化について説明する。まず、レーザは、一般に、光を増幅する利得媒質と、所定の共振器長(L)の共振器を備えている。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。また、レーザが発振するレーザ光のスペクトル幅は非常に狭いが、このスペクトル幅よりも共振器の共振周波数の間が狭いと、共振器において複数のモード(周波数)で共振する。このように複数のモードで共振する状態において、各モードの位相を揃える(モード同期させる)ことにより、繰り返し周波数frep=c/(2L)で発振するレーザ光が強められる。このように、複数のモードで共振する状態でモード同期させることで、繰り返し周波数frepのパルスレーザを発振させることができる。 Hereinafter, frequency stabilization of an optical frequency comb using a passive mode-locked laser as a light source in the prior art will be described. First, a laser generally includes a gain medium for amplifying light and a resonator having a predetermined resonator length (L). The resonance frequency of the longitudinal mode of this resonator is an integral multiple of c / 2L (c is the speed of light). Further, although the spectral width of the laser light oscillated by the laser is very narrow, if the interval between the resonance frequencies of the resonator is narrower than this spectral width, the resonator will resonate in a plurality of modes (frequencies). Thus, in the state of resonating in a plurality of modes, by aligning the phases of the modes (mode synchronization), the laser light oscillated at the repetition frequency f rep = c / (2L) is strengthened. As described above, by performing mode synchronization in a state of resonating in a plurality of modes, a pulse laser having a repetition frequency f rep can be oscillated.
このような、受動モード同期レーザにより発振されるパルスレーザ光は、図6の「パルス包絡線」に示すようなパルスが、時間軸上に等しい時間間隔Tで並ぶ。図6では、光搬送波電界が変化することによるパルスを、光搬送波電界の包絡線として示し、また、1つのパルスを示している。一方、周波数軸上においては、図7に示すように、等しい周波数間隔frepで櫛状に並ぶ多数のモード(線スペクトル)の集合体となり、光周波数コムとなる。一般に、時間軸上に並ぶ光搬送波電界のピークと、パルスレーザのパルスのピークとは常に一致しているわけではなく、時間的にシフトしていき、この変化も一定ではない。なお、図6では、光搬送波電界のピークと、包絡線により示されるパルスのピークとが、φずれている状態を示している。また、繰り返しパルス間のφのずれΔφに対応し、図7に示すように、光周波数コムもオフセット光周波数δだけオフセットされている。 In such a pulsed laser beam oscillated by the passive mode-locked laser, pulses as indicated by “pulse envelope” in FIG. 6 are arranged at equal time intervals T on the time axis. In FIG. 6, a pulse due to a change in the optical carrier electric field is shown as an envelope of the optical carrier electric field, and one pulse is shown. On the other hand, on the frequency axis, as shown in FIG. 7, an aggregate of a large number of modes (line spectra) arranged in a comb shape at equal frequency intervals f rep is formed, and an optical frequency comb is obtained. In general, the peak of the optical carrier electric field aligned on the time axis does not always coincide with the peak of the pulse of the pulse laser, but shifts with time, and this change is not constant. FIG. 6 shows a state where the peak of the optical carrier electric field and the peak of the pulse indicated by the envelope are shifted by φ. Further, as shown in FIG. 7, the optical frequency comb is also offset by the offset optical frequency δ, corresponding to the φ deviation Δφ between the repetitive pulses.
ところで、上述した包絡線で示すパルスのピーク間の時間幅Tと、図7に示す光周波数コムのモードの間隔である周波数間隔frepとの間には、「frep=1/T」という関係があり、各モード(光周波数コムのピーク)のスペクトル周波数fnは、「fn=n×frep+δ(nは整数)」と表すことができる。また、包絡線のピークから計った光搬送波電界の位相(キャリアエンベロープ位相)をφとし、このφの隣り合うパルス(包絡線)の間のずれをΔφとすると、「δ=(Δφ/2π)×frep」である。 Incidentally, the time width T between the peaks of the pulses shown in the above-described envelope, between the frequency spacing f rep is the distance of the optical frequency comb mode shown in FIG. 7, as "f rep = 1 / T" There is a relationship, and the spectral frequency f n of each mode (peak of optical frequency comb) can be expressed as “f n = n × f rep + δ (n is an integer)”. If the phase of the optical carrier electric field (carrier envelope phase) measured from the peak of the envelope is φ and the deviation between adjacent pulses (envelope) of φ is Δφ, then “δ = (Δφ / 2π) Xf rep ".
ここで、まず、受動モード同期レーザ発振器のスペクトルの周波数帯域を、例えばフォトニック結晶ファイバなどで生じる自己位相変調効果を用い、周波数帯域を2倍以上(帯域1オクターブ以上)に広げて白色光を発生させる。このことにより、光周波数コムの櫛目となるモードの数を増大させることができる。このようにして得られた白色光の長波長成分f1(=n×frep+δ)の第2高調波を発生させると、この周波数は、f1’=2×(n×frep+δ)となる。また、上記白色光の短波長成分f2は、「f2=2×n×frep+δ」と表せるが、この短波長成分f2の光とf1’の光とを干渉させ、これにより発生するうなり信号(光ビート)を例えばフォトダイオードを用いて検出することで、f1’とf2との周波数差δ(=f1’−f2)の値を測定することができる。
Here, first, the frequency band of the spectrum of the passive mode-locked laser oscillator is widened to more than twice (
このようにして測定した周波数差δを外部からのマイクロ波参照周波数と比較して得られるこれらのずれの大きさをもとに、電子回路などを用いて共振器内における光が感じる非線形分散量(非線形屈折率)にフィードバックをかけることで、前述した光周波数コムのオフセット光周波数δ(キャリアエンベロープ位相φの差)が安定した状態で、受動モード同期レーザより光周波数コムを得ることができる。 Based on the magnitude of these deviations obtained by comparing the frequency difference δ measured in this way with an external microwave reference frequency, the amount of nonlinear dispersion felt by the light in the resonator using an electronic circuit, etc. By applying feedback to (nonlinear refractive index), the optical frequency comb can be obtained from the passive mode-locked laser in a state in which the offset optical frequency δ (difference of the carrier envelope phase φ) of the optical frequency comb described above is stable.
また、受動モード同期レーザの繰り返し周波数frepは、このレーザ光を受光しているフォトダイオードなどの光検出器からの繰り返し周波数信号をもとに、受動モード同期レーザの共振器長にフィードバックをかけることで、ある有限の範囲内に固定することができる。 The repetition frequency f rep of the passive mode-locked laser is fed back to the resonator length of the passive mode-locked laser based on the repetition frequency signal from a photodetector such as a photodiode receiving the laser light. Thus, it can be fixed within a certain finite range.
上述したことにより、オフセット光周波数と繰り返し周波数とを一定にした光周波数コム安定化光源が、共振器を備えた受動モード同期レーザを基本に開発されている(非特許文献1〜6参照)。
As described above, an optical frequency comb stabilized light source in which the offset optical frequency and the repetition frequency are constant has been developed based on a passive mode-locked laser including a resonator (see Non-Patent
ところで、上述した受動モード同期レーザを用いた光周波数コム光源では、キャリアエンベロープ位相を制御する手段として、共振器内に設置されたガラスウエッジの挿入量を変えて共振器における屈折率(分散量)を変化させることや、ポンプ光の強度を変えて利得媒質(例えばチタンサファイヤ結晶)の非線形屈折率を変化させるようにしている(非特許文献1〜3,5〜7参照)。従って、従来の技術では、周波数が安定な光周波数コムを得るためには、共振器を備えた受動モード同期レーザを用いることが前提となる。
By the way, in the optical frequency comb light source using the passive mode-locked laser described above, as a means for controlling the carrier envelope phase, the refractive index (dispersion amount) in the resonator is changed by changing the insertion amount of the glass wedge installed in the resonator. And the nonlinear refractive index of the gain medium (for example, titanium sapphire crystal) is changed by changing the intensity of the pump light (see Non-Patent
受動モード同期レーザを用いる場合、得られるレーザの中心光周波数は共振器内に配置された利得媒質に依存し、例えば、利得媒質としてチタンサファイヤ結晶を用いた場合、発振可能なレーザの波長は650〜1100nmの範囲となるが、最も効率よく発振できる波長は800nmである。このように、受動モード同期レーザでは、得られるレーザの中心光周波数が限定される。 When a passively mode-locked laser is used, the center optical frequency of the obtained laser depends on the gain medium disposed in the resonator. For example, when a titanium sapphire crystal is used as the gain medium, the wavelength of the oscillatable laser is 650. Although it is in the range of ˜1100 nm, the wavelength that can oscillate most efficiently is 800 nm. Thus, in the passive mode-locked laser, the center optical frequency of the obtained laser is limited.
また、キャリアエンベロープ位相差の検出には、前述したように、フォトニック結晶ファイバや高非線形ファイバなどを用いてスペクトルを広帯域化した光を得られるだけのレーザ出力が必要となる。このため、用いることができるレーザの種類が限定される。また、条件を満たすレーザでは、共振器内に配置する利得媒質と光学部品との空間的配置などの制約から、共振器長を短くすることができず、共振器長で決定される繰り返し周波数は、1GHz程度が上限となる。 In addition, as described above, the detection of the carrier envelope phase difference requires a laser output sufficient to obtain light having a broad spectrum using a photonic crystal fiber or a highly nonlinear fiber. For this reason, the kind of laser which can be used is limited. In addition, in a laser that satisfies the conditions, the resonator length cannot be shortened due to restrictions such as the spatial arrangement of the gain medium and optical components arranged in the resonator, and the repetition frequency determined by the resonator length is About 1 GHz is the upper limit.
さらに、繰り返し周波数を変化させるための共振器の長さの調節(制御)は、通常、共振器エンドミラーに固定したピエゾ素子などのアクチュエータで行っている。このため、繰り返し周波数の可変範囲も小さいものとなっている。例えば、繰り返し周波数が80MHzのレーザ光源の可変範囲は、77〜83MHzである。 Furthermore, adjustment (control) of the length of the resonator for changing the repetition frequency is usually performed by an actuator such as a piezo element fixed to the resonator end mirror. For this reason, the variable range of the repetition frequency is also small. For example, the variable range of a laser light source with a repetition frequency of 80 MHz is 77 to 83 MHz.
一方、安定な光周波数コムを得る方法として、連続的にレーザを出す波長安定化CW光源を用い、この光源に対して電気光学変調器で深い周波数変調をかけ、FM側帯波を発生させる方法が提案されている(非特許文献7参照)。この方法では、繰り返し周波数における制約は解消されるが、光周波数コムのオフセット光周波数は、もとになるCW光の中心波長によって決定されるため、得られる光周波数コムの安定化を実現するためには、例えば、アセチレンガスなどの吸収線にロックすることで得られる波長安定化光源などのCW光源が必要となり、外部からのマイクロ波参照周波数だけで光周波数コムの各モードの波長を固定することができず、得られる確度も劣るものとなる。 On the other hand, as a method of obtaining a stable optical frequency comb, there is a method of generating an FM sideband by using a wavelength-stabilized CW light source that continuously emits a laser, subjecting this light source to deep frequency modulation with an electro-optic modulator. It has been proposed (see Non-Patent Document 7). In this method, the restriction on the repetition frequency is eliminated, but the offset optical frequency of the optical frequency comb is determined by the center wavelength of the original CW light, so that stabilization of the obtained optical frequency comb is realized. For example, a CW light source such as a wavelength-stabilized light source obtained by locking to an absorption line such as acetylene gas is required, and the wavelength of each mode of the optical frequency comb is fixed only by an external microwave reference frequency. Cannot be obtained, and the accuracy obtained is inferior.
以上に説明したように、共振器を備えた受動モード同期レーザを用いた従来の光周波数コム安定化光源では、光源の中心光周波数及び繰り返し周波数の可変範囲が限定されており、1GHz以上の繰り返し周波数を得ることも困難であるという問題があった。 As described above, in the conventional optical frequency comb stabilized light source using the passively mode-locked laser including the resonator, the variable range of the center optical frequency and the repetition frequency of the light source is limited, and the repetition of 1 GHz or more is performed. There was a problem that it was difficult to obtain the frequency.
また、電気光学変調器で深い周波数変調をCW波長安定化光源にかけてFM側帯波を発生させる方法では、連続発振光の波長をアセチレンガスなどの吸収線にロックする波長安定化光源を必要とし、外部からのマイクロ波参照周波数だけでは光周波数コムの各モードの波長を固定できず、また、得られる周波数精度も低いなど、装置が複雑化して高い精度が得られないという問題があった。 In addition, the method of generating FM sidebands by applying deep frequency modulation to a CW wavelength stabilized light source with an electro-optic modulator requires a wavelength stabilized light source that locks the wavelength of continuous wave light to an absorption line such as acetylene gas. In other words, the wavelength of each mode of the optical frequency comb cannot be fixed only by the microwave reference frequency, and the accuracy of the obtained frequency is low. For this reason, there is a problem that the apparatus becomes complicated and high accuracy cannot be obtained.
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、高い精度で、任意の中心光周波数及び繰り返し周波数の光周波数コムが得られるようにすることを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to obtain an optical frequency comb having an arbitrary center optical frequency and repetition frequency with high accuracy.
本発明に係る光周波数コム安定化光源は、連続したレーザ光を発生する光源と、光源より発生したレーザ光を第1周波数で位相変調して第1周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する光パルス生成手段と、この光パルス生成手段により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大させる非線形光学媒質と、この非線形光学媒質により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第n高調波(nは2以上の整数)及び短波長成分の第n−1高調波の周波数差の光信号を光電変換して電気信号を出力する検出手段と、所定の第2周波数の参照信号を供給する参照信号供給手段と、検出手段より出力される電気信号と所定の周波数の参照信号とを比較し、この比較の状態をもとに光源を制御する帰還制御手段とを少なくとも備えるものである。従って、非線形光学結晶媒質より得られる光パルスは、中心光周波数が光源により決定され、パルスの繰り返し周波数は、光パルス生成手段における位相変調の周波数(第1周波数)により決定される。 The optical frequency comb stabilized light source according to the present invention generates a light pulse having a pulse repetition frequency of the first frequency by phase-modulating the laser light generated from the light source that generates continuous laser light and the laser light generated from the light source at the first frequency. Optical pulse generating means, a nonlinear optical medium that expands the optical spectrum band of the optical pulse generated by the optical pulse generating means, and a long wavelength component obtained from the optical pulse whose optical spectrum band is expanded by the nonlinear optical medium Detecting means for photoelectrically converting an optical signal having a frequency difference between the nth harmonic (n is an integer of 2 or more) and an n-1th harmonic of a short wavelength component and outputting an electrical signal; and a predetermined second frequency A reference signal supplying means for supplying a reference signal, an electric signal output from the detecting means and a reference signal having a predetermined frequency are compared, and a feedback control method for controlling the light source based on the comparison state. Those comprising at least and. Therefore, the optical pulse obtained from the nonlinear optical crystal medium has the center optical frequency determined by the light source, and the pulse repetition frequency is determined by the phase modulation frequency (first frequency) in the optical pulse generating means.
上記光周波数コム安定化光源において、光パルス生成手段は、レーザ光を第1周波数で位相変調する位相変調機能部と、位相変調機能部により位相変調されたレーザ光に波長分散を与えることで、第1周波数のパルスの繰り返し周波数を有する光パルスを生成する波長分散付与機能部とを備えるようにしてもよい。 In the optical frequency comb stabilized light source, the optical pulse generation means includes a phase modulation function unit that phase-modulates the laser light at the first frequency, and wavelength dispersion to the laser light phase-modulated by the phase modulation function unit, You may make it provide the wavelength dispersion provision function part which produces | generates the optical pulse which has the repetition frequency of the pulse of a 1st frequency.
上記光周波数コム安定化光源において、光パルス生成手段は、ファブリペロー共振器内に配置された電気光学変調器を含み、電気光学変調器は、レーザ光に変調をかけるものであってもよい。また、光パルス生成手段と非線形光学媒質との間に配置され、光パルス生成手段より生成される光パルスの繰り返し周波数を低減させる光ゲートを備えるようにしてもよい。また、検出手段より出力される電気信号の強度をもとに光源のレーザ光出力を制御する制御手段を備えるようにしても良い。 In the optical frequency comb stabilized light source, the optical pulse generation means may include an electro-optic modulator disposed in a Fabry-Perot resonator, and the electro-optic modulator may modulate the laser light. Further, an optical gate may be provided that is disposed between the optical pulse generation unit and the nonlinear optical medium and reduces the repetition frequency of the optical pulse generated by the optical pulse generation unit. Moreover, you may make it provide the control means which controls the laser beam output of a light source based on the intensity | strength of the electrical signal output from a detection means.
以上説明したように、本発明によれば、連続したレーザ光を発生する光源より発生したレーザ光を第1周波数で位相変調することで、パルスの繰り返し周波数が第1周波数の光パルスを生成し、この光パルスの光スペクトル帯域を拡大させ、帯域が拡大した光パルスより得られる長波長成分の第n高調波及び短波長成分の第n−1高調波の周波数差の光信号に対応する電気信号と参照信号とを比較し、この比較の状態をもとに光源を制御するようにしたので、高い精度で、任意の中心光周波数及び繰り返し周波数の光周波数コムが得られるようになる。 As described above, according to the present invention, a laser pulse generated from a light source that generates continuous laser light is phase-modulated at the first frequency, thereby generating an optical pulse having a pulse repetition frequency of the first frequency. The electrical spectrum band of the optical pulse is expanded, and the electrical signal corresponding to the optical signal having the frequency difference between the nth harmonic of the long wavelength component and the n-1th harmonic of the short wavelength component obtained from the optical pulse with the expanded band is obtained. Since the signal and the reference signal are compared and the light source is controlled based on the comparison state, an optical frequency comb having an arbitrary center optical frequency and repetition frequency can be obtained with high accuracy.
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。なお、以下に説明する本実施の形態における光周波数コム安定化光源は、本発明の一例であり、具体的な構成は以下の実施の形態に限るものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲での設計の変更は、本発明に含まれるものである。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The optical frequency comb stabilized light source in the present embodiment described below is an example of the present invention, and the specific configuration is not limited to the following embodiment, and does not depart from the spirit of the present invention. Such design changes are included in the present invention.
図1は、本発明の実施の形態における光周波数コム安定化光源の構成例を示す構成図である。本実施の形態における光周波数コム安定化光源は、まず、連続波(CW)光を発生するレーザ光源101と、レーザ光源101より出射されたCW光を繰り返し周波数frep(例えば数GHz〜数10GHz)で位相変調する位相変調部102と、繰り返し周波数frepの繰り返し基準信号を発生して位相変調部102に供給するマイクロ波基準周波数発生器103と、位相変調部102により位相変調されたCW光に波長分散を与えて繰り返し周波数frepの光パルス列に変換する波長分散付与部104を備える。レーザ光源101は、例えば波長可変CW光源であり、中心波長が任意に選択可能とされている。また、波長分散付与部104は、例えば、光ファイバ,ファイバグレーティング,及び平面型光波回路で構成することができる。
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration example of an optical frequency comb stabilized light source according to an embodiment of the present invention. The optical frequency comb stabilized light source in the present embodiment first has a
また、本実施の形態における光周波数コム安定化光源は、高い確度(精度)で繰り返し周波数frep及びオフセット光周波数が保たれた光周波数コム安定化光を取り出すためのビームスプリッタ105と、繰り返し周波数frepの光パルス列に変換された光(光パルス列)の光強度を増幅する光増幅器106と、光増幅器106からのASE(Amplified Spontaneous Emission)雑音などの雑音成分を除去する光フィルタ(光バンドパスフィルタ)107と、繰り返し周波数frepの光パルス列に変換された光パルス列のスペクトル帯域を拡大する非線形光学媒質108とを備える。
Further, the optical frequency comb stabilized light source in the present embodiment includes a
非線形光学媒質108としては、例えば、コアの周りに多数の空孔を設けてこの領域を等価的に屈折率を低下させたクラッドとしたフォトニック結晶ファイバなどの、非線形光学効果を発現する非線形光ファイバにより、非線形光学媒質108が構成できる。また、非線形光学媒質108は、導波方向(長手方向)に波長分散が異常分散から正常分散に減少する非線形光ファイバであるとよい(特許文献2参照)。フォトニック結晶ファイバの場合、等価的にクラッドとした領域の孔の孔径や配置の状態により、導波方向に波長分散が異常分散から正常分散に減少す状態とすることができる。
As the nonlinear
また、本実施の形態における光周波数コム安定化光源は、非線形光学媒質108により広スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる第n高調波(nは2以上の整数),及び短波長成分の第n−1高調波の周波数差の光信号(光ビート)を検出して光電変換する検出部109と、検出部109に検出されて光電変換された電気信号と外部から入力されるマイクロ波参照周波数とを比較参照してレーザ光源101をフィードバック制御する帰還制御部110と、帰還制御部110に基準となる所定の周波数(マイクロ波)の信号(参照信号)を供給するマイクロ波参照信号供給部111と、検出部109におけるオフセット光周波数の計測を最適化するための制御部112とを備える。
Further, the optical frequency comb stabilized light source in the present embodiment includes an nth harmonic wave (n is an integer of 2 or more) obtained from an optical pulse having a wide spectral band expanded by the nonlinear
検出部109は、自己参照型干渉計及び光検出器を備えている。自己参照型干渉計では、入力される光パルス列より第2高調波や第3高調波を生成し、第2高調波と基本波とを干渉させ、また、第3高調波と第2高調波とを干渉させる。例えば、マッハツェンダー型の干渉計を用いることができる。また、光検出器では、自己参照型干渉計による干渉により発生する光ビートを光電変換して電気信号として出力する。また、光検出器では、基本波や、第2高調波,第3高調波も検出して光電変換する。検出部109に検出されて光電変換された光ビートの電気信号の周波数が、波長分散付与部104より出力される周波数frepの光パルス列(光周波数コム)のオフセット光周波数となっている。
The
また、マイクロ波基準周波数発生器103及びマイクロ波参照信号供給部111は、例えば、GPS(Global Positioning System)衛星から送出されるGPS信号を受信し、受信したGPS信号を参照信号として出力するものである。GPS信号は、周波数が既知の電気信号であり、また、この周波数は高い確度が保たれている。
The microwave
また、制御部112は、図2に示すように、まず、検出部109で検出される光ビートを光電変換した電気信号より、光ビートのスペクトルにおけるピーク高さとボトムとの差(比)で示される有効ピーク光強度(visibility)を数値化した光ビート測定値を生成し、また、検出部109で検出される基本波、第2高調波,又は第3高調波を光電変換した電気信号より、各々のピーク光強度を数値化した光強度値を生成する数値化部117を備える。
Further, as shown in FIG. 2, the
また、制御部112は、数値化部117で生成した基本波、第2高調波,又は第3高調波の光強度値から理論的な光ビートのピーク光強度の最大値(光ビート計算値)を算出し、算出した光ビート計算値と数値化部117で生成された光ビート測定値とを比較することで、検出部109の自己参照型干渉計を構成している光学素子を調整するための設定値を生成して出力する光学素子制御部118を備える。
Further, the
また、制御部112は、数値化部117で生成された光ビート測定値と予め設定されている規定値とを比較することで、測定される光ビートの光強度が、ビームスプリッタ105で取り出される光周波数コムを安定化するために十分な強度となるように、レーザ光源101の出力強度と光増幅器106の増幅状態とを制御する光源強度制御部119を備える。
Further, the
以下、本実施の形態における光周波数コム安定化光源の動作例について説明する。まず、レーザ光源101から出力されるCW光は、位相変調部102においてマイクロ波基準周波数発生器103から得られる周波数frepの繰り返し基準信号で位相変調される。このことにより、光強度は一定でCW光のままであるが、瞬時周波数が正弦波的に変化するチャープ光が得られ、光周波軸上には、櫛目となるCW光の線スペクトル(光コム)が繰り返し周波数frepで櫛状に並だ状態となる。従って、この状態でも、光周波数コムとして用いることが可能であり、例えば、ビームスプリッタ105は、位相変調部102と波長分散付与部104との間に配置しても良い。
Hereinafter, an operation example of the optical frequency comb stabilized light source in the present embodiment will be described. First, the CW light output from the
次いで、位相変調した光は、波長分散付与部104で、所定の分散が与えられ、光周波数成分毎に異なる遅延が与えられ、繰り返し周波数frepの光パルス列にされる。このような、繰り返し周波数frepの光パルス列にすることで、後述するようにスペクトル帯域をより広くし、光周波数軸上に繰り返し周波数frepで並ぶ光コムの数を増加させることができる。光周波数コムとして用いるためには、このように光コムの数を必ずしも増加させる必要はないが、後述するように、オフセット光周波数を求めるためには、光コムの数を増加させることが必要となる。
Next, the phase-modulated light is given predetermined dispersion by the chromatic
次に、パルス光源発生部より発生させた光パルス列は、光増幅器106で増幅され、光フィルタ107で雑音成分が除去され、非線形光学媒質108に入力される。このようにして非線形光学媒質108に入力された光パルス列は、各光パルスのスペクトル帯域が拡大された広スペクトル帯域光(SC光)とされる。非線形光学媒質108を透過することによる自己位相変調効果により、入力された光パルス列の位相速度は、各パルスのピーク付近で遅れ、パルスの立ち上がり部分の波長は長くなり、後半の波長は短くなり、この結果、パルスのスペクトルが広がる。
Next, the optical pulse train generated by the pulse light source generator is amplified by the
前述したように、フォトニック結晶ファイバなどによる非線形効果の変化が大きい非線形光学媒質108を用いることで、高効率に所望の広スペクトル帯域光を発生することができ、光周波数コム安定化に必要となる、レーザ光源101から供給される光源光の光エネルギーの最低閾値を低く抑制することが可能となる。
As described above, by using the nonlinear
次に、非線形光学媒質108により得られた広スペクトル帯域光は、検出部109において、自己参照型干渉計で長波長側の成分(長波長側のいずれかのコム)より第2高調波が生成され、これと短波長側の成分(短波長側のいずれかのコム)の基本波(第1高調波)とが干渉させられ、この結果発生する光ビートが検出されて光電変換される。これは、上記広スペクトル帯域光の帯域幅が1オクターブ以上の場合である。また、短波長側の基本波と生成した長波長側の基本波とによる差周波発生法により、オフセット光周波数の光信号を発生させ、これを検出するようにしても良い。
Next, in the broad spectrum band light obtained by the nonlinear
一方、得られる広スペクトル帯域光の帯域幅が1オクターブ未満の場合、長波長側の第3高調波と短波長側の第2高調波とを干渉させ、この結果発生する光ビートを検出する。言い換えると、検出部109では、入力した広スペクトル帯域光の光パルスより得られる長波長成分の第n高調波(nは2以上の整数)及び短波長成分の第n−1高調波の周波数差の光信号を検出する。
On the other hand, when the bandwidth of the obtained broad spectrum band light is less than one octave, the third harmonic on the long wavelength side and the second harmonic on the short wavelength side are caused to interfere with each other, and the resulting optical beat is detected. In other words, in the
以上のように発生されて光電変換されたオフセット光周波数の電気信号は、帰還制御部110において、マイクロ波参照信号供給部111より供給される参照信号と比較される。帰還制御部110では、この比較の結果が一定となるように、レーザ光源101の共振周波数,注入電流,及び温度などを可変してレーザ光源101から出力されるレーザの中心周波数を制御する。この結果、波長分散付与部104より出力される光周波数コムは、オフセット光周波数(キャリアエンベロープ位相の差)が安定した状態となり、繰り返し周波数frepに高い確度が得られている状態となる。
The electrical signal having the offset optical frequency generated and photoelectrically converted as described above is compared with the reference signal supplied from the microwave reference signal supply unit 111 in the
以上に説明したように、本実施の形態では、位相変調部102,マイクロ波基準周波数発生器103,及び波長分散付与部104により、光パルス生成手段を構成している。このように、本実施の形態では、位相変調によりパルス列を発生させる光パルス生成手段により、レーザ光源101からのCW光から光パルスを生成しているので、共振器長の制約を受けないため、繰り返し周波数frep(櫛目の間隔)を数十GHzとすることが実現可能となる。加えて、この繰り返し周波数frepには、前述したように高い確度が得られている。
As described above, in this embodiment, the
従って、本実施の形態の光周波数コム安定化光源によれば、ビームスプリッタ105より、高い確度で繰り返し周波数frep及びオフセット光周波数が保たれた光周波数コム安定化光を出力する(取り出す)ことができる。ビームスプリッタ105は、波長分散付与部104と光増幅器106との間に限らず、前述したように、位相変調部102と波長分散付与部104との間に配置しても良く、また、光増幅器106と光フィルタ107との間、光フィルタ107と非線形光学媒質108との間、非線形光学媒質108と検出部109との間に配置しても良い。この中で、非線形光学媒質108と検出部109との間にビームスプリッタ105を配置すると、より広帯域とされた状態の光周波数コム安定化光が得られる。
Therefore, according to the optical frequency comb stabilized light source of the present embodiment, the
なお、例えば、ファブリペロー共振器内に電気光学変調器を配置した変調装置を用いてCW光に周波数変調をかける構成とし、FM側帯波の光パルス列を発生させるパルス光源発生部としても良い(非特許文献7参照)。ここで、より深い周波数変調をかけることで、光周波数軸上に繰り返し周波数frepで並ぶ光コムの数を増加させることができる。電気光学変調器としては、LiNbO3などの電気光学結晶を用いることができる。この場合、共振器内に配置する電気光学変調器が、光パルス生成手段となる。 In addition, for example, a configuration in which a CW light is frequency-modulated using a modulation device in which an electro-optic modulator is disposed in a Fabry-Perot resonator may be used as a pulse light source generation unit that generates an optical pulse train of FM sidebands (non- (See Patent Document 7). Here, by applying deeper frequency modulation, the number of optical combs arranged at the repetition frequency f rep on the optical frequency axis can be increased. As the electro-optic modulator, an electro-optic crystal such as LiNbO 3 can be used. In this case, the electro-optic modulator disposed in the resonator serves as an optical pulse generation unit.
ところで、非線形光学媒質108において広スペクトル帯域が拡大される光パルス列の繰り返し周波数(周期)は、高い周波数で単位時間あたりのパルス数が多い。このため、光増幅器106では、全出力が増幅されて高くはなるが、1パルスあたりでは、非線形光学媒質108で広スペクトル帯域を発生させるために必要なパルスエネルギーにまで増幅されていない場合がある。このような場合、例えば図3に例示するように、光パルスの繰り返し周波数(周期)を低減(デューティー比を低減)させる光ゲート306を用い、光パルス列のピーク強度を増大させるようにしても良い。
By the way, the repetition frequency (period) of the optical pulse train in which the wide spectral band is expanded in the nonlinear
図3は、本発明の実施の形態における他の光周波数コム安定化光源の構成例を示す構成図であり、この光周波数コム安定化光源は、位相変調部102,マイクロ波基準周波数発生器103,及び波長分散付与部104によりなる光パルス生成手段から生成される光パルスの繰り返し周波数を、光ゲート306で低減させた後、光増幅器106に導入させるようにしたものである。光ゲート306は、マイクロ波基準周波数発生器103より出力される繰り返し周波数frepの繰り返し基準信号を分周器305により1/n(nは自然数)にした電気信号に同期する光ゲートである。
FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of another optical frequency comb stabilized light source according to the embodiment of the present invention. The optical frequency comb stabilized light source includes a
このような光ゲート306を用いることにより、光ゲート306の前のP1点では、図4(a)に示すように、繰り返し周波数がfでデューティー比がパルス幅×fであった波形の光パルスが、光ゲート306を通過したP2点では、図4(b)に示すように、繰り返し周波数がf/nでデューティー比がパルス幅×(f/n)の波形の光パルスとなる。このことにより、光増幅をする前の全出力強度が抑えられ、単位時間あたりのパルス数が減少され、結果として、光パルス列のピーク強度(パルス毎の強度)を増大させることができる。
By using such an
なお、この光周波数コム安定化光源では、図3に示すように、光増幅器302及びASE雑音などを除去する光フィルタ303を、波長分散付与部104と光ゲート306との間に備え、光パルスのピークパワーをより増大させるようにしている。加えて、この光周波数コム安定化光源では、光ゲート306の前段に、光パルス幅を低減させる非線形光学媒質304を備え、非線形光学媒質108において広スペクトル帯域光がより発生させやすい状態としている。非線形光学媒質108においては、入射する光パルスの幅が狭いほど、広スペクトル帯域光が発生しやすいものとなっている。
In this optical frequency comb stabilized light source, as shown in FIG. 3, an
また、図3に構成例を示す光周波数コム安定化光源では、光ゲート306を通過した光パルスは、デューティー比が低減されているため、光周波数コムとしてはあまり適していないものとなる。このため、ビームスプリッタ105は、光ゲート306の前段(光ゲート306より位相変調部102の側)に配置したほうがよい。なお、光ゲート306の前段に、非線形光学媒質108と同様の非線形光学媒質を配置しても良い。このようにすることで、光ゲート306に入射される光パルス列のスペクトル帯域を、より拡大させておくことができる。また、この場合、ビームスプリッタ105は、新たに加えた非線形光学媒質の前段に配置してもよく、新たに加えた非線形光学媒質と光ゲート306との間に配置しても良い。ビームスプリッタ105を、新たに加えた非線形光学媒質と光ゲート306との間に配置することで、スペクトル帯域がより広げられた光周波数コムが得られるようになり、より実用的となる。
Further, in the optical frequency comb stabilized light source shown in the configuration example in FIG. 3, the optical pulse that has passed through the
次に、制御部112の動作について、図5のフローチャートを用いてより詳細に説明する。制御部112では、まず、数値化部117が、検出部109で検出されている光ビートを光電変換した電気信号より、有効ピーク光強度を数値化した光ビート測定値を生成する(ステップS501)。また、数値化部117は、例えば広スペクトル帯域光の帯域幅が1オクターブ以上の場合、検出部で検出されている短波長側の基本波を光電変換した電気信号及び長波長側の第2高調波を光電変換した電気信号より、各々の有効光ピーク強度値を生成し、生成した2つの有効光ピーク強度値より、基本波と第2高調波とを干渉させた場合に発生する光ビートのピーク光強度の最大値を光ビート計算値として算出する(ステップS502)。
Next, operation | movement of the
次に、制御部112では、光学素子制御部118が、上述したことにより生成された光ビート測定値と算出された光ビート計算値とが一致していることを判定する(ステップS503)。なお、光ビート測定値と光ビート計算値との差が予め設定されている規定値(許容誤差)以下であることを判定しても良い。この判定が、一致していない、又は、規定値を超えている場合、光学素子制御部118は、光ビート計算値をもとに、検出部109では、自己参照型干渉計を制御(調整)する(ステップS504)。例えば、光学素子制御部118は、検出部109の自己参照型干渉計を構成している波長板の回転角,集光系レンズ及びミラーの角度(煽り),及び対象とする波長(第2高調波として取り出す波長)などの制御値を生成し、これを検出部109に通知する。この通知により、検出部109では、自己参照型干渉計の各部分の設定が変更(調整)される。
Next, in the
以上のステップS501〜ステップS504を繰り返し、ステップS503の判定が、一致している、又は、規定値の範囲内である場合、制御部112では、光源強度制御部119が、光ビート測定値が、光周波数コムの安定化に十分な強度値を越えていることを判定する(ステップS505)。光周波数コムの安定化に十分な強度値は、予め設定されている。なお、光ビート計算値が、光周波数コムの安定化に十分な強度値を越えていることを判定するようにしても良い。
When the above steps S501 to S504 are repeated and the determinations in step S503 match or are within the specified value range, in the
ステップS505の判定で、光ビート測定値が光周波数コムの安定化に十分な強度値を越えていない場合、光源強度制御部119は、レーザ光源101の強度を増幅させ、また、光増幅器106における増幅率を高くするなどの制御(調整)を行う(ステップS506)。また、ステップS505の判定で、光ビート測定値が光周波数コムの安定化に十分な強度値を越えている場合、制御部112は制御動作を終了する。
If it is determined in step S505 that the optical beat measurement value does not exceed the intensity value sufficient to stabilize the optical frequency comb, the light source
なお、制御部112は、例えば、CPUと主記憶装置と外部記憶装置とネットワーク接続装置となどを備えたコンピュータ機器であり、主記憶装置に展開されたプログラムによりCPUが動作することで、上述した各機能が実現される。
The
以上に説明したように、本発明における光周波数コム安定化光源は、任意の中心光周波数及び周波数間隔とすることが容易にできるようになり、従来に比較して、1桁以上繰り返し周波数が高く、また、より広い帯域の光周波数コムが実現できるようになり、例えば、より広い周波数の範囲で光周波数の測定が可能となる。また、本発明における光周波数コム安定化光源による光コムの各モードの利用は、通信分野及び分光学分野の発展に大きく寄与するものとなる。 As described above, the optical frequency comb stabilized light source in the present invention can be easily set to an arbitrary center optical frequency and frequency interval, and has a repetition frequency higher by one digit or more than the conventional one. In addition, an optical frequency comb having a wider band can be realized. For example, the optical frequency can be measured in a wider frequency range. The use of each mode of the optical comb by the optical frequency comb stabilized light source in the present invention greatly contributes to the development of the communication field and the spectroscopic field.
101…レーザ光源、102…位相変調部、103…マイクロ波基準周波数発生器、104…波長分散付与部、105…ビームスプリッタ、106…光増幅器、107…光フィルタ、108…非線形光学媒質、109…検出部、110…帰還制御部、111…マイクロ波参照信号供給部、112…制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記光源より発生したレーザ光を第1周波数で位相変調して前記第1周波数のパルス繰り返し周波数を有する光パルスを生成する光パルス生成手段と、
この光パルス生成手段により生成された光パルスの光スペクトル帯域を拡大させる非線形光学媒質と、
この非線形光学媒質により光スペクトル帯域が拡大された光パルスより得られる長波長成分の第n高調波(nは2以上の整数)及び短波長成分の第n−1高調波の周波数差の光信号を光電変換して電気信号を出力する検出手段と、
所定の第2周波数の参照信号を供給する参照信号供給手段と、
前記検出手段より出力される電気信号と所定の周波数の参照信号とを比較し、この比較の状態をもとに前記光源を制御する帰還制御手段と
を少なくとも備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。 A light source that generates continuous laser light;
Optical pulse generating means for phase-modulating laser light generated from the light source at a first frequency to generate an optical pulse having a pulse repetition frequency of the first frequency;
A non-linear optical medium that expands the optical spectrum band of the optical pulse generated by the optical pulse generating means;
An optical signal having a frequency difference between the nth harmonic of the long wavelength component (n is an integer of 2 or more) and the n-1th harmonic of the short wavelength component obtained from the optical pulse whose optical spectrum band is expanded by the nonlinear optical medium. Detecting means for photoelectrically converting and outputting an electrical signal;
Reference signal supply means for supplying a reference signal of a predetermined second frequency;
An optical frequency comb stable comprising at least feedback control means for comparing the electrical signal output from the detection means with a reference signal of a predetermined frequency and controlling the light source based on the comparison state. Light source.
前記光パルス生成手段は、
前記レーザ光を前記第1周波数で位相変調する位相変調機能部と、
前記位相変調機能部により位相変調された前記レーザ光に波長分散を与えることで、前記第1周波数のパルスの繰り返し周波数を有する光パルスを生成する波長分散付与機能部と
を備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。 The optical frequency comb stabilized light source according to claim 1,
The optical pulse generation means includes
A phase modulation function unit for phase-modulating the laser beam at the first frequency;
A chromatic dispersion providing function unit configured to generate an optical pulse having a repetition frequency of the pulse of the first frequency by giving chromatic dispersion to the laser light phase-modulated by the phase modulation function unit. Optical frequency comb stabilized light source.
前記光パルス生成手段は、
ファブリペロー共振器内に配置された電気光学変調器を含み、
前記電気光学変調器は、前記レーザ光に変調をかけるものである
ことを特徴とする光周波数コム安定化光源。 The optical frequency comb stabilized light source according to claim 1,
The optical pulse generation means includes
Including an electro-optic modulator disposed in a Fabry-Perot resonator;
The electro-optic modulator modulates the laser light. An optical frequency comb stabilized light source, wherein:
前記光パルス生成手段と前記非線形光学媒質との間に配置され、
前記光パルス生成手段より生成される光パルスの繰り返し周波数を低減させる光ゲートを備えることを特徴とする光周波数コム安定化光源。 In the optical frequency comb stabilized light source according to any one of claims 1 to 3,
Arranged between the optical pulse generating means and the nonlinear optical medium;
An optical frequency comb stabilized light source comprising an optical gate for reducing a repetition frequency of an optical pulse generated by the optical pulse generating means.
前記検出手段より出力される電気信号の強度を元に前記光源のレーザ光出力を制御する制御手段を備える
ことを特徴とする光周波数コム安定化光源。 In the optical frequency comb stabilized light source according to any one of claims 1 to 4,
An optical frequency comb stabilized light source comprising control means for controlling the laser light output of the light source based on the intensity of the electrical signal output from the detection means.
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